氮肥基追比例對春小麥莖鞘非結構碳水化合物及產量的影響

王海琪,蔣桂英,黃藝華,王榮榮,馬艷梅,晏世杰

(石河子大學農學院，新疆石河子 832000)

小麥(TriticumaestivumL.)是新疆最重要的糧食作物，2020年全疆小麥種植面積達到1.62×106hm2，約占糧食作物總播種面積的 48.18%[1]，小麥的穩產高產對新疆糧食安全具有重要意義。氮素是影響作物生長發育的關鍵營養元素，其施入量、施入時期及追施比例直接影響著小麥同化物的積累與轉運[2]。適宜的氮肥運籌因環境而異，長江中下游流域麥區施氮量一般為220～250 kg·hm-2，基追比例6∶4有利于同化物的積累與轉運及高產[2-4]；華北平原麥區適宜的氮肥施用量一般為270 kg·hm-2左右，基施 肥∶拔節肥∶孕穗肥6∶3∶1有利于花后維持較高的物質生產能力和高產[5]。適宜的氮肥基追比例可實現氮素的高效利用和小麥高產。

莖鞘是谷類作物重要的物質貯藏和轉運器官[6]，其對光合物質的積累、分解、運轉能力影響小麥籽粒產量[7]。小麥花前、花后貯藏在莖鞘的光合同化物大多為非結構性碳水化合物(non-structural carbohydrate，NSC)，約占莖鞘干重的40%以上[8]，對籽粒干物質貢獻率在適宜條件下為 11%～47%，在逆境下可到達29%～100%[9]。適宜的施氮方式有利于更多的貯藏物質由莖鞘向籽粒中轉運，而氮肥過多或過少則不利于其積累和轉運[10]。長江中下游麥區的氮肥施用量為240 kg·hm-2、基追比例為5∶5時，莖鞘貯藏物質在花前、花后積累總量最大[11]。不同小麥品種的花前干物質的轉運能力存在顯著的差異，高產型小麥品種的花前干物質積累量及其運轉率較低產型高[12]。貯藏在莖鞘中的NSC主要為果聚糖和蔗糖[13]。果聚糖占NSC含量的60%～85%[14]，反映了莖鞘貯藏NSC的能力[15]，并作為信號物質參與小麥抗逆代謝調控[15-16]。小麥植株中果聚糖的轉運和代謝是復雜的生理過程，其變化受自身生長節律和外部因素的雙重調控[17]。侯有良等[18]認為，悉尼地區的高蛋白質基因型小麥品種在增施氮肥后(0～200 kg·hm-2)可顯著降低植株內果聚糖的累積與運轉速度。已有研究證明，果聚糖代謝主要受蔗糖果糖基轉移酶(sucrose fructosyltransferase，SST)和果聚糖外水解酶(fructan exohydrolase，FEH)調控[17,19]。當莖鞘干重降低時，其中的果聚糖經SST酶催化合成[20]，由FEH酶分解轉運，最終形成籽粒產量[21]。姜 東等[22]在華北麥區發現，在施氮量為210～330 kg·hm-2范圍內，增加施氮量可增加小麥莖鞘中果聚糖含量，提高SST酶活性，抑制FEH活性，但不利于成熟期小麥莖鞘中果聚糖的分解和運輸。可見，氮肥量及施用比例對小麥莖鞘中果聚糖代謝以及籽粒產量有很大的影響。

實現水、肥、藥一體化施用與田間智能管理、降低人工與投入成本的滴灌技術，已成為新疆小麥生產的主要栽培技術。迄今，滴灌條件下氮肥基追比例對小麥莖鞘中貯藏物質的積累與再轉運動態規律鮮有報道，對貯藏物質及其相關酶的影響及其與粒重的關系尚不清楚。為此，本試驗在前人研究的基礎上，選取新疆當地強筋和中筋小麥品種為材料，研究莖鞘中NSC、果聚糖的代謝特征，分析花后關鍵生育階段莖鞘中NSC和果聚糖積累和再轉化動態規律，以期了解莖中NSC和果聚糖向籽粒轉運的氮素響應機制，為新疆麥區滴灌小麥氮肥的高效利用和高產栽培提供科學 依據。

1 材料及方法

1.1 試驗區概況

試驗于2020年4月-7月在新疆石河子市石河子大學農學院實驗站(85°59′ E，44°18′ N)進行。石河子多年平均氣溫為7.5～8.2 ℃，多年平均降水量208 mm，平均蒸發量1 660 mm，屬于典型的大陸性氣候，2020年溫度略高于多年平均溫度，屬于常規年型，具體見圖1。供試土壤類型為灌溉灰漠土，其中0～20 cm土層養分基本狀況為: 有機質28.4 g·kg-1，全氮1.3 g·kg-1，堿解氮71.3 mg·kg-1，速效磷15.2 mg·kg-1，速效鉀159 mg·kg-1。

圖1 小麥生育期間日平均溫度和降雨量

1.2 試驗設計

試驗采用裂區設計，小麥品種為主區，供試品種為中筋型品種新春6號(XC6，蛋白質含量 13.5%)和強筋型品種新春37號(XC37，蛋白質含量 16.3%)；氮肥基追比為副區，設置5種氮肥處理，具體見表1。各處理重復3次，小區種植面積為12 m2(3 m×4 m)，各個小區間埋置100 cm深度的防滲膜，防止肥料外移。生育期間施氮處理施用純氮250 kg·hm-2。除不施肥處理外，其余處理的各小區在播前將120 kg·hm-2的P2O5(磷酸二銨)作基肥施入，再根據各處理的基追比例，用尿素對基施和追施的施氮量進行調整。全生育期共灌水9次，總灌溉量為6 000 m3·hm-2，各個時期的灌溉量通過水表精確控制。小麥于2020年3月28日播種，播量為345 kg·hm-2，采用寬窄行、“一管4行”方式種植，行間距為 12.5+20+12.5+15 cm(如圖2)，滴灌帶(管徑16 mm，滴頭間距30 cm，流量2.6 L·h-1)放置在20 cm的寬行，其他田間管理同當地大田生產。于2020年7月6日收獲。

圖2 滴灌帶布置示意圖

表1 各處理間氮肥基追肥施用量

1.3 測定指標與方法

1.3.1 莖鞘干物質測定及相關指標計算

開花期掛牌標記同一日開花的小麥。于開花期和成熟期選取10株有代表性的小麥單莖，置于105 ℃烘箱內殺青30 min，于70 ℃下烘干至恒重。將莖鞘分為穗下節(穗下第一個節間及其基部節)，倒二節(穗下第二個節間及其基部節)和其余節，分別測量每節重量。開花前莖鞘同化物的轉運量、轉運效率及其對籽粒產量貢獻率的計算公式參照Bonnett[23]方法。

1.3.2 NSC含量的測定及相關指標計算

于花后0 d(開花期)、7、14、21、28和35 d(成熟期)，取同一日開花的5株小麥單莖，將莖鞘按穗下節、倒二節和其余節分樣，參照楊建昌[24]及馬召朋[25]的方法測定NSC含量并計算NSC花前、花后轉運效率及其對粒重貢獻率。

NSC積累量=NSC含量×干物質量；

花前NSC轉運效率=(開花期NSC積累量-成熟期NSC積累量)/開花期積累NSC量×100%；

花后NSC轉運效率=(最大NSC積累量-開花期NSC積累量)/最大NSC積累量×100%；

花前NSC對籽粒粒重貢獻率=(開花期NSC積累量-成熟期NSC積累量)/(1 000×主穗粒重)×100%；

花后NSC對籽粒粒重貢獻率=(最大NSC積累量-開花期NSC積累量)/(1 000×主穗粒重)×100%。

1.3.3 果聚糖相關酶活性及含量的測定及計算

在花后0 d(開花期)、7、14、21、28和35 d(成熟期)取標記小麥10株，將莖鞘按其余節、倒二節和穗下節分樣，其中5株用于測定果聚糖含量；另外5株小麥鮮樣置入液氮，隨后于-80 ℃保存，用于測定果聚糖代謝關鍵酶活性。

蔗糖果糖基轉移酶(SST)和果聚糖外水解酶(FEH)活性測定參照Verspreet[14]方法；果聚糖含量測定參考劉燕瓊等[26]方法。果聚糖花前、花后轉運效率及其對籽粒產量貢獻率計算參照楊德龍等[27]的方法。

1.3.4 產量的測定

于小麥成熟期隨機選取1 m2調查小麥穗數，從中隨機選取20個植株，測定穗粒數和千粒重。小區人工收割，籽粒曬干、稱重后計算籽粒產量。重復3次。

1.4 數據分析

使用Microsoft Excel 2016進行數據處理和圖表繪制，利用SPSS 22.0進行統計分析，運用Duncan及LSD方法進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 氮肥基追比對小麥不同節位的果聚糖代謝和粒重影響

2.1.1 對果聚糖關鍵酶活性的影響

由表2可知，不同氮肥基追比處理下，兩個小麥品種植株不同節位的SST活性均隨花后天數增加均呈先上升后降低的趨勢，花后21 d最大，花后35 d(成熟期)最小；除成熟期外，不同處理下SST活性其他時間均表現為N37>N46>N55>N28>N00。與對照(N00)相比，其余節SST活性在基追比處理N37時差異顯著(P< 0.05)，與其他處理差異不顯著。各處理SST活性均表現出隨節位降低而升高的趨勢，即其余節>倒二節>穗下節，即其余節活性 (2.04～14.31 mg·g-1DW)最高，分別比倒二節、穗下節高出38.01%，101.33%。兩品種SST活性變化趨勢一致，但整體表現為XC37高于XC6。

表2 氮肥基追比例對春小麥穗下節、倒二節和其余節蔗糖果糖基轉移酶(SST)活性的影響

不同氮肥基追比下，小麥植株不同節位的FEH活性隨花后天數增加呈“降-升-降”的變化，花后14 d最低，28 d最高，35 d成熟期快速下降(表3)，各處理間均表現為N37>N46>N55>N28>N00。除成熟期外，各節位FEH活性在基追比為3∶7時，與對照(N00)差異顯著(P< 0.05)，與其余處理差異不顯著。FEH活性隨小麥節位的下降而升高的趨勢(除花后28 d)，表現為其余節活性(71.32～85.30 mg·g-1DW)最高，分別比倒二節、穗下節高出3.28%、19.26%。兩品種FEH酶活性變化趨勢一致，表現為XC37高于XC6。

表3 氮肥基追比例對春小麥穗下節、倒二節和其余節果聚糖外水解酶(FEH)活性的影響

2.1.2 果聚糖含量的變化

由圖3可知，在不同氮肥基追比處理下，小麥莖鞘不同節位的果聚糖含量隨花后天數增加呈先升后降的趨勢，花后21 d最高，35 d最低，表現為N37>N46>N55>N28>N00，且各節位果聚糖含量均以N37處理顯著高于其他處理(P< 0.05)，分別比N00、N28、N46、N55處理高 68.07%、 35.62%、17.58%、25.32%。花后21 d時其余節果聚糖含量最高(76.84～116.51 mg·g-1DW)，分別比倒二節和穗下節高 11.48%～16.76%和22.76%～40.35%。兩品種果聚糖含量變化趨勢一致，表現為XC37大于XC6。

圖3 氮肥基追比例對滴灌春小麥穗下節(A,D)、倒二節(B,E)和其余節(C,F)果聚糖含量的影響

2.1.3 果聚糖轉運對粒重的貢獻

由表4可知，就果聚糖轉運而言，品種對被測莖節的花前轉運效率無顯著影響，對穗下節和其余節的花后轉運效率及花前和花后轉運對粒重的貢獻率均有顯著效應，氮肥基追比對被測指標均有顯著效應(其余節的花后轉運效率除外)。各氮肥基追比中，除XC6的倒二節花前轉運對粒重貢獻率外，N37處理下不同節位的花前和花后果聚糖轉運效率及其對粒重的貢獻率與對照(N00)相比均存在顯著性差異(P<0.05)，其中，兩個品種的倒二節和其余節的花前轉運效率和穗下節的花后轉運效率均顯著低于對照，其他被測指標均顯著高于對照。不同節位間果聚糖轉運效率略有差異，其余節果聚糖轉運效率(41.71%～78.62%)和貢獻率 (4.27%～43.42%)高于穗下節 (33.31%～ 65.57%，1.54%～17.57%)和倒二節(33.33%～ 71.94%，3.18%～28.7%)。兩品種花后果聚糖轉運效率及其對粒重貢獻率均高于花前，XC37轉運效率及對穗粒重貢獻率整體高于XC6。

表4 氮肥基追比例對滴灌春小麥各節花前和花后果聚糖轉運效率、貢獻率的影響

2.2 NSC轉運對粒重的影響

由表5可以看出，就NSC而言，品種對倒二節花前和花后轉運效率影響不顯著，對其他被測指標均有顯著效應(P<0.05)；氮肥基追比對被測指標均有顯著影響。各氮肥基追比中，不同節的花前、花后NSC轉運效率及其對粒重貢獻率均在N37處理下達到最大值，且均顯著高于相應N00處理；花前、花后貢獻率表現出N37>N46>N55>N28>N00趨勢。NSC轉運效率達到 50.42%～70.27%，對粒重貢獻率為2.77%～53.94%。不同節位花前和花后NSC轉運效率略有差異，其余節NSC轉運效率(63.54%～ 70.27%)和貢獻率 (8.34%～53.94%)較高，穗下節(50.42%～ 66.89%，3.61%～25.17%)次之，倒二節 (61.44%～67.80%，2.77%～ 19.04%)較低。兩品種不同節位NSC花前轉運效率及其對粒重貢獻率普遍低于花后；XC37的轉運效率、對粒重貢獻率基本高于XC6。

表5 氮肥基追比例對小麥各節花前和花后NSC轉運效率、貢獻率的影響

2.3 莖鞘干物質的轉運特點

由表6可知，品種和氮肥基追比對被測指標均有顯著影響，二者對被測指標無顯著互作效應。各氮肥基追比處理下，小麥莖鞘不同節間的干物質轉運量略有差異，N37處理與N00處理相比顯著提高了兩個品種倒二節和其余節的干物質轉運量(P< 0.05)。小麥莖鞘不同節的干物質轉運量對籽粒產量貢獻率隨莖節下降呈增加趨勢，即其余節>倒二節>穗下節；與N00處理相比，N37處理提高了倒二節和其余節干物質轉運效率、對籽粒產量貢獻率，降低了穗下節干物質轉運效率、對籽粒產量貢獻率。兩品種干物質轉運效率、對籽粒產量貢獻率均以XC37高于XC6。

表6 小麥莖鞘干物質的轉運率及其貢獻率

2.4 氮肥基追比對春小麥籽粒產量的影響

從表7可以看出，產量受氮肥基追比及其與品種互作的影響顯著，兩個品種產量及構成均隨氮肥基追比例的增加呈先增后降的趨勢，表現為N37>N46>N55>N28>N00，其中N37處理與其他處理差異顯著(P<0.05)；XC37在N37處理下的千粒重、穗粒數、穗數及產量分別比N00處理高19.89%、46.77%、34.69%、53.59%；XC6在N37處理下分別比N00高20.45%、38.21%、 32.48%、52.68%。兩品種相比，XC37產量及構成高于XC6。說明適宜的氮肥基追比例(3∶7)能夠增加小麥的千粒重、穗粒數、穗數和產量。

表7 滴灌春小麥產量及產量構成因素的變化

3 討 論

3.1 氮肥基追比例對滴灌春小麥莖鞘果聚糖及其關鍵酶活性的影響

果聚糖可占小麥莖鞘干重的40%以上，是小麥莖鞘中關鍵性的儲藏型碳水化合物[28]，最高可達莖鞘NSC的85%[9]。果聚糖代謝受自身和外界因素的雙重調控[29]，同時影響籽粒重量[14,27]。SST可調控小麥體內果聚糖的合成，FEH則調控其降解[1]。姜 東等[17,19,22]研究認為，在花后 15～20 d小麥莖鞘中果聚糖的積累量可達到最大，且此時相關酶活性較高，花后10 d FEH酶活性開始升高，25～30 d達到分解高峰。本研究中，果聚糖含量及SST活性均在花后21 d達最大值，而FEH活性在 28 d達到最大，與姜 東等[22]研究結果基本一致。前期莖鞘中FEH活性較低，分解能力較弱，利于開花前期果聚糖在莖鞘中積累，開花后期FEH活性逐漸升高，導致籽粒發育后期果聚糖含量迅速降低。

適宜的施氮量不僅可以促進小麥莖鞘中果聚糖積累，還可促進其向籽粒的運轉；而過高的氮則抑制果聚糖累積和運轉，最終造成減產[10,30]。本研究發現，不同氮肥基追比下小麥莖鞘中的果聚糖含量轉運效率變動于33.31%～77.39%，對粒重的貢獻率在1.54%～43.42%之間，小麥各莖節都積累較多的果聚糖，以其余節和倒二節最多，不同莖節花后轉運對粒重貢獻率普遍高于花前。楊德龍[27]發現，在正常灌溉處理下果聚糖花后轉運效率普遍高于花前，這與本試驗結果一致。各氮肥基追比中以N37處理的果聚糖含量及SST、FEH活性最高，且均顯著高于N00處理。說明適宜的氮肥基追比例(3∶7)促進了各節中果聚糖含量的合成和積累以及達到峰值后的降解，從而促進了果聚糖運轉。

3.2 氮肥基追比例對滴灌春小麥莖鞘NSC轉運的影響

小麥莖鞘中NSC對產量形成尤為重要，通常對粒重貢獻率可達20%以上[29]。籽粒產量與莖鞘暫貯物質的積累與運轉密切相關[31]。馬尚宇等[32]認為，莖鞘中貯存的NSC花前轉運對粒重貢獻率可達到3%～30%，花后轉運對粒重貢獻率為10%～25%。本研究發現，不同氮肥基追下的NSC花前、花后轉運對粒重貢獻率可達 2.77%～13.28%；7.89%～ 53.94%，高于上述研究。可能因小麥莖鞘中NSC含量的高低受環境因素調控[33]。馬召朋[25]認為，干旱促進了小麥莖鞘花前NSC轉運以及對粒重貢獻率；Bahrani等[34]在地中海地區發現，適宜的氮肥施用量(80 kg·hm-2)可促進小麥莖鞘中的NSC轉運效率的提高，而過量氮肥(160 kg·hm-2)則會降低NSC轉運效率。也有人認為，在長江中下游麥區施氮量為240 kg·hm-2下，莖鞘暫貯物在基追肥比例由2∶8上升為5∶5時可使花前、花后轉運效率提高14.64%和 18.55%[11]。本研究發現，施氮量為250 kg·hm-2的條件下，基追比為3∶7時，可獲得較高的NSC轉運效率及其對粒重貢獻率。當基追肥比例過大時，不利于其對粒重的貢獻。可見，適宜的氮肥基追比例能夠顯著提高NSC轉運以及對粒重貢獻率。兩品種小麥對不同氮肥基追比例的響應也有所不同，XC37其余節、倒二節的NSC花前轉運效率增幅( 5.44%， 8.36%)高于XC6(4.47%， 7.86%)；XC37對粒重的貢獻率(3.14%～ 53.94%)的普遍高于XC6(2.77%～42.67%)。兩品種小麥花前轉運效率、貢獻率普遍低于花后。

3.3 氮肥基追比例對滴灌春小麥莖鞘干物質及產量的影響

莖鞘是同化物臨時貯藏和轉運的器官，其物質轉運能力和積累量與小麥籽粒產量關系密切[7]。增施氮肥可促進莖鞘中的同化物向籽粒中運輸分配[35]。王月福等[36]發現，在適宜施氮量(180 kg·hm-2)內，增加施氮量可促進花前貯藏物質向籽粒運轉；但氮肥過量則會導致莖鞘干物質花后轉運效率下降9.14%～15.46%，這可能是與品種特性、土壤肥力不同有關。張向前等[2]認為，長江中下游小麥在施氮量一定情況下，以基追比為6∶4時產量及干物質積累量最高。姜麗娜等[37]則發現，豫中小麥在氮肥施用量為270 kg·hm-2時，基追比例為3∶7，可促進小麥產量的提高。本試驗結果認為，小麥不同莖鞘貯藏物質轉運效率對氮肥基追比例的反應有所不同，氮肥基追比例3∶7處理可顯著提高兩品種小麥倒二節和其余節的干物質轉運量，降低穗下節干物質轉運量，獲得最大產量。說明同一小麥品種不同部位節距離穗部越遠，莖鞘中貯藏干物質的轉運量增幅越大；轉運量越大對粒重的影響也越大。XC37倒二節和其余節干物質對籽粒產量貢獻率高于XC6，這主要與小麥品種有關。