节水条件下供氮水平对冬小麦氮素吸收利用特性的影响

史桂清，白倩倩，郭程瑾，肖 凯

(河北农业大学农学院/河北省作物生长调控重点实验室，河北保定 071001)

华北平原区水资源匮乏现象呈日益加剧趋势，所以提高小麦等作物的水分利用效率对促进我国水资源和农业可持续发展具有重要实践意义。除水分外，矿质营养在调控植株生长发育和产量形成过程中也发挥着重要作用。在各种矿质营养中，氮素是作物生长发育需要量最大的元素，土壤氮素供应不足会限制作物生长发育，影响产量形成和提高[1-3]。施用氮肥已成为过去多年来小麦等作物高产栽培的重要调控措施。但由于氮肥的易挥发和淋洗特性，以及氮肥种类多为易释放的无机形态，我国小麦等作物生产中的氮肥利用率普遍较低，平均仅35%左右[4]。较低的氮肥利用率不仅造成生产成本增加，而且对生态环境产生了不利影响。因此，提高节水栽培条件下小麦的氮素利用效率，是实现节省生产成本、保护环境、作物简化高效生产的有效途径。

在小麦等作物生产中，水分和氮素之间存在着明显的互作效应。研究表明，小麦植株氮素吸收利用和产量[5]、干物质积累和水分利用效率[6]、籽粒淀粉数量和蛋白质含量[7]、光合能力[8-9]、根系生理特性[10]均表现出明显的水氮耦合效应。因此，小麦节水高产栽培必须考虑氮素的合理施用。鉴于此，本试验以高水肥品种保麦10和抗旱品种石麦22为材料，在春季节水灌溉条件下，研究了高低两种施氮量处理的小麦植株氮素吸收利用特征，以期为今后该生态区小麦水氮高效栽培实践提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2015-2016年度在河北农业大学试验农场进行。供试土壤含有机质14.2 g·kg-1、碱解氮60.37 mg·kg-1、速效磷15.22 mg·kg-1和速效钾113.83 mg·kg-1。各小区均浇灌拔节水和灌浆水。试验采用裂区设计，供试小麦品种为主区，分别为高水肥品种保麦10和抗旱品种石麦22；氮素用量为副区，设置高氮和低氮2个水平(分别施纯氮225和112.5 kg·hm-2)。小区面积6 m2(3 m×2 m)，重复3次。播种期为10月9日，采用15 cm等行距种植形式，基本苗为 375万株·hm-2。播前各小区均底施复合肥(N∶P2O5∶K2O分别为15∶15∶12)450 kg·hm-2。氮处理通过春季浇灌拔节水进行，其中低氮处理追氮45 kg·hm-2，高氮处理追氮157.5 kg·hm-2。各试验小区生育期间的其他管理措施参照小麦高产麦田进行。

1.2 测定内容和方法

1.2.1 生育期调查及植株干重、含氮量和氮累积量测定

记载出苗期、拔节期、挑旗期、开花期和成熟期的物候时间。同时，在上述生育时期，各小区选取代表性植株30株，将植株于105 ℃杀青 0.5 h，80 ℃下烘干至恒重并记录最终干重，计算单位面积植株干重。将部分烘干植株样用组织粉碎机粉碎，采用半微量凯氏定氮法测定氮素含量，以单位面积植株干重乘以样本含氮量计算出单位面积植株氮积累量。

1.2.2 植株氮累积强度测定

以苗期、拔节期、挑旗期、开花期和成熟期各生育时期不同处理下供试品种的植株单位面积氮累积量为基础，通过用后一时期数值减去前一时期数值，获得各生育阶段包括出苗至拔节、拔节至挑旗、挑旗至开花和开花至成熟的阶段氮累积量。进一步用各阶段累积量除以对应持续天数，计算出各生育阶段植株氮累积强度。

1.2.3 产量及其构成因素测定

成熟期，各小区内选取1 m2代表性样点，统计穗数。然后用小型精量脱粒机将样点籽粒收获、风干，称重后换算出单位面积产量。另选取代表性植株30株，考察穗粒数和千粒重。

1.3 植株氮素吸收转运相关参数计算

用前述的考察穗粒数和千粒重植株为材料，将植株脱粒后分为籽粒、颖壳和营养器官(茎秆、叶片)不同部分，采用半微量凯氏定氮法测定各器官含氮量，进一步换算出成熟期单位面积各器官的氮累积量。以开花期植株氮累积量和成熟期籽粒和营养器官氮累积量为基础，计算氮收获指数、花前氮转运量、花前氮转运率、花前积累氮贡献率、氮素生理利用效率和氮肥偏生产力。其中，氮收获指数用单位面积作物籽粒氮累积量与成熟期植株地上部氮累积量比值表示[11]；花前氮转运量用单位面积开花期营养器官氮累积量与成熟期单位面积营养器官氮累积量差值表示[1]；花前氮转运效率通过单位面积花前植株积累氮素转运量与开花期营养器官氮累积量比值乘以100%计算[1]；花前积累氮素贡献率通过单位面积植株花前积累氮素转运量与籽粒氮累积量比值乘以100%计算[1]；氮素生理利用效率通过产量与成熟期单位面积植株氮累积量比值计算[12]；氮肥偏生产力用产量与施氮量比值表示[9]。

1.4 数据计算和统计分析

试验数据利用Excel进行数据平均值、标准差值计算，利用SPSS 统计软件进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮处理下小麦的生育时期差异

与低氮处理相比，高氮处理下小麦拔节期至成熟期的各生育时期推迟1～2 d(表1)，说明増施氮肥在一定程度会延迟小麦生育进程。两个品种相比，相同供氮水平下，拔节后各生育时期以石麦22略早，分别较保麦10早1～2 d。这表明植株生育进程受供氮水平和品种的共同影响。

表1 不同氮处理下供试小麦品种的生育时期Table 1 Growth stages for tested wheat cultivars under different N treatments

2.2 不同氮处理下小麦各生育时期植株干物质积累量、氮含量和氮累积量的差异

由表2可见，因氮素处理于春季拔节期实施，不同氮素处理间小麦苗期和拔节期的植株、干物质累积量、氮含量和氮素累积量无明显差异，虽然石麦22的植株干物质和氮素累积量均显著高于保麦10，但品种间氮含量差异较小；从挑旗期至成熟期，高氮处理的植株干物质累积量、氮含量和氮累积量均高于低氮处理。在高氮条件下，保麦10的挑旗期、开花期和成熟期植株干物质累积量、氮含量和氮累积量均高于石麦22，但两品种间上述性状的差异均不显著；低氮条件下，石麦22挑旗期、开花期和成熟期的植株干物质累积量、氮含量和氮素累积量均显著高于保麦10(表2)。这表明在节水条件下，高水肥品种保麦10在高氮下的植株氮素吸收及干物质和氮素累积能力略强，而抗旱品种石麦22在低氮条件下植株具有较强的氮素吸收及干物质和氮素累积能力。

2.3 不同氮处理下供试品种氮素积累强度特征

由表3可见，两种氮处理下小麦植株氮累积强度随生育进程呈均单峰曲线变化，均在拔节至挑旗阶段达到最大值。在氮处理前的出苗至拔节阶段，小麦植株氮素累积强度在两品种间的差异未达显著水平。在拔节以后各生育阶段，高氮处理的植株氮累积强度明显高于低氮处理。在高氮处理下拔节以后各阶段的氮累积强度在品种间差异均不显著，但低氮处理下石麦22拔节至挑旗的氮累积强度显著高于保麦10。这表明节水低氮条件下，石麦22植株在生育中期具有相对较强的氮素吸收和累积能力。

表2 不同氮处理下小麦的各生育时期植株干物质累积量、氮含量和氮素累积量Table 2 Dry matter accumulated amount, N concent and N accumulated amount of plants at various growthand developmental stages of wheat cultivars under different N treatments

DMA:干物质积累量；NC：氮含量；NA：氮素累积量。同一列中各性状数值后的不同小写字母表示处理间的差异达到显著水平(P<0.05)。下表同。

DMA：Dry matter accumulated amount;NC:N concent;NA:N accumulted amount.Different lower-case letters following data in same column and trait indicate significant difference among treatments(P<0.05). The same below.

表3 不同氮处理下小麦的各生育阶段氮累积强度Table 3 N accumulative rate at various growth stages of wheat cultivarsunder different N treatments kg·hm-2·d-1

2.4 不同氮处理下供试品种不同器官的氮含量和累积量差异

相同氮处理下，小麦成熟期的不同器官间氮含量和积累量均存在差异，均以籽粒最高，茎秆次之(表4)。高氮处理下各器官氮含量和累积量均高于低氮处理，但处理间氮含量差异大多未达到显著水平。高氮条件下，各器官氮累积量的品种间差异均未达到显著水平；低氮条件下，与保麦10相比，石麦22的籽粒氮累积量显著增加，茎秆、叶片和颖壳的氮累积量有所减少。这表明相对于保麦10，低氮条件下石麦22籽粒具有较强的氮素吸收累积能力。

2.5 不同氮处理下小麦产量及氮转运和利用效率的差异

与低氮处理相比，高氮处理下小麦产量、产量构成因素、花前氮转运量及其贡献率均增高，但氮收获指数、花前氮转运效率、氮利用效率和氮肥偏生产力均下降，其中产量、花前氮转运量和氮肥偏生产力变化显著。高氮处理下，两个品种的产量相近，花前氮贡献率、氮利用效率和氮肥偏生产力差异也较小，但石麦22的氮收获指数、花前氮转运量和花前氮转运率均显著高于保麦10；低氮处理下，与保麦10相比，石麦22的产量、氮收获指数、花前氮转运量、花前氮转运率和氮肥偏生产力显著提高，但两品种间花前氮贡献率和氮利用效率相近。由此可见，石麦22在节水低氮条件下具有较强的产量形成能力，这与其较强的氮素吸收和生育后期器官间氮素高效再分配有关。

表4 不同氮处理下小麦成熟期各器官的氮含量和累积量Table 4 N concent and N accumulative amount in various tissues of wheat cultivars at maturity stage under different N treatments

表5 不同氮处理下小麦的产量、产量构成因素和氮效率相关参数Table 5 Yield, yield components and N utilization-associated parameters wheat cultivars under different N treatments

同行数据后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Different letters following data at same row mean significant difference among treatments(P<0.05).

3 讨 论

针对华北平原区地下水资源开采日益增多、水资源匮乏加剧现状，采用调亏灌溉技术实施冬小麦节水栽培是保障该生态区农业可持续发展的有效途径[12]。节水栽培条件下，合理施肥可增强植株水肥吸收能力[5,6]，改善根系生理功能[10]，提高光合作用能力[8-9]，进而促进小麦产量形成和生育期间水肥高效利用[8-10]，减少肥料氮的挥发和淋洗[5]。本研究发现，在春季灌溉2水(拔节水/灌浆水)条件下，供氮水平对小麦生育期间的植株、氮含量及氮素和干物质累积量、各生育阶段氮累积强度和成熟期植株氮利用效率相关参数均具有较大影响，表现为与低氮处理相比，高氮处理下春季施氮后的各生育时期植株、氮含量及干物质和氮累积量提高，各生育阶段的氮累积强度增大，成熟期植株各器官(籽粒、茎秆、叶片和颖壳)的氮累积量增加。此外，高氮处理下小麦产量和植株花前氮转运量也显著提高，而氮利用效率下降。这与前人研究结果相一致[13-15]。因此，小麦节水栽培生产中，应在考虑实现高产前提下，还应考虑氮素的高效利用。

因遗传背景不同，不同小麦品种在植株生长发育特性及产量形成上对施用氮素的响应存在较大差异[16-19]。氮高效小麦品种的植株通常在不同供氮条件下具有较强的氮素吸收和利用能力，在低氮条件下氮素同化和转运效率以及氮素利用效率较高[20-23]。本研究以对水氮需求特征表现较大差异的小麦品种保麦10和石麦22为材料，对调亏水灌溉下两品种的植株氮累积量、累积强度和氮效率相关参数及产量进行分析，结果表明，高氮条件下，两个品种间上述性状的差异较小，但低氮条件下，抗旱品种石麦22较喜水肥品种保麦10各生育时期的植株氮累积量、氮累积强度和部分氮效率相关参数如氮收获指数、花前氮转运量、花前氮转运率和反映单位氮肥产量形成能力的氮肥偏生产力均有不同程度增加，且变化多达显著水平。这表明石麦22的植株吸收氮素能力在低氮处理下较保麦10增强，且前者生育后期植株营养器官中贮存氮素向收获器官籽粒的转运效率也较高。上述性状表现特征在维持该类型抗旱小麦品种低氮处理下的产量形成能力发挥着重要作用。

本研究发现，与高氮处理相比，低氮处理下石麦22与保麦10相比的产量降低幅度较小(仅减产3.50%)，表明石麦22品种是适合河北平原区及相似生态类型区节水低氮栽培的适宜示范推广品种。有关节水栽培条件下不同小麦品种应答外源氮素差异的生理和生化机制有待进一步探讨。

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