不同栽培模式冬小麥物質積累轉運及光熱資源利用研究

姜麗娜，李金娜，齊紅志，岳 影，張雅雯，朱婭林，李春喜*

(1.河南師范大學 生命科學學院,河南 新鄉 453007； 2.河南省農業科學院 農業經濟與信息研究所，河南 鄭州 450002)

隨著我國作物生產用地面積的減少和人口數量的增加，人們為了作物增產往往過量施肥、盲目灌溉，造成氮肥、水資源利用效率降低以及土壤板結、地表水富營養化等生態環境問題[1-4]。小麥籽粒產量和蛋白質產量的提高與氮素的積累和轉運有關，而灌溉和氮肥水平是影響冬小麥氮素積累、運輸和轉移的2個關鍵因素[5-6]。研究表明，適當減少農田灌溉用水可提高水分生產效率、灌溉效率和氮素生產效率[7]。拔節期追施氮肥更有利于強筋小麥對氮素的吸收、利用和高產的形成；相同施氮量下，拔節期和開花期分別追施氮肥提高了晚播冬小麥的籽粒產量和氮肥吸收利用效率[8-9]。在農業生產中，根據不同小麥品種的特性，建立最佳的水氮管理制度，尋找能源消耗和作物產量之間的最佳平衡關系，實現籽粒產量和蛋白質含量的綜合提高，有助于實現可持續農業[10-12]。屈會娟[13]研究表明，適宜的播期和播量有利于提高小麥植株的氮素轉運率，提高營養器官中干物質的輸出能力。以往的栽培模式研究多是圍繞1個或2個栽培因素進行的，對于多因素集成栽培模式下小麥干物質積累轉運與資源利用效率的關系研究較少。鑒于此，從播期、播量、施肥和灌水等因素考慮，研究了不同栽培模式下土壤-麥田系統的氮素平衡和小麥各生育時期植株干物質和小麥氮素積累、轉運特征及其與光熱資源利用效率的關系，旨在探尋黃淮麥區小麥高產高效栽培模式，并為該區小麥高產栽培提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗設計

結合當地傳統栽培模式，考慮播期、播種密度、灌水次數、肥料水平及施肥方式等栽培措施，集成T1、T2、T33種栽培模式，以當地傳統栽培模式(FM)和全生育期不施氮肥(CK)作為對照(表1)。采用大區對比試驗設計，各區面積528 m2(110.0 m×4.8 m)，等行距20 cm機播。灌水量為每次750 m3/hm2。

表1 冬小麥的栽培模式設置

1.2 取樣及測定項目

于小麥播種前(2013年10月10/20日)、越冬期(2013年12月24日)、返青期(2014年3月7日)、拔節期(2014年3月27日)、開花期(2014年4月23日)、灌漿期(2014年5月21日)、成熟期(2014年6月5日)取各小區0～20、20～40 cm土層土樣，風干研磨過篩，裝袋保存；同時，各小區取20 cm× 20 cm× 20 cm土壤樣品，人工分揀出土壤中的秸稈，60 ℃烘干稱質量，裝袋保存。在各生育時期，隨機取各小區植株20株，105 ℃殺青0.5 h，80 ℃烘干至恒質量，稱其干質量。

采用半微量凱氏定氮法測定土壤、秸稈及植株的全氮含量，計算氮素積累量。

1.3 數據計算

1.3.1 物質積累 物質積累轉運計算公式如下[14]：

植株氮素積累量=單株干質量×單株含氮量×群體數；

植株干物質積累量=單株干質量×群體數；

花前干物質(氮素)運轉量=開花期干物質(氮素)量-成熟期干物質(氮素)量；

花前干物質(氮素)運轉率=花前干物質(氮素)運轉量/開花期干物質(氮素)量×100%。

隨著新課程改革的逐漸落實和現代教育的不斷發展，學校和教師應該充分認識到促進學生全面發展、對學生進行素質教育的重要意義。目前我國大多數初中教師在進行教學時，往往對班級里所有的學生都采取同一種教學方式，并沒有充分認識到學生在成長和學習過程中存在的差異，這樣不僅會使學生的成長和進步在很大程度上受到限制，而且會導致教師的教學質量和教學效率逐漸下降。針對這個問題，教育學家提出了差異教學方法。但是經過對教師的具體教學情況進行調查后，發現大多數教師并沒有掌握差異教學的具體方法，甚至有一些教師根本沒有聽說過差異教學法，那就談不上在教學過程中對其進行應用，這就導致初中地理科目的教學不能得到強化和提升。

1.3.2 氮素表觀損失及氮素盈余 采用Van Eerdt等[15]的方法計算。

氮素表觀損失=氮輸入-作物吸收-土壤殘留氮-秸稈殘留氮；

氮素盈余=氮素表觀損失+土壤殘留氮。

1.3.3 光合、光溫生產潛力 采用侯光良等[16]的方法，利用生育期內太陽總輻射量和平均溫度分別計算光合、光溫生產潛力及其利用效率。

1.3.4 產投比 采用陳素英等[17]的方法，利用生產投入(農資+機械+勞動力)和總產值計算經濟效益產投比。

1.4 數據處理與分析

數據采用Excel 2010和SPSS 13.0統計軟件進行分析。多重比較均為LSD法，小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

2 結果與分析

2.1 不同栽培模式冬小麥的干物質積累與轉運

由圖1和方差分析得出，成熟期，小麥植株干物質積累總量以T3模式最高，顯著高于其他模式(P<0.05)。從不同階段干物質積累量來看，播種至越冬期，FM模式干物質積累量顯著高于其他模式(P<0.05)；越冬至返青期、拔節至開花期干物質積累量均以T3模式最高，顯著高于其他模式(P<0.05)；返青至拔節期，干物質積累量以CK模式最低，顯著低于其他4種模式(P<0.05)；開花至灌漿期，T2模式下干物質積累量分別比CK、FM、T1、T3模式顯著提高了391.10%、208.18%、45.30%、38.29%(P<0.05)。從不同模式來看，CK、FM、T3模式在拔節至開花期干物質積累較快，而T1、T2模式分別在返青至拔節期、開花至灌漿期干物質積累較快。

S.播種期;O.越冬期;T.返青期;J.拔節期;A.開花期;F.灌漿期;M.成熟期。下同圖1 不同栽培模式冬小麥植株干物質積累

由表2可見，冬小麥花后干物質積累量、干物質轉運量和轉運率均以T2模式最高，其中，花后干物質積累量比CK、FM、T1、T3模式分別提高 128.95%、69.30%、15.86%、19.84%，花后干物質轉運量分別提高133.35%、4.83%、40.22%、21.07，花后干物質轉運率分別提高22.80%、16.42%、42.03%、40.87。

表2 不同栽培模式冬小麥植株花后干物質積累及轉運

注：同行不同小寫字母表示不同栽培模式間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2 不同栽培模式冬小麥的氮素積累與轉運

小麥植株氮素積累量隨著生育時期的推進而增加，不同生育時期之間的氮素積累量因不同的栽培模式而有差異(圖2)。T3模式的氮素積累總量較高，較CK模式提高了153.22%，較FM模式提高了0.16%。由方差分析可得，播種至越冬期和開花至灌漿期，FM模式的氮素積累量顯著高于CK、T1、T2、T3模式(P<0.05)；越冬至返青期，FM、T1和T3模式的氮素積累量顯著高于CK和T2模式(P<0.05)；返青至拔節期，T1、T2、T3模式的氮素積累量顯著高于CK、FM模式(P<0.05)；拔節至開花期，CK模式的氮素積累量較高，表現為CK>T3>FM>T2>T1；灌漿至成熟期，T1模式的氮素積累量較大，表現為T1>FM>T3>T2>CK。可見，不同栽培模式下各個生育階段氮素積累量的增加速率不同。

由表3可以看出，不同模式下小麥花后氮素積累量表現為FM、T1模式顯著高于CK、T2、T3模式；花后氮素轉運量以T3模式最大，較CK、FM模式分別提高了124.67%、5.94%；氮素轉運效率以T2模式最高，表現為T2>CK>FM>T1>T3。可見，合理施肥可以提高氮素轉運量，有利于花后營養器官積累的氮素向籽粒轉移。

圖2 不同栽培模式冬小麥主要生育階段氮素積累

2.3 不同栽培模式冬小麥的籽粒產量、產投比和光熱利用效率

由于播期不同，小麥生育期內總輻射量和平均溫度也有差異(表4)。從籽粒產量來看，T2模式的籽粒產量顯著高于CK和FM模式，3種高產栽培模式之間的產量表現為T2>T3>T1。從光熱資源利用效率來看，不同栽培模式間光合資源利用效率為10.58%～41.18%，T1、T2、T3模式的光合資源利用效率較FM模式分別提高了9.51%、25.17%、20.52%；不同栽培模式間光溫資源利用效率為16.94%～67.19%，T1、T2、T3模式的光溫資源利用效率較FM模式分別提高了11.62%、27.54%、22.84%。從產投比來看，T2模式的產投比顯著高于其他模式，比T1、T3、FM和CK模式分別提高32.21%%、5.36%、30.33%和169.61%。綜合來看，T2模式下有利于提高籽粒產量和光熱利用效率。

表3 不同栽培模式冬小麥植株花后氮素積累及轉運

表4 不同栽培模式冬小麥的產量、產投比及光熱資源利用效率

2.4 不同栽培模式冬小麥干物質和氮素的積累轉運與光熱資源利用效率的相關分析

由小麥干物質和氮素的積累轉運與光熱資源利用效率的相關分析(表5)可以看出，小麥的干物質總積累量、花后干物質積累量分別與籽粒產量呈顯著相關，花后干物質積累量與光合、光溫資源利用效率呈顯著相關，干物質總積累量與光合、光溫資源利用效率呈極顯著相關。表明花后干物質積累量和干物質總積累量對光合、光溫資源利用效率的影響顯著，采用合理的栽培措施提高干物質積累量有利于提高光合、光溫資源利用效率。小麥花后氮素轉運率與籽粒產量顯著相關，花后氮素轉運量和氮素總積累量分別與光合、光溫利用效率均呈極顯著或顯著正相關。因此，提高氮素總積累量和營養器官氮素轉運量均有利于提高小麥對光合、光溫資源的利用效率。

表5 不同栽培模式冬小麥的籽粒產量、光熱資源利用效率與干物質及氮素各指標的相關性分析

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平下顯著、極顯著相關。

2.5 不同栽培模式麥田土壤-植株系統的氮素平衡

不同栽培模式下氮素總體平衡情況如表6所示。從0～40 cm耕層土壤氮素輸入途徑看，播前土壤氮是氮素的主要來源，占總輸入的90%以上，施氮量次之。播前土壤氮與上季土壤殘留有關，氮肥用量是農田中最易調控的因素，因此，適宜的施氮量可以調節農田氮盈余量。

從全生育期氮盈余來看，不同栽培模式表現為T1>FM>T2>T3>CK，T1與FM模式之間差異不顯著，顯著高于其他模式；5種栽培模式的氮表觀損失表現為T1>FM>T3>CK>T2。可見，T2模式的氮表觀損失較少，T3模式的氮盈余較少。T1模式的氮輸入量最高，氮輸出量卻低于T3模式，T1模式的氮盈余和氮表觀損失均高于其他模式，T1模式的氮肥施用量過高。

表6 不同栽培模式麥田土壤-植株系統的氮素平衡 kg/hm2

3 結論與討論

研究認為，小麥植株干物質和氮素積累量均隨著生育進程逐漸增加，而小麥返青期之前生物量增加緩慢，拔節期后增長迅速，成熟期達到最大[18-19]。也有研究表明，施加氮肥能顯著提高干物質積累的平均速率和最大速率，在灌漿期，由于其冠層光合作用較強，高氮處理比低氮處理的干物質氮素積累較多[5,20-21]。本研究中，小麥植株干物質和氮素的積累量在不同栽培模式下均隨生育時期的推進不斷增加，小麥拔節后的干物質積累量較大，而小麥植株在播種至拔節期的氮素吸收能力高于拔節至成熟期，除了CK模式拔節前和拔節后氮素積累量沒有顯著變化，其他施氮模式拔節前的氮素積累量顯著高于拔節后，表明施用氮肥能顯著提高小麥氮素吸收過程的速率，增加物質積累。這可能是由于不施氮肥，減少了土壤養分，小麥養分供應不足，嚴重抑制了小麥生長，而施氮模式，除了T1模式在孕穗期氮肥追施20%，其他模式氮肥施加全部集中在拔節及拔節前，此時土壤中氮素含量豐富，開花期之前植株從土壤中吸收氮素能力較強，較多氮素貯存于植株，促進拔節后植株的生長和干物質的增加。

楊麗等[22]研究表明，同一水分條件下，成熟期生物量隨施肥量的增加表現為先增后減。與本研究結果一致，不同模式的小麥干物質和氮素積累量有所差異，T1處理總施氮量最高，但其氮表觀損失和氮盈余也較高；T3模式氮肥施用量不是最高，但干物質和氮素總積累量最高，可能是由于其拔節期施氮量高于其他模式。推測拔節期追施氮肥能夠增加小麥干物質和氮素的積累。

蔡瑞國等[6]研究表明，施氮可顯著增加小麥的籽粒產量，但過多施氮會導致產量下降。沈建輝等[23]研究表明，拔節和孕穗期追氮均提高了小麥產量。姜麗娜等[24]研究表明，在底施120 kg/hm2的基礎上，隨拔節期追氮量的增加，籽粒產量呈先增后減的趨勢。也有研究表明，在土壤有效水分充足的情況下，總施氮量為190 kg/hm2時，小麥籽粒產量沒有顯著降低[25]。本試驗在T2模式225 kg/hm2的施氮量下，小麥籽粒產量，光溫、光合利用效率和產投比最高；FM、T1模式總施氮量高于T2模式，且FM模式生育前期氮肥基施比例較大，土壤氮含量高，在播種至越冬期的干物質積累量顯著高于CK、T1、T2和T3模式，而T1和FM模式小麥花后氮素積累量顯著高于其他模式，導致其土壤殘留氮下降、最終氮表觀損失量高，氮肥的過度施加對提高產量并沒有顯著的效果，而T2模式基施50%氮肥+拔節期追施50%氮肥，保證了生育期內小麥生長對氮的需求，促進了植株對氮的吸收，氮表觀損失量低于其他模式，而小麥籽粒產量，光溫、光合效率和產投比高于其他模式。

研究表明，播期對小麥干物質積累、氮素吸收和小麥產量有影響，是由于播期影響小麥生育期的總輻射量和平均溫度，進而影響冬小麥的光熱資源利用效率[14,20]。袁愛民[26]研究表明，現階段的農田實際生產力與生產潛力之間仍存在較大差距，將適宜的麥田生態環境和科學的栽培技術相結合，可進一步提高小麥產量。本研究區有較高的光熱生產潛力，CK模式農田實際生產力和光熱資源利用效率較低，FM模式的籽粒產量也不高，而T1、T2、T3模式的光合資源利用效率和光溫資源利用效率較FM模式分別提高了9.51%～25.17%和11.62%～27.54%。說明在保證作物水肥供應適宜的耕作條件下，選擇合適播期可提高冬小麥的光熱資源利用效率。石祖梁等[27]、張萌等[28]研究認為，提高花后干物質積累量是提高小麥產量的重要途徑，莖稈和莖鞘氮素運轉量對籽粒產量的直接影響最大。本試驗相關分析也表明，干物質總積累量和花后氮素轉運量與光熱資源利用效率均呈極顯著正相關，花后干物質積累量和氮素總積累量與光熱資源利用效率均呈顯著正相關。因此，提高冬小麥氮素總積累量、干物質積累量、花后干物質積累量和花后氮素轉運量有利于提高小麥對光熱資源的利用效率。

本研究表明，在黃淮小麥玉米兩熟區，不同栽培模式影響冬小麥干物質和氮素的積累轉運、光熱資源利用及產投比，干物質和氮素的積累及轉運增加對小麥光熱資源利用效率有顯著的提高作用。綜合來看，T2模式氮表觀損失較低，并且花后的干物質積累量、轉運量和轉運率最高，播量及氮肥投入較低，全生育期肥水供應合適，滿足了小麥不同生育階段的營養需求，最終表現為籽粒產量、光熱利用效率和產投比最高，是當前該地區小麥生產適用的高產高效栽培模式。而T3模式有效提高了干物質和氮素積累總量、花后氮素轉運量，是未來小麥栽培中需進一步研究的再高產高效栽培模式。