不同質(zhì)地土壤的小麥合理氮肥基追比研究

王繼唯，袁 浩，馬 陽(yáng)，張世卿，張 培，張建發(fā)，李曉鵬，彭正萍

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071001； 2.華北作物改良與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071001；3.河北省耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)保護(hù)中心， 河北 石家莊 050000；4.河北省邢臺(tái)市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北 邢臺(tái) 054001）

小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要糧食作物，氮作為促進(jìn)小麥增產(chǎn)的主要元素之一，氮肥供給土壤的主要方式是底施和追施，不同質(zhì)地的土壤通氣、保肥、保水狀況及耕作的難易程度差別較大，針對(duì)不同土壤質(zhì)地進(jìn)行合理氮肥分配是提高作物產(chǎn)量的重要手段。前人研究表明不同氮肥基追比增強(qiáng)植株光合效率和氮素利用，提高作物單產(chǎn)和總產(chǎn)［1］。不同質(zhì)地土壤的最適氮肥基追比、土壤肥力、追氮方式均對(duì)小麥產(chǎn)量造成影響［2］。不同質(zhì)地土壤的生產(chǎn)條件、地力水平存在較大差異，適宜的氮肥用量和基追比在不同地區(qū)和同一地區(qū)不盡相同。土壤肥力在作物生產(chǎn)中決定了肥料利用效率的高低［3］。調(diào)節(jié)基肥和追肥比例，改善作物葉片光合特性，提高小麥產(chǎn)量［4］。近年來(lái)，由于氮肥大量不合理施用，小麥生產(chǎn)成本增加，同時(shí)不利于小麥生產(chǎn)的高產(chǎn)、高效發(fā)展，且加大環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)［5］。作物產(chǎn)量與施氮量不完全呈正比，小麥當(dāng)季氮肥利用率只有25%～33%［6］。因此，探討合理氮肥調(diào)控施用模式是我國(guó)整個(gè)農(nóng)業(yè)研究的重點(diǎn)，針對(duì)不同土壤特性合理運(yùn)籌氮肥對(duì)實(shí)現(xiàn)小麥豐產(chǎn)高效有重要意義［7］。

河北省黑龍港地區(qū)輕壤和砂壤質(zhì)土壤面積所占比重較大，農(nóng)民習(xí)慣不分質(zhì)地采用統(tǒng)一的氮肥施用量和基追比。本研究采用田間試驗(yàn)法，以冬小麥為研究對(duì)象，在前期確定合理氮肥用量為240 kg/hm2的基礎(chǔ)上［8］，分別在輕壤和砂壤質(zhì)土壤上設(shè)置不同氮肥基追比處理，研究小麥光合生理特性、養(yǎng)分利用和產(chǎn)量性狀的變化，為該地區(qū)不同質(zhì)地土壤分類(lèi)指導(dǎo)合理施用氮肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗(yàn)于2018 年10 月至2019 年6 月在河北省邢臺(tái)市寧晉縣賈家口鎮(zhèn)白木村（37°36′51″N，115°7′23″E）進(jìn)行，地屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫14.1 ℃，年均降水322 mm。供試土壤為輕壤質(zhì)和砂壤質(zhì)潮土。小麥播種前測(cè)定供試土壤0 ～20 cm基本理化性狀，輕壤質(zhì)土壤：容重1.36 g/cm3、pH 8.37、有機(jī)質(zhì)20.8 g/kg、全氮1.33 g/kg、有效磷8.9 mg/kg、速效鉀164.0 mg/kg；砂壤質(zhì)土壤：容重1.33 g/cm3、pH 8.06、有機(jī)質(zhì)16.0 g/kg、全氮0.78 g/kg、有效磷8.6 mg/kg、速效鉀163.4 mg/kg。供試小麥品種為‘濟(jì)麥22’，供試肥料為尿素（含46%N）、過(guò)磷酸鈣（含16%P2O5）和氯化鉀（含60%K2O）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用輕壤、砂壤質(zhì)地土壤，分別設(shè)6 個(gè)氮肥基追比處理，分別為不施氮肥及氮肥基追比3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3，共12 個(gè)處理，每處理重復(fù)3 次，共36 個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積49 m2。同種質(zhì)地土壤各小區(qū)隨機(jī)排列。不同氮肥基追比的總純氮用量均為240 kg/hm2，具體各處理及氮肥施用量見(jiàn)表1。各處理磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）施用量均一致，分別為105 kg/hm2和135 kg/hm2，在播種前全部底施。2018 年10 月14 日采用15 cm 等行距播種，播量225 kg/hm2。全部底肥于前茬玉米粉碎后撒施地表進(jìn)行旋耕，來(lái)年小麥拔節(jié)期進(jìn)行氮肥追施，各處理除氮肥基追比不同外，其他田間管理措施均一致。

表1 試驗(yàn)處理及其對(duì)應(yīng)施氮情況Table 1 Experimental treatment and corresponding N application situations

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 小麥旗葉SPAD 值和葉面積指數(shù) 于小麥生長(zhǎng)的挑旗、開(kāi)花和灌漿期，每小區(qū)選取連續(xù)6 株小麥旗葉，利用SPAD 葉綠素儀（日本502-plus）測(cè)定葉片下部、中部和頂部3 個(gè)部位的SPAD 值，求其平均值。

每小區(qū)于灌漿期取代表性單莖30 株，用直尺測(cè)量每株所有綠葉的長(zhǎng)和寬，葉面積= 長(zhǎng)× 寬×0.83，計(jì)算群體葉面積指數(shù)（LAI）［9］。

1.3.2 小麥旗葉葉綠素?zé)晒鈪?shù) 于小麥灌漿期上午9:00—11:00，每個(gè)處理選取3 個(gè)小麥旗葉中部葉片，首先進(jìn)行20 min 的暗反應(yīng)，然后采用FMS-2型熒光儀（英國(guó)Hansatech 公司）進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定，計(jì)算3 個(gè)葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的平均值［10］。

1.3.3 植株干重和全氮含量 成熟期選取代表性植株20 株，分為秸稈和籽粒2 部分，于105 ℃殺青30 min，75 ℃烘至恒重，計(jì)算干物質(zhì)含量。將植株樣品混勻粉碎，稱(chēng)樣后進(jìn)行消煮，運(yùn)用SmartChem 200 全自動(dòng)化學(xué)分析儀測(cè)定消煮液中的全氮含量［11］。

1.3.4 小麥產(chǎn)量 成熟期，每處理采3 組，每組割取2 m 長(zhǎng)6 行小麥，用脫粒機(jī)將其全部脫粒，測(cè)定籽粒重，采用谷物水分測(cè)定儀（PM-8188）測(cè)其含水量，按面積折算成含水量12.5%的小麥籽粒產(chǎn)量。

1.3.5 氮素相關(guān)效率計(jì)算［12］氮素積累量（kg/hm2）=干物質(zhì)量×含氮濃度；

氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN，kg/kg）=施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量/施氮量；

氮肥表觀回收率（NRE，%）=（施氮區(qū)籽粒吸氮量－不施氮區(qū)籽粒吸氮量）/施氮量×100；

氮肥農(nóng)學(xué)效率（NAE，kg/kg）=（施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量－不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量）/施氮量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel2010 對(duì)數(shù)據(jù)整理和繪圖，采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥基追比對(duì)2 種質(zhì)地土壤小麥旗葉葉綠素SPAD 值的影響

圖1 表明，輕壤和砂壤質(zhì)土壤各施氮肥處理小麥旗葉SPAD 值均顯著高于不施氮處理36.3%～89.2%和19.6%～86.7%。

圖1 輕壤和砂壤質(zhì)地不同氮肥基追比對(duì)小麥旗葉SPAD 值的影響Fig. 1 Effect of different N fertilizer base-topdressing ratios on the SPAD value of wheat flag leaves in light and sandy texture soils

輕壤質(zhì)，較LT1 比，挑旗、開(kāi)花、灌漿期LT2、LT3、LT4、LT5、LT6 的旗葉SPAD 值分別顯著提高59.6%～72.6%、36.3%～43.5%、80.5%～89.2%，各施氮處理間葉片SPAD 值差異不顯著。砂壤質(zhì)，挑旗、開(kāi)花、灌漿期的ST2、ST3、ST4、ST5、ST6 的旗葉SPAD 值分別較ST1 顯著提高61.2%～86.7%、19.6%～30.8%、21.5%～28.0%，其他各處理間差異不顯著。2 種土壤質(zhì)地下小麥旗葉SPAD 值從挑旗到灌漿期呈“拋物線”型變化。表明合理施用氮肥可提升小麥旗葉SPAD 值。

2.2 氮肥基追比對(duì)2 種質(zhì)地土壤小麥葉面積指數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

圖2 表明，相同氮肥基追比下，輕壤質(zhì)小麥葉片LAI 值較砂壤質(zhì)提高0.6%～55.2%，不同氮肥基追比間砂壤變幅大于輕壤。較不施氮肥（T1）比，各施氮肥處理LAI 均顯著提高。輕壤質(zhì)，T3 的LAI值最大，較T1 顯著提高1 倍T2、T4、T5、T6 較T1 顯著提高63.7% ～92.7%。砂壤質(zhì)，T2 的LAI值較T1 顯著提高85.0%，T3、T4、T5 分別較T1提高52.0%、62.0%和43.5%。表明輕壤質(zhì)土壤小麥的LAI 值總體好于砂壤質(zhì)，相同質(zhì)地合理氮肥基追比有利于LAI 的提升。

圖2 輕壤和砂壤質(zhì)地不同氮肥基追比對(duì)小麥葉面積指數(shù)（LAI）的影響Fig. 2 Effect of different N and base-topdressing ratios on wheat leaf area index in light loam soil and sandy texture soil

圖3 表明，輕壤和砂壤質(zhì)土壤各施氮處理的小麥旗葉Fv/Fm 值較不施氮處理顯著提高。輕壤質(zhì)，各施氮處理Fv/Fm 值較T1 提升5.8%～17.4%，T3 較其他施氮處理增加8.2%～11.0%，T4、T2、T5、T6 處理間差異不顯著；砂壤質(zhì)，T2 小麥旗葉Fv/Fm 值最大，較T1 顯著提高22.2%，T2 較其他施氮處理平均增加3.2%～7.6%。表明不同土壤質(zhì)地和氮肥基追比均對(duì)小麥旗葉PSⅡ的光化學(xué)效率產(chǎn)生顯著影響。

圖3 輕壤和砂壤質(zhì)地不同氮肥基追比對(duì)小麥葉綠素 熒光參數(shù)的影響Fig. 3 Effects of different N fertilizer base-topdressing ratios on chlorophyll fluorescence parameters of wheat in light loam soil and sandy texture soil

2.3 氮肥基追比對(duì)2 種質(zhì)地土壤小麥植株干物質(zhì)分配和積累的影響

表2 表明，輕壤質(zhì)，秸稈干物質(zhì)LT3 值最大較LT1 顯著提高111.3%，其余處理較LT1 提高64.7%以上；其他處理籽粒干物質(zhì)較LT1 顯著提高72.7%以上，LT3 較LT5、LT6 顯著提高14.6%、15.6%；輕壤施氮處理總干物質(zhì)較LT1 顯著提高65.5%以上，秸稈干物質(zhì)占總干物質(zhì)55.1%～58.1%，籽粒干物質(zhì)占總干物質(zhì)41.9%～44.9%。砂壤質(zhì)，秸稈干物質(zhì)表現(xiàn)出ST2＞ST3＞ST4＞ST5＞ST6，各處理較ST1 顯著提高12.3%～42.7%；籽粒干物質(zhì)各處理較ST1 提高14.6%～56.9%，其中ST2 最高；施氮處理總干物質(zhì)較LT1 顯著提高13.3%～48.6%，秸稈干物質(zhì)占總干物質(zhì)56.2%～58.6%，籽粒干物質(zhì)占總干物質(zhì)41.4%～43.8%。2 種質(zhì)地下不同氮肥基追比干物質(zhì)表現(xiàn)不同，表明土壤質(zhì)地和氮肥基追比均對(duì)植株干物質(zhì)積累產(chǎn)生影響。

表2 2 種質(zhì)地不同氮肥基追比干物質(zhì)積累量Table 2 Dry matter accumulation of two different nitrogen fertilizer base-dressing ratios

2.4 氮肥基追比對(duì)2 種質(zhì)地土壤小麥植株全氮的影響

表3 表明，2 種土壤質(zhì)地下輕壤全氮積累量高于砂壤，同種土壤質(zhì)地不同氮肥基追比植株籽粒全氮積累高于秸稈。輕壤質(zhì)，小麥秸稈全氮積累各處理較LT1 顯著提高1 倍以上，其他處理間差異不顯著；小麥籽粒全氮積累量LT3＞LT4＞LT2＞LT5＞LT6＞LT1， 各 處 理 均 較LT1顯著提高1 倍以上；輕壤施氮處理整株全氮積累較LT1 顯著提高1 ～2 倍，秸稈全氮占總?cè)e累15.2% ～20.7%，籽粒全氮占總?cè)e累79.8%～84.9%。砂壤質(zhì)，秸稈全氮積累量ST2、ST3、ST4、ST5 較ST1 顯著提高1 倍以上，其中ST4 最高；其他各處理籽粒全氮較ST1 均顯著提高23.5%以上，ST2 達(dá)到最大各處理間差不異顯著；總?cè)┑幚磔^LT1 顯著提高26.2%以上，秸稈全氮占總?cè)e累10.8%～19.8%，籽粒全氮占總?cè)e累80.2%～89.1%。表明土壤質(zhì)地和適宜的氮肥基追比均對(duì)提高植株秸稈和籽粒全氮的積累有重要作用。

表3 2 種質(zhì)地土壤不同氮肥基追比下的植株各器官全氮積累量Table 3 Total N accumulation of plant organs under different N fertilizer base-topdressing ratios in two types of soils

2.5 氮肥基追比對(duì)2 種質(zhì)地土壤小麥產(chǎn)量及氮素利用效率的影響

表4 表明，輕壤產(chǎn)量較砂壤提升11.1%～67.3%，輕壤LT3 產(chǎn)量最高為8 265 kg/hm2，砂壤ST2 產(chǎn)量最高為5 847 kg/hm2。前者較后者產(chǎn)量提升41.4%。

輕壤質(zhì)，小麥氮素積累量各處理較LT1 顯著高2 ～5 倍，LT3 氮素積累最高且與其他處理間差異顯著；氮肥偏生產(chǎn)力各處理較LT1 顯著提高66.4%以上，LT3 氮肥農(nóng)學(xué)效率較LT2、LT4、LT5、LT6 提高15.6%～50.1%；LT3 氮肥表觀回收率較LT2、LT5、LT6 顯著提高11.6%、23.4%、25.0%。砂壤質(zhì)，各處理氮素積累量較ST1 提高43.4%以上，其中ST2 最高；各處理氮肥偏生產(chǎn)力各處理較ST1 顯著提高14.6%～56.9%，氮肥農(nóng)學(xué)效率ST2 最高，且ST2 較ST5 和ST6 平均分別顯著提高1 倍到2 倍；ST2 氮肥表觀回收率較ST3、ST4、ST5、ST6 提高7.77%、8.10%、20.83%、22.94%。說(shuō)明不同質(zhì)地小麥生長(zhǎng)關(guān)鍵階段合理氮肥基追比有利于小麥提高產(chǎn)量和養(yǎng)分利用。

表4 2 種質(zhì)地不同氮肥基追比小麥產(chǎn)量及其養(yǎng)分利用Table 4 Yield and nutrient utilization of wheat in two different N fertilizer base-topdressing ratios

3 討論與結(jié)論

研究表明，植株氮含量直接影響葉片光合作 用［13］，小麥植株葉片光合作用對(duì)作物產(chǎn)量提高有所影響［14］。本試驗(yàn)中，與不施氮（T1）比，SPAD 值、葉面積指數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)等在輕壤和砂壤質(zhì)土壤分別是4∶6 和3∶7 表現(xiàn)出較高值；說(shuō)明不同氮肥基施和追施影響小麥植株光合作用，進(jìn)一步表明不同質(zhì)地土壤適宜的氮肥基追比有所不同。

另有研究表明［15］氮素利用效率可反映作物吸收氮素并轉(zhuǎn)化為籽粒能力。前人研究得出，小麥氮素利用率均隨施氮量的增加而降低［16-17］，本研究結(jié)果與前人相似。不同質(zhì)地下小麥對(duì)氮肥利用程度不 同［18］，本試驗(yàn)中，小麥植株干物質(zhì)和氮素積累、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力及氮肥表觀回收率均隨不同氮肥基追比例表現(xiàn)不同響應(yīng)［19］。另有研究認(rèn)為，小麥籽粒產(chǎn)量隨追氮比例的增加而增加，也有學(xué)者指出，后期過(guò)多施氮沒(méi)有增產(chǎn)效果［20］。本研究表明，不同土壤質(zhì)地有不同最適氮肥基追比，輕壤質(zhì)為4∶6 砂壤質(zhì)則為3∶7。輕壤質(zhì)土壤保水保肥能力強(qiáng)于砂壤質(zhì)土壤，對(duì)水肥吸收利用率較高。輕壤質(zhì)土壤氮肥使用適當(dāng)前重后輕可提高氮肥的利用，從而提高產(chǎn)量；砂壤質(zhì)土壤氮肥前輕后重有利于減少肥料流失，增加作物對(duì)氮的吸收利用。隨施氮量增加小麥氮肥利用率遞減，表明不同土壤質(zhì)地下合理氮肥基追比對(duì)提高產(chǎn)量和植株養(yǎng)分有利。

本試驗(yàn)條件下，輕壤和砂壤質(zhì)的產(chǎn)量及植株全氮積累最高分別為8 265、5 848 kg/hm2和208.70、157.20 kg/hm2。輕壤保肥較好，在底肥施用基礎(chǔ)上，拔節(jié)適當(dāng)多追施氮肥可以促進(jìn)小麥增產(chǎn)；砂壤由于漏肥嚴(yán)重，底肥少施在追肥時(shí)增加氮肥用量可促進(jìn)小麥生長(zhǎng)及氮肥利用，進(jìn)而增產(chǎn)。綜合分析，輕壤質(zhì)土壤推薦氮肥基追比為4∶6；砂壤質(zhì)則為3∶7。依據(jù)土壤特性和養(yǎng)分供應(yīng)能力合理施肥，可以實(shí)現(xiàn)該地區(qū)因土施氮肥策略，提高氮肥利用效率。