滴灌春小麥水分截獲量及植株氮素積累與分配特征

楊建平，李鵬兵，盧偉鵬，張龍龍，李召峰，李衛華，姜 東

(1.石河子大學農學院/新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室,新疆石河子 832000，2.南京農業大學國家信息農業工程技術中心,南京 210000)

0 引 言

【研究意義】發展滴灌小麥是水資源嚴重不足地區高效節水生產發展的方向，但與滴灌棉花、滴灌玉米等大株型、寬行距作物采用的“1(條滴灌)管1(行作物)”或“1管2”不同，滴灌小麥為窄行距種植，需采用“1管多”的種植模式降低滴灌毛管成本。目前新疆主要推廣相對成熟為“1 管 4滴灌模式”，但這種模式存在滴灌毛管用量大，用水量偏大等成本偏高、水分利用效率相對較低等問題。擴大管行比(滴灌毛管與小麥行數比值)對提高小麥水分利用效率有重要意義。【前人研究進展】在“1 管 4滴灌模式”，行間含水量[1,2]、氮營養指數[3,4]、不同施氮量[5,6]和施氮時期[7]對作物產量與品質的影響、不同品種間的氮素積累與轉運等有較多研究。小麥籽粒積累的氮素主要來自前期營養器官儲存氮素的再分配,再分配氮素占籽粒氮素的53.0%～80.5%[8],因品種不同而存在顯著差異。【本研究切入點】目前，“1管6滴灌模式”下，對小麥行間灌水截獲量以及不同品種的行間氮素積累與轉運特征的研究鮮有報道。研究“1管6滴灌模式”下，滴灌春小麥水分截獲量及不同品種遠近氮素積累與轉運特征以及其對籽粒蛋白質含量的影響。【擬解決的關鍵問題】選用來自新疆、內蒙古、寧夏等春小麥生產區7個春小麥品種(系)，研究“1管6滴灌模式”下，小麥行間水分截獲量及不同品種間行間氮素積累與轉運特征的空間差異，以及其對行間籽粒蛋白質含量的影響，為降低新疆滴灌小麥生產成本、構建經濟高效的滴灌小麥模式提供理論依據與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2018年在新疆石河子大學試驗場(85°48′E, 44°44′N)進行，選用7個在生產中有一定種植面積春小麥品種(系),包括：新春37號(新疆)、農麥2號(內蒙古)、克春11號(黑龍江)、津強7號(天津)、高原506號(青海)、寧春4號和寧春53號(寧夏)。試驗田土壤類型為壤土,土壤有機質16.05 g/kg、堿解氮42.05 mg/kg、速效磷13.69 mg/kg、速效鉀225.96 mg/kg。于4月3日播種，播種施基肥P2O5和K2O 各105 kg/hm2。

試驗采用“1管6灌溉模式”(1條滴灌帶兩側各種3行小麥)的毛管配置方式，小麥行距為15 cm，按距滴灌帶由近及遠的種植行分別記為R1、R2與R3。基本苗550×104株/hm2。灌水量為4 500 m3/hm2，滴頭流量為2.6 L/h；施氮300 kg/hm2，灌水施肥時間與比例參照[4]進行。小區寬4.5 m,長7 m,每品種重復3次,隨機區組排列。

1.2 方 法

1.2.1 測定最大蒸散量(ET0)、最大蒸散速率與行間灌水截獲量

根據室外自動氣象站自動記錄的每天的最高溫度、最低溫度、平均風速、相對濕度、日照時間等數據[9,10],運用ET0Calculator軟件(聯合國糧農組織)計算最大蒸散量[11,12]，蒸散速率為蒸散量除以時間(mm/d)。每次灌水后1 d與灌水前1 d測定行間土壤各層(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～100 cm)絕對含水量，乘以對應的土層體積，灌水后水量與灌水前水量之差為此次灌水截獲量，6次灌水截獲量之和為行間生育期灌水截獲量。

1.2.2 氮素積累與轉運

在開花期和成熟期每一行取同一天開花且長勢一致的植株各20株，開花期的植株分成葉片、莖鞘和穗等器官，成熟期植株分為葉片、莖鞘，穗軸+穎殼與籽粒等器官。分樣后于105℃殺青 1 h，70℃烘干至恒重，稱取各器官干重，磨粉后蒸餾定氮儀定氮，籽粒蛋白質含量為籽粒氮含量乘以轉換系數(小麥為5.83)，計算氮素轉運等參數[13]。

花前氮素轉運量 = 開花期營養器官氮素積累量 - 成熟期營養器官氮素積累量;

花前氮素轉運率 =氮素轉運量/開花期營養器官氮素積累量×100%;

花前氮素轉運量對籽粒的貢獻率 =氮素轉運量/成熟期籽粒氮素積累量×100%;

花后氮素積累量 = 成熟期籽粒氮素積累量-營養器官花前氮素轉運量;

花后氮素對籽粒的貢獻率 =花后氮素積累量/成熟期籽粒氮素積累量 × 100%。

1.2.3 氮營養指數

根據開花期莖鞘，葉片和穗實際氮含量與臨界氮含量的比例計算，其中后者根據小麥 “臨界稀釋曲線(Nct= 5·35DM～0·442)”估算[14,15]。其中，NC為臨界氮濃度(%)，DM為地上部干物質重最大值(t)。以R1作為地上干物質最大值，前人研究發現“1管4灌溉模式”、“1管5灌溉模式”和“1管6灌溉模式”三種滴灌模式的R1行小麥植株干物質積累行間差異不顯著[2]。

1.3 數據處理

數據采用SPSS19.0進行單因素方差分析(ANOVA)，SigmaPlot10.0作圖。

2 結果與分析

2.1 蒸散量(ET0)與行間灌水截獲量

研究表明,在小麥整個生育期間，播種-拔節期蒸散量最大，達到了198 mm，占小麥生育期的35%，但該期間蒸散速率較小，為3.96 mm/d；拔節期-孕穗期蒸散量較小，為62 mm,但其蒸散速率為6.2 mm/d,僅次于乳熟末期-完熟期；蒸散量與蒸散速率均在孕-穗開花期最小，分別為43 mm與3.9 mm/d；開花期-乳熟初期與乳熟初期-乳熟末期蒸散量分別為106與57 mm,蒸散速率為5.89與5.7 mm/d；乳熟末期-完熟期蒸散量為106 mm,占全生育期的18.6%，蒸散速率最高，為7.43 mm/d。

不同行間因離滴灌帶距離不同，灌水截獲量不同，R1得到了最多的灌水，R2相對于R1，總灌水截獲量減少33.6%，而R3行總灌水截獲量減少了60.3%；拔節-孕穗期與孕穗-開花期R3得到的灌水量為59與56 mm，與該時段蒸散量62與43 mm相近；播種-拔節期R3灌水截獲量為61 mm，僅為蒸散量的1/3左右； 開花期-乳熟末期蒸散量為163 mm，而R3截獲灌溉量僅為49 mm； 乳熟末期-完熟期R3灌水截獲量為14 mm，與蒸散量104 mm差異巨大。圖1

注:橫坐標S1，S2，S3，S4，S5，S6為播種-拔節，拔節-孕穗，孕穗-開花期，開花期-乳熟初期，乳熟初期-乳熟 末期，乳熟末期-完熟期

Note: The abscissas S1, S2, S3, S4, S5, S6 were sowing - jointing stage, jointing - booting stage, booting - anthesis stage, anthesis - early milk stage, early milk stage - late milk stage, late milk stage - mature stage , respectively

圖1 小麥發育不同時期的最大蒸散量、最大蒸散速率和行間灌水截獲量

Fig.1 The maximum evapotranspiration, evapotranspiration rate and received irrigation water during growth period

2.2 氮營養指數

研究表明,“1管6滴灌模式”下,各品種R2與R3開花期莖鞘、葉片、穗氮營養指數相對于R1均依次降低，但是其降低的幅度遠遠小于灌水截獲量降低的幅度，各器官R2與R3相對于R1的降低幅度不同，5個品種(新春37號、農麥2號、高原506號、寧春4號與寧春53號)穗氮營養指數降低幅度最小，2個品種(克春11號與津強7號)葉片氮營養指數降低幅度最小。小麥品種各器官氮營養指數行間變異系數與降低幅度一致。各器官行間平均氮營養指數中葉片氮營養指數最高，新春37號莖鞘、穗氮營養指數行間平均值分別為0.71與0.66，高于其他品種；同時其行間變異系數分別為3.57與2.17，低于其他試驗品種。高原506號莖鞘、葉片、穗氮營養指數行間變異系數分別為14.49、11.68與8.15，各器官氮營養指數行間變異幅度均較大。圖1，表1

表1 “1管6灌溉模式”下不同小麥品種開花期莖、葉與穗營養指數

Table 1 Stem、 leaf and ear N nutrition index of different wheat varieties at anthesis in one tube served six rows of drip irrigation

品種Variety處理Treatment莖鞘Stem+sheath葉片Leaf穗Spike氮營養指數NNI降幅DTR1(%)變異系數C.V氮營養指數NNI降幅DTR1(%)變異系數C.V氮營養指數NNI降幅DTR1(%)變異系數C.V新春37號Xinchun37R10.74a0.88a0.68aR20.70b5.133.570.81b8.3213.740.66b3.542.17R30.69c6.520.67c24.130.66b3.78農麥2號Nongmai2R10.57a0.84a0.66aR20.51b10.7810.000.80b4.729.640.66a0.363.92R30.47c17.960.69c17.280.62b6.81克春11號Kechun11R10.71a0.82a0.54aR20.61b13.0414.290.78b4.984.270.51b6.064.79R30.53c24.960.75c7.890.50b8.92津強7號Jinqiang7R10.74a0.93a0.60aR20.62b16.2312.070.89b4.334.030.57b4.857.60R30.60c19.970.86c7.720.52c14.03高原506號Gaoyuan506R10.78a0.84a0.64aR20.71b9.9914.490.74b11.9511.680.58b8.948.15R30.58c25.380.67c20.730.54c14.91寧春4號Ningchun4R10.56a0.85a0.66aR20.53b6.157.990.70b16.8211.840.62b5.789.84R30.48c14.790.68c19.090.54c17.78寧春53號Ningchun53R10.63a0.66a0.63aR20.58b7.338.570.65b1.676.860.60b4.685.91R30.53c15.810.58c12.080.56c11.14行平均值新春37號Xinchun370.71a0.79b0.66a農麥2號Nongmai20.52f0.78c0.65b克春11號Kechun110.62d0.76d0.52g津強7號Jinqiang70.65c0.89a0.56f高原506號Gaoyuan5060.69b0.75e0.58e寧春4號Ningchun40.52f0.75e0.61c寧春53號Ningchun530.58e0.63f0.59d

注:NNI為氮營養指數，DTR1為對應行相對于R1的降低幅度，C.V為行間變異系數，圖柱上的不同字母表示處理間在0.05水平上同一品種行間差異達顯著

Note:NNIwas nitrogen nutrient index,DTR1indicated the decrease percentage of the value of the given row relative to R1,C.Vwas the coefcient of variation among the rows in the same variety, the lowercase letters showed signicant dierence between rows in the same variety at the 0.05 level

2.3 氮素含量與氮素積累與分配

“1管6滴灌模式”下,各品種R2與R3開花期莖鞘、葉片、穗氮素含量相對于R1均依次降低，但是其降低的幅度遠遠小于灌水截獲量降低的幅度。開花期各品種各器官氮素含量葉片最高，穗、莖鞘依次降低，成熟期各器官氮素含量籽粒最高，葉片次之。“1管6滴灌模式”下,各品種R2與R3成熟期莖鞘、葉片、穗+穗軸、籽粒氮素含量相對于R1依次降低，但其降低幅度沒有水分截獲量降低幅度大。各品種莖鞘、葉片、穗成熟期R2與R3相對于R1的降低幅度小于成熟期對應器官的行間降低幅度，同時試驗品種成熟期各器官氮素含量行間變異系數籽粒最小(農麥2號葉片氮素含量行間變異系數最小)。小麥品種開花期各器官氮素含量行間變異系數與氮營養指數一致，

“1管6滴灌模式”下，各品種R2與R3開花期莖鞘、葉片、穗氮素含量相對于R1均依次降低，成熟期R2與R3莖鞘、葉片、穗+穗軸、籽粒氮素積累量相對于R1依次降低，同時其降低的幅度遠遠小于灌水截獲量降低的幅度，開花期各器官行間降低幅度小于成熟期對應的各器官降低幅度。品種開花期各器官氮素積累量莖鞘最高，克春11號、津強7號、高原506號葉片、穗氮素積累量依次相對于莖鞘降低，其余品種穗、葉片氮素積累量依次相對于莖鞘降低。成熟期籽粒、莖鞘、穗+穗軸、葉片氮素積累量依次降低(寧春53號籽粒、穗+穗軸、莖鞘、葉片、氮素積累量依次降低)。開花期莖鞘、穗氮素分配比例表現為R2與R3相對于R1依次升高，葉片氮素分配比例與莖鞘、穗相反，成熟期莖鞘、葉片、穗+穗軸氮素分配比例R2與R3相對于R1依次降低，但其籽粒氮素分配與莖鞘、葉片、穗+穗軸相反。各品種成熟期各器官行間變異系數籽粒最小。圖2

圖2 “1管6滴灌模式”下不同小麥品種開花期與成熟期各器官氮素含量

Fig.2 Nitrogen content of various organs of wheat varieties at anthesis and maturity in one tube served six rows of drip irrigation

2.4 氮素再轉運

“1管6滴灌模式”下，R2與R3花前氮素轉運量相對于R1依次減少，且在0.05水平上差異顯著，但各品種的降低幅度遠小于灌水截獲量的降低幅度，R2與R3花前氮素轉運率、花前氮素轉運量對籽粒的貢獻率相對于R1依次變大(津強7號R2與R3依次減小)，且在0.05水平上差異顯著。R2與R3花后氮素對籽粒的貢獻率相對于R1依次變小(津強7號R2與R3依次增大)。各品種R2與R3氮收獲指數相對于R1依次升高。各品種行間花后氮素對籽粒的貢獻率與氮收獲指數在0.05水平上差異顯著。籽粒氮素主要來源于花前氮素轉運與花后氮素積累，各品種行間轉運氮對籽粒的貢獻率達53.16%～77.66%，遠高于花后氮素對籽粒的貢獻率。

“1管6滴灌模式”下，各品種R2與R3籽粒蛋白質含量相對于R1依次降低，且在0.05水平上差異顯著，籽粒蛋白質含量的行間降低幅度遠小于對應的成熟期各營養器官的行間降低幅度。各品種籽粒蛋白質含量行間變異系數與成熟期籽粒氮素含量行間變異系數相同。表2

注：柱子旁邊數字為氮素分配比例

Note: The number near the column is the nitrogen distribution ratio

圖3 “1管6滴灌模式”下不同小麥品種開花期與成熟期各器官氮素積累量與分配比例

Fig.3 Nitrogen accumulation and distribution of various organs of different wheat varieties at anthesis and maturity in one tube served six rows of drip irrigation

2.5 氮素積累與轉運，轉運氮與氮營養指數的相關性

研究表明,開花期氮素積累量的大小影響氮素的再轉運，兩者呈正相關，相關系數為0.811；籽粒氮素積累量主要來自于花前積累的氮素轉運與花后氮素積累，籽粒氮素積累量與再轉運氮，花后氮素積累均呈正相關，相關系數分別為0.498與0.737；氮營養指數可判定作物體內營養狀況的指標，植株各器官氮營養指數越大，作物體內的營養狀況越好，則轉運的氮素量越大。開花期莖鞘氮營養指數與莖鞘的氮素轉運量間呈正相關，兩者之間的相關系數為0.403，同時，開花期葉片氮營養指數與葉片的氮素轉運量間呈正相關，兩者之間的相關系數達到0.643，開花期穗氮營養指數與穗的氮素轉運量間呈正相關，兩者之間的相關系數達到0.717。圖4

籽粒氮素主要來源于花前氮素的轉運與花后氮素的積累，而花前氮素轉運量與開花期氮素積累量呈正相關，花前各營養器官氮素積累量的增加與開花后氮素吸收能力的增強均有利于籽粒氮素積累量的提高。

表2 “1管6滴灌模式”下不同小麥品種氮素的再轉運與籽粒蛋白質含量

Table 2 Nitrogen redistribution and grain protein content of different wheat cultivars in one tube served six rows of drip irrigation

品種Variety處理Treatment氮素轉運量DMR(kg/hm2)氮素轉運率DMR-R(%)轉運對籽粒貢獻率DMR-C%(%)花后氮素對籽粒貢獻率DMM-C(%)氮素收獲指數NHI(%)籽粒蛋白質含量Grainproteincontent(%)新春37號Xinchun37R1164.4a63.17c66.73c33.27a71.99c13.56aR2143.9b68.55b77.33b22.67b73.81b13.20bR3117.4c73.24a78.64a21.36c77.68a12.68c農麥2號Nongmai2R1135.6a61.9c60.72b39.28a72.78c13.12aR2101.8b63.08b60.92b39.08a73.78b12.81bR383.8c67.23a62.74a37.26b76.58a11.85c克春11號Kechun11R1140.8a58.69c53.64c46.36a72.59c15.18aR2133.9b68.58b70.28b29.72b75.64b14.66bR3113.5c73.02a75.48a24.52c78.20a13.73c津強7號Jinqiang7R1163.1a70.07a72.84a27.16c76.27c14.07aR2120.7b70.00a65.08b34.92b78.19b13.89bR388.3c69.77a60.74c39.26a79.17a13.72c高原506號Gaoyuan506R1136.5a54.88c60.50c39.50a66.78c15.19aR2110.0b64.45b75.20b24.80b70.68b13.47bR3103.0c77.52a85.95a14.05c80.04a12.91c寧春4號Ningchun4R1109.3a53.16c46.36c53.64a71.00c13.92aR2104.0b64.25b53.14b46.86b77.18b13.21bR384.7c68.62a54.89a45.11c79.94a12.55c寧春53號Ningchun53R1133.3a64.09c57.94c42.06a75.49c14.72aR2120.4b71.02b73.63b26.37b76.90b13.50bR3105.5c77.66a93.60a6.40c78.79a12.91c

注：DMR:花前氮素轉運量； DMR-R：氮素轉移率； DMR-C：轉運氮對籽粒的貢獻率； DMM-C：花后氮素積累量對籽粒的貢獻率；圖柱上的不同字母表示處理間在0.05水平上同一品種行間差異達顯著

Note:DMR refers to amount of nitrogen accumulated in vegetative organs before anthesis, which is redistributed to grains after anthesis; DMR-R and DMR-C refer to the rate and contribution of DMR to grains, respectively; DMM-C refers to the contribution of DMM to grains; the lowercase letters refer to signicant dierence between rows in the same variety at the 0.05 level.respectively

3 討 論

Lv等[2]研究發現，在TR5與TR6滴灌模式下，R2與R3相對于R1干物質量、葉面積指數及產量的減少比率均低于截獲水減少的比例。研究發現，TR6滴灌模式下拔節期-開花期R3灌水截獲量與蒸散量相當，拔節期-開花期是植物生長的重要階段，這也可能是遠行產量等減少比例小于水分減少比率的原因。播種-拔節期與乳熟末期-完熟期R3行灌水截獲量遠小于蒸散量，但但播種-拔節期有10 d左右時間種子處于萌發狀態，Wang等[16]研究發現前期適度干旱會提高植株花后對干旱脅迫的耐受性，導致谷物產量損失比例未經歷干旱脅迫的植株少得多。乳熟末期-完熟期植株灌漿已基本完成，灌水截獲量與蒸散量之間的巨大差異不會對植株影響很小。開花期-乳熟末期R3行蒸散量遠大于灌水截獲量，對植株灌漿過程造成影響，這也是遠行R2與R3產量低于R1的主要原因。增加開花期-乳熟末期的灌水量可能會使遠行R2與R3相對于R1的產量降幅變低。

圖4 “1管6滴灌模式”下氮素積累與轉運、轉運氮與氮營養指數的相關性

Fig.4 Correlation analysis of nitrogen accumulation anddistribution, redistribution nitrogen and nitrogen nutrition index in one tube served six rows of drip irrigation

開花前是氮素積累量的主要時期[8,17],研究發現籽粒氮素主要來源于花前氮素轉運與花后氮素積累，各品種行間轉運氮對籽粒的貢獻率達53.16%～77.66%，遠高于花后氮素對籽粒的貢獻率；同時，研究發現開花期各器官氮開花期氮素積累量影響氮素的再轉運，兩者呈正相關；開花期莖鞘、葉片、穗的氮營養指數影響氮素的轉運，各器官氮素轉運量與對應的氮營養指數呈正相關。中度水分調虧(50%～55%)可促進小麥營養器官花前貯藏物質向籽粒再運轉[18]，研究表明“1管6滴灌模式”下，遠行R2與R3的花前氮素轉運率、轉運氮對籽粒的貢獻率、氮收獲指數相對于R1會升高。

4 結 論

“1管6滴灌模式”下，小麥各行作物生長的關鍵時期不會受到水分脅迫；植株體內營養狀況越好，花前氮素轉運量越大；籽粒氮素主要來源于花前氮素的轉運；“1管6滴灌模式”下，遠行R2與R3的花前氮素轉運率、轉運氮對籽粒的貢獻率、氮收獲指數相對于R1會升高。