作物杂志, 2020, 36(1): 141-145 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2020.01.023

生理生化·植物营养·栽培耕作

氮肥运筹对滴灌冬小麦叶片光合特性及产量的影响

张永强1, 齐晓晓2, 张璐1, 董慧云2, 陈传信1, 赛力汗·赛1, 薛丽华1, 陈兴武,1, 雷钧杰,1

1新疆农业科学院粮食作物研究所,830091,新疆乌鲁木齐

2新疆农业大学农学院,830052,新疆乌鲁木齐

Effects of Nitrogen Management on Leaf Photosynthetic Characteristics and Yield of Winter Wheat under Drip Irrigation

Zhang Yongqiang1, Qi Xiaoxiao2, Zhang Lu1, Dong Huiyun2, Chen Chuanxin1, Sailihan·Sai1, Xue Lihua1, Chen Xingwu,1, Lei Junjie,1

1Research Insititute of Grain Crops, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091, Xinjiang, China

2College of Agronomy, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, Xinjiang, China

通讯作者: 雷钧杰,主要从事小麦高产栽培生理研究,E-mail: leijunjie@sohu.com; 陈兴武为共同通信作者,主要从事作物高产栽培研究,E-mail: cxw0723@sina.com

收稿日期: 2019-07-23   修回日期: 2019-09-10   网络出版日期: 2020-02-15

基金资助: 国家自然科学基金(31660370)
国家小麦产业技术体系乌鲁木齐综合试验站(CARS-3-49)

Received: 2019-07-23   Revised: 2019-09-10   Online: 2020-02-15

作者简介 About authors

张永强,主要从事小麦高产栽培生理研究,E-mail:zyq988@yeah.net 。

摘要

为研究滴氮时期及滴氮比例对滴灌冬小麦旗叶生理特性及产量的影响。在总施纯氮300kg/hm 2条件下设置6个不同滴灌追氮量处理,分别用F1、F2、F3、F4、F5、F6表示,以不施氮肥为对照(F0),研究不同追施氮量对冬小麦叶面积指数(LAI)、叶绿素含量(SPAD值)、旗叶光合特性及产量的影响。结果表明,不同处理滴灌冬小麦的LAI、SPAD值变化规律一致,均呈先增后降的变化规律,LAI以F4处理相对较大,处理间SPAD值差异规律不明显;开花期、花后10d旗叶净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)均表现为F5>F1>F6>F4>F2>F3>F0。而各处理胞间CO2浓度(Ci)与Pn、Tr、Gs的变化规律呈相反的趋势。籽粒产量以F5处理最高,为9 889.35kg/hm 2,分别较F0、F1、F2、F3、F4、F6处理增加23.70%、3.10%、6.52%、21.44%、7.94%、14.10%。综合分析可知,总施氮量300kg/hm 2条件下,冬小麦起身期追施123.3kg/hm 2,在孕穗期、开花期各追施41.1kg/hm 2时滴灌冬小麦的光合性能表现较好。

关键词: 冬小麦 ; 氮肥运筹 ; 滴灌 ; 光合特性 ; 产量

Abstract

This study was designed to elusidate the effects of nitrogen drop period and nitrogen ratio on the physiological characteristics of flag leaf and yield of winter wheat under drip irrigation. Six different drip irrigation topdressing treatments were set up under the condition of total nitrogen application rate of 300kg/ha, which were represented by F1, F2, F3, F4, F5 and F6 along with no nitrogen as the control (F0) respectively. The effects of leaf area index (LAI), chlorophyll content (SPAD value), photosynthetic parameters and yield of winter wheat was investigated. The results showed that the changes of LAI and SPAD values of different treatments of drip-irrigated winter wheat were consistent, and they all showed "first increase and then decrease". LAI of F4 treatment was relatively large, and the difference of SPAD between treatments was not clear. The net photosynthetic rate (Pn), transpiration rate (Tr) and stomatal conductance (Gs) of the flag leaf of 10d age were F5>F1>F6>F4>F2>F3>F0. The change of CO2 concentration (Ci) and Pn, Gs in each treatment showed an opposite trend. Grain yield was the highest in F5 treatment, which was 9 889.35kg/ha, which was 23.70%, 3.10%, 6.52%, 21.44%, 7.94%, and 14.10% higher than that of F0, F1, F2, F3, F4, and F6, respectively. According to the comprehensive analysis, the photosynthetic performance of winter wheat was the optimal treatment under the condition of total nitrogen application rate of 300kg/ha, topdressing of 123.3kg/ha at upstanding stage and 41.1kg/ha at booting and flowering stages under drip irrigation condition.

Keywords: Winter wheat ; Nitrogen fertilizer application ; Drip irrigation ; Photosynthetic characteristics ; Yield

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本文引用格式

张永强, 齐晓晓, 张璐, 董慧云, 陈传信, 赛力汗·赛, 薛丽华, 陈兴武, 雷钧杰. 氮肥运筹对滴灌冬小麦叶片光合特性及产量的影响[J]. 作物杂志, 2020, 36(1): 141-145 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2020.01.023

Zhang Yongqiang, Qi Xiaoxiao, Zhang Lu, Dong Huiyun, Chen Chuanxin, Sailihan·Sai, Xue Lihua, Chen Xingwu, Lei Junjie. Effects of Nitrogen Management on Leaf Photosynthetic Characteristics and Yield of Winter Wheat under Drip Irrigation[J]. Crops, 2020, 36(1): 141-145 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2020.01.023

新疆属于我国西北干旱和半干旱地区,水资源缺乏及土壤养分的缺失是限制其作物产量提高的主要因素[1]。滴灌技术使肥料随水滴施直接作用于作物根区,极大提高了肥料利用效率,与常规灌溉肥料撒施相比,滴施使番茄(Lycopersicon esculentum)肥料利用率提高了20%~40%[2]。氮素是植物体内蛋白质、核酸、叶绿素和一些激素的重要组成部分,是控制植物生长、光合作用和产量形成的重要因素[3,4]。关于小麦追氮时期及追氮比例前人做了大量研究,康国章等[5]研究认为,拔节期和孕穗期追氮有利于提高小麦生育后期旗叶叶绿素的含量和光合速率。李姗姗等[6]研究表明,开花期追氮可以显著抑制旗叶叶绿素降解和延长旗叶功能期。王明友等[7]、郭平银等[8]研究认为氮肥后移有利于小麦的高产稳产。目前,新疆滴灌小麦种植中仍存在过量施氮、施氮时期不合理等问题,导致滴灌小麦增产潜力未能充分发挥。关于施氮量及施氮时期对小麦的影响,前人[5,6,7,8,9]的研究大多集中于常规灌溉条件下,虽然在滴灌条件下也开展了部分研究工作[10,11],但仍处于初步阶段,而在滴灌条件下关于氮肥运筹对冬小麦生理特性及产量形成方面的研究相对较少。为此,本研究以不同施氮时期处理对滴灌冬小麦叶片光合特性及产量影响为出发点,筛选出能够提高滴灌冬小麦叶片光合作用及增产的最佳追氮肥运筹方案,为滴灌冬小麦高产高效合理施氮提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年9月-2018年7月在新疆农业科学院玛纳斯试验站(N44°18′,E86°13′)进行。该地区属暖温带大陆性干旱半干旱气候区,年均日照时数2 700~2 800h,年均气温7.2℃。年均降雨量173.3mm,蒸发量2 141mm,极端最高气温39.6℃,极端最低气温-37.4℃,全年无霜期165~172d。试验地土壤为沙壤土,播前0~20cm土壤有机质16.8g/kg,碱解氮62.3mg/kg,速效磷14.5mg/kg,速效钾164mg/kg。

1.2 试验设计

采用单因素随机区组试验设计,在施氮量为300kg/hm2条件下,以不施氮肥为对照(F0),设置6种氮肥运筹模式,分别用F1、F2、F3、F4、F5、F6表示,小区面积18m2(3.6m×5m),每处理重复3次。供试品种为新冬18号,于2017年9月25日采用机械播种,行距15cm,播种量270kg/hm2,播前结合翻地,基施磷肥(P2O5)172.5kg/hm2,钾肥(K2O)52.5kg/hm2,全生育期氮肥施用总量300kg/hm2,其中基施94.5kg/hm2,追施205.5kg/hm2。追施氮肥各生育时期分配比例如表1所示,在冬小麦开花期、灌浆前期、灌浆中期,结合滴灌,每次滴施磷酸二氢钾(98%)22.5kg/hm2。全生育期滴水8次,滴水总量为4 650m3/hm2

表1   滴灌小麦不同时期追氮量分配

Table 1  The proportion of topdressing nitrogen at different growth stages of wheat under drip irrigation kg/hm2

处理
Treatment
基肥
Base fertilizer
追氮时期及追氮量 The period and amount of topdressing nitrogen总追氮量
Topdressing nitrogen
quantity
施氮总量
Total nitrogen
application
起身期
Setting
拔节期
Jointing
孕穗期
Booting
开花期
Anthesis
F0-------
F194.5123.3(60%)82.2(40%)205.5300
F294.5123.3(60%)--82.2(40%)205.5300
F394.5-123.3(60%)82.2(40%)-205.5300
F494.5-123.3(60%)-82.2(40%)205.5300
F594.5123.3(60%)-41.1(20%)41.1(20%)205.5300
F694.5123.3(60%)41.1(20%)41.1(20%)205.5300

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1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶面积指数(LAI)测定 在拔节期、孕穗期、开花期、花后10d、花后20d和花后30d,用长宽系数法测定叶面积,并折算成LAI,折算系数为0.83。

1.3.2 叶绿素含量(SPAD值)测定 在拔节期、孕穗期、开花期、花后10d、花后20d和花后30d取样,用手持便携式SPDA-502型叶绿素仪(日本Minolta Camem公司)测定旗叶SPAD值。每处理测定5株,拔节期测定倒2叶,孕穗期测定旗叶,每片叶选取上、中、下部位测定计算平均值。

1.3.3 光合参数测定 在小麦开花期、花后10d、花后20d选择晴朗无风的天气于11:00-14:00采用TARGAS-1光合仪测定小麦旗叶的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)及胞间CO2浓度(Ci),每小区随机选取3株进行测定。

1.3.4 产量及产量构成 成熟期从各小区选取3m2(1.5m×2m)样点,单独人工收割,脱粒后风干称重,并折算产量,籽粒含水量为13%。另从每小区取1m双行样段,用于调查穗数、穗粒数和千粒重。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2003作图,用DPS 7.05软件统计分析数据。

2 结果与分析

2.1 不同处理对滴灌冬小麦LAI的影响

图1可知,不同处理滴灌冬小麦LAI随生育进程均呈现先增后降的变化趋势,且各处理的LAI均在孕穗期达到最大,F4处理最高为5.10,分别较同期F0、F1、F2、F3、F5、F6处理增加了42.47%、20.92%、18.84%、15.77%、6.28%和6.13%,通过方差分析可知其与F0、F1、F2处理间差异达极显著水平(P<0.01,P值分别为0.0075、0.0092、0.0089),与F3、F5处理间差异达显著水平(P<0.05,P值分别为0.0091、0.0078)。进一步分析比较可知,在孕穗期至花后20d F4处理的LAI均高于其他处理;开花期之后F1、F2处理明显低于F3、F4、F5处理,经方差分析可知,处理间均达到了显著差异(P<0.01,P值分别为0.0093、0.0082、0.0059、0.0078、0.0089)。但在整个生育进程中F0处理的小麦的LAI均处于较低水平;表明适当的追施氮肥可以有效促进冬小麦LAI的增加。

图1

图1   不同处理对滴灌冬小麦LAI的影响

Fig.1   Effects of different treatments on LAI of winter wheat under drip irrigation


2.2 不同处理对滴灌冬小麦SPAD值的影响

图2可知,自冬小麦拔节期至花后30d,不同处理滴灌冬小麦叶片SPAD值变化趋势基本一致,均呈先增后降的变化规律。整个测量期内F0处理的SPAD值始终最低,在孕穗期前与F3、F4、F6处理间的差异较小,但孕穗期之后与其他处理间差异逐渐增加,尤其是花后10d之后,F0处理的SPAD值呈急剧下降态势。各处理间,F1、F2、F5处理的SPAD值均表现出相对较高的水平,花后30d时F1、F5处理的SPDA值明显高于其他各处理,其中F5处理的SPAD值最高为48.20,较同期F0、F1、F2、F3、F4、F6处理分别增加了39.15%、0.58%、5.10%、12.62%、7.40%、5.42%。经方差分析显示,F5处理除与F1处理差异不显著外,与F0、F3处理间差异达到了极显著(P<0.01,P值分别为0.0076、0.0083),与F2、F4、F6处理间差异达显著差异水平(P<0.05,P值分别为0.0068、0.0072、0.0064),表明在相同施氮量中,前期追施氮肥对冬小麦SPAD值的影响不显著,但在孕穗期、开花期各追施均匀的氮肥能有效提高滴灌冬小麦叶片SPAD值。

图2

图2   不同处理对滴灌冬小麦SPAD值的影响

Fig.2   Effects of different treatments on SPAD value of winter wheat under drip irrigation


2.3 不同处理对滴灌冬小麦光合特性的影响

图3可知,不同处理滴灌冬小麦开花期、花后10d的Pn、Tr、Gs变化趋势一致,均表现为F5>F1>F6>F4>F2>F3>F0。进一步对开花期、花后10d的Pn、Tr、Gs的测量值累加,求其平均值得出,F5处理的Pn最大为24.25μmolCO2/(m2·s),分别较F0、F2、F4、F6、F1、F3处理高出68.38%、17.18%、15.27%、8.16%、5.33%、3.09%;F5处理的Tr最大为4.91mmolH2O/(m2·s),分别较F0、F3、F2、F4、F6、F1处理高出72.84%、36.51%、21.69%、4.63%、3.10%、2.88%;F5处理的Gs最大为301.83mmolH2O/(m2·s),分别较F0、F3、F2、F4、F6、F1处理高出48.56%、22.61%、20.73%、8.05%、6.04%、0.67%。而各处理Ci与Pn、Tr、Gs的变化规律呈相反的趋势,即F0>F3>F2>F4>F6>F1>F5。F5处理的Ci最小(191.98μmolCO2/mol),分别较F0、F3、F2、F4、F6、F1处理降低了26.61%、23.86%、20.58%、17.15%、15.88%、11.14%。说明孕穗期或孕穗期和开花期追施氮肥,有利于促进冬小麦花后叶片光合作用,提高旗叶Pn和叶片同化CO2的能力,进而有利于小麦产量的提高。

图3

图3   不同处理对滴灌冬小麦光合特性的影响

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)

Fig.3   Effects of different treatments photosynthetic characteristics of winter wheat under drip irrigation

Different lowercase letters indicate significant difference (P<0.05)


2.4 不同处理对滴灌冬小麦产量及产量构成因素的影响

表2可知,不同处理对滴灌冬小麦穗数无显著影响,处理间表现为F2>F4>F5>F6>F3>F1>F0。穗粒数以F0处理最小,为34.30,与F3处理无显著差异,但与其他处理均呈显著性差异。千粒重处理间表现为F2>F3>F6>F5>F1>F4>F0,F0处理与各处理间均存在显著差异,F2、F3、F6处理与F5处理间差异不显著,F2、F3、F6处理显著高于F1、F4处理。实收产量表现为F0处理最低,为7 994.84kg/hm2,追肥各处理间总平均实收产量,为9 122.95kg/hm2,较F0处理增加14.10%。其中F5处理的产量最高,为9 889.35kg/hm2,分别较F0、F1、F2、F3、F4、F6处理增加了23.70%、3.10%、6.52%、21.44%、7.94%和14.10%。经方差分析表明,F5处理的产量与F1、F2、F4处理的无显著差异,但与其他处理的呈显著差异,表明在小麦生长发育过程中,追施氮肥均比不追肥的小麦产量高,而且在小麦生长发育中后期适当的追施氮肥更有利于提高小麦产量。

表2   不同处理滴灌冬小麦产量及产量构成因素

Table 2  Effects of different treatments on the yield and yield components of winter wheat under drip irrigation

处理
Treatment
穗数
(×104/hm2)
Spike number
穗粒数
Kernels
per spike
千粒重(g)
1000-kernel
weight
实收产量
(kg/hm2)
Actual yield
F0727.23a34.30b39.86c7 994.84c
F1730.06a38.33a44.50b9 592.15a
F2842.48a37.93a47.86a9 283.80ab
F3752.73a35.75ab47.79a8 143.74c
F4841.54a38.50a43.71b9 161.57ab
F5833.94a38.15a45.61ab9 889.35a
F6818.83a37.85a47.42a8 667.10bc

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference (P<0.05)

注:同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)

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3 讨论

在总施氮量一定的前提下,氮肥的基追比和追肥时期是小麦生长调控的关键栽培措施,直接关系到植株生长发育和籽粒产量[12]。姚战军等[13]研究发现氮肥用量相同时,部分氮肥用作追肥且追施时期后移,对提高小麦旗叶SPAD值具有十分重要的作用,以返青期和拔节期追施氮肥处理间差别最明显。杜世州等[14]研究表明,相同施肥量,追施时期后移使旗叶Pn表现出增长趋势,以拔节期表现较高。本研究结果表明,在滴灌条件下,小麦返青期重施氮肥加孕穗期或孕穗期和开花期分别追施氮肥更有利于提高旗叶Pn,与前人研究的结果不同,这可能是滴灌条件下肥料随水滴施可快速被小麦根系吸收利用,从而提高了叶片Pn。不同处理滴灌冬小麦的LAI、SPAD值变化规律一致,均呈先增后降的变化规律,LAI以F4处理相对较高,SPAD值处理间差异规律不明显。由此表明,在滴灌冬小麦生产上,起身期-拔节期重施氮肥,孕穗期和开花期适当追施氮肥,不仅有助于为小麦生长快速期提供充足的氮肥供应,而且能够提高叶片的SPAD值,尤其是小麦生育后期叶片SPAD值,这与周琦[15]的研究结果类似。

施氮是提高小麦产量的重要措施,而不同施肥时期对小麦产量的影响与前人研究有所不同。石书兵等[16]研究表明,在拔节期施氮肥有利于实现小麦高产。赵广才等[17]研究表明,相同的追氮量分别用于拔节期和开花期,比仅在拔节期一次性施入对提高籽粒产量效果更好。本研究结果表明,在滴灌条件下,冬小麦高产的追肥时期以返青期、拔节期、开花期为宜。由此可见,在施肥总量不变的条件下,适宜的施肥时期对增加小麦产量是非常重要的。

4 结论

在总施氮量300kg/hm2条件下,冬小麦起身期追施氮肥123.3kg/hm2,在孕穗期、开花期各追施氮肥41.1kg/hm2时滴灌冬小麦的光合性能表现较好,Pn较高。综合考虑籽粒产量及生理指标,建议在与本试验条件类似的的滴灌冬小麦产区,追肥时期以返青期、拔节期、开花期追氮量分别为123.3、41.1、41.1kg/hm2为宜。

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