陳琛， 石柯， 朱長(zhǎng)偉， 姜桂英， 羅瀾， 孟威威， 劉芳，申鳳敏， 劉世亮

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450002）

小麥?zhǔn)俏覈?guó)重要的糧食作物，其產(chǎn)量高低關(guān)系到我國(guó)糧食安全。氮素是植物所需的重要營(yíng)養(yǎng)元素，在植物的生長(zhǎng)和發(fā)育中起著重要作用[1]。但我國(guó)集約化農(nóng)業(yè)長(zhǎng)期過量施用化肥，特別是氮肥，不僅導(dǎo)致土壤酸化板結(jié)，同時(shí)提高了生產(chǎn)成本，加劇環(huán)境污染。因此，尋找減氮增效的農(nóng)藝措施是目前農(nóng)業(yè)上亟需解決的問題。施肥和種植密度是影響小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[2]。氮肥減施是提高氮肥利用率最直接的方法，但因土壤肥力不同可能會(huì)對(duì)小麥產(chǎn)量有一定影響，而種植密度的提高則可在一定程度上彌補(bǔ)這一弊端。氮肥用量和種植密度的改變，會(huì)對(duì)小麥的光合作用特征、產(chǎn)量以及土壤中不同氮素形態(tài)造成一定影響。因此，開展不同種植密度和氮肥施用水平下小麥光合作用特征、產(chǎn)量及土壤氮素含量變化方面的研究具有重要意義。

合理的種植密度和氮素水平有利于提高小麥光合作用，增加對(duì)土壤氮素的吸收，提高作物產(chǎn)量[3-4]。張福鎖等[5]研究發(fā)現(xiàn)，黃淮地區(qū)氮肥施用量遠(yuǎn)高于作物生長(zhǎng)需求。因此，適量減少氮肥施用量是提高氮肥利用率最直接的措施。研究表明，在常規(guī)施氮量基礎(chǔ)上適當(dāng)減氮能提高葉片凈光合速率，延長(zhǎng)光合作用時(shí)間，促進(jìn)葉片水氣交換，提高蒸騰作用和葉片利用CO2能力，對(duì)氣孔導(dǎo)度有一定提升作用[6]。適當(dāng)增加種植密度能夠增加小麥生長(zhǎng)中后期旗葉光合作用和葉綠素含量[7]；減氮處理可增加花后冠層下部葉片受光比率，改善其受光狀況，并提高光合速率[8]。聶勝委等[9]研究表明，在豫南砂姜黑土上，在施氮量300 kg·hm-2的基礎(chǔ)上減施10%和20%均不會(huì)造成小麥減產(chǎn)。茍志文等[10]發(fā)現(xiàn)，在厚層灌漠土上，在施氮量180 kg·hm-2基礎(chǔ)上減氮15%不會(huì)影響小麥產(chǎn)量。張娟等[11]認(rèn)為，在適當(dāng)降低氮肥用量條件下，通過增加種植密度可以促進(jìn)小麥吸收深層土壤氮素，減少土壤氮素殘留，并保持較高的產(chǎn)量水平。施氮量和小麥種植密度的變化直接影響土壤中不同氮素形態(tài)。石柯等[12]研究表明，減施氮肥的同時(shí)增加小麥播種量會(huì)降低不同土層土壤中微生物量碳氮及土壤全氮含量。葉盛嘉等[13]發(fā)現(xiàn)，氮肥施用量的降低會(huì)造成不同土層硝態(tài)氮?dú)埩袅亢拖鯌B(tài)氮分布比例的降低。由此表明，氮肥施用量和種植密度間存在互作效應(yīng)，適當(dāng)減少氮肥施用量、合理密植不僅有利于小麥群體充分吸收土壤氮素，還可減少土壤氮素殘留的同時(shí)保證小麥產(chǎn)量。

由于作物的光合特性隨作物種類、密度、施肥量以及栽培地域存在較大差異，盡管關(guān)于增加小麥播量或減施氮肥等單因素對(duì)小麥產(chǎn)量影響的報(bào)道較多，但有關(guān)豫北潮土區(qū)小麥播量和施氮量對(duì)土壤養(yǎng)分和小麥光合特性、產(chǎn)量的研究有待于進(jìn)一步加強(qiáng)。因此，本研究以豫北潮土區(qū)常規(guī)氮素施用水平為基準(zhǔn)，研究氮肥減施20%與不同種植密度對(duì)土壤不同形態(tài)氮素含量及小麥光合作用和產(chǎn)量的影響，以期為該地區(qū)小麥可持續(xù)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年10月在河南省原陽縣河南農(nóng)業(yè)大學(xué)原陽科教園區(qū)（34°47′N，113°40′E）實(shí)施。試驗(yàn)地屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫14.5 ℃，年均降水量616 mm，年均蒸發(fā)量1461 mm，年均日照時(shí)數(shù)2323 h。試驗(yàn)地土壤為潮土，成土母質(zhì)為黃河沖積物。試驗(yàn)開始前0—20 cm土層土壤理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)17.3 g·kg-1，全氮1.00 g·kg-1，堿解氮71.33 mg·kg-1，有效磷21.6 mg·kg-1，速效鉀108.0 mg·kg-1，pH 7.2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究小麥品種為‘鄭麥369’。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)于2016—2019年開展大田定位試驗(yàn)。以當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量和小麥播量為對(duì)照，分別設(shè)置（1）常規(guī)小麥播量+常規(guī)施氮量（CBCF）；（2）小麥播量增加30%+常規(guī)施氮量（ZBCF）；（3）小麥播量增加30%+氮量減施20%（ZBJF）；（4）常規(guī)小麥播量+氮量減施20%（CBJF），共計(jì)4個(gè)處理，各處理小麥播種量與施肥量詳見表1。每處理3次重復(fù)。每小區(qū)面積68.75 m2（12.5 m×5.5 m）。

表1 各處理小麥播種量與施肥量Table 1 Wheat seeding amount and fertilizer amount in each treatment （kg·hm-2）

每年10月10日左右進(jìn)行小麥季整地、施肥、播種，來年3月15日左右進(jìn)行小麥季追肥。其中磷、鉀肥均作為基肥施用；氮肥按照基追比7∶3的比例進(jìn)行施用。4個(gè)處理中僅CBCF處理采用機(jī)械播種、施肥；其余均人工播種、施肥；其他管理方式一致。玉米于每年6月10日左右采用鐵茬種肥同播。試驗(yàn)期間澆水、防病、除草等田間管理措施均一致。

1.3 樣品采集及測(cè)定方法

1.3.1 小麥光合特性的測(cè)定 于2019年小麥拔節(jié)期、抽穗期、開花期、灌漿期（花后10 d）采用Li-6400便攜式光合儀（美國(guó)LI-COR公司）于晴朗無云天氣在上午9∶30—11∶30測(cè)定小麥旗葉（拔節(jié)期取頂部第一片完全展開的葉片）的凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、胞間CO2濃度（intercellular CO2concentration，Ci）、氣孔導(dǎo)度（stomatal conductance，Gs）和蒸騰速率（transpiration rate，Tr）。

1.3.2 葉綠素含量的測(cè)定 測(cè)定光合參數(shù)后將葉片取下置于液氮保存，帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)除去葉脈，剪碎、混勻，稱取0.2 g，用乙醇研磨法提取葉綠素，采用SPECORD 200紫外可見分光光度計(jì)(德國(guó)耶拿公司)測(cè)定吸光度值，參照Arnon法[14]測(cè)定葉綠素（chlorophyll，Chl）含量。

1.3.3 土壤指標(biāo)測(cè)定 于2019年6月10日小麥?zhǔn)斋@后，采用5點(diǎn)法采集土壤樣品，每個(gè)處理分別取0—10、10—20和20—30 cm土層的土壤，樣品去除可見植物殘?bào)w和石塊，一部分直接過篩于4 ℃保存在冰箱中，用于微生物量氮、可溶性有機(jī)氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的測(cè)定；另一部分風(fēng)干后過篩用于土壤常規(guī)化學(xué)成分的測(cè)定。土壤全氮含量采用半微量開氏法測(cè)定；土壤堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法[15]測(cè)定；土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量采用KCl2浸提-流動(dòng)分析儀（Auto analyzer3）測(cè)定；微生物量氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提（土水質(zhì)量比1∶4），并用總有機(jī)碳、氮分析儀（Teledyne Tekmar）進(jìn)行測(cè)定[16]；可溶性有機(jī)氮采用去離子水浸提法（土水質(zhì)量比1∶2），用真空泵抽濾過0.45 nm微孔濾膜，濾液用總有機(jī)碳、氮分析儀（Teledyne Tekmar）進(jìn)行測(cè)定[17]。

1.3.4 作物產(chǎn)量的測(cè)定 在小麥成熟期按小區(qū)實(shí)收單打單收，測(cè)產(chǎn)面積為1 m2。小麥成熟時(shí)取“一米雙行”進(jìn)行考種，測(cè)定成穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。

1.3.5 氮肥偏生產(chǎn)力計(jì)算 氮肥偏生產(chǎn)力按以下公式計(jì)算。

1.4 統(tǒng)計(jì)及分析

采用Microsoft Office 2010、SPSS 23.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，采用Origin 2018作圖，單因素方差分析采用LSD法檢驗(yàn)處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植密度和施氮量對(duì)小麥葉片凈光合速率（Pn）的影響

如圖1所示，小麥主要生育時(shí)期的凈光合速率（Pn）總體呈現(xiàn)灌漿期＞抽穗期＞開花期＞拔節(jié)期。在拔節(jié)期和抽穗期，CBJF處理的Pn均顯著高于CBCF處理，分別比CBCF處理高出164%和7%。在開花期，不同處理間的Pn差異不顯著。在灌漿期，ZBJF處理的Pn顯著高于其他處理，為20.53 μmol·m-2·s-1，較CBCF處理提高17%。整體上看，ZBJF處理有利于提高小麥灌漿期葉片Pn；CBJF處理提高了小麥拔節(jié)期和抽穗期的Pn，即CBJF處理提高了生育前期葉片Pn，ZBJF處理增加了生育后期葉片Pn。

圖1 不同處理不同生育時(shí)期凈光合速率Fig. 1 Net photosynthetic rates at different growth stages under different treatments

2.2 種植密度和施氮量對(duì)小麥胞間CO2濃度（C）i的影響

如圖2所示，各處理的胞間CO2濃度（Ci）由拔節(jié)期到抽穗期有所降低，而到開花期時(shí)又略有升高，到灌漿期達(dá)到最低。在拔節(jié)期和開花期，常規(guī)施氮處理的Ci略高于減施氮肥處理；在抽穗期，不同處理間的Ci差異不顯著，其中CBCF處理在拔節(jié)期和開花期的Ci均顯著高于CBJF處理；而灌漿期ZBJF處理的Ci顯著高于其他處理，較CBCF處理提高22%?？傮w上看，ZBJF處理提高了灌漿期小麥葉片的Ci；CBJF處理降低了小麥拔節(jié)期、抽穗期和開花期葉片的Ci。

2.3 種植密度和施氮量對(duì)小麥氣孔導(dǎo)度（Gs）的影響

如圖3所示，各處理小麥葉片的氣孔導(dǎo)度（Gs）均于抽穗期最高。在拔節(jié)期和抽穗期，常規(guī)施氮處理葉片的Gs顯著高于減施氮肥處理，其中，CBCF處理的葉片Gs最高。在開花期，CBJF處理的葉片Gs顯著低于其他處理，較CBCF處理降低35%。在灌漿期，ZBJF處理的葉片Gs顯著高于其他處理，為0.33 μmol·m-2·s-1。整體上看，在拔節(jié)期和抽穗期常規(guī)施氮處理小麥葉片的Gs顯著高于減施氮肥處理；而在灌漿期ZBJF處理小麥葉片的Gs顯著高于其他處理。

圖3 不同處理不同生育時(shí)期氣孔導(dǎo)度Fig. 3 Stomatal conductance at different growth stages under different treatments

2.4 小麥種植密度和施氮量對(duì)小麥蒸騰速率（Tr）的影響

如圖4所示，在拔節(jié)和抽穗期，常規(guī)施氮處理小麥葉片的蒸騰速率（Tr）均高于減施氮肥處理，特別是CBCF處理。在灌漿期，ZBJF處理葉片的Tr最高,為3.51 μmol·m-2·s-1，顯著高于其他處理；CBJF處理最低，為2.13 μmol·m-2·s-1。整體上看，在小麥生長(zhǎng)前期以常規(guī)施氮處理小麥葉片的Tr較高；而后期則以ZBJF處理小麥葉片的Tr最高。

圖4 不同處理不同生育時(shí)期蒸騰速率Fig. 4 Transpiration rates at different growth stages under different treatments

2.5 小麥種植密度和施氮量對(duì)葉綠素（Chl）含量的影響

如圖5所示，增播（ZBCF、ZBJF）處理小麥在拔節(jié)期的葉綠素（Chl）含量高于其他2個(gè)時(shí)期。在拔節(jié)期，CBJF處理葉片的Chl含量最低；在抽穗期，各處理間差異不顯著；在灌漿期，ZBCF處理葉片Chl含量顯著低于其他處理，較CBCF處理降低16%。整體上看，ZBJF處理能增加小麥拔節(jié)期和抽穗期葉片Chl含量；灌漿期減施氮肥處理與CBCF處理差異不顯著，說明ZBJF處理能增加小麥開花期前葉片的葉綠素含量。

圖5 不同處理不同生育時(shí)期葉綠素含量Fig. 5 Chlorophyll content at different growth stages under different treatments

2.6 種植密度和施氮量對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

如表2所示，CBJF處理小麥的成穗數(shù)顯著高于其他處理；ZBJF處理的穗粒數(shù)顯著高于其他處理；且ZBJF處理的千粒重最大，但各處理間差異不顯著。減施氮肥處理的產(chǎn)量顯著高于常規(guī)施氮處理，較CBCF處理提高17%～19%；且減施氮肥處理的氮肥偏生產(chǎn)力也顯著高于常規(guī)施氮處理。綜合來看，ZBJF處理主要通過增加穗粒數(shù)和千粒重從而提高產(chǎn)量；CBJF處理主要通過增加成穗數(shù)達(dá)到增產(chǎn)。

表2 不同處理小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 2 Wheat yield and its components under different treatments

2.7 小麥種植密度和施氮量對(duì)土壤氮素形態(tài)的影響

如表3所示，土壤中各形態(tài)氮素含量隨著土層的加深逐漸降低。與CBCF處理比較，CBJF處理的土壤全氮含量降幅最大，較CBCF處理降低10.8%；ZBJF處理降低了10—20 cm土層的土壤全氮含量及10—30 cm土層土壤堿解氮含量，同時(shí)降低了0—30 cm土層土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、微生物量氮和可溶性有機(jī)氮含量?？傮w上看，減施氮量處理減少了10—30 cm土壤有效態(tài)氮含量。

表3 小麥?zhǔn)斋@后不同處理土壤不同形態(tài)氮素含量Table 3 Contents of different soil nitrogen forms after wheat harvest under different treatments

3 討論

凈光合速率（Pn）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和葉綠素（Chl）含量是反映植物光合作用特性的重要指標(biāo)，而氮肥施用量與種植密度都是影響植株光合作用的重要因素。王之杰等[18]發(fā)現(xiàn)，在小麥孕穗期以后，種植密度過低或過高均不利于提高葉片Pn。研究表明，小麥旗葉Pn、Chl含量等光合指標(biāo)隨種植密度的增加變化幅度較小，低密度處理在生育后期的光合指標(biāo)低于常規(guī)密度處理[19]。在常規(guī)施氮量基礎(chǔ)上適當(dāng)減氮能提高葉片Pn，延長(zhǎng)光合作用時(shí)間，有利于籽粒灌漿和光合產(chǎn)物積累[20]。本研究結(jié)果表明，增密處理在拔節(jié)期的葉片Pn較低，與前人研究結(jié)果一致[21]；但也有研究表明，小麥旗葉的Pn不會(huì)隨種植密度的增大而下降[22]。因此，種植密度對(duì)小麥葉片Pn的影響仍存在爭(zhēng)論。本研究中ZBJF處理在灌漿期的葉片Pn顯著高于其他處理，可能是因?yàn)樵雒軠p氮在一定程度上增加了植株對(duì)土壤養(yǎng)分的利用，使植株積累了更多的有機(jī)物。

氣孔導(dǎo)度（Gs）是影響植物光合作用、呼吸作用及蒸騰作用的主要因素。研究表明，當(dāng)光合速率下降時(shí)，如果Ci下降、Gs升高，說明光合速率的降低主要是由于Gs的下降所致；如果Ci升高、Gs下降，則表明此時(shí)葉肉細(xì)胞光合能力的下降是光合速率下降的主要原因[23]。蒸騰速率（Tr）增大有利于外界CO2進(jìn)入葉片，從而使葉片光合速率保持較高水平[24]。CBJF處理在拔節(jié)期的葉片Pn顯著高于其他處理，但Ci、Gs、Tr顯著低于CBCF處理。這說明CBJF處理具有較高的Pn是由葉肉細(xì)胞的光合能力決定的，且這種能力隨著生育進(jìn)程逐漸降低，到灌漿期葉肉細(xì)胞光合能力降到最低，使CBJF處理的主要光合參數(shù)降低。ZBJF處理在灌漿期的葉片Pn顯著高于其他處理，且Gs與Tr均顯著高于其他處理，所以灌漿期Ci低于開花期，同時(shí)ZBJF處理Ci顯著高于其他處理。本研究中ZBJF處理顯著提高了灌漿期的Pn、Tr、Gs和Ci及拔節(jié)期的Chl含量，說明與CBCF處理相比，密度與氮肥之間具有相互效應(yīng)，即施氮量減少時(shí)增加密度可對(duì)氮肥效應(yīng)進(jìn)行一定程度補(bǔ)償[25]，并以此提高灌漿期的光合作用。

冬小麥產(chǎn)量與光合作用密切相關(guān)，尤其是花后的光合作用[26]。因此提升花后葉片器官的光合功能，可以為冬小麥高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。小麥功能葉的光合能力對(duì)籽粒產(chǎn)量的形成具有重大影響，成熟時(shí)籽粒干物質(zhì)的25%來自旗葉的光合作用[27]。研究表明，小麥成穗數(shù)隨種植密度的增加而增加，但穗粒數(shù)和千粒重則隨種植密度的增加而顯著降低[28]；在常規(guī)施氮量的基礎(chǔ)上適當(dāng)減少氮肥施用量，營(yíng)養(yǎng)器官中的光合產(chǎn)物會(huì)盡可能地向籽粒轉(zhuǎn)移[29]。孟維偉等[30]研究表明，小麥季施氮較當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)施氮減少10%處理可顯著提高其氮肥偏生產(chǎn)力。本研究結(jié)果也表明，減施氮肥處理的氮肥偏生產(chǎn)力顯著高于常規(guī)施氮肥處理，與前人研究結(jié)果一致，說明減施氮肥處理有利于增加氮肥偏生產(chǎn)力。本研究表明，ZBJF處理不僅增強(qiáng)了小麥生育后期的光合作用，還增加了穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量，可能是因?yàn)闇p施氮肥提升了花后葉片等器官的光合功能，進(jìn)而增加了干物質(zhì)的積累。冬小麥花后干物質(zhì)積累是產(chǎn)量提升的關(guān)鍵[31]，故本研究中減施氮肥處理的小麥產(chǎn)量高于常規(guī)施肥處理。CBJF處理的成穗數(shù)顯著高于其他處理，其原因可能是該處理小麥在拔節(jié)期的光合作用強(qiáng)烈，為小麥高產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)，增加了成穗數(shù)。本研究未對(duì)小麥播量和減施氮肥比例做更深的劃分，因此對(duì)兩者間的相互作用需要進(jìn)一步深入研究。

氮素是植物生長(zhǎng)所需的大量元素之一，農(nóng)田土壤中不同形態(tài)的氮素含量直接取決于氮肥施用量。研究表明，相對(duì)于常規(guī)施氮處理，減氮處理在小麥成熟期時(shí)的土壤全氮、堿解氮等指標(biāo)均有所降低[32]；減氮處理大幅降低了耕層土壤的硝態(tài)氮含量[33]。本研究也表明，減氮處理的土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量較常規(guī)施氮處理顯著降低。其中ZBJF處理降低了10—20 cm土壤的全氮、堿解氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、微生物量氮和可溶性有機(jī)氮含量。這一方面可能是ZBJF處理相較于常規(guī)施肥減少了20%氮肥用量，減少了礦質(zhì)態(tài)氮的輸入；另一方面，此處理的小麥種植密度較常規(guī)處理增加了30%，小麥的群體密度較大，更大的作物群體從耕層土壤中帶走了更多的氮素，導(dǎo)致土壤氮素含量降低[34]，同時(shí)意味著更少的氮肥盈余，提高了氮肥利用效率。

總的來說，在本試驗(yàn)條件下，減施氮量處理雖然減少了10—30 cm土壤的有效態(tài)氮含量，但相較于常規(guī)施氮處理小麥的生長(zhǎng)和產(chǎn)量并未受到顯著影響，且提高了氮肥偏生產(chǎn)力。其中ZBJF處理提高了小麥灌漿期的主要光合參數(shù)指標(biāo)，且提高了小麥穗粒數(shù)、千粒重及產(chǎn)量；CBJF處理提高了小麥拔節(jié)期的葉片凈光合速率，從而增加了成穗數(shù)和產(chǎn)量，為該地區(qū)小麥可持續(xù)生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。