董慶玲，婁煥昌，張 慧，趙若林，鄭 賓，李增嘉，李 耕，寧堂原

（農業(yè)部作物水分生理與抗旱種質改良重點實驗 / 作物生物學國家重點實驗室/山東農業(yè)大學農學院，山東泰安 271018）

近年來，黃淮海小麥生產區(qū)機械化面積逐年增加，然而傳統的施肥方式，尤其是追肥方式已經與現代化的小麥生產模式不匹配。雖然小麥水肥一體化進程加快，但仍有較大面積以人工或機械表層撒施為主，這在小麥追肥過程中尤為突出[1]，導致氮肥揮發(fā)損失加重，氮素利用率降低，增產效果不佳[2-3]，且人工追肥費時費力，機械追肥易傷麥苗，因此，小麥免追肥成為了小麥進一步節(jié)本增效的重要途徑之一。

氮素對不同生育時期時小麥有不同影響[4]，前期主要影響單位面積有效穗數[5]，中后期主要影響葉片光合作用[6-7]，而籽粒產量60%～80%來自于抽穗后的光合產物[8]，因此，后期氮素供應不足直接降低光合作用，進而影響產量[9]。相較于傳統的基追肥方式，一次性基施普通尿素和不同釋放期的控釋尿素，可調節(jié)速效氮與緩釋氮的供應，其中的普通尿素在前期可促成有效穗，控釋尿素可有效提高生育后期光合速率[10]，并有效提高植株氮素積累量和氮素利用率[3,11-12]，是一種理想的氮肥施用模式。因此，在不減產的前提下，控釋尿素與普通尿素混合一次性基施，是進一步簡化農業(yè)生產的可行方案。

控釋尿素的釋放速率受土壤溫度、含水量的影響[13-15]，隨溫度升高養(yǎng)分釋放速率加快[16]。受氣溫和太陽輻射影響，表層土溫高于下層土[17]，水分運動也更活躍，因此施肥過淺時氮肥易過早釋放養(yǎng)分，達不到“后保”的要求；而施肥過深，對土層擾動較大，不利于小麥出苗，且增加了分層側深施肥播種機的操作難度。因此，合適的施肥深度是實現控釋、養(yǎng)分持續(xù)釋放和增產的重要因素。而且，適宜的施肥深度更符合植株根系的分布規(guī)律，可促進根系對養(yǎng)分的吸收，提高氮素利用率[18]。

前人對尿素配比的研究已較多，但大都是針對普通尿素與單一釋放期的控釋尿素配比或施氮量的研究[3,12,19]，且多應用于單季作物[10,20-22]，而關于不同釋放期控釋尿素與普通尿素配施對小麥產量及氮素利用機制的研究較少。對于施肥深度的研究也大都局限于種肥混播、種下施肥及種側施肥深度對產量和氮素利用指標影響的比較[23]，對光合性能等生理指標涉及較少。本研究在不同施肥深度下，采用一次性基施不同類型尿素處理與采用分次施肥的普通尿素處理作比較，探究不同尿素類型及施用深度對冬小麥光合作用、光系統Ⅱ性能、產量及氮素利用的影響，旨在為保證小麥產量的前提下，簡化現有施肥方式并提高氮素利用效率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2015年10月—2016年6月和2016年10月—2017年6月冬小麥生長季在山東農業(yè)大學農學試驗站 (36°9′N，117°9′E) 進行，該區(qū)屬溫帶半濕潤氣候，年平均氣溫12.8℃，年平均降水量700 mm。供試土壤為棕壤土，播種前測定試驗田0—20 cm土層土壤，2015—2016年其有機質含量13.88 g/kg，全氮含量1.06 g/kg，堿解氮含量95.85 mg/kg，速效磷含量53.17 mg/kg，速效鉀含量85.55 mg/kg。2016—2017年其有機質含量13.62 g/kg，全氮含量1.16 g/kg，堿解氮含量94.52 mg/kg，速效磷含量51.31 mg/kg，速效鉀含量87.44 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗采用裂區(qū)設計，以尿素類型 (T) 為主區(qū)，施用深度 (D) 為裂區(qū)。尿素類型設普通尿素處理(40%基施+60%追施，T1) 和普通和控釋尿素配施處理 (40%普通尿素+30%硫包膜尿素+30%樹脂包膜尿素，一次性基施，T2)，施用深度設5 cm (D1)、10 cm (D2)。以不施氮為對照，用以計算相關氮素利用效率。主區(qū)采用隨機區(qū)組設計，3次重復，小區(qū)面積150 m2(3 m × 50 m)。施氮處理施純氮量均為240 kg/hm2，普通尿素含氮量為46.6%，硫包膜尿素與樹脂包膜尿素含氮量均為43.5%。試驗區(qū)采用種植行間開溝覆土施肥，普通和控釋尿素處理種肥同期，普通尿素處理基肥播種同期，追肥于拔節(jié)期撒施。

2年均以‘濟麥22’為供試材料，分別于2015年10月12號和2016年10月10日播種，2016年6月6日和2017年6月5日收獲。2年播種量均為105 kg/hm2。播種前一次性施入P2O5120 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2。其余管理同一般高產田。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 植株全氮含量測定及氮素利用效率 分別于冬小麥返青期、拔節(jié)期取整株樣品，每處理30株；于開花期、灌漿期、成熟期每處理取長勢均勻一致30個單莖，鮮樣于105℃下殺青30 min，75℃烘干至恒重后，用磨樣機將烘干樣品粉碎，全自動凱氏定氮儀 (海能K9860) 測定植株全氮含量[24]，并計算氮素利用效率相關指標。相關計算公式[25]如下：

植株氮素積累量 (kg/hm2) = 植株干物質量 × 植株含氮量；

氮肥農學效率 (NAE，kg/kg) = (施氮區(qū)籽粒產量 -不施氮區(qū)籽粒產量)/施氮量；

氮素生理利用率 (NPE，kg/kg) = 籽粒產量/植株地上部氮素積累量

氮肥偏生產力 (PFPN，kg/kg) = 施氮區(qū)產量/施氮量；

氮肥表觀回收率 (NRE，%) = (施氮區(qū)地上部氮素吸收量 - 不施氮區(qū)地上部氮素吸收量)/施氮量 ×100

1.3.2 旗葉光合性能測定 于開花后0 d、7 d、14 d、21 d、28 d，使用 CIRAS-2 (PP Systems，美國) 便攜式光合儀于晴天上午9：00至12：00測定主莖旗葉光合速率(Pn)、氣孔導度 (Gs)、胞間CO2濃度 (Ci) 等參數，每處理重復10次。測定時光合儀開啟人工光源模式，紅藍光比例為 9∶1，PAR = 1400 μmol/(m2·s)；CO2由環(huán)境供應。

1.3.3 快速熒光誘導動力學曲線 測定于開花后0 d、7 d、14 d、21 d、28 d，使用 Handy-PEA(Hansatech，英國) 測定主莖旗葉快速葉綠素熒光誘導動力學曲線 (OJIP)。測定前預先將葉片暗適應15 min，每處理重復10次。通過分析OJIP曲線及計算，獲得相關參數，其計算公式如下，各參數含義見表1[26]。

1.3.4 產量及產量構成因素測定 于收獲期取1 m× 2 m區(qū)域，收獲有效穗，并計穗數；隨機選取具有代表性的30穗測定穗粒數；自然風干測定千粒重(籽粒含水率為13.5%)，每處理重復3次。

1.4 數據統計

試驗數據采用Microsoft Excel 2006進行原始數據處理，DPS 7.05軟件進行裂區(qū)方差分析，采用Duncan’s新復極差法進行多重比較，Origin 8.0軟件作圖。其中，產量構成因素、葉片氣體交換參數、氮素積累量及氮素利用等相關指標使用2015—2017年2年數據；光系統II (PSII) 供/受體、反應中心性能使用2016—2017年1年數據。

表1 JIP-分析相關參數及其含義Table 1 Meanings of JIP-Test parameters

2 結果與分析

2.1 不同尿素類型和施用深度對產量及產量構成因素的影響

2年試驗結果表明，尿素類型和施用深度對冬小麥籽粒產量影響極顯著，2015—2016年二者交互作用顯著，2016—2017年交互作用不顯著 (表2)。多重比較結果表明，主區(qū)因素中，普通和控釋尿素配施處理 (T2) 顯著提高冬小麥產量，較普通尿素處理(T1) 2年平均增產944 kg/hm2；副區(qū)因素中，尿素深施 (D2) 與淺施 (D1) 差異顯著，普通尿素條件下，深施較淺施提高263 kg/hm2，普通和控釋尿素配施條件下，深施較淺施提高235 kg/hm2(表3)。尿素類型和施用深度交互作用對2015—2016年產量影響顯著，2016—2017年交互作用不顯著，最優(yōu)組合為主、副區(qū)主效應檢驗的最優(yōu)水平組合T2D2，即兩年結果均表明產量最優(yōu)組合為T2D2。相較于普通尿素處理，普通和控釋尿素配施處理有效穗數提高4.3%，千粒重提高4.5%，差異雖達到顯著水平 (P〈 0.05)，但實際增產意義不明顯，而配施處理下產量較普通尿素處理增加9.5%，增產效果顯著。

2.2 不同尿素類型和施用深度對冬小麥旗葉氣體交換參數的影響

由圖1可以看出，旗葉凈光合速率 (Pn) 和氣孔導度 (Gs) 在開花后7 d有所上升，隨后隨著生育時期的推進而明顯下降，胞間CO2濃度 (Ci) 趨勢相反。兩年結果表明，T2D2處理的凈光合速率最高，T1D1最低。從主區(qū)因素來看，T2較T1平均凈光合速率顯著提高6.4%，且隨著生育時期的推進，T1處理旗葉凈光合速率下降明顯，T2處理下降相對平緩；從裂區(qū)因素來看，D2較D1平均凈光合速率提高3.6%，尿素類型與施用深度交互效應未達到顯著水平。尿素類型與施用深度對開花后7～28 dGs的影響表現為T2 〉 T1，在同一尿素類型下表現為D2 〉 D1，經主區(qū)、裂區(qū)主效應檢驗差異達顯著水平，T2D2處理的氣孔導度最高。2年試驗表明，與施普通尿素相比，普通和控釋尿素配施可顯著降低胞間CO2濃度(Ci)，在開花后14 d差異達到極顯著水平 (P〈0.01)。在普通和控釋尿素配施處理的基礎上深施可進一步降低胞間CO2濃度。

表2 主體間效應檢驗Table 2 Test of between-subjects effect

表3 不同處理對冬小麥產量及產量構成因素的影響Table 3 Effects of different treatments on yield and yield components of winter wheat

2.3 不同尿素類型和施用深度對冬小麥旗葉光系統Ⅱ (PSⅡ) 的影響

圖1 不同處理對冬小麥開花后旗葉氣體參數的影響Fig. 1 Effects of different treatments on gas exchange parameters of flag leaf after anthesis

圖2 不同處理對開花后旗葉光系統II (PSII) 反應中心性能的影響Fig. 2 Effects of different treatments on reaction center performance of photosystem II of flag leaf after anthesis

2.3.1 光系統Ⅱ (PSⅡ) 反應中心性能 圖2表明，隨生育時期推進，最大光化學效率 (φPo)、電子傳遞的量子產額 (φEo)、熒光光化學猝滅系數 (ψo) 均呈單峰趨勢，在開花后7 d左右到達峰值，之后逐漸下降，且降幅隨之增大。尿素類型對φPo、φEo、ψo的影響差異均達到顯著水平，表現為T2 〉 T1，T2處理顯著減小了光系統Ⅱ (PS Ⅱ) 反應中心性能指數的降幅。在開花后0 d、7 d，尿素施用深度間差異未達到顯著水平；開花后14 d、21 d、28 d，施用深度間差異達到顯著水平，相較于D1處理，D2處理顯著提高了φPo、φEo、ψo。尿素類型與施用深度交互作用對開花后期旗葉φPo有顯著影響，對φEo、ψo的影響差異不顯著。所有處理中，T2D2的光系統Ⅱ (PS Ⅱ)性能指數最佳。

2.3.2 光系統Ⅱ (PSⅡ) 供/受體側變化 供體側放氧復合體 (OEC) 受到抑制時熒光強度上升，出現K點[27-28]。受體側的氧化/還原比率上升，則J點的相對可變熒光變大[29]。通過JIP-test可知，尿素類型和施用深度對冬小麥旗葉在K點的可變熒光 (Fk) 占Fo-Fj振幅的比例 (Wk) 與在J點的可變熒光 (Fj) 占Fo-Fp振幅比例 (Vj) 的影響差異有顯著意義 (圖3)。就尿素類型來看，T2處理花后Wk和Vj顯著小于T1處理。就施用深度來看，D2處理開花后14～28 d的Wk和Vj顯著小于D1處理。相較于T1D1處理，T2D2處理開花后7 d、14 d、21 d、28 d 的Wk分別降低8.2%、6.6%、5.5%、10.6%，Vj降低8.1%、12.6%、17.2%、15.2%，普通和控釋尿素配合深施處理同時改善了電子傳遞量供體側和受體側性能，對受體側的改善大于供體側。

圖3 不同處理對開花后旗葉光系統II (PSII) 供體側/受體側的影響Fig. 3 Effects of different treatments on the donor and acceptor sides of photosystem II of flag leaf after anthesis

圖4 不同處理對冬小麥氮素積累量的影響Fig. 4 Effects of different treatments on nitrogen accumulation of winter wheat

2.4 不同尿素類型和施用深度對氮素積累的影響

圖4表明，冬小麥氮素的積累速率隨著生育時期的推進呈現先增后減的趨勢，拔節(jié)期和開花期積累速率最大。除2016-2017年施用深度對起身期冬小麥氮素積累影響不顯著外，尿素類型和施用深度對2年冬小麥其它生育時期的氮素積累均有顯著影響，二者交互作用對成熟期氮素積累的影響差異也達到顯著水平。返青期，主區(qū)處理表現為T2 〉 T1，裂區(qū)處理表現為D2 〉 D1；施拔節(jié)肥后，T1處理氮素積累量較T2處理顯著提高7.4%、7.9% (2015-2016年)，5.5%、8.0% (2016-2017年)；開花期至成熟期，表現為T2 〉 T1，且隨生育時期的推進差異越大；至成熟期，T2處理干物質積累量及氮素積累量較T1顯著提高11.5%、5.5% (2015-2016年)，10.8%、7.0% (2016-2017年)。在整個生育時期，D2處理的氮素積累量均高于D1處理。

2.5 不同尿素類型和施用深度對冬小麥氮素利用的影響

由表4可以看出，尿素類型和施用深度對2年氮肥農學效率 (NAE) 和氮肥偏生產力 (PFPN) 影響極顯著，二者互作效應對2015—2016年NAE和PFPN的影響顯著，對2016—2017年NAE和PFPN的影響不顯著。尿素類型和施用深度對2015—2016年氮素生理利用率 (NPE) 的影響顯著，對2016—2017年NPE的影響不顯著，二者交互效應不明顯。尿素類型對播種～拔節(jié)期、拔節(jié)～開花期、開花～成熟期氮肥表觀回收率 (NRE) 有顯著影響；施用深度對播種～拔節(jié)期有顯著影響；尿素類型、施用深度及二者交互效應對成熟期表觀回收率的影響均達到顯著水平。

表4 不同處理冬小麥氮肥利用效率Table 4 Fertilizer nitrogen use efficiencies of winter wheat under different treatments

T2處理較T1處理氮肥農學效率和氮肥偏生產力2年平均提高7.9 kg/kg；D2較D1平均提高4.1 kg/kg。就氮肥農學效率和氮肥偏生產力而言，2015-2016年尿素類型和施用深度的交互效應顯著；2016-2017年二者無顯著交互作用。2年結果顯示，T2D2組合氮肥農學效率和氮肥偏生產力最高。2015-2016年，T2處理氮素生理利用率較T1處理提高4.0 kg/kg；T1處理下D1較D2提高0.8 kg/kg，T2處理下不同深度間差異不顯著。

2年試驗結果表明，隨生育期的推進，T1處理氮肥表觀回收率總體呈下降趨勢，T2處理呈先增后降的趨勢。播種～拔節(jié)期氮肥表觀回收率表現為T1 〉T2，T1提高33.8%；拔節(jié)～開花期、開花～成熟期表現為T2 〉 T1，T2分別提高94.7%、39.1%；播種～成熟期表現為T2 〉 T1，T2提高18.6%。尿素深施顯著提高了播種～拔節(jié)期、播種～成熟期的氮肥表觀回收率，分別提高12.6%、8.8%。

3 討論

3.1 尿素類型和施用深度對冬小麥光合性能的影響

小麥葉片光合速率是決定產量的重要因素，生育后期葉片的光合作用尤為重要。研究表明，抽穗后增加外源氮素供應可改善小麥葉片PSⅡ性能[30]，有效提高葉片光合速率，延長光合功能期，提高小麥產量[31]。郭金金[32]在夏玉米/冬小麥研究中表明，一次性基施普通尿素和控釋尿素摻混肥可有效提高小麥花后光合速率，并延長光合作用期。但也有研究表明，普通尿素分施處理更有利于提高生育后期凈光合速率[33]。本研究中，一次性基施普通和控釋尿素處理的PSⅡ性能與光合性能均顯著高于普通尿素處理。隨生育期推進，冬小麥葉片氣孔導度 (Gs) 的下降伴隨著胞間CO2濃度 (Ci) 的升高，說明非氣孔因素是葉片光合作用下降的主要原因。普通和控釋尿素配施處理較普通尿素處理Gs和Pn顯著提高，Ci顯著降低，與前人研究結果基本一致[34]。尿素深施處理較淺施處理可進一步提高光合速率。

光系統Ⅱ (PSⅡ) 作為光化學反應的首要位點，具有吸收光能并將其以電子的形式經由光系統Ⅰ(PSⅠ) 傳遞到下游羧化系統的功能，其性能變化直接影響了PSⅠ性能的強弱，進而影響光合作用[35]，通過JIP-test可以研究PSⅡ反應中心性能變化的情況[36]。最大光化學效率φPo、電子傳遞的量子產額φEo、熒光光化學猝滅系數ψo分別反映了光系統Ⅱ(PSⅡ) 反應中心光能吸收、光電子轉化及電子轉移的狀況[26,37-38]，是重要的性能指數。本研究表明，普通和控釋尿素配合深施處理顯著減小了φPo和φEo的降幅，且φEo的降幅小于φPo的降幅，因此傳遞到電子鏈末端的電子產額占還原QA的電子的比率 (ψo) 也顯著提高，這有利于形成更多ATP和NADPH，潛在地提高了羧化途徑的底物來源，進而促進光合作用和光合產物的形成。K點相對可變熒光 (Wk)、J點相對可變熒光 (Vj) 分別反映了反應中心供體側與受體側性能[27,29]。本研究表明，普通和控釋尿素配合深施處理顯著改善了開花后旗葉供/受體側性能，提高電子由供體側到受體側的傳遞速率，供/受體側性能的改善也是光合速率提高的原因之一。

本研究中，普通和控釋尿素配施處理中控釋尿素的后效性減緩了生育后期反應中心性能的衰退，使旗葉葉綠素中保持較高的光化學效率及電子傳遞效率，在此基礎上深施，進一步加強反應中心對光能的轉化，減少生育后期量子的耗散，增大PSⅡ反應中心開放程度，促進PSⅡ反應中心的性能，使吸收的光能較多地用于電子傳遞鏈，為碳同化提供充足的能量，是該處理下冬小麥旗葉光合速率提高的重要原因之一。

3.2 尿素類型和施用深度對冬小麥產量和氮素利用的影響

前人研究發(fā)現[3,39-40]，控釋混摻尿素基施可有效提高小麥產量和氮素利用效率，起到了節(jié)肥增效的作用，本研究結果與其基本一致。尿素類型、施用深度及其二者交互效應對氮肥農學利用效率 (NAE)、氮肥偏生產力 (PEPN) 均有顯著影響，說明在相同施氮量的條件下，普通和控釋尿素深施 (T2D2) 處理可以顯著提高籽粒產量。尿素類型和施用深度對2015-2016年氮素生理利用率影響顯著，呈普通和控釋尿素配施處理 〉 普通尿素處理，深施 〉 淺施的規(guī)律，氮素積累總量亦有此規(guī)律，說明普通和控釋尿素處理在提高氮素積累總量的同時，可以更大程度的提高籽粒產量；尿素類型和施用深度對2016-2017年氮素生理利用率影響不顯著，說明普通和控釋尿素深施處理的產量和地上部植株氮素積累是同步提高的。

本研究發(fā)現，普通和控釋尿素配施處理返青期氮素積累高于普通尿素處理，說明普通和控釋尿素配施處理更符合小麥在分蘗期對氮素的需求；普通尿素處理氮肥表觀回收率在播種至拔節(jié)期較普通和控釋尿素配施處理提高33.8%，而在拔節(jié)至開花期、開花至成熟期普通和控釋尿素配施處理較普通尿素處理顯著提高94.7%和39.2%，即普通尿素處理吸氮高峰在拔節(jié)期前后，普通和控釋尿素配施處理吸氮高峰在開花期前后，普通和控釋尿素配施處理則符合孕穗期對氮素需求。施用深度對兩個主區(qū)氮肥表觀回收率影響不同。普通尿素處理主區(qū)，尿素深施處理顯著提高了普通尿素處理播種至拔節(jié)期氮肥表觀回收率，說明施用深度對冬小麥生育前期氮素的吸收影響顯著；而拔節(jié)至開花期、開花至成熟期氮肥表觀回收率差異不顯著，這與普通尿素處理追肥方式一致有關。對普通和控釋尿素配施處理區(qū)，普通和控釋尿素配施對播種至拔節(jié)期、拔節(jié)至開花期、開花至成熟期氮素表觀回收率影響不顯著，說明控釋尿素可以減小施用深度間的差異。2年試驗結果表明尿素類型、施用深度和二者交互作用對氮素表觀回收率的影響均達到顯著水平，說明普通和控釋尿素深施可有效減少氮素損失，滿足冬小麥不同生育時期的時空需求。

前人研究表明，冬前分蘗期和拔節(jié)至孕穗期的氮素營養(yǎng)水平分別影響有效穗的形成和后期葉片的光合性能，進而影響小麥產量[41]。作物產量構成因素間有相互制約和補償的關系，即單位面積穗數的多少會抑制或促進穗粒數和粒重的增加，補償關系表現在作物生育中、后期[42]。粟麗等[43]在對小麥的研究中表明普通尿素與控釋尿素混合一次性基施減少了穗數，但穗粒數和千粒重有所提高，進而促使產量的提高。本研究表明，一次性基施普通和控釋尿素處理的穗數、穗粒數和千粒重均有不同程度的提高，且穗數和粒重達到了顯著水平。說明普通和控釋尿素配施可以滿足小麥在不同生育期氮素的需求，前期促成有效穗，并提高后期葉片的光合性能，提高粒重，保證結實率，進而促進小麥高產。普通尿素處理在拔節(jié)期采用地表撒施追肥，氮素生理利用率低，單位面積穗數降低，后期光合作用下降，產量構成因素間未得到有效補償，在有效穗數和粒重的雙重影響下，產量勢必降低。氮素深施符合根系分布規(guī)律，在控釋尿素的基礎上深施可進一步提高小麥氮素利用效率和產量[44-45]。經方差分析和主效應檢驗表明，產量最優(yōu)組合均為普通和控釋尿素配合深施處理，較普通和控釋尿素配合淺施、普通尿素深施、普通尿素淺施處理2年平均增產2.2%、9.2%、12.1%。綜合而言，同一尿素類型不同施肥深度對產量提升的效果不顯著，而相同施肥深度條件下，普通和控釋尿素較普通尿素單施增產效果均達極顯著水平。

4 結論

普通和控釋尿素配合深施至土壤10 cm，其肥效釋放與冬小麥旗葉光合性能需求一致，有利于增加光能轉化利用效率。與普通尿素分次淺施相比，普通和控釋尿素配合深施進一步增加了冬小麥花期旗葉光合同化能力，提高了氮素利用效率，產量顯著增加，增幅達11.6%～12.7%，是一項省工增效的冬小麥栽培管理技術。