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      施氮量對不同土壤肥力條件下冬小麥光合特性和產(chǎn)量的影響

      2021-09-23 09:19:06劉衛(wèi)星王家瑞王晨陽盧紅芳申圓心
      麥類作物學(xué)報(bào) 2021年5期
      關(guān)鍵詞:花后肥力施氮

      劉衛(wèi)星,王家瑞,王晨陽,盧紅芳,康 娟,申圓心

      (1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué),河南鄭州 450002; 2.河南省科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究所,河南鄭州 450008)

      氮素是植物生長發(fā)育所必需的大量元素之一,主要存在于葉綠體和蛋白質(zhì)中[1-3]。葉片中75%的還原氮以Rubisco酶的形式參與植株的光合作用[4],施氮可增加葉片的葉綠素含量和光合面積,延緩衰老,提高葉片的光合能力和花后干物質(zhì)同化量,對小麥產(chǎn)量的增加有十分重要的作用[5-8]。嚴(yán)桂珠等[9]研究表明,施氮可增加小麥產(chǎn)量,施氮量為225 kg·hm-2時(shí)產(chǎn)量最高,繼續(xù)增加施氮量,增穗、促粒和增產(chǎn)效應(yīng)不顯著。周順利等[10]通過研究不同小麥品種對氮肥的響應(yīng),發(fā)現(xiàn)多數(shù)品種施氮量為180 kg·hm-2時(shí)產(chǎn)量最高。因此,不同土壤肥力麥田達(dá)到高產(chǎn)所需的施氮量不同。不同生態(tài)條件、肥力水平均影響作物施肥量,減少施肥可提高肥料利用率,但土壤氮素虧缺,因此,優(yōu)化減氮要在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上,綜合考慮土壤肥力和養(yǎng)分供需平衡[11]。

      黃淮平原麥區(qū)是我國小麥主產(chǎn)區(qū),主要的種植模式是小麥-玉米一年兩熟輪作模式[12]。張福鎖等[13]研究發(fā)現(xiàn),該地區(qū)氮肥施用量遠(yuǎn)高于作物生長需求,盡管作物產(chǎn)量較高,但氮素利用率較低。前人對有關(guān)氮肥運(yùn)籌的研究僅考慮單季或單一作物,且試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間短,而同時(shí)在不同肥力條件下施氮量及冬小麥光合特性與產(chǎn)量形成的關(guān)系研究相對較少。因此,本研究在大田定位試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,研究不同肥力條件下施氮量對冬小麥光合特性與產(chǎn)量的影響,以期為實(shí)現(xiàn)減肥增效、增產(chǎn)環(huán)保的目標(biāo)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

      1 材料與方法

      1.1 試驗(yàn)地概況

      試驗(yàn)分別于2012―2017年度在河南省開封市祥符區(qū)八里灣姬坡農(nóng)場(34°73′N,114°64′E)、于2012-2016年度在鄭州市河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)(34°87′N,113°59′E)、于2014-2017年度在河南省開封市水稻鄉(xiāng)(34°90′N,114°33′E)3個(gè)試點(diǎn)進(jìn)行,大田定點(diǎn)、定位試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。3個(gè)試點(diǎn)播前耕層(0~20 cm)土壤理化性質(zhì)見表1,其中,開封八里灣試點(diǎn)土壤肥力水平高,用KFH表示;鄭州試點(diǎn)土壤肥力水平中等,用ZZM表示;開封水稻鄉(xiāng)試點(diǎn)土壤肥力水平低,用KFL表示[14]。

      表1 供試土壤0~20 cm理化性質(zhì)Table 1 Soil physicochemical characteristics of the field experiment in 0-20 cm soil

      1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

      本研究采用小麥-玉米周年輪作體系的田間定位試驗(yàn),開封八里灣試點(diǎn)開始于2012年10月,小區(qū)面積為115.2 m2(6.4 m×18.0 m);鄭州試點(diǎn)開始于2012年10月,小區(qū)面積為20.3 m2(2.9 m×7 m);開封水稻鄉(xiāng)試點(diǎn)開始于2014年10月,小區(qū)面積為48.0 m2(4.0 m×12.0 m)。3個(gè)試點(diǎn)均設(shè)置4個(gè)施氮水平,小麥季純氮施用量分別為0、180、240和300 kg·hm-2,分別用N0、N180、N240和N300表示,隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),3次重復(fù)。氮肥底追比例為5∶5,磷肥(P2O5150 kg·hm-2)和鉀肥(K2O 120 kg·hm-2)全部底施。供試小麥品種均為豫麥49-198,行距為20 cm,每年10月11日至15日播種,次年的5月底至6月初收獲。供試玉米品種為鄭單958,對應(yīng)小麥季N0、N180、N240和N300的4個(gè)施氮處理,玉米季純氮施用量分別為0、225、300、375 kg·hm-2,氮肥按照3∶7的比例分別于拔節(jié)期和大喇叭口期2次追施,磷肥(P2O590 kg·hm-2)和鉀肥(K2O 120 kg·hm-2)全部在拔節(jié)期施入。以下施氮處理均以小麥季4個(gè)純氮施用量表示。3個(gè)試點(diǎn)采用統(tǒng)一的耕作、灌水和病蟲害防治等管理措施。

      1.3 測定項(xiàng)目與方法

      1.3.1 光合速率的測定

      于開花期,選擇生長一致且有代表性的葉片,掛牌標(biāo)記。分別于小麥花后0、7、14和21 d,用 Li-6400XT便攜式光合測定儀(LI-COR,USA)測定旗葉、倒二葉和倒三葉的凈光合速率(Pn)。測定時(shí)選擇晴朗無云的上午(9:00-11:00),設(shè)置飽和光強(qiáng)為1 200 μmol·m-2·s-1,葉室溫度為 25 ℃,CO2濃度為400 μmol·mol-1。

      1.3.2 葉綠素a和葉綠素b含量的測定

      稱取新鮮的小麥葉片0.2 g左右(去除葉脈),剪碎放入25 mL的棕色容量瓶中,用95%的乙醇定容,密封避光保存48 h,葉綠素a和葉綠素b在95%乙醇中最大吸收峰的波長為665 nm和649 nm,在此波長下測定吸光度,分別記為D665和D649,空白對照為95%乙醇。重復(fù)3次。

      葉綠體色素含量=色素的濃度×提取液體積×稀釋倍數(shù)/樣品鮮重

      葉綠素a色素濃度Ca=13.95D665- 6.88D649;

      葉綠素b色素濃度Cb=24.96D649- 7.32D665

      1.3.3 葉片Rubisco酶活性和全氮含量的測定

      稱取小麥葉片鮮樣0.1 g,按照索萊寶Rubisco活性檢測試劑盒說明書測定葉片Rubisco酶的活性。葉片烘干粉碎后,采用H2SO4-H2O2消煮法和凱氏定氮法測定葉片全氮含量。

      1.3.4 產(chǎn)量測定

      于成熟期,每小區(qū)選生長均勻一致的區(qū)域面積用于產(chǎn)量計(jì)算,鄭州點(diǎn)劃定3.0 m×12行(包含2個(gè)邊行),開封的兩個(gè)試點(diǎn)劃定3.0 m × 12行(包含1個(gè)邊行),收獲后測定籽粒水分,折合計(jì)算出實(shí)際產(chǎn)量(按12%折算)。

      1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)方法

      采用Excel 2013和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用Duncan新復(fù)極差方法對不同處理進(jìn)行多重比較。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 施氮量對不同土壤肥力條件下冬小麥產(chǎn)量的影響

      從表2可以看出,高、中、低肥力麥田的產(chǎn)量分別為5 032.3~8 596.6 kg·hm-2、2 721.1~ 8 137.4 kg·hm-2和1 442.2~5 764.4 kg·hm-2。與N0處理相比,在不同肥力麥田,施氮處理基本上都顯著提高了小麥產(chǎn)量(除 2012-2013年度高肥力麥田N180、N300處理與N0處理無顯著差異外),在N240處理下,小麥產(chǎn)量最高,但2013-2014和2014-2015年度在高肥力條件下,與N240處理相比,N300處理下小麥產(chǎn)量仍有所增加,但未達(dá)到顯著水平。冬小麥產(chǎn)量在N0處理下隨定位試驗(yàn)時(shí)間的延長均呈逐漸降低趨勢,低肥力麥田產(chǎn)量下降幅度最大,高肥力麥田次之,中肥力麥田下降幅度最小。說明持續(xù)無氮肥施入,土壤供氮能力逐漸降低,且對低肥力麥田影響最明顯。

      表2 施氮對不同肥力麥田冬小麥產(chǎn)量的影響Table 2 Effect of nitrogen application rates on grain yield of wheat from 2012-2017 growing seasons under different soil fertility kg·hm-2

      施氮量與產(chǎn)量的回歸分析表明,隨著施氮量的增加,不同肥力下小麥產(chǎn)量均呈拋物線變化,其產(chǎn)量效應(yīng)方程分別為:

      高肥力麥田(KFH):y=5 855.9+15.295x-0.026 5x2(r=0.751 1**)

      中肥力麥田(ZZM):y=3 032.4+37.215x-0.080 8x2(r=0.924 9**)

      低肥力麥田(KFL):y=2 221.0+23.185x-0.041 9x2(r=0.859 1**)

      基礎(chǔ)肥力產(chǎn)量以高肥力麥田最高(5 855.9 kg·hm-2),中肥力麥田次之 (3 032.4 kg·hm-2),低肥力麥田最低(2 221.0 kg·hm-2)。而其施氮增產(chǎn)效應(yīng)則表現(xiàn)出相反趨勢,高肥力條件下,2012-2017各年度所有施氮處理平均產(chǎn)量較N0處理分別增加10.8%、 34.7%、36.1%、47.3%和 54.9%;中肥力條件下,2012-2016各年度分別增加125.3%、 113.1%、136.4%和165.8%;低肥力條件下,2014-2017各年度分別增加 63.3%、160.4%和 288.2%。這表明隨著試驗(yàn)時(shí)間的延續(xù),施氮的增產(chǎn)效應(yīng)逐漸增加,且以中、低肥力條件下施氮增產(chǎn)效應(yīng)明顯。

      施氮處理顯著增加了小麥的穗數(shù)和穗粒數(shù),從產(chǎn)量構(gòu)成因素看,施氮后產(chǎn)量的提高主要依靠穗數(shù)的增加,其次是穗粒數(shù)(表3),高、中、低肥力條件下,施氮處理的穗數(shù)(2012-2017年度N180、N240和N300處理的平均值)較N0處理分別增加27.3%、98.7%和44.8%,穗粒數(shù)分別增加17.1%、 20.3%和68.6%,而千粒重則呈下降趨勢??傮w來看,N240處理的穗數(shù)和穗粒數(shù)處于較高水平,N240處理較N0處理的多年平均穗數(shù)分別增加 29.3%(KFH)、104.5%(ZZM)和46.3%(KFL),穗粒數(shù)分別增加19.3%(KFH)、24.0%(ZZM)和74.5%(KFL)。從產(chǎn)量構(gòu)成因素看,產(chǎn)量由低產(chǎn)到中高產(chǎn)主要依靠穗數(shù)的增加,由中高產(chǎn)到高產(chǎn)主要依靠穗粒數(shù)的增加。

      表3 施氮對不同肥力麥田冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 3 Effect of nitrogen application rates on wheat yield components under different soil fertility

      2.2 不同施氮水平對小麥葉片光合速率的影響

      由于葉片凈光合速率、葉綠素、全氮及Rubisco活性等生理指標(biāo)在不同肥力試點(diǎn)及年份間有相似的變化規(guī)律,因此,本研究選取試驗(yàn)中期(2014-2015年度)及中肥力試點(diǎn)(鄭州)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由表4可知,葉片光合速率隨葉位降低而下降,但隨著灌漿進(jìn)程的推進(jìn),影響效應(yīng)減弱。在開花期,旗葉所有處理的平均光合速率較倒二葉和倒三葉分別增加13.6%和37.1%,在花后21 d,分別增加7.4%和41.9%。施氮處理顯著增加頂三葉的光合速率,開花期N180、N240和N300處理的旗葉凈光合速率較N0處理分別增加22.5%、31.5%和19.4%。倒二葉凈光合速率在N240處理下最高,在花后14 d顯著高于其他處理;倒三葉光合速率在N300處理下最高,在花后0~14 d均顯著高于其他處理。說明不同位置葉片的光合能力對氮肥的響應(yīng)有所差異。

      表4 不同施氮水平對小麥灌漿期頂三葉光合速率的影響(鄭州,2014-2015年)Table 4 Effect of different nitrogen application rates on photosynthesis rate of flag leaf,top second leaf and top third leaf(Zhengzhou,2014-2015) μmol·m-2·s-1

      2.3 不同施氮水平對小麥葉片葉綠素含量的 影響

      從表5可以看出,葉片葉綠素含量隨葉位降低而減小。與旗葉相比,倒三葉所有處理的平均葉綠素a含量在開花期、花后14 d和花后21 d分別降低20.4%、24.0%和14.4%,葉綠素b分別降低9.0%、17.43%和-0.8%。施氮處理顯著增加了頂三葉葉綠素a和葉綠素b的含量,開花期和花后14 d,頂三葉的葉綠素含量均以N240處理最高。且開花期旗葉葉綠素a含量在N240處理下與N180處理無顯著差異,而N240處理的葉綠素b含量顯著高于其他處理;花后14 d,倒二葉葉綠素含量在N240處理下均顯著高于其他處理;倒三葉葉綠素a含量在N240處理下與N300處理無顯著差異,葉綠素b含量在N240處理下與N300處理無顯著差異?;ê?1 d,旗葉葉綠素含量均以N240處理下最高,且N240處理的葉綠素b含量均顯著高于其他處理;倒二葉葉綠素含量均以N300處理下最高,與N180、N300處理差異不顯著;倒三葉葉綠素a含量以N240處理下最高,與N180處理無顯著差異,葉綠素b含量以N300處理下最高,與N180、N300處理差異不顯著。

      表5 不同施氮水平對小麥灌漿期頂三葉葉綠素含量的影響(鄭州,2014-2015年)Table 5 Effect of different nitrogen application rates on the contents of Chl a and Chl b of flag leaf,top second leaf and top third leaf(Zhengzhou,2014-2015) mg·g-1 FW

      2.4 不同施氮水平對小麥葉片全氮含量的影響

      從表6可以看出,隨灌漿進(jìn)程的推進(jìn),頂三葉全氮含量逐漸下降。葉片全氮含量隨葉位降低而下降,旗葉所有處理的平均全氮含量較倒二葉和倒三葉分別增加8.6%和25.5%(開花期)、 11.8%和32.8%(花后7 d)、11.2%和41.1%(花后14 d)、7.5%和36.0%(花后21 d)。施氮處理顯著增加了頂三葉的全氮含量,與N0處理相比,施氮處理旗葉的全氮含量增加56.5%~ 306.2%,倒二葉增加37.9%~304.7%,倒三葉增加46.1%~298.2%。開花期和花后7~21 d,各處理均以N300處理下頂三葉的全氮含量較高,除花后7 d的倒二葉、花后14 d的旗葉以及花后21 d的旗葉和倒三葉外,各時(shí)期N300處理的頂三葉全氮含量均顯著高于其他處理。

      表6 不同施氮水平對小麥灌漿期頂三葉全氮含量的影響(鄭州,2014-2015年)Table 6 Effect of different nitrogen application rates on nitrogen accumulation of flag leaf,top second leaf and top third leaf(Zhengzhou,2014-2015) g·kg-1

      2.5 不同施氮水平對小麥葉片Rubisco活性的影響

      由表7可知,隨灌漿進(jìn)程的推進(jìn),Rubisco活性逐漸下降。Rubisco活性隨葉位降低而下降,灌漿期旗葉所有處理的平均Rubisco活性較倒二和倒三葉分別增加12.5%和28.7%。施氮處理顯著增加了頂三葉的Rubisco活性,與N0處理相比,施氮處理旗葉的Rubisco活性增加36.6%~52.1%,倒二葉增加17.9%~52.4%,倒三葉增加27.4%~59.0%。開花期和花后7~21 d,各處理頂三葉的Rubisco活性均以N240處理最高,除開花期和花后14~21 d的倒二葉以及花后7 d的倒三葉外,各時(shí)期N240處理的頂三葉Rubisco活性均與N300處理無顯著差異。

      表7 不同施氮水平對小麥開花期頂三葉Rubisco活性的影響(鄭州,2014-2015年)Table 7 Effect of different nitrogen application rates on Rubisco activity of flag leaf, top second leaf and top third leaf(Zhengzhou,2014-2015) μmol·mL-1·min-1

      3 討 論

      氮肥是作物獲得高產(chǎn)的基礎(chǔ),研究表明,定位試驗(yàn)4年后,施氮處理小麥的平均產(chǎn)量較不施氮處理產(chǎn)量增加230%[21],在土壤水分充足的條件下,施氮200~300 kg·hm-2能獲得較高的產(chǎn)量[22]。本研究表明,施氮對三種肥力土壤的增產(chǎn)效應(yīng)存在差異,在定位試驗(yàn)進(jìn)行3年后,高、中和低肥力麥田施氮處理平均產(chǎn)量分別增加36.1%(2014-2015年度)、136.4%(2014-2015年度)和288.2%(2016-2017年度),隨著土壤肥力下降,施氮的增產(chǎn)效應(yīng)逐漸增加。原因可能是高肥力土壤播前土壤硝態(tài)氮積累量較高,施氮的增產(chǎn)效應(yīng)減弱[23]。在施氮處理間,高、中和低肥力條件下,試驗(yàn)?zāi)甓萅240處理下的平均產(chǎn)量較N180處理分別增加7.0%、7.0%和6.1%,而繼續(xù)增加施氮量(N300)則產(chǎn)量降低。施氮增加小麥產(chǎn)量主要是通過協(xié)調(diào)穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重來實(shí)現(xiàn)。適量增施氮肥,可增強(qiáng)小麥的分蘗能力,促進(jìn)穗花的發(fā)育,增加穗數(shù)和穗粒數(shù)[23]。葉優(yōu)良等[24]研究表明,施氮量在0~90 kg·hm-2范圍內(nèi),小麥千粒重和穗粒數(shù)隨施氮量的增加而顯著增加,而施氮量超過90 kg·hm-2時(shí),穗粒數(shù)增加不顯著,超過180 kg·hm-2時(shí),千粒重增加也不顯著。本試驗(yàn)條件下,施氮增加產(chǎn)量主要依靠穗數(shù)的增加,其次是穗粒數(shù)。施氮處理的穗數(shù)(2012-2017年度N180、N240和N300處理的平均值)較N0處理分別增加27.3%、98.7%和44.8%,穗粒數(shù)分別增加17.1%、20.3%和68.6%。產(chǎn)量由低產(chǎn)到中產(chǎn)水平時(shí),產(chǎn)量的增加主要依靠穗數(shù)的增加。而由中產(chǎn)到高產(chǎn)水平,產(chǎn)量的增加主要依靠穗粒數(shù)的增加。小麥產(chǎn)量和施氮增產(chǎn)效果與土壤肥力密切相關(guān),土壤基礎(chǔ)肥力高,則土壤對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)大,對氮肥依賴性較低,施氮增產(chǎn)效果差。因此,為了充分發(fā)揮氮肥的增產(chǎn)效應(yīng),在中肥力麥田應(yīng)提倡穩(wěn)氮(施氮240 kg·hm-2),以促穗為主,高肥力麥田應(yīng)注意控氮(施氮180 kg·hm-2),以增粒為主。結(jié)合不同土壤肥力和不同時(shí)期養(yǎng)分供應(yīng)能力等確定適宜的施氮量,同步實(shí)現(xiàn)減肥增效、增產(chǎn)環(huán)保。

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