水氮互作西北农学报 10页

水氮互作对春小麦植株养分含量及产量的影响收稿日期:　　修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目(30800668)资助。作者简介:董博(1981-),男,硕士/助理研究员,主要从事植物生理生态方面的研究。E-mail:dongbobby@163.com*通讯作者:张绪成(1973-),男,甘肃民勤人,博士/副研究员,主要从事植物生理生态研究。E-mail:gszhangxuch@163.com董博1,2,于显枫1,张绪成1,2*,郭天文1,张东伟1(1甘肃省农业科学院旱地农业研究所,甘肃兰州　730070；2农业部西北作物抗旱栽培与耕作重点实验室,甘肃兰州　730070)摘要：以春小麦宁春4号为试验材料，采用随机区组设计的方法，研究水氮互作对春小麦植株养分含量及产量的影响。结果表明：在丰水和干旱条件下，小麦叶片的全N含量表现为正常供水高氮处理＞正常供水中氮处理＞正常供水不施氮；但在严重干旱条件下，中氮处理最高；在拔节期和灌浆期，高氮处理的却最低；表明，施氮能提高小麦对氮素的吸收积累，改善其分配状况。与不施氮肥相比，施氮能提高植株磷素积累量；中度干旱条件下，扬花期的对照处理和中氮处理的小麦植株含磷量显著高于高氮处理，而严重干旱下灌浆期中氮处理的小麦植株含磷量最高，但其它生育期均以高氮处理为最高；中氮条件下，拔节期和抽穗期中度干旱的小麦植株全磷含量为最低，而扬花期中度干旱的为最高，灌浆期随着水分胁迫的加剧而减小；高氮条件下，扬花期的小麦植株全磷含量为严重干旱的最高，灌浆期却中度干旱的为最高。在氮素一定的条件下，随着干旱胁迫的严重，小麦植株全K含量减小；三个水分条件下，小麦叶片含钾量无明显差异。千粒重、穗粒数和穗粒重均以高氮处理最大；3种氮素营养水平下，小麦千粒重和每盆穗粒重均表现为中度干旱的为最高。关键词：水氮互作，植株养分，产量，春小麦EffectofwaterandnitrogeninteractingonplantnutrientsandyieldofSpringWheatDongBo1,2,YuXian-Feng1,ZhangXu-Cheng1,2*,GuoTian-Wen1,ZhangDong-Wei1(1.DrylandofAgricultureInstitute,GansuAcademyofAgriculturalSciences,Lanzhou,Gansu730070;2.KeyLaboratoryofNorthwestDroughtCropCultivationandFarming,keyLaboratorywithinMinistryofAgriculturePeople’sRepublicofChina,Lanzhou,Gansu730070)Abstract:TheexperimentwasconductedRandomblockdesignmethodwasadopted.Themainconclusionsofthestudyaresummarizedasfollows:Underwellwateranddryconditions,fromjointingstagetoheadingstage,thecontentoftotalnitrogenwere\nHNW＞MNW＞CK1.Underseriousdryconditions,thetotaltendencywasgraduallydecreasefromjointingtoripeningstage.AndtheMNDtreatmentwashighest,however,thetreatmentHNDwaslowest;increasingNfertilizercanimprovetheaccumulationofN.Comparedwithnonitrogen,increasednitrogenapplicationcanimproveaccumulationquantityofP.Moderatedroughtconditions,theCKoffloweringandmiddlenitrogenofwheatweresignificantlyhigherphosphorusthanhighnitrogentreatment;andthePwasthehighestintheconditionsofseriousdryinripeningstage;butotherstageswerehighestinhighnitrogentreatment;jointingstageandheadingstageinmiddledry,thePofwheatislowest;butfloweringishighestinmiddledry.Withtheseveredroughtstress,KdecreasedinthesameN;but,theKwasnosignificantinthreemoistureconditions.Undertheconditionofthreenitrogenlevel,themorewater,thelowerheight、dryweightandspikenumberofwheat.Both1000-grainweightandSpikegrainweightperpotofwheatwerehighestundermiddledroughttreatment.Keywords：Waterandnitrogeninteracting;Plantnutrition;Yield;SpringWheat发展节水农业是应对水资源危机和干旱对农业生产制约的主要途径，而生物节水则是这一工作的重中之重。作物水分利用效率(Wateruseeffect，WUE)受多种因素的影响，如光照、水分、养分、遗传因素等，除培育节水新品种和改良耕作栽培措施外，通过水肥互作的生理途径来调控作物的WUE也是改善作物水分利用状况的主要方法。水分与养分既是影响旱地农业生产的主要胁迫因子，也是一对联因互补、互相作用的因子。它们既有自己特殊的作用，又互相牵制、互相作用，影响着彼此的效果和作物产量。这两种因子的相互作用既可能产生正效应，也可能产生负效应。只有进行合理的水分和养分投入，协调供应，才能产生明显的协同和互补效果，表现出大于两种因子效果叠加的增产作用，这就是它们之间的正交互作用或耦合效应[1]。近年来，有关氮素和水分胁迫对小麦叶片光合及荧光特性、水分利用效率等方面研究报道较多[2-6]，部分学者对小麦抗旱生理进行了一些研究[7-9]；然而，对于水氮互作对小麦不同生育期植株养分含量的研究未见报道。在前人研究的基础上，进一步探讨水、氮互作对小麦不同生育期植株营养含量的影响，\n揭示营养物质在植物体内的转移规律及在植株中的累积情况，丰富小麦水肥利用的耦合作用机制，为小麦高产、优质、高效栽培提供理论依据。1材料与方法1.1试验设计于2007年，在甘肃省农业科学研究院旱地农业研究所的抗旱棚中进行，采用随机区组设计的方法，两因素三水平，三个氮素水平分别为：无氮(CK)，；中氮(MN)，；高氮(HN)；三个水分水平分别为：严重干旱；中度干旱；正常供水。氮素处理，3个水平分别为：无氮(CK)，不施纯氮；中氮(MN)，施纯氮0.06g/kg；高氮(HN)，盆施纯氮0.23g/kg。水分处理，3个水平分别为：严重干旱，维持田间持水量的40%；中度干旱，维持田间持水量的60%；正常供水，维持田间持水量的80%。试验共设9个处理，每处理设10个重复（见表1）。表1试验处理设置表Table1Thetreatmentsofexperiment处理treatment正常供水NormalWater中度干旱MiddleDry严重干旱SeriousDry对照ControlsCK1CK2CK3中氮MiddlenitrogenMNWMNMMND高氮HighnitrogenHNWHNMHND1.2供试材料与试验方法1.2.1供试材料供试材料为生产上大面积种植的春小麦宁春4号。株高85cm，穗长10cm，穗粒数28-32粒生育期105d。供试土壤为兰州灌淤土，有机质含量4.41%，全氮0.92g/kg，全磷0.74g/kg，全钾11.19g/kg，pH8.2，田间持水量23%。1.2.2试验方法土壤先过筛（30目），后称取6.5kg风干土装入高38cm、内径（上）25cm-（下）20cm于播种前一次。播种前施入P2O50.06g/kg。播种前选取发育一致的种子于3月27日播种于盆中，出苗后置遮雨棚内，每盆定苗16株，土壤含水量维持在田间持水量的75%，四叶期采用称重法控制水分，直到小麦收获，7月5日收获。1.3测定指标与测定方法\n植株氮素含量的测定采用半微量开氏定氮法；植株全磷含量的测定采用钒钼黄比色法；植株全钾含量的测定采用火焰光度法[10]。1.4数据处理采用SPSS13.0统计分析软件对数据进行统计分析。2结果分析2.1水氮互作对不同生育期春小麦植株全氮含量的影响正常供水条件下，从拔节期—抽穗期，小麦叶片的全N含量均表现为HNW＞MNW＞CK1（图1）；扬花期，MNW处理显著高于CK1和HNW；但灌浆期，却表现为CK1全N含量最高，达到差异显著水平，CK1分别高于MNW和HNW为13.02%和27.61%。中度干旱条件下，从拔节期—抽穗期，均表现为HNM＞MNM＞CK2；从扬花期—灌浆期，均表现为MNM最高，且达到差异显著水平。但在严重干旱条件下，从拔节期—灌浆期全N含量均表现为逐渐降低。从拔节期-灌浆期均表现为MND处理的最高。正常供水NormalWater中度干旱MiddleDraught严重干旱SeriousDraught低氮LowNitrogen中氮MiddleNitrogen高氮HighNitrogen图1水氮互作对不同生育期春小麦全N含量的影响Fig.1EffectsofnitrogenandwaterinteractiononplanttotalNcontentofspringwheatindifferentgrowthstagesJo：拔节期，He：抽穗期，Fi：扬花期，Ri：灌浆期（下图同）Jo:：Jointing,He：Heading,Fl：Flowering,Ri：Ripening(thesameasbelow)*不同小写字母分别表示差异达到显著水平(P<0.05)（下图同）*Differentsmalllettersindicatedsignificantdifferenceat0.05levelrespectively(thesameasbelow)\n不施氮肥条件下，从拔节期-扬花期，随着水分胁迫的加剧，小麦植株全N含量逐渐增加，但到灌浆期，中度干旱处理的最低。在高氮条件下，拔节期和抽穗期，随着水分胁迫的加剧，小麦植株全N含量表现为中度干旱为最高，分别高于正常供水和严重干旱为10.85%、12.59%和21.67%、4.92%；扬花期和灌浆期，随着水分胁迫的加剧，小麦植株全N含量逐渐增加。表明，在干旱条件下增施氮肥可以提高小麦植株的全N含量，但氮肥过高，小麦植株的全N含量反而下降；在氮素一定的条件下，随着水分胁迫的加剧，小麦植株全N含量增加。2.2水氮互作对不同生育期春小麦植株全磷含量的影响在正常供水条件下，小麦植株全磷含量拔节期表现为CK1＞MNW＞HNW，抽穗期表现为HNW＞MNW＞CK1，扬花期表现为MNW最高，分别高于CK1和HNW为32.97%和35.07%（图2）；灌浆期处理间无明显差异。在中度干旱条件下，从拔节期—抽穗期，小麦植株全磷含量均表现为HNM＞MNM＞CK2。但扬花期，CK2和MNM显著高于HNM，但二者之间无明显差异；在灌浆期，小麦植株全磷含量表现为HNM＞MNM＞CK2。在严重干旱条件下，从拔节期—抽穗期，小麦植株全磷含量表现为MND＞HND＞CK3；扬花期小麦植株全磷含量表现为HND＞MND＞CK3，但在灌浆期则表现为MND最高，分别高于CK3和HND为16.83%和16.14%。正常供水NormalWater中度干旱MiddleDraught严重干旱SeriousDraught低氮LowNitrogen中氮MiddleNitrogen高氮HighNitrogen图2水氮互作对不同生育期春小麦全P含量的影响Fig.2EffectsofnitrogenandwaterinteractiononplanttotalPcontentofspringwheatindifferentgrowthstages在不施氮肥条件下，拔节期、抽穗期、灌浆期均是正常供水的小麦植株全磷含量最高，分别高于中度干旱和严重干旱为37.70%、29.82%和19.69%、24.91%和15.19%、23.15%，扬花期中度干旱处理含量\n最高。在中氮条件下，拔节期和抽穗期中度干旱的小麦植株全磷含量为最低，而扬花期中度干旱的为最高，分别高于正常供水和严重干旱为34.87%和3.20%；灌浆期随着水分胁迫的加剧而减小。在高氮条件下，扬花期的小麦植株全磷含量为严重干旱的最高，分别高于正常供水和中度干旱的为60.33%和60.95%；灌浆期却中度干旱的为最高，分别高于正常供水和严重干旱的为16.47%和34.49%。2.3水氮互作对不同生育期春小麦植株全钾含量的影响在正常供水条件下，拔节期和扬花期，小麦植株全钾含量表现为MNW最低，HNW最高（图3）。但在抽穗期则表现为CK1最高，分别高于MNW和HNW为11.13%和9.47%。在灌浆期，小麦植株全钾含量表现为MNW最高，分别高于CK1和HNW为7.65%和5.28%。在中度干旱条件下，拔节期和灌浆期，三个处理的值基本一致。在抽穗期，HNM处理的为最高，分别高于CK2和MNM为6.04%和8.15%。在扬花期，小麦植株全钾含量HNM和MNM处理的基本一致。在严重干旱条件下，拔节期，表现为MND处理的小麦全钾含量为最高，分别高于CK3和HND为9.59%；在抽穗期，HND和MND处理的基本一致；扬花期小麦植株全钾含量则表现为HND＞MND＞CK3；但在灌浆期，小麦植株全钾含量表现为CK3＞MND＞HND。正常供水NormalWater中度干旱MiddleDraught严重干旱SeriousDraught低氮LowNitrogen中氮MiddleNitrogen高氮HighNitrogen图3水氮互作对不同生育期春小麦全K含量的影响Fig.3EffectsofnitrogenandwaterinteractiononplanttotalKcontentofspringwheatindifferentgrowthstages\n在不施氮肥条件下，随着水分胁迫的加剧，从拔节期-扬花期，小麦植株全钾含量逐渐降低，而灌浆期却逐渐升高。在中氮条件下，抽穗期和灌浆期，中度干旱的小麦植株全钾含量为最低。在高氮条件下，随着水分胁迫的加剧，扬花期小麦植株全钾含量表现为逐渐增大，其它时期逐渐减小。随着水分胁迫的加剧，小麦植株全钾含量从拔节期-扬花期逐渐升高，灌浆期显著下降。2.4水氮互作对春小麦产量的影响在三个水分条件下，施氮处理小麦千粒重均优于对照处理，且随着施氮量的增加，千粒重增大（图4）。高氮和中氮处理的差异不显著。正常供水NormalWater中度干旱MiddleDraught严重干旱SeriousDraught低氮LowNitrogen中氮MiddleNitrogen高氮HighNitrogen图4水氮互作对春小麦千粒重的影响Fig.4Effectsofnitrogenandwaterinteractionon1000-grainweightofspringwheatSpikegrainweightperbasinSpikegrainweightperbasinSpikegrainweightperbasinSpikegrainweightperbasinSpikegrainweightperbasinSpikegrainweightperbasin正常供水NormalWater中度干旱MiddleDraught严重干旱SeriousDraught低氮LowNitrogen中氮MiddleNitrogen高氮HighNitrogen\n图5水氮互作对春小麦穗粒重的影响Fig.5Effectsofnitrogenandwaterinteractiononkilo-grainweightofspringwheat在三个氮素条件下，均表现为中度干旱的小麦千粒重最高，高氮处理显著高于他处理。在正常供水条件下，高氮处理的小麦产量最高，较其他两个处理达到显著差异（图5）。中度干旱条件和严重干旱条件下，表现趋势同正常供水条件。在不施氮肥条件下，小麦每盆穗粒重表现为CK2＞CK1＞CK3，中氮和高氮的均是中度干旱每盆穗粒重的最高。3结论与讨论3.1水氮互作对春小麦植株营养元素含量的影响前人关于施氮量影响小麦植株氮素吸收、利用和分配的研究多认为，随施氮量增加，植株氮素含量和积累量增加，籽粒氮素含量提高[11~13]。本试验中，在正常供水条件下，小麦植株全氮含量从拔节期-扬花期随着施氮量的增加而增大，但灌浆期减小。在中度干旱条件下，小麦植株全氮含量随着施氮量的增加小麦含氮量增加。在严重干旱条件下，中氮处理表现为植株含氮量最高。在中氮条件下，随着水分胁迫的加剧，小麦植株全N含量增加；但高氮条件下，植株全N含量随胁迫的加剧先升高后降低，而扬花期全N含量一直升高。表明在本试验中，施氮量增加能提高小麦对氮素的吸收积累，改善其分配状况。与不施氮肥相比，施氮能提高植株磷素积累量；但正常供水条件下，施氮处理间植株磷素积累量无显著差异；中度干旱条件下，扬花期的对照处理和中氮处理的小麦植株含磷量显著高于高氮处理，但其它生育期均以高氮处理为最高；严重干旱条件下，灌浆期中氮处理的小麦植株含磷量最高。不施氮肥条件下，拔节期、抽穗期、灌浆期均是正常供水的小麦植株全磷含量最高，扬花期中度干旱的为最高；中氮条件下，拔节期和抽穗期中度干旱的小麦植株全磷含量为最低，而扬花期中度干旱的为最高，灌浆期随着水分胁迫的加剧而减小；高氮条件下，扬花期的小麦植株全磷含量为严重干旱的最高，灌浆期却中度干旱的为最高。拔节期的小麦植株含钾量在正常供水条件下表现为高氮处理的最高，灌浆期表现为中氮处理的最高，其它时期均表现为随着施氮量的增加而减小。在中度干旱条件下，抽穗期高氮处理的小麦植株含钾量最高，其它时期无明显差别。在严重干旱条件下，拔节期中氮处理的小麦植株含钾量表现为最高，抽穗期和扬花期小麦植株的含钾量表现为随着施氮量的增加而增加，灌浆期小麦植株的含钾量\n表现为随着施氮量的增加而减小。在氮素一定的条件下，随着干旱胁迫的严重，小麦植株全K含量减小。3.2水氮互作对春小麦产量的影响水肥条件是调控小麦产量的重要措施，多年来一直是研究的重点，前人研究认为，肥料用量对小麦产量的调节效应最大，多数研究认为，随着施氮用量的增加，籽粒产量增加，蛋白质含量上升，但施氮过高，蛋白质含量和籽粒产量均下降。曹宏鑫等研究认为，水肥密切配合时，能使小麦产量大幅度提高[14]。本试验研究表明，在正常供水条件下，从拔节期-灌浆期，均表现为高氮处理的最高；但扬花期中氮处理的小麦地上部分干重达最高值，收获期中氮处理的小麦穗长最大。在中度干旱和严重干旱条件下，灌浆期和收获期中氮处理的最高。在三个水分条件下，千粒重、穗粒数和平均每盆穗粒重均是高氮处理的最大。在三个氮素条件下，随着水分胁迫的加剧穗长、千粒重、平均穗粒重逐渐减小。由此可以说明穗长、千粒重、穗粒重与土壤水分含量和施氮量关系密切，从而显著影响产量。土壤水分含量与施氮量过高过低均造成减产。参考文献[1]李生秀.我国土壤植物营养研究的进展现状及展望[M].李生秀主编.土壤植物营养研究文集.西安：陕西科学技术出版社.1999，1~36[2]张雷明，上官周平，毛明策，等.长期施氮对旱地小麦灌浆期叶绿素荧光参数的影响[J].应用生态学报，2003，14（5）：695-698[3]张绪成，上官周平.施氮对旱地不同抗旱性小麦叶片光合色素含量与荧光特性的影响[J].核农学报，2007，21（3）：299-304[4]JamesR.FrederickandJamesJ.Camberato.WaterandnitrogeneffectsonwinterwheatinthesoutheasterncoastalplainIgrainyieldandkerneltraits[M].Agron.J.1995，87：521~526[5]GarabetS，WoodM，RyanJ.NitrogenandwatereffectsonwheatyieldinaMediterraneantypeclimate.I.Growth，water-useandnitrogenaccumulation[J].FieldCropsResearch.1998，57：309~318[6]Viets，F.G.Waterdeficitsandnutrientavailability.In：koz1owski.TT，(ed)[J].Waterdeficitsandplantgrowth.1972，(3)：217~247[7]ArnonI.PhysiologicalprinciplesofdrylandcropproductionIn：GuptaU.S.\n(Ed).Physiologicalaspectsofdrylandfarming[M].New.DehilOxfordIBHpublishingCo.1975：3~145[1]薛青武，陈培元.灌浆期土壤干旱条件下氮素营养对小麦旗叶光合作用的影响[J].干旱地区农业研究，1989，3：86-93[2]康玲玲，魏义长，张景略.水肥条件对冬小麦生理特性及产量影响的试验研究[J].干旱地区农业研究，1998，16（4）：21-28[3]鲍士旦主编.土壤农化分析[M].中国农业出版社，1999[4]WALLEYF,YATEST,GROENIGENJW,et,al.Relationshipsbetweensoilnitrogenavailabilityindices,yield,andnitrogenaccumulationofwheat[J].SoilScienceSocietyofAmericaJournal,2002,66(5):1549-1561.[5]CASSMANKG,BRYANTDC,FULTONAE,JACKSONLF.Nitrogensupplyeffectsonpartitioningofdrymatterandnitrogentograinofirrigatedwheat[J].CropScience,1992,32(5):1251-1258.[6] 王月福，于振文，李尚霞等.不同施肥水平对不同品种小麦籽粒蛋白质和地上器官游离氨基酸含量的影响[J].西北植物学报,2003,23(3):417-421.[7]曹宏鑫，王世敬，戴晓华.土壤基础肥力和肥水运筹对春小麦产量和品质及植株氮素状况的影响[J].麦类作物学报.2003，23（2）：52-56.