小麦-玉米轮作过程中氮素吸收分配及转运特征

小麦-玉米轮作过程中氮素吸收分配及转运特征

氮素是常见的养分之一，可以促进小麦根系、茎、叶等营养器官的生长，扩大绿色光合区，增强光合物的积累。因此，在增施氮肥的同时，可以提高生态系统的生物产量。同时氮是旱地土壤常常缺乏的营养元素,也是作物增产的主要限制因子,影响着农田生态系统中养分的动态平衡、生物多样性和生态系统的功能。因此,长期以来,研究氮素在植物不同器官的运转规律,开展科学施肥,提高氮素的可利用性,一直是国内外植物营养学研究的热点。在大面积农业生产上,人们始终十分重视氮肥的施用。目前,针对作物体内氮的吸收和分配,国内外已经开展了较多的研究[8,9,10,11,12,13,14],但大多的研究比较早,有关作物不同器官氮素分配动态的研究也较少。华北地区是我国农业的主产区,很多地区以小麦-玉米轮作为主要的种植模式,尤其是近几年大力推广高产栽培和秸秆还田等技术后,作物产量水平不断提高,农田土壤养分也随着发生了很大的变化,之前的研究结论已经不能完全适应现在农业生产发展的需要,开展当前栽培模式下作物体内氮转运规律的研究势在必行。因此,本试验在河南省获嘉县照镜镇前李村高产田,选用当地主栽品种西农979为供试材料,测定了小麦不同生育时期不同器官的氮含量,分析了植株氮素的分配规律及各营养器官对籽粒氮积累量的贡献率,以期揭示高产水平下小麦体内氮运转规律,为科学施肥及农田生态系统可持续发展提供理论支撑。1材料和方法1.1小麦品种种本试验于2007-2008年在河南省获嘉县照镜镇前李村高产田进行试验,选用半冬性多穗型早熟小麦品种西农979为供试品种。供试土壤为粘壤土,耕层土壤有机质含量2.05%,速效氮34.13mg·kg-1,速效磷14.32mg·kg-1,速效钾121.41mg·kg-1。前茬为玉米,收获后秸秆全部粉碎还田。小麦于2007年10月10日播种,控制基本苗为225万·hm-2,播种前整地施肥,底施尿素(含氮46%)270kg·hm-2、一铵(含氮11%,含磷44%)300kg·hm-2和氯化钾(含钾60%)150kg·hm-2,翌年拔节期追施尿素150kg·hm-2,试验采用正常高产田措施进行管理。小麦4月28日开花,6月1日成熟,全生育期235d。取3m2实测产量,平均产量6703.35kg·hm-2。1.2干物质、转运、分离、分配和提取指标测定于分蘖期(2007年11月29日)、越冬期(2008年1月16日)、返青期(2008年2月24日)、拔节期(2008年3月27日)、抽穗期(2008年4月23日)、灌浆期(2008年5月21日)和成熟期(2008年6月1日)采集植株地上部分,依次用自来水、蒸馏水、去离子水洗净后,分成茎、叶、叶鞘、穗轴、颖壳、籽粒等器官,105℃杀青0.5h,80℃烘至恒重,测定其干物重。然后用FZ102型植物样品粉碎机将样品粉碎,采用半微量凯氏定氮法测定其氮含量,并计算氮转运的相关指标。氮干物质生产效率(Nitrogendrymatterproductionefficiency,NDMPE)=单位面积植株干物重/植株氮总积累量;氮籽粒生产效率(Nitrogengrainproductionefficiency,NGPE)=单位面积籽粒产量/植株氮总积累量;氮收获指数(Nitrogenharvestindex,NHI)=(成熟期单位面积植株籽粒氮积累量/植株氮总积累量)×100%;氮转运量(Nitrogentranslocation,NT)=抽穗期某器官氮积累量-成熟期该器官氮积累量;氮转运率(Nitrogentranslocationefficiency,NTE)=氮转运量/抽穗期氮积累量×100%;氮转运贡献率(Nitrogentranslocationconversionrateofvegetativeorgan,NTCRV)=氮转运量/成熟期籽粒氮积累量×100%。1.3数据处理和分析试验数据采用Excel和SPSS11.5软件进行分析。2结果与分析2.1叶片、茎、干物重变化从表1可以看出,在小麦不同生育期,叶、叶鞘、茎的干物重均表现为“低-高-低”的趋势,但其水平及变化幅度不尽相同。叶片的干物重从分蘖期到抽穗期始终为逐渐上升的趋势,至抽穗期升至最高值,随后叶片由下向上开始枯萎死亡,所以干物重逐渐降低。叶鞘干物重变化趋势与叶片相似,同样是在抽穗期达到其干物重的最高值。茎的干物重从拔节期开始上升,至灌浆期达最高值,随后逐渐下降。穗部干物重从抽穗后急剧增加,到成熟期达到3174.68g·m-2(穗轴、颖壳、籽粒总重)。2.2叶片氮、茎氮含量的变化小麦不同器官的氮含量动态变化存在差异(表2)。叶氮含量从分蘖期到抽穗期始终为逐渐上升的趋势,抽穗期升至最高值,随着灌浆的开始,叶片中氮向外输出,其含量迅速下降,成熟期降至最低。叶鞘氮含量从返青期到灌浆期为上升趋势,灌浆期升至最高值,其后下降并在成熟期降至最低。茎氮含量在形成的初始阶段(拔节期)最高,主要原因是拔节期茎的生物量较低,而后随着生物量的急剧增加而呈下降趋势,成熟期降至最低;穗的氮含量从形成初始阶段(抽穗期)开始一直呈上升趋势。成熟期小麦地上部分各器官的氮含量从大到小为:籽粒>叶>叶鞘>颖壳>茎>穗轴。2.3抽穗期和穗部氮积累量从表3可以看出,氮在小麦体内的积累量呈不断上升趋势,但随生育期的推进,不同器官的积累规律各不相同。从不同生育期看,叶、叶鞘和茎的氮积累量均表现为“先升后降”,都在抽穗期达到氮积累量的最大值,然后开始下降。而穗部的氮积累量则呈不断增加趋势,从抽穗期的10.49g·m-2上升到成熟期的72.30g·m-2,其中籽粒氮积累量在各器官中最大,达到了67.12g·m-2。成熟期的干物质生产效率为54.48,氮收获指数达到68.48%,氮籽粒生产效率达到34.45。2.4抽穗至抽穗期不同生育阶段小麦植株对氮的吸收规律不同(表4)。从对氮素的吸收情况来看,从出苗期开始,一直到小麦成熟,植株的氮吸收量、吸收比例和吸收速率变化趋势相似,均为“先升后降”,且都在拔节至抽穗期达到最大值,其最大值分别为47.11g·m-2、48.07%和1.74g·m-2·d-1,其后渐渐下降。三项指标的第二高峰期均为返青至拔节期,抽穗至灌浆期为第三。对吸收量和吸收比例来说,灌浆至成熟期最低,为拔节至抽穗期的12.12%,主要是这一阶段时间比较短的缘故。而对吸收速率来说,分蘖至越冬期则为最低,为拔节至抽穗期的2.30%,因为该阶段植株生活力弱,氮素的日吸收量最低。2.5小麦属营养器官的转运从小麦各营养器官向籽粒转运氮素的情况(表5)看,叶片的转运量最大(36.60g·m-2),占地上部营养器官总转运量的66.64%;其转运率和对籽粒转运贡献率均最大,说明叶是小麦最重要的氮“源”。其次为叶鞘,再次为茎,穗轴和颖壳的转运最少。地上部分各营养器官对籽粒转运总贡献率为81.82%。3小麦不同器官的氮含量和积累量氮素是谷类作物从土壤中吸收数量最多的营养元素。因此,小麦的氮肥转运规律及合理施肥始终是农业生产中的重要问题。而在不同地区、不同栽培模式下,小麦体内不同器官的氮素分配规律是不一致的。从本试验结果可以看出,小麦在成熟期,不同器官氮含量从大到小依次为:籽粒>叶>叶鞘>颖壳>茎>穗轴,氮积累量从大到小依次为:籽粒>叶鞘>叶>茎>颖壳>穗轴。因此,氮素在小麦籽粒中分配和积累的量最大,收获指数达到68.48%,占地上部分氮总积累量的一半以上,具有明显的优势;其次,叶的氮素分配量也较多,它对籽粒的氮转运贡献率达到54.52%,是最大的氮素“源器官”。由此可以看出,在小麦的生长过程中,需要吸收大量的氮素用于植株地上部的建成与籽粒的充实。对小麦不同器官氮含量和积累量的变化进行分析可知,从抽穗期到成熟期,籽粒、穗轴和颖壳中氮含量及氮积累量均不断上升,而叶、叶鞘和茎中氮积累量则均呈现不断下降的趋势;其中营养器官(叶、叶鞘、茎)在抽穗期氮积累量占总积累量的87.78%,在灌浆期占46.55%,到成熟期降至26.33%,而成熟期籽粒氮收获指数达到68.48%,可见小麦籽粒中的氮素有相当一部分来自于营养器官氮素的花后再分配,且在灌浆过程中营养器官氮素向籽粒发生转运的同时,也伴随着叶片光合性能下降和叶片衰老。从氮素的“源库关系”上看,叶、叶鞘和茎都是氮的“源”,在花前通过植株形态建成和生物量的扩增不断在扩增氮“源”,而花后则转运到籽粒(“库”)中;对穗轴和颖壳来说,抽穗和灌浆初期,它们也是“库”器官,接受从叶等营养器官运来的氮素,而到了灌浆后期,则又变成氮素的“源”器官,将自身贮存的氮素也输送向籽粒;同时,在灌浆过程中籽粒中氮含量和积累量的上升与茎中氮的变化趋势一致,说明根、叶、叶鞘及茎中的氮素是由茎秆不断向上运输并向籽粒转移的。从不同生育