水肥一体化条件下施氮量对小麦冠层光截获特性和产量的影响

郭培武 赵俊晔 石玉 王西芝 于振文

摘要：以濟麦22为材料进行田间试验，设置0（N0）、150（N1）、180（N2）、210（N3）、240 （N4）kg·hm-25个施氮量处理，在测墒补灌的基础上利用微喷带实现水肥一体化灌溉施肥，研究水肥一体化条件下施氮量对小麦冠层光截获特性和产量的影响。结果表明：（1）N3处理拔节后群体总茎数和开花后叶面积指数均显著高于N0、N1和N2处理，N3与N4处理之间无显著差异。（2）开花后N3处理植株中上层和冠层总光合有效辐射截获量、截获率及消光系数均显著高于N0、N1和N2处理；N3处理小麦植株冠层各层次光合有效辐射透射率和总反射率显著低于N0、N1和N2处理，N3与N4处理之间无显著差异。（3）N3处理籽粒产量显著高于N0、N1和N2处理，与N4处理无显著差异，氮肥农学效率和收获指数显著高于N4处理。表明，施氮量210 kg·hm-2是本试验条件下高产高效的最优处理。

关键词：小麦；水肥一体化；施氮量；冠层光截获特性；产量

中图分类号：S512.101 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2018）08-0081-05

Effects of Nitrogen Application Rate on Canopy

Photosynthetic Active Radiation Interception and Yield of

Wheat under Integration of Water and Fertilizer

Guo Peiwu1， Zhao Junye1，2， Shi Yu1， Wang Xizhi3， Yu Zhenwen1

（1. College of Agronomy，Shandong Agricultural University/Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System，

Ministry of Agriculture， Taian 271018； 2. Agricultural Information Institute， Chinese Academy of Agricultural Sciences，

Beijing 100081， China； 3. Yanzhou Institute of Agricultural Sciences， Yanzhou 272100， China）

Abstract Taking winter wheat cultivar Jimai 22 as experiment material， a field experiment was conducted to clarify the effects of nitrogen application rate on the photosynthetic active radiation （PAR） interception of canopy and yield of wheat under the integration of water and fertilizer. Five nitrogen treatments were designed at 0 （N0）， 150 （N1）， 180 （N2）， 210 （N3） and 240 （N4） kg·hm-2， respectively， and the micro-sprinkling hoses were used to realize the integration of irrigation and fertilization based on soil moisture measuring. The results were as follows.（1）There was no significant difference in the total stem number after jointing stage and the leaf area index between N3 and N4， which was significantly higher than N0， N1 and N2 treatments.（2）The intercepted PAR and PAR capture ratio at upper and middle layers and the extinction coefficient in wheat canopy after anthesis of treatment N3 were significantly higher than those of N0， N1 and N2； the PAR penetration ratio in different layers and the total PAR reflection ratio after anthesis of treatment N3 were significantly lower than those of N0， N1 and N2， and no significant difference between N3 and N4 treatments. （3）The grain yield of N3 was significantly higher than those of N0， N1 and N2 treatments. N3 showed no more grain yield but significantly higher nitrogen fertilizer agronomic efficiency and harvest index than N4 treatment. In conclusion， 210 kg·hm-2 was the best nitrogen application level with both high yield and high efficiency under the present experimental conditions.

Keywords Wheat； Integration of water and fertilizer； Nitrogen application rate； PAR Interception of canopy； Yield

有研究表明，氮肥的过量施用并不能使小麦产量显著增加，施氮270 kg·hm-2的籽粒产量与施氮180 kg·hm-2无显著差异，氮肥偏生产力降低28.31%～30.27%[1，2]。小麦生育期内施氮240 kg·hm-2，籽粒产量为7 833.0 kg·hm-2，施氮量300 kg·hm-2较施氮240 kg·hm-2籽粒产量低598.50 kg·hm-2，氮肥农学效率亦低4.64 kg·kg-1[3，4]。Fletcher等认为，适宜的氮肥投入可以构建合理的冠层结构，延长叶片功能期，为光合同化物的积累奠定基础，在施氮0～200 kg·hm-2范围内，增施氮肥小麦叶面积指数及光合有效輻射截获率均显著增加，施氮200 kg·hm-2的光合有效辐射截获率较施氮量100 kg·hm-2的高12.2%，对消光系数则无显著影响[5]。亦有研究指出，合理的冠层结构下，作物光合有效辐射截获率提高了5.4%～10.4%，施氮225 kg·hm-2的小麦基部叶片郁积相互遮阴，减少了冠层光合有效辐射截获量，不利于光合产物的积累[6，7]。施氮195 kg·hm-2处理较施氮270 kg·hm-2处理的冠层光合有效辐射截获率提高34.5%，透光率提高10.8%，有效改善了小麦植株冠层上层光照环境，延缓了灌浆期叶面积衰减[4]。前人研究的追肥方式多为人工撒施，然后再进行畦灌，水氮利用效率低，而水肥一体化可以有效提高作物水氮利用效率[8]。本试验在测墒补灌的基础上，使用微喷带实施水肥一体化，研究不同施氮量对小麦冠层光截获特性及籽粒产量的影响，以期为小麦水肥一体化技术的实施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

2016—2017年小麦生长季在山东省兖州市小孟镇史家王子村进行田间试验，试验地为壤土，播种前0～20 cm和20～40 cm土层土壤容重分别为1.49 g·cm-3和1.64 g·cm-3，田间持水量分别为26.87%和21.86%；播种前0～20 cm耕层土壤养分含量为有机质14.17 g·kg-1、全氮1.20 g·kg-1、碱解氮119.05 mg·kg-1、速效磷43.47 mg·kg-1和速效钾113.44 mg·kg-1。生育期间总降水量为226.5 mm，其中播种至拔节期122.7 mm，拔节至开花期75.6 mm，开花至成熟期28.2 mm。

1.2 试验设计

供试小麦品种为济麦22。设置0（N0）、150（N1）、180（N2）、210（N3）、 240 （N4）kg·hm-25个施氮量处理。随机区组设计，重复3次。氮肥基追比为7∶9，追肥于拔节期利用微喷带随灌水喷入。各处理均作为基肥一次性施入 P2O5 150 kg·hm-2和K2O 150 kg·hm-2。利用测墒补灌技术将拔节期和开花期0～40 cm 土层平均土壤相对含水量均补灌至70%。利用微喷带进行灌溉，小区畦长40 m，畦宽2 m，每小区种植8行小麦，灌水前将微喷带铺设于第4行和第5行小麦中间。不同处理间留2 m保护行，防止小区间水分渗漏。于2016年10月13日播种，三叶一心期定苗，每平方米留苗密度为180株，其它栽培管理措施同常规高产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 群体总茎数 于小麦越冬、返青、拔节、开花及成熟期在每小区随机取1 m双行调查群体总茎数，重复3次。

1.3.2 叶面积指数 （LAI） 和冠层光合有效辐射 （PAR） 采用大田切片法将小麦冠层分为下中上三层，近地面至株高1/3处为下层，株高的1/3至2/3 处为中层，以上为上层。使用英国Delta公司生产的Sunscan作物冠层分析仪，分别于小麦开花后0、10、20、30 d的9∶00—11∶00测定冠层叶面积指数和冠层光合有效辐射。

1.3.3 各层次光合有效辐射截获量 （IPAR） 、截获率 （CR）、透射率（PeR）、反射率（ReR）和消光系数（K） 依据如下公式计算[9]：

CRn= （PARn-1-PARn ）/PAR0 ×100% ；

IPARn=R×CRn× 0.5 ；

PeRn= PARn/ PARn-1 ×100% ；

ReR=PAR4/PAR0 ；

K=-ln（PAR3/ PAR0）/LAI 。

式中，CRn和PARn为入射光通过一定叶层后的截获率和光合有效辐射；PAR0为冠层顶部自然光照下的光合有效辐射；R为实际光能总辐射量；PAR3和LAI分别为冠层近地面处的光合有效辐射和叶面积指数；PAR4为顶部反射光。

1.3.4 籽粒产量及其构成因素、收获指数和氮肥农学效率 于成熟期进行脱粒，自然风干至籽粒含水量为12.5% 时进行称重测产，成熟期测量各处理的穗数、穗粒数和千粒重，重复3次。

采用以下公式计算收获指数和氮肥农学效率[10，11]：

收获指数=经济产量/生物产量；氮肥农学效率=（施氮区产量-对照区产量）/施氮量。

1.4 数据处理

用Microsoft Excel 2003和SigmaPlot 12.5处理数据和作图，用SPSS 13.0软件分析数据并进行差异显著性检验（LSD法）。

2 结果与分析

2.1 不同处理对群体总茎数的影响

由表1可知，各处理群体总茎数在返青期最高，冬前期和返青期群体总茎数在各施氮处理间无显著差异，均显著高于不施氮处理；拔节期、开花期和成熟期群体总茎数为N3处理显著高于N0、N1和N2处理，N3与N4处理间无显著差异。表明，拔节后N3处理群体总茎数最高，有利于获得更多的光能合成光合产物，为籽粒产量形成奠定基础。

2.2 不同处理对开花后叶面积指数动态的影响

由表2可知，开花后0 d叶面积指数为N3、N4>N2>N1>N0；开花后10 d和20 d为N3、N4>N1、N2>N0，N3与N4处理无显著差异；开花后30 d，N3处理叶面积指数显著高于N1和N2处理，与N4处理无显著差异。表明，开花后N3处理叶面积指数高，有利于冠层对光能的有效利用，为籽粒积累更多的光合产物。

2.3 不同处理对开花后小麦冠层光截获特性的影响

2.3.1 不同处理对开花后植株各层次冠层光合有效辐射截获量的影响 光合有效辐射截获量是指能够被作物冠层吸收并用来进行光合作用的光能辐射量，是反映作物群体是否合理的重要指标。由表3可以看出，小麦植株冠层上层和中层的光合有效辐射截获量均为N3、N4>N1、N2>N0，各处理冠层下层光合有效辐射截获量无显著差异；N3处理的总冠层光合有效辐射截获量显著高于N0、N1和N2处理，与N4处理之间无显著差异；不同处理各层次的冠层光合有效辐射截获量均为中层>上层>下层。表明，N3处理显著增加了开花后植株中上层冠层对光能的有效截获，有利于小麦群体内进行碳水化合物制造的主要冠层的光合作用。

2.3.2 不同处理对开花后植株各层次冠层光合有效辐射截获率和及消光系数的影响 光合有效辐射截获率是光合有效辐射截获量占光能总辐射量的比重，消光系数反映了群体中叶面积对光能总辐射的消弱能力，是作物冠层光能截获的重要指标。由表4可知，各处理冠层下层光合有效辐射截获率无显著差异；N3处理冠层上层和中层光合有效辐射截获率显著高于N0、N1和N2处理，而与N4处理无显著差异；总冠层光合有效辐射截获率和消光系数为N3和N4处理最高，N1和N2处理次之，N0处理最低。N3处理光合有效辐射截获率和消光系数最高，有利于植株冠层对光能的截获利用，为籽粒灌浆提供充分的光合产物。

2.3.3 不同处理对开花后植株各层次冠层光合有效辐射透射率和反射率的影响 光合有效辐射透射率是指透过小麦冠层的光能辐射量占光能总辐射量的比重，光合有效辐射反射率是指经过作物冠层后被反射回大气的部分占光能总辐射量的比重，两者反映了作物的透光程度。由表5可知，N3处理冠层上层、中层和下层光合有效辐射透射率均显著低于N0、N1和N2处理，与N4处理无显著差异；总冠层光合有效辐射透射率为N3、N4

2.4 不同处理对小麦籽粒产量和收获指数及氮肥农学效率的影响

由表6可知，成熟期籽粒产量、公顷穗数和千粒重均为N3、N4>N1、N2>N0，N3与N4处理之间无显著差异；各处理之间穗粒数无显著差异；收获指数为N0>N1、N2>N3>N4；氮肥农学效率为N3>N4>N2>N1；N3处理的收获指数和氮肥农学效率均显著高于N4处理。N3处理籽粒产量和氮肥农学效率最高，是本试验条件下高产高效的最优处理。

3 讨论与结论

有研究发现，施氮180～300 kg·hm-2范围内，施氮量对小麦各生育期群体总茎数无显著影响，但增施氮肥有利于减缓开花后叶面积指数的衰减，施氮300 kg·hm-2开花后14 d和28 d的叶面积指数较施氮180 kg·hm-2高5.63%和9.12%[12]。施氮240 kg·hm-2处理冬前至拔节的群体总茎数显著高于120 kg·hm-2处理，拔节至成熟期无显著差异，开花后叶面积指数亦显著高于120 kg·hm-2处理[9]。Wang等研究发现，施氮300 kg·hm-2成熟期群体总茎数较240 kg·hm-2处理低10.73%[13]。在本试验中，N3处理拔节期、开花期和成熟期群体总茎数及开花后叶面积指数均显著高于N0、N1和N2，N3与N4处理之间无显著差异。表明施氮210 kg·hm-2 的N3处理穗数多，叶片功能期长，有利于为小麦籽粒产量形成奠定生理基础。

Salvagiotti等研究指出，施氮量由26 kg·hm-2逐渐增加至104 kg·hm-2，小麦植株冠层光合有效辐射截获量呈线性增加趋势，最高为90%，消光系数则无显著差异[14]。施氮量240 kg·hm-2处理的冠层上部光合有效辐射截获率显著高于120 kg·hm-2和180 kg·hm-2处理，光合有效辐射透射率则显著低于二者[9，15]。亦有研究指出，与施氮量180 kg·hm-2相比，施氮225 kg·hm-2处理的光能利用率高7.84%，消光系数低2.38%～8.70%[16]。本试验研究表明，施氮量210 kg·hm-2的N3处理光合有效辐射截获量、光合有效辐射截获率和消光系数均显著高于N0、N1和N2处理，光合有效辐射透射率和光合有效辐射反射率显著低于N0、N1和N2处理，有利于小麦充分利用光能为籽粒积累更多的光合同化物。

有研究表明，施氮量增加，籽粒产量、穗粒数及千粒重均显著增加，施氮240 kg·hm-2处理的籽粒产量、穗粒数及千粒重较施氮120 kg·hm-2处理分别高17.82%、18.68%和12.30%[17]。亦有研究指出，施氮330 kg·hm-2处理的穗数较210 kg·hm-2处理显著增加，穗粒数和千粒重则无显著差异[18]。Mon等研究指出，与施氮252 kg·hm-2处理相比，施氮336 kg·hm-2处理的籽粒产量无显著增加，氮肥农学效益低26.32%～32.58%[19]。本试验中，N3处理的籽粒产量和公顷穗数及千粒重均显著高于N0、N1和N2处理，与N4处理之间无显著差异，N3收获指数和氮肥农学效率则显著高于N4处理。表明，施氮量为210 kg·hm-2的N3处理是本试验条件下高产高效的最优处理。

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