施氮對冬/春小麥-夏玉米周年產(chǎn)量和氮素利用影響的研究進展

劉夢 葛均筑 楊永安 吳錫冬 侯海鵬 張垚

摘? ? 要：氮素是影響小麥、玉米生長發(fā)育和器官建成的重要營養(yǎng)元素，適量施氮可改善葉片光合性能，促進干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運及籽粒灌漿速率，提高產(chǎn)量和氮肥利用效率。生產(chǎn)中過量施氮會導致肥效降低與面源污染等生態(tài)問題，優(yōu)化減氮協(xié)同能提高產(chǎn)量和肥料利用率。本文從冬/春小麥-夏玉米產(chǎn)量形成過程、產(chǎn)量及構(gòu)成因素和氮素利用3個方面綜述了施氮量對華北平原麥-玉輪作系統(tǒng)產(chǎn)量和氮素利用影響的研究進展，展望了夏玉米籽粒機械直收技術(shù)要求背景下冬/春小麥-夏玉米周年耕作制度變革優(yōu)化施氮的研究重點，以期為華北平原冬/春小麥-夏玉米周年雙機械直收的栽培技術(shù)優(yōu)化與種植制度變革提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：冬/春小麥;夏玉米;施氮量;周年產(chǎn)量;氮素利用

中圖分類號：S512.1;S513;Q945.1? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2022.06.005

Research Progress on the Effect of Nitrogen Application on Annual Yield and Nitrogen Use Efficiency of Winter/Spring Wheat-Summer Maize

LIU Meng1， GE Junzhu1， YANG Yongan2， WU Xidong1， HOU Haipeng3， ZHANG Yao1

（1.College of Agronomy and Resources and Environment， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China; 2.Tianjin High-quality Agricultural Products Development Demonstration Center， Tianjin 301500， China; 3.Tianjin Agricultural Development Service Center， Tianjin? 300061， China）

Abstract：Nitrogen is an important nutrient element effect on wheat and maize growth， organ building and yield formation. Appropriate nitrogen application can improve the leaf photosynthetic properties， promote dry matter accumulation and translocation， and grain filling rate， which lead to increase grain yield and nitrogen use efficiency. Excessive nitrogen application in production results in ecological problems， ie.， fertilizer efficiency reduction and non-point source pollution. And optimization of reducing nitrogen can increased grain yield and nitrogen use efficiency synergistically. In this paper， winter/spring wheat and summer maize yield formation process， yield and its composition factors， and nitrogen use efficiency were reviewed to recommend the research progress of nitrogen application affect wheat-maize annual rotation system yield and nitrogen use efficiency in the North China Plain. The research focus of annual optimal nitrogen application in winter/spring wheat-summer maize crops system optimization reform under the background of summer maize grain mechanical harvesting was prospected. So， its provided theoretical support for optimize cultivation technology and reform annual rotation system of winter/spring wheat and summer maize to achieve mechanical direct harvesting in the North China Plain.

Key words： winter/spring wheat; summer maize; nitrogen application; annual yield; nitrogen utilization

冬小麥-夏玉米周年輪作模式是華北平原傳統(tǒng)種植制度，其產(chǎn)量分別占全國50%和40%左右，在保障國家糧食安全中發(fā)揮重要作用[1-2]。近年來，因全球氣候變化與生產(chǎn)技術(shù)進步，傳統(tǒng)栽培技術(shù)導致播期和生育期與光溫資源匹配度下降，冬小麥冬前旺長，抗凍性減弱，夏玉米早收騰茬，沒有完全成熟引起減產(chǎn)，限制了周年產(chǎn)量及資源利用效率的協(xié)同發(fā)展[3-5]。隨著玉米籽粒機械直收技術(shù)的發(fā)展，夏玉米早收騰茬脫水時間較短[6]，籽粒含水量難以達到27%以下機械直收標準[7]。因此，在光溫資源緊張的情況下，通過協(xié)調(diào)麥-玉光溫資源配置，突破茬口銜接問題成為區(qū)域研究熱點[8-9]。氮素是影響小麥和玉米產(chǎn)量的重要營養(yǎng)元素，傳統(tǒng)栽培模式下為保證產(chǎn)量，周年施氮量平均為545～600 kg·hm-2，遠超過作物對氮素的最佳需求[10-11]，導致土壤氮素淋溶與殘留量增加，氮肥利用率下降，面源污染引起的生態(tài)問題凸顯[12]。因此，在協(xié)調(diào)麥-玉光溫資源配置調(diào)整的基礎(chǔ)上優(yōu)化氮肥管理技術(shù)也十分必要，優(yōu)化減氮可在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上顯著提高小麥[13-15]和玉米[16-17]的氮肥利用率。目前，關(guān)于施氮對華北平原冬小麥-夏玉米輪作模式的周年產(chǎn)量及氮素利用研究比較充分，但缺乏系統(tǒng)整理和歸納總結(jié)，而關(guān)于區(qū)域麥-玉種植制度變革研究較少。因此，本文綜述了施氮量對冬/春小麥-夏玉米產(chǎn)量形成過程、產(chǎn)量及構(gòu)成因素和氮素利用等3個方面的研究進展，展望了夏玉米籽粒機械直收技術(shù)要求背景下冬/春小麥-夏玉米周年耕作制度變革優(yōu)化施氮的研究重點，以期為華北平原冬/春小麥-夏玉米周年雙機械直收的栽培技術(shù)優(yōu)化與種植制度變革提供理論支撐。

1 施氮對冬/春小麥-夏玉米產(chǎn)量形成過程的影響

氮肥是影響小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量形成過程的重要因子，施氮可提高葉面積指數(shù)[18]，顯著改善小麥光合性能[19-20]，影響物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運[21]。傳統(tǒng)栽培模式下，農(nóng)戶在生產(chǎn)中為實現(xiàn)高產(chǎn)，會增加化肥用量來提高經(jīng)濟效益，但大量研究表明，氮肥對小麥產(chǎn)量形成過程正向調(diào)控存在閾值，超過臨界值后，投入產(chǎn)出比會急劇下降[19，22-23]。葉面積指數(shù)和葉綠素含量是衡量光合性能的重要指標之一，冬小麥旗葉LAI、SPAD值、凈光合速率隨施氮量增加呈先升高后降低的趨勢[19，24]。施氮不足或過量會導致LAI和光合速率下降，干物質(zhì)量降低，增產(chǎn)效應(yīng)降低。華北地區(qū)冬小麥優(yōu)化施氮量為210～240 kg·hm-2，可促進冬小麥有效分蘗，提高葉面積指數(shù)及旗葉葉綠素含量，提高光化學效率，改善旗葉光合性能，提高干物質(zhì)積累量[25]，優(yōu)化小麥莖鞘物質(zhì)輸出和轉(zhuǎn)化率，達到高產(chǎn)生理基礎(chǔ)[21，23，26]。

隨著施氮量的增加，春小麥葉片光合特性、葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累、花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運效率及其對籽粒產(chǎn)量貢獻率均呈先增大后減小趨勢[27-30]，且不同春小麥品種和生育時期差異顯著[31]。北方春麥區(qū)優(yōu)化施氮量為245～255 kg·hm-2，可顯著促進春小麥根系生長發(fā)育，提高生育后期根系生理活性，增加莖蘗數(shù)，提高粒葉比，促進干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)運，提高粒質(zhì)量，實現(xiàn)增產(chǎn)[32-33]，而華北平原春小麥適宜施氮范圍尚無定論。

氮肥是玉米穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)的保障，增施氮肥可改善玉米形態(tài)特征[34]，促進葉片葉綠素含量下降變緩，功能期延長，顯著提高葉面積指數(shù)，維持籽粒灌漿期較高的光合性能，調(diào)控干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運[35-36]。干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運是影響夏玉米產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素[37]，施氮可促進植株光合產(chǎn)物積累，顯著影響灌漿期干物質(zhì)積累，實現(xiàn)增產(chǎn)[38-39]。近年來，夏玉米生產(chǎn)中節(jié)肥減氮的需求不斷增大。張美微等[34]研究表明，華北平原減氮20%至180 kg·hm-2未對夏玉米干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運造成顯著不良影響，配施有機肥可實現(xiàn)高產(chǎn)高效的生產(chǎn)目標。陳磊等[40]認為，在華北平原土壤肥力水平較高地區(qū)，減氮25%甚至40%時根系形態(tài)和根系生長參數(shù)無顯著變化。

2 施氮對冬/春小麥-夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

氮肥對產(chǎn)量構(gòu)成因素的調(diào)節(jié)作用是促進小麥高產(chǎn)的基礎(chǔ)，增施氮肥能夠優(yōu)化群體結(jié)構(gòu)，增加有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒質(zhì)量[41]，調(diào)控小麥葉面積指數(shù)進而提高粒葉比來增加產(chǎn)量[12，42]，并對冬小麥籽粒形成和灌漿起著關(guān)鍵的調(diào)控作用，顯著影響小麥弱勢粒的粒質(zhì)量[43-44]。研究表明，施氮不足會導致冬小麥拔節(jié)期后分蘗消減和群體數(shù)減少，限制產(chǎn)量提升[19];施氮過多并不會使產(chǎn)量持續(xù)增加[45]。施氮超過225 kg·hm-2會造成分蘗數(shù)增加，群體過大，后期貪青晚熟[19，23]，限制穗部發(fā)育和同化物分配效率。雖然成穗數(shù)增加，但是穗粒數(shù)增加受到影響，尤其是粒質(zhì)量降低造成減產(chǎn)[46-47]。目前華北地區(qū)冬小麥高產(chǎn)高效的合理氮肥施用量尚不明確，有學者認為172～270 kg·hm-2為宜[48]，曹倩等[22]認為施氮量與冬小麥籽粒產(chǎn)量呈拋物線關(guān)系，冬小麥施氮量的最高上限為150～225 kg·hm-2，過高或者過低都會造成產(chǎn)量下降。

合理施氮有利于促進春小麥氮素吸收和轉(zhuǎn)運。劉克禮等[49]在內(nèi)蒙古的研究表明，拔節(jié)期至孕穗期適宜氮素供應(yīng)可以提高成穗率，增加穗粒數(shù)，通過延長葉面積穩(wěn)定期和提高生育后期光合效率來增加粒質(zhì)量，從而獲得高產(chǎn)。通過新疆地區(qū)的試驗，歐陽雪瑩等[50]認為，適當施氮可促進春小麥千粒質(zhì)量的增加，而對其他產(chǎn)量構(gòu)成因素影響不顯著;過量施氮增產(chǎn)效應(yīng)下降，減施10%～20%氮肥能實現(xiàn)減肥不降產(chǎn)[27-28]，促進干物質(zhì)積累向籽粒中分配，增加穗數(shù)、穗粒數(shù)和春小麥籽粒產(chǎn)量[32];滴灌春小麥施氮量減至225～250 kg·hm-2時，產(chǎn)量及其構(gòu)成因素較高，實現(xiàn)節(jié)肥和高產(chǎn)協(xié)同[51]。馬一峰等[52]在華北地區(qū)的研究也表明，施氮能夠調(diào)節(jié)氮素吸收和轉(zhuǎn)運，改善產(chǎn)量構(gòu)成因素，提高春小麥穗數(shù)、千粒質(zhì)量提高產(chǎn)量[52]。

施氮可促進光合產(chǎn)物向籽粒轉(zhuǎn)運，影響雌穗分化，阻止籽粒敗育，改善產(chǎn)量構(gòu)成，增加穗行數(shù)，施氮225 kg·hm-2禿尖長度顯著縮短23.8%～43.5%[53];施氮可延長灌漿活躍期，減少頂部籽粒敗育并促進灌漿，改善穗部性狀，增加穗粒數(shù)和穗粒質(zhì)量[54-55]，調(diào)控灌漿速率提高千粒質(zhì)量和產(chǎn)量[5]。一般認為，在傳統(tǒng)施氮基礎(chǔ)上適量減施氮肥不會顯著影響作物產(chǎn)量，在14.3%～28.6%范圍內(nèi)可有效提高玉米生產(chǎn)效率[17]。張盼盼等[56]研究表明，減氮1/3和1/6的產(chǎn)量、籽粒氮濃度、收獲指數(shù)和氮收獲指數(shù)無顯著變化。李銀坤等[57]證實，在農(nóng)民習慣施氮基礎(chǔ)上減量1/3不會顯著影響玉米產(chǎn)量。陳傳永等[17]研究表明，氮肥施用量減少28.6%也能滿足華北高產(chǎn)夏玉米每生產(chǎn)100 kg籽粒需氮1.75 kg[14]的氮肥需求。由此可知，華北地區(qū)夏玉米生產(chǎn)中減施氮肥是可行的，但不同學者報道的減氮比例和施氮量存在較大差異，減氮至何水平能夠同時獲得最佳產(chǎn)量和氮素利用效率尚無定論，這與土壤質(zhì)地、初始土壤含氮量等因素密切相關(guān)。

3 施氮對冬/春小麥-夏玉米氮素利用的影響

施氮量顯著影響作物產(chǎn)量和植株氮素吸收，且籽粒產(chǎn)量與氮素吸收和利用效率有關(guān)[19-20]，適宜施氮量能調(diào)節(jié)農(nóng)田氮盈余量，降低氮表觀損失量，提高產(chǎn)投比[21]。華北平原小麥氮肥投入量一般高于240 kg·hm-2，施氮量過高會導致氮素的利用率顯著降低，土壤中氮素的表觀損失顯著增加，在農(nóng)戶習慣施氮條件下，施用每千克氮冬小麥僅增產(chǎn)2 kg[58]。李世娟等[59]認為，限水灌溉條件下冬小麥產(chǎn)量隨氮肥用量（0～375 kg·hm-2）增加而增加，當施氮量超過225 kg·hm-2后增施氮肥冬小麥產(chǎn)量不再增加，且隨著施氮量的增加，氮肥偏生產(chǎn)力[41]、氮肥利用率和農(nóng)學利用率持續(xù)下降，而生理利用率呈現(xiàn)出“低—高—低”的拋物線變化趨勢，在施氮量為225 kg·hm-2時達到最高值，在現(xiàn)有土壤供氮能力下，農(nóng)戶習慣施氮水平（如300 kg·hm-2）氮肥的表觀利用率在10%左右[58]。劉克禮等[49]通過內(nèi)蒙古的研究認為，氮肥與磷鉀肥合理配施有利于提高氮素吸收量和吸收速度，能協(xié)調(diào)春小麥碳氮代謝平衡，協(xié)調(diào)生殖生長與營養(yǎng)生長，提高氮肥利用率。充足的養(yǎng)分供應(yīng)尤其是氮素投入能夠提高光能轉(zhuǎn)化效率[9]，過高的氮投入會降低實際光化學效率[60]。合理施氮有利于促進春小麥氮素吸收和轉(zhuǎn)運，對氮利用有較大的調(diào)控效應(yīng)[50]，過量施氮增產(chǎn)效應(yīng)下降?？偠灾?，為兼顧產(chǎn)量和環(huán)境保護，保證作物需求同時最大限度降低施肥量是肥料合理運籌的要求，但目前華北平原試驗中小麥-夏玉米周年總施肥量偏高（420～600 kg·hm-2），且多依賴灌溉提高肥料生產(chǎn)力[10-11，41]。數(shù)據(jù)顯示，周年氮肥用量減少至330 kg·hm-2作物產(chǎn)量不會顯著降低[41]。董嫻嫻等[61]認為，小麥季適度減氮提高氮肥的利用效率，利于后茬夏玉米根系下扎，促進根系發(fā)育和對深層累積NO3? -? -N的吸收利用，說明華北平原降低周年施氮量是可行的。由于夏玉米季降雨集中，造成肥料淋失[62]，在夏玉米季增加氮肥的增產(chǎn)幅度小，且當季肥料利用率不高[63-64];全年總施氮量一定的前提下，夏玉米當季施氮量對產(chǎn)量的影響不顯著[41]，玉米播前根區(qū)（0～90 cm）殘留的硝態(tài)氮與當季氮素具有同等有效性[41，65]。因此，降低夏玉米季施氮比例，增加小麥季施氮量有利于提高周年產(chǎn)量和資源利用效率。研究表明，麥-玉輪作體系中氮積累量隨小麥季施氮量的增加而增加，冬小麥與夏玉米施氮配比為2∶1可以獲得最大收益，此時小麥植株的吸收氮肥能力和籽粒蛋白質(zhì)含量顯著提高[41]。

生產(chǎn)中施氮量過高可導致肥料利用率低、土壤質(zhì)量下降等問題[66]。調(diào)查結(jié)果顯示，華北平原夏玉米農(nóng)田氮肥投入量平均為276 kg·hm-2，氮肥利用率一般低于25%，施用每千克氮肥夏玉米僅增產(chǎn)3 kg[58]，且氨揮發(fā)損失較高[2]。隨著施氮量的增加，夏玉米氮肥利用率、農(nóng)學利用率和氮肥偏生產(chǎn)力不斷降低，生理利用率呈現(xiàn)先升后降的趨勢[41，58];施氮量超過180 kg·hm-2后，氮肥的幾種利用率隨施氮量的增加均急劇下降。高施氮條件下（240 kg·hm-2以上），作物對氮素的低利用率導致土壤中氮素表觀損失顯著增加[58]。為改善過量施氮對環(huán)境的危害，提高氮素利用效率，在常規(guī)施氮量基礎(chǔ)上適量減氮，能夠協(xié)調(diào)氮素積累和轉(zhuǎn)運[67]，促進植株對氮素吸收和利用[68]，增加土壤硝態(tài)氮累積，減少N2O的排放[69]，優(yōu)化施氮可使氮肥偏生產(chǎn)力從26 kg·kg-1提升至57 kg·kg-1[70]。徐杰等[71]研究表明，周年施氮270 kg·hm-2可調(diào)節(jié)產(chǎn)量形成過程，改善產(chǎn)量構(gòu)成因素，促進群體干物質(zhì)積累和氮素的吸收利用，使氮肥農(nóng)學利用率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮素利用效率均保持較高水平，并降低土壤硝態(tài)氮殘留。陳磊等[40]認為，在華北平原土壤肥力水平較高地區(qū)，減施氮肥25%～40%對夏玉米根際土壤無機氮供應(yīng)水平、地上部總吸氮量無明顯影響，可顯著降低氮素表觀損失，提高氮素利用率。夏玉米季施氮量與作物收獲后土壤剖面NO3? - -N累積量，NO3 --N累積量與后茬冬小麥的產(chǎn)量均呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系，說明施入的氮肥對后茬作物有很強的有效性，生產(chǎn)中應(yīng)充分考慮[65]。鐘茜等[58]研究表明，前茬施氮量達到225 kg·hm-2時，可基本滿足夏玉米的吸氮量，適當降低夏玉米施氮水平，能夠吸收和利用在30～60 cm土層的上季殘留硝態(tài)氮。因此，綜合考慮夏玉米汛期雨水流失，氮肥淋洗和保障作物產(chǎn)量等因素[65]，在有限施氮的條件下提高冬小麥季氮肥分配比例，更有利于實現(xiàn)增產(chǎn)增效[72-73]。

4 展望

作為華北地區(qū)的傳統(tǒng)栽培模式，冬小麥-夏玉米輪作體系面臨氣候變化、生產(chǎn)技術(shù)及減氮增效的諸多挑戰(zhàn)[74-75]。早播導致冬小麥冬前旺長及抗凍性減弱，夏玉米籽粒機械直收技術(shù)要求光溫匹配向夏玉米季偏移[7，36，76]。研究明確優(yōu)化提高夏玉米與光溫資源匹配度，實現(xiàn)光溫資源高效利用和夏玉米籽粒機收的技術(shù)途徑[77-80]。因此，在華北平原周年減氮高產(chǎn)高效栽培技術(shù)發(fā)展過程中，應(yīng)注重以下幾方面的研究：（1）優(yōu)化施氮是作物高效生產(chǎn)和綠色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的永恒需求，深入探究華北地區(qū)優(yōu)化減氮對冬/春小麥-夏玉米產(chǎn)量調(diào)控的生理機制，特別是周年季節(jié)作物間氮素統(tǒng)籌優(yōu)化與利用，充分提高前茬氮素殘留的利用效率，以減少氮素投入和環(huán)境脅迫;（2）深入開展優(yōu)化施氮對冬小麥播期推遲，夏玉米延遲收獲提高冬小麥抗逆性及夏玉米籽粒機械直收影響的生態(tài)學機制，提高周年光溫匹配度及生產(chǎn)潛力，促進華北平原麥-玉周年全程機械化技術(shù)的發(fā)展;（3）研究華北平原北部冬小麥調(diào)整為春小麥，改革麥-玉種植制度情境下，優(yōu)化施氮對周年產(chǎn)量形成、氣候資源配置及氮素利用的影響，特別是減少小麥季地下水灌水次數(shù)，回補地下水的生態(tài)學機制，實現(xiàn)緩解水資源匱乏壓力，提高水肥利用效率，穩(wěn)定周年作物產(chǎn)量。

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