氮肥增效剂与氮肥减量配施对冬小麦叶片生理及产量的影响

张永强,陈传信,徐其江,聂石辉,雷钧杰,刘昌文

(1.新疆农业科学院粮食作物研究所/农业农村部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室,乌鲁木齐 830091;2.喀什地区农业技术推广中心,新疆喀什,844000)

0 引 言

【研究意义】肥料是作物生长的“营养库”[1-2]。氮肥增效剂与肥料配施,可缓慢释放肥料中的营养元素,减少肥料的损耗,使作物充分吸收利用,提高肥料利用率,并可调节作物生理功能[3]。氮素是植物体内蛋白质、核酸、叶绿素和一些激素的重要组成部分,也是控制植物生长、光合作用和产量形成的重要因素[4-5]。但过量施用氮肥,会导致土壤中氮肥过剩,且未被作物吸收的氮肥会以各种方式损失而利用率低。研究氮肥增效剂与不同氮肥减量配施对提升冬小麦生长发育、叶片生理及产量和氮肥利用效率影响,对寻求最佳的减量配施模式有实际意义。【前人研究进展】氮肥增效剂能够在一定程度上抑制和调控尿素的水解、硝化及反硝化等过程,在一定程度上减少氮素损失,提高氮肥利用效率[6];氮肥增效剂能促进有效穗增加,提高成穗率,提高氮肥利用率和小麦生产效率,促进小麦增产增收[7];还能减少施氮次数,节约肥料用量,降低成本[8]。添加氮肥增效剂可增加水稻产量,增强营养元素吸收能力,氮、磷、钾肥料利用率均表现不同程度的提高[9];脲酶抑制剂与氮肥减量20%配施,可显著提高水稻产量,提高土壤硝态氮含量和氮肥利用率,有效减少了土壤氮损耗,有利于土壤保持养分[10]。【本研究切入点】氮肥增效剂应用效果除受其自身化学性质的影响外,还会受到土壤质地、土壤有机质含量以及土壤温度、土壤含水量和pH等环境因素的影响;而前人研究地点多是在内地、雨养农业模式下进行,目前在新疆干旱灌区农业模式方面的报道较少。需研究氮肥增效剂与氮肥减量配施对冬小麦叶片生理及产量的影响。【拟解决的关键问题】大田试验条件下,设置氮肥增效剂与不同的氮肥减施量配施试验,研究氮肥增效剂与氮肥减量配施下冬小麦生长发育、叶片生理及产量和氮肥利用效率的变化规律,分析冬小麦在使用氮肥增效剂下的适宜的减氮量,为氮肥增效剂在冬小麦实际生产应用中提供指导。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验设在新疆喀什地区泽普县新疆小麦育种家泽普基地脱绒厂试验地(77°16' E,38°10' N),海拔1 215～1 490 m,属暖温带大陆性干旱气候,年平均气温11.4℃,极端最高气温39.5℃,极端最低气温-22.7℃。土壤为沙壤土,前茬为夏大豆,土壤有机质为 1.487 g/kg,全氮 0.635 g/kg,碱解氮37.3 mg/kg,速效磷18.2 mg/kg,速效钾104.0 mg/kg。

供试小麦品种为新冬57号,于2020年10月15日适墒播种,播量300 kg/hm2,行距15 cm。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

以氮肥增效剂(有效成分:2-氯-6-三氯甲基吡啶,简称CP)为材料,设置5个不同氮肥增效剂与追施氮肥减量配施处理、1个常规模式和1个不施氮对照,共计7个处理,施用时将氮肥增效剂与肥料充分拌匀后施用。采用大区种植(面积2 100 m2=42 m×50 m)。播种前结合整地基施磷酸二铵450 kg/hm2;在越冬期、返青期、拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期各灌水1次,灌水量分别为1 050、900、1 050、900、750和750 m/hm2;其他病虫草害防治措施与当地高产田保持一致。表1

表1 不同处理氮肥与氮肥增效剂施用时期、比例及施用量

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 叶绿素相对含量(SPAD值)

于冬小麦开花期、灌浆期,采用日本生产的SPAD-502叶绿素测定仪测定,每叶从基部到尖端测3点取平均值,每处理测30片旗叶。

1.2.2.2 光合参数

于冬小麦开花期、灌浆期,用LI-6400便携式光合仪,于晴天11:00～13:00测定各处理冬小麦旗叶的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)等指标,每处理测定5片旗叶。

1.2.2.3 产量构成因素

于小麦成熟期,在每个处理分别取具有代表性的1 m×2行样点3个,室内考种,计算出有效穗数、穗粒数和千粒重。另每处理分别选取3个具有代表性的样点4 m2(2 m×2 m)实收,用于测定生物量和籽粒产量。

1.2.2.4 氮素利用效率

氮肥农学利用效率(kg/kg)=(施氮区籽粒产量-氮空白区籽粒产量)/施氮量;

氮肥偏生产力(kg/kg)=籽粒产量/施氮量。

1.3 数据处理

采用Microsoft office 2016软件进行数据处理和绘图,采用SPSS统计分析软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对冬小麦开花期、灌浆期旗叶SPAD的影响

研究表明,与不施氮肥的处理相比,常规模式和不同程度减氮处理均能提高小麦开花期和灌浆期叶片的SPAD值。与常规模式相比,在使用CP条件下,减氮5%、减氮15%时冬小麦旗叶叶绿素含量(SPAD值)有明显提高,减氮25%时冬小麦的旗叶叶绿素含量(SPAD值)仍有提高;在使用CP条件下,减氮35%、减氮45%时,冬小麦旗叶叶绿素含量(SPAD值)出现不同程度降低。图1

图1 不同处理下冬小麦开花期、灌浆期旗叶SPAD变化

2.2 不同处理对冬小麦开花期、灌浆期旗叶净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)的影响

研究表明,与常规模式相比,在使用氮肥增效剂(CP)条件下,减氮5%时,冬小麦旗叶净光合速率(Pn)有明显提高,减氮15%时,冬小麦的旗叶Pn仍有提高;减氮25%时,冬小麦的旗叶Pn略有降低,但与常规模式处理间差异不大;在使用CP条件下,减氮35%、减氮45%时,冬小麦旗叶Pn出现明显降低。不同处理小麦旗叶蒸腾速率(Tr)与Pn的变化规律基本相同,处理间同样表现为在使用氮肥增效剂条件下,减氮5%时,冬小麦旗叶Tr有明显提高,减氮15%时,冬小麦的旗叶Tr仍有提高;减氮25%时,冬小麦的旗叶Tr略有降低,但与常规模式处理间差异不显著;在使用CP条件下,减氮35%～45%时,冬小麦旗叶Tr呈现出明显降低变化。图2

图2 不同处理下冬小麦开花期、灌浆期旗叶净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)变化

2.3 不同处理对冬小麦开花期、灌浆期旗叶胞间CO2浓度(Ci)和气孔导度(Gs)的影响

研究表明,不同处理冬小麦旗叶气孔导度(Gs)与净光合速率(Pn)及蒸腾速率(Tr)的变化规律相似,与不施氮的处理相比,常规模式和减氮模式均提高了叶片的气孔导度(Gs);但与常规模式相比,在使用氮肥增效剂(CP)条件下,减氮5%时,冬小麦旗叶净Gs有明显提高,减氮15%时,冬小麦的旗叶Gs仍有提高;减氮25%时,冬小麦的旗叶Gs略有降低,但与常规模式处理间差异不显著;在使用CP条件下,减氮35%、减氮45%时,冬小麦旗叶Gs出现明显降低。不同处理冬小麦旗叶胞间CO2浓度(Ci)与Pn、Tr、Gs的变化规律基本呈现出相反的趋势,处理间旗叶Gs在减氮5%+CP处理最低,不施氮处理最高;在使用CP的条件下,随着减氮量由15%依次增大到45%时,旗叶Gs呈逐渐增大的趋势。图3

图3 不同处理下冬小麦开花期、灌浆期旗叶胞间CO2浓度(Ci)和气孔导度(Gs)变化

2.4 不同处理对冬小麦产量及肥料利用效率的影响

研究表明,在使用氮肥增效剂(CP)条件下,与常规模式相比冬小麦有效穗数、穗粒数多呈增加趋势,除不施氮处理(554.35×104穗/hm2)、减氮45%+CP处理(612.65×104穗/hm2)显著低于其他处理外,其它各处理间差异不显著。与不施氮处理相比,增施氮肥能显著增加冬小麦穗粒数并提高千粒重;与常规模式,在使用CP的条件下,减氮5%～25%时,穗粒数有所增加、千粒重略有降低,但处理间差异不显著;减氮35%～45%时,穗粒数及千粒重均出现降低趋势,且处理间差异达显著水平(P<0.05)。不施氮处理相比,增施氮肥使冬小麦的籽粒产量明显提高,处理间差异均达到了显著水平(P<0.05);与常规模式相比,在使用CP时,减氮5%时小麦增产5.88%,减氮15%小麦增产3.62%;减氮25%小麦增产1.60%;减氮35%～45%时小麦产量出现了不同程度降低,分别降低6.22%(P<0.05)和19.32%(P<0.05)。与常规模式相比,在使用CP的条件下,减氮45%时氮肥农学利用效率出现了降低,氮肥偏生产力却明显提高;减氮5%～35%时,氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力均有明显提高。处理间,随着氮肥减量的增加,小麦氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力均呈"先增后降"的变化规律,氮肥农学利用效率在减氮25%+CP处理达到最大为12.16 kg/kg,氮肥偏生产力在减氮35%+CP处理达到最大为32.30 kg/kg。表2

表2 不同处理下冬小麦产量及肥料利用效率变化

3 讨 论

过量施用氮肥是造成氮素大量流失,是氮肥利用率低主要原因之一[11]。氮肥增效剂与氮肥配合使用,可有效降低氮肥中的养分释放速度,减少养分的损失,能有效提高作物对氮的吸收利用,从而促进作物生长发育及产量的提高。吴承杰等[12]和胡田田等[11]均研究表明,不同时期施用氮肥增效剂均能有效抑制土壤中的硝化作用,提高土壤铵态氮的含量来减少氮肥的损失,帮助增加小麦根部区域的氮素吸收,从而减少氮肥的损失,提高肥料的有效利用,促进小麦的生长。李玉等[13]研究表明,尿素添加脲酶抑制剂可以增加小麦株高、提高小麦叶片中的叶绿素含量,增加小麦分蘖数,促进小麦后期营养器官中的干物质向籽粒转运,提高小麦产量。张盼盼等[14]研究表明,在氮肥减施20%和10%时添加硝化抑制剂2-氯-6-三氯甲基吡啶,玉米籽粒产量均达到正常施氮水平,氮肥减施添加硝化抑制剂处理通过增加穗粒数促进籽粒高产。帅鹏等[15]研究表明,施用氮肥增效剂能够提高水稻生育后期叶片叶绿素含量和保护酶活性,增强叶片组织保护能力,延缓叶片衰老进程,延长叶片光合功能期,提高产量和氮肥利用率。研究结果表明,增施氮肥可以提高冬小麦旗叶SPAD值,配施氮肥增效剂(CP)条件下,减氮5%、减氮15%时冬小麦旗叶SPAD值有明显提高,减氮25%时冬小麦的旗叶SPAD值仍有提高;减氮35%、减氮45%时冬小麦旗叶SPAD值出现不同程度降低。在使用CP条件下,减氮5%时冬小麦旗叶Pn、Tr、Gs均有明显提高,减氮15%时冬小麦的旗叶Pn、Tr、Gs仍有提高;减氮25%时小麦的旗叶Pn、Tr、Gs略有降低,减氮35%、减氮45%时冬小麦旗叶Pn、Tr、Gs出现明显降低;冬小麦旗叶Ci与Pn、Tr、Gs基本呈现出相反的变化趋势。

桂召贵等[8]和过维钧等[16]均研究指出,小麦使用氮肥增效剂后,主要是促进成穗率的增加,单位面积的有效穗数均有明显增高。许靖等[17]研究也认为,氮肥中添加硝化抑制剂有利于小麦增产。原因可能在于促进了小麦有效分蘖的形成,进而增加了小麦穗数。研究表明,在使用CP条件下,与常规模式相比冬小麦有效穗数、穗粒数多呈增加趋势;减氮5%～25%时,穗粒数有所增加、千粒重略有降低;减氮35%～45%时,穗粒数及千粒重均出现降低趋势。在使用CP时,减氮5%时小麦增产5.88%,减氮15%小麦增产3.62%;减氮25%小麦增产1.602%;减氮35%～45%时小麦产量出现了不同程度降低,分别降低6.22%和19.32%。与常规模式相比,在使用CP的条件下,减氮45%时氮肥农学利用效率出现了降低,氮肥偏生产力却明显提高;减氮5%～35%时,氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力均有明显提高。处理间,随着氮肥减量的增加,小麦氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力均呈“先增后降”的变化规律,氮肥农学利用效率在减氮25%+CP处理达到最大为12.16 kg/kg,氮肥偏生产力在减氮35%+CP处理达到最大为32.30 kg/kg。氮肥增效剂有提高小麦成穗率,增加有效穗,在增加穗粒数的同时粒重也有一定的增加,促进高产的作用。

4 结 论

氮肥增效剂与氮肥减量配施可促进冬小麦的生长发育,改善叶片生理特性,提高冬小麦籽粒产量和氮肥利用效率。在使用氮肥增效剂(CP)条件下,减氮5%～25%时冬小麦的旗叶SPAD值仍有提高,减氮35%～45%时降低了冬小麦旗叶SPAD值;冬小麦旗叶Pn、Tr、Gs,在减氮5%时均有明显提高,减氮15%时略有提高,减氮25%时略有降低,减氮35%～45%时明显降低;冬小麦旗叶Ci与Pn、Tr、Gs基本呈现出相反的变化趋势。减氮模式下,CP提高冬小麦有效穗数、穗粒数,但减轻了千粒重。与常规模式相比,减氮5%～25%时小麦增产幅度在1.60%～5.88%,减氮35%～45%时小麦产量降低了6.22%～19.32%。与常规模式相比,CP总体上提高了氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力。在配施氮肥增效剂的基础上,减少15%～25%的氮肥投入且冬小麦仍有一定的增产。