氮肥施用對稻茬小麥冠層結構及產量、品質的影響

張文靜，江東國，黃正來，周曉楠,馬尚宇,米 璐，韓 笑，王成雨

(農業部黃淮南部小麥生物學與遺傳育種重點實驗室/農業部華東地區作物栽培科學觀測實驗站/安徽農業大學農學院，安徽合肥 230036)

中國稻茬小麥的種植面積居世界之首，主要分布在長江中下游平原，面積約500×104hm2[1]。氮素是影響小麥籽粒產量和品質的最重要因子[2]。我國長江中下游稻麥輪作區小麥季土壤氮素盈余量達66.0 kg·hm-2，超出了養分允許平衡盈虧率[3]。沿淮麥區是安徽省稻茬小麥主要分布區域，地處長江中下游麥區北端，種植小麥品種多以中強筋型為主，氮肥需求量較大，由于該區水稻土對氮素的吸附、保持能力較差，小麥季氮肥施用量一般在225～300 kg·hm-2，氮肥的大量施用造成環境污染、氮素利用率下降、成本增加等一系列問題[4]。因此，針對該區域主栽小麥品種，研究氮肥合理的施用范圍，對充分發揮品種的產量和品質潛力及保護生態環境具有重要意義。

合理施用氮肥可以優化小麥群體生長，構建合理冠層結構，改善冠層內光輻射分布，進而提高產量[5]。研究表明，施用氮肥有增加小麥株高、葉面積和莖葉夾角的趨勢[6]。施氮有利于小麥的干物質積累，適量施用氮肥可以顯著提高小麥籽粒產量和生物量[7]。在一定施氮量范圍內，施氮量與產量呈正相關，單位面積穗數和穗粒數隨施氮量增加而增加，粒重有所提高[8]。在施氮量240～360 kg·hm-2的范圍內，穗數的變化較小，而穗粒數和千粒重則隨施氮量的增加表現出先增后減的趨勢，與產量變化保持一致[9]。氮肥的施用對小麥籽粒品質也具有顯著的調節作用[10]，在一定范圍內，小麥的主要加工品質性狀隨施氮量的增加而改善，但品種之間存在差異[11]。本研究擬在前人研究的基礎上，通過安徽省沿淮稻麥輪作區的田間試驗，探討施氮量對稻茬小麥不同品種冠層結構、產量及品質的影響，以期為該區稻茬小麥高產栽培的氮肥合理運籌提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選用安徽沿淮稻麥輪作區域種植面積較大的2個小麥品種濟麥22(半冬性中筋品種，山東省農業科學院作物研究所選育)和煙農19(半冬性強筋品種，煙臺市農業科學院小麥研究所選育)作為研究對象。

1.2 試驗設計

試驗于2013年10月-2015年6月在安徽省淮南市鳳臺縣農技推廣中心試驗田進行(北緯32°77′，東經116°61′)，試驗地土壤為砂姜黑土，土地平整，土層深厚，地力中等。土壤pH 6.5，有機質含量1.39 %，速效氮含量87.23 mg·kg-1，速效磷含量13.45 mg·kg-1，速效鉀含量72.69 mg·kg-1。前茬為水稻，采用二因素裂區設計，主區為品種，副區設0 kg·hm-2(N0)、90 kg·hm-2(N1)、180 kg·hm-2(N2)、270 kg·hm-2(N3)和360 kg·hm-2(N4)5個施氮水平。氮肥70%基施，30%拔節期追施。基本苗3.0×106株·hm-2，兩年的播種時間分別為2013年10月25日和2014年10月28日，旋耕人工開溝條播。耕前基施餅肥750 kg·hm-2，過磷酸鈣900 kg·hm-2和氯化鉀112.5 kg·hm-2。試驗共10個處理，4次重復，共40個小區，小區面積18 m2(6 m×3 m)，小區四周插入40 cm高隔離板(土壤下隔離板高度20 cm)，其他栽培措施同一般高產田塊。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 冠層指標測定

株高：在開花期選取各小區長勢均勻一致的20株小麥，測定植株各節間長度和穗長，求平均值。

葉面積指數(LAI)：分別于拔節期、孕穗期和開花期每小區選取長勢均勻一致的20株小麥，使用美國產LI-3000C型葉面積儀測量植株綠葉面積，同時結合小麥莖蘗數計算出LAI。莖蘗數采用1 m雙行法測定，于各取樣時期同步進行。

SPAD值：用日本產SPAD-502葉綠素儀測定各生育時期葉片的SPAD值，表示葉片葉綠素相對含量。在每個試驗小區選取10株長勢均勻一致的小麥植株葉片進行測量，為了減少測量誤差，每片葉子避開主葉脈測量5個點，然后取其平均值作為該葉片的SPAD值。最后取所有功能葉片的平均值作為整個小區小麥葉片的SPAD值。

冠層光合有效輻射(PAR)：用英國Delta公司生產的SunScan冠層分析系統測定小麥冠層PAR數據，觀測時每個小區選 3 個樣點，時間一般在上午11:30-12:30進行，垂直測定每個樣點冠層頂部光合有效輻射，再測冠層底的光合有效輻射，參照史澤艷等[12]介紹的方法，折算出冠層截獲PAR和透光率。

冠層反射光譜：用美國PP Systems公司生產的UniSpec SC光譜儀(光譜波段范圍為310～1 130 nm)測定，光譜采樣間隔為3.3 nm。分別于2014-2015年小麥孕穗期、開花期測定，測試時間為北京時間10:00-14:00。測定時，光纖探頭垂直距離植株冠層頂部高度為1.5 m，每個小區重復測定5次，取平均值作為該小區的光譜反射值。各處理測定前后立即進行參比白板校正(以參比白板反射率為1，因此所得目標物光譜為無量綱的相對反射率)。

1.3.2 產量及其構成因素測定

在小麥黃熟末期使用小區收割機收割后稱重，測定籽粒水分含量并折算成含水量為13%的籽粒產量。收獲前，選擇各小區長勢均勻有代表性的1 m兩行調查成穗數，從中取40穗，脫粒后計算平均穗粒數。用PME型自動數粒儀隨機數取10 000粒稱重，計算千粒重。

1.3.3 小麥品質性狀測定

使用Perten Instruments DA7200 型近紅外谷物分析儀測定小麥籽粒的含水量、蛋白質含量、濕面筋含量、Z-沉降值(澤倫尼沉降值)等參數。

1.4 試驗數據

采用WPS 2007、DPS 7.05軟件分析數據及繪制圖形，用LSD法進行顯著性及方差分析。

2 結果與分析

2.1 施氮量對稻茬小麥冠層結構的影響

2.1.1 施氮量對株高及其構成的影響

隨施氮量的增加，兩個品種的株高均表現為先增后減的趨勢，以N3處理最高(圖1)。在N3處理下，2014、2015年濟麥22株高分別到達了77.61和76.79 cm，煙農19分別達到84.09和84.31 cm。從株高構成看，隨施氮量的增加，兩個品種的穗長均呈增加趨勢，各節間長度均呈增加或先增后減趨勢，說明兩個品種植株伸長生長對氮素供應的反應機理基本一致。

2.1.2 施氮量對葉面積和LAI的影響

施氮可以顯著提高小麥葉面積及群體的LAI(表1)。開花期頂三葉面積隨施氮量增加而提高，但增幅逐步變小，如相對于N0處理，N1處理下濟麥22和煙農19旗葉面積分別平均增加66.44%和23.72%，而N4處理相對于N3處理分別平均增加了3.05%和3.57%。增施氮肥使濟麥22開花期群體LAI平均增加58.05%～236.79%，煙農19增加了88.93%～290.37%。

2.1.3 施氮量對SPAD值的影響

施氮顯著影響小麥拔節到開花期間葉片的PAD值(表2)。隨著施氮量的增加，小麥葉片的SPAD值基本上呈現上升的趨勢，但在N3和N4處理間差異大多不顯著，兩個試驗年度結果的變化趨勢一致。相對于N0處理，施氮后濟麥22葉片SPAD值在拔節期、孕穗期和開花期分別提高了6.57～12.68、9.08～20.10和6.89～21.60，煙農19葉片SPAD值分別提高5.66～13.51、10.02～16.58和6.68～19.44。

RL：剩余節長；TL：倒三節長；SL：倒二節長；FL：倒一節長；EL：穗長。

RL:Residual internode length; TL:3rd internode length from the bottom; SL:2nd internode length from the bottom; FL:1st internode length from the bottom; EL:Ear length.

圖1 不同施氮量下小麥的節間長和穗長

葉面積為開花期測的數據；同列不同小寫字母表示同一品種不同施氮量處理在0.05水平上顯著差異。下同。

The leaf area values were measured at anthesis stage. Different lowercase letters in same row indicate significant difference among different nitrogen rate for the same cultivar at 0.05 level. The same in the following tables.

2.1.4 施氮量對冠層截獲PAR的影響

隨著施氮量的增加，小麥冠層截獲PAR總體表現為先升后降的趨勢(表3)，以N3處理最大，N2和N3處理間差異未達到顯著水平。與N0處理相比，施氮條件下濟麥22冠層截獲PAR在拔節期、孕穗期和開花期分別增加了72.69%～118.29%、34.07%～80.22%、36.61%～71.83%。隨施氮量的增加，小麥開花期冠層各部位截獲的PAR也表現為先增后降的趨勢，以N3處理最高，2個品種表現一致。

2.1.5 施氮量對透光率的影響

隨施氮量增加，小麥冠層透光率在不同生育時期及開花期不同部位均呈現逐漸下降的趨勢(表4)。兩個試驗年度的結果一致。與N0處理相比，施氮條件下濟麥22冠層透光率在拔節期、孕穗期和開花期分別下降了37.72%～59.42%、35.23%～82.03%和41.69%～81.56%。

2.1.6 施氮量對冠層光譜反射率的影響

在400～680 nm波段，不同處理的小麥冠層光譜反射率整體偏低，均小于0.1，N2、N3和N4處理的光譜反射率曲線幾乎重合(圖2)。在680～760 nm波段區域，冠層光譜反射率快速上升，并在760 nm處開始出現轉折，在近紅外光760～925 nm波段，冠層光譜反射率逐漸上升，但增幅較小，光譜反射率曲線較為平緩。品種間比較發現，濟麥22冠層光譜反射率在N2、N3和N4處理間差異較小，而煙農19相對較大。

表2 不同施氮量下小麥不同生育時期的SPAD值Table 2 SPAD value of different wheat growth stages under different nitrogen rates

表3 不同施氮量下小麥的冠層截獲PARTable 3 PAR of wheat canopy under different nitrogen rates μmol · m-2·s-1

表格中上層、中層和底層截獲的PAR均于開花期測的。

PAR of upside, middle and bottom in wheat canopy were measured at anthesis stage.

表4 不同施氮量下小麥的冠層透光率Table 4 Light transmittance rate of wheat canopy under different nitrogen rates %

表格中上層、中層和底層冠層透光率均于開花期測的。

Light transmittance rate of upside, middle and bottom in wheat canopy were measured at anthesis stage.

A：孕穗期；B：開花期 A:Booting stage; B:Anthesis stage

2.2 施氮量對稻茬小麥產量及其構成的影響

增施氮肥可顯著提高小麥穗數、穗粒數和籽粒產量(表5)。隨著施氮量的增加，濟麥22和煙農19穗數和穗粒數均不斷增加，但N2、N3和N4處理間差異均未達顯著水平；隨施氮量的增加，兩個供試品種的千粒重均表現為下降的趨勢。與N0處理相比，施氮后濟麥22和煙農19分別增產59.81%～122.84%和85.48%～160.73%，且產量均以N3處理最大，但N2、N3和N4處理間差異較小或未達到顯著水平。

表5 不同施氮量下小麥的籽粒產量及其構成因素Table 5 Grain yield and yield components of wheat under different nitrogen rates

2.3 施氮量對稻茬小麥品質的影響

施氮可以顯著增加小麥籽粒蛋白質含量、濕面筋含量、蛋白質產量和Z-沉降值。隨施氮量的增加，籽粒蛋白質含量、濕面筋含量、沉降值均逐漸升高(表6)。與N0處理相比，施氮后濟麥22和煙農19籽粒蛋白質產量分別增加43.81%～149.80%和75.72%～218.61%，N1、N2和N3處理間差異均達顯著；在2014-2015年度，N3與N4處理間籽粒蛋白質含量、蛋白質產量、濕面筋含量和沉降值差異均未達到顯著水平。

表6 不同施氮量下小麥籽粒品質指標Table 6 Grain quality traits of wheat under different nitrogen rates

3 討 論

3.1 施氮量對稻茬小麥冠層結構的影響

冠層結構是影響小麥產量以及品質的重要因素，合理高效的冠層結構是作物產量形成的基礎[13]，施氮能改善冠層結構。冠層結構一般可用LAI、冠層截獲PAR、透光率等指標表示，氮素供給對這些指標均有重要的調節作用。與未施氮處理相比，施用氮肥有增大小麥株高、葉面積和莖葉夾角的趨勢[6]。在一定范圍內，作物 LAI 隨施氮量增加而增大[14-15]，氮素供應水平的提高有助于增加 LAI，增強光合作用，且較高氮肥水平有助于減緩小麥花后群體 LAI 的衰減[16]。本研究結果表明，隨施氮量的增加，株高、LAI和葉片SPAD值均逐漸增大，株高在N3處理時達到最大，穗長和LAI均在N4處理達到最大。施氮可增加旗葉光合色素含量，有利于延緩葉片衰老和光合功能衰退，但施氮過量時光合作用會受到非氣孔限制，降低光合速率[17-18]。本試驗中，2個品種葉片SPAD值隨施氮量的增加也表現為上升趨勢，在N3或N4處理時達到最大，但N3和N4處理間差異不顯著。品種間比較發現，煙農19群體LAI對氮肥較為敏感，但在N2和N3處理間差異未達顯著水平。

群體冠層的光截獲量和透光率是決定作物干物質積累、后期產量的重要因素[19]。王興亞等[20]研究發現，隨著施氮量的增加，冠層光合有效輻射截獲率提高，但是提高幅度逐漸變小。李國強等[21]研究指出，過量施氮容易造成冠層下部透光率降低，反而不利于維持適宜的LAI以及產量形成。吳曉麗等[22]研究表明，一定范圍內隨著施氮量的增加，小麥群體光合速率、光合有效輻射截獲率和產量均呈增加趨勢。本研究中，隨施氮量的增加，小麥LAI和冠層截獲PAR的量逐漸增加，透光率迅速下降，但在N3和N4處理間差異均未達顯著水平。以上結果說明適當增施氮肥可改善冠層結構，但當施氮量超過一定量時，改善效果顯著減弱。

小麥冠層反射光譜的綠峰和紅邊特征在不同施氮水平都有所變化，隨著施氮水平的提高，綠峰波長向藍光方向偏移，也就是波長變短，而紅邊位置則出現了“紅移”現象[23]。胡 昊等[24]認為，可見光波段反射率隨著施氮量的增加而降低，近紅外則有相反的趨勢。薛忠財等[25]研究表明，小麥冠層光譜反射率在不同施肥條件下表現出明顯差異，在可見光波段，不施肥的小麥冠層光譜反射率最高，而傳統施肥和變量施肥條件下小麥的冠層光譜反射率逐漸降低。本研究結果表明，不同施氮量對小麥冠層反射率影響顯著，隨著施氮量的增加，在可見光區域400～725 nm波段范圍內，冠層反射率逐漸減小；在725～950 nm波段內冠層反射率隨著施氮水平的増加呈上升趨勢，且不同施氮水平間差異較大，這可能是由于不同施氮水平的小麥長勢在該區域表現比較敏感，因而反射率差異較為明顯，而可見光區在較低氮素水平下便趨于飽和，供試2個小麥品種冠層反色光譜對氮肥施用量的敏感性均較高。

3.2 施氮量對稻茬小麥產量和品質的影響

適宜的施氮量可促進小麥穗部發育，提高有效穗數和穗粒數，增加產量[26-27]，氮素增產的主要原因是穗數顯著增加，穗粒數明顯提高。小麥籽粒產量與施氮量之間呈二次曲線關系[28]，氮肥投入過量會使無效分蘗增多，進而導致穗數下降，也會引起小麥灌漿期貪青晚熟甚至倒伏，致使產量的減少。Liu等[4]研究指出，稻麥輪作區域小麥季氮肥施用量在150～195 kg·hm-2時產量和品質達最優化。本研究結果與前人研究結果基本一致，隨著施氮量的提高，產量表現出先增后減的趨勢，氮素施用量在180～270 kg·hm-2時產量達到最高。粒重變化與前人研究略有差異，隨著施氮量的增加表現為先增后減的趨勢，在施氮量90 kg·hm-2時達到最高。這可能是因為氮素缺乏時，小麥穗部發育受到影響導致庫容變小，N0處理雖然源小，但其庫相對更小，所以粒重較高，N1處理源相對增強，庫也相對增大，但是后期不早衰，籽粒灌漿時間較長，所以粒重更大。

適量增施氮肥可增加小麥光合產物積累, 協調其產量結構而增加產量，同時改善小麥營養品質和加工品質。張耀蘭等[29]研究發現，籽粒蛋白質含量、濕面筋含量、沉淀值、形成時間和穩定時間等品質指標均與施氮量呈線性正相關。也有研究表明，籽粒蛋白質含量受遺傳潛力限制，與氮素供應不呈線性關系[30]。本研究結果顯示，隨施氮量增加，小麥籽粒蛋白質產量、蛋白質含量、濕面筋含量和沉降值均表現為增加的趨勢。低氮處理N1和不施氮N0相比，小麥籽粒品質指標增加不顯著，處于增產不增質的施氮區間。與N3處理相比，N4處理雖然品質指標有提高，但年際間有差異。2014年籽粒品質指標在N3和N4處理間差異明顯，而2015年籽粒品質指標在N3和N4處理差異不顯著，說明增施氮肥對改善小麥品質也存在一定的施用范圍，若施氮過多對籽粒品質的改善作用變弱。

通過對不同施氮水平下稻茬小麥冠層結構、產量和品質的分析可知，本研究中沿淮稻茬小麥施氮量在180～270 kg·hm-2時可獲得較高產量和品質，結合理想冠層結構的構建和低環境風險的選擇條件，沿淮稻茬麥區施氮量應在適當施氮范圍內(180～270 kg·hm-2)偏下限施用，且根據不同品種冠層及產量品質特性，強筋小麥品種煙農19宜在最佳施氮范圍內適當多施，中筋小麥濟麥22宜適當少施。由于本研究設置的施氮范圍跨幅較大，且研究結果受品種、區域生態環境及土壤條件的限制，仍需進一步細化施氮幅度以構建適合沿淮稻麥輪作區域的最佳氮肥施用量。

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