氮密調(diào)控對冬小麥籽粒產(chǎn)量及氮素利用效率的影響

劉衛(wèi)星，張文杰，王家瑞，馬 耕，康 娟，王晨陽

（1河南省科學技術發(fā)展戰(zhàn)略研究所，鄭州450008；2河南農(nóng)業(yè)大學，鄭州450002；3許昌市建安區(qū)農(nóng)業(yè)技術推廣中心，河南許昌461002）

0 引言

河南省是國內(nèi)冬小麥的重要產(chǎn)區(qū)，小麥種植面積和總產(chǎn)量均位于全國第一，對保障糧食安全具有舉足輕重的作用[1-3]。然而，為了極端追求高產(chǎn)，化肥的過量使用導致土壤性狀板結(jié)，作物品質(zhì)下降且對環(huán)境造成嚴重污染不利于維持生態(tài)平衡。因此，如何提高單位面積的小麥生產(chǎn)力和維持生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是一個廣泛關注的熱點難題。

小麥籽粒產(chǎn)量的形成是個體與群體關系相互協(xié)調(diào)、器官生長發(fā)育和物質(zhì)生產(chǎn)積累相結(jié)合的復雜過程。種植密度和氮肥會改變小麥對環(huán)境資源的競爭力因而影響個體的生育和群體的發(fā)展，進而影響小麥對太陽光能的利用，最終影響產(chǎn)量。研究表明，耕地面積減少，可通過增加單位面積種植密度來提高冬小麥的籽粒產(chǎn)量。增加播量能提高成穗數(shù)，增加施氮量能提高有效分蘗，兩者對提高產(chǎn)量具有積極作用[4-6]。密度適宜，個體健壯，群體質(zhì)量高，個體和群體在一定的時間和空間范圍內(nèi)協(xié)調(diào)生長，可得到穗、粒、重的最佳組合，從而獲得較高的產(chǎn)量[7]。

氮素是冬小麥生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素，也是作物產(chǎn)量的最重要的營養(yǎng)限制因子，合理利用氮肥可以使冬小麥籽粒產(chǎn)量增產(chǎn)45%左右[8]。增加施肥能顯著提高冬小麥籽粒產(chǎn)量，施肥量達到某一臨界值時，產(chǎn)量無明顯增長的趨勢，從而導致肥料利用率過低[9]。大量投入的氮肥在提高產(chǎn)量、農(nóng)民經(jīng)濟收益方面有很大幫助，但也給環(huán)境帶來了極大的影響，施用氮肥量過高造成的經(jīng)濟損失和環(huán)境問題也越來越嚴重[10]。合理增施氮肥對小麥干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運有正向調(diào)控作用，能夠促進花前積累干物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，增加花后干物質(zhì)積累量，有利于產(chǎn)量的提高[11-12]。

隨著栽培技術的發(fā)展，降低施氮量和增加種植密度是現(xiàn)代化小麥生產(chǎn)實現(xiàn)高產(chǎn)質(zhì)和高氮素利用效率較為經(jīng)濟環(huán)保的途徑[13-14]。本研究在長期定位試驗的基礎上，研究了種植密度和施氮對冬小麥的產(chǎn)量和氮素利用效率的影響，旨在探明產(chǎn)量和氮素資源利用效率同步提高的最佳施氮量和種植密度，為制定合理的栽培措施、實現(xiàn)高產(chǎn)高效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

自2012年麥播開始，在許昌縣建安區(qū)農(nóng)業(yè)技術推廣中心試驗示范基地進行小麥-玉米氮密調(diào)控定位試驗，供試小麥品種為‘矮抗58’，土類為潮土，前茬為玉米。試驗采取兩因素裂區(qū)設計，主區(qū)為種植密度，副區(qū)為施氮量。密度設置3個水平，播種量分別為 112.5 kg/hm2(D1)、150 kg/hm2(D2)、187.5 kg/hm2(D3)；施氮量設置4個水平，分別為不施氮(N0)、施氮180 kg/hm2(N1)、施氮 240 kg/hm2(N2)、施氮300 kg/hm2(N3)。小區(qū)面積40 m2，行距20 cm，3次重復。每公頃施磷肥(P2O5)150 kg、鉀肥(K2O)120 kg。小麥季氮肥按照6:4分基肥底施和拔節(jié)期追施2次施用，磷鉀肥作為基肥一次性施用，其他管理同一般高產(chǎn)麥田。本研究取樣調(diào)查年份為2017—2018年。施基肥前測定各氮肥處理0～ 20 cm耕層土壤基礎養(yǎng)分見表1。

表1 試驗年度試驗田播種前耕層土壤養(yǎng)分含量

1.2 測定項目與方法

1.2.1 群體調(diào)查 每小區(qū)選取長勢均勻一致的1 m雙行定點區(qū)域進行群體動態(tài)調(diào)查，調(diào)查時期分別為出苗期、越冬期、拔節(jié)期、抽穗期、開花期和成熟期。

1.2.2 干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運 在開花期，各處理均選擇開花時間一致和穗型、莖高相近的單莖掛牌標記。于開花期、成熟期，每個處理取30個單莖，105℃下殺青20 min，70℃烘干至恒重，稱取干重。干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運計算[13]如式(1)～ (4)。

1.2.3 氮效率指標 計算如式(5)～ (6)。

1.2.4 籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成測定 成熟期對每小區(qū)內(nèi)1 m雙行進行考種分析，調(diào)查穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，每小區(qū)實收6 m2，脫粒、風干、稱重，按含水量12.5%折算成實際籽粒產(chǎn)量。

1.2.5 統(tǒng)計分析方法 采用SPSS 17.0和Microsoft Excel 2013軟件進行統(tǒng)計分析。利用方差分析(ANOVA)對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，比較各處理之間的差異顯著性(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥與密度對冬小麥群體動態(tài)的影響

由圖1可知，隨著小麥生育期推進，冬小麥群體莖蘗數(shù)呈先升高后降低趨勢，在拔節(jié)期達到高峰。同一種植密度下，隨著施氮肥水平的增加，冬小麥群體數(shù)量呈現(xiàn)升高的趨勢，其中施氮300 kg/hm2(N3)下冬小麥群體莖蘗數(shù)達到最高值。進一步方差分析表明，盡管施氮300 kg/hm2(N3)的小麥群體莖蘗數(shù)略大于施氮240 kg/hm2(N2)，但差異不顯著，表明在施氮240 kg/hm2后，施氮肥水平的增加對小麥群體莖蘗數(shù)增幅貢獻度較小。

圖1 氮肥與密度對冬小麥群體動態(tài)的影響

2.2 氮肥與密度對冬小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運的影響

由表2可知，在同一種植密度下，除N0處理外，花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量、花前貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率及其對籽粒的貢獻率均隨施氮量的增加而提高?；ê蠊夂贤恳约皩ψ蚜５呢暙I率均隨施氮量的增加而先增加后降低，施氮處理顯著高于N0處理，N1處理花后干物質(zhì)對籽粒的貢獻率均處于較高水平。在同一施氮水平下，各種植密度處理間對花后干物質(zhì)和對籽粒的貢獻率無顯著差異。在N1處理下，隨種植密度的增加，花后干物質(zhì)對籽粒的貢獻率降低，說明在施氮條件限制下，增加種植密度不利于提高花后干物質(zhì)對籽粒的貢獻率。

表2 氮肥與密度對冬小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運的影響

2.3 氮肥與密度對冬小麥氮肥農(nóng)學利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力的影響

由圖2可知，增加種植密度能增加冬小麥氮肥農(nóng)學利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。隨施氮量的增加，氮肥農(nóng)學利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力顯著降低，與N1處理相比，N2、N3處理的氮肥農(nóng)學利用效率和偏生產(chǎn)力分別降低了13.7%、35.2%和20.4%、32.5%。

圖2 氮肥與密度互作對冬小麥氮肥農(nóng)學利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力的影響

2.4 氮肥與密度對冬小麥產(chǎn)量的影響

由表3可知，穗數(shù)隨著種植密度和施氮量的增加而增加。穗粒數(shù)隨施氮量的增加而增多，但隨著種植密度的增大而降低。千粒重隨種植密度和施氮量的增加而降低。種植密度和施氮水平顯著影響小麥籽粒產(chǎn)量；在同一施氮水平下，籽粒產(chǎn)量隨種植密度的增加先提高后降低；在同一種植密度下，籽粒產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，較不施氮處理(N0)，N1、N2和N3分別增加了68.3%、78.6%和73.8%，施氮量由N2(240 kg/hm2)增加到N3(300 kg/hm2)時，籽粒產(chǎn)量不再增加。氮肥和種植密度存在互作效應，以D2N2產(chǎn)量最高。

表3 氮肥與密度互作對冬小麥籽粒產(chǎn)量的影響

3 結(jié)論

合理的氮肥施用量及種植密度可提高花后干物質(zhì)對籽粒的貢獻率、協(xié)調(diào)產(chǎn)量構(gòu)成因素，從而提高籽粒產(chǎn)量。適宜的氮肥水平和種植密度組合（氮肥施用量為240 kg/hm2，種植密度為150 kg/hm2）能同時獲得較高的籽粒產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力。氮肥水平與種植密度對小麥籽粒產(chǎn)量具有顯著的交互效應，降低施氮量對小麥產(chǎn)量和氮效率的負面影響可以通過適當提高種植密度來抵消。

4 討論

4.1 適宜的氮肥用量和種植密度通過調(diào)控群體結(jié)構(gòu)和物質(zhì)轉(zhuǎn)運來提高小麥籽粒產(chǎn)量

不同種植密度對小麥籽粒產(chǎn)量和氮肥農(nóng)學利用效率有顯著影響。趙雙等[15]研究表明，水稻產(chǎn)量隨種植密度的增加而升高，但超過適宜密度后會下降。本試驗條件下，種植密度為150.0 kg/hm2時冬小麥籽粒產(chǎn)量最高。施氮量增加，氮肥農(nóng)學利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力均顯著降低。提高種植密度，氮肥農(nóng)學利用效率增加，何虎等[16]研究認為，適宜的栽植密度增加了有效群體數(shù)量，進而提高了有效穗數(shù)以及小麥對光照的吸收和對土壤養(yǎng)分的利用，從而增加產(chǎn)量和氮肥利用。冬小麥的增產(chǎn)效應既取決于種植密度和氮肥，也受種植密度和氮肥之間的互作效應影響。因此，提高小麥產(chǎn)量需要以合理的種植密度和氮肥施用量為基礎[17]。建立合理的群體結(jié)構(gòu)，合理解決群體發(fā)展與個體發(fā)育矛盾，充分利用光能和地力，是達到高產(chǎn)高效低消耗的根本途徑。通過調(diào)節(jié)種植密度可以有效控制冬小麥群體結(jié)構(gòu)，使單位面積穗數(shù)與穗粒數(shù)、千粒重的關系互相協(xié)調(diào)，從而獲得高產(chǎn)[18-19]。張均華[20]研究表明，不施氮處理物質(zhì)轉(zhuǎn)運對籽粒貢獻率整體較高，說明氮肥虧缺時，營養(yǎng)器官中的同化物會盡量向籽粒轉(zhuǎn)移，而氮肥過量時，營養(yǎng)器官物質(zhì)轉(zhuǎn)運對籽粒貢獻率并沒有明顯提升。本研究在長期定位試驗條件下，花前對籽粒的貢獻率在不施氮處理(N0)條件下最高，花前物質(zhì)轉(zhuǎn)運率和對籽粒的貢獻率隨著施氮量的增加而增加，而花后干物質(zhì)積累量對于籽粒的貢獻率下降。

4.2 適宜的氮肥用量和種植密度協(xié)同提高冬小麥產(chǎn)量和氮肥利用效率

增施氮肥對穗數(shù)和穗粒數(shù)有正效應[21]。束林華等[22]指出，小麥的產(chǎn)量和穗數(shù)與施氮量呈二次曲線關系，在0～ 180 kg/hm2內(nèi)增加施氮量，能夠促進分蘗，提高成穗率，但過大的施氮量會導致群體質(zhì)量下降，有效穗數(shù)降低，不利于產(chǎn)量的增加。胡文靜等[23]指出施氮量在180～ 270 kg/hm2范圍內(nèi)增加時，小麥穗數(shù)增加顯著，施氮量在270～ 360 kg/hm2范圍內(nèi)增加時，產(chǎn)量對施氮量的響應鈍化，使產(chǎn)量增幅下降。本試驗結(jié)果表明，在同一種植密度下，產(chǎn)量隨施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在施氮量為240 kg/hm2條件下產(chǎn)量較高，與前人研究結(jié)論一致。氮肥施用量是否合理的主要表現(xiàn)是氮肥利用效率的高低，晏娟等[24]研究表明，隨施氮量的增加，冬小麥氮素表觀利用率、生理效率與農(nóng)學效率逐漸下降。本試驗條件下，在相同的氮肥施用量條件下，種植密度增加，氮肥利用效率增加，但種植密度達到187.5 kg/hm2，氮肥利用效率降低。在同一種植密度下，氮肥利用效率隨著施氮量的增加顯著下降。種植密度和施氮量對小麥籽粒產(chǎn)量、氮素累積及其利用率的影響不僅在于兩者本身，還存在于播種量和施氮量的交互作用。播種密度和施氮量在一定范圍內(nèi)會相互配合，互相促進[25]。

施氮量和種植密度均顯著影響冬小麥的生長發(fā)育，進而影響小麥群體數(shù)量、花前后貯藏干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運量及對籽粒產(chǎn)量的貢獻率、氮肥利用效率以及產(chǎn)量形成相關指標，進而影響著冬小麥的產(chǎn)量。較高的施氮量和種植密度可以維持小麥群體數(shù)量和花前貯藏干物質(zhì)的積累轉(zhuǎn)運量，但過高的施氮量不利于花后貯藏干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運量及對籽粒產(chǎn)量的貢獻率。施氮量和種植密度對小麥產(chǎn)量和氮效率也有顯著影響，降低施氮量對小麥產(chǎn)量和氮效率的負面影響可以通過適當提高種植密度來抵消。氮肥施用量減少（從300 kg/hm2減少至240 kg/hm2）造成的單位面積產(chǎn)量下降可以通過提高種植密度來補償。同時，在合理施氮條件下，提高種植密度（由112.5 kg/hm2增加到150 kg/hm2），可顯著提高產(chǎn)量。因此，合理的施氮量和密度組合有利于減少氮肥用量和提高小麥產(chǎn)量，推薦施氮量240 kg/hm2配合種植密度150 kg/hm2，可進一步提高小麥籽粒產(chǎn)量和氮素利用效率。