叶面喷施氮肥对张杂谷10号光合特性及产量的影响

闫政东，郭平毅，原向阳，肖晓璐，王东明

谷子是一种节水、抗旱的作物，根系发达，保水能力强，具有良好的稳产性[1]。小米所含氨基酸和维生素种类多，营养价值较高[2,3]，在山西、内蒙古和河北等地有较大的种植面积。张家口农科院用谷子光(温)敏不育两系法育成的张杂谷，由于其较常规谷子在抗旱节水方面具有更加优良的品质[4～6]而得到大规模推广。

氮肥对粮食产量增加贡献最多，占增产总量的40%左右[7]。但在氮肥的施用中盲目和过量、当季利用率低和环境污染问题三者并存。在不影响作物产量的前提下，合理施肥、提高肥料利用率是解决过度施肥带来的各种问题的手段之一[8]。

与传统的土壤追肥相比，叶面喷施氮肥的优点在于吸收速度快、针对性强、应用成本低和利用率高等[9]。喷施叶面肥可以在较短的时间内获得较高的肥料利用率，有研究表明，不到1 d作物对肥料的利用率已超过70%，且叶面肥使用适当可使土壤施肥量减少25%左右[10]。吴国梁[11]等研究表明，叶面肥的施用不仅对小麦植株生长具有促进作用，而且能延缓叶片衰老，延长叶片功能期，提高粒重。李书田等[12]在对谷子的正交试验中指出,对产量的影响为品种>施肥>播期>密度。谷子抽穗期以及灌浆期是需肥的重要时期，所以在此时期保证谷子所需肥料的充足对其生理结构及产量构成的提高具有重要意义[13,14]。

张杂谷10号为新推出品种，有稳产性好，抗病、抗倒能力强，米质优良等优点，适宜在河北、山西省北部等≥10 ℃积温在2 800 ℃以上的地区春播种植。目前针对张杂谷的喷施叶面肥的相关研究较少。尿素是一种高浓度氮肥，属中性速效肥料，由于成本低廉，使用方便而被大量应用在农业生产中。研究以张杂谷10号为试验材料，在抽穗至开花期以不同浓度的尿素进行叶面喷施，研究其植株旗叶叶绿素、光合特性、产量及构成指标等方面的影响，旨在探究张杂谷喷施叶面氮肥的最适浓度，以期为杂交谷子栽培上喷施氮肥的合理浓度提供理论依据，提高氮肥的利用率，为大规模推广谷田叶面喷施氮肥做理论基础和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种(张杂谷10号)由张家口市农科院提供。尿素生产自中石油有限公司宁夏石化分公司，总氮含量≥46.4%。

1.2 试验设计

试验于2016年5-10月在山西省太谷县大学生创业园区(北纬37°23′，东经112°29′)进行，耕层土壤速效氮含量 75.16 mg·kg-1，速效磷含量6.48 mg·kg-1，速效钾含量195.47 mg·kg-1，pH 8.05。前茬为玉米，使用JAS-502B型精量播种机精量条播(F轮，株距12 cm，行距为33 cm)。播前旋耕并施基肥，施肥量900 kg·hm-2(N∶P2O5∶K2O为18∶7∶5)，其余田间管理根据当地栽培条件常规进行，确保其在试验时长势均匀一致。采用完全随机设计。在抽穗—开花期(7月26日)对供试小区喷施不同浓度的氮肥，叶面喷施质量浓度为0%(CK),1%(C1),1.5%(C2),2%(C3),3%(C4),4%(C5),6%(C6)。喷施的用水量为450 kg·hm-2。 每个处理重复3次，每个小区2 m×3 m=6 m2。

1.3 测定项目与方法

在喷施肥料后的第3、8、13、17和21天在各个小区随机选取5株长势均匀一致的植株，使用SPAD-502测定旗叶SPAD值；用直尺进行叶面积的测定；在喷施后第3天测定谷子旗叶硝酸还原酶(NR)活性，测定方法采用磺胺比色法[15]；在喷施肥料后的第7天用CI-340便携式光合作用测定仪完成旗叶光合参数的测定。谷子成熟后，在各试验小区选取长势均匀一致的谷子1 m2进行收获，测1 m2内谷子的实际产量，折算公顷产量。选取10株均匀一致的谷子进行室内考种，调查穗长、穗重、穗粒重和千粒重。

2 结果与分析

2.1 叶面喷施氮肥对旗叶SPAD的影响

不同浓度叶面氮肥处理对谷子旗叶SPAD值的影响如表1所示。由表1可见，谷子旗叶的SPAD 值随着喷施氮肥浓度的加大呈现先上升后下降的趋势;其中，C3处理谷子旗叶SPAD值高于其它处理，在5次测定中分别较对照增加6.38%、14.31%、16.08%、12.81%和7.18%。在C4处理中，喷施叶面氮肥谷子旗叶SPAD值的促进作用有所降低，当喷施浓度大于3%(C4)时谷子旗叶SPAD值和对照相比下降明显。在喷施第3天后,除C4外，其余处理较对照均有显著差异(P<0.05)，说明谷子旗叶的叶绿素含量对是否喷施氮肥及喷施浓度反应灵敏，当浓度在一定范围内时，喷施氮肥能使谷子旗叶的SPAD值显著提高(P<0.05)，而当肥液浓度过高时，对谷子叶片叶绿素合成产生胁迫作用，浓度越大，胁迫作用越明显。

表1喷施不同浓度氮肥对谷子旗叶SPAD的影响

Table1 Effect of different concentrations of nitrogen fertilizer on SPAD value of flag leaf of foxtail millet

处理Treatment7月29日8月3日8月8日8月12日8月16日CK46.54b45.14b44.40b47.37b53.23bC146.86ab48.64a46.02b49.54b54.63bC247.78ab49.01a48.77ab50.48ab55.60abC349.51a51.60a51.54a53.44a57.05aC446.63b45.57b45.71b51.05a55.25abC542.05c39.64c42.97c45.60c51.37bC637.99d38.54d40.79d42.12c48.62c

注: 同列数据后不同字母表示在0.05水平上差异显著。

Note: Values followed by different letters within a column are significantly different at the 0.05 level．

2.2 叶面喷施氮肥对旗叶面积的影响

由图1可见，在喷施后第3天，C1、C2、C3处理的叶面积较CK有显著提高，C4处理的叶面积较对照虽有提高但差异不显著(P>0.05)。这说明叶面喷施氮肥在一定浓度范围内能促进谷子叶片的生长发育。在喷施后第5天,C5和C6较CK有了显著下降，这说明高浓度叶面氮肥喷施会抑制叶片的生长，肥害在试验中具体表现为叶片边缘黄枯，影响其生长和开展，其造成的肥害直到第15天还未完全解除。

图1 不同浓度氮肥对谷子旗叶叶面积的影响Fig.1 Effect of different concentrations of nitrogen fertilizer on the surface area of flag leave of foxtail millet

2.3 叶面喷施氮肥对叶片硝酸还原酶的影响

硝酸还原酶是植物同化氮素时的关键酶。由图2可见， C1、C2、C3处理硝酸还原酶活性较之CK有所提高且差异显著(P<0.05)；C4、C5处理的硝酸还原酶活性与CK相比差异不显著(P>0.05)；C6处理硝酸还原酶活性与CK相比显著降低。这说明当喷施浓度在一定范围内时，随着喷施浓度的增加，谷子旗叶硝酸还原酶活性呈上升的趋势。但在C4处理中，叶面氮肥对张杂谷叶片硝酸还原酶活性的提高作用降低，当喷施浓度大于3%(C4)时，则抑制硝酸还原酶的活性。C3处理的硝酸还原酶活性均高于其他处理且与对照有显著差异，这说明在设定的浓度梯度中，C3处理的浓度为提高谷子旗叶硝酸还原酶活性的最适浓度。

图2 不同浓度氮肥对谷子硝酸还原酶活性的影响Fig.2 Effect of different concentrations of nitrogen fertilizer on the activity of nitrate reductase of foxtail

2.4 叶面喷施氮肥对叶片光合参数的影响

由表2可见，谷子的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度均会受到喷施氮肥的影响，且变化明显。随着喷施浓度的加大，谷子旗叶净光合速率、蒸腾速率以及气孔导度的变化规律大致为先上升后下降；但胞间CO2浓度变化则相反，呈现先下降后上升的趋势。这说明叶面喷施氮肥对谷子旗叶光合作用有明显的影响。同对照相比，C1、C2、C3、C4的净光合速率及蒸腾速率有不同程度的增加，表明叶面喷施氮肥在一定浓度范围内能促进叶片光合作用；其中C3处理的上述各指标均高于其他处理且与对照相比差异显著(P<0.05)，说明在设定的浓度梯度中，2%(C3)为最适浓度；C5、C6的上述指标显著低于对照，说明处理C5和C6的喷施浓度会抑制叶片光合作用，产生了肥害。

胞间CO2浓度的变化与表中其他指标不同，与对照相比其余各处理的Ci值均有下降，表明喷施氮肥能提高谷子旗叶同化CO2的能力；其中C3最低，说明C3处理较其他处理提高谷子旗叶同化CO2的能力最强。

2.5 叶面喷施氮肥对产量性状的影响

谷子产量很大程度决定于穗的发育以及籽粒的灌浆情况[16]。由表3可见，C3、C2、C1的穗长、穗重、千粒重和产量较对照均有不同程度的提高。其中，C3提高最大，与对照相比分别提高了14.79%、21.87%、9.30%、7.96%，且均差异显著(P<0.05)。但是在喷施浓度为3%(C4)时，叶面喷施氮肥对谷子产量虽有提高，但差异不显著，喷施浓度高于3%时,除穗数外,其他指标较对照均表现为下降，并随着浓度的加大而呈显著下降的趋势。试验中7个处理的穗数相近且差异不显著。这说明在一定浓度范围内叶面喷施尿素能有利于谷子穗的生长发育当喷施浓度过高时，谷穗正常的生长发育明显受阻。

表2喷施不同浓度氮肥对谷子光合参数的影响

Table2 Effect of different concentrations of nitrogen fertilizer on photosynthetic parameters of foxtail millet

处理Treatments净光合速率/μmol·m-2·s-1Pn蒸腾速率/mmol·m-2·s-1E气孔导度/mmol·m-2·s-1Cs胞间CO2浓度/μmol·mol-1CiC119.36ab4.53a110.64ab119.3aC220.89ab4.69a105.73b112.4abC322.28a4.79a137.93a106.3bC418.56b4.71a106.39b108.2bC515.37bc3.67c83.26c112.2abC611.18c3.55c69.15c119.4aCK17.47b4.18b107.95b126.1a

注: 同列数据后不同字母表示在0.05水平上差异显著。

Note: Values followed by different letters within same column are significantly different at the 0.05 levels．

3 讨论

氮素作为最重要的营养因子之一，在谷子的农艺性状、光合特性与产量构成方起着非常重要的作用[17～19]，应在谷子营养生长期、营养生长与生殖生长并进期有充足的供给[20～22]，而这两个时期在作物生理上也被称为“最大效率期”和“生理敏感期”。在某些特定情况下叶面施肥的作用要比土壤施肥效果明显,特别是在作物生长发育的后期,根系活动变差,吸收养分的能力显著下降,而作物在这个阶段还需要养分来维持生长,叶面施肥补充所需养分的速效性能产生明显的作用,但是喷施肥料浓度过高容易产生肥害，造成损失。在本试验条件下，喷施氮肥浓度在3%及以下时显著地促进了谷子光合作用、叶绿素合成，提高了产量，但当喷施浓度过高时则对以上指标产生不同程度的抑制，导致减产，这与前人研究结果一致。

表3 喷施不同浓度氮肥对谷子产量性状的影响Table 3 Effect of different concentrations of nitrogen fertilizer on yield traits in foxtail millet

注: 同列数据后不同字母表示在0.05水平上差异显著；“-”表示减产。

Note: Values followed by different letters within same column are significantly different at the 0.05 levels；“-”refer to yield decrease.

谷子的干物质积累，光合作用的产物贡献了80%以上，而叶绿素是植物光合作用的主要色素。杨艳君等[23]研究指出氮肥对谷子叶片叶绿素含量有显著影响。在本试验中，在谷子孕穗至抽穗期喷施浓度分别为1%(C1)、1.5%(C2)、2%(C3)、3%(C4)的氮肥能促进谷子叶片的生长发育叶绿素的合成，提高叶片SPAD值，为谷子灌浆和产量的提高提供了保障，这与前人研究结果一致。顶三叶在作物籽粒灌浆过程中与植株其他部位相比较光合作用最强，其光合作用为籽粒灌浆提供一半以上的“源”。其中旗叶对籽粒产量的贡献可占到30%以上[24]。叶面喷施氮肥在一定浓度范围内能促进谷子旗叶生长发育，提高叶片硝酸还原酶活性，提高旗叶叶面积，且促进作用规律为随着浓度的加大先增强后减弱，这与李永旗[25]的研究结果一致。

植物积累干物质的主要方式是光合作用，CO2是光合作用的物质来源[26]。施肥是促进叶片的光合作用的重要手段之一，能有效促进光合产物的运转，提高籽粒干物资积累，从而减少秕谷。合理叶面喷施氮肥还有利于谷子的光合作用，为谷子灌浆提供充足的源。叶面喷施氮肥显著促进了谷穗的生长发育以及籽粒灌浆，从灌浆和谷穗生长发育的水平上提高了谷子的产量，与前人研究结果[27]一致。反之，在试验中喷施氮肥浓度为4%(C5)和6%(C6)时，对谷子SPAD、作物光合作用有明显的胁迫作用且作用强度随浓度增加而加大，这表明叶面喷施氮肥浓度过高时会对谷子的光合作用以及叶片中叶绿素的合成产生副面影响。究其原因，是高浓度的肥液灼伤叶片，抑制了谷子叶片正常的生长和发育的进程。在试验中可以观察到喷施浓度为6%氮肥的谷子叶片出现黄斑，边缘枯黄。这些负面效应抑制了谷穗的生长和灌浆，使谷子减产。

目前谷子叶面喷施氮肥只是补充氮素的一种辅助手段,尚不能完全代替土壤施肥,如果将这两种措施配合使用,能得到更好的施肥效果，提高谷子产量。不可否认，本试验存在一定的局限性和偶然性，谷子叶面喷施氮肥还有很多方面需要进一步研究探讨。

4 结论

本试验表明，叶面喷施氮肥能有效促进张杂谷10号叶片的生长发育以及叶绿素的合成、提高谷子叶片硝酸还原酶活性、提高叶片光合速率等，从而提高谷子产量。试验最适浓度为2%。当喷施氮肥浓度高于3%时，促进作用会发生明显减弱直至发生肥害，高浓度肥害主要表现为叶片灼伤，叶片正常生长发育受到影响，叶绿素合成受阻，抑制叶片硝酸还原酶活性等。过量喷施氮肥会使谷子产量降低。

[1] 张一中,张一弓,柳青山．谷子在山西省旱作农业中的地位和作用[J].中国种业,2011(8):21-22.

[2] 张超，张晖，李冀新．小米的营养以及应用研究进展[J]．中国粮油学报，2007，22(1):51-55，78.

[3] 王洋，周怀平，关春林，等．旱地谷子水肥高效调控技术研究进展[J]．山西农业科学，2012，40(5):540-542.

[4] 张亚琦,李淑文,付巍,等．施氮对杂交谷子产量与光合特性及水分利用效率的影响[J].植物营养与肥料学报,2014,20(5):1119-1126.

[5] 崔福柱,郭秀卿,郝建平,等．旱地谷子渗水地膜覆盖温度变化研究[J].山西农业大学学报(自然科学版),2008,28(2):172-175.

[6] 郭大辛,郭平毅,原向阳,等．地膜覆盖对杂交谷生长发育及农艺性状的影响[J].山西农业大学学报(自然科学版),2016,36(2):111-115.

[7] 孙园园,孙永健,杨志远,等．不同形态氮肥和抽穗期土壤水分对不同水稻品种氮素吸收利用的影响[J].杂交水稻,2013,28(2):68-74.

[8] 代小冬,常世豪,杨育峰,等．不同氮肥组合和施肥方式对谷子生长和产量的影响[J].河南农业科学,2014,43(11):13-16.

[9] 宋海燕,耿淑清,刘春晓．灌浆期喷施叶面肥对小麦产量的影响[J].内蒙古农业科技,2014(2):41.

[10] 孙永健,孙园园,刘凯,等．水氮互作对结实期水稻衰老和物质转运及产量的影响[J].植物营养与肥料学报,2009,15(6):1339-1349.

[11] 吴国梁,崔秀珍,宋小顺．不同土壤质地及追氮方式对强筋小麦产量和品质的影响[J].安徽农业科学,2006,34(3):530-531，537.

[12] 李书田,赵敏,刘斌,等．谷子新品种播期、密度与施肥的复因子试验[J].内蒙古农业科技,2010(3):33-34.

[13] 童贯和,梁惠玲．模拟酸雨及其酸化土壤对小麦幼苗体内可溶性糖和含氮量的影响[J].应用生态学报,2005,16(8):1487-1492.

[14] 李东安.小麦叶面喷肥防早衰效果研究[J].现代农业科技,2011(19):94.

[15] 王建林,于贵瑞,王伯伦,等．北方粳稻光合速率、气孔导度对光强和CO2浓度的响应[J].植物生态学报,2005,29(1):16-25.

[16] 赵广才,何中虎,刘利华,等．肥水调控对强筋小麦中优9507品质与产量协同提高的研究[J].中国农业科学,2004,37(3):351-356.

[17] 史宏,史更生,史关燕,等．叶面肥喷施对谷子增产效果的研究[J].陕西农业科学,2007(5):19-20，65.

[18] 巨晓棠,谷保静.我国农田氮肥施用现状、问题及趋势[J].植物营养与肥料学报,2014,20(4):783-795.

[19] 张艾英,郭二虎,王军,等．施氮量对春谷农艺性状、光合特性和产量的影响[J].中国农业科学,2015,48(15):2939-2951.

[20] 董瑞,吕厚波,张保军,等．叶面喷施氮肥对小麦SPAD值及产量的影响[J].麦类作物学报,2015,35(1):99-104.

[21] Yi Zuo,Dongyun MA,Ying Ma,et al．Effects of spraying nitrogen and zinc fertilizers after flowering on grain weight and nutritional quality of winter wheat[J].Agricultural Science and Technology,2013,14(4):630-634，650.

[22] 曹玉贤,田霄鸿,杨习文,等．土施和喷施锌肥对冬小麦子粒锌含量及生物有效性的影响[J].植物营养与肥料学报,2010,16(6):1394-1401.

[23] 杨艳君.施肥和密度对张杂谷5号生理特性和产量构成的影响[D].太谷：山西农业大学,2013.

[24] 冯志威,杨艳君,郭平毅,等．谷子光合特性及产量最优的氮磷肥水平与细胞分裂素6-BA组合研究[J].植物营养与肥料学报,2016,22(3):634-642.

[25] 李永旗．叶施尿素对棉花氮素吸收利用分配及生理生化特性的影响[D].北京：中国农业科学院,2014.

[26] 周吉红,曹海军,朱青兰,等．不同类型叶面肥在不同时期喷施对小麦产量的影响[J].作物杂志,2012(5):140-145.

[27] 刘斌,李书田．氮肥不同施用量对谷子产量的影响[J].农业科技与信息,2013(24):31-32.