种植密度和施氮量对豫北潮土区小麦光合特性和产量及土壤氮素的影响

陈琛， 石柯， 朱长伟， 姜桂英， 罗澜， 孟威威， 刘芳，申凤敏， 刘世亮

（河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002）

小麦是我国重要的粮食作物，其产量高低关系到我国粮食安全。氮素是植物所需的重要营养元素，在植物的生长和发育中起着重要作用[1]。但我国集约化农业长期过量施用化肥，特别是氮肥，不仅导致土壤酸化板结，同时提高了生产成本，加剧环境污染。因此，寻找减氮增效的农艺措施是目前农业上亟需解决的问题。施肥和种植密度是影响小麦产量的关键因素[2]。氮肥减施是提高氮肥利用率最直接的方法，但因土壤肥力不同可能会对小麦产量有一定影响，而种植密度的提高则可在一定程度上弥补这一弊端。氮肥用量和种植密度的改变，会对小麦的光合作用特征、产量以及土壤中不同氮素形态造成一定影响。因此，开展不同种植密度和氮肥施用水平下小麦光合作用特征、产量及土壤氮素含量变化方面的研究具有重要意义。

合理的种植密度和氮素水平有利于提高小麦光合作用，增加对土壤氮素的吸收，提高作物产量[3-4]。张福锁等[5]研究发现，黄淮地区氮肥施用量远高于作物生长需求。因此，适量减少氮肥施用量是提高氮肥利用率最直接的措施。研究表明，在常规施氮量基础上适当减氮能提高叶片净光合速率，延长光合作用时间，促进叶片水气交换，提高蒸腾作用和叶片利用CO2能力，对气孔导度有一定提升作用[6]。适当增加种植密度能够增加小麦生长中后期旗叶光合作用和叶绿素含量[7]；减氮处理可增加花后冠层下部叶片受光比率，改善其受光状况，并提高光合速率[8]。聂胜委等[9]研究表明，在豫南砂姜黑土上，在施氮量300 kg·hm-2的基础上减施10%和20%均不会造成小麦减产。苟志文等[10]发现，在厚层灌漠土上，在施氮量180 kg·hm-2基础上减氮15%不会影响小麦产量。张娟等[11]认为，在适当降低氮肥用量条件下，通过增加种植密度可以促进小麦吸收深层土壤氮素，减少土壤氮素残留，并保持较高的产量水平。施氮量和小麦种植密度的变化直接影响土壤中不同氮素形态。石柯等[12]研究表明，减施氮肥的同时增加小麦播种量会降低不同土层土壤中微生物量碳氮及土壤全氮含量。叶盛嘉等[13]发现，氮肥施用量的降低会造成不同土层硝态氮残留量和硝态氮分布比例的降低。由此表明，氮肥施用量和种植密度间存在互作效应，适当减少氮肥施用量、合理密植不仅有利于小麦群体充分吸收土壤氮素，还可减少土壤氮素残留的同时保证小麦产量。

由于作物的光合特性随作物种类、密度、施肥量以及栽培地域存在较大差异，尽管关于增加小麦播量或减施氮肥等单因素对小麦产量影响的报道较多，但有关豫北潮土区小麦播量和施氮量对土壤养分和小麦光合特性、产量的研究有待于进一步加强。因此，本研究以豫北潮土区常规氮素施用水平为基准，研究氮肥减施20%与不同种植密度对土壤不同形态氮素含量及小麦光合作用和产量的影响，以期为该地区小麦可持续生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年10月在河南省原阳县河南农业大学原阳科教园区（34°47′N，113°40′E）实施。试验地属于暖温带大陆性季风气候，年均气温14.5 ℃，年均降水量616 mm，年均蒸发量1461 mm，年均日照时数2323 h。试验地土壤为潮土，成土母质为黄河冲积物。试验开始前0—20 cm土层土壤理化性质为：有机质17.3 g·kg-1，全氮1.00 g·kg-1，碱解氮71.33 mg·kg-1，有效磷21.6 mg·kg-1，速效钾108.0 mg·kg-1，pH 7.2。

1.2 试验设计

本研究小麦品种为‘郑麦369’。采用随机区组设计于2016—2019年开展大田定位试验。以当地农民习惯施肥量和小麦播量为对照，分别设置（1）常规小麦播量+常规施氮量（CBCF）；（2）小麦播量增加30%+常规施氮量（ZBCF）；（3）小麦播量增加30%+氮量减施20%（ZBJF）；（4）常规小麦播量+氮量减施20%（CBJF），共计4个处理，各处理小麦播种量与施肥量详见表1。每处理3次重复。每小区面积68.75 m2（12.5 m×5.5 m）。

表1 各处理小麦播种量与施肥量Table 1 Wheat seeding amount and fertilizer amount in each treatment （kg·hm-2）

每年10月10日左右进行小麦季整地、施肥、播种，来年3月15日左右进行小麦季追肥。其中磷、钾肥均作为基肥施用；氮肥按照基追比7∶3的比例进行施用。4个处理中仅CBCF处理采用机械播种、施肥；其余均人工播种、施肥；其他管理方式一致。玉米于每年6月10日左右采用铁茬种肥同播。试验期间浇水、防病、除草等田间管理措施均一致。

1.3 样品采集及测定方法

1.3.1 小麦光合特性的测定 于2019年小麦拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期（花后10 d）采用Li-6400便携式光合仪（美国LI-COR公司）于晴朗无云天气在上午9∶30—11∶30测定小麦旗叶（拔节期取顶部第一片完全展开的叶片）的净光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、胞间CO2浓度（intercellular CO2concentration，Ci）、气孔导度（stomatal conductance，Gs）和蒸腾速率（transpiration rate，Tr）。

1.3.2 叶绿素含量的测定 测定光合参数后将叶片取下置于液氮保存，带回实验室内除去叶脉，剪碎、混匀，称取0.2 g，用乙醇研磨法提取叶绿素，采用SPECORD 200紫外可见分光光度计(德国耶拿公司)测定吸光度值，参照Arnon法[14]测定叶绿素（chlorophyll，Chl）含量。

1.3.3 土壤指标测定 于2019年6月10日小麦收获后，采用5点法采集土壤样品，每个处理分别取0—10、10—20和20—30 cm土层的土壤，样品去除可见植物残体和石块，一部分直接过筛于4 ℃保存在冰箱中，用于微生物量氮、可溶性有机氮、硝态氮和铵态氮含量的测定；另一部分风干后过筛用于土壤常规化学成分的测定。土壤全氮含量采用半微量开氏法测定；土壤碱解氮含量采用碱解扩散法[15]测定；土壤铵态氮和硝态氮含量采用KCl2浸提-流动分析仪（Auto analyzer3）测定；微生物量氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提（土水质量比1∶4），并用总有机碳、氮分析仪（Teledyne Tekmar）进行测定[16]；可溶性有机氮采用去离子水浸提法（土水质量比1∶2），用真空泵抽滤过0.45 nm微孔滤膜，滤液用总有机碳、氮分析仪（Teledyne Tekmar）进行测定[17]。

1.3.4 作物产量的测定 在小麦成熟期按小区实收单打单收，测产面积为1 m2。小麦成熟时取“一米双行”进行考种，测定成穗数、穗粒数和千粒重。

1.3.5 氮肥偏生产力计算 氮肥偏生产力按以下公式计算。

1.4 统计及分析

采用Microsoft Office 2010、SPSS 23.0软件进行数据的统计和分析，采用Origin 2018作图，单因素方差分析采用LSD法检验处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 种植密度和施氮量对小麦叶片净光合速率（Pn）的影响

如图1所示，小麦主要生育时期的净光合速率（Pn）总体呈现灌浆期＞抽穗期＞开花期＞拔节期。在拔节期和抽穗期，CBJF处理的Pn均显著高于CBCF处理，分别比CBCF处理高出164%和7%。在开花期，不同处理间的Pn差异不显著。在灌浆期，ZBJF处理的Pn显著高于其他处理，为20.53 µmol·m-2·s-1，较CBCF处理提高17%。整体上看，ZBJF处理有利于提高小麦灌浆期叶片Pn；CBJF处理提高了小麦拔节期和抽穗期的Pn，即CBJF处理提高了生育前期叶片Pn，ZBJF处理增加了生育后期叶片Pn。

图1 不同处理不同生育时期净光合速率Fig. 1 Net photosynthetic rates at different growth stages under different treatments

2.2 种植密度和施氮量对小麦胞间CO2浓度（C）i的影响

如图2所示，各处理的胞间CO2浓度（Ci）由拔节期到抽穗期有所降低，而到开花期时又略有升高，到灌浆期达到最低。在拔节期和开花期，常规施氮处理的Ci略高于减施氮肥处理；在抽穗期，不同处理间的Ci差异不显著，其中CBCF处理在拔节期和开花期的Ci均显著高于CBJF处理；而灌浆期ZBJF处理的Ci显著高于其他处理，较CBCF处理提高22%。总体上看，ZBJF处理提高了灌浆期小麦叶片的Ci；CBJF处理降低了小麦拔节期、抽穗期和开花期叶片的Ci。

2.3 种植密度和施氮量对小麦气孔导度（Gs）的影响

如图3所示，各处理小麦叶片的气孔导度（Gs）均于抽穗期最高。在拔节期和抽穗期，常规施氮处理叶片的Gs显著高于减施氮肥处理，其中，CBCF处理的叶片Gs最高。在开花期，CBJF处理的叶片Gs显著低于其他处理，较CBCF处理降低35%。在灌浆期，ZBJF处理的叶片Gs显著高于其他处理，为0.33 µmol·m-2·s-1。整体上看，在拔节期和抽穗期常规施氮处理小麦叶片的Gs显著高于减施氮肥处理；而在灌浆期ZBJF处理小麦叶片的Gs显著高于其他处理。

图3 不同处理不同生育时期气孔导度Fig. 3 Stomatal conductance at different growth stages under different treatments

2.4 小麦种植密度和施氮量对小麦蒸腾速率（Tr）的影响

如图4所示，在拔节和抽穗期，常规施氮处理小麦叶片的蒸腾速率（Tr）均高于减施氮肥处理，特别是CBCF处理。在灌浆期，ZBJF处理叶片的Tr最高,为3.51 µmol·m-2·s-1，显著高于其他处理；CBJF处理最低，为2.13 µmol·m-2·s-1。整体上看，在小麦生长前期以常规施氮处理小麦叶片的Tr较高；而后期则以ZBJF处理小麦叶片的Tr最高。

图4 不同处理不同生育时期蒸腾速率Fig. 4 Transpiration rates at different growth stages under different treatments

2.5 小麦种植密度和施氮量对叶绿素（Chl）含量的影响

如图5所示，增播（ZBCF、ZBJF）处理小麦在拔节期的叶绿素（Chl）含量高于其他2个时期。在拔节期，CBJF处理叶片的Chl含量最低；在抽穗期，各处理间差异不显著；在灌浆期，ZBCF处理叶片Chl含量显著低于其他处理，较CBCF处理降低16%。整体上看，ZBJF处理能增加小麦拔节期和抽穗期叶片Chl含量；灌浆期减施氮肥处理与CBCF处理差异不显著，说明ZBJF处理能增加小麦开花期前叶片的叶绿素含量。

图5 不同处理不同生育时期叶绿素含量Fig. 5 Chlorophyll content at different growth stages under different treatments

2.6 种植密度和施氮量对小麦产量及其构成因素的影响

如表2所示，CBJF处理小麦的成穗数显著高于其他处理；ZBJF处理的穗粒数显著高于其他处理；且ZBJF处理的千粒重最大，但各处理间差异不显著。减施氮肥处理的产量显著高于常规施氮处理，较CBCF处理提高17%～19%；且减施氮肥处理的氮肥偏生产力也显著高于常规施氮处理。综合来看，ZBJF处理主要通过增加穗粒数和千粒重从而提高产量；CBJF处理主要通过增加成穗数达到增产。

表2 不同处理小麦产量及其构成因素Table 2 Wheat yield and its components under different treatments

2.7 小麦种植密度和施氮量对土壤氮素形态的影响

如表3所示，土壤中各形态氮素含量随着土层的加深逐渐降低。与CBCF处理比较，CBJF处理的土壤全氮含量降幅最大，较CBCF处理降低10.8%；ZBJF处理降低了10—20 cm土层的土壤全氮含量及10—30 cm土层土壤碱解氮含量，同时降低了0—30 cm土层土壤硝态氮、铵态氮、微生物量氮和可溶性有机氮含量。总体上看，减施氮量处理减少了10—30 cm土壤有效态氮含量。

表3 小麦收获后不同处理土壤不同形态氮素含量Table 3 Contents of different soil nitrogen forms after wheat harvest under different treatments

3 讨论

净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）和叶绿素（Chl）含量是反映植物光合作用特性的重要指标，而氮肥施用量与种植密度都是影响植株光合作用的重要因素。王之杰等[18]发现，在小麦孕穗期以后，种植密度过低或过高均不利于提高叶片Pn。研究表明，小麦旗叶Pn、Chl含量等光合指标随种植密度的增加变化幅度较小，低密度处理在生育后期的光合指标低于常规密度处理[19]。在常规施氮量基础上适当减氮能提高叶片Pn，延长光合作用时间，有利于籽粒灌浆和光合产物积累[20]。本研究结果表明，增密处理在拔节期的叶片Pn较低，与前人研究结果一致[21]；但也有研究表明，小麦旗叶的Pn不会随种植密度的增大而下降[22]。因此，种植密度对小麦叶片Pn的影响仍存在争论。本研究中ZBJF处理在灌浆期的叶片Pn显著高于其他处理，可能是因为增密减氮在一定程度上增加了植株对土壤养分的利用，使植株积累了更多的有机物。

气孔导度（Gs）是影响植物光合作用、呼吸作用及蒸腾作用的主要因素。研究表明，当光合速率下降时，如果Ci下降、Gs升高，说明光合速率的降低主要是由于Gs的下降所致；如果Ci升高、Gs下降，则表明此时叶肉细胞光合能力的下降是光合速率下降的主要原因[23]。蒸腾速率（Tr）增大有利于外界CO2进入叶片，从而使叶片光合速率保持较高水平[24]。CBJF处理在拔节期的叶片Pn显著高于其他处理，但Ci、Gs、Tr显著低于CBCF处理。这说明CBJF处理具有较高的Pn是由叶肉细胞的光合能力决定的，且这种能力随着生育进程逐渐降低，到灌浆期叶肉细胞光合能力降到最低，使CBJF处理的主要光合参数降低。ZBJF处理在灌浆期的叶片Pn显著高于其他处理，且Gs与Tr均显著高于其他处理，所以灌浆期Ci低于开花期，同时ZBJF处理Ci显著高于其他处理。本研究中ZBJF处理显著提高了灌浆期的Pn、Tr、Gs和Ci及拔节期的Chl含量，说明与CBCF处理相比，密度与氮肥之间具有相互效应，即施氮量减少时增加密度可对氮肥效应进行一定程度补偿[25]，并以此提高灌浆期的光合作用。

冬小麦产量与光合作用密切相关，尤其是花后的光合作用[26]。因此提升花后叶片器官的光合功能，可以为冬小麦高产奠定基础。小麦功能叶的光合能力对籽粒产量的形成具有重大影响，成熟时籽粒干物质的25%来自旗叶的光合作用[27]。研究表明，小麦成穗数随种植密度的增加而增加，但穗粒数和千粒重则随种植密度的增加而显著降低[28]；在常规施氮量的基础上适当减少氮肥施用量，营养器官中的光合产物会尽可能地向籽粒转移[29]。孟维伟等[30]研究表明，小麦季施氮较当地农民传统施氮减少10%处理可显著提高其氮肥偏生产力。本研究结果也表明，减施氮肥处理的氮肥偏生产力显著高于常规施氮肥处理，与前人研究结果一致，说明减施氮肥处理有利于增加氮肥偏生产力。本研究表明，ZBJF处理不仅增强了小麦生育后期的光合作用，还增加了穗粒数、千粒重和产量，可能是因为减施氮肥提升了花后叶片等器官的光合功能，进而增加了干物质的积累。冬小麦花后干物质积累是产量提升的关键[31]，故本研究中减施氮肥处理的小麦产量高于常规施肥处理。CBJF处理的成穗数显著高于其他处理，其原因可能是该处理小麦在拔节期的光合作用强烈，为小麦高产奠定了良好的基础，增加了成穗数。本研究未对小麦播量和减施氮肥比例做更深的划分，因此对两者间的相互作用需要进一步深入研究。

氮素是植物生长所需的大量元素之一，农田土壤中不同形态的氮素含量直接取决于氮肥施用量。研究表明，相对于常规施氮处理，减氮处理在小麦成熟期时的土壤全氮、碱解氮等指标均有所降低[32]；减氮处理大幅降低了耕层土壤的硝态氮含量[33]。本研究也表明，减氮处理的土壤硝态氮和铵态氮含量较常规施氮处理显著降低。其中ZBJF处理降低了10—20 cm土壤的全氮、碱解氮、硝态氮、铵态氮、微生物量氮和可溶性有机氮含量。这一方面可能是ZBJF处理相较于常规施肥减少了20%氮肥用量，减少了矿质态氮的输入；另一方面，此处理的小麦种植密度较常规处理增加了30%，小麦的群体密度较大，更大的作物群体从耕层土壤中带走了更多的氮素，导致土壤氮素含量降低[34]，同时意味着更少的氮肥盈余，提高了氮肥利用效率。

总的来说，在本试验条件下，减施氮量处理虽然减少了10—30 cm土壤的有效态氮含量，但相较于常规施氮处理小麦的生长和产量并未受到显著影响，且提高了氮肥偏生产力。其中ZBJF处理提高了小麦灌浆期的主要光合参数指标，且提高了小麦穗粒数、千粒重及产量；CBJF处理提高了小麦拔节期的叶片净光合速率，从而增加了成穗数和产量，为该地区小麦可持续生产提供了理论依据。