叶面喷施低共熔溶剂对冬小麦产量和基施肥料氮去向的影响

沈云鹏，张水勤，许 猛，李燕婷，高 强，赵秉强，袁 亮*

（1 吉林农业大学资源与环境学院，吉林长春 130118；2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 /农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081）

施用氮肥是农业生产中最重要的增产措施之一，我国氮肥利用率仅为41.3%[1]，提高氮肥利用率成为我国施肥调控政策的首要目标[2-3]。对作物地上部生长调控是促进作物根系吸收养分、提高肥料利用率的重要途径[4]。叶面施肥可以促进作物生长，提高作物产量，促进养分吸收，提高氮肥利用率[5-8]，是对土壤施肥的一种直接、高效的辅助措施[8-10]。有研究表明，在基施氮肥的条件下配合叶面施铁显著提高了玉米的产量、叶绿素含量、光合效率、光合酶活性、氮代谢酶活性，从而提高了氮利用效率[11]；也有研究表明，在基施氮肥的条件下配合叶面施烯效唑、胺鲜酯、海藻寡糖等植物生长调节剂，可以增加绿豆和花生的产量、干物质积累量，促进对氮素的吸收[12-13]。很多糖类物质 (葡萄糖、蔗糖等) 可以作为叶面肥直接喷施于作物上，增加作物产量，并显著提高作物体内叶绿素、可溶性糖含量，增加作物光合产物[14-15]。还有研究[16]表明，叶面喷施低分子有机酸 (甲酸、乙酸、柠檬酸等) 可以为作物提供生长必需的有机质，还能够调节植物生长发育，促进营养吸收，是提高作物产量的有效途径。

叶面喷施氯化胆碱可以通过提高小麦旗叶叶绿素含量增强光合反应，显著增加小麦籽粒产量[17]，并且，氯化胆碱是低共熔溶剂 (deep eutectic solvents，DES) 的重要组成原料。DES 本质上是一种离子混合物[18]，由氢键受体 (季铵盐和磷酸盐等，如氯化胆碱)和氢键供体 (醇类、酰胺、羧酸和糖类等，如葡萄糖、柠檬酸、乙二醇) 两种或多种不同熔点的固体化合物，按一定比例，通过不同化合物之间形成的氢键作用力、范德华力和π-π 作用力等，使晶格能下降，结构破坏，化合物熔点降低的共熔现象，因其具有较强热稳定性和化学稳定性，不易挥发、价格低廉、制备简单等优点，被认为是离子液体的替代物，从而广泛应用于有机物分离提纯、电化学、有机合成和材料制备等领域[19]；Kaczmarek 等[20-21]将胆碱离子液体与农药结合运用于作物，评估其对细菌、真菌和植物的毒性，证明胆碱离子液体对于植物的低毒性；迟晓丽[22]研究将胆碱氨基酸离子液体残液叶面喷施于番茄幼苗上，发现其可通过提高番茄的株高、茎粗、叶绿素、根系抗氧化酶活性和土壤酶活性，从而有效促进植株生长、提高植物光合作用和抗氧化能力，改善土壤环境。以上研究结果表明，叶面施肥可以提高作物产量和对氮素的吸收，含有胆碱的液体混合物可以有效促进作物生长，但其对作物吸收氮素的影响尚不明晰。本研究以氯化胆碱、乙二醇、柠檬酸和葡萄糖为原料，制备了一种DES，研究叶面喷施DES 对小麦产量、基施氮肥利用率及肥料氮去向的影响，并与市场上的含氨基酸叶面肥和含海藻酸叶面肥产品对比，以期为新型绿色高效叶面肥的研制提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试土壤 试验于2021 年10 月至2022 年6 月在中国农业科学院德州盐碱土改良实验站禹城试验基地进行。供试作物为冬小麦，品种为‘济麦22’。供试土壤采自中国农业科学院德州盐碱土改良实验站禹城试验基地连续3 年不施任何肥料的匀地试验田，土壤类型为石灰性潮土，质地为轻壤，分别采集试验田0—30 cm 耕层土壤及30—90 cm 底层土壤，风干，过1 cm 筛、混匀、备用，土壤基本理化性质见表1。

表1 供试土壤理化性质Table 1 Basic physicochemical of the experimental soil

1.1.2 供试肥料 供试氮肥为同位素15N 尿素 (15N丰度为10.09%，购自上海化工研究院有限公司)，供试磷肥为磷酸二氢钙 (含P2O546%)，供试钾肥为硫酸钾 (含K2O 50%)。

供试叶面肥：含氨基酸叶面肥(主要养分含量氨基酸≥100 g/L，微量元素 (Cu+Mn+Zn)≥20 g/L，购自山东沃野化工有限责任公司)；含海藻酸叶面肥(主要养分含量海藻酸≥240 g/L，大量元素 (N+P2O5+K2O)≥120 g/L，微量元素 (Zn+B) 2～20 g/L，购自山东恩宝生物科技有限公司)。

1.1.3 供试DES 制备 将氯化胆碱、乙二醇、葡萄糖、柠檬酸以4∶4∶1∶1 的摩尔比加入到烧杯中混合均匀，置于温度60℃、搅拌速度200 r/min 的恒温磁力搅拌器，搅拌30 min，随后，常温冷却30 min，得到澄澈透明的均相液体，即为供试DES[23-25]。所得DES 中，氯化胆碱为氢键受体，乙二醇、葡萄糖和柠檬酸为氢键供体。

1.2 试验设计

采用田间土柱栽培试验方法，选择内径25 cm、高100 cm 的PVC 管均匀排列埋入土中，下部5 cm 压入原位土壤中，不封口与原位土壤自然接触，上部管口高出地面5 cm，以防止降水地表径流流入[26-27]。土柱距地表60-90、30—60 cm 层装入底层土壤 (30—90 cm)，距地表0—30 cm 土层装入耕层土壤 (0—30 cm)，每层装土后均灌水压实。耕层土壤装入土柱0—30 cm 层前，与氮磷钾肥混匀，一次性基施。其中，氮磷钾肥施用量以土柱0—30 cm 层装土质量计算，施氮量为0.15 g/(kg, 干土)，施磷 (P2O5)和施钾 (K2O) 量均为0.2 g/(kg, 干土)[26-28]。

试验共设置5 个处理：不施氮肥对照 (CK)，施氮磷钾肥+喷施清水处理 (W)，施氮磷钾肥+喷施氨基酸叶面肥处理 (Y1)，施氮磷钾肥+喷施海藻酸叶面肥处理 (Y2)，施氮磷钾肥+喷施DES 处理 (D)，含氨基酸叶面肥、海藻酸叶面肥和DES 均稀释500 倍。每个处理重复6 次，随机区组排列。

每个土柱小麦的播种量为36 粒，于分蘖前间苗至12 株；在小麦拔节期 (4 月15 日)、抽穗开花期(4 月26 日)、灌浆期 (5 月17 日，5 月26 日) 进行4 次喷施，喷施时用挡板将各处理植株隔开，防止相互影响。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 叶绿素含量 在每次叶面施肥前1 天，用SPAD-502 型叶绿素计测定小麦旗叶SPAD 值。

1.3.2 样品采集 小麦收获前，测定每一根土柱小麦穗数；收获后，将小麦秸秆和籽粒分开，置于65℃烘箱烘干至恒重，用赛多利斯科学仪器 (北京)有限公司的BSA2202A 百分之一天平，称量每根土柱籽粒产量、秸秆干物质量和600 粒重，将600 粒重再换算成千粒重，将籽粒和秸秆分别粉碎后过0.149 mm 筛，备用，用于测定其含氮量、15N 丰度。

采集0—15、15—30、30—50、50—70、70—90 cm 土层的土壤样品，置于通风处自然风干后，过0.149 mm 筛，混匀备用，用于测定其含氮量和15N丰度。

1.3.315N 丰度测定 采用同位素质谱仪(Elementar)测定采集样品的含氮量、15N 丰度。

1.4 数据处理

计算公式如下[26-28]：

氮肥表观利用率(%)=(施氮处理作物吸氮量-未施氮CK 处理作物吸氮量)/施氮量×100

氮肥农学效率(kg/kg)=(施氮处理作物产量-未施氮处理作物产量)/施氮量

施入氮肥15N 原子百分超=肥料15N 实测丰度-自然丰度值

植株总氮吸收量(g/pot)=植株氮含量×植株干重

植株肥料氮吸收量(g/pot)=[(植株15N 丰度-不施15N 尿素植株15N 丰度)/肥料15N 原子百分超] ×植株氮含量×植株干物质重

肥料氮利用率(%)=植株肥料氮吸收量/肥料氮施用量×100

土壤中肥料氮残留量(g/pot)=[(土壤15N 丰度-不施15N 尿素土壤15N 丰度)/肥料15N 原子百分超]×土壤氮含量×土壤质量

肥料氮残留率(%)=土壤中肥料氮残留量/肥料氮施用量×100

肥料氮损失量(g/pot)=肥料氮施用量-植株肥料氮吸收量-土壤中肥料氮残留量

肥料氮损失率(%)=肥料氮损失量/肥料氮施用量×100

试验数据采用Excel 2016 和Origin 2021 软件进行处理和作图，采用SPSS 22 统计分析软件Duncan方法进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 叶面喷施DES 对不同时期小麦旗叶SPAD 值的影响

通过图1 可知，CK 处理小麦旗叶SPAD 值在各个生育期均显著低于其他处理，说明基施氮肥可以显著提升小麦旗叶各生育期的叶绿素含量。在小麦拔节期、抽穗期和灌浆前期各施氮肥处理之间的SPAD 值无显著差异；在灌浆后期，各处理的SPAD值均有不同程度的降低且产生显著差异，表现为D＞Y2≈Y1＞W。其中，D 处理的SPAD 值为最高，较W 处理显著提高32.24%，较Y1 和Y2 处理分别显著提高12.88%和10.28%；Y1 和Y2 处理较W 分别显著提高17.14%和19.91%。以上结果说明，基施氮肥可以显著增加小麦旗叶各个时期叶绿素含量，在基施氮肥的基础上喷施叶面肥可以显著增加小麦灌浆后期旗叶叶绿素含量，其中D 处理效果最优。

图1 叶面喷施DES 对不同时期小麦SPAD 值的影响Fig.1 Effects of foliar spraying with DES on SPAD of wheat at different periods

2.2 叶面喷施DES 对小麦产量和产量构成因素的影响

从表2 可以看出，与W 处理相比叶面施肥处理均显著提高小麦籽粒产量和地上部干物质量。与W 处理相比，Y1、Y2 和D 叶面施肥处理的籽粒产量分别显著提高17.48%、17.52%和21.11%，叶面施肥处理间无显著差异。从产量构成因素看，各处理间穗粒数以D 处理的提升效果最优，较W 处理显著高出14.62%。由小麦籽粒产量与构成要素的通径分析 (表3) 可知，穗数和穗粒数的简单相关系数与籽粒产量的增加达极显著相关，且穗数和穗粒数到籽粒产量的直接通径系数明显大于千粒重到籽粒产量的直接通径系数，因此叶面施肥处理小麦籽粒的增产主要是通过增加穗数和穗粒数而实现的，但通过方差分析可知，与W 处理相比，D 处理是通过增加穗粒数从而提升籽粒产量。

表2 不同处理小麦产量及其构成因素Table 2 Yield and its component of wheat under different treatments

表3 小麦产量与构成要素的通径分析Table 3 Path analysis of wheat yield and its component traits

2.3 叶面喷施低共熔溶剂对小麦氮素吸收量的影响

由图2-A 可知，与W 处理相比，叶面施肥处理可显著提升小麦地上部氮素总吸收量10.00%～18.33%；其中，叶面施肥处理的籽粒吸氮量较W处理分别显著提升10.49%、11.11% 和18.52%，且D 处理较Y1 和Y2 处理分别显著提升7.26% 和6.67%。各施氮肥处理之间秸秆吸氮量无显著差异。

图2 不同处理对小麦氮素吸收的影响Fig.2 Effects of different treatments on nitrogen uptake in wheat

由图2-B 可知，叶面施肥可以影响小麦地上部对基施肥料氮的吸收。与W 处理相比，Y2 和D 处理可分别显著提升小麦籽粒肥料氮吸收量7.55%和9.43%；Y2 的秸秆肥料氮吸收量低于W、Y1 和D处理。由图2-C 可知，叶面施肥处理显著影响小麦地上部对土壤氮素的吸收。与W 处理相比，叶面施肥处理可显著提升小麦地上部土壤氮吸收，其中，Y1、Y2 和D 处理籽粒土壤氮吸收分别显著提升26.79%、17.86%和35.71%，各处理间差异显著。

各施氮肥处理的小麦地上部总吸氮量有59.09%～64.44%来自肥料氮，有35.56%～40.91%来自土壤氮。D 和Y2 处理可以同时促进小麦对肥料氮和土壤氮的吸收，Y1 处理可以促进小麦对土壤氮的吸收。

2.4 叶面喷施DES 对肥料氮在土壤中分布的影响

从表4 可以看出，小麦收获后，各施氮肥处理在不同层次的土壤中均能检测到肥料氮的残留，其主要集中在0—50 cm 土层中，占0—90 cm 土层肥料氮的78.26%～80.39%。D 处理在0—15 和15—30 土层的肥料氮残留量分别显著高于其他处理14.29%～77.77% 和13.04%～44.44%。在50—70 cm 土层中，D 和W 处理的土壤肥料氮积累量显著高于Y1 和Y2 处理；在30—50 和70—90 cm 土层中，各处理之间土壤肥料氮积累量无显著差异。D 处理的肥料氮总残留量为最高，较W、Y1 和Y2 处理分别显著高出9.52%、35.29%和40.82%。

表4 不同处理各土层肥料氮残留量（g/pot）Table 4 Residual amounts of fertilizer N in each soil layer under different treatments

2.5 叶面喷施DES 对小麦氮肥利用率的影响

通过表5 可知，各施氮肥处理的肥料氮有51.66%～56.31%被小麦地上部吸收利用，这是肥料氮的主要去向；21.70%～30.65%的肥料氮残留在土壤中；损失率为13.04%～25.17%。其中，Y2 和D 处理的肥料氮利用率分别较W 显著提升2.87 和4.65 个百分点，Y1 与W 处理间的肥料氮利用率无显著差异；与W 处理相比，Y1 和Y2 处理的肥料氮残留率分别显著降低5.33 和6.34 个百分点，D 处理显著提升2.61 个百分点；与W 处理相比，Y1 和Y2 处理的肥料氮损失率分别显著提升4.87 和3.47 个百分点，D 处理显著降低7.26 个百分点。Y1、Y2 和D 叶面施肥处理的小麦氮肥表观利用率较W 处理分别显著提高7.98、8.25 和14.53 个百分点，D 处理较Y1 和Y2 处理还可以分别显著提升氮肥表观利用率6.55和6.28 个百分点。Y1、Y2 和D 叶面施肥处理的氮肥农学效率较W 处理分别显著提升34.07%、31.09%和41.20%，叶面施肥处理之间无显著差异。D 处理较Y1 和Y2 处理可以分别显著提高肥料氮残留率7.94、8.95 个百分点，显著降低肥料氮损失率12.13和10.73 个百分点。

表5 不同处理对小麦氮肥利用率的影响Table 5 Effects of different treatments on nitrogen use efficiencies of wheat

3 讨论

3.1 叶面喷施DES 对小麦产量的影响

旗叶是小麦生育后期冠层的主要构成者，其光合作用对籽粒产量的贡献可达41%～43%，而后期功能叶片的光合产物对籽粒的贡献可达80%[29-30]。前人研究表明，叶面喷施植物生长调节剂、氨基酸和海藻酸类物质可以增强作物的光合作用，促进光合产物向作物籽粒的运输，提高作物籽粒产量[12,31-35]；Che 等[36]研究认为，氯化胆碱进入小麦体内转化为甜菜碱或磷脂酰胆碱，而磷脂酰胆碱是构成生物膜的重要组成部分，因此在一定条件下施用氯化胆碱有助于增加膜脂的流动性，李慧琳等[37]研究认为，叶绿体片层结构的正常生长发育与细胞膜磷脂含量有关，磷脂含量的增加促进叶绿体的发育，提高了光合能量转化酶活性，从而维持叶绿素的正常代谢，陈雪等[17]研究表明，在干旱条件下叶面喷施氯化胆碱可以显著提高小麦幼苗叶绿素含量81.74%；王东升等[38]研究表明，在基施相同肥料情况下配施氨基酸叶面肥，可以分别显著增加玉米叶绿素含量和可溶性糖含量16.26%和14.05%，同时增加玉米籽粒产量20.10%；王泽平等[39]研究表明，叶面喷施海藻酸叶面肥可以显著提高玉米叶片叶绿素含量并提高玉米产量7.7%；刘世亮等[40]研究表明，叶面喷施柠檬酸可以显著提升叶绿素总量33.00%，叶霞等[41]研究表明，叶面喷施有机酸可以提高火龙果品质，Darandeh等[42]发现，叶面喷施柠檬酸可以延长植物寿命；齐红岩等[14]研究表明，叶面配合喷施葡萄糖可以提高番茄叶片的叶绿素、可溶性糖和可溶性蛋白的含量，增强作物的光合作用。以上研究结果与本研究结果相似，在本研究中，DES 的组成成分中含有氯化胆碱、柠檬酸和葡萄糖，叶面施肥处理较W 处理可以显著提高小麦灌浆后期的旗叶SPAD 值17.14%～32.24%，表明叶面施肥可以延缓小麦旗叶叶片的衰老，有助于促进光合作用，增加灌浆后期光合产物，这一推论在叶面施肥处理的小麦籽粒产量较W 处理分别显著增产17.48%～21.11%中得到了验证。并且，在本研究中共计喷施了4 次叶面肥，最后一次喷施于灌浆后期，这可能是D 处理在灌浆后期SPAD 值显著高于Y1 和Y2 处理的原因。

穗粒数由小穗数、小花数及结实率构成，增加穗粒数对提高小麦产量具有较大潜力；穗粒数提高的潜力在于提高结实率，延长小穗分化时期。许为黎等[43]研究表明，叶面喷施氯化胆碱主要通过提高分蘖穗结实粒数来增加穗粒数，从而提高小麦产量，这与本研究结果一致。在本研究中，叶面施肥处理较W 处理主要是通过增加穗数和穗粒数达到小麦籽粒的增产，其中D 较W 处理的穗粒数显著增加14.62%，这是使D 较W 处理籽粒产量显著提高21.11%的主要原因。

本研究结果表明，叶面喷施叶面肥处理主要通过增加小麦后期的叶绿素含量，增强光合作用，从而提高穗粒数，达到提高小麦产量的目的，其中D处理的效果最优。说明本研究制备的DES 不会改变各个组成元素原有的功能，这主要得益于DES 的性质本身就是两种或多种纯化合物的混合物[44]，通过化合物之间的氢键作用力、范德华力和π-π 作用力等，使得晶格能下降，晶格结构破坏，化合物熔点降低的共融现象[45]。

3.2 叶面喷施DES 对小麦氮素去向的影响

小麦氮素吸收来源分为土壤氮和肥料氮[46]，肥料氮的去向分为籽粒及秸秆吸收、土壤残留和损失[26]。杨磊等[47]研究认为，小麦生育后期根系的活性降低，叶面喷施氮肥可以直接增加小麦营养器官无机氮含量，促进硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性，从而提高小麦氮素吸收利用率；王泽平等[39]研究表明，叶面喷施海藻酸叶面肥可以显著提升玉米籽粒氮吸收量17.3%；李勇等[48]研究表明，叶面喷施植物生长调节剂表油菜素内脂可以显著提升冬小麦籽粒氮积累量26.45%。以上研究结果与本研究结果相似，本研究通过15N 示踪技术表明，叶面施肥处理均可以提高15N 利用率，其中以D 处理效果最好，可以显著促进小麦对肥料氮的吸收，降低肥料氮的损失，提高土壤中的肥料氮残留量，这是因为DES 中含有植物生长调节剂氯化胆碱，叶面喷施氯化胆碱可以提高小麦旗叶灌浆后期SPAD 值，这可能会延长小麦旗叶的功能期，促进小麦进行光合作用，从而提高小麦对氮素的吸收。土壤氮素是植物吸收氮素的主要来源，无论施肥量多少，土壤氮对作物吸收氮的贡献一般在50%以上[26,46]。通过对本试验中小麦吸收的氮素来源进行分析，发现各施氮肥处理小麦吸收肥料氮占其总吸氮量的59.09%～64.44%，而吸收的土壤氮则占其总吸氮量的36.56%～40.91%，这可能与本试验中氮素用量和土壤基础地力较低(0—30 cm 土壤全氮含量为0.51 g/kg)有关[26,49-50]；此外D 较W 处理提高了肥料氮吸收量和土壤氮吸收量，说明叶面喷施DES 可以同时促进小麦对肥料氮和土壤氮的吸收。本研究中，D 处理残留的肥料氮总量显著高于W、Y1 和Y2 处理，主要体现在D 处理0—30 cm 各土层肥料氮残留量显著高于W、Y1 和Y2 处理，说明叶面喷施DES 可以提高0—30 cm 土层的肥料氮残留量，这可能是因为DES 中含有氯化胆碱，有研究表明小麦叶面喷施氯化胆碱可以影响土壤中根际菌落的数量[51-52]。

DES 具有较高的热稳定性、低挥发性、原料成本低廉、制备简单、绿色环保等优点[18]，本研究结果表明，叶面喷施DES 在小麦上可以提高小麦产量和基施氮肥利用率。未来还需进一步开展叶面喷施D E S 调控作物生长和促进养分吸收利用机理，DES 与大、中、微量元素配伍技术及增效机制研究，以及科学的喷施方式，为DES 在肥料增效中的应用和绿色高效叶面肥产品开发提供依据。

4 结论

与喷施清水相比，叶面喷施DES 可以显著提高小麦籽粒产量，促进小麦对肥料氮的吸收，从而降低肥料氮的损失，其效果与叶面喷施海藻酸叶面肥相似。叶面喷施DES 和含海藻酸叶面肥均可显著促进小麦对肥料氮和土壤氮的吸收，叶面喷施含氨基酸叶面肥仅可显著促进小麦对土壤氮的吸收。与喷施清水处理相比，叶面施肥处理可以显著提高氮肥表观利用率和氮肥农学效率，其中叶面喷施DES 和含海藻酸叶面肥还可显著提高肥料氮利用率。与叶面喷施含氨基酸叶面肥和含海藻酸叶面肥相比，叶面喷施DES 可以显著提高土壤中肥料氮残留率，并显著降低肥料氮损失率。