灌溉量和施氮量对氮肥吸收转运特性的影响

灌溉量和施氮量对氮肥吸收转运特性的影响

0水、氮互作分配特性的研究【研究意义】黄淮海平原是中国冬小麦的主要产区。该地区水资源不足，只能使用7.7%。小麦在旱季生长。为了确保高产和稳产，农田灌溉已成为该地区的主要栽培措施之一。中国又是世界氮肥生产、消费大国，氮肥农田利用率低，残留在土壤和进入大气中的氮素不仅降低了氮肥的增产效果，而且还对地下水及大气等环境造成潜在危害。要缓解过量灌溉和过量施用氮肥与资源短缺的矛盾，必须深入进行水、氮对小麦氮素吸收转运分配特性及其产量、品质、效益影响的研究。【前人研究进展】前人研究表明，增施氮肥，土壤耕层有效氮含量增加，有利于植株对氮素的吸收，在一定阈值范围内，植株氮素吸收总量与施氮量呈正相关。进一步研究表明，氮肥用量不变，减小氮肥基施比例，增加追施氮肥用量，有利于氮肥利用率的提高；氮肥用量过多，延缓衰老进程，不利于营养器官中的碳水化合物和氮素向籽粒转移，最终导致产量和蛋白质含量降低；延迟氮肥追施时期，不利于与优良加工品质相关的谷蛋白亚基的积累，最终导致加工品质变劣。也有研究表明，干旱胁迫和过量灌溉均不利于小麦植株对氮素的积累，适量灌溉是促进氮素吸收，提高氮肥利用率的基础；灌溉量增加，对籽粒蛋白质含量有稀释效应。【本研究切入点】总之，关于施氮量和灌溉量对小麦籽粒产量和蛋白质含量的影响，前人已分别做了相关研究，但水、氮互作对不同来源氮素的吸收、转运的影响，及其与籽粒产量、蛋白质含量和水分利用率的关系尚鲜见报道。【拟解决的关键问题】本试验在前人研究的基础上，在人工防雨条件下，设置不同施氮量与灌水量和灌水时期相结合的处理，利用15N同位素示踪技术，研究开花前后植株的氮素吸收特性和营养器官贮存的氮素向籽粒的转移规律，以期为优质强筋小麦生产的肥水合理运筹提供理论依据。1材料和方法1.1灌排、施肥和除草试验于2003～2005年在山东省泰安市山东农业大学实验农场防雨池中进行。试验点位于东经117°、北纬36°。试验材料为高产强筋小麦品种济麦20。栽培池深1.6m，不封底，设滑动式遮雨棚，小麦全生育期不接受自然降水。15N微区试验亦在防雨栽培池中进行。试验在磷、钾肥用量一致的条件下，设每公顷施纯氮120kg(N1）和240kg(N2）两个施氮量，每个施氮水平下又设3个灌溉处理，分别为：底墒水+拔节水（W2）；底墒水+拔节水+开花水（W3）；底墒水+冬水+拔节水+开花水+灌浆水（W5）。每次灌水量为60mm，用水表控制灌水量。小区（水泥池）面积为2.5m×2.5m=6.25m2，随机排列，重复3次。播种前0～20cm土层的土壤养分含量为：有机质10.0g·kg-1，全氮1.0g·kg-1，水解氮85.21mg·kg-1，速效磷52.34mg·kg-1，速效钾83mg·kg-1。磷肥用量为105kgP2O5·ha-1；钾肥用量为135kgK2O·ha-1。氮肥用尿素（N,46%），钾肥为硫酸钾（K2O,60%），磷肥用过磷酸钙（P2O5,17%）。50%的氮肥和全部的磷、钾肥作为基肥于耕前施入，拔节期（雌雄蕊原基分化期）追施剩余的50%氮肥。播种前0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140和140～160cm土层土壤水分含量分别为：14.33%、17.27%、16.03%、15.3%、20.83%、20.7%、21.42%和27.41%。基本苗为150株/m2,10月4日播种，四叶期定苗。田间管理同丰产田。每个栽培池中设2个15N微区，用长×宽×高为44.5cm×15cm×30cm的镀锌铁板做成铁框，置于地下，上部露出地面5cm，以防外界水分流入框内，微区内氮肥用量及用法同微区所在小区。一个微区（WQ1）用15N尿素作底肥，普通尿素作追肥；另一个微区（WQ2）用普通尿素作底肥，15N尿素作追肥。磷肥和钾肥的用量及施用方法同微区所在小区。15N形态为尿素，丰度为10.43%，由上海化工研究院生产。1.2分样样品的制备开花期于WQ1、WQ2微区中取样，并按叶片、茎+叶鞘、穗进行分样；成熟期于WQ1、WQ2微区中取样，并按叶片、茎+叶鞘、颖壳+穗轴、籽粒进行分样。每次取样包含微区中所有植株。所取样品于80℃烘至恒重。1.3测量项目植株全氮含量测定采用半微量凯氏定氮法。15N用ZHO-O2型质谱仪测定。烘干法测定土壤水分。1.4计算方法1.4.1肥料中16n生长性状的测定全氮吸收量（g·m-2）=植株含氮量（%）×干物重（g·m-2）。植株吸收的氮素来自底施氮或追施氮的比例（%）=[（器官中15N丰度-0.3663）×100]/（肥料中15N丰度-0.3663）。植株吸收的氮素来自肥料氮的比例（%）=来自底施氮的比例+来自追施氮的比例。植株吸收的氮素来自肥料氮（底施氮或追施氮）的量（g·m-2）=植株吸收的总氮量（g·m-2）×植株吸收的氮来源于肥料氮（底施氮或追施氮）的比例。籽粒蛋白质产量（kg·ha-1）=籽粒蛋白质含量（%）×籽粒产量（kg·ha-1）。氮肥生产效率（kg·kg-1）=籽粒产量（kg·ha-1）/施氮量（kg·ha-1）。1.4.2农田耗水量mm的计算土壤水贮量变化量（mm）=Σ（△θi×Zi)式中，△θi为土壤某一层次（i）在给定时段内容积含水量变化，Zi为土壤i层次厚度（mm），土壤层次i是从土壤第i层到第m层。农田耗水量（mm）=降水量（mm）+灌溉量（mm）+土壤水贮量变化量（mm）（本试验条件下降水量为0）。水分利用率（kg·mm-1）=籽粒产量（kg·ha-1）/农田耗水量（mm·ha-1）。2结果与分析2.1不同灌溉方式对小麦植株氮素积累的影响由表1可以看出，开花期植株氮素吸收量平均为24.02g·m-2，成熟期植株氮素吸收量平均为30.47g·m-2，开花前吸收氮素占氮素吸收总量的74.08%～83.33%；成熟期积累的氮素73.18%～76.38%来自土壤氮，23.62%～26.82%来自肥料氮，其中平均10.41%来自底施氮，14.81%来自追施氮。以上结果表明，小麦一生对氮素的吸收集中在开花前，且对土壤氮的吸收量大于肥料氮，对肥料氮中追施氮的吸收量大于底施氮。说明培肥地力是获得高产的生理基础；减少底施氮比例，增加追施氮的用量，有利于提高氮肥利用率。不同灌水处理W2（底墒水+拔节水）、W3（底墒水+拔节水+开花水）、W5（底墒水+冬水+拔节水+开花水+灌浆水）间比较，开花期植株氮素积累量表现为：W2、W3<W5，差异显著，W2、W3之间无显著差异，表明W5处理促进了小麦植株对氮素的吸收。其中各灌水处理间肥料氮占总氮量的比例为：W2、W3>W5，土壤氮占总氮量的比例为：W2、W3<W5，差异均达显著水平，W2、W3差异不显著。表明W5处理小麦植株对氮素吸收总量的增加主要是通过提高了土壤氮的吸收量和吸收比例实现的。成熟期各灌水处理植株氮素积累量比较：W2<W3<W5，肥料氮占的比例为：W2>W3>W5，土壤氮占的比例为：W2<W3<W5，差异均达显著水平。表明，与W2相比较，W3和W5均促进小麦植株对氮素的吸收。增加灌水量，肥料氮的吸收比例降低，土壤氮的吸收比例升高。以上结果显示，在灌“底墒水+拔节水”的基础上增加灌水次数和灌水量，不利于植株对肥料氮的吸收，因此生产中应适量灌溉，以提高氮肥利用率。同一灌溉水平下不同施氮量处理间比较，随施氮量的增加，单位土地面积小麦植株体内积累的来自底施氮、追施氮、土壤氮的量均增加，差异显著。表明增施氮肥促进小麦植株对氮素的吸收。2.2对各器官养分分配及分配的影响由表2可以看出，开花期肥料氮和土壤氮在各器官的分配量和分配比例均表现为：叶片>茎+叶鞘>颖壳+穗轴，表明开花期氮素主要集中在叶片、茎+叶鞘等营养器官中。从氮素的来源看，各器官均表现为，土壤氮的分配量和分配比例显著大于肥料氮。肥料氮中追施氮肥的分配量与分配比例显著大于底施氮肥。表明在本试验条件下，土壤氮对各器官氮素积累的贡献大于肥料氮；拔节期追施氮肥对各器官氮素积累的贡献大于底施氮肥。各灌水处理间比较，不同来源氮素在各器官中分配比例表现为，底施氮和追施氮均为W2、W3>W5，土壤氮为：W2、W3<W5，差异显著，W2、W3之间无显著差异。表明开花期W5处理小麦植株各器官的肥料氮的分配比例最低，土壤氮的分配比例最高。同一灌溉水平下不同施氮量处理间比较，随施氮量的增加，肥料氮在各器官中的分配量均表现为：N1<N2，差异显著，表明增施氮肥促进各器官中氮素的积累。2.3不同施氮量对营养器官分配比例的影响由表3可以看出，成熟期肥料氮和土壤氮在各器官的分配量和分配比例均表现为：籽粒>茎+叶鞘>叶片>颖壳+穗轴，且土壤氮的积累量显著大于肥料氮，肥料氮中追施氮的积累量显著大于底施氮。各灌水处理间比较，不同来源氮素在各器官的分配量表现为：W2<W3<W5，表明与W2相比较，W3和W5处理增加了成熟期营养器官中氮素的残留量，不利于营养器官中的氮素向籽粒的转移，且W5处理成熟期营养器官中氮素的残留量最大。各处理间籽粒氮素分配比例为：W2>W3>W5，表明增加灌水量不利于籽粒氮素积累，这是灌水量增加的W5处理籽粒蛋白质含量降低的生理基础。同一灌溉水平下不同施氮量处理间比较，随施氮量的增加，肥料氮和土壤氮，及肥料氮中底施氮、追施氮在叶片、茎+叶鞘、颖壳+穗轴中的分配量和分配比例均显著增加，表明增施氮肥，成熟期叶片、茎+叶鞘、颖壳+穗轴各器官中氮素的残留量增加。由表3亦看出，增施氮肥，不同来源氮素在籽粒中的分配比例均下降，营养器官中氮素的残留量增加，籽粒中氮素的分配比例减小。说明过量施用氮肥不利于籽粒氮素积累，因此在保证高产的条件下，应保持适宜氮肥施用量，以提高籽粒氮素积累强度。2.4灌溉对土壤氮素的吸收由表4可以看出，各个器官氮素向籽粒的转移量均为叶片>茎+叶鞘>颖壳+穗轴，表明各营养器官中积累的氮素对籽粒蛋白质积累的贡献以叶片最大，其次是茎+叶鞘。表4亦示出，各处理吸收的土壤氮的转移量显著大于肥料氮，肥料氮中追施氮肥转移量大于底施氮。结合表2、表3可以得出，氮素的转移量与吸收量有关，吸收多者，转移量亦大，这是土壤氮对籽粒蛋白质积累贡献大的生理基础。不同灌水处理间比较，叶片、茎+叶鞘、颖壳+穗轴等器官中不同来源氮素向籽粒的转移比例表现为：W2>W3>W5，差异显著，表明与W2相比，W3和W5处理抑制了营养器官中的氮素向籽粒转移，不利于获得较高的蛋白质含量，其中W5营养器官中积累的氮素向籽粒转移率最低，表明增加灌水量，对营养器官中积累的氮素向籽粒的转移有抑制效应。同一灌溉水平下随施氮量的增加，叶片、茎+叶鞘、颖壳+穗轴中积累的肥料氮和土壤氮向籽粒的转移比例均降低，表明增加氮肥用量，不利于营养器官中贮存的氮素向籽粒的转移。这是施氮量由120kg·ha-1增加到240kg·ha-1，籽粒蛋白质含量降低的生理原因。2.5各处理间质量及施氮量的比较由表5可以看出，不同灌水处理间籽粒蛋白质含量比较，W2>W3>W5，差异显著，表明在全生育期灌底墒水+拔节水（W2）的条件下，增加开花水（W3）或增加冬水、开花水、灌浆水（W5）均不利于籽粒蛋白质含量的提高，这与不同处理开花期和成熟期各器官的氮素分配状况相吻合。由表5亦可以看出，各处理间的籽粒产量、蛋白质产量、氮肥生产效率比较：W2<W3<W5；水分利用率比较：W2>W3>W5，差异均达显著水平。表明在本试验条件下，增加灌水量有利于提高籽粒产量、蛋白质产量和氮肥生产效率，但降低了水分利用率。由表5还看出，施氮量为120kg·ha-1的处理，籽粒蛋白质含量较高，籽粒产量、氮肥生产效率、水分利用率亦较高；施纯氮240kg·ha-1的处理，其籽粒蛋白质含量、籽粒产量、氮肥生产效率、水分利用率与施氮量为120kg·ha-1的处理相比，均有所降低。表明在本试验条件下，120kg·ha-1为适宜施氮量，有利于获得较高的经济效益。施氮量为120kg·ha-1的处理，全生育期灌溉底墒水、拔节水和开花水的W3N1处理，小麦植株吸收的氮素向籽粒分配量、氮素向籽粒转移率、籽粒蛋白质含量、水分利用率均较高，籽粒产量亦较高，是本试验的最优处理。2.6植株水氮互作效应表6示出，灌溉量对植株吸氮量、籽粒产量的影响均达极显著水平，对籽粒蛋白质含量的影响也达显著水平；施氮量对植株吸氮量、籽粒产量和籽粒蛋白质含量的影响亦有显著影响；互作效应分析表明，植株吸氮量、籽粒产量、籽粒蛋白质含量的水氮互作效应均达显著水平。以上结果表明，在本试验条件下，灌溉量与施氮量在对植株吸氮量、籽粒产量、籽粒蛋白质含量的影响中存在互作效应，且灌溉量效应显著大于施氮量效应，是影响以上诸项指标的主导因子。3施氮量对小麦幼苗土地全生育期氮素积累的影响有研究表明，大量的土壤矿物氮存在于耕作层；小麦一生吸收的氮素1/3来自肥料氮，2/3来自土壤氮。本试验利用15N同位素示踪法研究得出，开花期植株氮素积累量平均为24.02g·m-2，成熟期为30.47g·m-2，其中74.30%～75.39%来自土壤氮，24.61%～25.70%来自肥料氮，与前人研究结果一致，表明小麦一生吸收的土壤氮多，肥料氮少，培肥地力是获得高产优质的基础。还有研究表明，增施氮肥可以提高籽粒产量，拔节期以后追施氮肥对产量影响最大。本试验研究得出，小麦植株吸收底施氮和追施氮的比例不同，其一生吸收的总氮中10.04%～10.78%来自底肥氮，14.57%～14.92%来自追施氮，表明在本试验条件下，小麦对追施氮肥的利用率高于底施氮肥。因此，在小麦的高产栽培过程中，应适当减少底施氮比例，增加追施氮比例，以确保在高产稳产的前提下获得较高的氮肥利用率。氮素是除基因型外，影响籽粒蛋白质含量的另一重要因素。前人研究表明，在施氮量较低条件下，随施氮量增加籽粒蛋白质含量增加，但当施氮量超出一定阈值，再增施氮肥，籽粒蛋白质含量不再增加甚至降低。本试验结果表明，施氮量由120kg·ha-1增至240kg·ha-1，籽粒蛋白质含量降低，与前人研究结果基本一致。表明在本试验条件下，施氮120kg·ha-1即可获得较高籽粒蛋白质含量。有研究表明，形成籽粒蛋白质的氮素有两部分来源，其中1/3来源于开花后植株吸收同化的氮素，2/3来源于开花前营养器官中积累并在开花后向籽粒转移的氮素。但也有研究表明，开花后吸收同化的氮素和开花前营养器官中积累并在开花后向籽粒转移的氮素，在籽粒中所占的比例因基因型而异，高蛋白品种徐麦26籽粒蛋白质合成所需氮素主要来源于花后氮素同化，低蛋白品种淮麦18则更多地依赖于开花前贮存氮素的再动员与分配。亦有研究提出，品种间蛋白质含量的差别最终来源于开花后吸氮量的差别，高蛋白品种在开花后的吸氮量显著高于低蛋白品种。本试验结果则表明，籽粒蛋白质含量除受开花前和开花后氮素吸收量的影响外，还与开花前营养器官中积累的氮素在开花后向籽粒的转移量和转移比例的有关。本试验是在土壤肥力较高的条件下进行的，试验田0～20cm土层土壤全氮含量为1.0g·kg-1，碱解氮为82.0mg·kg-1，当施氮量为120kg·ha-1时，开花前营养器官中积累的氮素总量低于施氮量240kg·ha-1的处理。但开花后营养器官中积累的氮素向籽粒转移率较高，叶片、茎和叶鞘等器官中氮素的残留率低，最终籽粒蛋白质含量高于高氮处理；施氮量240kg·ha-1的处理，开花期和成熟期氮素吸收量较高，开花前营养器官中积累的氮素在开花后向籽粒的转移率低，最终亦不能获得较高籽粒蛋白质含量。灌溉亦是影响小麦植株氮素的吸收转运及分配和籽粒蛋白质含量的重要因素。前人研究表明，干旱胁迫不利于小麦植株对氮素的吸收，随灌溉量和灌溉次数的增加，小麦开花前后植株对氮素的吸收量显著增加。本试验结果表明，全生育期灌溉2次，小麦植株全生育期氮素的吸收量最低，全生育期灌溉5次，氮素吸收最高，与前人研究结果一致，表明提高土壤含水量可促进开花前后小麦植株对氮素的吸收。但亦有研究表明，增加灌溉量对籽粒蛋白质积累有稀释效应。Xu等也有研究表明，干旱胁迫和过量灌溉均导致籽粒蛋白质含量降低，适宜灌溉量是获得较高籽粒蛋白质含量的基础。本试验结果表明，增加灌溉量对籽粒蛋白质含量的稀释效应主要来源于灌溉量增加所导致的籽粒产量的提高和营养器官中积累的氮素向籽粒转移量和转移率的降低。即小麦一生灌底墒水和拔节水条件下，开花前营养器官中的氮素积累量较大，开花后向籽粒的转移率高，籽粒产量适中，最终获得较高籽粒蛋白质含量。在此基础上增加灌水量，营养器官中氮素的积累量增加，但开花后营养器官