微噴灌條件下減量施氮對冬小麥光合特性和產(chǎn)量的影響

劉婷婷，張興燕，褚鵬飛，王旭清，孟維偉，慈文亮，楊婧，李子正，姜會嶺

(1. 聊城大學(xué)農(nóng)學(xué)與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 聊城 252000；2. 山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，山東 濟(jì)南 250100；3. 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250100)

黃淮海平原是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，冬小麥產(chǎn)量約占全國總產(chǎn)量的57%[1]。 該區(qū)域?qū)倥瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候，降水少且分布不均，冬小麥生育期間的需水量遠(yuǎn)高于有效降雨量[2]。 水資源短缺使灌溉成為保障冬小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施[3]，減少灌溉量、提高水分利用效率已成為該區(qū)域冬小麥生產(chǎn)亟需解決的技術(shù)難題[4]。 然而，黃淮海平原目前冬小麥生產(chǎn)多采用傳統(tǒng)畦灌，無法有效控制灌水量定額，水分利用效率較低[4，5]。微噴灌利用微噴帶將水分以類似細(xì)雨的方式均勻噴灑至田間，操作簡便且能夠基于冬小麥生長需求精準(zhǔn)控制灌溉量[6，7]，已逐漸成為該區(qū)域節(jié)水灌溉技術(shù)研究的熱點(diǎn)[8，9]。 明確微噴灌條件下黃淮海平原冬小麥最佳施氮措施對于微噴灌技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用具有重要意義[10-12]。

施用氮肥是冬小麥增產(chǎn)的重要途徑[13]，對其產(chǎn)量形成過程[14]和葉片光合能力[15]具有顯著調(diào)控作用。 長期以來，農(nóng)戶為提高糧食產(chǎn)量而逐年增加施肥量，致使冬小麥產(chǎn)量增速遠(yuǎn)低于氮肥投入量增速[16]。 有研究表明，黃淮海冬小麥的實(shí)際施氮量較推薦量平均高約10.80%[17]。 過量施氮不僅增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入[18]，而且不符合作物需肥特性[19]，使氮肥利用效率降低[20]，增產(chǎn)效果減弱[21]，同時導(dǎo)致一系列嚴(yán)峻環(huán)境安全問題[22，23]。為探明微噴灌條件下施氮量對冬小麥光合特性和籽粒產(chǎn)量的影響機(jī)制，本研究基于聊城地區(qū)農(nóng)民常規(guī)施氮量設(shè)置不同減量施氮處理，開展兩個冬小麥生長季的田間定位試驗(yàn)，系統(tǒng)分析不同處理對冬小麥花后旗葉凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、瞬時葉片水分利用效率、葉綠素相對含量、籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響，以期為黃淮海冬麥區(qū)節(jié)水灌溉條件下的合理施氮技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試品種與試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019—2020年和2020—2021年冬小麥生長季在聊城大學(xué)種植園(116°1′E，36°26′N)進(jìn)行。 供試品種為聊城地區(qū)主推高產(chǎn)冬小麥品種濟(jì)麥22。 試驗(yàn)地為壤土，前茬作物為玉米，秸稈全部機(jī)械粉碎后還田。 2019年冬小麥耕前0 ～20 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)含量13.76 g/kg、全氮1.09 g/kg、堿解氮107.36 mg/kg、速效磷47.72 mg/kg、速效鉀129.46 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

試驗(yàn)設(shè)置4 個施氮(N)量處理，分別為0(對照)、240 kg/hm2(當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)施氮量)、216 kg/hm2(農(nóng)民常規(guī)施氮量減氮10%)、192 kg/hm2(農(nóng)民常規(guī)施氮量減氮20%)，分別用N0、N240、N216、N192表示。 氮肥總量的1/2 耕前基施，1/2 拔節(jié)期追施。 耕前一次性基施P2O5和K2O 各150 kg/hm2。 氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。 小區(qū)面積為44 m2(11 m×4 m)，按長邊方向種植15 行小麥，小區(qū)間設(shè)置2 m 保護(hù)行。 隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3 次。

每小區(qū)于冬小麥行間均勻布置3 條微噴帶，分別于越冬期、拔節(jié)期和開花期定量灌水，每次灌水量600 m3/hm2，使用水表精確控制灌水量。2019—2020 冬小麥生長季試驗(yàn)于10月16 日播種，2020年6月10 日收獲；2020—2021 冬小麥生長季試驗(yàn)于10月14 日播種，2021年6月8 日收獲。 其它管理措施與當(dāng)?shù)匾话愀弋a(chǎn)田相同。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 小麥旗葉光合特性 開花期掛牌標(biāo)記各處理有代表性的同日開花單莖，于開花期和花后第10 天、20 天上午9∶00—11∶00，在自然光照下使用CIRAS-2 光合作用測定系統(tǒng)(PP，Systems 公司，英國)測定旗葉凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)等參數(shù)，并計(jì)算冬小麥瞬時葉片水分利用效率(LWUE)，LWUE＝Pn/Tr[24]。 每小區(qū)測定11 片旗葉，取均值。

1.3.2 小麥旗葉葉綠素相對含量(SPAD 值) 采用SPAD-502Plus 葉綠素儀(KONICA MINOLTA公司，日本)，于開花期和花后10 天、20 天上午9 ∶00—11∶00，在自然光照下測定每小區(qū)11 片開花期掛牌標(biāo)記的單株旗葉，測定部位為葉片的1/2處，直接讀數(shù)后取均值。

1.3.3 小麥籽粒產(chǎn)量 于成熟期每小區(qū)選取代表性區(qū)域8 m2收獲，曬干后稱重，計(jì)算籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016 處理數(shù)據(jù)并作圖，使用SPSS 11.0 軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 微噴灌條件下減量施氮對冬小麥旗葉凈光合速率(Pn)的影響

圖1 顯示，施氮處理濟(jì)麥22 花后旗葉Pn 均顯著高于對照(N0)，表明施氮顯著改善冬小麥花后旗葉光合能力。 在兩個冬小麥生長季，開花期旗葉Pn 表現(xiàn)為N240、N216和N192處理之間無顯著差異，從花后10 天開始各施氮處理之間存在顯著差異，表明施氮對于冬小麥灌漿期旗葉Pn 存在顯著調(diào)控作用。 2019—2020 生長季，花后10 天旗葉Pn 表現(xiàn)為N240、N216＞N192＞N0，花后20 天表現(xiàn)為N216＞N240＞N192＞N0；2020—2021 生長季，旗葉Pn 花后10 天表現(xiàn)為N240、N216、N192＞N0，花后20 天表現(xiàn)為N216＞N240＞N192＞N0。 表明施氮對灌漿階段冬小麥旗葉Pn 的影響存在年際差異，與農(nóng)民常規(guī)施氮量(N240) 相比，適量減氮處理(N216)有利于濟(jì)麥22 在灌漿階段保持較高的旗葉Pn，施氮量降低20%(N192)則顯著降低灌漿中后期的旗葉Pn。

圖1 不同處理濟(jì)麥22 花后旗葉的凈光合速率(Pn)

2.2 微噴灌條件下減量施氮對冬小麥旗葉蒸騰速率(Tr)的影響

濟(jì)麥22 花后旗葉Tr 存在顯著的年際間差異(圖2)。 2019—2020 冬小麥生長季，開花期和花后10 天、20 天旗葉Tr 均表現(xiàn)為N240、N216＞N192＞N0，即農(nóng)民常規(guī)施氮量處理(N240)和減氮10%處理(N216)旗葉Tr 之間無顯著差異，但均顯著高于減氮20%處理(N192)。 2020—2021 生長季，開花期旗葉Tr 表現(xiàn)為N240、N216、N192＞N0，花后10 天表現(xiàn)為N240＞N216＞N192＞N0，花后20 天表現(xiàn)為N240、N216＞N192＞N0。 表明農(nóng)民常規(guī)施氮量處理(N240)和減氮10%處理(N216)均有利于濟(jì)麥22 在灌漿中后期保持較高的旗葉Tr，減氮20%處理(N192)旗葉Tr 從花后10 天開始顯著低于其它施氮處理。 以上結(jié)果表明，農(nóng)民常規(guī)施氮量基礎(chǔ)上減氮10%，對開花期和灌漿中后期的旗葉Tr 并無顯著影響。

圖2 不同處理濟(jì)麥22 花后旗葉的蒸騰速率(Tr)

2.3 微噴灌條件下減量施氮對冬小麥旗葉氣孔導(dǎo)度(Gs)的影響

不同施氮處理對濟(jì)麥22 花后旗葉Gs 存在顯著影響(圖3)。 2019—2020 冬小麥生長季，開花期和花后10 天旗葉Gs 均表現(xiàn)為N240、N216＞N192＞N0，花后20 天表現(xiàn)為N216＞N240＞N192＞N0。 2020—2021 生長季，開花期旗葉Gs 表現(xiàn)為N240＞N216＞N192＞N0，花后10 天、20 天均表現(xiàn)為N240、N216＞N192＞N0。 表明農(nóng)民常規(guī)施氮量(N240)處理和減氮10%處理(N216)有利于冬小麥花后保持較高的旗葉Gs；而減氮20%處理(N192)旗葉Gs 從開花期始均顯著低于上述兩處理，且隨著灌漿進(jìn)程其差距呈逐漸增加趨勢；與N216相比，N192處理花后20 天旗葉Gs 在兩個生長季分別減少19.30%和17.60%。 以上結(jié)果示出，適量減氮(N216)顯著提高2019—2020 冬小麥生長季濟(jì)麥22 灌漿中后期的旗葉Gs，而2020—2021年度與農(nóng)民常規(guī)施氮量(N240)處理無顯著差異。

圖3 不同處理濟(jì)麥22 花后旗葉的氣孔導(dǎo)度(Gs)

2.4 微噴灌條件下減量施氮對冬小麥旗葉胞間CO2 濃度(Ci)的影響

濟(jì)麥22 各處理花后旗葉Ci 隨灌漿進(jìn)程有逐漸升高趨勢(圖4)。 2019—2020 冬小麥生長季，開花期旗葉Ci 表現(xiàn)為N0＞N192＞N240、N216，花后10天表現(xiàn)為N0＞N192＞N240＞N216，花后20 天表現(xiàn)為N0＞N240、N192＞N216。 2020—2021年度，開花期旗葉Ci 表現(xiàn)為N0＞N216、N192＞N240，花后10 天表現(xiàn)為N0、N192＞N240＞N216，花后20 天表現(xiàn)為N0＞N192＞N240＞N216。 表明農(nóng)民常規(guī)施氮量減氮10%處理(N216)旗葉Ci 在花后10 天、20 天均顯著低于其它處理，有利于冬小麥在灌漿階段保持較高的CO2同化能力，與農(nóng)民常規(guī)施氮量(N240)相比，該處理兩個生長季的旗葉Ci 均值在花后10 天和20天分別降低6.16%和7.42%。

圖4 不同處理濟(jì)麥22 花后旗葉的胞間CO2 濃度(Ci)

2.5 微噴灌條件下減量施氮對冬小麥旗葉瞬時葉片水分利用效率(LWUE)的影響

濟(jì)麥22 各處理旗葉LWUE在不同灌漿階段的表現(xiàn)存在顯著差異(圖5)。 2019—2020 冬小麥生長季，開花期旗葉LWUE表現(xiàn)為N0、N192＞N240、N216，花后10 天各處理旗葉LWUE 無顯著差異，花后20 天表現(xiàn)為N216＞N240、N192＞N0。 2020—2021年度，開花期旗葉LWUE 表現(xiàn)為N0＞N240、N216、N192，花后10 天表現(xiàn)為N216、N192＞N240＞N0，花后20 天表現(xiàn)為N216＞N240＞N192＞N0。 表明開花期不施氮處理(N0)具有較高的旗葉LWUE，隨著灌漿進(jìn)程其旗葉LWUE有顯著低于施氮處理的趨勢。在農(nóng)民常規(guī)施氮量基礎(chǔ)上減氮10%處理(N216)，其旗葉LWUE在兩個生長季均表現(xiàn)為花后20 天顯著高于其它處理，表明適量減氮有利于濟(jì)麥22 灌漿中后期保持較高的瞬時葉片水分利用效率。

圖5 不同處理濟(jì)麥22 花后旗葉的瞬時葉片水分利用效率(LWUE)

2.6 微噴灌條件下減量施氮對冬小麥旗葉葉綠素相對含量的影響

濟(jì)麥22 旗葉SPAD 值隨灌漿進(jìn)程有逐漸降低趨勢，不施氮處理(N0)各時期均顯著低于施氮處理(圖6)。 2019—2020 冬小麥生長季，開花期旗葉SPAD 值表現(xiàn)為N240、N216＞N192＞N0，花后10天表現(xiàn)為N216＞N240、N192＞N0，花后20 天表現(xiàn)為N216＞N240＞N192＞N0。 2020—2021年度，開花期旗葉SPAD 值表現(xiàn)為N240、N216、N192＞N0 ，花后10 天表現(xiàn)為N216、N240＞N192＞N0，花后20 天表現(xiàn)為N216＞N240＞N192＞N0。 表明施氮顯著提高濟(jì)麥22 灌漿階段旗葉的SPAD 值；農(nóng)民常規(guī)施氮量減氮10%處理(N216)有利于冬小麥灌漿階段保持較高的旗葉SPAD 值，與N240相比，該處理花后20 天旗葉SPAD 值在兩個生長季分別增加7. 94% 和12.40%，而減氮20%處理(N192)花后20 天旗葉SPAD 值則分別降低9.27%和7.86%。

圖6 不同處理小麥花后旗葉的葉綠素相對含量

2.7 微噴灌條件下減量施氮對冬小麥籽粒產(chǎn)量的影響

濟(jì)麥22 不施氮處理的籽粒產(chǎn)量、群體穗數(shù)和穗粒數(shù)均顯著低于各施氮處理，其千粒重最高(表1)。 各施氮處理之間比較，2019—2020 冬小麥生長季，籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為N216＞N240＞N192，群體穗數(shù)為N240、N216＞N192，穗粒數(shù)為N216＞N240、N192，千粒重為N216、N192＞N240；2020—2021年度，籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為N240、N216＞N192，群體穗數(shù)為N240＞N216＞N192，穗粒數(shù)為N216＞N240＞N192，千粒重為N216、N192＞N240。 表明隨施氮量增加，濟(jì)麥22 群體穗數(shù)有逐漸增加趨勢，千粒重有逐漸降低趨勢。 與農(nóng)民常規(guī)施氮量處理(N240)相比，2019—2020 冬小麥生長季減氮10%處理(N216)籽粒產(chǎn)量增加5.44%，穗粒數(shù)增加2.11%，千粒重增加1.57%，群體穗數(shù)無顯著差異；2020—2021年度N216處理籽粒產(chǎn)量與N240無顯著差異，穗粒數(shù)增加2.51%，千粒重增加3.10%，群體穗數(shù)降低4.11%。 與N240相比，農(nóng)民常規(guī)施氮量基礎(chǔ)上減氮10%顯著增加濟(jì)麥22的穗粒數(shù)和千粒重，籽粒產(chǎn)量在群體穗數(shù)基本一致情況下(2019—2020)顯著增產(chǎn)，在群體穗數(shù)有所減少情況下(2020—2021)籽粒產(chǎn)量也有增加；與N240相比，減氮20%處理(N192)兩個生長季的籽粒產(chǎn)量均顯著降低，千粒重顯著增加，群體穗數(shù)顯著降低。 以上結(jié)果共同示出，適量減氮(N216)條件下保持較高的群體穗數(shù)有利于濟(jì)麥22 獲得較高產(chǎn)量。

表1 不同處理濟(jì)麥22 的籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成要素

3 討論與結(jié)論

3.1 微噴灌條件下減量施氮對冬小麥籽粒產(chǎn)量的影響

微噴灌是一種基于滴灌和噴灌的新型節(jié)水灌溉技術(shù)[24]，成本低廉、操作簡便、易于推廣[6]，能夠精準(zhǔn)控制灌水定額、提升灌水效果[25，26]，降低表層土壤容重[27]，減少氮素淋溶[28]，改善田間小氣候[2]，提高水分利用效率[8，21，29]，然而其規(guī)模化應(yīng)用的配套氮肥運(yùn)籌技術(shù)尚不完善，仍需深入研究[12，30]。 黨建友等[31]研究指出，越冬期、拔節(jié)期、開花期和灌漿期共進(jìn)行4 次微噴灌(總灌水量為1800 m3/hm2)，并在播前、拔節(jié)期和灌漿期共施氮225 kg/hm2，小麥籽粒產(chǎn)量可達(dá)7555 kg/hm2。本試驗(yàn)于越冬期、拔節(jié)期和開花期共進(jìn)行3 次微噴灌，每次灌水定額為600 m3/hm2，并在播前和拔節(jié)期共施氮216 kg/hm2(當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)施氮量減氮10%)，其2019—2020年度籽粒產(chǎn)量顯著高于其它處理，為8765.42 kg/hm2，2020—2021年度籽粒產(chǎn)量為8910.28 kg/hm2，與當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)施氮(N)量處理(240 kg/hm2)之間無顯著差異，但均顯著高于其它處理。 有研究表明，氮素對小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素具有重要調(diào)控作用[19，32]。 本研究中，與農(nóng)民常規(guī)施氮(N)量相比，減氮10%(216 kg/hm2)顯著增加濟(jì)麥22 的穗粒數(shù)和千粒重，該處理?xiàng)l件下小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵還在于保持較高的群體穗數(shù)。

3.2 微噴灌條件下減量施氮對冬小麥光合特性的影響

諸多研究表明，適量施氮對小麥灌漿階段的旗葉凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度具有顯著提升作用[11，15，31，33]。 本研究在微噴灌條件下兩年度試驗(yàn)結(jié)果共同示出，取得較高籽粒產(chǎn)量的N216處理有利于濟(jì)麥22 在灌漿中后期保持較高的旗葉凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度，與前人研究結(jié)果一致[33-35]。 有研究指出，施氮對小麥光合特性的改善作用存在閾值[34，35]，超過閾值繼續(xù)增加施氮量，小麥光合能力因試驗(yàn)條件不同而呈現(xiàn)顯著降低[34，36]或者無顯著變化[33，37]的趨勢。 本研究結(jié)果表明，施氮量由216 kg/hm2增加至240 kg/hm2，濟(jì)麥22 灌漿中后期的旗葉凈光合速率、瞬時葉片水分利用效率、葉綠素相對含量(SPAD值)均顯著降低，旗葉蒸騰速率無顯著變化。