施氮量對小麥旗葉光合特性、SPAD值、籽粒產量及碳氮代謝的影響

葛 君，姜曉君

（商丘市農林科學院小麥研究所，河南商丘476000）

氮素是調控植物生長發育的重要因子，合理的氮肥用量能對改善小麥群體結構、增加有效分蘗和葉綠素含量[1]、提高光能接獲率[2]、提高千粒質量和籽粒產量[3]有顯著影響。當前，在農業生產過程中為了持續提高作物的單產水平，田間氮肥施用量呈現逐年增加的趨勢，但近年來氮肥施用量的提高并未帶來農作物產量的顯著提升，氮肥的過度施用使其表現出高消耗低效益的特點。同時，氮肥的不合理施用還造成了土壤不同程度的板結現象，導致土壤保水能力和通透性降低，還引起了局部的環境污染，如地下水硝態氮含量超標、地表水富營養化等問題。因此，如何在小麥生產中最大限度地提高氮肥利用率、充分發揮氮肥對小麥增產作用的同時，又不對當地自然環境造成危害，是當前小麥生產持續發展的重要議題之一。為此，本研究通過對不同氮素水平下小麥旗葉光合特性、SPAD值變化特征及其與氮肥用量的相關關系、葉片碳氮代謝相關酶活性、籽粒產量和蛋白質含量，探求豫東地區小麥氮素最適用量，為生產中實時快速地對小麥氮素營養檢測提供技術支持，為小麥合理高效施肥提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試品種為周麥22。本研究于2017—2018年在河南省商丘市農林科學院雙八試驗站進行。試驗土壤為中壤土，試驗地0～20 cm土層中堿解氮含量為 81.32 mg·kg-1，有效磷為 47.08 mg·kg-1，速效鉀為97.16 mg·kg-1，有機質為1.17%。

1.2 試驗設計

設置共設置5個氮素水平，每公頃施用氮肥（尿素，含N46.4%）折合純氮用量分別為0，105，175，245 和 315 kg， 分 別 用 N0、N105、N175、N245和N315表示。小區面積均為27 m2，采用隨機區組設計，每處理設3次重復。氮肥總量的2/3作基肥于播種前施入土壤，余下的1/3在拔節期施用。除氮肥外，其他管理與大田相同。

1.3 測定項目及方法

在小麥始穗期，用LI-6400便攜式光合作用測定系統對倒3旗葉光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間CO2濃度等指標進行測定；用SPAD-502葉綠素儀測定小麥倒3旗葉葉片SPAD值。在小麥成熟期，每小區均全部收獲用于計算每公頃產量，并測定籽粒蛋白質含量。籽粒蛋白質含量、磷酸蔗糖合成酶活性和和硝酸還原酶活性的測定均參照趙世杰等[4]的方法。

1.4 數據分析

利用Microsoft Excel 2007和DPS6.55軟件進行數據處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 氮素用量對始穗期小麥旗葉光合特性的影響

如表1所示，在施氮量為0～245 kg·hm-2時，旗葉光合速率隨氮肥用量的增加而提高，且在245 kg·hm-2時值最大，較對照提高142.51%；另外，各處理均高于對照，且與對照均達到極顯著差異水平（P＜0.01），這表明增施氮肥有利于小麥葉片光合速率的提高；處理間除N175與N315差異不顯著外，其余均達到極顯著差異水平（P＜0.01）。蒸騰速率和氣孔導度變化規律一致，且在N175時值最大，較對照分別提高165.91%和89.16%。胞間CO2濃度隨施氮量的增加表現出先升高后降低再升高的變化趨勢，且處理間光合速率越大則胞間CO2濃度越低，與光合速率表現出負相關關系。

表1 氮素用量對始穗期小麥旗葉光合特性的影響

2.2 施氮量對小麥22SPAD值的影響及相關關系

由圖1A可以得出，施氮量對小麥始穗期葉片SPAD值影響差異顯著。在氮素用量0～315 kg·hm-2范圍內，旗葉SPAD值隨施氮量的增加呈現先升高再降低的單峰變化規律，與光合速率表現一致。各處理 SPAD 值均高于對照，N105、N175、N245 和N315較對照分別增加 0.91%，2.34%，3.05%和1.80%，除 N315 與對照差異顯著（P＜0.05）外，其他處理與對照差異均達到極顯著水平（P＜0.01），這表明在一定范圍內增加氮肥用量有利于提高旗葉SPAD值，而超過一定閾值反而會引起SPAD值的降低。由圖1B可知，拔節期SPAD值與氮素用量具有正相關關系，其二次曲線擬合方程為y=-3E-05x2+0.012 5x+57.157，決定系數為r2=0.816，相關系數為0.783。

圖1 氮素用量對始穗期小麥葉片SPAD值的影響及相關關系

2.3 氮素用量對小麥產量、籽粒蛋白質含量及碳氮代謝的影響

由表2可知，不同氮肥用量對小麥產量、籽粒蛋白質含量、旗葉磷酸蔗糖合成酶活性及硝酸還原酶活性的影響不同。在施氮量為0～245 kg·hm-2范圍內，隨著氮肥用量的增加，小麥產量呈現逐漸增加的趨勢，至245 kg·hm-2時達到最大值，較對照提高了28.19%，差異極顯著（P＜0.01）；繼續增加氮肥用量至315 kg·hm-2時，產量開始降低，但仍高于對照，且與對照差異極顯著（P＜0.01），這表明增施氮肥有利于小麥產量的提高，但氮肥用量過高反而不利于增產。籽粒蛋白質含量隨施氮量的增加呈現逐漸升高的變化規律，且均與對照差異極顯著（P＜0.01），與小麥產量的變化規律不同，這表明施用氮肥有利于提高小麥籽粒蛋白質含量。小麥旗葉磷酸蔗糖合成酶活性隨氮肥用量的增加呈現先升高后降低的單峰變化趨勢，與小麥產量的變化規律一致，在氮肥用量245 kg·hm-2時較對照提高31.71%，與對照差異極顯著（P＜0.01）。小麥旗葉硝酸還原酶活性表現出與籽粒蛋白質含量相同的變化規律，各處理均高于對照，且在氮肥用量315 kg·hm-2時較對照提高24.52%，與對照差異極顯著（P＜0.01）。

表2 氮素用量對小麥產量、籽粒蛋白質含量及碳氮代謝的影響

3 結論與討論

氮作為重要的礦質元素對植株葉片葉綠素含量的增加、光合速率的提高和葉片功能期的延長有重要作用[5]。王月福等[6]研究認為，增施氮肥能夠明顯增加小麥葉片葉綠素含量，提高光合速率。宋飛等[7]研究指出，小麥葉片光合速率隨施氮水平的提高呈現先增加后下降的趨勢，且以施氮肥135 kg·hm-2時最高。本試驗結果表明，在施氮量為0～245kg·hm-2范圍內，光合速率與施氮量呈正相關關系，繼續增加氮素用量至315 kg·hm-2時光合速率不升反降，這說明小麥葉片光合速率并不隨氮肥用量的不斷增加而持續提高，這是因為葉片在光合作用過程中對CO2固定能力的強弱與氮素含量的高低相關，當氮素含量超出一定閾值時會降低同化率[8]。氣孔是植物葉片與外界進行氣體和水分交換的主要門戶，對光合速率和蒸騰速率的高低有重要影響。本試驗條件下，蒸騰速率和氣孔導度變化規律一致，均在氮肥用量175 kg·hm-2時最大，這說明在一定范圍內增加氮肥用量有利于小麥葉片蒸騰速率的提高和氣孔導度的增加。處理間胞間CO2濃度表現出與光合速率負相關關系，隨施氮量的增加呈現先降低后升高的變化規律，如氮素用量245 kg·hm-2時光合速率最大，而此時的胞間CO2濃度最低，氮素用量105 kg·hm-2時光合速率最小，而此時的胞間CO2濃度卻最大，這可能是因為光合速率高時胞間CO2被有效吸收用于碳同化，而光合速率低時體內積累的CO2未能被有效吸收用于光合產物的制造。

眾多研究指出，葉片SPAD值與葉綠素含量一致[9]，可以用SPAD值反應植株葉片中葉綠素含量的相對值[10]。唐延林等[11]研究表明，小麥葉片SPAD值隨氮素水平的不同表現出顯著性差異。謝華和沈榮開[12]研究認為，從返青到成熟期冬小麥SPAD值隨施氮量的增加而增加，但當施氮量達到一定水平后，再增加氮素對SPAD值的影響不顯著。本試驗結果表明，在施氮量0～245 kg·hm-2范圍內，小麥旗葉SPAD值隨氮素用量的增加呈現上升趨勢，與前人研究結果類似，這表明氮素用量的增加可以提高葉片葉綠素含量，這可能是因為氮素的增加促使植株體內氮素代謝水平的提高，從而增加了葉片葉綠素含量；當氮素用量達到315 kg·hm-2時SPAD值開始降低，這表明過量的氮素不利于小麥葉片葉綠素含量的提高，這可能是因為土壤中氮素的增加抑制了根系對其他礦質元素的吸收，從而在一定水平上抑制了葉綠素的合成。另外，從SPAD值對應的施氮量呈現的二次曲線擬合方程可知，葉綠素含量與氮肥用量具有正相關關系。

氮素對小麥穗數、穗粒數和千粒質量三因素有顯著的調控效應，而這三因素中的任一因素的變化均會對小麥產量造成直接影響，因此，氮素是影響小麥產量的重要因子[13]。本研究結果表明，在氮素用量0～245 kg·hm-2范圍內，小麥產量隨施氮量的增加而增加，這可能是因為氮是葉綠素、酶、激素的重要組成部分，能促進葉綠素含量的增加，同時氮又能促進小麥根莖葉的生長和有效分蘗的增多，從而促進了其產量的提高；當氮素用量315 kg·hm-2時產量下降，這可能是因為氮素營養的過剩造成其與磷鉀比例失調，不僅不利于葉綠素的合成、降低光合速率，還致使小麥無效分蘗增多、抗逆性差、貪青晚熟，從而降低單產。而籽粒蛋白質含量卻隨施氮量的增加而逐漸升高，至315 kg·hm-2時值最大，達到13.77%，這可能是因為氮素水平過高導致新合成的碳流向于氮代謝的數量增多，而氮代謝的提高增加小麥自由氨基酸含量，從而提高籽粒蛋白質含量。磷酸蔗糖合成酶以UDPG作供體，可以調節葉片蔗糖的合成，而蔗糖又是植物體內“庫”代謝的主要基質和光合產物運輸的主要形式。硝酸還原酶（NR）即是NO-3-N同化體系的首個酶，又是植物氮素同化的關鍵酶，在GS/GOGAT循環中承擔著無機氮向有機氮轉化的重要作用，其活性高低反映了作物對氮素同化能力的強弱[14]。本研究結果表明，適當增加氮肥用量能提高小麥葉片SPS活性并增加蔗糖含量，但當氮肥用量過高時則降低SPS活性并降低蔗糖含量。總之，一定閾值范圍內增加氮素用量可以提高源器官碳氮代謝能力，增加籽粒中淀粉合成酶和氮素同化酶的活性，促進同化物質向籽粒運轉，這進一步解釋了適量施氮提高小麥產量的原因。小麥籽粒硝酸還原酶活性隨氮肥用量的增加而提高，這進一步解釋了籽粒蛋白質含量隨氮素用量的增加而增加原因。