冬小麥-夏玉米周年水肥高效利用

李宗新，王良，劉樹堂，趙斌，錢欣，李全起，馮波，李升東，劉開昌

·導(dǎo)讀·

冬小麥-夏玉米周年水肥高效利用

李宗新1，王良1，劉樹堂2，趙斌3，錢欣1，李全起3，馮波4，李升東4，劉開昌4

（1山東省農(nóng)業(yè)科學院玉米研究所，濟南 250100；2青島農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，山東青島 266109；3山東農(nóng)業(yè)大學，山東泰安 271018；4山東省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所，濟南 250100）

黃淮海平原小麥和玉米產(chǎn)量分別約占全國的57%和35%，近10年來對全國糧食增產(chǎn)貢獻率超過30%，對于保障國家糧食安全意義重大[1]。灌溉和施肥是影響作物生產(chǎn)最明顯的兩大栽培管理因素，同時也是糧食生產(chǎn)中最受重視和易于調(diào)控的兩個因素[2]。水肥等資源增投極大地促進了我國糧食產(chǎn)量增加，其中小麥和玉米增產(chǎn)量占糧食增產(chǎn)總量的21.3%和39.8%[3]。冬小麥-夏玉米一年兩熟種植制度一定程度上實現(xiàn)了對光、熱和耕地等自然資源的高效利用，但是周年水分需求量與降雨量之間有約225 mm的缺口，且主要集中在小麥季；肥料周年需求量約為330 kg·hm-2[4]，而實際生產(chǎn)中每年水肥投入量分別約為500 mm和600 kg·hm-2，遠遠超出周年水肥需求量[5]?！按笏蠓省痹斐少Y源環(huán)境壓力的同時增加了糧食生產(chǎn)的成本，壓縮了經(jīng)濟效益[6]。依靠大規(guī)模水肥資源投入獲得糧食連年豐收的生產(chǎn)模式，其在生態(tài)、經(jīng)濟上均不可持續(xù)[7]。在當前糧食需求不斷增加、氣候影響不確定性加劇以及環(huán)境問題日益嚴峻的背景下，國家提出了“集約農(nóng)作、高產(chǎn)高效、持續(xù)發(fā)展”的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。在當前糧食需求不斷增加、糧食貿(mào)易受制于國際形勢、氣候影響不確定性加劇以及環(huán)境問題日益嚴峻的背景下，深入研究冬小麥、夏玉米周年水肥高效利用技術(shù)，是實現(xiàn)冬小麥-夏玉米周年持續(xù)豐產(chǎn)增效的重要途徑，對于確保國家糧食安全具有重要意義。

1 小麥、玉米灌溉與節(jié)水高效

水是作物生產(chǎn)的必備要素，水資源短缺、時空分布不均和利用率低等問題極大地制約了我國糧食生產(chǎn)和糧食安全。受季風影響的大氣降雨是我國水資源的主要來源，時間上的年內(nèi)、年際差異和空間上的區(qū)域差異明顯，同時水資源與耕地分布不匹配[8]。黃淮海平原年均降雨500—900 mm，且主要集中在夏季，溫帶季風氣候特征導(dǎo)致降雨量以及時間分布不均，難以滿足小麥-玉米周年尤其是小麥季的水分需求。通過合理灌溉節(jié)水，提高作物水分利用率，緩解我國“水缺糧增”矛盾一直以來都是區(qū)域小麥-玉米周年生產(chǎn)的研究熱點。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上水分利用效率的研究一般通過田間直接測定、氣體交換測定方法或穩(wěn)定性碳同位素技術(shù)計算消耗單位水量生產(chǎn)的經(jīng)濟產(chǎn)量，其中耗水量通常是指灌水量、降雨量、土壤貯水消耗量三者的總和[6,9]。農(nóng)藝措施影響的棵間蒸發(fā)、地表徑流以及深層滲漏是影響水分利用效率的重要因素，作物本身遺傳基因決定的植物蒸騰和代謝反應(yīng)則是決定水分利用效率的另一重要因素?；谏鲜鰞蓚€主要影響因素，國內(nèi)在小麥和玉米農(nóng)藝節(jié)水增效和作物生理節(jié)水增效方面取得了一系列的進展。中國農(nóng)業(yè)大學基于小麥底墑差異提出了“冬小麥節(jié)水高產(chǎn)技術(shù)體系”，水分利用效率能夠提高到1.5 kg·m-3，實現(xiàn)了節(jié)水與高產(chǎn)的雙贏；山東農(nóng)業(yè)大學于振文院士團隊根據(jù)小麥關(guān)鍵生育時期的需水特性“測墑補灌”，能夠節(jié)省15%—34%的灌水量，提高10%的水分利用率[10-12]。Zhao等[13]研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化冬小麥生育期間灌溉制度可調(diào)控葉面積指數(shù)垂直分布，進而塑造高光效群體結(jié)構(gòu)，冠層內(nèi)光合有效輻射截獲率提高3.7%、籽粒產(chǎn)量提高13.5%。在虧缺灌溉條件下，適當減少灌溉頻次可增加30 cm以下土層根長密度，從而消耗更多深層土壤水[14]。青島農(nóng)業(yè)大學基于長期定位試驗研究，提出了有機質(zhì)含量是影響土壤水滲透率的重要因子，探明了土壤有機質(zhì)含量、土壤容重和大于0.25 mm土壤團聚體重量比是影響土壤水滲透率的關(guān)鍵性因子，明確了施用有機肥相對于施用化肥可提高土壤水滲透率[15]。作物生理節(jié)水增效研究主要集中在小麥、玉米抗旱品種的選育[16-18]，用生物調(diào)節(jié)激素等手段維持水分脅迫條件下抗氧化、滲透調(diào)節(jié)和光合能力[19]，通過改善作物根系構(gòu)型和生理活力增強根系主動吸水能力以及調(diào)虧灌溉延緩玉米后期葉片及根系衰老等方面[20]。在冬小麥-夏玉米周年生產(chǎn)模式下，通過小麥季節(jié)水灌溉統(tǒng)籌周年耗水，利用小麥和玉米根系特征充分挖掘2 m土體的儲水功能實現(xiàn)“玉水麥用”，可實現(xiàn)周年節(jié)水、高產(chǎn)、高效[4,21]。隨著近年來設(shè)施灌溉成本的不斷降低，微噴、滴灌等節(jié)水灌溉措施在小麥玉米周年生產(chǎn)上的應(yīng)用方興未艾，其理論研究逐步成為熱點。山東農(nóng)業(yè)大學研究結(jié)果表明帶寬80 mm、帶長60 m微噴灌溉條件下小麥水分利用效率較高[22]。此外，圍繞保護性耕作和秸稈覆蓋降低作物生育前期棵間蒸發(fā)[23-24]，添加高吸水聚合物為材料的保水劑提高土壤持水性[25]，以及植物表面噴灑成膜性、代謝性和反射性抗蒸騰劑降低作物蒸騰[26-27]，傳統(tǒng)農(nóng)藝與新技術(shù)結(jié)合促進了農(nóng)田節(jié)水增效的長足發(fā)展。

2 小麥、玉米施肥與養(yǎng)分高效

肥料投入對糧食增產(chǎn)的貢獻超過40%[28]，其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用不可替代。然而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的肥料投入量遠遠超過了作物實現(xiàn)最大生產(chǎn)潛力的需求量。過去的30年里，我國糧食生產(chǎn)過程中氮肥投入量的增長速率約為糧食產(chǎn)量增加速率的2倍[29]。過量施肥導(dǎo)致我國氮肥利用率僅為30%—35%，遠低于歐美國家的70%[30]。為實現(xiàn)糧食豐產(chǎn)增效，國家提出“雙減三控”的號召，基于氣候環(huán)境和農(nóng)田管理提高肥料利用率的研究受到廣泛關(guān)注。

減少投入量是提高肥料利用率最直接的方法，諸多學者和技術(shù)人員在不同土壤類型和氣候條件下進行氮肥梯度試驗研究和大田示范。茹淑華等[31]研究認為，小麥季和玉米季的純氮施用量范圍分別為250—300 kg·hm-2和150—200 kg·hm-2。代快[32]利用15N標記研究氮肥去向發(fā)現(xiàn)，小麥季減氮22%能夠降低17.0%的氮肥殘留和41.6%的其他損失；玉米季減氮33%能夠降低35.0%的氮肥殘留和37.8%的其他損失?？刂品柿橡B(yǎng)分釋放速率，使之匹配小麥和玉米的生長需求規(guī)律，從而實現(xiàn)豐產(chǎn)和增效雙贏也是減投增效的重要途徑之一。山東農(nóng)業(yè)大學張民團隊相關(guān)研究表明，施用控釋氮肥的小麥和玉米較相同施氮量的普通氮肥農(nóng)田分別增產(chǎn)4.37%—12.86%和4.1%—9.65%，同時氮肥利用效率分別提高16.4%和7.7%[33]。減投與施肥時期、方式等優(yōu)化結(jié)合能夠進一步提高肥料利用率。針對小麥和玉米品種特性、產(chǎn)量目標、需肥規(guī)律以及土壤養(yǎng)分供給能力的“精準變量施肥”技術(shù)，能夠減少肥料環(huán)境損失的同時提高肥料利用率[34-35]。磷鉀肥的合理配施也一定程度上促進了作物養(yǎng)分吸收和氮素利用率提高[36]。冬小麥-夏玉米周年集約化生產(chǎn)中，周年肥料統(tǒng)籌優(yōu)化管理，減氮28%能夠?qū)崿F(xiàn)豐產(chǎn)增效[32]。減少高溫多雨季肥料損失，“麥肥玉用”能夠在獲得理想產(chǎn)量的前提下使周年施氮量再減少70—190 kg·hm-2[37-38]。

促進根系養(yǎng)分吸收和提高作物本身養(yǎng)分利用能力是提高肥料利用的重要途徑[39]。提高土壤養(yǎng)分的生物有效性是促進根系養(yǎng)分吸收的保障，主要包括提高土壤養(yǎng)分的化學有效性和空間有效性，以及作物根系吸收能力。秸稈還田可以促進土壤微生物固定約3%—32%的輸入氮，降低氮淋溶風險，后期秸稈腐解和微生物死亡降解釋放的氮素供作物吸收利用[40-41]；添加納米碳等分子材料可以降低土壤氮素徑流損失[42]；以及施用氯甲基嘧啶等硝化抑制劑降低淋洗氮損失[43]；通過不同途徑提高土壤養(yǎng)分化學有效性等相關(guān)研究，促進了肥料高效利用的發(fā)展。基于作物根部生理特性的“深松全層施肥”和“增加根際氮含量”等一系列新技術(shù)的應(yīng)用增加了土壤養(yǎng)分的空間有效性[44]。根際養(yǎng)分調(diào)控與耕作等農(nóng)藝措施與品種選育結(jié)合，通過改善作物根系構(gòu)型、增加根系密度和表面積促進養(yǎng)分向根際運移和根系吸收能力，也極大的促進了糧食豐產(chǎn)增效[45-46]。

吸收單位氮素后，提高小麥和玉米自身養(yǎng)分同化效率和養(yǎng)分再轉(zhuǎn)運效率等生理利用率以獲得更高的經(jīng)濟產(chǎn)量，也是提高肥料利用率研究的突破點。比較1991—2011年和1940—1990年的玉米品種發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量增幅（25%）超過了氮素吸收量增幅（12%）2倍[47]，說明玉米植株氮生理利用效率有了極大的提高。董桂春等[48]研究發(fā)現(xiàn)氮高效品種的氮肥利用率較氮低效品種高37.70%。肥料利用率的提高既依賴于施肥管理技術(shù)的優(yōu)化，也需要作物優(yōu)良品種的選育，“良法”和“良種”的配套融合切實促進了小麥、玉米施肥與養(yǎng)分高效。

3 小麥-玉米周年水肥協(xié)同高效

水、肥在作物生長過程中存在明顯的耦合效應(yīng)[49]。優(yōu)化農(nóng)田水肥配置，“以水促肥、以肥調(diào)水”做到水肥耦合的協(xié)同，是實現(xiàn)糧食豐產(chǎn)增效的有效農(nóng)田管理措施[50-51]。國內(nèi)學者設(shè)置盆栽、池栽、旱棚以及大田試驗，通過顯著性方差統(tǒng)計或者回歸模型模擬計算交互項系數(shù)定量化水肥耦合效應(yīng)[52-53]。青島農(nóng)業(yè)大學劉樹堂團隊研究了水、氮、鉀三個因素的耦合對夏玉米產(chǎn)量效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)水氮耦合、水鉀耦合對產(chǎn)量的影響顯著，且均為正效應(yīng)；建立了產(chǎn)量與水、氮、鉀回歸方程模型：Y=5594.24+2 742.22X1+1678.31X2+1368.14X3-989.02X12-663.9X22-609.88X32+544.31X1X2+412.23X1X3（=0.996，F(xiàn)=76.99），并由回歸方程得出，水、氮、鉀的最佳用量為灌水量3069 m3·hm-2、施氮量285 kg·hm-2、施鉀量176.4 kg·hm-2，最佳產(chǎn)量為12 111.6 kg·hm-2，三個因素對產(chǎn)量影響的順序為水＞氮＞鉀[54]。目前，水肥耦合研究系統(tǒng)關(guān)注了水肥耦合與地下部根系、地上部分光合特性、產(chǎn)量以及逆境脅迫的關(guān)系[55]。

小麥、玉米產(chǎn)量效應(yīng)是水肥耦合效應(yīng)最直觀的反應(yīng)，陳新紅[56]研究表明，水、氮和產(chǎn)量關(guān)系符合y=a0+a1x1+a2x2+a3x12+a4x22+a5x1x2（ai為系數(shù)，x1和x2分別為水、肥用量），通過增加水氮投入能夠獲得作物最大產(chǎn)量，而合理水肥供應(yīng)能夠進一步實現(xiàn)利用效率最大化。根系是作物吸收水和肥的主要器官，通過水、肥調(diào)控增加根系表面積和促進養(yǎng)分吸收能力是提高水肥資源利用率的重點研究內(nèi)容之一。適度的水分脅迫條件下，施氮一定程度上促進小麥根系下扎和根系活力提升，增加小麥對水肥的吸收空間和動力，進而提高水肥利用率[57-58]。隋凱強等[59]研究了不同水肥耦合對夏玉米根系形態(tài)及產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)缺水條件下合適的水肥配比利于作物生長發(fā)育和產(chǎn)量提高，建立了產(chǎn)量與水肥的三元二次回歸方程為：Y=6723.94+1589.98X1+470.79X2+182.50X3-194.23X12-74.70X22-78.66X32+42.12X1X2+98.28X1X3+89.39X2X3，且發(fā)現(xiàn)在相對含水量70%、施氮量225 kg·hm-2、施碳量2 700 kg·hm-2時，可得到最高產(chǎn)量為12 393.69 kg·hm-2。水、氮調(diào)控還能夠通過改善玉米葉片光合能力、調(diào)控氮代謝相關(guān)酶活性以維持較高光合速率的同時有效降低水分蒸騰散失，實現(xiàn)水肥資源高效利用[60]。施氮能夠緩解水分脅迫導(dǎo)致的小麥葉片核糖核酸酶和蛋白酶活性增強，保持硝酸還原酶活性，增強小麥干旱抗逆性[61]。

冬小麥夏玉米一年兩熟種植制度中，合理匹配水肥資源，達到周年高產(chǎn)高效是實現(xiàn)周年水肥協(xié)同高效的難點。統(tǒng)籌周年水肥管理，較目前農(nóng)民傳統(tǒng)方式能夠高產(chǎn)、節(jié)水、節(jié)肥、增效[62]。山東農(nóng)業(yè)大學李全起團隊研究發(fā)現(xiàn)，在小麥玉米兩熟種植制度中，冬小麥生育期間灌溉制度顯著影響夏玉米播種時的土壤貯水量。冬小麥生育期間灌溉時期適當后移，在枯水年，后茬夏玉米水分利用效率提高15.3%—24.7%；在平水年，水分利用效率提高3.4%—5.4%。因此，冬小麥生育期間灌溉制度可調(diào)控周年水分利用效率[63-64]。山東省農(nóng)業(yè)科學院玉米栽培生理團隊研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥夏玉米一年兩熟種植制度下小麥-玉米周年氮素分配比例由6﹕4優(yōu)化調(diào)整為5﹕5，周年產(chǎn)量可提高3.8%，氮素積累量、氮肥表觀利用率、氮肥農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力分別提高8.6%、25.8%、26.5%、3.7%[65]。

小麥-玉米周年長期集約化生產(chǎn)導(dǎo)致的耕地質(zhì)量下降是農(nóng)田水肥利用率低的制約因素之一。KUANG等[66]研究表明，在小麥玉米兩熟種植制度中，冬小麥播種時深松土壤35 cm有利于夏玉米利用60 cm以下土層的水分，提高降水利用效率和產(chǎn)量。隋凱強等[67]研究發(fā)現(xiàn)，深翻能改變土壤結(jié)構(gòu)，促進作物對水分養(yǎng)分的吸收，增強根系吸收水分、養(yǎng)分的能力，提高玉米對養(yǎng)分的吸收積累，從而促進玉米的生長發(fā)育。水肥優(yōu)化管理結(jié)合耕作和秸稈還田直接或間接影響土壤養(yǎng)分循環(huán)，協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣、熱和作物根系生長，提高土壤養(yǎng)分的有效性和作物吸收能力，促進小麥和玉米水肥高效利用[68]。在前人研究的基礎(chǔ)上，中國農(nóng)業(yè)大學在冬小麥-夏玉米周年生產(chǎn)背景下統(tǒng)籌水肥管理，實踐了節(jié)水、省肥、高產(chǎn)、簡化的“四統(tǒng)一”栽培技術(shù)體系；王志敏等[69]通過調(diào)整耗水結(jié)構(gòu)、施肥方式、根系結(jié)構(gòu)、冠層結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量結(jié)構(gòu)，提出了“調(diào)整五項結(jié)構(gòu)”的栽培技術(shù)體系；近年來“水肥一體化”等工程技術(shù)的快速發(fā)展為小麥-玉米周年輪作體系豐產(chǎn)增效提供了理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)。

4 展望

國內(nèi)外農(nóng)業(yè)科技工作者在提高小麥、玉米以及冬小麥-夏玉米周年水肥利用、水肥協(xié)同增效等方面進行了大量的研究，并在水肥高效利用技術(shù)及其生理生態(tài)機制研究上取得了長足的進展。然而面對小麥-玉米長期集約化生產(chǎn)導(dǎo)致的環(huán)境問題日益嚴峻的形勢，在極端天氣頻發(fā)和氣候變化等大背景下，進一步研究水肥資源優(yōu)化管理，協(xié)同促進糧食豐產(chǎn)和資源高效雙贏仍然是目前農(nóng)業(yè)豐產(chǎn)增效和綠色可持續(xù)的出發(fā)點和著力點。研究提高土壤養(yǎng)分生物有效性的機制并提出相應(yīng)的水肥調(diào)控措施，水氮協(xié)同與碳、磷、鉀以及微量元素的時間和空間上協(xié)同增效，基于區(qū)域氣候特征協(xié)同種、土、肥、水、密關(guān)系提高作物綜合抗性，利用基因工程和分子手段調(diào)控作物相關(guān)蛋白和酶的表達、增加抗逆性和水肥吸收與利用能力等將會是冬小麥-夏玉米周年豐產(chǎn)增效新的突破點。

本專題刊登的7篇文章重點聚焦小麥-玉米周年水肥高效利用，研究分析水肥資源周年統(tǒng)籌高效利用的限制因素和提高途徑，以期為黃淮海地區(qū)小麥-玉米周年水肥高效與單產(chǎn)提高協(xié)同提供理論依據(jù)。其中，《控釋尿素基施深度對夏玉米產(chǎn)量和氮素利用的影響》[70]一文明確了夏玉米控釋尿素一次性基施深度控制在10—15 cm可顯著提高夏玉米的氮素吸收積累量，增加氮素利用效率，降低氮素損失，并獲得較高籽粒產(chǎn)量，實現(xiàn)高產(chǎn)高效，可作為夏玉米控釋尿素種肥同播的適宜施肥深度?！队袡C-無機肥協(xié)同調(diào)控小麥-玉米兩熟作物產(chǎn)量及土壤培肥效應(yīng)》[71]在小麥-玉米兩季秸稈全還田條件下，研究表明通過增施有機肥、配施秸稈腐熟劑可以增加小麥、玉米產(chǎn)量，促進籽粒氮素吸收和轉(zhuǎn)運，改善土壤結(jié)構(gòu)和培肥地力。《施氮量對花后高溫脅迫后小麥同化物積累、轉(zhuǎn)運及產(chǎn)量的影響》[72]明確了施氮量為240 kg·hm-2可以顯著減緩高溫脅迫下旗葉衰老，維持旗葉中SS-Ⅱ和籽粒中SS-Ⅰ較高的酶活性，保持較高的同化物合成能力和向籽粒中的轉(zhuǎn)運能力，提高同化物向籽粒中的積累量和分配比例，從而降低高溫脅迫下小麥籽粒產(chǎn)量的損失率?！渡綎|夏玉米土壤干旱閾值研究與影響評價》[73]基于田間試驗結(jié)果與WOFOST作物機理模型，確定了山東夏玉米不同發(fā)育期的土壤水分適宜閾值范圍與干旱脅迫閾值，明確了穗期與花粒期干旱對夏玉米產(chǎn)量形成的影響更為顯著?！秲?yōu)化氮素與品種匹配可協(xié)同提高鹽堿地夏玉米產(chǎn)量和氮肥利用率》[74]研究明確了不同耐鹽堿型夏玉米品種產(chǎn)量形成及氮素利用特征，發(fā)現(xiàn)施氮量和品種互作通過影響干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量和氮素吸收轉(zhuǎn)運進而影響氮肥利用效率，優(yōu)化氮素供應(yīng)與玉米品種匹配是實現(xiàn)鹽堿地玉米產(chǎn)量和氮肥利用效率協(xié)同提高的重要途徑?！恫煌杭咀返Ｊ綄π←溓o稈抗倒性能及木質(zhì)素積累的影響》[75]針對倒伏這一制約小麥光溫生產(chǎn)潛力進一步提高的重要因素，探討了春季不同追氮模式對小麥各節(jié)間莖稈抗倒伏能力、木質(zhì)素積累及籽粒產(chǎn)量的影響，提出了高施氮量條件下適宜的春季追氮模式?！督斩掃€田對我國主要糧食作物產(chǎn)量效應(yīng)的整合（Meta）分析》[76]定量分析了全國范圍內(nèi)秸稈還田對小麥、玉米、水稻的產(chǎn)量效應(yīng)，提出秸稈還田技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用是一種能夠有效提高三種糧食作物光熱資源利用效率的技術(shù)模式。

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Annual high efficiency utilization of water and fertilizer of a wheat-maize double cropping system

LI Zongxin1, WANG Liang1, LIU Shutang2, ZHAO Bin3, QIAN Xin1, LI Quanqi3, FENG Bo4, LI Shengdong4, LIU Kaichang4

(1Maize Research Institute, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Ji’nan 250100;2College of Resources and Environment,Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, Shandong;3Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, Shandong;4Crop Research Institute, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Ji’nan 250100)

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.21.003

2020-09-28；

2020-10-26

國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFD0300600，2017YFD0301000）

李宗新，E-mail：sdaucliff@sina.com。通信作者劉開昌，E-mail：liukc1971@163.com

（責任編輯 楊鑫浩）