微喷灌条件下减量施氮对冬小麦光合特性和产量的影响

刘婷婷，张兴燕，褚鹏飞，王旭清，孟维伟，慈文亮，杨婧，李子正，姜会岭

(1. 聊城大学农学与农业工程学院，山东 聊城 252000；2. 山东省农业科学院作物研究所，山东 济南 250100；3. 山东省农业机械科学研究院，山东 济南 250100)

黄淮海平原是我国重要的粮食生产基地，冬小麦产量约占全国总产量的57%[1]。 该区域属暖温带季风气候，降水少且分布不均，冬小麦生育期间的需水量远高于有效降雨量[2]。 水资源短缺使灌溉成为保障冬小麦高产稳产的重要措施[3]，减少灌溉量、提高水分利用效率已成为该区域冬小麦生产亟需解决的技术难题[4]。 然而，黄淮海平原目前冬小麦生产多采用传统畦灌，无法有效控制灌水量定额，水分利用效率较低[4，5]。微喷灌利用微喷带将水分以类似细雨的方式均匀喷洒至田间，操作简便且能够基于冬小麦生长需求精准控制灌溉量[6，7]，已逐渐成为该区域节水灌溉技术研究的热点[8，9]。 明确微喷灌条件下黄淮海平原冬小麦最佳施氮措施对于微喷灌技术的规模化应用具有重要意义[10-12]。

施用氮肥是冬小麦增产的重要途径[13]，对其产量形成过程[14]和叶片光合能力[15]具有显著调控作用。 长期以来，农户为提高粮食产量而逐年增加施肥量，致使冬小麦产量增速远低于氮肥投入量增速[16]。 有研究表明，黄淮海冬小麦的实际施氮量较推荐量平均高约10.80%[17]。 过量施氮不仅增加农业生产投入[18]，而且不符合作物需肥特性[19]，使氮肥利用效率降低[20]，增产效果减弱[21]，同时导致一系列严峻环境安全问题[22，23]。为探明微喷灌条件下施氮量对冬小麦光合特性和籽粒产量的影响机制，本研究基于聊城地区农民常规施氮量设置不同减量施氮处理，开展两个冬小麦生长季的田间定位试验，系统分析不同处理对冬小麦花后旗叶净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度、瞬时叶片水分利用效率、叶绿素相对含量、籽粒产量及其构成因素的影响，以期为黄淮海冬麦区节水灌溉条件下的合理施氮技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试品种与试验地概况

试验于2019—2020年和2020—2021年冬小麦生长季在聊城大学种植园(116°1′E，36°26′N)进行。 供试品种为聊城地区主推高产冬小麦品种济麦22。 试验地为壤土，前茬作物为玉米，秸秆全部机械粉碎后还田。 2019年冬小麦耕前0 ～20 cm 土层土壤有机质含量13.76 g/kg、全氮1.09 g/kg、碱解氮107.36 mg/kg、速效磷47.72 mg/kg、速效钾129.46 mg/kg。

1.2 试验设计与田间管理

试验设置4 个施氮(N)量处理，分别为0(对照)、240 kg/hm2(当地农民常规施氮量)、216 kg/hm2(农民常规施氮量减氮10%)、192 kg/hm2(农民常规施氮量减氮20%)，分别用N0、N240、N216、N192表示。 氮肥总量的1/2 耕前基施，1/2 拔节期追施。 耕前一次性基施P2O5和K2O 各150 kg/hm2。 氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为硫酸钾。 小区面积为44 m2(11 m×4 m)，按长边方向种植15 行小麦，小区间设置2 m 保护行。 随机区组排列，重复3 次。

每小区于冬小麦行间均匀布置3 条微喷带，分别于越冬期、拔节期和开花期定量灌水，每次灌水量600 m3/hm2，使用水表精确控制灌水量。2019—2020 冬小麦生长季试验于10月16 日播种，2020年6月10 日收获；2020—2021 冬小麦生长季试验于10月14 日播种，2021年6月8 日收获。 其它管理措施与当地一般高产田相同。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 小麦旗叶光合特性 开花期挂牌标记各处理有代表性的同日开花单茎，于开花期和花后第10 天、20 天上午9∶00—11∶00，在自然光照下使用CIRAS-2 光合作用测定系统(PP，Systems 公司，英国)测定旗叶净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)等参数，并计算冬小麦瞬时叶片水分利用效率(LWUE)，LWUE＝Pn/Tr[24]。 每小区测定11 片旗叶，取均值。

1.3.2 小麦旗叶叶绿素相对含量(SPAD 值) 采用SPAD-502Plus 叶绿素仪(KONICA MINOLTA公司，日本)，于开花期和花后10 天、20 天上午9 ∶00—11∶00，在自然光照下测定每小区11 片开花期挂牌标记的单株旗叶，测定部位为叶片的1/2处，直接读数后取均值。

1.3.3 小麦籽粒产量 于成熟期每小区选取代表性区域8 m2收获，晒干后称重，计算籽粒产量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016 处理数据并作图，使用SPSS 11.0 软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 微喷灌条件下减量施氮对冬小麦旗叶净光合速率(Pn)的影响

图1 显示，施氮处理济麦22 花后旗叶Pn 均显著高于对照(N0)，表明施氮显著改善冬小麦花后旗叶光合能力。 在两个冬小麦生长季，开花期旗叶Pn 表现为N240、N216和N192处理之间无显著差异，从花后10 天开始各施氮处理之间存在显著差异，表明施氮对于冬小麦灌浆期旗叶Pn 存在显著调控作用。 2019—2020 生长季，花后10 天旗叶Pn 表现为N240、N216＞N192＞N0，花后20 天表现为N216＞N240＞N192＞N0；2020—2021 生长季，旗叶Pn 花后10 天表现为N240、N216、N192＞N0，花后20 天表现为N216＞N240＞N192＞N0。 表明施氮对灌浆阶段冬小麦旗叶Pn 的影响存在年际差异，与农民常规施氮量(N240) 相比，适量减氮处理(N216)有利于济麦22 在灌浆阶段保持较高的旗叶Pn，施氮量降低20%(N192)则显著降低灌浆中后期的旗叶Pn。

图1 不同处理济麦22 花后旗叶的净光合速率(Pn)

2.2 微喷灌条件下减量施氮对冬小麦旗叶蒸腾速率(Tr)的影响

济麦22 花后旗叶Tr 存在显著的年际间差异(图2)。 2019—2020 冬小麦生长季，开花期和花后10 天、20 天旗叶Tr 均表现为N240、N216＞N192＞N0，即农民常规施氮量处理(N240)和减氮10%处理(N216)旗叶Tr 之间无显著差异，但均显著高于减氮20%处理(N192)。 2020—2021 生长季，开花期旗叶Tr 表现为N240、N216、N192＞N0，花后10 天表现为N240＞N216＞N192＞N0，花后20 天表现为N240、N216＞N192＞N0。 表明农民常规施氮量处理(N240)和减氮10%处理(N216)均有利于济麦22 在灌浆中后期保持较高的旗叶Tr，减氮20%处理(N192)旗叶Tr 从花后10 天开始显著低于其它施氮处理。 以上结果表明，农民常规施氮量基础上减氮10%，对开花期和灌浆中后期的旗叶Tr 并无显著影响。

图2 不同处理济麦22 花后旗叶的蒸腾速率(Tr)

2.3 微喷灌条件下减量施氮对冬小麦旗叶气孔导度(Gs)的影响

不同施氮处理对济麦22 花后旗叶Gs 存在显著影响(图3)。 2019—2020 冬小麦生长季，开花期和花后10 天旗叶Gs 均表现为N240、N216＞N192＞N0，花后20 天表现为N216＞N240＞N192＞N0。 2020—2021 生长季，开花期旗叶Gs 表现为N240＞N216＞N192＞N0，花后10 天、20 天均表现为N240、N216＞N192＞N0。 表明农民常规施氮量(N240)处理和减氮10%处理(N216)有利于冬小麦花后保持较高的旗叶Gs；而减氮20%处理(N192)旗叶Gs 从开花期始均显著低于上述两处理，且随着灌浆进程其差距呈逐渐增加趋势；与N216相比，N192处理花后20 天旗叶Gs 在两个生长季分别减少19.30%和17.60%。 以上结果示出，适量减氮(N216)显著提高2019—2020 冬小麦生长季济麦22 灌浆中后期的旗叶Gs，而2020—2021年度与农民常规施氮量(N240)处理无显著差异。

图3 不同处理济麦22 花后旗叶的气孔导度(Gs)

2.4 微喷灌条件下减量施氮对冬小麦旗叶胞间CO2 浓度(Ci)的影响

济麦22 各处理花后旗叶Ci 随灌浆进程有逐渐升高趋势(图4)。 2019—2020 冬小麦生长季，开花期旗叶Ci 表现为N0＞N192＞N240、N216，花后10天表现为N0＞N192＞N240＞N216，花后20 天表现为N0＞N240、N192＞N216。 2020—2021年度，开花期旗叶Ci 表现为N0＞N216、N192＞N240，花后10 天表现为N0、N192＞N240＞N216，花后20 天表现为N0＞N192＞N240＞N216。 表明农民常规施氮量减氮10%处理(N216)旗叶Ci 在花后10 天、20 天均显著低于其它处理，有利于冬小麦在灌浆阶段保持较高的CO2同化能力，与农民常规施氮量(N240)相比，该处理两个生长季的旗叶Ci 均值在花后10 天和20天分别降低6.16%和7.42%。

图4 不同处理济麦22 花后旗叶的胞间CO2 浓度(Ci)

2.5 微喷灌条件下减量施氮对冬小麦旗叶瞬时叶片水分利用效率(LWUE)的影响

济麦22 各处理旗叶LWUE在不同灌浆阶段的表现存在显著差异(图5)。 2019—2020 冬小麦生长季，开花期旗叶LWUE表现为N0、N192＞N240、N216，花后10 天各处理旗叶LWUE 无显著差异，花后20 天表现为N216＞N240、N192＞N0。 2020—2021年度，开花期旗叶LWUE 表现为N0＞N240、N216、N192，花后10 天表现为N216、N192＞N240＞N0，花后20 天表现为N216＞N240＞N192＞N0。 表明开花期不施氮处理(N0)具有较高的旗叶LWUE，随着灌浆进程其旗叶LWUE有显著低于施氮处理的趋势。在农民常规施氮量基础上减氮10%处理(N216)，其旗叶LWUE在两个生长季均表现为花后20 天显著高于其它处理，表明适量减氮有利于济麦22 灌浆中后期保持较高的瞬时叶片水分利用效率。

图5 不同处理济麦22 花后旗叶的瞬时叶片水分利用效率(LWUE)

2.6 微喷灌条件下减量施氮对冬小麦旗叶叶绿素相对含量的影响

济麦22 旗叶SPAD 值随灌浆进程有逐渐降低趋势，不施氮处理(N0)各时期均显著低于施氮处理(图6)。 2019—2020 冬小麦生长季，开花期旗叶SPAD 值表现为N240、N216＞N192＞N0，花后10天表现为N216＞N240、N192＞N0，花后20 天表现为N216＞N240＞N192＞N0。 2020—2021年度，开花期旗叶SPAD 值表现为N240、N216、N192＞N0 ，花后10 天表现为N216、N240＞N192＞N0，花后20 天表现为N216＞N240＞N192＞N0。 表明施氮显著提高济麦22 灌浆阶段旗叶的SPAD 值；农民常规施氮量减氮10%处理(N216)有利于冬小麦灌浆阶段保持较高的旗叶SPAD 值，与N240相比，该处理花后20 天旗叶SPAD 值在两个生长季分别增加7. 94% 和12.40%，而减氮20%处理(N192)花后20 天旗叶SPAD 值则分别降低9.27%和7.86%。

图6 不同处理小麦花后旗叶的叶绿素相对含量

2.7 微喷灌条件下减量施氮对冬小麦籽粒产量的影响

济麦22 不施氮处理的籽粒产量、群体穗数和穗粒数均显著低于各施氮处理，其千粒重最高(表1)。 各施氮处理之间比较，2019—2020 冬小麦生长季，籽粒产量表现为N216＞N240＞N192，群体穗数为N240、N216＞N192，穗粒数为N216＞N240、N192，千粒重为N216、N192＞N240；2020—2021年度，籽粒产量表现为N240、N216＞N192，群体穗数为N240＞N216＞N192，穗粒数为N216＞N240＞N192，千粒重为N216、N192＞N240。 表明随施氮量增加，济麦22 群体穗数有逐渐增加趋势，千粒重有逐渐降低趋势。 与农民常规施氮量处理(N240)相比，2019—2020 冬小麦生长季减氮10%处理(N216)籽粒产量增加5.44%，穗粒数增加2.11%，千粒重增加1.57%，群体穗数无显著差异；2020—2021年度N216处理籽粒产量与N240无显著差异，穗粒数增加2.51%，千粒重增加3.10%，群体穗数降低4.11%。 与N240相比，农民常规施氮量基础上减氮10%显著增加济麦22的穗粒数和千粒重，籽粒产量在群体穗数基本一致情况下(2019—2020)显著增产，在群体穗数有所减少情况下(2020—2021)籽粒产量也有增加；与N240相比，减氮20%处理(N192)两个生长季的籽粒产量均显著降低，千粒重显著增加，群体穗数显著降低。 以上结果共同示出，适量减氮(N216)条件下保持较高的群体穗数有利于济麦22 获得较高产量。

表1 不同处理济麦22 的籽粒产量及其构成要素

3 讨论与结论

3.1 微喷灌条件下减量施氮对冬小麦籽粒产量的影响

微喷灌是一种基于滴灌和喷灌的新型节水灌溉技术[24]，成本低廉、操作简便、易于推广[6]，能够精准控制灌水定额、提升灌水效果[25，26]，降低表层土壤容重[27]，减少氮素淋溶[28]，改善田间小气候[2]，提高水分利用效率[8，21，29]，然而其规模化应用的配套氮肥运筹技术尚不完善，仍需深入研究[12，30]。 党建友等[31]研究指出，越冬期、拔节期、开花期和灌浆期共进行4 次微喷灌(总灌水量为1800 m3/hm2)，并在播前、拔节期和灌浆期共施氮225 kg/hm2，小麦籽粒产量可达7555 kg/hm2。本试验于越冬期、拔节期和开花期共进行3 次微喷灌，每次灌水定额为600 m3/hm2，并在播前和拔节期共施氮216 kg/hm2(当地农民常规施氮量减氮10%)，其2019—2020年度籽粒产量显著高于其它处理，为8765.42 kg/hm2，2020—2021年度籽粒产量为8910.28 kg/hm2，与当地农民常规施氮(N)量处理(240 kg/hm2)之间无显著差异，但均显著高于其它处理。 有研究表明，氮素对小麦籽粒产量及其构成因素具有重要调控作用[19，32]。 本研究中，与农民常规施氮(N)量相比，减氮10%(216 kg/hm2)显著增加济麦22 的穗粒数和千粒重，该处理条件下小麦高产稳产的关键还在于保持较高的群体穗数。

3.2 微喷灌条件下减量施氮对冬小麦光合特性的影响

诸多研究表明，适量施氮对小麦灌浆阶段的旗叶净光合速率、蒸腾速率和气孔导度具有显著提升作用[11，15，31，33]。 本研究在微喷灌条件下两年度试验结果共同示出，取得较高籽粒产量的N216处理有利于济麦22 在灌浆中后期保持较高的旗叶净光合速率、蒸腾速率和气孔导度，与前人研究结果一致[33-35]。 有研究指出，施氮对小麦光合特性的改善作用存在阈值[34，35]，超过阈值继续增加施氮量，小麦光合能力因试验条件不同而呈现显著降低[34，36]或者无显著变化[33，37]的趋势。 本研究结果表明，施氮量由216 kg/hm2增加至240 kg/hm2，济麦22 灌浆中后期的旗叶净光合速率、瞬时叶片水分利用效率、叶绿素相对含量(SPAD值)均显著降低，旗叶蒸腾速率无显著变化。