减氮对豫北限水灌溉冬小麦冠层结构和光合特性的影响

马静丽，方保停，乔亚伟，李春喜，王志敏，蒿宝珍,，姜丽娜

(1.河南师范大学生命科学学院，河南新乡 453007；2.河南省农科院小麦研究中心，河南郑州 450002；3.新乡学院生命科学技术学院，河南新乡 453000；4.中国农业大学农学院，北京 100193)

豫北地区是河南重要的小麦高产稳产区，也是河南优质专用强筋小麦适宜种植区，实现该地区小麦生产的可持续发展对确保我国粮食安全具有重要意义。然而，当地小麦生产中过量施肥现象极其普遍。对豫北地区462户农户小麦季施氮状况的调查表明，有52%的农户小麦氮肥投入量(纯N)高于300 kg·hm-2[1]，远高于区域试验推荐的适宜施氮量128 kg·hm-2[2]。氮肥的过量施用导致氮肥增产效益和利用效率大幅下降[3]，同时，过量的氮通过淋洗和径流等过程逸出到周围环境中，引发一系列生态环境问题，如土壤酸化[4]、温室气体排放[5-6]、大气氮沉淀[7]和水体富营养化[8]。因此，减施氮肥是实现豫北地区小麦高产、高效、环境友好发展的必然选择。

合理的冠层结构能够改善群体透光和光分布，增加群体光能有效截获和净光合效率，促进光合产物积累，增加作物产量[9]。前人研究认为，品种[10]、种植方式[11]、肥料配施[12]、种植密度[13]和灌溉[14]等栽培因素对小麦群体冠层特性和产量具有显著影响。氮肥管理也是有效调控小麦冠层结构的措施之一。研究表明，增加施氮量可提高叶面积指数，增加冠层光合有效辐射截获率和群体光合速率，有利于作物生长和产量提高[15-18]，而过量施氮易造成群体透光率降低，使冠层下部光分布少，进而导致冠层下部叶片加速衰老[17,19]。以往研究氮肥对作物冠层结构的影响多以群体叶面积和冠层内光分布为目标，而针对当前小麦生产中过量施氮现状，探讨减施氮肥对冠层不同层次叶片和非叶器官形态影响的研究尚少见报道。另外，水资源不足是限制豫北小麦生产可持续发展的主要因素，因此在该地区开展小麦节水栽培是必然趋势[20]。因此，在节水栽培条件下研究减氮对冬小麦冠层结构和光合性能的影响具有重要意义。本研究以豫北冬小麦为研究对象，在限水灌溉(春浇一水)条件下，以常规施氮量为基础设置不同减氮处理，研究减施氮肥对冠层叶片和非叶器官形态特征、冠层光分布和光合速率的影响，以期为冬小麦高产、高效、节水栽培中合理施用氮肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2009-2010年在河南省浚县原种农场试验田(41°02′N，116°41′E)进行，属暖温带半湿润半干旱大陆性季节气候，年日照时数2 160 h，≥0 ℃积温5 135 ℃，无霜期225 d，年太阳辐射总量505 kJ·cm-2，年平均降水量636 mm(冬小麦生育期间气象条件见表1)。前茬作物为夏玉米。土壤类型均为潮土，黏壤质。0～20 cm土层含有机质13.2 g·kg-1、全氮1.1 g·kg-1、碱解氮72.6 mg·kg-1、速效磷24.3 mg·kg-1和速效钾123.6 mg·kg-1，pH 8.1。采用随机区组试验设计，共设置6个施氮水平，分别为不施氮肥(N0)、一次性底施氮120 kg·hm-2(N1)、底施氮120 kg·hm-2+追施氮90 kg·hm-2(N2)、底施氮120 kg·hm-2+追施氮150 kg·hm-2(N3)、底施氮120 kg·hm-2+追施氮210 kg·hm-2(N4，传统施氮)，氮肥追施在拔节期结合灌水进行。各处理小麦播种前均将玉米秸秆粉碎翻压还田，磷钾肥全部底施，施磷肥(P2O5)138 kg·hm-2、钾肥(K2O)112.5 kg·hm-2和硫酸锌22.5 kg·hm-2。小麦播种前底墒较好，故未灌底墒水，全生育期只灌拔节水，采用畦灌方式，灌水量为750 m3·hm-2。供试小麦品种为周麦18。该品种是黄淮麦区主栽品种，具有高产潜力大、稳产性好、较耐旱节水、适应性广等特点。小区面积为40 m2(4 m×10 m)，行距20 cm，重复3次，基本苗4.0×106株·hm-2。小麦播期2009年10月20日，2010年6月13日收获。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 植株绿色器官面积

于小麦开花期，从每小区选取生长一致的20个单茎测量单茎各器官绿色面积。采用长宽系数法自上而下测定每个叶片面积，穗面积的测定参照裘邵峰[21]和Teare[22]的方法，茎鞘面积按圆柱形表面积测定。

1.2.2 植株叶片质量

于开花期，每小区选取标记植株的旗叶、倒二叶、倒三叶各30片，在叶片中部避开主脉位置用打孔器打孔，之后将叶片样品置于105 ℃烘箱中杀青30 min，80 ℃烘箱中烘干至恒重，计算比叶重。比叶重 = 叶片干重/叶面积。

1.2.3 冠层光分布

于开花期及花后12 d、20 d和34 d晴朗无风天气的11:00-13:00，利用SunScan冠层分析系统(英国Delta公司)测定冠层顶部、旗叶层、倒二叶层、倒三叶层、倒四叶层的光合有效辐射量，计算透光率(某一叶层光强与群体冠层顶部自然光强的比值)。于开花期在各小区标记单茎20个，分别测量旗叶、倒二叶、倒三叶、倒四叶中部到地面的高度，取平均值，以此确定各叶层高度。

表1 2009-2010年度冬小麦生育期间气象条件Table 1 Meteorological conditions during winter wheat growing period from 2009-2010

1.2.4 叶片净光合速率

在孕穗期对生长一致的单茎进行挂牌标记，于开花期及花后12 d、20 d和34 d的上午9:00-11:00，自然光照下分别测定旗叶、倒二叶和倒三叶的净光合速率。光合参数采用Li-6400(Li-Cor Inc, 美国产)便携式光合作用测定系统进行测定。仪器采用开放式气路，CO2浓度为365 μmol CO2·mol-1，可直接测定净光合速率Pn。每处理3次重复。

1.2.5 叶片叶绿素相对含量(SPAD值)

叶绿素相对含量(SPAD)采用日本产SPAD-502叶绿素测定仪进行测定，每个小区各选取10片叶，每叶从基部到尖端测4点并取平均值。于孕穗期、开花期及花后12 d和18 d分别测定旗叶、倒二叶、倒三叶和倒四叶的SPAD值。

1.2.6 测产及考种

成熟期，从各小区取4 m2(2 m×2 m)样方，进行测产，同时取样进行常规室内考种。

1.3 数据分析

采用GraphPad Prism 5对数据进行作图和处理，采用SAS 9.2软件对各处理数据进行统计分析，用LSD法进行显著性检验(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 减氮对小麦绿色器官面积的影响

随施氮量的减少，小麦单茎叶面积呈逐渐降低趋势，且处理间差异达显著水平(表2)。与N4处理相比，N3、N2、N1、N0处理单茎叶面积分别降低9.7%、14.5%、21.6%和28.0%。各叶位叶面积对减氮的反应不尽相同。减氮后旗叶、倒二叶和倒三叶面积均显著下降，降幅分别为6.9%～29.2%、11.5%～30.0%和16.3%～32.6%，而倒四叶面积没有明显下降。同时，上三叶叶片长度和宽度也分别随施氮量的减少而下降，但叶片宽度的下降幅度较大。与N4处理相比，减氮处理(N3、N2、N1和N0)的旗叶、倒二叶和倒三叶叶片长度分别减少了7.0%、8.8%和4.4%，而叶片宽度分别减少了11.8%、12.5%和15.6%。以上结果表明，减少氮肥投入可显著减少植株单茎叶面积，且主要是减少了上三叶(旗叶、倒二叶和倒三叶)的叶面积。

减氮显著降低了小麦开花期旗叶节以上非叶器官面积，下降幅度为5.2%～16.8%，低于上三叶11.6%～30.6%的下降幅度(表3)。另外，随施氮量的减少，非叶绿色器官与上三叶面积之比呈现逐渐增加趋势(表4)，说明减少供氮对叶面积负效应大于非叶绿色器官面积。

表2 开花期不同氮肥处理下小麦叶片形态比较Table 2 Leaf configuration of wheat at anthesis under different nitrogen treatments

同列数据后不同小写字母表示处理间在0.05水平上存在显著差异。下表同。

The different small letters following the values within the same column indicate significant differences among the treatments at 0.05 level.The same in tables 3, 5 and 6.

2.2 减氮对小麦上三叶比叶重的影响

随叶位的降低，叶片比叶重呈下降趋势，旗叶比叶重最高，倒三叶最低(表5)。减少施氮量后，上三叶比叶重均呈增加趋势。与N4处理相比，减氮处理下旗叶、倒二叶和倒三叶的比叶重分别增加了10.9%、19.1%，和18.4%，表明在限水灌溉条件下，适当控制氮肥施用量有助于改善冬小麦叶片质量。

表3 开花期不同氮肥处理下小麦单茎各器官面积Table 3 Organ area per wheat stem under different nitrogen rates at anthesis cm2

表4 开花期不同氮肥处理下小麦单茎器官面积所占比例Table 4 Proportion of different organ area per wheat stem under different nitrogen treatments at anthesis %

表5 开花期不同氮肥处理下小麦上三叶比叶重Table 5 Specific leaf weight of wheat top three leaves under different nitrogen rates mg·cm-2

2.3 减氮对小麦冠层光分布的影响

随叶位的降低，群体中各层次透光率逐渐减小，开花至成熟期均表现为旗叶层、倒二叶层、倒三叶层和倒四叶层(图1)。随生育进程的推进，各叶层透光率均呈增大趋势，且均在成熟期(花后34 d)最高，开花期最低。随着氮肥施用量的减少，各叶层透光率也均呈现增加的趋势，不同时期均以N4处理最低，N0处理最高；灌浆中前期(开花至花后20 d)减氮处理下倒四叶层、倒三叶层、倒二叶层和旗叶层平均透光率分别比N4处理高39.0%、38.0%、23.8%和9.4%，表明减施氮肥增加了花后冠层下部叶片受光比率，改善了冠层下部叶片受光状况。

2.4 减氮对小麦叶片净光合速率的影响

从图2来看，开花至花后24 d均表现为旗叶光合速率最高，倒二叶次之，倒三叶最低。随生育进程的推进，上三叶光合速率均呈明显的下降趋势，其中旗叶在开花至花后12 d的下降趋势较为平缓，仅平均下降了8.3%，至花后18 d和24 d分别下降了25.0%和52.9%，这表明灌浆期旗叶光合速率在前期下降较慢，而后期下降速度有加快的趋势。倒二叶与旗叶有相似的下降趋势，但倒二叶光合速率在花后18 d明显下降，早于旗叶快速下降出现的时间，而倒三叶光合速率在花后12 d出现明显下降，这可能与下层叶片氮素向植株上部转运的时间较早，而与旗叶氮素转运较晚有关。随施氮量的减少，花后上三叶光合速率总体均呈先略升后降的趋势，其中旗叶和倒二叶光合速率在花后各测定时期均以N4、N3和N2处理较高，分别为14.0、14.5、13.9 μmol CO2·m-2·s-1(旗叶)和9.3、9.8、9.0 μmol CO2·m-2·s-1(倒二叶)，表明适量减氮不会引起冠层中上部叶片光合速率下降。倒三叶光合速率在开花至花后18 d均以N3和N2处理较高，分别比N4处理高38.7%和24.7%，说明适量减氮有助于提高下部叶片光合速率，这可能与减氮改善冠层下部叶片受光状况有关。

图柱上不同小写字母表示处理间在0.05水平上存在显著差异。下图同。

图2 花后不同氮肥处理下小麦叶片净光合速率

2.5 减氮对小麦SPAD值的影响

小麦旗叶和倒二叶SPAD值在测定期间(孕穗期至花后18 d)没有明显的下降趋势；处理间比较，N0处理的SPAD值略低于其他处理(图3)。倒三叶SPAD值在孕穗期至花后12 d无明显变化，开花18 d后快速下降；N0和N1处理的SPAD值较接近，均低于其他处理。倒四叶SPAD值变化趋势与倒三叶相似，但倒四叶SPAD值在花后12 d快速下降，相比倒三叶有所提前，且以N0和N1处理的SPAD值较低。

图3 孕穗期及花后不同氮肥处理下小麦叶片SPAD值

2.6 减氮对小麦产量及其构成因素的影响

由表6可以看出，N2、N3、N4处理的小麦籽粒产量显著高于N1和N0处理。N2、N3、N4处理间产量差异不显著，表明在本试验条件下，适当减施氮肥不会导致产量下降，而且仍可获得较高的籽粒产量。随施氮量的减少，穗数和穗粒数总体均呈减少趋势，但N2、N3、N4处理间的差异均不显著；千粒重总体呈增加趋势，且N2、N3、N4处理间的差异均达显著水平。由上述分析可以看出，适当减氮虽然导致穗数和穗粒数略有下降，但促进了粒重增加，从而有利于产量形成和维持较高产量水平。

表6 不同氮肥处理对冬小麦籽粒产量及其构成因素的影响Table 6 Effect of different nitrogen treatments on grain yield and its components of winter wheat

3 讨 论

氮肥过量投入是豫北小麦生产中面临的主要问题。有数据表明，该区域多数农户年氮肥用量超过500 kg N·hm-2[23]。过量施用氮肥会导致小麦增产效应和氮肥利用效率降低，且引起一系列的环境问题[3,24]。因此，探讨减施氮肥对豫北小麦生长发育的影响，对于该区域小麦生产的可持续发展具有重要意义。前人已开展一些此方面的研究。熊淑萍等[25]研究了减氮对小麦的氮累积量、干物质累积量、产量及氮利用率的影响；张 嫚等[26]围绕适量减氮下土壤硝态氮分布、植株氮素吸收利用效率和籽粒产量的变化进行了研究；蒿宝珍等[27]在限水灌溉条件下研究了减少施氮量对冠层叶片间氮素垂直分布，叶片氮转运特征，氮素利用率和产量的影响；范靖尉等[28]研究了减施氮肥对华北夏玉米-冬小麦田土壤CO2和N2O排放的影响。综合以上研究可以看出，豫北地区小麦生产中适量减氮不仅可以获得较高的产量，同时可显著提高氮素利用效率，减少氮素损失和温室气体排放，有助于实现该区域小麦高产、高效和环境友好的可持续发展。

冠层结构是影响作物冠层光合作用和光能利用效率的重要因素[10]。适当减少上层光截获比重，增加中下层光截获量，可提高作物的光能转化效率，增强群体光合生产能力，积累更多的光合产物，进而提高作物籽粒产量[29]。叶型特征是影响冠层内光分布与截获的重要因素之一[30]。有研究指出，优化施肥处理下小麦上三叶变短，上三叶叶面积和叶面积指数均下降，使得群体透光率提高，群体中下层光截获量增加[17,30]。本研究表明，减施氮肥明显减少了上三叶长度和宽度，叶片均变短和变窄，叶型变小，面积下降；同时，上部叶片变小，降低了冠层上部的光截获比重，使更多的光分布到中下层，增加了花后冠层下部叶片受光比率，改善了冠层下部叶片的受光状况。

参与小麦产量形成的部位，除叶片之处，还包括非叶绿色光合器官，如穗、鞘和芒等[20,31]。有研究指出，穗部光合对产量的贡献率为12%～42%[32]。另外，非叶器官具有时空结构、光合速率、酶代谢及光合机构等多方面优势，特别是生育后期非叶绿色器官与叶片相比，具有逆境下的光合潜力，小麦开花后群体绿色面积中非叶绿色面积所占比重较大，特别是在灌浆后期，叶片迅速衰亡，而非叶器官仍能维持较大的绿色面积，持绿时间较长，对群体光合可能具有较大贡献[20,33]。有学者研究了不同灌溉条件下冬小麦冠层结构特征和非叶器官对产量的贡献，指出减少灌溉相对增加了非叶绿色器官面积占单茎总绿色面积比例，有利于提高冠层光合能力[33]。本研究表明，降低施氮水平，上三叶叶面积及非叶器官面积均呈下降趋势，但叶器官面积下降幅度要高于非叶绿色器官面积下降幅度，旗叶节以上非叶绿色器官面积与上三叶叶面积比值则随着施氮水平的降低而增加。可见，减施氮肥会相对提高非叶器官面积比例，有利于小麦发挥非叶绿色器官的抗逆光合优势。

综合研究认为，冬小麦在有限供水条件下，减施氮肥减少了叶器官面积和旗叶节以上非叶绿色器官面积，提高了非叶器官面积占单茎总面积的比例，改善了上三叶叶片质量。减氮处理下，上三叶叶片均变短和变窄，叶型变小，增加了花后冠层下部叶片受光比率，改善了冠层下部叶片的受光状况，提高了冠层下部叶片的光合速率。