氮磷营养及水分对冬小麦产量和品质的调控效应究
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摘要
干旱是当今世界最重要的生态问题之一，也是制约农业发展的主要逆境因子，研究并揭示其对冬小麦生育中后期植株生长发育、生理特性、产量和品质特性的影响，对旱地小麦产量和品质协同提高具有重要意义。为此，结合河南西部旱地的气候特点,在自动干旱棚内遮雨条件下,设置了灌水量、施N量、施P量三个因素的水肥耦合试验，系统研究了水肥耦合对冬小麦产量形成及籽粒品质性状的调控效应,主要结论如下:
1.在全生育期遮雨条件下，灌水量对冬小麦花后旗叶及倒二叶光合速率（Pn）、气孔导度、蒸腾速率等参数的调控效应均达显著水平(P≤0.05或P≤0.01)。灌浆前期（花后6d），旗叶Pn、气孔导度、蒸腾速率均在灌水量308.5mm达最大值，中后期（花后13d、23d）则在灌水量153.5mm时达最大值；从不同测定日期看，Pn随籽粒灌浆进程呈明显下降趋势。随施氮量增加花后6d、13d、23d旗叶Pn及气孔导度均呈先增后降趋势。从不同水肥处理组合看，以N_(105)P_(42)W_(308).5和N179.2P126W153.5最大。相关分析表明，叶片Pn与气孔导度、蒸腾速率间均呈极显著正相关（P≤0.01）,而与胞间CO_2浓度则呈显著负相关（P≤0.01），说明Pn的降低主要受非气孔因素的影响。
2.两年的研究表明，灌水量和施氮量对冬小麦籽粒蛋白质和氨基酸均有极显著调控效应(P≤0.01),存在着显著的灌水3施氮互作效应(P≤0.05或P≤0.01),而施磷对其调控效应不显著。在一定区间,籽粒蛋白质和氨基酸含量均随施氮量增加而增加,随灌水量增加而降低,但当灌水量超过282.0mm、施氮量超过179.2kg2hm~(-2)时,各指标的变化不再明显，蛋白质含量在高施氮量下略有下降。而必需氨基酸占总氨基酸含量的比例呈随灌水量增加而增加，随施氮量增加而降低的趋势,说明干旱胁迫下高氮处理不利于小麦籽粒营养品质的改善。从不同水肥处理组合看,蛋白质和氨基酸含量以处理组合N_(105)P_(42)W127最高,必需氨基酸/总氨基酸以处理组合N_(30.8)P_(126)W_(282)最高。综合从蛋白质及氨基酸产量看,以处理组合N_(179.2)P_(126)W_(282)表现最好,这与单一籽粒蛋白质及氨基酸含量高的处理组合并不一致。
3.施氮量和施磷量对冬小麦淀粉糊化特性有显著调控效应(P≤0.05或P≤0.01);随施氮量的增加,淀粉各黏度参数呈增大趋势,施氮量为105kg2hm~(-2)时达最大值,之后增加施氮量各黏度参数又有所下降;黏度参数在施磷量为168kg2hm~(-2)时达最大值。灌水量对淀粉黏度参数调控效应不显著,但存在灌水量3施氮量的显著互作效应(P≤0.05或P≤0.01)。从不同水肥处理组合看,淀粉糊化特性以处理组合N_(105)P_(168)W_(217.5)最优。相关分析表明,淀粉黏度参数与籽粒产量在2009—2010年度呈显著正相关,而在2010—2011年度相关不显著,说明产量与淀粉品质间存在着协同提高的可能性。
4.灌水量对冬小麦产量及其构成因素的调控效应显著（P≤0.01）。随灌水量增加，总茎数及最终成穗数增加，在灌水量282.0～308.5mm时达最大値；穗粒数及产量在灌水量308.5mm达最大值，千粒重在灌水量282.0mm最大。在施氮量30.8～179.2kg2hm~(-2)区间，总茎数随施氮量增加呈上升趋势；产量在0.0～105.0kg2hm~(-2)间呈增加趋势。从水肥耦合的效应看，组合N_(179.2)P_(126)W_(282)对总茎数的调控效应较大，产量、穗粒数在组合N_(105)P_(42)W_(308).5时最大，千粒重以N_(30.8)P_(126)W_(282)达最大值。
5.在全生育期遮雨条件下，灌水量对冬小麦产量及水分利用率的调控效应显著（P≤0.01），冬小麦水分利用效率在灌水量308.5mm达最大值，在灌水量127.0mm时为最小值，即随灌水量增加呈增加趋势,表明在全生育期遮雨条件下，因小麦生育后期的干旱程度不同，导致灌水量增加的情况下小麦的籽粒产量仍然大幅提高，灌水量仍然是水分利用效率提高的限制因素；随施氮量和施磷量增加水分利用效率呈先增后降再增的趋势,分别在施氮量210.0kg2hm~(-2)、施磷量84.0kg2hm~(-2)达最高值，在施氮量0.0kg2hm~(-2)及施磷量0.0kg2hm~(-2)最低。且籽粒产量及水分利用效率均在水肥处理组合N_(105)P_(42)W_(308).5最高值。籽粒产量与水分利用效率间呈极显著正相关（P≤0.01）,说明在一定区间,高水分利用率处理小麦产量亦较高。
Nowadays drought is one of the most important ecological problems in the world,and the most serious stress factors restricting development of agriculture. A betterunderstanding of drought and fertilizer effects on growth and development,physiological characters, grain yield and quality traits of winter wheat is veryimportant to improve both grain yield and quality. To evaluate the effects ofwater-fertilizer coupling on yield formation and grain quality traits of winter wheat,experiment was carried out in rain-sheltered condition with factors of water, nitrogenand phosphorus fertilization in a typical arid climate in middle China for two years.The results were as follows.
1. Irrigation had significant effects on the photosynthetic rate, stomatalconductance, transpiration rate in flag leaf and top second leaf in rain-shelteredcondition during the whole growth of wheat (P≤0.05or≤0.01). Photosynthetic ratereached the highest value at irrigation amount of308.5mm in the day of6days afteranthesis (DAA), and at the amount of153.5mm both in13and23DAA. While thephotosynthetic rate in flag leaf decreased sharply during grain filling period. With theincrease of nitrogen application, the photosynthetic rate and stomatal conductance inflag leaf increased and then decreased on6,13,23DAA. N_(105)P_(42)W_(308).5andN179.2P126W153.5obtained the highest values of photosynthetic traits among allcombinations of treatment. Correlation analysis indicated that, the photosynthetic ratein leaf significant positively correlated with stomatal conductance and transpirationrate (P≤0.01), while significant negatively correlated with intercellular CO_2concentration (P≤0.01), implying that decline of photosynthetic rate was mainlycaused by non-stomatal factors.
2. The results of two year study indicated that irrigation and nitrogen applicationhad significant effects on grain protein and amino acids contents (P≤0.01) of winterwheat. The interaction of irrigation and nitrogen fertilization also presented significanteffects (P≤0.05or≤0.01). No significant effect of P fertilization on protein and aminoacids contents was observed. Protein and amino acid contents in wheat grainsincreased with increasing nitrogen fertilization rate, but dropped with increasing ofirrigation amount. However, as irrigation amount was above282.0mm, and nitrogenfertilization rate was above179.2kg·hm~(-2), the changes became not less obvious.Protein content decreased as the nitrogen fertilization rate above179.2kg·hm~(-2). The trend of ETT/ATT was contrary to that of amino acid content. It indicated that highnitrogen treatment with drought stress went against of the improvement of grainquality. The contents of protein and amino acids in wheat grains reached the highest intreatment of N_(105)P_(42)W127with nitrogen fertilization rate of105kg(N)·hm~(-2),phosphorus fertilization rate of42kg(P2O5)·hm~(-2)and irrigation amount duringgrowing season of127mm. While ETT/ATT reached the highest in treatment ofN_(30.8)P_(126)W_(282)with nitrogen fertilization rate of30.8kg(N)·hm~(-2), phosphorusfertilization rate of126kg(P2O5)·hm~(-2)and irrigation amount during growing seasonof282mm. Overall, N_(179.2)P_(126)W_(282)with nitrogen fertilization rate of179.2kg(N)·hm~(-2), phosphorus fertilization rate of126kg(P_2O_5)·hm~(-2)and irrigation amountduring growing season of282mm was the best treatment.
3. Application of nitrogen and phosphorus had significant effects on starchpasting properties (P≤0.05or P≤0.01) of winter wheat. The main starch viscosityparameters (peak viscosity, through viscosity and final viscosity) were increasedsignificantly when nitrogen application increased from0kg·hm-2to105kg·hm-2. Andthe starch viscosity parameters reached the highest values at the phosphatic amount of168kg·hm-2. No significant effect of irrigation on starch pasting properties wasobserved. But interaction of irrigation×nitrogen had significant effects on someparameters of starch pasting property (P≤0.05or≤0.01). Overall, the combination oftreatments N_(105)P_(168)W_(217.5), with nitrogen rate of105kg(N)·hm~(-2), phosphorus rate of168kg(P2O5)·hm~(-2)and irrigation amount of217.5mm, obtained the best starchquality in the experiment. Correlation analysis indicated that, starch viscosityparameters had positive significant correlation with grain yield in crop season of2009～2010,but had not correlation in crop season of2010～2011. And it indicatedthat possibility of improving both grain yield and starch content was exist.
4. Irrigation had significant effects on grain yield and its components (P≤0.01) ofwinter wheat. Both the culm population and ear number increased with enhance ofirrigation amount, and reached the highest value at irrigation amount of282.0～308.5mm. Grain number per ear and grain yield reached the highest values atirrigation amount of308.5mm, while thousand kernel weight (TKW) at irrigationamount of282.0mm. The culm population increased with nitrogen applicationimprovement from30.8kg·hm-2to179.2kg·hm-2. Grain yield increased when nitrogen application increased from0kg·hm-2to105kg·hm-2. The treatment of N_(179.2)P_(126)W_(282)obtained the largest culm population, for grain number per ear and grain yield,treatment of N_(105)P_(42)W_(308).5,and for TKW, N_(30.8)P_(126)W_(282)obtained the highest values,respectively.
5. Irrigation had significant effect on grain yield and water utilization efficiencyin rain-sheltered condition during the whole growth of wheat (P≤0.01). The waterutilization efficiency reached the highest value at irrigation amount of308.5mm,lowest at127.0mm. It indicated that irrigation amount was still a limiting factor forincreasing the water utilization efficiency in arid area. The water utilization efficiencyreached the highest at nitrogen rate of210.0kg·hm~(-2), phosphorus rate of84.0kg·hm~(-2),while got the lowest value when no nitrogen and phosphorus application. Thecombination of treatments N_(105)P_(42)W_(308).5obtained the highest value for both grainyield and water utilization efficiency. Grain yield had significant positive correlationwith water utilization efficiency (P≤0.01). So the treatment of higher water utilizationefficiency always had higher grain yield.
1.在全生育期遮雨条件下，灌水量对冬小麦花后旗叶及倒二叶光合速率（Pn）、气孔导度、蒸腾速率等参数的调控效应均达显著水平(P≤0.05或P≤0.01)。灌浆前期（花后6d），旗叶Pn、气孔导度、蒸腾速率均在灌水量308.5mm达最大值，中后期（花后13d、23d）则在灌水量153.5mm时达最大值；从不同测定日期看，Pn随籽粒灌浆进程呈明显下降趋势。随施氮量增加花后6d、13d、23d旗叶Pn及气孔导度均呈先增后降趋势。从不同水肥处理组合看，以N_(105)P_(42)W_(308).5和N179.2P126W153.5最大。相关分析表明，叶片Pn与气孔导度、蒸腾速率间均呈极显著正相关（P≤0.01）,而与胞间CO_2浓度则呈显著负相关（P≤0.01），说明Pn的降低主要受非气孔因素的影响。
2.两年的研究表明，灌水量和施氮量对冬小麦籽粒蛋白质和氨基酸均有极显著调控效应(P≤0.01),存在着显著的灌水3施氮互作效应(P≤0.05或P≤0.01),而施磷对其调控效应不显著。在一定区间,籽粒蛋白质和氨基酸含量均随施氮量增加而增加,随灌水量增加而降低,但当灌水量超过282.0mm、施氮量超过179.2kg2hm~(-2)时,各指标的变化不再明显，蛋白质含量在高施氮量下略有下降。而必需氨基酸占总氨基酸含量的比例呈随灌水量增加而增加，随施氮量增加而降低的趋势,说明干旱胁迫下高氮处理不利于小麦籽粒营养品质的改善。从不同水肥处理组合看,蛋白质和氨基酸含量以处理组合N_(105)P_(42)W127最高,必需氨基酸/总氨基酸以处理组合N_(30.8)P_(126)W_(282)最高。综合从蛋白质及氨基酸产量看,以处理组合N_(179.2)P_(126)W_(282)表现最好,这与单一籽粒蛋白质及氨基酸含量高的处理组合并不一致。
3.施氮量和施磷量对冬小麦淀粉糊化特性有显著调控效应(P≤0.05或P≤0.01);随施氮量的增加,淀粉各黏度参数呈增大趋势,施氮量为105kg2hm~(-2)时达最大值,之后增加施氮量各黏度参数又有所下降;黏度参数在施磷量为168kg2hm~(-2)时达最大值。灌水量对淀粉黏度参数调控效应不显著,但存在灌水量3施氮量的显著互作效应(P≤0.05或P≤0.01)。从不同水肥处理组合看,淀粉糊化特性以处理组合N_(105)P_(168)W_(217.5)最优。相关分析表明,淀粉黏度参数与籽粒产量在2009—2010年度呈显著正相关,而在2010—2011年度相关不显著,说明产量与淀粉品质间存在着协同提高的可能性。
4.灌水量对冬小麦产量及其构成因素的调控效应显著（P≤0.01）。随灌水量增加，总茎数及最终成穗数增加，在灌水量282.0～308.5mm时达最大値；穗粒数及产量在灌水量308.5mm达最大值，千粒重在灌水量282.0mm最大。在施氮量30.8～179.2kg2hm~(-2)区间，总茎数随施氮量增加呈上升趋势；产量在0.0～105.0kg2hm~(-2)间呈增加趋势。从水肥耦合的效应看，组合N_(179.2)P_(126)W_(282)对总茎数的调控效应较大，产量、穗粒数在组合N_(105)P_(42)W_(308).5时最大，千粒重以N_(30.8)P_(126)W_(282)达最大值。
5.在全生育期遮雨条件下，灌水量对冬小麦产量及水分利用率的调控效应显著（P≤0.01），冬小麦水分利用效率在灌水量308.5mm达最大值，在灌水量127.0mm时为最小值，即随灌水量增加呈增加趋势,表明在全生育期遮雨条件下，因小麦生育后期的干旱程度不同，导致灌水量增加的情况下小麦的籽粒产量仍然大幅提高，灌水量仍然是水分利用效率提高的限制因素；随施氮量和施磷量增加水分利用效率呈先增后降再增的趋势,分别在施氮量210.0kg2hm~(-2)、施磷量84.0kg2hm~(-2)达最高值，在施氮量0.0kg2hm~(-2)及施磷量0.0kg2hm~(-2)最低。且籽粒产量及水分利用效率均在水肥处理组合N_(105)P_(42)W_(308).5最高值。籽粒产量与水分利用效率间呈极显著正相关（P≤0.01）,说明在一定区间,高水分利用率处理小麦产量亦较高。
Nowadays drought is one of the most important ecological problems in the world,and the most serious stress factors restricting development of agriculture. A betterunderstanding of drought and fertilizer effects on growth and development,physiological characters, grain yield and quality traits of winter wheat is veryimportant to improve both grain yield and quality. To evaluate the effects ofwater-fertilizer coupling on yield formation and grain quality traits of winter wheat,experiment was carried out in rain-sheltered condition with factors of water, nitrogenand phosphorus fertilization in a typical arid climate in middle China for two years.The results were as follows.
1. Irrigation had significant effects on the photosynthetic rate, stomatalconductance, transpiration rate in flag leaf and top second leaf in rain-shelteredcondition during the whole growth of wheat (P≤0.05or≤0.01). Photosynthetic ratereached the highest value at irrigation amount of308.5mm in the day of6days afteranthesis (DAA), and at the amount of153.5mm both in13and23DAA. While thephotosynthetic rate in flag leaf decreased sharply during grain filling period. With theincrease of nitrogen application, the photosynthetic rate and stomatal conductance inflag leaf increased and then decreased on6,13,23DAA. N_(105)P_(42)W_(308).5andN179.2P126W153.5obtained the highest values of photosynthetic traits among allcombinations of treatment. Correlation analysis indicated that, the photosynthetic ratein leaf significant positively correlated with stomatal conductance and transpirationrate (P≤0.01), while significant negatively correlated with intercellular CO_2concentration (P≤0.01), implying that decline of photosynthetic rate was mainlycaused by non-stomatal factors.
2. The results of two year study indicated that irrigation and nitrogen applicationhad significant effects on grain protein and amino acids contents (P≤0.01) of winterwheat. The interaction of irrigation and nitrogen fertilization also presented significanteffects (P≤0.05or≤0.01). No significant effect of P fertilization on protein and aminoacids contents was observed. Protein and amino acid contents in wheat grainsincreased with increasing nitrogen fertilization rate, but dropped with increasing ofirrigation amount. However, as irrigation amount was above282.0mm, and nitrogenfertilization rate was above179.2kg·hm~(-2), the changes became not less obvious.Protein content decreased as the nitrogen fertilization rate above179.2kg·hm~(-2). The trend of ETT/ATT was contrary to that of amino acid content. It indicated that highnitrogen treatment with drought stress went against of the improvement of grainquality. The contents of protein and amino acids in wheat grains reached the highest intreatment of N_(105)P_(42)W127with nitrogen fertilization rate of105kg(N)·hm~(-2),phosphorus fertilization rate of42kg(P2O5)·hm~(-2)and irrigation amount duringgrowing season of127mm. While ETT/ATT reached the highest in treatment ofN_(30.8)P_(126)W_(282)with nitrogen fertilization rate of30.8kg(N)·hm~(-2), phosphorusfertilization rate of126kg(P2O5)·hm~(-2)and irrigation amount during growing seasonof282mm. Overall, N_(179.2)P_(126)W_(282)with nitrogen fertilization rate of179.2kg(N)·hm~(-2), phosphorus fertilization rate of126kg(P_2O_5)·hm~(-2)and irrigation amountduring growing season of282mm was the best treatment.
3. Application of nitrogen and phosphorus had significant effects on starchpasting properties (P≤0.05or P≤0.01) of winter wheat. The main starch viscosityparameters (peak viscosity, through viscosity and final viscosity) were increasedsignificantly when nitrogen application increased from0kg·hm-2to105kg·hm-2. Andthe starch viscosity parameters reached the highest values at the phosphatic amount of168kg·hm-2. No significant effect of irrigation on starch pasting properties wasobserved. But interaction of irrigation×nitrogen had significant effects on someparameters of starch pasting property (P≤0.05or≤0.01). Overall, the combination oftreatments N_(105)P_(168)W_(217.5), with nitrogen rate of105kg(N)·hm~(-2), phosphorus rate of168kg(P2O5)·hm~(-2)and irrigation amount of217.5mm, obtained the best starchquality in the experiment. Correlation analysis indicated that, starch viscosityparameters had positive significant correlation with grain yield in crop season of2009～2010,but had not correlation in crop season of2010～2011. And it indicatedthat possibility of improving both grain yield and starch content was exist.
4. Irrigation had significant effects on grain yield and its components (P≤0.01) ofwinter wheat. Both the culm population and ear number increased with enhance ofirrigation amount, and reached the highest value at irrigation amount of282.0～308.5mm. Grain number per ear and grain yield reached the highest values atirrigation amount of308.5mm, while thousand kernel weight (TKW) at irrigationamount of282.0mm. The culm population increased with nitrogen applicationimprovement from30.8kg·hm-2to179.2kg·hm-2. Grain yield increased when nitrogen application increased from0kg·hm-2to105kg·hm-2. The treatment of N_(179.2)P_(126)W_(282)obtained the largest culm population, for grain number per ear and grain yield,treatment of N_(105)P_(42)W_(308).5,and for TKW, N_(30.8)P_(126)W_(282)obtained the highest values,respectively.
5. Irrigation had significant effect on grain yield and water utilization efficiencyin rain-sheltered condition during the whole growth of wheat (P≤0.01). The waterutilization efficiency reached the highest value at irrigation amount of308.5mm,lowest at127.0mm. It indicated that irrigation amount was still a limiting factor forincreasing the water utilization efficiency in arid area. The water utilization efficiencyreached the highest at nitrogen rate of210.0kg·hm~(-2), phosphorus rate of84.0kg·hm~(-2),while got the lowest value when no nitrogen and phosphorus application. Thecombination of treatments N_(105)P_(42)W_(308).5obtained the highest value for both grainyield and water utilization efficiency. Grain yield had significant positive correlationwith water utilization efficiency (P≤0.01). So the treatment of higher water utilizationefficiency always had higher grain yield.
引文
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