測墑補灌條件下施氮量對小麥葉綠素熒光特性及產量的影響

王昌秀，吳復學，石 玉，趙俊曄,于振文

(1.山東農業大學農業部作物生理生態與耕作重點實驗室,山東泰安 271018; 2.山東省鄄城縣農業技術推廣站, 山東鄄城 274700; 3.中國農業科學院農業信息研究所,北京 100081)

測墑補灌條件下施氮量對小麥葉綠素熒光特性及產量的影響

王昌秀1，吳復學2，石 玉1，趙俊曄3,于振文1

(1.山東農業大學農業部作物生理生態與耕作重點實驗室,山東泰安 271018; 2.山東省鄄城縣農業技術推廣站, 山東鄄城 274700; 3.中國農業科學院農業信息研究所,北京 100081)

為探討黃淮冬麥區小麥測墑補灌條件下氮肥的適宜施用量，在田間測墑補灌條件下，以小麥品種濟麥22為試驗材料，設置每公頃0 kg(N0)、150 kg(N1)、210 kg(N2)和270 kg(N3)4個施氮量處理，研究測墑補灌條件下施氮水平對小麥開花后葉綠素熒光特性和產量的影響。結果表明,花后7、14、21 d，N2、N3處理的小麥最大光化學效率(Fv/Fm)均高于N1和N0處理；花后28、35 d，N2處理高于N3處理。花后7、14、21、28、35 d，N2處理的實際光化學效率(ΦPS II)顯著高于其他處理；花后28、35 d，N2處理的葉綠素相對含量顯著高于N3和N1處理。灌漿前期，籽粒灌漿速率在N2和N3處理間無顯著差異，但均高于N1和N0處理；灌漿中后期N2處理的灌漿速率最高。N2處理的籽粒產量和氮肥農學效率均最高，與N3、N1和N0處理相比，N2處理分別增產6.29%、13.15%和25.79%。綜合考慮籽粒產量、氮肥農學效率和熒光特性，在本試驗條件下210 kg·hm-2施氮量的效果最佳。

小麥；施氮量；葉綠素熒光特性；籽粒產量；氮肥農學效率

黃淮海冬麥區是我國重要的小麥生產基地，常年小麥播種面積8.7×103km2，占全國小麥播種總面積的55.5%，小麥總產量占全國的61.6%[1]。施用化學肥料，特別是氮肥，是保證小麥高產穩產的一項重要農藝措施[2]。有研究認為，化肥對我國作物產量的貢獻率為35%～45%[3]。但是，由于受“施肥越多，產量越高”觀念的影響[4]，黃淮海冬麥區普遍存在過量和不合理施肥現象。據統計，我國化肥使用量從1980年的1 269.4萬噸上升到2010年的5 561.7萬噸[5]。不合理施用化肥會造成土壤養分不平衡、肥料資源大量浪費以及農產品產量和品質下降。研究表明，適當增施氮肥能夠提高小麥旗葉的葉綠素含量，使光系統Ⅱ(PSⅡ)的潛在最大光化學量子效率(Fv/Fm)增加6.19%～8.30%,有利于小麥灌漿期間PSⅡ反應中心維持較高的開放程度，進而提高光合速率[6]。合理的氮肥施用能夠提高小麥產量和氮肥農學效率。在0～460 kg·hm-2施氮量范圍內，每公頃施純氮230 kg時小麥產量最高，達到8 700 kg·hm-2[7]。Kenarsari等[8]指出，施氮量與產量構成三要素緊密相關，施純氮350 kg·hm-2下粒重比施氮250 kg·hm-2處理高8.68%。隨施氮量的增加，高氮比低氮處理的氮肥農學效率降低40.72%，氮肥利用效率降低28.66 kg·kg-1，過量施氮導致氮肥農學效率下降[9]。前人就施氮效應的研究多是在傳統灌溉條件下進行的，而有關測墑補灌等節水栽培條件下小麥的施氮效應鮮見報道。本試驗在測墑補灌條件下，研究了不同施氮量對冬小麥花后葉綠素熒光特性及產量的影響，以期為小麥節水節氮高產優質栽培體系提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015-2016年小麥生長季在山東農業大學實驗農場進行(117°9′E，36°9′N)。該區屬暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候區，小麥播種至越冬前、越冬前至返青期、返青至拔節期、拔節至開花期、開花至成熟期的降水量分別為95.7、42.3、0、6.9和39.8 mm。試驗地為壤土，播種前0～20 cm土層土壤含有機質12.5 g·kg-1、全氮1.2 g·kg-1、堿解氮110.81 mg·kg-1、速效磷47.44 mg·kg-1和速效鉀132.42 mg·kg-1，0～20 cm和20～40 cm土層土壤容重分別為1.42 g·cm-3和1.58 g·cm-3，田間持水量分別為32.31%和24.81%。

1.2 試驗設計

本試驗供試小麥品種為濟麥22。設置每公頃0 kg(N0)、150 kg(N1)、210 kg(N2)和270 kg(N3)4個施氮處理。采用測墑補灌方法確定灌水量，于小麥拔節期和開花期0～40 cm土層分別補灌至目標土壤相對含水量70%和65%。灌水量由公式m=10ρbH(βi-βj)計算得出[10]。式中H為該時段土壤計劃濕潤層的深度，本試驗中為40 cm；ρb為計劃濕潤層內土壤容重；βi為目標含水量，即田間持水量乘以目標相對含水量；βj為自然含水量，即灌溉前土壤含水量。用水表計灌水量，灌溉方式采用微噴帶噴灌。

小區面積為80 m2(2 m×40 m)，隨機區組排列，3次重復，小區之間留0.5 m保護行。小麥播種前，前茬玉米的秸稈全部粉碎翻壓還田。底施氮肥總量的50%、P2O5150 kg·hm-2和K2O 112.5 kg·hm-2，拔節期追施剩余的50%氮肥。所施肥料分別為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和硫酸鉀(含K2O 51%)。3葉1心期定苗，留苗密度為180株·m-2，其他管理措施同一般高產田。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 旗葉葉綠素熒光參數的測定

于小麥開花后0、7、14、21、28和35 d，采用英國Hansatech公司生產的FMS-2型熒光儀，在自然光照下測定旗葉光適應下實際光化學效率(ΦPS II)以及暗適應下的初始熒光值(F0)和最大熒光值(Fm)。PSⅡ潛在最大光化學量子效率(Fv/Fm)計算公式[11]為Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm。

1.3.2 旗葉葉綠素相對含量的測定

于小麥開花期及花后7、14、21、28和35 d上午9:00-11:00，采用美國CCM-200型葉綠素儀，每處理選取10片生長一致的旗葉測定葉綠素相對含量。

1.3.3 籽粒灌漿速率的測定

在小麥初花期，每小區選取同日開花且長勢、長相、麥穗大小基本一致、無病蟲害的單莖80個掛牌標記，于開花后7 d開始取樣，以后每7 d取樣1次，直到小麥成熟。每小區每次取10個穂，帶回室內，立即在105 ℃烘箱內殺青15 min，然后恒溫70 ℃烘干至恒重，每穂剝出全部籽粒，稱重，計算粒重和灌漿速率。

1.3.4 成熟期籽粒產量及氮肥農學效率的測定

成熟期在測產小區內數1 m2的小麥有效穂數；每小區隨機取30個穂，數穗粒數；在小麥收獲后取籽粒樣品，數1 000粒稱重。于小麥成熟期按小區收獲后脫粒，待籽粒自然風干后測產，籽粒含水量為12.5%。所有測定項目每處理3次重復。

氮肥農學效率=(施氮區小麥產量-空白區小麥產量)/施氮量[12]

1.4 數據處理

采用SPSS 13.0統計分析軟件對數據進行方差分析(LSD法)。用Microsoft Excel 2003和SigmaPlot 12.5軟件計算數據和繪圖。

2 結果與分析

2.1 施氮對小麥旗葉葉綠素熒光特性的影響

在小麥開花期，N2、N3和N1處理間Fv/Fm無顯著差異，但均顯著高于N0處理；花后7、14、21 d，Fv/Fm表現為N2、N3>N1>N0，N2和N3處理間無顯著差異；花后28、35 d，N2處理的Fv/Fm顯著高于其他處理(表1)。

N0處理下小麥旗葉實際光化學效率(ΦPS II)顯著低于其他施氮處理(表2)。開花0 d，N2、N3旗葉ΦPS II顯著高于N1和N0處理，N2和N3處理間無顯著差異。花后7、14、21、28、35 d，旗葉ΦPS II表現為N2>N3>N1>N0。表明，適量施氮有利于促進小麥中光能向化學能的轉化，施氮量增加至N3，小麥的實際光化學效率降低。

以上結果表明，測墑補灌條件下，合理施氮能促進PSⅡ的光化學反應，過多或過少施氮均不能獲得較高的光化學效率；在本試驗條件施氮210 kg·hm-2最有利于PSⅡ的光化學反應。

表1 不同處理下小麥開花后旗葉的最大光化學效率(Fv/Fm)Table 1 Maximum photochemical efficiency (Fv/Fm) of wheat flag leaf after anthesis under different treatments

同列數值后不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下表同。

Different lower-case letters after the values in a column indicate significant differences among different treatments at 0.05 level.The same in the other tables.

表2 不同處理下小麥開花后旗葉的實際光化學效率(ΦPS II)Table 2 Actual photochemical efficiency (ΦPS II) of wheat flag leaf after anthesis under different treatments

2.2 施氮對小麥旗葉葉綠素相對含量的影響

由表3可知，開花后0 d，不同處理間小麥旗葉葉綠素相對含量無顯著差異。花后7、14、21 d，旗葉葉綠素相對含量在N2和N3處理間無顯著差異，但二處理顯著高于N1和N0處理。花后28、35 d，N2處理顯著高于其他處理。這表明，N2處理旗葉在開花后能夠較長時間保持較高的葉綠素含量，有利于小麥生育后期葉片光合作用。

2.3 施氮對小麥籽粒灌漿速率的影響

從花后7 d至35 d，小麥籽粒灌漿速率呈拋物線變化，在花后21 d達到最大(圖1)。在開花后各時期，隨施氮量的增加，小麥籽粒灌漿速率均呈先增后減趨勢，其中N2處理灌漿速率最大，說明過多或過少施氮均不利于小麥籽粒灌漿。

表3 不同處理下小麥開花后旗葉的葉綠素相對含量Table 3 Relative chlorophyll content of wheat flag leaf after anthesis under different treatments

圖柱上不同字母表示同一時間不同處理間差異顯著(P<0.05)。

2.4 施氮對小麥產量及氮肥農學效率的影響

不同施氮處理對產量及其構成因素的影響有所不同(表4)。N3、N2處理的穂數顯著高于N1和N0處理；不同處理間穗粒數無顯著差異；千粒重表現為N2>N3、N1>N0，N3和N1處理間無顯著差異。N2處理的產量較N3、N1和N0分別高6.29%、13.15%和25.79%。氮肥農學效率以N2處理最高，N3處理的氮肥農學效率較N2處理降低44.65%。這表明施氮量為210 kg·hm-2的N2處理最有利于小麥高產及氮肥高效利用。

3 討 論

氮是葉綠素重要的組成部分，葉片氮素含量多的植物通常具有較高的葉綠素含量[13]。研究表明，施氮90～270 kg·hm-2處理下小麥葉綠素含量比不施氮處理高21.8%～48.08%[14]。ΦPS II代表PSⅡ非環式電子傳遞效率或光能捕獲的效率。合理施氮可使燕麥的最大光化學效率(Fv/Fm)提高11.1%[15]。在0～240 kg·hm-2施氮量范圍內，小麥Fv/Fm隨施氮量的增加而增加，施氮處理的ΦPS II較不施氮提高1.6%～86.7%[16]。小麥品種西農979的高氮處理ΦPS II比中氮處理降低6.2%，Fv/Fm無顯著差異[17]，說明過量施用氮素不利于小麥實際光化學效率的提高。本試驗中，灌漿前期N2和N3處理的葉綠素相對含量和Fv/Fm均維持較高水平，ΦPS II以N2處理最高。灌漿后期，N2處理的葉綠素相對含量、Fv/Fm和ΦPS II均顯著高于N3處理，也表明適量施氮有利于提高灌漿后期葉綠素含量、最大光化學效率和實際光化學效率，延長葉片功能期，促進光合作用。

表4 不同處理下小麥的籽粒產量和氮肥生產效率Table 4 Grain yield and nitrogen fertilizer production efficiency of different treatments

有研究表明，施氮180 kg·hm-2處理的小麥灌漿速率比施氮120 kg·hm-2處理高16.8%，比施氮240 kg·hm-2處理增加9.10%[18]。適量施用氮肥能夠提高小麥籽粒最大灌漿速率，增加冬小麥灌漿中后期的灌漿速率，在當地的地力水平下，最佳施氮量在180～240 kg·hm-2之間[19]。但也有研究指出，內麥836施氮量在180 kg·hm-2、川麥104在225 kg·hm-2處理時灌漿速率會大幅下降，千粒重隨之降低，進一步影響產量[20]。在本試驗中，灌漿前期，N2和N3處理間籽粒灌漿速率無顯著差異。灌漿中后期N2處理灌漿速率最高，繼續增加氮肥，灌漿速率反而下降。這都表明，合理施氮才有利于提高冬小麥中后期的灌漿速率，促進更多同化物向籽粒輸送，進而提高產量，過量和過少施用氮肥均不利于籽粒灌漿。

前人研究認為，在限水條件下，隨施氮量的增加，施氮300 kg·hm-2處理下小麥籽粒產量達到最高[21]。這主要因為施氮影響產量構成三要素。但具體的增產原因在不同研究中存在差異。如Sugr等[22]認為，高氮處理增產主要歸因于小麥穂數的提高。Abedi等[23]研究表明，高氮處理比低氮的增產是穂數、穗粒數和千粒重共同提高的結果。Wang等[24]研究認為，0～300 kg·hm-2施氮水平下，221 kg·hm-2的施氮處理的小麥產量和氮肥農學效益均達到最高。本試驗中，N2處理的穂數與N3處理無顯著差異，N2處理的千粒重比N3處理高5.09%。N2處理的小麥產量和氮肥農學效率均最高。這與前人研究基本一致。

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EffectofNitrogenApplicationRateonChlorophyllFluorescenceCharacteristicsandYieldinWheatunderSupplementalIrrigationBasedonMeasuringSoilMoisture

WANGChangxiu1,WUFuxue2,SHIYu1,ZHAOJunye3,YUZhenwen1
(1.Ministry of Agriculture Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System,Shandong Agricultural University,Tai'an,Shandong 271018,China; 2.Agricultural Technology Extension Station of Juancheng County,Juancheng,Shandong 274700,China; 3.Agricultural Information Institute,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China)

In order to provide theoretical basis for rational application of nitrogen fertilizer under the water-saving cultivation conditions of winter wheat in Huang Huai area,using wheat Jimai 22 as the test material,four nitrogen treatments were set at 0 (N0),150 (N1),210 (N2) and 270 (N3) kg·hm-2levels under supplemental irrigation based on measuring soil moisture to study the effects of nitrogen application levels on the yield and chlorophyll fluorescence characteristics of wheat after flowering in the field. The results showed that: at 7,14,and 21days after anthesis of wheat,the maximal photochemical efficiency (Fv/Fm) in flag leaves of N2 and N3 were significantly higher than that of N1 and N0; at 28,and 35 days after anthesis,the maximal photochemical efficiency of N2 was higher than that of N3; at 7,14,21,28,and 35 days after anthesis,the actual photochemical efficiency (ΦPS II) of N2 was significantly higher than that of other treatments; the relative chlorophyll content of N2 was significantly higher than that of N3 and N1 at 28,and 35 days after anthesis. At the early grain filling stage,the grain filling rate of N2 and N3 were higher than that of N1 and N0,and no significant difference was found between N2 and N3. The grain filling rate of N2 was the highest at the middle and late grain filling stage. The grain yield and nitrogen fertilizer agronomic efficiency of N2 were the highest. Compared with N3,N1 and N0 treatments,the yield of N2 was improved by 6.29%,13.15% and 25.79%,respectively.Considering the grain yield,nitrogen fertilizer agronomic efficiency and fluorescence characteristics,N2 of 210 kg·hm-2nitrogen level was the best treatment under the experimental conditions.

Wheat; Nitrogen fertilizer; Chlorophyll fluorescence characteristics; Grain yield; Nitrogen fertilizer agronomic efficiency

時間：2017-08-08

網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170808.0911.012.html

2017-02-18

2017-03-25

農業部現代小麥產業技術體系項目(CARS-3-1-19)；國家自然科學基金項目(31401334，31601243)

E-mail：wangchangxiu03@163.com

于振文(E-mail:yuzw@sdau.edu.cn)

S512.1；S311

： A

：1009-1041(2017)08-1072-06