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小麦优质高产需水特性与植株—土壤氮素循环的研究

马兴华  
【摘要】: 1灌水量对小麦水分利用特性和品质与产量形成机制的影响 供试材料为强筋小麦济麦20(J20)和中筋小麦泰山23(T23)。试验采用裂区设计,主区为灌水量,副区为施氮量;设置4个灌水量处理:生育期不浇水(W0)、拔节水(W1)、拔节水+开花水(W2)、拔节水+开花水+灌浆水(W3),每次灌水60mm;设置2个施氮量处理:不施氮(N0)、每公顷施纯氮180kg(N1)。研究了灌水量对小麦水分利用特性和品质与产量形成机制的影响,主要结果如下: 1.1高产麦田的土壤水分动态 根据小麦根系的生长规律,将0~100cm土层分为0~20cm、20~60cm、60~100cm三层。播种前上述各土层的土壤含水量为17.73%、17.02%、16.90%,高产处理上述各土层土壤含水量为:拔节期10.46%~10.74%、12.18%~12.52%、16.28%~16.77%;开花期9.73%~9.81%、14.67%~14.73%、15.65%~16.65%;灌浆期8.87%~9.12%、12.51%~12.94%、14.24%~14.48%;成熟期6.07%~6.81%、8.10%~9.66%、10.79%~12.38%。拔节至开花期20~60cm土层维持较高的土壤含水量,开花至灌浆期60~100cm土层维持较高的土壤含水量是高产的保证。 1.2灌水量对水分利用的影响 N1条件下,产量最高的W2处理的耗水量为429.8mm~453.0mm,不同来源水分对耗水量贡献率为:降雨量43.29%~45.62%,灌水量26.49%~27.92%,土壤供水量26.46%~30.22%。在W2处理基础上再增加灌水,灌水量占耗水量比例提高,土壤供水量所占比例显著降低,产量降低。W2处理播种至拔节期、拔节至开花期、开花至成熟期的耗水模系数分别为:27.63%~30.17%、17.54%~19.00%、50.83%~54.83%。 N1条件下,产量水分利用效率随灌水量增加呈先增加后降低趋势,W1和W2处理产量水分利用效率较高;W2处理开花至成熟期的群体水分利用效率最高,W3处理全生育期的群体水分利用效率最低;W2处理提高了灌浆后期旗叶水分利用率。 施氮提高了各处理产量水分利用效率和群体水分利用效率。在供氮和灌水条件下T23品种的产量水分利用效率高于J20品种。 1.3灌水量对植株氮素吸收、转运和分配的影响 N1条件下,灌水提高了开花期氮素积累量,增加了营养器官贮存的氮素向籽粒的转运量,开花后氮素积累量随灌水量增加而增加。W2处理营养器官的氮素转运量和开花后氮素积累量均较高,成熟期籽粒氮素积累量最高。 施氮提高了开花期氮素积累量、开花后营养器官氮素转运量和成熟期氮素积累量。T23品种成熟期的氮素积累量高于J20品种。 1.4灌水量对籽粒蛋白质品质的影响 N1条件下,随灌水量增加,J20品种的醇溶蛋白各组分含量和LMW-GS含量增加,HMW-GS含量呈先增加后降低趋势,W2处理最高;T23品种的ω1,2-醇溶蛋白、α-醇溶蛋白含量增加,HMW-GS含量呈先增加后降低趋势,W2处理最高。籽粒蛋白质含量、沉降值、面团稳定时间呈先增加后降低的趋势,W2处理最高。 施氮提高了J20品种的醇溶蛋白各组分、麦谷蛋白各组分含量和醇溶蛋白、麦谷蛋白含量,增加了沉降值,延长了面团稳定时间;降低了T23品种的HMW-GS含量、麦谷蛋白含量和沉降值,缩短了面团稳定时间。 N1条件下,J20品种的ω5-醇溶蛋白、α-醇溶蛋白、HMW-GS、LMW-GS、醇溶蛋白、麦谷蛋白含量和谷/醇比高于T23品种。J20品种的沉降值和面团稳定时间高于T23品种。 1.5灌水量对氮素代谢的影响 W2处理提高了开花后21天的旗叶谷氨酰胺合成酶(GS)活性和灌浆中后期的旗叶内肽酶(EP)活性,增加了开花后21天的旗叶游离氨基酸含量,降低了开花后28天旗叶游离氨基酸含量。W3处理延迟了旗叶EP活性提高。 施氮提高了旗叶GS活性和EP活性,提高了旗叶游离氨基酸含量。 J20品种的旗叶GS活性、EP活性显著高于T23品种。 1.6灌水量对籽粒淀粉品质的影响 N1条件下,各灌水处理中,W2和W1处理具有较高的支链淀粉/直链淀粉含量比值(支/直比值)。灌水量过多的W3处理支/直比值显著低于W2和W1处理。施氮降低了支链淀粉和直链淀粉含量,提高了支/直比值。T23品种的支/直比值高于J20品种。 1.7灌水量对碳素代谢的影响 W2处理提高了旗叶的实际光化学效率和开花后20天至30天的光合速率,延长了光合高值持续期;提高了J20品种灌浆中后期和T23品种灌浆期的旗叶磷酸蔗糖合成酶(SPS)活性,促进了蔗糖的合成。W2处理降低了灌浆后期的籽粒淀粉粒结合态淀粉合成酶(GBSS)活性,提高了灌浆中后期的籽粒可溶性淀粉合成酶(SSS)活性。 施氮提高了旗叶的实际光化学效率,SPS活性和蔗糖含量。降低了籽粒的SSS和GBSS活性。 T23品种的旗叶光合速率、SPS活性、蔗糖含量和籽粒SSS活性高于J20品种。J20品种籽粒的GBSS活性在开花后7天前低于T23品种,在花后21天至28天高于T23品种。 1.8灌水量对小麦产量的影响 N1条件下,生物产量和籽粒产量随灌水量的增加呈先增加后降低的趋势,W2处理籽粒产量和生物产量最高,两品种表现一致。N0条件下,生物产量和籽粒产量随灌水量的增加而增加,但显著低于N1处理。 在施氮和灌水的条件下T23品种的产量比J20品种高,在氮肥和水分亏缺的条件下J20品种的产量比T23品种高。 2灌水量和施氮量对小麦品质与产量影响的生理基础 2.1灌水量对小麦需水特性和植株-土壤氮素循环及品质与产量的影响 供试材料为强筋小麦济麦20(J20)和中筋小麦泰山22(T22),试验采用裂区设计,主区为灌水量,副区为品种;设置4个灌水量处理:生育期不浇水(W0)、蒙头水+拔节水(W2)、蒙头水+拔节水+开花水(W3)、蒙头水+拔节水+开花水+灌浆水(W4),每次灌水60mm,研究了灌水量对小麦需水特性和植株—土壤氮素循环及品质与产量的影响。主要结果如下: 2.1.1灌水量对水分利用的影响 产量最高的W2处理耗水量为423.8mm~427.3mm,不同来源水分对耗水量贡献率为:降雨量29.95%~30.21%,灌水量28.08%~28.32%,土壤供水量41.48%~41.96%:在W2处理基础上再增加灌水,土壤供水所占比例降低,产量降低。W2处理播种至冬前期、冬前至拔节期、拔节至开花期、开花至成熟期的耗水模系数分别为:17.09%~17.67%、22.61%~25.33%、13.45%~16.63%、43.08%~44.13%。W2处理的产量水分利用率、拔节至开花期的群体水分利用率最高。W2处理提高了灌浆中后期的旗叶水分利用率。 2.1.2灌水量对土壤氮素平衡的影响 灌水促进土壤硝态氮向下层土壤运移,成熟期80~180cm土层土壤硝态氮含量随灌水量增加而增加,W4和W3处理出现明显的硝态氮累积,W2处理土壤硝态氮含量高于W0处理,但未出现明显的硝态氮累积。W2处理表观盈余量最低,生育期土壤氮素基本平衡,增加灌水量表观盈余量增加。J20品种的表观盈余量低于T22品种。 2.1.3灌水量对籽粒品质的影响 W2处理提高了籽粒蛋白质含量和沉降值,延长了面团稳定时间;W3、W4处理降低了沉降值,缩短了面团稳定时间。J20品种的沉降值和面团稳定时间高于T22品种。 2.1.4灌水量对产量的影响 J20和T22品种的籽粒产量随灌溉量的增加呈先增加后降低的趋势,W2处理最高。不灌水条件下,J20品种的籽粒产量高于T22品种;在灌水条件下,T22品种籽粒产量高于J20品种。 2.2灌水量和施氮量交互作用对小麦水分利用特性及品质与产量的影响 供试材料为强筋小麦济麦20(J20)。试验采用裂区设计,主区为灌水量,副区为施氮量;设置4个灌水量处理:生育期不浇水(W0)、蒙头水+拔节水(W2)、蒙头水+拔节水+开花水(W3)、蒙头水+拔节水+开花水+灌浆水(W4),每次灌水60mm。设置4个施氮量处理:0kg·hm~(-2)(NO)、120kg·hm~(-2)(N1)、210kg·hm~(-2)(N2)、300kg·hm~(-2)(N3)。研究了灌水量和施氮量交互作用对小麦水分利用特性及品质与产量的影响。主要结果如下: 2.2.1灌水量和施氮量对水分利用效率的影响 各灌水处理中,W2处理的产量水分利用率最高;在W2条件下,产量水分利用率随施氮量增加呈先增加后降低的趋势,N2处理最高。W2处理提高了全生育期的群体水分利用率,再增加灌水群体水分利用率降低。随施氮量增加,群体水分利用率增加,N2和N3处理无显著差异。W2处理有利于提高灌浆中后期的旗叶水分利用率。在浇水条件下,N2处理提高了灌浆中后期的旗叶水分利用率。 2.2.2灌水量和施氮量对小麦-植株氮素循环的影响 随灌水量增加,深层土壤的土壤硝态氮含量增加。N1、N2条件下,W2处理深层土壤没有出现明显的硝态氮累积。随施氮量增加,成熟期80~200cm土层的土壤硝态氮含量增加。 2.2.3灌水量和施氮量对氮代谢及蛋白质品质的影响 灌水提高了旗叶的GS活性,W2处理提高了旗叶的EP活性,W3、W4处理降低了旗叶的EP活性。 随灌水量增加,籽粒醇溶蛋白及各组分含量增加:LMW-GS与HMW-GS含量呈先增加后降低趋势,在N2、N3条件下,W2含量最高:在N1条件下,W1处理最高。 随施氮量增加,醇溶蛋白及各组分含量增加,HMW-GS与LMW-GS含量呈先增加后降低的趋势,N2处理最高。 在施氮条件下,沉降值和面团稳定时间随灌水量的增加呈先增加后降低的趋势,在N1条件下,W3处理最高;在N2、N3条件下,W2处理最高。 随施氮量增加,沉降值和面团稳定时间呈先增加后降低趋势,N2处理最高。 2.2.4灌水量和施氮量对碳代谢及淀粉品质的影响 W2处理提高了开花后旗叶光合速率,灌浆中后期旗叶的实际光化学效率(φPSⅡ),灌浆后期旗叶的最大光化学效率(Fv/Fm);增加灌水量降低了旗叶光合速率和φPSⅡ。 N2处理提高了旗叶光合速率,灌浆后期的φPSⅡ和Fv/Fm,增加施氮量降低了灌浆后期的旗叶光合速率、φPSⅡ和Fv/Fm。 W0、W2处理提高了灌浆前中期籽粒SSS活性,W3、W4处理提高了开花后28天籽粒SSS活性。灌水提高了灌浆中后期籽粒的GBSS活性。 施氮降低了灌浆前中期的籽粒SSS活性,降低了灌浆中后期的籽粒GBSS活性,N2和N3处理的籽粒GBSS活性无显著差异。各灌水处理中W2处理支/直比值最高。对于各灌水处理,支/直比值随施氮量增加呈先增加后降低的趋势,N2处理最高。 2.2.5灌水量和施氮量对产量的影响 在N2、N3条件下,生物产量和籽粒产量随灌水量的增加呈先增加后降低的趋势,W2处理最高,并且高于N0、N1条件下的最高产量;在W2条件下,生物产量和籽粒产量随施氮量的增加呈先增加后降低的趋势,N2处理最高。


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