地力水平和種植密度對冬小麥子粒產量和氮素利用率的影響

肖麗麗　代興龍　孔海波等

摘要 [目的]旨在探討不同地力水平下冬小麥子粒產量和氮素利用率對種植密度的響應并分析子粒產量和氮素利用率協同提高的途徑，為制定冬小麥高產高效栽培管理措施奠定理論基礎。[方法]試驗在高、低兩個地力條件下進行，以大穗型冬小麥品種泰農18為試驗材料，設置135萬、270萬和405萬株/hm2 3個種植密度，研究地力水平和種植密度對子粒產量及構成、氮素吸收效率、氮素利用效率和氮素利用率等相關指標的影響。[結果]高地力水平下子粒產量高于低地力水平，但氮素利用效率和氮素利用率均較低。各地力水平下，提高種植密度可顯著提高冬小麥穗數和子粒產量，提高成熟期地上部氮素積累量和氮素吸收效率，但氮素收獲指數和氮素利用效率隨種植密度上升呈下降趨勢，增密對子粒含氮量無顯著影響。各地力水平下增密后氮素吸收效率增加的幅度遠高于氮素利用效率降低的幅度，所以氮素利用率隨著種植密度的提高而呈上升趨勢。低地力水平下增密后子粒產量和氮素利用率提高的幅度均高于高地力地塊。[結論]在高、低地力水平下，增加種植密度均可提高子粒產量和氮素利用率，有利于實現冬小麥的高產高效栽培，且低地力水平下增密后子粒產量和氮素利用率的增幅高于高地力水平。

關鍵詞 地力水平；種植密度；冬小麥；產量；氮素利用率

中圖分類號 S512 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）08-02239-04

Effects of Fertility Level and Plant Density on Grain Yield and Nitrogen Use Efficiency of Winter Wheat

XIAO Lili， HE Mingrong et al

（National Key Laboratory of Crop Biology， College of Agronomy， Shandong Agricultural University， Taian， Shandong 271018）

Abstract [Objective] The objective of this study was to investigate the effects of fertility level and plant density on the grain yield and nitrogen use efficiency （NUE） of winter wheat. [Method] The cultivar Tainong 18 was used under low and high fertility levels in this study with plant densities of 1.35， 2.70 and 4.05 million/hm2. The responses of grain yield， N uptake efficiency （UPE）， N utilization efficiency （UTE） and NUE to fertility level and plant density were investigated. [Result] High fertility observed higher grain yield but lower UTE and NUE. Under both low and high fertility levels， increasing plant density significantly increased the grain yield through increasing spikes per unit area； increased the UPE mainly resulting from the increase in aboveground N uptake （AGN） but decreased the UTE due to the reduced N harvest index （NHI）. Plant density showed no effects on the grain N concentration. The increase in UPE offset and exceeded the reduction in UTE and a higher NUE was achieved consequently. The proportion of increased grain yield and NUE with plant density increasing with low fertility level was relatively higher than that with high fertility level. [Conclusion] Both grain yield and NUE was increased with the plant density increasing under low and high fertility levels. Furthermore， the yield and NUE responded better to plant density with low fertility than that with high fertility.

Key words Fertility level； Plant density； Winter wheat； Grain yield； Nitrogen use efficiency

氮素是影響冬小麥子粒產量和品質的重要營養元素[1-2]。雖然氮肥的施入有利于高產[3-5]，但同時也會降低氮素利用率[6-7]，造成氮素殘留和氧化亞氮排放，增加農業生產帶給環境的負面效應[8]。因此，協同提高冬小麥子粒產量和氮素利用率是小麥栽培的重要目的。種植密度是影響冬小麥子粒產量形成、資源吸收和利用的重要因子[9]，合理的種植密度是實現高產的重要措施[10-11]。雖然大量研究表明，增加種植密度可以提高氮素利用率[12-14]，但對于增加種植密度后氮素利用率提高的過程，即對于氮素的吸收和吸收后氮素的再利用卻鮮有報道，而且在不同地力水平下，冬小麥的產量和氮素利用均存在顯著差異[15]。因此，不同地力水平下子粒產量和氮素利用率對種植密度的響應情況還有待于進一步研究分析。為此，筆者在前人研究的基礎上，采用大穗型品種泰農18為研究對象，設置不同種植密度，探討了地力水平和種植密度對冬小麥子粒產量形成、地上部氮素積累、氮素吸收和再利用、氮素利用率的影響，以期實現不同地力水平下子粒產量和氮素利用率的協同提高并闡明其提升原因，以明確冬小麥高產高效栽培機制。

1 材料與方法

1.1 供試地基本情況

試驗于2012～2013年冬小麥生育季進行。低地力地塊設在山東農業大學農學試驗站（117°09E、36°09N），高地力地塊設在泰安市岱岳區大汶口鎮東武村試驗田（117°03E、35°58N）。兩地塊前茬作物均為玉米，常年秸稈還田，均屬于溫帶大陸性季風氣候區，氣候條件一致，年均氣溫13 ℃，≥10 ℃年均積溫4 213 ℃，太陽總輻射量為51.7萬J/cm2，年日照時數2 627 h，年無霜期195 d。低地力地塊土質為棕壤土，0～100 cm土層土壤供氮量（硝態氮和銨態氮）為78.47 kg/hm2；高地力地塊土質為壤土，0～100 cm土層土壤供氮量為195 kg/hm2。供試地基礎地力見表1。

1.2 試驗設計

該試驗在高、低兩地力地塊進行，試驗材料為大穗型品種泰農18，種植密度為135萬、270萬和405萬株/hm2（低地力地塊以L135、L270、L405表示，高地力地塊以H135、H270、H405表示）。各地塊均采用隨機試驗設計，3次重復，共計18個小區，小區面積為45 m2（30.0 m×1.5 m）。試驗于2012年10月8日播種。前茬玉米秸稈全部于播種前翻壓還田，播前施入基肥，包括純N 120 kg/hm2，P2O5 105 kg/hm2，K2O 150 kg/hm2，在拔節期（2013年4月7日）追施純N 120 kg/hm2。氮、磷、鉀肥分別為尿素（含N量為46%）、過磷酸鈣（含P2O5量為12%）和氯化鉀（含K2O量為60%）。其他管理措施與一般高產大田管理一致。高、低地力地塊分別于2013年6月9、13日收獲。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 子粒產量。

成熟期測產，在每個小區內選定具有代表性且長勢均勻一致的3 m2（2.0 m×1.5 m）區域，將所有的小麥穗收獲后脫粒，自然風干后進行考種、測產，并將產量調整為含水量為12%的子粒產量。

1.3.2 地上部氮素積累量。

成熟期在每個小區選取長勢均勻一致的區域隨機取30個單莖，分成莖鞘、葉片、穗軸（含穎殼）和子粒4個部分，105 ℃下殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，稱取干重。子粒用3100型試驗磨（瑞典Perten公司）磨制成粉，其他器官用FZ102型微型植物粉碎機（天津泰斯特儀器有限公司）粉碎，植株各部分樣品用濃硫酸和催化劑（CuSO4·5H2O∶K2SO4=1∶5）消煮，半微量凱氏定氮法測定各部分器官的氮含量，各部分器官干物質積累與氮含量乘積相加即地上部氮素積累量。

1.3.3 氮素利用各指標計算及其相關關系計算方法。

根據Moll等[16]的定義，氮素利用率是指單位供氮量所能生產的子粒干重產量，供氮量包括肥料氮和播前0～100 cm土層無機態氮積累量，計算公式為：

氮素利用率（NUE，kg/kg）=子粒干重產量/供氮量

氮素利用率可以表達為氮素吸收效率（UPE）和氮素利用效率（UTE）的乘積。氮素吸收效率是指成熟期冬小麥地上部氮素積累量（AGN）與供氮量的比值，主要反映作物對供給氮素的吸收能力，計算公式為：

氮素吸收效率（UPE，%）=成熟期地上部氮素積累量（AGN）/供氮量×100%

氮素利用效率是指單位地上部氮素積累量所能生產的子粒產量，主要反映作物利用已經吸收的氮素進行子粒生產的能力，計算公式為：

氮素利用效率（UTE，kg/kg）=子粒干重產量/地上部氮素積累量（AGN）

氮素利用效率與氮素收獲指數（NHI）呈正比，而與子粒含氮量（GNC）呈反比[17-18]。氮素收獲指數是指子粒氮素積累量占地上部氮素積累量的比例，計算公式為：

氮素收獲指數（NHI，%）=子粒干重產量×子粒含氮量（GNC）/地上部氮素積累量（AGN）×100%

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05軟件進行數據整理和統計分析，采用LSD法進行顯著性檢測，采用Microsoft Word 2007制表。

2 結果與分析

2.1 地力水平和種植密度對冬小麥子粒產量及產量構成因素的影響 由表2可知，地力水平對穗數、千粒重和子粒產量有顯著影響，種植密度對穗數、穗粒數、千粒重和子粒產量有顯著影響，但二者互作對子粒產量及其構成因素的影響不顯著。

2.2 地力水平和種植密度對氮素利用率的影響

2.2.1 氮素利用率及相關指標的相關性分析。由表4可知，地力水平對地上部氮素積累量、子粒含氮量、氮素利用效率和氮素利用率的影響顯著，種植密度對地上部氮素積累量、氮素吸收效率、氮素收獲指數、氮素利用效率和氮素利用率的影響顯著，但二者互作對氮素利用率及相關指標的影響不顯著。

2.2.2 對氮素吸收效率的影響。

由表5可知，同一種植密度條件下，低地力水平下地上部氮素積累量顯著低于高地力水平；同一地力水平下，地上部氮素積累量隨著種植密度的增加而增加且各個處理之間差異顯著，L405 比L135提高27.72%，H405比H135提高29.12%。因低地力地塊供氮量較低，所以高、低地力水平間氮素吸收效率無顯著差異；同一地力水平下，因土壤供氮量無差異，所以氮素吸收效率的變化趨勢與地上部氮素積累量變化趨勢相一致。

2.2.3 對氮素利用效率的影響。

由表5可知，135萬株/hm2種植密度條件下，低地力水平下氮素收獲指數顯著低于高地力水平，但其他種植密度處理在地力水平間無顯著差異；同一地力水平條件下，氮素收獲指數隨種植密度上升呈下降趨勢，L405比L135降低5.76%，H405比H135降低11.96%。同一種植密度條件下，低地力水平下子粒含氮量低于高地力水平且差異顯著；同一地力水平條件下，子粒含氮量在各種植密度間無顯著差異。同一種植密度條件下，低地力水平下氮素利用效率高于高地力水平且二者差異顯著；同一地力水平條件下，隨著種植密度的增加，氮素利用效率呈下降趨勢，L405比L135降低10.58%，H405比H135降低15.34%。

2.2.4 對氮素利用率的影響。

由表5可知，同一種植密度條件下，低地力水平下氮素利用率高于高地力水平且處理間差異顯著；同一地力水平下，因土壤供氮量無差異，隨著種植密度增加，氮素利用率的變化趨勢與子粒產量相一致。

2.3 產量和氮素利用率等指標相關性分析 由表6、7可知，相關分析表明，在各地力水平下，子粒產量和氮素利用率均與氮素吸收效率和地上部氮素積累量呈顯著正相關關系，而與氮素利用效率呈顯著負相關；氮素利用效率與氮素收獲指數呈顯著正相關，而與子粒含氮量呈顯著負相關。

3 結論與討論

小麥產量是由單位面積穗數、每穗粒數和子粒重構成的。在一定范圍內，產量隨著單位面積穗數的增加而提高[19]。KhannaChopra等認為，各產量構成因素間呈負相關關系[20]。因此，只有在三者相互協調的情況下，才能獲得高產。該試驗條件下，低地力地塊雖然穗粒數與高地力地塊無差異，但由于養分水平較低，其單位面積穗數和千粒重均較低，導致其產量低于高地力地塊。于振文認為，高密度導致小麥光合速率下降，子粒生長素率降低，從而導致粒重下降[21]。Fang等研究表明，隨著種植密度增加，單位面積穗數增加，穗粒數和千粒重降低[22]。前人研究認為，產量隨著種植密度的增加呈現線性增加[23]或二次拋物線關系[24]。該試驗研究表明，在高、低地力水平下，泰農18隨著種植密度增加單位面積穗數呈上升趨勢，而穗粒數和千粒重均呈下降趨勢，但其下降幅度遠低于單位面積穗數升高的幅度，最終產量提高，這與前人研究結果基本一致，也表明該試驗條件下增密后產量的提高主要是通過提高單位面積穗數來實現的。雖然兩地力水平下穗粒數、千粒重隨種植密度的提高降低幅度基本一致，但低地力水平下單位面積穗數增幅顯著高于高地力水平，所以低地力水平下的增產效應大于高地力水平。

氮素利用率是指單位面積的土壤供氮量和施氮量條件下所生產的子粒干重，綜合了作物對所供應的肥料氮和土壤氮素的吸收、作物利用已經吸收的氮素進行子粒生產的兩個過程，可以對不同栽培措施下冬小麥的氮素吸收能力和植株對所吸收氮素的再利用能力進行較好的評價[18]。該研究中，雖然高地力水平下產量較高，但由于供氮量（195+240 kg/hm2）遠高于低地力地塊（78.47+240 kg/hm2），所以氮素利用率顯著低于低地力地塊，這與Gaju等[25]的研究結果相一致。從氮素吸收和再利用角度分析，雖然低地力地塊地上部氮素積累量顯著低于高地力地塊，但由于供氮量較少，所以兩地塊的氮素吸收效率無顯著差異，表明該試驗條件下地力水平對冬小麥的氮素吸收能力無顯著影響；低地力水平下子粒含氮量顯著低于高地力水平，所以氮素利用效率均高于高地力水平，表明低地力水平下植株利用已經吸收的氮素進行子粒生產的能力高于高地力水平，這也是低肥力地塊氮素利用率較高的原因。

不同地力水平條件下，當種植密度從135萬株/hm2提高到405萬株/hm2時，地上部氮素積累量和氮素吸收效率顯著提高，表明在兩種地力水平下提高種植密度均有利于提高冬小麥對于所供應氮素的吸收能力，這與Arduini等[26]的研究結果一致；而增密后氮素收獲指數降低，導致氮素利用效率呈下降趨勢，表明高密度條件下冬小麥對于植株積累的氮素的再利用能力有所下降，但由于氮素吸收效率增加的幅度遠遠高于氮素利用效率降低的幅度，所以增密后氮素利用率得以提高。氮素利用率與氮素吸收效率、地上部氮素積累量的正相關關系以及氮素吸收效率和地上部氮素積累量之間的正相關關系表明，增加密度后氮素利用率的提高主要是通過促進氮素吸收、提高地上部氮素積累量、提高氮素吸收效率來實現的；而且氮素吸收效率和氮素利用率的正相關關系也與前人的研究結果相一致[27]。兩地塊增密條件下地上部氮素積累量和氮素吸收效率的增幅基本一致，但低地力地塊氮素利用效率降低的幅度顯著低于高地力地塊，這也是低地力地塊增密后氮素利用率提高幅度較大的原因。

綜上所述，低地力水平下雖然子粒產量較低，但因供氮量較少，所以其氮素利用效率和氮素利用率均高于高地力水平。不同地力水平下，增加種植密度可大幅提高單位面積穗數，從而顯著提高冬小麥子粒產量，并且有利于促進氮素吸收，提高冬小麥地上部氮素積累量和氮素吸收效率，雖然增密后氮素收獲指數和氮素利用效率呈下降趨勢，但氮素吸收效率的增幅可抵消并且遠高于氮素利用效率下降的幅度，從而在增密后提高氮素利用率。與高地力水平相比，低地力水平條件下，單位面積穗數增幅更明顯，所以增密后的增產效應高于高地力水平；雖然兩地力水平下地上部氮素積累量和氮素吸收效率增加幅度差異不大，但低地力水平下氮素利用效率降低的幅度顯著低于高地力水平，因此，低地力水平下增密后氮素利用率的增幅顯著高于高地力水平。由此可知，在不同地力水平下，增加種植密度可以顯著提高冬小麥子粒產量和氮素利用率，并且低地力水平下增密后子粒產量和氮素利用率的增加效應高于高地力水平。

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