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控释氮肥与普通尿素配施比例和方法对冬小麦灌浆及产量的影响

杨金宇 李援农 王凯瑜 杜利 方恒 张舵

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控释氮肥与普通尿素配施比例和方法对冬小麦灌浆及产量的影响

    作者简介: 杨金宇E-mail:15733225863@163.com;
    通讯作者: 李援农, E-mail:liyuannong@163.com
  • 基金项目: 国家公益性行业(农业)科研专项(201503125)。

Effects of blending ratio and application method of controlled-release nitrogen fertilizer and urea on grain filling characteristics and yield of winter wheat

    Corresponding author: LI Yuan-nong, E-mail:liyuannong@163.com ;
  • 摘要: 【目的】控释氮肥施用模式影响小麦的灌浆和产量构成因素,本文利用Richards模型模拟陕西关中地区冬小麦灌浆进程并分析产量构成参数,探究控释氮肥掺混尿素的施肥方式和肥料比例对冬小麦增产机理及灌浆特性的影响。【方法】以小麦品种‘小偃22’为供试作物,供试控释尿素的释放期为180天,于2017、2018年在陕西农林科技大学旱区灌溉站进行控释肥与尿素配合施用田间试验。共设置3个控释肥氮和普通尿素氮施用比例,依次为8∶2 (N2)、7∶3 (N3) 和6∶4 (N4);2种施肥方式,即掺混肥料一次性基施 (B,简称基施) 和基施控释肥+追施尿素 (T,简称追施);同时设不施氮肥 (CK0)、单施尿素 (基追比4∶6,CK1) 和单施控释肥 (一次性基施,CK2) 三个对照。在分蘖期和返青期统计分蘖数,成熟期统计穗数,测量穗长、穗粒数、千粒重。从冬小麦开花结束第5天开始,以5天为间隔进行取样,共9次,每次取10株,折算千粒重。以花后时间t为自变量,该时间所测得的千粒重 (W) 为因变量,采用方程$ W = A/{(1 + B{e^{ - Kt}})^{1/{\rm{E}}}} $计算灌浆和生长势。【结果】施氮能显著提高籽粒千粒重和产量,追施可保证灌浆物质来源更加充分,追施氮比例增加,起始生长势增大。适量追氮能延长灌浆持续时间,最大延长11.83 d,促使最大灌浆速率出现日提前,最早提前3.79 d;各处理在快增期 (Pw2) 均获得最大生长比率,与基施处理相比,追施增加了快增期 (Pw2) 和缓增期 (Pw3) 的持续时间和生长比率,持续时间分别延长1.28~2.93 d (T2)、3.61~8.2 d (T3),生长比率分别增加4.69%~8.08%(PW2) 和20.12%~38.57%(PW3)。基施处理的分蘖数和有效穗数显著高于追施处理,平均分别增加148~264 个/m2、29.0~108 穗/m2。施肥方式和施肥比例的交互作用对有效穗率和产量具有极显著影响,TN2和BN3产量最高,TN2处理千粒重较高为41.32 g,BN3处理有效穗数较高为546穗/m2,与CK1相比产量分别提高14.54%和13.09%,与CK2相比产量分别提高11.46%和10.85%。【结论】控释氮肥配施尿素的比例和施用方法能有效调控灌浆动态和产量构成。本试验条件下,以控释尿素和普通尿素7∶3混合后全部基施 (BN3) 和比例为8∶2时追施普通尿素的效果最为理想 (TN2)。BN3主要通过增加最大灌浆速率和推迟最大速率出现日期提高籽粒质量,并通过分蘖数保证较高的有效穗数而提高产量。TN2主要通过保证较高的有效穗率,在灌浆期通过延长灌浆持续时间和缓增期的生长比率提高籽粒质量累积,并获得较优的千粒质量以提高产量。在冬小麦生产过程中,优先推荐BN3处理的施氮模式,可在获得高产的同时节约劳动力和成本,但从千粒重角度考虑,TN2处理为较优施氮模式。
  • 图 1  2017—2018年冬小麦生长季日降雨量和平均气温的动态变化

    Figure 1.  Daily precipitation and average temperature during winter wheat growing season in 2017–2018

    图 2  不同处理下籽粒灌浆Richards拟合曲线和灌浆速率–时间变化图

    Figure 2.  Richards fitting curve of grain filling and grouting rate-time variation diagram under different treatments

    表 1  不同处理下的Richards模型参数

    Table 1.  Parameters of Richards Model under different treatments

    处理
    Treatment
    A (g)BKE$ W = A/{(1 + B{{\rm{e}}^{ - Kt}})^{1/N}}$实际 A (g)
    Measure
    R2
    CK030.144 h3753.14 a0.375 a2.731 a$W = 30.144/{(1 + 3753.14{{\rm{e}}^{ - 0.375t}})^{1/2.731}}$32.440 f0.998
    CK138.063 e20.626 b0.182 d0.904 d$W = 38.063/{(1 + 20.626{{\rm{e}}^{ - 0.182t}})^{1/0.904}}$38.250 cd0.999
    CK238.690 d207.901 b0.260 b1.644 b$W = 38.69/{(1 + 207.901{{\rm{e}}^{ - 0.26t}})^{1/1.644}}$38.860 cd0.998
    TN437.619 f9.509 b0.168 e0.644 e$W = 37.619/{(1 + 9.509{{\rm{e}}^{ - 0.168t}})^{1/0.644}}$37.890 de0.999
    TN340.358 b12.066 b0.180 d0.743 e$W = 40.358/{(1 + 12.066{{\rm{e}}^{ - 0.18t}})^{1/0.743}}$40.150 a0.999
    TN241.313 a22.267 b0.187 d0.925 d$W = 41.313/{(1 + 22.267{{\rm{e}}^{ - 0.187t}})^{1/0.925}}$41.320 a0.991
    BN436.543 g102.875 b0.237 c1.603 b$W = 36.543/{(1 + 102.875{{\rm{e}}^{ - 0.237t}})^{1/1.603}}$36.880 e0.998
    BN339.601 c149.230 b0.246 c1.637 b$W = 39.601/{(1 + 149.23{{\rm{e}}^{ - 0.246t}})^{1/1.637}}$39.200 bc0.994
    BN238.563 d125.215 b0.23 9 c1.499 b$W = 38.563/{(1 + 125.215{{\rm{e}}^{ - 0.239t}})^{1/1.499}}$38.760 cd0.995
    注(Note):同列数据后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters mean significant difference among treatments (P < 0.05)
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    表 2  不同处理下冬小麦籽粒灌浆特征参数

    Table 2.  Grain filling characteristic parameters of winter wheat under different treatments

    处理Treatment$T$ (d)${R_0}$${V_{\max }}$ $(g/d)$${T_{\max }}$ (d)$\overline V $ $(g/d)$
    CK031.47 g0.137 e1.872 e19.251 a1.196 d
    CK142.44 b0.201 c1.784 g17.186 d1.193 d
    CK236.23 f0.158 d2.109 a18.591 b1.382 a
    TN443.30 a0.262 a1.780 g15.994 e1.198 d
    TN340.96 c0.243 b1.976 d15.460 f1.326 c
    TN241.52 c0.202 c1.980 d16.984 d1.323 c
    BN436.97 e 0.148 de1.830 f17.578 c1.200 d
    BN337.04 e 0.150 de2.042 b18.360 b1.338 b
    BN237.70 d0.160 d2.004 c18.499 b1.318 c
    注(Note):CK0、CK1、CK2 分别为不施肥对照、单施尿素 (基追比 4∶6)、单施控释氮肥 (一次基施) 处理; N2、N3 和 N4 代表控释氮肥与尿素掺混比例为 8∶2、7∶3 和 6∶4. TN2、TN3 和 TN4 为控释氮基施和尿素于拔节期追施. BN2、BN3 和 BN4 为掺混肥全部基施. 同列数据后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05). CK0, CK1 and CK2 represent no fertilizer, urea applied in basal and topdressing of 4:6 and pure controlled-release urea once basal applied,respectively. N2, N3 and N4 represent three ratios of controlled-release urea N to common urea N in 8∶2, 7∶3 and 6∶4. TN2, TN3 and TN4 represent treatments of basal applying controlled-release nitrogen fertilizer and topdressing urea; BN2, BN3 and BN4 represent once basal application treatments. Values followed by different letters mean significant difference among treatments (P < 0.05).
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    表 3  不同处理下冬小麦籽粒灌浆各阶段持续时间及生长比率

    Table 3.  Duration and growth rate of each stage of winter wheat grain filling under different treatments

    处理
    Treatment
    渐增期Lag period快增期Liner period缓增期Mature period
    ${T_1}/d$${P_{W1}}/\% $${T_2}/d$${P_{W2}}/\% $${T_3}/d$${P_{W3}}/\% $
    CK014.68 a36.10 a9.13 f50.27 d 7.65 f12.63 e
    CK110.10 e20.02 c14.17 a58.17 b 18.17 bc20.81 c
    CK212.88 b27.68 b11.41 e54.81 c11.93 e16.51 d
    TN4 8.82 f16.80 d14.34 a59.28 a20.13 a22.92 a
    TN3 8.58 f18.07 d13.75 b58.86 a18.62 b22.07 b
    TN210.07 e20.27 c13.83 b58.07 b17.62 c20.66 c
    BN411.34 d27.31 b12.47 c54.99 c13.16 d16.70 d
    BN312.32 c27.61 b12.07 d54.85 c 12.64 de16.54 d
    BN212.44 c26.33 b12.13 d55.47 c13.14 d17.20 d
    注(Note):CK0、CK1、CK2 分别为不施肥对照、单施尿素 (基追比 4∶6)、单施控释氮肥 (一次基施) 处理; N2、N3 和 N4 代表控释氮肥与尿素掺混比例为 8∶2、7∶3 和 6∶4. TN2、TN3 和 TN4 为控释氮基施和尿素于拔节期追施. BN2、BN3 和 BN4 为掺混肥全部基施. 同列数据后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05). CK0, CK1 and CK2 represent no fertilizer, urea applied in basal and topdressing of 4∶6 and pure controlled-release urea once basal applied, respectively. N2, N3 and N4 represent three ratios of controlled-release urea N to common urea N in 8∶2, 7∶3 and 6∶4. TN2, TN3 and TN4 represent treatments of basal applying controlled-release nitrogen fertilizer and topdressing urea; BN2, BN3 and BN4 represent once basal application treatments. Values followed by different letters mean significant difference among treatments (P < 0.05).
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    表 4  不同处理下冬小麦产量及构成因素

    Table 4.  Yield and its components of winter wheat under different treatments

    处理
    Treatment
    单位面积分蘖数
    Tillers per m2
    单位面积
    有效穗数
    Effective ears
    per m2
    有效穗率
    Effective ear rate
    (%)
    穗长
    Ear length
    (cm)
    穗粒数
    Grains per ear
    千粒重
    1000-Grain weight
    (g)
    产量
    Yield
    (kg/hm2)
    CK0658.5 ± 42 c353.2 ± 33 d53.63 ± 3.30 e4.52 ± 0.30 e35.93 ± 2.04 b32.44 ± 0.77 f4598.4 ± 99 g
    CK1749.5 ± 24 b438.3 ± 14 c 58.48 ± 0.79 cd5.21 ± 0.19 d 38.11 ± 1.25 ab 38.25 ± 0.92 cd 6308.7 ± 102 e
    CK2746.4 ± 33 b442.5 ± 22 c 59.29 ± 1.57 cd5.33 ± 0.38 d 38.56 ± 4.28 ab 38.86 ± 0.17 cd6482.6 ± 84 d
    TN4640.0 ± 41 c 461.6 ± 39 bc72.12 ± 3.17 a 5.63 ± 0.44 abd 40.29 ± 3.07 ab 37.89 ± 0.10 de6157.8 ± 47 f
    TN3 693.4 ± 43 bc449.4 ± 26 c64.81 ± 0.85 b6.13 ± 0.37 a41.42 ± 1.36 a40.15 ± 1.10 a 6935.5 ± 115 b
    TN2 688.8 ± 32 bc 474.3 ± 31 bc 68.85 ± 1.33 ab 5.95 ± 0.23 ab 41.03 ± 1.47 ab41.32 ± 0.36 a7225.7 ± 63 a
    BN4903.4 ± 40 a 503.3 ± 40 ab 55.71 ± 4.35 de 5.47 ± 0.07 bd 38.45 ± 3.31 ab36.88 ± 0.87 e6680.0 ± 69 c
    BN3904.0 ± 17 a546.5 ± 21 a60.45 ± 1.88 c 5.62 ± 0.29 abd 39.21 ± 3.19 ab 39.20 ± 0.51 bc7186.0 ± 91 a
    BN2897.5 ± 29 a532.8 ± 18 a 59.36 ± 2.15 cd 5.55 ± 0.18 bd 39.08 ± 2.40 ab 38.76 ± 0.69 cd6885.7 ± 80 b
    方差分析 (P值) Variance analysis (P value)
    施肥方式 (FM)
    Fertilization mode
    < 0.001** < 0.001** < 0.001** 0.022*0.128 0.001** 0.003**
    配施比例 (BR)
    Blending ratio
    0.3990.3270.5720.1870.811 < 0.001** < 0.001**
    FM × BR0.3410.237 0.005**0.5770.9920.113 < 0.001**
    注(Note):CK0、CK1、CK2 分别为不施肥对照、单施尿素 (基追比 4∶6)、单施控释氮肥 (一次基施) 处理; N2、N3 和 N4 代表控释氮肥与尿素掺混比例为 8∶2、7∶3 和 6∶4. TN2、TN3 和 TN4 为控释氮基施和尿素于拔节期追施. BN2、BN3 和 BN4 为掺混肥全部基施. 同列数据后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05). CK0, CK1 and CK2 represent no fertilizer, urea applied in basal and topdressing of 4∶6 and pure controlled-release urea once basal applied, respectively. N2, N3 and N4 represent three ratios of controlled-release urea N to common urea N in 8∶2, 7∶3 and 6∶4. TN2, TN3 and TN4 represent treatments of basal applying controlled-release nitrogen fertilizer and topdressing urea; BN2, BN3 and BN4 represent once basal application treatments. Values followed by different letters mean significant difference among treatments (P < 0.05).*—P < 0.05;**—P < 0.01.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-15
  • 网络出版日期:  2020-03-12

控释氮肥与普通尿素配施比例和方法对冬小麦灌浆及产量的影响

    作者简介:杨金宇E-mail:15733225863@163.com
    通讯作者: 李援农, liyuannong@163.com
  • 西北农林科技大学水利与建筑工程学院/旱区农业水土工程教育部重点实验室,陕西杨凌 712100
  • 基金项目: 国家公益性行业(农业)科研专项(201503125)。
  • 摘要: 【目的】控释氮肥施用模式影响小麦的灌浆和产量构成因素,本文利用Richards模型模拟陕西关中地区冬小麦灌浆进程并分析产量构成参数,探究控释氮肥掺混尿素的施肥方式和肥料比例对冬小麦增产机理及灌浆特性的影响。【方法】以小麦品种‘小偃22’为供试作物,供试控释尿素的释放期为180天,于2017、2018年在陕西农林科技大学旱区灌溉站进行控释肥与尿素配合施用田间试验。共设置3个控释肥氮和普通尿素氮施用比例,依次为8∶2 (N2)、7∶3 (N3) 和6∶4 (N4);2种施肥方式,即掺混肥料一次性基施 (B,简称基施) 和基施控释肥+追施尿素 (T,简称追施);同时设不施氮肥 (CK0)、单施尿素 (基追比4∶6,CK1) 和单施控释肥 (一次性基施,CK2) 三个对照。在分蘖期和返青期统计分蘖数,成熟期统计穗数,测量穗长、穗粒数、千粒重。从冬小麦开花结束第5天开始,以5天为间隔进行取样,共9次,每次取10株,折算千粒重。以花后时间t为自变量,该时间所测得的千粒重 (W) 为因变量,采用方程$ W = A/{(1 + B{e^{ - Kt}})^{1/{\rm{E}}}} $计算灌浆和生长势。【结果】施氮能显著提高籽粒千粒重和产量,追施可保证灌浆物质来源更加充分,追施氮比例增加,起始生长势增大。适量追氮能延长灌浆持续时间,最大延长11.83 d,促使最大灌浆速率出现日提前,最早提前3.79 d;各处理在快增期 (Pw2) 均获得最大生长比率,与基施处理相比,追施增加了快增期 (Pw2) 和缓增期 (Pw3) 的持续时间和生长比率,持续时间分别延长1.28~2.93 d (T2)、3.61~8.2 d (T3),生长比率分别增加4.69%~8.08%(PW2) 和20.12%~38.57%(PW3)。基施处理的分蘖数和有效穗数显著高于追施处理,平均分别增加148~264 个/m2、29.0~108 穗/m2。施肥方式和施肥比例的交互作用对有效穗率和产量具有极显著影响,TN2和BN3产量最高,TN2处理千粒重较高为41.32 g,BN3处理有效穗数较高为546穗/m2,与CK1相比产量分别提高14.54%和13.09%,与CK2相比产量分别提高11.46%和10.85%。【结论】控释氮肥配施尿素的比例和施用方法能有效调控灌浆动态和产量构成。本试验条件下,以控释尿素和普通尿素7∶3混合后全部基施 (BN3) 和比例为8∶2时追施普通尿素的效果最为理想 (TN2)。BN3主要通过增加最大灌浆速率和推迟最大速率出现日期提高籽粒质量,并通过分蘖数保证较高的有效穗数而提高产量。TN2主要通过保证较高的有效穗率,在灌浆期通过延长灌浆持续时间和缓增期的生长比率提高籽粒质量累积,并获得较优的千粒质量以提高产量。在冬小麦生产过程中,优先推荐BN3处理的施氮模式,可在获得高产的同时节约劳动力和成本,但从千粒重角度考虑,TN2处理为较优施氮模式。

    English Abstract

    • 在当前农业劳动力不足以及轻简化的生产趋势下,以控释肥为载体的简化施肥技术是研究的热点。控释肥以肥料养分释放速率与作物需肥规律相吻合、一次性施肥满足至少一季作物的生长需要为生产理念,与传统施肥相比,在减少劳动力投入的同时提高产量。灌浆是小麦籽粒形成的重要生理过程,对粒重和产量的形成具有重要影响[1]。因此,研究控释氮肥配施尿素的比例和施用方法对了解冬小麦灌浆特性、增产机理、新型肥料的应用效果及前景具有重要意义。

      施氮显著影响小麦产量,且随施氮量的增加产量先升后降[2],“前轻中重后补”的施肥方式对产量具有调控作用[3],但盲目高氮施肥,不仅会造成氮素利用率下降[4],导致资源浪费,还会引起土壤退化[5]、温室气体污染[6]等一系列环境问题。优化氮肥管理,能有效提高作物产量和氮素利用率[7]、减少环境污染[8]。由于冬小麦生育周期长,温度等气象条件复杂多变,所以早期控释肥主要应用于生育周期较短的作物。与传统施肥相比,单施控释肥不仅能显著提高马铃薯[9]、番茄[10]、玉米[11]等作物的产量和品质,还能提高土壤有机质含量,减少氮素损失和温室气体排放[12]。目前控释肥的养分释放还不能做到完全与作物的需肥规律相一致[12],部分学者开始研究控释肥的施用方法。郭金金等[13]研究发现,尿素掺混控释肥与单施尿素和控释肥相比,玉米分别增产20.7%和19.8%。刘苹等[14]建议控释肥采用撒施旋耕的施肥方法,更有利于小麦的稳产或增产,并节省成本。张昌爱等[15]研究发现,小麦种植期控释肥在土壤中的氮素累计释放曲线接近于直线,并提出假设,基施控释肥的基础上适当追施氮肥效果可能更优。

      灌浆期是产量形成的重要时期,关于新型控释肥对冬小麦灌浆期的影响研究甚少。前人对控释肥的研究更多关注肥料种类、施用量等,而掺混比例和施用方法对冬小麦的交互效应研究较少。本研究设置控释氮肥配施尿素的不同比例在掺混基施和基追施用 (基施控释肥,追施尿素) 两种情况下,通过Richards模型模拟冬小麦灌浆进程,从灌浆特征参数和产量特征参数角度出发,分析比较控释氮肥配施尿素的不同掺混比例和施用方法的交互影响,以期揭示灌浆参数变化特征和增产机理,选择较优的控释肥施氮模式,为冬小麦增产提供科学依据。

      • 田间试验于2017年10月—2018年6月,在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室灌溉试验站 (34°17′38″ N,108°04′08″ E)。该试验站海拔521 m,属于暖温带半干旱半湿润气候,年均辐射总量和多年平均气温分别为475.5 kJ/m2、13.0℃,多年平均蒸发量和平均降水量分别为1500 mm、632 mm。冬小麦生长季的日降水量及平均气温的动态变化见图1。耕层土壤基本理化性质:平均干容重1.46 g /cm3,pH值8.12,有机质16.02 g/kg,有效磷17.7 mg/kg,速效钾182 mg/kg,全氮0.95 g/kg,碱解氮61.2 mg/kg。

        图  1  2017—2018年冬小麦生长季日降雨量和平均气温的动态变化

        Figure 1.  Daily precipitation and average temperature during winter wheat growing season in 2017–2018

      • 小麦品种为‘小偃22’,控释氮肥 (由江苏汉枫生产,控释期180天,总N ≥ 37%)、尿素 (总N ≥ 46%)、过磷酸钙 (P2O5 ≥ 16%)、硫酸钾 (K2O ≥ 51%)。播种量180 kg/hm2,施氮总量180 kg/hm2,施磷总量120 kg/hm2,施钾总量60 kg/hm2

        施肥比例有3个,控释肥氮与尿素氮施用比例依次为8∶2 (N2)、7∶3 (N3) 和6∶4 (N4)。施肥方式有2种,即:所有肥料一次性基施 (C,简称基施);控释肥基施,尿素追施 (T,简称追施)。同时设置不施氮肥 (CK0)、单施尿素 (基追比4∶6,CK1) 和单施控释肥 (一次性基施,CK2) 三个对照。

        小区面积20 m2(4 m × 5 m),每个处理重复3次,共27个小区,小区随机分布。2017年10月24日播种,2018年6月5日收获。播种前两天施肥后翻耕,BN2、BN3、BN4处理所有肥料掺混均匀后撒施,TN2、TN3、TN4处理撒施控释肥,在拔节期撒施尿素。除草、杀虫、灌水等管理措施均按同一标准完成。

      • 灌浆过程测定:在冬小麦开花期,各处理小区随机选取100株长势均匀且同时开花的植株进行标记。在开花结束后第5天开始,以5天为间隔进行取样,共取9次,每次取10株,人工剥粒,105℃杀青,75℃烘干至恒重,用万分之一天平称重并折算千粒重。

        群体动态及产量测定:出苗后每小区选择长势均匀的1 m2区域进行标记,分别在分蘖期和返青期统计分蘖情况,在成熟时统计穗数,测量穗长、穗粒数。人工收割标记区域的小麦,并脱粒,自然晒干测产,统计千粒重。

      • Richards方程[16]以花后时间t为自变量,对应某一时间t所测得的千粒重 (W) 为因变量,方程表达式为:

        式中:A代表生长终值 (灌浆结束时的千粒重),E为环境充分系数,其决定曲线形状,BK为模型参数,方程拟合情况用决定系数R2表示。对Richards方程求一阶导、二阶导,可得灌浆速率的时间方程V(t)、起始生长势R0、最大灌浆速率Vmax及时间Tmax、灌浆速率最大时的生长量Wmax、平均灌浆速率、渐增期、快增期和缓增期的持续天数 (T1T2T3) 及各阶段的生长比率 (P1P2P3)[16]

        用Excel 2010对数据进行整理与分析,用SPSS 18.0软件进行回归分析、多重比较和最小显著差异法 (LSD) 方差分析,用OriginPro 8.5进行方程拟合和制图。

      • 通过Richards模型对冬小麦籽粒千粒重动态增长过程进行拟合,拟合方程及决定系数见表1,籽粒增长过程见图2(A)。由表1图2分析知,拟合过程的决定系数R2均大于0.99,达到极显著水平,表明Richards方程能较好地模拟冬小麦籽粒灌浆过程,灌浆过程拟合曲线均呈“慢—快—缓”的增长趋势。

        表 1  不同处理下的Richards模型参数

        Table 1.  Parameters of Richards Model under different treatments

        处理
        Treatment
        A (g)BKE$ W = A/{(1 + B{{\rm{e}}^{ - Kt}})^{1/N}}$实际 A (g)
        Measure
        R2
        CK030.144 h3753.14 a0.375 a2.731 a$W = 30.144/{(1 + 3753.14{{\rm{e}}^{ - 0.375t}})^{1/2.731}}$32.440 f0.998
        CK138.063 e20.626 b0.182 d0.904 d$W = 38.063/{(1 + 20.626{{\rm{e}}^{ - 0.182t}})^{1/0.904}}$38.250 cd0.999
        CK238.690 d207.901 b0.260 b1.644 b$W = 38.69/{(1 + 207.901{{\rm{e}}^{ - 0.26t}})^{1/1.644}}$38.860 cd0.998
        TN437.619 f9.509 b0.168 e0.644 e$W = 37.619/{(1 + 9.509{{\rm{e}}^{ - 0.168t}})^{1/0.644}}$37.890 de0.999
        TN340.358 b12.066 b0.180 d0.743 e$W = 40.358/{(1 + 12.066{{\rm{e}}^{ - 0.18t}})^{1/0.743}}$40.150 a0.999
        TN241.313 a22.267 b0.187 d0.925 d$W = 41.313/{(1 + 22.267{{\rm{e}}^{ - 0.187t}})^{1/0.925}}$41.320 a0.991
        BN436.543 g102.875 b0.237 c1.603 b$W = 36.543/{(1 + 102.875{{\rm{e}}^{ - 0.237t}})^{1/1.603}}$36.880 e0.998
        BN339.601 c149.230 b0.246 c1.637 b$W = 39.601/{(1 + 149.23{{\rm{e}}^{ - 0.246t}})^{1/1.637}}$39.200 bc0.994
        BN238.563 d125.215 b0.23 9 c1.499 b$W = 38.563/{(1 + 125.215{{\rm{e}}^{ - 0.239t}})^{1/1.499}}$38.760 cd0.995
        注(Note):同列数据后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters mean significant difference among treatments (P < 0.05)

        图  2  不同处理下籽粒灌浆Richards拟合曲线和灌浆速率–时间变化图

        Figure 2.  Richards fitting curve of grain filling and grouting rate-time variation diagram under different treatments

        A为灌浆结束时的理论千粒重,TN2理论千粒重最大为41.3 g,CK0理论千粒重最小,仅30.1 g。追施处理 (TN4、TN3、TN2) 的千粒重显著大于氮肥一次性基施处理 (BN4、BN3、BN2),相同氮肥施用比例下,分别增加1.08 g、0.76 g、2.75 g (P < 0.05)。追施处理的追氮比例降低,千粒重呈增加趋势;基施处理的掺混比例降低,千粒重先增加后减小。

        参数E值大小反映曲线形状和灌浆库容限制情况,追施处理E < 1,比例降低,E值呈增加趋势,质量增长速率曲线左偏,灌浆受库容限制较大,即灌浆物质来源相对充分;基施处理E > 1,组内无显著差异,速率曲线均右偏,受库容限制较小。

        可见,施氮能显著提高籽粒千粒重,追施处理可保证灌浆物质来源更加充分,适量追氮能促进籽粒千粒重增加,过量反而降低。

      • 表2为根据Richards模型计算的冬小麦灌浆期特征参数。追氮处理灌浆持续时间为40.96~43.30 d,较无追氮处理延长3.26~7.07 d,与CK0处理相比延长9.49~11.83 d。CK0灌浆持续时间最短,为31.47 d。

        表 2  不同处理下冬小麦籽粒灌浆特征参数

        Table 2.  Grain filling characteristic parameters of winter wheat under different treatments

        处理Treatment$T$ (d)${R_0}$${V_{\max }}$ $(g/d)$${T_{\max }}$ (d)$\overline V $ $(g/d)$
        CK031.47 g0.137 e1.872 e19.251 a1.196 d
        CK142.44 b0.201 c1.784 g17.186 d1.193 d
        CK236.23 f0.158 d2.109 a18.591 b1.382 a
        TN443.30 a0.262 a1.780 g15.994 e1.198 d
        TN340.96 c0.243 b1.976 d15.460 f1.326 c
        TN241.52 c0.202 c1.980 d16.984 d1.323 c
        BN436.97 e 0.148 de1.830 f17.578 c1.200 d
        BN337.04 e 0.150 de2.042 b18.360 b1.338 b
        BN237.70 d0.160 d2.004 c18.499 b1.318 c
        注(Note):CK0、CK1、CK2 分别为不施肥对照、单施尿素 (基追比 4∶6)、单施控释氮肥 (一次基施) 处理; N2、N3 和 N4 代表控释氮肥与尿素掺混比例为 8∶2、7∶3 和 6∶4. TN2、TN3 和 TN4 为控释氮基施和尿素于拔节期追施. BN2、BN3 和 BN4 为掺混肥全部基施. 同列数据后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05). CK0, CK1 and CK2 represent no fertilizer, urea applied in basal and topdressing of 4:6 and pure controlled-release urea once basal applied,respectively. N2, N3 and N4 represent three ratios of controlled-release urea N to common urea N in 8∶2, 7∶3 and 6∶4. TN2, TN3 and TN4 represent treatments of basal applying controlled-release nitrogen fertilizer and topdressing urea; BN2, BN3 and BN4 represent once basal application treatments. Values followed by different letters mean significant difference among treatments (P < 0.05).

        起始生长势R0表示受精子房生长潜力,也代表籽粒初期生长速率。R0越大,胚乳细胞分裂周期越短,分裂越快,初期生长速率越大。追施处理R0(0.202~0.262) 显著大于氮一次性基施处理 (0.148~0.160),追氮比例降低,R0显著减小;一次性基施的三个处理间R0差异不显著。

        图2(B)为不同处理的籽粒灌浆速率曲线,籽粒灌浆速率曲线呈先升高后降低,曲线顶点对应表2VmaxTmax。CK0最大灌浆速率出现时间最晚,同比例条件下,追施处理Vmax显著小于基施处理,但追施处理的最大灌浆速率出现日Tmax较基施处理分别提前1.584、2.900、1.515 d。基施处理的掺混比例降低,Tmax呈增加趋势。

        将千粒重与灌浆特征参数采用逐步回归法建立多元线性最优回归方程,得到:A = 1.066 T + 0.673 Vmax − 0.689 R0 − 0.463 Tmax,判别系数R2 = 0.939,表明此方程具有可靠性。回归方程表明,TVmaxR0Tmax与千粒重A显著相关 (P < 0.05),结合表2图2分析得知,追施处理主要通过调控TR0提高籽粒质量;基施处理主要通过调控 VmaxTmax提高籽粒质量。

        可见,施肥比例结合施氮方式能有效调控部分灌浆特征参数,优化冬小麦籽粒灌浆进程,促进千粒质量的提高。

      • 籽粒灌浆3个阶段的持续时间Tx和各阶段生长比率 (PWx) 如表3图2(B)所示,渐增期持续时间T1和生长比率PW1表现类似,追施处理的T1值和PW1值均显著小于基施处理,渐增期结束时间提前1.24~4.30 d;同比例条件下,基施处理PW1值较追施处理分别增加38.48%、34.55%、23.02%;CK0渐增期持续时间最长,PW1值最大。

        表 3  不同处理下冬小麦籽粒灌浆各阶段持续时间及生长比率

        Table 3.  Duration and growth rate of each stage of winter wheat grain filling under different treatments

        处理
        Treatment
        渐增期Lag period快增期Liner period缓增期Mature period
        ${T_1}/d$${P_{W1}}/\% $${T_2}/d$${P_{W2}}/\% $${T_3}/d$${P_{W3}}/\% $
        CK014.68 a36.10 a9.13 f50.27 d 7.65 f12.63 e
        CK110.10 e20.02 c14.17 a58.17 b 18.17 bc20.81 c
        CK212.88 b27.68 b11.41 e54.81 c11.93 e16.51 d
        TN4 8.82 f16.80 d14.34 a59.28 a20.13 a22.92 a
        TN3 8.58 f18.07 d13.75 b58.86 a18.62 b22.07 b
        TN210.07 e20.27 c13.83 b58.07 b17.62 c20.66 c
        BN411.34 d27.31 b12.47 c54.99 c13.16 d16.70 d
        BN312.32 c27.61 b12.07 d54.85 c 12.64 de16.54 d
        BN212.44 c26.33 b12.13 d55.47 c13.14 d17.20 d
        注(Note):CK0、CK1、CK2 分别为不施肥对照、单施尿素 (基追比 4∶6)、单施控释氮肥 (一次基施) 处理; N2、N3 和 N4 代表控释氮肥与尿素掺混比例为 8∶2、7∶3 和 6∶4. TN2、TN3 和 TN4 为控释氮基施和尿素于拔节期追施. BN2、BN3 和 BN4 为掺混肥全部基施. 同列数据后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05). CK0, CK1 and CK2 represent no fertilizer, urea applied in basal and topdressing of 4∶6 and pure controlled-release urea once basal applied, respectively. N2, N3 and N4 represent three ratios of controlled-release urea N to common urea N in 8∶2, 7∶3 and 6∶4. TN2, TN3 and TN4 represent treatments of basal applying controlled-release nitrogen fertilizer and topdressing urea; BN2, BN3 and BN4 represent once basal application treatments. Values followed by different letters mean significant difference among treatments (P < 0.05).

        快增期和缓增期表现相同,追施处理的持续时间较基施处理分别延长1.28~2.93 d (T2)、3.61~8.2 d (T3),同比例条件下,追施处理PW2PW3分别增加7.80%、7.31%、4.69%(快增期) 和37.25%、33.43%、20.12%(缓增期);追施比例提高,缓增期的持续时间和生长比率呈增加趋势;CK0在快增期和缓增期的持续时间和生长比率表现最低,但在渐增期均表现最高。

        可见,追施处理主要通过增加快增期和缓增期的持续时间和生长比率提高籽粒质量累积;基施处理对籽粒质量的贡献主要表现在快增期和渐增期。

      • 表4表明,施氮方式对穗长影响显著,对分蘖数、有效穗数、有效穗率、千粒重、产量具有极显著影响;肥料比例对千粒重和产量具有极显著影响;两者交互作用对有效穗率和产量具有极显著影响;施氮方式、肥料比例和交互作用对穗粒数均无显著影响。

        表 4  不同处理下冬小麦产量及构成因素

        Table 4.  Yield and its components of winter wheat under different treatments

        处理
        Treatment
        单位面积分蘖数
        Tillers per m2
        单位面积
        有效穗数
        Effective ears
        per m2
        有效穗率
        Effective ear rate
        (%)
        穗长
        Ear length
        (cm)
        穗粒数
        Grains per ear
        千粒重
        1000-Grain weight
        (g)
        产量
        Yield
        (kg/hm2)
        CK0658.5 ± 42 c353.2 ± 33 d53.63 ± 3.30 e4.52 ± 0.30 e35.93 ± 2.04 b32.44 ± 0.77 f4598.4 ± 99 g
        CK1749.5 ± 24 b438.3 ± 14 c 58.48 ± 0.79 cd5.21 ± 0.19 d 38.11 ± 1.25 ab 38.25 ± 0.92 cd 6308.7 ± 102 e
        CK2746.4 ± 33 b442.5 ± 22 c 59.29 ± 1.57 cd5.33 ± 0.38 d 38.56 ± 4.28 ab 38.86 ± 0.17 cd6482.6 ± 84 d
        TN4640.0 ± 41 c 461.6 ± 39 bc72.12 ± 3.17 a 5.63 ± 0.44 abd 40.29 ± 3.07 ab 37.89 ± 0.10 de6157.8 ± 47 f
        TN3 693.4 ± 43 bc449.4 ± 26 c64.81 ± 0.85 b6.13 ± 0.37 a41.42 ± 1.36 a40.15 ± 1.10 a 6935.5 ± 115 b
        TN2 688.8 ± 32 bc 474.3 ± 31 bc 68.85 ± 1.33 ab 5.95 ± 0.23 ab 41.03 ± 1.47 ab41.32 ± 0.36 a7225.7 ± 63 a
        BN4903.4 ± 40 a 503.3 ± 40 ab 55.71 ± 4.35 de 5.47 ± 0.07 bd 38.45 ± 3.31 ab36.88 ± 0.87 e6680.0 ± 69 c
        BN3904.0 ± 17 a546.5 ± 21 a60.45 ± 1.88 c 5.62 ± 0.29 abd 39.21 ± 3.19 ab 39.20 ± 0.51 bc7186.0 ± 91 a
        BN2897.5 ± 29 a532.8 ± 18 a 59.36 ± 2.15 cd 5.55 ± 0.18 bd 39.08 ± 2.40 ab 38.76 ± 0.69 cd6885.7 ± 80 b
        方差分析 (P值) Variance analysis (P value)
        施肥方式 (FM)
        Fertilization mode
        < 0.001** < 0.001** < 0.001** 0.022*0.128 0.001** 0.003**
        配施比例 (BR)
        Blending ratio
        0.3990.3270.5720.1870.811 < 0.001** < 0.001**
        FM × BR0.3410.237 0.005**0.5770.9920.113 < 0.001**
        注(Note):CK0、CK1、CK2 分别为不施肥对照、单施尿素 (基追比 4∶6)、单施控释氮肥 (一次基施) 处理; N2、N3 和 N4 代表控释氮肥与尿素掺混比例为 8∶2、7∶3 和 6∶4. TN2、TN3 和 TN4 为控释氮基施和尿素于拔节期追施. BN2、BN3 和 BN4 为掺混肥全部基施. 同列数据后不同字母表示处理间差异显著 (P < 0.05). CK0, CK1 and CK2 represent no fertilizer, urea applied in basal and topdressing of 4∶6 and pure controlled-release urea once basal applied, respectively. N2, N3 and N4 represent three ratios of controlled-release urea N to common urea N in 8∶2, 7∶3 and 6∶4. TN2, TN3 and TN4 represent treatments of basal applying controlled-release nitrogen fertilizer and topdressing urea; BN2, BN3 and BN4 represent once basal application treatments. Values followed by different letters mean significant difference among treatments (P < 0.05).*—P < 0.05;**—P < 0.01.

        施氮处理的产量和构成因素均大于CK0。分蘖数与有效穗数表现类似,基施处理的分蘖数和有效穗数均显著高于其他处理,分别增加148.0~264.0个/m2、29.0~108.2穗/m2。追施处理的有效穗率显著高于其他处理,同比例条件下,较基施处理分别增加29.46%、7.21%、15.99%。追施处理TN2和TN3千粒重表现最高,虽然TN4和CK1追施量相对较高,却获得较低千粒重。可见,掺混肥料基施处理能显著提高分蘖数和有效穗数,适量追氮能显著提高有效穗率和千粒重。

        TN2和BN3获得产量最高且二者无显著差异 (表4),与CK0相比,产量分别提高57.14%、56.27%;与CK1相比分别提高14.54%、13.09%;与CK2相比分别提高11.46%、10.85%。追施处理,控释氮肥比重增加,产量呈上升趋势;基施处理,控释氮肥比重增加,产量先升后降。可见,控释氮肥对小麦具有良好的增产效果,采用合理的掺混比例和施用方法增产显著。

        将产量作为因变量,产量构成因数 (有效穗数、千粒重、穗长、穗粒数) 作为自变量,采用逐步回归法建立多元线性最优回归方程,标化后得到:y = 0.685 x1 + 0.401 x2x1x2分别代表千粒重、有效穗数,判别系数R2 = 0.921,千粒重和有效分蘖数与产量显著相关 (P < 0.05),穗长、穗粒数与产量无显著关系。结合表4分析得知,掺混肥料基施处理主要通过增加有效穗数来提高产量,而追施处理主要通过增加千粒重来提高产量。

      • 灌浆期是冬小麦增加粒重、提高产量的关键生育期,粒重主要由籽粒灌浆速率和持续时间决定[17]。本研究通过逐步回归发现,与粒重有关的灌浆参数有最大灌浆速率出现日、最大灌浆速率、起始生长势、灌浆持续时间,最大灌浆速率与粒重正相关,这与王美等[18]的研究结果一致。环境因素和耕作栽培制度显著影响灌浆持续时间 [19],回归分析中,平均灌浆速率与千粒重相关不显著,与李朝苏等[20]研究不同,可能是因为肥料种类和施氮方式不同造成灌浆持续时间存在差异,虽然追施处理千粒重大,但由于灌浆持续时间较长,导致灌浆平均速率降低,与粒重关系不显著。

        基施处理的灌浆持续时间均小于CK1处理,但除BN4外,千粒重均比CK1高,可能是因为在灌浆期,控释氮肥的调控在一定程度上减少氮素由于过多或过少造成的不利影响。BN4的千粒重较低,可能是由于尿素的施用比例过高,为冬小麦生育前期提供较高的氮素供应,而在灌浆期氮素供应不足。追施处理的灌浆持续时间较长,除TN4外千粒重均较高,说明适宜的基追比例有利于籽粒质量累积,这与魏道智等[21]研究结果一致。TN4千粒重表现较低,可能是因为控释氮肥和尿素共同为冬小麦灌浆提供氮素来源,造成后期氮素过量,冬小麦贪青晚熟。可见,施氮的种类和方式对灌浆过程起调控作用。

        源、库、流是小麦千粒重形成的三个重要因素[22],其中,籽粒体积 (库容) 与粒重呈正相关关系[23],潜在库容越大,籽粒质量越高[24]。R0代表受精子房的生长潜势,起始生长势R0越大说明潜在库容越大。本研究中,不施氮处理R0最小,说明施氮能有效增大籽粒库容,与黄彦凯的研究结果一致[25]。TN3和TN2的R0处于较高值且千粒重较高,CK1和TN4则表现相反,可能是因为追氮过量导致冬小麦贪青晚熟,库源流关系失调,千粒重降低。说明拔节期合理追氮有利于库源关系协调,提高籽粒质量,与曹颖等[26]研究结果相似。

        可见,合理追氮可保证灌浆物质来源更加充分,提高籽粒的起始生长势,协调库源关系,延长灌浆时间,从而增加籽粒质量累积;氮一次性基施处理,主要通过增大最大灌浆速率和推迟最大速率出现日期提高籽粒质量。

      • 灌浆拟合曲线主要呈“慢—快—缓”的趋势,因此将灌浆主要分为渐增期T1、快增期T2、缓增期T3。各处理在快增期的生长比率均超过50%,说明灌浆籽粒的质量累积主要集中在快增期,与赵凯南等[27]研究结果相同。追施处理下,适量增施氮肥能延长快增期的持续时间,持续时间表现为缓增期 > 快增期 > 渐增期,对籽粒累积的贡献顺序为快增期 > 缓增期 > 渐增期,与张娜等[28]研究结果相同;而基施处理则表现不同,持续时间表现为缓增期 > 快增期 ≈ 渐增期,对籽粒质量累积的贡献顺序为快增期 > 渐增期 > 缓增期。处理间各阶段持续时间及贡献顺序产生差异的原因,可能是因为千粒重不仅受遗传因素的影响,同时也依赖于适量的氮素供应,不施或少施,易导致冬小麦前期粒重较大,后期养分不足,灌浆持续时间缩短,导致籽粒质量降低;而过量施氮易造成贪青晚熟,延长了缓增期的持续时间,导致籽粒质量降低。

        可见,适宜的基追比例在灌浆期通过控释氮肥和尿素的双重作用为籽粒累积提供充足的氮素来源,增加快增期和缓增期的持续时间和生长比率,最终获得较高千粒重;基施情况下,适宜的掺混比例在灌浆期主要通过控释氮肥为籽粒累积提供氮素来源,对籽粒的贡献主要表现在渐增期和快增期。

      • 通过逐步回归分析和相关性分析表明,有效穗数和千粒重是导致各处理产量差异的主要原因,千粒重受灌浆过程影响,有效穗数则与分蘖数和分蘖成穗率有关,拔节期氮素供应状况影响分蘖成穗率。控释氮肥能控制养分释放期,具有肥效期长、供肥稳定等特点。常凤等[29]发现一次性配施控释氮和尿素主要通过增加冬小麦的有效穗数进而提高产量,与本研究相似,基施处理分蘖数显著高于其它处理,且控释氮比重增加,有效穗数先增加后降低,产量与有效穗数变化相同,说明以适宜的掺混比例一次性配施能显著增加单位面积的有效穗数进而增加产量。王小明等[30]研究发现,冬前施用氮肥能促进形成基本苗数,拔节期追氮能降低小麦茎蘖的消亡数,与本研究结果类似。基施处理的分蘖数显著高于其它处理,可能是因为前期控释氮肥释放部分氮素与尿素共同作用,在冬前为冬小麦提供较高的氮素供应,促进分蘖;成穗率显著较低,可能是由于拔节后期分蘖过多,控释氮和土壤氮无法保证充足的氮素供应,导致茎蘖消亡,但由于前期分蘖基数较大,有效穗数仍显著高于其它处理,但千粒重却低于其他处理。追施处理的成穗率显著高于其他处理,基施控释氮肥比重增加,千粒重和产量均呈增加趋势,可能是因为追氮保证了小麦后期的氮素来源,成穗率提高,并获得较高的千粒重进而增加产量。可见,适宜的基追比例有利于提高千粒重进而增加产量。

        蒋会利等[31]研究发现,在产量构成因素中,穗粒数与产量的相关性最强,达极显著水平,与本研究结果有差异,这可能是因为本研究是等氮量条件下,肥料比例和施用方法的交互作用对产量构成因数起到了调控作用。郭金金等[13]研究发现,尿素掺混控释氮与单施尿素或控释肥相比,均能达到显著增产,与本研究结论相似。在肥料比例和施用方式交互作用下,TN2和BN3获得最高产量,且两者无显著差异,可见,一次性配施控释氮和尿素可满足小麦生长需要,适宜的肥料比例和施用方法对冬小麦产量起调控作用。

        控释氮肥的养分释放不仅受土壤温度、水分等环境条件的影响[32],还与控释氮肥的种类和含氮量密切相关。李伟等[33]研究发现,水溶性聚合物包膜控释尿素控释期60 d,含氮量44.5%,在5∶5掺混尿素施用时各项指标处于较高值,增产效果显著。何杰等[34]发现聚合物包膜控释氮肥控释期90 d,含氮量41.4%,在4∶6掺混尿素时一次性施入获得产量最优。本研究选用的控释氮肥控释期180天,总氮含量≧37%,7∶3掺混尿素 (BN3) 一次性基施主要通过增加单位面积有效穗数获得产量最优,基施控释氮肥追施尿素按8∶2分配时主要通过增加千粒重获得产量最优,关于不同氮含量的控释氮肥的最优施用比例和施用方法的确定还需进一步研究。

        TN2中有20%速效氮肥在拔节期追肥后起作用,而BN3处理有30%速效氮肥在苗期起作用,二者的氮素供应方式存在明显的区别。从生产成本角度出发,BN3既能节省劳动力还能减少控释氮肥的施用量从而节约成本。但从千粒重角度考虑 (表4),TN2处理优于BN3处理,在冬小麦生产过程中可根据具体情况考虑选取适宜的施氮模式。

      • 依据Richards模型,追施肥料可增加灌浆期中的快增期和缓增期的持续时间和生长比率,延长灌浆时间提高籽粒质量累积。基施主要可增大最大灌浆速率和推迟最大速率出现日,提高籽粒质量。

        适宜的控释氮肥配施尿素的比例和施肥方式能有效调控灌浆特征参数和产量构成因数,优化冬小麦籽粒灌浆进程,促进千粒质量和产量的提高。释放周期为180天的控释尿素与普通尿素掺混比为7∶3时一次性基施,在灌浆期主要通过增大最大灌浆速率和推迟最大速率出现日而提高籽粒质量,并通过分蘖数保证较高的有效穗数,进而提高产量。比例为8∶2时将其中的尿素在小麦拔节期追施可以保证较高的有效穗率,延长灌浆持续时间和缓增期的生长比率以提高籽粒质量累积,并获得较优的千粒质量,进而提高产量。因此,在冬小麦生产过程中,优先推荐BN3处理的施氮模式,可在获得高产的同时节约劳动力和成本,但从千粒重角度考虑,TN2处理为较优施氮模式。

    参考文献 (34)
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