全 文 ：喷灌对冬小麦植株氮素积累运转
及籽粒蛋白质含量的影响*
姚素梅1**摇 康跃虎2 摇 茹振钢1 摇 刘明久1 摇 杨文平1 摇 李摇 淦1
( 1河南科技学院生命科技学院, 河南新乡 453003; 2中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室,
北京 100101)
摘摇 要摇 以百农矮抗 58 为试验材料,以地面灌溉为对照,采用大田试验的方法,研究了喷灌
对冬小麦植株氮素积累运转及蛋白质含量的影响.结果表明: 拔节期喷灌条件下冬小麦植株
氮素积累量与地面灌溉条件下相比没有显著差异;孕穗期至成熟期,喷灌条件下冬小麦植株
氮素积累量显著高于地面灌溉条件.喷灌条件下叶片、茎鞘、颖壳开花前贮藏氮素的运转量和
对籽粒氮素的贡献率均大于地面灌溉条件;而开花后同化氮素对籽粒的贡献率较地面灌溉条
件降低.喷灌条件下冬小麦籽粒的蛋白质含量和蛋白质产量较地面灌溉条件显著提高.表明
喷灌可明显调节冬小麦氮素物质运转和籽粒蛋白质积累.
关键词摇 喷灌摇 冬小麦摇 氮素摇 积累摇 运转
文章编号摇 1001-9332(2013)08-2205-06摇 中图分类号摇 S275. 5, S512. 1摇 文献标识码摇 A
Effects of sprinkler irrigation on the plant nitrogen accumulation and translocation and kernel
protein content of winter wheat. YAO Su鄄mei1, KANG Yue鄄hu2, RU Zhen鄄gang1, LIU Ming鄄jiu1,
YANG Wen鄄ping1,LI Gan1 (1College of Life Science and Technology, Henan Institute of Science and
Technology, Xinxiang 453003, Henan, China; 2Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Sur鄄
face Processes, Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of
Sciences, Beijing 100101, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(8): 2205-2210.
Abstract: Taking wheat cultivar Bainong AK58 as test material, a field experiment was conducted
to study the plant nitrogen accumulation and translocation and kernel protein content of winter wheat
under sprinkler irrigation and surface irrigation, aimed to understand the differences in the nitrogen
metabolism characteristics of winter wheat under different irrigation regimes. At booting stage, no
significant difference was observed in the total amount of plant nitrogen accumulation between sprin鄄
kler irrigation and surface irrigation; while from booting stage to maturing stage, the total amount of
plant nitrogen accumulation under sprinkler irrigation was significantly higher. Under sprinkler irri鄄
gation, the translocation amount and contribution rate of the nitrogen stored in leaf, glume, stem
and sheath at pre鄄anthesis to the kernel increased, while the contribution rate of the assimilated ni鄄
trogen after anthesis to the kernel nitrogen declined. Both the relative protein content and the total
protein yield in the kernel increased significantly under sprinkler irrigation. In conclusion, sprinkler
irrigation could significantly regulate the nitrogen translocation and kernel protein accumulation of
winter wheat.
Key words: sprinkler irrigation; winter wheat; nitrogen; accumulation; translocation.
*国家自然科学基金项目(50909043)、农业部作物需水与调控重点
开放实验室开放基金项目(CWRR200905)和河南科技学院青年骨干
教师计划项目(060101)资助.
**通讯作者. E鄄mail: sumeiy@ 126. com
2012鄄11鄄20 收稿,2013鄄06鄄02 接受.
摇 摇 水资源不足已经成为制约华北地区粮食生产及
经济发展的关键因素,发展和应用农业节水技术是
该地区水资源可持续利用的必然选择. 喷灌作为一
种现代的节水灌溉技术,是调节作物生长环境的重
要手段之一,在农业生产上得到了越来越广泛的应
用.喷灌以类似于降雨的方式湿润土壤,补充作物所
需要的水分,喷灌条件下土壤水分空间分布特征与
传统的地面灌溉相比具有明显差异[1-3] . 喷灌的水
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 8 月摇 第 24 卷摇 第 8 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Aug. 2013,24(8): 2205-2210
滴蒸发和冠层截留水蒸发使一部分灌溉水以水汽的
形式进入到冠层内外的大气中去,影响到冠层附近
的温度、湿度及周围的水汽状况,从而使作物生长的
农田环境因子发生变化[4-8] . 喷灌条件下土壤水分
的空间变异和农田环境因子的改变已被大量研究和
实践所证明,生长环境的改变使小麦籽粒灌浆、生长
等过程受到了明显影响[9-12],同时小麦生长发育过
程中,叶鞘、茎秆等器官各个时期氮素的消长、贮存
及运转动态直接影响后期籽粒中蛋白质的积累. 但
喷灌条件下因生长环境改变而导致的对小麦各器官
氮素积累、运转及籽粒蛋白质含量的影响研究甚少.
本研究以冬小麦为对象,通过设置喷灌和地面灌溉
对比试验,研究喷灌对冬小麦氮素积累和运转过程
的影响,进而探讨喷灌对冬小麦品质形成的影响机
制,以期为小麦节水高产优质栽培提供理论依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验设计
试验于 2007—2009 年两个冬小麦生长季在河
南省新乡市洪门镇的河南科技学院试验场进行,该
试验场地处豫北平原,属大陆性季风气候,年均降水
量约 600 mm,无霜期 210 d,年均气温 14. 4 益,年均
日照时数 2398 h. 试验地土壤为壤质潮土,耕层
(0 ~ 20 cm)土壤有机质 13. 7 g·kg-1,全氮 1. 03
g·kg-1,碱解氮 92. 49 mg · kg-1,速效磷 6郾 73
mg·kg-1,速效钾 125. 62 mg·kg-1,pH 8. 4.供试的
小麦品种为当前河南省重点推广、增产潜力较大的
百农矮抗 58.
采用大田试验,设置喷灌处理和地面灌溉处理
(对照).喷灌试验区的面积为 130 m伊104 m,采用管
道式喷灌,喷头选择 13 m伊13 m 的正方形布置. 地
面灌溉试验区的面积为 130 m伊104 m,采用低压管
道输水小畦灌,畦宽 4 m,畦长 65 m.在喷灌和地面
灌溉大区试验区内各设置 3 个取样重复小区,每个
小区的面积为 4 m伊65 m.喷灌灌溉时间由土壤水分
来确定,当表层 60 cm 内土壤体积含水量低于田间
持水量的 55% ~60%时进行灌溉,喷灌每次的灌水
量约 50 mm.地面灌溉灌水时间根据当地传统灌溉
模式参考周围冬小麦农田的灌水进行,灌水量通过
水表读数计算得到. 2 年试验期间,喷灌和地面灌溉
条件下灌溉时间和灌水量见表 1. 2007—2008 年冬
小麦生长季喷灌试验田灌水 3 次,总灌溉水量为
149. 6 mm,地面灌溉试验田灌水 2 次,总灌溉水量
为161. 9 mm. 2008—2009年冬小麦生长季喷灌试
表 1摇 喷灌和地面灌溉条件下灌水时间和灌水量
Table 1摇 Irrigation date and amount under sprinkler irri鄄
gation and surface irrigation
年份
Year
喷灌
Sprinkler irrigation
灌溉时间
Irrigation
date
灌水量
Irrigation
amount (mm)
地面灌溉
Surface irrigation
灌溉时间
Irrigation
date
灌水量
Irrigation
amount (mm)
2007—2008 2008鄄03鄄15 48. 0 2008鄄03鄄15 81. 3
2008鄄04鄄07 51. 1 2008鄄05鄄09 80. 6
2008鄄05鄄09 50. 5 - -
2008—2009 2009鄄03鄄09 50. 0 2009鄄03鄄09 85. 3
2009鄄04鄄16 48. 5 2009鄄05鄄07 73. 4
2009鄄05鄄07 50. 0 - -
验田灌水 3 次,总灌溉水量为 148. 5 mm,地面灌溉
试验田灌水 2 次,总灌溉水量为 158. 7 mm. 除灌水
处理外,喷灌和地面灌溉试验区的施肥等其他田间
管理措施保持一致.
1郾 2摇 测定项目与方法
1郾 2郾 1 植株全氮含量摇 于开花后每间隔 7 d 取样 1
次,每小区采集植株样品 20 株,用剪刀贴近地表沿
根茎结合处剪下植株,取地上部分作为混合样品.在
每个小区内,不同生育阶段取样时避开前期调查样
段.样品采集后于 105 益杀青,80 益烘至恒量,采用
半微量凯氏定氮法测定植株全氮含量[13] .并计算开
花后营养器官贮存的氮素向籽粒的转移量, 开花前
贮藏氮素运转量或花后同化氮素量对籽粒的贡献
率.相关计算公式为:开花前贮藏氮素运转量=开花
期营养器官全氮量-成熟期营养器官全氮量;花后氮
素积累量=成熟期籽粒全氮量-开花前营养器官贮藏
氮素运转量;对籽粒氮贡献率=开花前贮藏氮素运转
量(或花后同化氮素量) /成熟期籽粒全氮量.
1郾 2郾 2 土壤体积含水量摇 定期采用土钻对不同层次
土壤进行取样,取样的土壤层次分别为 0 ~ 10 cm、
10 ~ 20 cm、20 ~ 30 cm、30 ~ 40 cm和 40 ~ 60 cm.将
每层土样分别装入铝盒,称其鲜质量,然后在 110 益
烘至恒量,称其干质量,计算土壤质量含水量. 根据
0 ~ 60 cm土层平均土壤含水量计算土壤质量含水
量,土壤体积含水量由土壤质量含水量乘以土壤容
重计算得到. 相关计算公式为:土壤质量含水量 =
(土壤鲜质量-土壤干质量) /土壤干质量伊100% ;土
壤体积含水量=土壤质量含水量伊土壤容重.
1郾 2郾 3 产量摇 冬小麦成熟时每处理取 20 株,按常规
法进行室内考种,分析产量构成因素,每处理试验
区机割实收计产,折算成单位面积籽粒产量
(kg·hm-2).
6022 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
1郾 3摇 数据处理
数据处理采用 SAS 统计软件包,方差分析采用
ANOVA过程,采用 LSD 法进行差异显著性检验
(琢=0. 05).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 喷灌与地面灌溉条件下冬小麦植株的氮素
积累
从表 2 可以看出,喷灌与地面灌溉条件下冬小
麦植株的氮素积累量随生育进程逐渐增加,但不同
处理间冬小麦植株氮素积累特征存在明显差异:在
拔节期,喷灌条件下的冬小麦植株氮素积累量与地
面灌溉条件下相比没有显著差异,随着冬小麦生育
进程的推移,孕穗期至成熟期,喷灌条件下冬小麦植
株氮素积累量显著高于地面灌溉条件,在 2007—
2008 和 2008—2009 试验年份分别较地面灌溉提高
了 14. 6% ~24. 6%和 10. 3% ~28. 6% ,说明与地面
灌溉条件相比,喷灌促进了冬小麦植株对氮素的
吸收.
2郾 2摇 喷灌与地面灌溉条件下冬小麦植株的氮素
运转
从表 3 可以看出,在氮素运转方面,喷灌条件下
叶片、茎鞘、颖壳等营养器官开花前贮藏氮素的运转
量和对籽粒氮素的贡献率均显著大于地面灌溉条件
下.表明喷灌促进了小麦营养器官开花前贮存氮素
的运转, 提高了开花前贮存氮素对小麦籽粒氮素的
贡献率.
进一步将开花前贮藏氮素和开花后同化氮素对
籽粒氮素的贡献率作比较,从表 4 可以看出,与地面
灌溉条件相比,喷灌条件下冬小麦植株花前贮存氮
素的转运量和对籽粒氮素的贡献率显著增加,在
2007—2008 和 2008—2009 年,分别比地面灌溉条
件下提高了 9. 4%和 7. 2% .喷灌条件下开花后同化
氮素对籽粒的贡献率较地面灌溉条件降低. 可见喷
灌有利于促进营养器官开花前储藏氮素向籽粒的运
转,从而提高了其对籽粒氮素的贡献率.
表 2摇 喷灌和地面灌溉条件下冬小麦植株氮素积累
Table 2摇 Nitrogen accumulation of winter wheat under sprinkler irrigation and surface irrigation
年份
Year
灌溉方式摇 摇 摇 摇 摇 摇
Irrigation method摇 摇 摇 摇 摇 摇
植株氮素积累量
Nitrogen accumulation (kg·hm-2)
拔节期
Jointing
孕穗期
Booting
开花期
Anthesis
乳熟期
Milking
成熟期
Maturing
2007—2008 喷灌 Sprinkler irrigation 75. 69a 176. 79a 197. 90a 213. 33a 231. 55a
地面灌溉 Surface irrigation 78. 22a 147. 30b 158. 86b 183. 30b 202. 03b
2008—2009 喷灌 Sprinkler irrigation 77. 59a 160. 62a 207. 27a 228. 56a 248. 75a
地面灌溉 Surface irrigation 75. 49a 145. 65b 161. 24b 196. 34b 208. 94b
同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0. 05) Different small letters in the same column meant significant difference among treatments at 0. 05
level. 下同 The same below.
表 3摇 喷灌和地面灌溉条件下冬小麦各器官氮素输出量和贡献率
Table 3摇 Exportation amount and contribution rate of nitrogen in various organs under sprinkler irrigation and surface irri鄄
gation
年份
Year
摇 器官
摇 Organ
摇 摇 摇 灌溉方式
摇 摇 Irrigation method
开花期氮积累量
Nitrogen
accumulation
at anthesis
stage
(kg·hm-2)
成熟期氮积累量
Nitrogen
accumulation
at maturing
stage
(kg·hm-2)
输出量
Exportation
amount
(kg·hm-2)
贡献率
Contribution
rate
(% )
2007—2008 叶片 喷灌 Sprinkler irrigation 78. 74 20. 35 58. 39 32. 4
Leaf 地面灌溉 Surface irrigation 63. 21 18. 10 45. 10 29. 3
茎鞘 喷灌 Sprinkler irrigation 94. 23 25. 32 68. 91 38. 3
Stem and sheath 地面灌溉 Surface irrigation 76. 87 24. 87 52. 00 33. 8
颖壳 喷灌 Sprinkler irrigation 24. 93 5. 79 19. 14 10. 6
Glume 地面灌溉 Surface irrigation 18. 78 5. 11 13. 70 8. 9
2008—2009 叶片 喷灌 Sprinkler irrigation 71. 67 18. 21 53. 46 27. 4
Leaf 地面灌溉 Surface irrigation 54. 73 13. 94 40. 79 24. 3
茎鞘 喷灌 Sprinkler irrigation 104. 69 27. 51 77. 18 39. 5
Stem and sheath 地面灌溉 Surface irrigation 81. 95 21. 06 60. 89 36. 3
颖壳 喷灌 Sprinkler irrigation 30. 91 7. 79 23. 12 11. 8
Glume 地面灌溉 Surface irrigation 24. 56 6. 10 18. 46 11. 0
70228 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 姚素梅等: 喷灌对冬小麦植株氮素积累运转及籽粒蛋白质含量的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 4摇 喷灌和地面灌溉条件下冬小麦开花前储藏氮素和开花后同化氮素对籽粒的贡献率
Table 4摇 Contribution rates of pre鄄anthesis stored nitrogen and post鄄anthesis assimilated nitrogen to nitrogen amount of grain
under sprinkler irrigation and surface irrigation
年份
Year
灌溉方式摇
Irrigation method摇
开花前储藏氮素运转量
Translocation amount
of pre鄄anthesis
stored nitrogen
(kg·hm-2)
对籽粒氮素的贡献率
Contribution rate
(% )
开花后同化氮素运转量
Translocation amount
of post鄄anthesis
assimilated nitrogen
(kg·hm-2)
对籽粒氮素的贡献率
Contribution rate
(% )
2007—2008 喷灌 Sprinkler irrigation 146. 44 81. 3a 33. 64 18. 7b
地面灌溉 Surface irrigation 110. 78 72. 0b 43. 17 28. 0a
2008—2009 喷灌 Sprinkler irrigation 153. 75 78. 8a 41. 49 21. 3b
地面灌溉 Surface irrigation 120. 14 71. 6b 47. 70 28. 4a
表 5摇 喷灌和地面灌溉条件下冬小麦成熟期籽粒蛋白质含量和蛋白质产量
Table 5摇 Grain protein contents and protein yields of winter wheat at maturity stage under sprinkler irrigation and surface
irrigation
年份
Year
灌溉方式摇 摇
Irrigation method摇 摇
籽粒产量
Grain yield
(kg·hm-2)
蛋白质含量
Protein content
(% )
蛋白质产量
Protein yield
(kg·hm-2)
籽粒氮素积累量
Nitrogen accumulation
in grain
(kg·hm-2)
2007—2008 喷灌 Sprinkler irrigation 7411a 13. 9a 1030a 180a
地面灌溉 Surface irrigation 6980b 12. 8b 893b 156b
2008—2009 喷灌 Sprinkler irrigation 7837a 14. 2a 1112a 195a
地面灌溉 Surface irrigation 7177b 13. 3b 954b 167b
摇 摇 小麦籽粒氮素的来源包括两部分,一是花后直
接吸收同化的氮素;二是开花前植株贮藏氮素的再
运转.在 2007—2008 和 2008—2009 年,地面灌溉处
理花前贮存氮素转运量对籽粒氮素的贡献率分别为
72. 0% 和 71. 6% ,喷灌处理则分别为 81. 3% 和
78郾 8% ,表明与对照相比,喷灌条件下冬小麦籽粒氮
素积累对开花前储藏氮素再运转的依赖程度增大.
2郾 3摇 喷灌与地面灌溉条件下小麦籽粒蛋白质含量
和蛋白质产量
与地面灌溉相比,喷灌处理显著提高了小麦籽
粒产量、蛋白质含量、蛋白质产量和籽粒氮素积累量
(表 5),在 2007—2008 和 2008—2009 年, 蛋白质含
量的提高幅度分别为 8. 6%和 6. 8% ,蛋白质产量的
提高幅度分别为 15. 3%和 16. 5% .喷灌与地面灌溉
对小麦氮同化和氮运转的影响是导致两种灌溉方式
下籽粒蛋白质含量、蛋白质产量及籽粒氮素积累量
产生差异的主要原因.与地面灌溉相比,喷灌可以促
进营养器官开花前氮素的积累和贮藏氮素的运转,
促进籽粒氮素的积累,从而有利于籽粒蛋白质的合
成与积累,使蛋白质含量和产量提高.
3摇 讨摇 摇 论
水分不仅影响土壤中氮素的有效性,而且影响
作物氮素积累[14] .合理减少灌水有利于提高小麦氮
素积累量[15-16] .与地面灌溉相比,喷灌灌水量较小,
灌水周期短,灌水量分布均匀,协调了水分在不同生
育阶段的分布,调节了植株的水分状态. 本研究表
明,喷灌条件下冬小麦植株氮素积累量在拔节期与
地面灌溉条件下相比没有显著差异,从孕穗期至成
熟期显著高于地面灌溉,与前人合理减少灌水有利
于提高小麦氮素积累量的研究结论相同. 喷灌和地
面灌溉条件下冬小麦干物质积累的差异是造成这种
影响的主要原因. 本研究中,与地面灌溉相比,在冬
小麦生长的中前期(分蘖期鄄拔节期),喷灌条件下冬
小麦地上部干物质总量较小,但其单位干物质含氮
量高于地面灌溉;在冬小麦生长的中后期(孕穗期鄄
成熟期),喷灌有利于植株对干物质的积累,其干物
质总量明显高于地面灌溉条件[17],而且喷灌条件下
单位干物质含氮量也高于地面灌溉,从而使氮的积
累量较高.
小麦从开花至成熟,其叶片、茎鞘等器官中的氮
素不断进行再分配,主要是自营养器官向穗部籽粒
输出[18] .小麦籽粒氮素的来源包括两个部分,一是
花后直接吸收同化的氮素;二是开花前植株贮藏氮
素的再运转.许多研究表明,小麦籽粒蛋白质中的氮
素来自开花后同化的氮素约占 20% ,而来自开花前
营养器官储存再运转的氮素约占 80% ,也就是说籽
粒中的氮素绝大部分来源于开花前植株储存氮素的
再运转,只有少部分是开花后吸收的[19-22] . 对于多
数品种而言,开花前营养体氮的调运是籽粒氮的主
8022 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
要来源[23-24] .诸多研究证实,冬小麦灌浆期各器官
的氮素分布及其重新调运过程对于增加产量、提高
品质有重要意义[18,23],小麦生长后期植株得到较多
的氮素能提高籽粒的蛋白质含量,从而改善品
质[25-26] .本研究表明,与地面灌溉相比,喷灌条件下
冬小麦叶片、茎鞘、颖壳开花前贮藏氮素的运转量及
对籽粒氮素的贡献率均有提高;喷灌条件下开花后
同化氮素对籽粒的贡献率较地面灌溉降低. 小麦籽
粒蛋白质含量的提高在很大程度上依赖于开花前植
株氮素的积累与运转[21,26-27] . 与地面灌溉相比,喷
灌可以促进营养器官开花前植株氮素的积累和贮藏
氮素的运转,促进了籽粒氮素的积累,从而有利于籽
粒蛋白质的合成与积累,使蛋白质含量和蛋白质产
量提高.这与诸多研究关于小麦籽粒蛋白质含量的
提高在很大程度上依赖于开花前植株氮素的积累与
运转的研究结论相同.
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作者简介 摇 姚素梅,女,1974 年生,博士,副教授. 主要从事
农业水资源高效利用和作物高产栽培理论与技术研究,发表
论文 20 余篇. E鄄mail: sumeiy@ 126. com
责任编辑摇 张凤丽
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