氮肥對(duì)豆茬冬小麥氮素利用及產(chǎn)量的影響

范合琴，楊冰美，連延浩，杜飛波，任永哲，辛澤毓，王志強(qiáng)，林同保

(1.焦作市土壤肥料工作站，河南焦作 454150； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南鄭州 450046)

小麥(Triticumaestivum)是我國(guó)主要糧食作物之一，氮肥管理是冬小麥綠色生產(chǎn)的重要一環(huán)，最優(yōu)施氮量會(huì)受到地區(qū)氣候特征、前茬作物、土壤養(yǎng)分狀況、目標(biāo)產(chǎn)量等因素的影響。低效的施氮方案會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失和潛在的負(fù)面生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，包括硝酸鹽淋洗、溫室氣體排放和水體富營(yíng)養(yǎng)化等[1-3]。在不同種植制度下，根據(jù)前茬作物類型優(yōu)化施氮策略有助于提高作物生產(chǎn)的盈利能力和養(yǎng)分利用效率[4-7]，是綠色高效農(nóng)業(yè)的重要組成部分。

已有研究表明，豆科作物與禾本科作物輪作具有明顯的增產(chǎn)作用[8]，這與豆科作物根系共生根瘤菌進(jìn)行生物固氮密切相關(guān)。Yusuf等[9]利用氮平衡法研究了玉米與大豆、豇豆輪作，指出豆科作物輪作的氮效應(yīng)為124～279 kg·hm-2。豆科作物根際沉積氮高于禾本科作物，輪作系統(tǒng)中禾本科作物吸收的氮有30%左右是來自于前茬豆科作物的根際沉積氮[10-11]。因此，在禾本科作物連作種植體系中引入豆科作物，能夠降低后茬作物氮肥投入，提升氮素利用效率[12-13]，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

黃淮海平原是典型的一年二熟區(qū)，小麥-玉米復(fù)種連作是該區(qū)域農(nóng)田常年采用的主要種植制度，在近些年中央一號(hào)文件提出的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、大豆振興計(jì)劃等背景下，積極探索新型麥-豆復(fù)種模式在該區(qū)域的適應(yīng)性研究，部分替代麥-玉模式，對(duì)于進(jìn)一步加強(qiáng)區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和穩(wěn)定性及響應(yīng)國(guó)家糧食產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和戰(zhàn)略布局具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?，F(xiàn)有的冬小麥?zhǔn)┑?yīng)研究大多集中于玉米茬口，有關(guān)大豆茬口下的冬小麥?zhǔn)┑?yīng)的報(bào)道相對(duì)較少。本研究以玉米茬口為對(duì)照，重點(diǎn)研究大豆茬口下施氮量對(duì)冬小麥植株氮素利用效率以及產(chǎn)量形成的影響，以期為黃淮海地區(qū)麥-豆復(fù)種模式的推廣應(yīng)用及適應(yīng)性評(píng)價(jià)提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2017-2018年在河南省原陽(yáng)縣(35°7′1″N、113°57′22″E)進(jìn)行，該區(qū)域主要以一年二熟制為主。冬小麥生育期內(nèi)月平均氣溫和降雨量分布情況見圖1。供試土壤類型為沙壤土，夏季作物播前0～20 cm土壤含硝態(tài)氮7.21 mg·kg-1、有效磷20.62 mg·kg-1、速效鉀 121.68 mg·kg-1，不同茬口冬小麥播前0～40 cm土層基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 冬小麥播前0～40 cm土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分Table 1 Soil basic nutrients at 0-40 cm before wheat sowing

圖1 2017-2018年小麥生育期原陽(yáng)縣月降水量和平均溫度Fig.1 Distribution of monthly precipitation and air temperature at Yuanyang County during the winter wheat growing season of 2017-2018

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為茬口，包括玉米茬口(M)和大豆茬口(S)；副區(qū)為4個(gè)氮肥水平，分別為N0(0 kg·hm-2)、N1(180 kg·hm-2)、N2(240 kg·hm-2)和N3(300 kg·hm-2)，共計(jì)8個(gè)處理。氮肥按照基追比1∶1施入，各處理的磷肥和鉀肥均以基肥120 kg·hm-2一次性施入。小區(qū)面積為8 m×6 m，重復(fù)3次。試驗(yàn)用氮肥為尿素(N 46.4%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O516%)，鉀肥為氯化鉀(K2O 60%)。

前茬玉米品種為浚單20，播種行距60 cm，株距25 cm；前茬大豆品種為中黃19，行距30 cm，株距16 cm。玉米和大豆于2017年6月8日采用免耕機(jī)具直播，整個(gè)生育期不進(jìn)行施肥和灌溉，10月5日收獲，玉米和大豆秸稈均粉粹后翻耕還田。冬小麥品種選用豫農(nóng)211，播前進(jìn)行旋耕，于2017年10月20日播種，播量150 kg·hm-2，2018年5月31日收獲。小麥季各處理的灌溉量保持一致，分別在越冬期和返青期灌水900 m3·hm-2，其他田間管理同當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶一致。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

于冬小麥拔節(jié)期、開花期、灌漿期和成熟期，分別在各小區(qū)取具有代表性10 cm雙行長(zhǎng)的冬小麥植株，分部位(莖鞘、葉片、穗軸+穎殼、籽粒)后置于烘箱105 ℃殺青30 min，75 ℃至恒重，計(jì)算干物質(zhì)積累量。烘干的樣品用粉粹機(jī)磨碎后過0.55 mm篩，用凱氏定氮法測(cè)定全氮含量。

在小麥?zhǔn)斋@期，每小區(qū)取具有代表性的 0.667 m2樣方，3次取樣，調(diào)查成穗數(shù)并將籽粒脫粒后風(fēng)干稱重，計(jì)算產(chǎn)量。

參照cox等[14]的方法，計(jì)算小麥及氮素相關(guān)指標(biāo)，具體公式如下：

氮積累量=氮含量×干物質(zhì)積累量

花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量(NTA)=開花期植株氮素積累量—成熟期營(yíng)養(yǎng)器官氮素積累量

花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)效率(NTE)= NTA/開花期植株氮素積累量×100%

花前氮對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)率(BNCP)= NTA/成熟期籽粒氮積累量×100%

花后氮素積累量(NAA)=成熟期籽粒氮積累量-NTA

花后對(duì)籽粒氮的貢獻(xiàn)率(ANCP)=NAA/成熟期籽粒氮積累量×100%

根據(jù)下式計(jì)算表征氮肥利用的相關(guān)指標(biāo)：

氮肥利用率(NUR)=(施氮處理氮積累量-不施氮處理氮積累量)/施氮量

氮肥生理效率(NUE)=(施氮處理籽粒產(chǎn)量-不施氮處理籽粒產(chǎn)量)/氮積累量

氮素收獲指數(shù)(NHI)=籽粒氮素積累量/植株地上部氮素積累量

氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)= 施氮處理產(chǎn)量/施氮量

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)采用SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Duncan法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，利用Excel進(jìn)行圖表繪制。通過數(shù)據(jù)分析，構(gòu)建增施氮肥與植株氮素吸收與小麥產(chǎn)量的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)方程模型，運(yùn)用R語(yǔ)言中的lavvan包中的sem程序?qū)煞N茬口下的結(jié)構(gòu)方程模型的路徑系數(shù)和參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，并進(jìn)行圖形可視化。

2 結(jié)果分析

2.1 植株干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)

冬小麥干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)在不同茬口和氮肥處理下表現(xiàn)有所不同(圖2)。隨著施氮量的增加，植株干物質(zhì)的積累速率和總積累量呈增加趨勢(shì)，當(dāng)施氮量超過N2(240 kg·hm-2)后，干物質(zhì)積累量增加不顯著。不同氮肥水平下的茬口效應(yīng)有所不同，與玉米茬口比較，大豆茬口顯著促進(jìn)了不施氮處理小麥生育后期的干物質(zhì)積累量(P< 0.05)，干物質(zhì)積累總量增加了21.6%，在其他施氮水平下兩種茬口間的差異不顯著。由表2可知，茬口對(duì)干物質(zhì)積累速率影響不顯著，施氮量對(duì)兩個(gè)階段干物質(zhì)積累速率有極顯著影響(P< 0.01)；茬口與施氮水平對(duì)兩個(gè)階段干物質(zhì)積累速率存在顯著互作效應(yīng)(P<0.05)。大豆茬口較玉米茬口顯著促進(jìn)了不施氮處理下冬小麥全生育期的干物質(zhì)積累速率，平均增幅為27.3%；而在開花至灌漿期，玉米茬口顯著提高了N2和N3施氮量下小麥干物質(zhì)積累速度，增幅為18.6%和13.7%。

表2 不同茬口和施氮量下冬小麥干物質(zhì)積累速率Table 2 Dry matter accumulation rate of wheat under different stubble and nitrogen treatments kg·hm-2·d-1

圖2 不同茬口和施氮量下2017-2018年冬小麥干物質(zhì)積累量Fig.2 Dry matter accumulation of winter wheat in 2017-2018 under different nitrogen application rates and stubbles

2.2 植株不同部位氮素的積累特征

由表3可知，施氮量對(duì)小麥各生育階段不同部位的氮素積累量具有極顯著影響(P<0.01)，總體表現(xiàn)為施氮促進(jìn)提高效果；而茬口對(duì)拔節(jié)期小麥莖鞘、開花和成熟期葉片氮素積累量影響顯著(P<0.01)，茬口和施氮量對(duì)籽粒氮素積累量具有顯著互作效應(yīng)。相較于玉米茬口，大豆茬口拔節(jié)期莖鞘氮素積累量平均提高32.5%，在開花期和成熟期葉片氮素積累量分別提高22.8%和27.3%，差異均顯著；在成熟期籽粒氮素積累量在不施氮和180 kg·hm-2施氮水平下分別提高32.1%和9.5%，差異均顯著，而在240和300 kg·hm-2施氮量下，分別降低了3.9%(P> 0.05)和13.7%(P<0.05)。

表3 不同茬口和施氮量下冬小麥植株不同部位的氮素積累動(dòng)態(tài)Table 3 Nitrogen accumulation dynamic of different wheat organs under different stubble and nitrogen treatments kg·hm-2

2.3 植株氮素轉(zhuǎn)運(yùn)和利用特征

茬口和施氮量對(duì)冬小麥氮素轉(zhuǎn)運(yùn)特征指標(biāo)均有顯著或極顯著影響，兩者對(duì)花后氮素積累量存在極顯著的互作效應(yīng)(表4)。總體來看，適當(dāng)增施氮肥能顯著提高花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量和花后氮素積累量，進(jìn)而增加籽粒氮素積累量；與玉米茬口相比，豆茬小麥的花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量顯著增加(P< 0.01)，增加了8.4%，但花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)效率顯著降低(P<0.05，4.4%)，花后氮素積累量及其對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率均顯著降低(P<0.05)，分別降低了8.9%和7.2%。不同施氮量下茬口對(duì)小麥花后氮素積累量的影響有所不同，大豆茬口顯著提高了0、180 kg·hm-2施氮量下小麥植株花后氮素積累量，分別較玉米茬口提高了34.5%和 13.6%，而當(dāng)施氮量高于240 kg·hm-2后，則玉米茬口顯著高于大豆茬口。

表4 不同茬口和施氮量下冬小麥的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)特征Table 4 Nitrogen transport parameters under different stubble and nitrogen treatments

2.4 產(chǎn)量及氮素利用特征

由表5可知，施氮肥對(duì)冬小麥的籽粒產(chǎn)量及氮素利用特征參數(shù)影響均達(dá)到顯著水平，茬口對(duì)NHI、NUR和NUE的影響達(dá)到顯著水平，茬口和施氮交互作用對(duì)籽粒產(chǎn)量、NHI和NPPE有顯著影響。不同施氮水平對(duì)產(chǎn)量的效應(yīng)有所不同，在N0和N1水平下，大豆茬口較玉米茬口顯著提高了的冬小麥籽粒產(chǎn)量，分別提高了25.8%和13.1%，當(dāng)施氮量超過180 kg·hm-2(N2和N3處理)，豆茬小麥的籽粒產(chǎn)量及氮素利用效率相關(guān)指標(biāo)均低于玉米茬口，在施氮量為300 kg·hm-2水平下，相較于玉米茬口，豆茬小麥的產(chǎn)量、NUR、NUE和NHI分別降低了 13.9%、29.7%、4.2%和3.6%，前3個(gè)指標(biāo)二者間差異顯著。

表5 不同茬口和施氮量下冬小麥產(chǎn)量及氮素利用特征Table 5 Nitrogen utilization parameters and yield under different stubble and nitrogen treatments

2.5 不同茬口下施氮量對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響的路徑分析

通過對(duì)氮素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)以及利用特征的分析，發(fā)現(xiàn)茬口主要影響氮素的積累量。因此，構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的氮肥影響作物籽粒產(chǎn)量的模型(圖3)?？梢钥闯?，大豆茬口下施氮量對(duì)籽粒產(chǎn)量的效應(yīng)為0.73(0.93×0.79)，明顯低于玉米茬口的0.93(0.98×0.95)，其中氮素積累量對(duì)籽粒產(chǎn)量的效應(yīng)表現(xiàn)為大豆茬口弱于玉米茬口，這與兩種茬口下施氮效應(yīng)不同有關(guān)。

圖3 不同茬口下施氮量對(duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量的路徑圖Fig.3 Diagrams of winter wheat yield with different nitrogen applications under different stubble treatments

3 討 論

由于不同作物的生物學(xué)特性差異，其對(duì)土壤養(yǎng)分、土壤微生物群落的影響不同，進(jìn)而產(chǎn)生茬口效應(yīng)影響后茬作物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用以及產(chǎn)量形成[15-16]。本試驗(yàn)表明，冬小麥生長(zhǎng)、氮素積累及產(chǎn)量對(duì)施氮量的響應(yīng)存在茬口效應(yīng)，主要表現(xiàn)為大豆茬口顯著促進(jìn)了不施氮和低氮肥(180 kg·hm-2)投入水平下冬小麥的產(chǎn)量及氮素積累，這一方面與豆科作物生物固氮對(duì)土壤氮素的消耗低于玉米有關(guān)，導(dǎo)致大豆茬口下的基礎(chǔ)養(yǎng)分高于玉米茬口(表1)；另一方面可能與豆茬效應(yīng)形成的氮相關(guān)土壤微生物區(qū)系及根系分泌物等有關(guān)，提高了土壤中氮素的礦化，相關(guān)的有益微生物更豐富，提升了土壤的供氮能力[17-18]。隨著施氮量的增加，其對(duì)小麥氮素同化和產(chǎn)量無益，這與大多數(shù)氮肥試驗(yàn)的研究結(jié)果基本類似[19- 20]。本研究發(fā)現(xiàn)，在施氮量高于240 kg·hm-2后，冬小麥的氮肥增產(chǎn)效果不明顯，甚至顯著減產(chǎn)，且大豆茬口的減產(chǎn)程度要大于玉米茬口，這表明大豆茬口下冬小麥的最佳產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的施氮量要低于玉米茬口[21]，結(jié)合大豆茬口氮肥利用效率特征的表現(xiàn)，綜合分析認(rèn)為，相較于玉米茬口，大豆茬口下冬小麥的施氮量應(yīng)適當(dāng)降低，本研究認(rèn)為不應(yīng)高于240 kg·hm-2，否則可能會(huì)產(chǎn)生顯著的減產(chǎn) 效應(yīng)。

籽粒氮素的積累量由花后氮素積累和花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)兩個(gè)過程共同決定。本研究表明，施氮量對(duì)氮素的吸收及花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率均有顯著影響，隨著施氮量的增加氮素的積累量成拋物線式增長(zhǎng)，而花前氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)率呈降低趨勢(shì)，這與前人氮肥相關(guān)研究結(jié)果一致[22]。通過茬口效應(yīng)的分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施氮量低于180 kg·hm-2，大豆茬口主要是通過提高花后氮素的積累量來提高籽粒氮素的積累量，在施氮量達(dá)到300 kg·hm-2，豆茬冬小麥的產(chǎn)量、氮素積累及轉(zhuǎn)運(yùn)效率均顯著低于玉米茬口，這表明大豆茬口對(duì)高氮的耐受力不如玉米茬口，總體表現(xiàn)為“低氮促進(jìn)，高氮抑制”。我們發(fā)現(xiàn)，大豆茬口的花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率和氮素生理效率均低于玉米茬口，這表明本試驗(yàn)條件下大豆茬口并未改變冬小麥氮素吸收的生理機(jī)制和效率，這與豆-禾輪作提高了氮素等養(yǎng)分的利用效率的研究報(bào)道不太一致[13]，可能是由于本試驗(yàn)條件下大豆茬口的養(yǎng)分殘留為主導(dǎo)效應(yīng)，受制年限和土壤特性，土壤自身供氮能力的提升效應(yīng)偏弱。

氮肥利用率是衡量作物對(duì)氮肥利用情況的重要指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)，大豆茬口的氮肥利用率低于玉米茬口，推測(cè)大豆茬口下冬小麥吸收的氮素主要是來自于土壤氮素，這從不施氮肥處理下的氮素積累量在茬口間的表現(xiàn)也可以證實(shí)。大豆茬口促進(jìn)冬小麥生長(zhǎng)季土壤氮素供應(yīng)的微生態(tài)機(jī)制需要通過測(cè)定土壤相關(guān)功能微生物的演替規(guī)律以及與根系的互作規(guī)律來進(jìn)行揭示，有待開展進(jìn)一步的深入研究。簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)方程模型分析顯示，大豆茬口下的氮肥對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)要低于玉米茬口，也就意味著大豆茬口冬小麥對(duì)氮肥的依賴度要低于玉米茬口。因此，綜合分析認(rèn)為，相較于玉米茬口，大豆茬口能夠提高冬小麥氮虧缺條件下的生長(zhǎng)及氮素吸收，進(jìn)而起到增產(chǎn)效應(yīng)；此外，豆茬冬小麥應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)降低施氮量的策略，以獲得較好的氮肥利用效率。