水肥一體化對小麥干物質和氮素積累轉運及產量的影響

張麗霞 楊永輝 尹 鈞 武繼承 潘曉瑩

(1.河南省農業(yè)科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所, 鄭州 450002; 2.河南農業(yè)大學國家小麥工程技術研究中心, 鄭州 450046;3.農業(yè)農村部作物高效用水原陽科學觀測實驗站, 原陽 453514)

0 引言

在小麥生產中水、肥相互促進又互相制約，科學的水肥一體化技術能夠精準灌溉、施肥，促進作物對肥料、水分的吸收與利用，起到以水調肥、以肥促水的作用，從而實現(xiàn)小麥增產增收和節(jié)水節(jié)肥。養(yǎng)分吸收是作物干物質積累的基礎，小麥籽粒產量和蛋白質含量既受開花前貯存碳、氮物質的調節(jié)影響，又取決于開花期到成熟期植株的光合生產能力和氮積累能力[1-3]，特別是受到開花后干物質和氮素從營養(yǎng)器官向籽粒轉運能力的影響[4-6]。因此，研究小麥干物質和氮素積累和轉運變化對提高小麥產量具有重要意義。

小麥孕穗期前葉片干物質分配率達到高峰，隨后開始下降；孕穗期后植株開始由營養(yǎng)生長逐漸轉向生殖生長，干物質開始向穗器官轉移；在灌漿期至成熟期，穗干物質量一直增加，穗器官成為干物質轉運與積累中心[7]。適量施氮能夠促進小麥干物質積累，有利于葉片、莖和鞘花前貯存干物質在花后向籽粒中轉移；但是高氮處理會導致植株營養(yǎng)生長過旺，貪青晚熟，抑制生殖生長，使穗干物質積累減少[8-10]。在高水條件下，隨施氮量的增加干物質呈直線增長的趨勢[7]；適量的水分能促進穗部干物質積累速率和氮素積累量的提高，有利于小麥高產[11]。開花期至成熟期是小麥氮素吸收和分配的關鍵時期，開花后營養(yǎng)器官氮素轉運對籽粒氮素積累有較大貢獻[12]。現(xiàn)有研究普遍認為，小麥氮素吸收量與施氮量呈正相關，但過高氮肥用量對小麥氮素積累影響不大[13]。有研究認為，干旱脅迫、土壤含水率過高都將降低營養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉運量和轉運率[14-16]。

目前，滴灌是最佳的節(jié)水增效灌溉方式，具有節(jié)水、提肥和增效等多種優(yōu)勢，對干旱地區(qū)作物優(yōu)質高產起到重要作用。滴灌水肥一體化利用滴灌方式，將灌溉與施肥相結合，能夠有效控制水肥量、時間和水肥入滲深度，還能維持根部適宜的養(yǎng)分供應，促進作物的生長發(fā)育。滴灌水肥一體化條件下對小麥干物質和氮素積累、轉運及產量相結合的研究較少，本文在前期研究基礎上，研究滴灌水肥一體化技術對小麥干物質和氮素積累與轉運及產量的影響，探討水肥一體化下小麥干物質和氮素積累、轉運與產量形成的關系，為制定充分發(fā)揮水肥協(xié)同作用、提高小麥產量的水氮科學運籌措施提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗于2016—2018年在河南省通許縣節(jié)水農業(yè)試驗示范基地(114.47°E、34.48°N，海拔62 m)進行，該地區(qū)氣候類型為暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均降水量為657.9 mm，且主要集中在6—9月，年均氣溫14.6℃，全年無霜期222 d。該試驗地土壤為壤質潮土，土壤耕層有機質質量比11.4 g/kg、全氮質量比0.81 g/kg、全磷質量比0.72 g/kg、堿解氮質量比74.31 mg/kg、速效磷質量比19.8 mg/kg、速效鉀質量比90.3 mg/kg；土壤容重1.32 g/cm3；土壤機械組成主要為砂粒(0.020～2 mm)占83%、粉粒(0.002～0.020 mm)占8.3%和黏粒(0～0.002 mm)占8.7%。

1.2 試驗材料及種植方法

供試小麥品種為矮抗58，10月中下旬播種，播種量為150 kg/hm2，行距20 cm，每個小區(qū)播種24行，鋪設8條滴灌帶，次年6月上旬收獲。氮肥、磷肥、鉀肥分別為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)、氯化鉀(含K2O 50%)。

1.3 試驗設計

采用隨機區(qū)組設計，灌溉方式為滴灌，滴頭流量為2～3 L/h，滴頭間距30 cm，滴灌帶間隔40～50 cm，每次灌水量為450 m3/hm2，灌水分別在小麥拔節(jié)期、開花期和灌漿期進行。基于課題組已有的試驗結果，在前期氮肥不同水平分期追施的基礎上，底肥少施的水肥一體化技術更有利于小麥產量和水肥利用效率的提高，本試驗設置3個氮(N)肥水平：N1(180 kg/hm2)、N2(240 kg/hm2)、N3(270 kg/hm2)，氮肥基追比為：60%+40%，氮肥追肥比為：25%+15%，分別在小麥拔節(jié)期和灌漿期進行追施。水分(W)設置3個水平：W1(生育期不灌水)、W2(生育期灌2次水(900 m3/hm2))、W3(生育期灌3次水(1 350 m3/hm2))，2次水在小麥拔節(jié)期和灌漿期各進行1次灌溉，3次水在小麥拔節(jié)期、開花期和灌漿期各進行1次灌溉。試驗根據(jù)當?shù)丶竟?jié)性降水分配設定灌水量，在2016—2017年和2017—2018年連續(xù)2年對小麥進行的灌水量能夠滿足小麥生長發(fā)育的需要。共設置9個處理，分別為：W1N1、W1N2、W1N3、W2N1、W2N2、W2N3、W3N1、W3N2、W3N3，每個處理重復3次，共27個小區(qū)，每個小區(qū)面積為22.4 m2(5.6 m×4 m)。氮肥按照基肥追肥比例進行底施，并與磷肥(P2O5，105 kg/hm2)、鉀肥(K2O，105 kg/hm2)一同隨水一次性施入，底墑水的灌溉量為450 m3/hm2，其他時期均按試驗處理進行水肥管理。本試驗中，W1為生育期不灌水，在追施氮肥時采用溝施的方式進行施肥，W2、W3為生育期灌水，實施滴灌水肥一體化時氮肥隨水一同施入。

1.4 測定項目及方法

1.4.1小麥植株干物質量

在小麥拔節(jié)期、孕穗期、開花期、灌漿期和成熟期采取植株樣品，開花期植株樣品分為葉片、莖稈和穗3部分，成熟期分為葉片、莖+葉鞘、穗軸+穎殼、籽粒4部分。樣品于105℃殺青30 min，然后于70℃干燥至恒質量，用精度為0.01 g的電子天平稱量干物質量。

1.4.2小麥植株干物質轉運量

花前營養(yǎng)器官干物質轉運量為開花期營養(yǎng)器官干物質量與成熟期營養(yǎng)器官干物質量的差值；花前營養(yǎng)器官干物質轉移率(%)為花前營養(yǎng)器官干物質轉運量占開花期營養(yǎng)器官干物質量百分比；花前營養(yǎng)器官干物質對籽粒產量貢獻率(%)為花前營養(yǎng)器官干物質轉運量占成熟期籽粒干物質量百分比。

1.4.3小麥植株全氮含量

采用H2SO4-混合指示劑-蒸餾法測定小麥植株全氮含量。用三品科創(chuàng)SPD80型全自動凱氏定氮儀進行全氮含量測定，得出小麥植株不同器官全氮含量。

1.4.4小麥植株氮素轉運量

花前營養(yǎng)器官氮素轉運量為開花期各營養(yǎng)器官氮素積累量與成熟期各營養(yǎng)器官氮素積累量差值；花前營養(yǎng)器官氮素轉運率(%)為營養(yǎng)器官氮素轉運量占開花期營養(yǎng)器官氮素積累量百分比；花前營養(yǎng)器官氮素轉運對籽粒貢獻率(%)為營養(yǎng)器官氮素轉運量占成熟期籽粒氮素積累量百分比。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 小麥生育期內降雨量

由圖1可以看出，在2016—2018年連續(xù)2年中，小麥生育期內降雨量主要集中在10月和5月，其他月份相對較少。小麥播種后降雨量逐漸增多，但從分蘗期開始到返青期前降雨量較少，從抽穗期開始降雨量逐漸增多，一直到灌漿期。在2016—2017年，小麥生育期內降雨10次，總降雨量為258.3 mm；在2017—2018年，小麥生育期內降雨11次，總降雨量為279.2 mm。

2.2 滴灌水肥一體化對小麥干物質積累、分配和轉運的影響

2.2.1小麥干物質的積累動態(tài)

由圖2可以看出，連續(xù)2年，與W1N1處理相比，W3N2處理下小麥拔節(jié)期、孕穗期和開花期植株平均干物質積累量分別增加37.64%、31.21%和32.11%；W3N2和W3N3處理下小麥成熟期植株干物質積累量提高13.34%和11.78%。因此，W3N2

處理有利于小麥植株干物質的積累。

2.2.2小麥成熟期干物質的積累和分配

由表1可以看出，在成熟期，籽粒是干物質積累與運轉中心，各器官干物質積累量和分配比例從大到小均為籽粒、莖+葉鞘、葉片、穗軸+穎殼。連續(xù)2年，與W1N1處理相比，W3N2和W3N3處理分別使小麥莖+葉鞘干物質積累量增加22.93%和12.65%；W2N2和W3N2處理使小麥葉片干物質積累量增加15.30%和17.97%，使小麥穗軸+穎殼干物質積累量增加21.53%和22.52%；W3N2和W3N3處理分別使小麥籽粒干物質積累量增加11.10%和6.50%。從各器官干物質積累量分配比例來看，與W1N1處理相比，W3N2處理使小麥莖+葉鞘干物質積累量分配比例增加9.81%；W3N2處理使小麥籽粒干物質積累量分配比例增加2.11%。因此，在小麥成熟期，W3N2處理更有利于小麥不同器官干物質積累和分配。

表1 滴灌水肥一體化對小麥成熟期干物質積累和分配的影響Tab.1 Effects of drip fertigation on dry matter accumulation and distribution of wheat at maturity stage

2.2.3開花后營養(yǎng)器官干物質向籽粒的運轉

由表2可以看出，2016—2017年，與W1N1相比，W2N2和W3N2處理下小麥營養(yǎng)器官干物質轉運量提高52.22%和53.04%；W3N2和W3N3下小麥營養(yǎng)器官干物質轉運率增加59.80%和53.62%，營養(yǎng)器官干物質轉運對籽粒貢獻率分別提高54.50%和49.45%。2017—2018年，與W1N1相比，W3N2和W3N3處理下小麥營養(yǎng)器官干物質轉運量提高44.27%和27.49%，小麥營養(yǎng)器官干物質轉運率分別增加52.87%和43.11%；W3N2處理下小麥營養(yǎng)器官干物質轉運對籽粒貢獻率提高31.35%。由此可知，連續(xù)2年，與W1N1相比，W3N2處理下小麥營養(yǎng)器官平均干物質轉運量提高48.66%，小麥營養(yǎng)器官平均干物質轉運率提高56.34%，營養(yǎng)器官干物質轉運對籽粒平均貢獻率增加42.93%。因此，滴灌方式下，W3N2處理更有利于小麥營養(yǎng)器官干物質的轉運，這說明W3N2處理能較好地協(xié)調物質生產與分配的關系，促進小麥植株健壯，提高生長有效性。

表2 滴灌水肥一體化對小麥營養(yǎng)器官干物質轉運的影響Tab.2 Effects of drip fertigation on dry matter translocation of vegetative organ in wheat

2.3 滴灌水肥一體化對小麥氮素積累和轉運的影響

2.3.1小麥植株氮素的積累動態(tài)

由圖3可以看出，連續(xù)2年，與W1N1相比，W3N2和W3N3處理下小麥拔節(jié)期植株平均氮素積累量增加50.36%和36.22%，小麥孕穗期植株平均氮素積累量增加34.40%和26.21%。W2N3、W3N2和W3N3處理下小麥開花期植株平均氮素積累量分別提高12.84%、21.98%和17.67%。W2N2、W2N3、W3N2和W3N3處理下小麥成熟期植株平均氮素積累量分別增加11.15%、15.82%、20.30%和18.15%。

2.3.2小麥成熟期氮素的積累和分配

由表3可以看出，在成熟期，小麥各器官氮素積累量和分配比例從大到小均為籽粒、莖+葉鞘、穗軸+穎殼、葉片。葉片氮素積累量最小，這可能是由于成熟期葉片衰老，葉片的養(yǎng)分轉運到籽粒中。連續(xù)2年，與W1N1處理相比，W3N2處理下小麥莖+葉鞘、穗軸+穎殼和籽粒平均氮素積累量分別增加20.19%、27.65%和35.99%。從各器官氮素積累量分配比例來看，與W1N1處理相比，W3N2和W3N3處理下小麥穗軸+穎殼氮素積累量分配比例增加30.27%和25.43%；W3N2處理下小麥籽粒氮素積累量分配比例增加13.14%。因此，在小麥成熟期，W3N2處理更有利于小麥不同器官氮素積累和分配。

表3 滴灌水肥一體化對小麥成熟期氮素積累和分配的影響Tab.3 Effects of drip fertigation on nitrogen accumulation and distribution of wheat at maturity stage

2.3.3開花后小麥植株氮素的轉運

由表4可以看出，2016—2017年，與W1N1相比，W3N2和W3N3處理下小麥營養(yǎng)器官氮素轉運量提高49.80%和42.88%，小麥營養(yǎng)器官氮素轉運率增加22.84%和21.64%，營養(yǎng)器官氮素轉運對籽粒貢獻率提高6.95%和6.72%。2017—2018年，與W1N1相比，W3N2和W3N3處理下小麥營養(yǎng)器官氮素轉運量提高45.21%和38.36%，小麥營養(yǎng)器官氮素轉運率增加18.97%和17.36%，營養(yǎng)器官氮素轉運對籽粒貢獻率提高5.51%和5.13%。由此可知，連續(xù)2年，與W1N1相比，W3N2和W3N3處理下小麥營養(yǎng)器官平均氮素轉運量提高47.51%和40.62%，小麥營養(yǎng)器官平均氮素轉運率增加20.91%和19.50%，營養(yǎng)器官氮素轉運對籽粒平均貢獻率提高6.04%和6.12%。因此，滴灌方式下，W3N2處理更有利于小麥營養(yǎng)器官氮素的轉運。

表4 滴灌水肥一體化對小麥開花后植株氮素轉運的影響Tab.4 Effects of drip fertigation on nitrogen translocation of wheat after anthesis

2.4 滴灌水肥一體化對小麥產量和產量構成的影響

由表5可知，2016—2017年，與W1N1處理相比，W3N2處理下小麥穗長和千粒質量分別增加11.67%和9.63%，W3N2和W3N3處理下小麥產量提高26.41%和10.90%。2017—2018年，與W1N1處理相比，W3N2處理下小麥穗長和千粒質量分別增加14.81%和14.76%，W3N2和W3N3處理下小麥產量提高37.35%和19.66%。由以上分析可知，連續(xù)2年，W3N2處理使小麥穗長和千粒質量分別增加13.24%和12.19%；W3N2和W3N3處理下小麥產量提高31.88%和15.28%。這說明小麥拔節(jié)期和灌漿期氮肥追施和灌水的水肥一體化增產效果較明顯。

表5 滴灌水肥一體化對小麥產量及產量構成的影響Tab.5 Effects of drip fertigation on wheat yield and yield composition

3 討論

3.1 滴灌水肥一體化對小麥干物質積累、轉運和產量的影響

合適的水肥配比可有效發(fā)揮肥效，促進作物對肥料的吸收與利用，從而促進作物干物質和產量的提高，相反過量的水肥對作物的生長和產量產生抑制作用。文卿琳等[17]研究發(fā)現(xiàn)，施氮量過大，小麥貪青晚熟影響產量，通過減少生育后期灌水量，可以促進干物質向籽粒的轉運，加速植株成熟，提高產量。適量施氮促進冬小麥干物質積累，使葉片、莖和鞘的花前貯存干物質在花后向籽粒中轉移增多，但在灌水條件下，施氮量過多不利于開花前營養(yǎng)器官貯存的干物質轉移[8-9]。高水高氮處理植株營養(yǎng)生長過旺，抑制生殖生長，使穗的干物質積累減小[10]。不同水分處理中，水分虧缺時增施氮肥有利于小麥提前進入直線增長期，利于小麥干物質積累。適量氮素和水分能促進穗部干物質積累量的提高，利于產量形成，但過高的氮素并不會使穗干物質量增加，反而對其有抑制作用[11]。本研究發(fā)現(xiàn)，小麥植株干物質積累量隨灌水的增加而增大，隨施氮量的增加而減小，適量的氮素和灌水能夠促進小麥干物質的積累、分配和向籽粒的運轉。這說明合適的水肥配比能夠促進小麥的生長發(fā)育，在生殖生長階段，營養(yǎng)器官的干物質較好地運轉到穗部和籽粒，更有利于小麥產量的形成。

3.2 滴灌水肥一體化對小麥氮素積累、轉運和產量的影響

在作物生長過程中，氮素以光合同化物的形式積累，氮素的積累與轉運與營養(yǎng)物質的積累與轉運密切相關，水肥互作可以促進作物對氮素的吸收、分配和轉運，一方面水能促進作物對氮素的吸收，同時影響氮素的分配和轉運；另一方面，施氮可以在一定程度上緩解水分虧缺對產量的影響[18-20]。本研究發(fā)現(xiàn)，適度的氮肥和灌水能夠促進小麥營養(yǎng)器官氮素的積累、分配和轉運。土壤水分狀況是影響小麥氮素吸收、積累及轉運的重要因素之一，水分虧缺能夠顯著降低小麥氮素吸收量、氮素利用效率和籽粒產量[21-23]。張永麗等[14]研究認為，小麥開花后土壤含水率過高會使其營養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉運量和轉運率降低；冬小麥不同生育期中度和重度干旱脅迫能減少冬小麥氮素吸收量，并降低花前貯藏氮素向籽粒中的轉運量[15-16]。同時研究也表明，小麥植株氮素積累量隨生育進程推進而不斷增加，至成熟期達峰值[24]。但也有學者認為，成熟期比開花期氮素積累量有所下降[25-26]。本研究發(fā)現(xiàn)，小麥植株氮素積累量隨生育進程推進而不斷增加，至成熟期達到最大值，增加灌水促進小麥植株氮素的積累和轉運，但氮肥量過大(270 kg/hm2)會降低小麥植株氮素積累、轉運以及營養(yǎng)器官氮素轉運對籽粒貢獻率。因此，在小麥生長發(fā)育中，適度的氮肥和灌水有利于植株氮素積累和氮素向籽粒中轉運，提高小麥產量。

4 結論

(1)連續(xù)2年，與W1N1處理相比，W3N2處理下小麥開花期植株平均干物質積累量增加32.11%，小麥成熟期植株平均干物質積累量提高13.34%。在小麥成熟期，與W1N1處理相比，W3N2處理提高了不同器官平均干物質積累量和分配比例。從小麥植株干物質轉運來看，W3N2處理下小麥營養(yǎng)器官平均干物質轉運量提高48.66%，小麥營養(yǎng)器官平均干物質轉運率增加56.34%，營養(yǎng)器官干物質轉運對籽粒平均貢獻率提高42.93%。

(2)從小麥整個生育期來看，氮素積累量呈逐漸增加的趨勢，在成熟期達到最大值。與W1N1處理相比，W2N3、W3N2和W3N3處理下小麥開花期植株平均氮素積累量分別提高12.84%、21.98%和17.67%，W2N2、W2N3、W3N2和W3N3處理下小麥成熟期植株平均氮素積累量分別增加11.15%、15.82%、20.30%和18.15%。在小麥成熟期，與W1N1處理相比，W3N2處理下小麥莖+葉鞘平均氮素積累量提高20.19%，小麥穗軸+穎殼平均氮素積累量增加27.65%，小麥籽粒平均氮素積累量提高35.99%。與W1N1相比，W3N2和W3N3處理下小麥營養(yǎng)器官平均氮素轉運量增加47.51%和40.62%，小麥營養(yǎng)器官平均氮素轉運率提高20.91%和19.50%，小麥營養(yǎng)器官氮素轉運對籽粒平均貢獻率增加6.04%和6.12%。

(3)與W1N1處理相比，W3N2和W3N3處理下小麥平均產量分別增加31.88%和15.28%。綜合小麥干物質和氮素積累、轉運變化規(guī)律得出，在滴灌水肥一體化下，W3N2處理(即小麥施純氮240 kg/hm2，底施60%純氮，拔節(jié)期追施25%純氮和灌漿期追施15%純氮，同時在拔節(jié)期、開花期和灌漿期各進行1次灌水的水肥一體化處理)能夠促進小麥營養(yǎng)器官干物質和氮素的積累與轉運及產量的提高。