华一帆,秦际远,王 洁,张 秀,初金鹏,郑飞娜,于海涛,贺明荣*,代兴龙*
(1 山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室 / 农业农村部作物生理生态与耕作重点实验室,山东泰安 271018;2 潍坊市农业科学研究院,山东潍坊 261061)
近年来,缓控释肥在农业生产中的应用越来越多[1–2]。缓控释肥料由于养分释放可控、与作物需求吻合度高等特点,在作物高产和氮素高效吸收利用[3–7]、温室气体减排[8–10]、降低土壤氮素残留[11–12]等方面显现出良好的应用前景。探索新型肥料一次性施用替代常规分次施肥技术使利用缓控释肥节约劳动力成本也成为可能[1]。
然而,相较于常规分次施肥,新型肥料一次性施用对小麦产量的影响不一,产量提高[3, 13–14]、维持不变[9, 15–16]或降低[1, 17–18]的情况均有报道。虽有分析认为这与不同研究中的小麦产量水平、土壤理化性质、试验点气候条件、氮肥用量等有关系[1],但从形成产量的光合产物的来源的角度分析其产量变化出现差异原因的研究较少。
小麦的产量来源于花前储藏在营养器官中的干物质向籽粒的转运和花后生产的光合产物两部分[19],不同的栽培管理措施在调控小麦产量形成时对花前干物质向籽粒转运和花后光合物质生产方面的影响是不同的[20–21]。解析新型肥料一次性施用与常规分次施肥间小麦干物质积累转运的差异及其与产量的关系,有利于挖掘新型肥料一次性施用对常规分次施肥的替代作用及其推广应用潜力。
与常规条播相比,宽幅播种可以提高春季最大分蘖数和单位面积穗数[22–23],提升花后光能截获并促进光合物质生产,进而提高小麦产量[24–26]。同时,宽幅播种的小麦氮素吸收能力亦显著高于常规条播[27–28],在提高氮素利用效率的同时为花后叶片延迟衰老和维持高光合速率提供了保障。鉴于不同播种方式间小麦的群体差异,新型肥料一次性施用对分次施肥的替代效应可能在常规条播与宽幅播种方式间表现不同。
因此,本试验以冬小麦品种‘泰农18’和‘太麦198’为试验材料,在泰安和潍坊两试验点,研究稳定性氮肥、树脂包膜氮肥、腐植酸氮肥等不同类型新型缓控释氮肥一次性施用对小麦产量及其构成因素、干物质积累与转运、群体光合速率、花后氮素吸收等指标的影响,及其在宽幅播种和常规条播间的差异,以期探明播种方式与不同类型氮肥互作对小麦产量和产量形成的影响,为小麦高产高效养分管理方案的制定与实施提供理论依据与技术支撑。
试验于2020—2021年小麦生育季在山东省泰安市大汶口镇东武村试验田和山东省潍坊市寒亭区潍坊市农业科学院试验基地进行。两试验点均属于温带季风气候区,泰安点和潍坊点年均太阳辐射总量分别为121.6和123.9 kcal/cm2,年均气温分别为12.9℃和12.3℃,年均降雨量分别为697.0 和613.2 mm,均多集中在夏季。试验田一年两熟种植,前茬作物均为玉米,多年秸秆还田。两试验点土壤质地均为壤土,播前土壤表层基础地力水平如表1所示。
表1 供试土壤0—20和20—40 cm土层基础地力Table 1 Nutrient status of experimental soil at 0–20 cm and 20–40 cm
试验采用裂区设计,主因素为宽幅播种(苗带宽8~10 cm)、常规条播 (苗带宽 2~3 cm)两种播种方式,每个播种方式下各设置4个氮肥类型处理:F1,即常规分次施肥处理(尿素,含氮量46%);F2,即稳定性尿素(添加脲酶抑制剂和硝化抑制剂共7‰,含氮量46%)一次性基施;F3,即腐植酸掺混控释肥(腐植酸钾≥3%,含氮量25%)一次性基施;F4,即树脂包膜氮肥(控释氮与速效氮比例为7∶3,含氮量43%)一次性基施。各氮肥类型处理施N量均为216 kg/hm2。其中,F1处理分次施肥的基追比为4∶6 (基施 N 86.4 kg/hm2,拔节期追施 N 129.6 kg/hm2)。各处理P2O5、K2O用量分别为135、120 kg/hm2,每处理3次重复。
供试品种为大穗型品种‘泰农18’中和多穗型品种‘太麦198’。根据课题组前期研究结果[29–30],‘泰农18’和‘太麦198’种植密度分别为375和240万株/hm2。泰安试验点与潍坊试验点播种日期分别为2020年10月19日与10月20日,收获日期分别为2021年6月8日和6月13日。其他措施与当地高产麦田综合管理相同。
1.3.1 开花期、成熟期干物质与氮素积累量 于小麦开花期和成熟期,分别在各小区长势均匀区域随机取样30个单茎,参考刘运景等[28]的方法进行样品分样、烘干、称重。植株样品粉碎后采用半微量凯氏定氮法测定含氮量,并计算地上部干物质和氮素积累量。花前营养器官干物质和氮素向籽粒转运量、花后干物质生产量、花后氮素吸收量等指标参考朱元刚等[31]的方法计算。
1.3.2 产量及产量构成因素 于成熟期,在各小区划定6行、宽1.0 m的微区,进行单位面积穗数的调查。于收获前,在各小区长势均匀一致的区域随机取30个单穗,用于穗粒数的调查。
于成熟期,在各小区内选取长势均匀一致的区域,划定 3.0 m2(2.0 m×6 行)的面积用于籽粒产量的测定。该区域内所有小麦穗由人工剪下,采用小型种子脱粒机进行脱粒,自然风干后称重,测定籽粒含水量,并调整为含水量13.0% (干物质产量为87.0%;kg/hm2)的标准产量,于小区测产的籽粒中取样进行千粒重测定。
1.3.3 群体光合速率的测定 参照王成雨等[32]和王月超等[33]的方法,于开花期、开花后5、10、15、20、25天,采用GXH-305型红外线CO2分析仪测定群体光合速率。同化箱长60 cm、宽90 cm、高120 cm,聚酯薄膜密封(透光率95%),内置两个风扇,用于混匀空气和温度。在晴朗无云的天气,于上午9:00—11:00自然光照条件下测定。相应测定时间范围内,开花期、开花后5、10、15、20、25天的平均光辐射分别为1184、1272、1231、1367、1309、1392 μmol/(m2·s),空气温度分别为 21.8℃、24.3℃、23.7℃、26.0℃、26.9℃、28.3℃。
1.3.4 群体光合速率高值持续期的计算 以开花后天数(t)为自变量,每5天的群体光合速率(y)为因变量,采用“倒 S 模型” y=z/(1+we−mt) 对群体光合速率进行拟合,其中z(光合速率理论最大值)、w(初级参数)、m(光合速率参数)均为方程拟合参数,e为自然常数(自然对数函数的底数,e≈2.718),并参考吴晓丽等[34]的方法对拟合方程求一阶导数得到群体光合速率方程,该方程具有两个拐点,对群体光合速率方程求二阶导数并令其等于0,得到群体光合高值持续期参数,计算得到群体光合速率高值终止时间t2(高值持续期),计算公式为:
式中,1.317是方程求导及求解t2过程中所得常数。
试验数据采用 Microsoft Excel 2019 进行汇总整理。采用DPS 7.05数据分析软件进行数据的统计分析,采用LSD判别法判断各处理之间的差异显著性,P<0.05为差异显著。采用Sigmaplot 10.0软件作图。
随着生育期的推进,小麦群体净光合速率均呈先略有升高后降低的趋势,在花后5天达到最大值(图1)。宽幅播种下泰农18和太麦198的群体净光合速率较常规条播分别高出 8.4 和 7.5 μmol/(m2·s)。在两试验点,宽幅播种下开花至花后10天的群体净光合速率在各施肥处理间均无显著差异,常规条播下开花至花后5天的群体净光合速率在各施肥处理间均无显著差异。但灌浆中后期F2、F3、F4的群体净光合速率显著低于F1处理,花后15~25天宽幅播种下泰农 18 分别平均低 4.0、4.3 和 4.4 μmol/(m2·s),太麦 198 平均低 4.0、4.8 和 4.9 μmol/(m2·s);花后10~25天常规条播下泰农18分别平均低6.1、5.7和 5.9 μmol/(m2·s),太麦 198 分别平均低 6.5、6.1 和6.3 μmol/(m2·s)。宽幅播种下的降幅低于常规条播。
图1 不同播种方式与氮肥类型下冬小麦花后群体净光合速率的变化Fig. 1 Dynamics of net canopy photosynthesis rate of winter wheat after anthesis as affected by sowing patterns and nitrogen fertilizers
小麦花后群体光合速率随生育期推进符合“倒S”曲线模型。根据模型参数(表2)计算得出,泰农18和太麦198的花后群体光合速率高值持续期宽幅播种较常规条播分别长5.7和5.4天。相较于F1处理,两播种方式下F2、F3、F4处理的花后群体光合高值持续期均有所降低,宽幅播种下泰农18分别下降2.5、2.5和2.7天,太麦198分别下降2.9、2.5和2.8天;常规条播下,泰农18分别下降4.8、4.6和4.6天,太麦198分别下降4.5、4.1和4.6天。宽幅播种下的降幅低于常规条播。
表2 不同处理下冬小麦冠层光合速率随生育进程的动态变化模型及高光合速率持续期Table 2 Fitting equations of growth days dependent photosynthesis rate and duration of high photosynthesis rate of winter wheat canopy under different treatments
花前营养器官干物质向籽粒的转运量在试验点之间、在播种方式间均无显著差异。泰安点花后干物质生产量比潍坊点平均高924.9 kg/hm2;宽幅播种下泰农18和太麦198的花后干物质生产量较常规条播分别高 857.9 和 967.1 kg/hm2(表3)。
表3 不同处理下冬小麦花前营养器官干物质转运和花后干物质生产及其对产量的贡献率Table 3 Dry matter remobilization from vegetative organs at pre-anthesis and dry matter production post anthesis of winter wheat and their contribution rates to grains under different treatments
如表3所示,在两试验点,相较于F1处理,两播种方式下F2、F3、F4处理的花前营养器官干物质向籽粒转运量均有所提高,宽幅播种下泰农18分别提高545.3、501.9和523.0 kg/hm2,太麦198分别提高565.6、551.6和589.3 kg/hm2;常规条播下泰农18分别提高 537.0、512.2和 480.0 kg/hm2,太麦198 分别提高 568.7、582.6 和 562.9 kg/hm2。花前营养器官干物质转运率、花前营养器官干物质转运量对籽粒贡献率亦呈相似变化。
相较于F1处理,两播种方式下F2、F3、F4处理的花后干物质生产量均有所降低,宽幅播种方式下泰农18分别降低631.4,578.2和568.4 kg/hm2,太麦198分别降低688.1、665.1和725.3 kg/hm2;常规条播方式下泰农18分别降低1069.9、1060.3和1021.3 kg/hm2,太麦 198分别降低 1042.2、1027.5和1107.6 kg/hm2。花后干物质生产量对籽粒贡献率亦呈相似变化。
小麦花后干物质生产量与花后群体光合速率高值持续期呈显著的线性正相关关系(图2),表明同一播种方式下不同氮肥处理间花后干物质生产量的差异主要源于花后群体光合速率高值持续期的高低。
图2 冬小麦花后干物质生产量与群体光合高值持续期的相关性Fig. 2 Correlation between dry matter production at post anthesis and duration of high photosynthesis rate of winter wheat canopy
如表4所示,在两试验点,相较于F1处理,两播种方式下F2、F3、F4处理的花前营养器官氮素转运量均有所提高,宽幅播种下泰农18分别提高22.3、23.2和26.0 kg/hm2,太麦198分别提高20.6、22.7和22.5 kg/hm2;常规条播下泰农18分别提高15.2、16.5和15.2 kg/hm2,太麦198分别提高18.0、15.2和15.5 kg/hm2。宽幅播种下F2、F3、F4处理的花前营养器官氮素转运率与F1处理无显著差异,常规条播下花前营养器官储藏氮素转运率与转运量呈相似变化。
表4 不同处理下冬小麦地上部花前营养器官氮素转运量与花后氮素吸收量Table 4 Nitrogen remobilization amount from vegetative organs pre-anthesis and nitrogen uptake amount post anthesis of winter wheat aboveground under different treatments
在两播种方式下,相较于F1处理,F2、F3、F4处理的花后氮素吸收量显著降低。宽幅播种下泰农 18分别下降 23.3、23.4和 25.7 kg/hm2,太麦198分别下降20.3、20.8和22.6 kg/hm2;常规条播下泰农18分别下降26.9、28.1和27.4 kg/hm2,太麦198分别下降27.9、23.7和26.4 kg/hm2。宽幅播种下其降幅低于常规条播。
花后群体光合速率高值持续期与花前营养器官储藏氮素向籽粒的转运量在两播种方式下均呈线性负相关关系,但其与花前营养器官氮素转运率仅在常规条播下具有显著的线性负相关关系。群体光合高值持续期与花后氮素吸收量在两播种方式下均呈线性正相关关系(图3, 图4)。
图3 冬小麦氮素转运与群体光合高值持续期的相关性(泰安)Fig. 3 Correlation between nitrogen remobilization and duration of high photosynthesis rate of winter wheat canopy (Tai’an)
图4 冬小麦氮素转运与群体光合高值持续期的相关性(潍坊)Fig. 4 Correlation between nitrogen remobilization and duration of high photosynthesis rate of winter wheat canopy (Weifang)
表5表明,泰安点小麦产量比潍坊点平均高915 kg/hm2;宽幅播种方式下泰农18和太麦198的产量较常规条播分别高860和945 kg/hm2。在两试验点,宽幅播种方式下各氮肥处理间产量均无显著差异;常规条播方式下F2、F3、F4处理间产量无显著差异但均显著低于F1处理,泰农18产量分别下降533、547和540 kg/hm2,太麦198产量分别下降474、445和545 kg/hm2。表明宽幅播种方式下3种新型氮肥一次性施用在产量水平上可以替代常规分次施肥,而常规条播处理下新型氮肥一次性施用对常规分次施肥的替代效果较差。
表5 播种方式与氮肥类型对冬小麦产量及构成因素的影响Table 5 Grain yield and yield components of winter wheat under different sowing patterns and nitrogen fertilizers
播种方式与不同类型氮肥互作对产量构成因素则表现出了不同的影响。泰安点的单位面积穗数与潍坊点无显著差异,但穗粒数和千粒重显著高于潍坊点,分别平均提高10.3%和3.9%,表明与潍坊点相比,泰安点的高产主要源于较高的穗粒数和千粒重。宽幅播种方式下单位面积穗数显著高于常规条播,泰农18和太麦198单位面积穗数分别平均提高8.0%和9.9%;穗粒数和千粒重在播种方式间均无显著差异,表明宽幅播种主要通过提高单位面积穗数实现增产。
在宽幅播种方式下,两地点泰农18的F3、F4处理的产量构成因素与F1相似,两地点泰农18的F2和太麦198的F2、F3、F4处理的单位面积穗数与相应F1处理相比显著提高,穗粒数或(和)千粒重明显下降,但其降低幅度可以被单位面积穗数的增幅所弥补,因此宽幅播种方式下各新型氮肥一次性施用的产量与常规分次施肥无显著差异。
在常规条播方式下,两地点两品种的F2处理和潍坊点太麦198的F3、F4处理的单位面积穗数均高于F1处理,泰安点两品种和潍坊点泰农18的F3、F4处理单位面积穗数与F1处理持平。两地点两品种F2、F3、F4处理的穗粒数均显著低于F1处理,泰农18分别下降了10.2%、3.6%、3.9%,太麦198分别下降了14.9%、6.9%、6.6%。泰安点两品种的千粒重在4个肥料处理间均无显著差异,但潍坊点两品种F2、F3、F4处理的千粒重均略低于F1处理,泰农18分别下降了4.8%、1.5%、1.9%,太麦198分别下降了2.7%、5.3%、5.3%。穗粒数或(和)千粒重降幅较大,导致了条播播种方式下各新型氮肥一次性施用处理的小麦产量显著低于常规分次施肥。
小麦的单位面积穗数、穗粒数与千粒重随生育期的推进依次建成,三因素协调是高效增产的基础[35]。合理的行株距配置有利于作物群体数量和个体质量的协调,实现增产。与常规条播相比,宽幅播种下的小麦株间距增大,个体间竞争减弱[26],有利于提高单株和群体分蘖数、成穗数。在本试验条件下,宽幅播种小麦的单位面积穗数显著提高,而穗粒数、粒重维持不变,表明宽幅播种主要通过提高单位面积穗数实现增产,这与前人研究[22]基本一致。
相较于常规分次施肥,虽然新型氮肥一次性施用具备节省人工、减少作业次数等优点[36],但其产量升高[3, 13–14]、持平[9, 15–16]或下降[1, 17–18]的结果均有报道。本试验条件下,新型氮肥一次性施用与常规分次施肥对小麦产量的影响因播种方式而异。宽幅播种方式下,3个新型氮肥一次性施用处理的产量与常规分次施肥持平,表现出了对分次施肥较好的替代作用,而常规条播下,3个新型氮肥一次性施用处理的产量显著低于常规分次施肥,表明其对分次施肥的替代效应较差。本研究中,未获得新型氮肥一次性施用较常规分次施肥增产的结果,这可能与所选取的氮肥类型、产量水平、氮肥用量等有关。
前人研究发现,较常规分次施肥,控释氮肥一次性施用可以通过提高小麦单位面积穗数[37]或通过提高穗粒数和千粒重实现增产[38],而周华敏等[39]的研究则发现控释氮肥一次性施用处理的穗数、穗粒数和千粒重与常规分次施肥均无显著差异,进而稳产。同时,靳海洋等[40]发现控释氮肥一次性施用由于成穗数降低而出现减产。由此可见,新型氮肥一次性施用对产量和产量构成因素的影响存在较大差异。本试验条件下,相较常规分次施肥,新型氮肥一次性施用处理的单位面积穗数保持不变或表现出了不同程度的增加,而穗粒数和千粒重除个别处理维持稳定外,多呈现出了不同程度的降低。宽幅播种方式下,与常规分次施肥相比,泰农18的F3、F4处理因产量构成因素保持稳定而获得稳产,其他处理尽管穗粒数或(和)千粒重有所降低,但其降低幅度可以被单位面积穗数的增幅所弥补,因此宽幅播种方式下各新型氮肥一次性施用的产量与常规分次施肥持平。常规条播下,尽管新型氮肥一次性施用的穗数保持稳定或有一定程度的提高,但穗粒数或(和)千粒重降幅较大,导致常规条播方式下各新型氮肥一次性施用处理的产量显著低于常规分次施肥,这可能与常规条播方式下小麦株间竞争剧烈[26]、植株水肥利用能力低[22, 27, 41],导致穗花发育不足和籽粒灌浆不足有关。
小麦的产量来源于花前储藏在营养器官中的干物质向籽粒的转运和花后生产的光合产物两部分。一般而言,前者对产量的贡献约为15%~30%,后者约为70%~85%[20, 42]。开花期积累的干物质向籽粒的转运在限水灌溉[43]、轻度水分胁迫[44]、高温胁迫[45]等条件下有利于稳定或提升小麦产量,而花后光合作用生产的干物质在适度密植[46]、增施氮肥[20]、适量灌溉[47]等条件下对产量提升有较好的促进作用。小麦花后光合物质的生产,与群体光合速率和光合速率高值持续期有关[48]。提高群体光合速率、延长花后群体光合速率高值持续期有利于促进花后干物质生产,提高小麦产量[49]。
相较于常规条播方式,宽幅播种方式下小麦株间距增大,个体间竞争减弱[26],单株分蘖数和成穗数提高[22],开花期及花后叶面积指数增加,光合有效辐射截获率和利用能力提高[41],有利于花后光合物质生产和增产。本试验条件下,宽幅播种小麦的群体光合速率在开花期和灌浆期亦均显著高于常规条播。同时,花后氮素吸收量的提高,使得宽幅播种下小麦花后群体光合速率高值持续期显著高于常规条播,进而提高了花后光合物质生产量,促进了小麦增产。
花前储藏在营养器官中的干物质向籽粒的转运和花后干物质生产量显著影响小麦产量[20]。较常规分次施肥,新型氮肥一次性施用的花前营养器官干物质向籽粒转运量均有所提高,花后干物质生产量均显著降低。但在宽幅播种方式下,新型氮肥一次性施用的花后干物质生产降低量与花前营养器官干物质转运提高量相似,使得各氮肥处理间获得平产;常规条播方式下新型氮肥一次性施用的花后干物质生产降低量较高,且显著大于花前营养器官干物质转运的提高量,导致减产。由此可见,本试验条件下,新型氮肥一次性施用处理的花后干物质生产能力是决定其稳产或减产的关键。
花后群体光合速率及群体光合高值持续期显著影响小麦花后干物质生产[21]。小麦开花后,群体光合速率呈现先略有升高后快速下降再缓慢下降的变化趋势[33],本试验条件下,虽然灌浆初期群体光合速率在各施肥处理间均无显著差异,但在灌浆中后期,3个新型氮肥一次性施用处理的群体光合速率显著低于常规分次施肥,表明其群体光合速率下降较早,群体光合高值持续期较短。结合相关性分析可知,在灌浆初期群体光合速率无显著差异的基础上,同一播种方式下不同氮肥处理间花后干物质生产量的差异主要源于花后群体光合速率高值持续期的高低及其变化。相较常规分次施肥,宽幅播种下新型氮肥一次性施用的群体光合高值持续期降幅较低,故其花后干物质生产量的降低量较低,进而获得稳产;常规条播方式下新型氮肥一次性施用的群体光合高值持续期降幅较大,故其花后干物质生产量的降低量亦较高,从而导致减产。
小麦营养器官储藏氮素向籽粒的转运易导致灌浆期植株衰老,缩短群体光合高值持续期[50–51],一定量的花后氮素吸收有利于推迟植株氮素转运和减缓叶片衰老,延长群体光合高值持续期[42]。本试验条件下,与常规分次施肥相比,3个新型氮肥一次性施用处理的花前营养器官氮素转运量显著提高,花后氮素吸收量显著降低,由此导致了其群体光合高值持续期的降低。较常规分次施肥,常规条播方式下花后氮素吸收量的降低量较高,由此造成了群体光合高值持续期较大的降幅,导致花后干物质生产量大幅减少,造成减产;而宽幅播种方式下其花后氮素吸收量的降低量较小,使得其群体光合高值持续期降幅较低,减小了其花后干物质生产量的降低量,进而获得稳产,而相关原因则可能与宽幅播种小麦的花后氮素吸收能力显著高于常规条播有关[28]。
综合分析可知,本试验条件下,与常规分次施肥相比,新型氮肥一次性施用处理的花前营养器官氮素转运量显著提高,花后氮素吸收量显著降低,由此降低了其花后群体光合高值持续期,减少了花后干物质生产量,但其对产量的影响因播种方式而异。常规条播方式下,新型氮肥一次性施用处理花后氮素吸收量降幅较高,导致花后群体光合高值持续期大幅下降,因此花后光合物质生产量的降幅较大,不能够被其增加的花前营养器官干物质转运量所弥补,所以出现减产;宽幅播种方式下小麦花后氮素吸收量降幅较小,花后群体光合高值持续期虽有降低,但其引起的花后光合物质生产量的降低可以被较高的花前营养器官干物质转运量所弥补,进而稳产。因此,宽幅播种与新型缓控释氮肥一次性施用技术组合,能够在减少施肥次数和人工成本的同时获得稳产,有利于小麦轻简化栽培技术的集成和推广应用。
宽幅播种较常规条播可通过提高花后氮素吸收量,提高小麦花后群体光合速率、群体光合高值持续期和花后干物质生产量,进而显著提高小麦产量,而新型氮肥一次性施用对常规分次施肥的替代作用因播种方式而异。常规条播方式下新型氮肥一次性施用因穗粒数或(和) 千粒重下降,以及花后氮素吸收量的降幅较高,导致花后干物质生产量降幅较高,出现减产。宽幅播种方式下新型氮肥一次性施用花后氮素吸收量的降幅较低,花后群体光合高值持续期降低引起的干物质生产量的降幅较小,并可被提高的花前营养器官干物质转运量所弥补,使得产量与常规分次施肥持平,替代效果较优。生产上可在宽幅播种条件下采用新型氮肥一次基施替代传统分次施肥。