施氮對稻茬冬小麥氮肥吸收利用及轉運的影響

李欣欣,石祖梁,王久臣,王 飛,江榮風

(1.農業農村部農業生態與資源保護總站,北京 100125;2.中國農業大學資源與環境學院,北京 100094)

施用氮肥是提高小麥產量和改善其品質的重要措施之一,氮運籌對小麥植株氮素積累、氮素吸收效率和籽粒產量有明顯調控效應。適量施氮能促進植株對氮素的吸收,提高小麥籽粒產量、蛋白質含量,但過量或不合理施氮不僅不能達到高產優質的目的,還會降低氮肥利用率,增加氮肥損失,污染環境[1-2]。前人研究表明,小麥籽粒積累的氮素有70% 以上來自花后植株氮素的再分配[3],較高的籽粒產量來自于較高的氮素利用效率和氮素轉運效率[4]。因而,小麥植株氮素的吸收、同化和運轉利用,直接影響籽粒的產量和蛋白質含量。國內學者對我國北方主要麥區小麥氮素的吸收利用規律及轉運特性進行了大量研究,指出增施氮肥有利于促進小麥花后氮素的積累與轉運,但氮肥用量過多,會延緩衰老進程,不利于營養器官中的碳水化合物和氮素向籽粒轉移,最終導致產量和蛋白質含量降低[5-6];相同施氮量條件下增加追肥氮的比例或追肥氮施用時期后移,可以提高營養器官中氮素的轉運量和開花后氮素的同化量,并提高氮肥利用率,促進氮肥向籽粒轉運[7-8]。小麥對氮素的吸收利用及其與產量和品質的關系,與品種特性和環境條件密切相關[9-10]。長江中下游平原是典型的稻麥兩熟輪作區,其耕作方式、氣候條件、播種時間以及施肥方式等與其他麥區明顯不同,對植株的氮素積累和回收利用的影響也明顯不同。目前對稻茬小麥的研究主要集中在產量、品質和生態環境的調控效應方面,對不同來源氮素的吸收、轉運特性還缺乏定量化的研究。為此,本試驗采用大田試驗和15N 示蹤技術相結合,研究不同施氮量對稻茬小麥植株不同來源氮素吸收利用、分配、轉運特性及氮肥利用的影響,以期為稻茬小麥高產高效栽培中氮肥的合理利用提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2016-2017年度在江蘇省農業科學院試驗基地進行。供試土壤0～20 cm 土層土壤養分狀況為:有機質19.50 g·kg-1,全氮0.78 g·kg-1,速效磷17.50 mg·kg-1,速效鉀46.88 mg·kg-1。供試小麥品種為中筋小麥品種揚麥16號。

田間試驗分大田試驗和15N 微區試驗兩部分。大田試驗設不同的施氮水平,即全生育期不施氮肥(N0)、施120 kg·hm-2(N120)、210 kg·hm-2(N210)和300 kg·hm-2(N300),基追比例為5∶5,基肥于播前施入,追肥于拔節期施入。同時每小區施磷(P2O5)100 kg·hm-2,鉀(K2O)150 kg·hm-2,磷、鉀肥全部作為底肥一次性施入。氮肥為尿素(46%),磷肥為過磷酸鈣(17%),鉀肥為氯化鉀(60%)。小區面積24 m2,基本苗18×105株·hm-2,行距為25 cm,隨機區組設計,3次重復。以邊長為25 cm、高30 cm 未封底的無底鍍鋅鐵框做土柱,在施氮量處理上設置15N微區,施用肥料為15N 標記的尿素。每個施氮量處理又分別設15N 尿素基肥+普通尿素追肥(每小區4個土柱)和普通尿素基肥+15N 尿素追肥(每小區2個土柱),施肥量和施用時期及其他管理措施同上述大田試驗處理。15N尿素由上海化工研究院生產,豐度為10%左右。其他田間管理同當地一般大田。

1.2 測定項目與方法

在小麥成熟期,大田試驗于每小區取2 m2小麥脫粒,曬干后測定產量;并于每小區取20株單莖,按莖鞘、葉片、籽粒、穗軸+穎殼分樣,70 ℃烘干至恒重,測定干物重。磨碎后采用濃硫酸-雙氧水消煮,半微量凱氏定氮法測定植株氮含量。15N 尿素基肥+普通尿素追肥試驗分別于越冬期、拔節期(追肥前)、開花期和成熟期每個小區取一個土柱微區,普通尿素基肥+15N 尿素追肥試驗分別于開花期和成熟期每個小區取一個土柱微區,用剪刀沿根部剪取微區內地上部全部植株樣品。越冬期、拔節期植株按莖鞘、葉片分開,開花期植株按莖鞘、葉片、穗部分開,成熟期植株按莖鞘、葉片、籽粒、穗軸+穎殼分開,鮮樣在105 ℃下殺青30 min后,70 ℃烘干至恒重,用半微量凱氏定氮法測定植株氮含量。15N 豐度采用ZHTO2 型質譜儀分析,由河北省農林科學院理化所 測定。

1.3 計算方法

氮肥利用率=植株中肥料氮積累量/施氮量×100%

植株氮積累量=植株干物重×植株含氮量

植株氮來源于基(追)肥的比例=基(追)肥處理植株的15N 原子百分超%/肥料的15N 原子百分超%×100%

植株基(追)肥氮積累量=植株氮積累量×植株氮來源于基(追)肥的比例

植株肥料氮積累量=植株基肥氮積累量+植株追肥氮積累量

植株土壤氮積累量=植株氮積累量-植株肥料氮積累量

植株氮轉運量=開花期植株營養器官氮積累量-成熟期營養器官氮積累量

花后氮積累對籽粒氮的貢獻率=(成熟期植株氮積累量-開花期植株氮積累量)/成熟期籽粒氮積累量×100%

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS軟件對數據進行統計分析。

2 結果分析

2.1 施氮量對小麥不同生育階段植株氮吸收積累的影響

表1顯示,播種至越冬期,小麥植株總氮積累量在施氮處理間無顯著差異;隨著施氮量的提高,小麥植株中肥料氮積累量呈上升趨勢,土壤氮積累量呈下降趨勢。越冬至拔節期,小麥植株中不同來源氮的積累量均隨施氮量的提高而顯著增加。拔節至開花期,隨施氮量的增加,植株中基肥氮積累量和追肥氮積累量均呈增加趨勢;土壤氮積累量呈顯著降低趨勢,不同施氮量處理間差異不顯著。開花至成熟期,植株中肥料氮積累量和土壤氮積累量均隨施氮量的增加而顯著增加。分析全生育期可以看出,播種至成熟期,小麥植株總氮積累量和肥料氮積累量均隨施氮量的增加而顯著增加,土壤氮積累量則表現為N300處理顯著高于其他處理,其他處理間差異不顯著。相同施氮處理下,小麥植株中追肥氮積累量均高于基肥氮積累量。全生育期N120處理下的土壤氮積累量高于肥料氮積累量,而N210和N300處理則呈相反趨勢,表明提高施氮量會降低植株對土壤氮素的吸收同化。N120、N210、N300處理小麥植株中土壤氮積累量占總氮積累量的比例分別為57%、48%、45%。不同生育階段比較,小麥植株基肥氮積累量表現為越冬至拔節期和拔節至開花期>播種至越冬期>開花至成熟期;追肥氮積累量則以拔節至開花階段最高;肥料氮積累量表現為拔節至開花期和越冬至拔節期>開花至成熟期>播種至越冬期;土壤氮積累量在N210和N300處理下表現為越冬至拔節期>拔節至開花期>開花至成熟期>播種至越冬期,在N0和N120處理下則以拔節至開花期最高。

表1 施氮量對不同生育階段小麥植株不同來源氮素積累的影響

2.2 成熟期不同來源氮素在小麥各器官中的分配特征

表2結果顯示,不同來源氮素在小麥植株各器官的積累量均隨施氮量的增加而增加。各施氮處理下,不同來源氮素均以籽粒積累量最高。就營養器官而言,平均各施氮處理,基肥氮和肥料氮分配量表現為莖鞘>穗軸+穎殼>葉片,追肥氮分配量表現為穗軸+穎殼>莖鞘>葉片,而土壤氮和植株總氮分配量表現為莖鞘>葉片>穗軸+穎殼,表明肥料氮和土壤氮在小麥植株中的分配存在一定差異,進而對氮素轉運產生影響。從小麥植株總氮的分配比例來看,葉片、莖鞘、穗軸+穎殼和籽粒氮的分配比例分別為6.09%～ 9.70%、9.01% ～11.14%、7.19% ～7.48%、71.96%～77.42%,總體表現為隨施氮量的增加,葉片、莖鞘氮素的分配比例升高,而穗軸+穎殼和籽粒氮素的分配比例則下降。

表2 施氮量對成熟期小麥植株氮素分配的影響

2.3 成熟期不同來源氮素在小麥籽粒中的分配

由圖1可知,隨施氮量增加,肥料氮對籽粒氮的貢獻率顯著增加,土壤氮對籽粒氮的貢獻率則顯著降低。N120、N210、N300處理下基肥氮對籽粒氮的貢獻率分別為20.79%、27.07%、29.00%,追肥氮對籽粒氮的貢獻率分別為24.99%、29.15%、32.25%,肥料氮對籽粒氮的貢獻率分別為45.78%、56.22%、61.25%,土壤氮對籽粒氮的貢獻率分別為54.22%、43.78%、38.75%。N120處理以土壤氮貢獻率較高,N210和N300處理則均以肥料氮貢獻率較高。

圖柱上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖2同。

2.4 施氮量對花后不同來源氮素轉運的影響

由表3可以看出,小麥植株各營養器官肥料氮的轉運量均隨施氮量的增加而增加,土壤氮的轉運量則隨施氮量的增加而降低。不同器官比較,氮素轉運量均表現為莖鞘>葉片>穗軸+穎殼。植株總氮轉運效率為66.61%～74.33%,葉片、莖鞘、穗軸+穎殼的氮素轉運效率分別為 69.32%～80.69%、70.68%～76.88%、49.86～59.54%,均表現為隨施氮量的增加而降低。基肥氮、土壤氮和植株氮轉運效率均表現為葉片>莖鞘>穗軸+穎殼,而追肥氮和肥料氮轉運效率則表現為莖鞘>葉片>穗軸+穎殼。不同來源氮素比較,小麥植株中基肥氮的轉運量和轉運效率低于追肥氮,肥料氮的轉運量和轉運效率高于土壤氮,基肥氮、追肥氮、肥料氮和土壤氮的轉運效率分別為77.31%～79.96%、77.89%～81.80%、77.61%～81.13%、51.55%～67.64%。

表3 施氮量對花后營養器官不同來源氮素轉運的影響

2.5 施氮量對小麥花后氮素積累的影響

表4結果顯示,小麥植株花后不同來源氮的積累量及其對籽粒氮的貢獻率均隨施氮量的增加而增加,表明增加施氮量能夠提高小麥植株花后氮積累量。小麥植株花后氮積累量對籽粒氮的貢獻率為15.59%～22.28%,花后肥料氮積累量對籽粒肥料氮的貢獻率為9.59%～14.56%,花后土壤氮積累量對籽粒土壤氮的貢獻率為 24.11%～34.48%,表明籽粒中肥料氮和土壤氮均更多地依賴于營養器官的氮轉運。

表4 花后氮素積累量及其對籽粒氮素的貢獻率

2.6 施氮量對小麥籽粒產量及氮肥利用的影響

圖2結果顯示,與N0相比,施氮能顯著增加小麥籽粒產量,但超過210 kg·hm-2的施氮量時,產量增加不顯著。N120、N210、N300處理籽粒產量較N0處理分別增加60.99%、89.89%、92.09%。N120處理基肥氮、追肥氮和肥料氮利用率分別為50.07%、58.88%、54.48%,N210處理分別為46.46%、49.85%、48.15%,N300處理分別為39.56%、43.71%、41.64%。隨施氮量增加氮肥利用率顯著下降;追肥氮利用率高于基肥氮。

圖2 施氮量對籽粒產量(左圖)和氮肥利用效率(右圖)的影響

3 討 論

前人研究認為,小麥植株在整個生育期吸收的氮素1/3來自肥料氮,2/3來自土壤氮[11],但也有人提出,冬小麥吸收的氮素42.8%來自土壤氮,57.2%來自肥料氮[12],研究結果不盡相同,這可能與不同的耕作制度、施氮方式以及土壤肥力等有關。本試驗條件下,施氮量為120 kg·hm-2時,小麥植株氮積累量的43%來自肥料氮,57%來自土壤氮;當施氮量增加到210 和300 kg·hm-2時,小麥植株氮積累量來自肥料氮的比例分別達到52%和55%,表明隨施氮量增加小麥植株吸收肥料氮的比例增加,吸收土壤氮的比例下降,這與趙俊曄等[13]研究結果相似。關于小麥不同生育階段的氮素吸收,前人研究表明,播種至拔節期是小麥吸收基肥氮的主要階段,不同基追比例可調節小麥植株在不同生育階段的氮肥利用率[7,14]。本試驗研究結果顯示,越冬至拔節期是小麥植株基肥氮吸收的主要時期,拔節至開花期是追肥氮吸收的主要時期;而對土壤氮的吸收,低氮條件下以拔節至開花期最高,高氮條件下以越冬至拔節期最高,這可能與小麥植株生育前期生長量較小,對氮素需求較低,而生育后期生長旺盛,對肥料氮的依存率相對較高有關,具體原因值得進一步探討。

開花至成熟階段是小麥氮素吸收分配的關鍵時期,已有研究表明,形成籽粒蛋白質的氮素有兩部分來源,其中1/3來源于開花后植株直接吸收同化的氮素,2/3來源于開花前營養器官貯存氮素的轉移[15]。本研究顯示,小麥植株花后氮素積累量對籽粒氮素的貢獻率平均約為20%,即植株營養器官氮素轉運量占籽粒氮素的4/5,這與前人研究結果較為一致。氮肥運籌對小麥植株氮素的積累、轉運和分配有顯著的影響,但前人對此研究結論并不一致。有學者認為增施氮肥能顯著提高小麥各器官的氮素積累量以及營養器官貯存氮素轉運量、轉運效率和轉運氮素對籽粒氮素的貢獻率[9],也有學者認為隨施氮量增加,氮素轉運量及其對籽粒氮素的貢獻率呈先增加后降低的趨勢[16],還有研究表明,超過一定范圍的氮肥施用量,對小麥植株氮素吸收和轉運無顯著的調節作用[17],改變氮肥基追比例可調節小麥營養器官氮素轉運量與開花后氮素同化量的比例[18]。本試驗結果表明,小麥植株氮素轉運量隨施氮量增加而增加,但氮素轉運效率及轉運氮素對籽粒的貢獻率則隨施氮量增加而下降。不同來源氮素比較,小麥植株肥料氮轉運量隨施氮量增加而增加,肥料氮轉運效率和土壤氮轉運量、轉運效率則隨施氮量增加而下降;追肥氮轉運量高于基肥氮,肥料氮轉運量高于土壤氮;肥料氮平均轉運效率約為80%,而土壤氮平均轉運效率約為60%,這可能與土壤氮素需要經過礦化作用轉化成礦質氮才能被植株吸收利用有關[7]。

適量施氮有利于提高小麥氮素積累量,增加籽粒產量和蛋白質含量,改善品質[19],但氮肥利用效率會隨施氮量增加而遞減[20]。本研究結果表明,在0～210 kg·hm-2的施氮量范圍內,增加施氮量有利于提高小麥籽粒產量,繼續增加施氮量則產量增加不顯著;在N120處理下,氮肥回收率超過50%,而在N300處理下僅為40%,且基肥氮利用率均低于追肥氮,這與趙俊曄等[13]研究結果較為一致。有學者研究提出,在小麥生產中應增加后期追肥比例,以保證土壤氮素持續有效供應,協調群體與個體的矛盾,延緩小麥后期衰老,提高子粒產量、蛋白質含量及氮肥利用率[21-22],但也有學者指出,在施肥不足或土壤肥力較低的情況下,減少前期氮肥施用量,會導致小麥產量的降低[23]。因此,針對稻茬小麥更加合理的氮素施用,還需結合田間基、追比例和土壤肥力進一步開展15N 示蹤分析。