小麥-玉米輪作過程中氮素吸收分配及轉(zhuǎn)運特征

氮素是常見的養(yǎng)分之一，可以促進小麥根系、莖、葉等營養(yǎng)器官的生長，擴大綠色光合區(qū)，增強光合物的積累。因此，在增施氮肥的同時，可以提高生態(tài)系統(tǒng)的生物產(chǎn)量。同時氮是旱地土壤常常缺乏的營養(yǎng)元素,也是作物增產(chǎn)的主要限制因子,影響著農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分的動態(tài)平衡、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的功能。因此,長期以來,研究氮素在植物不同器官的運轉(zhuǎn)規(guī)律,開展科學(xué)施肥,提高氮素的可利用性,一直是國內(nèi)外植物營養(yǎng)學(xué)研究的熱點。在大面積農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上,人們始終十分重視氮肥的施用。目前,針對作物體內(nèi)氮的吸收和分配,國內(nèi)外已經(jīng)開展了較多的研究[8,9,10,11,12,13,14],但大多的研究比較早,有關(guān)作物不同器官氮素分配動態(tài)的研究也較少。華北地區(qū)是我國農(nóng)業(yè)的主產(chǎn)區(qū),很多地區(qū)以小麥-玉米輪作為主要的種植模式,尤其是近幾年大力推廣高產(chǎn)栽培和秸稈還田等技術(shù)后,作物產(chǎn)量水平不斷提高,農(nóng)田土壤養(yǎng)分也隨著發(fā)生了很大的變化,之前的研究結(jié)論已經(jīng)不能完全適應(yīng)現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要,開展當(dāng)前栽培模式下作物體內(nèi)氮轉(zhuǎn)運規(guī)律的研究勢在必行。因此,本試驗在河南省獲嘉縣照鏡鎮(zhèn)前李村高產(chǎn)田,選用當(dāng)?shù)刂髟云贩N西農(nóng)979為供試材料,測定了小麥不同生育時期不同器官的氮含量,分析了植株氮素的分配規(guī)律及各營養(yǎng)器官對籽粒氮積累量的貢獻率,以期揭示高產(chǎn)水平下小麥體內(nèi)氮運轉(zhuǎn)規(guī)律,為科學(xué)施肥及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。1材料和方法1.1小麥品種種本試驗于2007-2008年在河南省獲嘉縣照鏡鎮(zhèn)前李村高產(chǎn)田進行試驗,選用半冬性多穗型早熟小麥品種西農(nóng)979為供試品種。供試土壤為粘壤土,耕層土壤有機質(zhì)含量2.05%,速效氮34.13mg·kg-1,速效磷14.32mg·kg-1,速效鉀121.41mg·kg-1。前茬為玉米,收獲后秸稈全部粉碎還田。小麥于2007年10月10日播種,控制基本苗為225萬·hm-2,播種前整地施肥,底施尿素(含氮46%)270kg·hm-2、一銨(含氮11%,含磷44%)300kg·hm-2和氯化鉀(含鉀60%)150kg·hm-2,翌年拔節(jié)期追施尿素150kg·hm-2,試驗采用正常高產(chǎn)田措施進行管理。小麥4月28日開花,6月1日成熟,全生育期235d。取3m2實測產(chǎn)量,平均產(chǎn)量6703.35kg·hm-2。1.2干物質(zhì)、轉(zhuǎn)運、分離、分配和提取指標(biāo)測定于分蘗期(2007年11月29日)、越冬期(2008年1月16日)、返青期(2008年2月24日)、拔節(jié)期(2008年3月27日)、抽穗期(2008年4月23日)、灌漿期(2008年5月21日)和成熟期(2008年6月1日)采集植株地上部分,依次用自來水、蒸餾水、去離子水洗凈后,分成莖、葉、葉鞘、穗軸、穎殼、籽粒等器官,105℃殺青0.5h,80℃烘至恒重,測定其干物重。然后用FZ102型植物樣品粉碎機將樣品粉碎,采用半微量凱氏定氮法測定其氮含量,并計算氮轉(zhuǎn)運的相關(guān)指標(biāo)。氮干物質(zhì)生產(chǎn)效率(Nitrogendrymatterproductionefficiency,NDMPE)=單位面積植株干物重/植株氮總積累量;氮籽粒生產(chǎn)效率(Nitrogengrainproductionefficiency,NGPE)=單位面積籽粒產(chǎn)量/植株氮總積累量;氮收獲指數(shù)(Nitrogenharvestindex,NHI)=(成熟期單位面積植株籽粒氮積累量/植株氮總積累量)×100%;氮轉(zhuǎn)運量(Nitrogentranslocation,NT)=抽穗期某器官氮積累量-成熟期該器官氮積累量;氮轉(zhuǎn)運率(Nitrogentranslocationefficiency,NTE)=氮轉(zhuǎn)運量/抽穗期氮積累量×100%;氮轉(zhuǎn)運貢獻率(Nitrogentranslocationconversionrateofvegetativeorgan,NTCRV)=氮轉(zhuǎn)運量/成熟期籽粒氮積累量×100%。1.3數(shù)據(jù)處理和分析試驗數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS11.5軟件進行分析。2結(jié)果與分析2.1葉片、莖、干物重變化從表1可以看出,在小麥不同生育期,葉、葉鞘、莖的干物重均表現(xiàn)為“低-高-低”的趨勢,但其水平及變化幅度不盡相同。葉片的干物重從分蘗期到抽穗期始終為逐漸上升的趨勢,至抽穗期升至最高值,隨后葉片由下向上開始枯萎死亡,所以干物重逐漸降低。葉鞘干物重變化趨勢與葉片相似,同樣是在抽穗期達到其干物重的最高值。莖的干物重從拔節(jié)期開始上升,至灌漿期達最高值,隨后逐漸下降。穗部干物重從抽穗后急劇增加,到成熟期達到3174.68g·m-2(穗軸、穎殼、籽?？傊?。2.2葉片氮、莖氮含量的變化小麥不同器官的氮含量動態(tài)變化存在差異(表2)。葉氮含量從分蘗期到抽穗期始終為逐漸上升的趨勢,抽穗期升至最高值,隨著灌漿的開始,葉片中氮向外輸出,其含量迅速下降,成熟期降至最低。葉鞘氮含量從返青期到灌漿期為上升趨勢,灌漿期升至最高值,其后下降并在成熟期降至最低。莖氮含量在形成的初始階段(拔節(jié)期)最高,主要原因是拔節(jié)期莖的生物量較低,而后隨著生物量的急劇增加而呈下降趨勢,成熟期降至最低;穗的氮含量從形成初始階段(抽穗期)開始一直呈上升趨勢。成熟期小麥地上部分各器官的氮含量從大到小為:籽粒>葉>葉鞘>穎殼>莖>穗軸。2.3抽穗期和穗部氮積累量從表3可以看出,氮在小麥體內(nèi)的積累量呈不斷上升趨勢,但隨生育期的推進,不同器官的積累規(guī)律各不相同。從不同生育期看,葉、葉鞘和莖的氮積累量均表現(xiàn)為“先升后降”,都在抽穗期達到氮積累量的最大值,然后開始下降。而穗部的氮積累量則呈不斷增加趨勢,從抽穗期的10.49g·m-2上升到成熟期的72.30g·m-2,其中籽粒氮積累量在各器官中最大,達到了67.12g·m-2。成熟期的干物質(zhì)生產(chǎn)效率為54.48,氮收獲指數(shù)達到68.48%,氮籽粒生產(chǎn)效率達到34.45。2.4抽穗至抽穗期不同生育階段小麥植株對氮的吸收規(guī)律不同(表4)。從對氮素的吸收情況來看,從出苗期開始,一直到小麥成熟,植株的氮吸收量、吸收比例和吸收速率變化趨勢相似,均為“先升后降”,且都在拔節(jié)至抽穗期達到最大值,其最大值分別為47.11g·m-2、48.07%和1.74g·m-2·d-1,其后漸漸下降。三項指標(biāo)的第二高峰期均為返青至拔節(jié)期,抽穗至灌漿期為第三。對吸收量和吸收比例來說,灌漿至成熟期最低,為拔節(jié)至抽穗期的12.12%,主要是這一階段時間比較短的緣故。而對吸收速率來說,分蘗至越冬期則為最低,為拔節(jié)至抽穗期的2.30%,因為該階段植株生活力弱,氮素的日吸收量最低。2.5小麥屬營養(yǎng)器官的轉(zhuǎn)運從小麥各營養(yǎng)器官向籽粒轉(zhuǎn)運氮素的情況(表5)看,葉片的轉(zhuǎn)運量最大(36.60g·m-2),占地上部營養(yǎng)器官總轉(zhuǎn)運量的66.64%;其轉(zhuǎn)運率和對籽粒轉(zhuǎn)運貢獻率均最大,說明葉是小麥最重要的氮“源”。其次為葉鞘,再次為莖,穗軸和穎殼的轉(zhuǎn)運最少。地上部分各營養(yǎng)器官對籽粒轉(zhuǎn)運總貢獻率為81.82%。3小麥不同器官的氮含量和積累量氮素是谷類作物從土壤中吸收數(shù)量最多的營養(yǎng)元素。因此,小麥的氮肥轉(zhuǎn)運規(guī)律及合理施肥始終是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要問題。而在不同地區(qū)、不同栽培模式下,小麥體內(nèi)不同器官的氮素分配規(guī)律是不一致的。從本試驗結(jié)果可以看出,小麥在成熟期,不同器官氮含量從大到小依次為:籽粒>葉>葉鞘>穎殼>莖>穗軸,氮積累量從大到小依次為:籽粒>葉鞘>葉>莖>穎殼>穗軸。因此,氮素在小麥籽粒中分配和積累的量最大,收獲指數(shù)達到68.48%,占地上部分氮總積累量的一半以上,具有明顯的優(yōu)勢;其次,葉的氮素分配量也較多,它對籽粒的氮轉(zhuǎn)運貢獻率達到54.52%,是最大的氮素“源器官”。由此可以看出,在小麥的生長過程中,需要吸收大量的氮素用于植株地上部的建成與籽粒的充實。對小麥不同器官氮含量和積累量的變化進行分析可知,從抽穗期到成熟期,籽粒、穗軸和穎殼中氮含量及氮積累量均不斷上升,而葉、葉鞘和莖中氮積累量則均呈現(xiàn)不斷下降的趨勢;其中營養(yǎng)器官(葉、葉鞘、莖)在抽穗期氮積累量占總積累量的87.78%,在灌漿期占46.55%,到成熟期降至26.33%,而成熟期籽粒氮收獲指數(shù)達到68.48%,可見小麥籽粒中的氮素有相當(dāng)一部分來自于營養(yǎng)器官氮素的花后再分配,且在灌漿過程中營養(yǎng)器官氮素向籽粒發(fā)生轉(zhuǎn)運的同時,也伴隨著葉片光合性能下降和葉片衰老。從氮素的“源庫關(guān)系”上看,葉、葉鞘和莖都是氮的“源”,在花前通過植株形態(tài)建成和生物量的擴增不斷在擴增氮“源”,而花后則轉(zhuǎn)運到籽粒(“庫”)中;對穗軸和穎殼來說,抽穗和灌漿初期,它們也是“庫”器官,接受從葉等營養(yǎng)器官運來的氮素,而到了灌漿后期,則又變成氮素的“源”器官,將自身貯存的氮素也輸送向籽粒;同時,在灌漿過程中籽粒中氮含量和積累量的上升與莖中氮的變化趨勢一致,說明根、葉、葉鞘及莖中的氮素是由莖稈不斷向上運輸并向籽粒轉(zhuǎn)移的。從不同生育