監(jiān)控施肥下化肥減施對小麥養(yǎng)分利用及根系生長的影響研究進(jìn)展

李妍忠智博張磊

(1.塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)田水利與土壤肥料研究所，新疆 石河子 832000；3.南疆干旱區(qū)特色作物遺傳改良與高效生產(chǎn)兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2025年世界人口約為71～78億，食物需求量將增大至70%～100%[1]，這對糧食產(chǎn)量要求更高，對糧食安全更加重視。在全世界范圍內(nèi)，小麥?zhǔn)侵匾唐芳Z和戰(zhàn)略性主要儲備糧，小麥作為粗糧雜食，有充足的營養(yǎng)價值，有利于人體健康，約35%～40%的人口以小麥作為主要食糧[2]。因此，小麥的穩(wěn)定生產(chǎn)對于人的健康安全和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重大作用[3]。

近10年，中國小麥年平均播種面積為2.43×107hm2，年平均產(chǎn)量為4912kg·hm-2，新疆小麥播種面積也已達(dá)到15.6萬hm2[4]。但新疆屬于西北干旱區(qū)，氣候表現(xiàn)為降水稀少且蒸發(fā)強(qiáng)烈，灌水和施肥作為關(guān)鍵因素對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的提升具有顯著作用，尤其是施肥對改良土壤理化性質(zhì)，平衡土壤養(yǎng)分，促進(jìn)作物生長和提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)均有重要影響。然而化肥的過度施用，導(dǎo)致農(nóng)田土壤環(huán)境污染加重，耕地質(zhì)量下降，甚至對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響，如土壤退化、地下水硝酸鹽污染、湖泊富營養(yǎng)化、酸雨、氨揮發(fā)等[5，6]。

隨著滴灌技術(shù)的引進(jìn)及大面積應(yīng)用，小麥已由傳統(tǒng)灌溉施肥模式發(fā)展為滴灌水肥一體化技術(shù)模式，具有節(jié)水、節(jié)肥、省工等優(yōu)點(diǎn)[7]。但在推廣應(yīng)用中仍然存在諸多問題：缺乏滴灌栽培的專用小麥品種；過量施肥普遍存在，造成增產(chǎn)不增收現(xiàn)象；養(yǎng)分投入比例不平衡，重氮輕磷鉀的施肥策略，導(dǎo)致成本增加、產(chǎn)量降低和養(yǎng)分利用效率偏低；有機(jī)肥、無機(jī)肥的施用比例不平衡，有機(jī)肥施用嚴(yán)重不足，耕地地力質(zhì)量下降嚴(yán)重；水肥運(yùn)籌不科學(xué)，過度強(qiáng)調(diào)“重頭肥”、基肥(底肥)，追肥(滴施)不足，小麥早衰嚴(yán)重；缺乏滴灌小麥水肥協(xié)同增效調(diào)控技術(shù)模式，施肥仍沿用常規(guī)方法，灌溉與施肥技術(shù)脫離，嚴(yán)重制約著水肥一體化效益的發(fā)揮。水肥運(yùn)籌不科學(xué)，增產(chǎn)節(jié)水效果在各地表現(xiàn)差異比較大，已成為影響監(jiān)控施肥技術(shù)在當(dāng)前和將來大面積應(yīng)用，充分發(fā)揮其增產(chǎn)增效潛力的限制因素。綜上，根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)深入研究小麥水肥一體化水肥耦合機(jī)理和肥料運(yùn)籌策略研究是解決當(dāng)前水肥一體化技術(shù)不到位、肥料利用率不高的關(guān)鍵所在，是達(dá)到化肥減施增產(chǎn)增效目標(biāo)的保障。

1 監(jiān)控施肥下的化肥減施技術(shù)的含義與作用

2009年開展初期試驗(yàn)階段至2016年中期較為成熟階段，先后開展旱地小麥試驗(yàn)點(diǎn)，應(yīng)用監(jiān)控施肥技術(shù)[8]，以“作物豐產(chǎn)、養(yǎng)分高效、土壤培肥、環(huán)境友好”為目標(biāo)。在小麥播種前和收獲后開展土壤養(yǎng)分含量測定，結(jié)合目標(biāo)產(chǎn)量的養(yǎng)分需求，確定小麥生長過程中所需的氮、磷、鉀肥料用量，有效減少和優(yōu)化肥料用量，實(shí)現(xiàn)小麥穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，提高肥料利用率，并降低土壤硝酸鹽殘留。在2020年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出“化肥零增長計(jì)劃”后，應(yīng)大力推行監(jiān)控施肥技術(shù)，用來維持植株與土壤中氮、磷、鉀素的平衡，尋找最適宜施肥量；既能解決肥料利用率低的問題，還能保證作物獲得更高的籽粒產(chǎn)量[9]，同時還能滿足土壤培肥和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的需要。這對認(rèn)識和指導(dǎo)新疆不同灌區(qū)的小麥養(yǎng)分管理和完善灌溉小麥生產(chǎn)中的科學(xué)施肥技術(shù)有重要意義。

2 化肥減施對小麥養(yǎng)分吸收的影響

小麥?zhǔn)且环N密植作物，生育期短，對養(yǎng)分的需求量較為集中[10]。而養(yǎng)分吸收是小麥干物質(zhì)積累的基礎(chǔ)，干物質(zhì)積累是產(chǎn)量形成的前提[11]。研究表明，小麥的植株干物質(zhì)積累量會隨施肥量增加而減小，因此過量施肥會抑制干物質(zhì)積累[12]。其中，氮肥是對小麥影響最大的元素之一，缺氮和過量施氮都會抑制小麥地上部生長[13]。監(jiān)控施肥處理下小麥的籽粒、莖葉和穎殼的含氮量顯著高于常規(guī)施肥處理[14]。在一定范圍內(nèi)隨化肥施用量增加，有效小穗數(shù)、穗長也在不斷增長，產(chǎn)量也在明顯提高[15]，超出有效范圍產(chǎn)量增加不顯著，甚至降低[16]?；蕼p施會使滴灌小麥干物質(zhì)積累量增加，從而表現(xiàn)出最佳的穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)效應(yīng)[17]。因此適量減施化肥對滴灌小麥的各器官和植株的干物質(zhì)積累具有促進(jìn)作用[18]。在新疆地區(qū)實(shí)行監(jiān)控施肥技術(shù)，合理減施化肥有利于優(yōu)化群體結(jié)構(gòu)，最終能夠提高小麥籽粒產(chǎn)量[19]。但有學(xué)者提出相反結(jié)論，認(rèn)為化肥減施不利于植株氮磷鉀的養(yǎng)分含量積累，因施肥量無法達(dá)到小麥生長過程中的養(yǎng)分需求，無法提高籽粒產(chǎn)量，且減肥處理的小麥長勢明顯弱于常規(guī)處理[20]，有此差異的主要原因可能為，其設(shè)置的常規(guī)處理和減施處理的施肥量，與監(jiān)控施肥下的化肥減施設(shè)置的施肥量不相符，適量減少化肥施用量不僅能夠提高產(chǎn)量，而且顯著提升化肥利用率[21]，同時增加小麥的化肥貢獻(xiàn)率、化肥偏生產(chǎn)力和化肥農(nóng)學(xué)效率，增大生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，具有較高的產(chǎn)投比。

3 化肥減施對小麥土壤養(yǎng)分變化的影響

小麥種植過程中，合理施肥可以使其生長的更好，產(chǎn)量得到提高，并具有良好的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。而過量施肥會使小麥的生長前期土壤耗水量加大，肥料利用率降低，導(dǎo)致土壤中大量硝酸鹽累積[22]，農(nóng)田土壤N2O排放量增加[23]，殘留的硝酸鹽因其具有高流動性而易于瀝濾到更深土層[24]，硝酸鹽浸出以及地下水污染將成為新的問題[25]，最終破壞農(nóng)田土壤環(huán)境和糧食生產(chǎn)的可持續(xù)性[26]。目前調(diào)控作物收獲后土壤的化肥殘留是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，作物高產(chǎn)和減少化肥殘留應(yīng)相輔相成，根據(jù)土壤供氮能力施肥是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的基本原則。

研究表明，化肥中僅有20%～50%的氮和30%～45%的磷能夠被作物吸收，其他剩余部分將以硝酸鹽形式損失[27]。當(dāng)作物收獲期時根層土壤氮含量為30～50kg·hm-2時，就能夠避免發(fā)生硝態(tài)氮淋溶[28]。實(shí)施監(jiān)控施肥技術(shù)可以降低土壤硝態(tài)氮累積殘留和淋溶[8]。優(yōu)化施氮能夠避免深層土壤中硝態(tài)氮的累積，減少氮盈余[29]，使收獲期0～100cm土層殘留的土壤硝態(tài)氮控制在55kg·hm-2的安全閾值內(nèi)。然而，磷肥與氮肥不同，施入土壤后，磷肥的當(dāng)季利用率較低，未被利用的剩余部分，將以不同形態(tài)的磷酸鹽積累在土壤剖面中，累積在土壤中的磷后效作用很高。合理施用磷肥能夠降低土壤磷素殘留[30]。當(dāng)土壤有效磷含量超過滿足小麥作物磷素需求時，增施磷肥不能增產(chǎn)[31]。通常在不同的地塊里土壤速效磷含量反應(yīng)不同，當(dāng)在速效磷含量較低的地塊時，施用磷肥可以提高籽粒產(chǎn)量，但在速效磷含量較高的地塊，地塊土壤本身能夠滿足作物磷素需求，無法吸收外界所提供的磷肥時，施磷對籽粒產(chǎn)量影響不顯著。

目前隨著鉀肥的儲量有限，鉀肥資源也將逐步下降。通常鉀肥價格較高，若過量施鉀會降低農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)成本。但鉀肥具有增產(chǎn)和抗倒伏的作用，因此科學(xué)合理的施用鉀肥對小麥具有重要作用。由于大部分農(nóng)田的土壤含有豐富的鉀素，作物對鉀素滿足率相對較高，鉀肥的當(dāng)季利用率通常也較高，一般不需要大量施用鉀肥便可以滿足作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的需求[32]。為了維持土壤中鉀素對植物的有效供應(yīng)，必須保證使土壤速效鉀穩(wěn)定在一定的水平。監(jiān)控施肥技術(shù)下的施鉀量較低，土壤中的速效鉀含量便會降低，其施鉀增產(chǎn)效應(yīng)和鉀肥利用率就越高。

另外，從環(huán)境安全角度出發(fā)，盈余的化肥會累積在土壤剖面，形成危險的生態(tài)環(huán)境隱患[33]。因此需探究不同施肥量對作物生長及土壤養(yǎng)分積累的影響，找到適宜的施肥量，合理施肥是農(nóng)業(yè)高產(chǎn)高效和可持續(xù)發(fā)展的必然要求。監(jiān)控施肥下減施化肥不會因長期忽視土壤監(jiān)測而造成硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀等大量累積和淋溶的隱患。因此，迫切需要開展監(jiān)控施肥技術(shù)的探究，這對土壤安全和糧食安全的意義重大。

4 化肥減施對根系的影響

根系是小麥的重要器官之一，其主要作用是吸收水分和養(yǎng)分，也是多種激素、氨基酸和有機(jī)質(zhì)合成的重要場所[34]，在植株-土壤生態(tài)系統(tǒng)中具有重要作用。通過施肥方式或栽培措施能夠緩解根系衰老，提高根系生理活性進(jìn)而提高小麥產(chǎn)量[35]。通常合理的施用化肥和適當(dāng)?shù)墓喔燃夹g(shù)能夠調(diào)節(jié)小麥根系生長，增強(qiáng)根系活力。施用化肥能夠加快小麥地上部的生長發(fā)育，擴(kuò)根群，提升根質(zhì)量，增強(qiáng)根系功能；但過高或過低的肥料施用量對小麥的根系生長沒有明顯的促進(jìn)作用，反而導(dǎo)致肥料資源浪費(fèi)[36]。肥料是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的水平可以反映出小麥根系的分布特征，生產(chǎn)力水平越高，根系為“寬深型”高產(chǎn)根型，生產(chǎn)力水平越低，根系為“窄淺型”低產(chǎn)根型，旱地小麥的根型通常為高產(chǎn)根[37]。小麥根系屬于須根系，其根系發(fā)達(dá)，一般可延伸至土層100cm或更深，呈“T”字形分布，根系生長曲線呈“S”型。小麥根系在生育早期生長較為緩慢，在中期持續(xù)生長較快，在后期生長變得緩慢甚至出現(xiàn)下降的趨勢。根系活力能夠反映出作物吸收養(yǎng)分能力的強(qiáng)弱，在小麥植株中，大多數(shù)根系對硝態(tài)氮的吸收利用更加明顯；根系活力越高，養(yǎng)分吸收能力越強(qiáng)。適量施肥能顯著提高根系活力；但施肥過量便會抑制根系活力[38]?；蕼p施能夠促進(jìn)根系發(fā)育，進(jìn)而更高效地穩(wěn)定小麥的產(chǎn)量構(gòu)成因素達(dá)到高產(chǎn)的目的。在施肥過量的條件下，根系生長發(fā)育會受到抑制，在化肥虧缺時，會降低根系數(shù)量導(dǎo)致產(chǎn)量下降；只有合理施肥才能夠助于根系生長并蔓延至深土層中，提高抗倒伏性并達(dá)到高產(chǎn)。與過量的施肥處理相比，適當(dāng)降低施肥量，對小麥根系生物量具有促進(jìn)作用[39]。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)小麥對化肥的不同適應(yīng)性，合理進(jìn)行肥料的調(diào)控，適當(dāng)減施化肥，提高小麥根系活力，使小麥的養(yǎng)分吸收能力有所提高，進(jìn)而增加小麥產(chǎn)量。

5 結(jié)論與展望

新疆是我國西北干旱地區(qū)，降水量少，實(shí)行水肥一體化滴灌種植小麥具有大量優(yōu)點(diǎn)，但目前農(nóng)戶仍然根據(jù)傳統(tǒng)的小麥?zhǔn)┓试耘嗄Ｊ剑浞止喔?、投入大量化肥，勞動力度大。傳統(tǒng)施肥方式會導(dǎo)致費(fèi)時、費(fèi)財(cái)、費(fèi)力，增加了勞動成本，還會造成肥料資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。近年來，化肥的價格有很大提升，如果堅(jiān)持使用傳統(tǒng)的施肥方式，農(nóng)戶施用大量化肥、人力、財(cái)力來實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)，從根本上將無法達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)效益。為此提出監(jiān)控施肥模式，這種監(jiān)控施肥模式，從農(nóng)戶的角度，既能夠減少成本，還能夠達(dá)到更高的產(chǎn)量和高收益、高收入。從農(nóng)業(yè)環(huán)境角度，在根源上減少了地下水污染，最大程度的降低土壤污染，將土壤中的殘留物減少到最低。從人體健康角度，化肥減施后將減少對人類健康的危害性。

本文綜述了監(jiān)控施肥下的化肥減施對滴灌春小麥的影響研究進(jìn)展，從合理的化肥減施角度得出以下結(jié)論，合理的化肥減施對滴灌春小麥生長是有利影響，合理的化肥減施會使春小麥根系生物量和根系活力增強(qiáng)，從而促進(jìn)干物質(zhì)積累量和養(yǎng)分吸收作用，通過加快養(yǎng)分吸收和增加干物質(zhì)積累量最終實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)。化肥減施能夠?qū)⑼寥乐械南鯌B(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀的含量降低，從而降低殘留量，避免造成淋溶損失；最終達(dá)到減少化肥施用量，加快小麥生長；穩(wěn)定或增加小麥籽粒產(chǎn)量，提高化肥利用效率。

氮肥、磷肥和鉀肥是春小麥生長過程中的必需元素，合理的共同施用氮、磷、鉀肥才對小麥的生長過程有最佳的促進(jìn)作用。目前在新疆干旱冷涼區(qū)使用監(jiān)控施肥下化肥減施模式，研究3種元素肥料共同施用于滴灌春小麥的學(xué)者仍然較少。在將來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中監(jiān)控施肥下化肥減施將會被推行使用，因其優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)施肥，不論氮、磷、鉀肥都應(yīng)節(jié)制施用，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。