施氮水平对不同基因型优质小麦干物质积累、产量及氮素吸收利用的影响

张运红，孙克刚*，杜 君，杜保池，和爱玲，丁 华，许为钢，程小龙

(1.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所/河南省农业生态与环境重点实验室，河南 郑州 450002；2.长葛市农业科学研究所，河南 长葛 461506； 3.河南省农业科学院 小麦研究所，河南 郑州 450002)

施氮水平对不同基因型优质小麦干物质积累、产量及氮素吸收利用的影响

张运红1，孙克刚1*，杜 君1，杜保池2，和爱玲1，丁 华1，许为钢3，程小龙2

(1.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所/河南省农业生态与环境重点实验室，河南 郑州 450002；2.长葛市农业科学研究所，河南 长葛 461506； 3.河南省农业科学院 小麦研究所，河南 郑州 450002)

采用大田试验，研究了不同施氮水平(0、120、180、240 kg/hm2)对3种基因型优质小麦品种(郑麦0943、郑麦0856和郑麦7698)干物质积累、产量及氮素吸收利用的影响，旨在深入揭示优质小麦氮素吸收利用特征，为发挥其产量潜力和优化施肥管理提供科学依据。结果显示，施氮可不同程度地促进3种优质小麦生长，施氮量在0～240 kg/hm2时，功能叶片SPAD值、干物质积累量及产量相关指标总体均随施氮量增加而增加(郑麦0856除外)。不同基因型小麦品种比较，郑麦7698所有处理的产量均高于其他2个小麦品种，主要归因于其穗粒数和千粒质量较高，其中施氮240 kg/hm2处理的产量(11 591.70 kg/hm2)、小麦干物质转移率(29.45%)及转移干物质对籽粒的贡献率(91.66%)最高,氮素利用效率、氮素吸收效率和氮素农学利用率随施氮量的增加变化幅度较大。郑麦0856在不施氮条件下产量最低，较其施氮180 kg/hm2处理的最高产量(10 200.00 kg/hm2)降幅最大，为18.63%，氮素农学利用率明显高于其他2个品种，说明郑麦0856对氮素较为敏感。郑麦0943在不施氮条件下干物质转移率及转移干物质对籽粒的贡献率明显低于其他2个品种，产量较其施氮240 kg/hm2处理的最高产量(9 933.45 kg/hm2)降幅最小，为8.89%，氮素收获指数则高于其他2个品种，且氮素利用效率在不施氮和高氮条件下均较高，说明郑麦0943具有氮素高效利用特征，且干物质积累以生育前期为主。综上，郑麦7698不施氮条件下具有较高的产量，最佳施氮量为240 kg/hm2；郑麦0856产量对氮素缺乏较为敏感，最佳施氮量为180 kg/hm2；郑麦0943产量对氮素缺乏不太敏感，具有氮素高效利用特征，最佳施氮量为240 kg/hm2。

施氮水平； 优质小麦； 基因型； 干物质积累； 产量； 氮素吸收利用

氮肥作为作物生长发育所必需的大量营养元素之一，在小麦产量和品质形成过程中发挥着极其重要的作用[1-4]。早些年，随着氮肥投入量的增加，小麦产量不断提高；然而近些年，小麦产量并未随氮肥用量的增加而继续增加，氮肥利用率呈下降趋势。目前，我国小麦平均氮肥利用率只有27%，过量施氮还带来水体富营养化、温室效应及食品安全等一系列的环境问题[5-6]。研究显示，合理施氮可增加小麦干物质积累量，提高干物质累积速率，从而增加小麦产量，施氮过多或过少均不利于穗粒数和千粒质量的提高[7]。另外，氮肥对小麦干物质积累和产量的影响存在基因型差异[8-10]。杨延兵等[10]报道，施氮量对小麦产量的贡献率为20.69%，基因型对小麦产量的贡献率为48.66%。张定一等[11]研究显示，施氮量对成穗数、穗粒数和产量的影响较大，千粒质量和品质则主要取决于品种的遗传特性。曹承富等[12]研究发现，不同小麦品种达到最高产量或最优品质时的施氮量不同。徐凤娇等[13]研究显示，在施氮量为0～360 kg/hm2时，增加施氮量可有效减缓叶绿素的降解，抑制旗叶全氮含量降低，且强筋小麦品种比中筋小麦品种下降更为缓慢。目前，关于氮素水平对小麦产量、品质、氮素利用的影响研究较多[7-17]，但对不同基因型优质小麦品种产量、氮素吸收利用差异的研究较少。河南省是我国重要的小麦生产基地，种质资源丰富，其中郑麦0943、郑麦0856和郑麦7698是河南省农业科学院许为钢研究员近些年主持选育的优质、强筋小麦品种，抗性强，具有良好的市场前景。前期采用盆栽试验研究这3种优质小麦光合特性及产量对氮素响应的差异发现，郑麦0943不施氮条件下减产幅度最小，郑麦0856和郑麦7698对氮素反应较为敏感[18]。在此基础上，采用大田试验，进一步研究施氮水平对上述3个优质小麦品种干物质积累、产量和氮素吸收利用的影响，旨在深入揭示优质小麦的氮素吸收利用特征差异，为发挥其产量潜力和优化施肥管理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验于2015年10月—2016年5月在河南省长葛市农业科学研究所试验田进行，土壤类型为潮土。试验地土壤理化性质为：有机质14.39 g/kg、速效氮75.25 mg/kg、速效磷6.3 mg/kg、速效钾151.20 mg/kg，pH值8.01。

1.2 供试材料

供试优质小麦品种为郑麦7698、郑麦0856和郑麦0943，均由河南省农业科学院小麦研究所许为钢研究员选育并提供。

1.3 试验设计

施氮量(纯N)设4个水平，分别为0(N0，CK)、120(N120)、180(N180)、240(N240) kg/hm2，其中50%基施、50%于返青期追施。磷肥(P2O5)为150 kg/hm2，钾肥(K2O)为90 kg/hm2，均全部基施。氮肥选用普通尿素(含N 46%)，磷肥选用过磷酸钙(含P2O510%)，钾肥选用氯化钾(含K2O 60%)。每个处理均设置3个重复，小区面积为20 m2(6.67 m×3 m)，种植15行小麦。每个小区之间、区组之间均设保护行和走道。试验田种植方式及田间管理均采用当地大田的常规方法。统一播种，播种量均为172.5 kg/hm2，统一施药，病虫害防治与大田相同。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 SPAD值 分别于越冬期、返青期、拔节期、开花期，选取各试验小区代表性植株10株，采用SPAD-502叶绿素仪测定其功能叶片(倒二叶)SPAD值。

1.4.2 干物质积累及转移特性 分别于越冬期、返青期、拔节期、开花期和成熟期，选取各试验小区代表性植株10株，采集其地上部分，并将成熟期样品分为籽粒和茎叶两部分，置于105 ℃烘箱中杀青30 min，80 ℃烘至恒质量，测定干质量，从而获得开花期干物质积累量、成熟期干物质积累量(籽粒除外)和成熟期单株籽粒产量，并计算成熟期施氮后干物质变化率、干物质转移率、转移干物质对籽粒产量的贡献率、经济系数。

施氮后干物质变化率=(施氮处理干物质积累量-不施氮处理干物质积累量)/不施氮处理干物质积累量×100%，

干物质转移率=[开花期干物质积累量-成熟期干物质积累量(籽粒除外)]/开花期干物质积累量×100%，

转移干物质对籽粒产量的贡献率=[开花期干物质积累量-成熟期干物质积累量(籽粒除外)]/籽粒产量×100%，

经济系数=籽粒产量/整株干物质积累总量(地上部)。

1.4.3 产量及其构成因素 收获前，调查各小区代表性1 m2样点的穗数，换算出单位面积穗数；收割各小区的全部植株，分别脱粒，风干后称质量，调查千粒质量，并换算出单位面积的籽粒产量；各小区选取代表性植株50株，在室内调查所有穗的粒数，换算出穗粒数。

1.4.4 全氮含量及氮素吸收利用指标 取成熟期烘干的各组织样品，粉碎后用半微量凯氏定氮法测定全氮含量，计算氮素积累量、氮素利用效率、氮素吸收效率、氮素收获指数、氮素农学利用率、氮肥生产效率。

氮素积累量=氮素含量×干质量，

氮素利用效率=籽粒产量/植株地上部氮素积累量，

氮素吸收效率=植株地上部氮素积累量/施氮量，

氮素收获指数=籽粒氮素积累量/植株地上部氮素积累量×100%，

氮素农学利用率=作物施肥后增加的产量/施氮量，

氮肥生产效率=籽粒产量/施氮量。

1.5 数据统计与分析

采用Excel 2007进行数据处理，利用SPSS 17.0进行方差分析，并采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 施氮水平对不同基因型优质小麦功能叶片SPAD值的影响

由表1可知，总体上，施氮可提高不同基因型优质小麦功能叶片SPAD值，但不同施氮水平、不同基因型及不同生育时期之间提高幅度均不同。对于郑麦0943来说，N120、N180、N240处理功能叶片SPAD值越冬期分别较CK显著增加3.75%、3.85%、4.35%，返青期分别较CK显著增加2.35%、2.57%、4.12%，拔节期分别较CK显著增加5.65%、9.91%、7.89%，开花期分别较CK显著增加3.37%、5.28%、2.09%。对于郑麦0856来说，N120、N180、N240处理功能叶片SPAD值越冬期分别较CK增加-0.18%、5.93%、0.70%，返青期分别较CK增加3.08%、4.23%、3.65%，拔节期分别较CK显著增加6.65%、11.26%、15.36%，开花期分别较CK显著增加2.24%、2.10%、1.22%。对于郑麦7698来说，N120、N180、N240处理功能叶片SPAD值越冬期分别较CK增加0、1.70%、5.03%，返青期分别较CK增加1.69%、2.84%、3.23%，拔节期分别较CK显著增加7.56%、9.42%、9.62%，开花期分别较CK增加1.65%、6.33%、5.30%。

综上，不同施氮水平比较，总体上，N180和N240处理的小麦功能叶片SPAD值相对较高；不同基因型小麦品种比较，郑麦0856功能叶片SPAD值越冬期和拔节期低于其他2个品种，开花期和返青期与其他2个品种差异不大；不同生育时期比较，施氮处理3个基因型小麦品种SPAD值均以拔节期增幅最大。

表1 施氮水平对不同基因型优质小麦功能叶片 SPAD值的影响

注：同列数据后不同小写字母表示同一品种不同处理间差异显著(P<0.05)，下同。

2.2 施氮水平对不同基因型优质小麦干物质积累及转移的影响

2.2.1 干物质积累 由表2可知，总体上，施氮可促进小麦干物质积累。对于郑麦0943来说，N120、N180、N240处理干物质积累量越冬期分别较CK显著增加12.31%、13.85%、23.08%，返青期分别较CK显著增加12.84%、16.51%、22.02%，拔节期分别较CK增加1.47%、14.75%、16.22%，开花期分别较CK显著增加53.61%、52.32%、53.61%，成熟期分别较CK显著增加23.69%、24.10%、24.30%。对于郑麦0856来说，越冬期，N120处理干物质积累量较CK显著增加8.54%，N180、N240处理干物质积累量分别较CK显著降低4.88%、3.66%;N120、N180、N240处理干物质积累量返青期分别较CK增加16.96%、17.86%、2.68%,拔节期分别较CK显著增加16.56%、15.64%、13.80%,开花期分别较CK增加0.90%、21.80%、0.67%,成熟期分别较CK增加3.18%、12.52%、9.15%。对于郑麦7698来说，N120、N180、N240处理干物质积累量越冬期分别较CK增加0.00%、-1.15%、2.30%，返青期分别较CK显著增加3.52%、4.93%、8.45%，拔节期分别较CK降低2.99%、0.30%、0.30%，开花期分别较CK增加1.56%、12.50%、20.76%，成熟期分别较CK增加0.96%、4.40%、6.12%。

综上，不同施氮水平比较，总体上，郑麦0943和郑麦7698以N240和N180处理小麦干物质积累量较高；不同基因型小麦品种比较，郑麦7698越冬期—返青期干物质积累量较大；郑麦0943开花期—成熟期施氮处理干物质积累量较大，且较不施氮处理(N0)干物质积累量增幅最大。不同生育时期比较，施氮处理小麦干物质积累量总体以开花期增幅最大。

表2 施氮水平对不同基因型优质小麦干物质积累的影响 g/株

2.2.2 干物质转移 由表3可知，施氮处理郑麦0943的干物质转移率及转移干物质对籽粒的贡献率分别较CK显著增加1.99～2.27倍和3.06～3.29倍；对于郑麦0856来说，N180处理的干物质转移率及转移干物质对籽粒的贡献率分别较CK显著增加61.50%和58.31%，N240处理分别较CK显著下降21.49%和34.92%;对于郑麦7698来说，N180和N240处理的干物质转移率分别较CK显著增加44.57%和84.87%，转移干物质对籽粒的贡献率分别较CK显著增加50.22%和87.37%。此外，不施氮条件下，郑麦0943转移干物质对籽粒的贡献率最小；N240处理郑麦0943干物质转移率及转移干物质对籽粒的贡献率明显高于其他2个品种。对于成熟期施氮后干物质变化率来说，郑麦0943为23.65%～24.26%，3个施氮水平间无显著差异；郑麦0856以N180处理最高，为12.52%；郑麦7698以N240处理最高，为6.14%，即郑麦0943明显高于其他2个品种。对于经济系数来说，郑麦0943在施氮条件下较CK稍微降低，郑麦0856和郑麦7698在施氮条件下均较CK有所增加。上述结果说明，施氮对提高郑麦0943干物质转移率的效果优于其他2个品种。

表3 施氮水平对不同基因型优质小麦干物质转移的影响

2.3 施氮水平对不同基因型优质小麦产量及其构成因素的影响

由表4可知，总体上，施氮可不同程度地提高小麦的穗数、穗长、穗粒数、千粒质量和产量。对于郑麦0943来说，施氮处理穗长较CK显著增加8.21%～11.07%，穗粒数较CK显著增加3.95%～9.32%，千粒质量较CK显著增加4.99%～7.76%，产量较CK显著增加2.21%～8.29%；另外，N240处理穗数较CK显著增加12.94%，其他2个施氮处理与CK无显著差异。对于郑麦0856来说，施氮处理穗数较CK显著增加4.15%～6.95%，穗粒数较CK显著增加9.79%～14.84%，千粒质量较CK显著增加4.52%～9.20%，产量较CK显著增加16.06%～22.89%，穗长与CK无显著差异。对于郑麦7698来说，施氮处理穗数较CK增加5.36%～10.45%，穗长较CK增加1.98%～4.26%，N180、N240处理穗粒数较CK显著增加2.32%、8.17%，千粒质量较CK显著增加2.25%～8.74%，N180、N240处理产量较CK显著增加7.47%～11.82%。不施氮条件下，郑麦0856的产量最低，且较其施氮处理的最高产量(10 200.00 kg/hm2)降幅最大，为18.63%；郑麦0943的产量较高，但较其施氮处理的最高产量(9 933.45 kg/hm2)降幅最小，为8.89%。上述结果说明郑麦0856对氮素较为敏感，郑麦0943对氮素相对较不敏感。

另外，不同施氮水平比较，总体上，郑麦0943和郑麦7698均以N240处理产量及其构成因素最高，郑麦0856则以N180处理最优。不同基因型小麦品种比较，郑麦7698产量最高，主要归因于其穗粒数和千粒质量较高。

表4 施氮水平对不同基因型优质小麦产量及构成因素的影响

2.4 施氮水平对不同基因型优质小麦氮素吸收利用的影响

由表5可知，总体上，郑麦0943、郑麦0856和郑麦7698的氮素利用效率均随施氮量增加呈逐渐降低趋势，除郑麦0856 N120处理与CK无显著差异外，其余施氮处理均显著低于CK，3个品种N240处理分别较CK降低9.96%、12.56%和20.76%，说明随着施氮量的增加，小麦吸收的氮素转化为籽粒产量的能力下降。对于氮素收获指数来说，总体上，郑麦0943和郑麦0856随施氮量增加呈先增加后降低趋势，前者以N120和N180处理较高，分别较CK显著增加14.04%和9.48%，后者以N180处理最高，较CK显著增加19.79%；郑麦7698随施氮量增加总体呈增加趋势，以N240处理最高，较CK显著增加28.42%。对于氮素吸收效率和氮肥生产效率来说，3个优质小麦品种均随施氮量增加呈下降趋势，其中，氮素吸收效率降幅最大的是郑麦7698，N240处理较N120处理显著下降50.05%；氮肥生产效率降幅在3个小麦品种间差异相对较小。对于氮素农学利用率来说，郑麦0856明显高于郑麦0943和郑麦7698，且随施氮量增加呈逐渐下降趋势，郑麦7698则随施氮量增加呈逐渐增加趋势，郑麦0943随施量增加表现为先增加后降低。综上，不同基因型小麦品种比较，随施氮量增加，郑麦7698和郑麦0856的氮素利用效率、氮素吸收效率和氮素农学利用率变化幅度较大，说明该品种对氮素反应较为敏感；郑麦0943氮素利用相关指标变化幅度较小，说明该品种对氮素反应相对不太敏感。

表5 施氮水平对不同基因型优质小麦氮素吸收利用的影响

3 结论与讨论

在小麦优质高产诸多可控因素中，氮素是仅次于品种的一个主要影响因素[19]。不同基因型小麦，施氮量对产量和品质的影响各异，但总趋势是一定范围内随施氮量增加，小麦籽粒产量和品质得到提高[20]。张定一等[11]研究显示，施氮使2个小麦品种的成穗数和穗粒数有所改善，但品种间存在差异，强筋小麦临优145产量水平低于中筋小麦临优2018，但营养和加工品质则明显优于临优2018。本研究结果表明，施氮可不同程度地促进3种优质小麦生长，加快其干物质积累，提高穗数、穗长、穗粒数、千粒质量和产量，且在0～240 kg/hm2时，功能叶片SPAD值、干物质积累量及产量相关指标总体均随施氮量的增加而增加(郑麦0856除外)。不同基因型小麦品种比较，郑麦7698产量明显高于其他2个品种，这主要归因于其穗粒数和千粒质量较高。有研究显示，养分亏缺条件下，小麦籽粒产量中有较大比例来源于花前贮藏物质[21]。本试验中，不施氮条件下，郑麦7698干物质转移率明显高于其他2个小麦品种，这可能是其缺氮条件下产量较高的主要原因之一。

本研究结果还显示，在不施氮条件下，郑麦0856的产量明显低于其他2个品种，且较其施氮处理最高产量减产幅度最大，这主要归因于其穗粒数和千粒质量的降低；其氮素农学利用率则明显高于其他2个品种，说明郑麦0856产量因子对氮素较为敏感。郑麦0943不施氮处理较施氮处理减产幅度最小，且氮素收获指数最高，不施氮和高氮条件下(N240)氮素利用效率均较高，初步说明郑麦0943具有氮素高效利用特征；此外，不施氮条件下，郑麦0943干物质转移率及转移干物质对籽粒的贡献率均明显低于其他2个品种，说明其干物质积累以生育前期为主，这和盆栽试验结果相一致[18]。本试验结果还显示，郑麦0856最高产量时的氮素需求量为180 kg/hm2，其他2个品种产量则在施氮量240 kg/hm2时最高，且氮素农学利用率明显低于郑麦0856，说明其他2个品种对氮素需求量较大。本试验中，郑麦0943的整体产量低于郑麦7698，这与盆栽试验结果不一致[18]，其原因可能有二，一是，在本试验施氮范围内二者产量均随施氮量的增加而增加，但有可能均未达到理论最大值，随施氮量进一步增加郑麦0943的产量是否会超过郑麦7698有待验证；二是，本试验供试田块选自耕作土壤，长期的肥料投入使得土壤基础地力较为肥沃，而先前的盆栽试验供试土壤采自郑州市郊区未耕作地，土壤基础地力较差，盆栽试验郑麦7698产量较低有可能受限于土壤中其他养分离子的缺乏，但试验中未作分析。整体而言，通过盆栽和大田试验初步表明，3个优质小麦中，郑麦0943表现出氮素高效利用特征，且为低氮高效型，最佳施氮量为240 kg/hm2；郑麦0856产量对氮素缺乏较为敏感，最佳施氮量为180 kg/hm2。本试验对3种优质小麦氮素吸收动态及氮代谢特征未作解析，下步研究需对此进行深入探讨，方能为优质小麦氮素优化管理及养分高效品种选育提供更翔实的依据。

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Effect of Application Level of Nitrogen on Dry Matter Accumulation,Yield and Nitrogen Uptake and Utilization of Different Genotypes of High-quality Wheat

ZHANG Yunhong1,SUN Kegang1*,DU Jun1,DU Baochi2,HE Ailing1,DING Hua1,XU Weigang3,CHENG Xiaolong2

(1.Institute of Plant Nutrition,Agricultural Resources and Environmental Science,Henan Academy of Agricultural Sciences/Henan Key Laboratory of Agricultural Eco-environment,Zhengzhou 450002,China; 2.Changge Institute of Agricultural Sciences,Changge 461506,China; 3.Wheat Institute,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China)

A field experiment was carried out to study the effect of application levels (0,120,180,240 kg/ha) of nitrogen on dry matter accumulation,yield and nitrogen uptake and utilization of three genotypes of high-quality wheat (Zhengmai 0943,Zhengmai 0856 and Zhengmai 7698),so as to reveal the characteristics of nitrogen utilization of high-quality wheat and provide scientific basis for realization of great yield potential and appropriate fertilization management.The results showed that nitrogen application promoted the growth of three genotypes of high-quality wheat to different extent.At nitrogen level of 0—240 kg/ha,SPAD value of functional leaves,dry matter accumulation and yield factors overall increased with the increase of nitrogen level (except Zhengmai 0856).On the comparison among different genotypes of wheat varieties,yield of all nitrogen treatments of Zhengmai 7698 were higher than those of two other wheat varieties,mainly due to the increase in grain number per panicle and thousand seed weight,the 240 kg/ha nitrogen treatment of Zhengmai 7698 had the maximum values in yield(11 591.70 kg/ha),dry matter transfer rate(29.45%) and its contribution to grain(91.66%);the extents of variation in nitrogen use efficiency,nitrogen absorption efficiency and nitrogen agronomic efficiency of Zhengmai 7698 were relatively large with the increase of nitrogen level.The yield of Zhengmai 0856 was the lowest under the no nitrogen treatment,and the decline of yield was the biggest compared to its highest yield (10 200.00 kg/ha) of 180 kg/ha nitrogen treatment,with a drop of 18.63%;its nitrogen agronomic efficiency was significantly higher than those of two other wheat varieties,which indicated that Zhengmai 0856 was more sensitive to nitrogen.Under the condition of no nitrogen,Zhengmai 0943 had the minimum values in dry matter transfer rate and its contribution rate to grain,and the decline of yield was the smallest compared to its highest yield (9 933.45 kg/ha) of 240 kg/ha nitrogen treatment,with the drop of 8.89%;its nitrogen harvest index was higher than those of two other wheat varieties;nitrogen use efficiency of Zhengmai 0943 under the treatments of no nitrogen and high nitrogen were relatively large,which indicated that Zhengmai 0943 showed the characteristics of nitrogen high-efficiency use,and dry matter was mainly accumulated in early growth period.In conclusion,the yield of Zhengmai 7698 was higher than those of two other wheat varieties under the condition of no nitrogen,and the optimum nitrogen application level was 240 kg/ha;the yield of Zhengmai 0856 was sensitive to nitrogen deficiency,and the optimum nitrogen application level was 180 kg/ha;the yield of Zhengmai 0943 was not sensitive to nitrogen deficiency,and the optimum nitrogen application level was 240 kg/ha.

application level of nitrogen; high-quality wheat; genotypes; dry matter accumulation; yield; nitrogen uptake and utilization

2016-10-28

“十二五”国家科技支撑计划项目(2013BAD07B07，2015BAD23B0208)

张运红(1983-)，女，河南新乡人，助理研究员，博士，主要从事植物营养与施肥研究。 E-mail:snowgirl23@126.com

*通讯作者：孙克刚(1965-)，男，河南信阳人，研究员，硕士，主要从事植物营养和精准农业养分管理方面的研究。 E-mail:kgsun@ipni.ac.cn

S512.1

A

1004-3268(2017)04-0010-07