施氮深度对小麦光合及生长特性的影响

郭宏娟张绪成尹嘉德侯慧芝薛云贵毛伟滔

(1.甘肃农业大学农学院,兰州 730070;2.甘肃省农业科学院旱地农业研究所,兰州 730070;3.甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室,兰州 730070)

肥料是作物生长发育所需矿质养分的主要来源,通过优化施肥方式能够显著提高作物养分吸收和利用效率,是实现作物增产增效的有效措施[1]。合理的施肥深度有利于作物形态指标的增加,能有效改善作物的生理特性,从而提高作物产量[2-3]。氮素是蛋白质、核酸、叶绿素等生理活性物质的组成元素,直接影响作物的光合作用、产量及品质[4]。氮肥深施能对作物产量和氮肥利用效率产生显著影响[5-7]。研究发现,氮肥深施比表层撒施更有利于氮素的吸收和转运,即适宜的施氮深度是提高氮肥利用效率和作物产量的有效措施[8-9]。其原因主要是一方面合理的施氮深度可以改变作物深层土壤根系形态特征和生理活性,改善作物叶片光合生理特性,利于干物质累积和转运[10-12];另外,氮肥深施可以减少氮素流失,提高叶绿素含量和改善光合特性及延缓叶片功能期,增加光合产物累积[13-16],尤其针对小麦而言,灌浆期是籽粒产量形成的关键时期,但这一时期叶片的光合特性正处于衰退状态,氮肥深施可以延缓旗叶衰老,延长灌浆时间,进而提高小麦籽粒产量[17]。

光合作用是生态系统最为重要的化学反应之一[18],光响应曲线通过分析光合参数与光合有效辐射的变化趋势,模拟计算光合特征参数,是研究植物光合作用与环境互作关系、分析植物光合效率、生长速率和适应环境能力强弱的主要方法之一[19]。研究不同施氮深度下作物光反应曲线的变化规律,进而分析其对光合特性的影响,是定量化分析施氮深度对作物光合作用调节机制的重要手段,并可以揭示化肥深施增产的生理调节机制。然而,目前大多研究集中在施肥深度的产量和水分利用效应方面,而从施氮深度-光合特性-生长速率-产量的角度,来分析施氮深度增产机制的研究较少。针对上述问题,本试验通过生长模拟桶培养小麦,分析充分供水条件下氮肥深施对小麦光合特性、生长速率和生物量的影响,从光合生理角度探明施肥深度和作物生长和生物量累积的影响,以期为小麦化肥深施技术提供理论参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021年3—8月在甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村甘肃省农业科学院定西验站(国家土壤质量安定观测实验站/农业农村部西北黄土高原地区作物栽培科学观测实验站,地理坐标35°35'00″N,104°36'00″E)可移动式遮雨棚下进行。供试土样采自甘肃省农业科学院定西试验地0～30 cm 的耕层土壤,取土自然风干后过500目筛,所用土壤有机质为12 g·kg-1,全氮为1.2 g·kg-1,全磷为0.7 g·kg-1,速效磷为8.7 mg·kg-1,速效氮为5.6 mg·kg-1,p H 8.4,供试品种为适宜在甘肃省中部春麦旱地品种‘陇春35号’。

1.2 试验设计

本试验用PVC 材质的生长模拟桶(图1)培养材料,以小麦为研究对象,设置施肥深度15 cm(W15)、30 cm(W30)、和45 cm(W45)3个处理,每个处理设置10桶,另种植10桶作为备用和替换,共计种植试验材料40桶,在小麦幼苗长至3片真叶后定苗,去除分蘖,每桶定植40株,整个生育期各生长模拟桶栽培管理措施保持一致。在生长模拟桶内每20 cm 布设盘状渗灌带用以补充水分,在15 cm、30 cm、45 cm 土层布设盘状滴灌带,用以养分分层供给,渗灌带和滴灌带的水平间距均为10 cm,滴头间距为10 cm,均在桶外留置长度5 cm 的接头用于补给水分和养分。每2 d一次用土钻(d=2.5 cm)按照桶的序号在距离桶边缘10 cm 处,分5 个(0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm)土层取样,采用105 ℃的恒温下烘干,计算补水量及时补给水分,以确保水分供应充足。中国小麦平均产量5 244 kg·hm-2[20],根据每1 000 kg籽粒养分需求量[21]为基数,确定每桶尿素(含N 46.0%)、过磷酸钙(含P2O515.0%)和氯化钾(含K2O 52.0%)用量分别为2.62、3.45、1.67 g,磷肥和钾肥全部基施,氮肥40.0%基施,在小麦抽穗期和灌浆初期,分别以氮肥30.0%配制2.0%的尿素溶液定量施入。

图1 作物生长模拟桶示意图Fig.1 Schematic diagram of crop growth simulation barrel

1.3 测定方法与步骤

1.3.1 光响应曲线的测定 在灌浆初期,选择晴朗的天气,在观测日的上午9:00-11:00期间,采用Li-6400XT 便携式光合作用仪,测定小麦旗叶的光响应曲线。每个处理选取3片生长健壮、受光方向一致的旗叶,测定在不同的光合有效辐射强度下,小麦旗叶的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)等光合指标。测定时设置气体流速为500 μmol·s-1,CO2浓度为400μmol·mol-1,温度为(25±0.5)℃,湿度为(50±0.5)%,在该条件下采用1 200μmol·m-2·s-1光强活化10 min,使用02B-LED 红蓝光源模拟光照强度,设定11个光强梯度(0、20、50、100、150、200、400、600、800、1 000、1 200μmol·m-2·s-1),采用自动程序测量,每个光照强度梯度下测定时间为120 s。根据得到的不同光合有效辐射下的净光合速率,绘制光合速率的光响应(Pn-PAR)曲线,采用非直角双曲线模型拟合小麦的光响应曲线[22],根据光响应曲线计算Pnmax、Lcp、Lsp、Rd及α等光合特征参数。拟合方程为:

式中Pn为净光合速率,α为表观量子效率,是光响应曲线PAR 在0～200μmol·m-2·s-1的初始斜率,PAR 为光合有效辐射,Pnmax为最大净光合速率,Rd为暗呼吸速率,θ(0＜θ＜1)为该曲线的曲角,光补偿点(Lcp)是直线与x轴的交点,光饱和点(Lsp)是最大净光合速率对应的x轴的数值,根据麦类作物的特点,这里假定当Pn达到最大净光合速率75%的PAR 来估计光饱和点。方程为:

1.3.2 SPAD 值测定 分别在小麦苗期、拔节期、挑旗期、抽穗期、扬花期、灌浆期于各处理选取同一叶龄且长势一致的3 个植株,通过SPAD-502 plus 叶绿素仪对小麦的最上部叶片进行SPAD 值测定,每片叶子测3个位点,取平均值。

1.3.3 干物质的取样与测定 在小麦播种后1个月开始取样,每隔10 d左右取1次样,每个处理随机选取15株长势均匀的植株,按序号逐次取样,剪掉根部保留小麦地上部分;放入烘箱中在105 ℃下杀青30 min后,将烘箱温度调至70 ℃下烘干至恒质量。

1.3.4 产量及构成因素测定 收获时统计每桶穗数、每穗小穗数、穗粒数、整株质量、株高及千粒质量等指标。

1.3.5 收获指数 收获指数计算公式为:HI=Yd/DW,式中HI为收获指数,Yd为单位面积籽粒产量(kg·hm-2),DW为单位面积地上部分干物质总量(kg·hm-2)。

1.4 数据处理与分析

使用Microsoft Excel 2016软件进行数据分析和绘制图表,利用SPSS 22.0软件进行光响应曲线的非线性回归分析和方差分析。

2 结果与分析

2.1 施氮深度对小麦旗叶光响应曲线的影响

利用非直角双曲线模型拟合的旗叶Pn与PAR 的关系图,实测值与拟合值之间吻合度很高(图2-A)。PAR 在0～200μmol·m-2·s-1区间,随PAR 增加各施氮深度处理的旗叶Pn呈直线上升;PAR 在400～1 000μmol·m-2·s-1区间,旗叶Pn呈曲线式增长,PAR 大于1 000 μmol·m-2·s-1时旗叶Pn逐渐趋于平稳。不同处理的小麦旗叶Pn差异显著,表现为W30＞W15＞W45,即W30的旗叶接受光照辐射进行光合作用并累积干物质的能力最强,W15次之,W45最弱。

图2 旗叶的光响应曲线Fig.2 Light response curve of flag leaf

图2-B 表示小麦旗叶Ci与PAR 的响应曲线,可以看出各处理的Ci随着PAR的增加呈下降趋势,在PAR 大于1 200μmol·m-2·s-1时趋于稳定,Ci表现为W45＞W15＞W30,表明W30的Ci值最低且下降最快,施氮深度在30 cm 时小麦对CO2的同化能力最强,光能利用能力最高。

图2-C 表示小麦旗叶Gs与PAR 的响应曲线,PAR 在0～200μmol·m-2·s-1时,随着PAR 增加,Gs基本呈直线上升趋势;PAR 在400～1 000μmol·m-2·s-1时,Gs趋于平稳;当PAR 大于1 000μmol·m-2·s-1时,随着PAR增加,W30和W15的Gs逐渐增大,其中W30的Gs增势最为显著,但W45的Gs保持平稳,说明施氮过深不利于Gs的增大。

图2-D 表示小麦旗叶Tr与PAR 的响应曲线,PAR 在0～200μmol·m-2·s-1时,小麦旗叶Tr增幅较快,水分蒸腾作用加强,以满足小麦光合作用需求;PAR 大于400μmol·m-2·s-1时,各处理Tr的增幅变缓,表现为W30＞W15＞W45,其中W30的Tr增势最为显著,W45的Tr增幅趋于平稳,说明施氮过深不利于Tr的增大。

2.2 小麦旗叶光响应曲线的特征参数

利用非直角双曲线模型拟合出光响应曲线并计算光合生理参数,不同施氮深度光响应曲线拟合效果均表现良好,但光响应曲线参数有所不同(表1)。Pnmax反映了叶片在光饱和点时的最大光合能力,不同施氮深度Pnmax存在差异,表现为W30＞W15＞W45,W30的光合能力最强;α 是由0～200μmol·m-2·s-1的Pn和PAR 的线性回归计算所得,反映叶片在弱光下的光合能力,是光能转化效率的指标之一,在不同施氮深度下表现为W15＞W30＞W45,说明W15对弱光的吸收、转换和利用能力相对较高;Lcp表示植物适应弱光能力的强弱,Lsp反应植物适应强光的能力,不同施氮深度的Lcp和Lsp表现均为W30＞W45＞W15,表明W15适应弱光环境的能力最强,W30适应强光环境的能力最强。Rd反映了植物在黑暗条件下未进行光合作用时的呼吸速率,随着施氮深度增加,Rd呈先增后减的趋势,说明氮肥深施达到一定深度,小麦旗叶会通过降低生理活性,减弱叶片呼吸作用,减少能量消耗来适应环境。

表1 光响应曲线的特征参数Table 1 Characteristic parameters of light response curve

2.3 施氮深度对小麦叶片SPAD值的影响

氮肥深施对小麦叶片SPAD 值有明显影响,处理间因生育时期不同变化趋势大致相同(图3)。小麦叶片的SPAD 值在苗期W15显著高于W30和W45;W30在拔节期和挑旗期的叶片SPAD值分别较W15和W45提高了0.9%、2.5%和3.1%、4.0%;抽穗期和扬花期W15和W30显著高于W45;灌浆期W15显著高于W30和W45,分别增加1.7%、1.2%。

图3 不同施氮深度小麦叶片的SPAD值Fig.3 SPAD values of wheat leaves at different depths of nitrogen application

2.4 不同施氮深度对小麦干物质累积特征的影响

春小麦苗期至拔节期(0～40 d)各处理的干物质累积量差异不显著,拔节后不同施氮深度间差异逐渐显著,表现为W30＞W15＞W45,且W15与W45之间差异不显著,不同施氮深度间差异在收获期达到最大(图4-A)。W30小麦全生育期的单株干物质累积量较 W15和 W45平均增加12.8%和24.3%,W30在拔节期(05-21)、扬花期(07-01)、灌浆期(07-11)的干物质累积量分别较W15和W45增加32.1%、4.8%、1.5%和28.3%、8.0%、2.8%,以上均差异显著,表明施氮深度能促进小麦干物质累积。

各处理小麦的干物质累积速率的变化关系大致相同,表现为W30＞W15＞W45(图4-B)。氮肥深施在播种期-拔节期的干物质累积速率无显著差异;但自拔节-扬花期开始,W30的干物质累积速率显著高于W15和W45,在拔节-扬花期和扬花-成熟期分别较W15和W45增加5.3%、9.5%和21.0%、43.4%,均达显著差异水平。

图4 不同施氮深度的小麦干物质累积量和累积速率Fig.4 Dry matter accumulation amount and accumulation rate of wheat at different depths of nitrogen application

2.5 不同施氮深度对小麦产量及产量构成因素的影响

由表2可知,氮肥深施对小麦株高无明显影响;W30的穗长和穗粒数显著高于W15和W45,且W15和W45之间的穗粒数差异显著;W30的千粒质量显著高于W15和W45,分别增加14.0%、8.7%;W30的产量显著高于W15和W45分别增加13.0%、15.4%;W30的生物量显著高于W15和W45,分别增加12.8%、24.3%,均达显著差异水平;W30的收获指数显著高于W15和W45,且W15和W45之间差异不显著。

表2 不同施肥深度对小麦产量及其构成因素的影响(±s)Table 2 Wheat yield and its componentsat different fertilization depths

表2 不同施肥深度对小麦产量及其构成因素的影响(±s)Table 2 Wheat yield and its componentsat different fertilization depths

注:不同小写字母分别表示不同处理间达到显著性水平(P＜0.05)。Note:Different lowercase indicate the significant differences under different treatments(P＜0.05).

处理Treatment株高/cm Plant height穗长/cm Spike length穗粒数Grain number per spike千粒质量/g 1 000-grain mass产量/(g·桶-1)Yield生物产量/(g·桶-1)Biological yield收获指数Harvest index W15 91.30±0.58 a 10.50±0.00 b 52.00±0.00 b 46.50±2.12 b 96.97±4.41 b 229.73±6.96 b 0.42±0.01 b W30 92.00±0.00 a 11.00±0.00 a 54.00±0.58 a 53.00±1.23 a 109.57±1.94 a 259.20±9.32 a 0.45±0.01 a W45 90.70±1.16 a 10.30±0.29 b 46.00±1.00 c 48.78±0.43 b 94.94±1.21 b 208.53±0.23 c 0.43±0.01 b

2.6 小麦旗叶P n 与产量和生物产量的相关性

开花期各处理小麦旗叶的Pn均与产量和生物产量呈线性正相关关系(图5-A 和5-B),随着旗叶Pn的增大,产量和生物产量逐渐增加,W15旗叶的Pn均与产量和生物产量呈显著正相关(P＜0.05),W30与W45旗叶的Pn均与产量和生物产量呈极显著正相关(P＜0.01);在灌浆期小麦旗叶的Pn均与产量和生物产量呈线性正相关关系(图5-C和5-D),各处理小麦旗叶的Pn均与产量和生物产量呈极显著正相关(P＜0.01);表明各生育时期小麦旗叶Pn能较大程度反应出产量和生物产量的水平,旗叶Pn越高越利于产量和生物产量的形成,即不同施氮深度Pn的变化对产量和生物产量的形成具有一定的影响。

图5 小麦旗叶净光合速率(P n)与产量和生物产量的相关性Fig.5 Correlationbetween net photosynthetic rate(P n)and yield,biomass in flag leaves of wheat

3 讨论

3.1 施氮深度对小麦旗叶光响应曲线的影响

肥料深施可促进小麦旗叶PSⅡ反应中心性能,提高旗叶光合速率,延长光合功能期[23],较深层次施肥可促进小麦根系下扎,增强下层根系活力,提高小麦旗叶的光合效率[24]。本试验结果表明,Pn、Gs和Tr随施氮深度增加呈先增后减的趋势,而Ci的变化趋势相反,呈先减后增的趋势,说明此时小麦旗叶光合作用主要受到的非气孔限制因素的影响,施氮深度30 cm 处理较施氮深度15和45 cm 处理Pn、Gs和Tr显著提高,Ci显著降低,与前人研究结果一致[25]。因此,合理的施氮深度能在一定程度上延缓气孔导度的降低,提高旗叶胞间CO2浓度的同化能力,进而促进光合速率的增加。

3.2 施氮深度对小麦旗叶光合特征参数的影响

作物光合能力的强弱反应其对环境条件的适应能力强弱[26],光响应曲线是测评作物光合特性的有效途径,非直线双曲线模型能够合理分析光响应曲线的过程并拟合得到较为合理的数据[27],本试验利用非直角双曲线方程对光响应曲线进行拟合所得的α、Pn、Pnmax、Lcp、Lsp和Rd等光响应参数,有助于分析不同施氮深度对旗叶的光合作用机制,本试验拟合参数,随着施氮深度的增加,小麦旗叶的Pnmax和Rd表现为W30＞W15＞W45,Lcp和Lsp表现为W30＞W45＞W15,α 表现为W15＞W30＞W45,说明氮肥深施可以优化光响应特征参数,改善小麦的光合作用能力,促进旗叶的光合转化效率,提升小麦适应强光和高温及利用弱光的能力,增强小麦对生态环境的适应能力,一定程度上提高小麦利用光能的潜能。

3.3 施氮深度对小麦叶片SPAD值的影响

氮是构成叶绿素的重要元素,叶绿素含量受氮素供应水平的影响,深施氮肥可以改善叶片质量,提高植株的光合能力[28],李亚妮等[29]研究表明,适宜施氮深度能促进叶绿素合成,改善叶片质量,从而增强叶片的光合作用。SPAD 值可直接反映叶绿素含量的高低,叶绿素含量是反映叶片生理活性变化和光合作用强弱的重要指标,本试验结果表明,施氮深度可改变叶片的SPAD 值,在小麦苗期W15的SPAD 值最高,在拔节期-挑旗期,W30的SPAD 值最高,抽穗和扬花期W15和W30的SPAD 值高于W45,灌浆期W15的SPAD 值高于W30和W45。这与俞洪燕等[30]的研究结果不同,产生这种差异的原因一方面是小麦各生育时期根长密度和根系活力不同,随根系的下扎,施氮深度应由浅至深,施氮过深会使叶片SPAD值下降,从而降低小麦的光合速率。另外,玉米根系在形态上与小麦存在差异,也会导致施氮深度的不同反应。因此,适宜的施氮深度能增加叶片SPAD 值,有助于增强作物光合能力,从而提高产量。

3.4 施氮深度对小麦干物质及产量的影响

化肥深施能促进作物养分的吸收,有利于作物生长指标及产量的增加[31],土柱栽培条件下,肥料深施20～40 cm 时,小麦各生育时期的干物质累积量最高[32],籽粒产量的高低取决于干物质的累积、分配与转运,氮肥深施能提高作物花后干物质累积量,提高籽粒产量[12]。本试验结果表明,在小麦不同生育时期,干物质累积量随施氮深度的增加呈先增后减趋势,成熟期各处理差异达到最大;不同生育阶段干物质累积速率均表现为W30＞W15＞W45,在小麦生殖生长阶段(扬花期-成熟期)干物质累积速率达到最大且处理间差异显著。施氮深度30 cm 处理的干物质累积量和产量均高于施氮深度15和45 cm 的处理,这主要是氮肥深施促进作物对氮、磷、钾养分的吸收利用,合理的施氮深度利于作物地上部与根系和籽粒的协调,最终提高产量。但氮肥深施45 cm 时,小麦干物质累积量随施氮深度增加反而降低,说明施氮过深不利于小麦产量形成。本项试验是在严格的控制条件下完成,试验结果具有一定的理论和技术指导意义,但由于受年际间的光照和温度、以及品种等差异的影响,仍需要开展多年的大田试验进一步验证,这也是未来需要开展的重要工作内容。

4 结论

本试验从光合的角度定量分析增加施肥深度促进增产的原因,拟解决施肥深度和小麦生产的量化关系问题。不同施氮深度对小麦生长发育有显著影响,施氮深度为30 cm 能通过改善光合特征参数,增加叶片的SPAD 值,提高小麦叶片光能转化效率和灌浆期旗叶光合同化力,促进小麦对光环境的适应能力,提高旗叶光合利用率和光合潜力,进而利于干物质累积和提高小麦产量。氮肥深施在不同生育时期Pn与产量和生物产量均呈线性正相关性关系,表明施氮深度对小麦的光合生理具有调节作用。因此,合理的施氮深度能提高灌浆期旗叶的光合速率,改善旗叶光合生理特性,提高了小麦的光能利用潜力及环境适应性,利于干物质累积和提高籽粒产量。