种植方式与施氮量对小麦光合特性及产量的影响

毛祥敏， 钟雯雯， 王兴亚， 陈雨海， 周勋波

(1.广西大学农学院，广西南宁 530004； 2.山东农业大学农学院，山东泰安 271018)

小麦(TriticumaestivumL.)是我国三大粮食作物之一，产量及种植面积仅次于玉米和水稻。小麦种植地区主要集中在华北平原与黄淮海平原，氮素是蛋白质的组成元素，籽粒的重要组成成分，与作物的生命活动有密切关系，是农业生产中必不可缺的养分限制因子。因此过去几十年中为提高小麦产量，农业生产中不断大量施用氮肥。但有研究表明，在高施氮量下，叶片光合速率下降，并且随着农业生产中大量施用氮肥，直接导致化肥损失大、土壤等污染严重，农业生态环境进入恶性循环[1]。近年来，小麦增产机理研究越来越深入，小麦产量逐年提高，除了小麦品种自身的改良外，生产上栽培措施对小麦产量提高也具有显著作用。种植方式是作物与作物之间在时间、空间和平面上的组合方式，能够影响作物群体内个体发展及其资源分布状况。沟播、扩大行距等多种种植方式以及不同密度、播期的栽培措施已广泛应用于农业生产中[2-5]，而且不同栽培方式还能影响作物的灌溉量、施肥方式等田间管理，进而提高氮肥利用率，改善周边生态环境[6]。因此，在节肥增产的农业生产背景下，采用种植方式优化施氮量对保护农业生态环境具有重要指导意义。

随着对农业生态环境的不断重视，调整施氮量、施氮时期及施氮方式以稳产高产成为研究的重点。追肥氮的利用率显著高于底肥氮利用率[7]；种植方式结合氮量调整达到稳产也有重要结论，覆草栽培模式结合120 kg/hm2施氮量时，能够维持光合性能并能稳产[8]；秸秆覆盖的氮肥利用率明显高于传统耕作模式，显著增加了籽粒产量。中国北部冬小麦种植区降水集中在7—8月份，冬小麦生育期内降水较少形成半干旱地区，如何在亏缺灌溉条件下，结合种植方式和施氮量以达到节水节肥的目的尚未深入研究。20 cm+40 cm沟播具有集水集肥的作用，亏缺灌溉条件下，结合沟播优化施氮量，旨在通过不同种植方式对光合生理特性及产量的影响以获得水分亏缺下节肥、稳产的理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

试验于2013—2014年在山东农业大学农学试验站水分池内进行(36°10′N，117°09′E)，该地区位于黄淮海平原，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，雨热同季。年平均气温为12.9 ℃，以7月份最高，平均为26.4 ℃，1月份最低，平均为-2.6 ℃。多年平均降水量为697 mm，年内降水分布很不平衡，冬小麦生育期间的降水量约为200 mm(图1)。土壤类型为壤土，土壤耕层(0～20 cm)有机质含量为18.9 g/kg，硝态氮含量15.8 mg/kg，铵态氮含量6.75 mg/kg，速效磷含量40.6 mg/kg，速效钾含量124.5 mg/kg，pH值6.9。水分池面积为3 m×3 m，池壁高出地面20 mm，壁厚15 cm，地下 1.5 m，四周用水泥抹面，以防水分侧漏。

1.2 试验设计与田间管理

本试验于山东农业大学农学试验站水分池内进行，供试品种为济麦22，于2013年10月10日按2×106株/hm2进行人工点播。2因素随机区组设计，种植方式分别为30 cm等行距种植方式(U)和20 cm+40 cm沟播种植方式(F)(图2)。整个生育期纯氮用量分别为0(N0)、112.5 kg/hm2(N1)、225.0 kg/hm2(N2)，做3次重复。小麦生育时期内施磷肥(P2O5)120 kg/hm2，钾肥(K2O)105 kg/hm2，均作底肥一次性施入。所施氮肥为尿素，分2次等量施用，1次做底肥，1次拔节期追肥。等行距处理氮肥采用普通撒施方法，沟播处理将氮肥集中施入沟内。冬小麦生育期间灌溉3次，拔节水、抽穗水和灌浆水各为50 mm。采用水表精确灌溉(表1)。

表1 2013—2014年冬小麦种植方式与施氮量试验处理设计

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶面积指数(LAI)的测定 在冬小麦主要生育时期内，每次连续取15个有代表性的冬小麦单茎，采用长×宽×0.83法测定叶面积。将样本置于烘箱内105 ℃下进行杀青30 min，然后调至80 ℃烘干至恒质量。

1.3.2 旗叶光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)及叶绿素SPAD的测定 采用LI-6400便携式光合作用测定系统，在冬小麦挑旗、抽穗、灌浆、成熟期选择晴朗的天气进行测定。旗叶叶绿素含量指数(CCI)用美国CCM-200叶绿素仪测定。测定时期同光合速率一致。

1.3.3 群体光合有效辐射截获率的测定 采用冠层分析仪在冬小麦主要生育时期选择晴朗的天气，在行间距地面0 cm和冠层分别测定PAR的入射量和反射量。

冠层总截获率=(冠层入射量-冠层反射量-底层入射量+底层反射量)/冠层入射量×100%。

1.3.4 产量的测定 每个小区取1 m2进行生物总量及籽粒产量的测定。

1.4 数据处理与分析方法

数据计算、处理与图表制作用Sigmplot 10.0，统计分析和方差显著性检验用DPSv 7.05版数据系统处理(LSD法)。

2 结果与分析

2.1 种植方式与施氮量对冬小麦叶面积指数(LAI)的影响

从图3可以看出，冬小麦生育期内LAI呈现先上升后下降的变化趋势。相同氮量处理下，F处理的LAI较U处理分别高12.03%(N0)、10.03%(N1)、11.23%(N2)，差异显著(P<0.05)，说明沟播能够明显提高LAI。相同种植方式下，N2的LAI平均值比N1高出8.7%(U)、9.9%(F)，比N0高出43.78%(U)、42.7%(F)。随着施氮量的升高，LAI增长幅度明显减小。表明F种植方式能有效提高光合面积；施氮量的升高也利于提高光合面积。

2.2 种植方式和施氮量对冬小麦光合速率(Pn)的影响

从图4可以看出，在冬小麦生育时期内，旗叶的Pn呈先上升后下降的趋势，在抽穗-开花期达到最高值。在整个生育时期内，F处理的Pn始终要高于U处理。在N1水平下，灌浆后期与成熟期F处理的Pn显著高于U处理(P<0.05)，说明增加施氮量有利于维持后期较高的光合性能，延缓叶片衰老，提高产量。F种植方式结合N1处理，既能稳定旗叶光合速率，又能减少氮肥用量。

2.3 种植方式和施氮量对冬小麦旗叶气孔导度(Gs)的影响

由表5可以看出，在整个生育期内，冬小麦旗叶Gs呈现先上升后下降的“∩”曲线，相同施氮水平下，F处理下的Gs明显高于U处理，分别高9.5%(N0)、15.2%(N1)、16.1%(N2)。F种植方式的Gs较高，且随着施氮量的增加优势明显。相同种植方式下，F处理下N2的Gs比N1高5.7%，N1的Gs比N0高10.5%；U处理下的N2的Gs比N1高 4.9%，N1的Gs比N0高5.0%；随着施氮量的增加，有利于提高旗叶Gs，且增幅减小。N1下的F种植方式优势显著。

2.4 种植方式和施氮量对冬小麦蒸腾速率(Tr)的影响

蒸腾作用是植物对水分的吸收和运输的一个主要动力。拔节期灌溉和成熟期降雨导致这2个时期的Tr略高于其他时期。由表6可以看出，在整个生育期内，相同施氮水平下，F处理下Tr明显高于U处理，分别高2.0%(N0)、4.7%(N1)、2.5%(N2)。F种植方式Tr较高，且在N1水平下优势明显。相同种植方式下，F处理下N2的Tr比N1高3.8%，N1的Tr比N0高5.3%；U处理下N2的Tr比N1高2.8%，N1的Tr比N0高2.5%；随着施氮量的增加，有利于提高旗叶Tr，且F处理下，增幅相对减小。F种植方式相对提高小麦群体Tr，且拔节期Tr也表现为F>U。蒸腾速率总体与气孔导度的群体表现趋势相近。

2.5 种植方式和施氮量对冬小麦叶绿素含量指数(CCI)的影响

从图7可以看出，生育期内CCI呈现先上升后下降的趋势。相同施氮水平下，F处理的CCI明显高于U处理，分别高6.35%(N0)、35.46%(N1)、24.02%(N2)。相同种植方式下，随着施氮量增大CCI明显升高，但增长幅度明显减小，灌浆后期到成熟期，F处理的CCI高于U处理，且随施氮量的提高，2种种植方式之间的CCI的差值也相应提高。F种植方式在N1处理下能维持较高的叶绿素含量，后期下降慢，利于延缓叶片衰老，从而提高产量。

2.6 种植方式和施氮量对冬小麦光合有效辐射(PAR)的影响

光合有效辐射(PAR)是决定作物生长的主要因素之一，更多的光能截获有利于产量的积累[9]。从图8可以看出，冬小麦整个生育时期内，F处理下的群体PAR截获率平均值分别比U处理高23.65%(N0)、27.18%(N1)、31.26%(N2)。在相同施氮条件下，F的PAR截获率显著高于U(P<0.05)。相同种植方式下，随施氮量的提高，PAR截获率提高，但增长幅度明显减小。N2比N1高4.1%(U)、7.5%(F)，N2比N0高17.6%(U)、20.9%(F)。可以看出种植方式对PAR截获率的影响要高于施氮量。沟播结合N1条件对综合提高PAR截获率具有优势。

2.7 种植方式和施氮量对冬小麦产量及产量构成因素的影响

从表2可以看出，在相同氮量处理下，F处理的籽粒产量比U处理高6.33%(N0)、14.42%(N1)、2.38%(N2)，其中在N1水平下达到显著差异(P<0.05)；F处理的公顷穗数显著高于U处理(P<0.05)，但每穗粒数和千粒质量在种植方式间差异不显著，F处理略高于U处理。F处理的公顷穗数平均值比U处理高5.26%(N0)、4.60%(N1)、4.32%(N2)。每穗粒数随着施氮量的增加而增加；由于后期贪青晚熟，造成营养生长过剩，导致千粒质量表现为N0

表2 种植方式和施氮量对冬小麦籽粒产量及产量构成因素的影响

注：同列数据后不同小写字母表示显著差异(P<0.05)。

3 讨论与结论

沟播种植方式能够通过改变地表形态影响作物群体的整体结构，合理的群体结构是提高小麦产量的基础[10]，它不仅影响群体内作物个体分布还影响群体内个体间关系以及光、水、肥等资源的分配和利用，也影响着作物冠层有效辐射及光合作用[11]。叶面积指数是反映作物产量潜力的重要生理因素之一[12]。本试验结果表明，小麦沟播能够提高群体叶面积指数，减缓LAI降低幅度并维持较高的绿叶功能期，从而形成较高的产量，说明沟播种植方式可改善植株个体生长情况，减少资源竞争，增加群体叶面积指数。

光合速率、气孔导度、蒸腾速率和叶绿素含量是作物光合生理特性的重要组成部分，促进和延长灌浆期间的群体光合速率将有利于小麦产量的进一步提高[13]。沟播在整个生育期，特别是在灌浆期和成熟期，能够维持较高的光合速率，为最终产量提供保障。随着施氮量的提高，光合速率增加显著，但随着施氮量的进一步提高，其增长幅度明显下降；沟播同样有利于提高相同条件下群体气孔导度和蒸腾速率。气孔开关的调节作用主要是为了满足植物光合作用对CO2的需要且尽量减少水分的消耗，因此，在农业生产中应适当调节进出植物体内CO2和H2O的相对平衡，保证光合原料供给的同时减少水分蒸散。气孔导度与蒸腾速率表现规律相近，进一步说明二者之间的正相关关系。沟播种植方式能够明显提高旗叶叶绿素含量指数，延缓后期叶片衰老，从而有效维持叶片光合生理特性。随着施氮量的提高，叶绿素含量指数明显增加，但随着施氮量的进一步提高，其增长幅度明显下降，这与光合速率变化规律基本一致，进一步证实叶绿素含量与作物光合作用有紧密的联系。

光合有效辐射是作物生长发育的关键因子[14]，增加光能截获是提高产量的关键[15]。沟播较平作种植方式显著提高了光能截获率，说明沟播有利于改善冬小麦群体结构，降低透射率，增加总截获率，并且随着施氮量的提高，2种种植方式间的光能截获率生育后期差异不断增大，这可能与沟播种植方式后期叶面积较高有关，使整个群体更有利于截获光能，从而提高产量。

小麦经济产量是源、库关系协调的最终表现，在一定生态条件下，源、库、流三者的协调平衡可最终决定小麦产量[16]。本试验研究结果表明，在沟播种植方式下有利于提高穗数、千粒质量、籽粒产量；随着施氮量的提高，小麦籽粒产量也相应增加，但主要是单位面积穗数的增加。千粒质量随着施氮量的增加而降低，每穗粒数则没有显著差异，可能是由于高氮延缓了小麦的衰老，导致贪青晚熟，从而使籽粒不能正常成熟，使得千粒质量下降，引起减产。在本地力水平和灌溉条件下，籽粒产量在施氮112.5～225.0 kg/hm2之间达到较高水平。

沟播较等行距平作相比具有集水集肥效应，充分利用边行效应，提高旗叶的光合生理功能，延缓后期叶片过早衰老，优化群体光合性能，从而在水分亏缺且减量施氮的条件下可达到较高的经济产量。因此在本试验条件下，20 cm+40 cm沟播结合112.5 kg/hm2施氮量为理想的减氮稳产优化栽培模式。

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