基于污染控制的小麦品种氮磷钾吸收与移除特征研究

盛婧，张鹏，孙国锋，王鑫

江苏省农业科学院，江苏 南京 210014

基于污染控制的小麦品种氮磷钾吸收与移除特征研究

盛婧，张鹏，孙国锋，王鑫

江苏省农业科学院，江苏 南京 210014

种植养分高效吸收利用的作物，可以减少农田养分损失，控制农业生产造成的面源污染。通过不同小麦（Triticum aestivum L.）品种对比试验，旨在筛选养分高效吸收利用的小麦品种并探索其调控机理。以南京地区近年来新育成的12个品种为材料，研究了不同品种氮、磷、钾吸收量及其在体内的分配，分析了影响养分吸收各因子的贡献，并计算了秸秆还田和不还田两种方式下小麦收获期从农田移除的养分量。同一肥料供应水平下，不同品种间整株养分吸收量存在显著差异。以植株氮、磷、钾吸收量作为指标进行聚类分析，12个育成的小麦品种中宁麦09-118属于高效吸收氮磷钾的品种。所有供试品种的氮、磷含量均以籽粒最高，其积累量分别占植株总吸收量的72.6%～77.6%和68.5%～72.9%。籽粒氮、磷积累量的高低主要取决于籽粒产量，其对氮、磷总吸收量的贡献率分别为73.1%和84.6%。收获时上中部秸秆中钾的残留量占植株吸钾总量的比例达到59.4%～69.2%。籽粒产量与植株氮磷吸收量具有高度的相关性。不同品种对氮、磷、钾的吸收比例相对固定，平均N/P、N/K的值分别为4.7和1.8。在秸秆还田方式下，小麦收获期从农田移除的N、P、K养分量分别为128.4、25.8、14.0 kg·hm-2；在秸秆不还田方式下，小麦收获期从农田移除的N、P、K养分量分别为153.4、30.8、74.1 kg·hm-2。两种方式从农田移除的钾量差异显著。宁09-118高产且吸收氮磷钾能力最强，应成为长江下游地区栽种小麦的首选。要减少农业面源污染，应根据不同品种的小麦吸肥特性及当地养分利用效率确定氮磷钾施用量，并且在确定钾肥施用量时，还应该考虑种植区域小麦的秸秆利用方式。

小麦；基因型；养分；吸收；移除

随着社会经济的发展，农业集约化程度越来越高，大量的肥料施用引起严重的养分过剩，过剩的养分随着农田排水流失到江湖湖泊，造成水环境的迅速恶化。选择适于高产农田种植的养分高效吸收利用的作物品种，兼顾高产与养分资源高效利用两者统一，一方面可以减少农田养分损失，控制农业生产造成的面源污染，另一方面还可以缓解我国当前磷钾肥资源紧张的状况（化党领，2003；党红凯等，2013）。因此，了解氮、磷、钾素营养在植株体内含量与分配状况，掌握不同品种对氮、磷、钾素的吸收和分配规律，提高肥料利用率十分重要（吕长文等，2012）。有研究表明，在相同的施肥量和肥料运筹条件下，不同品种对农田养分利用存在差异；不同品种甚至在各个生长时期对养分的吸收特性也是不相一致的（王永华等，2013；单玉华等，2004）。

前人关于不同基因型作物品种养分利用的研究很多，但是主要集中在对氮素的吸收利用方面（李淑文等，2006；杜建军等，2005；左青松等，2011；王晓慧等，2012），研究氮素籽粒生产效率、氮素生理利用率等指标，而对磷、钾的吸收利用方面研究较少，关于不同作物品种的氮、磷、钾营养分配与产量的关系未见报道（吕长文等，2012）。本研究以南京地区近年来育成的 12个小麦（Triticum aestivum L.）品种为试验材料，分析氮、磷、钾吸收利用的基因型差异，探索不同类型品种间的氮、磷、钾吸收与分配规律，筛选高产及养分高效利用的小麦品种，以期为高效养分利用品种的选择与应用以及高产农田的适宜养分投入提供科学的依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于 2013年在江苏省农科院六合试验科学基地（32°29 N，118°36 E，海拔18 m）进行。该区属北亚热带季风湿润气候区，气候温和、四季分明，年平均温度15.3 ℃，年平均降雨量970 mm，年日照时数2200 h，年平均无霜期215 d，土壤类型属黄棕壤发育的马肝土。供试品试为江苏省近年来育成的12个小麦品种（系）（见表1）。试验田地力均匀，土壤有机质含量为21.3 g·kg-1，全氮1.68 g·kg-1，全磷0.56 g·kg-1，速效钾177.4 mg·kg-1。每品种种植面积200 m2，条播，行距30 cm，基本苗为225万株·hm-2，试验小区随机排列。小区施肥水平相同，分基、追肥两次施入，其中基肥施用尿素 150 kg·hm-2和复合肥（NPK各占15%）150 kg·hm-2，追肥施用尿素187.5 kg·hm-2。其它管理方式同当地生产上一般大田管理。

表1 供试品种名称及特点Table 1 Wheat varieties and its characteristics

1.2 取样与测定方法

成熟期每处理选择具有代表性的3个点进行测产，然后每处理分别取样15株，按照籽粒、颖壳、上部秸秆（穗下第一节茎叶）、中部秸秆（基部三、四节茎叶）、下部秸秆（基部一、二节茎叶）分开，105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒重，称重记录。烘干样品经植物粉碎机粉碎后，采用 H2SO4-H2O2法消煮，氮磷含量采用流动分析仪进行测定，钾含量采用火焰分光光度计测定。

1.3 组成变量（Xi）对因变量（Y）的贡献计算

各组成变量（Xi）对因变量（Y）的贡献计算方法参照Spyridon等（2008），公式如下：Xi对Y的贡献比例＝∑lg(Xi×Y)/∑lgY2。

1.4 数据分析

试验数据采用 SPSS19.0分析软件进行统计分析。采用系统聚类方法对供试群体的氮、磷、钾吸收量进行聚类分析。

表2 不同小麦品种养分吸收量差异Table 2 The amount of nutrient uptake of different wheat varieties

图1 小麦品种聚类分析树状分布图Fig. 1 Cluster analysis dendrogram of Wheat Varieties

2 结果与分析

2.1 不同小麦品种氮磷钾吸收的差异

不同小麦品种间整株的氮、磷、钾吸收量存在着较大的差异（表2），变幅分别为N 133.1～246.7 kg·hm-2、P 27.2～47.3 kg·hm-2、K 68.5～152.7 kg·hm-2。方差分析表明，品种间整株的氮、磷、钾吸收量均达到极显著水平（P值均为0.000）。以植株氮、磷、钾吸收量作为指标进行聚类分析，供试小麦品种被划分为3类（图1），宁09-118属于氮、磷、钾吸收均高效的小麦品种，植株氮、磷、钾吸收量分别为246.7、47.3、152.7 kg·hm-2；宁麦16、宁麦19、宁麦17、宁12-0726、宁2151属于中等氮、磷、钾吸收量的小麦品种，平均植株氮、磷、钾吸量分别为195.1、40.7、103.9 kg·hm-2；宁麦13、宁麦15、宁麦18、宁麦20、生选6号、宁06-127属于低效养分吸收的小麦品种，植株平均氮、磷、钾吸量分别为137.7、31.0、76.0 kg·hm-2。

2.2 小麦植株各部位氮、磷、钾的吸收与分布

不同部位氮含量以籽粒最高（表3），氮含量变幅为20.6～25.8 mg·g-1，平均含量23.7 mg·g-1。颖壳、上部茎秆、中部茎秆、下部茎秆氮含量较低，其平均值分别为6.3、6.7、7.4、7.9 mg·g-1，仅为籽粒氮含量的30%左右，茎秆从下至上呈现逐渐不断减少的趋势。说明，在籽粒灌浆期植株氮素由茎秆往穗部运输，最终成熟期被大量转移至籽粒中。植株不同部位的磷含量与氮含量趋势一致，也以籽粒最高，其变幅为4.3～5.2 mg·g-1，平均含量为4.8 mg·g-1，其结果与王树亮等（2008）的结果（平均磷含量为4.19 mg·g-1）相近。颖壳、上部茎秆、中部茎秆、下部茎秆磷含量较低，平均含量分别为 1.8、1.7、1.8、2.0 mg·g-1，茎秆从下至上呈现下降的趋势。

表3 不同部位氮、磷、钾质量分数Table 3 Nitrogen, phosphorus, potassium content in different parts of plant

不同部位钾含量顺序为上部茎秆>中部茎秆>下部茎秆>颖壳>籽粒。上部茎秆钾含量变幅为15.5～25.4 mg·g-1，平均含量20.4 mg·g-1；中部茎秆钾含量变幅为 10.1～19.2 mg·g-1，平均含量 14.5 mg·g-1；下部茎秆钾含量变幅为5.4～18.2 mg·g-1，平均含量 10.9 mg·g-1；颖壳钾含量变幅为 2.5～7.7 mg·g-1，平均含量 5.8 mg·g-1；籽粒钾含量变幅为2.0～3.1 mg·g-1，平均含量2.6 mg·g-1。造成秸秆钾含量上多下少的原因可能有两个方面：一是可能与籽粒生长期植株上部茎秆的主要功能——用于支撑穗部的重量防止植株倒伏有关，上部节间高的钾含量有利于防止倒伏（杨长明等，2004；马国辉等，2000）；另一个原因是在籽粒成熟期，植株体内的钾会发生外流，越靠近基部，钾的流失会越多（赵俊晔等，2006）。综合整个小麦植株，3种元素中氮素的吸收能力最强，氮平均含量为14.9 mg·g-1；钾素其次，平均含量为8.2 mg·g-1；磷素吸收能力最弱，平均含量3.2 mg·g-1。

从氮在植株不同部位的分配比例来看（表4），籽粒氮占植株总吸收量的分配比例最高，为72.6%～77.6%；中部茎秆（基部三四节茎叶）其次，占植株总吸收量的比例为 7.1%～10.8%；颖壳和上部茎秆（穗下节茎叶）氮的累积量相当，约占植物吸收量的 3%～7%；下部茎秆（基部一二节茎叶）所占比重最少。磷素在植株各部位的分布与氮素的分布基本一致。籽粒磷的分配比例最高，占植株总吸收量的68.5%～72.9%；中部茎秆其次，占植株总吸收量的比例为 8.7%～10.8%；颖壳和上部茎秆磷的累积量相当，约占植物吸收量的 5%～9%；下部茎秆所占比重最少。植株钾素的分布与氮、磷素有所不同。上部、中部茎秆钾的积累量较高，分别占植株总积累量的28.4%～40.5%和22.3%～34.7%，两者对钾的积累合计达59.4%～69.2%；籽粒、颖壳和下部茎秆对钾的积累量较低，分别占植株总积累量的13.0%～17.1%、4.9%～13.9%、6.3%～17.3%。

2.3 植株氮磷钾吸收累积量各影响因子贡献分析

从图2可以看出，植株养分吸收量与籽粒产量呈显著正相关关系，其中氮吸收量与籽粒产量的相关系数最高，为 0.9627，相关方程为 y=35.945x-20.87；磷吸收量其次，相关系数为 0.9455，两者的相关方程为y=6.2096x+2.8488；钾累积量最低，为0.8195。秸秆生物量与植株养分吸收累积量也呈显著正相关关系（图3），但是与籽粒产量不同的是，植株对磷的吸收量与秸秆生物量的相关性更大，两者之间的相关系数为 0.9485，相关方程为y=7.5874x+1.9086；而植株氮吸收量和钾累积量与秸秆生物量对秸秆生物量的相关性较小，其相关系数分别为0.8447、0.7843。表明，小麦籽粒高产与植株氮高效吸收是协同统一的；籽粒产量和秸秆生物量高的品种，其植株对磷的吸收能力强。

图2 籽粒产量与植株养分吸收量的关系(n=12)Fig. 2 The relations between grain yield and plant nutrient absorption

图3 秸秆生物量与植株养分吸收量的关系(n=12)Fig. 3 The relations between straw biomass and plant nutrient absorption

表4 氮、磷、钾在植株各部位中的吸收累积及分配比例Table 4 The proportion of nitrogen, phosphorus, and potassium uptake in different parts of plant

对不同品种植株氮磷吸收比例、氮钾吸收比例与生物量的相关分析表明，植株氮磷吸收比例、氮钾吸收比例均与籽粒产量、秸秆生物量无显著相关关系，从图 4、5可以看出，不同品种小麦植株氮磷比例、氮钾比例几乎维持在同一水平上，平均氮磷比例、氮钾比例为 4.7、1.8。说明不同品种尽管籽粒产量、生物量会有高低不同，但是它们对氮、磷、钾是按照一定比例协同吸收的。

图4 籽粒产量与植株w(N)/w(P)、w(N)/w(K)的关系(n=12)Fig. 4 The relations between grain yield and plant w(N)/w(P), w(N)/w(K)

分析植株总生物量和植株养分含量对植株养分吸收量的贡献，结果表明，植株总生物量是引起植株养分吸收量变化的主要贡献因子（表5）。其中植株总生物量对植株磷吸收量变化的贡献最大，其贡献率为88.9%；对植株钾吸收量变化的贡献其次；而对植株吸氮量变化的贡献较小。而植株养分含量对植株养分吸收量变化的相对贡献较低，植株氮、磷、钾含量的贡献率分别为22.4%、11.1%和18.4%。

图5 秸秆生物量与植株w(N)/w(P)、w(N)/w(K)的关系(n=12)Fig. 5 The relations between straw biomass and plant w(N)/w(P), w(N)/w(K)

表5 生物量及养分含量对养分吸收量的贡献率Table 5 Contributions of biomass and nutrient content to nutrient absorption

植株对氮、磷的吸收主要集中在籽粒部分，与植株氮、磷含量的贡献率相比，籽粒氮、磷含量的贡献率略高，其对籽粒氮、磷吸收量的贡献分别为26.9%和15.4%，但籽粒产量仍是影响籽粒氮、磷吸收量变化的主要因子。上中部茎秆是植株钾吸收的主要器官，分析上中部茎秆生物量及其钾含量与上中部茎秆钾吸收量的关系，结果表明影响上中部茎秆钾吸收的主要因子是上中部茎秆生物量，其贡献率为74.2%。

2.4 秸秆利用方式对农田养分平衡的影响

不同品种小麦对养分的循环利用受秸秆后续利用方式影响。若秸秆还田，小麦成熟期从农田被收获移走的部分为籽粒，移除的养分量即是籽粒吸收的养分。从表6可知，籽粒收获从农田带走的N、P、K养分量分别为97.7～184.8、19.0～34.5、9.3～20.8 kg·hm-2，平均养分量为 N 128.4 kg·hm-2、P 25.8 kg·hm-2、K 14.0 kg·hm-2。不同品种间N、P、K养分量差异显著（P值均为0.000）。若采用秸秆不还田方式，收获的部分为籽粒和秸秆，则从农田移除的养分量为籽粒和秸秆两者养分量之和。考虑到机械收获时秸秆基部一、二节间留茬，在计算秸秆带走的养分量时，仅计算了上中部秸秆的养分量。表6中12个品种成熟期从农田带走的N、P、K养分量分别为 122.2～223.8、22.9～40.2、54.7～117.6 kg·hm-2，平均养分量为 N 153.4 kg·hm-2，P 30.8 kg·hm-2，K 74.1 kg·hm-2。从品种来看，无论秸秆还田方式还是秸秆不还田方式，均是宁09-118收获移出的养分量最高，说明同一施肥条件下，宁09-118具有较高的养分利用效率。

表6 不同品种小麦收获移走的养分量Table 6 Nutrient removal by harvest for different wheat varieties kg·hm-2

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 基于农业面源污染控制的小麦品种选择

随着现代集约化农业的发展，农业引起的环境问题正在受到越来越多的关注（薜利红等，2013；全为民和严力蛟，2002；袁晓燕等，2010）。选择养分高效利用的小麦品种，从源头上控制养分流出，被认为是减少农业面源污染的首要途径。本研究以长江下游地区新育成的小麦品种为研究对象，研究不同品种氮、磷、钾在吸收量上的差异，分析氮磷钾吸收与小麦产量、生物量的关系，探索小麦养分高效利用规律，以期为长江下游地区小麦品种选择与利用提供依据。研究结果表明，不同小麦品种氮、磷、钾吸收量存在显著差异，变异系数分别为N 22.5%、P 18.9%、K 26.3%。其中，宁麦09-118属于吸收氮磷钾均较多的品种；宁麦16、宁麦19、宁麦17、宁12-0726、宁2151对氮、磷、钾的吸收属于中等。因此，在养分易流失区域可选择宁麦09-118进行种植，在获得较高产量的同时，提高农田养分向植株运转效率，减少农田氮、磷、钾损失。

3.1.2 小麦养分吸收分布特征与施肥量确定

研究植株氮、磷、钾三者的分布及比例，探索小麦养分高效利用规律，对于农田养分利用调控意义重大（党红凯等，2013）。本研究结果表明，所吸收的氮、磷、钾在小麦植株中的分布存在明显差异。所有品种植株中氮、磷含量均以籽粒最高，颖壳、上部秸秆、中部秸秆、下部秸秆氮和磷含量均较低，仅为籽粒氮含量的30%左右和籽粒磷含量的40%左右。由于籽粒中高的氮、磷含量，籽粒对氮和磷的积累量也表现最高，其占植株总吸收量的比例分别为72.6%～77.6%和68.5%～72.9%。而钾含量则表现为上部秸秆>中部秸秆>下部秸秆>颖壳>籽粒的趋势，上中部秸秆是成熟期植株钾残留的主要部位，所占比例为59.4%～69.2%，这与孙达等（2012）在水稻上的研究结果一致，即水稻植株氮、磷主要存在籽粒中，钾则主要集中在秸秆中。有研究认为，器官中钾的分布与氮、磷的浓度分布不同的原因可能与钾不参与有机物质形成有关，钾供应充足有利于小麦茎秆厚角组织、维管束的形成和发育，提高抗倒伏能力，提高叶片光合速率，促进光合产物转化并向生长器官运输，提高粒重和产量（党红凯等，2013；熊明彪等，2003；王旭东等，2003）。本研究中秸秆钾浓度自下而上存在明显的梯度差也证实了这一点。

植株生物量和养分含量是植株养分吸收量的两大构成因素。与养分含量相比，植株生物量对氮、磷吸收量的影响更大。对氮、磷累积的主要器官——籽粒的氮、磷吸收量进行的分析表明，籽粒中氮、磷吸收量的高低主要取决于籽粒产量，其贡献率分别为73.1%和84.6%。籽粒产量与植株氮磷吸收量具有较高的相关性，说明小麦产量与植株对氮、磷的吸收利用是协同提高的。钾主要集中在上中部秸秆中，其生物量对上中部秸秆钾吸收量的贡献率是74.2%，钾含量仅贡献了25.8%。然而，秸秆生物量与植株氮磷吸收量的相关性却比其与植株钾吸收量的相关性高，尤其是磷的相关性更高。高吸磷量的小麦品种具有较高的秸秆生物量，有关具体原因有待于进一步的研究。本研究还发现，不同品种对氮、磷、钾的吸收比例是相对固定的，平均氮磷比值、氮钾比值为4.7和1.8，生物量间的差异并不影响植株对氮磷钾三者的吸收比例。这与当前新兴的学科——生态化学计量学关于植物的养分比率常常会趋向固定比值的观点是一致的（Elser等，2000；曾冬萍等，2013）。因此，在选用当前品种进行生产时，肥料施用应重视氮和钾的投入，磷的投入量仅需氮投入的20%～25%。

秸秆后续利用方式对小麦养分的循环利用影响显著。本研究中，秸秆还田方式下，通过收获从农田移除的养分量分别为N 128.4 kg·hm-2、P 25.8 kg·hm-2、和K 14.0 kg·hm-2，而秸秆不还田方式下，通过收获移除的养分量分别为N 153.4 kg·hm-2、P 30.8 kg·hm-2、K 74.1 kg·hm-2。值得注意的是，两种方式钾的移除量达极显著差异水平（P=0.000）。同一秸秆利用方式，不同品种小麦收获期所移除的养分量也表现为差异显著，意味着选择养分高效利用品种对于减少农业生产中的氮磷钾损失是十分重要的。因此，要减少农业面源污染，应根据不同品种的小麦吸肥特性及当地养分利用效率确定氮磷钾施用量，并且在确定钾肥施用量时，还应该考虑种植区域小麦的秸秆利用方式。

3.2 结论

（1）不同小麦品种氮、磷、钾吸收量存在显著差异，宁麦09-118属于吸收氮磷钾均较多的品种，可用于养分易流失区域种植，减少区域农田氮、磷、钾损失。

（2）植株生物量和养分含量是植株养分吸收量的两大构成因素。与养分含量相比，植株生物量对氮、磷吸收量的影响更大。钾主要集中在上中部秸秆中，其生物量对上中部秸秆钾吸收量的贡献率是74.2%。

（3）不同小麦品种对氮、磷、钾的吸收比例是相对固定的，平均氮磷比值、氮钾比值为4.7和1.8。

（4）秸秆后续利用方式对小麦养分的循环利用影响显著。秸秆还田方式下，通过收获从农田移除的养分量分别为N 128.4 kg·hm-2、P 25.8 kg·hm-2、和K 14.0 kg·hm-2，而秸秆不还田方式下，通过收获移除的养分量分别为 N 153.4 kg·hm-2、P 30.8 kg·hm-2、K 74.1 kg·hm-2。

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Nutrient Absorption Characteristics and Removal from Soil with Different Wheat Varieties Based on Pollution Control

SHENG Jing, ZHANG Peng, SUN Guofeng, WANG Xin
Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China

Planting crops with high nutrient use efficiency, can reduce nutrient losses from fields, thus controlling non-point source pollution caused by agricultural production. The objective of this study was to select the wheat varieties with high nutrient use efficiency and explore the regulation mechanism. Nutrient absorption and distribution of different wheat varieties were studied, and contribution of the factors impacting nutrient absorption were analyzed, in this study with 12 newly-bred varieties as experimental materials. Under the same fertilizer supply level, nutrient uptake of whole plant was significantly different among different varieties. Cluster analysis on N, P, K uptake indicated that wheat variety Ning09-118 belonged to the type of high absorption of nitrogen, phosphorus and potassium among 12 bred wheat varieties. Nitrogen and phosphorus contents were the highest in grain than other organs for all wheat varieties, and nitrogen and phosphorus uptake by grain accounted for 72.6%～77.6% and 68.5%～72.9% of total plant uptake, respectively. Nitrogen and phosphorus uptake depended mainly on the grain yield. The nitrogen and phosphorus uptake contributed rates were 73.1% and 84.6%, respectively. Upper and middle straw were main parts of potassium storage, which accounted for 59.4%～69.2% of plant potassium accumulation. Grain yield had high correlations with nitrogen and phosphorus uptake by plants. The absorption ratios of nitrogen, phosphorus, potassium were similar in the different varieties. The average ratios of nitrogen to phosphorus, and nitrogen to potassium were 4.7 and 1.8, respectively. Potassium removal caused by wheat harvest had significant difference between with and without the application of wheat straw to field. Ning 09-118 was preferred under the same level of fertilizer application, for its high yield and strong absorption capacity of nitrogen, phosphorus, and potassium. In order to decrease nutrient losses from fields, the application rates of nutrient, phosphorus and potassium should be decided by nutrient uptake characteristics of wheat varieties and nutrient use efficiency，and the determination of potassium fertilizer application should also consider the methods of straw utilization in wheat growing areas.

wheat; genotype; nutrients; absorption; removal

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.03.018

S19

A

1674-5906（2015）03-0487-07

盛婧，张鹏，孙国锋，王鑫. 基于污染控制的小麦品种氮磷钾吸收与移除特征研究[J]. 生态环境学报, 2015, 24(3): 487-493.

SHENG Jing, ZHANG Peng, SUN Guofeng, WANG Xin. Nutrient Absorption Characteristics and Removal from Soil with Different Wheat Varieties Based on Pollution Control [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(3): 487-493.

国家“十二五”科技支撑计划项目（2012BAD14B12）

盛婧（1978年生），女，研究员，博士，主要从事循环农业与农业生态方面的研究。E-mail：nkysj@hotmail.com

2014-12-26