氮肥水平和种植密度对冬小麦冠层结构与功能的影响

论文摘要

试验采用大穗型品种泰农18（T18）和多穗型品种山农15（S15）为供试材料,2008-2009年两个品种设3个氮肥水平0、180、240kg·hm-2,分别为N0、N180、N240;和两个种植密度150×104hm-2、225×104hm-2基本苗,分别为D150、D225。2009-2010年根据2008-2009年的试验结果,泰农18增加了1个氮肥水平300kg·hm-2和1个种植密度300×104hm-2基本苗,分别为N300和D300。研究了氮肥水平和种植密度互作条件对冬小麦群体动态变化和产量、冠层结构与光合性能、小麦茎秆结构特征与抗倒性能、土壤硝态氮时空分布以及肥料利用效率的影响,主要研究结果如下:1氮肥和密度对冬小麦群体动态变化和产量的影响在本试验条件下,两个不同穗型的小麦品种群体数量均随氮肥水平和种植密度的增加而增加。大穗型品种T18叶面积系数、干物质积累量随氮肥水平和种植密度的增加而增加;中穗型品种S15叶面积系数、干物质积累量变化趋势在生育阶段的前中期与大穗型品种T18一致,但生育阶段的后期,高氮肥水平和高密度处理密度反而低于低氮肥水平和低密度处理,但都高于不施氮处理。两个不同穗型小麦品种的单位面积穗数均随氮肥水平和种植密度的增加而增加。大穗型品种T18千粒重随氮肥水平的增加而降低,随种植密度的增加先增加后降低;中穗型品种S15千粒重随氮肥水平和种植密度的增加而降低。大穗型品种T18穗粒数随氮肥水平的增加和种植密度的降低而增加;中穗型品种S15的穗粒数表现为高氮肥水平和高密度处理密度反而低于低氮肥水平和低密度处理,但都高于不施氮处理。氮肥水平和密度处理对产量的影响存在显著的交互效应,对于大穗型品种T18来说,在同一密度条件下产量随氮肥水平的增加而增加,在同一氮肥水平条件下产量随密度的增加而增加;对于中穗型品种S15来说,在同一密度条件下产量随氮肥水平的增加先增加后降低,在同一氮肥水平条件下产量随密度的增加而降低。大穗型品种T18以N300D300处理产量最高但与N240D225、N180D225差异不显著;中穗型品种S15的N180D150处理产量显著高于其他处理。增加氮肥水平和降低密度不利于花前贮藏同化物向籽粒的运转。除大穗型品种T18低氮低密度（N180D150）处理外,两个品种的经济系数施氮处理间均差异不显著但显著低于不施氮处理,合理氮肥水平和种植密度提高产量是通过提高生物量,而不是通过提高经济系数来实现的。2氮肥和密度对冠层结构与光合性能的影响对于大穗型品种T18来说,与不施氮处理相比,施氮可以增加旗叶叶面积但施氮处理间差异不显著,同一氮肥水平下受密度影响不大;旗叶厚度、含氮量、叶绿素含量、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、PSII最大光化学效率、PSII实际光化学效率、SOD、POD、CAT活性均随氮肥水平的增加和密度的降低而升高;胞间CO2浓度随氮肥水平和密度的增加而增加。对于中穗型品种S15来说,随氮肥水平和种植密度的增加,旗叶叶面积显著增加;旗叶厚度、含氮量、叶绿素含量、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、PSII最大光化学效率、PSII实际光化学效率、SOD、POD、CAT活性均随氮肥水平的增加先增加后降低,随密度的增加而降低;胞间CO2浓度随氮肥水平和密度的增加而增加。两个穗型品种的旗叶净光合速率与旗叶厚度、叶绿素、含氮量之间呈显著或极显著的正相关关系。大穗型品种T18的旗叶净光合速率与旗叶叶面积呈呈显著或极显著的正相关关系,但中穗型品种S15的旗叶净光合速率与旗叶叶面积相关关系不显著。大穗型小麦品种T18的WLAI和TLAI整个灌浆期内随氮肥水平和种植密度的增加而增加,整个生育期内N240D225>N180D225>N240D150>N180D150>N0D225>N0D150。中穗型小麦品种S15在灌浆前中期（开花-花后14天）WLAI和TLAI的变化趋势与大穗型小麦品种T18相似。但灌浆中后期（花后14天-成熟）,WLAI和TLAI在同一种植密度下随氮肥水平的增加先增加后降低;在低氮水平下,高密度处理WLAI和TLAI高于低密度处理,在中氮和高氮水平下趋势相反,灌浆中后期WLAI和TLAI表现为N180D150>N180D225>N240D150>N240D225>N0D150>N0D225。对于大穗型品种T18来说,LLAI在同一密度水平下随氮肥水平和种植密度的增加而增加,整个灌浆期内N240D225>N180D225>N240D150>N180D150>N0D225>N0D150。对于中穗型品种S15来说,LLAI在同一密度条件下随氮肥水平的增加先增加后降低;高密度处理LLAI在同一氮肥水平条件下低于低密度处理,N180D150>N180D225>N240D150>N240D225>N0D150>N0D225。对于大穗型品种T18来说,CAP在同一密度水平下随氮肥水平和种植密度的增加而增加,N240D225、N180D180、N240D150之间差异不显著,但都显著高于N180D150、N0D225、N0D150。对于中穗型品种S15来说,CAP在同一密度条件下随氮肥水平的增加先增加后降低;高密度处理CAP在同一氮肥水平条件下低于低密度处理,N180D150最高,且显著高于其它处理。在下部叶片持绿期内,冬小麦下部叶片叶面积系数（LLAI,下部两片叶）与群体净光合速率（CAP）和产量呈极显著的正相关关系;从开花到花后14天之前,上部叶片叶面积系数（TLAI,上部三片叶）和全部叶面积系数（WLAI,下部叶片和上部叶片之和）与群体净光合速率（CAP）和产量并不呈必然的显著正相关关系（T18显著正相关,S15相关不显著）,但花后14天至成熟,两个品种的TLAI和WLAI均与群体净光合速率和产量呈显著的正相关关系。3氮肥和密度对中穗型品种S15茎秆结构特征与抗倒性能的影响施氮水平和种植密度间存在显著的互作效应,施氮水平由180 kg·hm-2增至240 kg·hm-2或种植密度由150×104·hm-2增加到225×104·hm-2,中穗型小麦品种S15茎秆重心高度、基部节间长度显著提高,基部节间直径、厚度、充实度、机械强度和抗倒指数显著降低,同时茎秆基部节间纤维素含量、木质素含量显著减少,含氮量显著升高,碳氮比（C/N）以及木质素合成相关酶活性显著降低。逐步回归分析表明,在影响小麦抗倒性能方面,氮肥水平的作用大于种植密度。本试验条件下,虽然氮肥水平为180 kg·hm-2、种植密度为150×104hm-2的处理穗数较低,但穗粒数、千粒重显著高于其它处理,产量最高。因此,降低氮肥用量至180 kg·hm-2的同时降低种植密度至150×104hm-2,可在增强植株抗倒伏能力的同时获得高产。4施氮对土壤硝态氮时空分布的影响小麦生育前期（出苗-拔节）,土壤耕层NO3--N含量较高。随施氮量增加,土壤0-40cm土层中NO3--N含量显著增加,而40cm-200cm土层NO3--N含量处理间差异不明显。小麦生育中后期（拔节-成熟）NO3--N累积峰明显下移,处理间相比较表现为随施氮水平的增加土壤NO3--N含量显著升高。年季间比较,2009-2010生长季低氮处理0-200cm土层硝态氮含量显著低于2008-2009生长季的低氮处理0-200cm土层硝态氮含量,连续减量施氮可以降低土壤硝态氮含量。5氮肥和密度互作对肥料利用效率的影响在冬小麦生育阶段的前中期,两个小麦品种的氮、磷、钾吸收量均随氮肥水平和种植密度的增加而增加;在小麦生育阶段的中后期,大穗型品种T18的氮、磷、钾吸收量仍表现为随氮肥水平和种植密度的增加而增加;但中穗型品种S15表现为在同一种植下随氮肥水平的增加先增加后降低,在同一氮肥水平下随种植密度的增加而降低。氮、磷、钾吸收量呈显著或极显著的正相关关系,氮素可以促进磷和钾的协同吸收。对于大穗型品种T18和中穗型品种S15来说,在同一密度条件下,氮素养分利用效率（NUE）、氮肥农学效率（AEN）、氮肥生理效率（PEN）和氮肥偏生产力（PFPN）均随氮肥水平的增加而降低。大穗型品种T18在同一氮肥水平条件下,NUE、AEN、PEN和PFPN随种植密度的增加先增加后降低,中穗型品种S15在同一氮肥水平条件下,REN、AEN、PEN和PFPN则随种植密度的增加而降低。对于大穗型品种T18来说,适当增加种植密度可以同步提高NUE、AEN、PEN和PFPN;对于中穗型品种S15来说,增加密度不利于NUE、AEN、PEN和PFPN的提高。对于两个穗型的品种来说,在同一种植密度条件下,磷素养分利用效率（PUE）和钾素养分利用效率（KUE）均随氮肥水平的增加而降低;大穗型品种T18磷肥偏生产力（PFPP）和钾肥偏生产力（PFPK）随氮肥水平的增加而提高,中穗型品种S15的PFPP和PFPK随氮肥水平的增加先增加后降低。大穗型品种T18的PUE、PFPP、KUE和PFPK随种植密度的增加先增加后降低,中穗型品种S15的PUE、PFPP、KUE和PFPK随种植密度的增加而降低。说明,在本试验条件下,对于大穗型品种T18来说,适当增加种植密度可以同步提高PUE、PFPN、KUE、PFPK;对于中穗型品种S15来说,增加密度不利于KUE、AEN、PEN和PFPN的提高。综合考虑产量、冠层结构与光合性能之间的关系、形态特征与抗倒性能之间的关系、土壤硝态氮的变化以及肥料利用效率等以上结果,大穗型品种T18以N180D225处理,中穗型品种S15以N180D150处理是高产、稳产、生态、高效的氮肥密度组合方式。

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中文摘要

英文摘要

1 前言

1.1 研究意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 氮肥和密度对冬小麦群体动态及产量的影响

1.2.1.1 氮肥和密度对冬小麦群体动态的影响

1.2.1.2 氮肥和密度对籽粒灌浆的影响

1.2.1.3 氮素水平与种植密度对小麦穗和颖花发育的影响

1.2.1.4 氮肥水平与种植密度对小麦产量的影响

1.2.1.5 氮素水平与种植密度对营养器官干物质的运转及其对籽粒的贡献率的影响

1.2.2 氮肥和密度对冬小麦光合作用的影响

1.2.2.1 氮素水平与种植密度对叶层分布和叶面积的影响

1.2.2.2 氮素水平与种植密度对旗叶光合作用的影响

1.2.2.3 氮素水平与种植密度对群体光合作用的影响

1.2.3 小麦抗倒伏性能研究进展

1.2.3.1 基部节间形态与抗倒性的关系

1.2.3.2 解剖学特征与抗倒性的关系

1.2.3.3 化学组分与抗倒性的关系

1.2.3.4 氮肥和密度对小麦抗倒伏性能的影响

1.2.4 施氮对生态环境的影响

1.2.4.1 农田土壤中N03--N 淋失

1.2.4.2 大气中N20 的变化

1.2.5 肥料利用效率研究进展

1.2.5.1 肥料利用效率的表征参数

1.2.5.2 我国目前肥料利用效率的现状

1.2.5.3 肥料利用率低的主要原因

1.3 研究目的

2 材料与方法

2.1 试验设计

2.1.1 试验点概况

2.1.2 试验设计

2.2 测定项目与方法

2.2.1 田间调查与取样

2.2.2 产量的测定

2.2.2.1 产量的测定

2.2.2.2 花前贮藏同化物对籽粒贡献率的计算

2.2.3 光合速率的测定

2.2.3.1 花后冠层叶面积系数的测定

2.2.3.2 旗叶净光合速率的测定

2.2.3.3 旗叶衰老酶活性的测定

2.2.3.4 群体净光合速率的测定

2.2.4 茎秆抗倒性能的测定

2.2.4.1 茎秆抗倒指标的取样

2.2.4.2 茎秆形态指标的测定

2.2.4.3 茎秆机械强度的测定

2.2.4.4 基部节间化学成分的测定

2.2.4.5 木质素合成酶活性的测定

2.2.5 土壤养分和植株氮磷钾的测定

2.2.5.1 土壤养分的测定

2.2.5.2 植株氮磷钾的测定

2.2.5.3 土壤硝态氮的测定

2.2.5.4 肥料利用效率的计算方法

3 结果与分析

3.1 氮肥和密度对冬小麦群体动态变化和产量的影响

3.1.1 氮肥和密度对冬小麦群体动态变化和产量的影响

3.1.1.1 单位面积茎数

3.1.1.2 叶面积指数

3.1.1.3 干物质积累量

3.1.1.4 籽粒灌浆

3.1.1.5 冬小麦产量及构成因素

3.1.1.6 花前贮藏同化物对籽粒的贡献率

3.1.1.7 经济系数

3.1.1.8 产量与生物量、经济系数的关系

3.2 氮肥和密度对冠层光合的影响

3.2.1 氮肥和密度对旗叶光合作用的影响

3.2.1.1 氮肥和密度对旗叶叶面积、厚度、含氮量和叶绿素含量的影响

3.2.1.2 旗叶光合作用

3.2.1.3 旗叶叶绿素荧光参数

3.2.1.4 旗叶衰老相关酶活性

3.2.1.5 旗叶净光合速率与旗叶厚度、大小、叶绿素含氮量之间的相关性

3.2.2 冠层群体光合作用

3.2.2.1 叶面积指数（LAI）

3.2.2.2 群体净光合速率（CAP）

3.2.2.3 叶面积系数、群体光合和产量之间的相关性

3.3 氮肥和密度对冬小麦S15 抗倒性能的影响

3.3.1 氮肥水平和种植密度对植株形态结构特征和倒伏的影响

3.3.2 基部节间化学组分

3.3.3 抗倒指数

3.3.4 木质素相关合成酶活性

3.3.5 抗倒指数与形态结构特征、基部节间化学组分以及木质素含量与木质素合成相关酶活性的相关性分析

3.3.5.1 抗倒指数与形态结构特征、基部节间化学组分的相关性分析

3.3.5.2 基部节间木质素含量与木质素合成相关酶活性的相关性分析

3.3.6 氮肥水平和种植密度对抗倒指数影响的回归分析

3.4 施氮对土壤硝态氮时空分布的影响

3.5 氮肥和密度互作对肥料利用效率的影响

3.5.1 阶段吸氮量

3.5.2 阶段吸磷量

3.5.3 阶段吸钾量

3.5.4 成熟期氮、磷、钾积累量的相关性分析

3.5.5 氮肥利用效率

3.5.6 磷肥和钾肥利用效率

4 讨论

4.1 氮肥和密度对产量的影响

4.2 氮肥和密度对冠层光合作用的影响

4.3 氮肥和密度互作对S15 茎秆抗倒性能的作用

4.4 施氮对土壤硝态氮的影响

4.5 氮肥和密度对肥料利用率的影响

5 结论

参考文献

致谢

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