施氮量对不同土壤肥力条件下冬小麦光合特性和产量的影响

刘卫星，王家瑞，王晨阳，卢红芳，康 娟，申圆心

(1.河南农业大学，河南郑州 450002； 2.河南省科学技术发展战略研究所，河南郑州 450008)

氮素是植物生长发育所必需的大量元素之一，主要存在于叶绿体和蛋白质中[1-3]。叶片中75%的还原氮以Rubisco酶的形式参与植株的光合作用[4]，施氮可增加叶片的叶绿素含量和光合面积，延缓衰老，提高叶片的光合能力和花后干物质同化量，对小麦产量的增加有十分重要的作用[5-8]。严桂珠等[9]研究表明，施氮可增加小麦产量，施氮量为225 kg·hm-2时产量最高，继续增加施氮量，增穗、促粒和增产效应不显著。周顺利等[10]通过研究不同小麦品种对氮肥的响应，发现多数品种施氮量为180 kg·hm-2时产量最高。因此，不同土壤肥力麦田达到高产所需的施氮量不同。不同生态条件、肥力水平均影响作物施肥量，减少施肥可提高肥料利用率，但土壤氮素亏缺，因此，优化减氮要在保证产量的基础上，综合考虑土壤肥力和养分供需平衡[11]。

黄淮平原麦区是我国小麦主产区，主要的种植模式是小麦-玉米一年两熟轮作模式[12]。张福锁等[13]研究发现，该地区氮肥施用量远高于作物生长需求，尽管作物产量较高，但氮素利用率较低。前人对有关氮肥运筹的研究仅考虑单季或单一作物，且试验持续时间短，而同时在不同肥力条件下施氮量及冬小麦光合特性与产量形成的关系研究相对较少。因此，本研究在大田定位试验的基础上，研究不同肥力条件下施氮量对冬小麦光合特性与产量的影响，以期为实现减肥增效、增产环保的目标提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验分别于2012―2017年度在河南省开封市祥符区八里湾姬坡农场(34°73′N，114°64′E)、于2012-2016年度在郑州市河南农业大学科教园区(34°87′N，113°59′E)、于2014-2017年度在河南省开封市水稻乡(34°90′N，114°33′E)3个试点进行，大田定点、定位试验同时进行。3个试点播前耕层(0～20 cm)土壤理化性质见表1，其中，开封八里湾试点土壤肥力水平高，用KFH表示；郑州试点土壤肥力水平中等，用ZZM表示；开封水稻乡试点土壤肥力水平低，用KFL表示[14]。

表1 供试土壤0～20 cm理化性质Table 1 Soil physicochemical characteristics of the field experiment in 0-20 cm soil

1.2 试验设计

本研究采用小麦-玉米周年轮作体系的田间定位试验，开封八里湾试点开始于2012年10月，小区面积为115.2 m2(6.4 m×18.0 m)；郑州试点开始于2012年10月，小区面积为20.3 m2(2.9 m×7 m)；开封水稻乡试点开始于2014年10月，小区面积为48.0 m2(4.0 m×12.0 m)。3个试点均设置4个施氮水平，小麦季纯氮施用量分别为0、180、240和300 kg·hm-2，分别用N0、N180、N240和N300表示，随机区组设计，3次重复。氮肥底追比例为5∶5，磷肥(P2O5150 kg·hm-2)和钾肥(K2O 120 kg·hm-2)全部底施。供试小麦品种均为豫麦49-198，行距为20 cm，每年10月11日至15日播种，次年的5月底至6月初收获。供试玉米品种为郑单958，对应小麦季N0、N180、N240和N300的4个施氮处理，玉米季纯氮施用量分别为0、225、300、375 kg·hm-2，氮肥按照3∶7的比例分别于拔节期和大喇叭口期2次追施，磷肥(P2O590 kg·hm-2)和钾肥(K2O 120 kg·hm-2)全部在拔节期施入。以下施氮处理均以小麦季4个纯氮施用量表示。3个试点采用统一的耕作、灌水和病虫害防治等管理措施。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 光合速率的测定

于开花期，选择生长一致且有代表性的叶片，挂牌标记。分别于小麦花后0、7、14和21 d，用 Li-6400XT便携式光合测定仪(LI-COR，USA)测定旗叶、倒二叶和倒三叶的净光合速率(Pn)。测定时选择晴朗无云的上午(9:00-11:00)，设置饱和光强为1 200 μmol·m-2·s-1，叶室温度为 25 ℃，CO2浓度为400 μmol·mol-1。

1.3.2 叶绿素a和叶绿素b含量的测定

称取新鲜的小麦叶片0.2 g左右(去除叶脉)，剪碎放入25 mL的棕色容量瓶中，用95%的乙醇定容，密封避光保存48 h，叶绿素a和叶绿素b在95%乙醇中最大吸收峰的波长为665 nm和649 nm，在此波长下测定吸光度，分别记为D665和D649，空白对照为95%乙醇。重复3次。

叶绿体色素含量=色素的浓度×提取液体积×稀释倍数/样品鲜重

叶绿素a色素浓度Ca=13.95D665- 6.88D649；

叶绿素b色素浓度Cb=24.96D649- 7.32D665

1.3.3 叶片Rubisco酶活性和全氮含量的测定

称取小麦叶片鲜样0.1 g，按照索莱宝Rubisco活性检测试剂盒说明书测定叶片Rubisco酶的活性。叶片烘干粉碎后，采用H2SO4-H2O2消煮法和凯氏定氮法测定叶片全氮含量。

1.3.4 产量测定

于成熟期，每小区选生长均匀一致的区域面积用于产量计算，郑州点划定3.0 m×12行(包含2个边行)，开封的两个试点划定3.0 m × 12行(包含1个边行)，收获后测定籽粒水分，折合计算出实际产量(按12%折算)。

1.4 数据处理与统计方法

采用Excel 2013和SPSS 17.0软件进行数据处理，采用Duncan新复极差方法对不同处理进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 施氮量对不同土壤肥力条件下冬小麦产量的影响

从表2可以看出，高、中、低肥力麦田的产量分别为5 032.3～8 596.6 kg·hm-2、2 721.1～ 8 137.4 kg·hm-2和1 442.2～5 764.4 kg·hm-2。与N0处理相比，在不同肥力麦田，施氮处理基本上都显著提高了小麦产量(除 2012-2013年度高肥力麦田N180、N300处理与N0处理无显著差异外)，在N240处理下，小麦产量最高，但2013-2014和2014-2015年度在高肥力条件下，与N240处理相比，N300处理下小麦产量仍有所增加，但未达到显著水平。冬小麦产量在N0处理下随定位试验时间的延长均呈逐渐降低趋势，低肥力麦田产量下降幅度最大，高肥力麦田次之，中肥力麦田下降幅度最小。说明持续无氮肥施入，土壤供氮能力逐渐降低，且对低肥力麦田影响最明显。

表2 施氮对不同肥力麦田冬小麦产量的影响Table 2 Effect of nitrogen application rates on grain yield of wheat from 2012-2017 growing seasons under different soil fertility kg·hm-2

施氮量与产量的回归分析表明，随着施氮量的增加，不同肥力下小麦产量均呈抛物线变化，其产量效应方程分别为：

高肥力麦田(KFH)：y=5 855.9+15.295x-0.026 5x2(r=0.751 1**)

中肥力麦田(ZZM)：y=3 032.4+37.215x-0.080 8x2(r=0.924 9**)

低肥力麦田(KFL)：y=2 221.0+23.185x-0.041 9x2(r=0.859 1**)

基础肥力产量以高肥力麦田最高(5 855.9 kg·hm-2)，中肥力麦田次之 (3 032.4 kg·hm-2)，低肥力麦田最低(2 221.0 kg·hm-2)。而其施氮增产效应则表现出相反趋势，高肥力条件下，2012-2017各年度所有施氮处理平均产量较N0处理分别增加10.8%、 34.7%、36.1%、47.3%和 54.9%；中肥力条件下，2012-2016各年度分别增加125.3%、 113.1%、136.4%和165.8%；低肥力条件下，2014-2017各年度分别增加 63.3%、160.4%和 288.2%。这表明随着试验时间的延续，施氮的增产效应逐渐增加，且以中、低肥力条件下施氮增产效应明显。

施氮处理显著增加了小麦的穗数和穗粒数，从产量构成因素看，施氮后产量的提高主要依靠穗数的增加，其次是穗粒数(表3)，高、中、低肥力条件下，施氮处理的穗数(2012-2017年度N180、N240和N300处理的平均值)较N0处理分别增加27.3%、98.7%和44.8%，穗粒数分别增加17.1%、 20.3%和68.6%，而千粒重则呈下降趋势。总体来看，N240处理的穗数和穗粒数处于较高水平，N240处理较N0处理的多年平均穗数分别增加 29.3%(KFH)、104.5%(ZZM)和46.3%(KFL)，穗粒数分别增加19.3%(KFH)、24.0%(ZZM)和74.5%(KFL)。从产量构成因素看，产量由低产到中高产主要依靠穗数的增加，由中高产到高产主要依靠穗粒数的增加。

表3 施氮对不同肥力麦田冬小麦产量构成因素的影响Table 3 Effect of nitrogen application rates on wheat yield components under different soil fertility

2.2 不同施氮水平对小麦叶片光合速率的影响

由于叶片净光合速率、叶绿素、全氮及Rubisco活性等生理指标在不同肥力试点及年份间有相似的变化规律，因此，本研究选取试验中期(2014-2015年度)及中肥力试点(郑州)的数据进行分析。由表4可知，叶片光合速率随叶位降低而下降，但随着灌浆进程的推进，影响效应减弱。在开花期，旗叶所有处理的平均光合速率较倒二叶和倒三叶分别增加13.6%和37.1%，在花后21 d，分别增加7.4%和41.9%。施氮处理显著增加顶三叶的光合速率，开花期N180、N240和N300处理的旗叶净光合速率较N0处理分别增加22.5%、31.5%和19.4%。倒二叶净光合速率在N240处理下最高，在花后14 d显著高于其他处理；倒三叶光合速率在N300处理下最高，在花后0～14 d均显著高于其他处理。说明不同位置叶片的光合能力对氮肥的响应有所差异。

表4 不同施氮水平对小麦灌浆期顶三叶光合速率的影响(郑州，2014-2015年)Table 4 Effect of different nitrogen application rates on photosynthesis rate of flag leaf,top second leaf and top third leaf(Zhengzhou,2014-2015) μmol·m-2·s-1

2.3 不同施氮水平对小麦叶片叶绿素含量的 影响

从表5可以看出，叶片叶绿素含量随叶位降低而减小。与旗叶相比，倒三叶所有处理的平均叶绿素a含量在开花期、花后14 d和花后21 d分别降低20.4%、24.0%和14.4%，叶绿素b分别降低9.0%、17.43%和-0.8%。施氮处理显著增加了顶三叶叶绿素a和叶绿素b的含量，开花期和花后14 d，顶三叶的叶绿素含量均以N240处理最高。且开花期旗叶叶绿素a含量在N240处理下与N180处理无显著差异，而N240处理的叶绿素b含量显著高于其他处理；花后14 d，倒二叶叶绿素含量在N240处理下均显著高于其他处理；倒三叶叶绿素a含量在N240处理下与N300处理无显著差异，叶绿素b含量在N240处理下与N300处理无显著差异。花后21 d，旗叶叶绿素含量均以N240处理下最高，且N240处理的叶绿素b含量均显著高于其他处理；倒二叶叶绿素含量均以N300处理下最高，与N180、N300处理差异不显著；倒三叶叶绿素a含量以N240处理下最高，与N180处理无显著差异，叶绿素b含量以N300处理下最高，与N180、N300处理差异不显著。

表5 不同施氮水平对小麦灌浆期顶三叶叶绿素含量的影响(郑州，2014-2015年)Table 5 Effect of different nitrogen application rates on the contents of Chl a and Chl b of flag leaf,top second leaf and top third leaf(Zhengzhou,2014-2015) mg·g-1 FW

2.4 不同施氮水平对小麦叶片全氮含量的影响

从表6可以看出，随灌浆进程的推进，顶三叶全氮含量逐渐下降。叶片全氮含量随叶位降低而下降，旗叶所有处理的平均全氮含量较倒二叶和倒三叶分别增加8.6%和25.5%(开花期)、 11.8%和32.8%(花后7 d)、11.2%和41.1%(花后14 d)、7.5%和36.0%(花后21 d)。施氮处理显著增加了顶三叶的全氮含量，与N0处理相比，施氮处理旗叶的全氮含量增加56.5%～ 306.2%，倒二叶增加37.9%～304.7%，倒三叶增加46.1%～298.2%。开花期和花后7～21 d，各处理均以N300处理下顶三叶的全氮含量较高，除花后7 d的倒二叶、花后14 d的旗叶以及花后21 d的旗叶和倒三叶外，各时期N300处理的顶三叶全氮含量均显著高于其他处理。

表6 不同施氮水平对小麦灌浆期顶三叶全氮含量的影响(郑州，2014-2015年)Table 6 Effect of different nitrogen application rates on nitrogen accumulation of flag leaf,top second leaf and top third leaf(Zhengzhou,2014-2015) g·kg-1

2.5 不同施氮水平对小麦叶片Rubisco活性的影响

由表7可知，随灌浆进程的推进，Rubisco活性逐渐下降。Rubisco活性随叶位降低而下降，灌浆期旗叶所有处理的平均Rubisco活性较倒二和倒三叶分别增加12.5%和28.7%。施氮处理显著增加了顶三叶的Rubisco活性，与N0处理相比，施氮处理旗叶的Rubisco活性增加36.6%～52.1%，倒二叶增加17.9%～52.4%，倒三叶增加27.4%～59.0%。开花期和花后7～21 d，各处理顶三叶的Rubisco活性均以N240处理最高，除开花期和花后14～21 d的倒二叶以及花后7 d的倒三叶外，各时期N240处理的顶三叶Rubisco活性均与N300处理无显著差异。

表7 不同施氮水平对小麦开花期顶三叶Rubisco活性的影响(郑州，2014-2015年)Table 7 Effect of different nitrogen application rates on Rubisco activity of flag leaf, top second leaf and top third leaf(Zhengzhou,2014-2015) μmol·mL-1·min-1

3 讨 论

氮肥是作物获得高产的基础，研究表明，定位试验4年后，施氮处理小麦的平均产量较不施氮处理产量增加230%[21]，在土壤水分充足的条件下，施氮200～300 kg·hm-2能获得较高的产量[22]。本研究表明，施氮对三种肥力土壤的增产效应存在差异，在定位试验进行3年后，高、中和低肥力麦田施氮处理平均产量分别增加36.1%(2014-2015年度)、136.4%(2014-2015年度)和288.2%(2016-2017年度)，随着土壤肥力下降，施氮的增产效应逐渐增加。原因可能是高肥力土壤播前土壤硝态氮积累量较高，施氮的增产效应减弱[23]。在施氮处理间，高、中和低肥力条件下，试验年度N240处理下的平均产量较N180处理分别增加7.0%、7.0%和6.1%，而继续增加施氮量(N300)则产量降低。施氮增加小麦产量主要是通过协调穗数、穗粒数和千粒重来实现。适量增施氮肥，可增强小麦的分蘖能力，促进穗花的发育，增加穗数和穗粒数[23]。叶优良等[24]研究表明，施氮量在0～90 kg·hm-2范围内，小麦千粒重和穗粒数随施氮量的增加而显著增加，而施氮量超过90 kg·hm-2时，穗粒数增加不显著，超过180 kg·hm-2时，千粒重增加也不显著。本试验条件下，施氮增加产量主要依靠穗数的增加，其次是穗粒数。施氮处理的穗数(2012-2017年度N180、N240和N300处理的平均值)较N0处理分别增加27.3%、98.7%和44.8%，穗粒数分别增加17.1%、20.3%和68.6%。产量由低产到中产水平时，产量的增加主要依靠穗数的增加。而由中产到高产水平，产量的增加主要依靠穗粒数的增加。小麦产量和施氮增产效果与土壤肥力密切相关，土壤基础肥力高，则土壤对产量的贡献大，对氮肥依赖性较低，施氮增产效果差。因此，为了充分发挥氮肥的增产效应，在中肥力麦田应提倡稳氮(施氮240 kg·hm-2)，以促穗为主，高肥力麦田应注意控氮(施氮180 kg·hm-2)，以增粒为主。结合不同土壤肥力和不同时期养分供应能力等确定适宜的施氮量，同步实现减肥增效、增产环保。