減氮適水對冬小麥光合特性與土壤水氮分布的影響

叢 鑫 龐桂斌 張立志 徐征和 楊金梁 牟曉宇

(1.濟南大學水利與環境學院， 濟南 250022； 2.山東省水利科學研究院， 濟南 250014)

0 引言

華北平原是我國重要糧食產區，其糧食產量占我國糧食總產量的20%[1]，冬小麥-夏玉米輪作是該地區的主要種植模式。糧食產量提高在很大程度上依賴于水肥的投入。在生產中為了追求高產量往往投入大量的水肥，過量的水肥會造成土壤剖面硝酸鹽積累和地下水污染。華北平原糧食種植區普遍面臨著地下水超采[2]與污染[3]的環境問題。

有研究指出，水氮管理在提高糧食產量和水氮利用效率、減少氮素損失方面具有很大的潛力[4-5]。關于華北平原灌溉量與施氮量對冬小麥水氮利用效率、光合特性和產量的影響研究很多，但通過試驗所得適宜水氮量并不一致。呂廣德等[6]在山東省泰安市以“泰山28”冬小麥為研究對象進行試驗，發現450 m3/hm2和180 kg/hm2的水氮互作處理可顯著增強冬小麥干物質轉化和旗葉的光合能力，從而增加了籽粒產量；張經廷等[7]在河北省進行冬小麥水肥試驗，提出基于作物相對產量的水肥耦合類型的評定方法，確定了150 mm和120 kg/hm2的水氮組合協同增產效果最為明顯；史辛凱等[8]在山東省兗州市以“煙農1212”為研究對象進行試驗，發現在維持拔節期和開花期0～40 cm土層相對含水量均補灌至70%的灌溉水平下，210 kg/hm2的施氮量可以顯著提高氮肥利用效率。上述研究中最佳水氮量的不同可能是由于冬小麥品種、種植區域土壤或氣候的差異性而導致。

本研究在華北平原高水肥的生產基礎上，通過減氮適水來調整設定不同的水氮方案，研究水氮協同對冬小麥生育期內土壤水氮分布、淋失以及冬小麥光合特性、產量的響應，以確定最佳的水氮方案，在保證冬小麥高產的前提下，提高土壤蓄水的利用水平，降低硝態氮在土壤中的積累與淋失，緩解過量施肥造成的效益降低與環境污染，為華北平原在節水減肥環保條件下實現冬小麥高產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

2018—2019年冬小麥生長季，在山東省灌溉試驗中心站(36°34′N，116°50′E)利用水肥滲漏池小區進行田間試驗。試驗田地勢平坦，地力均勻，前茬作物為夏玉米，土壤質地為壤土。冬小麥播種前試驗田0～20 cm土層土壤含有機質質量比10.89 g/kg、全氮質量比1.07 g/kg、堿解氮質量比87.60 mg/kg、速效磷質量比22.26 mg/kg、速效鉀質量比83.98 mg/kg。0～100 cm 土層平均土壤容重為1.57 g/cm3，平均田間最大持水量為25.6%。冬小麥生育期總降雨量為100.5 mm，自然降雨量分布見圖1。研究區自然降雨量少且分布不均，不能滿足冬小麥高產生長發育的需要，需補充灌溉。

1.2 試驗設計

采用水氮二因素三水平完全組合設計，3個供水水平，分別為減水(W1，60%ETc(參考作物需水量)，300 mm)、適水(W2，75%ETc，370 mm)和足水(W3，ETc，495 mm)；3個施氮水平，分別為施氮量優化45%(N1，180 kg/hm2)、施氮量優化23%(N2，255 kg/hm2)和高氮(N3，330 kg/hm2)，3次重復，共27個小區，小區面積6.67 m2。小區灌溉分為4次，灌溉量見表1；小區施肥分為2次，于播種前施基肥，其中磷肥(過磷酸鈣)為150 kg/hm2，鉀肥(硫酸鉀)為150 kg/hm2，同時施入50%氮肥(尿素)；拔節期追施剩余50%氮肥。供試冬小麥品種為“山農28號”，于2018年10月16日播種，播種量130 kg/hm2，2019年6月1日收獲。其他管理措施同一般高產大田。

表1 試驗區冬小麥生育期間灌溉量

1.3 測定項目與方法

1.3.1土壤含水率和全生育期土壤耗水量

在土壤深度為20、40、60、80、100 cm處安裝中子探針實時監測冬小麥全生育期土壤體積含水率變化，將其轉化為質量含水率(SWC，%)。

全生育期土壤耗水量(ΔS，mm)的計算公式為

ΔS=WH-WS=hρ(SWCH-SWCS)×10/100

(1)

式中WH——收獲后蓄水量，mm

WS——播種期蓄水量，mm

h——土層深度，cm

ρ——土壤容重，g/cm3

SWCH——收獲后含水率，%

SWCS——播種期含水率，%

(2)

式中NL——硝態氮淋失總量，kg/hm2

n——淋溶液收集次數

CNLi——硝態氮淋失質量濃度，mg/mL

Vi——淋溶液體積，mL

S——小區面積，m2

1.3.4產量

收獲時，從每個地塊隨機抽取1個1 m2樣方由人工剪穗。最后用脫粒機對樣方冬小麥進行脫粒，自然風干后稱量，換算為實際產量(Y，kg/hm2)。

1.3.5旗葉葉綠素相對含量

在冬小麥抽穗期與灌漿期，用日本SPAD-502 Plus型葉綠素儀測定冬小麥旗葉葉綠素相對含量(SPAD)，在09:00—11:00對每個處理3個重復中的3株冬小麥的9片旗葉葉片進行測定。

1.3.6光合參數

在孕穗期和灌漿期灌水2 d后測定旗葉的光合生理指標。用Li-6400型光合作用測定系統(Li-cor, 美國)選擇晴天(09:00—11:00)對每個處理的3個重復中的3株冬小麥的9片旗葉葉片測定葉片光合速率(Pn, μmol/(m2·s))、氣孔導度(Gs,mol/(m2·s))、蒸騰速率(Tr, mmol/(m2·s))和胞間CO2濃度(Ci, μmol/mol)。

1.3.7光響應曲線

在冬小麥灌漿期測定光合作用的同時，在0～1 800 μmol/(m2·s)光照范圍內設置12個光合有效輻射(PAR)(0、50、100、200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 μmol/(m2·s))，測量各處理旗葉的凈光合速率(Pn)。通過直角雙曲線修正模型[9]對光響應曲線進行擬合，可以確定表觀量子效率α、最大凈光合速率Pn,max、表觀暗呼吸速率Rd、光補償點LCP和光飽和點LSP指標。

1.4 數據處理

采用Excel 2010和SPSS軟件整理數據，以Excel 2010和Surfer 15軟件作圖，SPSS軟件進行方差分析和多重顯著性比較，表中每個指標值均為3個處理的均值，采用LSD法對數據進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 冬小麥生育期土壤含水率分布

圖2為冬小麥生育期0～100 cm土層土壤含水率(SWC)的變化情況。隨著生育期的推進，不同處理下的SWC逐漸出現差異，不同灌溉量相對施氮量的SWC差異顯著，整體由大到小表現為W3、W2、W1。從苗期開始到拔節期SWC雖總體在下降，但下降速度不大，且越往深層下降越慢，這是因為冬小麥該階段需水量較小；隨著后期試驗灌溉量的不同和冬小麥需水量的增加，W1處理相對其他處理的SWC在灌漿期顯著較低，明顯不能滿足冬小麥的生長需求，會影響籽粒的灌漿程度，導致產量下降。在相同灌溉處理下，SWC在不同施氮處理下，總體由大到小依次為N3、N1、N2，這說明適量施氮才有利于冬小麥對土壤水分的吸收。

進一步分析不同水氮處理對各土層土壤蓄水的消耗(表2)表明，在冬小麥成熟時，0～100 cm土壤總體耗水量隨灌溉量的增加而減少，在相同灌溉定額下隨施氮量的增加呈現先增后減的趨勢，水氮對各土層的耗水量均表現出顯著性差異。其中，W3下60～80 cm土層含水率較播種前更高，說明W3下的土壤水分有所下移，利用程度相對較低。在不同施氮量下，W1平均比W2、W3分別多利用土壤蓄水16.96、58.13 mm，W1N2相對其他處理騰出了較多的土壤水分庫容。減氮適水W2N2處理利用土壤蓄水量比高氮足水W3N3處理多41.12 mm。

表2 不同處理下冬小麥生育期0～100 cm土壤耗水量

2.3 減氮適水對冬小麥旗葉光合特性的影響

2.3.1冬小麥光合特性

由表3可以看出，冬小麥抽穗期的光合速率顯著高于灌漿期。在抽穗期，僅施氮對Pn、Tr、Gs、Ci產生顯著影響。因此，此時期氮對冬小麥光合特性的影響明顯大于水和水氮交互效應，這說明適量的抽穗水就可以滿足冬小麥葉片光合作用的需求，過量灌溉對提高冬小麥光合特性沒有顯著影響。

表3 不同處理下的冬小麥光合特性參數

在灌漿期，灌溉、施氮對冬小麥葉片Pn、Tr、Gs、Ci均達到極顯著水平；水氮交互作用對Pn達到顯著水平，對Tr、Gs、Ci達到極顯著影響。不同水氮處理下，葉片Pn、Tr、Gs隨水氮的變化趨勢一致，僅Ci呈相反變化趨勢。具體表現為：在相同施氮水平下，葉片Pn、Tr、Gs在不同灌溉水平下由大到小表現為W2、W3、W1，且W2和W3顯著大于W1，但二者差異不顯著。這說明在底墑、拔節水和抽穗水的基礎上，適量的灌漿水能顯著提高灌后冬小麥的光合速率。在相同灌溉處理下，光合速率由大到小依次為N2、N3、N1，N2、N3下Pn顯著高于N1，但N2、N3之間差異不顯著，說明減氮可增強旗葉光合速率，高氮并沒有表現出優勢，反而光合速率會有不同程度降低。不同水氮處理葉片Pn、Tr、Gs最大值出現在W2N2處理。

SPAD表現為隨灌溉量與施氮量的增加先增后減的趨勢，且相同灌溉下N2與N3、相同施氮下W2與W3之間差異均不顯著，證明了高施氮肥與足水灌溉對葉片葉綠素含量均不會表現出優勢。

2.3.2冬小麥光合響應曲線

圖5為在不同灌溉與施氮條件下灌漿期冬小麥旗葉葉片的光響應曲線，不同水氮處理的冬小麥光合響應曲線有所差異。但各曲線在總體趨勢上一致，表現為在0～400 μmol/(m2·s)下光合速率迅速增強，之后緩慢變化，在PAR為1 200 μmol/(m2·s)左右達到最大并趨于平穩。在相同灌溉下，N2處理冬小麥葉片在相同光強下的光合速率高于N3和N1處理。在相同施氮條件下，W2與W3下的曲線顯著高于W1，從光響應曲線隨灌溉減少而下降的幅度來看，N1下響應曲線間的光合速率下降幅度比N2與N3處理大，這說明增加施氮量可以改善水分不足對冬小麥葉片光合作用的影響。所有光響應曲線在PAR高于600 μmol/(m2·s)時，不同灌溉水平的光響應曲線間差距變大，這表明水分虧缺均會導致葉片對強光適應能力降低。

利用直角雙曲線修正模型擬合光響應曲線計算出參數(表4)。可以看出，不同水氮下光響應曲線擬合較好(R2>0.9,P<0.01)，均達到極顯著水平，但不同灌溉量與施氮量對光響應曲線參數的效應不同。W2N2處理α最高，說明W2N2對弱光的利用最強；在W1下α隨施氮量的增加而降低，在W2與W3下α隨施氮量的增加先增加后降低，說明適量補水條件下，增施氮肥可以提高葉片對弱光的利用；在同一施氮水平下，α隨灌溉量的增加表現為先增后減的趨勢，說明適量增加灌溉可提高旗葉對弱光的利用。Pn,max在相同灌溉條件下均隨施氮量的增加呈現先增后減的趨勢，N2平均比N1與N3處理增加13.1%、2.4%。在W2下減氮(N2)處理Pn,max最高，說明減氮適水可提高凈光合速率，過量灌溉和施氮反而會降低Pn,max。同時，不同水氮處理對Rd和Pn,max有相同的效應，說明減氮適水也增加了暗呼吸速率。而W2N2光補償點最低，也表現出了較高的光合潛能。

表4 灌漿期不同處理旗葉光響應曲線的模擬參數

可見，W2N2處理可以提高冬小麥旗葉對光的廣幅適應能力，對提高光合能力具有明顯的作用。

2.4 產量與光合特性、光響應參數的相關性分析

各處理冬小麥產量(圖6)表現出明顯差異，W2灌溉水平下的各施氮處理產量明顯高于W1與W3下相應處理，W2N2處理產量最高。

相關分析表明(表5)冬小麥產量與灌漿期的冬小麥葉片的SPAD、光合特性有著很高的相關系數，與光響應參數中α、Pn,max和LCP指標也存在一定相關性。產量與SPAD和Pn的相關系數高于其他參數的相關系數，說明灌漿期旗葉葉綠素含量和凈光合速率對冬小麥光合產物的積累與轉移影響相對較大，灌漿期可以通過水氮因素二者調節來提高冬小麥產量。另外，冬小麥產量會因旗葉Ci與LCP的增加而受到抑制。但產量與抽穗期冬小麥葉片的SPAD、各光合特性均不相關，這表明灌漿期的水氮并未對產量造成顯著影響，且進一步說明了灌漿水對產量影響顯著。

表5 產量與光合特性、光響應參數的相關系數

3 討論

為了實現作物高產、高水肥利用效率和生態環境保護，農學家們提出了土壤-作物綜合系統管理[15]，以協調水肥的施用，實現產量與環境協調發展，本文的研究核心與此類研究理念相吻合。

眾多研究[16-18]顯示，抽穗至灌漿期的冬小麥光合作用直接決定著產量，水、氮對冬小麥的光合生理特性影響顯著。本試驗中，在分析冬小麥旗葉光合特性與產量的相關性中發現，在灌漿期旗葉的光合指標Pn、Tr、Gs與產量Y呈顯著性正相關(表5)，這與唐曉培等[19]在研究產量與光合特性關系時結果一致。曹樹青等[20]發現，高產品種冬小麥灌漿期旗葉的光合功能持續高效，證明了光合與灌漿同步興衰的觀點。同樣，在本研究中，W2N2處理的光合能力與產量均最高，這充分說明了灌漿期旗葉較強的光合能力對作物高產的重要性。

眾多學者研究了水氮對冬小麥旗葉光合特性的影響。陳旭等[21]、石珊珊等[22]研究均表明水分虧缺使冬小麥旗葉葉綠素含量、光合速率下降，而適宜水分下旗葉光合性能得到顯著改善，籽粒產量增加。本研究中，供水量495 mm(W3)和370 mm(W2)處理的SPAD、Pn、Tr顯著高于供水量300 mm(W1)處理，表明低供水量下冬小麥葉片水分不足，導致氣孔關閉，影響CO2從空氣到細胞內部的擴散，Pn、Tr從而降低，這也與REDDY等[23]研究結果一致。文獻[24-26]研究表明，合理的施氮量能顯著提高冬小麥葉片的光合速率，但過量施肥會導致灌漿后期葉片早衰，降低光合速率。該觀點在本試驗中同樣得到了驗證，高氮(N3)處理無論在足水(W3)還是適水(W2)條件下均不能產生最佳的耦合效應，反而導致葉片光合性能下降。

在水氮互作對冬小麥光合速率的影響中，不同研究提出了各自的高光合速率組合[6,16-17]，但其核心內容均是合理適度灌溉和施氮，這與本研究提出的減氮適水的理念相吻合。

4 結束語