不同施氮量對(duì)冬小麥灌漿特性及產(chǎn)量的影響

賈崢嶸，郝佳麗，郝艷芳，劉 勇，白文斌

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 高粱研究所，山西 晉中 030600）

氮素是作物生長(zhǎng)發(fā)育必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素，在作物的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)和代謝過(guò)程中起著關(guān)鍵作用[1-2]，也是同化物合成和積累的物質(zhì)基礎(chǔ)。小麥作為較高的需氮作物，氮肥的施用不僅影響其產(chǎn)量和品質(zhì)，還調(diào)控小麥灌漿期同化物的轉(zhuǎn)運(yùn)及籽粒的形成[3]。

合理應(yīng)用氮肥是提高氮肥利用率的重要手段，但近年來(lái)隨著小麥單產(chǎn)的提升，氮肥施用量也在相應(yīng)的加大。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國(guó)超量施用化肥農(nóng)戶占到全國(guó)小麥種植生產(chǎn)戶的75%以上[4]。然而，長(zhǎng)期施用過(guò)量的氮肥不僅會(huì)增加溫室氣體的排放，還會(huì)在耕層土壤出現(xiàn)不同程度的氮素累積，并通過(guò)降雨和灌溉的淋洗造成地表水和地下水污染[5-9]，氮素在損失的同時(shí)也造成生態(tài)環(huán)境的污染，不利于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[10]。因此，合理施用氮肥不僅能減少氮肥損失，降低環(huán)境污染，也是獲得高產(chǎn)和改善冬小麥品質(zhì)的重要途徑。

小麥產(chǎn)量構(gòu)成的三要素是單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，其中，千粒質(zhì)量是小麥產(chǎn)量的重要指標(biāo)，而決定小麥千粒質(zhì)量的關(guān)鍵時(shí)期是小麥的灌漿期[11-13]，灌漿期是小麥籽粒形成的重要階段，由各項(xiàng)灌漿參數(shù)共同決定。梳理前人研究，有關(guān)小麥籽粒灌漿特性的研究多有報(bào)道，主要集中在品種基因型[14-15]、耕作方式[16]、施肥措施[17-18]等方面，在氮肥應(yīng)用上，已有研究表明，合理施用氮肥能夠促進(jìn)干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)，提高籽粒粒質(zhì)量，但超過(guò)某一范圍后則會(huì)影響小麥產(chǎn)量的增加，不利于小麥穗粒數(shù)與粒質(zhì)量的提高[19]。習(xí)敏等[20]研究表明，在抽穗期追施氮肥能提前小麥灌漿開(kāi)始時(shí)間，增加平均灌漿速率和最大灌漿速率，縮短了持續(xù)灌漿期。韓占江等[21]研究表明，在小麥灌漿期適量施加氮肥能夠提高小麥的灌漿速率和延長(zhǎng)小麥灌漿持續(xù)時(shí)間。李娜等[22]研究表明，施加氮肥能減少達(dá)到最大灌漿速率所用的時(shí)間，加快小麥灌漿進(jìn)入速增期，延長(zhǎng)籽粒灌漿持續(xù)期。由于小麥品種的基因類型及其所處生長(zhǎng)環(huán)境的差異，有關(guān)山西中部地區(qū)氮肥應(yīng)用對(duì)冬小麥品種晉麥84 灌漿特征的研究報(bào)道還相對(duì)較少。

本試驗(yàn)通過(guò)研究不同施氮量對(duì)冬小麥地上部干物質(zhì)積累量、灌漿特性以及產(chǎn)量的影響，以期為山西省中部地區(qū)冬小麥合理施用氮肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017 年9 月至2018 年6 月在晉中市祁縣東觀鎮(zhèn)試驗(yàn)地（112°45′E，37°38′N）進(jìn)行，選用土地平整、肥力均勻的地塊。試驗(yàn)地土壤為褐土類型，0～20 cm 耕層土壤基礎(chǔ)肥力為：有機(jī)質(zhì)含量14.25 g/kg，全氮含量0.92 g/kg，堿解氮含量73.56 mg/kg，速效磷含量13.4 mg/kg，速效鉀含量255 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試冬小麥品種為晉麥84，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所選育。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)9 個(gè)氮素處理，分別為0（CK）、120（N1）、150（N2）、180（N3）、210（N4）、240（N5）、270（N6）、300（N7）、360 kg/hm2（N8）。試驗(yàn)用氮肥為尿素（N 46%），70%用于底肥，30%用于追肥。磷肥為磷酸二銨（P2O546%），施用量為180 kg/hm2。小區(qū)面積為30 m2，隨機(jī)區(qū)組排列，每個(gè)處理重復(fù)3 次。冬小麥于當(dāng)年10月播種，次年6月收獲。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4.1 地上部干物質(zhì)積累量的測(cè)定 在冬小麥4 個(gè)生育期（拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期）分別取10 株冬小麥進(jìn)行干物質(zhì)調(diào)查取樣，將樣品80 ℃烘干至恒質(zhì)量，測(cè)定地上部單株干物質(zhì)質(zhì)量。

1.4.2 冬小麥灌漿特性測(cè)定 冬小麥開(kāi)花時(shí)選擇同一天開(kāi)花、長(zhǎng)勢(shì)一致的植株300 株進(jìn)行標(biāo)記，在花后第7 天開(kāi)始取樣，每隔7 d 取樣1 次，直至成熟。樣品于105 ℃烘箱下殺青30 min，調(diào)至80 ℃烘干至恒質(zhì)量，記錄每次冬小麥的籽粒干質(zhì)量，折算千粒質(zhì)量。

本研究參照江曉東等[23]的方法，以籽粒千粒質(zhì)量（Y）為因變量，花后天數(shù)（t）為自變量，采用Logistics 模型來(lái)擬合冬小麥灌漿期籽粒增質(zhì)量過(guò)程的生長(zhǎng)曲線方程，并對(duì)該方程求導(dǎo)，計(jì)算灌漿參數(shù)。

其中，k表示最大千粒質(zhì)量，a、b 為常數(shù)。

依據(jù)方程，計(jì)算得出灌漿參數(shù)有快速積累起始時(shí)間T1（d）、到達(dá)最大灌漿速率的時(shí)間Tmax（d）、灌漿持續(xù)天數(shù)T（d）、平均灌漿速率Vmean（g/d）、最大灌漿速率Vmax（g/d）。

1.4.3 產(chǎn)量測(cè)定 冬小麥成熟期調(diào)查各個(gè)處理，以1 m2的采樣區(qū)域(重復(fù)6 次)，脫粒曬干，折算成實(shí)際產(chǎn)量（kg/hm2）；統(tǒng)計(jì)單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒質(zhì)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2017處理數(shù)據(jù)，SPSS 17.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan 新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較，顯著性檢驗(yàn)水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對(duì)冬小麥地上部單株干物質(zhì)積累量的影響

從表1 可以看出，不同施氮量處理的冬小麥各生育期地上部干物質(zhì)積累量都顯著高于CK。N6、N7、N8 處理下，冬小麥拔節(jié)期和抽穗期的地上部單株干物質(zhì)積累量顯著高于N1、N2、N3、N4、N5 處理（P＜0.05），而灌漿期和成熟期的地上部單株干物質(zhì)積累量反而低于其他處理；在N6 處理下，冬小麥拔節(jié)期到抽穗期的單株干物質(zhì)積累量顯著高于其他處理（P＜0.05），N3 處理下，抽穗期到灌漿期的單株干物質(zhì)積累量最大，而在冬小麥灌漿期到成熟期，N4 處理（施氮量為210 kg/hm2）的冬小麥成熟期單株干物質(zhì)積累量最多。說(shuō)明高氮處理時(shí)，有利于促進(jìn)冬小麥營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期的干物質(zhì)積累，但在冬小麥開(kāi)花期到成熟期的干物質(zhì)積累量反而降低；低氮處理時(shí)，由于氮量供應(yīng)不足，使得冬小麥整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育期的干物質(zhì)積累量都偏低；中氮處理時(shí)，冬小麥前期生長(zhǎng)既不會(huì)因缺少氮影響生長(zhǎng)，也不會(huì)因氮過(guò)量造成干物質(zhì)過(guò)量積累，影響冬小麥后期的生長(zhǎng)。

表1 不同施氮量對(duì)冬小麥生育期地上部單株干物質(zhì)積累量的影響Tab.1 Effect of different nitrogen application on aboveground dry matter accumulation of winter wheat in fertility g

2.2 不同施氮量對(duì)冬小麥籽粒灌漿特性的影響

2.2.1 不同施氮量對(duì)冬小麥籽粒千粒質(zhì)量的影響 不同施氮處理下冬小麥籽粒干質(zhì)量積累曲線如圖1 所示。

圖1 不同施氮處理下冬小麥籽粒干質(zhì)量積累曲線Fig.1 Dry weight accumulation curves of winter wheat seeds under different nitrogen application treatments

由圖1 可知，不同氮肥處理的冬小麥籽粒灌漿進(jìn)程均呈“S”型變化，灌漿速率均為單峰曲線，開(kāi)花后7～21 d 灌漿速率呈上升趨勢(shì)，開(kāi)花后21 d 到成熟期冬小麥灌漿速率呈下降趨勢(shì)，其中，開(kāi)花后14～21 d 的灌漿速率最大。冬小麥開(kāi)花后7 d，CK的灌漿速率顯著高于不同氮肥處理，其次是N3 處理，N8 處理的灌漿速率最低；開(kāi)花21 d 后N4 處理的冬小麥灌漿速率最大，低于施氮量為210 kg/hm2的灌漿速率，顯著高于高施氮量。到灌漿后期，高氮處理的冬小麥灌漿速度略高于中氮和低氮處理。成熟期CK 的冬小麥千粒質(zhì)量最大，其次是N3處理。

2.2.2 不同施氮量對(duì)冬小麥籽粒灌漿參數(shù)的影響 由表2 可知，根據(jù)擬合的灌漿速率方程計(jì)算得出各施氮處理的灌漿參數(shù)，最大灌漿速率（Vmax）與平均灌漿速率（Vmean）出現(xiàn)在N4 處理下，分別為2.70、1.81 g/d，而且N4 處理（施氮量≤210 kg/hm2）的最大灌漿速率和平均灌漿速率顯著高于CK。N5、N6、N7、N8 處理的冬小麥在花后13 d 進(jìn)入快速積累期，在花后20 d 達(dá)到最大灌漿速率；而CK 和低于N4 處理的小麥較高施氮量處理的提前了1～2 d，N3 處理的最早進(jìn)入籽粒快速積累期；N1、N2、N3、N4 處理的冬小麥籽粒達(dá)到最大灌漿速率較N5、N6、N7、N8 處理的提前1 d。CK 的理論最大千粒質(zhì)量和灌漿持續(xù)天數(shù)顯著高于各施氮處理，N2、N3、N4 處理的理論最大千粒質(zhì)量高于N1、N5、N6、N7、N8 處理。

表2 不同施氮處理下冬小麥籽粒灌漿參數(shù)比較Tab.2 Comparison of winter wheat grain filling parameters under different nitrogen application treatments

2.2.3 冬小麥籽粒灌漿參數(shù)與千粒質(zhì)量的相關(guān)性分析 冬小麥灌漿主要參數(shù)與千粒質(zhì)量的相關(guān)分析（表3）可知，千粒質(zhì)量與籽粒灌漿的平均灌漿速率（Vmean）、最大灌漿速率（Vmax）、灌漿持續(xù)時(shí)間（T）均呈顯著正相關(guān)，而與籽粒到達(dá)最大灌漿速率時(shí)間（Tmax）呈顯著負(fù)相關(guān)。籽粒灌漿的持續(xù)時(shí)間（T）與籽粒灌漿的最大灌漿速率（Vmax）呈極顯著負(fù)相關(guān)，與籽粒灌漿的平均灌漿速率（Vmean）呈顯著負(fù)相關(guān)，與到達(dá)最大灌漿速率時(shí)間（Tmax）呈顯著正相關(guān)。籽粒灌漿的平均灌漿速率（Vmean）與最大灌漿速率（Vmax）呈極顯著正相關(guān)，與到達(dá)最大灌漿速率時(shí)間（Tmax）呈極顯著負(fù)相關(guān)。因此，說(shuō)明千粒質(zhì)量與籽粒的灌漿速率和持續(xù)天數(shù)有關(guān)，灌漿速率越大，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，冬小麥籽粒千粒質(zhì)量就越大。

表3 冬小麥籽粒灌漿參數(shù)與千粒質(zhì)量的相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis between grain filling parameters and 1000-grain weight of winter wheat

2.3 不同施氮量對(duì)冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表4 可知，不同氮肥處理的冬小麥公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量都顯著高于CK，而千粒質(zhì)量顯著低于CK。N8 處理（施氮量為360 kg/hm2）的公頃穗數(shù)最大，說(shuō)明高施氮量能增加冬小麥的分蘗數(shù)，從而增加公頃穗數(shù)；N6 處理的穗粒數(shù)最大，其次是N4 處理，較高施氮量的穗粒數(shù)低于中等施氮量；低中等施氮量處理的千粒質(zhì)量顯著高于高施氮量，其中，N1 處理的顯著高于其他處理；N4 處理（施氮量為210 kg/hm2）的產(chǎn)量最高，其次是N6 處理。說(shuō)明施氮肥能提高冬小麥的產(chǎn)量，但是過(guò)高的施氮反而會(huì)降低產(chǎn)量。

表4 不同施氮量對(duì)冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Tab.4 Effect of different nitrogen application on yield and yield components of winter wheat

由表5 可知，不同氮肥處理的冬小麥產(chǎn)量與穗粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與千粒質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，與公頃穗數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明適當(dāng)降低小麥的公頃穗數(shù)，提高穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量可提高產(chǎn)量。公頃穗數(shù)與千粒質(zhì)量呈極顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明公頃穗數(shù)增加會(huì)降低千粒質(zhì)量。

表5 不同施氮量下冬小麥產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)性分析Tab.5 Correlation analysis of yield and yield components of winter wheat under different nitrogen application

3 結(jié)論與討論

本研究表明，不同施氮量處理的冬小麥地上部干物質(zhì)積累量都顯著高于CK。N3 處理的冬小麥抽穗期到灌漿期的地上部干物質(zhì)積累量最大，N4處理的冬小麥成熟期地上部干物質(zhì)積累量最大。說(shuō)明氮素供應(yīng)不足會(huì)因缺氮造成冬小麥整個(gè)生育期地上部干物質(zhì)積累偏低，氮素過(guò)量會(huì)促進(jìn)冬小麥前期營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)度，適量施用氮肥能滿足冬小麥整個(gè)生育期的生長(zhǎng)發(fā)育，前期既不會(huì)因缺少N 影響生長(zhǎng)，也不會(huì)因N 過(guò)量造成干物質(zhì)過(guò)量積累，影響冬小麥后期的生長(zhǎng)。

灌漿期是影響小麥產(chǎn)量的重要時(shí)期，衡量灌漿過(guò)程的關(guān)鍵指標(biāo)是小麥籽粒的灌漿特性[24]，而灌漿特性主要是通過(guò)灌漿速率以及灌漿持續(xù)時(shí)間來(lái)進(jìn)行調(diào)控的[25]。本試驗(yàn)中不同氮肥處理的冬小麥籽粒灌漿進(jìn)程均呈“S”型變化，灌漿速率均為單峰曲線，前期的灌漿速率較慢，中期的灌漿速率加快，到籽粒灌漿后期的灌漿速率減慢，這與籽粒的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程相一致。花后7 d，CK 的灌漿速率顯著高于氮肥處理；花后21 d，N4 處理的冬小麥灌漿速率最大。在灌漿后期，高氮處理的冬小麥灌漿速度略高于中氮和低氮處理。

采用Logistic 模型分別擬合出不同氮肥處理的冬小麥灌漿進(jìn)程的生長(zhǎng)曲線方程，對(duì)得出的方程進(jìn)行求導(dǎo)，計(jì)算灌漿參數(shù)。根據(jù)小麥千粒質(zhì)量與灌漿參數(shù)的相關(guān)性分析得出，千粒質(zhì)量與籽粒的灌漿速率和持續(xù)天數(shù)呈顯著正相關(guān)，這與李文陽(yáng)等[26]的研究結(jié)果一致；苗永杰等[14]研究也表明，灌漿速率、灌漿持續(xù)時(shí)間與千粒質(zhì)量均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，二者共同影響小麥千粒質(zhì)量大小。N2、N3、N4 處理的冬小麥最大灌漿速率（Vmax）與平均灌漿速率（Vmean）較高，進(jìn)入快速積累時(shí)間較早，這與習(xí)敏等[20]的研究結(jié)果相一致；李彥旬等[18]研究也表明，適宜的施氮量不但能延長(zhǎng)小麥灌漿活躍期，還能提高籽粒灌漿速率，對(duì)千粒質(zhì)量形成有利。灌漿持續(xù)時(shí)間與其他處理的差異不明顯，因此，N2、N3、N4 處理的冬小麥千粒質(zhì)量相對(duì)較大。

不同氮肥處理的冬小麥公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量都顯著高于CK，而千粒質(zhì)量顯著低于CK。這與冬小麥基因型有關(guān)，晉麥84 號(hào)是典型的大粒品種，千粒質(zhì)量過(guò)大，由于CK 不施氮肥，冬小麥在前期分蘗較少，公頃穗數(shù)較低，開(kāi)花后以籽粒灌漿為主，所以，千粒質(zhì)量較高。冬小麥產(chǎn)量與穗粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與千粒質(zhì)量呈正相關(guān)，與公頃穗數(shù)呈負(fù)相關(guān)，公頃穗數(shù)與千粒質(zhì)量呈極顯著負(fù)相關(guān)，N 肥過(guò)量會(huì)增加冬小麥的公頃穗數(shù)，公頃穗數(shù)過(guò)多導(dǎo)致千粒質(zhì)量和穗粒數(shù)降低，進(jìn)而影響產(chǎn)量。彭永欣[27]研究發(fā)現(xiàn)，施氮量與籽粒的產(chǎn)量表現(xiàn)為二次曲線，當(dāng)施氮量處于一定范圍時(shí)，小麥的產(chǎn)量隨施氮量增加而增加，但高于臨界點(diǎn)，氮肥的投入產(chǎn)出比便會(huì)快速減小。姚釗等[28]研究表明，滴灌條件下在一定施氮范圍內(nèi)，冬小麥的籽粒產(chǎn)量隨著施氮量的增加逐漸增加，但當(dāng)超過(guò)一定范圍后產(chǎn)量下降；N4 處理的冬小麥公頃穗數(shù)適中，穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量較高，產(chǎn)量最大。因此，冬小麥?zhǔn)┑繛?50～210 kg/hm2時(shí)，使得冬小麥越冬期分蘗數(shù)降低，提高穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，進(jìn)而提高產(chǎn)量。