基肥減量對冬小麥生長、產量構成和氮肥利用效率的影響

徐曉峰,石兆勇,常會慶，郭大勇,呂元豐

(1.河南科技大學 農學院/牡丹學院,河南 洛陽 471023;2.洛陽市植物營養(yǎng)與環(huán)境生態(tài)重點實驗室,河南 洛陽 471023;3.河南平安種業(yè)有限公司,河南 焦作 454881)

0 引言

小麥是中國的三大主糧作物之一，施肥是提高小麥產量的基本措施[1]。但近年來，小麥生產中普遍存在施肥過量的問題，不但沒能提高產量，還浪費了化肥，導致化肥利用效率低下[2]，帶來農業(yè)生產成本增加和環(huán)境污染加劇等問題[3]。優(yōu)化養(yǎng)分管理技術，避免過量施肥，提高化肥利用效率，是當前小麥生產面臨的主要挑戰(zhàn)。為了應對種植業(yè)面臨的問題，農業(yè)部于2015年2月頒布了《到2020年化肥施用量零增長行動方案》，以實現(xiàn)農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。減量施肥正是在這一背景下發(fā)展起來的一種優(yōu)化施肥技術，目標是在維持當前產量的前提下，減少化肥施用量，提高化肥利用效率，減輕種植業(yè)的環(huán)境壓力[4]。減量施肥能顯著影響小麥的分蘗[5]，對穗粒數(shù)和千粒質量也有一定的影響，從而影響成穗率和灌漿過程，最終影響產量[6-8]。文獻[9-11]研究表明：減量施肥對冬小麥產量的影響一般不顯著或有小幅增產效應，其影響可能與小麥的品種、土壤肥力和管理技術等因素有關。減量施肥的穩(wěn)產增產機制仍不十分清楚，有待進一步的研究。豫北地區(qū)是中國的冬小麥主產區(qū)，產量高，作物養(yǎng)分需求量大，但目前針對豫北冬小麥高產區(qū)減量施肥技術的研究較少，如何實現(xiàn)本地區(qū)的減量施肥并不清楚。為此，本文通過在豫北冬小麥主產區(qū)河南省新鄉(xiāng)市新鄉(xiāng)縣和河南省焦作市溫縣設置田間試驗，探討氮肥基肥減量對冬小麥莖蘗動態(tài)、成穗規(guī)律、產量及其構成、氮肥利用效率和經濟效益的影響，分析減量施肥在豫北地區(qū)冬小麥生產上的可行性，揭示減量施肥的穩(wěn)產增產機制及途徑，為實現(xiàn)該地區(qū)冬小麥高效施肥、提高氮肥利用效率的目標提供理論和技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2017—2018年分別在河南省新鄉(xiāng)市新鄉(xiāng)縣七里營鎮(zhèn)和河南省焦作市溫縣祥云鎮(zhèn)實施。新鄉(xiāng)縣七里營鎮(zhèn)試驗地0～20 cm耕層土壤主要理化性質為：pH8.38，全氮0.86 g·kg-1，全磷0.90 g·kg-1，有效磷14.9 mg·kg-1，速效鉀199.1 mg·kg-1。溫縣祥云鎮(zhèn)試驗地0～20 cm耕層土壤主要理化性質為：pH8.22，全氮0.72 g·kg-1，全磷0.87 g·kg-1，有效磷14.3 mg·kg-1，速效鉀295.5 mg·kg-1。兩地的前茬均為玉米，采用秸稈全量返田。

1.2 試驗設計

采用隨機區(qū)組設計，分別以無氮肥和農戶習慣施肥量為雙對照區(qū)，設置兩個基肥減量水平。氮肥控制總量、基肥與追肥施用量見表1。表1中：無氮肥對照(N0)，基肥和追肥施用量均為純氮0 kg·hm-2；農戶習慣施肥量對照(N1)，基肥純氮量180 kg·hm-2，追肥純氮量120 kg·hm-2；基肥減量1(N2),基肥減量33.33%，基肥純氮量120 kg·hm-2，追肥純氮量120 kg·hm-2；基肥減量2(N3),基肥減量50.00%，基肥純氮量90 kg·hm-2，追肥純氮量120 kg·hm-2?；屎妥贩示鶠槟蛩兀渲?，基肥在深翻前撒施；追肥在拔節(jié)期撒施并灌水。所有小區(qū)磷肥和鉀肥均作為基肥施入，其中，磷肥采用過磷酸鈣，施用量為P2O590 kg·hm-2；鉀肥采用氯化鉀，施用量為K2O 75 kg·hm-2。

表1 氮肥控制總量、基肥與追肥施用量

新鄉(xiāng)縣試驗點參試品種為百農207，播種期為2017年10月16日，播種量為150 kg·hm-2，行距20 cm，基本苗2.025×106株·hm-2，小區(qū)面積100 m×5 m,采用4次重復。溫縣試驗點參試品種為平安11，播種期為2017年11月5日，播種量為150 kg·hm-2，行距20 cm，基本苗2.025×106株·hm-2，小區(qū)面積50 m×10 m,采用8次重復。兩地均在播種前深耕30 cm。2017年12月初澆封凍水，2018年3月22日施用追肥并澆水，2018年5月初灌漿初期澆灌漿水。其他管理措施按常規(guī)進行。

1.3 測定方法

莖蘗數(shù)調查方法：于三葉期在田間設置1 m雙行標記，分別于三葉期、返青期、拔節(jié)期和揚花期跟蹤調查群體莖蘗數(shù)。按平均行距換算為單位面積莖蘗數(shù)。

地上部生物量調查方法：分別于拔節(jié)期、揚花期和收獲期采集1 m單行植物樣，去除根部后，于105 ℃殺青，75 ℃烘干，測定干樣質量。按平均行距換算為單位面積地上部生物量。

產量及產量構成三要素調查方法：于灌漿后期在田間取4行，每行1 m，調查穗數(shù)，按平均行距換算為單位面積穗數(shù)。隨機取一行小麥，用剪刀剪取連續(xù)的20穗有效穗，統(tǒng)計穗粒數(shù)。于收獲期取1 m2樣方，收割后帶回實驗室，測定籽粒生物量，并統(tǒng)計千粒質量。

成穗率計算方法：成穗率(%)=(畝穗數(shù)/拔節(jié)期莖蘗數(shù))×100%。

植物樣氮含量的測定：樣品粉碎后，用元素分析儀測定全氮含量。

氮肥利用效率計算方法：

氮肥農學效率(kg·kg-1)=(施肥區(qū)籽粒產量-無肥區(qū)籽粒產量)/氮肥施用量；

氮肥利用率(%)=((施肥區(qū)地上部氮吸收量-無肥區(qū)地上部氮吸收量)/氮肥施用量)×100%；

氮肥偏生產力(kg·kg-1)=籽粒產量/氮肥施用量。

經濟效益計算方法：化肥成本按照市場價計算，其中，尿素為2.0 元·kg-1，過磷酸鈣為1.1 元·kg-1，氯化鉀為2.0 元·kg-1。小麥按市場價2.2 元·kg-1。

產值(元·hm-2)=小麥產量×小麥價格。

增收(元·hm-2)=(處理區(qū)產值-處理區(qū)化肥成本)-(農戶習慣施肥區(qū)產值-農戶習慣施肥區(qū)化肥成本)。

1.4 數(shù)據分析

試驗數(shù)據用R軟件進行方差分析，并采用最小顯著差異(least significant difference,LSD)法對各施肥水平下的測定指標做均值比較，以檢驗各處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 產量與產量構成三要素

冬小麥產量與產量構成三要素見表2。N2處理在溫縣和新鄉(xiāng)縣兩個試驗點都實現(xiàn)了增產。在溫縣試驗點，N2處理產量達到8.84 t·hm-2，比N1處理產量高4.49%；在新鄉(xiāng)縣試驗點，N2處理產量為6.90 t·hm-2，比N1處理高1.92%。 N3處理在溫縣試驗點產量為8.65 t·hm-2，比N1處理產量高2.25%；在新鄉(xiāng)縣試驗點，N3處理產量低于N1處理產量。在溫縣和新鄉(xiāng)縣兩個試驗點，基肥減量處理與農民習慣施肥量處理間產量差異均未達到顯著水平。

在溫縣試驗點，N2處理每公頃穗數(shù)比N1處理高8.02%，穗粒數(shù)高4.21%，千粒質量低3.66%，差異均不顯著；在新鄉(xiāng)縣試驗點，N2處理每公頃穗數(shù)比N1處理高11.61%，穗粒數(shù)低8.56%，千粒質量高1.45%，差異均不顯著。與N1處理相比，N3處理在兩個試驗點的每公頃穗數(shù)均下降。綜上，氮肥適度減量能小幅提高每公頃穗數(shù)，但對穗粒數(shù)和千粒質量的影響因品種和試驗點的不同而有差異。加大基肥減量幅度，將顯著減少每公頃穗數(shù)。

表2 冬小麥產量與產量構成三要素

注：同一試驗點同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 莖蘗動態(tài)與成穗特征

冬小麥莖蘗動態(tài)及成穗規(guī)律見表3。由表3可知：在溫縣試驗點，N2處理返青期每公頃莖蘗數(shù)與N1處理無差異；N2處理拔節(jié)期每公頃莖蘗數(shù)比N1處理低8.28%，但差異不顯著。在新鄉(xiāng)縣試驗點，N2處理返青期每公頃莖蘗數(shù)與N1處理無差異，N2處理拔節(jié)期每公頃莖蘗數(shù)比N1處理低7.25%。N3處理的拔節(jié)期每公頃莖蘗數(shù)在溫縣試驗點比N1處理低15.92%，在新鄉(xiāng)縣試驗點比N1處理低9.42%。氮肥減量主要減少了返青后莖蘗數(shù)。

兩個試驗點在N2處理下，除溫縣拔節(jié)期地上部生物量高于N1處理外，其他N2處理的拔節(jié)期和揚花期的地上部生物量均低于N1處理，但未達到顯著水平；收獲期的地上部生物量N2處理均高于N1處理，兩者差異也不顯著。兩個試驗點在N3處理下，拔節(jié)期和揚花期的地上部生物量比N1處理低；在收獲期，溫縣試驗點的地上部生物量高于N1處理，新鄉(xiāng)試驗點的地上部生物量低于N1處理。

在溫縣試驗點，N2處理的成穗率達到48.95%，比N1處理提高了15.80%，但差異未達到顯著水平；N3處理的成穗率為45.16%，比N1處理提高了6.84%。在新鄉(xiāng)縣試驗點，N2處理的成穗率為37.38%，比N1處理提高了20.97%，差異顯著；N3處理成穗率為33.25%，比N1處理提高了7.61%。

表3 冬小麥莖蘗動態(tài)及成穗規(guī)律

2.3 氮肥利用效率

氮肥利用效率見表4。施肥顯著提高了冬小麥地上部的氮總累積量，但N2處理、N3處理與N1處理間差異不顯著。在溫縣試驗點，N2處理地上部氮總累積量為206.95 kg·hm-2，比N1處理高9.95 kg·hm-2；N3處理地上部氮總累積量為198.42 kg·hm-2，比N1處理高1.42 kg·hm-2。在新鄉(xiāng)縣試驗點，N2處理地上部氮總累積量為175.66 kg·hm-2，比N1處理高3.60 kg·hm-2；N3處理地上部氮總累積量為171.78 kg·hm-2，比N1處理低0.28 kg·hm-2。兩個試驗點秸稈中氮向籽粒的轉移效率均較高，各處理間的趨勢一致。兩個試驗點各處理氮收獲指數(shù)由高到低依次為：N0>N1>N3>N2。溫縣試驗點的氮收獲指數(shù)略低于新鄉(xiāng)試驗點。

減肥處理有效提高了氮肥的利用效率。在溫縣試驗點，N2處理的氮肥農學效率為5.77 kg·kg-1，比N1處理高2.25 kg·kg-1，N3處理也比N1處理高2.33 kg·kg-1。在新鄉(xiāng)試驗點，N2處理的氮肥農學效率為3.44 kg·kg-1，比N1處理高1.05 kg·kg-1，N3處理比N1處理高0.61 kg·kg-1。各處理間差異不顯著。

在溫縣試驗點，N2處理的氮肥利用率為24.84%，較N1處理的氮肥利用率高8.29個百分點，N3處理的氮肥利用率較N1處理的氮肥利用率高7.77個百分點。在新鄉(xiāng)縣試驗點，N2處理的氮肥利用率為25.68%，較N1處理的氮肥利用率高6.34個百分點，N3處理的氮肥利用率較N1處理的氮肥利用率高8.16個百分點。各處理間氮肥利用率差異不顯著。

表4 氮肥利用效率

在溫縣試驗點，N2處理的氮肥偏生產力為32.27 kg·kg-1，比N1處理提高了7.55 kg·kg-1,N3處理的氮肥偏生產力較N1處理提高了11.42 kg·kg-1。在新鄉(xiāng)縣試驗點，N2處理的氮肥偏生產力為25.19 kg·kg-1，較N1處理提高了5.40 kg·kg-1,N3處理的氮肥偏生產力較N1處理提高了8.07 kg·kg-1。各處理間氮肥偏生產力差異顯著。

2.4 冬小麥撥節(jié)期每公頃莖蘗數(shù)與氮肥偏生產力的關系

冬小麥拔節(jié)期每公頃莖蘗數(shù)與氮肥偏生產力的關系見圖1。在溫縣(見圖1a)和新鄉(xiāng)縣(見圖1b)兩個試驗點，氮肥偏生產力均與拔節(jié)期每公頃莖蘗數(shù)呈負相關。說明氮肥減量對氮肥偏生產力的影響可能與避免返青后無效分蘗的大量發(fā)生有關。

(a) 溫縣 (b) 新鄉(xiāng)縣

圖1 冬小麥拔節(jié)期每公頃莖蘗數(shù)與氮肥偏生產力的關系

2.5 經濟效益分析

不同減量施肥模式對冬小麥生產經濟效益的影響見表5。在溫縣試驗點，N2處理比N1處理增收614.70 元·hm-2；N3處理比N1處理增收847.48 元·hm-2。在新鄉(xiāng)縣試驗點，N2處理比N1處理增收540.12 元·hm-2,N3處理比N1處理增收176.26 元·hm-2。相對不施肥處理和農戶習慣施肥量處理，減量施肥處理在兩地均能使經濟效益增加。

表5 不同減量施肥模式對冬小麥生產經濟效益的影響

3 討論

3.1 氮肥基肥減量對冬小麥產量的影響及減肥潛力

本文在冬小麥主產區(qū)的試驗結果表明：高產地塊進行減量施肥是可行的，基肥減量是實現(xiàn)減量施肥的有效途徑?；蕼p量到120 kg·hm-2并不影響冬小麥的產量；基肥減量到90 kg·hm-2，兩個試驗點中的一個出現(xiàn)減產。因此，豫北地區(qū)通過基肥減量的模式實現(xiàn)氮肥減量的適宜幅度可能在20%(質量分數(shù))左右。這一結果與文獻[12-13]的報道一致，比文獻[5，14]報道的適宜量范圍要小，且遠小于文獻[1,15-16]的減量幅度。出現(xiàn)這種情況可能與試驗地采用秸稈還田這一措施有關。豫北地區(qū)秸稈禁止焚燒，作物秸稈全量還田。文獻[17-18]對水稻等作物的研究也發(fā)現(xiàn)，當秸稈全量還田，氮肥減量幅度較大時，會引起減產現(xiàn)象?；实氖┯昧啃枰骖櫠←溍缙诘酿B(yǎng)分需求和秸稈腐解對氮的需求。

基肥施用量的選擇是小麥季氮肥管理的關鍵環(huán)節(jié)?；士梢杂行Т龠M分蘗，形成冬前壯蘗[1,19]。適當減少基肥量，是避免返青后無效分蘗發(fā)生的重要手段[5,20-21]。協(xié)調冬前分蘗數(shù)和返青后無效分蘗間的關系，是黃淮海地區(qū)小麥高產、超高產的關鍵[22-23]。在前茬為玉米的條件下，玉米秸稈還田量很大[24]，當基肥減量幅度較大時，有可能引發(fā)秸稈降解過程需氮與小麥苗期需氮間的矛盾。本研究表明：當基肥減量到90 kg·hm-2時，在顯著抑制無效分蘗的同時，也導致成穗率下降。因此，保證足夠的基肥量可能是維持產量的基礎。

3.2 氮肥基肥減量對冬小麥氮肥利用效率的影響

冬小麥地上部氮累積量通常與施氮量密切相關[4]。施氮量越大，地上部氮累積量越高，但在過量施肥的條件下可能并非如此，過量施肥條件下返青后發(fā)生的小分蘗并不能存活到收獲期，但卻擠占有限的養(yǎng)分資源。冬小麥氮肥偏生產力與拔節(jié)期莖蘗數(shù)間的負相關關系說明了這點。通過減少無效分蘗，避免前期養(yǎng)分過分消耗，可能是減量施肥提高冬小麥氮肥利用效率的一種機制。改善后期氮素供應，能有效改善小麥花后光合效率，促進花前干物質的轉運，從而提高穗粒數(shù)和千粒質量[25-26]。本文研究發(fā)現(xiàn)：在收獲期，減量施肥處理的秸稈氮含量要高于農戶習慣施肥量處理和無氮肥對照，氮收獲指數(shù)也要低一些。這說明減量施肥通過減少拔節(jié)期莖蘗數(shù)，反而改善了冬小麥生長后期的氮營養(yǎng)供應狀況。營養(yǎng)狀況的改善，有助于產量形成，從而提高氮肥利用效率。

3.3 基肥減量對冬小麥生產經濟效益的影響

基肥減量并不會增加施肥作業(yè)的用工，對小麥生產經濟效益的影響主要體現(xiàn)在兩方面：一方面是化肥成本的節(jié)約實現(xiàn)收益的增加；另一方面是增產實現(xiàn)的收益增加。本文的試驗表明：兩種減量幅度在兩個試驗點都實現(xiàn)了效益的增收，增收幅度為176.26～847.48元·hm-2?？紤]到化肥種類繁多，價格差異也很大，這里僅以價格較低的尿素、過磷酸鈣、氯化鉀的價格為依據進行計算，如以農戶習慣使用的各種復合肥作參考，化肥成本的節(jié)約會更大。當前，土地流轉在豫北地區(qū)正在興起，出現(xiàn)了一大批承包66.67 hm2以上的種糧大戶。由于基肥減量技術有顯著的經濟效益，盡管對小農戶的種糧效益影響不大，卻會極大地影響種糧大戶的收益，這一特點為該技術的推廣創(chuàng)造了較好的條件。

4 結束語

與農戶習慣施肥量相比，氮肥基肥減量能維持和小幅提高冬小麥產量，但對產量的影響并不顯著。基肥減量主要通過提高冬小麥的畝穗數(shù)，減少拔節(jié)期莖蘗數(shù)實現(xiàn)化肥減量不減產的目標。基肥減量能顯著提高冬小麥的氮肥偏生產力，增加經濟收益。本文研究結果為在豫北冬小麥主產區(qū)推行減量施肥技術提供了理論和技術支撐。