旱作春小麥旗葉生理生化特征及籽粒灌漿對不同施氮量的響應

曾敏，謝軍紅，李玲玲，Zechariah Effah，劉雪寧，杜常亮，王進斌

(省部共建干旱生境作物學國家重點實驗室，甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州 730070)

施氮能通過改善光合性能[1-5]和延緩葉片衰老[6-7]提高糧食單產.然而一味增加施氮水平不僅不能獲得預期的增收效果，反而造成農業生產成本提高和環境污染[8-9].面對日益增大的環境壓力，如何通過降低環境成本獲得較高的生產力水平成為糧食生產研究關注的科學問題[10].隨著近幾年來國家“雙減(肥料、農藥減量)” 行動的提出和執行，減施氮肥在協調糧食生產和環境保護發面均取得了一系列可喜成績[11].能否通過一些田間作物生理生化指標參數構建一種能獲得較高的產量水平的信息化管理技術對綠色高產高效生產有一定的理論價值，但相關研究相對缺乏.

小麥作為主要的糧食作物，對保障糧食安全具有重要作用[12].協調植株體內代謝，達到增“源”擴“庫”的目的，進而獲得小麥高產是當前的研究重點[13-14].已有研究發現合適的施氮水平能提高小麥光合速率、改善光合性能、延緩衰老[15-16]、維持較高的灌漿速率和較長的灌漿持續時間[17-18]、保持較高的硝酸還原酶活性和可溶性蛋白含量[19-20]，從而影響作物產量.黃土高原是我國旱地小麥主要產區[21]， 然而，區域內水土流失嚴重，土壤肥力低下，小麥產量低[22].合理施氮能提高小麥產量[23-24]，對保障區域糧食供給和農民增收發揮了重要作用.關于旱作春小麥適宜施氮量的研究非常廣泛，不同類型區旱作春小麥施氮量不同[25-27]，通過旗葉SPAD、光合性能、籽粒灌漿等生長、生理生化指標監測實現提高小麥信息化管理水平的研究也亟待開展.

為此，本試驗依托甘肅農業大學旱作農業綜合實驗站2003年建立的長期施氮定位試驗，通過旗葉生理生化指標、籽粒灌漿主要指標的監測及其與產量的相關性分析，揭示施氮水平影響小麥產量的旗葉生理生化及籽粒灌漿機理，以期為黃土高原旱區小麥生產提供合理施氮依據，進而為該區小麥信息管理技術體系構建提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2019年3月～2020年7月在甘肅省定西市李家堡鎮甘肅農業大學旱作農業綜合實驗站進行，該區為典型的黃土高原半干旱雨養農業區.平均海拔2 000 m，日照時數2 476.6 h，年均氣溫6.4 ℃，≥ 0 ℃年積溫2 933.5 ℃，無霜期140 d.多年平均降水量為390.9 mm,年蒸發量為1 531 mm.土壤類型為黃綿土，土質疏松，質地均勻，有良好的儲水性能.2019、2020年都是豐水年，降水量分別為491.6、550.4 mm(圖1)，小麥生育期內降水量分別為279.2、288.8 mm.2020年小麥出苗率低且拔節期遭受冰雹災害.

圖1 試驗區2019和2020年月降水量Figure 1 Monthly rainfall at the experimental area in 2019 and 2020

1.2 試驗設計

本研究依托2003年設點的長期定位試驗，共設5個施氮處理：0(N1)、52.5(N2)、105(N3)、157.5(N4)、210 kg/hm2(N5)，3次重復，共15個小區，小區面積30 m2.本研究數據是定位試驗進行的第17年(2020年)的研究結果，供試春小麥品種為定西40號.于2020年3月中旬播種，7月下旬收獲.小麥播量為187.5 kg/hm2，行距0.25 m，各處理磷肥施用量均為105 kg/hm2.供施氮肥為尿素(N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O512%)，肥料在播種前一次性施入土壤，后期不再追肥.作物生長期間人工除草，其他管理方式同當地大田管理.

1.3 測定項目及方法

1.3.1 旗葉生理生化指標 自2020年6月23日開始，每隔7 d取各處理小麥旗葉測定以下生理指標：硝酸還原酶(nitrate reductase,NR):磺胺比色法測定[28]；可溶性蛋白(soluble protein):考馬斯亮藍G-250法測定[29]；光合速率(photosynthetic rate，Pn)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration，Ci)、氣孔導度(stomatal conductance，Gs)、蒸騰速率(transpiration rate，Tr)：于晴朗天氣的上午9∶00～11∶00用便攜式光合-熒光測量系統(GFS-3000，德國)采用自然光源測定(第21天以后由于天氣原因未能測定)，每個小區測定5株，每株重復測定葉片中部3次；旗葉SPAD含量：用葉綠素儀SPAD-502(北京)測定小麥旗葉的旗葉SPAD含量，每個小區選取長勢均勻的5株進行測定，每株重復測定旗葉不同部位3次，取平均值.

1.3.2 籽粒灌漿 于2020年6月23日，選取同日開花的小麥掛牌，從小麥花后第7天開始，每隔7 d取小麥穗中部籽粒，105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒質量，稱干質量后換算成千粒質量.以花后天數(t)為自變量，籽粒千粒質量(y)為因變量.用Logistic方程y=a/(1+be-ct)對其灌漿過程進行擬合[18].其中a表示理論最大粒質量，t表示開花后天數，b、c為模型參數.

根據方程推導出灌漿高峰起始時間(t1)、終止時間(t2)、最大灌漿速率(Vm)、最大灌漿速率出現時間(tm)和快增期持續時間(Δt).

t1=[ln(b)-ln(3.7321)]/c,t2=[ln(b)+ln(3.7321)]/c,tm=ln(b/c),vm=ac/4,△t=t2-t1.

1.3.3 產量 分別于2019和2020年按小區脫粒計產，測定籽粒產量與生物產量，最后換算為每公頃產量(kg/hm2).

1.4 數據處理

用Excel 2019和Sigmaplot 12.5整理數據和作圖，用Origin 2019對籽粒灌漿進行擬合，用SPSS 21.0對數據進行單因素方差(One-Way ANOVA)分析,用最小極差法(LSD法)進行多重比較.

2 結果與分析

2.1 長期施氮對旗葉光合生理指標的影響

由圖2可知，春小麥開花后，隨著時間的推移，旗葉葉片SPAD值呈先增加后降低的趨勢，花后各處理在第7天達到峰值，之后開始下降，N1在第7～14天下降明顯(下降29.9%)，其他處理在第28～35 d下降尤為明顯.處理間，各個測定時間小麥葉片SPAD值均表現為施氮處理顯著高于N1，在小麥花期和花后第14天，N4、N5水平的葉片SPAD值顯著高于N2、N3，花后第21天，處理間差異最大，且葉片SPAD值隨施氮水平的提高而增加，N5較N4、N3和N2分別增加4.0%、6.9%和12.4%；第28天，N5、N4和N3較N2分別增加8.5%、4.7%和7.7%(P<0.05)；第35天，N3和N5處理下的SPAD值相當且高于N2、N4處理.

誤差線上不同字母表示處理間存在顯著差異(P<0.05).Different letters above error bars indicate significance among treatments at P<0.05.圖2 長期施氮對春小麥旗葉SPAD值的影響Figure 2 Effects of long-term nitrogen application on SPAD value of flag leaf in spring wheat

由圖3可知，小麥旗葉光合速率隨花后時間推移呈先增大后降低趨勢，各處理皆在花后第7天達到最大值，之后開始下降，N1、N4、N5在第14～21天下降迅速.小麥從開花到花后第21天，隨著施氮水平的提高，旗葉光合速率呈先增加后降低的趨勢，N3處理下光合速率最高.開花期到花后第7天，施氮處理顯著高于N1；花后第14天以后，N5處理與N1已無顯著差異.小麥旗葉氣孔導度在花后第7天達到最高，而后降低，在開花期和花后第7天，N3處理的旗葉氣孔導度顯著高于N4、N5處理，花后第7天以后，N3、N4、N5之間的差異逐漸縮小至無差異.胞間CO2濃度隨花后時間的推移而增加，N3處理下最低，與N5處理存在顯著差異.旗葉蒸騰速率隨花后時間推移先增加后降低，在開花期和花后第7天，N2、N3處理顯著高于N4、N5處理，花后第14天和第21天，N3和N4、N5處理的蒸騰速率無顯著差異.

圖3 長期施氮對春小麥旗葉光合參數的影響Figure 3 Effects of long-term nitrogen application on photosynthetic parameters of flag leaf in spring wheat

2.2 長期施氮對春小麥旗葉硝酸還原酶(NR) 和可溶性蛋白的影響

由圖4可知，小麥NR活性隨花后天數呈先增加后降低的趨勢，花后第7天最高，之后迅速下降，第14天以后下降緩慢.NR活性受施氮水平的影響，花后0～14 d，小麥NR活性隨施氮水平的提高先升高后降低，N4處理的NR活性顯著高于其他處理，分別較N1高出66.7%(0 d)、40.4%(7 d)、38.4%(14 d)，但到花后第21天以后，N4處理的NR活性與其他處理相比已無顯著優勢，而N3處理的NR活性在整個灌漿過程中與其他處理相比都有較高的活性.小麥旗葉可溶性蛋白含量在開花期含量最高，之后隨花后時間推移持續降低.開花期到花后第7天，N4處理的可溶性蛋白含量高于其他處理；花后第14天，N3處理顯著高于其他處理；花后第21天，小麥旗葉可溶性蛋白含量呈N3>N4>N2>N5>N1的趨勢，N3比N1、N5處理顯著高出31.6%和28.9%；花后第28天和第35天，N3處理與N4、N5處理無顯著差異.

誤差線上不同字母表示處理間存在顯著差異(P<0.05).Different letters above error bars indicate significance among treatments at P<0.05.圖4 長期施氮對春小麥旗葉硝酸還原酶活性和可溶性蛋白含量的影響Figure 4 Effects of long-term nitrogen application on NR activity and soluble protein content of flag leaf in spring wheat

2.3 長期施氮對春小麥籽粒灌漿特性的影響

由圖5可知，灌漿期不同處理下籽粒千粒質量的變化呈“s”型曲線變化.灌漿前期，不同施氮處理下的千粒質量無明顯差異，而灌漿后期，各施氮處理間千粒質量差異明顯，且N2、N3在花后第35天仍有一定的增長趨勢.各處理花后天數和粒質量進行Logistic方程進行擬合(表1)，各方程的擬合度(R2)在0.86～0.98，說明不同處理下開花后天數與千粒質量變化符合Logistic方程，且較能真實反應灌漿過程.

由表2可知，各施氮處理下的籽粒灌漿參數存在差異，理論最大粒質量(a)表現出N2>N3>N5>N4>N1的趨勢.雖然N4處理下的最大灌漿速率(Vm)最大(達1.8)，但是其最大灌漿速率出現的時間(Tm)早，快增期持續的時間(T)短，不利于籽粒粒質量的增加.N2與N3處理下，理論最大粒質量、最大灌漿速率和快增期持續時間都高于其他處理，有利于粒質量的積累和灌漿時間的延長.

圖5 長期施氮對花后籽粒千粒質量的影響Figure 5 Effects of long-term nitrogen application on 1000-Kernel weight after anthesis of spring wheat

表1 Logistic方程擬合及灌漿參數

2.4 長期施氮對春小麥產量及千粒質量的影響

由表3可知，長期施氮對小麥仍有增產作用，施氮水平對籽粒產量和生物產量的影響表現為隨施氮水平的提高先增加后減少，N3處理下的平均籽粒產量最高，分別比N1高出31%(P<0.05)、N4、N5高出5.0%和14.0%，與N2、N4、N5之間無明顯差異.N2處理下的平均生物產量最高，較N1增產35.4%(P<0.05).N3處理下的平均千粒質量分別比N1、N4、N5顯著高出19.5%、10.5%和8.7%(P<0.05).用兩年的平均產量(Y1)和生物產量(Y2)分別與施氮水平(x)進行非線性回歸分析(圖6)，得Y1=-0.047 2x2+11.888x+17 984(R12=0.659 6)和Y2=-0.116 2x2+31.371x+5 248(R22=0.659 6)，方差分析達到極顯著水平(P1=0.002、P2=0.009).發現在施氮水平為126 kg/hm2時，理論最高籽粒產量為2 550 kg/hm2.施氮水平為135 kg/hm2時，理論最高生物產量為7 365 kg/hm2.

表2 長期施氮對春小麥籽粒灌漿參數的影響

表3 長期施氮對春小麥產量和千粒質量的影響

圖6 不同施氮水平與春小麥產量的關系Figure 6 Relationship between different nitrogen level of application and yield of spring wheat

2.5 春小麥產量與旗葉各生理生化指標及灌漿參數的相關分析

由表4可知，小麥籽粒產量和生物產量分別與SPAD值呈極顯著正相關關系(0.646**)和顯著正相關關系(0.569*)，與凈光合速率呈極顯著(0.593**)和顯著正相關關系(0.566*)，與千粒質量呈顯著正相關關系，與硝酸還原酶、可溶性蛋白、最大灌漿速率及快增期持續時間呈正相關關系，但均未達到顯著水平.

表4 產量與旗葉生理生化指標、灌漿參數的相關系數

3 討論

3.1 施氮對旱地春小麥產量的影響

適量施氮可促進旱地小麥產量的形成，但施氮過多不僅對產量形成無益，反而會降低產量.楊顯梅等[25]在隴中黃土高原對春小麥適宜施氮量進行研究發現基施氮肥62.5 kg/hm2，拔節期追氮40～90 kg/hm2最有利于小麥產量的形成.茹小雅等[26]則研究表明當降水量為20%時，在旱農區施氮157.5 kg/hm2有利于提高春小麥籽粒產量.上述兩個研究地點都在隴中旱區且土壤都為黃綿土，與本試驗所處的生態環境相似.本研究表明，在生育期降水量為288.8 mm條件下， N3處理的籽粒產量最高，N2處理的生物產量最高.回歸分析表明，施氮126 kg/hm2能獲得最大籽粒產量2 550 kg/hm2，這與N3處理的平均實測產量一致，而施氮量為135 kg/hm2時，與N2處理的平均生物產量相差不大.模擬得出的最適施氮量大于實際施氮量，而模擬產量與實測產量相似，可能是因為在實際生產中施氮量超過一定的量后，施入土壤中的氮素損失和淋溶增加，發揮作用的氮肥量有限，本課題組的Xu等[30]曾對施氮量對氮素淋溶影響進行研究，發現施氮顯著地增加了各土層NO3-N含量，施氮超過N3顯著增加了170～200 cm土層的NO3-N含量，李葉杉等[31]研究也發現N2O排放量隨施氮量增加而增加.

3.2 施氮影響春小麥籽粒產量的生理生化及籽粒灌漿機理

小麥旗葉作為重要源器官，其代謝產物是作物產量和質量的形成基礎[32].研究表明，適宜的施氮水平能通過提高小麥花后旗葉SPAD值、蒸騰速率、增大氣孔導度、降低胞間CO2濃度而提高凈光合速率，最終提高小麥產量[17,33].本試驗表明，施氮顯著影響小麥光合特性，表現為小麥旗葉SPAD值隨著施氮水平的提高不同程度增加，但在灌漿后期，當施氮超過N3時，增施氮肥對增加旗葉SPAD值已無顯著作用；N3處理的氣孔導度和蒸騰速率在整個灌漿期間顯著高于或持平于其他處理，胞間CO2濃度低于其他處理，凈光合速率高于其他處理；說明N3處理利于改善小麥花后光合特性.相關分析表明，旗葉SPAD含量和凈光合速率分別與產量呈顯著正相關關系(0.646**，0.533**)，與前人研究一致[34-35].說明在實際生產中，可以通過合理施氮提高旗葉光合特性以增大生育后期物質合成能力，為提高產量奠定基礎.

硝酸還原酶活性是氮代謝的關鍵酶，其活性大小直接影響氮素的吸收和同化，葉片中50%的可溶性蛋白是光合作用的關鍵酶，間接影響植株光合作用，二者含量高低與氮素含量有一定關系，提高硝酸還原酶活性和可溶性蛋白含量有利于代謝產物形成，最終提高產量[20,36].研究發現，隨著施氮水平的提高，硝酸還原酶保持較高活性，可溶性蛋白含量呈不同程度升高[13].本試驗中，施氮水平顯著影響硝酸還原酶活性和可溶性蛋白含量，開花期與花后第7天、14天，N4、N5處理對于提高硝酸還原酶活性有明顯的優勢，但在灌漿中、后期優勢消失，N3處理的硝酸還原酶和可溶性蛋白在整個灌漿期均維持較高水平.相關分析表明硝酸還原酶和可溶性蛋白含量分別與產量呈正相關關系(0.195，0.17)，進一步證明可以通過施氮調節硝酸還原酶活性和可溶性蛋白含量間接提高作物產量.

合適的施氮水平可延長籽粒灌漿快增期時間，而最大灌漿速率的時間出現較晚，保證籽粒同化物的積累從而提高產量[1]，有學者研究發現在一定的施氮范圍內，籽粒千粒質量隨施氮水平的提高表現出增長趨勢且在灌漿末期表現出顯著差異，同時提高最大灌漿速率和提前最大灌漿速率到達的時間[37-38].亦有研究發現隨施氮水平的提高，灌漿速率逐漸降低[39].本試驗中，灌漿期粒質量隨施氮水平的提高先增加后降低，在灌漿末期，N3處理的千粒質量顯著高于N1、N4、N5，這是因為N3處理的最大灌漿速率較高，快增期持續時間較長.研究表明，千粒質量與灌漿持續天數、最大灌漿速率呈顯著相關[40]，本試驗相關分析表明千粒質量與產量呈顯著正相關關系，說明可以通過調節施氮水平以改善灌漿參數從而保證籽粒千粒質量積累，最終提高產量.

4 結論

在隴中旱農區，施氮105 kg/hm2利于小麥花后旗葉維持較高SPAD值、凈光合速率、硝酸還原酶活性和可溶性蛋白含量；提高籽粒灌漿速率、延長快增期持續時間，增加了千粒質量，從而獲得最高產量(2 550 kg/hm2).旗葉SPAD值、凈光合速率、硝酸還原酶活性、可溶性蛋白含量、籽粒主要灌漿參數與產量有一定程度的正相關關系，可作為氮素信息化管理的重要參數.