氮素精準(zhǔn)管理對(duì)小麥產(chǎn)量和氮素利用的影響

李升東，畢香君，韓 偉，王宗帥，馮 波，王法宏，司紀(jì)升，石軍萍

(1.山東省農(nóng)科院作物研究所，山東濟(jì)南 250100； 2.山東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，山東濟(jì)南 250100)

工業(yè)氮肥投入是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中保障作物高產(chǎn)的重要手段，近年來(lái)隨著氮肥的規(guī)?；┯茫←湲a(chǎn)量水平得到顯著提高[1]，但隨著氮肥施用量的持續(xù)增加，其邊緣效應(yīng)也日益顯現(xiàn)[2-3]。研究表明，中國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)黃淮海麥區(qū)農(nóng)戶冬小麥生長(zhǎng)季的氮肥施用量普遍在300 kg·hm-2以上，而當(dāng)季氮肥利用率僅為30%～45%[4-5]，大量無(wú)效的氮素投入不僅增加了農(nóng)民的糧食生產(chǎn)成本，而且造成環(huán)境的持續(xù)承壓，形成了農(nóng)戶頻繁地大量施肥以維持產(chǎn)量但養(yǎng)分利用率卻降低的惡性循環(huán)[6]。過(guò)量施用氮素不但不利于小麥產(chǎn)量潛力的發(fā)揮，還極易造成田間小氣候的惡化，加劇植株病蟲(chóng)害的發(fā)生，同時(shí)還造成嚴(yán)重的土壤酸化以及地下水和空氣等的污染[7-8]。因此，如何打破這種惡性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)節(jié)氮增產(chǎn)已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)科研工作者的主要研究方向[9]。在保持小麥較高產(chǎn)量水平下研究如何減少氮肥的施用量，實(shí)現(xiàn)氮素化肥的精準(zhǔn)高效利用，對(duì)保障糧食可持續(xù)生產(chǎn)和環(huán)境安全具有重要意義。張福鎖等[2]研究表明，過(guò)量施用氮肥是造成小麥產(chǎn)量在低水平徘徊的主要原因，采用3R(reduce、reuse、recycle)技術(shù)能有效降低氮肥用量。趙榮芳等[10]研究表明，通過(guò)檢測(cè)土壤硝態(tài)氮含量進(jìn)行氮素優(yōu)化管理能顯著提高氮肥利用效率及小麥產(chǎn)量。巨曉棠等[6,11]研究表明，提高小麥氮肥利用效率的關(guān)鍵在于保持土壤氮和外源氮的平衡，而外源氮的投入又能起到平衡土壤氮庫(kù)的作用。另外，優(yōu)化肥料施氮量能顯著降低玉米-小麥輪作的N2O排放量，降低土壤和空氣污染[12]。因此，探索操作簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確可靠的麥田施肥方法是當(dāng)前小麥生產(chǎn)中亟需完成的工作。黃淮海麥區(qū)冬小麥一般于10月上旬播種，生長(zhǎng)期較長(zhǎng)，播種至成熟大約要經(jīng)歷230 d，冬小麥整個(gè)生育期的需肥階段可分為播種-返青、返青-抽穗、抽穗-成熟3個(gè)階段，這3個(gè)階段小麥吸收的氮素分別約占總量的12.4%～20.7%、36.1%～55.2%和26.1%～40.2%[13-14]。以此為基礎(chǔ)，本研究將冬小麥不同生育階段的氮肥需求規(guī)律作為氮肥精準(zhǔn)管理的科學(xué)依據(jù)進(jìn)而指導(dǎo)小麥的田間施氮管理?；诖?，本研究選擇山東省泰安市和德州市的2個(gè)小麥高產(chǎn)試驗(yàn)田，設(shè)置了氮肥精準(zhǔn)管理和傳統(tǒng)農(nóng)戶施肥2個(gè)處理，研究其對(duì)小麥葉面積指數(shù)、葉片葉綠素含量、產(chǎn)量和氮素利用等的影響，以期在為小麥生產(chǎn)中氮肥優(yōu)化管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017-2018和2018-2019年在山東省泰安市岱岳區(qū)馬莊鄉(xiāng)和德州市德州農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田進(jìn)行，兩地均屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同季，典型的棕壤高產(chǎn)田，有灌溉條件，種植模式為小麥/玉米周年輪作。兩地麥田播前土壤基礎(chǔ)肥力狀況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)田基礎(chǔ)肥力狀況

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

兩地均設(shè)傳統(tǒng)農(nóng)戶施肥(farmer traditional management of nitrogen,FN)和氮肥精準(zhǔn)管理(precision management of nitrogen fertilizer,PN)2個(gè)處理，4次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組排列；另外，設(shè)1個(gè)空白對(duì)照(CK)，不設(shè)重復(fù)，空白對(duì)照只作產(chǎn)量參考對(duì)照，只計(jì)算空白籽粒產(chǎn)量。小區(qū)面積均為60 m2(20 m×3 m)。整個(gè)生育期各處理的灌溉和病蟲(chóng)害防治均按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣進(jìn)行。

供試品種：2017-2018年泰安所用供試小麥品種為山農(nóng)20，德州所用供試小麥品種為濟(jì)麥22；2018-2019年兩地所用供試小麥品種均為濟(jì)麥44。所選品種均為當(dāng)?shù)卮竺娣e種植品種。

供試肥料：氮肥為尿素(N含量46.0%)，磷肥為過(guò)磷酸鈣(P2O5含量18.0%)，鉀肥為氯化鉀(K2O含量60.0%)。

FN處理的施肥量與施肥方式：泰安和德州兩地近3年的年平均施肥量為參考施肥量，其中施純氮232.0 kg·hm-2、P2O5112.5 kg·hm-2和K2O 112.5 kg·hm-2。施肥方式與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶施肥習(xí)慣一致，氮、磷、鉀肥均在播種整地時(shí)作為基肥一次性施入。

PN處理的施肥量與施肥方式：綜合前人研究結(jié)果，將小麥全生育期不同生長(zhǎng)發(fā)育階段的氮素吸收規(guī)律與小麥目標(biāo)產(chǎn)量結(jié)合分析，去除0～30 cm土壤硝態(tài)氮含量后，分別計(jì)算播種-返青、返青-抽穗、抽穗-成熟3個(gè)階段的氮肥施用量。根據(jù)前人在黃淮海麥區(qū)公開(kāi)發(fā)表的論文計(jì)算各階段的氮肥利用系數(shù)，分別為1.4、1.6和1.2[15-16]。不同生育階段氮肥施用量計(jì)算公式為：NAAi=(ANUi-NCSi)×a，其中NAA為施氮量，ANU為地上部吸氮量，NCS為0～30 cm土壤硝態(tài)氮含量，a為氮肥利用系數(shù)，i為生育階段。本研究中小麥的預(yù)期目標(biāo)產(chǎn)量為9 750 kg·hm-2，按前人研究預(yù)估地上部氮素吸收總量為230 kg·hm-2，根據(jù)不同生育階段氮肥施用量計(jì)算公式分別計(jì)算泰安和德州兩地冬小麥在3個(gè)需肥階段的氮肥施用量，結(jié)果見(jiàn)表2。氮肥的施用分為基肥和追肥，播種-返青階段的氮肥以基肥固態(tài)形式施入，返青-抽穗和抽穗-成熟2個(gè)階段則通過(guò)試驗(yàn)田的水肥一體化設(shè)施滴灌施入。磷肥和鉀肥作為基肥在播前施入，其用量和施用方式均參照傳統(tǒng)農(nóng)戶施肥習(xí)慣進(jìn)行。

表2 氮肥精準(zhǔn)管理試驗(yàn)中氮肥的施用量

CK處理的施肥量與施肥方式：不施氮肥，磷肥和鉀肥在耕翻土地時(shí)作為基肥一次性施入，其用量與傳統(tǒng)農(nóng)戶施肥中的一致。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 葉面積指數(shù)(LAI)的測(cè)定

分別于返青期(3月15日)、拔節(jié)期(3月21日)、抽穗期(4月26日)和灌漿中期(5月7日)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，各點(diǎn)任選一行取20 cm范圍內(nèi)長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)一致、具有代表性的小麥植株，帶回實(shí)驗(yàn)室后用打孔稱重法計(jì)算LAI[8]。

1.3.2 旗葉葉綠素相對(duì)含量(SPAD)的測(cè)定

采用日本美能達(dá)SPAD-502PLUS葉綠素測(cè)定儀分別于返青期(3月15日)、拔節(jié)期(3月21日)、抽穗期(4月26日)和灌漿中期(5月7日)的9:00-11:00測(cè)定小麥植株旗葉的SPAD，各處理均選擇有代表性的小麥旗葉。以20片葉片SPAD值的均值作為該處理的SPAD值。

1.3.3 植株干物質(zhì)量和氮積累量的測(cè)定

在小麥成熟期，各選取20株FN和PN處理具有代表性的單株，將其分為莖稈、葉片、穗軸、穎殼和籽粒5部分，于105 ℃殺青30 min，然后 75 ℃烘干至恒重，測(cè)定干物質(zhì)量。

測(cè)定干物質(zhì)量后將各部分樣品粉碎，采用魯如坤[8]的方法測(cè)定植株氮含量、籽粒氮積累量和植株氮積累量。

1.3.4 產(chǎn)量的測(cè)定

小麥成熟期在各小區(qū)分別取1 m2代表性樣點(diǎn)測(cè)定單位面積穗數(shù)，并取20株有代表性的植株進(jìn)行室內(nèi)考種，記錄穗粒數(shù)，同時(shí)從測(cè)產(chǎn)籽粒中隨機(jī)取1000粒測(cè)定千粒重。每小區(qū)均設(shè)3次重復(fù)。按照籽粒含水率13%折算產(chǎn)量和千粒重。

1.3.5 土壤無(wú)機(jī)氮積累量

小麥播種前分別取FN和PN處理0～30 cm土層土樣，每小區(qū)隨機(jī)取3點(diǎn)。土樣放入冰盒，過(guò)2 mm篩后，稱取10 g土壤樣品，加入KCl溶液 (土液比1∶5) 振蕩浸提，采用流動(dòng)注射分析儀測(cè)定硝態(tài)氮含量，結(jié)合土壤容重(環(huán)刀法測(cè)定)計(jì)算播前土壤硝態(tài)氮含量。小麥?zhǔn)斋@后分別取FN和PN處理0～160 cm(每20 cm為一層)土層土樣，同樣方法測(cè)量土壤硝態(tài)氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

籽粒氮積累量=籽粒氮含量×籽粒干重

植株氮積累量=植株氮含量×植株干重

氮素吸收效率=植物氮積累量/(施氮量+播前土壤無(wú)機(jī)氮積累量-收獲后土壤無(wú)機(jī)氮積累量)×100%

氮收獲指數(shù)=籽粒氮積累量/植株氮積累量×100%

氮肥偏生產(chǎn)力=施氮處理籽粒產(chǎn)量/施氮量

氮肥農(nóng)學(xué)利用率=(施氮處理籽粒產(chǎn)量-空白處理籽粒產(chǎn)量)/施氮量×100%

氮肥表觀利用率=(施氮處理植株氮積累量-空白對(duì)照植株氮積累量)/施氮量×100%

土壤氮素盈余量=(播前土壤無(wú)機(jī)氮積累量+施氮量)-(收獲后土壤無(wú)機(jī)氮積累量+植株氮積累量)[7,16]

空白處理籽粒產(chǎn)量(Y0)由空白對(duì)照收獲測(cè)產(chǎn)獲得。

采用Microsoft Excel和SAS 8.2軟件分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，顯著性測(cè)驗(yàn)在0.05水平進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥精準(zhǔn)管理對(duì)小麥葉面積指數(shù)的影響

FN和PN處理對(duì)小麥返青期的葉面積指數(shù)無(wú)明顯影響；從拔節(jié)期開(kāi)始2個(gè)處理間出現(xiàn)差異，其中2017-2018年泰安以及2018-2019年德州拔節(jié)期PN處理的葉面積指數(shù)較FN處理分別顯著增加了12.7%和9.5%；抽穗期冬小麥的葉面積指數(shù)達(dá)到最大值，抽穗器和灌漿期2個(gè)處理間的葉面積指數(shù)均呈顯著性差異，且PN處理較FN處理分別增加了 7.1%～13.8%和12.0%～ 26.2%(表3)。本研究中PN處理氮肥分3次施入且施氮總量低于傳統(tǒng)農(nóng)戶施肥，說(shuō)明在適量合理減氮范圍內(nèi)施氮次數(shù)的增加對(duì)小麥生育后期葉面積指數(shù)有明顯的促進(jìn)作用。

表3 兩種處理下不同生育時(shí)期小麥的葉面積指數(shù)

2.2 氮肥精準(zhǔn)管理對(duì)小麥旗葉SPAD值影響

由表4可知，PN處理能顯著提高小麥抽穗期和灌漿中期旗葉的SPAD值。在返青期，F(xiàn)N處理小麥旗葉的SPAD值高于PN，這是因?yàn)榉登嗥诘男←溨仓晟刑幱诿缙?，根系吸收和利用氮素的能力均較弱，氮素向葉片轉(zhuǎn)化能力較差。在拔節(jié)期，PN處理的SPAD值開(kāi)始高于FN。在抽穗期，PN處理小麥旗葉的SPAD值較FN提高了9.6%～10.8%，平均提高了10.2%，至灌漿中期較FN提高了5.7%～ 8.5%，平均提高6.8%，差異均達(dá)到顯著水平。可見(jiàn)，PN處理能夠促進(jìn)小麥生育后期氮素向葉片轉(zhuǎn)化，而FN處理施氮量雖然大，但施氮時(shí)期與冬小麥各生育期氮肥需求規(guī)律不匹配，反而出現(xiàn)小麥生長(zhǎng)后期脫氮的 現(xiàn)象。

表4 兩種處理下不同生育時(shí)期小麥旗葉的SPAD值

2.3 氮肥精準(zhǔn)管理對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

PN處理能夠增加冬小麥的籽粒產(chǎn)量(表5)。與FN處理相比，PN處理小麥的籽粒產(chǎn)量提高了7.9%～11.6%，平均提高了9.9%。比較作物產(chǎn)量構(gòu)成三要素發(fā)現(xiàn)，PN處理主要通過(guò)提高冬小麥的千粒重(8.4%～ 11.2%)來(lái)實(shí)現(xiàn)籽粒產(chǎn)量的增加，而PN處理對(duì)冬小麥的穗數(shù)和穗粒數(shù)并無(wú)顯著性影響?？梢?jiàn)，PN處理能充分發(fā)揮小麥生育后期的光合潛力，主要通過(guò)提高籽粒的千粒重來(lái)增加籽粒產(chǎn)量。

表5 兩種處理下小麥的籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成要素

2.4 氮肥精準(zhǔn)管理對(duì)小麥氮素利用效率的影響

與FN處理比較，PN處理在降低施氮量的同時(shí)能使冬小麥籽粒氮含量顯著提高9.4%～ 41.5%，平均提高了23.3%；使籽粒氮素吸收效率提高43.4%～63.3%，平均提高了55.0%；使氮收獲指數(shù)提高2.8%～7.0%，平均提高了 5.5%(表6)。所以，氮肥精準(zhǔn)管理能夠在降低氮肥投入量的同時(shí)提高小麥的氮素吸收利用效率。

表6 兩種處理的施氮量以及小麥的籽粒氮含量、氮素吸收效率和氮收獲指數(shù)

由表7可知，與FN處理比較，PN處理土壤的氮肥偏生產(chǎn)力提高了84.0%～ 103.2%，平均提高了81.9%.%；氮肥農(nóng)學(xué)效率提升了50.6%～81.3%，平均提升了61.7%；氮肥表觀利用效率提升了30.8%～68.7%，平均提升了 44.6%；土壤氮素盈余量降低了25.0%～31.6%，平均降低了28.2%。所以，F(xiàn)N處理能在降低氮肥投入量的同時(shí)通過(guò)優(yōu)化氮肥利用，顯著提高小麥的氮素吸收利用效率，降低土壤氮素沉積和土壤氮素盈余，減少土壤無(wú)機(jī)氮?dú)埩簟?/p>

表7 兩種處理對(duì)小麥氮素利用效率的影響

3 討 論

調(diào)查表明，黃淮海麥區(qū)冬小麥季的氮肥施用量為143～325 kg·hm-2，平均高達(dá)277 kg·hm-2[19]，過(guò)量施氮與小麥生育后期脫氮的矛盾長(zhǎng)期并存，每年在小麥季浪費(fèi)的氮肥高達(dá) 40×104t以上[20]。因此如何降低氮肥用量并保障小麥的氮素需求是中國(guó)小麥生產(chǎn)中面臨的一個(gè)突出問(wèn)題。本研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)農(nóng)戶施肥量相比，氮肥精準(zhǔn)管理能在降低氮肥總用量的前提下，明顯促進(jìn)冬小麥生育中后期葉面積指數(shù)和葉綠素相對(duì)含量的增加，提高冬小麥的千粒重，從而增加籽粒產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)減氮增產(chǎn)的協(xié)同目標(biāo)。前人研究指出，成熟期小麥植株對(duì)基肥的利用率僅為 28.50%～42.27%，對(duì)追肥的利用率為 39.67%～49.83%，說(shuō)明小麥植株對(duì)追肥氮的利用率顯著大于對(duì)底肥氮的利用率，在生產(chǎn)上適當(dāng)減少基肥氮的比例，增加追肥氮的比例，有利于提高氮肥利用效率[17]。聞 磊等[18]研究報(bào)道，習(xí)慣施氮處理由于氮素過(guò)量、過(guò)早施用，增加了0～40 cm土壤無(wú)機(jī)氮素積累和作物地上部的氮素吸收，但并沒(méi)有增加籽粒產(chǎn)量和氮肥利用率，反而造成較高的土壤無(wú)機(jī)氮?dú)埩艉偷乇碛^損失，這與本研究得出的結(jié)論基本一致。傳統(tǒng)農(nóng)戶施肥管理往往只注重基肥，將50%～70%的氮素作為基肥在播種時(shí)施入，有些地方甚至將100%氮素作基肥施入，而此時(shí)小麥處于苗期，根系吸收能力和氮素利用能力均較弱，投入農(nóng)田的大量氮素并不能被植株實(shí)時(shí)吸收利用，導(dǎo)致氮肥利用率不高。另外，播種時(shí)施用的大量氮肥，除一部分被植物吸收外，另外相當(dāng)可觀的部分殘留在土壤中，施入的氮素越多，流失到環(huán)境中的氮素也越多，從而造成土壤酸化、地下水硝態(tài)氮超標(biāo)等一系列環(huán)境污染[21-22]。

前人研究表明，如何發(fā)揮土壤基礎(chǔ)氮庫(kù)的作用是進(jìn)一步提升氮素利用效率和小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵[23-24]。本研究中的氮肥精準(zhǔn)管理將小麥的生長(zhǎng)發(fā)育階段與其氮肥需求特征相結(jié)合匹配，并以此為基礎(chǔ)得出小麥季氮肥的合理施用量應(yīng)為128～162 kg·hm-2，比傳統(tǒng)農(nóng)戶生產(chǎn)氮肥投入量減少了30.2%～44.8%；氮肥精準(zhǔn)管理的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率由傳統(tǒng)農(nóng)戶施肥的5.14 kg·kg-1提高到8.26 kg·kg-1，增加了61%；另外，氮肥精準(zhǔn)管理在提升氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的同時(shí)，使土壤氮素盈余量降低了25.0%～31.6%，減少了土壤氮素殘留；與傳統(tǒng)農(nóng)戶施肥相比，氮肥精準(zhǔn)管理的籽粒產(chǎn)量增加了7.9%～11.6%，實(shí)現(xiàn)了減氮增產(chǎn)的協(xié)同目標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)小麥需氮規(guī)律而實(shí)施的氮肥精準(zhǔn)管理不僅減少了氮素基肥的投入，而且通過(guò)適時(shí)適量地追施氮素，優(yōu)化氮素的基追肥比，改變傳統(tǒng)的一次性基肥投入為3次精準(zhǔn)施肥投入，既保證了小麥生育后期對(duì)氮素的需求，有效地緩解了小麥生育后期的脫氮狀況，也充分發(fā)揮了土壤的氮庫(kù)作用，使作物生長(zhǎng)階段的氮素需求得到了較為科學(xué)的精準(zhǔn)匹配，顯著提高了氮肥的吸收利用效率，從而實(shí)現(xiàn)了小麥減氮增產(chǎn)的協(xié)同目標(biāo)。因此，基于小麥需肥特征建立的氮肥精準(zhǔn)管理措施能夠?qū)崿F(xiàn)氮素高效利用和小麥經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量協(xié)同提高的目標(biāo)。