曾敏，謝軍紅，李玲玲，Zechariah Effah，劉雪寧，杜常亮，王進(jìn)斌

(省部共建干旱生境作物學(xué)國家重點實驗室，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

施氮能通過改善光合性能[1-5]和延緩葉片衰老[6-7]提高糧食單產(chǎn).然而一味增加施氮水平不僅不能獲得預(yù)期的增收效果，反而造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本提高和環(huán)境污染[8-9].面對日益增大的環(huán)境壓力，如何通過降低環(huán)境成本獲得較高的生產(chǎn)力水平成為糧食生產(chǎn)研究關(guān)注的科學(xué)問題[10].隨著近幾年來國家“雙減(肥料、農(nóng)藥減量)” 行動的提出和執(zhí)行，減施氮肥在協(xié)調(diào)糧食生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)發(fā)面均取得了一系列可喜成績[11].能否通過一些田間作物生理生化指標(biāo)參數(shù)構(gòu)建一種能獲得較高的產(chǎn)量水平的信息化管理技術(shù)對綠色高產(chǎn)高效生產(chǎn)有一定的理論價值，但相關(guān)研究相對缺乏.

小麥作為主要的糧食作物，對保障糧食安全具有重要作用[12].協(xié)調(diào)植株體內(nèi)代謝，達(dá)到增“源”擴(kuò)“庫”的目的，進(jìn)而獲得小麥高產(chǎn)是當(dāng)前的研究重點[13-14].已有研究發(fā)現(xiàn)合適的施氮水平能提高小麥光合速率、改善光合性能、延緩衰老[15-16]、維持較高的灌漿速率和較長的灌漿持續(xù)時間[17-18]、保持較高的硝酸還原酶活性和可溶性蛋白含量[19-20]，從而影響作物產(chǎn)量.黃土高原是我國旱地小麥主要產(chǎn)區(qū)[21]， 然而，區(qū)域內(nèi)水土流失嚴(yán)重，土壤肥力低下，小麥產(chǎn)量低[22].合理施氮能提高小麥產(chǎn)量[23-24]，對保障區(qū)域糧食供給和農(nóng)民增收發(fā)揮了重要作用.關(guān)于旱作春小麥適宜施氮量的研究非常廣泛，不同類型區(qū)旱作春小麥?zhǔn)┑坎煌琜25-27]，通過旗葉SPAD、光合性能、籽粒灌漿等生長、生理生化指標(biāo)監(jiān)測實現(xiàn)提高小麥信息化管理水平的研究也亟待開展.

為此，本試驗依托甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)綜合實驗站2003年建立的長期施氮定位試驗，通過旗葉生理生化指標(biāo)、籽粒灌漿主要指標(biāo)的監(jiān)測及其與產(chǎn)量的相關(guān)性分析，揭示施氮水平影響小麥產(chǎn)量的旗葉生理生化及籽粒灌漿機(jī)理，以期為黃土高原旱區(qū)小麥生產(chǎn)提供合理施氮依據(jù)，進(jìn)而為該區(qū)小麥信息管理技術(shù)體系構(gòu)建提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019年3月～2020年7月在甘肅省定西市李家堡鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)綜合實驗站進(jìn)行，該區(qū)為典型的黃土高原半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū).平均海拔2 000 m，日照時數(shù)2 476.6 h，年均氣溫6.4 ℃，≥ 0 ℃年積溫2 933.5 ℃，無霜期140 d.多年平均降水量為390.9 mm,年蒸發(fā)量為1 531 mm.土壤類型為黃綿土，土質(zhì)疏松，質(zhì)地均勻，有良好的儲水性能.2019、2020年都是豐水年，降水量分別為491.6、550.4 mm(圖1)，小麥生育期內(nèi)降水量分別為279.2、288.8 mm.2020年小麥出苗率低且拔節(jié)期遭受冰雹災(zāi)害.

圖1 試驗區(qū)2019和2020年月降水量Figure 1 Monthly rainfall at the experimental area in 2019 and 2020

1.2 試驗設(shè)計

本研究依托2003年設(shè)點的長期定位試驗，共設(shè)5個施氮處理：0(N1)、52.5(N2)、105(N3)、157.5(N4)、210 kg/hm2(N5)，3次重復(fù)，共15個小區(qū)，小區(qū)面積30 m2.本研究數(shù)據(jù)是定位試驗進(jìn)行的第17年(2020年)的研究結(jié)果，供試春小麥品種為定西40號.于2020年3月中旬播種，7月下旬收獲.小麥播量為187.5 kg/hm2，行距0.25 m，各處理磷肥施用量均為105 kg/hm2.供施氮肥為尿素(N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O512%)，肥料在播種前一次性施入土壤，后期不再追肥.作物生長期間人工除草，其他管理方式同當(dāng)?shù)卮筇锕芾?

1.3 測定項目及方法

1.3.1 旗葉生理生化指標(biāo) 自2020年6月23日開始，每隔7 d取各處理小麥旗葉測定以下生理指標(biāo)：硝酸還原酶(nitrate reductase,NR):磺胺比色法測定[28]；可溶性蛋白(soluble protein):考馬斯亮藍(lán)G-250法測定[29]；光合速率(photosynthetic rate，Pn)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration，Ci)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance，Gs)、蒸騰速率(transpiration rate，Tr)：于晴朗天氣的上午9∶00～11∶00用便攜式光合-熒光測量系統(tǒng)(GFS-3000，德國)采用自然光源測定(第21天以后由于天氣原因未能測定)，每個小區(qū)測定5株，每株重復(fù)測定葉片中部3次；旗葉SPAD含量：用葉綠素儀SPAD-502(北京)測定小麥旗葉的旗葉SPAD含量，每個小區(qū)選取長勢均勻的5株進(jìn)行測定，每株重復(fù)測定旗葉不同部位3次，取平均值.

1.3.2 籽粒灌漿 于2020年6月23日，選取同日開花的小麥掛牌，從小麥花后第7天開始，每隔7 d取小麥穗中部籽粒，105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱干質(zhì)量后換算成千粒質(zhì)量.以花后天數(shù)(t)為自變量，籽粒千粒質(zhì)量(y)為因變量.用Logistic方程y=a/(1+be-ct)對其灌漿過程進(jìn)行擬合[18].其中a表示理論最大粒質(zhì)量，t表示開花后天數(shù)，b、c為模型參數(shù).

根據(jù)方程推導(dǎo)出灌漿高峰起始時間(t1)、終止時間(t2)、最大灌漿速率(Vm)、最大灌漿速率出現(xiàn)時間(tm)和快增期持續(xù)時間(Δt).

t1=[ln(b)-ln(3.7321)]/c,t2=[ln(b)+ln(3.7321)]/c,tm=ln(b/c),vm=ac/4,△t=t2-t1.

1.3.3 產(chǎn)量 分別于2019和2020年按小區(qū)脫粒計產(chǎn)，測定籽粒產(chǎn)量與生物產(chǎn)量，最后換算為每公頃產(chǎn)量(kg/hm2).

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2019和Sigmaplot 12.5整理數(shù)據(jù)和作圖，用Origin 2019對籽粒灌漿進(jìn)行擬合，用SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差(One-Way ANOVA)分析,用最小極差法(LSD法)進(jìn)行多重比較.

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施氮對旗葉光合生理指標(biāo)的影響

由圖2可知，春小麥開花后，隨著時間的推移，旗葉葉片SPAD值呈先增加后降低的趨勢，花后各處理在第7天達(dá)到峰值，之后開始下降，N1在第7～14天下降明顯(下降29.9%)，其他處理在第28～35 d下降尤為明顯.處理間，各個測定時間小麥葉片SPAD值均表現(xiàn)為施氮處理顯著高于N1，在小麥花期和花后第14天，N4、N5水平的葉片SPAD值顯著高于N2、N3，花后第21天，處理間差異最大，且葉片SPAD值隨施氮水平的提高而增加，N5較N4、N3和N2分別增加4.0%、6.9%和12.4%；第28天，N5、N4和N3較N2分別增加8.5%、4.7%和7.7%(P<0.05)；第35天，N3和N5處理下的SPAD值相當(dāng)且高于N2、N4處理.

誤差線上不同字母表示處理間存在顯著差異(P<0.05).Different letters above error bars indicate significance among treatments at P<0.05.圖2 長期施氮對春小麥旗葉SPAD值的影響Figure 2 Effects of long-term nitrogen application on SPAD value of flag leaf in spring wheat

由圖3可知，小麥旗葉光合速率隨花后時間推移呈先增大后降低趨勢，各處理皆在花后第7天達(dá)到最大值，之后開始下降，N1、N4、N5在第14～21天下降迅速.小麥從開花到花后第21天，隨著施氮水平的提高，旗葉光合速率呈先增加后降低的趨勢，N3處理下光合速率最高.開花期到花后第7天，施氮處理顯著高于N1；花后第14天以后，N5處理與N1已無顯著差異.小麥旗葉氣孔導(dǎo)度在花后第7天達(dá)到最高，而后降低，在開花期和花后第7天，N3處理的旗葉氣孔導(dǎo)度顯著高于N4、N5處理，花后第7天以后，N3、N4、N5之間的差異逐漸縮小至無差異.胞間CO2濃度隨花后時間的推移而增加，N3處理下最低，與N5處理存在顯著差異.旗葉蒸騰速率隨花后時間推移先增加后降低，在開花期和花后第7天，N2、N3處理顯著高于N4、N5處理，花后第14天和第21天，N3和N4、N5處理的蒸騰速率無顯著差異.

圖3 長期施氮對春小麥旗葉光合參數(shù)的影響Figure 3 Effects of long-term nitrogen application on photosynthetic parameters of flag leaf in spring wheat

2.2 長期施氮對春小麥旗葉硝酸還原酶(NR) 和可溶性蛋白的影響

由圖4可知，小麥NR活性隨花后天數(shù)呈先增加后降低的趨勢，花后第7天最高，之后迅速下降，第14天以后下降緩慢.NR活性受施氮水平的影響，花后0～14 d，小麥NR活性隨施氮水平的提高先升高后降低，N4處理的NR活性顯著高于其他處理，分別較N1高出66.7%(0 d)、40.4%(7 d)、38.4%(14 d)，但到花后第21天以后，N4處理的NR活性與其他處理相比已無顯著優(yōu)勢，而N3處理的NR活性在整個灌漿過程中與其他處理相比都有較高的活性.小麥旗葉可溶性蛋白含量在開花期含量最高，之后隨花后時間推移持續(xù)降低.開花期到花后第7天，N4處理的可溶性蛋白含量高于其他處理；花后第14天，N3處理顯著高于其他處理；花后第21天，小麥旗葉可溶性蛋白含量呈N3>N4>N2>N5>N1的趨勢，N3比N1、N5處理顯著高出31.6%和28.9%；花后第28天和第35天，N3處理與N4、N5處理無顯著差異.

誤差線上不同字母表示處理間存在顯著差異(P<0.05).Different letters above error bars indicate significance among treatments at P<0.05.圖4 長期施氮對春小麥旗葉硝酸還原酶活性和可溶性蛋白含量的影響Figure 4 Effects of long-term nitrogen application on NR activity and soluble protein content of flag leaf in spring wheat

2.3 長期施氮對春小麥籽粒灌漿特性的影響

由圖5可知，灌漿期不同處理下籽粒千粒質(zhì)量的變化呈“s”型曲線變化.灌漿前期，不同施氮處理下的千粒質(zhì)量無明顯差異，而灌漿后期，各施氮處理間千粒質(zhì)量差異明顯，且N2、N3在花后第35天仍有一定的增長趨勢.各處理花后天數(shù)和粒質(zhì)量進(jìn)行Logistic方程進(jìn)行擬合(表1)，各方程的擬合度(R2)在0.86～0.98，說明不同處理下開花后天數(shù)與千粒質(zhì)量變化符合Logistic方程，且較能真實反應(yīng)灌漿過程.

由表2可知，各施氮處理下的籽粒灌漿參數(shù)存在差異，理論最大粒質(zhì)量(a)表現(xiàn)出N2>N3>N5>N4>N1的趨勢.雖然N4處理下的最大灌漿速率(Vm)最大(達(dá)1.8)，但是其最大灌漿速率出現(xiàn)的時間(Tm)早，快增期持續(xù)的時間(T)短，不利于籽粒粒質(zhì)量的增加.N2與N3處理下，理論最大粒質(zhì)量、最大灌漿速率和快增期持續(xù)時間都高于其他處理，有利于粒質(zhì)量的積累和灌漿時間的延長.

圖5 長期施氮對花后籽粒千粒質(zhì)量的影響Figure 5 Effects of long-term nitrogen application on 1000-Kernel weight after anthesis of spring wheat

表1 Logistic方程擬合及灌漿參數(shù)

2.4 長期施氮對春小麥產(chǎn)量及千粒質(zhì)量的影響

由表3可知，長期施氮對小麥仍有增產(chǎn)作用，施氮水平對籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量的影響表現(xiàn)為隨施氮水平的提高先增加后減少，N3處理下的平均籽粒產(chǎn)量最高，分別比N1高出31%(P<0.05)、N4、N5高出5.0%和14.0%，與N2、N4、N5之間無明顯差異.N2處理下的平均生物產(chǎn)量最高，較N1增產(chǎn)35.4%(P<0.05).N3處理下的平均千粒質(zhì)量分別比N1、N4、N5顯著高出19.5%、10.5%和8.7%(P<0.05).用兩年的平均產(chǎn)量(Y1)和生物產(chǎn)量(Y2)分別與施氮水平(x)進(jìn)行非線性回歸分析(圖6)，得Y1=-0.047 2x2+11.888x+17 984(R12=0.659 6)和Y2=-0.116 2x2+31.371x+5 248(R22=0.659 6)，方差分析達(dá)到極顯著水平(P1=0.002、P2=0.009).發(fā)現(xiàn)在施氮水平為126 kg/hm2時，理論最高籽粒產(chǎn)量為2 550 kg/hm2.施氮水平為135 kg/hm2時，理論最高生物產(chǎn)量為7 365 kg/hm2.

表2 長期施氮對春小麥籽粒灌漿參數(shù)的影響

表3 長期施氮對春小麥產(chǎn)量和千粒質(zhì)量的影響

圖6 不同施氮水平與春小麥產(chǎn)量的關(guān)系Figure 6 Relationship between different nitrogen level of application and yield of spring wheat

2.5 春小麥產(chǎn)量與旗葉各生理生化指標(biāo)及灌漿參數(shù)的相關(guān)分析

由表4可知，小麥籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量分別與SPAD值呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(0.646**)和顯著正相關(guān)關(guān)系(0.569*)，與凈光合速率呈極顯著(0.593**)和顯著正相關(guān)關(guān)系(0.566*)，與千粒質(zhì)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與硝酸還原酶、可溶性蛋白、最大灌漿速率及快增期持續(xù)時間呈正相關(guān)關(guān)系，但均未達(dá)到顯著水平.

表4 產(chǎn)量與旗葉生理生化指標(biāo)、灌漿參數(shù)的相關(guān)系數(shù)

3 討論

3.1 施氮對旱地春小麥產(chǎn)量的影響

適量施氮可促進(jìn)旱地小麥產(chǎn)量的形成，但施氮過多不僅對產(chǎn)量形成無益，反而會降低產(chǎn)量.楊顯梅等[25]在隴中黃土高原對春小麥適宜施氮量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)基施氮肥62.5 kg/hm2，拔節(jié)期追氮40～90 kg/hm2最有利于小麥產(chǎn)量的形成.茹小雅等[26]則研究表明當(dāng)降水量為20%時，在旱農(nóng)區(qū)施氮157.5 kg/hm2有利于提高春小麥籽粒產(chǎn)量.上述兩個研究地點都在隴中旱區(qū)且土壤都為黃綿土，與本試驗所處的生態(tài)環(huán)境相似.本研究表明，在生育期降水量為288.8 mm條件下， N3處理的籽粒產(chǎn)量最高，N2處理的生物產(chǎn)量最高.回歸分析表明，施氮126 kg/hm2能獲得最大籽粒產(chǎn)量2 550 kg/hm2，這與N3處理的平均實測產(chǎn)量一致，而施氮量為135 kg/hm2時，與N2處理的平均生物產(chǎn)量相差不大.模擬得出的最適施氮量大于實際施氮量，而模擬產(chǎn)量與實測產(chǎn)量相似，可能是因為在實際生產(chǎn)中施氮量超過一定的量后，施入土壤中的氮素?fù)p失和淋溶增加，發(fā)揮作用的氮肥量有限，本課題組的Xu等[30]曾對施氮量對氮素淋溶影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)施氮顯著地增加了各土層NO3-N含量，施氮超過N3顯著增加了170～200 cm土層的NO3-N含量，李葉杉等[31]研究也發(fā)現(xiàn)N2O排放量隨施氮量增加而增加.

3.2 施氮影響春小麥籽粒產(chǎn)量的生理生化及籽粒灌漿機(jī)理

小麥旗葉作為重要源器官，其代謝產(chǎn)物是作物產(chǎn)量和質(zhì)量的形成基礎(chǔ)[32].研究表明，適宜的施氮水平能通過提高小麥花后旗葉SPAD值、蒸騰速率、增大氣孔導(dǎo)度、降低胞間CO2濃度而提高凈光合速率，最終提高小麥產(chǎn)量[17,33].本試驗表明，施氮顯著影響小麥光合特性，表現(xiàn)為小麥旗葉SPAD值隨著施氮水平的提高不同程度增加，但在灌漿后期，當(dāng)施氮超過N3時，增施氮肥對增加旗葉SPAD值已無顯著作用；N3處理的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率在整個灌漿期間顯著高于或持平于其他處理，胞間CO2濃度低于其他處理，凈光合速率高于其他處理；說明N3處理利于改善小麥花后光合特性.相關(guān)分析表明，旗葉SPAD含量和凈光合速率分別與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(0.646**，0.533**)，與前人研究一致[34-35].說明在實際生產(chǎn)中，可以通過合理施氮提高旗葉光合特性以增大生育后期物質(zhì)合成能力，為提高產(chǎn)量奠定基礎(chǔ).

硝酸還原酶活性是氮代謝的關(guān)鍵酶，其活性大小直接影響氮素的吸收和同化，葉片中50%的可溶性蛋白是光合作用的關(guān)鍵酶，間接影響植株光合作用，二者含量高低與氮素含量有一定關(guān)系，提高硝酸還原酶活性和可溶性蛋白含量有利于代謝產(chǎn)物形成，最終提高產(chǎn)量[20,36].研究發(fā)現(xiàn)，隨著施氮水平的提高，硝酸還原酶保持較高活性，可溶性蛋白含量呈不同程度升高[13].本試驗中，施氮水平顯著影響硝酸還原酶活性和可溶性蛋白含量，開花期與花后第7天、14天，N4、N5處理對于提高硝酸還原酶活性有明顯的優(yōu)勢，但在灌漿中、后期優(yōu)勢消失，N3處理的硝酸還原酶和可溶性蛋白在整個灌漿期均維持較高水平.相關(guān)分析表明硝酸還原酶和可溶性蛋白含量分別與產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系(0.195，0.17)，進(jìn)一步證明可以通過施氮調(diào)節(jié)硝酸還原酶活性和可溶性蛋白含量間接提高作物產(chǎn)量.

合適的施氮水平可延長籽粒灌漿快增期時間，而最大灌漿速率的時間出現(xiàn)較晚，保證籽粒同化物的積累從而提高產(chǎn)量[1]，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)在一定的施氮范圍內(nèi)，籽粒千粒質(zhì)量隨施氮水平的提高表現(xiàn)出增長趨勢且在灌漿末期表現(xiàn)出顯著差異，同時提高最大灌漿速率和提前最大灌漿速率到達(dá)的時間[37-38].亦有研究發(fā)現(xiàn)隨施氮水平的提高，灌漿速率逐漸降低[39].本試驗中，灌漿期粒質(zhì)量隨施氮水平的提高先增加后降低，在灌漿末期，N3處理的千粒質(zhì)量顯著高于N1、N4、N5，這是因為N3處理的最大灌漿速率較高，快增期持續(xù)時間較長.研究表明，千粒質(zhì)量與灌漿持續(xù)天數(shù)、最大灌漿速率呈顯著相關(guān)[40]，本試驗相關(guān)分析表明千粒質(zhì)量與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說明可以通過調(diào)節(jié)施氮水平以改善灌漿參數(shù)從而保證籽粒千粒質(zhì)量積累，最終提高產(chǎn)量.

4 結(jié)論

在隴中旱農(nóng)區(qū)，施氮105 kg/hm2利于小麥花后旗葉維持較高SPAD值、凈光合速率、硝酸還原酶活性和可溶性蛋白含量；提高籽粒灌漿速率、延長快增期持續(xù)時間，增加了千粒質(zhì)量，從而獲得最高產(chǎn)量(2 550 kg/hm2).旗葉SPAD值、凈光合速率、硝酸還原酶活性、可溶性蛋白含量、籽粒主要灌漿參數(shù)與產(chǎn)量有一定程度的正相關(guān)關(guān)系，可作為氮素信息化管理的重要參數(shù).