灌溉量和施氮量對氮肥吸收轉運特性的影響

灌溉量和施氮量對氮肥吸收轉運特性的影響

0水、氮互作分配特性的研究【研究意義】黃淮海平原是中國冬小麥的主要產區(qū)。該地區(qū)水資源不足，只能使用7.7%。小麥在旱季生長。為了確保高產和穩(wěn)產，農田灌溉已成為該地區(qū)的主要栽培措施之一。中國又是世界氮肥生產、消費大國，氮肥農田利用率低，殘留在土壤和進入大氣中的氮素不僅降低了氮肥的增產效果，而且還對地下水及大氣等環(huán)境造成潛在危害。要緩解過量灌溉和過量施用氮肥與資源短缺的矛盾，必須深入進行水、氮對小麥氮素吸收轉運分配特性及其產量、品質、效益影響的研究?！厩叭搜芯窟M展】前人研究表明，增施氮肥，土壤耕層有效氮含量增加，有利于植株對氮素的吸收，在一定閾值范圍內，植株氮素吸收總量與施氮量呈正相關。進一步研究表明，氮肥用量不變，減小氮肥基施比例，增加追施氮肥用量，有利于氮肥利用率的提高；氮肥用量過多，延緩衰老進程，不利于營養(yǎng)器官中的碳水化合物和氮素向籽粒轉移，最終導致產量和蛋白質含量降低；延遲氮肥追施時期，不利于與優(yōu)良加工品質相關的谷蛋白亞基的積累，最終導致加工品質變劣。也有研究表明，干旱脅迫和過量灌溉均不利于小麥植株對氮素的積累，適量灌溉是促進氮素吸收，提高氮肥利用率的基礎；灌溉量增加，對籽粒蛋白質含量有稀釋效應?！颈狙芯壳腥朦c】總之，關于施氮量和灌溉量對小麥籽粒產量和蛋白質含量的影響，前人已分別做了相關研究，但水、氮互作對不同來源氮素的吸收、轉運的影響，及其與籽粒產量、蛋白質含量和水分利用率的關系尚鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】本試驗在前人研究的基礎上，在人工防雨條件下，設置不同施氮量與灌水量和灌水時期相結合的處理，利用15N同位素示蹤技術，研究開花前后植株的氮素吸收特性和營養(yǎng)器官貯存的氮素向籽粒的轉移規(guī)律，以期為優(yōu)質強筋小麥生產的肥水合理運籌提供理論依據。1材料和方法1.1灌排、施肥和除草試驗于2003～2005年在山東省泰安市山東農業(yè)大學實驗農場防雨池中進行。試驗點位于東經117°、北緯36°。試驗材料為高產強筋小麥品種濟麥20。栽培池深1.6m，不封底，設滑動式遮雨棚，小麥全生育期不接受自然降水。15N微區(qū)試驗亦在防雨栽培池中進行。試驗在磷、鉀肥用量一致的條件下，設每公頃施純氮120kg(N1）和240kg(N2）兩個施氮量，每個施氮水平下又設3個灌溉處理，分別為：底墑水+拔節(jié)水（W2）；底墑水+拔節(jié)水+開花水（W3）；底墑水+冬水+拔節(jié)水+開花水+灌漿水（W5）。每次灌水量為60mm，用水表控制灌水量。小區(qū)（水泥池）面積為2.5m×2.5m=6.25m2，隨機排列，重復3次。播種前0～20cm土層的土壤養(yǎng)分含量為：有機質10.0g·kg-1，全氮1.0g·kg-1，水解氮85.21mg·kg-1，速效磷52.34mg·kg-1，速效鉀83mg·kg-1。磷肥用量為105kgP2O5·ha-1；鉀肥用量為135kgK2O·ha-1。氮肥用尿素（N,46%），鉀肥為硫酸鉀（K2O,60%），磷肥用過磷酸鈣（P2O5,17%）。50%的氮肥和全部的磷、鉀肥作為基肥于耕前施入，拔節(jié)期（雌雄蕊原基分化期）追施剩余的50%氮肥。播種前0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140和140～160cm土層土壤水分含量分別為：14.33%、17.27%、16.03%、15.3%、20.83%、20.7%、21.42%和27.41%?；久鐬?50株/m2,10月4日播種，四葉期定苗。田間管理同豐產田。每個栽培池中設2個15N微區(qū)，用長×寬×高為44.5cm×15cm×30cm的鍍鋅鐵板做成鐵框，置于地下，上部露出地面5cm，以防外界水分流入框內，微區(qū)內氮肥用量及用法同微區(qū)所在小區(qū)。一個微區(qū)（WQ1）用15N尿素作底肥，普通尿素作追肥；另一個微區(qū)（WQ2）用普通尿素作底肥，15N尿素作追肥。磷肥和鉀肥的用量及施用方法同微區(qū)所在小區(qū)。15N形態(tài)為尿素，豐度為10.43%，由上海化工研究院生產。1.2分樣樣品的制備開花期于WQ1、WQ2微區(qū)中取樣，并按葉片、莖+葉鞘、穗進行分樣；成熟期于WQ1、WQ2微區(qū)中取樣，并按葉片、莖+葉鞘、穎殼+穗軸、籽粒進行分樣。每次取樣包含微區(qū)中所有植株。所取樣品于80℃烘至恒重。1.3測量項目植株全氮含量測定采用半微量凱氏定氮法。15N用ZHO-O2型質譜儀測定。烘干法測定土壤水分。1.4計算方法1.4.1肥料中16n生長性狀的測定全氮吸收量（g·m-2）=植株含氮量（%）×干物重（g·m-2）。植株吸收的氮素來自底施氮或追施氮的比例（%）=[（器官中15N豐度-0.3663）×100]/（肥料中15N豐度-0.3663）。植株吸收的氮素來自肥料氮的比例（%）=來自底施氮的比例+來自追施氮的比例。植株吸收的氮素來自肥料氮（底施氮或追施氮）的量（g·m-2）=植株吸收的總氮量（g·m-2）×植株吸收的氮來源于肥料氮（底施氮或追施氮）的比例。籽粒蛋白質產量（kg·ha-1）=籽粒蛋白質含量（%）×籽粒產量（kg·ha-1）。氮肥生產效率（kg·kg-1）=籽粒產量（kg·ha-1）/施氮量（kg·ha-1）。1.4.2農田耗水量mm的計算土壤水貯量變化量（mm）=Σ（△θi×Zi)式中，△θi為土壤某一層次（i）在給定時段內容積含水量變化，Zi為土壤i層次厚度（mm），土壤層次i是從土壤第i層到第m層。農田耗水量（mm）=降水量（mm）+灌溉量（mm）+土壤水貯量變化量（mm）（本試驗條件下降水量為0）。水分利用率（kg·mm-1）=籽粒產量（kg·ha-1）/農田耗水量（mm·ha-1）。2結果與分析2.1不同灌溉方式對小麥植株氮素積累的影響由表1可以看出，開花期植株氮素吸收量平均為24.02g·m-2，成熟期植株氮素吸收量平均為30.47g·m-2，開花前吸收氮素占氮素吸收總量的74.08%～83.33%；成熟期積累的氮素73.18%～76.38%來自土壤氮，23.62%～26.82%來自肥料氮，其中平均10.41%來自底施氮，14.81%來自追施氮。以上結果表明，小麥一生對氮素的吸收集中在開花前，且對土壤氮的吸收量大于肥料氮，對肥料氮中追施氮的吸收量大于底施氮。說明培肥地力是獲得高產的生理基礎；減少底施氮比例，增加追施氮的用量，有利于提高氮肥利用率。不同灌水處理W2（底墑水+拔節(jié)水）、W3（底墑水+拔節(jié)水+開花水）、W5（底墑水+冬水+拔節(jié)水+開花水+灌漿水）間比較，開花期植株氮素積累量表現(xiàn)為：W2、W3<W5，差異顯著，W2、W3之間無顯著差異，表明W5處理促進了小麥植株對氮素的吸收。其中各灌水處理間肥料氮占總氮量的比例為：W2、W3>W5，土壤氮占總氮量的比例為：W2、W3<W5，差異均達顯著水平，W2、W3差異不顯著。表明W5處理小麥植株對氮素吸收總量的增加主要是通過提高了土壤氮的吸收量和吸收比例實現(xiàn)的。成熟期各灌水處理植株氮素積累量比較：W2<W3<W5，肥料氮占的比例為：W2>W3>W5，土壤氮占的比例為：W2<W3<W5，差異均達顯著水平。表明，與W2相比較，W3和W5均促進小麥植株對氮素的吸收。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。以上結果顯示，在灌“底墑水+拔節(jié)水”的基礎上增加灌水次數和灌水量，不利于植株對肥料氮的吸收，因此生產中應適量灌溉，以提高氮肥利用率。同一灌溉水平下不同施氮量處理間比較，隨施氮量的增加，單位土地面積小麥植株體內積累的來自底施氮、追施氮、土壤氮的量均增加，差異顯著。表明增施氮肥促進小麥植株對氮素的吸收。2.2對各器官養(yǎng)分分配及分配的影響由表2可以看出，開花期肥料氮和土壤氮在各器官的分配量和分配比例均表現(xiàn)為：葉片>莖+葉鞘>穎殼+穗軸，表明開花期氮素主要集中在葉片、莖+葉鞘等營養(yǎng)器官中。從氮素的來源看，各器官均表現(xiàn)為，土壤氮的分配量和分配比例顯著大于肥料氮。肥料氮中追施氮肥的分配量與分配比例顯著大于底施氮肥。表明在本試驗條件下，土壤氮對各器官氮素積累的貢獻大于肥料氮；拔節(jié)期追施氮肥對各器官氮素積累的貢獻大于底施氮肥。各灌水處理間比較，不同來源氮素在各器官中分配比例表現(xiàn)為，底施氮和追施氮均為W2、W3>W5，土壤氮為：W2、W3<W5，差異顯著，W2、W3之間無顯著差異。表明開花期W5處理小麥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處理間比較，隨施氮量的增加，肥料氮在各器官中的分配量均表現(xiàn)為：N1<N2，差異顯著，表明增施氮肥促進各器官中氮素的積累。2.3不同施氮量對營養(yǎng)器官分配比例的影響由表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現(xiàn)為：籽粒>莖+葉鞘>葉片>穎殼+穗軸，且土壤氮的積累量顯著大于肥料氮，肥料氮中追施氮的積累量顯著大于底施氮。各灌水處理間比較，不同來源氮素在各器官的分配量表現(xiàn)為：W2<W3<W5，表明與W2相比較，W3和W5處理增加了成熟期營養(yǎng)器官中氮素的殘留量，不利于營養(yǎng)器官中的氮素向籽粒的轉移，且W5處理成熟期營養(yǎng)器官中氮素的殘留量最大。各處理間籽粒氮素分配比例為：W2>W3>W5，表明增加灌水量不利于籽粒氮素積累，這是灌水量增加的W5處理籽粒蛋白質含量降低的生理基礎。同一灌溉水平下不同施氮量處理間比較，隨施氮量的增加，肥料氮和土壤氮，及肥料氮中底施氮、追施氮在葉片、莖+葉鞘、穎殼+穗軸中的分配量和分配比例均顯著增加，表明增施氮肥，成熟期葉片、莖+葉鞘、穎殼+穗軸各器官中氮素的殘留量增加。由表3亦看出，增施氮肥，不同來源氮素在籽粒中的分配比例均下降，營養(yǎng)器官中氮素的殘留量增加，籽粒中氮素的分配比例減小。說明過量施用氮肥不利于籽粒氮素積累，因此在保證高產的條件下，應保持適宜氮肥施用量，以提高籽粒氮素積累強度。2.4灌溉對土壤氮素的吸收由表4可以看出，各個器官氮素向籽粒的轉移量均為葉片>莖+葉鞘>穎殼+穗軸，表明各營養(yǎng)器官中積累的氮素對籽粒蛋白質積累的貢獻以葉片最大，其次是莖+葉鞘。表4亦示出，各處理吸收的土壤氮的轉移量顯著大于肥料氮，肥料氮中追施氮肥轉移量大于底施氮。結合表2、表3可以得出，氮素的轉移量與吸收量有關，吸收多者，轉移量亦大，這是土壤氮對籽粒蛋白質積累貢獻大的生理基礎。不同灌水處理間比較，葉片、莖+葉鞘、穎殼+穗軸等器官中不同來源氮素向籽粒的轉移比例表現(xiàn)為：W2>W3>W5，差異顯著，表明與W2相比，W3和W5處理抑制了營養(yǎng)器官中的氮素向籽粒轉移，不利于獲得較高的蛋白質含量，其中W5營養(yǎng)器官中積累的氮素向籽粒轉移率最低，表明增加灌水量，對營養(yǎng)器官中積累的氮素向籽粒的轉移有抑制效應。同一灌溉水平下隨施氮量的增加，葉片、莖+葉鞘、穎殼+穗軸中積累的肥料氮和土壤氮向籽粒的轉移比例均降低，表明增加氮肥用量，不利于營養(yǎng)器官中貯存的氮素向籽粒的轉移。這是施氮量由120kg·ha-1增加到240kg·ha-1，籽粒蛋白質含量降低的生理原因。2.5各處理間質量及施氮量的比較由表5可以看出，不同灌水處理間籽粒蛋白質含量比較，W2>W3>W5，差異顯著，表明在全生育期灌底墑水+拔節(jié)水（W2）的條件下，增加開花水（W3）或增加冬水、開花水、灌漿水（W5）均不利于籽粒蛋白質含量的提高，這與不同處理開花期和成熟期各器官的氮素分配狀況相吻合。由表5亦可以看出，各處理間的籽粒產量、蛋白質產量、氮肥生產效率比較：W2<W3<W5；水分利用率比較：W2>W3>W5，差異均達顯著水平。表明在本試驗條件下，增加灌水量有利于提高籽粒產量、蛋白質產量和氮肥生產效率，但降低了水分利用率。由表5還看出，施氮量為120kg·ha-1的處理，籽粒蛋白質含量較高，籽粒產量、氮肥生產效率、水分利用率亦較高；施純氮240kg·ha-1的處理，其籽粒蛋白質含量、籽粒產量、氮肥生產效率、水分利用率與施氮量為120kg·ha-1的處理相比，均有所降低。表明在本試驗條件下，120kg·ha-1為適宜施氮量，有利于獲得較高的經濟效益。施氮量為120kg·ha-1的處理，全生育期灌溉底墑水、拔節(jié)水和開花水的W3N1處理，小麥植株吸收的氮素向籽粒分配量、氮素向籽粒轉移率、籽粒蛋白質含量、水分利用率均較高，籽粒產量亦較高，是本試驗的最優(yōu)處理。2.6植株水氮互作效應表6示出，灌溉量對植株吸氮量、籽粒產量的影響均達極顯著水平，對籽粒蛋白質含量的影響也達顯著水平；施氮量對植株吸氮量、籽粒產量和籽粒蛋白質含量的影響亦有顯著影響；互作效應分析表明，植株吸氮量、籽粒產量、籽粒蛋白質含量的水氮互作效應均達顯著水平。以上結果表明，在本試驗條件下，灌溉量與施氮量在對植株吸氮量、籽粒產量、籽粒蛋白質含量的影響中存在互作效應，且灌溉量效應顯著大于施氮量效應，是影響以上諸項指標的主導因子。3施氮量對小麥幼苗土地全生育期氮素積累的影響有研究表明，大量的土壤礦物氮存在于耕作層；小麥一生吸收的氮素1/3來自肥料氮，2/3來自土壤氮。本試驗利用15N同位素示蹤法研究得出，開花期植株氮素積累量平均為24.02g·m-2，成熟期為30.47g·m-2，其中74.30%～75.39%來自土壤氮，24.61%～25.70%來自肥料氮，與前人研究結果一致，表明小麥一生吸收的土壤氮多，肥料氮少，培肥地力是獲得高產優(yōu)質的基礎。還有研究表明，增施氮肥可以提高籽粒產量，拔節(jié)期以后追施氮肥對產量影響最大。本試驗研究得出，小麥植株吸收底施氮和追施氮的比例不同，其一生吸收的總氮中10.04%～10.78%來自底肥氮，14.57%～14.92%來自追施氮，表明在本試驗條件下，小麥對追施氮肥的利用率高于底施氮肥。因此，在小麥的高產栽培過程中，應適當減少底施氮比例，增加追施氮比例，以確保在高產穩(wěn)產的前提下獲得較高的氮肥利用率。氮素是除基因型外，影響籽粒蛋白質含量的另一重要因素。前人研究表明，在施氮量較低條件下，隨施氮量增加籽粒蛋白質含量增加，但當施氮量超出一定閾值，再增施氮肥，籽粒蛋白質含量不再增加甚至降低。本試驗結果表明，施氮量由120kg·ha-1增至240kg·ha-1，籽粒蛋白質含量降低，與前人研究結果基本一致。表明在本試驗條件下，施氮120kg·ha-1即可獲得較高籽粒蛋白質含量。有研究表明，形成籽粒蛋白質的氮素有兩部分來源，其中1/3來源于開花后植株吸收同化的氮素，2/3來源于開花前營養(yǎng)器官中積累并在開花后向籽粒轉移的氮素。但也有研究表明，開花后吸收同化的氮素和開花前營養(yǎng)器官中積累并在開花后向籽粒轉移的氮素，在籽粒中所占的比例因基因型而異，高蛋白品種徐麥26籽粒蛋白質合成所需氮素主要來源于花后氮素同化，低蛋白品種淮麥18則更多地依賴于開花前貯存氮素的再動員與分配。亦有研究提出，品種間蛋白質含量的差別最終來源于開花后吸氮量的差別，高蛋白品種在開花后的吸氮量顯著高于低蛋白品種。本試驗結果則表明，籽粒蛋白質含量除受開花前和開花后氮素吸收量的影響外，還與開花前營養(yǎng)器官中積累的氮素在開花后向籽粒的轉移量和轉移比例的有關。本試驗是在土壤肥力較高的條件下進行的，試驗田0～20cm土層土壤全氮含量為1.0g·kg-1，堿解氮為82.0mg·kg-1，當施氮量為120kg·ha-1時，開花前營養(yǎng)器官中積累的氮素總量低于施氮量240kg·ha-1的處理。但開花后營養(yǎng)器官中積累的氮素向籽粒轉移率較高，葉片、莖和葉鞘等器官中氮素的殘留率低，最終籽粒蛋白質含量高于高氮處理；施氮量240kg·ha-1的處理，開花期和成熟期氮素吸收量較高，開花前營養(yǎng)器官中積累的氮素在開花后向籽粒的轉移率低，最終亦不能獲得較高籽粒蛋白質含量。灌溉亦是影響小麥植株氮素的吸收轉運及分配和籽粒蛋白質含量的重要因素。前人研究表明，干旱脅迫不利于小麥植株對氮素的吸收，隨灌溉量和灌溉次數的增加，小麥開花前后植株對氮素的吸收量顯著增加。本試驗結果表明，全生育期灌溉2次，小麥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，與前人研究結果一致，表明提高土壤含水量可促進開花前后小麥植株對氮素的吸收。但亦有研究表明，增加灌溉量對籽粒蛋白質積累有稀釋效應。Xu等也有研究表明，干旱脅迫和過量灌溉均導致籽粒蛋白質含量降低，適宜灌溉量是獲得較高籽粒蛋白質含量的基礎。本試驗結果表明，增加灌溉量對籽粒蛋白質含量的稀釋效應主要來源于灌溉量增加所導致的籽粒產量的提高和營養(yǎng)器官中積累的氮素向籽粒轉移量和轉移率的降低。即小麥一生灌底墑水和拔節(jié)水條件下，開花前營養(yǎng)器官中的氮素積累量較大，開花后向籽粒的轉移率高，籽粒產量適中，最終獲得較高籽粒蛋白質含量。在此基礎上增加灌水量，營養(yǎng)器官中氮素的積累量增加，但開花后營養(yǎng)器官