減量施氮對(duì)冀東地區(qū)春小麥氮肥利用及產(chǎn)量的影響

王爽，李菡，任學(xué)軍，王健，郭振清，李云，韓玉翠，林小虎

(1. 河北省作物逆境生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北科技師范學(xué)院農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，河北秦皇島 066004；2. 河北科技師范學(xué)院鄉(xiāng)村振興研究中心，河北秦皇島 066004)

小麥?zhǔn)鞘澜缛蠹Z食作物之一，也是我國主要的糧食作物。 近年來我國小麥種植面積變化不大，但單位面積和總產(chǎn)量呈上升趨勢，這得益于小麥品種及栽培技術(shù)的不斷提升[1]。 肥料的施用對(duì)植株生長起著重要作用，其中氮被稱為“生命元素”，是植物生長發(fā)育中重要的營養(yǎng)元素，也是提高作物產(chǎn)量的重要營養(yǎng)元素。 大量研究證明，作物生長過程中施氮水平直接影響其生長和產(chǎn)量形成，同時(shí)也影響作物生長過程中的生理代謝[2-4]。 但是，為追求作物高產(chǎn)導(dǎo)致氮肥施用量過多的現(xiàn)象普遍存在，從而導(dǎo)致資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[5]。 一味提高氮肥施入量，不僅不會(huì)使產(chǎn)量無限制的增加，反而會(huì)使小麥產(chǎn)量降低[6-8]。 因此，小麥種植應(yīng)合理施用氮肥，提高氮肥利用率，以達(dá)到節(jié)本增效和保護(hù)環(huán)境的目的。

不同生長環(huán)境下小麥對(duì)氮素的吸收利用不同[9]。 針對(duì)不同生長條件實(shí)施氮肥管理，可提高小麥植株的氮素積累量和氮肥利用率，并能促進(jìn)同化物向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)，從而提高產(chǎn)量[10，11]。 冀東地區(qū)處于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，傳統(tǒng)種植制度以春玉米一年一熟和春花生-冬小麥-夏玉米兩年三熟為主。 冀東燕山山前平原區(qū)≥0℃積溫達(dá)4200℃，多年栽培種植經(jīng)驗(yàn)使其形成了春小麥-夏玉米、春小麥-夏谷等一年兩熟栽培模式，但是對(duì)于春小麥減氮施肥和肥料利用率的研究較少。 本研究通過分析減氮條件下的春小麥產(chǎn)量、干物質(zhì)及氮素積累轉(zhuǎn)運(yùn)以明確冀東地區(qū)春小麥適宜施氮量，為該地區(qū)減氮施肥提供理論依據(jù)，從而提高種植效益。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021 年在河北科技師范學(xué)院農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院試驗(yàn)站(39°44＇N、119°14＇E)進(jìn)行。試驗(yàn)地土壤為壤土，種植前0 ～20 cm 土壤養(yǎng)分狀況:有機(jī)質(zhì)、全氮含量分別為20.38、2.14 g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為72.24、19.78、127.14 mg/kg。

試驗(yàn)材料為春小麥津強(qiáng)11。 磷肥(P2O5)120 kg/hm2、鉀肥(K2O)120 kg/hm2作為基肥，氮肥(尿素，含氮46 %)于拔節(jié)期追施。 共設(shè)置4 個(gè)施氮水平(0、 80、 160、 240 kg/hm2)，分別表示為N0、N80、N160、N240。 其中，N240(240 kg/hm2)為生產(chǎn)中常規(guī)施氮水平。 完全隨機(jī)排列，每處理重復(fù)3 次。 小區(qū)面積16 m2(4 m × 4 m)，行間距20 cm。 2021 年3 月7 日播種，基本苗600 萬/hm2，6月22 日收獲，其他管理措施同當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。

1.2 測定項(xiàng)目及方法

1.2.1 干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)指標(biāo) 分別于拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、開花期和成熟期各取10 株長勢均勻的植株，將地上部分分為葉、鞘、稈、穎殼+穗軸和籽粒，105℃烘箱中殺青30 min，75℃烘干至恒重，稱量各器官干重。 根據(jù)以下公式計(jì)算相關(guān)指標(biāo):

花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量＝開花期植株干重-成熟期營養(yǎng)器官干重 ；

花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率(%)＝花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/開花期植株干重×100 ；

花前干物質(zhì)對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率(%)＝花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期籽粒干重×100 ；

花后干物質(zhì)積累量＝成熟期植株干重-開花期植株干重 ；

花后干物質(zhì)對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率(%)＝花后干物質(zhì)積累量/成熟期籽粒干重×100 。

1.2.2 氮素積累轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)指標(biāo) 將烘干樣品用粉碎機(jī)粉碎后，用H2O2-H2SO4消煮法消煮后用全自動(dòng)凱氏定氮儀測定全氮量。

植株氮素積累量＝植株干物質(zhì)積累量×植株含氮量 ；

花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量＝開花期植株氮素積累量-成熟期營養(yǎng)器官氮素積累量 ；

花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率(%)＝花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量/開花期植株氮素積累量×100 ；

花前氮素對(duì)籽粒氮貢獻(xiàn)率(%)＝花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期籽粒氮素積累量×100 ；

花后氮素積累量＝成熟期植株氮素積累量-開花期植株氮素積累量 ；

花后氮素對(duì)籽粒氮貢獻(xiàn)率(%)＝花后氮素積累量/成熟期籽粒氮素積累量×100 。

1.2.3 氮素利用率相關(guān)指標(biāo) 按以下公式計(jì)算。

氮收獲指數(shù)(%) ＝ 籽粒氮素積累量/成熟期植株氮素積累量×100 ；

氮肥利用效率(%)＝(施氮區(qū)植株氮積累量-不施氮區(qū)植株氮積累量)/施氮量×100 ；

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

氮肥生理利用率＝(施氮區(qū)籽粒干重-不施氮區(qū)籽粒干重)/(施氮區(qū)植株氮素積累量-不施氮區(qū)植株氮素積累量) ；

氮肥偏生產(chǎn)力＝籽粒產(chǎn)量/施氮量 。

1.2.4 產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀 成熟期各小區(qū)分別劃定3 個(gè)1 m2區(qū)塊調(diào)查穗數(shù)；之后人工收割、脫粒、晾曬后稱重，并測定籽粒含水率及折算為13%含水率的千粒重和每公頃籽粒產(chǎn)量。 每小區(qū)取長勢均勻的20 穗調(diào)查穗粒數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖， DPS 7.05 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮水平對(duì)春小麥干物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

2.1.1 不同時(shí)期植株干物質(zhì)積累的變化 由圖1可知，施氮前(拔節(jié)期)各處理間干物質(zhì)積累量無明顯差異，拔節(jié)期施氮后各處理間差異逐漸明顯。不同施氮水平下成熟期植株干物質(zhì)積累量變異范圍為18752～23472 kg/hm2，施氮處理的干物質(zhì)積累量均顯著高于不施氮處理。 孕穗期各處理的植株干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為N240＞N80＞N160＞N0，N160顯著低于N80和N240；抽穗期表現(xiàn)為N240＞N160＞N80＞N0，N240、N160、N80均顯著高于N0，N240、N80與N160處理間差異不顯著；N80處理開花期的植株干物質(zhì)積累量顯著高于N160，成熟期分別較N160和N240顯著提高15.86%和13.62%。 說明，減少施氮量能夠提高抽穗后春小麥植株的干物質(zhì)積累量，最終促進(jìn)籽粒發(fā)育。

圖1 不同氮處理下小麥各生育時(shí)期植株干物質(zhì)積累量

2.1.2 不同時(shí)期植株干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)特征的變化 由表1 可知，施氮處理花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量和對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率均隨著施氮量的減少而降低。 N240和N160處理的花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量差異不顯著，N80處理顯著低于N240、N160和N0處理。 N80、N160、N240處理的花前干物質(zhì)對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率呈顯著性差異，N80顯著低于N160和N240。 N160處理的花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率最高(28.96%)，與N240處理差異不顯著，但顯著高于N80和N0處理，說明減氮提高了春小麥花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率，而過量減氮導(dǎo)致轉(zhuǎn)運(yùn)率降低。

表1 不同氮處理對(duì)春小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)特征的影響

各施氮水平下，花后干物質(zhì)積累量及其對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率均隨施氮量的減少而增加。 N240處理的花后干物質(zhì)對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率顯著低于其他處理；N80處理的花后干物質(zhì)積累量及其對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率均最高，分別為9330.00 kg/hm2和77.56%，比N0分別高35.18%和12.60%，比N240處理分別高39.88%和20.90%；N160處理的花后干物質(zhì)積累量及其對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率比N240處理分別高14.36%和5.36%，說明減少施氮量有利于提高春小麥花后干物質(zhì)的積累并提高其對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率。

2.2 施氮水平對(duì)春小麥氮素積累、轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

2.2.1 不同時(shí)期植株氮素積累的變化 由圖2 可知，施肥前(拔節(jié)期)各處理間無顯著差異，拔節(jié)期后，各施氮處理的植株氮素積累量均顯著高于不施氮處理。 孕穗期和抽穗期，N80、N160處理的氮素積累量均顯著低于N240處理；抽穗期后N80處理的氮素積累量迅速增加，至開花期其氮素積累量(137.86 kg/hm2)較N160顯著提高8.43%，與N240處理(143.27 kg/hm2)相差不大；成熟期N80處理的氮素積累量達(dá)到180.44 kg/hm2，較N160(165.61 kg/hm2)和N240(167. 11 kg/hm2) 分別提高8. 95% 和7.98%。 說明減量施氮有利于提高小麥植株生育后期氮素積累量。

圖2 不同氮處理下小麥各生育時(shí)期植株氮素積累量

2.2.2 不同時(shí)期植株氮素轉(zhuǎn)運(yùn)特征的變化 由表2 可知，3 個(gè)施氮水平下植株的花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量差異不大，都顯著高于不施氮處理。 3 個(gè)施氮處理下花前氮素對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為N80＜N160＜N240， N240處理貢獻(xiàn)率最高達(dá)81.77%，顯著高于其他處理。 3 個(gè)施氮處理下花后氮素積累量及對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率隨著施氮量的減少逐漸升高，均在N80處理達(dá)到最大值，分別為42.58 kg/hm2和29.63%，且顯著高于N0和N240。 花前氮素與花后氮素對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)相反的變化趨勢，且花前氮素對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率所占比例較大。

表2 不同氮處理對(duì)春小麥氮素轉(zhuǎn)運(yùn)特征的影響

2.3 施氮水平對(duì)春小麥氮素利用的影響

由表3 可知，氮肥利用效率、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、氮肥生理利用率和氮肥偏生產(chǎn)力均隨著施氮量的減少而逐漸升高。 N80、N160處理的氮肥生理利用率為45.50、43.13 kg/kg，均顯著高于N240處理的12.25 kg/kg。 各處理的氮收獲指數(shù)無顯著差異，N80和N160處理的氮收獲指數(shù)較N240處理提高4.24%和4.05%。 說明本試驗(yàn)條件下，減氮處理能顯著提高春小麥對(duì)氮肥的吸收利用。

表3 不同氮處理對(duì)春小麥氮肥利用效率的影響

2.4 施氮水平對(duì)春小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表4 可知，N0處理的產(chǎn)量顯著低于其他處理。 各施氮處理小麥產(chǎn)量和穗數(shù)均表現(xiàn)為N80＞N160＞N240＞N0，N80處理產(chǎn)量和穗數(shù)均最高，分別較N160、N240提高2.15%、8.04%和7.19%、16.31%，說明適當(dāng)減少施氮量能夠增加穗數(shù)、提高產(chǎn)量。各處理間穗粒數(shù)表現(xiàn)為N240＞N80＞N0＞N160，N80與N240差異不顯著，但均顯著高于N0處理。 N160處理千粒重最大，顯著高于N0處理，與N240處理差異不顯著，說明少量減氮可以適當(dāng)增加千粒重。

表4 不同氮處理下春小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

3 討論

3.1 減量施氮對(duì)小麥干物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

小麥植株干物質(zhì)積累與產(chǎn)量的形成關(guān)系密切，而氮素又是影響植株干物質(zhì)積累的重要組成部分，所以控制好施氮量是保證作物豐產(chǎn)的關(guān)鍵因素。 張均華等[12]研究表明，小麥開花期干物質(zhì)積累量均隨施氮量的增加而增加；姜麗娜等[13]研究發(fā)現(xiàn)百農(nóng)418 和許科316 成熟期的干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，與本試驗(yàn)結(jié)果不盡相同。 本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)除N80處理外，其他處理干物質(zhì)積累量變化趨勢與前人研究結(jié)果一致。 本試驗(yàn)表明，施氮量80～240 kg/hm2條件下，小麥花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量及對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率隨施氮量的增加而增加，這與蔡瑞國等[14]關(guān)于不同灌溉條件下施氮的研究結(jié)果一致，而不同于雷鈞杰等[15]的研究結(jié)果，其原因可能與栽培環(huán)境和灌溉方式等因素有關(guān)。 在生產(chǎn)中常規(guī)施氮水平(N240處理)花后干物質(zhì)積累量及其對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率并不是最高，干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)指標(biāo)在減氮處理下顯著高于常規(guī)施氮量處理，表明施氮量過高反而會(huì)降低花后干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)，這與馬東輝等[16]的研究結(jié)果一致。 實(shí)際生產(chǎn)中，施氮量過高會(huì)降低小麥營養(yǎng)器官中的同化物向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)率[17，18]。 說明通過適當(dāng)減少施氮量可以提高花后干物質(zhì)的積累量及其對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率。

3.2 減量施氮對(duì)小麥氮素積累和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

合理施用氮肥能夠提高小麥植株氮素積累量，從而促進(jìn)氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，最終達(dá)到增產(chǎn)及提高品質(zhì)的目的[7，19]。 有研究表明，小麥植株氮素積累量在各生育時(shí)期隨施氮量的增加而增加[20]，與本研究結(jié)果相似。 本試驗(yàn)條件下除N80處理外，其他處理小麥植株氮素積累量在各生育時(shí)期的變化趨勢與前人研究結(jié)果一致。 本試驗(yàn)表明，花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)量隨施氮量的減少先降低后升高，N240處理轉(zhuǎn)運(yùn)量最高，但與N80處理差異不顯著；除N80處理外，花前氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率隨施氮量的增加呈下降趨勢，但各處理間無顯著差異，這與前人研究結(jié)果類似[21]；除N0處理外，花前氮素對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率隨著施氮量的增加而提高，與孔麗婷等[19]的研究結(jié)果不一致，這可能與不同試驗(yàn)地區(qū)常規(guī)施氮量的水平有關(guān)。 除N0處理外，花后氮素積累量及其對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率隨施氮量的增加而降低，N80與N160無顯著差異，但均顯著高于N0和N240處理。 表明，施氮量過低不足以支撐后期植株生長，使得葉片早衰，沒有足夠的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)至籽粒；過量施氮?jiǎng)t會(huì)造成植株?duì)I養(yǎng)器官超負(fù)荷運(yùn)載，導(dǎo)致營養(yǎng)器官光合能力下降，不利于營養(yǎng)體中的氮素向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)[22]。 氮素對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率主要依賴于花前氮素的積累轉(zhuǎn)運(yùn)，且花后氮素對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率與花前相比較，不同施氮水平下呈現(xiàn)相反的變化趨勢。

3.3 減量施氮對(duì)小麥氮肥利用的影響

氮肥是提高小麥產(chǎn)量的重要因素，但氮肥的不合理施用，會(huì)使氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)下降，從而降低氮肥利用效率。 前人研究表明，氮肥的利用效率隨施氮量的增加呈降低趨勢[21，23]，與本研究結(jié)果一致。 郭曾輝等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在限水減氮處理中，施氮量為150 kg/hm2時(shí)冬小麥氮素利用率、氮素收獲指數(shù)和氮肥農(nóng)學(xué)效率最高；矯巖林等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，煙農(nóng)0428 氮肥農(nóng)學(xué)利用率以180 kg/hm2處理最高。 本試驗(yàn)條件下，施氮量為80 kg/hm2時(shí)，氮肥利用效率、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和氮素偏生產(chǎn)力均顯著高于其他兩個(gè)處理，其原因可能是水肥管理和品種的不同。 本試驗(yàn)表明，各處理間氮收獲指數(shù)無顯著差異，但隨著施氮量增加，氮收獲指數(shù)呈下降趨勢，與江東國等[26]的研究結(jié)果一致。 過量減施氮肥會(huì)使土壤肥力氮和作物產(chǎn)量降低，可能無法保證產(chǎn)量穩(wěn)定和土壤氮素平衡[23]。 施氮量過高氮素可能會(huì)利用不充分，營養(yǎng)體中氮不能完全轉(zhuǎn)運(yùn)至籽粒，超負(fù)荷利用葉片及莖鞘氮會(huì)導(dǎo)致葉片早衰，最終影響氮素利用率[22]。 綜上，應(yīng)因地制宜，依靠地情合理施氮。

3.4 減量施氮對(duì)小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀的影響

施氮量是影響產(chǎn)量的重要因素，受地區(qū)、品種、管理措施等因素的影響，前人對(duì)產(chǎn)量研究的結(jié)果也不盡相同。 有研究表明，冬小麥?zhǔn)┑砍^120 kg/hm2時(shí)作物產(chǎn)量變化不大[27]；黨廷輝等[28]的研究表明，小麥籽粒產(chǎn)量隨施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢，與本研究結(jié)果一致；葉優(yōu)良等[29]分析認(rèn)為冬小麥最高施氮量不超過180 kg/hm2。張興梅等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，春小麥?zhǔn)┑康陀?20 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量隨施氮量的增加而提高，施氮量150 kg/hm2的小麥產(chǎn)量低于120 kg/hm2處理。 代麗婷等[31]的研究發(fā)現(xiàn)，施氮量在90 kg/hm2時(shí)春小麥產(chǎn)量最高， 但與施氮量82 kg/hm2的產(chǎn)量無顯著差異， 且施氮量在82 kg/hm2時(shí)的單位面積穗數(shù)最高，這與本研究結(jié)果類似。 本研究在施氮量為80 kg/hm2時(shí)春小麥產(chǎn)量和穗數(shù)均最高，但與施氮量160 kg/hm2處理的產(chǎn)量差異不顯著。 產(chǎn)量與穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重三者有著復(fù)雜的關(guān)系，三者的互作最終影響產(chǎn)量的形成。 穗數(shù)是高產(chǎn)的前提和基礎(chǔ)，穗粒重是高產(chǎn)的關(guān)鍵[13]。 本研究表明，N80處理穗數(shù)顯著高于其它處理，穗粒數(shù)顯著高于N0和N160處理。 王月福等[32]認(rèn)為，提高施氮量能促進(jìn)小麥分蘗與穗花發(fā)育，但對(duì)千粒重?zé)o顯著影響，這與本研究結(jié)果一致。 本研究條件下，施氮量為80 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量最高，且與其他處理差異顯著，這可能與其穗數(shù)、穗粒數(shù)較高有關(guān)。 說明適當(dāng)減少氮肥施用量，可以顯著增加春小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)，進(jìn)而提高產(chǎn)量。

4 結(jié)論

本研究得出，適當(dāng)減少氮肥施用量可以提高干物質(zhì)積累量及轉(zhuǎn)運(yùn)量，提高氮素積累量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和氮肥利用效率，同時(shí)獲得高產(chǎn)。 這既保護(hù)了環(huán)境又減少了資源浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)本增效的目的。 本試驗(yàn)條件下，80 kg/hm2氮素用量處理的氮肥利用效率和產(chǎn)量最高，可作為冀東地區(qū)春小麥生產(chǎn)中的推薦施氮量。