玉米-小麥周年氮肥運籌對小麥‘泰山28’產量構成和旗葉光合特性的影響

呂廣德 孫憲印 孫盈盈 亓曉蕾 吳 科 錢兆國

(泰安市農業科學研究院 小麥研究所，山東 泰安 271000)

小麥和玉米是我國重要的糧食作物，玉米-小麥輪作是我國黃淮海地區的一種重要的種植模式，我國人均耕地少，提高單位面積產量對國家糧食安全有重要作用。氮素作為玉米和小麥生長的主要能量來源，在一定施用范圍內可以顯著提高玉米和小麥的籽粒產量。當前生產中主要通過大量增施化肥來追求作物高產。已有研究發現，施肥量與作物產量呈顯著正相關[1]，據2014—2016年我國種植業化肥施用狀況調查發現，玉米和小麥年均氮肥施用量分別為325.6和300.2 kg/hm2，但利用率僅為20%～40%[2-3]。當前種植模式往往只考慮單季的產量和資源利用率，忽略周年的氮肥施用，有研究報道顯示，周年施氮水平對玉米和小麥產量及產量構成因素有重要影響[4]。玉米和小麥單季施肥往往有很大的隨意性，不考慮氮肥的盈余量，缺乏周年氮肥統籌管理意識，同時，氮素施用過多并未顯著增加作物的經濟產量[5-7]，且導致一系列問題的出現，比如氮肥利用率持續下降[7-8]、地下水污染加重[9]，進而可能加重對農田生態系統的環境威脅[10-11]。作物光合作用提供的能量對作物本身的生長發育及產量提高有重要作用，測定不同氮素水平下的小麥光合特性可以反映出兩者對小麥產量提高的相互作用。

目前，玉米-小麥周年氮肥運籌對小麥特別是‘泰山28’產量及光合特性的研究尚未見報道。本試驗設置玉米-小麥周年氮素運籌條件，其中玉米季設置3個施氮量水平，小麥季設置4個施氮量水平，分析周年氮素水平對小麥‘泰山28’產量構成及光合特性的影響，旨在探討適種區域周年種植條件下氮素水平對‘泰山28’高產的生理機制，以期為小麥‘泰山28’高產栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

2016—2018年，玉米、小麥生長季在山東省泰安市農業科學研究院肥城實驗基地(35°57′ N，116°47′ E)進行，土壤類型為砂漿黑土，地力水平為中高產田。玉米-小麥周年輪作種植。玉米播種前 0～40 cm 土層土壤養分含量，見表1。

供試玉米品種為‘鄭單958’，小麥品種為多穗型品種‘泰山28’?！崋?58’設置3個施氮量處理：113(E1)、181(E2)和249 kg/hm2(E3)，施氮時期為播種期基施和大喇叭口期追施，比例為1∶1。小麥‘泰山28’設置4個氮肥處理：90(F1)、135(F2)、180(F3)和225 kg/hm2(F4)，氮肥基肥和追肥比例為1∶1，追肥時期為拔節期。共12個處理，3次重復。玉米種植密度為67 500株/hm2，試驗小區面積8.0×4.8=38.4 m2。小麥基本苗為225×104株/hm2，小區面積為8.0×1.5=12 m2。玉米和小麥單季磷肥和鉀肥分別是過磷酸鈣(含P2O516%)120 kg/hm2和硫酸鉀(含K2O 50%)90 kg/hm2，作為基肥一并施入。其他管理措施同一般大田。

表1 2016和2017年玉米種植前土壤養分含量Table 1 Soil nutrient content before maize planting in 2016 and 2017

1.2 測定項目和方法

1.2.1旗葉葉綠素含量及光合參數的測定

在開花期隨機選取長勢均勻的 10 株小麥掛牌標記，用SPAD-502葉綠素測定儀測定旗葉葉綠素含量(SPAD)值，花后每隔 15 d測定1次，計算平均值。小麥開花后在9:00—11:00使用 CIRAS-2便攜式光合作用系統測定旗葉的光合參數(光合速率、蒸騰速率和氣孔導度)，每隔7 d測定1次。

1.2.2籽粒產量及產量構成因素

在成熟期每個小區選取1 m2調查穗數；隨機取10穗，數穗粒數；脫粒后自然風干至含水量為13.0%時測定千粒重及收獲小區面積的籽粒產量。每個處理共計3次重復。

1.2.3氮肥利用效率和氮肥收獲指數的計算

氮肥利用效率(NUE)=收獲小區產量/小區施肥量；

氮肥收獲指數(NHI)=籽粒氮積累總量/植株氮素積累總量。

1.2.4數據處理

采用SPSS 20軟件對數據進行統計分析和通徑分析。由于2年結果基本一致，通徑分析采用2 年平均值進行分析，其余分析采用2年數據。采用DPS 7.05軟件進行方差分析和多重比較(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 玉米-小麥周年氮肥運籌對小麥產量及產量構成的影響

由表2可知，2016—2017和2017—2018年，玉米-小麥周年氮肥運籌對‘泰山28’的穗數、穗粒數、千粒重及產量影響基本一致。其中產量變幅分別為7 518.60～9 376.95和7 659.60～9 529.35 kg/hm2，增幅分別為24.71%和24.41%；穗數變幅分別為555.3～633.9和557.6～636.8萬穗/hm2，增幅分別為14.15%和14.20%；穗粒數變幅分別為 33.5～39.6和33.7～39.8粒，增幅18.20%和18.10%；千粒重變幅為42.03～48.85和42.55～49.42 g，增幅分別為16.23%和16.15%。玉米施氮量為E1時，隨著小麥季施氮量的增加，‘泰山28’產量及產量構成均呈現增加的趨勢；玉米施氮量為E2和E3時，隨著小麥季施氮量的增加，‘泰山28’產量及產量構成均呈現先增加后降低的趨勢，分別在E2F3和E3F2周年氮素運籌下最高。小麥季的氮素利用效率在E3F1時最高，2年分別達到90.22和92.05 kg/kg，在E1F4時最低，分別為37.49和38.52 kg/kg。小麥氮素收獲指數卻在E2F3時最低，分別為0.72和0.70。由顯著性檢驗可知，玉米施氮水平、小麥季施氮水平及兩者之間的互作對‘泰山28’籽粒產量、產量構成、氮素利用效率和氮素收獲指數的影響均呈極顯著水平。

2.2 玉米-小麥周年氮肥運籌對小麥產量構成因素的通徑分析

‘泰山28’產量性狀的Shapiro-Wilk檢驗統計量為0.978，顯著水平為 0.974>0.050，所以‘泰山28’的產量性狀服從正態分布，可以進行回歸分析。得出穗數(x1)、穗粒數(x2)、千粒重(x3)與籽粒產量的線性回歸方程y=-3 433.09+3.151x1+91.475x2+147.564x3。由DPC可以得出x1、x2、x3對y的直接作用分別是： 0.138、0.324和0.542。結果表明，x1、x2和x3的偏回歸系數顯著性均>0.950，說明自變量與因變量之間存在顯著性差異。

由表3可知，在玉米-小麥周年氮肥條件下，‘泰山28’產量構成要素中，千粒重的直接作用最大，穗粒數次之，穗數的直接作用最小。千粒重通過穗數對產量產生的間接作用較小(0.136)，但是由于千粒重的直接通徑系數 (DPCx3=0.542)較大以及千粒重通過穗粒數對產量的間接作用，使千粒重對產量的影響最大。但在本試驗條件下，‘泰山28’穗數的DPC最小，為0.138，但穗粒數和千粒重對穗數的 IDPC均較大，分別為0.315和0.532，對產量有顯著影響，PMCC=0.985。穗粒數的直接通徑系數值 (DPCx2=0.324)也較小，但穗數和千粒重對穗粒數的間接通徑系數均較大(0.134和0.526)，對產量也有顯著影響(PMCC=0.984)。

2.3 玉米-小麥周年氮肥運籌對小麥旗葉SPAD的影響

如表4和表5所示，從小麥開花期到開花后15、30和45 d的SPAD在所有玉米-小麥周年氮肥運籌條件下均呈現先上升后降低的趨勢，花后15 d時的小麥SPAD最高，2年結果分別為62.48(2016—2017年)和62.85(2017—2018年)。每個時期的小麥SPAD均在E2F3處理最高，在0、15和30 d時與其他氮素運籌處理的SPAD存在顯著差異。在開花期(花后0 d)，SPAD最高值較最低值增加10.53%(2016—2017年)和10.55%(2017—2018年)；在花后15 d時， SPAD最高值較最低值增加11.37%(2016—2017年)和11.26%(2017—2018年)；花后30 d時，SPAD最高值較最低值增加16.88%(2016—2017年)和16.77%(2017—2018年)；而在花后45 d時，SPAD值最高與最低差異不顯著。花后0、15和30 d時，玉米施氮量、小麥施氮量及其兩者之間的互作均對小麥花后旗葉SPAD值有極顯著的影響。

表2 玉米-小麥周年氮肥運籌對小麥‘泰山28’產量及產量構成的影響Table 2 Effects of annual nitrogen fertilization on yield and yield structure of ‘Taishan 28’

表3 產量及構成因素間的相關系數及其與產量的通徑系數Table 3 Correlation coefficients between yield and its components and path coefficients

表4 玉米-小麥周年氮肥運籌對小麥旗葉SPAD的影響Table 4 Effect of annual nitrogen fertilizer on SPAD of maize and wheat

表5 玉米施氮量、小麥施氮量及其互作對小麥開花后小麥旗葉SPAD的影響Table 5 The SPAD of flag leaf after flowering about N application rate of maize, N applicationrate of wheat and the interaction about N application of maize and wheat

2.4 玉米-小麥周年氮肥運籌對小麥旗葉光合特性的影響

由表6可知，2年試驗中旗葉Tr在開花后14 d達到最高，之后出現降低的趨勢，最高值均出現在E2F3處理的第14天，分別為8.88和9.42 mmol/(m2·s)。在E1水平下，隨著小麥季施氮量的增加，旗葉的Tr總體表現增加的趨勢，結果顯示2年最高值較F1分別增加4.68%(F2)，13.55%(F3)和15.61%(F4)；在E2和E3條件下，隨著小麥季施氮量的增加，旗葉Tr的變化趨勢是先增加后降低。結果表明，E2F3處理顯著提高‘泰山28’開花后7～28 d的Tr。

由表7可知，旗葉Ci在開花后 7 d 達到最高，在14天出現緩慢下降，之后出現快速降低的趨勢，2年結果均顯示最高值均出現在E2F3處理的第7天，分別為0.89和0.96 mmol/(m2·s)。在E1水平下，隨著‘泰山28’施氮量的增加，各測定時間旗葉Ci均表現增加的趨勢；在E2和E3條件下，隨著‘泰山28’施氮量的增加，各測定時間旗葉Ci的變化趨勢是先增加后降低。E2F3處理顯著提高‘泰山28’花后7～28 d 旗葉Ci。

由表8可知，旗葉Pn和Ci變化趨勢一致，均在花后 7 d 達到最高，之后出現降低的趨勢，最高值同樣出現在E2F3處理的第7天，2年結果分別為24.35 和25.51 μmol/(m2·s)。在E1水平下，隨著‘泰山28’施氮量的增加，各測定時間均表現增加的趨勢；在E2和E3條件下，隨著‘泰山28’施氮量的增加，各測定時間的變化趨勢是先增加后降低。試驗結果表明，E2F3處理顯著提高‘泰山28’開花后7～28 d的旗葉Pn，有利于小麥進行光合作用合成碳水化合物，為籽粒產量形成奠定基礎。

表6 玉米小麥周年氮肥運籌對小麥‘泰山28’旗葉Tr的影響Table 6 Effect of annual nitrogen fertilization on Tr of flag leaf of ‘Taishan 28’ mmol/(m2·s)

表7 玉米小麥周年氮肥運籌對小麥‘泰山28’旗葉Ci的影響Table 7 Effect of annual nitrogen fertilization on Ci of flag leaf of ‘Taishan 28’ mmol/(m2·s)

3 討 論

氮素對作物產量有直接的影響，施氮可顯著增加小麥籽粒產量[12-14]。薛澤民等[13]研究發現在玉米-小麥周年生產中，玉米季施氮189 kg/hm2，小麥季施氮231 kg/hm2，能夠獲得最高產量；而山楠等[15]研究發現，每季作物施氮量為200 kg/hm2時產量最合理，與本研究結果不一致，其原因可能與試驗研究中作物生長環境和作物品種不同有關[11,13,16-19]。本研究發現，玉米季施氮181 kg/hm2，小麥季施氮180 kg/hm2就能獲得小麥‘泰山28’最高產量，2年平均結果為9 453.15 kg/hm2，且產量構成均在該施氮條件下達到最高。同時，本研究發現，玉米-小麥周年施肥量通過穗數、穗粒數和千粒重共同影響‘泰山28’籽粒產量，單因素的直接通徑系數和其余兩因素的間接通徑系數累加，使得各因素對產量的相關系數較高，產量三因素對籽粒產量的相關系數分別是：穗數0.985，穗粒數0.984，千粒重0.992。說明‘泰山28’在周年氮素運籌條件下，產量構成均對氮素敏感，且顯著正相關。但有研究表明產量構成因素中普遍認為穗數對產量的影響最大[20-21]，特別是周年施肥對產量的影響[19]，分析原因可能與所用品種的特性有關。本研究中‘泰山28’施肥模式也滿足機械化及簡便施肥的需求，結合魯中地區中高產田作物產量及地力性狀，探究適合于區域特性的玉-麥輪作下作物施肥模式，符合夏玉米和冬小麥機械化施肥技術的發展要求[22]。

已有研究表明，增施氮肥能夠顯著增加小麥葉片葉綠素含量，提高光合速率[23]，并且隨著施氮水平的提高，小麥葉片光合速率呈現先增加后降低的趨勢[24]。已有研究結果顯示，小麥葉片葉綠素含量和光合速率均處于最高值時的施氮量水平與本研究不同[24-27]，分析原因可能與研究地區環境和所用小麥材料有關[28-29]。由于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[30]，即降低碳水化合物的積累，影響植株生長。本研究發現，玉米季施氮181 kg/hm2和小麥季施氮180 kg/hm2時，‘泰山28’的旗葉凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度均表現最高值，但當兩者之間的用量不協調時，凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度均表現為降低，說明兩者之間的協調關系為玉米季施氮量為181 kg/hm2和小麥季施氮量為180 kg/hm2。

表8 玉米小麥周年氮肥運籌對小麥‘泰山28’旗葉Pn的影響Table 8 Effect of annual nitrogen fertilization on Pn of flag leaf of ‘Taishan 28’ μmol/(m2·s)

4 結 論

通過測定分析周年不同氮肥運籌條件下‘泰山28’旗葉SPAD值、蒸騰速率、氣孔導度和凈光合速率，并分析周年氮素運籌對‘泰山28’籽粒產量及產量構成的效應，2年結果表明，在玉米季施氮量為181 kg/hm2和‘泰山28’施氮量為180 kg/hm2時，‘泰山28’光合能力最強，且產量平均為9 453.15 kg/hm2，較最低氮肥運籌處理提高24.56%，同時通過通徑分析發現，該周年施肥模式下穗數、穗粒數和千粒重均對‘泰山28’的產量影響較其他施肥模式影響顯著。綜合考慮玉米季施氮量為181 kg/hm2和小麥季施氮量為180 kg/hm2是山東省‘泰山28’周年種植條件下的合理氮肥運籌。