不同降水年型與不同茬口對小麥植株氮素吸收轉運與利用的影響

基金項目 國家現代農業產業技術體系（CARS-03）；河南省科技攻關項目（242102111169）。

作者簡介 白冬（1989—），男，山西黎城人，碩士，助理研究員，從事小麥育種與栽培研究。

通信作者 朱統泉（1972—），男，河南確山人，碩士，研究員，從事作物遺傳育種與栽培研究。

收稿日期 2024-03-28

摘要 為明確不同降水年型與小麥植株氮素吸收轉運的關系，探索不同茬口的高效生產技術路徑，本試驗連續2年在河南駐馬店農業科學院試驗示范基地，研究不同降水年型和不同茬口對小麥植株氮素吸收利用、轉運特性以及氮效率的影響。結果表明，豐水年較歉水年有利于大豆茬小麥植株氮素的吸收，提高小麥植株氮素的積累，促進花后積累的氮素向籽粒中運轉；大豆茬和花生茬較玉米茬均可提高小麥植株含氮率，有利于小麥植株氮素積累，促進葉片和莖稈+莖鞘中的氮素向籽粒轉移，提高小麥植株花前氮運轉量和氮素轉移率，最終增加小麥籽粒的氮效率和籽粒產量；豐水年較歉水年可明顯提高不同茬口小麥植株的氮素吸收效率及氮素生產效率。不同降水年型下，大豆茬和花生茬均可促進小麥植株氮素吸收，有利于花后氮素積累向籽粒的運轉，從而提高籽粒產量，最終提高小麥植株氮素利用效率，在歉水年條件下以大豆茬效果較好，豐水年條件下以花生茬效果較好。

關鍵詞 年降水量；茬口；小麥；氮素吸收轉運；氮素利用

中圖分類號 S-3；S512.1" "文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2024）13-0001-06

Effects of different precipitation patterns and crop types on nitrogen uptake， transport，

and utilization in wheat plants

BAI Dong1" " CHEN Jie1" " CHEN Jianhui2" " XU Yonggui2" " YANG Yifan3" " ZHAO Lishang1" " SONG Jiajing1

SONG Quanhao1" " JIN Yan1" " ZHU Tongquan1

（1Zhumadian Academy of Agricultural Sciences， Zhumadian 463000， China;

2Henan Science and Technology Exchange Center， Zhengzhou 450003， China;

3Zhumadian Agricultural Science Experiment Station， Zhumadian 463000， China）

Abstract In order to clarify the relationship between different precipitation patterns and nitrogen uptake and transport in wheat plants， and to explore efficient production technology paths for different crop types， this experiment investigated the effects of different precipitation patterns and crop types on nitrogen uptake and utilization， transport characteristics， and nitrogen efficiency in wheat plants at the experimental demonstration base of the Zhumadian" Academy of Agricultural Sciences of Henan Province for two consecutive years. The results showed that the high water year was more conducive to the absorption of nitrogen by wheat plants after soybean cropping compared to the low water year， improving the accumulation of nitrogen in wheat plants and promoting the transport of nitrogen accumulated after flowering to the grains. Both soybean and peanut stubble could increase the nitrogen content of wheat plants compared to corn stubble， which was beneficial for nitrogen accumulation in wheat plants， promoting the transfer of nitrogen from leaves， stems and sheaths to grains， improving the pre flowering nitrogen transport and nitrogen transfer rate of wheat plants， and ultimately increasing the nitrogen efficiency and yield of wheat grains. The nitrogen absorption efficiency and nitrogen production efficiency of wheat plants with different crop types could be significantly improved in the year of abundant water compared to the year of insufficient water. Under different precipitation year types， both soybean and peanut stubbles can promote nitrogen absorption in wheat plants， which is beneficial for nitrogen accumulation and transportation to the grains after flowering， thereby increasing grain yield and ultimately improving nitrogen utilization efficiency of wheat plants. In low water years， soybean stubble has a better effect， while peanut stubble has a better effect in high water years.

Keywords annual precipitation; crops for rotation; wheat; nitrogen absorption and transport; nitrogen utilization

河南省大部分地區主要的種植制度是小麥—玉米一年兩熟制，部分地區在實際生產中忽視了玉米重茬帶來的土壤板結、持水力下降等問題[1-2]，是后茬小麥生產的限制因素之一。部分地區降水量不穩定，在一定程度上影響了小麥氮素利用效率，最終影響產量。因此在不同降水年型下，調整優化種植結構，將種植玉米改為種植大豆、花生等作物可以有效提高下茬小麥的產量和養分利用率，符合農業供給側結構性改革要求[3]。不同作物的茬口效應不同，對土壤養分狀況及后茬作物的生長影響也不同[4]，Arcand等[5]研究表明，豆科作物可以起到生物固氮作用，大大提高了后茬作物的經濟產量。Copeland等[6]、Zhu等[7]研究了不同作物的茬口特性，指出豆類作物茬口有效肥力高，其后茬作物可提高氮素利用效率，降低氮肥投入。邵云等[8]、章家恩等[9]研究表明，花生茬口較玉米茬口具有改善土壤理化性質的優點，可促進下茬小麥植株養分的積累，提高小麥千粒重，最終提高產量。王飛等[10]發現花生茬能明顯提高冬小麥干物質積累量，通過增加小麥產量構成進而提高小麥產量。楊寧等[11]認為在大豆—小麥輪作系統中，大豆能釋放較多氮素滿足小麥后期對氮素的需求，還可促進花后干物質和養分向籽粒中轉移，進而增加小麥產量。史校艷等[12]研究發現，不同茬口可以影響小麥對氮素吸收的響應，后茬小麥的產量表現為前茬大豆＞前茬玉米。因此，大豆和花生作為冬小麥種植區的前茬作物，可以改善土壤，增強可持續的綠色生產力。此外，茬口對土壤有效水分也存在影響[13]，降水是小麥生育期水分的主要來源之一，而降水量的不穩定性對小麥生產造成了一定影響。大量研究表明降水對小麥生長發育和生產影響明顯[14-16]，李森等[17]研究表明，豐水年較其他年份可提高旱地小麥植株的氮素積累量，可增加產量11.4%～15.2%。薛玲珠等[18]認為，充足的水分條件能促進旱地小麥花后氮素積累量向籽粒運轉，從而提高氮素利用效率。不同茬口對小麥氮素利用及產量的影響多集中于不同栽培措施的比較，而在不同降水年型下小麥植株氮素吸收積累及轉運對不同茬口響應的報道較少。為此，本研究連續2年探究了不同降水年型下小麥植株氮素吸收積累與利用對不同茬口的響應，為明確不同茬口與氮素吸收、轉運的關系，以探索小麥高效生產、綠色環保的最佳技術路徑，為選擇合理的茬口及優化種植制度提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試品種為駐麥599，由駐馬店市農業科學院提供。

1.2 試驗地基本情況

試驗在駐馬店農業科學院試驗基地進行，試驗田為黃褐土，小麥生育期間無灌溉，0～20 cm土層土壤養分含量為全氮0.90 g/kg、堿解氮69.4 mg/kg、速效磷30.5 mg/kg、速效鉀98.5 mg/kg、有機質10.3 g/kg，pH值為6.1。

1.3 試驗設計

采用隨機區組設計，前茬作物收獲后晾曬土壤至播種前7 d深翻。設大豆茬（SS）、花生茬（PS）和玉米茬（CS）3個處理，小區面積19.2 m2，每處理重復3次。2018年10月13日耙耱收墑，基施純N 234 kg/hm2，P2O5 90 kg/hm2，K2O 90 kg/hm2，10月16日播種，基本苗密度315萬株/hm2，行距20 cm，機械條播，常規管理。2019—2020年度進行重復試驗。

表1為試驗田2018—2020年以及常年降水情況。2018—2019年總降水量偏高，屬于豐水年；2019—2020年總降水量略低于常年，屬于歉水年。

注：降水量數據來源于試驗基地氣象站；播種—越冬為10月中旬至11月下旬；越冬—拔節為12月上旬至次年2月下旬；拔節—開花為3月上旬至4月上旬；開花—成熟為4月中旬至5月下旬。

1.4 測定項目與方法

各處理分別在小麥越冬（WS）、拔節（ES）、抽穗（HS）、開花（AS）和成熟期（MS）隨機取樣20株，其中越冬期取整株樣品，拔節期植株樣品為葉片、莖稈+莖鞘2部分，抽穗期、開花期植株樣品為葉片、莖稈+莖鞘和穗軸+穎殼3部分，成熟期植株樣品為籽粒、葉片、莖稈+莖鞘和穗軸+穎殼4部分。樣品于70 ℃烘至恒重，測定干物質量。不同生育時期的植株樣本分別烘干后磨碎，用H2SO4—H2O2—靛酚藍比色法測定各樣本含氮率[19]。

1.5 數據分析

氮素運轉、干物質量運轉的計算公式分別參照范雪梅等[20]、趙俊曄等[21]的方法。

試驗數據采用Excel 2016、SPSS 21.0軟件進行統計分析、計算并繪圖。

2 結果與分析

2.1 對小麥植株含氮率的影響

隨小麥生育進程的推移，各生育期植株含氮率表現為先升高后降低的變化趨勢，在拔節期出現峰值（圖1）。由圖1可以看出，豐水年較歉水年可提高大豆茬小麥植株含氮率；可提高花生茬小麥植株越冬期和拔節期含氮率，降低抽穗期、開花期和成熟期含氮率；可提高玉米茬小麥植株越冬期、拔節期、抽穗期和成熟期含氮率，降低開花期含氮率。不同降水年型下，各生育期植株含氮率均以大豆茬最高，花生茬次之，玉米茬最低。說明充足的降水量有利于大豆茬小麥植株氮素的吸收，且在小麥生育后期表現明顯。

2.2 對小麥植株氮素積累量的影響

隨著小麥生育進程的推進，其植株氮素積累量表現為增加趨勢，成熟期達到最大（表2）。由表2可以看出，豐水年較歉水年可提高不同茬口各生育期小麥植株氮素積累量，且大豆茬和玉米茬的各生育期氮積累量差異明顯（Plt;0.05），花生茬小麥植株氮素積累在越冬期、抽穗期、開花期和成熟期差異明顯（Plt;0.05）。不同降水年型下，小麥植株各生育期氮素積累量均以大豆茬最高，花生茬次之，玉米茬最低，即豐水年較歉水年在不同茬口均有利于小麥植株氮素積累，且在降水量充足條件下以大豆茬較突出，而在降水量不充足條件下，不同茬口小麥植株氮素積累量提高存在差異。

注：同列不同小寫字母表示處理間差異在0.05水平存在統計學意義。

2.3 對氮素在各器官中分配的影響

由表3可以看出，豐水年較歉水年可明顯提高大豆茬小麥植株成熟期各器官的氮素積累量（Plt;0.05）；可明顯提高花生茬小麥植株穎殼+穗軸和籽粒氮素積累量及其所占比例（Plt;0.05），明顯降低花生茬小麥葉片和莖稈+莖鞘氮素積累量及其所占比例（Plt;0.05）；可明顯提高玉米茬小麥植株葉片、莖稈+莖鞘的氮素積累量及其所占比例（Plt;0.05），提高籽粒氮素積累量（Plt;0.05）。在歉水年條件下，小麥植株的葉片、莖稈+莖鞘的氮素積累量及其所占比例均以玉米茬最高；穎殼+穗軸、籽粒的氮素積累量及其所占比例均以大豆茬最高；在豐水年條件下，小麥植株的葉片、莖稈+莖鞘的氮素積累量及其所占比例均以玉米茬最高，穎殼+穗軸和籽粒氮素積累量及其所占比例均以玉米茬最低。

2.4 對小麥植株氮運轉量的影響

由表4可以看出，豐水年較歉水年可明顯提高大豆茬和花生茬小麥植株花前氮運轉量、花后氮積累量及花后氮積累對籽粒的貢獻率（Plt;0.05），明顯提高玉米茬小麥植株花后氮積累量和花后氮積累對籽粒的貢獻率（Plt;0.05），玉米茬小麥植株花前氮運轉量及花生茬小麥植株氮素轉移率在豐水年和歉水年無明顯差異（Pgt;0.05）。不同降水年型下，小麥植株花前氮運轉量均以大豆茬最高，花生茬次之，玉米茬最低；小麥植株花后氮積累量和花后積累氮對籽粒的貢獻率均以花生茬最低，玉米茬最高；植株氮素轉移率以玉米茬最低。可見充足的水分條件可促進小麥植株花后積累的氮素向籽粒中運轉。

注：植株花前氮運轉量=開花期營養器官氮積累量－成熟期營養器官氮積累量；花前運轉氮貢獻率（%）=花前氮運轉量/籽粒氮積累量×100；花后氮積累量=成熟期植株氮積累量-開花期植株氮積累量；花后積累氮貢獻率（%）=花后氮積累量/籽粒氮積累量×100；轉移率（%）=植株花前氮轉移量/成熟期營養器官氮積累量×100。

2.5 對小麥植株氮效率的影響

由表5可看出，豐水年較歉水年可明顯提高不同茬口小麥植株的氮素吸收效率及氮素生產效率（Plt;0.05）；明顯提高花生茬小麥植株氮素收獲指數（Plt;0.05）；降低大豆茬及玉米茬小麥植株氮素收獲指數及氮素利用效率，且氮素利用率差異存在統計學意義（Plt;0.05）。在歉水年條件下，氮素吸收速率、氮素收獲指數和氮素生產效率均以大豆茬最高，花生茬次之，玉米茬最低；氮素利用效率表現為玉米茬gt;花生茬gt;大豆茬；在豐水年條件下，氮素吸收效率以大豆茬最高，氮素收獲指數和氮素利用效率由高到低依次為花生茬gt;大豆茬gt;玉米茬，氮素生產效率由高到低依次為大豆茬gt;花生茬gt;玉米茬，差異存在統計學意義（Plt;0.05）。歉水年的小麥植株氮素利用效率較高，且以大豆茬更有利于提高氮素吸收效率、氮素收獲指數和氮素生產效率；豐水年的小麥植株氮素吸收效率和氮素生產效率較高，且以大豆茬更有利于提高氮素吸收效率和氮素生產效率，花生茬更有利于提高氮素收獲指數和氮素利用效率。

注：氮素吸收效率（%）=植株氮積累量/施氮量×100；氮素收獲指數=籽粒氮積累量/成熟期氮積累量×100；氮素利用效率（%）=籽粒產量/氮積累量×100；氮素生產效率（%）=籽粒產量/施氮量×100。

3 結論與討論

水分是小麥植株氮素吸收和轉運的關鍵因素之一，而不同降水年型會影響土壤水分含量，因此降水量與小麥產量高低有著密切關系。大量研究表明自然降水與作物生長密切相關，且小麥產量在一定范圍內會隨著降水量的升高而增加[22]，這主要是由于土壤水分的增加影響小麥干物質積累和轉運，適當的土壤含水量有助于提高產量[23-24]。于琦等[25]研究表明，豐水年較其他年份可提高土壤的含水量，從而使小麥產量增加25.8%～70.0%。王秀英[26]研究指出，充足的水分可提高植株氮素積累量，最終提高小麥產量。孫敏等[27]研究表明，水分虧缺明顯降低了小麥的氮素吸收量，因此豐水年可增加土壤水分，提高小麥植株的干物質量和氮素積累量，從而促進氮素由營養器官向籽粒的轉移。本試驗結果表明，豐水年較歉水年更有利于大豆茬小麥植株氮素的吸收，促進小麥植株花后積累的氮素向籽粒中運轉，最終提高小麥植株產量，這與上述研究基本一致。

合理安排前茬作物能夠有效改善土壤養分狀況，促進小麥氮素吸收，提高小麥氮素利用效率。不同茬口直接影響下茬作物的生長。大豆茬和花生茬均有利于小麥植株干物質的積累和轉運，且可明顯提高小麥籽粒產量[8]。Kumar等[28]研究表明，豆茬作物可以優化土壤結構，促進后茬作物氮素吸收、提高后茬作物產量。范和琴等[29]研究表明，豆茬可明顯提高冬小麥的氮素積累，從而提高小麥籽粒產量。張早立等[30]在大田試驗中發現，花生相較于玉米茬口，可促進小麥幼苗根系生長，增強小麥葉片的光合作用和氮素利用，為增加產量奠定基礎。薛華龍等[31]研究表明，花生茬口較玉米茬口可提高土壤速效氮和速效磷含量，增加土壤水分，更有利于下茬小麥養分的積累，從而提高小麥產量。本試驗結果表明，大豆茬和花生茬較玉米茬均可提高小麥植株含氮率，有利于小麥植株氮素積累，還可促進葉片和莖稈+莖鞘中的氮素向籽粒轉移，提高植株花前氮運轉量和氮素轉移率，最終增加小麥籽粒產量。

氮素利用效率是反映植物礦質養分吸收和利用能力的重要指標。本研究發現，豐水年較歉水年提高了小麥植株氮素吸收效率和氮素生產效率，但降低了氮素利用率，說明適當降低土壤含水量可以促進小麥植株氮素利用率。小麥植株的氮素利用率對大豆茬和花生茬的響應也不同，歉水年，大豆茬更有利于提高氮素吸收效率、氮素收獲指數和氮素生產效率；豐水年，大豆茬更有利于提高氮素吸收效率和氮素生產效率，花生茬更有利于提高氮素收獲指數和氮素利用效率。這可能是因為大豆茬能夠提高冬小麥氮虧缺條件下的生長及氮素吸收轉運，進而起到增產效果；花生茬能夠促進冬小麥水分充足條件下的生長以及干物質量積累，提高氮素利用效率，從而達到增產。

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（責編：李 媛）