種植密度和施氮量對豫北潮土區小麥光合特性和產量及土壤氮素的影響

陳琛， 石柯， 朱長偉， 姜桂英， 羅瀾， 孟威威， 劉芳，申鳳敏， 劉世亮

（河南農業大學資源與環境學院，鄭州 450002）

小麥是我國重要的糧食作物，其產量高低關系到我國糧食安全。氮素是植物所需的重要營養元素，在植物的生長和發育中起著重要作用[1]。但我國集約化農業長期過量施用化肥，特別是氮肥，不僅導致土壤酸化板結，同時提高了生產成本，加劇環境污染。因此，尋找減氮增效的農藝措施是目前農業上亟需解決的問題。施肥和種植密度是影響小麥產量的關鍵因素[2]。氮肥減施是提高氮肥利用率最直接的方法，但因土壤肥力不同可能會對小麥產量有一定影響，而種植密度的提高則可在一定程度上彌補這一弊端。氮肥用量和種植密度的改變，會對小麥的光合作用特征、產量以及土壤中不同氮素形態造成一定影響。因此，開展不同種植密度和氮肥施用水平下小麥光合作用特征、產量及土壤氮素含量變化方面的研究具有重要意義。

合理的種植密度和氮素水平有利于提高小麥光合作用，增加對土壤氮素的吸收，提高作物產量[3-4]。張福鎖等[5]研究發現，黃淮地區氮肥施用量遠高于作物生長需求。因此，適量減少氮肥施用量是提高氮肥利用率最直接的措施。研究表明，在常規施氮量基礎上適當減氮能提高葉片凈光合速率，延長光合作用時間，促進葉片水氣交換，提高蒸騰作用和葉片利用CO2能力，對氣孔導度有一定提升作用[6]。適當增加種植密度能夠增加小麥生長中后期旗葉光合作用和葉綠素含量[7]；減氮處理可增加花后冠層下部葉片受光比率，改善其受光狀況，并提高光合速率[8]。聶勝委等[9]研究表明，在豫南砂姜黑土上，在施氮量300 kg·hm-2的基礎上減施10%和20%均不會造成小麥減產。茍志文等[10]發現，在厚層灌漠土上，在施氮量180 kg·hm-2基礎上減氮15%不會影響小麥產量。張娟等[11]認為，在適當降低氮肥用量條件下，通過增加種植密度可以促進小麥吸收深層土壤氮素，減少土壤氮素殘留，并保持較高的產量水平。施氮量和小麥種植密度的變化直接影響土壤中不同氮素形態。石柯等[12]研究表明，減施氮肥的同時增加小麥播種量會降低不同土層土壤中微生物量碳氮及土壤全氮含量。葉盛嘉等[13]發現，氮肥施用量的降低會造成不同土層硝態氮殘留量和硝態氮分布比例的降低。由此表明，氮肥施用量和種植密度間存在互作效應，適當減少氮肥施用量、合理密植不僅有利于小麥群體充分吸收土壤氮素，還可減少土壤氮素殘留的同時保證小麥產量。

由于作物的光合特性隨作物種類、密度、施肥量以及栽培地域存在較大差異，盡管關于增加小麥播量或減施氮肥等單因素對小麥產量影響的報道較多，但有關豫北潮土區小麥播量和施氮量對土壤養分和小麥光合特性、產量的研究有待于進一步加強。因此，本研究以豫北潮土區常規氮素施用水平為基準，研究氮肥減施20%與不同種植密度對土壤不同形態氮素含量及小麥光合作用和產量的影響，以期為該地區小麥可持續生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年10月在河南省原陽縣河南農業大學原陽科教園區（34°47′N，113°40′E）實施。試驗地屬于暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫14.5 ℃，年均降水量616 mm，年均蒸發量1461 mm，年均日照時數2323 h。試驗地土壤為潮土，成土母質為黃河沖積物。試驗開始前0—20 cm土層土壤理化性質為：有機質17.3 g·kg-1，全氮1.00 g·kg-1，堿解氮71.33 mg·kg-1，有效磷21.6 mg·kg-1，速效鉀108.0 mg·kg-1，pH 7.2。

1.2 試驗設計

本研究小麥品種為‘鄭麥369’。采用隨機區組設計于2016—2019年開展大田定位試驗。以當地農民習慣施肥量和小麥播量為對照，分別設置（1）常規小麥播量+常規施氮量（CBCF）；（2）小麥播量增加30%+常規施氮量（ZBCF）；（3）小麥播量增加30%+氮量減施20%（ZBJF）；（4）常規小麥播量+氮量減施20%（CBJF），共計4個處理，各處理小麥播種量與施肥量詳見表1。每處理3次重復。每小區面積68.75 m2（12.5 m×5.5 m）。

表1 各處理小麥播種量與施肥量Table 1 Wheat seeding amount and fertilizer amount in each treatment （kg·hm-2）

每年10月10日左右進行小麥季整地、施肥、播種，來年3月15日左右進行小麥季追肥。其中磷、鉀肥均作為基肥施用；氮肥按照基追比7∶3的比例進行施用。4個處理中僅CBCF處理采用機械播種、施肥；其余均人工播種、施肥；其他管理方式一致。玉米于每年6月10日左右采用鐵茬種肥同播。試驗期間澆水、防病、除草等田間管理措施均一致。

1.3 樣品采集及測定方法

1.3.1 小麥光合特性的測定 于2019年小麥拔節期、抽穗期、開花期、灌漿期（花后10 d）采用Li-6400便攜式光合儀（美國LI-COR公司）于晴朗無云天氣在上午9∶30—11∶30測定小麥旗葉（拔節期取頂部第一片完全展開的葉片）的凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、胞間CO2濃度（intercellular CO2concentration，Ci）、氣孔導度（stomatal conductance，Gs）和蒸騰速率（transpiration rate，Tr）。

1.3.2 葉綠素含量的測定 測定光合參數后將葉片取下置于液氮保存，帶回實驗室內除去葉脈，剪碎、混勻，稱取0.2 g，用乙醇研磨法提取葉綠素，采用SPECORD 200紫外可見分光光度計(德國耶拿公司)測定吸光度值，參照Arnon法[14]測定葉綠素（chlorophyll，Chl）含量。

1.3.3 土壤指標測定 于2019年6月10日小麥收獲后，采用5點法采集土壤樣品，每個處理分別取0—10、10—20和20—30 cm土層的土壤，樣品去除可見植物殘體和石塊，一部分直接過篩于4 ℃保存在冰箱中，用于微生物量氮、可溶性有機氮、硝態氮和銨態氮含量的測定；另一部分風干后過篩用于土壤常規化學成分的測定。土壤全氮含量采用半微量開氏法測定；土壤堿解氮含量采用堿解擴散法[15]測定；土壤銨態氮和硝態氮含量采用KCl2浸提-流動分析儀（Auto analyzer3）測定；微生物量氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提（土水質量比1∶4），并用總有機碳、氮分析儀（Teledyne Tekmar）進行測定[16]；可溶性有機氮采用去離子水浸提法（土水質量比1∶2），用真空泵抽濾過0.45 nm微孔濾膜，濾液用總有機碳、氮分析儀（Teledyne Tekmar）進行測定[17]。

1.3.4 作物產量的測定 在小麥成熟期按小區實收單打單收，測產面積為1 m2。小麥成熟時取“一米雙行”進行考種，測定成穗數、穗粒數和千粒重。

1.3.5 氮肥偏生產力計算 氮肥偏生產力按以下公式計算。

1.4 統計及分析

采用Microsoft Office 2010、SPSS 23.0軟件進行數據的統計和分析，采用Origin 2018作圖，單因素方差分析采用LSD法檢驗處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 種植密度和施氮量對小麥葉片凈光合速率（Pn）的影響

如圖1所示，小麥主要生育時期的凈光合速率（Pn）總體呈現灌漿期＞抽穗期＞開花期＞拔節期。在拔節期和抽穗期，CBJF處理的Pn均顯著高于CBCF處理，分別比CBCF處理高出164%和7%。在開花期，不同處理間的Pn差異不顯著。在灌漿期，ZBJF處理的Pn顯著高于其他處理，為20.53 μmol·m-2·s-1，較CBCF處理提高17%。整體上看，ZBJF處理有利于提高小麥灌漿期葉片Pn；CBJF處理提高了小麥拔節期和抽穗期的Pn，即CBJF處理提高了生育前期葉片Pn，ZBJF處理增加了生育后期葉片Pn。

圖1 不同處理不同生育時期凈光合速率Fig. 1 Net photosynthetic rates at different growth stages under different treatments

2.2 種植密度和施氮量對小麥胞間CO2濃度（C）i的影響

如圖2所示，各處理的胞間CO2濃度（Ci）由拔節期到抽穗期有所降低，而到開花期時又略有升高，到灌漿期達到最低。在拔節期和開花期，常規施氮處理的Ci略高于減施氮肥處理；在抽穗期，不同處理間的Ci差異不顯著，其中CBCF處理在拔節期和開花期的Ci均顯著高于CBJF處理；而灌漿期ZBJF處理的Ci顯著高于其他處理，較CBCF處理提高22%。總體上看，ZBJF處理提高了灌漿期小麥葉片的Ci；CBJF處理降低了小麥拔節期、抽穗期和開花期葉片的Ci。

2.3 種植密度和施氮量對小麥氣孔導度（Gs）的影響

如圖3所示，各處理小麥葉片的氣孔導度（Gs）均于抽穗期最高。在拔節期和抽穗期，常規施氮處理葉片的Gs顯著高于減施氮肥處理，其中，CBCF處理的葉片Gs最高。在開花期，CBJF處理的葉片Gs顯著低于其他處理，較CBCF處理降低35%。在灌漿期，ZBJF處理的葉片Gs顯著高于其他處理，為0.33 μmol·m-2·s-1。整體上看，在拔節期和抽穗期常規施氮處理小麥葉片的Gs顯著高于減施氮肥處理；而在灌漿期ZBJF處理小麥葉片的Gs顯著高于其他處理。

圖3 不同處理不同生育時期氣孔導度Fig. 3 Stomatal conductance at different growth stages under different treatments

2.4 小麥種植密度和施氮量對小麥蒸騰速率（Tr）的影響

如圖4所示，在拔節和抽穗期，常規施氮處理小麥葉片的蒸騰速率（Tr）均高于減施氮肥處理，特別是CBCF處理。在灌漿期，ZBJF處理葉片的Tr最高,為3.51 μmol·m-2·s-1，顯著高于其他處理；CBJF處理最低，為2.13 μmol·m-2·s-1。整體上看，在小麥生長前期以常規施氮處理小麥葉片的Tr較高；而后期則以ZBJF處理小麥葉片的Tr最高。

圖4 不同處理不同生育時期蒸騰速率Fig. 4 Transpiration rates at different growth stages under different treatments

2.5 小麥種植密度和施氮量對葉綠素（Chl）含量的影響

如圖5所示，增播（ZBCF、ZBJF）處理小麥在拔節期的葉綠素（Chl）含量高于其他2個時期。在拔節期，CBJF處理葉片的Chl含量最低；在抽穗期，各處理間差異不顯著；在灌漿期，ZBCF處理葉片Chl含量顯著低于其他處理，較CBCF處理降低16%。整體上看，ZBJF處理能增加小麥拔節期和抽穗期葉片Chl含量；灌漿期減施氮肥處理與CBCF處理差異不顯著，說明ZBJF處理能增加小麥開花期前葉片的葉綠素含量。

圖5 不同處理不同生育時期葉綠素含量Fig. 5 Chlorophyll content at different growth stages under different treatments

2.6 種植密度和施氮量對小麥產量及其構成因素的影響

如表2所示，CBJF處理小麥的成穗數顯著高于其他處理；ZBJF處理的穗粒數顯著高于其他處理；且ZBJF處理的千粒重最大，但各處理間差異不顯著。減施氮肥處理的產量顯著高于常規施氮處理，較CBCF處理提高17%～19%；且減施氮肥處理的氮肥偏生產力也顯著高于常規施氮處理。綜合來看，ZBJF處理主要通過增加穗粒數和千粒重從而提高產量；CBJF處理主要通過增加成穗數達到增產。

表2 不同處理小麥產量及其構成因素Table 2 Wheat yield and its components under different treatments

2.7 小麥種植密度和施氮量對土壤氮素形態的影響

如表3所示，土壤中各形態氮素含量隨著土層的加深逐漸降低。與CBCF處理比較，CBJF處理的土壤全氮含量降幅最大，較CBCF處理降低10.8%；ZBJF處理降低了10—20 cm土層的土壤全氮含量及10—30 cm土層土壤堿解氮含量，同時降低了0—30 cm土層土壤硝態氮、銨態氮、微生物量氮和可溶性有機氮含量。總體上看，減施氮量處理減少了10—30 cm土壤有效態氮含量。

表3 小麥收獲后不同處理土壤不同形態氮素含量Table 3 Contents of different soil nitrogen forms after wheat harvest under different treatments

3 討論

凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和葉綠素（Chl）含量是反映植物光合作用特性的重要指標，而氮肥施用量與種植密度都是影響植株光合作用的重要因素。王之杰等[18]發現，在小麥孕穗期以后，種植密度過低或過高均不利于提高葉片Pn。研究表明，小麥旗葉Pn、Chl含量等光合指標隨種植密度的增加變化幅度較小，低密度處理在生育后期的光合指標低于常規密度處理[19]。在常規施氮量基礎上適當減氮能提高葉片Pn，延長光合作用時間，有利于籽粒灌漿和光合產物積累[20]。本研究結果表明，增密處理在拔節期的葉片Pn較低，與前人研究結果一致[21]；但也有研究表明，小麥旗葉的Pn不會隨種植密度的增大而下降[22]。因此，種植密度對小麥葉片Pn的影響仍存在爭論。本研究中ZBJF處理在灌漿期的葉片Pn顯著高于其他處理，可能是因為增密減氮在一定程度上增加了植株對土壤養分的利用，使植株積累了更多的有機物。

氣孔導度（Gs）是影響植物光合作用、呼吸作用及蒸騰作用的主要因素。研究表明，當光合速率下降時，如果Ci下降、Gs升高，說明光合速率的降低主要是由于Gs的下降所致；如果Ci升高、Gs下降，則表明此時葉肉細胞光合能力的下降是光合速率下降的主要原因[23]。蒸騰速率（Tr）增大有利于外界CO2進入葉片，從而使葉片光合速率保持較高水平[24]。CBJF處理在拔節期的葉片Pn顯著高于其他處理，但Ci、Gs、Tr顯著低于CBCF處理。這說明CBJF處理具有較高的Pn是由葉肉細胞的光合能力決定的，且這種能力隨著生育進程逐漸降低，到灌漿期葉肉細胞光合能力降到最低，使CBJF處理的主要光合參數降低。ZBJF處理在灌漿期的葉片Pn顯著高于其他處理，且Gs與Tr均顯著高于其他處理，所以灌漿期Ci低于開花期，同時ZBJF處理Ci顯著高于其他處理。本研究中ZBJF處理顯著提高了灌漿期的Pn、Tr、Gs和Ci及拔節期的Chl含量，說明與CBCF處理相比，密度與氮肥之間具有相互效應，即施氮量減少時增加密度可對氮肥效應進行一定程度補償[25]，并以此提高灌漿期的光合作用。

冬小麥產量與光合作用密切相關，尤其是花后的光合作用[26]。因此提升花后葉片器官的光合功能，可以為冬小麥高產奠定基礎。小麥功能葉的光合能力對籽粒產量的形成具有重大影響，成熟時籽粒干物質的25%來自旗葉的光合作用[27]。研究表明，小麥成穗數隨種植密度的增加而增加，但穗粒數和千粒重則隨種植密度的增加而顯著降低[28]；在常規施氮量的基礎上適當減少氮肥施用量，營養器官中的光合產物會盡可能地向籽粒轉移[29]。孟維偉等[30]研究表明，小麥季施氮較當地農民傳統施氮減少10%處理可顯著提高其氮肥偏生產力。本研究結果也表明，減施氮肥處理的氮肥偏生產力顯著高于常規施氮肥處理，與前人研究結果一致，說明減施氮肥處理有利于增加氮肥偏生產力。本研究表明，ZBJF處理不僅增強了小麥生育后期的光合作用，還增加了穗粒數、千粒重和產量，可能是因為減施氮肥提升了花后葉片等器官的光合功能，進而增加了干物質的積累。冬小麥花后干物質積累是產量提升的關鍵[31]，故本研究中減施氮肥處理的小麥產量高于常規施肥處理。CBJF處理的成穗數顯著高于其他處理，其原因可能是該處理小麥在拔節期的光合作用強烈，為小麥高產奠定了良好的基礎，增加了成穗數。本研究未對小麥播量和減施氮肥比例做更深的劃分，因此對兩者間的相互作用需要進一步深入研究。

氮素是植物生長所需的大量元素之一，農田土壤中不同形態的氮素含量直接取決于氮肥施用量。研究表明，相對于常規施氮處理，減氮處理在小麥成熟期時的土壤全氮、堿解氮等指標均有所降低[32]；減氮處理大幅降低了耕層土壤的硝態氮含量[33]。本研究也表明，減氮處理的土壤硝態氮和銨態氮含量較常規施氮處理顯著降低。其中ZBJF處理降低了10—20 cm土壤的全氮、堿解氮、硝態氮、銨態氮、微生物量氮和可溶性有機氮含量。這一方面可能是ZBJF處理相較于常規施肥減少了20%氮肥用量，減少了礦質態氮的輸入；另一方面，此處理的小麥種植密度較常規處理增加了30%，小麥的群體密度較大，更大的作物群體從耕層土壤中帶走了更多的氮素，導致土壤氮素含量降低[34]，同時意味著更少的氮肥盈余，提高了氮肥利用效率。

總的來說，在本試驗條件下，減施氮量處理雖然減少了10—30 cm土壤的有效態氮含量，但相較于常規施氮處理小麥的生長和產量并未受到顯著影響，且提高了氮肥偏生產力。其中ZBJF處理提高了小麥灌漿期的主要光合參數指標，且提高了小麥穗粒數、千粒重及產量；CBJF處理提高了小麥拔節期的葉片凈光合速率，從而增加了成穗數和產量，為該地區小麥可持續生產提供了理論依據。