農(nóng)田施氮對冬小麥產(chǎn)量、根-冠氮素積累及其利用效率的影響

王麗芳，康 娟，馬 耕，王家瑞，申圓心，劉世潔，王晨陽

(河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/國家小麥工程技術(shù)研究中心，河南鄭州 450046)

小麥是我國重要的糧食作物，對于保障國家糧食安全至關(guān)重要?！秶屹|(zhì)量興農(nóng)戰(zhàn)略規(guī)劃(2018—2022年)》中明確提出要加快農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，推進化肥減量增效行動，提高主要農(nóng)作物化肥利用率[1]?，F(xiàn)階段小麥生產(chǎn)目標已經(jīng)由產(chǎn)量為主向高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、綠色、高效、生態(tài)、安全等多目標協(xié)同發(fā)展，增產(chǎn)與資源高效利用并重。我國氮肥用量占世界氮肥消耗總量的29%，但是氮肥當季利用率僅為30%～35%[2-4]。氮素積累是同化物合成和積累的基礎(chǔ)，氮肥運籌對小麥根-冠氮素積累和籽粒產(chǎn)量有明顯調(diào)控效應(yīng)[5]，氮素利用效率與作物干物質(zhì)生產(chǎn)和有效分配關(guān)系密切，其分配數(shù)量和方向可栽培管理調(diào)控[6]。

河南省中部地區(qū)具有較高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率，在保障國家糧食安全方面發(fā)揮著重要作用[7]。施用氮肥是提高當?shù)刈魑锂a(chǎn)量的主要措施，但為了追求高產(chǎn)，過量施氮現(xiàn)象在生產(chǎn)中非常普遍。氮肥施用過量不僅會造成資源浪費、增加生產(chǎn)成本、降低氮肥利用效率，而且會提高土壤、水質(zhì)等環(huán)境污染風險[8-11]。施用肥料能促進作物根系生長及其對土壤深處養(yǎng)分的吸收[12]。目前，針對施氮量、施氮時期、氮肥品種等方面的研究主要都集中在小麥植株地上部分，包括葉片生理、產(chǎn)量等方面[13-15]，但對不同氮肥處理下小麥產(chǎn)量和根-冠養(yǎng)分利用綜合研究仍需進一步探討。本研究以2012年以來在河南中部實施的長期定位施氮試驗為基礎(chǔ)，利用2015-2018年三個小麥生長季的試驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了冬小麥產(chǎn)量、根-冠氮素積累及其利用效率對氮肥的響應(yīng)，闡明施氮對河南省冬小麥產(chǎn)量和氮素利用的影響，以期為河南省冬小麥的高產(chǎn)高效綠色栽培提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

定位試驗始于2012年，在河南省許昌市建安區(qū)張潘鎮(zhèn)(33°59′N,113°58′E)進行，具有明顯的氮肥梯度表現(xiàn)。本地區(qū)屬于黃淮區(qū)域典型冬麥區(qū)，2015-2018年小麥3個生長季具有相似的年均降雨量(302.7、325.0和295.0 mm)和溫度(11.4、12.0和11.8 ℃)，屬于溫帶季風氣候。供試土壤0～20 cm土壤中全氮含量0.72 g·kg-1，有機質(zhì)含量13.04 g·kg-1，全磷含量0.79 g·kg-1，全鉀含量6.58 g·kg-1，容重 1.39 g·cm-3，pH 7.11。冬小麥-夏玉米輪作是當?shù)刂饕姆N植方式，長期定位試驗中不同生長季作物管理措施一致。

供試冬小麥品種矮抗58。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置0、180、240和300 kg·hm-24個施氮水平，分別用N0、N180、N240和 N300表示，設(shè)3個重復(fù)，小區(qū)面積為110 m2(10 m× 11 m)。適墑機播，播種量為187.5 kg·hm-2。冬小麥于10月上旬播種，第二年5月下旬收獲。小麥播種時肥料全部基施，各小區(qū)均施P2O566 kg·hm-2和 K2O 72 kg·hm-2。采用常規(guī)大田耕作方式，秸稈全部粉碎還田，播前翻耕除病蟲草害，小麥生長季無追肥并根據(jù)土壤墑情進行灌溉。

1.2 測定指標與方法

1.2.1 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素測定

在小麥成熟期，每小區(qū)選有代表性的3 m2植株進行室內(nèi)考種，調(diào)查其穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。收獲后測定實際產(chǎn)量。

1.2.2 生物量及氮素含量測定

在小麥成熟期，每小區(qū)選20個植株剪取地上部生物量，再用人工挖掘柱形土柱法(20×20×30 cm)進行根系采樣。地上部和根系樣品均105 ℃殺青30 min，85 ℃烘至恒重，測定干物質(zhì)量。之后分別粉碎過100目篩制成供試樣品，經(jīng)H2O4-H2O2液消煮后，用凱氏定氮法(2300 全自動定氮儀，Sweden)測定地上部和根系全氮含量，并計算其植株氮素積累量、氮肥農(nóng)學效率、氮素利用效率、百千克籽粒需氮量和氮肥偏生產(chǎn)力。

植株氮素積累量= 成熟期單株干重×成熟期單株含氮量×種植密度

氮肥農(nóng)學利用效率= (施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量

氮素利用效率= 籽粒產(chǎn)量/地上部氮素積累量

百千克籽粒需氮量= 植株地上部氮素積累量/籽粒產(chǎn)量×100

氮肥偏生產(chǎn)力= 籽粒產(chǎn)量/施氮量

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和多重比較，使用Origin 2015軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮處理對小麥株高、產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

3年試驗結(jié)果表明，與不施氮的N0處理相比，施氮處理(N180～N300)均顯著提高了小麥株高、產(chǎn)量、穗數(shù)和穗粒數(shù)(2016-2017年穗粒數(shù)除外)，3個年份施氮處理的產(chǎn)量均顯著高于N0處理，且2017-2018年度不同施氮處理間產(chǎn)量差異均顯著，并以N240處理產(chǎn)量最高(表1)。施氮明顯會降低千粒重，其中2017-2018年度千粒重隨施氮水平的增加呈顯著下降的趨勢?？傮w來看，施氮主要是通過增加穗數(shù)和穗粒數(shù)對冬小麥產(chǎn)生增產(chǎn)作用，過多施氮對小麥產(chǎn)量的邊際效應(yīng)不明顯，甚至導(dǎo)致產(chǎn)量下降。

2.2 氮肥處理對小麥根冠干物質(zhì)積累的影響

3年間各施氮處理對冬小麥根系干重、地上部干重均產(chǎn)生顯著影響。根系干重和地上部干重隨施氮量的增加均呈先升后降趨勢，N180處理下地上部干重最高，施氮處理均顯著高于N0處理，但三個施氮處理間差異均不顯著，其中3年N240和N180處理的平均根系干重與地上部干重分別提高0.76和10.30 t·hm-2(表 2)。 各施氮處理的根冠比均高于N0處理。這表明適宜施氮量有利于植株地上部和根系干物質(zhì)積累。

表2 不同氮肥處理下小麥根冠生物量及根冠比Table 2 Root-shoot biomass and root/shoot ratio of wheat under different nitrogen treatments

2.3 氮肥處理對小麥根-冠氮素積累的影響

與N0處理相比，氮肥施用可顯著提高小麥根系、籽粒、地上部及整株的氮素含量和積累量(表3)，但三個施氮處理間差異較小，基本不顯著。

表3 不同氮肥處理下小麥的氮素含量及積累量Table 3 Nitrogen content and accumulation of wheat under different nitrogen treatments

2.4 氮肥處理對小麥氮素利用的影響

不同處理間小麥的氮肥農(nóng)學利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力差異均顯著，且隨著施氮量的增加而降低。施氮對小麥的氮素利用效率和百千克籽粒吸氮量分別產(chǎn)生負向和正向效應(yīng)，但不同施氮處理間小麥的氮素利用效率均差異不顯著，百千克籽粒吸氮量差異較小，且在后兩年在不同處理間差異均不顯著。

表4 不同氮肥處理下冬小麥氮利用效率Table 4 Nitrogen use efficiency of winter wheat under different nitrogen treatments

3 討 論

氮肥是影響冬小麥產(chǎn)量的重要栽培措施。多年氮肥梯度試驗發(fā)現(xiàn)，施氮量對小麥產(chǎn)量的影響達到了顯著水平，但作物產(chǎn)量并非隨施氮量的增加而提高，反而呈現(xiàn)出報酬遞減規(guī)律。Wang等[13]通過對北方地區(qū)的主要管理措施進行了整合分析發(fā)現(xiàn)，在200～285 kg·hm-2范圍內(nèi)施氮水平顯著影響小麥產(chǎn)量、單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)，而施氮量超出此范圍后產(chǎn)量開始呈下降趨勢。本試驗中，施氮均可顯著提高小麥株高、產(chǎn)量、穗數(shù)和穗粒數(shù)，但在施氮處理間差異總體上表現(xiàn)不明顯，說明過多施氮的邊際效應(yīng)減弱或不明顯。Ladha等[16]分析認為，全球氮施用平均水平為112 kg·hm-2，亦有研究認為大多數(shù)情況下氮施用量165 kg·hm-2是小麥獲得較高產(chǎn)量的適宜水平[17]。此外，本研究中2017-2018年生長季小麥遭遇4月初晚霜凍害和收獲前陰雨寡照，導(dǎo)致產(chǎn)量、穗粒數(shù)和千粒重低于前兩年，施氮240 kg·hm-2時產(chǎn)量顯著高于其他處理，說明在逆境脅迫條件下通過增加氮素營養(yǎng)可提高產(chǎn)量。

小麥植株各器官生物量、根冠比等形態(tài)指標是影響產(chǎn)量的重要因素，施氮能增加植株生物量[18-19]。作物地上部氮素積累和根系養(yǎng)分含量與其吸收能力有關(guān)[20]。本研究結(jié)果表明，施氮會促進小麥根系、地上部的干物質(zhì)和氮素積累，但施氮處理間差異較小。2017-2018年度根系和地上部氮含量和積累量隨氮肥施用量的增加而提高，3年間籽粒氮含量和積累量均以N180處理最高，說明適量施氮可促進小麥植株氮素積累，有利于提高籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量，改善品質(zhì)[21]。

氮肥農(nóng)學利用效率和偏生產(chǎn)力是用來表示氮素利用效率的常用定量指標，可從不同的側(cè)面描述作物對氮肥的利用情況[22]。本試驗中，不同處理間氮肥農(nóng)學利用效率和偏生產(chǎn)力差異均顯著，且隨施氮量增加而降低，施氮對氮素利用效率和百千克籽粒吸氮量分別產(chǎn)生負向和正向效應(yīng)。符小文等在冬小麥-夏大豆周年輪作體系下對氮利用特征進行了分析，結(jié)果表明，在前茬小麥季施氮的基礎(chǔ)上，夏大豆當季氮素利用效率及NPFP均隨當季施氮量的增加而降低[4]；雒文鶴等[23]對西北地區(qū)不同水氮處理下冬小麥百千克籽粒吸氮量進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其吸氮量隨氮梯度增加而增加。本研究中不同施氮處理間氮素利用效率差異不顯著，百千克籽粒吸氮量差異較小。綜合氮肥利用和產(chǎn)量特征，從降低成本角度考慮，本試驗條件下施氮180 kg·hm-2即可在獲得較高產(chǎn)量的同時，使氮肥利用能力提高。