張向前，劉良柏，喬玉強(qiáng)，曹承富，陳 歡，王平信，郭 然，劉 飛，杜世州，趙 竹，李 瑋

(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物研究所，安徽 合肥 230031；2.安徽華成種業(yè)股份有限公司，安徽 宿州 234000)

小麥籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)與種植環(huán)境密切相關(guān)，易受多種栽培技術(shù)的影響，其中適宜的氮肥施用量和種植密度是小麥優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培的主要農(nóng)藝調(diào)控措施[1]。不適宜的肥料施用量和播種量，不僅加重高產(chǎn)與資源高效的矛盾，還會引發(fā)一系列農(nóng)業(yè)環(huán)境問題[1-2]。研究表明，氮肥和密度二者間存在互作效應(yīng)，適當(dāng)降低氮肥施用量、合理增加種植密度有利于小麥群體充分吸收土壤氮素，在保證產(chǎn)量的同時減少土壤氮素殘留[3-4]。王成雨等[5]在研究中指出，氮肥施用偏高不僅降低氮肥利用率，而且促使植株基部節(jié)間變長，易倒伏減產(chǎn)，密度偏低會導(dǎo)致穗數(shù)不足，密度過大易造成個體變?nèi)?，同樣會?dǎo)致作物減產(chǎn)。李筠等[6]研究發(fā)現(xiàn)，播種密度過大或過小均不利于小麥高產(chǎn)，籽粒蛋白質(zhì)含量隨密度的增加而降低，產(chǎn)量與施氮量呈二次曲線關(guān)系，增加施氮量可提高小麥蛋白質(zhì)和濕面筋含量。

有關(guān)施氮量和密度對小麥產(chǎn)量的影響，國內(nèi)外學(xué)者做過不少研究[7-9]，一般認(rèn)為，種植密度偏大，雖可增加有效穗數(shù)，但千粒質(zhì)量和穗粒數(shù)降低，致使產(chǎn)量不高，而適當(dāng)降低密度有利于光合產(chǎn)物向籽粒轉(zhuǎn)移，提高產(chǎn)量和收獲指數(shù)；一定施氮水平內(nèi)，籽粒產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，但超過一定限度后，產(chǎn)量提高不明顯，甚至降低。小麥?zhǔn)前不帐≈饕Z食作物之一，確保其穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)對我國糧食安全具有重要意義。雖前人在有關(guān)氮肥和密度對小麥影響方面做了不少研究，但在安徽生態(tài)區(qū)有關(guān)該方面的研究仍相對欠缺，且該區(qū)實際小麥生產(chǎn)中由于缺少相應(yīng)的理論技術(shù)指導(dǎo)和廣大農(nóng)民科學(xué)文化程度較低，往往氮肥施用量偏高且種植密度不合理，不僅造成氮肥的流失和浪費，而且產(chǎn)量提升困難。

本研究以多穗型小麥品種華成3366為試驗材料，研究了不同施氮水平和密度互作對其根系、光合、品質(zhì)及群體干物重、成熟期生物和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的影響，旨在一方面闡明影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì)形成關(guān)鍵指標(biāo)對施氮量和密度變化的響應(yīng)，另一方面探討通過增加密度減少氮肥施用量實現(xiàn)小麥綠色增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的可行性。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015-2017年在安徽省蒙城縣農(nóng)業(yè)科技示范場進(jìn)行，試驗所在地土質(zhì)為砂姜黑土，0～20 cm耕層土含有機(jī)質(zhì)14.41 g/kg，全氮1.73 g/kg，全磷0.96 g/kg，堿解氮89.476 mg/kg，有效磷29.77 mg/kg，速效鉀299.32 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)為密度，分別為180萬株/hm2(D1)、270萬株/hm2(D2)和360萬株/hm2(D3)，裂區(qū)為施氮量，分別為240 kg/hm2(N1，常規(guī)量)、204 kg/hm2(N2，相比N1減氮15%)、168 kg/hm2(N3，相比N1減氮30%)、0 kg/hm2(N0)。種植小麥品種為華成3366(多穗型)，行距20 cm，小區(qū)面積3 m×4 m=12 m2，氮肥基追比6∶4，追肥時期為拔節(jié)期，P2O590 kg/hm2，K2O 90 kg/hm2，磷肥和鉀肥全部基施。共12個處理，3次重復(fù)，2015年(只有密度270萬株/hm2處理設(shè)有不施肥對照)和2016年(各密度皆有不施肥對照)均為10月16日播種，其他田間管理措施同當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)栽培要求。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 根系性狀 采用挖掘法采集根樣(0～40 cm)，取出根樣后迅速裝入大塑料袋中，帶回實驗室用0.25 mm 土壤篩將根系沖洗干凈，于開花期取樣。將小麥根系洗干凈放入裝有少量水的有機(jī)玻璃盤內(nèi)，用鑷子小心將每條根展開，使根與根之間不重疊。采用根系圖像分析軟件WinRhizo(Regent Instruments，Canada)對每株根系進(jìn)行掃描和分析，得到平均根直徑、根長、根表面積、根體積和根尖數(shù)，每個處理5次重復(fù)。

1.3.2 旗葉葉面積 在孕穗期和灌漿中期每小區(qū)取10株小麥，用直尺量取旗葉最長和最寬處，用長和寬的乘積再乘以換算系數(shù)0.83確定旗葉葉面積。

1.3.3 葉綠素含量 用手持式葉綠素測定儀(SPAD-502)于拔節(jié)期、孕穗期、開花期和灌漿中期測定。

1.3.4 旗葉光合速率 采用Li-6400便攜式光合儀(美國LI-COR公司)于晴朗無云天氣在上午9：30-11：30測定小麥旗葉光合速率，胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，測定時期為開花期。

1.3.5 籽粒品質(zhì) 淀粉、蛋白質(zhì)、沉降值和濕面筋用Foos 1241型近紅外谷物分析儀測定。

1.3.6 群體干物重 分別于拔節(jié)期、孕穗期、開花期和成熟期取樣(10株/小區(qū))測定干物重，將所取樣品在105 ℃下殺青20 min，80 ℃烘干至恒重，稱取干物重。

1.3.7 產(chǎn)量 分小區(qū)收割曬干后折算成大田量。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，采用SPSS 17.0軟件和最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系性狀

N0處理(表1)的根長、根表面積、根體積、平均根直徑、根尖數(shù)顯著低于施肥處理，D1密度下N1和N3分別比N0顯著增加了136.17%，115.89%，153.38%，37.56%，187.23%和94.28%，92.45%，131.58%，30.50%，157.72%。相同施氮水平下，D1、D2、D3間根長、根表面積、平均根直徑差異皆不顯著，而N1和N3下D1比D3的根體積分別顯著增加了6.65%和6.94%，N1、N2、N3下D1比D3根尖數(shù)分別顯著增加了7.73%，10.21%，10.06%，表明相同氮水平下種植密度可對小麥根體積和根尖數(shù)產(chǎn)生顯著影響。從表1亦可看出，相同種植密度下，根長和根尖數(shù)N1與N2(比N1減氮15%)間差異顯著，N2與N3(比N1減氮30%)間差異不顯著；根表面積和平均根直徑N1與N2及N2與N3間差異不顯著，根體積N1與N2間差異不顯著。相同種植密度下N1比N3的根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)在D1密度顯著增加了21.56%，12.18%，9.42%，11.45%，在D2密度顯著增加了20.98%，11.64%，8.70%，14.42%，在D3密度顯著增加了23.45%，10.86%，9.72%，13.85%。

表1 不同施氮量和種植密度下小麥根系性狀比較Tab.1 The difference in root traits of wheat under different application amount and planting density

注：表中數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差，各列后不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著(P<0.05)。圖1、表2-6同。
Note：Values are means±SD，small letters in the same column indicate significant difference(P﹤0.05). The same as Fig.1，Tab.2-6.

2.2 旗葉葉面積

孕穗期(圖1)同一氮水平下不同種植密度小麥旗葉葉面積差異皆不顯著，而N1、N2、N3下不同種植密度的小麥旗葉葉面積顯著高于不施肥N0。相同種植密度下，N1與N2、N2與N3旗葉葉面積差異不顯著，表明同一種植密度下減氮15%不會造成孕穗期小麥旗葉葉面積的顯著差異。同一密度下，N3旗葉葉面積顯著低于N1，分別降低9.63%，9.73%和9.30%，表明減氮30%會造成孕穗期旗葉葉面積顯著降低。灌漿中期施肥處理N1、N2、N3旗葉葉面積顯著高于N0，N1與N2旗葉葉面積在同一密度D1和D2下差異不顯著，N2與N3旗葉葉面積在D3下差異不顯著，表明減氮15%下灌漿中期旗葉葉面積是否顯著降低與種植密度存在一定關(guān)系，N3旗葉面積顯著低于N1，表明減氮30%會導(dǎo)致小麥旗葉面積顯著降低。從圖1亦可看出，相同氮水平下，D1、D2、D3旗葉面積呈逐漸降低的趨勢，但只有灌漿中期N0和N2下D1與D3的旗葉面積差異顯著。

圖1 不同施氮量和種植密度下旗葉面積比較Fig.1 The difference in flag leaf area under different Napplication amount and planting density

2.3 葉綠素含量

相同氮水平下不同種植密度間在同一生育期的葉綠素含量差異皆不顯著，且不施肥N0下各種植密度小麥葉綠素含量顯著低于其他施肥處理。同一種植密度下N1與N2間葉綠素含量差異皆不顯著，N2與N3間除開花期D3密度下葉綠素含量差異顯著，其余差異皆不顯著，表明同一密度下減氮15%不會造成葉綠素含量的明顯降低。N1與N3 2種氮水平下，除灌漿中期D2種植密度下兩者差異不顯著外，其余差異皆顯著，其中D1與D3密度下N1的葉綠素含量分別比N3顯著增加了5.66%，6.52%，8.47%，9.80%和5.73%，7.15%，9.60%，10.98%(表2)。

表2 不同施氮量和種植密度下葉綠素含量比較(SPAD)Tab.2 The difference in chlorophyll content under different N application amount and planting density

2.4 光合特性

N0下各種植密度的光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率顯著低于施氮處理N1、N2、N3，而胞間CO2濃度顯著高于各施氮處理。同一氮水平下，隨種植密度的增加光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率呈逐漸降低的趨勢，胞間CO2濃度呈上升趨勢，其中N1、N2、N3下3種種植密度D1、D2、D3間的光合速率差異皆不顯著，N1和N2下D1與D3間氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度差異顯著，其余差異皆不顯著。相同種植密度下，N1與N3間的光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度差異顯著，D1、D2、D3密度下N1比N3的光合速率和氣孔導(dǎo)度分別顯著增加了20.03%，18.44%，17.36%和24.11%，20.40%，19.76%。N1與N2間的光合速率相同密度下差異皆不顯著，N2與N3間的光合速率D1密度下差異顯著，D2和D3密度下差異不顯著(表3)。

表3 不同施氮量和種植密度下光合特性比較Tab.3 The difference in photosynthetic characteristics under different N application amount and planting density

2.5 籽粒品質(zhì)

隨施氮量的降低，同一種植密度下，小麥籽粒蛋白質(zhì)、濕面筋含量和沉降值呈逐漸降低的趨勢，淀粉含量呈逐漸上升趨勢。相同施氮水平下，D1、D2、D3密度間的蛋白質(zhì)、淀粉、濕面筋含量及沉降值差異皆不顯著，表明種植密度對小麥籽粒蛋白質(zhì)、淀粉、濕面筋含量及沉降值影響不顯著。同一種植密度下，N1與N2、N2與N3(D3密度下蛋白質(zhì)含量除外)間的蛋白質(zhì)、淀粉、濕面筋含量及沉降值差異皆不顯著，表明一定范圍內(nèi)減氮15%雖然會導(dǎo)致籽粒蛋白質(zhì)、濕面筋含量、沉降值的降低及淀粉含量的增加，但效果不明顯。從表4亦可看出，N1與N3間的蛋白質(zhì)含量和沉降值差異顯著，D1分別增加了5.42%和5.57%，D2分別增加了6.58%和5.47%，D3分別增加了7.05%和4.74%，而N1與N3間淀粉、濕面筋含量差異不顯著(表4)。

表4 不同施氮量和種植密度下小麥籽粒品質(zhì)比較Tab.4 The difference in grain quality under different N application amount and planting density

2.6 群體干物重

同一氮水平下(表5)，隨種植密度的增加小麥各生育期群體干物重呈上升趨勢，且D1與D2、D2與D3間大多數(shù)差異顯著，各生育期群體干物重D3顯著高于D1，其中N1和N2水平下，D3比D1的群體干物重在拔節(jié)期、孕穗期、開花期和成熟期分別顯著增加了64.34%，32.33%，27.76%，6.83%和66.47%，33.36%，26.68%，7.63%，表明相同氮水平下，小麥密度增加90萬株/hm2基本苗即可一定程度提高群體干物重，增加180萬株/hm2基本苗會顯著提高各生育期群體干物重。相同種植密度D1、D2、D3下，N1與N2、N2與N3間各生育期群體干物重部分差異顯著，而N1與N3間差異皆顯著，表明當(dāng)施氮量由N1水平降到N3會導(dǎo)致各密度小麥群體干物重顯著降低。從表5亦可看出，N2D3和N3D3群體干物重高于或相當(dāng)于N1D1和N1D2，N3D3群體干物重高于或相當(dāng)于N2D1和N2D2，其中N2D2和N2D3比N1D1群體干物重在拔節(jié)期、孕穗期、開花期和成熟期分別增加26.31%，11.66%，5.48%，0.51%和59.49%，26.04%，18.14%，2.95%，表明減氮15%密度增加90萬株/hm2基本苗或減氮30%密度增加180萬株/hm2基本苗可獲得高于或相當(dāng)于未減氮處理的群體干物重(生物產(chǎn)量)。

表5 不同施氮量和種植密度下群體干物重比較Tab.5 The difference in dry matter weight of population under different Napplication amount and planting density kg/hm2

2.7 經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量及其構(gòu)成

相同氮水平下(表6)，D1、D2、D3千粒質(zhì)量和穗粒數(shù)差異不顯著，除不施肥外D1、D2、D3間穗數(shù)存在顯著差異，D3比D1和D2穗數(shù)N1下顯著增加23.65%和8.39%，N2下顯著增加19.41%和4.58%，N3下顯著增加18.94%和4.94%。相同密度下，N1與N3穗粒數(shù)差異不顯著，穗數(shù)差異顯著，千粒質(zhì)量D1和D3差異不顯著，而在D2密度下差異顯著，表明相同密度減氮30%不會造成穗粒數(shù)顯著降低，但會造成穗數(shù)顯著降低，而減氮30%千粒質(zhì)量是否顯著降低與種植密度存在一定關(guān)系。2016，2017年不施肥處理的產(chǎn)量顯著低于其他施肥處理，同一氮水平下(N1、N2和N3)，隨密度的增加產(chǎn)量總體上升，以N1D3產(chǎn)量最高，但未與N2D3和N3D3差異顯著。相同氮水平下，D3產(chǎn)量顯著高于D1，2016，2017年D3比D1產(chǎn)量N1顯著增加11.83%和5.52%，N2顯著增加11.42%和10.31%，N3顯著增加14.03%和10.88%，此外，相同氮水平下D1與D2、D2與D3間的產(chǎn)量部分存在顯著差異，表明施氮水平一致，一定范圍內(nèi)種植密度增加90萬株/hm2基本苗產(chǎn)量提升幅度有可能顯著或不顯著，而增加180萬株/hm2基本苗產(chǎn)量會顯著提高。相同種植密度下，N1和N2、N2和N3的產(chǎn)量差異不顯著，N1D1與N3D1產(chǎn)量差異顯著。N3D2和N3D3產(chǎn)量高于或相當(dāng)于N1D1，表明降氮30%而密度增加90～180萬株/hm2基本苗可確保穩(wěn)產(chǎn)。

表6 不同施氮量和種植密度下產(chǎn)量及其構(gòu)成比較Tab.6 The difference in yield and its components under different N application amount and planting density

3 討論

生產(chǎn)實踐表明，作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)是具有較高的生物產(chǎn)量，而生物產(chǎn)量的高低在很大程度上取決于根系生長發(fā)育狀況。邱喜陽等[10]研究發(fā)現(xiàn)，通過氮肥施用量調(diào)控根量對提高大穗型小麥產(chǎn)量具有重要作用。王樹麗等[11]研究證實，適當(dāng)增加種植密度有利于提高單位體積土壤中小麥根系數(shù)量和活力。本研究發(fā)現(xiàn)，相同氮水平下不同種植密度間小麥根體積和根尖數(shù)差異顯著，而根長、根表面積、平均根直徑差異不顯著；相同密度下N3(減氮30%)根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)顯著低于N1，而減氮15%不會造成根表面積、平均根直徑和根體積的顯著降低。種植密度可對小麥根系產(chǎn)生影響主要在于密度可調(diào)控單株小麥根系個體間獲取養(yǎng)分及生長空間競爭力的大小，氮肥施用水平對小麥根系產(chǎn)生影響主要在于氮肥能為根系生長提供必需的氮源和能源[12]。旗葉葉面積和葉片葉綠素含量與作物群體光合能力大小密切相關(guān)，如何增加旗葉面積提高葉綠素含量對增加作物產(chǎn)量具有重要作用[13]。本研究證實，減氮30%可導(dǎo)致小麥旗葉面積和葉綠素含量顯著降低，而減氮15%葉綠素含量降低不明顯，旗葉面積是否顯著降低與生育期和種植密度有一定關(guān)系；相同氮水平下，同一生育期不同密度間葉綠素含量差異不顯著，種植密度增加旗葉面積呈下降趨勢。成熟籽粒中70%以上的干物質(zhì)來源于花后光合器官所生產(chǎn)的光合產(chǎn)物，光合速率的提高對籽粒干物質(zhì)的積累具有重要的作用[14]。本研究發(fā)現(xiàn)，不施氮肥會顯著降低小麥光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率，相同施氮量下3個密度D1、D2、D3間光合速率逐漸下降，但差異不顯著，N1和N2下D1與D3間氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度差異顯著；相同密度下，減氮30%顯著降低光合速率，減氮15%光合速率是否顯著降低與種植密度存在一定關(guān)系。馬建輝等[2]研究同樣證實，凈光合速率隨施氮量增加而升高，施氮水平超過一定限度后光合速率不再升高，群體密度低，通風(fēng)透光性較佳，密度增加，旗葉凈光合速率會降低。

籽粒品質(zhì)不僅受遺傳特性影響，且同一品種在不同地區(qū)、土壤及栽培措施間存在明顯差異[15-17]，研究栽培措施對小麥品質(zhì)性狀的影響，對充分發(fā)揮品種遺傳潛力及優(yōu)質(zhì)小麥區(qū)域發(fā)展，改善作物營養(yǎng)品質(zhì)具有重要意義。趙廣才等[18]研究表明，基本苗225～450萬株/hm2，隨基本苗增加谷蛋白和總蛋白含量呈逐漸降低趨勢，各蛋白組分及總蛋白含量隨施氮水平提高逐漸增加，除谷蛋白外，處理間差異顯著。本研究發(fā)現(xiàn)，同一密度下，隨施氮量的降低，籽粒蛋白質(zhì)、濕面筋含量和沉降值呈逐漸降低的趨勢，淀粉百分比含量呈逐漸上升趨勢，相同施氮量下，密度對籽粒蛋白質(zhì)、淀粉、濕面筋含量及沉降值影響不顯著；減氮15%不會造成籽粒品質(zhì)的顯著變化，減氮30%蛋白質(zhì)含量和沉降值顯著降低，而淀粉和濕面筋含量降低不顯著。溫明星等[19]同樣證實，密度變化會對鎮(zhèn)麥168粗蛋白和濕面筋含量產(chǎn)生一定影響，氮肥施用量為240～330 kg/hm2時，增施氮肥能改善籽粒濕面筋、粗蛋白含量和容重等品質(zhì)指標(biāo)，施氮量降低會引起品質(zhì)下降。密度和氮肥可影響小麥籽粒品質(zhì)主要可能是由于密度會導(dǎo)致小麥群體結(jié)構(gòu)的不同而帶來溫、光、通風(fēng)等生態(tài)條件的差異[20]，最終影響籽粒品質(zhì)形成，氮肥可以影響光合碳、氮代謝及籽粒的氮代謝而導(dǎo)致品質(zhì)的不統(tǒng)一[21]。

曹倩等[22]研究表明，施氮量和種植密度均顯著影響小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素，二者間存在明顯的互作效應(yīng)，其中密度是導(dǎo)致產(chǎn)量變化的主導(dǎo)因素。徐振江等[23]研究指出，密度為120～240萬株/hm2時，籽粒產(chǎn)量隨密度的增加而明顯提高，氮肥用量為75～225 kg/hm2時產(chǎn)量隨施氮量同步提高，當(dāng)施氮量超300 kg/hm2時產(chǎn)量不再增加。本研究發(fā)現(xiàn)，相同氮水平下，密度增加90萬株/hm2基本苗可一定程度提高群體干物重，增加180萬株/hm2基本苗顯著提高各生育期群體干物重及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；當(dāng)施氮量由N1降到N3會導(dǎo)致各密度小麥群體干物重顯著降低；相同氮水平下，密度D1、D2、D3間千粒質(zhì)量和穗粒數(shù)差異不顯著，穗數(shù)(不施肥除外)差異顯著，相同密度減氮30%不會造成穗粒數(shù)顯著降低，但穗數(shù)顯著降低；同時發(fā)現(xiàn)，減氮15%增加90萬株/hm2基本苗或減氮30%增加180萬株/hm2基本苗可獲得高于或相當(dāng)于其對應(yīng)未減氮處理生物產(chǎn)量(群體干物重)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。本研究中，增加密度能彌補(bǔ)減氮對生物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量造成的損失主要是由于密度與氮肥之間存在互作效應(yīng)，氮肥主要是通過改善個體根系性狀及提高個體光合速率和個體質(zhì)量影響群體光合性能和產(chǎn)量，而密度主要是提高作物群體根系對土壤營養(yǎng)物質(zhì)的利用率及群體數(shù)量和葉面積指數(shù)，通過影響群體養(yǎng)分吸收、光合性能和干物質(zhì)積累而增加產(chǎn)量，當(dāng)施氮量不足時增加密度即可以對氮肥效應(yīng)進(jìn)行一定程度補(bǔ)償[24-27]。因此，在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，利用多穗型品種在減少氮肥施用量的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加種植密度，是農(nóng)業(yè)綠色增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的一條可行性技術(shù)途徑。