高光效小麦群体提高氮素吸收利用和产量的机理.pdf
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1、高光效小麦群体提高氮素吸收利用和产量的机理高光效小麦群体提高氮素吸收利用和产量的机理丁永刚,陈欢*,曹承富,乔玉强,赵竹,李玮,张向前,杜世州*(安徽省农业科学院作物研究所,安徽合肥230031)摘要:【目的目的】研究通过调整小麦种植密度构建高光能利用效率群体,促进群体氮素积累、分配和转运的效果和机理,为充分利用光能提高小麦产量提供理论依据。【方法方法】试验于 20182019 年在安徽省濉溪县和蒙城县进行,以分蘖能力强(安 1302)和弱(皖垦麦 0622)的品种为材料,设置 180104株/hm2(D1)、240104株/hm2(D2)、300104株/hm2(D3)、360104株/hm
2、2(D4)4 个种植密度,调查了群体籽粒产量、光合有效辐射截获率和截获量、光合有效辐射转化率,以此为基础,将小麦群体分为光效率高、中、低 3 个类型,比较了不同光效率类型群体的叶面积指数、花前氮素积累和转运量、花后(乳熟期)氮素积累量。【结果结果】品种、密度及其互作效应显著影响小麦群体的光能利用率和籽粒产量。高光效型群体的光能利用率和籽粒产量分别达 1.4%和9.7t/hm2,分别比中、低效型群体提高 5%、14%和 1%、5%。不同群体间开花期、乳熟期光合有效辐射截获率、开花期至乳熟期光合有效辐射截获量差异不显著,高光效型群体开花期至乳熟期光合有效辐射转化率高于中、低效型群体,达 2.34g
3、/MJ。高光效型群体开花期、乳熟期叶面积指数及开花期茎秆叶鞘、叶片、单位叶面积氮素积累量均不同程度高于其他类型群体,分别达 7.24、4.53 及 63.9kg/hm2、79.5kg/hm2和 143.78g/cm2。此外,高光效型群体中群体和单茎花前氮素转运量分别为 129kg/hm2和 15mg,均显著高于中、低效型群体,主要为茎秆+叶鞘和叶片氮素转运量较高,各营养器官间氮素转运率差异不显著,且高光效型群体成熟期个体营养器官仍保持较高的氮素积累量。【结论结论】高光效型群体开花期茎秆+叶鞘、叶片以及单位叶面积氮素积累量高,提高了开花期的叶面积指数,有利于光能的吸收和利用。虽然高光效型群体茎秆
4、+叶鞘和叶片中的氮素转运量较高,其花后营养器官的氮素积累量依然较高,有助于维持花后较大叶面积指数,有效提升花后光合有效辐射转化率,获得更高的小麦籽粒产量。关键词:小麦;光能利用率;光能资源利用;氮素吸收;叶面积指数;产量Mechanisms of improving nitrogen uptake,utilization and grain yieldof wheat population with high radiation use efficiencyDINGYong-gang,CHENHuan*,CAOCheng-fu,QIAOYu-qiang,ZHAOZhu,LIWei,ZHANGX
5、iang-qian,DUShi-zhou*(Crop Research Institute,Anhui Academy of Agricultural Sciences,Hefei,Anhui 230031,China)Abstract:【Objectives】Weconstructeddifferenttypesofradiationuseefficientpopulationsthroughtheplantdensitiesofwheat,andcomparedtheirNaccumulationandtransportcharacteristicsbeforeanthesisandthe
6、Naccumulationafteranthesis,toprovideatheoreticalbaseforimprovingwheatyieldthroughefficientradiationuseefficiency(RUE).【Methods】FieldtrialswereconductedinSuixiandMengchengcountiesofAnhuiProvincein20182019,thecultivar“An1302”withstrongtilleringabilityand“Wankenmai0622”withweaktilleringabilitywereemplo
7、yedasthetestmaterials.Fourplantdensities:180104plants/hm2(D1),240104plants/hm2(D2),300104plants/hm2(D3),and360104plants/hm2(D4)weresetupfortheinvestigationofyield,andtheinterceptionrate,amount,andphotosyntheticconversionefficiencyofactiveradiationatmilk-ripeningstage.植物营养与肥料学报2024,30(1):2735doi:10.1
8、1674/zwyf.2023237JournalofPlantNutritionandFertilizershttp:/www.plantnutrifert.org收稿日期:20230529接受日期:20230829基金项目:安徽省自然科学基金项目(2108085QC111);安徽省农业科学院青年英才项目;安徽省财政农业科技成果转化项目(2022ZH003)。联系方式:丁永刚E-mail:*通信作者陈欢E-mail:;杜世州E-mail:Accordingtothesedata,thewheatpopulationwasdividedintohigh,moderateandlowradiati
9、onuseefficienttypes,denotedasH-,M-,andL-RUE,respectively.TheNaccumulationandtranslocationduringanthesisstage,andtheNaccumulationandleafareaindexatmilk-ripeningstagewerecomparedamongthethreepopulationtypes.【Results】Cultivar,densityandtheirinteractionsignificantlyaffectedtheRUEandgrainyield.TheRUEandg
10、rainyieldofH-RUEpopulationwere1.4%and9.7t/hm2,whichwerehigherthanthoseofM-andL-RUEby5%and14%,1%and5%,respectively.Theinterceptionrateatanthesisandmilk-ripestages,andtheinterceptionamountofavailableradiationfromanthesistomilk-ripestageswerenotsignificantlydifferentamongthethreepopulationtypes,butthep
11、hotosyntheticconversionefficiencyofH-RUEwas2.34g/MJ,whichwashigherthanthatofM-andL-RUEpopulation.TheH-RUEpopulationhadahigherleafareaindexatanthesis(7.24)andmilk-ripestages(4.53),andhigherNaccumulationinstem&leafsheath(63.9kg/hm2),leaves(79.5kg/hm2),andperunitleafarea(143.78g/cm2)atanthesis,compared
12、totheotherpopulationtypes.Inaddition,H-RUEpopulationandtheindividualstemhadsimilartranslocationrateofNatpre-anthesisstagewiththeM-andL-RUEpopulationsandtheindividualstems,buthadsignificantlyhigherNtranslocationamountduetotheirhigherNaccumulationamount.TheleafareaindexofH-RUEpopulationwassignificantl
13、yhigherthantheM-andL-RUEpopulationsatanthesisandmilk-ripeningstageaswell.【Conclusions】ThewheatpopulationwithhighradiationuseefficiencycouldaccumulatemoreNinstems&leafsheaths,andleaves,andhashigherNaccumulationamountperunitleafareabeforeanthesisstage,inspiteofhighertranslocationamountofN,theNaccumula
14、tioninthevegetativeorgansishigherthanthoseinthemoderateandlowradiationuseefficiencypopulations,sothepopulationmaintainshighleafareaindexatanthesisandmilk-ripeningstage,whichisinductivetotheradiationconversionandtheformationofyield.Key words:wheat;radiationutilizationefficiency;radiationresourcesutil
15、ization;nitrogenuptake;leafareaindex;yield随着新一轮千亿斤粮食产能提升行动的开展,小麦产量潜力需要进一步挖掘,高产表现需要持续关注,对巩固我国粮食安全根基具有重要意义。光能是绿色植物进行物质生产和生长发育的基石,是维持生命活动最重要的物质之一,其利用效率是衡量作物将太阳光能转化为干物质能力的重要指标1。然而相较于自然界中其他能量利用效率,植物对光能的利用效率最低,仅有 1%的光能用于物质生产,绝大多数光能以热量形式散失在环境中2。目前自然条件下,小麦理论光能利用率为 4%5%,但受品种、环境和营养状况等影响,小麦实际光能利用率仅为 0.5%1.0%,远
16、低于理论值3。因此,前人研究认为提升光能利用率实现小麦增产还有较大潜力46。氮是植株正常进行光合作用的重要元素,主要与光合细胞结构、相关酶和色素等物质(如叶绿体、叶绿素 A、叶绿素 B、Rubisco、天线蛋白)合成有关,与植株的光能利用能力密切相关4,7。随着氮肥投入增加,植株体内氮素水平提高,光能利用率提高,主要原因有:1)扩大了群体,植株绿叶面积对光照辐射的拦截率提高,漏光率降低;2)绿色器官中叶绿素含量、Rubisco 活性提升,对光能的转化利用能力增强78。过量投入氮肥导致群体过旺,大量光照辐射被顶部冠层叶片拦截,其光合作用容易达到饱和点,大量光能资源被浪费,而底层叶片遮阴严重,光能
17、截获量少,衰老加速,光能利用率低910。前人大多研究由栽培方式构建的各单一群体间光能利用率差异,结果复杂且针对单个群体,普适性较弱;对光能利用率的研究主要集中于群体质量和生理生态,而光能利用率与植株氮素积累、分配和转运的关系及其机制还研究较少。本研究选用分蘖能力差异品种,设置不同种植密度,通过系统聚类的方式将群体划分为光能利用高效、中效和低效群体,分析群体间光能截获特性、氮素积累、营养器官间氮素分配和转运差异,明确小麦实现光能高效利用的氮素积累和利用机制,为小麦高光效品种选育和绿色、高效栽培提供理论依据。1 材料与方法1.1 试验地概况试验于 20182019 年度分别在亳州市蒙城县现代农业示
18、范场(11632E,339N)和淮北市濉溪县杨28植物营养与肥料学报30卷柳农业科学实验站(11645E,3337N)开展。播前濉溪土壤 pH、全氮、速效磷、速效钾、有机质含量分别为 6.68、1.23g/kg、32.4mg/kg、141mg/kg、20.2g/kg;蒙城分别为 6.64、1.42g/kg、38.9mg/kg、165mg/kg、27.0g/kg。两地小麦生育期间气象数据见图 1。1.2 试验设计采用裂区设计,以分蘖能力强(安 1302)和弱(皖垦麦0622)的小麦品种为主区;密度为副区,设置基本苗为 180、240、300、360万株/hm2,共 8 个处理。机械化耕地、播种,
19、播种行距为20cm。N、P2O5和 K2O 施用量分别为225、90 和 90kg/hm2,氮肥按 6:4 的质量比分为基肥和拔节期追肥,磷钾肥作为底肥一次性施入。濉溪县和蒙城县小区面积分别为 10m2(2m5m)和 12m2(3m4m),3 次重复,其他田间管理措施同当地高产田。1.3 测定项目和方法籽粒产量:于成熟期在各小区未取样区域选取长势均匀一致的 4m2,人工收割,机械脱粒,自然晒干后称重,采用近红外谷物品质分析仪(Infratec1241,Foss,Denmark)测定籽粒含水量,最终折算为13%含水量的籽粒产量。茎蘖数:于小麦拔节期在田间选择具有代表的1m 行长,记录各处理茎蘖数
20、,重复 3 次。叶面积指数:于小麦开花期和乳熟期,选取具有代表性的样段连续取样 20 株,采用 LI3100C 台式叶面积仪(美国 LI-COR 公司)测定绿叶叶面积,计算公式如下:LAI=样品叶面积(cm2)/株数基本苗(株/m2)干物质积累量:于小麦越冬期、返青期、拔节期、开花期、乳熟期和成熟期从各小区选取长势均匀的样段连续取样 30cm,越冬期、返青期、拔节期和乳熟期按整株分样,开花期和成熟期按叶片、茎秆+叶鞘、穗(成熟期又分为籽粒、颖壳+穗轴)分样,将样品 105 杀青 1h,80 烘干至恒重,称重,计算单位面积干物质积累量。氮素积累量:测定前将上述样品烘干,粉碎,称取 0.2g,经
21、H2SO4H2O2消解后,采用连续流动分析仪测定植株氮含量,分别计算个体、群体氮素积累量。冠层光合有效辐射截获率、截获量:采用作物冠层分析仪(Sunscan,UK),于小麦开花期和乳熟期(花后 28 天),选择晴朗无云的天气,分别测定植株底部和顶部光合有效辐射。1.4 计算方法光能利用率(%)=干物质积累量单位干物质燃烧释放的热量/生育期内太阳辐射总量100。籽粒单位质量有机干物质燃烧释放的热量为 17.8MJ/kg,秸秆为 14.6MJ/kg3。濉溪和蒙城小麦生育期内太阳辐射总量分别为 2584.4 和 2693.1MJ/m2。花后氮素积累量(kg/hm2)=成熟期氮素积累量开花期氮素积累量
22、花前营养器官氮素转运量(kg/hm2)=开花期营养器官氮素积累量成熟期营养器官氮素积累量花前营养器官氮素转运率(%)=花前营养器官氮10 月Oct.11 月Nov.12 月Dec.1 月Jan.2 月Feb.3 月Mar.4 月Apr.5 月May6 月Jun.5051015202530太阳辐射总量 Total solar radiation(MJ/m2)降水量 Rainfall(mm)日平均温度(濉溪)Daily mean temperature(Suixi)日平均温度(蒙城)Daily mean temperature(Mengcheng)降水量(濉溪)Rainfall(Suixi)降水量
23、(蒙城)Rainfall(Mengcheng)太阳辐射总量(濉溪)Total solar radiation(Suixi)太阳辐射总量(蒙城)Total solar radiation(Mengcheng)0204060801001201401601802000100200300400500600日平均温度 Daily mean temperature(C)图 1 濉溪县和蒙城县日平均温度、降水量和太阳辐射总量Fig.1 Daily mean temperature,rainfall and total solar radiation in Suixi and Mengcheng counti
24、es1期丁永刚,等:高光效小麦群体提高氮素吸收利用和产量的机理29素转运量/花前营养器官氮素积累量100各营养器官氮素转运量(kg/hm2)=开花期各营养器官氮素积累量成熟期各营养器官氮素积累量单位叶面积氮素积累量(g/cm2)=叶片氮素积累量(mg)/叶面积(cm2)1000冠层光合有效辐射截获率(%)=(PAR顶PAR底)/PAR顶100PAR顶和 PAR底分别表示冠层顶部和底部光合有效辐射。阶段冠层光合有效辐射截获量(MJ/m2)=平均光合有效辐射截获率(%)阶段光能总辐射量(MJ/m2)光合有效辐射转化率(g/MJ)=阶段干物质积累量(g/m2)/阶段光合有效辐射截获量(MJ/m2)1
25、.5 数据处理采用 SPSS19.0 进行统计分析,LSD 法进行显著性检验。根据群体间光能利用率进行系统聚类分类。采用线性方程拟合光能利用率和籽粒产量以及氮素积累与叶面积指数的关系;采用 Origin2021 绘图。2 结果与分析2.1 小麦不同群体间光能利用率和产量差异方差分析结果(表 1)表明,品种、密度及其互作效应显著影响群体间拔节期茎蘖数、光能利用率和籽粒产量(P0.05)。安 1302 拔节期茎蘖数、光能利用率和籽粒产量显著高于皖垦麦 0622。整体 D4条件下拔节期茎蘖数、光能利用率和籽粒产量最高,均显著高于 D1。濉溪和蒙城安 1302 拔节期茎蘖数均以 D2 最高,光能利用率
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