专利名称：一种提高小麦氮素利用率及抗倒伏性的施肥方法
技术领域：
本发明属于植物生长营养状况监测技术领域，特别涉及一种小麦生长发育过程中利用归一化植被指数(NDVI)指导氮素施用以提高氮素利用率及抗倒伏性的施肥方法。
背景技术：
小麦拔节期是小麦茎杆发育，决定其机械强度的关键时期。而生育后期茎杆中储存的有机物大量分解，也是改变茎杆机械强度的重要因素。如果茎杆机械强度弱，植株抗倒伏性能低，则最终小麦产出严重受损。据研究，倒伏会导致小麦籽粒产量降低30%以上(Vera等，2012 ;Wiersma等，2011)。虽然小麦科学工作者在此课题上做了大量的工作，试图通过品种选育、栽培管理、化控等措施改善植株的抗倒伏性能(Wiersma等，2011)，然而气象因素瞬息万变，小麦倒伏存在严重的不可预见性，也因而成为阻碍小麦生产潜力与氮素利用效率提升的世界性难题(Martinez-Vazquez and Sterling, 2011)。倒伏多发生在茎杆基部节间。在显微结构上，基部节间维管束数目、直径，机械组织特性、细胞壁厚度、木质化程度、导管壁厚度，维管束鞘厚度，导管径大小则直接影响到茎杆抗压强度；小麦茎杆机械组织厚、细胞层数多、植株重心较低、基部节间单维管束面积和周长较大、株高相近而穗下节间较长以及植株高度构成指数较大的植株抗倒力较大(安呈峰等，2008)。在农艺性状上，Keller等(1999)通过小麦遗传图谱的构建和数量性状的定位分析发现，植株的茎硬度、厚度以及柔韧度、叶宽、高度与倒伏密切联系。令人们感兴趣的是，基部第1、2节间结构性大分子与倒伏有着密切的关系。Crook和Ennos (1995)对不同小麦品种的细胞壁成分进行了分析，发现品种间纤维素含量有显著差异，纤维素含量高的品种最抗倒伏。Berry等(2003)研究表明，抗倒品种茎杆的半纤维素和木质素含量均高于不抗倒品种。Tripathi等(2003)通过比较抗倒性不同的4个品种的茎杆木质素含量，也发现木质素含量高的品种抗性强。生产上常用激素或生长调节剂，如矮壮素、助壮素等提高小麦茎杆强度，然而， 此类物质因残留而对后茬作物生长、小麦加工品质、生态环境等造成不良影响。氮素是作物生长生育所必需的大量营养元素，是影响作物产量最重要的因素。氮素直接参与作物叶片叶绿素的合成，影响叶片光合作用与呼吸作用。同时，N素营养状况还影响作物对其他营养如P、K等元素的吸收。然而，近10多年来，N肥用量的迅速增加，由原来的40kg/亩增加到现在的80kg/亩，甚至IOOkg/亩，农田生态系统中N盈余也不断增加。世界上每年消耗N肥87000000吨，60%用于谷类作物生产，然而，谷类作物N肥利用效率(Nitrogen use efficiency)仅为 33%(Alexandratos, 1995)。过量施用 N 肥带来的 N 肥利用率下降、损失严重的问题也日益突出，更为严重的是土壤中大量累积的N03-对地下水造成污染(巨晓棠，2003);另一方面，在高N生长环境中，小麦叶片中游离N相应增多，诱导光合产物碳水化合物转化为蛋白质趋势增加，影响茎杆机械强度，节间分生组织细胞变长，细胞壁变薄，因而植株易发倒伏，增加病虫害发生率(于振文等，1995)。井长勤等(2003)也提出，随施N量的增加，基部节间与穗下节间的配比不协调，基部节间充实度不够，茎杆C/N比率过低，使小麦倒伏率升高，也因此成为小麦N素利用效率低的主要因素。魏凤珍等(2008)也有类似的结论，他们研究发现基部节间长度和N含量均随施N水平增加而增加，而基部节间直径、茎杆壁厚、机械强度则表现相反；细胞壁纤维素、木质素含量和茎杆抗倒指数则随施N水平的增加呈现出先增后降的趋势。再者，我们实验室以及其他研究表明，过量N素抑制种子萌发、幼苗根系生长(Britto和Kronzucker等，2002 ；Li等2010 ；Cheng等，2011)。众所周知，K也是植物细胞生理活动的大量元素(Szczerb et al.，2008),是细胞内多种酶活性所必须的，是碳水化合物、蛋白质合成的重要辅助因子(Marschner，1995 )。然而，由于NH4+和K+在电荷、分子大小、水合能等特性上存在着高度的相似性，二者在细胞膜上有着共同的运输通道(channels)与调控机理(White, 1996)，高浓度的NH4+显著抑制K+通道(例如AKTland HAK5)活性、K+吸收速率以及在植物体内的积累，进而影响细胞生理活动稳态(Angeles et al., 2005; Szczerba et al., 2008b ；Hoopen et al.，2010)。而 K+与N03_在电荷上存在着互补性，K+促进植物根系对N03_的吸收。因此植物对三种离子的吸收存在着竞争而又相互协调的关系。因此，合理部署N、K素施用是提高小麦茎杆强度，增强其抗倒性能的重要途径。最近，俄克拉何马州立大学(Oklahoma State University)研制的手持便携式数据采集系统(GreenSeeker Sensor)是通过获取作物相关信息而得到植被指数和红光与近红外(near infrared;NIR)光的比值的作物研究工具。植物叶绿素吸收红光作为光合作用能源，因此，健康植株能够吸收更多的红光，反射较多的近红外。标准差植被指数(normalizeddifference vegetation index, NDVI)是植物光合作用吸收有效福射的一个定量指标，通常用来植物健康状态与生长活性，由公式NDVI= (NIRreflected - Redreflected) /(NIRrefIected+RedrefIected)计算而来。GreenSeeker Sensor 根据遥感测得的 NDVI 数据通过仪器配备的微型电脑分析计算既能对作物长势、产量做出诊断，并能快速、方便、准确地测定农作物在生长的不同时期对N肥的需求量(Raun et al.，2002)。
发明内容
为了解决上述的 技术问题，本发明提供了一种新的施肥方法。本发明通过检测小麦生长与营养状况的综合指标——归一化植被指数(NDVI)值指导氮素实时实地管理，提高小麦抗倒伏性能及氮素利用效率。本发明的技术方案是:一种提高小麦氮素利用率及抗倒伏性的施肥方法，其特征是，(I)基施肥料:小麦播种前，选用传统小麦专用N、P、K复合肥，根据需要用生产用过磷酸钙、氯化钾(或硫酸钾)、尿素调节营养元素比例，使每亩施用N、P2O5, K2O量分别为5-6、5-8、4-7kg，然后立即耕翻，将肥料与土壤混合，避免营养元素挥发；(2)播种:小麦播种量为8-12.5kg/亩，行距为20-23cm ；(3)小麦生长至起身初期,利用GreenSeeker测定NDVI值；a.如果同时满足NDVK0.20和小麦群体小于32万茎蘖数/亩两个条件时，于小麦起身初期每亩施用Ν、ρ205、κ20量分别为ll、4、9kg (沟施入土 5cm)，施肥后随即灌溉；b.如果仅满足上述其中一个条件，于小麦起身中期每亩施用Ν、Ρ205、Κ20量分别为
ll、4、9kg (沟施入土 5cm)，施肥后随即灌溉；
c.如果上述两个条件均不满足，则于小麦拔节初期(1-2节)继续利用GreenSeeker测定NDVI值并根据NDVI值追施肥料(沟施入土 5cm)，施肥后随即灌溉；如果NDVI值〈0.30时，每亩施用N、P205、K2O量分别为ll、4、9kg ；如果NDVI值>0.50时，每亩施用N、P205、K2O量分别为8、2、6kg ；如果NDVI值为0.30-0.50，每亩施用N、P2O5, K2O分别为8_11 (不包含两端值，下同)、2_4、6_9kg ；注:N、P2O5> K2O施用时以传统小麦专用N、P、K复合肥为底料，用氯化钾(或硫酸
钾)、尿素(如需要)调节营养成分。(4)小麦灌浆中后期(开花后20-25天)，喷施KH2PO4 —次，每亩用量0.6-0.8kg，用清水配成浓度为1%(重量百分比)的药剂，在晴天下午4点以后喷施，有利于制剂充分吸收，避免中午高温对叶片的灼伤。注:小麦播种前造墒、整地、选种、除草等大田管理措施按当地传统与经验操作。本发明技术方案具有坚实的作物生理学基础及多重有益效果:1)本发·明基肥中选用的营养成分，其比例与常规施肥不同。本发明降低了基施肥料N素用量，从而降低了高浓度N素对小麦萌发及根系伸长造成的抑制作用，促进根系深长，为避免生育后期根倒伏提供支撑，同时降低了 N素的挥发、淋洗等途径的流失，减少环境污染。因P素与土壤结合紧密，不易淋失，基施中提高其在Ν、Ρ205、Κ20三素中的比例以稳定细胞膜流动性，提升小麦抗冬季低温胁迫能力。2)起身期，小麦进行春季分蘖。如果此时群体与NDVI值小，说明土壤营养匮乏，提前、多量追肥，促进小麦春季分蘖，提高亩穗数。3)小麦拔节初期是小麦追肥的最佳时期，此时测定NDVI值，能够反映土壤营养状况以及小麦生长情况，根据NDVI值水平，有的放矢进行施肥，减少因降雨、灌溉等因素引起的养分流失及环境污染。4)与传统施肥习惯比较，本发明在起身期或拔节期仍施用K肥。一是因为拔节期是小麦茎杆发育的关键时期，提高K肥用量能够促进纤维素、木质素等多糖合成，提高小麦茎杆强度，提高抗倒伏特性；二、K也是易溶元素，淋洗性较高(低于N素，但远远高于P素)，在小麦生长最旺盛、最需要K素时期施肥，减少播种时一次性过量施肥而造成的浪费，提高其利用效率；三是因为NH4+对植株吸收K+有一定的抑制作用，提高施K量，以缓解植株中K素匮乏。5)根据我们的非损伤微测技术测定，K+能够促进植株对NO3-的吸收。因N素的淋洗性大于K素，提高K素用量利用其促进N吸收特性来提高植株营养平衡。6)灌浆中后期，植株中大量K转运到籽粒中，喷施KH2PO4，以补充K素营养，同时也为植物组织提供了一个酸性环境，提高细胞中蛋白酶活性，促进蛋白质降解为有机小分子，使秸杆中的含N化合物能够快速运输到籽粒中去，提高灌浆速率、产量及N素利用效率。K素还可促进灌浆期淀粉合成、养分转化，使小麦落黄好，增加产量和改进品质。
具体实施例方式实施例1本试验在山东省农业科学院作物研究所试验地进行，土壤肥力中等；耕作方式为保护性耕作(上季作物玉米收获后其秸杆直接粉碎还田，小麦用免耕机播种)，实验品种为济麦22。a.基施肥料:小麦播种前撒施复合肥，Ν、Ρ205、Κ20用量分别为5、7、7kg/亩。施肥后立即耕翻，将肥料与土壤混合，避免营养成分因裸露而挥发。b.小麦播种量为9kg/亩，行距为20cm。c.小麦生长至起身初期，NDVI值为0.27，群体为45.3万茎蘖数/亩。d.小麦拔节初期(I节)，利用GreenSeeker测定NDVI值为0.59。e.以N、P、K复合肥为底料，用氯化钾与尿素调节营养成分，每亩施用N、P2O5> K2O分别为8、2、6kg (沟施5cm深)，施肥后随即灌溉。f.小麦灌浆中后期(开花后25天)，喷施KH2PO4,每亩用量0.6kg，用清水配成浓度为1%的药剂，在下午4点以后喷施。g.小麦播种前造墒、整地、选种、除草等按当地传统与经验进行。本发明实施例1与传统施肥对小麦莖杆成分、倒伏及产量的影响如表I所不。传统施肥法:播种时，选用小麦专用N、P、K复合肥，每亩施用N、P205、K208、7、5kg，混匀撒施后翻耕入土。拔节期，每亩施用N、P205、K208、2、4kg,沟施入土 5cm,施肥后随即灌溉。表I本发明实施例1与传统施肥对小麦莖杆成分、倒伏及产量的影响
权利要求
1.一种提高小麦氮素利用率及抗倒伏性的施肥方法，其特征是， (1)基施肥料:小麦播种前，每亩施用Ν、ρ205、κ20量分别为5-6、5-8、4-7kg，施肥后立即耕翻，将肥料与土壤混合； (2)播种:小麦播种量为8-12.5kg/亩，行距为20-23cm ； (3)小麦生长到了起身初期，利用GreenSeeker测定NDVI值； a.如果同时满足NDVK0.20和小麦群体小于32万茎蘖数/亩两个条件时，于小麦起身初期每亩施用Ν、Ρ205、Κ20量分别为ll、4、9kg，施肥后随即灌溉； b.如果仅满足步骤a中一个条件，于小麦起身中期每亩施用N、P2O5,K2O量分别为11、4、9kg，施肥后随即灌溉； c.如果步骤a中两个条件均不满足,则于小麦拔节初期继续利用GreenSeeker测定NDVI值并根据NDVI值追施肥料，施肥后随即灌溉； 如果NDVI值〈0.30时，每亩施用N、P205、K2O量分别为ll、4、9kg ; 如果NDVI值>0.50时，每亩施用N、P205、K2O量分别为8,2,6kg ； 如果NDVI值为0.30-0.50，每亩施用N的量为> 8kg且〈Ilkg，施用P2O5的量为> 2kg且<4kg，施用K2O量为> 6kg且<9kg ； (4)小麦灌浆中后期喷施KH2PO4—次，每亩用量0.6-0.8kg，用清水配成浓度为lwt%的溶液，在晴天下午4点以后喷施。
2.如权利要求1所述的一种提高小麦氮素利用率及抗倒伏性的施肥方法，其特征是，所述步骤(3)中的肥料均沟施入土 5cm。
3.如权利要求1或2所述的一种提高小麦氮素利用率及抗倒伏性的施肥方法，其特征是，所述步骤(I)中Ν、Ρ205、Κ20施用量以传统小麦专用N、P、K复合肥为底料，用生产用过磷酸钙、氯化钾或硫酸钾、尿素调节。
4.如权利要求1或2所述的一种提高小麦氮素利用率及抗倒伏性的施肥方法，其特征是，所述步骤(3)中Ν、Ρ205、Κ20施用量以传统小麦专用N、P、K复合肥为底料，用氯化钾或硫酸钾、尿素调节N、P2O5和K2O之间的比例。
全文摘要
本发明公开了一种提高小麦氮素利用率及抗倒伏性的施肥方法。该方法包括1)播种前施肥用N、P、K复合肥；2)起身期及拔节期测定NDVI值，根据NDVI值大小进行变量施肥，并提高钾K素施用量；3)小麦灌浆中后期，叶面喷施KH2PO4。本发明通过改进基肥、追施肥策略(减少基肥施肥量，特别是减少氮素施用量；改传统一次性P、K基施为基、追都施)，利用无挥发性、淋洗性相对较低的K+能够促进小麦对流失性较强的土壤NO3-的吸收，提高小麦N素利用效率；同时通过提高K素施用量，以促进茎秆机械强度，增强小麦抗倒伏性能。
文档编号A01G1/00GK103109671SQ20131007648
公开日2013年5月22日 申请日期2013年3月11日 优先权日2013年3月11日
发明者孔令安, 王法宏, 司纪升, 冯波, 孙铭泽, 张宾, 李升东, 王峥, 李华伟 申请人:山东省农业科学院作物研究所