黄淮海地区的小麦种植面积占全国的55.6%,是重要的小麦种植区域,目前生产上主要依靠水肥来提高产量,小麦生育期间吸收的氮素30%～57%来自于肥料[1],生产中为了追求更高的产量,大量投入氮肥并增加灌溉次数,导致氮素不能被吸收利用,通过径流、挥发等途径损失,造成水体污染、增加温室气体等一系列环境问题[2]。又因北方地区水资源匮乏[3,4],因此选用抗旱品种,减少灌溉次数和合理追施氮肥,对提高冬小麦水氮利用效率,稳定产量具有重要意义[5]。

水肥的合理施用会影响作物的生长,如史星雲等[6]研究发现,灌水量2700m3/hm2,施肥量N-P2O5-K2O=160-120-120kg/hm2处理能促进酿酒葡萄新梢生长和果实纵横径,同时能提高果实中还原性糖的含量。郭培武等[7]研究发现,W2在花后14,21,28d的旗叶净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均显著高于W1,且花后干物质向籽粒中的转运也是W2>W1。赵芳华等[8]对小麦1次和2次施用氮肥进行对比后发现,2次施氮处理下的净光合速率(Pn)和气孔导度(GS)均高于1次施氮处理,使中后期旗叶的叶绿素含量(Chl)和可溶蛋白含量(SP)升高,超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性增强。小麦产量的提高很大程度上依赖于施用氮肥[9],氮肥的适量施用才能提高产量,如郭培武等[10]研究发现,施氮300kg/hm2较225kg/hm2产量并没有增加,另有研究也表明,施氮150,300kg/hm2较225kg/hm2产量降低,施氮量超过240kg/hm2时,小麦产量随施氮量的增加而降低。

综上所述,在小麦和其他作物上,分别对于水肥设置不同处理有较多的研究,但有关水肥互作条件下对小麦植株形态、旗叶生理参数和产量差异的研究报道较少,因此,本研究以河北山前平原区主栽抗旱品种石农086为试验材料,研究春季灌1水和2水条件下,不同追肥量对小麦植株形态、旗叶生理参数的调控效应,以及不同水肥条件下产量的变化趋势,旨在为河北山前平原区和其他相关地区小麦春季合理灌水和追肥提供理论参考。

1、材料和方法

1.1试验田水分含量

本试验于2018-2019年在新乐市木村乡中同村进行大田试验,以2019年数据为主,试验地土壤为壤土,播种前不同深度土层的含水量和容重见表1。

表1不同深度土层的含水量和容重

1.2试验田养分含量

播种前0～20cm的土壤有机质和全氮含量分别为17.9,1.08g/kg,碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为93.9,23.6,86.6mg/kg,由此可以看出,土壤基础地力良好,能保证小麦正常生长。

1.3试验设计

本试验供试品种为抗旱品种石农086。试验设4个施氮水平,分别为150,225,300,375kg/hm2,用N1、N2、N3和N4来表示,施肥方式为基施加追施的方式,底肥的N、P2O5、K2O含量均为102kg/hm2,N1、N2、N3、N4春季分别追氮48,123,198,273kg/hm2(采用含氮量为46%的尿素),于拔节期一次施入;设置1水(拔节期追肥后浇水)和2水(开花期浇水)2种水分处理。二因素(氮、水)共8种处理,简称为:N1(1)-施纯氮150kg/hm2,浇1水;N2(1)-施纯氮225kg/hm2,浇1水;N3(1)-施纯氮300kg/hm2,浇1水;N4(1)-施纯氮375kg/hm2,浇1水;N1(2)-施纯氮150kg/hm2,浇2水;N2(2)-施纯氮225kg/hm2,浇2水;N3(2)-施纯氮300kg/hm2,浇2水;N4(2)-施纯氮375kg/hm2,浇2水。以N0(不施纯氮,不浇水)作为对照。试验设计采用随机区组设计,播种前浇底墒水,每次灌水量为600m3/hm2。

10月7日播种,基本苗为390万株/hm2,试验小区畦长为15m,宽为4.5m,11月29日浇灌冻水,不同处理间留1m保护行,防止水分相互渗漏,前茬作物为玉米,秸秆全部粉碎还田,其他管理同大田生产。

1.4测定项目及方法

1.4.1小麦农艺性状的测定

在开花后7,21,35d测定小麦的株高(地上部至顶端)、叶片数(可见绿叶数)、叶面积(长×宽×0.83)和穗数(可见穗数)。

1.4.2小麦旗叶叶绿素含量的测定

参照邹琦[11]的方法。称取0.1g叶片,用95%乙醇避光提取48h后分别在470,649,665nm波长下比色。

1.4.3小麦旗叶光合生理参数的测定

使用便携式光合仪(Li-6400)在晴天无云的上午9:30-11:00时测量小麦旗叶的净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)。

1.4.4小麦旗叶可溶性蛋白含量的测定

参照Read等[12]的方法测定。称取0.1g样品充分研磨,离心后吸取上清液1mL于试管中,加入5mL考马斯亮蓝G-250溶液,静置2min后于595nm处测定OD值。

1.4.5小麦旗叶可溶性糖和淀粉含量的测定

参照白宝璋等[13]的方法测定可溶性糖和淀粉的含量。称取小麦叶片0.5g,加85%乙醇5mL研磨后80℃水浴浸提10min,离心5min后25mL容量瓶定容,从25mL容量瓶中取2.5mL,80℃蒸干后620nm比色测定。

1.4.6小麦旗叶SOD酶活性测定

参照韩胜芳等[14]的方法测定。称0.5g于预冷的研钵中,研磨后于4℃10000r/min下离心10min,取4mLSOD反应液,加入50μL的酶提取液再加50μL核黄素,4000lx下进行光还原反应,15min后,终止反应,560nm波长下比色测定OD值。

1.4.7小麦旗叶POD酶活性测定

采用愈创木酚法测定[11]。取2.9mLPOD反应液+0.1mL酶液于小管中,充分混匀后,在34℃恒温水浴中反应3min,然后加20%三氯乙酸20μL,终止酶活性,已加入反应液3mL,20mmol/LKH2PO41mL作为调零管,在470nm波长下测其光密度。

1.4.8小麦产量构成因素及产量的测定

在成熟期测定小麦的穗粒数、穗粒质量、百粒质量、千粒质量、小区穗数和产量。

1.5数据分析

所有数据采用Excel2013整理,使用SPSS17.0和SAS9.4软件在α=0.05水平上进行方差分析及多重比较。

2、结果与分析

2.1不同水肥处理对小麦农艺性状的影响

从表2可以看出,株高从开花后随天数的增加而升高,且2水略高于1水,在开花后7d,各个处理的株高均大于N0处理,但只有N4(1)和N4(2)处理较N0处理显著升高5.21%和5.32%,在21d,除N1(1)处理较N0处理升高不显著外,其余处理都显著升高,在35d各个处理均显著高于N0处理;在开花后7d,各个处理的叶片数均高于N0处理,但差异都未达到显著水平,而在35d各个处理均显著高于N0处理,花后21d时,N1(1)、N1(2)、N3(2)和N4(2)处理较N0处理分别显著升高29.30%,36.33%,30.87%和39.22%,其余处理升高不显著。

叶面积在开花后7d时,除N4(2)外,各个处理较N0处理没有显著性差异,但在21d时,N1(1)、N2(1)、N2(2)、N3(2)和N4(2)处理较N0处理分别显著升高18.03%,19.87%,23.87%,22.19%和21.89%,其余处理差异均不显著,35d时,只有N2(2)和N3(2)处理较N0处理分别显著升高16.48%和20.59%,其余处理较N0处理都未达到显著水平;7,21,35d各个处理的麦穗个数均高于N0处理且呈现出2水略高于1水的趋势,在3个时期,只有21d的N2(2)处理较N0处理显著升高26.47%,其余处理较N0处理差异不显著,可以看出,水肥的增多可以促进小麦植株营养生长,但对于穗数影响不大,其主要是加速了灌浆速率。

2.2不同水肥处理对小麦干物质积累的影响

干物质积累受水肥的影响较大,从表3可以看出,1水和2水条件下,绿叶质量、茎秆质量和麦穗质量的各个处理均高于N0处理且呈现出2水大于1水的趋势。花后7d时,N4(1)和N4(2)处理的绿叶质量较N0处理分别显著升高26.92%和34.48%,其余处理升高不显著,21d时,只有N2(2)、N3(2)和N4(2)处理较N0处理显著升高23.26%,26.67%,38.89%,其余处理均未达到显著性差异,而在花后35d时,各个处理均显著高于N0处理。茎秆质量在花后7d,除N4(2)处理较N0处理显著升高38.27%外,其余处理的差异性均未达到显著水平,21d各个处理之间的差异性不显著,35d时除N2(1)、N1(2)、N2(2)和N3(2)处理较N0处理分别显著升高27.59%,25.88%,31.52%和28.81%之外,其余处理较N0处理差异不显著。

表2不同水肥处理对小麦株高、叶片数、叶面积和穗数的影响

麦穗质量在开花后7,21d只有N2(2)处理较N0处理显著升高24.00%和25.62%,其余处理差异不显著,在35d时,只有N2(1)、N1(2)、N2(2)和N3(2)处理较N0处理分别显著升高21.43%,23.72%,25.62%和23.72%,可以看出,在3个时期,N2(2)处理均显著升高。这表明,高氮多水不利于小麦穗质量的积累,2水条件下225kg/hm2对麦穗质量的积累起到了积极的作用。

表3不同水肥处理对小麦绿叶质量、茎秆质量和穗质量的影响

2.3不同水肥处理对小麦旗叶叶绿素含量的影响

从表4可以看出,不同水肥处理有利于小麦旗叶叶绿素的增加,叶绿素含量呈现出N4>N3>N2>N1>N0的变化趋势。花后7,21d的叶绿素含量较高,35d时降低,花后7d2水条件下各个处理的叶绿素含量较N0处理升高较多,21d各个处理的叶绿素含量较7d时稍有升高,但较N0处理差异均不显著,而在35d时,除N1(1)、N2(1)和N1(2)处理的叶绿素含量较N0处理差异不显著外,其余处理较N0处理均显著升高。3个时期各个处理的叶绿素a/b较N0处理升高,表现出与叶绿素相似的变化趋势,7,35d时,各处理之间差异不显著,21d时除N3(2)和N4(2)处理较N0处理显著升高19.34%和20.79%外,其余处理之间差异不显著。

2.4不同水肥处理对小麦旗叶可溶性蛋白和可溶性糖含量的影响

不同水肥处理下,小麦旗叶的可溶性蛋白和可溶性糖的变化趋势不同(图1),可溶性蛋白含量在花后7,21d变化相差不大,在花后35d迅速降低,可溶性糖含量却随着生育进程的推进而呈现逐渐升高的趋势。花后7d,可溶性蛋白在2水条件下的各个处理较N0处理均显著升高,而1水条件下升高不显著,21d时,只有N4(1)、N3(2)和N4(2)处理较N0处理显著升高16.57%,16.37%和17.21%,其余处理升高幅度未达到显著水平,35d时,各个处理均显著高于N0处理,可见高氮多水有利于小麦旗叶可溶性蛋白的积累(图1-A)。可溶性糖含量在开花后7d时,除N1(1)处理较N0处理升高不显著外,其余处理均显著升高,而在21d时,只有N4(1)处理较N0处理显著升高26.39%,其余处理的差异性不显著,35d时,除N4(1)和N4(2)处理较N0处理显著升高15.81%和18.10%外,其余处理升高幅度未达到显著水平(图1-B)。从以上可以看出,生长后期叶片需要积累较多的碳水化合物以保证籽粒正常发育。

表4不同水肥处理对小麦旗叶叶绿素含量和叶绿素a/b的影响

图1不同水肥处理对小麦旗叶可溶性蛋白和可溶性糖含量的影响

每个柱子上不同小写字母表示经新复极差法检验在0.05水平上差异显著。图2-3同。

2.5不同水肥处理对小麦旗叶光合参数的影响

小麦旗叶的净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)随着生育进程的推进而逐渐降低(图2)。净光合速率(Pn)在花后7d,除N4(2)处理较N0处理显著升高13.89%外,其余处理差异不显著,而花后21d,各个处理较N0处理均显著升高,花后35d,只有N1(1)和N2(1)处理较N0处理升高不显著,其余处理均显著升高,且在3个测定时期,呈现出2水大于1水的趋势(图2-A)。气孔导度(Gs)在花后7,35d时,1水条件下的各个处理较N0处理均显著升高,而2水条件下有所不同,前一个时期的N3(2)和N4(2)处理较N0处理分别显著升高24.87%和31.00%,其余2个处理升高不显著,而后1个时期各个处理较N0处理升高均不显著,且这2个时期2水低于1水;花后21d,只有N4(1)、N3(2)和N4(2)处理较N0处理显著升高24.20%,25.28%和29.01%,其余处理升高不显著,且这一时期2水略高于1水(图2-B)。说明春季适量追氮灌水有助于改善小麦旗叶的光合碳同化能力和气孔导度,提高籽粒饱满度和产量。

图2不同水肥处理对小麦旗叶Pn和Gs的影响

2.6不同水肥处理对小麦旗叶保护酶活性的影响

不同水肥条件下,SOD和POD酶活性(以鲜质量计)随着生育进程的推进,旗叶细胞清除活性氧的能力降低,细胞膜脂过氧化程度增大,导致叶片衰老(图3)。在1水和2水条件下,SOD和POD酶活性总体呈现出N4>N3>N2>N1>N0,且2水较1水条件下酶活性升高的趋势,但SOD和POD酶活性在不同时期表现稍有差异。花后7d,N3(2)和N4(2)处理的SOD酶活性较N0处理分别显著升高46.68%和53.43%,其余处理升高不显著,而在花后21,35d,各个处理均显著高于N0处理(图3-A)。POD酶活性在花后7d,1水条件下各个处理的酶活性较N0处理升高不显著,但2水条件下均显著升高,花后21d时,只有N3(2)和N4(2)处理较N0处理显著升高27.70%和29.78%外,其余处理升高不显著,而在花后35d时,各个处理的酶活性较N0处理均显著升高且2水高于1水(图3-B)。说明高氮多水具有保持SOD和POD酶活性并延缓小麦上位叶片衰老的作用。

图3不同水肥处理对小麦旗叶SOD和POD酶活性的影响

2.7不同水肥处理对小麦产量的影响

从表5可以看出,不同水肥处理对穗粒数的影响不显著,但对穗粒质量、百粒质量、千粒质量、小区穗数和小区产量均有显著影响,1水和2水条件下均表现为N2>N3>N4>N0且2水高于1水,N1处理表现不定。各个处理的百粒质量和千粒质量较N0处理均显著升高,1水和2水条件下均表现出N2处理的升高幅度最大,百粒质量较N0处理分别显著升高11.67%和12.58%,千粒质量较N0处理分别显著升高11.59%和12.48%。1水和2水条件下,穗粒质量、小区穗数和小区产量除N1处理较N0处理升高不显著外,其余处理均显著升高,其中,N2(2)处理的升高幅度最大,分别为25.56%,21.50%和18.79%。可以看出,不同施氮量条件下,N2的产量较高且2水大于1水,施氮量高于N2后,产量逐渐下降,说明N2是最佳的施肥量。

3、讨论与结论

氮素对叶绿素的合成至关重要,进而影响光合作用,如在2种水分处理下,随着施氮量的增加,小麦旗叶的叶绿素含量、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)不断升高,产量也会增加,产量的增加是通过穗数和穗粒数的增加来实现的[15]。杨晴等[16]研究也发现,施氮量增加可以提高小麦旗叶的叶绿素含量,延长绿叶面积持续期。孙旭生等[17]研究发现,随着施氮量增加,小麦的净光合速率(Pn)增强,但是施氮量达到375kg/hm2时,叶面积指数降低,Pn也迅速下降。另有研究也发现,随施氮量的增加,小麦旗叶的叶绿素(Chl)和可溶性蛋白质(Pro)含量都增加[16]。本研究发现,随着施氮量增加,小麦旗叶的叶绿素含量,净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)逐渐升高,叶绿素含量和净光合速率(Pn)在2水条件下的升高程度更为明显,但气孔导度(Gs)有所差异,花后7,35d,2水低于1水,而花后21d,2水略高于1水;可溶性糖和可溶性蛋白也表现出相似的趋势,但不同时期在1水和2水条件下的变化规律不太明显,这与前人研究趋势相一致,说明小麦生殖生长时期,适量追肥可以改善上位叶片的碳素同化能力,也可以使后期叶片的氮素营养得到改善,给籽粒提供较多养分,开花期2水可以加速灌浆速率,所以2水产量大于1水,至于在不同时期表现出不一致的现象,有待进一步深入研究。

表5不同水肥处理对小麦产量构成因素及产量的影响

SOD和POD是植物2个重要的保护酶类,在植物体内具有清除氧自由基的作用。施氮量会影响保护酶的活性,如刘志鹏等[18]研究发现,随着灌水次数和施氮量的增加,可以使保麦10和石麦222个小麦品种旗叶的叶绿素和可溶性蛋白含量增加,SOD和CAT活性增强,并减少MDA含量的积累;杨晴等[16]研究也指出,在施氮75～375kg/hm2过程中,随着施氮量增加,SOD和POD酶活性增强,本研究表明在灌1水和2水条件下,SOD和POD酶活性呈现出N4>N3>N2>N1>N0的趋势且2水高于1水,但SOD和POD酶活性在不同时期表现稍有差异,说明水氮量大,酶活性越强,这可能与旗叶后期的碳同化能力有关,POD酶活性较SOD对于活性氧的清除起到了更为重要的作用。

不同水肥处理与小麦产量密切相关。Wang等[19]研究指出,小麦在拔节期和孕穗期灌水,施氮240kg/hm2时的产量最高,较180,300kg/hm2处理产量分别显著升高9.4%和16.2%,付雪丽等[20]发现小麦灌2水,施氮270kg/hm2时,可获得最高产量,而Lu等[21]的研究却发现,施氮160,300kg/hm2处理下的小麦产量并无差异。本研究发现,在灌1和2水条件下,施氮量0～225kg/hm2时,产量随着施氮量的增加而增加,且2水高于1水,而施氮量高于225kg/hm2时,产量逐渐下降,与前人研究趋势稍有差别,可能是灌水量和灌水时期不同造成的,但总体趋势一致,这说明随着施氮量的逐渐增加,氮肥的利用效率降低,造成氮素不能被吸收利用,影响了灌浆速率,从而导致产量降低。

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基金:“十三五”国家重点研发计划项目课题三(2018YFD0300503).