不同水分处理对小麦氮素和干物质积累与分配的影响

傅晓艺，王红光，刘志连，张 聘，李瑞奇

(1.河北农业大学农学院，河北保定 071000； 2.石家庄市农林科学研究院，河北石家庄 050041)

华北地区是我国冬小麦的主产区[1-2]，其小麦高产稳产对国家粮食安全具有重要意义。该地区水资源短缺[3]，小麦生育期内降水量较少[2]，灌溉是小麦高产的主要保障措施[4]。近年来，随着华北地区水资源需求的不断增大，作为农业灌溉用水主要来源的地下水被大量开采利用，导致地下水位逐渐下降，给该地区水资源安全及粮食生产带来巨大压力[5]。随着气候的变化，华北地区干旱发生频繁，冬季干旱和冬春连旱形势十分严峻[6]。因此，科学灌溉已成为华北地区水资源安全和小麦高产双重压力下的必然选择。氮素是影响作物生长发育的重要限制因子。合理施氮能促进作物根系发育，增强植株对土壤水分和氮肥的吸收，提高产量[7-8]，而水分是氮素吸收、转运和同化的重要限制因子[9-11]。研究表明，干旱胁迫和过量灌水均不利于小麦植株对氮素的积累和转运；适量灌水可促进小麦氮素吸收，提高氮肥利用率[12-13]。也有研究指出，小麦品种是影响各器官氮素积累量差异的决定因素，开花期及成熟期各器官的氮素积累量在不同品种间差异显著[14-15]。目前，关于小麦灌水效应的研究多以单个品种为材料[16-18]，且多数在拔节期和开花期进行灌水处理，而就不同生育时期组合灌水对小麦氮素积累和产量影响的报道较少。本研究以华北地区大面积推广的冀麦418、石麦26和藁优2018为材料，在肥料全部底施基础上，设置不同生育时期的灌水处理，分析了不同水分处理下小麦氮素、干物质积累与分配的特点，以期为该地区小麦节水栽培、氮素高效利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018-2019 年在河北农业大学藁城试验站进行。该区位于河北省西南部，石家庄市东部，北纬37°51′～38°18′44″，东经114°38′45″～114°58′47″，平均海拔为130 m，属暖温带半湿润大陆性季风气候。试验地土壤为壤土，前茬作物为玉米。耕层土壤有机质含量为19.4 g·kg-1，全氮含量为1.3 g·kg-1，碱解氮含量为119 mg·kg-1，速效磷含量为21.3 mg·kg-1，速效钾含量为60.15 mg·kg-1，pH 值为6.58。

1.2 试验材料与设计

小麦于2018年10月8日播种，基本苗375万株·hm-2，行距18 cm。小区面积7.0 m2，3次重复，随机区组排列，供试品种为冀麦418、藁优2018和石麦26。2019年6月3日人工收获。

基施N 225 kg·hm-2、 P2O590 kg·hm-2和 K2O 150 kg·hm-2。浇足底墒水(表1)以保证苗全、苗齐，在田间防雨棚条件下设置 6 种不同灌水处理：不灌水(W1，0 mm)、起身水(W2，60 mm)、拔节水(W3，60 mm)、开花水(W4，60 mm)、起身水+开花水(W5，60 mm+60 mm)、拔节水+开花水(W6，60 mm+60 mm)，通过流量计(宁波宁水水表有限公司，DN15)控制灌水量。起身水、拔节水、开花水分别于2019年3月14 日、3月30日和4月26日灌溉。不同处理间设置50 cm观察道，并埋1.0 m深塑料布进行水分隔离，雨雪天将防雨棚卷帘拉下，其余时间为自然光照。其他管理与一般大田一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质积累量测定

在小麦起身期、拔节期、开花期和成熟期，每个小区取50个植株。其中开花期和成熟期按器官将样品分开。所有样品均105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，测定干物质量。计算花前营养器官贮存干物质和氮素在花后的转运参数[19]。

表1 小麦播种前0～200 cm土层土壤含水量Table 1 Water content under different soil layers before wheat sowing

营养器官花前贮存干物质转运量=营养器官开花期干重-营养器官成熟期干重；

开花后光合物质同化量=成熟期籽粒干重-营养器官花前贮存干物质转运量；

开花前营养器官贮存干物质对籽粒产量的贡献率=开花前营养器官贮存干物质转运量/成熟期籽粒干重×100%

开花后光合同化物对籽粒产量的贡献率=开花后光合同物质量/成熟期籽粒干重×100%

1.3.2 产量测定

测量各小区收获面积，实收脱粒，测定籽粒含水量，并折算成13%含水量的籽粒产量。

1.3.3 氮含量测定

在开花期和成熟期，随机选10株小麦，地上部105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒重后，分成叶片、茎秆、颖壳和籽粒(成熟期)4部分，分别用小麦粉碎仪(莱驰，德国)磨细，并密封保存。用千分之一电子天平称量0.200 g粉碎样，用移液器加8.0 mL浓硫酸。置于石墨炉加热(170 ℃ 0.5 h，240 ℃ 0.5 h，330 ℃加热至澄清)，每 0.5 h加双氧水10滴。冷却至室温，过滤后用去离子水定容至50 mL，即为提取液。配成1∶10的稀释液用连续流动分析仪(Auto Analyzer 3，德国 SEAL)测定全氮含量。计算植株氮素积累量、转运参数和氮素利用效率。

植株地上部氮素积累量=成熟期地上部植株干重×成熟期植株含氮量；

营养器官氮素转运量=开花期营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量；

营养器官氮素贡献率=营养器官氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100%；

氮素吸收效率=植株氮素积累量/施氮量；

氮素利用效率=籽粒产量/地上部植株氮素积累量；

氮肥生产效率=籽粒产量/施氮量。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2003整理数据，用SPSSversion 19.0 软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同水分处理对小麦干物质积累的影响

随着小麦生育进程的推进，干物质积累量呈上升趋势(图1)。在起身期，干物质积累量在不同处理间差异不显著；在拔节期，W2和W5处理的干物重差异不显著，但均显著高于其他处理；在开花期和成熟期，不同处理间干物质积累量均差异显著，三个参试品种均以W6处理最高，其次是W5处理，W1处理最低。

2.2 不同水分处理下小麦成熟期干物质在各器官中的分配特点

各品种成熟期各器官干物质积累量及其分配比例总体上均表现为籽粒>茎+叶鞘>穗轴+颖壳>叶片(表2)。在W1处理下三个品种成熟期各器官的干物质分配量基本上显著低于其他处理，但各品种不同器官干物质量达到最高的处理不同，如石麦26的穗轴+颖壳、叶片和籽粒干物质量在W6处理下最高，茎+叶鞘在W5处理下最高。各品种不同器官干物质分配比例在不同处理间也存在显著差异，各器官的分配比例达到最高的处理也有所不同，如石麦26、冀麦418和藁优2018的籽粒干物质分配比例最高值分别出现在W3、W1和W4处理下。

2.3 小麦开花后干物质的同化与再分配

由表3可知，三个品种的营养器官开花前贮存干物质转运量在不同处理间均存在显著差异，石麦26表现为W3>W6>W5>W4>>W1、W2，藁优2018表现为W6>W3>W5>W2>W4>W1，冀麦418表现为W6>W5>W4>W2>W3>W1；对于开花后光合物质同化量，石麦26和藁优2018均以W5处理最高，与其他处理差异显著，而冀麦418以W6处理最高。对于开花后光合物质同化量对籽粒产量的贡献率，石麦26表现为W5>W2、W4>W1>W6>W3，藁优 2018表现为W1>W4>W5>W2>W6>W3，冀麦418表现为W3>W1>W4>W2>W6>W5。这表明，W3处理最有利于提高石麦26和藁优2018开花前贮存干物质对籽粒产量的贡献率，W5处理最有利于冀麦418花前贮存干物质的转运；W3处理下藁优2018开花前干物质对籽粒产量的贡献率远大于石麦26和冀麦418。

图柱上的不同小写英文字母表示同一品种和同一生育时期的不同处理间在0.05水平上差异显著。SS：起身期；JS：拔节期；FS：开花期；MS：成熟期。

表2 不同品种不同水分处理下成熟期干物质分配Table 2 Dry matter distribution of different varieties under different water treatments at maturity

表3 小麦营养器官干物质转运和对籽粒的贡献Table 3 Wheat dry matter transportion from vegetative organs and its contribution to grain

2.4 成熟期氮素在小麦各器官中的分配

由表4可以看出，在不同水分处理中，石麦26和冀麦418成熟期的籽粒氮素积累量均以W1处理最低，以W5处理最高；藁优2018的成熟期籽粒氮素积累量则分别以W4和W6处理最低和最高，W5处理仅次于W6处理。小麦各品种不同器官的氮素积累量及分配比例对不同水分处理的反应不同，缺乏一致性。总体来看，起身水+开花水和拔节水+开花水有利于不同小麦品种籽粒氮素的积累。

2.5 小麦开花后氮素的同化与再分配

W1处理下各品种营养器官的开花期氮素积累量和氮素转运量最低，与其他处理差异显著。与其他处理相比，W5和W6处理显著增加开花期营养器官氮素积累量、成熟期籽粒氮素积累量、营养器官氮素转运量及其贡献率。藁优2018和冀麦418在W2处理下、石麦26在W5处理下获得较高的成熟期营养器官氮积累量。这说明起身水+开花水和拔节水+开花水比较有利于花前营养器官氮素积累和转运，提高籽粒氮素累积量。

表4 不同处理小麦成熟期不同器官中氮素的积累和分配Table 4 Nitrogen accumulation and distribution in different organs at maturity

表5 开花后营养器官氮素向籽粒中的转运Table 5 Nitrogen translocation from vegetative organs to grain after anthesis

2.6 不同水分处理对小麦籽粒产量及氮素利用效率的影响

由表6可以看出，三个品种的籽粒产量在不同处理间差异均显著，均以W6处理最高，W5处理次之，W1处理最低。在只浇1水的前提下，冀麦418在灌开花水(W4)时可获得较高产量，而石麦26和藳优2018的产量在灌拔节水(W3)时较高。在W5和W6处理下三个品种的氮素吸收效率和氮肥生产效率较其他处理显著增加，说明水分是影响肥料吸收效率高低和转运的关键因素。石麦26的氮素利用效率在W2和W3处理下最高，藳优2018和冀麦418则分别在W3和W6处理下最高，说明在这些处理下小麦地上部积累的氮素向籽粒的转运较多。

表6 不同水分处理对小麦籽粒产量和氮肥利用效率的影响Table 6 Effect of different water treatments on grain yield and nitrogen use efficiency of wheat

3 讨 论

3.1 不同水分处理对干物质积累与分配的影响

适时适量灌溉能缓解土壤水分缺乏，促进作物干物质积累，提高产量和水分利用效率。本研究与前人[20]研究结果均表明，灌溉次数越多，灌水总量越大，小麦生物产量越高。在同样浇2水的情况下，W6处理较W5生物产量和经济产量高，差异显著。较大的干物质积累量是小麦籽粒产量形成的物质基础，石麦26的总干物重在W5和W6处理下较其他两个品种高，但籽粒产量较冀麦418低，藁优2018产量最低，这应该是与品种特性和后期干物质转运效率有关。藁优2018的干物质积累量最少，W4处理与产量W1处理差异不显著，说明只浇开花水不能显著增加藁优2018的籽粒产量，开花期的水分供应不能弥补前期水分亏缺造成的影响，所以拔节期充足水分供应是藁优2018获得高产的关键。随着生育进程的推进，干物质积累量呈上升趋势，成熟期达到最大值；不同处理间开花期和成熟期干物质积累量均差异显著，成熟期W1处理下干物质积累量最小。各品种成熟期各器官干物质积累量、分配量和分配比例总体表现为籽粒>茎+叶鞘>穗轴+颖壳>叶片。

3.2 不同水分处理对不同小麦品种氮素积累与分配及氮素利用效率的影响

Sinclair 等[21]指出，在一定范围内随灌水量和灌水次数的增加，小麦植株总氮素积累量显著增加。不同基因型小麦地上部各器官含氮量、氮素积累量和氮素利用效率差异显著[22]。水分不仅影响土壤氮素的有效性，而且影响作物对氮的吸收、转运和同化[23]。灌水是影响小麦开花前氮素对籽粒氮素贡献率的决定因素[24]。段文学等[25]研究表明，与不灌水相比，灌拔节和开花水可使小麦开花后营养器官氮素向籽粒的转运量和转运效率增加，提高成熟期籽粒氮素积累量及分配比例。与全生育期不灌水处理相比，越冬水+拔节水显著增加了地上部植株对追施氮素的吸收量和向籽粒的分配量,增灌开花水反而不利于小麦对追施氮素的吸收和向籽粒中的分配。本研究表明，起身水+开花水和拔节水+开花水显著增加小麦的籽粒氮含量，水分处理对冬小麦干物质和氮素转运的影响因品种而异，W5和W6处理显著提高了各品种的氮素吸收效率、氮素利用效率和氮肥生产效率，藁优2018的氮肥生产效率在W1和W4处理间差异不显著，说明适量适时的水分供应是提高氮肥利用效率的重要前提。

3.3 不同水分处理对冬小麦产量和资源利用效率的影响

面临当前水资源匮乏的现状和农业面源污染的局面[26]，提高水分和氮肥利用效率是目前农业生产中亟需解决的关键问题。不同生育时期小麦对水分的需求不同，土壤水分过多或不足及灌水时期都会对籽粒产量和水分利用效率造成影响[27]，水肥合理搭配能提高水分和肥料利用效率[28]。本研究表明，三个小麦品种的籽粒产量在不同处理间差异显著，W6处理下产量最高，W1处理最低，其他处理间产量差异因品种而异。在只浇1水的前提下，开花水显著增加冀麦418的产量，其次是拔节水，而拔节水对石麦26和藳优2018的产量有显著影响。所以在限水条件下根据品种特性，关键时期灌水是提高小麦水分利用效率、节约水资源的重要保障。石麦26和冀麦418的氮肥生产效率在不同处理间的差异总体趋势基本一致，与藁优2018的结果不太一致，这可能是因为藁优2018节水抗旱性弱，对水分需求时期和营养器官向籽粒氮素转运的时间不同，具体原因有待进一步研究。

综上所述，在河北省水资源匮乏区域，选择节水抗旱品种，并在春季拔节期和开花期进行2次灌水，每次灌水量60 mm，是实现小麦高产和氮肥高效利用的最佳措施。