氮肥管理對高寒地區(qū)冬小麥氮素積累的影響

彭顯龍，劉 佳，劉小倫，秦迎春，劉 洋，邰福軍，王 健，國 鑫

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

氮肥管理對高寒地區(qū)冬小麥氮素積累的影響

彭顯龍，劉 佳，劉小倫，秦迎春，劉 洋，邰福軍，王 健，國 鑫

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

采用田間小區(qū)試驗(yàn)方法，測定0～90 cm土層土壤無機(jī)氮、葉片葉綠素值、干物質(zhì)積累、氮積累和小麥產(chǎn)量，研究氮肥管理對冬小麥產(chǎn)量和氮效率影響。結(jié)果表明，習(xí)慣施肥，大量氮肥施用在返青期，增加拔節(jié)期和抽穗期葉片SPAD值，促進(jìn)拔節(jié)期前干物質(zhì)積累和抽穗前氮素積累，抑制抽穗期后干物質(zhì)和氮素積累，造成0～60 cm土層無機(jī)氮較高殘留；通過氮肥優(yōu)化管理可防止土層無機(jī)氮含量過高，促進(jìn)抽穗后干物質(zhì)和氮素積累增加；在氮肥用量降低42.8%～47.6%條件下，冬小麥產(chǎn)量提高4.2%～13.1%，氮肥偏生產(chǎn)力提高95.5%～98.7%（P＜0.05）。

寒地；冬小麥；氮肥管理；土壤無機(jī)氮；產(chǎn)量

近年來黑龍江省小麥種植面積呈減少趨勢[1]，春小麥因春旱嚴(yán)重，產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)性差。雖然冬小麥產(chǎn)量高、穩(wěn)產(chǎn)性好，但由于黑龍江冬季氣溫低，引種其他地區(qū)高產(chǎn)冬小麥品種無法越冬。東農(nóng)冬麥1號品種育成后，返青率在80%以上，達(dá)到品種推廣標(biāo)準(zhǔn)，解決了越冬問題，產(chǎn)量比春小麥高30%[2]。

氮是影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的主要因子，我國主要糧食作物的氮肥利用率只有28%～41%，平均僅為35%[3]。氮肥大量施用，不僅難達(dá)到小麥高產(chǎn)高效目的，還會(huì)造成土壤剖面硝態(tài)氮積累[4-5]。旱田土壤中硝態(tài)氮易淋出作物根區(qū)，造成地下水污染[6-7]。Chen等提出根據(jù)作物需氮量和根層土壤無機(jī)氮進(jìn)行實(shí)時(shí)氮肥管理[8]。在華北平原應(yīng)用該技術(shù)可顯著降低氮肥用量，提高小麥氮效率[9-10]。由于高寒地區(qū)冬小麥?zhǔn)┓恃芯刻幱诔醪诫A段，實(shí)時(shí)氮肥管理技術(shù)在高寒地區(qū)的應(yīng)用效果尚無結(jié)論。本試驗(yàn)旨在分析氮肥管理對土壤硝態(tài)含量和小麥氮素吸收的影響，以期為高寒地區(qū)冬小麥科學(xué)施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2010～2011年，在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)基地進(jìn)行小區(qū)試驗(yàn)，前茬作物是寒地冬小麥。土壤基礎(chǔ)肥力為：有機(jī)質(zhì)26.73 g·kg-1，全氮1.26 g·kg-1，全磷0.87 g·kg-1，速效磷26.0 mg·kg-1，緩效鉀922 mg·kg-1，速效鉀148 mg·kg-1，pH 6.84。供試品種為東農(nóng)冬麥1號，于壟溝內(nèi)播種（壟距65 cm），采用雙排苗方式，行間距20 cm。

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，重復(fù)4次，拉丁方設(shè)計(jì)。習(xí)慣施肥（FFP），施氮量105 kg·hm-2，基肥、追肥比例為1∶2，在返青期追施氮肥；優(yōu)化施肥方式1 （OPT1）：基肥為N 20 kg·hm-2[11]，根據(jù)小麥需氮規(guī)律和土壤無機(jī)氮測試確定施氮量，返青-拔節(jié)期土壤供氮目標(biāo)值為45 kg·hm-2，拔節(jié)-成熟期土壤供氮目標(biāo)值為85 kg·hm-2[8]。優(yōu)化施肥方式2和3 （OPT2和OPT3）：氮量為60 kg·hm-2。OPT2的施氮比例是1∶2，分別在播種和拔節(jié)期施用；OPT3的施氮比例是2∶1∶3，分別在播種、返青期和拔節(jié)期施用。所有處理磷鉀肥用量相同，P2O5為30 kg·hm-2，K2O為40 kg·hm-2。

種肥施用方法：2010年9月5日播種，種肥施用全部的磷鉀肥和20 kg·hm-2氮肥，超過該氮量的處理，播種后把氮肥撒在行間，澆水。追肥方法：在雙排苗中間撒施肥料，澆水。

1.2 測定項(xiàng)目及方法

在返青期取0～30 cm土層樣品，在拔節(jié)期、抽穗期和成熟期用電動(dòng)土鉆分別取地下0～30、30～60 和60～90 cm土壤樣品，混勻后利用四分法留取適量樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，稱取相當(dāng)于10 g干土樣品，100 mL 2 mol·L-1KCl浸提1 h，過濾后上清液用AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

在拔節(jié)期和抽穗期，采用日本產(chǎn)SPAD-502葉綠素快速測定儀，測定主莖最上展平葉片的葉綠素值，每個(gè)葉片在中間和上下1/3部位測定3次，取平均值為該葉片的葉綠素值；在拔節(jié)、抽穗和成熟期取0.14 m2冬小麥樣品，帶根挖出，帶回實(shí)驗(yàn)室。用自來水沖洗干凈，然后按莖、葉、穗分開，樣品105℃殺青30 min后，70℃烘干至恒重，分別測定莖、葉、穗干物重。樣品粉碎后，稱取植物樣品0.15 g，濃H2SO4-H2O2消煮，AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀（德國布朗盧比）測定氮含量。收獲期每小區(qū)取3 m2考種測產(chǎn)。所得數(shù)據(jù)用SPSS 13.0軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤無機(jī)氮

返青期0～30 cm土層無機(jī)氮均超過50 kg·hm-2（見圖1），高于返青期施肥目標(biāo)值，因此返青到拔節(jié)期不施氮肥；從拔節(jié)到抽穗期整個(gè)根層土壤氮目標(biāo)值為85 kg·hm-2，土層中氮為50 kg·hm-2，因此施氮量為35 kg·hm-2。實(shí)時(shí)氮肥管理施氮總量為55 kg·hm-2。

從圖1可知，隨生育期推進(jìn)，0～30 cm土層無機(jī)氮先下降，然后升高，成熟期又恢復(fù)到返青期水平。收獲期習(xí)慣施肥0～30 cm土層無機(jī)氮高于返青期，有積累趨勢；30～60 cm土層無機(jī)氮抽穗期最低，返青期施用高量氮肥（習(xí)慣施肥）提高拔節(jié)期和成熟期30～60 cm土層無機(jī)氮含量，其他處理無機(jī)氮比習(xí)慣施肥低15.86%～24.33%；除習(xí)慣施肥外，整個(gè)生育期60～90 cm土層無機(jī)氮變化不明顯。返青期大量施用氮肥（習(xí)慣施肥）提高拔節(jié)期該層次土壤無機(jī)氮含量。說明前期大量施氮會(huì)造成表層土壤無機(jī)氮積累及土壤無機(jī)氮下移，增加施肥造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，而通過氮肥優(yōu)化管理能夠降低表層土壤無機(jī)氮含量，減輕環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 冬小麥生育期間0～90 cm土壤無機(jī)氮含量Fig.1 Soil Nmin content of 0～90 cm soil layer during the growth stage of winter wheat

2.2 葉綠素值

由圖2可知，各處理抽穗期葉片SPAD值均高于拔節(jié)期。在拔節(jié)期和抽穗期，習(xí)慣施肥的SPAD值最大，拔節(jié)期FFP比OPT1、OPT2處理SPAD值高7.17%～14.00%，差異顯著（P＜0.05）；抽穗期，F(xiàn)FP比優(yōu)化施肥處理高4.71%～9.94%，與OPT1處理差異顯著（P＜0.05）。拔節(jié)期和抽穗期，葉片含氮量和葉片SPAD值均呈顯著正相關(guān)（見圖3），可以用葉片SPAD值評價(jià)植株氮營養(yǎng)狀況。

圖2 不同時(shí)期冬小麥葉片葉綠素值Fig.2 SPAD value of winter wheat leaves at jointing and heading stage

圖3 葉綠素值與葉片含氮量的關(guān)系Fig.3 Relationship between SPAD value and N concentration of leaves

2.3 干物質(zhì)積累

結(jié)果見表1。

表1 不同生長期寒地冬小麥干物質(zhì)積累量Table 1 Dry matter weight of winter wheat at different growth stages (t·hm-2)

由表1可知，拔節(jié)期習(xí)慣施肥比優(yōu)化施肥干物重高23.42%～35.42%（P＜0.05）；拔節(jié)期追肥促進(jìn)拔節(jié)-抽穗，抽穗到成熟期干物質(zhì)積累。抽穗期-成熟期，優(yōu)化施肥比習(xí)慣施肥干物質(zhì)多積累41.95%～76.03%。說明前期施氮太多雖促進(jìn)拔節(jié)期以前干物質(zhì)積累，但抑制抽穗后干物質(zhì)積累，降低前期氮量并在拔節(jié)期施氮可顯著增加抽穗后干物質(zhì)積累量，提高成熟期干物質(zhì)積累。

2.4 氮素積累量

拔節(jié)期和抽穗期，習(xí)慣施肥氮積累量最高（見表2）。

表2 不同時(shí)期寒地冬小麥氮素積累量Table 2 N uptake of wheat at different growth stage (kg·hm2)

由表2可知，拔節(jié)期習(xí)慣施肥比優(yōu)化施肥處理氮積累量提高49.49%～109.28%（P＜0.05）；抽穗期FFP處理比優(yōu)化施肥處理高33.94%～51.81%。拔節(jié)期施氮增加拔節(jié)-抽穗和抽穗-成熟期氮素積累，由于成熟期習(xí)慣施肥處理冬小麥發(fā)生較為嚴(yán)重倒伏，因此抽穗-成熟氮素積累為負(fù)值。

結(jié)果表明，前期施氮過多會(huì)造成冬小麥前期對氮素的過度吸收，抑制后期吸收量，而控制基追比例，增加后期施氮量，可以顯著促進(jìn)抽穗后氮積累。

2.5 冬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素和氮肥偏生產(chǎn)力

由表3可知，各處理成穗數(shù)差異不顯著，但氮肥優(yōu)化管理的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均有增加趨勢，其中收獲指數(shù)增加顯著（P＜0.05）。結(jié)果表明，優(yōu)化施肥氮肥用量降低42.8%～47.6%，小麥產(chǎn)量提高4.2%～13.1%，氮肥偏生產(chǎn)力提高95.5%～98.7%，差異顯著（P＜0.05）。

表3 冬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素、收獲指數(shù)和氮肥偏生產(chǎn)力Table 3 Yield and yield components,harvest index and nitrogen partial factor productivity of winter wheat

3 討論與結(jié)論

高寒地區(qū)冬小麥產(chǎn)量較低，研究顯示，產(chǎn)量差異的主要影響因素是收獲期穗數(shù)[12]，高寒地區(qū)冬小麥穗數(shù)只有400萬，而其他產(chǎn)區(qū)穗數(shù)多為600～700萬[9,13]。雖然本試驗(yàn)收獲穗數(shù)達(dá)到約700萬，但小麥穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率均低于上年，因此產(chǎn)量較低。本試驗(yàn)春季溫度顯著提高，小麥返青率超過90%，穗數(shù)顯著提高，反而降低穗粒數(shù)、粒重和收獲指數(shù)。在高寒地區(qū)，為提高冬小麥返青率，采用壟內(nèi)雙行播種方式。在兩壟的壟幫上播種，利用積雪覆蓋小麥，提高地表溫度，以促進(jìn)返青。如果遇到高溫年份，冬小麥返青好，因植株過于集中在相鄰2行，不利于小麥大穗形成。小麥?zhǔn)斋@穗數(shù)高，穗粒數(shù)低和粒重小也是小麥?zhǔn)斋@指數(shù)只有0.35的原因?？梢姼吆貐^(qū)冬小麥栽培技術(shù)有待優(yōu)化，形成與該品種相適應(yīng)的栽培技術(shù)，對提高寒地冬小麥產(chǎn)量具有重要意義。

氮肥施入麥田土壤后的去向主要包括小麥吸收利用、土壤殘留及損失；其中作物吸收利用與氮素?fù)p失間存在競爭關(guān)系，即作物吸收利用的氮素多，可在一定程度上減少氮素?fù)p失[11]。適當(dāng)施用種肥和拔節(jié)肥可提高小麥對氮素的吸收利用，減少土壤殘留及損失[12]，這與本研究結(jié)果一致。Liu等研究顯示，施氮量越大，土壤0～300 cm中硝態(tài)氮含量越大，有50%以上殘留在100～300 cm土層中，損失量越大[10]。種肥和拔節(jié)肥比例直接影響小麥產(chǎn)量[14]。王宗權(quán)研究表明，在同等氮量的情況下，基肥∶返青肥=1∶1時(shí)產(chǎn)量低于基肥∶拔節(jié)肥∶孕穗肥=5∶3∶2[15]。前期試驗(yàn)顯示種肥和拔節(jié)期追肥比例在3∶2和1∶2間產(chǎn)量較高，本試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)基肥和拔節(jié)肥比例為1∶2處理產(chǎn)量較高。在本試驗(yàn)中實(shí)時(shí)氮肥管理用氮量最低，產(chǎn)量和其他處理無差異。由于實(shí)時(shí)氮肥管理需要多次土壤取樣，操作麻煩，建議在生產(chǎn)上通過測定土壤無機(jī)氮確定氮肥總量，按固定比例追肥。

抽穗前、后干物質(zhì)積累對小麥產(chǎn)量的影響是研究熱點(diǎn)。凌啟鴻研究顯示抽穗后干物質(zhì)積累越高越利于作物高產(chǎn)[16]。在高寒地區(qū)小麥生產(chǎn)中，前期施氮太高造成前期小麥旺長，使小麥分蘗成穗率降低[6]。本試驗(yàn)進(jìn)一步證明，優(yōu)化氮肥管理，減少基肥氮量，增加拔節(jié)期施氮量能有效控制小麥前期旺長，促進(jìn)抽穗后氮素吸收，增加抽穗后干物質(zhì)積累，實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)和氮素高效利用。

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Effect of nitrogen management on nitrogen uptake of winter wheat in cold area

PENG Xianlong,LIU Jia,LIU Xiaolun,QIN Yingchun,LIU Yang,TAI Fujun,WANG Jian, GUO Xin(School of Resources and Environmental Sciences,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Field experiment was conducted to study the effect of nitrogen management on wheat yield and nitrogen use efficiency.Inorganic nitrogen(Nmin)of 0-90 cm soil layer,and soil and plant analysis development section(SPAD)value,accumulation of dry matter,nitrogen uptake,wheat yield were measured.The experiment results showed that farmer's fertilization practice,applying excessive nitrogen fertilizer at turning green period,increased SPAD value of leaves at jointing and heading stage,enhanced the dry matter weight before jointing stage and nitrogen uptake before heading stage,but inhibited the dry matter and nitrogen accumulation after heading stage and increased residual Nmin in 0-60 cm soil layer. Optimized nitrogen management(OPT)can match wheat nitrogen demand by applying nitrogen at jointing so that 0-60 cm soil layer Nmin maintained appropriate level and improved dry matter weight and nitrogen uptake after heading.The nitrogen rate of OPT was decreased by 42.8%-47.6%compared to farmer's fertilization practice,but the wheat yield was improved by 4.2%-13.1%and partial factor productivity of nitrogen fertilizer was enhanced by 95.5%-98.7%(P＜0.05).

cold area;winter wheat;nitrogen management;soil Nmin;yield

S511.3+3；S162.5

A

1005-9369（2014）07-0009-05

時(shí)間2014-7-4 17:31:10 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140707.0843.015.html

彭顯龍,劉佳,劉小倫,等.氮肥管理對高寒地區(qū)冬小麥氮素積累的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,45(7):9-13.

Peng Xianlong,Liu Jia,Liu Xiaolun,et al.Effect of nitrogen management on nitrogen uptake of winter wheat in cold area[J]. Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(7):9-13.(in Chinese with English abstract)

2013-05-08

國家科技部973項(xiàng)目（2009CB118606）；農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201103003）

彭顯龍（1976-），男，教授，博士，研究方向?yàn)橹参餇I養(yǎng)與施肥。E-mail:PXL0508@163.com