开花期灌水对小麦减氮增效的潜力及氮高效利用机制研究

纪耀坤，孟自力，高 磊

(1.商丘职业技术学院，河南商丘 476000；2.商丘市农林科学院，河南商丘 476000；3.河南省商丘市土壤肥料站，河南商丘 476000)

影响小麦生长的主要因素有2个方面，即土壤养分以及水分，这二者对小麦的成长来说相互影响、相互制约。一方面，氮素是作物生产中需求量较大的营养元素。缺氮会导致叶片发黄、根数减少等症状，最终导致小麦减产，如果小麦当中的氮素营养含量过高，会造成小麦茎叶徒长，生育后期出现贪青晚熟的情况，因此，确定适宜的施氮量至关重要。另一方面，黄淮南片腹地自然界的降水量不能满足小麦的生长所需，这时需要依靠人工灌水对小麦进行水分补充，因此确定适宜的补灌时期很是关键。小麦对养分的吸收、转运和分布受水分影响，白莉萍等研究认为，小麦的拔节水以及开花水，这2个阶段灌水对小麦的产量是最为有利的2个阶段，特别是在小麦的生育后期进行及时有效的灌溉，可以使小麦对氮素的吸收和增长有明显的提升。因此，本研究针对麦田在减氮处理的条件下增加开花期灌水，对小麦的氮素转运和旗叶光合特性进行分析，探索合理的施氮和补灌模式，明确减氮增效的潜力及氮高效利用机制，这对黄淮地区增加小麦产量、提高氮肥和水分利用率以及改善生态方面都有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年10月至2020年6月在商丘市农林科学院试验基地(115°46′～116°29′E，33°32′～34°42′N)进行，该地年平均气温13.9 ℃，年降水量达690 mm，前茬作物为玉米，供试土壤为两合土。试验区0～20 cm土壤基础理化性状为：全氮含量0.78 g/kg，有机质含量2.2%，速效钾含量 93.37 mg/kg，速效磷含量35.31 mg/kg，pH值7.96。

1.2 试验设计

试验选用半冬性小麦品种商麦178为供试材料，试验采用二因素裂区设计，主区是灌水为主，设计2个灌水区域进行分析，分别记作W1(灌拔节期和开花期水)和W2(灌拔节期水)，每次灌溉量为60 mm。副区为施氮量，设全生育期施氮0 kg/hm(不施氮)、150 kg/hm(减氮40%)、200 kg/hm(减氮20%)、250 kg/hm(常规施氮)4个水平，分别记作N0、N150、N200、N250。该试验共8个处理，每个处理3次重复，共24个小区，每个小区长5 m、宽1.5 m，面积7.5 m，W1和W2间隔5 m，小区间过道0.4 m。播前需要基施PO150 kg/hm、KO 120 kg/hm，氮肥底施50%，返青期追施50%。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 植株氮素含量的测定 于开花期分别取20个单茎的茎与叶鞘、叶与穗，灌浆至成熟期分别取茎与叶鞘、叶、穗轴与颖称干物质质量，采用凯氏定氮法测器官含氮量。

1.3.2 籽粒灌浆速率 于开花期及开花后每隔7 d取穗，烘干脱粒，称质量并计算灌浆速率。

1.3.3 旗叶光合速率测定 采用LI-6400光合仪(LI-6400，LI-COR，Lincoln，NE，USA)测定光合速率，分别于开花后0、7、14、21、28、35 d的09：00—11：00，选方向一致的旗叶测净光合速率。

1.3.4 小麦植株光合有效辐射及光截获量 采用英国Delta公司生产的SUNSCAN冠层分析系统(SUNSCAN Canopy Analysis System)，于花后0、7、14、21、28、35 d测定光合有效辐射截获率。

1.3.5 产量及其构成三要素 于小麦成熟期小区内取20穗测穗粒数与千粒质量；取1 m双行样段调查穗数；计算产量，并换算成公顷产量。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2010、DPS 9.01软件进行数据处理和方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理营养器官和籽粒氮素积累动态

由表1可以看出，开花后小麦植株和籽粒氮素积累不同时段差异明显，7 d与14 d的W2>W1，W2表现为W2N250>W2N200>W2N150>W2N0，W1表现为W1N200>W1N250>W1N150>W1N0，说明W2处理比W1处理前期更有利于营养器官和籽粒的氮素积累；开花后21 d出现较大幅度的转折，W1增加显著，与W2对应的其他各处理差异均达到显著水平(<0.05)，均表现为W1N200>W1N250>W1N150>W2N250>W2N200>W1N0>W2N150>W2N0，开花后28和35 d期间变化趋势与21 d基本一致，说明W1处理更有利于营养器官和籽粒花后中后期的氮素积累及产量的形成。

表1 不同处理小麦花后营养器官和籽粒氮素积累量 kg/hm2

2.2 不同处理籽粒灌浆速率

由图1可以看出，开花后籽粒灌浆速率先升高后降低，14～21 d达到峰值，之后逐渐下降。开花后0～14 d灌浆速率W2对应的施氮处理显著高于W1处理，说明灌水初期对小麦籽粒灌浆造成一定的负面影响，但是持续时间较短；而在14 d后W1处理灌浆速率均出现反超W2的现象，14～35 d的灌浆速率W1处理比W2处理增加显著，说明灌水处理2周后能够大幅提高籽粒的灌浆速率，促进产量的形成。可见，W2处理能够促进灌浆前期籽粒灌浆，而W1处理会在灌浆中后期保持较高的灌浆速率，有利于灌浆中后期粒质量的提高。

2.3 不同处理成熟期各器官氮素的转移量和籽粒积累量

由表2可以看出，成熟期籽粒氮素积累量表现为W1N200>W2N250>W1N250>W1N150>W2N200>W2N150>W1N0>W2N0，进一步证明了灌水处理和增加氮素水平都有利于花后籽粒氮素积累。各营养器官氮素转移量W1N200最高，茎秆+叶鞘氮素转移量W1N200、W1N250、W2N250高于其他处理，W1N200活秆成熟表现最好，说明根据源库流学说水氮运筹茎秆(流)能够充分提供给籽粒(库)水分和养分，达到增产的效果。叶片氮素转运量表现为W1N200高于其他处理，W2N250次之，W2N0 最少，说明水氮运筹能够延长叶片的功能期，不至于缺水或者缺氮造成叶片早衰，对保证小麦的产量至关重要。穗轴+颖壳作为氮素转移到籽粒(库)的最后一个环节，如果出现穗下节间变黄则从生理上说明已经成熟不再转运养分和水分，其氮素转运量变化规律与叶片基本一致，进一步说明了水氮运筹对小麦增产的重要性。

表2 成熟期各个器官氮素的转移量及籽粒积累量 kg/hm2

2.4 不同处理开花后旗叶净光合速率

由图2可以看出，花后0 d和35 d表现差异不显著，可能和刚浇完开花水小麦旗叶生理机能滞后以及小麦生育后期旗叶几乎处于停滞状态有关；开花 7～28 d的旗叶净光合速率为 W1N200、W2N250 显著高于其他处理，W1N250、W1N150次之，W2N0 最少，从高到低排序为W1N200>W2N250>W1N250>W2N200>W1N150>W2N150>W1N0>W2N0，说明W1处理下施氮量为200 kg/hm时小麦旗叶净光合速率最高，可以有效提高碳同化效率，为高产奠定基础。因此，旗叶净光合速率的高低可以作为判断灌水和施氮量对小麦增产作用机理的一项重要指标。

2.5 不同处理开花后冠层光合有效辐射截获率

由表3可以看出，开花 0 d 及花后7、14、21、28 d光合有效辐射截获率均表现为 W1N200最高，W2N250、W1N250次之，W2N0最低，说明W1处理下施氮量为 200 kg/hm处理时开花后冠层光合有效辐射截获率能显著提高小麦对碳的吸收转化能力，从而大幅提高产量。在花后0～28 d内，随着时间推移灌水和施氮量对有效光截获的影响逐渐增加，在28 d时差值最大，说明有效光截获可以作为反映灌水和施氮量对小麦增产作用机理的重要指标。

表3 不同处理开花后冠层光合有效辐射截获率

2.6 不同处理籽粒产量及其构成因素

由表4可以看出，W1和W2各处理的穗数随着施氮量的增加而增加，其中W1N250、W1N200、W2N250、W2N200显著高于其他处理，比各自组内对照分别增加12.74%、11.93%、11.54%、10.21%，说明施氮量有利于分蘖成穗。而穗粒数W1和W2灌水处理各自施氮量处理间差异均不显著，说明不同灌水处理和施氮水平对穗粒数的形成影响较小。千粒质量W1处理N200和N250无显著差异，但N200显著高于N150、N0，随着施氮量的增加千粒质量出现先增加后降低的趋势，W2处理呈现N250>N200>N150>N0的情况，其中W1N200、W2N250千粒质量均达到各处理的最大值，说明施氮水平和灌水处理同时影响着后期籽粒干物质的形成；最终籽粒产量W1N200、W2N250表现最好，W1N200略高，其他各处理间差异均达到显著水平(<0.05)，商麦178在W1N200(减氮20%)处理下获得了最高产量，说明灌开花水能够提升氮肥利用效率，较常规施氮节约施氮20%的情况下提升产量，从而获得减氮增效的最大潜力。

表4 不同处理对小麦产量及其构成因素的影响

3 讨论与结论

植株氮素积累量与转运量是评价长势、提高产量和改善品质的重要指标。植株对氮素的吸收特性同样由土壤水分含量决定。小麦氮素吸收效率在适宜的水分含量下提高，在水分过量的情况下产生不利影响。有研究表明，小麦开花前期水分逆境会导致营养器官中的氮转移至籽粒的量降低。本试验研究显示，开花后7 d和14 d营养器官和籽粒氮素积累量均表现为W2>W1，说明开花期浇水后初期不利于营养器官和籽粒的氮素积累，与上述观点一致；开花后21 d出现较大幅度的转折，W1处理的营养器官和籽粒氮素积累显著增加，与小麦氮素吸收可与在适宜的水分含量下提高观点一致。氮素在小麦根、茎、叶中的流转在开花期到成熟期持续进行着，其主要流转方向是从营养器官到穗部。有研究发现，营养器官输入籽粒的氮素占籽粒总氮素的80%左右，营养器官中的氮素向籽粒中转移比例会因适宜的土壤水分而提高。本研究发现，各营养器官氮素转移量W1N200最高，W1处理下的水氮运筹能够延长叶片的功能期，茎秆+穗轴+颖壳能够充分提供给籽粒水分和养分，达到增产的效果，进一步说明了水氮运筹对小麦增产的重要性。

杨丽丽等研究发现，中度干旱对小麦籽粒灌浆及水分利用都有良好作用；刘溢健研究发现，如果小麦在灌浆期处于轻微水分缺乏的状态会提高相关酶的活性，能够积累更多的有机物。本试验结果显示，开花后0～14 d灌浆速率W2对应的施氮处理显著高于W1处理，说明灌水初期对小麦籽粒灌浆造成一定的负面影响，但是持续时间较短，与居辉、杨丽丽、刘溢健等的研究观点一致；而在 14 d 后W1处理灌浆速率均出现反超W2的现象，14～35 d 的灌浆速率W1处理比W2处理增加显著，说明灌水处理2周后土壤水分含量适宜，能够大幅提高籽粒的灌浆速率，促进产量的形成。

施氮量对小麦光合速率有显著影响。在施氮量0～270 kg/hm时，随氮肥施用量的增加小麦净光合速率增加，且不同处理下小麦净光合速率在开花0～28 d呈先增加后减少的趋势，在开花14 d达到最高。本研究发现，开花7～28 d 的旗叶净光合速率为W2N250 显著高于其他处理，说明在开花期缺水的情况下W2N250旗叶光合速率最高，与上述观点一致，但是本试验发现在14～21 d达到峰值与上述结论有所差异，尚需进一步验证。许振柱等研究发现，如果土壤缺少水分出现水分胁迫会使光合作用降低。本试验发现，灌开花水处理下7～28 d施氮量为200 kg/hm时小麦旗叶净光合速率最高，说明此时土壤水分含量较适宜于小麦旗叶的光合作用。因此，旗叶净光合速率的高低可以作为判断灌水和施氮量对小麦增产作用机理的一项重要指标。研究表明，施氮量为0～270 kg/hm时，随氮肥施用量的增加，开花后冠层光合有效辐射截获率呈现先增加后减少的趋势，在210 kg/hm时达到最高。本研究表明，开花后 0～28 d时间段W1N200最高，W1处理下施氮量为200 kg/hm时冠层光合有效辐射截获率能显著提高小麦对碳的吸收转化能力从而大幅提高产量，与前人研究结果一致；并发现在花后0～28 d的时间内，随着时间推移灌水和施氮量对有效光截获影响逐渐增加，在 28 d 时差值最大，说明有效光截获可以作为反映灌水和施氮量对小麦增产作用机理的重要指标。

不同灌水下各氮肥处理产量变化主要原因有2个：一是施氮量显著增加了穗数，二是水氮协作提高了千粒质量。张炳勇等研究认为，增施氮肥使得单位面积总穗数增多。本研究表明W1、W2各施氮处理穗数均随氮肥施用量增加显著增加，与上述观点一致，另外发现千粒质量W2处理N250最高，W1处理N200与N250差异不显著，说明施氮水平和灌水处理同时影响着后期籽粒干物质的形成；最终籽粒产量W1N200、W2N250表现最好，W1N200略高，与其他各处理间差异均达到显著水平(<0.05)。商麦178在W1N200(减氮20%)处理下获得了最高产量，说明灌开花水能够提升氮肥利用效率，较常规施氮节约施氮20%的情况下提升产量，从而获得减氮增效的最大潜力。