玉米小麥周年氮肥運(yùn)籌對砂漿黑土區(qū)小麥干物質(zhì)及氮素積累分配和產(chǎn)量的影響

呂廣德，王瑞霞，牟秋煥，米 勇，亓?xí)岳伲?李 寧，吳 科，錢兆國

(1.泰安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東泰安 271000；2.泰安市禾元種業(yè)科技有限公司，山東泰安 271000)

小麥和玉米是我國重要的糧食作物。我國人多地少，提高糧食單產(chǎn)對保證國家糧食安全有重要作用。全國共計(jì)有約370×104hm2砂姜黑土地，主要分布在黃淮海平原地區(qū)，具有耕作層淺而疏松、犁底層厚而堅(jiān)實(shí)、容易遭受澇漬和干旱的特點(diǎn)，是我國主要的中產(chǎn)田區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，施肥量與作物產(chǎn)量顯著正相關(guān)[1]，因此，農(nóng)民通過大量增施化肥來追求高產(chǎn)。對2014-2016年我國種植業(yè)化肥施用狀況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，小麥、玉米的年均化肥施用量分別為300.2 kg·hm-2和325.6 kg·hm-2，但利用率僅為20%～40%[2-3]。玉米、小麥輪作種植是我國黃淮海地區(qū)的一種重要的種植制度，在實(shí)際生產(chǎn)中，往往只考慮單季作物產(chǎn)量和資源利用率，且有很大的隨意性，缺乏周年氮肥統(tǒng)籌管理意識。有資料顯示，周年施氮水平對玉米和小麥的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素有重要影響[4]。在玉米、小麥周年種植過程中很少考慮氮肥的盈余量，與玉米相比，小麥的氮肥利用量較少，但小麥季施氮量高，容易造成氮素?fù)p失及環(huán)境問題[5]。研究發(fā)現(xiàn)，目前農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的氮肥盈余量已經(jīng)達(dá)到175 kg·hm-2[6]。玉米、小麥周年施氮量的提高會(huì)導(dǎo)致小麥季氮素利用效率以及氮農(nóng)學(xué)利用效率降低[7]。周年總氮量為0～480 kg·hm-2條件下，隨著施氮量的增加，小麥-玉米輪作中每一季作物和周年作物氮肥利用效率均呈降低趨勢[8]。因此，提高輪作條件下的氮肥利用效率成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。前人對砂漿黑土區(qū)小麥氮肥研究多集中在當(dāng)季作物上，有關(guān)砂漿黑土區(qū)玉米、小麥周年氮肥運(yùn)籌下小麥的干物質(zhì)及氮素積累、轉(zhuǎn)運(yùn)方面的研究鮮有詳細(xì)報(bào)道。為此，本研究擬探究砂漿黑土區(qū)玉米、小麥周年氮肥運(yùn)籌對小麥干物質(zhì)和氮素積累利用、小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響，以期為砂漿黑土區(qū)玉米、小麥輪作制度下的氮肥合理運(yùn)籌提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016-2018年玉米-小麥生長季在山東省泰安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院肥城試驗(yàn)基地(35°57′N，116°47′E)進(jìn)行，試驗(yàn)地土壤類型為砂姜黑土，地力水平為7 500 kg·hm-2以上小麥產(chǎn)量。玉米-小麥周年種植。玉米播種前 0～40 cm 土層土壤養(yǎng)分含量見表1。

供試材料為目前推廣面積最大的玉米品種鄭單958和泰安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院選育的多穗型小麥品種泰山28。以產(chǎn)量及其構(gòu)成因素較高為目標(biāo)，在前期預(yù)試驗(yàn)基礎(chǔ)上玉米季設(shè)置3個(gè)施氮量處理為113 kg·hm-2(E1)、181 kg·hm-2(E2)、249 kg·hm-2(E3)，施氮時(shí)期為播種期基施和大喇叭口期追施，比例為1∶1；小麥季設(shè)置4個(gè)氮肥處理分別為90 kg·hm-2(F1)、135 kg·hm-2(F2)、180 kg·hm-2(F3)、225 kg·hm-2(F4)，基肥和追肥比例為1∶1，追肥時(shí)期為拔節(jié)期，共12個(gè)處理。3次重復(fù)。玉米種植密度為67 500 株·hm-2，試驗(yàn)小區(qū)面積38.4 m2(8 m×4.8 m)。小麥種植密度為225×104株·hm-2，小區(qū)面積為12 m2(8 m×1.5 m)。玉米、小麥單季磷肥和鉀肥為過磷酸鈣(P2O516%)120 kg·hm-2和硫酸鉀(K2O 50%)240 kg·hm-2，均作為基肥施入。其他管理措施同一般大田。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

1.2.1 小麥干物質(zhì)積累及轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)指標(biāo)測定

于小麥冬前期和拔節(jié)期分別取10棵單株，開花期和成熟期分別連續(xù)取30個(gè)單莖，所有植株105 ℃殺青1 h，80 ℃烘至恒重后磨碎保存。干物質(zhì)分配轉(zhuǎn)運(yùn)計(jì)算公式如下[9]：

花前營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量=開花期營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量-成熟期營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量；

花前營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)效率=花前營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/開花期營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量×100%；

花前營養(yǎng)物質(zhì)對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率=花前營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期籽粒干重×100%

花后干物質(zhì)積累量=成熟期籽粒干重-花前營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量；

花后干物質(zhì)積累量對籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率=花后干物質(zhì)積累量/成熟期籽粒干重×100%。

1.2.2 小麥氮素積累與轉(zhuǎn)運(yùn)及氮素利用效率相關(guān)指標(biāo)的測定

將1.2.1中的磨碎樣品，采用 KDY-9820 凱氏定氮法測定植株氮素含量，氮素分配轉(zhuǎn)運(yùn)公式如下[10]：

氮素累積量=氮素含量(%)×干物質(zhì)積累量；

營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量=開花期營養(yǎng)器官氮素積累量-成熟期營養(yǎng)器官氮素積累量；

營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)效率=營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量/開花期營養(yǎng)器官氮素積累量×100%；

營養(yǎng)器官氮素貢獻(xiàn)率=營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期籽粒氮素積累量×100%；

氮素收獲指數(shù)(NHI)=籽粒氮素積累量/植株氮素積累量；

氮肥利用效率(NUE)=籽粒產(chǎn)量/施氮量。

1.2.3 籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測定

在小麥成熟期，每個(gè)小區(qū)選取1 m2調(diào)查穗數(shù)；隨機(jī)取10穗，測穗粒數(shù)；脫粒后自然風(fēng)干至含水量為13.0% 時(shí)測定千粒重；各小區(qū)全部進(jìn)行實(shí)收計(jì)產(chǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2017 和 SPSS 20 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用ANOVA和LSD法進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米小麥周年氮肥運(yùn)籌對小麥各生育階段干物質(zhì)積累量的影響

由表2可以看出，隨著小麥生育期的推移，小麥干物質(zhì)積累量呈先增加后降低的趨勢，在拔節(jié)-開花階段達(dá)到最高，占整個(gè)生育期積累量的比例為 48.27%～52.84%。小麥各生育期階段干物質(zhì)積累量均在E2F3條件下最高。小麥季施氮量為F1和F2時(shí)，隨著玉米季施氮量的增加，小麥各生育階段的干物質(zhì)積累量呈增加趨勢；在小麥季施氮量為F3和F4時(shí)，隨著玉米季施氮量的增加，小麥各生育階段的干物質(zhì)積累量則先增加后降低，在施氮量E2時(shí)小麥干物質(zhì)積累量最高。玉米季施氮量為E1時(shí)，隨著小麥季施氮量的增加，小麥干物質(zhì)積累量逐步增加；在玉米季施氮量為E2時(shí)，隨小麥季施氮量的增加，小麥干物質(zhì)積累量先增加后降低，在施氮量F3時(shí)積累量最高；在玉米季施氮量為E3時(shí)，隨小麥季施氮量的增加，小麥干物質(zhì)積累量也呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在施氮量F2時(shí)積累量最高。方差分析發(fā)現(xiàn)，玉米施氮處理、小麥?zhǔn)┑幚砑捌鋬烧咧g的互作對小麥各生育階段的干物質(zhì)積累量均有極顯著影響。

表2 玉米小麥周年氮肥運(yùn)籌對小麥各生育階段干物質(zhì)積累的影響Table 2 Effect of annual nitrogen fertilization on dry matter accumulation in wheat

2.2 玉米小麥周年氮肥運(yùn)籌對小麥營養(yǎng)器官干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

表3結(jié)果顯示，小麥成熟期籽粒干物質(zhì)積累量在E2F3處理下最大，較籽粒干物質(zhì)積累量最小值增加 27.24%。在玉米施氮量E1下，隨著小麥?zhǔn)┑康脑黾?，小麥籽粒干物質(zhì)積累量、花前營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量和花后干物質(zhì)積累量均增加，而花前營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)效率和花前營養(yǎng)物質(zhì)對籽粒干物質(zhì)的貢獻(xiàn)率呈先降低后升高趨勢。在施氮量E2和 E3下，隨著小麥?zhǔn)┑康脑黾?，小麥籽粒干物質(zhì)積累量、花前營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量和花后干物質(zhì)積累量先增加后降低，分別在E2F3和E3F2氮肥運(yùn)籌下達(dá)到最高?；ㄇ盃I養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量對籽粒干物質(zhì)的貢獻(xiàn)率為43.10%～45.22%，花后干物質(zhì)積累量對籽粒干物質(zhì)的貢獻(xiàn)率為54.78%～ 56.92%，表明開花后干物質(zhì)積累是籽粒干物質(zhì)的主要來源。方差分析發(fā)現(xiàn)，玉米施氮處理、小麥?zhǔn)┑幚砑捌浠プ鲗ψ蚜８晌镔|(zhì)積累量、花前營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、花后干物質(zhì)積累量的影響均極顯著；小麥?zhǔn)┑幚砑捌渑c玉米施氮處理互作對花前營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)效率的影響達(dá)極顯著水平；小麥?zhǔn)┑幚韺ㄇ盃I養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)對籽粒干物質(zhì)貢獻(xiàn)率的影響達(dá)顯著水平；玉米-小麥周年施氮互作對花前營養(yǎng)物質(zhì)對籽粒干物質(zhì)的貢獻(xiàn)率的影響達(dá)極顯著水平；玉米-小麥周年施氮互作對花后干物質(zhì)積累量對籽粒干物質(zhì)的貢獻(xiàn)率的影響達(dá)顯著 水平。

2.3 玉米小麥周年氮肥運(yùn)籌對小麥氮素積累及利用效率的影響

由表4可以看出，隨著生育期的推移，小麥各生育階段的氮素積累量先增加后降低，在拔節(jié)到開花階段積累量最高，變化范圍為63.41～ 112.50 kg·hm-2，氮素積累占比也在拔節(jié)到開花階段最高，變化范圍為36.85% ～ 43.52%，說明該階段是小麥氮素積累的最佳時(shí)期，可能與該階段追肥有一定的關(guān)系，推測在拔節(jié)或起身期追肥可以促進(jìn)植株對氮素的吸收利用。在玉米季施氮量為E1時(shí)，隨著小麥?zhǔn)┑康脑黾?，小麥各生育階段的氮素積累量增加。在玉米季施氮量為E2時(shí)，隨著小麥?zhǔn)┑康脑黾?，小麥各生育階段氮素積累量先增加后降低，在F3時(shí)最高。在玉米季施氮量為E3時(shí)，小麥各生育階段氮素積累量隨著小麥?zhǔn)┑康脑黾右渤尸F(xiàn)先增加后降低的趨勢，但在F2時(shí)最高?？傮w而言，小麥整個(gè)生育期氮素積累在E2F3水平下最高。在F1和F2條件下，隨著玉米季施氮量的增加，小麥的氮素積累量增加，但在F3和F4條件下，隨著玉米施氮量的增加，小麥氮素積累量先增加后降低。且各生育階段均呈現(xiàn)這一規(guī)律。方差分析發(fā)現(xiàn)，玉米施氮處理、小麥?zhǔn)┑幚砑捌鋬烧咧g的互作對小麥各生育階段的氮素積累量的影響均達(dá)極顯著水平。

表3 玉米小麥周年氮肥運(yùn)籌對小麥營養(yǎng)器官干物質(zhì)向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)的影響Table 3 Effect of annual nitrogen application on the translocation of dry matter from vegetative organs to grain in wheat

表4 玉米小麥周年氮肥運(yùn)籌對小麥氮素積累及利用效率的影響Table 4 Effects of annual nitrogen application on nitrogen accumulation and utilization efficiency of wheat

NAA:N accumulation amount.

2.4 玉米小麥周年氮肥運(yùn)籌對小麥營養(yǎng)器官氮素向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

由表5可以看出，成熟期籽粒氮素積累量變化范圍為137.76～184.10 kg·hm-2，最大變幅是33.64%，在E2F3處理下籽粒氮素積累量最高?；ㄇ盃I養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量為113.71～ 144.32 kg·hm-2，對籽粒氮素的貢獻(xiàn)率為 78.40%～82.67%，而花后氮素積累量對籽粒氮素的貢獻(xiàn)率在17.33%～21.60%之間，表明花前氮素積累量是籽粒氮素的主要來源。在玉米施氮量為E1時(shí)，隨著小麥?zhǔn)┑康脑黾?，小麥籽粒氮素積累量、花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和花后氮素積累量均呈增加的趨勢。在玉米施氮量為E2時(shí)，小麥籽粒氮素積累量、花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和花后氮素積累量隨著小麥?zhǔn)┑康脑黾映尸F(xiàn)先增加后降低的趨勢，在施氮量F3時(shí)最高。而玉米施氮量為E3時(shí)，小麥籽粒氮素積累量、花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和花后氮素積累量在小麥?zhǔn)┑繛镕2時(shí)最高。E2F3氮素運(yùn)籌下，花前營養(yǎng)器官氮素對籽粒氮素的貢獻(xiàn)率最低，花后氮素積累量對籽粒氮素的貢獻(xiàn)率最高。方差分析發(fā)現(xiàn)，玉米施氮處理、小麥?zhǔn)┑幚砑捌鋬烧咧g的互作對小麥籽粒氮素積累量、花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)效率及其對籽粒氮素的貢獻(xiàn)率、花后氮素積累量及其對籽粒氮素的貢獻(xiàn)率的影響均達(dá)極顯著水平。

2.5 玉米小麥周年氮肥運(yùn)籌對小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

從表6中可以看出，玉米小麥周年氮肥運(yùn)籌下小麥穗粒數(shù)、穗數(shù)、千粒重及產(chǎn)量均在E2F3處理下最高，其中，產(chǎn)量變化范圍為7 589.10～ 9 453.15 kg·hm-2，最大變幅24.56%；穗數(shù)變化范圍為556.4×104～635.3×104·hm-2；穗粒數(shù)變化范圍為33.6～39.7粒；千粒重變化范圍為 42.29～49.14 g。小麥氮素利用效率在E3F1時(shí)最高，兩年平均達(dá)到91.13 kg·kg-1，在E1F4時(shí)最低，為38.00 kg·kg-1。小麥氮素收獲指數(shù)卻在E2F3時(shí)最低，為0.71。方差分析發(fā)現(xiàn)，玉米施氮處理、小麥?zhǔn)┑幚砑捌鋬烧咧g的互作對小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素和氮肥利用效率、氮肥收獲指數(shù)的影響均達(dá)極顯著水平。

表5 玉米小麥周年氮肥運(yùn)籌對小麥營養(yǎng)器官氮素向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)的影響Table 5 Effect of annual nitrogen application on the transport of nitrogen from vegetative organ to grain in wheat

表6 玉米小麥周年氮肥運(yùn)籌對玉米和小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響Table 6 Effect of annual nitrogen fertilization on yield and yield components of wheat

3 討 論

干物質(zhì)是小麥光合產(chǎn)物的最終形態(tài)，在小麥整個(gè)生育期的各個(gè)階段，植株光合產(chǎn)能不同，干物質(zhì)積累量及積累比例也就不同。小麥花后光合同化物的積累及花前營養(yǎng)器官貯存的同化產(chǎn)物向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)對小麥籽粒產(chǎn)量的提高起著關(guān)鍵作用[11]。研究表明，氮肥虧缺可能會(huì)促進(jìn)營養(yǎng)器官中的光合產(chǎn)物向籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)[12]，而在一定范圍內(nèi)適量增施氮肥可以提高花后干物質(zhì)積累量及其向籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)效率[13]。小麥在施氮量225 kg·hm-2基礎(chǔ)上過量減氮(減氮30%)及增氮(增氮20%)均會(huì)降低花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量和花后干物質(zhì)積累量及其對籽粒的貢獻(xiàn)率[14]。氮肥運(yùn)籌是影響作物氮素吸收、積累及轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵因素，施氮量對玉米小麥周年生產(chǎn)體系中的氮肥利用效率有顯著影響[4]。研究表明，增施氮素可以提高小麥植株氮素積累量，但營養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)效率降低[15]；在小麥玉米復(fù)種中根據(jù)作物需氮規(guī)律進(jìn)行施肥可以提高肥料利用率，節(jié)約氮肥達(dá)到近30%[16-17]。本研究結(jié)果表明，在玉米季施氮181 kg·hm-2和小麥季施氮180 kg·hm-2的氮肥組合能滿足小麥高產(chǎn)所需的氮素營養(yǎng)，小麥干物質(zhì)積累量及氮素積累量均在該氮肥組合處理下最高，且干物質(zhì)和氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)量最高。本研究適宜施氮量略低于前人關(guān)于該區(qū)適宜氮肥用量的報(bào)道[18]，原因可能與播種時(shí)期、氮肥種類、小麥品種以及氮肥運(yùn)籌方式不同有關(guān)。

施氮量和作物籽粒產(chǎn)量為二次曲線關(guān)系，施入氮肥量超過某一數(shù)值后繼續(xù)增施氮量可能導(dǎo)致投入產(chǎn)出率急速降低，但由于生長環(huán)境不一致，作物品種之間存有差異，導(dǎo)致最佳產(chǎn)量時(shí)施氮量的多少不同[19]。有研究表明，在玉米小麥周年生產(chǎn)中，玉米季施氮189 kg·hm-2，小麥季施氮231 kg·hm-2，能夠獲得最高產(chǎn)量[20]。也有研究發(fā)現(xiàn)，每季作物氮素施用量均為200 kg·hm-2時(shí)可以獲得最高產(chǎn)量，但若繼續(xù)增施氮肥，作物產(chǎn)量不會(huì)增加[21]。本研究結(jié)果表明，黃淮海地區(qū)的砂漿黑土區(qū)夏玉米季施氮181 kg·hm-2，冬小麥季施氮180 kg·hm-2能獲得小麥最大產(chǎn)量，兩年平均為9 453.15 kg·hm-2，且產(chǎn)量構(gòu)成三因素均在該施氮條件下達(dá)到最高。隨著現(xiàn)代科技進(jìn)步及新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展, 夏玉米和冬小麥輕簡化以及機(jī)械化施肥技術(shù)將會(huì)得到快速推廣與應(yīng)用[22]。本研究中施肥模式亦滿足于機(jī)械化及快捷化施肥的需求。同時(shí)，將本試驗(yàn)結(jié)果與魯中地區(qū)中高產(chǎn)田作物產(chǎn)量及地力性狀相結(jié)合, 研制適合于區(qū)域特性的玉-麥輪作下作物施肥配方, 這對小麥綠色、高產(chǎn)高效施肥技術(shù)創(chuàng)建及普及推廣具有重要意義和發(fā)展前景。