氮肥和播种量互作对冬小麦产量、生长发育和生态场特性的影响

周 琦 李岚涛 张露露 苗玉红 王宜伦

氮肥和播种量互作对冬小麦产量、生长发育和生态场特性的影响

周 琦 李岚涛 张露露 苗玉红 王宜伦*

河南农业大学资源与环境学院, 河南郑州 450046

探究施氮量和播种量互作对冬小麦产量、生长发育和生态场特性的影响, 利用生态场理论揭示不同小麦群体竞争力差异及其与产量的关系, 明确冬小麦适宜的氮肥用量和播种量, 为冬小麦高产高效生产提供依据。2020年10月至2022年6月于河南省温县设置冬小麦氮肥用量和播种量双因素交互田间试验, 研究了施氮量(0、90、180、270、360 kg N hm–2)和播种量(135、180、225、270 kg hm–2)对冬小麦籽粒产量、氮积累量等的影响, 测定小麦株高、冠幅和单株分蘖等生长发育指标, 计算个体生态势和群体生态场并分析其与产量间关系。结果表明, 两年取得最高产量的播种量均为225 kg hm–2, 施氮量分别为270 kg hm–2和180 kg hm–2, 较其他处理平均增产7.5%和18.1%; 施氮后小麦氮积累量提高57.3%, 生态势提高72.7%; 提高播种量后群体茎蘖数提高34.7%, 单株小麦发育水平下降, 生态势下降11.4%。施氮量和播种量通过共同影响株高和冠幅影响生态势影响距离, 其他处理较135 kg hm–2播种量不施氮处理影响距离提高23.0%。冬小麦群体生态场面积与产量呈一元二次函数关系, 施氮和提高播种量, 冬小麦群体生态场面积分别提高116.7%和52.5%。本试验条件下, 通过氮肥用量和播种量调控冬小麦群体发育质量, 控制群体竞争力, 构建了理想群体, 实现了冬小麦高产与高效生产; 冬小麦氮密优化组合施氮量239.8 kg hm–2、播种量228.7 kg hm–2, 具有适宜的生态场和理想群体, 产量较高, 可在豫北地区推广应用。

冬小麦; 氮肥; 播种量; 产量; 生态场; 相互作用

小麦是我国主要粮食作物之一, 2020年种植面积占总粮食播种面积的20.0%, 产量占粮食总产量的20.0%[1]。陈源源等[2]研究指出, 至2050年小麦仍有36.1%的增产潜力, 进一步提高小麦产量对于保障国家粮食安全具有重要意义。合理施肥和适宜的种植密度是提升小麦单产水平的两种重要途径[3]。施氮可有效提高小麦株高、叶面积指数和叶片SPAD值, 优化小麦群体生长, 构建合理的小麦冠层结构, 进而促进小麦干物质积累和产量增加[4-6]。穗数对于小麦产量提升作用重大[7-8], 小麦作为分蘖类作物, 分蘖数的动态变化决定小麦穗的形成[9], 适宜种植密度有利于小麦对光、热、营养等资源的充分利用, 构建合理的冠层、茎蘖结构, 促进产量三要素互补[10-12]; 过高群体数量会抑制小麦分蘖形成[3], 同时高密度下单位面积内茎蘖数过多, 叶片相互遮掩, 群体透光率差, 光能利用不充分, 个体间营养竞争激烈, 群体质量恶化, 进而导致减产[13]。因此, 优化小麦氮肥用量和播种量对提高小麦群体质量和产量具有重要意义。

前人有关小麦氮肥和播量配施报道较多, 主要集中在产量、氮肥利用、群体动态等方面。马尚宇等[14]、祝庆[15]研究指出, 增施氮肥和适当增大播量有利于小麦产量提高。张小涛[16]研究指出, 施氮量和播种量对小麦的群体数量有显著影响; 同一播种量下, 小麦植株氮素累积量随施氮量的增加而升高, 适宜的施氮量下, 增加播种量可提高作物对土壤氮素的吸收。生态场理论为研究植物间相互作用的一种方法, 生态势为植物群体间任意一点受到来自其他植物和环境的综合影响, 生态场为植株与植株、环境间的相互作用形成的生态势的空间范围; 通过比较生态场大小来衡量作物间竞争强度[17-19]; 前人通过生态场研究了浮栲、桫椤等植物生态势大小、种内种外间相互作用情况及春小麦个体和群体生态场空间分布等情况。目前系统探究冬小麦氮肥和播量互作下产量、生长发育和生态场特性的报道相对较少。基于此, 本研究通过2年的氮肥用量和播种量互作田间试验, 利用生态场理论探究施氮量和播种量互作对冬小麦生长发育、种内相互作用及其与产量的关系, 明确生态场量化种内相互作用大小, 确定施氮量和播种量优化组合, 以期为小麦合理施肥和高产高效生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

2020年9月至2022年6月在河南省焦作市温县北冷乡布置氮肥用量和播种量双因素交互田间试验。温县属暖温带大陆性季风气候, 四季分明, 光照充足,土地肥沃, 年平均气温14～15℃, 年积温4500℃以上, 年日照2484 h, 2020年降水量874 mm, 2021年1133 mm, 无霜期210 d。2年试验在不同地块开展研究, 供试土壤0～20 cm耕层基础理化性质见表1。

1.2 试验设计

研究采用双因素试验设计, 分别为播种量和氮肥用量。2020—2021年度供试冬小麦品种为新麦26, 2021—2022年度冬小麦品种为百农207, 两品种都为半冬性中晚熟品种, 分蘖能力较强, 成穗率中等, 均为当地常用品种; 2年试验播种量和施氮量一致, 施氮量为0 (N0)、90 (N90)、180 (N180)、270 (N270)和360 (N360) kg hm–2; 播种量分别为135 (D1)、180 (D2)、225 (D3)和270 (D4) kg hm–2, 具体出苗数如表2所示。随机区组排列, 3次重复, 小区面积为30 m2(4.0 m×7.5 m)。

表1 供试地土壤基础理化性质

表2 播量处理出苗情况

试验各处理磷钾肥用量一致, 分别为120 kg P2O5hm–2、90 kg K2O hm–2。供试肥料为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%)、磷酸二铵(含N 18%, 含P2O546%)和氯化钾(含K2O 60%)。磷、钾肥作基肥一次性施用, 氮肥按照基肥60%, 追肥40%比例施用, 追肥时期为冬小麦返青期, 分别于11月中旬、次年3月底和5月初通过喷灌方式进行田间灌溉, 单次灌溉量为22.5 t hm–2; 其余田间管理均按照当地习惯进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土样采集与分析 冬小麦播种前用五点取样法采集耕层0～20 cm土样, 风干后过20目与100目筛。用重铬酸钾-外加热法测定土壤有机质, 用凯氏定氮法法测定土壤全氮, 用NaHCO3浸提-钼蓝比色法测定土壤有效磷, 用NH4OAc浸提-火焰光度法测定土壤速效钾。

1.3.2 植株样品采集与分析 各生育时期按照20 cm双行进行随机采集有代表性小麦植株, 于105℃下杀青30 min后在75℃下烘干至恒重, 测定其干物重。烘干后的样品经粉碎机研磨, 使用H2SO4-H2O2在380℃下消煮, 用凯氏定氮法测定小麦植株氮含量。

在成熟期, 小麦在各小区测产区设定长势均匀的小麦样方1 m2(宽×长=1.0 m×1.0 m) 2个, 自然风干后考种分析, 测定穗粒数和千粒重, 并测算小麦样方内有效穗数; 采用PM-8188-A型谷物水分测定仪测试冬小麦籽粒含水量, 换算成14.0%含水量的作物产量。小麦收获期用0.3 m2样方(宽×长=0.3 m× 1.0 m)取样2次, 秸秆与穗分离, 样品处理同前3个时期一致, 测定小麦植株干物重和氮含量。

根据上图，树大于200个之后准确率、召回率变化较小，再结合算法的运算效率最终选择200个树，配变重过载、低电压最高预测命中率87.7%、召回率79.4%，平均预测命中率64.5%、召回率59.8%，初步达到了指导运检业务的实用化标准，预测精度方面还有一定提升空间，可精准定位即将发生异动、需重点关注配变设备清单，辅助业务人员主动掌握各区域服务风险水平、划定配网运行风险点、有针对性的排定综合检修计划、开展主动检测检修、指导配网技改大修等工作。

1.3.3 冬小麦冠幅、株高和分蘖测定方法 越冬期(Z18, Zadoks标准, 下同)、拔节期(Z31)和扬花期(Z60)针对各个处理, 选择有代表性区域, 测量小麦植株与起垄垂直方向自然状态下叶片最大生长宽度记为小麦冠幅; 按照20 cm双行进行随机取样, 取得全部地上部, 在实验室测定所有植株总分蘖后取均值, 随机选取20个小麦植株测定其株高后取均值。

1.4 数据处理与分析

本研究采用个体生态势大小和群体生态场面积来表征不同处理下, 单株冬小麦及群体间相互有影响程度的强弱, 参照邹锐[17]、王根轩等[18-19]和宋萍等[20]方法进行拟合, 具体模型如下:

个体生态场模型:

式(1)表明场源植物在相对距离处产生的生态势, 是衡量该点受场源植物影响程度的综合指标; 其中为向量, 表示生态场中的某一点到场源植物的直线距离,取值范围在[0, ∞], 当取0时, 即为场源植物所在位置, 此时生态势最大;为模型系数, 本试验计算时取1;为场源个体对周围环境的相对影响程度, 以归一化后的小麦地上部干物质重表示;为场源植物相对生物活力参数, 采用归一化后的小麦植株氮浓度表示; ξ()为生态势受距离影响的消减系数, 表达式为(2)。

式(2)中,为茎秆影响的衰减指数, 为场源小麦茎秆高度的倒数;为冠层影响的衰减指数, 为场源小麦冠幅半径的倒数;c和s分别代表冠层中心和茎秆中心到地面的高度, 均设为小麦茎秆高度的一半。

群体生态场模型:

式(3)中代表小麦群体个数, 通过Origin对(3)式作图并积分, 计算生态场面积。

采用Microsoft Excel 2020进行基础数据输入与前期处理; SPSS 26软件进行处理间方差分析和显著性检验(LSD法), 显著性水平设定为<0.05; Matlab 2021软件进行方程拟合; Origin 2018b软件作图。

2 结果与分析

2.1 施氮量和播种量对冬小麦产量的影响

产量效应方程上唯一向上凸起点的极大值, 该点即为施氮量和播种量互作效应的最佳点, 通过对方程求偏导数, 2021年冬小麦理论最高产量为8860 kg hm–2, 推荐施氮量为234.8 kg hm–2, 推荐播种量为222.7 kg hm–2; 2022年冬小麦理论最高产量为8987 kg hm–2, 推荐施氮量为244.7 kg hm–2, 推荐播种量为234.7 kg hm–2。第2年产量较第1年高1.4%,推荐施氮量和播种量较第1年分别高出4.2%和5.3%。

2.2 施氮量和播种量对冬小麦成熟期地上部氮积累的影响

由图2可知, 施氮量和播种量均影响小麦成熟期地上部氮素积累。同一播种量下, 小麦成熟期地上部氮积累量随施氮量提高呈先增加后减少趋势, 2021年施氮(N90、N180、N270、N360)地上部氮素积累量平均增加29.4%、48.2%、47.8%、30.1%。相同施氮量下, 播种量提高可以增加小麦地上部氮积累量; 与D1相比, D2、D3、D4地上部氮素积累量分别提高9.0%、15.2%、15.5%。2022年施氮地上部氮素积累量增加38.6%～92.9%; 相较D1, 提高播种量地上部氮素积累量提高2.1%～16.4%。

图1 施氮量和播种量对冬小麦产量的影响

图2 施氮量和播种量对冬小麦成熟期地上部氮积累量的影响

N0、N90、N180、N270、N360分别代表施氮0、90、180、270和360 kg hm–2。D1、D2、D3、D4分别代表播种量135、180、225和270 kg hm–2。不同小写字母表示同一播种量下不同施氮水平间在5%概率水平差异显著。

N0, N90, N180, N270, and N360 denote nitrogen fertilizer application of 0, 90, 180, 270, and 360 kg hm–2. D1, D2, D3, and D4 denote sowing rate of 135, 180, 225, and 270 kg hm–2. Different lowercases of the same seeding rates mean significant differences among different N treatments at the 5% probability level.

2.3 施氮量和播种量对冬小麦生长指标的影响

表3表明, 越冬期时, 同一播量水平下株高随施氮量的提高逐渐增加, 平均增幅15.8%; 与施氮量相比提高播种量株高增幅较小, 为8.7%。拔节期和扬花期株高均随施氮量的提高呈先增高后降低的趋势, 随播种量的提高逐渐增加, 2个时期施氮株高分别提高8.1%和4.6%, 较D1提高播种量株高分别提高6.2%和2.2%。

越冬期和拔节期冠幅随施氮量呈先增加后减小,越冬期低播种量(D1、D2)和高播种量(D3、D4)拐点分别为N180和N270, 拔节期除D2外拐点均在N270; 扬花期冠幅随施氮量的提高而增加, 增幅为16.9%; 随着播种量的提高, 扬花期冬小麦冠幅逐渐减小, 同一施氮水平下D4相较D1下降15.5%。

拔节期和扬花期单株分蘖均随施氮量的提高呈先增加后减少, 获得最大单株分蘖时的施氮量在N180或N270。拔节期单株分蘖随播种量的提高呈先减少后增加的趋势, 平均下降12.6%, D4较D3单株分蘖高出12.4%; 提高播种量扬花期单株分蘖相较D1分别下降30.3%、39.8%、46.8%。在施氮量和播种量2种因素共同作用下, 小麦群体在拔节期D4N180和扬花期D4N270获得最大茎蘖数量, 分别为13.4×106蘖 hm–2和6.6×106蘖 hm–2。

表3 施氮量和播种量对冬小麦生长指标的影响

处理同图2。Z18、Z31和Z60分别代表冬小麦越冬期、拔节期和扬花期(Zadoks标准)。不同小写字母表示同一播种量下不同施氮水平处理间在5%概率水平差异显著。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. Z18, Z31, and Z60 correspond to the overwintering stage, jointing stage, and flowering stages of winter wheat (Zadoks standard). Different lowercases of the same sowing rates mean significant differences among the different N treatments at the 5% probability level.

2.4 施氮量和播种量对冬小麦个体生态势的影响

图3表明, 小麦个体生态势受到施氮量、播种量和生育期3种因素影响; 生态势距离场源小麦越远而越小, 影响范围随着生育期延后逐渐增加, 3个时期的生态势最大影响范围分别平均在19、54、345 cm。

施氮影响小麦株高(h)、冠幅(β)、单株干物重(f)、生物活力(g)等生态势参数, 越冬期、拔节期和扬花期小麦场源位置生态势分别提升39.7%～85.1%、39.0%～80.3%、59.9%～92.3%, 影响范围扩大11.1%～ 19.4%、9.3%～20.7%、10.7%～19.9%。提高播种量, 小麦单株干物重(f)下降, 生态势降低, 下降幅度随着生育期的推进逐渐增加, 3个时期小麦场源生态势分别下降14.7%～29.0%、5.5%～33.4%、24.2%～47.1%; 株高(h)和冠幅(β)在不同时期受播种量影响趋势不同, 越冬期和拔节期生态势影响距离变化范围分别扩大3.0%～5.1%、4.4%～8.6%, 扬花期生态势影响范围缩小5.1%～8.3%。

图3 施氮量和播种量对冬小麦个体生态势的影响

处理同图2。Z18、Z31和Z60分别代表冬小麦越冬期、拔节期和扬花期(Zadoks标准)。

Treatments are the same as those given in Fig. 2. Z18, Z31, and Z60 correspond to the overwintering stage, jointing stage, and flowering stages of winter wheat (Zadoks standard).

2.5 冬小麦群体生态场与产量间关系

通过对小麦群体生态势积分计算出群体生态场大小(图4), 2年小麦产量均随3个时期群体生态场面积的增加呈现先增加后减少的趋势; 对生态场面积和产量进行一元二次方程拟合, 结果表明, 2021年小麦越冬期、拔节期、扬花期生态场面积分别为14.4、33.5、248.6时产量最高, 最高分别为9042、8989、9325 kg hm–2; 2022年小麦越冬期、拔节期、扬花期生态场面积分别为14.7、17.9、193.3时产量最高, 最高分别为8948、8651、8982 kg hm–2。

3 讨论

3.1 施氮量和播种量对冬小麦产量及氮素积累量的影响

适宜施氮量和播种量可获得最大增产效果, 2年试验获得最高产量的播种量和施氮量相近, 在土壤地力较低的情况下, 达到最高产量需要更高的施氮量和播种量, 与前人研究结果一致[21-22]。前人研究指出, 施氮对小麦的增产作用是依靠穗数、穗粒数、千粒重的协同作用实现的[23], 本研究发现, 2年试验中, 施氮后小麦穗数和穗粒数分别平均增加21.9%和7.3%, 千粒重下降4.2%, 适宜施氮量提高穗数和穗粒数弥补千粒重下降而实现增产; 随播种量增加, 产量和有效穗数逐渐增加, 穗粒数和千粒重呈下降趋势[24-26], 本研究发现穗数随播种量的提高呈现先增高后下降的趋势, D4相较D3收获穗数平均下降2.6%, 播种量过高会抑制单株小麦分蘖和有效穗形成, 播种量提高的株数无法弥补有效穗的下降, 进而单位面积收获穗数下降, 这与前人的研究结果一致[10,27]。因此适宜播种量和施氮量, 有利于冬小麦产量构成三要素协同提高, 在理想产量构成下, 获得较高产量。

图4 不同施氮量和播种量下冬小麦群体生态场与产量的关系

Z18、Z31和Z60分别代表冬小麦越冬期、拔节期和扬花期(Zadoks标准)。

Z18, Z31, and Z60 correspond to the overwintering stage, jointing stage, and flowering stages of winter wheat (Zadoks standard).

小麦籽粒产量和氮素积累量之间呈显著或极显著正相关, 氮素积累量是影响小麦籽粒产量的重要因素[28-29]。小麦作为须根系植物, 根系密度较大, 单位面积内种植密度增大, 根系密度增加导致养分竞争加重, 小麦单株生物量下降, 在土壤氮素供应有限的条件下, 小麦种内竞争强烈会导致氮吸收量降低[32-33], 本试验中提高播种量, 氮素积累量主要取决于小麦群体干物质积累量, 在无氮肥和低氮肥(N0和N90)时, 提高播种量小麦地上部氮素积累量下降。施氮能够显著提升小麦地上部氮积累量, 在第2年土壤有机质较低的情况下, N0同其他施氮处理间地上部氮积累量差异更大[30-31]。

3.2 施氮量和播种量对冬小麦生长发育的影响

本试验中施氮和提高播种量均能显著提升小麦各时期单位面积蘖数, 当播种量提高时, 单位面积小麦数量上升67.5%, 小麦单株分蘖数量平均下降24.9%, 主要依靠群体数量提升单位面积分蘖数; 当施氮量过高时单株分蘖量会受到抑制, 小麦花前分蘖过高, 会导致小麦群体数量过大, 影响小麦群体对光、热、营养等资源的利用, 施氮后成穗率平均下降10.4%, 无效分蘖对资源的浪费, 最终导致减产[34-35]。分蘖死亡率与分蘖产生协调平衡对于优化小麦群体发育有着很高的重要性[36], 4个播量下施氮后成穗率分别下降12.6%、12.3%、6.7%、9.1%, 以D3播种量下施氮对无效分蘖数增多的影响最小, 通过优化施氮量和播种量确保小麦有效分蘖占比提高,对于小麦合理利用资源以及籽粒增产有着十分重要的意义。

小麦株高控制在适宜范围内可避免倒伏并获得更多的光能资源[37-38], 本试验表明, 播种量主要对小麦花前株高影响较大, 氮肥对小麦3个时期的株高均有显著影响; 小麦冠幅可以表征着小麦对光照资源的截获能力, 冠幅较低时光能截获较少, 群体光合速率较低, 同时田间蒸发量大, 影响小麦水分利用; 冠幅过大, 会导致小麦叶片郁闭, 透光透风能力差, 个体间对光能等资源竞争激烈[10,39]; 越冬期前, 小麦群体茎秆数较低, 田间未完全遮蔽, 种内竞争对光照等资源竞争较小, 个体间自由生长, 播种量和施氮量对越冬期小麦冠幅未达到显著影响;扬花期时, 小麦群体发育完全, 施氮后冠幅增加21.7%～27.1%, 相较D1提升播种量冠幅减小3.3%～ 14.9%。通过播种量和施氮量调整小麦群体结构有利于小麦生长环境改善, 减弱作物个体间竞争强度, 促进小麦群体光能利用。

3.3 施氮量和播种量对冬小麦生态势和生态场的影响

生态势是描述生态场特征的时空连续函数, 描绘场源植物对周围一点干涉强度的贡献[40-42], 当作物自身长势过高, 对光、热、营养等资源的需求过大; 对周围的干涉强度也会提高; 本试验表明, 施氮后小麦场源生态势平均提高72.7%, 小麦单株干物重、氮积累量等提高, 单株小麦竞争力增强; 生态势随着距离场源植物距离越大逐渐衰减, 在场源生态势相同的情况下, 影响范围越小, 越有利于培养紧凑高产型小麦群体[43], 施用氮肥提高了小麦株高和冠幅, 个体植株对周围环境的影响范围增加; 提升播种量对生态势范围影响幅度相对施氮较小, 扬花期小麦间冠层相互遮蔽, 冠幅减小, 提升播种量, 生态势影响范围缩小4.4%。

将小麦竞争力控制在适宜水平有利于提高小麦产量[44]。生态场面积依据生态势积分计算得出, 受生态势大小和范围影响, 生态场面积同产量呈二次函数关系, 施氮和提高播种量, 冬小麦群体生态场面积分别提高116.7%和52.5%。将生态场大小定义为冬小麦间相互作用大小, 通过相关性分析发现, 随着生育期推进, 高竞争力小麦群体仍保持优势生长; 高竞争力冬小麦群体有利于单株产量提高; 扬花期高竞争下, 冬小麦投入到繁殖器官的资源有限, 穗数和千粒重受竞争压力减少, 穗粒数增多。通过调控氮肥、播种量等条件控制小麦生态场面积大小, 部分降低竞争能力, 减少生长冗余, 实现冬小麦群体最佳而增产。

4 结论

提高播种量使冬小麦冠幅、分蘖降低, 株高、成熟期地上部氮积累量和群体茎蘖数提高; 增加施氮量使冬小麦株高、冠幅、分蘖和成熟期地上部氮积累量均有所提高。提高播种量和施氮量改善了个体和群体的生长状况, 导致地上部竞争激烈, 冬小麦个体生态势提高, 群体间地上部竞争作用增强。生态场面积随播种量和施氮量增加而增加, 与产量呈二次函数关系, 种内竞争强度过高会导致籽粒减产。合理的播种量与施氮量可构建理想的冬小麦群体, 发挥氮素促进生长和群体增产效应, 避免地上部空间竞争加剧。本试验条件下, 具有适宜生态场和理想群体、产量较高的冬小麦氮密优化组合模式是施氮量239.8 kg hm–2、播种量228.7 kg hm–2。

[1] 中华人民共和国国家统计局. 中国统计年鉴. 北京: 中国统计出版社, 2021. National Bureau of Statistics of China. China Statistics Yearbook. Beijing: China Statistics Press, 2021 (in Chinese).

[2] 陈源源, 孙艺. 未来30年我国粮食增产潜力与保障能力研究. 四川农业大学学报, 2022, 40: 312–318. Chen Y Y, Sun Y. Study on the production increasing potential and guarantee capability of grain in China in the next 30 years., 2022, 40: 312–318 (in Chinese with English abstract).

[3] 赵广才, 常旭虹, 杨玉双, 李振华, 于广军, 李辉利. 冬小麦高产高效应变栽培技术研究. 麦类作物学报, 2009, 29: 690–695. Zhao G C, Chang X H, Yang Y S, Li Z H, Yu G J, Li H L. Study on high yield, high efficiency and adapting cultivating technology in winter wheat., 2009, 29: 690–695 (in Chinese with English abstract).

[4] 巨晓棠, 张翀. 论合理施氮的原则和指标. 土壤学报, 2021, 58(1): 1–13. Ju X T, Zhang C. The principles and indicators of rational N fertilization., 2021, 58(1): 1–13 (in Chinese with English abstract).

[5] 张文静, 江东国, 黄正来, 周晓楠, 马尚宇, 米璐, 韩笑. 氮肥施用对稻茬小麦冠层结构及产量、品质的影响. 麦类作物学报, 2018, 38: 164–174. Zhang W J, Jiang D G, Huang Z L, Zhou X N, Ma S Y, Mi L, Han X. Effects of nitrogen fertilizer application on canopy structure traits, grain yield and quality of wheat after rice., 2018, 38: 164–174 (in Chinese with English abstract).

[6] 陈雨海, 余松烈, 于振文. 小麦生长后期群体光截获量及其分布与产量的关系. 作物学报, 2003, 29: 730–734. Chen Y H, Yu S L, Yu Z W. Relationship between amount or distribution of PAR interception and grain output of wheat communities., 2003, 29: 730–734 (in Chinese with English abstract).

[7] 田纪春, 邓志英, 胡瑞波, 王延训. 不同类型超级小麦产量构成因素及籽粒产量的通径分析. 作物学报, 2006, 32: 1699–1705. Tian J C, Deng Z Y, Hu R B, Wang Y X. Yield components of super wheat cultivars with different types and the path coefficient analysis on grain yield., 2006, 32: 1699–1705 (in Chinese with English abstract).

[8] 李豪圣, 宋健民, 刘爱峰, 程敦公, 王西芝, 杜长林, 赵振东, 刘建军. 播期和种植密度对超高产小麦济麦22产量及其构成因素的影响.中国农学通报, 2011, 27(5): 243–248. Li H S, Song J M, Liu A F, Cheng D G, Wang X Z, Du C L, Zhao Z D, Liu J J. Effect of sowing time and planting density on yield and components of ‘Jimai 22’ with super-high yield., 2011, 27(5): 243–248 (in Chinese with English abstract).

[9] 于振文, 田奇卓, 潘庆民, 岳寿松, 王东, 段藏禄, 段玲玲, 王志军, 牛运生. 黄淮麦区冬小麦超高产栽培的理论与实践. 作物学报, 2002, 28: 577–585. Yu Z W, Tian Q Z, Pan Q M, Yue S S, Wang D, Duan Z L, Duan L L, Wang Z J, Niu Y S. Theory and practice on cultivation of super high yield of winter wheat in the wheat fields of Yellow River and Huaihe River districts., 2002, 28: 577–585 (in Chinese with English abstract).

[10] 张黛静, 马雪, 王晓东, 杨杰瑞, 王多多, 王真, 陈惠婷, 李春喜. 品种与密度对豫中地区小麦光合生理特性及光能利用率的影响. 麦类作物学报, 2014, 34: 388–394. Zhang D J, Ma X, Wang X D, Yang J R, Wang D D, Wang Z, Chen H T, Li C X. Effects of variety and density on photosynthetic traits and light utilization efficiency of wheat in middle Henan province., 2014, 34: 388–394 (in Chinese with English abstract).

[11] 梁书荣, 赵会杰, 李洪岐, 王俊忠, 王林华, 曲小菲, 吕淑敏. 密度、种植方式和品种对夏玉米群体发育特征的影响. 生态学报, 2010, 30: 1927–1931. Liang S R, Zhao H J, Li H Q, Wang J Z, Wang L H, Qu X F, Lyu S M, Effects of planting densities and modes on developmental characteristics of summer maize populations in two varieties., 2010, 30: 1927–1931 (in Chinese with English abstract).

[12] 刘万代, 陈现勇, 尹钧, 杜沛鑫. 播期和密度对冬小麦豫麦49-198群体性状和产量的影响. 麦类作物学报, 2009, 29: 464–469. Liu W D, Chen X Y, Yin J, Du P X. Effect of sowing date and planting density on population trait and grain yield of winter wheat cultivar Yumai 49-198., 2009, 29: 464–469 (in Chinese with English abstract).

[13] Jahanzad E, Jorat M, Moghadam H, Sadeghpour A, Chaichi M R, Dashtaki M. Response of a new and a commonly grown forage sorghum cultivar to limited irrigation and planting density., 2013, 117: 62–69.

[14] 马尚宇, 王艳艳, 刘雅男, 姚科郡, 黄正来, 张文静, 樊永惠, 马元山. 播期、播量和施氮量对小麦干物质积累、转运和分配及产量的影响. 中国生态农业学报, 2020, 28: 375–385. Ma S Y, Wang Y Y, Liu Y N, Yao K J, Huang Z L, Zhang W J, Fan Y H, Ma Y S. Effect of sowing date, planting density, and nitrogen application on dry matter accumulation, transfer, distribution, and yield of wheat., 2020, 28: 375–385 (in Chinese with English abstract).

[15] 祝庆. 密度和氮肥互作对稻茬晚播小麦产量和品质的影响. 南京农业大学硕士学位论文, 江苏南京, 2019. Zhu Q. Effects of Interaction of Planting Density and Nitrogen Fertilizer on Yield and Quality of Late-Sown Wheat Following Rice. MS Thesis of Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu, China, 2019 (in Chinese with English abstract).

[16] 张小涛. 施氮量和播种量互作对不同基因型冬小麦植株氮浓度、群体动态及产量的影响. 河南农业大学硕士学位论文, 河南郑州, 2017. Zhang X T. Combined Effect of Nitrogen Level and Seeding Rate on Nitrogen Concentration, Population and Grain Yield in Different Winter Wheat Cultivars. MS Thesis of Henan Agricultural University, Zhengzhou, Henan, China, 2017 (in Chinese with English abstract).

[17] 邹锐. 生态场理论及生态场特性. 生态学杂志, 1995, (1): 49–53.Zou R. Theory and characteristics of ecological field., 1995, (1): 49–53 (in Chinese with English abstract).

[18] 王根轩. 生态场理论. 地球科学进展, 1993, (6): 76–78. Wang G X. Ecological field theory., 1993, (6): 76–78 (in Chinese).

[19] 王根轩, 赵松岭. 半干旱生态条件下植物个体的综合生态效应的空间距离分布规律. 生态学报, 1993, (1): 58–66. Wang G X, Zhao S L. The spatial distribution of the synthetical ecological effect of plant individuals under semi-arid ecological conditions., 1993, (1): 58–66 (in Chinese with English abstract).

[20] 宋萍. 濒危植物桫椤种群生态学与生态场特性研究. 福建农林大学硕士学位论文, 福建福州, 2004. Song P. Studies on the Population Ecology and Ecological Field Characteristics of Endangered Plant. MS Thesis of Fujian Agricultural and Forestry University, Fuzhou, Fujian, China, 2004 (in Chinese with English abstract).

[21] 卢殿君. 华北平原冬小麦高产高效群体动态特征与氮营养调控. 中国农业大学博士学位论文, 北京, 2015. Lu D J. Dynamics of Population Trait for High Yielding and High Efficiency Winter Wheat and N Nutrient Regulation in the North China Plain. PhD Dissertation of China Agricultural University, Beijing, China, 2015 (in Chinese with English abstract).

[22] 马常宝, 卢昌艾, 任意, 展晓莹, 李桂花, 张淑香. 土壤地力和长期施肥对潮土区小麦和玉米产量演变趋势的影响. 植物营养与肥料学报, 2012, 18: 796–802. Ma C B, Lu C A, Ren Y, Zhan X Y, Li G H, Zhang S X. Effect of soil fertility and long-term fertilizer application on the yields of wheat and maize in Fluvo-aquic soil., 2012, 18: 796–802 (in Chinese with English abstract).

[23] 曲文凯, 徐学欣, 赵金科, 刘帅, 郝天佳, 贾靖, 曹志浩, 李柯煜, 赵长星. 施氮对滴灌冬小麦花后光合生理、灌浆特性及产量品质的影响. 水土保持学报, 2022, 36: 327–336. Qu W K, Xu X X, Zhao J K, Liu S, Hao T J, Jia J, Cao Z H, Li K Y, Zhao C X. Effect of nitrogen application on photosynthetic physiology, grain-filling characteristics and yield and quality after anthesis of winter wheat under drip irrigation., 2022, 36: 327–336 (in Chinese with English abstract).

[24] 史晓芳, 仇松英, 史忠良, 谢福来, 高炜, 宋立红. 播期和播量对冬小麦尧麦16群体性状和产量的影响. 麦类作物学报, 2017, 37: 357–365. Shi X F, Qiu S Y, Shi Z L, Xie F L, Gao W, Song L H. Effect of sowing date and sowing amount on population traits and yield of winter wheat cultivar Yaomai 16., 2017, 37: 357–365 (in Chinese with English abstract).

[25] 杨健, 张保军, 毛建昌, 马婧, 冯海平, 王惠萍, 张玉礼, 王栋.播期与密度对冬小麦西农9871籽粒产量的影响. 麦类作物学报, 2011, 31: 529–534. Yang J, Zhang B J, Mao J C, Ma J, Feng H P, Wang H P, Zhang Y L, Wang D. Effects of sowing date and planting density on grain yield in winter wheat Xinong 9871., 2011, 31: 529–534 (in Chinese with English abstract).

[26] 淮贺举, 陆洲, 秦向阳, 李奇峰, 于莹, 臧辰龙. 种植密度对小麦产量和群体质量影响的研究进展. 中国农学通报, 2013, 29(9): 1–4. Huai H J, Lu Z, Qin X Y, Li Q F, Yu Y, Zang C L. Advances of researches in plant density effects on the wheat yield and population quality., 2013, 29(9): 1–4 (in Chinese with English abstract).

[27] Simmons S R, Rasmusson D C, Wiersma J V. Tillering in barley: genotype, row spacing, and seeding rate effects 1., 1982, 22: 801–805.

[28] 童依平, 李继云, 李振声. 不同小麦品种吸收利用氮素效率的差异及有关机理研究: I. 吸收和利用效率对产量的影响. 西北植物学报, 1999, 19: 270–277. Dong Y P, Li J Y, Li Z S. Genotypic variations for nitrogen use efficiency in winter wheat: I. Effects of N uptake and utilization efficiency on grain yields., 1999, 19: 270–277 (in Chinese with English abstract).

[29] 王树丽. 播期和种植密度对小麦群体结构与氮素利用效率的影响. 山东农业大学硕士学位论文, 山东泰安, 2012. Wang S L. Effects of Sowing Date and Planting Density on Canopy Structure and Nitrogen Utilization Efficiency of Winter Wheat. MS Thesis of Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong, China, 2012 (in Chinese with English abstract).

[30] 蒋龙刚. 基于土壤有机质供氮能力推荐的旱地小麦施氮方法研究. 西北农林科技大学硕士学位论文, 陕西杨凌, 2020. Jiang L G. Research on Recommended Nitrogen Fertilizer Application Method Based on Soil Organic Matter in Dryland Wheat Production. MS Thesis of Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi, China, 2020 (in Chinese with English abstract).

[31] 李菊梅, 王朝辉, 李生秀. 有机质、全氮和可矿化氮在反映土壤供氮能力方面的意义. 土壤学报, 2003, 40: 232–238. Li J M, Wang Z H, Li S X. Significance of soil organic matter, total N and mineralizable nitrogen in reflecting soil N supplying capacity., 2003, 40: 232–238 (in Chinese with English abstract).

[32] Yin X Y, Goudriaan J, Lantinga E A, Vos J, Spiertz H J. A flexible sigmoid function of determinate growth.(London), 2003, 91: 361–371.

[33] 李春杰. 种内/种间互作调控小麦/蚕豆间作体系作物生长与氮磷吸收的机制. 中国农业大学博士学位论文, 北京, 2018. Li C J. The Mechanisms of Intra and Interspecific Interaction on Regulating Growth and N/P Acquisition by Intercropped Wheat and Faba Bean. PhD Dissertation of China Agricultural University, Beijing, China, 2018 (in Chinese with English abstract).

[34] 侯振伟. 不同种植密度下补灌对小麦分蘖成穗和产量的调控及其生理基础. 山东农业大学硕士学位论文, 山东泰安, 2022. Hou Z W. Regulation and Physiological Basis of Supplemental Irrigation on Tillering, Tillering and Yield of Wheat at Different Planting Densities. MS Thesis of Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong, China, 2022 (in Chinese with English abstract).

[35] 唐兴旺, 骆兰平, 于振文, 石玉. 不同产量潜力品种小麦群体动态和干物质积累特性的差异. 山东农业科学, 2020, 52(3): 29–33. Tang X W, Luo L P, Yu Z W, Shi Y. Differences in population dynamics and dry matter accumulation characteristics of wheat varieties with different yield potential., 2020, 52(3): 29–33 (in Chinese with English abstract).

[36] Ye Y L, Wang G L, Huang Y F, Zhu Y J, Meng Q F, Chen X P, Zhang F S, Cui Z L. Understanding physiological processes associated with yield-trait relationships in modern wheat varieties., 2011, 124: 316–322.

[37] 崔维佳, 常志云, 李宁. 干旱胁迫对冬小麦生态、光合、产量及光谱特征的影响. 山西农业科学, 2013, 41: 1314–1318. Cui W J, Chang Z Y, Li N. Influence of drought stress on ecological, photosynthetic, yield and reflectivity characteristics in winter wheat., 2013, 41: 1314–1318 (in Chinese with English abstract).

[38] 李金才, 尹钧, 魏凤珍. 播种密度对冬小麦茎秆形态特征和抗倒指数的影响. 作物学报, 2005, 31: 662–666. Li J C, Yin J, Wei F Z. Effects of planting density on characters of culm and culm lodging resistant index in winter wheat., 2005, 31: 662–666 (in Chinese with English abstract).

[39] 王成雨. 氮肥水平和种植密度对冬小麦冠层结构与功能的影响. 山东农业大学博士学位论文, 山东泰安, 2011. Wang C Y. Effects of Nitrogen Rate and Plant Density on Canopy Architecture and Its Function in Winter Wheat.PhD Dissertation of Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong, China, 2011 (in Chinese with English abstract).

[40] Walker J, Sharpe P J H, Penridge L K, Wu H. Ecological field theory: the concept and field tests., 1989, 83: 81–95.

[41] Walker J, Crapper P F, Penridge L K. The crown-gap ratio (C) and crown cover: the field study., 1988, 13: 101–108.

[42] Wu H I, Sharpe P J H, Walker J, Penridge L K. Ecological field theory: a spatial analysis of resource interference among plants., 1985, 29: 215–243.

[43] 杨从党. 作物研究过程中生态场理论的应用. 中国生态农业学报, 2002, 10(4): 112–114. Yang C D. Application of ecological field theory to research of crops., 2002, 10(4): 108–110 (in Chinese with English abstract).

[44] 董珑丽, 魏茶花, 马晓娟, 张荣. 春小麦竞争能力与产量的关系. 生态学报, 2007, 27: 4203–4208. Dong L L, Wei C H, Ma X J, Zhang R. The relationship between competitive ability and productive performance of spring wheat cultivars., 2007, 27: 4203–4208 (in Chinese with English abstract).

Effects of interaction of nitrogen level and sowing rate on yield, growth, and ecological field characteristics of winter wheat

ZHOU Qi, LI Lan-Tao, ZHANG Lu-Lu, MIAO Yu-Hong, and WANG Yi-Lun*

College of Resources and Environment, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450046, Henan, China

Theobjective of this study isto study the effects of different nitrogen level and sowing rate on the yield, growth and development, and ecological field characteristics of winter wheat, to explore the relationships between the wheat population competitiveness and its yield based on the ecological field theory, and to find a balance between nitrogen level and sowing dates for high yield and high efficiency in winter wheat. Field experiments were established as a split-plot design of five nitrogen levels (0, 90, 180, 270, and 360 kg hm–2) and four sowing rates (135, 180, 225, and 270 kg hm–2) from 2020 to 2022 at Wen County, Henan Province. The grain yield, nitrogen accumulation, growth and development indexes (i.e., plant height, crown width, and tillering) were measured and calculated for the aforementioned treatments. Results showed that the optimal sowing rate were both 225 kg hm–2for the two growing seasons, and the correspondingly nitrogen rates were 270 kg hm–2and 180 kg hm–2, respectively, which achieving the highest grain yield. Compared to the other treatments, the yield increased by 7.5% and 18.1% with the optimal nitrogen and sowing rate treatment combinations. Moreover, nitrogen accumulation increased by 57.3% for nitrogen application treatments, and the potential energy of growth was increased by 72.7%. However, the tillering increased by 34.7%, and the development level per plant decreased with the sowing rates increased, the potential energy of growth decreased by 11.4%. Plant height and crown width were also significantly influenced by nitrogen level and the sowing rate. Compared to the 135 kg hm–2sowing rate and without nitrogen, the scope of ecological field increased by 23.0% in the other treatments. The relationship between winter wheat population ecological field area and yield was a quadratic function. When nitrogen was applied and seeding rate was increased, the population ecological field area of winter wheat increased by 116.7% and 52.5%, respectively. The appropriate N level and sowing rate in winter wheat for improved growth, yield, and ecological field characteristics in the experimental area was 239.8 kg N hm–2and 228.7 kg hm–2, respectively, which could be extended to the application in the northern of Henan.

winter wheat; nitrogen fertilizer; sowing rate; yield; ecological field; interact with each other

10.3724/SP.J.1006.2023.21070

本研究由“十四五”国家重点研发计划项目(2021YFD1901001-08)资助。

This study was supported by the 14th Five-Year National Key Research and Development Program of China (2021YFD1901001-08).

王宜伦, E-mail: wangyilunrl@163.com

E-mail: zhouqi7374@163.com

2022-11-04;

2023-02-21;

2023-03-07.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20230305.1655.002.html

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).