減氮配施有機(jī)肥對(duì)小麥衰老進(jìn)程及產(chǎn)量的影響

摘要 ［目的］探明減氮配施有機(jī)肥對(duì)小麥衰老進(jìn)程及產(chǎn)量的影響，以及合適的減氮配施有機(jī)肥比例。［方法］結(jié)合主成分分析法和隸屬度函數(shù)法新構(gòu)建了能定量表達(dá)小麥生長(zhǎng)狀態(tài)的植被生長(zhǎng)指數(shù)（vegetation growth index，VGI），通過(guò)分析不同處理下小麥不同農(nóng)藝性狀參數(shù)、產(chǎn)量性狀參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)減氮配施有機(jī)肥對(duì)小麥衰老進(jìn)程及產(chǎn)量的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。［結(jié)果］基肥減15%～20%的氮肥配施5 250～6 000 kg/hm2的有機(jī)肥作底肥，能夠獲得優(yōu)于對(duì)照（CK1）的農(nóng)藝性狀表現(xiàn)，接近對(duì)照（CK1）的有效穗數(shù)，并對(duì)小麥千粒重產(chǎn)生一定的正向作用，從而在產(chǎn)量上表現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還能延緩小麥生育后期的衰老進(jìn)程。［結(jié)論］通過(guò)研究減氮配施有機(jī)肥對(duì)小麥衰老進(jìn)程及產(chǎn)量的影響，明確了減少氮肥配施有機(jī)肥的最佳比例，能夠?yàn)闇p少化肥用量，改善耕作土壤理化特性，培肥地力提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞 小麥；有機(jī)肥；主成分分析；隸屬度函數(shù)；植被生長(zhǎng)指數(shù)；產(chǎn)量模型

中圖分類(lèi)號(hào) S 318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2025）05-0128-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.05.026

Effects of Nitrogen Reduction Combined with Organic Fertilizer on Aging Process and Yield of Wheat

WANG Kang-kang，ZHANG Peng，WANG Jing-jing et al

（Institute of Modern Agriculture Research， Jiangsu Provincial Agricultural Reclamation and Development Corporation， Nanjing， Jiangsu 210031）

Abstract ［Objective］To explore the effects of nitrogen reduction combined with organic fertilizer on the senescence process and yield of wheat， as well as the appropriate proportion of nitrogen reduction combined with organic fertilizer. ［Method］Combining principal component analysis （PCA） and membership function method， a new vegetation growth index was constructed to quantitatively express the growth status of wheat.The effects of nitrogen reduction combined with organic fertilizer on aging process and yield of wheat were evaluated by analyzing the variation of agronomic and yield parameters under different treatments. ［Result］The results showed that nitrogen fertilizer with a 15%-20% reduction in base fertilizer combined with organic fertilizer of 5 250-6 000 kg/hm2 as base fertilizer can achieve better agronomic performance than the control， close to the effective number of ears per mu of the control， and have a certain positive effect on the thousand grain weight of wheat， thus showing a certain advantage in yield. At the same time， it can also delay the aging process in the later stage of wheat growth.［Conclusion］By studying the effects of nitrogen reduction combined with organic fertilizer on the senescence process and yield of wheat， the best proportion of nitrogen reduction combined with organic fertilizer was determined， which can provide certain technical support for reducing the amount of chemical fertilizer and improving the physical and chemical characteristics of cultivated soil to cultivate fertility.

Key words Wheat;Organic fertilizer;Principal component analysis;Membership function;Vegetation growth index;Yield model

小麥?zhǔn)俏覈?guó)的主要糧食作物之一，其生產(chǎn)面積僅次于水稻生產(chǎn)面積，對(duì)于保障我國(guó)糧食安全有著不可替代的地位，而要實(shí)現(xiàn)小麥生產(chǎn)的綠色可持續(xù)發(fā)展，科學(xué)施肥是重要途徑［1-2］。然而，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和政策支持，2004年以來(lái)我國(guó)化肥產(chǎn)能過(guò)剩和農(nóng)業(yè)化肥施用過(guò)量［3］，化肥對(duì)土壤和水體環(huán)境質(zhì)量造成的負(fù)面影響明顯增加。盲目地堆積施用大量化肥，以達(dá)到增產(chǎn)目的，不僅難以獲得預(yù)期產(chǎn)量效益，還會(huì)降低農(nóng)田作物的肥料利用率，同時(shí)導(dǎo)致過(guò)量肥料殘留在土壤中，加劇環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)［3-4］，尤其是氮肥施用量過(guò)高，造成利用效率降低，單位面積氮肥殘留量增加［5］。而有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施在提升土壤肥力，增加農(nóng)作物產(chǎn)量，提升肥料利用效率和水分利用效率等方面都有著顯著的效果［6-8］。

陳明等［9］研究發(fā)現(xiàn)，氮、磷、鉀配施有機(jī)肥有助于延緩雜交水稻的衰老進(jìn)程，對(duì)于提高雜交水稻產(chǎn)量作用明顯。于昕陽(yáng)等［10］基于小麥田減少氮肥配施有機(jī)肥，發(fā)現(xiàn)渭北旱塬地區(qū)冬小麥生產(chǎn)中，合理的有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施比例不僅能顯著提高冬小麥對(duì)于氮、磷、鉀素等養(yǎng)分的吸收，提升土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀的含量，還有助于提升冬小麥的水分利用效率。趙秀哲等［11］在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上，于不同生育期追施有機(jī)肥，發(fā)現(xiàn)能增加水稻產(chǎn)量4.33%～12.17%，同時(shí)也能提高水稻精米率、整精米率。李銀坤等［12］研究認(rèn)為，減氮配施有機(jī)肥不僅能顯著降低耕層土壤硝態(tài)氮含量，大幅提高氮肥利用率，還能增加冬小麥和夏玉米的生物量及產(chǎn)量。胡法龍等［13］研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)常規(guī)化肥處理，在施用黃腐酸生物有機(jī)肥300 kg/hm2的基礎(chǔ)上，減氮10％、15％既有利于水稻氮素積累，又能顯著提高水稻群體氮肥農(nóng)學(xué)利用率和吸收利用率。李科等［14］針對(duì)小麥田減少氮肥配施有機(jī)肥，構(gòu)建了肥料配施比例與產(chǎn)量的回歸模型，認(rèn)為配施比例為1∶0.34∶0.11∶1.09時(shí)小麥產(chǎn)量較高，肥料的利用率最大。袁浩凌等［15］研究發(fā)現(xiàn)，相較于常規(guī)施肥模式，有機(jī)肥替代無(wú)機(jī)肥、綠肥還田和控釋肥減施氮肥模式，均能不同程度地減少稻田總氮徑流流失量。方成等［16］研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)全生育期按比例減氮配施有機(jī)肥，能顯著提升鮮食玉米籽粒品質(zhì)，獲得接近常規(guī)施肥方式下的產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀表現(xiàn)。綜上可見(jiàn)，大力推廣減少氮肥配施有機(jī)肥的施肥策略，一方面可減少化肥用量，以緩解化肥施用過(guò)量帶來(lái)的環(huán)境壓力，另一方面可改善耕作土壤理化特性培肥地力，這對(duì)我國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)的綠色可持續(xù)發(fā)展有積極意義。因此，筆者結(jié)合主成分分析法和隸屬度函數(shù)法，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)能綜合表達(dá)小麥生長(zhǎng)狀態(tài)的植被生長(zhǎng)指數(shù)，來(lái)定量評(píng)價(jià)減少氮肥配施有機(jī)肥對(duì)小麥衰老進(jìn)程的影響，通過(guò)分析不同處理下小麥不同農(nóng)藝性狀參數(shù)、產(chǎn)量性狀參數(shù)的變化規(guī)律，來(lái)明確合適的減氮配施有機(jī)肥比例，構(gòu)建小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型，以期為減少化肥用量，改善耕作土壤理化特性及培肥地力提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在江蘇省連云港市東辛農(nóng)場(chǎng)生態(tài)試驗(yàn)基地進(jìn)行。基地具有海洋性氣候特征，溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，無(wú)霜期長(zhǎng)，年降雨量930.2 mm，年均氣溫13.7 ℃，土壤類(lèi)型為濱海黏質(zhì)鹽土，地下水位隨不同季節(jié)變化，一般在80～100 cm，旱季少數(shù)田塊地下水埋深超過(guò)2 m。田間試驗(yàn)設(shè)6個(gè)不同氮肥用量水平為主處理，純氮肥用量分別為0、351.00、0、298.35、280.80、263.25 kg/hm2。設(shè)施用有機(jī)肥3個(gè)副處理，有機(jī)肥用量分別為 5 250、6 000、6 750 kg/hm2。每個(gè)小區(qū)還分別施入磷（P2O5）103.50 kg/hm2，不施鉀肥。共12個(gè)處理，每處理3次重復(fù)。小區(qū)面積為20 m2，試驗(yàn)中所用氮肥為尿素、磷酸二銨，磷肥為磷酸二銨、過(guò)磷酸鈣。施用的有機(jī)肥為商品有機(jī)肥，各處理肥料施用情況見(jiàn)表1，有機(jī)肥養(yǎng)分含量表現(xiàn)為pH 9.0，有機(jī)質(zhì)含量53.94%，氮含量2.16%，P2O5含量2.26%，K2O含量1.63%。試驗(yàn)所用小麥品種為淮麥33，播種量375 kg/hm2，采用人工撒播。小麥生育期間其他田間管理同大田。

1.2 指標(biāo)測(cè)定與方法

1.2.1

農(nóng)藝性狀。每個(gè)小區(qū)連續(xù)挑選6株長(zhǎng)勢(shì)一致的小麥植株，于抽穗期、灌漿期、成熟期使用SPAD測(cè)試小麥旗葉葉綠素含量，取參試植株的平均值作為最終數(shù)據(jù)。同葉綠素測(cè)試植株，于抽穗期、灌漿期用直尺測(cè)量植株基部到穗頂端、不連芒的高度，取平均值作為株高。同葉綠素測(cè)試植株，于抽穗期、灌漿期，使用浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司生產(chǎn)的YMJ-A葉面積測(cè)量?jī)x，測(cè)量小麥旗葉葉片面積。

1.2.2 產(chǎn)量性狀。產(chǎn)量：全區(qū)收獲計(jì)產(chǎn)；穗粒數(shù)：各小區(qū)調(diào)查記錄穗粒數(shù)，取平均值；有效穗數(shù)：用0.333 m2的樣方調(diào)查值換算；千粒重：每個(gè)小區(qū)測(cè)千粒重，取平均值。

1.2.3 葉綠素衰減率（attenuation rate of chlorophyll content，ARC）。抽穗期葉綠素含量減去成熟期葉綠素含量，除以抽穗期葉綠素含量，公式如下［9］：

式中：CCH為抽穗期葉綠素含量（chlorophyll content of heading stage），CCM為成熟期葉綠素含量（chlorophyll content of maturation stage），其值越小，代表對(duì)應(yīng)處理下小麥衰老進(jìn)程越慢。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 數(shù)據(jù)分析。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 16.0、Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用GraphPad Prism 6軟件進(jìn)行作圖；基于Matlab 2016a進(jìn)行相關(guān)變量與產(chǎn)量間的灰色關(guān)聯(lián)度分析。

基于Matlab 2016a使用主成分分析算法和隸屬度函數(shù)算法構(gòu)建植被生長(zhǎng)指數(shù)（vegetation growth index，VGI），其計(jì)算思想源于土壤肥力評(píng)價(jià)中的土壤綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法［17-21］，并參照了前人的算法［22］。通過(guò)計(jì)算抽穗期、灌漿期的VGI綜合反映小麥在2個(gè)生育期不同處理下葉面積、株高、葉綠素的綜合變化，以定量表達(dá)小麥生長(zhǎng)狀態(tài)。

以VGI、ARC為自變量，基于Matlab 2016a使用多元線性回歸算法（multiple linear regression，MLR）、偏最小二乘算法（partial least squares regression，PLS）分別構(gòu)建小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型，建模數(shù)據(jù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)按1∶1隨機(jī)劃分，用R2、RMSE、RRMSE評(píng)價(jià)模型性能。

1.3.2 計(jì)算農(nóng)藝性狀參數(shù)權(quán)重和隸屬度值。

權(quán)重反映各農(nóng)藝性狀在小麥生育進(jìn)程中的重要程度，考慮到主成分分析法在消除參數(shù)間多重共線性關(guān)系上的優(yōu)勢(shì)，采用主成分分析法確定權(quán)重（表2）。具體計(jì)算過(guò)程參照文獻(xiàn)［23］。

隸屬度值是參數(shù)無(wú)綱量化后的標(biāo)準(zhǔn)值，能夠消除不同單位背景的影響。因3個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)與小麥的生長(zhǎng)狀態(tài)呈正相關(guān)，故根據(jù)公式（4）計(jì)算農(nóng)藝性狀指標(biāo)（葉面積、株高、葉綠素）隸屬度值［24-26］：

式中：xmin表示不同農(nóng)藝性狀指標(biāo)的最小值；xmax表示不同農(nóng)藝性狀指標(biāo)的最大值；x表示不同農(nóng)藝性狀指標(biāo)的原始測(cè)試值。

1.3.3 計(jì)算植被生長(zhǎng)指數(shù)。

土壤綜合肥力評(píng)價(jià)指數(shù)（integrated fertility index，IFI）由隸屬度值和參數(shù)權(quán)重系數(shù)來(lái)決定，是綜合反映土壤肥力狀況的常用方法，參照土壤綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法［20-21］及文獻(xiàn)［22］。計(jì)算方法為

式中：p表示農(nóng)藝性狀參數(shù)的個(gè)數(shù)；xij表示不同農(nóng)藝性狀參數(shù)的隸屬度值；wi表示不同農(nóng)藝性狀參數(shù)的權(quán)重值。VGI的數(shù)值在［0，1］，其值越大，表示對(duì)應(yīng)樣本植株的生長(zhǎng)狀態(tài)越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生育期減氮配施有機(jī)肥對(duì)小麥農(nóng)藝性狀的影響

表3為不同處理下2個(gè)生育期小麥農(nóng)藝性狀的變化。①旗葉葉面積。相較于CK1，不同處理下旗葉葉面積大小均有不同程度降低。其中，抽穗期除CK0外，不同處理旗葉葉面積均未表現(xiàn)出顯著差異。灌漿期除N1、N2、N3、N4、N7處理外，其余處理旗葉葉面積均表現(xiàn)出顯著差異（Plt;0.05）。②葉綠素含量。相較于CK1，抽穗期除N1、N2處理外，其余處理葉綠素含量均有不同程度降低。其中，相較于CK1，N9處理表現(xiàn)出顯著差異。N9處理與N1、N2處理間差異顯著（Plt;0.05）。灌漿期除N1、N2、N3、N4處理外，其余處理葉綠素含量均有不同程度降低，其中，相較于CK1，N8、N9處理表現(xiàn)出顯著差異（Plt;0.05），N7、N8、N9處理與N1、N2、N3處理間差異顯著（Plt;0.05）。③株高。相較于CK1，抽穗期除N1、N2處理外，不同處理株高均有不同程度降低。而相較于CK1，灌漿期不同處理株高均有不同程度降低，各減氮處理間均未表現(xiàn)出顯著差異。

2.2 不同生育期減氮配施有機(jī)肥對(duì)小麥衰老進(jìn)程的影響

由表4可知，各減施氮肥配施有機(jī)肥處理下的ARC值均低于CK1，表明試驗(yàn)處理對(duì)小麥衰老進(jìn)程起到了一定延緩作用。其中，N1處理ARC值最小，表明N1處理對(duì)小麥衰老進(jìn)程的延緩效果顯著。由方差分析可知，N1處理ARC值與CK1間差異顯著（Plt;0.05），其他處理均與CK1間無(wú)顯著差異。

對(duì)于VGI指數(shù)，抽穗期除N1、N2處理外，其他處理VGI值均低于CK1；灌漿期除N1處理的VGI值接近CK1外，其他處理VGI值均遠(yuǎn)低于CK1。由方差分析可知，抽穗期除CK0、CK2外，其他處理與CK1間均無(wú)顯著差異；灌漿期CK0、CK2、N5、N6、N7、N8、N9處理均與CK1間差異顯著（Plt;0.05）。綜合ARC和VGI的變化規(guī)律來(lái)看，N1處理小麥衰老進(jìn)程緩慢于CK1，說(shuō)明底肥適當(dāng)減少氮肥配施一定比例的有機(jī)肥有助于促進(jìn)小麥植株的生長(zhǎng)，以延緩小麥衰老進(jìn)程。

2.3 不同生育期減氮配施有機(jī)肥對(duì)小麥產(chǎn)量性狀的影響

①有效穗數(shù)。相較于CK1，僅N1、N2處理有效穗數(shù)略高，其他不同處理有效穗數(shù)均較低。除CK0、CK2、N5、N6處理外，其余處理有效穗數(shù)與CK1間均無(wú)顯著差異。②千粒重。除N9處理千粒重接近CK1外，其他處理千粒重相較于CK1均有不同程度的增加。但相較于CK1，不同處理千粒重均未表現(xiàn)出顯著差異。③每穗實(shí)粒數(shù)。相較于CK1，不同處理每穗實(shí)粒數(shù)均有不同程度的降低。其中，僅CK0、CK2、N8、N9處理與CK1間顯著差異（Plt;0.05）。④產(chǎn)量。相較于CK1，N1、N2處理的實(shí)測(cè)產(chǎn)量略高，其他處理實(shí)測(cè)產(chǎn)量均有不同程度的下降，且方差分析發(fā)現(xiàn)，除N1、N2、N3、N7處理外，其他處理產(chǎn)量均與CK1表現(xiàn)出顯著差異（Plt;0.05）（表5）。綜上可知，氮肥減少比例不宜過(guò)大，減少適當(dāng)比例的氮肥配施有機(jī)肥對(duì)小麥千粒重有一定的正向作用，N1、N2處理下產(chǎn)量表現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)。

2.4 灰色關(guān)聯(lián)分析

由表6可知，構(gòu)建計(jì)算的3個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)與產(chǎn)量關(guān)聯(lián)系數(shù)范圍為［0.70，0.75］，3個(gè)產(chǎn)量性狀指標(biāo)與產(chǎn)量關(guān)聯(lián)系數(shù)范圍為［0.72，0.84］。其中，產(chǎn)量性狀中有效穗數(shù)與產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度最好，表明其對(duì)產(chǎn)量影響占據(jù)主導(dǎo)地位，決定著不同處理產(chǎn)量的最終表現(xiàn)。其次灌漿期VGI和ARC也與產(chǎn)量有較好的關(guān)聯(lián)度，表明灌漿期緩慢的衰老進(jìn)度和較好的生長(zhǎng)狀態(tài)對(duì)產(chǎn)量的形成有輔助作用，從側(cè)面證明有機(jī)肥的施用對(duì)小麥產(chǎn)量的提升有一定幫助。

2.5 構(gòu)建小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型

表7為2種機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建的小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型結(jié)果。由表7可知，基于實(shí)測(cè)產(chǎn)量數(shù)據(jù)類(lèi)型，PLS建模表現(xiàn)穩(wěn)定（R2為0.81）。在模型的驗(yàn)證精度上，PLS表現(xiàn)較好（R2為0.86，RMSE為30.1 kg，RRMSE為8.5%），MLR構(gòu)建模型的驗(yàn)證精度略差。圖1為構(gòu)建模型的預(yù)測(cè)結(jié)果1∶1等比例圖，進(jìn)一步直觀地展示了模型的預(yù)測(cè)結(jié)果。綜上可見(jiàn)，PLS構(gòu)建的小麥產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型性能表現(xiàn)優(yōu)越，預(yù)測(cè)結(jié)果在1∶1等比例線周邊分布均勻。

3 結(jié)論與討論

前人研究發(fā)現(xiàn)［27］，葉綠素（a+b）含量與旗葉葉面積呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，2個(gè)生育期的旗葉葉面積、葉綠素含量權(quán)重不一致。這可能是由于抽穗期旗葉葉面積處于鼎盛時(shí)期，是主導(dǎo)小麥植株光合作用的主要因素，而灌漿期（即抽穗后20 d）旗葉葉面積部分已經(jīng)開(kāi)始微黃，此時(shí)葉綠素含量主導(dǎo)小麥植株的光合作用，從而導(dǎo)致2個(gè)指標(biāo)參數(shù)在不同生育期有不同的權(quán)重值。此外，該研究對(duì)照產(chǎn)量略低于同田塊同品種機(jī)播產(chǎn)量，原因可能是人工撒播方式、稻茬地耕作方式影響了小麥的成苗數(shù)，導(dǎo)致小麥基本苗群體較小。由于該田塊前作水稻收獲較晚，田塊土壤濕度較大，導(dǎo)致耕作后土塊顆粒較大，對(duì)人工撒播后的麥種覆蓋度不足，影響了小麥的出苗數(shù)，同時(shí)小麥生育后期降水量不足，影響了生育后期的灌漿進(jìn)程，最終導(dǎo)致對(duì)照產(chǎn)量降低。

該研究結(jié)果表明，基肥減15%～20%的氮肥配施5 250～6 000 kg/hm2的有機(jī)肥作底肥，有助于促進(jìn)小麥植株生長(zhǎng)，接近對(duì)照的有效穗數(shù)，并對(duì)小麥千粒重產(chǎn)生一定的正向作用，顯著延緩小麥生育后期的衰老進(jìn)程，從而在產(chǎn)量上表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。以上結(jié)果，與前人在不同作物上的研究結(jié)果相似［9，13-14，16］。通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量性狀指標(biāo)與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)性要大于農(nóng)藝性狀指數(shù)指標(biāo)，基于2個(gè)指數(shù)指標(biāo)ACR、VGI構(gòu)建的產(chǎn)量預(yù)測(cè)模型性能穩(wěn)定，其中PLS構(gòu)建的模型精度優(yōu)于MLR。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 汪康康（1993—），男，河南項(xiàng)城人，農(nóng)藝師，碩士，從事作物栽培、智慧農(nóng)業(yè)研究。*通信作者，農(nóng)藝師，碩士，從事作物栽培研究。

收稿日期 2024-03-12；修回日期 2024-04-25