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不同产量水平下稻茬小麦的氮素营养指标特征

杜宇笑 李鑫格 张羽 程涛 刘小军 田永超 朱艳 曹卫星 曹强

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不同产量水平下稻茬小麦的氮素营养指标特征

    作者简介: 杜宇笑 E-mail:2018801186@njau.edu.cn;
    通讯作者: 曹强, E-mail:qiangcao@njau.edu.cn
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(31601222);中央高校基本科研业务费专项资金项目 (KJQN201725);江苏现代农业产业技术体系建设专项资金(JATS〔2019〕433,JATS〔2019〕141)。

Variation in nitrogen status indicators with grain yield level for winter wheat after rice

    Corresponding author: CAO Qiang, E-mail:qiangcao@njau.edu.cn
  • 摘要:   【目的】  明确长江中下游地区不同产量水平稻茬小麦氮营养指标变化规律,为小麦氮素营养状况实时诊断提供理论依据。  【方法】  本研究通过江苏省多年多点田间不同氮肥、播期、密度和品种试验,构建不同产量水平小麦大数据,分析不同产量水平小麦在不同生育时期的干物质积累量、植株氮积累量和植株氮浓度的变化规律,并通过计算小麦临界氮浓度,得到累积氮亏缺和氮营养指数的动态变化规律,进而明确高产稻茬小麦氮素营养指标特征。  【结果】  干物质积累量和植株氮积累量的变化趋势一致,随着小麦生育进程的推进均逐渐增加,植株氮浓度逐渐减小,累积氮亏缺和氮营养指数会出现波动。整个生育期内,干物质积累量和植株氮积累量在高产小麦和中产小麦之间的差异不显著,但二者植株氮积累量均显著高于中低产小麦,中低产小麦又显著高于低产小麦。在抽穗期、开花期和灌浆期,高产和中产小麦干物质积累量显著高于中低产小麦,中低产小麦又显著高于低产小麦。依据累积氮亏缺值判断氮素营养状况,高产和中产小麦的累积氮亏缺变化趋势一致,在起身—孕穗期,高产小麦的累积氮亏缺值由0.3 kg/hm2降低为−23.0 kg/hm2,中产小麦由7.0 kg/hm2降低为−14.6 kg/hm2,孕穗—抽穗期又呈升高趋势,高产小麦由−23.0 kg/hm2升高为−11.4 kg/hm2,中产小麦由−14.6 kg/hm2升高为2.4 kg/hm2,开花—灌浆期的波动较小。表明高产小麦氮营养除起身期之外均为过剩,中产小麦在拔节—孕穗期的累积氮亏缺小于0,其余时期累积氮亏缺均大于0,但该水平的累积氮亏缺值一直在适宜范围内波动。中低产小麦在起身—拔节期,累积氮亏缺值由14.2 kg/hm2降低为9.5 kg/hm2,之后逐渐升高,灌浆期达到最大为43.9 kg/hm2;低产小麦在起身期到灌浆期,累积氮亏缺值由17.3 kg/hm2升高为71.1 kg/hm2。表明中低产和低产的小麦氮营养水平在整个生育期内逐渐降低,且整个生育期均处于亏缺状态 (累积氮亏缺值 > 0)。在拔节期、孕穗期、抽穗期和灌浆期,高产水平的小麦植株实际氮浓度高于植株临界氮浓度,中产小麦在孕穗期的植株实际氮浓度高于临界氮浓度,而中低产和低产的小麦在整个生育期植株实际氮浓度低于植株临界氮浓度。高产和中产的小麦氮营养指数在1附近波动,其中高产小麦的氮营养指数在起身—孕穗期由0.9升高为1.1,在抽穗—灌浆期,氮营养指数呈现先降低后升高趋势,其值分别为1.0、0.9和1.0,中产小麦与高产小麦的变化趋势一致,起身—孕穗期的氮营养指数由0.8升高为1.0,之后逐渐下降,其值均小于1,抽穗—灌浆期分别为0.9、0.9和0.9。中低产和低产的小麦氮营养指数始终低于1,中低产小麦在起身—拔节期氮营养指数由0.7升高为0.8,之后则逐渐下降,低产小麦从起身—开花期均逐渐下降,而这两个产量水平的氮营养指数在灌浆期会呈现略微上升趋势。  【结论】  随着产量水平的提高,小麦植株干物质和氮积累量、植株氮浓度、氮营养指数等都相应增加,累积氮亏缺相应下降。较高的干物质积累量和植株氮积累量是提高小麦产量的主要原因,在小麦生长过程中氮营养指数和累积氮亏缺均能准确诊断小麦氮营养状况,可为小麦氮肥精准管理提供理论支持。
  • 图 1  不同产量水平冬小麦的干物质积累量的动态变化变化

    Figure 1.  Changes of dry matter accumulation of winter wheat with different yield levels

    图 2  不同产量水平小麦植株氮积累量

    Figure 2.  Nitrogen accumulation of winter wheat with different yield levels

    图 3  不同产量水平冬小麦累积氮亏缺变化趋势

    Figure 3.  Variation trend of accumulated nitrogen deficiency of winter wheat with different yield levels

    图 4  不同产量水平冬小麦植株临界氮浓度与实际氮浓度的变化趋势

    Figure 4.  Variation trend of plant critical nitrogen concentration and actual nitrogen concentration of winter wheat with different yield levels

    图 5  不同产量水平小麦氮营养指数的动态变化

    Figure 5.  Change trend of nitrogen nutrient index of winter wheat with different yield levels

    表 1  数据来源

    Table 1.  Date sources

    地点Location试验年份
    Experimental
    year
    品种
    Cultivar
    播期
    Sowing date
    (month/day)
    养分施用量
    Nutrient application rate
    (kg/hm2)
    密度
    Density
    (× 104/hm2)
    小区面积
    Plot area
    (m2)
    重复Repetition产量范围
    Yield rang
    (t/hm2)
    NPK
    仪征市Yizheng 2010—2011 扬麦16 Yangmai16 10/15、10/25、11/14、11/24 225 120 135 135、180、270、315 24 2 5.1~8.3
    仪征市Yizheng 2010—2011 扬麦16 Yangmai16 10/15、10/25、11/4、11/14、11/24 225 120 135 210 24 3 6.7~8.3
    如皋市Rugao 2012—2013 宁麦13、徐麦30 Ningmai13,Xumai30 10/28 0、75、150、225、300 115 135 225 30 3 2.9~9.1
    如皋市Rugao 2013—2014 宁麦13、徐麦30 Ningmai13,Xumai30 10/26 0、90、180、225、300 120 120 225 30 3 3.2~9.1
    淮安市Huai'an 2014—2015 宁麦13、扬辐
    麦4、淮麦20 Ningmai13,Yangfumai4,Huaimai20
    10/27 0、120、225、300 105 135 225 30 3 2.7~7.7
    泗洪县Sihong 2015—2016 徐麦30、淮麦20 Xumai30,Huaimai20 10/23 0、90、180、270、360 105 135 225 42 3 3.0~8.9
    泗洪县Sihong 2016—2017 徐麦30、淮麦20 Xumai30,Huaimai20 11/17 0、90、180、270、360 105 135 225 40 3 1.9~9.3
    兴化市Xinghua 2018—2019 镇麦12、宁
    麦13、扬麦23 Zhenmai12,Ningmai13,Yangmai23
    11/1 0、90、180、270、360 105 120 225 18 3 2.8~7.4
    兴化市Xinghua 2018—2019 扬麦23 Yangmai23 11/4、11/24 0、180、240、300 105 120 180、270、360 30 3 2.9~8.5
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    表 2  试验年份小麦生育期降雨量和土壤基础化学性质

    Table 2.  Rainfall during wheat growth stage and chemical properties of soil from 2010 to 2019

    地点
    Location
    试验年份Experimental year全氮
    Total N
    (g/kg)
    碱解氮
    Available N
    (mg/kg)
    速效磷
    Available P
    (mg/kg)
    速效钾
    Available K
    (mg/kg)
    有机质
    Organic matter
    (g/kg)
    降水量
    Rainfall
    (mm)
    仪征市Yizheng2010—20111.27112.4845.6389.3920.50 786.30
    如皋市Rugao2012—20131.87150.4157.8496.3224.601291.20
    如皋市Rugao2013—20142.49170.4852.6393.4830.501203.80
    淮安市Huai'an2014—20152.07158.6256.4594.6626.80 718.10
    泗洪县Sihong2015—20162.07159.4552.5493.6626.501051.50
    泗洪县Sihong2016—20172.07120.1452.4593.6626.501471.00
    兴化市Xinghua2018—20191.37102.8628.89120.59 18.681795.40
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    表 3  不同产量水平小麦样本统计性描述

    Table 3.  Statistical description of winter wheat with different yield levels

    产量范围
    Yield range
    (t/hm2)
    样本数
    Sample size
    产量Yield (t/hm2)
    平均值
    Mean
    标准差
    SD
    最小值
    Min.
    25%分位
    25% Quarter
    中间值
    Median
    75%分位
    75% Quarter
    最大值
    Max.
    < 4.5433.40.61.92.93.53.94.5
    4.5~6.0525.30.44.54.95.35.76.0
    6.0~7.5966.80.46.06.56.87.27.5
    > 7.5748.10.57.57.78.08.59.3
    总计Total265 6.31.71.95.26.77.69.3
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-13
  • 网络出版日期:  2020-09-23
  • 刊出日期:  2020-08-31

不同产量水平下稻茬小麦的氮素营养指标特征

    作者简介:杜宇笑 E-mail:2018801186@njau.edu.cn
    通讯作者: 曹强, qiangcao@njau.edu.cn
  • 南京农业大学国家信息农业工程技术中心/农业农村部农作物系统分析与决策重点实验室/智慧农业教育部工程研究中心/江苏省信息农业重点实验室,江苏南京 210095
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(31601222);中央高校基本科研业务费专项资金项目 (KJQN201725);江苏现代农业产业技术体系建设专项资金(JATS〔2019〕433,JATS〔2019〕141)。
  • 摘要:   【目的】  明确长江中下游地区不同产量水平稻茬小麦氮营养指标变化规律,为小麦氮素营养状况实时诊断提供理论依据。  【方法】  本研究通过江苏省多年多点田间不同氮肥、播期、密度和品种试验,构建不同产量水平小麦大数据,分析不同产量水平小麦在不同生育时期的干物质积累量、植株氮积累量和植株氮浓度的变化规律,并通过计算小麦临界氮浓度,得到累积氮亏缺和氮营养指数的动态变化规律,进而明确高产稻茬小麦氮素营养指标特征。  【结果】  干物质积累量和植株氮积累量的变化趋势一致,随着小麦生育进程的推进均逐渐增加,植株氮浓度逐渐减小,累积氮亏缺和氮营养指数会出现波动。整个生育期内,干物质积累量和植株氮积累量在高产小麦和中产小麦之间的差异不显著,但二者植株氮积累量均显著高于中低产小麦,中低产小麦又显著高于低产小麦。在抽穗期、开花期和灌浆期,高产和中产小麦干物质积累量显著高于中低产小麦,中低产小麦又显著高于低产小麦。依据累积氮亏缺值判断氮素营养状况,高产和中产小麦的累积氮亏缺变化趋势一致,在起身—孕穗期,高产小麦的累积氮亏缺值由0.3 kg/hm2降低为−23.0 kg/hm2,中产小麦由7.0 kg/hm2降低为−14.6 kg/hm2,孕穗—抽穗期又呈升高趋势,高产小麦由−23.0 kg/hm2升高为−11.4 kg/hm2,中产小麦由−14.6 kg/hm2升高为2.4 kg/hm2,开花—灌浆期的波动较小。表明高产小麦氮营养除起身期之外均为过剩,中产小麦在拔节—孕穗期的累积氮亏缺小于0,其余时期累积氮亏缺均大于0,但该水平的累积氮亏缺值一直在适宜范围内波动。中低产小麦在起身—拔节期,累积氮亏缺值由14.2 kg/hm2降低为9.5 kg/hm2,之后逐渐升高,灌浆期达到最大为43.9 kg/hm2;低产小麦在起身期到灌浆期,累积氮亏缺值由17.3 kg/hm2升高为71.1 kg/hm2。表明中低产和低产的小麦氮营养水平在整个生育期内逐渐降低,且整个生育期均处于亏缺状态 (累积氮亏缺值 > 0)。在拔节期、孕穗期、抽穗期和灌浆期,高产水平的小麦植株实际氮浓度高于植株临界氮浓度,中产小麦在孕穗期的植株实际氮浓度高于临界氮浓度,而中低产和低产的小麦在整个生育期植株实际氮浓度低于植株临界氮浓度。高产和中产的小麦氮营养指数在1附近波动,其中高产小麦的氮营养指数在起身—孕穗期由0.9升高为1.1,在抽穗—灌浆期,氮营养指数呈现先降低后升高趋势,其值分别为1.0、0.9和1.0,中产小麦与高产小麦的变化趋势一致,起身—孕穗期的氮营养指数由0.8升高为1.0,之后逐渐下降,其值均小于1,抽穗—灌浆期分别为0.9、0.9和0.9。中低产和低产的小麦氮营养指数始终低于1,中低产小麦在起身—拔节期氮营养指数由0.7升高为0.8,之后则逐渐下降,低产小麦从起身—开花期均逐渐下降,而这两个产量水平的氮营养指数在灌浆期会呈现略微上升趋势。  【结论】  随着产量水平的提高,小麦植株干物质和氮积累量、植株氮浓度、氮营养指数等都相应增加,累积氮亏缺相应下降。较高的干物质积累量和植株氮积累量是提高小麦产量的主要原因,在小麦生长过程中氮营养指数和累积氮亏缺均能准确诊断小麦氮营养状况,可为小麦氮肥精准管理提供理论支持。

    English Abstract

    • 小麦是我国重要的粮食作物之一,提高小麦产量对保证我国粮食安全具有重要意义[1-2]。氮素是小麦生长所必需的大量营养元素,对小麦产量及品质的形成有重要作用[3]。然而,我国小麦农田氮肥施用现状并不合理,大量氮肥施用到田间却不能被作物完全吸收利用,造成了氮肥资源的浪费,并引起了一系列环境问题[4]。前人研究表明,不同生育时期小麦对养分的需求具有阶段性,不同生育时期追施氮肥对小麦产量有不同程度的影响,拔节期追施氮肥对小麦的增产效果显著高于返青期和孕穗期[5],但Ravier等[6]认为小麦早期缺氮有利于提高小麦产量和品质,因此确定小麦氮肥施用时期和施用量对保证产量品质具有重要意义。前人对小麦的干物质积累量、氮积累量、氮浓度和氮营养指数的研究较多,增加施氮量能显著提高干物质积累量和氮积累量,进而提高产量[7-8],并且不同管理措施也会引起氮浓度、氮亏缺等氮营养指标的变化,进而影响小麦氮营养状况[9-10]。因此通过对不同生育时期氮营养指标的研究可以诊断不同生育时期的氮营养状况,对确定小麦施肥时期及施肥量有重要作用。前人针对如何快速、准确诊断田间氮素状况进行了大量研究,临界氮浓度最早是由Greenwood等[11]提出,是指达到最大地上部生物量所需的最小氮浓度,临界氮浓度稀释曲线是指植株氮浓度与地上部干物质积累量之间的关系,即Nc = a × DM–b(a、b均为此方程参数),在此基础上Lemaire等[12]提出了氮营养指数的概念,定义为实际氮浓度与临界氮浓度的比值,氮亏缺指临界氮积累量与实际氮积累量之差。多数研究表明这两个指标能较好的诊断出田间氮素状况,有利于解决田间氮肥管理问题[9-13]

      前人对不同施氮水平下小麦氮素营养状况及群体指标变化规律的研究较多,但对于不同产量水平小麦的氮营养指标变化及差异研究较少,通过对不同产量水平的氮素营养指标的分析,可以得出小麦在特定时期的氮素营养状况,为田间氮肥管理提供理论依据。本研究综合了2010—2019年江苏省多个试验点的试验数据,将其分为4个产量水平,探究不同产量水平小麦生长指标变化特征,明确氮素营养诊断指标的差异及变化规律,为高产小麦进行氮肥施用时期的精确管理提供科学依据。

      • 本研究所用数据均为本团队于2010—2019年在江苏省不同地点开展的小麦田间试验,共有265个数据。所收集的大数据包括氮水平试验、密度试验和品种试验,其中氮肥基追比为5∶5,追肥时期为拔节期,钾肥和磷肥作为基肥在播种前全部施用,其余栽培管理同一般高产田。表1为所用数据试验的年份、地点、品种、试验处理和产量范围;表2为各试验点的土壤性质及降雨量数据。

        表 1  数据来源

        Table 1.  Date sources

        地点Location试验年份
        Experimental
        year
        品种
        Cultivar
        播期
        Sowing date
        (month/day)
        养分施用量
        Nutrient application rate
        (kg/hm2)
        密度
        Density
        (× 104/hm2)
        小区面积
        Plot area
        (m2)
        重复Repetition产量范围
        Yield rang
        (t/hm2)
        NPK
        仪征市Yizheng 2010—2011 扬麦16 Yangmai16 10/15、10/25、11/14、11/24 225 120 135 135、180、270、315 24 2 5.1~8.3
        仪征市Yizheng 2010—2011 扬麦16 Yangmai16 10/15、10/25、11/4、11/14、11/24 225 120 135 210 24 3 6.7~8.3
        如皋市Rugao 2012—2013 宁麦13、徐麦30 Ningmai13,Xumai30 10/28 0、75、150、225、300 115 135 225 30 3 2.9~9.1
        如皋市Rugao 2013—2014 宁麦13、徐麦30 Ningmai13,Xumai30 10/26 0、90、180、225、300 120 120 225 30 3 3.2~9.1
        淮安市Huai'an 2014—2015 宁麦13、扬辐
        麦4、淮麦20 Ningmai13,Yangfumai4,Huaimai20
        10/27 0、120、225、300 105 135 225 30 3 2.7~7.7
        泗洪县Sihong 2015—2016 徐麦30、淮麦20 Xumai30,Huaimai20 10/23 0、90、180、270、360 105 135 225 42 3 3.0~8.9
        泗洪县Sihong 2016—2017 徐麦30、淮麦20 Xumai30,Huaimai20 11/17 0、90、180、270、360 105 135 225 40 3 1.9~9.3
        兴化市Xinghua 2018—2019 镇麦12、宁
        麦13、扬麦23 Zhenmai12,Ningmai13,Yangmai23
        11/1 0、90、180、270、360 105 120 225 18 3 2.8~7.4
        兴化市Xinghua 2018—2019 扬麦23 Yangmai23 11/4、11/24 0、180、240、300 105 120 180、270、360 30 3 2.9~8.5

        表 2  试验年份小麦生育期降雨量和土壤基础化学性质

        Table 2.  Rainfall during wheat growth stage and chemical properties of soil from 2010 to 2019

        地点
        Location
        试验年份Experimental year全氮
        Total N
        (g/kg)
        碱解氮
        Available N
        (mg/kg)
        速效磷
        Available P
        (mg/kg)
        速效钾
        Available K
        (mg/kg)
        有机质
        Organic matter
        (g/kg)
        降水量
        Rainfall
        (mm)
        仪征市Yizheng2010—20111.27112.4845.6389.3920.50 786.30
        如皋市Rugao2012—20131.87150.4157.8496.3224.601291.20
        如皋市Rugao2013—20142.49170.4852.6393.4830.501203.80
        淮安市Huai'an2014—20152.07158.6256.4594.6626.80 718.10
        泗洪县Sihong2015—20162.07159.4552.5493.6626.501051.50
        泗洪县Sihong2016—20172.07120.1452.4593.6626.501471.00
        兴化市Xinghua2018—20191.37102.8628.89120.59 18.681795.40
      • 小麦植株干物质积累量:在小麦起身期、拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、灌浆期进行破坏性取样,在每小区取代表性小麦20株,去除根,将茎、叶、穗器官分开装袋,于105℃杀青30 min,80℃烘至恒重后称重,计算出单位土地面积的地上部干物质积累量。

        植株氮浓度:用万分之一天平称取磨碎后的小麦样品0.1500 g,经消煮后,采用用凯氏定氮法测定小麦茎、叶、穗的氮素含量。

        小麦临界氮浓度根据赵犇等[13]提出的公式计算:

        $ {{\rm{N}}_{\rm{c}}} = 4.33 \times {\rm{D}}{{\rm{M}}^{ - 0.45}} $

        式中:Nc代表临界氮浓度;DM代表地上部干重。当DM > 1.5 t/hm2时,临界氮浓度稀释曲线可以很好地指示氮素营养;DM < 1.5 t/hm2时,临界氮浓度为定值,即NC = 4.33%。

        氮亏缺值根据Ata-Ul-Karim等[10]提出的公式计算:

        $ {\rm{AND}} = {\rm{N_{cna}}} - {\rm{N_{na}}} $

        式中:Ncna指临界氮浓度条件下的氮积累量;Nna指实际氮积累量。若AND = 0,表明植株氮营养处于最佳状态;AND > 0代表氮营养供应不足,AND < 0代表氮营养供应过量。

        氮营养指数根据Lemaire等[12]提出的公式计算:

        $ {\rm{NNI = N_a/N_c}} $

        式中:Na为实际氮浓度,若NNI = 1,代表氮营养处于最佳状态;NNI < 1,表明氮营养供应不足;NNI > 1,表明氮营养供应充足。

        籽粒产量:成熟期每个小区收获1 m2测产,自然风干后脱粒称重并按标准含水量 (13%)换算。

      • 本研究的样本数据分为4个产量水平:低产水平 < 4.5 t/hm2,中低产水平4.5~6.0 t/hm2,中产水平6.0~7.5 t/hm2,高产水平 > 7.5 t/hm2。用Origin 2018进行数据分析和作图,用IBM SPSS Statistic 25统计软件进行单因素方差分析。

      • 本研究中,分析8个试验的256个数据发现,冬小麦的产量变化范围为1.9~9.3 t/hm2,平均6.3 t/hm2(表3)。该平均产量比我国冬小麦2017年的平均产量5.5 t/hm2高15.0%,比世界小麦2017年的平均产量3.5 t/hm2高78.4%[14]

        表 3  不同产量水平小麦样本统计性描述

        Table 3.  Statistical description of winter wheat with different yield levels

        产量范围
        Yield range
        (t/hm2)
        样本数
        Sample size
        产量Yield (t/hm2)
        平均值
        Mean
        标准差
        SD
        最小值
        Min.
        25%分位
        25% Quarter
        中间值
        Median
        75%分位
        75% Quarter
        最大值
        Max.
        < 4.5433.40.61.92.93.53.94.5
        4.5~6.0525.30.44.54.95.35.76.0
        6.0~7.5966.80.46.06.56.87.27.5
        > 7.5748.10.57.57.78.08.59.3
        总计Total265 6.31.71.95.26.77.69.3
      • 整个生育期内,4个产量水平的小麦干物质积累量随着生育进程的变化趋势见图1。随着产量水平的升高,小麦干物质积累量增幅加大。通过方差分析可知,在整个生育期内高产和中产的小麦干物质积累量无显著差异;与中低产和低产小麦的差异主要集中在生长后期 (抽穗期、开花期和灌浆期)。高产、中产、中低产和低产在灌浆期的干物质积累量分别为14.6、13.6、11.4和9.0 t/hm2, 随着生育进程的推进,各产量水平的干物质积累量的差值逐渐增大,表明在生长后期小麦有较强的干物质积累量能力,这也决定着小麦的产量。

        图  1  不同产量水平冬小麦的干物质积累量的动态变化变化

        Figure 1.  Changes of dry matter accumulation of winter wheat with different yield levels

      • 随着生育进程的推进,小麦植株氮积累量逐渐升高 (图2)。各生育期高产和中产的小麦植株氮积累量间无显著差异,但均显著高于中低产和低产的小麦植株氮积累量 (P < 5%)。拔节期之前氮积累量的增幅最大,在生长中期增长幅度趋于平缓,开花期之后又有明显增长。在播种—拔节期和拔节—开花期的植株氮积累中,中产和高产小麦之间无显著差异,但均高于低产和中低产小麦,而在开花—灌浆期氮素积累量4个产量水平小麦间无显著差异。表明4个产量水平的小麦均在播种—拔节期阶段植株氮积累增量最大,而阶段积累量差异主要出现在拔节—开花期,此时,中产和高产小麦的氮素累积量显著高于中低产小麦,而中低产小麦又显著高于低产小麦。

        图  2  不同产量水平小麦植株氮积累量

        Figure 2.  Nitrogen accumulation of winter wheat with different yield levels

      • 随着小麦产量水平的升高,累积氮亏缺值逐渐降低,并且随着生育进程的推进,4个产量水平的小麦累积氮亏缺差异逐渐明显 (图3)。对于中产和高产小麦,累积氮亏缺在生育进程中会出现负值,根据方差分析可知,在起身期低产和中低产的小麦累积氮亏缺差异不显著,但均显著高于高产和中产小麦;拔节期和孕穗期低产小麦显著高于中低产小麦的累积氮亏缺,中产和高产小麦之间差异不明显,从抽穗期开始,4个产量水平小麦间的差异逐渐增大,且相互间差异明显。低产、中低产和中产的小麦累积氮亏缺在灌浆期达到最大,分别为71.1、43.9、8.8 kg/hm2;高产小麦在起身期达最大为0.3 kg/hm2。并且除低产水平小麦外,另3个产量水平的小麦累积氮亏缺都有显著波动,中低产水平小麦在拔节期的累积氮亏缺最低为9.5 kg/hm2,中产和高产小麦的最低累积氮亏缺均在孕穗期,分别为–14.6、–23.0 kg/hm2,之后累积氮亏缺逐渐上升。

        图  3  不同产量水平冬小麦累积氮亏缺变化趋势

        Figure 3.  Variation trend of accumulated nitrogen deficiency of winter wheat with different yield levels

      • 不同产量水平的小麦植株氮浓度与干物质积累量的关系均呈幂函数曲线关系,并且随着产量水平的提高,小麦植株氮浓度逐渐提高,但随着生育进程的推进,植株氮浓度逐渐降低。低产、中低产和中产的小麦植株实际氮浓度始终低于临界氮浓度,且随着产量的升高差距逐渐减小,高产小麦的植株实际氮浓度在生长过程中会高于植株临界氮浓度 (图4-A)。起身期至抽穗期的植株氮浓度下降较快,抽穗期至灌浆期的植株氮浓度下降较为缓慢,这主要与植株干物质积累量的增加有关。通过方差分析可知,高产和中产的小麦植株氮浓度之间无显著差异,除起身期外,中低产的小麦植株氮浓度均显著高于低产小麦。

        图  4  不同产量水平冬小麦植株临界氮浓度与实际氮浓度的变化趋势

        Figure 4.  Variation trend of plant critical nitrogen concentration and actual nitrogen concentration of winter wheat with different yield levels

      • 随着产量水平的升高小麦氮营养指数逐渐升高,并且在整个生育期内氮营养指数会有波动 (图5)。高产水平小麦起身期至灌浆期NNI平均值为0.9、1.1、1.1、1.0、0.9、1.0,也就说明在拔节期、孕穗期、抽穗期和灌浆期,高产量水平小麦的氮营养充足甚至过剩,中产水平小麦起身期至灌浆期氮营养指数平均值分别为0.8、1.0、1.0、0.9、0.9、0.9,表明氮营养状况整体较好;中低产水平小麦起身期至灌浆期氮营养指数平均值小于1,分别为0.7、0.8、0.7、0.7、0.7、0.7,表明氮营养供应较差;低产水平小麦的氮营养指数在起身期至灌浆期的平均值分别为0.6、0.6、0.5、0.5、0.4、0.5,表明氮营养状况极差。通过方差分析可知,在起身期、拔节期、孕穗期和开花期,高产和中产小麦间无显著差异,均显著高于低产和中低产小麦的氮营养指数;在抽穗期和灌浆期,4个产量水平小麦的氮营养指数间均存在显著差异。

        图  5  不同产量水平小麦氮营养指数的动态变化

        Figure 5.  Change trend of nitrogen nutrient index of winter wheat with different yield levels

      • 小麦干物质积累是产量形成的基础,在小麦生长进程中随着产量的提高,干物质积累量也会相应增加[15],在拔节—开花期干物质积累量与产量呈显著正相关[16-17],周玲等[18]认为增加小麦干物质积累量是提高其产量的重要途径,干物质积累量受小麦品种类型的影响较大,并且较高的干物质积累量会增加无效分蘖的生长,使得小麦在生长前期消耗较多营养,降低营养器官向籽粒的转运量,进而影响小麦产量[8, 17]。拔节—开花期是小麦籽粒形成的关键时期,此时的干物质积累量为后期小麦产量的形成奠定基础,而花后是籽粒灌浆的关键时期,该阶段较高的干物质积累量能保证小麦正常的灌浆能力[17]。本研究中,在整个生育期内,4个产量水平的小麦干物质积累量逐渐增加,干物质积累量的大小始终为高产水平 > 中产水平 > 中低产水平 > 低产水平小麦,这与周玲等[18]的研究结果相同。4个产量水平的小麦干物质积累差异主要从拔节期开始,在开花期干物质积累差异达到最大,这也表明拔节—开花期的干物质积累差异是影响小麦产量水平的重要时期。

        许多研究表明,小麦干物质积累和植株氮积累是同步进行的[19-20],不同产量水平小麦各生育时期的植株氮积累量也存在差异,拔节期是小麦快速生长时期,此时需要的养分较多,该阶段的植株氮积累量与产量呈二次函数关系,且相关性较好,是小麦养分吸收重要时期[21-22]。朱新开等[23]通过研究不同类型小麦氮积累认为提高拔节—开花期的植株氮积累量有利于提高小麦产量;凌启鸿[24]认为,高产小麦群体的植株氮积累量在花前高于低产小麦群体,且花后阶段的占比也有显著提高;阳显斌等[25]认为,高产小麦在拔节期以后仍然具有较高的氮素吸收能力,并且生长后期增加氮素吸收量利于进一步提高产量。本研究中不同产量水平间,小麦植株氮积累量的差异远大于干物质积累量,并且从起身期开始就有显著差异,之后差异逐渐增大,表明在生长早期小麦的植株氮积累量对产量有较大影响。4个产量水平小麦在播种—拔节期的植株氮积累量最大,在拔节—开花期的植株氮积累量差异最大,这也表明在小麦生长过程中,拔节—开花期是植株氮素积累的关键生长阶段,该结论与李瑞珂等[26]的研究相一致。

      • 翟丙年等[27]通过研究氮肥对小麦生长发育与产量的亏缺效应,认为越冬期和拔节期的氮亏缺能显著降低小麦产量,但在抽穗期的氮肥供应能有效降低拔节期缺氮对产量产生的影响。本研究中除了低产水平小麦外,中低产、中产和高产小麦在拔节期的累积氮亏缺均出现下降趋势,高产和中产小麦在拔节期和孕穗期的氮亏缺为负值,表明此时氮营养供应充足,这与小麦施用拔节肥有关。而在孕穗期之后,中产水平小麦的累积氮亏缺量逐渐增大,此时若能增施氮肥则有助于中产小麦产量的增加。易媛等[28]、安志超[29]研究认为,氮亏缺会降低小麦植株氮浓度,而植株氮浓度的高低又反映了小麦氮营养状况,拔节—开花期较高的植株氮浓度有利于优化小麦群体状况,孕穗期、开花期的植株氮浓度与产量呈显著正相关。在整个生育期内小麦植株氮浓度呈逐渐下降趋势,其中越冬—拔节期是小麦植株氮浓度快速下降的阶段,拔节—成熟期的小麦植株氮浓度下降速率逐渐变缓,这主要与干物质积累量和植株氮积累量间的异速生长有关[23, 29-33]。阳显斌等[25]研究不同产量水平小麦在不同生育时期的植株氮浓度时发现,高产小麦抽穗期与成熟期之间的植株氮浓度无显著差异,表明高产小麦在拔节期之后还具有较高的氮素吸收能力。通过植株临界氮浓度与植株实际氮浓度的对比发现,随着产量水平的提高小麦植株临界氮浓度与植株实际氮浓度的差异减小,高产水平小麦植株实际氮浓度在生长后期高于植株临界氮浓度,这也表明在高产小麦生长后期氮营养过剩。前人研究表明氮营养指数是诊断氮营养状况的较好指标[12, 34],李正鹏等[9]、张娟娟等[35]对不同施氮水平下小麦氮营养指数进行研究,发现随着小麦生育进程的推进,氮营养指数呈先升高后降低的波动状态,不同处理间变化趋势一致,并且氮营养指数随着施氮量的升高而升高。本研究中,高产水平的小麦氮营养指数在整个生育期内均在1附近波动,说明高产水平的氮素养分供应充足,在起身期和开花期氮营养指数小于1,可以认为这两个时期增施氮肥能进一步提高高产小麦的产量;中产小麦与高产小麦的差异较小,适当增加氮营养供应有助于中产小麦达到高产水平。拔节期到开花期是小麦生长的需氮高峰期,而中低产和低产水平小麦在此时的氮营养指数下降明显,表明该时期应提高氮肥供应[26, 36];开花—灌浆期的氮营养指数下降不明显,主要是由于该阶段籽粒70%的氮素积累靠营养器官转运,从外界吸收的氮素占30%,若此时增加氮营养供应则有助于提高小麦产量[26]。以上结果表明,累积氮亏缺、氮浓度和氮营养指数等均能诊断小麦植株氮营养状况,指导小麦的田间管理。

      • 赵犇等[13]通过临界氮浓度稀释曲线构建了小麦氮营养指数模型和氮亏缺模型,发现小麦地上部氮营养指数模型可以准确诊断氮素营养状况,小麦地上部氮亏缺模型可以定量调控氮肥管理措施。随着研究深入,不同研究者对不同作物 (玉米、水稻、油菜等) 的氮营养指数以及该诊断指标的其他用途进行了研究,发现氮营养指数能准确诊断出氮素亏缺对油菜各生长指标的影响以及玉米全生育时期的氮素亏缺状况,并能准确预测水稻和小麦不同生育期的氮素需求量,有效指导田间施肥[37-40],有研究认为氮营养指数与品质间有较好的线性关系,并能预测出不同氮肥条件下小麦产量构成[41-42]。王晓玲[33]认为,基于不同小麦器官临界氮浓度稀释曲线的氮营养指数和氮亏缺能有效的诊断氮素状况和预测相对产量,但基于茎干物质建立的临界氮浓度曲线下的氮营养指数与相对产量间的相关性最好。本研究与前人研究结果较为一致,认为氮营养指数和累积氮亏缺对小麦田间氮素状况诊断较为准确,且赵犇等[13]和Zhao等[41]认为不同氮水平试验下,氮亏缺值与氮营养指数的诊断结果相同,通过测定氮营养指数和累积氮亏缺,可以估测出小麦田间氮素盈亏水平。

      • 不同产量水平小麦干物质积累量和植株氮素积累量变化的总体趋势相同,但在不同生育时期氮积累量差异较为明显。植株氮浓度和氮营养指数均随着产量水平的增加而增加,累积氮亏缺呈逐渐下降趋势。但在整个生育期内植株氮浓度逐渐下降,累积氮亏缺和氮营养指数出现一定的波动。根据累积氮亏缺和氮营养指数的变化趋势判断不同产量水平小麦氮营养状况,其中,高产和中产小麦的累积氮亏缺和氮营养指数的变化趋势一致,但高产小麦的氮营养状况在除起身期外的其余时期氮营养均过剩;中产小麦起身期和拔节期氮营养过剩,其余时期为亏缺状态,整个生育时期累积氮亏缺均在0附近波动,氮营养指数在1附近波动,氮素营养基本达到最佳状态;而中低产和低产小麦在整个生育时期氮营养均处于亏缺状况,在关键生育时期需要及时施肥。在不同生育时期内小麦氮素吸收规律并不一致,累积氮亏缺和氮营养指数都能准确反映出小麦的氮营养状况,有助于指导田间施肥,提高小麦氮素精准管理的水平。

    参考文献 (42)

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