不同施氮量對(duì)玉米花生間作下茬小麥干物質(zhì)積累及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

孟維偉，張 正，徐 杰，南鎮(zhèn)武，劉靈艷，高華鑫，郭 峰，萬書波

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物研究所，山東省作物遺傳改良與生態(tài)生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，小麥玉米國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，生物技術(shù)研究中心，山東省作物遺傳改良與生態(tài)生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100)

隨著我國(guó)糧食需求的增長(zhǎng)，越來越多的化學(xué)氮肥被施入農(nóng)田，當(dāng)前我國(guó)化學(xué)氮肥年消耗量約占全球的30%[1]。一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增施氮肥可顯著提高小麥產(chǎn)量及氮肥利用效率，促進(jìn)小麥植株對(duì)氮素的吸收利用及地上部干物質(zhì)的積累與轉(zhuǎn)運(yùn)[2]，但郭麗等[3]研究得出，施氮量在120～360 kg/hm2內(nèi)，氮素利用效率則隨著施氮量的增加而顯著降低，而且過量氮肥的施入增加了土壤氮素通過氨揮發(fā)、淋溶、徑流和硝化與反硝化等途徑的流失，由此帶來的土壤酸化、水體富營(yíng)養(yǎng)化、大氣污染等生態(tài)環(huán)境問題已引起廣泛關(guān)注[4-6]。因此，減量施氮、創(chuàng)新高效施氮模式成為應(yīng)對(duì)以上問題的有效途徑。

種植豆科植物，利用其與根瘤菌共生固氮，不僅可提供豆科植物本身所需的氮素，還可增強(qiáng)土壤肥力、維持土壤養(yǎng)分平衡、改善土壤生態(tài)環(huán)境，是一種利于可持續(xù)生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[7]。前人研究表明，豆科植物所固定的氮還可對(duì)下茬植物產(chǎn)生有益影響，下茬禾谷類作物積累的氮中，每千克就有280 g是直接從上茬豆科植物所固定的氮中得到的[8]。劉永秀等[9]研究亦表明，豆科作物收獲后，土壤有效態(tài)氮NO3-的含量一般都能提高30 kg/hm2左右，進(jìn)而促進(jìn)下茬作物的生長(zhǎng)發(fā)育。

玉米花生間作是一種典型禾本科作物與豆科作物的間作模式，前人通過玉米花生混作研究發(fā)現(xiàn)，玉米對(duì)土壤硝態(tài)氮競(jìng)爭(zhēng)力顯著高于花生，從而使花生根際土壤硝態(tài)氮含量降低[10]，低氮環(huán)境可刺激豆科作物異黃酮基因的生物合成，誘導(dǎo)其根瘤菌結(jié)瘤基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，從而間接提高花生根瘤固氮能力，增加其生物固氮量，顯著改善禾本科和豆科間混作系統(tǒng)的氮素營(yíng)養(yǎng)[11]。前人對(duì)間作作物地下部根系間的氮、鐵等養(yǎng)分交流過程及玉米花生的間作優(yōu)勢(shì)有了明確認(rèn)識(shí)[12-13]，但關(guān)于間作下茬作物的氮營(yíng)養(yǎng)及其產(chǎn)量形成方面的研究較少。

本試驗(yàn)在前茬為玉米花生間作的條件下，以傳統(tǒng)施氮量為對(duì)照，設(shè)計(jì)不同增氮、減氮處理，研究間作下茬小麥干物質(zhì)積累及產(chǎn)量形成對(duì)不同氮肥用量的響應(yīng)，旨在探明不同氮肥用量對(duì)玉米花生間作下茬小麥的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響，從而為明確玉米花生間作茬口小麥高效安全生產(chǎn)提供最適宜的氮肥用量依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)于2014-2015年在山東省德州市臨邑縣德平鎮(zhèn)試驗(yàn)基地進(jìn)行(37°48′N，116°96′E)。試驗(yàn)前茬為玉米花生間作種植模式，玉米品種為鄭單958，花生品種為花育22。小麥播前耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量平均為12.75 g/kg，全氮0.568 g/kg，堿解氮 63.6 mg/kg，速效磷 17.0 mg/kg，速效鉀 159.2 mg/kg。本試驗(yàn)供試小麥品種為濟(jì)麥22。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在磷鉀肥等量同施條件下，試驗(yàn)共設(shè)傳統(tǒng)施氮(對(duì)照，CK)、增氮10%(N+10)、增氮20%(N+20)、減氮10%(N-10)、減氮20%(N-20)和減氮30%(N-30)共6個(gè)處理(表1)，隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，18個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積216 m2(14.4 m×15.0 m)，南北種植。田間管理同其他高產(chǎn)田。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 干物質(zhì)積累量測(cè)定 于小麥越冬前、返青期、拔節(jié)期、開花期及成熟期，在每處理每重復(fù)小區(qū)選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的植株 5～6株(開花期、成熟期各取20單莖)小麥，剪去根，拔節(jié)期為全株烘干，開花和成熟期地上部分為葉片、莖+鞘、穎殼+穗軸、籽粒四部分，分別于烘箱中 105 ℃殺青 30 min，然后70 ℃烘干至恒重后稱重，分別計(jì)算各部分的干物質(zhì)重。

kg/hm2

注：每公頃施磷酸二銨261.0 kg，其中含純N 47.0 kg；尿素用量計(jì)算已除去二銨中氮素含量。
Note：261.0 kg/ha diammonium phosphate including nitrogen 47.0 kg；Nitrogen content in diammonium phosphate has been removed by the carbamide.

1.3.2 干物質(zhì)積累量及其轉(zhuǎn)運(yùn)量的計(jì)算[14]花后干物質(zhì)積累量=成熟期植株干質(zhì)量-開花期植株干質(zhì)量；花后干物質(zhì)積累對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率=花后干物質(zhì)積累量/籽粒干質(zhì)量×100%；花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量=籽粒干質(zhì)量-花后干物質(zhì)積累量；花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率=花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期籽粒干質(zhì)量×100%。

1.3.3 植株氮素含量測(cè)定 按照國(guó)標(biāo)GB 2905-82，用濃H2SO4-H2O2消煮，全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定含氮量。

1.3.4 產(chǎn)量及構(gòu)成因素測(cè)定 在小麥成熟期，各處理分別取3個(gè)具有代表性的樣點(diǎn) 7.2 m2(3.6 m×2.0 m)，采用小型脫粒機(jī)脫粒，晾干后測(cè)產(chǎn)并測(cè)千粒質(zhì)量(按照籽粒含水量13%折算)。同時(shí)連續(xù)調(diào)查20～30株穗粒數(shù)。

1.3.5 氮肥偏生產(chǎn)力的計(jì)算[15]氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP，kg/kg)=施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量/施氮量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2007 和SAS 9.0(SAS Institute，USA)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對(duì)玉米花生間作下茬小麥總干物質(zhì)積累量的影響

從圖1可以看出，小麥地上部總干物質(zhì)積累量隨生育時(shí)期的推移呈先緩慢增加，后快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在成熟期達(dá)到最高。圖1還顯示，拔節(jié)前各處理總干物質(zhì)積累量無顯著差異；開花-成熟期各處理干物質(zhì)積累總量表現(xiàn)為增氮10%、增氮20%及減氮10%處理與對(duì)照無顯著差異，但減氮20%和減氮30%處理干物質(zhì)積累總量顯著低于傳統(tǒng)施氮對(duì)照處理。

不同字母表示不同處理間差異達(dá)5%顯著水平。圖2同。Different letters mean significant difference among the nitrogen treatments at 5% levels. The same as Fig.2.

2.2 不同施氮量對(duì)玉米花生間作下茬小麥花前干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和花后干物質(zhì)積累的影響

從表2可以看出，與對(duì)照處理相比，增氮10%、20%處理提高了小麥籽粒干質(zhì)量和開花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量；減氮10%處理對(duì)小麥籽粒干質(zhì)量和開花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量無顯著影響，減氮20%、30%處理小麥籽粒干質(zhì)量和開花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量略有降低。增氮20%處理和減氮30%處理花后干物質(zhì)積累量均較對(duì)照有所降低，而增氮10%、減氮10%、減氮20%處理花后干物質(zhì)積累量與對(duì)照差異不顯著。本試驗(yàn)條件下，減氮10%、減氮20%處理花后干物質(zhì)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率與對(duì)照處理無顯著差異，均達(dá)到60%以上，減氮30%與增氮20%處理花后干物質(zhì)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率均低于對(duì)照，其中增氮20%處理達(dá)顯著水平，其花前干物質(zhì)積累量對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率則顯著高于對(duì)照。表明適當(dāng)增減氮對(duì)小麥干物質(zhì)的積累與轉(zhuǎn)運(yùn)影響較小，過量增氮或減氮均不利于小麥花后干物質(zhì)積累及向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)。

表2 不同施氮量對(duì)玉米花生間作下茬小麥干物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運(yùn)及其對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率的影響Tab.2 Effects of different nitrogen fertilizer operations on dry matter accumulation, translocation and its contribution rate to grain of following wheat after maize peanut intercropping

注：同列中不同小寫字母表示不同處理間差異達(dá)5%顯著水平。表3-4同。
Note：Different lowercase letters in the same column show a significant difference among the treatments at 5% levels. The same as Tab.3-4.

2.3 不同施氮量對(duì)玉米花生間作下茬小麥氮素積累總量的影響

從圖2可以看出，小麥氮素積累總量隨生育時(shí)期的推移呈先緩慢增加，后快速增長(zhǎng)，開花后緩慢增長(zhǎng)的S型增長(zhǎng)曲線，在成熟期達(dá)到最高。圖2還顯示，冬前與返青期各處理氮素積累總量無顯著差異；拔節(jié)-成熟期各處理氮素積累總量表現(xiàn)為減氮20%和減氮30%處理均低于傳統(tǒng)施氮對(duì)照，其中減氮30%處理與對(duì)照比較差異達(dá)顯著水平，而增氮10%、增氮20%及減氮10%處理與對(duì)照無顯著差異。

圖2 不同氮肥處理的小麥氮素積累總量Fig.2 Total nitrogen accumulation amount of wheatin different nitrogen fertilizer treatment

2.4 不同施氮量對(duì)玉米花生間作下茬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

從表 3可以看出，穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量隨施氮量增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，但各處理之間差異未達(dá)顯著水平。表明在傳統(tǒng)施氮的水平上減氮30%至增氮20%范圍內(nèi)，氮肥用量的變化對(duì)其穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量的影響較小。各處理公頃穗數(shù)隨著施氮量的增加呈逐漸增加趨勢(shì)，減氮10%與對(duì)照處理差異不顯著，但減氮20%、30%處理公頃穗數(shù)顯著低于對(duì)照處理和減氮10%處理，這可能是過量減氮造成小麥籽粒產(chǎn)量大幅降低的主要原因。適量減氮處理降低了公頃穗數(shù)，但穗粒數(shù)與千粒質(zhì)量略有增加，優(yōu)化了冬小麥籽粒產(chǎn)量因素的構(gòu)成，有利于小麥的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

表3 不同施氮量對(duì)玉米花生間作下茬小麥籽粒產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Tab.3 Effects of nitrogen fertilization on yield components of following wheat after maize peanut intercropping

2.5 不同氮肥用量對(duì)玉米花生間作茬口小麥產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力的影響

從表4可以看出，增氮處理及減氮10%處理籽粒產(chǎn)量與對(duì)照處理無顯著差異，但減氮20%、30%處理籽粒產(chǎn)量顯著低于對(duì)照處理。前人研究認(rèn)為，隨施氮量增加，小麥氮肥利用率遞減[16]，減量施氮可顯著提高作物氮肥利用效率。從表4可以看出，不同處理間的氮肥偏生產(chǎn)力隨施氮量的減少而呈逐漸增加趨勢(shì)，差異達(dá)顯著水平。以上結(jié)果表明，玉米花生間作茬條件下，適量減氮(減氮10%)小麥產(chǎn)量無顯著降低，并能顯著提高氮肥利用效率。

表4 不同施氮量對(duì)玉米花生間作下茬小麥產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力的影響 Tab.4 Effects of nitrogen fertilization on yield and PFPN of following >wheat after maize peanu intercropping

3 結(jié)論與討論

小麥花后光合同化物的積累及花前營(yíng)養(yǎng)器官貯存的同化產(chǎn)物向籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量的提高起著關(guān)鍵作用[17]。關(guān)于氮肥對(duì)小麥干物質(zhì)積累運(yùn)轉(zhuǎn)和產(chǎn)量的影響有不同的觀點(diǎn)和結(jié)論。Zhang等[18]研究認(rèn)為，氮肥虧缺可能會(huì)增加營(yíng)養(yǎng)器官中的光合產(chǎn)物向籽粒中的轉(zhuǎn)移。錢宏兵等[19]研究表明，在一定范圍內(nèi)，適量增施氮肥提高了花后干物質(zhì)積累量及其向籽粒中的運(yùn)轉(zhuǎn)率。馬冬云等[20]研究則認(rèn)為，在適量施氮條件下，增加追肥比例促進(jìn)了花前光合同化物的積累及其向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，但超過一定量后再增施氮肥則顯著降低了貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)效率和對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率。本研究表明，在對(duì)照施氮量225.0 kg/hm2基礎(chǔ)上減少10%的氮肥用量，對(duì)開花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量和花后干物質(zhì)積累量及其對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率均無顯著影響；施氮量減少30%則顯著降低了花后干物質(zhì)積累量。在對(duì)照基礎(chǔ)上增加20%的氮肥增加了花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量和對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率，卻降低了其花后干物質(zhì)積累量和對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率，表明過量增氮或減氮均不利于小麥花后干物質(zhì)積累及其向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)。

前人研究表明，適量增施氮肥可促進(jìn)各產(chǎn)量構(gòu)成要素水平的提高，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的提高。過量施氮雖可顯著提高穗數(shù)和穗粒數(shù)，但同時(shí)也導(dǎo)致千粒質(zhì)量的顯著下降，造成產(chǎn)量構(gòu)成因素不協(xié)調(diào)，進(jìn)而影響籽粒產(chǎn)量進(jìn)一步的提高[19]。施用氮肥條件下，如果穗數(shù)和粒數(shù)的增加幅度大于粒重的降低幅度，籽粒產(chǎn)量則表現(xiàn)為增加；減氮有利于提高粒重，可在一定程度上調(diào)控產(chǎn)量的提升[21]。劉歡等[22]在華北地區(qū)小麥/玉米輪作體系秸稈還田條件下進(jìn)行研究，結(jié)果表明，小麥季在農(nóng)戶習(xí)慣施肥基礎(chǔ)上減氮19%，不會(huì)對(duì)小麥產(chǎn)量產(chǎn)生明顯影響。本試驗(yàn)條件下，在對(duì)照施氮量225.0 kg/hm2基礎(chǔ)上減少10%的氮肥用量對(duì)公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量及籽粒產(chǎn)量無顯著影響；而減少20%、30%的氮肥用量顯著降低了間作茬口冬小麥的公頃穗數(shù)和籽粒產(chǎn)量。在對(duì)照基礎(chǔ)上增加10%、20%的氮肥有利于公頃穗數(shù)的增加，但穗粒數(shù)和粒重略有降低，公頃穗數(shù)的提高幅度與穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量的降低幅度持平或略低，從而導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量增加未達(dá)顯著水平。

易媛等[21]研究認(rèn)為，將氮肥用量從270 kg/hm2減至225 kg/hm2雖影響了植株對(duì)氮素的吸收，降低了氮肥表觀利用率，但卻增強(qiáng)了氮肥偏生產(chǎn)力和氮素生理效率，有利于小麥對(duì)植株所吸收氮素的高效利用。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在對(duì)照施氮量225.0 kg/hm2基礎(chǔ)上減少氮肥用量顯著提高了氮肥偏生產(chǎn)力，增加施氮量則顯著降低其氮肥偏生產(chǎn)力。

本試驗(yàn)在前茬為玉米花生間作的條件下，小麥季施氮量較當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)施氮量減少10%處理(從225.0 kg/hm2減至202.5 kg/hm2)對(duì)小麥干物質(zhì)積累、氮素積累總量及籽粒產(chǎn)量無顯著影響，且顯著提高其氮肥偏生產(chǎn)力，是玉米花生間作茬小麥兼顧高產(chǎn)高效生態(tài)的適宜施氮處理。