氮肥對(duì)麥-玉輪作體系產(chǎn)量和氮肥效率的影響

席吉龍，李永山，王 珂，楊 娜，郝佳麗，張建誠(chéng)*，武雪萍

（1．山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，山西 運(yùn)城 044000；2．中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

氮素在作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成中起著關(guān)鍵作用［1］。氮肥是糧食增產(chǎn)的主要肥力因素，對(duì)糧食產(chǎn)量增加的貢獻(xiàn)率達(dá)40%左右，糧食產(chǎn)量的提高往往依靠氮肥大量投入［2］。目前，我國(guó)氮肥施用量過(guò)大，導(dǎo)致資源浪費(fèi)、環(huán)境惡化及肥料利用率明顯下降，氮肥利用率已由20世紀(jì)末的35%，下降到目前的27%［3-5］。因此，氮肥的合理施用成為農(nóng)業(yè)高產(chǎn)高效和可持續(xù)發(fā)展的必然要求［6］。前人研究多集中于施肥量、施肥時(shí)期以及施肥方式對(duì)單季作物的影響［7-12］，兩季作物間氮肥分配比例對(duì)輪作體系中作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量品質(zhì)形成及養(yǎng)分利用效率的影響也有報(bào)道［6，13-14］。但把冬小麥、夏玉米輪作種植體系作為整體，來(lái)統(tǒng)籌考慮周年適宜施氮量與配比模式的研究較少，為此，本文以山西省運(yùn)城市冬小麥-夏玉米輪作體系為對(duì)象，研究在不同施氮肥水平下兩季作物氮肥配比對(duì)輪作體系中干物質(zhì)積累、產(chǎn)量及養(yǎng)分利用效率的影響，以期為該體系的氮肥合理施用與高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)位于山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所牛家凹農(nóng)場(chǎng)，試驗(yàn)地屬半干旱溫帶大陸性氣候。年均氣溫在12.6℃左右，年均降水量498 mm，全年降雨集中在夏秋季（6～9月），無(wú)霜期212 d。土壤類型為壤質(zhì)褐土，播前土壤有機(jī)質(zhì)含量為12.14 g/kg，全氮為 0.95 g/kg，有效磷為 15.4 mg/kg，速效鉀為181 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)時(shí)間為2015年10月至2017年6月，種植體系為冬小麥和夏玉米一年兩熟輪作，供試冬小麥品種為晉麥84，夏玉米品種為鄭單958。冬小麥于每年10月播種，次年6月收獲，夏玉米于6月播種，當(dāng)年10月收獲。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)氮肥投入水平（每年300、450、600 kg/hm2）和3種冬小麥夏玉米兩季間的氮肥分配比例（4∶6、5∶5、6∶4），共9個(gè)處理（表1）。田間隨機(jī)排列，重復(fù)3次。小區(qū)面積為 20 m2（長(zhǎng) 5 m× 寬 4 m）。試驗(yàn)中氮肥為尿素（N 46%），冬小麥季氮肥的70%于播種前底施，剩余30%于拔節(jié)期追施；夏玉米季60%的氮肥做底肥施入，剩余40%的氮肥于大喇叭口期追施。各處理施用的磷肥均為重過(guò)磷酸鈣（P2O546%），冬小麥?zhǔn)┝追剩≒2O5）180 kg/hm2，夏玉米施磷肥（P2O5）90 kg/hm2，全部底施。

表1 不同處理氮肥用量 （kg/hm2）

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 樣品獲取干物質(zhì)積累量

小麥成熟期隨機(jī)取10株植株，玉米成熟期隨機(jī)取5株，測(cè)量干物質(zhì)量。將成熟期小麥和玉米按籽粒和莖葉兩部分器官分樣稱量并粉碎，用于植株氮素含量的測(cè)定。

1.3.2 氮素養(yǎng)分含量測(cè)定

將植株樣品用H2SO4-H2O2消煮法制備待測(cè)液，采用凱氏定氮法測(cè)定全氮含量［15］。

1.3.3 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算方法［14］

植株氮素總積累量（kg/hm2）=Σ植株各器官干重×氮含量

氮素利用效率（kg/kg）=籽粒重／植株氮素總積累量

氮素吸收效率（kg/kg）=植株氮素總積累量／施氮量

氮素收獲指數(shù)=籽粒氮素積累量／成熟期植株氮素總積累量

氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）=施氮作物產(chǎn)量／施氮量

氮肥利用率（%）=（施氮區(qū)吸氮量-不施氮區(qū)吸氮量）／施氮量×100

1.3.4 計(jì)產(chǎn)與考種

冬小麥成熟期調(diào)查各處理穗數(shù)，成熟時(shí)各小區(qū)收割 2 m2（1 m×2 m），脫粒曬干，折算成實(shí)際產(chǎn)量（kg/hm2），同時(shí)每小區(qū)取10株代表性植株進(jìn)行室內(nèi)考種，調(diào)查穗部性狀，并測(cè)定其每穗粒數(shù)和粒重。夏玉米每小區(qū)收30株折算實(shí)際產(chǎn)量。同時(shí)每小區(qū)取5株，用以考察產(chǎn)量構(gòu)成。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行計(jì)算處理，采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較，顯著性檢驗(yàn)水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 周年氮肥統(tǒng)籌對(duì)作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

2.1.1 周年氮肥統(tǒng)籌對(duì)產(chǎn)量的影響

由表2可知，中量施氮各處理（N4、N5、N6）下冬小麥的產(chǎn)量最高，兩年平均來(lái)看，比低量施氮處理（N1、N2、N3）提高了3.75%，比高量施氮處理（N7、N8、N9）提高了3.28%。在中氮水平下，以N5處理，即麥、玉兩季氮肥分配比例為5∶5時(shí)冬小麥的產(chǎn)量最高，且在2016～2017年度，產(chǎn)量達(dá)7 892 kg/hm2，顯著高于 N4和 N6。在低氮水平下，冬小麥產(chǎn)量隨著小麥季氮肥分配比例的增加而增加，以麥、玉兩季分配比例為6∶4時(shí)最高。在高氮水平下，產(chǎn)量隨著小麥季氮肥分配比例的增加而降低，以麥、玉兩季分配比例為4∶6時(shí)最高。

表2 不同氮肥處理的作物產(chǎn)量 （kg/hm2）

同樣，夏玉米的產(chǎn)量也以中量施氮水平下最高，較高肥處理平均增加4.69%，較低肥處理平均增加6.73%。周年中氮水平下，兩年度有所不同，2015～ 2016年 度N5產(chǎn) 量 最 高， 達(dá)10 337 kg/hm2，2016～ 2017年度N6產(chǎn)量最高，達(dá)9 798 kg/hm2。在低氮水平下，麥、玉兩季氮肥分配比例為4∶6時(shí)，夏玉米產(chǎn)量最高，在高氮水平下，麥、玉兩季氮肥分配比例為6∶4夏玉米產(chǎn)量最高。

總體來(lái)看，中量施氮處理可明顯提高冬小麥和夏玉米的周年總產(chǎn)量，且當(dāng)麥、玉兩季分配比例為5∶5時(shí)周年總產(chǎn)量最高，即冬小麥和夏玉米的年均施氮量均為225 kg/hm2，是冬小麥-夏玉米一年兩熟輪作體系增產(chǎn)效果最好的周年氮肥管理方式。

2.1.2 周年氮肥統(tǒng)籌對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

從表3可以看出，冬小麥成穗數(shù)隨著小麥季施氮肥量的增加而增加，兩年均以N9處理最多，N1最少；小麥穗粒數(shù)在低氮和中氮水平，隨著小麥季施肥量的增加而增加，高氮水平下反之，穗粒數(shù)隨著小麥季施肥量的增加而減少，綜合兩年的結(jié)果，小麥季施肥量在225～270 kg/hm2時(shí)最有利于冬小麥穗粒數(shù)的增加。小麥千粒重在年度和處理間的變化不盡一致，2015～2016年度，中氮>低氮>高氮，中氮比低氮平均高0.18 g，比高氮平均高0.45 g；2016～2017年度，低氮>中氮>高氮，低氮比中氮平均高1.36 g，比高氮平均高2.52 g，在低氮和中氮水平下，均是麥、玉兩季氮肥分配比例為5∶5時(shí)千粒重最高。

表3 不同氮肥處理的產(chǎn)量構(gòu)成因素

玉米穗數(shù)中氮水平高于低氮和高氮，在同一周年氮肥水平下，麥、玉兩季氮肥分配比例為5∶5時(shí)玉米穗數(shù)最高；玉米穗粒數(shù)的大小為高氮>中氮>低氮，在同一周年氮肥水平下，玉米穗粒數(shù)隨著玉米季施氮肥量的減少而減少。玉米百粒重平均值中氮>高氮>低氮，低氮水平下，N1處理最高；高氮水平下，N9處理最高；中氮水平下，兩年規(guī)律不同。可見(jiàn)，施氮量過(guò)多不利于玉米百粒重的提高。

2.2 周年氮肥統(tǒng)籌對(duì)作物生物量的影響

表4可以看出，冬小麥和夏玉米生物量基本隨著各自單季施氮肥量的增加而增加，平均值呈現(xiàn)高肥>中肥>低肥的規(guī)律。在周年低氮水平下，周年生物量N1>N2>N3；中氮水平下，周年生物量N6處理最大；高氮水平下，周年生物量在年度和處理間的差異不盡一致，2015～2016年度N8最大，2016～2017年度N9最大?？梢?jiàn)，在中、高氮水平下，氮肥一半或重施在小麥上，有利于作物周年生物量的增加。

表4 不同氮肥處理的干物質(zhì)量 （kg/hm2）

2.3 周年氮肥統(tǒng)籌對(duì)作物氮素吸收與利用的影響

表5可以看出，兩年度高氮水平下各處理的作物地上部全年總吸氮量較中氮水平下的相應(yīng)處理提高，平均增幅為4.8%，中氮較低氮平均增幅為15%。而氮素利用效率、氮素吸收效率、氮素收獲指數(shù)、氮肥偏生產(chǎn)力為高氮＜中氮＜低氮，這4個(gè)指標(biāo)高氮較中氮減幅分別為8.7%、21.4%、9.6%和28.1%，中氮較低氮減幅分別為8.5%、23.3%、4.1%和29.8%。兩年度氮肥利用率中氮水平下的相應(yīng)處理最高，分別較高氮和低氮提高14.5%和15.4%。低氮水平下，植株總吸氮量、氮素吸收效率和氮肥利用率，這3個(gè)指標(biāo)，2015～2016年度以N1處理最大，2016～2017年度以N2最大，氮素利用效率和氮素收獲指數(shù)這兩個(gè)指標(biāo)2015～2016年度以N2處理最大，2016～2017年度以N1最大，氮肥偏生產(chǎn)力兩年度均以N1處理最大；中氮水平下，2015～2016年度，植株總吸氮量、氮肥吸收效率和氮肥利用率以N4處理最高，氮素利用效率、氮素收獲指數(shù)和氮肥偏生產(chǎn)力這3個(gè)指標(biāo)以N5最高，2016～2017年度，氮素收獲指數(shù)以N4處理最高，植株總吸氮量、氮肥利用率、氮素利用效率、氮素吸收效率和氮肥偏生產(chǎn)力均以N5最高；高氮水平下，兩年度規(guī)律相同，植株總吸氮量、氮素吸收效率、氮肥利用率以N8處理最高，氮素利用效率、氮素收獲指數(shù)和氮肥偏生產(chǎn)力均以N9最高。可見(jiàn)，隨著周年施肥量的增加，氮肥一半或重施在小麥上，有利于周年作物氮素吸收與利用。

表5 不同氮肥處理的氮素吸收與利用

3 討論

作物生長(zhǎng)發(fā)育往往受水、肥、氣、熱及栽培管理措施等因素的影響，在氣候條件和栽培管理措施相對(duì)一致的情況下，肥料投入的多少是影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素［16］，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高投入高產(chǎn)出的管理模式，雖然獲得了較高的作物產(chǎn)量，但其造成的浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的破壞，使得人們不得不從生態(tài)的角度重新審視農(nóng)田氮素的合理作用［15］。在肥料投入量一定的條件下，如何分配麥、玉兩季施氮比例同樣會(huì)影響氮肥效益的發(fā)揮。

本研究結(jié)果表明在不同氮肥總量下，不同氮肥分配影響冬小麥-夏玉米輪作產(chǎn)量、生物量、作物氮素吸收與利用效率。單季作物和周年作物產(chǎn)量均以中氮（施肥量為450 kg/hm2）水平最高，冬小麥產(chǎn)量?jī)赡甓确謩e在N7和N5即小麥季施肥量為240和225 kg/hm2時(shí)達(dá)到最高；小麥季施肥量在225～270 kg/hm2時(shí)最有利于冬小麥穗粒數(shù)的增加，夏玉米產(chǎn)量?jī)赡甓确謩e在N5和N6處理即玉米季施肥量為225和180 kg/hm2時(shí)達(dá)到最高，且施肥量過(guò)多均不利于單季作物粒重的增加。施氮肥對(duì)單季作物產(chǎn)量影響與前人的研究結(jié)果基本一致［17-21］，單季作物年度間差異由年度間氣候和前茬作物肥料投入的后效差異引起，有研究表明［22-23］，同等施氮水平下小麥季殘留在土壤中的氮肥總量明顯高于玉米季，夏玉米季施入的氮肥損失較冬小麥季嚴(yán)重，在不同施氮水平下小麥季氮肥殘留對(duì)玉米季是否有促進(jìn)作用，這還需要進(jìn)一步的研究。周年作物產(chǎn)量以中氮水平下N5處理（即氮肥平均分配在麥、玉兩季時(shí)）產(chǎn)量最高，周年總施氮量與劉海忠等［24］研究結(jié)果一致，在低氮水平下（施肥量為300 kg/hm2）氮肥重施在玉米上（玉米60%），在高氮水平下（施肥量為600 kg/hm2）氮肥重施在小麥上（小麥60%），有利于周年作物產(chǎn)量的提高，薛澤民等［13］在山西臨汾研究結(jié)果表明，在總氮量控制的條件下，冬小麥季施氮231 kg/hm2（N 55%）、夏玉米季施氮 189 kg/hm2（N 45%）能獲得輪作的最大產(chǎn)量，這與本研究結(jié)果相似。在總氮控制下研究麥、玉分配比還要重視單季作物的氮肥基追比，本研究依據(jù)當(dāng)?shù)厥┓逝c灌溉條件，設(shè)計(jì)小麥季氮肥基追比為7∶3，且追施氮肥后移到拔節(jié)期，有利于玉米秸稈的腐熟，使小麥苗期生長(zhǎng)健壯，減少中期分蘗增多，調(diào)控小麥群體，形成高產(chǎn)合理的產(chǎn)量結(jié)構(gòu)，提高氮肥利用率。這與董印麗等［25］對(duì)小麥玉米輪作秸稈還田改變了土壤碳氮比，小麥季氮肥基追比由3∶7調(diào)節(jié)為6∶4，追施氮肥執(zhí)行“前氮后移”的結(jié)論一致。

本研究表明，隨著施肥量的增加作物生物量、植株總吸氮量不斷增加，而氮素利用效率、氮素收獲指數(shù)、氮肥偏生產(chǎn)力卻降低，氮肥利用率中氮最高。可見(jiàn)，過(guò)高的施用氮肥并不利于作物對(duì)氮肥的吸收利用。在中、高氮水平下，氮肥一半或重施在小麥上，有利于作物周年生物量的增加和作物氮素吸收與利用。莊振東［23］的研究表明，施氮肥對(duì)小麥的增產(chǎn)效應(yīng)優(yōu)于玉米，且小麥季和玉米季氮肥吸收利用明顯不同，玉米季吸收的氮素18.7%～25.5%來(lái)自氮肥，小麥季29.1%～46.4%來(lái)自氮肥，說(shuō)明小麥對(duì)氮肥的吸收利用效果要優(yōu)于玉米。巨曉棠等［26］的研究也表明，冬小麥比夏玉米對(duì)氮肥的反應(yīng)更敏感，氮肥的分配應(yīng)以冬小麥為主，夏玉米為輔。其原因可能是小麥、玉米植物根系、植物生理及營(yíng)養(yǎng)器官和籽粒吸收的氮素比例不同。因此在小麥-玉米輪作體系中，使用氮肥應(yīng)兩作統(tǒng)籌合理配置，即要考慮小麥玉米總產(chǎn)量、植株總吸氮量和氮素利用效率，還要兼顧土壤氮素平衡和土壤肥力的變化。

4 結(jié)論

冬小麥、夏玉米單季作物產(chǎn)量均以450 kg/hm2水平最高，且施氮量過(guò)多均不利于單季作物粒重的增加。周年作物產(chǎn)量以中氮水平450 kg/hm2下氮肥按5∶5分配在麥、玉兩季時(shí)產(chǎn)量最高；隨著施肥量的增加作物生物量、植株總吸氮量不斷增加，而氮素利用效率、氮素吸收效率、氮素收獲指數(shù)、氮肥偏生產(chǎn)力反而降低。氮肥利用率以施氮450 kg/hm2水平最高，且在中、高氮水平下，氮肥一半或重施在小麥上，更有利于作物周年生物量的增加和作物氮素吸收與利用。綜合考慮產(chǎn)量和氮肥利用效率，在本試驗(yàn)條件下，周年施氮以450 kg/hm2，而且小麥、玉米分配比例為5∶5效果最佳。