張 燕, 王百群,2, 何瑞清

(1.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院水利部水土保持研究所 土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

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不同施肥下冬小麥生長過程中土壤礦質(zhì)氮變化及其與冬小麥葉片SPAD值的關系

張 燕1, 王百群1,2, 何瑞清1

(1.西北農(nóng)林科技大學 資源環(huán)境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院水利部水土保持研究所 土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

通過調(diào)查分析，研究了土長期施肥條件下土壤中礦質(zhì)氮含量變化及其與地上冬小麥葉片SPAD值。結(jié)果表明：(1) 整個冬小麥生長期不同土層硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的變化趨勢不一致，硝態(tài)氮含量是先下降后上升的變化，而銨態(tài)氮含量呈一直上升的變化趨勢。在沒有施過氮肥的處理中，0—20 cm，20—40 cm土層中土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量顯著低于施用氮肥的處理；(2) 冬小麥生長時期，各個處理葉片SPAD值各異，但都是先升高后下降的變化，無氮肥施用的葉片SPAD值低于施氮肥的處理；(3) 冬小麥各個生長時期葉片SPAD值與土壤不同層次(0—20 cm，20—40 cm)硝態(tài)氮含量呈正相關關系，而與銨態(tài)氮含量相關性不顯著，這表明小麥是對硝態(tài)氮較為敏感的作物。本試驗結(jié)果可以為進一步合理調(diào)控氮肥施用、明確施氮對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響提供一定的基礎依據(jù)。

礦質(zhì)氮; 冬小麥; SPAD值

冬小麥的生長分為營養(yǎng)生長和生殖生長，從出苗、分蘗、越冬、返青、起身到拔節(jié)屬于小麥營養(yǎng)生長階段；從孕穗、抽穗、開花、灌漿至成熟是小麥的生殖生長階段。小麥的生長發(fā)育需要氮、磷、鉀、銅、鋅、錳、硼等多種元素。氮的吸收有兩個高峰，一個是從分蘗到越冬期，吸氮量占總吸收量的13.5%，另一個是從拔節(jié)到孕穗期，吸氮量占總吸收量的37.3%，開花以后，對氮素的吸收率將逐漸下降，在幼穗分化期小麥對氮的需求量高，如果缺氮將會導致穗小和花數(shù)減少，若追施氮肥，可延長穗的分化時間，增加穗粒數(shù)。小麥對磷、鉀的吸收，隨著生長發(fā)育的推移而增多，拔節(jié)期后吸收率猛增，小麥植株內(nèi)40%以上的磷、鉀是在孕穗期以后吸收的。冬小麥屬于越冬作物，磷素營養(yǎng)的臨界期在苗期，所以，基肥施足磷肥非常重要。由于苗期的根系弱，當遇到干旱和嚴寒，土壤的供磷和作物對磷的吸收能力會大幅下降，將影響小麥的返青和分蘗，即使追施磷肥也很難補救。從拔節(jié)到孕穗期是鉀的吸收高峰期，追施鉀肥能使莖桿粗壯，根量增加和防止后期葉片的早衰，提高小麥的籽粒重和蛋白質(zhì)含量[1]。

小麥是中國三大糧食作物之一，常年播種面積、產(chǎn)量分別占糧食總量的25%和22%左右,在國家糧食安全和社會經(jīng)濟發(fā)展中占有舉足輕重的地位[4]。近年來,我國的小麥生產(chǎn)在解決了高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)之后,已把重點轉(zhuǎn)移到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和高效益上來。氮肥對小麥生產(chǎn)起著決定性作用，氮素既是作物最重要的結(jié)構物質(zhì),又是酶的主要成分,對作物生理代謝和生長有極其重要的作用。而小麥氮肥利用率較低，氮肥的大量損失產(chǎn)生了諸多弊端：經(jīng)濟效益下降、環(huán)境污染嚴重等問題。合理施用氮肥是提高作物氮肥利用率的重要途徑之[5]一。本文研究不同施肥條下不同層次土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮變化及其與冬小麥葉片SPAD之間的關系，以期為明確土壤氮素與作物氮素營養(yǎng)生理關系提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗為田間小區(qū)長期定位施肥試驗，地點位于陜西省楊凌水土保持研究所試驗田中，供試土壤為典型土。氮肥為尿素(N含量為46%)，磷肥為普鈣(P2O5含量為12%)，秸稈為玉米秸稈，有機肥(牛糞、羊糞)。供試作物為北方常種冬小麥。

1.2 試驗設計

試驗共設6個處理(表1)，每個處理3次重復，隨機區(qū)組分布。小區(qū)面積2.70×1.70=4.59 m2，小區(qū)播量75.7 g,每區(qū)9行，每行126 g,165 kg/hm2。播種前清除播種帶的玉米殘茬，于2014年10月份進行開溝播種，肥料隨播種撒施于小區(qū)，播種深度5～6 cm，生長期內(nèi)遇旱澆水。田間除草及植保措施等統(tǒng)一按照田間正常管理。2015年6月收獲，生育期180 d。

分別于小麥生長越冬期(11月)、拔節(jié)后期(2月)、乳熟期(5月)進行土壤樣品采集，每個小區(qū)按“S”型采樣法分層(0—20 cm，20—40 cm)采集土樣，充分混勻同一小區(qū)各層次土壤樣品并剔除土壤中的植物根系及殘體，帶回實驗室備用。試驗處理及施肥量見表1。

表1 試驗處理及施肥量

1.3 測定指標與方法

土壤測定指標包括土壤含水量、土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮。小麥測定指標為葉片SPAD值。

測定方法：測定時將新鮮土樣，充分混勻后準確稱取10 g 左右放入鋁盒，于105℃下烘干測定土壤水分含量[6]。準確稱取10 g左右鮮土裝入塑料瓶中，加入1 mol/ml KCl溶液100 ml 振蕩1 h，過濾，浸提液中的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量用連續(xù)流動分析儀測定[6]。采用日本Minolta公司生產(chǎn)的SPAD-502葉綠素儀于晴天上午測定田間冬小麥葉SPAD值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0和Excel 2007進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥生長期土壤礦質(zhì)氮含量變化

2.1.1 冬小麥生長期不同土層土壤硝態(tài)氮含量變化 由圖1A可以看出，0—20 cm土層土壤硝態(tài)氮含量從冬小麥越冬期到拔節(jié)后期土壤硝態(tài)氮含量逐漸下降，不同處理下降百分比不同，處理4、處理5、處理6硝態(tài)氮含量分別下降93.3%，91.7%，91.6%，而處理1、處理2和處理3硝態(tài)氮含量分別下降46.4%，38.8%，37.1%。而從拔節(jié)后期到乳熟期硝態(tài)氮含量又開始上升，處理1、處理2和處理3硝態(tài)氮含量分別上升63.9%，68.6%，64.6%，而處理4、處理5和處理6硝態(tài)氮含量分別上升30.3%，24.9%，23.4%，處理1、處理2和處理3土壤硝態(tài)氮含量上升百分比極顯著高于處理4、處理5和處理6。

由圖1B可以看出20—40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量從冬小麥越冬期到拔節(jié)后期土壤硝態(tài)氮含量逐漸下降，處理1、處理2、處理3硝態(tài)氮含量分別下降52.6%，40.1%，40.3%，處理4、處理5和處理6硝態(tài)氮含量分別下降72.8%，79.3%，80.0%。而從拔節(jié)后期到乳熟期硝態(tài)氮含量又開始上升，處理1、處理2、處理3硝態(tài)氮含量分別上升67.5%，64.4%，54.7%，處理4、處理5、處理6硝態(tài)氮含量上升76.9%，85.3%，81.2%，處理1、處理2和處理3土壤硝態(tài)氮含量上升或下降的百分比均顯著低于處理4、處理5和處理6。

圖1 不同土層不同處理下土壤硝態(tài)氮變化

由圖1可知冬小麥生長期內(nèi)不同土層(0—20 cm，20—40 cm)土壤硝態(tài)氮含量變化趨勢基本一致，即越冬期到拔節(jié)后期不同處理土層土壤硝態(tài)氮含量都是下降的趨勢，而從拔節(jié)后期到乳熟期含量又開始上升。而各個處理兩個土壤層次(0—20 cm，20—40 cm)上升或下降的百分比不一致，差異顯著。

處理1、處理2和處理3均未施用尿素，而處理4為施用尿素，處理5和處理6為有機物料與尿素配施(表1)，因此，表明施用尿素對表層土壤硝態(tài)氮含量具有顯著的影響，表層以下土壤硝態(tài)氮含量與施氮量具有密切關系。馬茂亭等[7]研究表明：不同施肥處理下，表層土壤硝態(tài)氮含量變化顯著，表層以下土壤硝態(tài)氮含量主要受時間影響較大。表層土壤是耕作、施肥及作物根系主要活動范圍，其硝態(tài)氮含量變化受這些因素影響，表層以下土壤硝態(tài)氮含量變化主要由于硝態(tài)氮隨水分移動而引起的，所以隨時間推移，硝態(tài)氮含量發(fā)生明顯變化。另外，不同土層中土壤硝態(tài)氮變化也受到作物根系吸收硝態(tài)氮的影響。

2.1.2 冬小麥整個生長期不同土層土壤銨態(tài)氮含量變化 由圖2A可以看出，0—20 cm土層中土壤銨態(tài)氮含量在冬小麥整個生長期內(nèi)是一直上升的變化趨勢，即從越冬期向拔節(jié)后期，及拔節(jié)后期到乳熟期的過程中，土壤銨態(tài)氮含量均在升高。在越冬期到拔節(jié)的升高過程中不同處理土壤銨態(tài)氮含量升高百分都在70%以上，但是處理1、處理2、處理3銨態(tài)氮含量明顯低于處理4、處理5和處理6，有差異性。在拔節(jié)到乳熟期土壤銨態(tài)氮升高的過程中，各個處理銨態(tài)氮上升百分比差異不顯著。

由圖2B可以看出，20—40 cm土層中土壤銨態(tài)氮含量變化趨勢與0—20 cm土層中土壤銨態(tài)氮變化相同，即在冬小麥越冬期開始土壤銨態(tài)氮含量開始上升，一直到拔節(jié)后期、乳熟期，銨態(tài)氮含量一直在上升。處理1、處理2、處理3土壤銨態(tài)氮含量明顯低于處理4、處理5和處理6的，差異顯著。但不同處理上升百分比都達到65%以上，差異不顯著。而從拔節(jié)后期到乳熟期土壤銨態(tài)氮含量升高緩慢，各個處理上升百分比小于25%，差異不顯著。

由圖2可知，冬小麥生長期內(nèi)不同土層(0—20 cm，20—40 cm)土壤銨態(tài)氮含量變化趨勢一致，即從越冬期向拔節(jié)后期、乳熟期過渡中不同土層(0—20 cm，20—40 cm)土壤銨態(tài)氮含量均呈上升的趨勢。而從越冬期向拔節(jié)期過渡中各個處理銨態(tài)氮升高的百分比顯著高于從拔節(jié)期向乳熟期過渡過程中上升的百分比。處理1、處理2、處理3的銨態(tài)氮含量明顯低于處理4、處理5和處理6的，其原因可能是處理1、處理2、處理3沒有氮源補充，綜上，施氮與否對表層土壤銨態(tài)氮含量有一定影響，這與許祥富等研究結(jié)果一致[8]。

圖2 不同土層不同處理土壤銨態(tài)氮含量變化

綜合分析可知，在同一生長時期，各個處理中相同土壤層次中(0—20 cm，20—40 cm)土壤硝態(tài)氮含量高于銨態(tài)氮含量，底肥施用氮肥的處理土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量均高于未施用氮肥的處理。作為土壤無機氮的主要組分，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮在土壤—植物—大氣—水系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)中不斷進行遷移和轉(zhuǎn)化，是土壤肥力最活躍的因素之一。任何土壤都同時存在銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化平衡，相互轉(zhuǎn)化過程是一系列生化反應，這些生化反應都是酶促反應，受到氣溫、土壤pH、微生物種群、施肥等的影響[9]。所以施用氮肥后的一段時間里由于施肥點土壤局部氮濃度提高，轉(zhuǎn)化氮肥形態(tài)的生化作用相應增強，所以相應的硝態(tài)氮含量高。硝態(tài)氮在土壤中主要以溶質(zhì)的形式存在于土壤溶液中，其運移規(guī)律直接受土壤含氮量、含水量、水流運動狀態(tài)和土壤物理性質(zhì)的影響。硝態(tài)氮的運移可分為垂直向下淋移和水平擴散2種形式[10-11]，硝態(tài)氮在土壤中存在形態(tài)決定了其移動的特點，一旦過量累積就會導致其往下淋溶運移，甚至污染地下水[11]。不合理的施肥模式會造成過多的氮肥施入農(nóng)田中，從而為土壤硝態(tài)氮過量累積往下淋溶埋下了風險。

2.2 不同施肥條件下小麥葉片SPAD值的動態(tài)變化

小麥葉片SPAD值是間接表征葉片葉素綠含量的指標。由圖3看出在越冬期、拔節(jié)后期和乳熟期，不同處理冬小麥SPAD值含量各異，其中越冬期到拔節(jié)后期冬小麥SPAD值逐漸上升，拔節(jié)期結(jié)束后又開始下降，乳熟期SPAD值顯著低于拔節(jié)期。在每個生長時期，處理1、處理2、處理3的SPAD值均低于處理4、處理5、處理6的，由表1看出，處理1、處理2、處理3是未施用過尿素的處理，而處理4、處理5和處理6底肥有氮源補充，因此，可以推斷施氮量對葉片SPAD值有一定的影響。牛立元等[12]指出：在小麥生長的整個時期，葉綠素的變化趨勢呈現(xiàn)出一條“帽形”的曲線，整條曲線大致可以分成冬前到越冬期的緩降期，越冬至返青期的迅速上升期，返青至灌漿的平頂期，灌漿至蠟熟的速降期以及蠟熟至完熟的緩降期。本圖中越冬期SPAD值明顯低于拔節(jié)后期的SPAD值，而從拔節(jié)后期到乳熟期SPAD含量急劇下降，符合牛立元等研究的葉綠素曲線。這可能是因為冬前氣溫較高，種子根活力旺盛，植株光合能力強，葉綠素含量急劇上升；拔節(jié)期光合作用旺盛，葉綠素含量繼續(xù)增長，導致SPAD值增大。而在乳熟期光合作用基本達到極致，開始成熟，葉片開始發(fā)黃，葉綠素含量下降，SPAD值也下降。

圖3 冬小麥生長時期不同處理SPAD值變化

2.3 不同土層土壤礦質(zhì)氮與冬小麥葉片SPAD值的關系

各處理下兩個土層(0—20 cm，20—40 cm)硝銨態(tài)氮含量與不同生長期冬小麥葉片SPAD值的相關性分析表明(表2)：冬小麥不同生長期SPAD值與各個處理不同土壤層次硝態(tài)氮呈顯著線性正相關關系，而銨態(tài)氮含量與SPAD值相關性不顯著。即越冬期各個處理，0—20 cm，20—40 cm土層硝態(tài)氮均與葉片SPAD值呈顯著的正相關關系，銨態(tài)氮相關性不顯著，拔節(jié)后期、乳熟期各個處理不同土層土壤硝態(tài)氮也與葉片SPAD值呈顯著正相關關系。已有研究報道了不同形態(tài)氮素幾乎影響了光合作用的各個環(huán)節(jié)，包括葉片葉綠素含量、光合速率、暗反應主要酶活性等[13],直接或間接影響著光合作用。而氮素處理下，小麥葉片的葉綠素含量顯著提高。

Cramer等[14]研究表明,銨態(tài)氮營養(yǎng)下，小麥葉片的光合速率只有硝態(tài)氮營養(yǎng)下的85%左右。戴廷波等[15]進行了水培研究，結(jié)果表明，硝、銨態(tài)氮素混合營養(yǎng)比硝態(tài)氮營養(yǎng)顯著提高小麥葉綠素含量、凈光合速率及可溶性糖含量。肖凱等[16]報道,葉片的葉綠素含量、光合速率(Pn)、RuBPcase初始活性、RuBPcase含量、葉肉導度(gm)、碳酸醉酶(CA)活性、Psl活性和Psn活性均以硝、銨態(tài)氮素混合營養(yǎng)較高,硝態(tài)氮處理次之,銨態(tài)氮處理較低。曹翠玲等[17]研究表明,小麥在硝、銨態(tài)氮素混合營養(yǎng)下,生長中后期葉綠素含量最高。本結(jié)果進一步說明,葉片中SPAD值的變化與土壤硝態(tài)氮含量有一定的相關性。

表2 不同土層土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮與冬小麥葉片

注：X1表示0—20 cm土層硝態(tài)氮含量；X2表示20—40 cm土層硝態(tài)氮含量；X3表示0—20 cm土層銨態(tài)氮含量；X4表示20—40 cm土層銨態(tài)氮含量。

3 結(jié) 論

土壤礦質(zhì)氮(硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)是植物吸收的兩種主要的無機氮素形態(tài),土壤中礦質(zhì)氮含量及其分布的動態(tài)變化受到施氮量、降水條件及土壤環(huán)境及作物吸收等因素的綜合影響。本文通過對不同施肥條件冬小麥生長過程中不同土層礦質(zhì)氮變化及其對冬小麥葉片SPAD值的影響進行觀測和分析，取得了以下結(jié)論：

(1) 在冬小麥生長過程中，不同土層硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的變化趨勢不一致，硝態(tài)氮含量是先下降后上升的變化，而銨態(tài)氮含量是一直上升的變化趨勢。在沒有施過氮肥的處理中，0—20 cm，20—40 cm土層中土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量顯著低于施用氮肥的處理。

(2) 冬小麥生長時期，各個處理葉片SPAD值各異，但都是先升高后下降的變化，未施氮肥的處理中葉片SPAD值低于施氮肥處理。

(3) 在冬小麥各個生長時期葉片SPAD值與土壤不同層次(0—20 cm，20—40 cm)硝態(tài)氮含量呈正顯著相關關系，而與銨態(tài)氮含量相關性不顯著。

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Changes of Soil Mineral Nitrogen and Its Relationship with Soil and Plant Analyzer Development (SPAD) Values of Winter Wheat Leaves During Winter Wheat Growth Under Different Fertilization

ZHANG Yan1, WANG Baiqun1,2, HE Ruiqing1

(1.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

Through the investigation and analysis, the soil and plant analyzer development (SPAD) values of winter wheat leaves and mineral nitrogen contents of Lou soil under the long-term fertilization were characterized. The results showed that: (1) the changes of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen contents in different soil layers were not consistent during the winter wheat grwoth period. The contents of nitrate nitrogen were decreased first and then increased, while the content of ammonium nitrogen has been rising, the contents of nitrate nitrogen and ammonium nitrogen of treatment with no nitrogen fertilizer were significantly lower than those of treatments with nitrogen fertilizer in the different soil layers (0—20 cm, 20—40 cm); (2) during the growth period of winter wheat, the SPAD values of all treatments were different, but all of which first increased and then decreased. The SPAD values of leaves under the treatment with no nitrogen fertilizer were lower than those of the treatments with nitrogen fertilizer application; (3) during winter wheat growth period, SPAD values of leaves and nitrate nitrogen contents were significantly positively correlated in different soil layers (0—20 cm, 20—40 cm), while their correlation with the content of ammonium nitrogen was not significant, indicating that wheat is sensitive to nitrate nitrogen to some extent. The results could provide the reference for manipulation of the nitrogen fertilizer application and understanding the effect of nitrogen fertilization on the yield and quality of winter wheat.

mineral nitrogen; winter wheat; Soil and Plant Analyzer Development (SPAD) value

2016-05-22

2016-06-23

科技基礎性工作專項“農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)資源分布與生源要素現(xiàn)狀調(diào)查”(2014FY210112);國家自然科學基金項目(40301024)

張燕(1991—),女,甘肅會寧人,碩士研究生,從事土壤生態(tài)研究。E-mail:zoeyzy0419@foxmail.com

王百群(1968—),男,陜西渭南人,博士,副研究員,從事土壤有機碳氮循環(huán)研究。E-mail:bqwang@ms.iswc.ac.cn

S512.1+1;Q948; S153.6

A

1005-3409(2016)06-0078-05