氮肥管理對春小麥產(chǎn)量及氮素利用率的影響

馬獻發(fā)，劉春柱，朱瑩雪，許連周，王 琪

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

氮是小麥主要三大礦質(zhì)營養(yǎng)元素之一，在一定范圍內(nèi)提高氮肥用量可顯著增加小麥產(chǎn)量[1]。因盲目追求高產(chǎn)，小麥氮肥用量逐年增加。雖高投入氮肥保證作物產(chǎn)量，但我國氮肥平均利用率卻僅30%左右，氮肥過量施用導(dǎo)致土壤板結(jié)、水體污染、空氣污染等一系列環(huán)境問題[2]。

2015年國家農(nóng)業(yè)部印發(fā)《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，指出化肥施用不合理問題，并提出有機肥替代部分化肥，實現(xiàn)有機無機相結(jié)合是降低化肥用量、促進作物增產(chǎn)、保證糧食安全的重要措施之一[3]。有機肥替代化肥，有效避免土壤酸化，提升土壤養(yǎng)分含量與土壤酶活性[4]。謝軍紅等研究發(fā)現(xiàn)有機肥替代50%化肥氮素可使玉米產(chǎn)量和綜合效益達到最高[5]。有機肥替代部分化肥氮，促進氮素吸收及向籽粒轉(zhuǎn)運，提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率[6]。合理施用氮肥可提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率[7]。相同施肥量條件下增加施肥次數(shù)，即“少量多次”施肥有利于提高肥料利用率和減少化肥用量[8]。Ke等研究結(jié)果表明，水稻養(yǎng)分吸收主要集中在分蘗期和抽穗期[9]。魏建林等研究表明，在相同施氮量條件下，冬小麥增產(chǎn)效果和氮肥利用率以氮肥在基肥、返青期和拔節(jié)期分3次均施時效果最佳[10]。

雖然近年在江淮地區(qū)對施氮量、施氮時期及氮肥基追比例對冬小麥產(chǎn)量和氮素利用率的影響已有較多研究，但大多是在單施化肥基礎(chǔ)上研究分期施肥，關(guān)于東北平原黑土地區(qū)結(jié)合有機肥替代部分化肥與分期施氮肥管理模式相關(guān)研究較少。本研究旨在降低黑土區(qū)化肥用量，明確有機肥替代氮肥結(jié)合分期施肥對東北春小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成要素以及氮素利用率的影響，以期為東北黑土區(qū)春小麥高產(chǎn)高效的生產(chǎn)模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2020年4月在黑龍江省哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗實習(xí)與示范基地向陽農(nóng)場（東經(jīng)126°22′~126°50′，北緯45°34′~45°46′）開展，年降水量569.1 mm；屬于黑龍江省第一積溫帶，≥10℃有效積溫2 700℃以上。供試土壤為黑土，pH 6.87，有機質(zhì)含量25.3 g·kg-1，全氮含量1.7 g·kg-1，速效氮含量179 mg·kg-1，速效磷含量24 mg·kg-1，速效鉀含量165 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)5個處理，分別為CF（常規(guī)施肥）、CK（不施氮肥，磷、鉀肥用量同CF）、N1（有機肥替代25%化肥氮，播種前全施）、N2（有機肥替代25%化肥氮，剩余氮肥在播種前施2/3，拔節(jié)期施1/3）和N3（有機肥替代25%化肥氮，剩余氮肥在播種前、拔節(jié)期和孕穗期各施1/3）。除CK處理無氮肥施用外，CF、N1、N2、N3處理氮肥、磷肥和鉀肥施用總養(yǎng)分量相同，有機肥替代后不足的磷、鉀肥在播種前施相應(yīng)化肥補足。每個處理3次重復(fù)，共15個小區(qū)，每個小區(qū)面積19.2 m（28 m×2.4 m）。常規(guī)施肥用肥總量為N：75 kg·hm-2，P2O5：75 kg·hm-2，K2O：37.5 kg·hm-2。供試肥料為商品有機肥（N、P2O5、K2O和有機質(zhì)含量分別為2.33%、1.85%、2.35%和46.1%）、尿素（N含量46%）、重過磷酸鈣（P2O5含量46%）和氯化鉀（K2O含量60%），折合各肥料用量和施用時期見表1。春小麥品種為克春9號，種植密度650萬株·hm-2。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤樣品采集與測定

在春小麥苗期（5月1日）和成熟期（7月28日）用土鉆分別采集0~10 cm和10~30 cm土層土壤，每個小區(qū)按照“S”型采集5個點均勻混合成一個土樣。一部分保存鮮樣采用0.01 mol·L-1CaCl2浸提-流動分析儀測定NH4+、NO3-含量，一部分經(jīng)風干、研磨、過篩處理，參考土壤農(nóng)化分析實驗室常規(guī)方法測定土壤有機質(zhì)、全氮和堿解氮含量[11]。

1.3.2 小麥植株采集與全氮含量測定

成熟期在每個小區(qū)隨機取10株小麥裝入密封袋，在105℃烘箱中殺青1 h，籽粒、穎殼和莖桿分離、稱重后粉碎，采用H2O2-H2SO4消煮法測定各部位全氮含量。氮素利用率參照姜佰文等公式計算[7]。

1.3.3 小麥測產(chǎn)與考種

成熟期在每個小區(qū)隨機選取0.9 m2（3行2 m長）樣方，測算小麥密度；收集地上部植株裝入尼龍網(wǎng)袋，自然晾干后脫粒測產(chǎn)量、穗數(shù)和千粒重。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010軟件計算數(shù)據(jù)，采用SPSS20.0軟件作各處理間單因素方差分析（LSD法），P<0.05為差異顯著，采用Canoco5.0作冗余分析（RDA）。

表1 春小麥施肥時期與施肥量Table 1 Fertilization period and fertilizer rateof spring wheat (kg·hm-2)

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥管理對春小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

與常規(guī)施肥相比，有機肥替代氮肥與分期施肥顯著提高春小麥穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量（見表2）。春小麥穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量均在N1處理達到最大值。與CK處理和N3處理相比，N1處理春小麥穗粒重顯著增加47.73%和16.47%，N3處理與N1和N2處理相比顯著降低14.14%和11.48%。與CK、CF、N3處理相比，N1處理春小麥千粒重分別顯著提高35.20%、15.53%和10.60%，與N2處理之間無顯著差異。各處理之間單位面積穗數(shù)無顯著差異。N1和N2處理春小麥產(chǎn)量間無顯著差異；與CF處理相比，N1處理春小麥產(chǎn)量顯著增產(chǎn)21.35%，N3處理相比N1和N2處理產(chǎn)量顯著減產(chǎn)23.43%和20.34%；說明在等氮水平條件下，有機肥替代部分化肥氮一次性施入和分2期施肥，春小麥產(chǎn)量顯著提高，可實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。

表2 不同氮肥管理下春小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素Table 2 Yield and components of spring wheat under the different nitrogen fertilizer managements

2.2 氮肥管理對春小麥植株氮累積的影響

相比CK處理，CF、N1和N2處理下春小麥植株氮素總積累量分別顯著提高32.74%、45.05%和32.34%，與N3處理之間差異不顯著（見表3）。與CK處理相比，CF處理莖稈氮素積累量顯著提高25.47%，N1和N2處理與CK處理莖稈氮素積累量差異不顯著；與CK處理相比，N1和N2處理穎殼氮素積累量顯著提高36.11%和25.26%，CF分別與N3處理和CK處理之間穎殼氮素積累量差異不顯著；籽粒氮素積累量在各器官氮素分配比例中占主要地位，與CK處理相比，CF、N1、N2和N3處理籽粒氮素積累量分別顯著提高40.65%、78.22%、57.08%和29.97%；與CK處理相比，CF、N1、N2和N3處理籽粒氮素分配比例分別顯著提高6.59%、22.78%、18.70%和26.66%?？傊?，與不施氮處理和常規(guī)施氮肥處理比較，有機肥替代25%化肥氮一次性施入處理和分2期施肥處理顯著增加春小麥籽粒中氮素積累量，有機肥替代25%化肥氮和分期施肥處理顯著提高籽粒氮素分配比例。

表3 不同氮肥管理下春小麥成熟期各器官氮素積累量和分配比例Table 3 Accumulation and distribution of N in various organsof spring wheat under the different nitrogen fertilizer managements

2.3 氮肥管理對春小麥氮素利用率的影響

與春小麥氮素利用相關(guān)的4個指標在不同處理下變化趨勢不同（見表4）。氮素收獲指數(shù)（NHI）反映氮素在籽粒中分配比例，與CK處理相比，N1、N2和N3處理NHI值提高17.65%、13.73%和19.61%，與CF處理差異不顯著。與CF處理相比，N1、N2和N3處理下氮素生理效率（NPE）分別顯著提高10.41%、16.38%和23.35%，與CK處理差異不顯著。N3處理下NPE值相比N1處理顯著提高11.72%，和N2處理差異不顯著。相比CF處理，N1和N2處理氮肥偏生產(chǎn)力（NPFP）分別顯著提高21.33%和16.65%，CF和N3處理差異不顯著，N1和N2處理差異不顯著。氮肥農(nóng)學(xué)效率（NAE）與氮肥偏生產(chǎn)力變化趨勢相似，N1處理氮肥農(nóng)學(xué)效率達到最大，但與N2處理差異不顯著，與CF和N3處理相比顯著提高66.00%和112.56%?？傮w來看，有機肥替代25%化肥氮一次性施肥處理和有機肥替代且分2期施肥處理顯著提高氮肥利用率。

表4 不同氮肥管理下春小麥氮素利用率Table 4 Nitrogen use efficiency of spring wheat under the different nitrogen fertilizer managements

2.4 氮肥管理對土壤養(yǎng)分的影響

土壤肥力高低是影響農(nóng)作物產(chǎn)量重要因素之一。土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量是衡量土壤肥力重要指標（見表5）。春小麥苗期，CF（常規(guī)施肥）和N1處理0~10 cm土層土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮含量顯著高于其他處理，N1和N2處理銨態(tài)氮含量顯著高于CF和N3處理，N2和N3處理硝態(tài)氮含量顯著高于CF和N1處理；10~30 cm土層，各處理間土壤有機質(zhì)和硝態(tài)氮含量無明顯差異，CF和N1處理土壤全氮和堿解氮含量顯著高于N2和N3處理，土壤銨態(tài)氮含量N1處理顯著高于其他處理。

春小麥成熟期，0~10 cm土層，土壤有機質(zhì)和銨態(tài)氮含量CF、N1和N2處理之間無明顯差異，但顯著高于N3處理；全氮含量CF和N3處理顯著高于N1和N2處理；堿解氮各處理間差異顯著，N1>CF>N2>N3；硝態(tài)氮含量各處理之間差異不顯著。10~30 cm土層，各處理間土壤有機質(zhì)和全氮含量無顯著差異；土壤堿解氮含量N1和N2處理顯著高于CF和N3處理；土壤銨態(tài)氮含量N1處理顯著高于其他處理，而土壤硝態(tài)氮含量N1處理顯著低于CF和N2處理，但高于N3處理。整體而言，與常規(guī)施肥相比，有機肥替代25%化肥氮一次性施肥更有利于提高土壤養(yǎng)分。

表5 不同氮肥管理下麥田土壤養(yǎng)分含量變化Table5 Changesof soil nutrientscontent in spring wheat fieldsunder thedifferent nitrogen fertilizer managements

2.5 春小麥產(chǎn)量與其構(gòu)成要素、植株氮累積、土壤養(yǎng)分和氮素利用率關(guān)系

不同施氮水平下，春小麥產(chǎn)量與其構(gòu)成要素（千粒重、穗數(shù)和穗粒數(shù)）、春小麥植株以及不同部位氮素積累量、土壤養(yǎng)分含量以及氮素利用率冗余分析見圖1。單株穗粒數(shù)和籽粒氮素積累量與對產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，植株氮素積累量和穎殼氮素積累量與產(chǎn)量呈正相關(guān)，春小麥千粒重和莖稈氮素積累量與產(chǎn)量正相關(guān)不顯著，而單位面積上春小麥穗數(shù)與產(chǎn)量呈顯著負相關(guān)（見圖1a）。5月1日0~10 cm土層土壤全氮、銨態(tài)氮、有機質(zhì)含量和7月28日0~10 cm土層土壤有機質(zhì)、堿解氮和銨態(tài)氮含量與春小麥產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)；而7月28日0~10 cm土層土壤硝態(tài)氮含量與春小麥產(chǎn)量呈顯著負相關(guān)?？傮w看，土壤有機質(zhì)、堿解氮和銨態(tài)氮含量與春小麥產(chǎn)量呈正相關(guān)，土壤硝態(tài)氮含量與小麥產(chǎn)量呈負相關(guān)（見圖1b）。氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥偏生產(chǎn)力與春小麥產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，而氮素收獲指數(shù)和氮素生理效率與春小麥產(chǎn)量之間相關(guān)性不顯著（見圖1c）。

圖1 不同氮肥管理下春小麥產(chǎn)量和其構(gòu)成要素、植株氮素積累、土壤養(yǎng)分含量及氮素利用率冗余分析Fig.1 Redundancy analysis(RDA)of spring wheat yield and yield components,nitrogen accumulation in different parts,soil nutrient content and nitrogen useefficiency of wheat under the different nitrogen fertilizer managements

3 討論

合理施用有機肥顯著增強土壤氮素轉(zhuǎn)化能力和酶活性，提高小麥產(chǎn)量[12]。倪幸和Liu等研究表明，適當施用有機肥顯著提高土壤供肥能力[13-14]，本研究發(fā)現(xiàn)，有機肥替代25%化肥氮處理，有效提高土壤中不同形態(tài)氮含量，土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量顯著提高，這是因有機肥增加土壤微生物和土壤酶數(shù)量和活性，促進氮素轉(zhuǎn)化，有利于土壤氮素向植物可吸收利用形態(tài)轉(zhuǎn)化[15]。本研究中春小麥成熟期N1、N2和N3處理土壤中，銨態(tài)氮含量總體高于硝態(tài)氮含量，這是因有機肥所含有機物質(zhì)可吸附土壤中NH4+，減緩NH4+硝化作用[16]，提高土壤中NH4+含量。由圖1b冗余分析結(jié)果可知，土壤中NH4+和堿解氮含量與春小麥產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，說明有機肥通過影響土壤中氮素向有益于春小麥吸收利用形態(tài)轉(zhuǎn)化以提高土壤供氮能力，提高春小麥產(chǎn)量。

與常規(guī)施肥（CF）相比，有機肥替代處理和有機肥替代且分2期施肥處理顯著增加春小麥產(chǎn)量，但有機替代部分化肥并分期施肥處理并未高于一次性施肥處理，這是因東北春小麥生育期較短，對氮素需求集中在拔節(jié)期到孕穗期[1,8]，有機肥對養(yǎng)分釋放緩慢，本試驗中春小麥產(chǎn)量N1>N2>N3，說明分期施肥致使大量氮肥后移，造成春小麥前期生長氮素供應(yīng)不足，無法及時提供春小麥生長所需養(yǎng)分，與一次性施肥相比降低氮素利用率，影響春小麥營養(yǎng)器官生長。本研究在等氮肥條件下，有機肥替代25%化肥氮可使有機營養(yǎng)緩慢釋放，減少前期氮素損失，而春小麥在生長中、后期對氮素需求增加，適當分期施肥可更加有效滿足春小麥生長對氮素需求，所以分兩期施肥顯著提高產(chǎn)量[17]。但有機肥替代并分3期施肥的N3處理出現(xiàn)減產(chǎn)現(xiàn)象，這是因肥料在施入土壤后經(jīng)轉(zhuǎn)化和遷移才被作物吸收利用，而短時期內(nèi)多次噴施或撒施氮肥易造成肥料損失，降低肥料利用率，分3期施肥的處理在植物吸收養(yǎng)分最關(guān)鍵抽穗期無法及時供應(yīng)氮素[18-19]，導(dǎo)致春小麥減產(chǎn)。

當有機肥替代25%化肥氮以及與分2期施肥措施相結(jié)合時，均可保證春小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，然而N1處理產(chǎn)量最高。春小麥籽粒氮素積累量和穗粒數(shù)與春小麥產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)（見圖1a），由于不同生長時期春小麥對氮素的吸收和累積能力差異明顯，吸收氮素主要器官也隨春小麥生長而改變，籽粒在成熟期成為累積氮素主要器官，且其70%氮素來自營養(yǎng)器官再分配[20-21]。本研究中與常規(guī)施肥處理相比，N1和N2處理有效改善春小麥穗部性狀，增加單位面積小麥穗粒數(shù)、籽粒氮素積累量和千粒重，在等氮施肥條件下，N1處理中籽粒氮素積累量和穗粒數(shù)顯著高于其他施肥處理，所以N1處理產(chǎn)量最高。施加有機肥改善土壤供氮能力，通過對產(chǎn)量構(gòu)成因子正向影響增加春小麥產(chǎn)量，與研究有機肥替代部分化肥可改善玉米穗部性狀和增加作物產(chǎn)量結(jié)果一致[22-23]。

N1與N2處理顯著增加氮肥利用效率，尤其使其NAE值和NPFP值增加效果最顯著（見表4），春小麥產(chǎn)量與其NAE值和NPFP值呈正相關(guān)性（見圖1c），說明施用有機肥改善土壤理化性質(zhì)，促進根系生長，抑制土壤中氮素硝化過程，減少氮素揮發(fā)損失，增加土壤有效氮含量，提高土壤供氮能力，有利于作物吸收和利用氮素[24-25]，提高氮素利用率和小麥產(chǎn)量。

本研究是在有機肥替代部分化肥基礎(chǔ)上開展分期施肥處理，與代新俊[26]和張晶[27]等研究小麥單一分期施用化肥不同，施用有機肥可提高土壤持續(xù)供給春小麥后期生長所需養(yǎng)分能力，所以有機肥替代25%化肥氮并一次性施肥處理，既保證土壤對春小麥持續(xù)供氮能力，與分期噴灑施肥處理相比又減少氮素損失，提高氮素利用率。然而有機肥替代25%化肥氮并分2期施肥處理與常規(guī)施肥處理相比也可顯著提高春小麥產(chǎn)量和氮素利用率，說明恰當分期施肥處理可發(fā)揮保肥增產(chǎn)的作用，若將部分有機肥和化肥作為秋深施肥和種肥，分層供給春小麥養(yǎng)分，可提高土壤對春小麥供氮能力，提高小麥產(chǎn)量。

4 結(jié)論

根據(jù)東北黑土區(qū)特有土壤和氣候條件，在施氮總量不變、有機肥替代25%化肥氮基礎(chǔ)上，播種前一次性施氮肥以及在播種前與拔節(jié)期分2期施氮肥均可有效提高春小麥產(chǎn)量，而在播種前、拔節(jié)期和孕穗期分3期施肥則未能及時提供春小麥所需氮素營養(yǎng)，降低春小麥產(chǎn)量和氮素利用率。綜合分析，建議在有機肥替代25%化肥氮基礎(chǔ)上，有機肥和化肥在播種前一次性施入，更有利于增加春小麥產(chǎn)量，提高氮素利用率，增加經(jīng)濟效益。