周年氮肥统筹对冬小麦、夏玉米生理特性及干物质积累的影响

韩小伟 张慧 薛艳芳 钱欣 王竹 赵海军 高英波 李宗新

摘要：本试验以郑单958（玉米）和济麦22（小麦）为供试材料，研究冬小麦-夏玉米周年氮肥分配比例（4∶ 6、5∶ 5和6∶ 4）及肥料种类（树脂包膜肥料、脲酶抑制性肥料和脲甲醛肥料）对冬小麦、夏玉米叶片SPAD值、超氧化物歧化酶（SOD）活性、硝酸还原酶及干物质积累的影响。结果表明，当冬小麦-夏玉米周年氮肥分配比例为6∶ 4时，冬小麦SPAD值、SOD活性、硝酸还原酶活性及干物质积累量均相对较高;当冬小麦-夏玉米周年氮肥分配比例为5∶ 5和4∶ 6时，夏玉米各生理指标及干物质积累量均较高。冬小麦-夏玉米周年氮肥分配比例为5∶ 5时周年干物质积累量较多，较4∶ 6和6∶ 4处理分别提高4.5%和8.5%。肥料种类对夏玉米生理特性及干物质积累量无显著影响。

关键词：冬小麦;夏玉米;氮肥统筹;肥料种类;生理特性

中图分类号：S512.1+10.62+S513.062  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2019）06-0091-06

Abstract In this experiment， Zhengdan 958 （maize） and Jimai 22 （wheat） were used as materials to study the effects of annual nitrogen allocation ratio （4∶ 6， 5∶ 5 and 6∶ 4） and fertilizer types （resin coated urea， urease inhibitory fertilizer and urea formaldehyde fertilizer） on SPAD value， superoxide dismutase （SOD） and nitrate reductase activities and dry matter accumulation in winter wheat and summer maize leaves. The results showed that the SPAD value， SOD activity， nitrate reductase activity and dry matter accumulation of winter wheat were relatively higher when the annual nitrogen allocation ratio of winter wheat to summer maize was 6∶ 4， and the physiological indexes and dry matter accumulation of summer maize were higher when the annual nitrogen allocation ratio of winter wheat to summer maize was 5∶ 5 and 4∶ 6. The annual dry matter accumulation of winter wheat-summer maize increased by 4.5% and 8.5% at the ratio of 5∶ 5 compared with that at 4∶ 6 and 6∶ 4 respectively. Fertilizer types had no significant effect on physiological characteristics and dry matter accumulation of summer maize.

Keywords Winter wheat; Summer maize; Nitrogen fertilizer planning; Fertilizer type; Physiological characteristics

冬小麥-夏玉米轮作是华北平原主要的作物种植模式。该区耕地面积占全国耕地面积的21%，粮食总产量占全国粮食总产的26%。其中该区（北京、天津、河北、山东、河南大部、安徽和江苏北部）冬小麦播种面积和产量分别占全国的66%和75%，玉米播种面积和产量分别占全国的31%和30%，这对于保障国家粮食安全具有重要意义[1]。

光合作用的强弱与植株叶绿素含量紧密相关，SPAD值作为衡量叶绿素含量的一种指标，与叶绿素含量呈正相关，同时叶绿素含量与植株氮营养有密切关系[2， 3]。生育后期是冬小麦、夏玉米产量形成的关键时期，该阶段植株衰老特性对于冬小麦、夏玉米籽粒的建成具有重要的影响[4]。生育后期植株代谢失调，作物通过自身抗氧化酶系统清除生育后期产生的有害物质，其中抗氧化酶包括SOD、CAT、POD、MDA等[5]。合理施氮能够提高叶片中抗氧化酶活性，尤其是SOD活性[6]。硝酸还原酶是小麦、玉米氮代谢的关键酶，其活性大小与籽粒产量有密切联系，适当增施氮肥有利于提高小麦、玉米硝酸还原酶活性[5， 7]。而冬小麦-夏玉米光合同化物最终以干物质的形式呈现，其干物质积累量与产量之间呈显著正相关[8-10]。

氮素作为植株营养的三要素之一，对作物的生长发育起关键性作用。在一定范围内，随施氮量的增加冬小麦、夏玉米干物质积累量增加[11， 12]。前人关于小麦、玉米的研究大多数局限于单季施氮量、施肥时期及栽培措施对作物生理特性及干物质积累的影响。而关于冬小麦-夏玉米周年氮肥分配比例及肥料种类对作物生理特性及干物质积累影响的研究相对较少。据此，本试验以济麦22、郑单958为试材，探究周年氮肥分配比例及肥料种类对冬小麦、夏玉米生理特性及干物质积累的影响，以期为周年作物绿色增产增效提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年4月至2018年10月在山东省农业科学院玉米研究所章丘龙山试验基地（117°32′E，36°43′N）和小麦玉米国家工程实验室进行。试验基地位于华北平原冬小麦、夏玉米一年两熟种植区。该区年均降水量693.4 mm，年均气温13.6℃，年均日照时数2 558.3 h，无霜期209.0 d，土壤为棕壤。试验地0～40 cm土层理化性状：pH值7.9，有机质含量15.0 g/kg，碱解氮58.8 mg/kg，全氮1.3 g/kg，速效磷39.0 mg/kg，速效钾120.0 mg/kg。

1.2 试验设计

供试材料：玉米品种郑单958，小麦品种济麦22。

试验采用裂区设计（表1），设置空白对照区（CK），主处理为冬小麦季与夏玉米季3个氮肥分配比例（4∶ 6、5∶ 5、6∶ 4）;副处理为肥料种类，夏玉米季选用专用控释肥：树脂包膜肥料（PCU，N-P2O5-K2O：28-8-8）、脲酶抑制剂型肥料（NBPT，N-P2O5-K2O：26-11-11）、脲甲醛型肥料（UF，N-P2O5-K2O：26-6-8），冬小麦季统一施用尿素。周年氮肥总用量为480 kg/hm2，夏玉米季氮肥均做种肥一次施入，冬小麦季依照基追比例2∶ 3分别做基肥、拔节期追肥施入。冬小麦、夏玉米磷钾肥施用量均为120 kg/hm2，肥料分别为过磷酸钙和硫酸钾。冬小麦播种量为165 kg/hm2，夏玉米种植密度为每公顷6万株。随机区组排列，重复3次，小区面积5 m×6 m=30 m2。

1.3 测定项目与方法

叶绿素相对含量（SPAD值）测定：冬小麦分别于开花期、灌浆中期及灌浆后期每小区选定代表性植株10株，夏玉米分别于播种后26、37、52、67、82 d每小区选定代表性植株5株，采用日本美能达公司生产的SPAD-502型叶绿素仪测量小麦旗叶、玉米穗位叶SPAD值。

酶活性测定：冬小麦分别于开花期、灌浆中期及灌浆后期选取10片具有代表性的旗叶鲜样;夏玉米分别于吐丝后0、15、30、45 d每小区选取3片具有代表性的穗位叶鲜样。称取0.5 g冬小麦旗叶或夏玉米穗位叶，磨碎，置于10 mL离心管中，加入5 mL磷酸缓冲液，4℃条件下制备成组织匀浆液，3 500 r/min离心10 min后取上清液进行测定。超氧化物歧化酶活性采用羟胺法测定;硝酸还原酶活性采用活体法测定[13]。

干物质积累测定：冬小麦于成熟期取样，每小区选取0.3 m2长势一致的样方;夏玉米于成熟期取样，每小区选取3株长势一致的植株;选取的植株样品在105℃条件下杀青20 min，75℃条件下烘干至恒重，称其干物质重。

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2016处理数据，采用SPSS 23.0軟件进行数据分析，并用Duncans法进行多重比较（P<0.05），采用Origin 2018软件进行作图。

2 结果与分析

2.1 氮肥统筹对冬小麦旗叶、夏玉米穗位叶SPAD值的影响

由图1看出，随生育进程推进，不同处理冬小麦旗叶SPAD值均呈下降趋势，开花期和灌浆中期施氮处理均高于不施氮处理，且各施氮处理间无显著差异;灌浆后期， W/M6∶ 4、W/M5∶ 5处理分别较CK和W/M4∶ 6处理显著提高41.2%和46.3%、35.1%和40.0%。表明W/M6∶ 4和W/M5∶ 5处理均可延缓小麦旗叶衰老的速度。

3 讨论

光合色素是植物进行光合作用的基础，而光合色素中叶绿素含量与光合强度有紧密联系[14]。过量施氮和不施氮处理均会导致小麦旗叶SPAD值降低[15]。本研究发现，开花期和灌浆中期，施用氮肥处理较不施氮小麦旗叶SPAD值均显著提高，而施氮处理间均无显著差异;灌浆后期，W/M5∶ 5和W/M6∶ 4的SPAD值较W/M4∶ 6和CK显著提高。生育前期土壤氮素能够满足作物叶绿素的合成，而随生育进程推进，土壤中氮素被吸收和流失，导致W/M4∶ 6和CK处理中土壤氮素已无法满足小麦对氮素的需求，造成叶绿素合成受到抑制。夏玉米季，播种后82 d W/M4∶ 6处理较W/M6∶ 4及对照差异显著;肥料种类对夏玉米穗位叶SPAD值影响无显著差异。

随生育进程推进，植物衰老加剧[16]。前人研究表明，在施氮量为75～375 kg/hm2范围内，SOD活性随施氮量的增加而升高[17，18]。本研究结果与之相似，在192～288 kg/hm2范围内，SOD活性在不同生育时期均随施氮量的增加而增加。研究表明，玉米叶片SOD活性随施氮量增加呈现出先升高后降低的趋势[8]。本研究发现，W/M4∶ 6和W/M5∶ 5处理较W/M6∶ 4和CK处理SOD活性相对较高，W/M4∶ 6和W/M5∶ 5处理之间无显著差异，可能由于W/M6∶ 4和CK处理下耕层土壤氮素较少，造成夏玉米生育后期氮肥供应不足、衰老加快，从而导致酶活性降低。

前人研究表明，小麦旗叶硝酸还原酶活性与花后植株吸氮量有密切联系[19]。过量施氮或氮肥不足均会降低叶片硝酸还原酶活性[20， 21]。本研究发现，开花期和灌浆中期以W/M5∶ 5和W/M6∶ 4处理硝酸还原酶活性较高，灌浆后期以W/M6∶ 4最高，与花后植株吸氮量的变化规律基本一致，表明增施氮肥能够有效提高冬小麦硝酸还原酶活性。赵宏伟等[22]研究认为在整个生育期内玉米硝酸还原酶活性呈现单峰曲线变化，且当施氮量在0～300 kg/hm2之间，硝酸还原酶活性随施氮量的增加而增加。本研究发现施氮量为240 kg/hm2时硝酸还原酶活性已基本稳定，不再随施氮量的增加而升高。表明在本试验条件下，施氮量为240 kg/hm2时已基本满足植株对氮素的需求。

光合同化物最终以干物质的形式呈现，其干物质积累量与产量显著正相关[8-10]。适量增施氮肥有助于提高作物干物质积累量[12， 23] 。本研究发现，当小麦施氮量为192～288 kg/hm2时干物质积累量均无显著性变化，但施氮量192 kg/hm2时干物质积累量较低，而夏玉米干物质积累量随施氮量增加而增加。

4 结论

综上所述，冬小麦-夏玉米周年氮肥分配为6∶ 4时，冬小麦SPAD值、SOD活性、硝酸还原酶活性均相对较高。冬小麦-夏玉米周年氮肥分配比例为5∶ 5和4∶ 6时，夏玉米SPAD值、SOD活性、硝酸还原酶活性均相对较高;肥料种类对其生理特性及干物質积累均无显著影响。当冬小麦-夏玉米周年氮肥分配比例为5∶ 5时周年干物质积累量最高;从单季作物来看，周年氮肥分配比例对冬小麦干物质积累量均无显著性影响，夏玉米干物质积累量随当季氮肥分配比例的增加而增加。

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