種植方式與施氮量對小麥光合特性及產量的影響

毛祥敏， 鐘雯雯， 王興亞， 陳雨海， 周勛波

(1.廣西大學農學院，廣西南寧 530004； 2.山東農業大學農學院，山東泰安 271018)

小麥(TriticumaestivumL.)是我國三大糧食作物之一，產量及種植面積僅次于玉米和水稻。小麥種植地區主要集中在華北平原與黃淮海平原，氮素是蛋白質的組成元素，籽粒的重要組成成分，與作物的生命活動有密切關系，是農業生產中必不可缺的養分限制因子。因此過去幾十年中為提高小麥產量，農業生產中不斷大量施用氮肥。但有研究表明，在高施氮量下，葉片光合速率下降，并且隨著農業生產中大量施用氮肥，直接導致化肥損失大、土壤等污染嚴重，農業生態環境進入惡性循環[1]。近年來，小麥增產機理研究越來越深入，小麥產量逐年提高，除了小麥品種自身的改良外，生產上栽培措施對小麥產量提高也具有顯著作用。種植方式是作物與作物之間在時間、空間和平面上的組合方式，能夠影響作物群體內個體發展及其資源分布狀況。溝播、擴大行距等多種種植方式以及不同密度、播期的栽培措施已廣泛應用于農業生產中[2-5]，而且不同栽培方式還能影響作物的灌溉量、施肥方式等田間管理，進而提高氮肥利用率，改善周邊生態環境[6]。因此，在節肥增產的農業生產背景下，采用種植方式優化施氮量對保護農業生態環境具有重要指導意義。

隨著對農業生態環境的不斷重視，調整施氮量、施氮時期及施氮方式以穩產高產成為研究的重點。追肥氮的利用率顯著高于底肥氮利用率[7]；種植方式結合氮量調整達到穩產也有重要結論，覆草栽培模式結合120 kg/hm2施氮量時，能夠維持光合性能并能穩產[8]；秸稈覆蓋的氮肥利用率明顯高于傳統耕作模式，顯著增加了籽粒產量。中國北部冬小麥種植區降水集中在7—8月份，冬小麥生育期內降水較少形成半干旱地區，如何在虧缺灌溉條件下，結合種植方式和施氮量以達到節水節肥的目的尚未深入研究。20 cm+40 cm溝播具有集水集肥的作用，虧缺灌溉條件下，結合溝播優化施氮量，旨在通過不同種植方式對光合生理特性及產量的影響以獲得水分虧缺下節肥、穩產的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗于2013—2014年在山東農業大學農學試驗站水分池內進行(36°10′N，117°09′E)，該地區位于黃淮海平原，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，雨熱同季。年平均氣溫為12.9 ℃，以7月份最高，平均為26.4 ℃，1月份最低，平均為-2.6 ℃。多年平均降水量為697 mm，年內降水分布很不平衡，冬小麥生育期間的降水量約為200 mm(圖1)。土壤類型為壤土，土壤耕層(0～20 cm)有機質含量為18.9 g/kg，硝態氮含量15.8 mg/kg，銨態氮含量6.75 mg/kg，速效磷含量40.6 mg/kg，速效鉀含量124.5 mg/kg，pH值6.9。水分池面積為3 m×3 m，池壁高出地面20 mm，壁厚15 cm，地下 1.5 m，四周用水泥抹面，以防水分側漏。

1.2 試驗設計與田間管理

本試驗于山東農業大學農學試驗站水分池內進行，供試品種為濟麥22，于2013年10月10日按2×106株/hm2進行人工點播。2因素隨機區組設計，種植方式分別為30 cm等行距種植方式(U)和20 cm+40 cm溝播種植方式(F)(圖2)。整個生育期純氮用量分別為0(N0)、112.5 kg/hm2(N1)、225.0 kg/hm2(N2)，做3次重復。小麥生育時期內施磷肥(P2O5)120 kg/hm2，鉀肥(K2O)105 kg/hm2，均作底肥一次性施入。所施氮肥為尿素，分2次等量施用，1次做底肥，1次拔節期追肥。等行距處理氮肥采用普通撒施方法，溝播處理將氮肥集中施入溝內。冬小麥生育期間灌溉3次，拔節水、抽穗水和灌漿水各為50 mm。采用水表精確灌溉(表1)。

表1 2013—2014年冬小麥種植方式與施氮量試驗處理設計

1.3 測定項目與方法

1.3.1 葉面積指數(LAI)的測定 在冬小麥主要生育時期內，每次連續取15個有代表性的冬小麥單莖，采用長×寬×0.83法測定葉面積。將樣本置于烘箱內105 ℃下進行殺青30 min，然后調至80 ℃烘干至恒質量。

1.3.2 旗葉光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)及葉綠素SPAD的測定 采用LI-6400便攜式光合作用測定系統，在冬小麥挑旗、抽穗、灌漿、成熟期選擇晴朗的天氣進行測定。旗葉葉綠素含量指數(CCI)用美國CCM-200葉綠素儀測定。測定時期同光合速率一致。

1.3.3 群體光合有效輻射截獲率的測定 采用冠層分析儀在冬小麥主要生育時期選擇晴朗的天氣，在行間距地面0 cm和冠層分別測定PAR的入射量和反射量。

冠層總截獲率=(冠層入射量-冠層反射量-底層入射量+底層反射量)/冠層入射量×100%。

1.3.4 產量的測定 每個小區取1 m2進行生物總量及籽粒產量的測定。

1.4 數據處理與分析方法

數據計算、處理與圖表制作用Sigmplot 10.0，統計分析和方差顯著性檢驗用DPSv 7.05版數據系統處理(LSD法)。

2 結果與分析

2.1 種植方式與施氮量對冬小麥葉面積指數(LAI)的影響

從圖3可以看出，冬小麥生育期內LAI呈現先上升后下降的變化趨勢。相同氮量處理下，F處理的LAI較U處理分別高12.03%(N0)、10.03%(N1)、11.23%(N2)，差異顯著(P<0.05)，說明溝播能夠明顯提高LAI。相同種植方式下，N2的LAI平均值比N1高出8.7%(U)、9.9%(F)，比N0高出43.78%(U)、42.7%(F)。隨著施氮量的升高，LAI增長幅度明顯減小。表明F種植方式能有效提高光合面積；施氮量的升高也利于提高光合面積。

2.2 種植方式和施氮量對冬小麥光合速率(Pn)的影響

從圖4可以看出，在冬小麥生育時期內，旗葉的Pn呈先上升后下降的趨勢，在抽穗-開花期達到最高值。在整個生育時期內，F處理的Pn始終要高于U處理。在N1水平下，灌漿后期與成熟期F處理的Pn顯著高于U處理(P<0.05)，說明增加施氮量有利于維持后期較高的光合性能，延緩葉片衰老，提高產量。F種植方式結合N1處理，既能穩定旗葉光合速率，又能減少氮肥用量。

2.3 種植方式和施氮量對冬小麥旗葉氣孔導度(Gs)的影響

由表5可以看出，在整個生育期內，冬小麥旗葉Gs呈現先上升后下降的“∩”曲線，相同施氮水平下，F處理下的Gs明顯高于U處理，分別高9.5%(N0)、15.2%(N1)、16.1%(N2)。F種植方式的Gs較高，且隨著施氮量的增加優勢明顯。相同種植方式下，F處理下N2的Gs比N1高5.7%，N1的Gs比N0高10.5%；U處理下的N2的Gs比N1高 4.9%，N1的Gs比N0高5.0%；隨著施氮量的增加，有利于提高旗葉Gs，且增幅減小。N1下的F種植方式優勢顯著。

2.4 種植方式和施氮量對冬小麥蒸騰速率(Tr)的影響

蒸騰作用是植物對水分的吸收和運輸的一個主要動力。拔節期灌溉和成熟期降雨導致這2個時期的Tr略高于其他時期。由表6可以看出，在整個生育期內，相同施氮水平下，F處理下Tr明顯高于U處理，分別高2.0%(N0)、4.7%(N1)、2.5%(N2)。F種植方式Tr較高，且在N1水平下優勢明顯。相同種植方式下，F處理下N2的Tr比N1高3.8%，N1的Tr比N0高5.3%；U處理下N2的Tr比N1高2.8%，N1的Tr比N0高2.5%；隨著施氮量的增加，有利于提高旗葉Tr，且F處理下，增幅相對減小。F種植方式相對提高小麥群體Tr，且拔節期Tr也表現為F>U。蒸騰速率總體與氣孔導度的群體表現趨勢相近。

2.5 種植方式和施氮量對冬小麥葉綠素含量指數(CCI)的影響

從圖7可以看出，生育期內CCI呈現先上升后下降的趨勢。相同施氮水平下，F處理的CCI明顯高于U處理，分別高6.35%(N0)、35.46%(N1)、24.02%(N2)。相同種植方式下，隨著施氮量增大CCI明顯升高，但增長幅度明顯減小，灌漿后期到成熟期，F處理的CCI高于U處理，且隨施氮量的提高，2種種植方式之間的CCI的差值也相應提高。F種植方式在N1處理下能維持較高的葉綠素含量，后期下降慢，利于延緩葉片衰老，從而提高產量。

2.6 種植方式和施氮量對冬小麥光合有效輻射(PAR)的影響

光合有效輻射(PAR)是決定作物生長的主要因素之一，更多的光能截獲有利于產量的積累[9]。從圖8可以看出，冬小麥整個生育時期內，F處理下的群體PAR截獲率平均值分別比U處理高23.65%(N0)、27.18%(N1)、31.26%(N2)。在相同施氮條件下，F的PAR截獲率顯著高于U(P<0.05)。相同種植方式下，隨施氮量的提高，PAR截獲率提高，但增長幅度明顯減小。N2比N1高4.1%(U)、7.5%(F)，N2比N0高17.6%(U)、20.9%(F)。可以看出種植方式對PAR截獲率的影響要高于施氮量。溝播結合N1條件對綜合提高PAR截獲率具有優勢。

2.7 種植方式和施氮量對冬小麥產量及產量構成因素的影響

從表2可以看出，在相同氮量處理下，F處理的籽粒產量比U處理高6.33%(N0)、14.42%(N1)、2.38%(N2)，其中在N1水平下達到顯著差異(P<0.05)；F處理的公頃穗數顯著高于U處理(P<0.05)，但每穗粒數和千粒質量在種植方式間差異不顯著，F處理略高于U處理。F處理的公頃穗數平均值比U處理高5.26%(N0)、4.60%(N1)、4.32%(N2)。每穗粒數隨著施氮量的增加而增加；由于后期貪青晚熟，造成營養生長過剩，導致千粒質量表現為N0

表2 種植方式和施氮量對冬小麥籽粒產量及產量構成因素的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示顯著差異(P<0.05)。

3 討論與結論

溝播種植方式能夠通過改變地表形態影響作物群體的整體結構，合理的群體結構是提高小麥產量的基礎[10]，它不僅影響群體內作物個體分布還影響群體內個體間關系以及光、水、肥等資源的分配和利用，也影響著作物冠層有效輻射及光合作用[11]。葉面積指數是反映作物產量潛力的重要生理因素之一[12]。本試驗結果表明，小麥溝播能夠提高群體葉面積指數，減緩LAI降低幅度并維持較高的綠葉功能期，從而形成較高的產量，說明溝播種植方式可改善植株個體生長情況，減少資源競爭，增加群體葉面積指數。

光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和葉綠素含量是作物光合生理特性的重要組成部分，促進和延長灌漿期間的群體光合速率將有利于小麥產量的進一步提高[13]。溝播在整個生育期，特別是在灌漿期和成熟期，能夠維持較高的光合速率，為最終產量提供保障。隨著施氮量的提高，光合速率增加顯著，但隨著施氮量的進一步提高，其增長幅度明顯下降；溝播同樣有利于提高相同條件下群體氣孔導度和蒸騰速率。氣孔開關的調節作用主要是為了滿足植物光合作用對CO2的需要且盡量減少水分的消耗，因此，在農業生產中應適當調節進出植物體內CO2和H2O的相對平衡，保證光合原料供給的同時減少水分蒸散。氣孔導度與蒸騰速率表現規律相近，進一步說明二者之間的正相關關系。溝播種植方式能夠明顯提高旗葉葉綠素含量指數，延緩后期葉片衰老，從而有效維持葉片光合生理特性。隨著施氮量的提高，葉綠素含量指數明顯增加，但隨著施氮量的進一步提高，其增長幅度明顯下降，這與光合速率變化規律基本一致，進一步證實葉綠素含量與作物光合作用有緊密的聯系。

光合有效輻射是作物生長發育的關鍵因子[14]，增加光能截獲是提高產量的關鍵[15]。溝播較平作種植方式顯著提高了光能截獲率，說明溝播有利于改善冬小麥群體結構，降低透射率，增加總截獲率，并且隨著施氮量的提高，2種種植方式間的光能截獲率生育后期差異不斷增大，這可能與溝播種植方式后期葉面積較高有關，使整個群體更有利于截獲光能，從而提高產量。

小麥經濟產量是源、庫關系協調的最終表現，在一定生態條件下，源、庫、流三者的協調平衡可最終決定小麥產量[16]。本試驗研究結果表明，在溝播種植方式下有利于提高穗數、千粒質量、籽粒產量；隨著施氮量的提高，小麥籽粒產量也相應增加，但主要是單位面積穗數的增加。千粒質量隨著施氮量的增加而降低，每穗粒數則沒有顯著差異，可能是由于高氮延緩了小麥的衰老，導致貪青晚熟，從而使籽粒不能正常成熟，使得千粒質量下降，引起減產。在本地力水平和灌溉條件下，籽粒產量在施氮112.5～225.0 kg/hm2之間達到較高水平。

溝播較等行距平作相比具有集水集肥效應，充分利用邊行效應，提高旗葉的光合生理功能，延緩后期葉片過早衰老，優化群體光合性能，從而在水分虧缺且減量施氮的條件下可達到較高的經濟產量。因此在本試驗條件下，20 cm+40 cm溝播結合112.5 kg/hm2施氮量為理想的減氮穩產優化栽培模式。

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