節水條件下供氮水平對冬小麥氮素吸收利用特性的影響

史桂清，白倩倩，郭程瑾，肖 凱

(河北農業大學農學院/河北省作物生長調控重點實驗室，河北保定 071001)

華北平原區水資源匱乏現象呈日益加劇趨勢，所以提高小麥等作物的水分利用效率對促進我國水資源和農業可持續發展具有重要實踐意義。除水分外，礦質營養在調控植株生長發育和產量形成過程中也發揮著重要作用。在各種礦質營養中，氮素是作物生長發育需要量最大的元素，土壤氮素供應不足會限制作物生長發育，影響產量形成和提高[1-3]。施用氮肥已成為過去多年來小麥等作物高產栽培的重要調控措施。但由于氮肥的易揮發和淋洗特性，以及氮肥種類多為易釋放的無機形態，我國小麥等作物生產中的氮肥利用率普遍較低，平均僅35%左右[4]。較低的氮肥利用率不僅造成生產成本增加，而且對生態環境產生了不利影響。因此，提高節水栽培條件下小麥的氮素利用效率，是實現節省生產成本、保護環境、作物簡化高效生產的有效途徑。

在小麥等作物生產中，水分和氮素之間存在著明顯的互作效應。研究表明，小麥植株氮素吸收利用和產量[5]、干物質積累和水分利用效率[6]、籽粒淀粉數量和蛋白質含量[7]、光合能力[8-9]、根系生理特性[10]均表現出明顯的水氮耦合效應。因此，小麥節水高產栽培必須考慮氮素的合理施用。鑒于此，本試驗以高水肥品種保麥10和抗旱品種石麥22為材料，在春季節水灌溉條件下，研究了高低兩種施氮量處理的小麥植株氮素吸收利用特征，以期為今后該生態區小麥水氮高效栽培實踐提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2015-2016年度在河北農業大學試驗農場進行。供試土壤含有機質14.2 g·kg-1、堿解氮60.37 mg·kg-1、速效磷15.22 mg·kg-1和速效鉀113.83 mg·kg-1。各小區均澆灌拔節水和灌漿水。試驗采用裂區設計，供試小麥品種為主區，分別為高水肥品種保麥10和抗旱品種石麥22；氮素用量為副區，設置高氮和低氮2個水平(分別施純氮225和112.5 kg·hm-2)。小區面積6 m2(3 m×2 m)，重復3次。播種期為10月9日，采用15 cm等行距種植形式，基本苗為 375萬株·hm-2。播前各小區均底施復合肥(N∶P2O5∶K2O分別為15∶15∶12)450 kg·hm-2。氮處理通過春季澆灌拔節水進行，其中低氮處理追氮45 kg·hm-2，高氮處理追氮157.5 kg·hm-2。各試驗小區生育期間的其他管理措施參照小麥高產麥田進行。

1.2 測定內容和方法

1.2.1 生育期調查及植株干重、含氮量和氮累積量測定

記載出苗期、拔節期、挑旗期、開花期和成熟期的物候時間。同時，在上述生育時期，各小區選取代表性植株30株，將植株于105 ℃殺青 0.5 h，80 ℃下烘干至恒重并記錄最終干重，計算單位面積植株干重。將部分烘干植株樣用組織粉碎機粉碎，采用半微量凱氏定氮法測定氮素含量，以單位面積植株干重乘以樣本含氮量計算出單位面積植株氮積累量。

1.2.2 植株氮累積強度測定

以苗期、拔節期、挑旗期、開花期和成熟期各生育時期不同處理下供試品種的植株單位面積氮累積量為基礎，通過用后一時期數值減去前一時期數值，獲得各生育階段包括出苗至拔節、拔節至挑旗、挑旗至開花和開花至成熟的階段氮累積量。進一步用各階段累積量除以對應持續天數，計算出各生育階段植株氮累積強度。

1.2.3 產量及其構成因素測定

成熟期，各小區內選取1 m2代表性樣點，統計穗數。然后用小型精量脫粒機將樣點籽粒收獲、風干，稱重后換算出單位面積產量。另選取代表性植株30株，考察穗粒數和千粒重。

1.3 植株氮素吸收轉運相關參數計算

用前述的考察穗粒數和千粒重植株為材料，將植株脫粒后分為籽粒、穎殼和營養器官(莖稈、葉片)不同部分，采用半微量凱氏定氮法測定各器官含氮量，進一步換算出成熟期單位面積各器官的氮累積量。以開花期植株氮累積量和成熟期籽粒和營養器官氮累積量為基礎，計算氮收獲指數、花前氮轉運量、花前氮轉運率、花前積累氮貢獻率、氮素生理利用效率和氮肥偏生產力。其中，氮收獲指數用單位面積作物籽粒氮累積量與成熟期植株地上部氮累積量比值表示[11]；花前氮轉運量用單位面積開花期營養器官氮累積量與成熟期單位面積營養器官氮累積量差值表示[1]；花前氮轉運效率通過單位面積花前植株積累氮素轉運量與開花期營養器官氮累積量比值乘以100%計算[1]；花前積累氮素貢獻率通過單位面積植株花前積累氮素轉運量與籽粒氮累積量比值乘以100%計算[1]；氮素生理利用效率通過產量與成熟期單位面積植株氮累積量比值計算[12]；氮肥偏生產力用產量與施氮量比值表示[9]。

1.4 數據計算和統計分析

試驗數據利用Excel進行數據平均值、標準差值計算，利用SPSS 統計軟件進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同氮處理下小麥的生育時期差異

與低氮處理相比，高氮處理下小麥拔節期至成熟期的各生育時期推遲1～2 d(表1)，說明増施氮肥在一定程度會延遲小麥生育進程。兩個品種相比，相同供氮水平下，拔節后各生育時期以石麥22略早，分別較保麥10早1～2 d。這表明植株生育進程受供氮水平和品種的共同影響。

表1 不同氮處理下供試小麥品種的生育時期Table 1 Growth stages for tested wheat cultivars under different N treatments

2.2 不同氮處理下小麥各生育時期植株干物質積累量、氮含量和氮累積量的差異

由表2可見，因氮素處理于春季拔節期實施，不同氮素處理間小麥苗期和拔節期的植株、干物質累積量、氮含量和氮素累積量無明顯差異，雖然石麥22的植株干物質和氮素累積量均顯著高于保麥10，但品種間氮含量差異較小；從挑旗期至成熟期，高氮處理的植株干物質累積量、氮含量和氮累積量均高于低氮處理。在高氮條件下，保麥10的挑旗期、開花期和成熟期植株干物質累積量、氮含量和氮累積量均高于石麥22，但兩品種間上述性狀的差異均不顯著；低氮條件下，石麥22挑旗期、開花期和成熟期的植株干物質累積量、氮含量和氮素累積量均顯著高于保麥10(表2)。這表明在節水條件下，高水肥品種保麥10在高氮下的植株氮素吸收及干物質和氮素累積能力略強，而抗旱品種石麥22在低氮條件下植株具有較強的氮素吸收及干物質和氮素累積能力。

2.3 不同氮處理下供試品種氮素積累強度特征

由表3可見，兩種氮處理下小麥植株氮累積強度隨生育進程呈均單峰曲線變化，均在拔節至挑旗階段達到最大值。在氮處理前的出苗至拔節階段，小麥植株氮素累積強度在兩品種間的差異未達顯著水平。在拔節以后各生育階段，高氮處理的植株氮累積強度明顯高于低氮處理。在高氮處理下拔節以后各階段的氮累積強度在品種間差異均不顯著，但低氮處理下石麥22拔節至挑旗的氮累積強度顯著高于保麥10。這表明節水低氮條件下，石麥22植株在生育中期具有相對較強的氮素吸收和累積能力。

表2 不同氮處理下小麥的各生育時期植株干物質累積量、氮含量和氮素累積量Table 2 Dry matter accumulated amount, N concent and N accumulated amount of plants at various growthand developmental stages of wheat cultivars under different N treatments

DMA:干物質積累量；NC：氮含量；NA：氮素累積量。同一列中各性狀數值后的不同小寫字母表示處理間的差異達到顯著水平(P<0.05)。下表同。

DMA：Dry matter accumulated amount;NC:N concent;NA:N accumulted amount.Different lower-case letters following data in same column and trait indicate significant difference among treatments(P<0.05). The same below.

表3 不同氮處理下小麥的各生育階段氮累積強度Table 3 N accumulative rate at various growth stages of wheat cultivarsunder different N treatments kg·hm-2·d-1

2.4 不同氮處理下供試品種不同器官的氮含量和累積量差異

相同氮處理下，小麥成熟期的不同器官間氮含量和積累量均存在差異，均以籽粒最高，莖稈次之(表4)。高氮處理下各器官氮含量和累積量均高于低氮處理，但處理間氮含量差異大多未達到顯著水平。高氮條件下，各器官氮累積量的品種間差異均未達到顯著水平；低氮條件下，與保麥10相比，石麥22的籽粒氮累積量顯著增加，莖稈、葉片和穎殼的氮累積量有所減少。這表明相對于保麥10，低氮條件下石麥22籽粒具有較強的氮素吸收累積能力。

2.5 不同氮處理下小麥產量及氮轉運和利用效率的差異

與低氮處理相比，高氮處理下小麥產量、產量構成因素、花前氮轉運量及其貢獻率均增高，但氮收獲指數、花前氮轉運效率、氮利用效率和氮肥偏生產力均下降，其中產量、花前氮轉運量和氮肥偏生產力變化顯著。高氮處理下，兩個品種的產量相近，花前氮貢獻率、氮利用效率和氮肥偏生產力差異也較小，但石麥22的氮收獲指數、花前氮轉運量和花前氮轉運率均顯著高于保麥10；低氮處理下，與保麥10相比，石麥22的產量、氮收獲指數、花前氮轉運量、花前氮轉運率和氮肥偏生產力顯著提高，但兩品種間花前氮貢獻率和氮利用效率相近。由此可見，石麥22在節水低氮條件下具有較強的產量形成能力，這與其較強的氮素吸收和生育后期器官間氮素高效再分配有關。

表4 不同氮處理下小麥成熟期各器官的氮含量和累積量Table 4 N concent and N accumulative amount in various tissues of wheat cultivars at maturity stage under different N treatments

表5 不同氮處理下小麥的產量、產量構成因素和氮效率相關參數Table 5 Yield, yield components and N utilization-associated parameters wheat cultivars under different N treatments

同行數據后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Different letters following data at same row mean significant difference among treatments(P<0.05).

3 討 論

針對華北平原區地下水資源開采日益增多、水資源匱乏加劇現狀，采用調虧灌溉技術實施冬小麥節水栽培是保障該生態區農業可持續發展的有效途徑[12]。節水栽培條件下，合理施肥可增強植株水肥吸收能力[5,6]，改善根系生理功能[10]，提高光合作用能力[8-9]，進而促進小麥產量形成和生育期間水肥高效利用[8-10]，減少肥料氮的揮發和淋洗[5]。本研究發現，在春季灌溉2水(拔節水/灌漿水)條件下，供氮水平對小麥生育期間的植株、氮含量及氮素和干物質累積量、各生育階段氮累積強度和成熟期植株氮利用效率相關參數均具有較大影響，表現為與低氮處理相比，高氮處理下春季施氮后的各生育時期植株、氮含量及干物質和氮累積量提高，各生育階段的氮累積強度增大，成熟期植株各器官(籽粒、莖稈、葉片和穎殼)的氮累積量增加。此外，高氮處理下小麥產量和植株花前氮轉運量也顯著提高，而氮利用效率下降。這與前人研究結果相一致[13-15]。因此，小麥節水栽培生產中，應在考慮實現高產前提下，還應考慮氮素的高效利用。

因遺傳背景不同，不同小麥品種在植株生長發育特性及產量形成上對施用氮素的響應存在較大差異[16-19]。氮高效小麥品種的植株通常在不同供氮條件下具有較強的氮素吸收和利用能力，在低氮條件下氮素同化和轉運效率以及氮素利用效率較高[20-23]。本研究以對水氮需求特征表現較大差異的小麥品種保麥10和石麥22為材料，對調虧水灌溉下兩品種的植株氮累積量、累積強度和氮效率相關參數及產量進行分析，結果表明，高氮條件下，兩個品種間上述性狀的差異較小，但低氮條件下，抗旱品種石麥22較喜水肥品種保麥10各生育時期的植株氮累積量、氮累積強度和部分氮效率相關參數如氮收獲指數、花前氮轉運量、花前氮轉運率和反映單位氮肥產量形成能力的氮肥偏生產力均有不同程度增加，且變化多達顯著水平。這表明石麥22的植株吸收氮素能力在低氮處理下較保麥10增強，且前者生育后期植株營養器官中貯存氮素向收獲器官籽粒的轉運效率也較高。上述性狀表現特征在維持該類型抗旱小麥品種低氮處理下的產量形成能力發揮著重要作用。

本研究發現，與高氮處理相比，低氮處理下石麥22與保麥10相比的產量降低幅度較小(僅減產3.50%)，表明石麥22品種是適合河北平原區及相似生態類型區節水低氮栽培的適宜示范推廣品種。有關節水栽培條件下不同小麥品種應答外源氮素差異的生理和生化機制有待進一步探討。

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