氮、硫配施對冬小麥氮素利用效率及產量的影響

謝迎新， 劉 超， 朱云集, 3*， 馮 偉， 張國釗， 朱慧杰

(1 國家小麥工程技術研究中心, 河南鄭州 450002; 2 小麥玉米作物學國家重點實驗室，河南鄭州 450002；3 河南農業大學資源與環境學院, 河南鄭州 450002)

氮、硫配施對冬小麥氮素利用效率及產量的影響

謝迎新1, 2， 劉 超2, 3， 朱云集1, 2, 3*， 馮 偉1, 2， 張國釗2, 3， 朱慧杰1, 2

(1 國家小麥工程技術研究中心, 河南鄭州 450002; 2 小麥玉米作物學國家重點實驗室，河南鄭州 450002；3 河南農業大學資源與環境學院, 河南鄭州 450002)

【目的】氮(N)、硫(S)是生物所必需的營養物質，對小麥籽粒產量和品質起著重要作用。硫素供應不足，特別是在當前大量氮素供應情況下引起的作物生理性缺硫將導致作物產量和含硫氨基酸蛋白質含量下降。本文旨在探索氮、硫配施對冬小麥氮素利用效率和籽粒產量的促進效果并提出合理的區域氮、硫施肥技術。【方法】2012_2013年，在河南溫縣以國審冬小麥品種豫麥49-198為供試材料，進行大田試驗。設置不同施氮量0、120、180、240和360 kg/hm2(分別以N0、N120、N180、N240和N360表示)和施硫0和60 kg/hm2(S0和S60)試驗，調查氮、硫對冬小麥干物質積累、氮素積累分配、籽粒產量和氮素利用效率的影響。【結果】對冬小麥生育后期干物質積累分析表明，干物質積累隨施氮量增多而提高，相同施氮量條件下施硫較不施硫小麥干物質積累量顯著提高，其中成熟期干物質積累量N180S60、N240S60和N360S60分別較N180S0、N240S0和N360S0提高2225、3607和3120 kg/hm2，而且氮素低的處理添加硫后干物質積累量高于氮素高不加硫處理，如N180S60> N240S0、N240S60> N360S0，處理間差異均達顯著水平。隨施氮量增多，冬小麥植株氮素積累總量增加，在N 240 和360 kg/hm2水平，硫素供應顯著增加小麥植株氮素積累。不同施氮量條件下施硫較不施硫均顯著提高了小麥籽粒產量，分別提高了10.5%、18.3%、5.2%、5.6%和4.9%。隨施氮量增多，氮肥偏生產力下降，氮回收效率、生理效率和農學效率則均以N 180達最高值。不同施氮水平下，施硫均顯著提高了冬小麥氮素回收效率，但對氮生理效率影響不顯著，其中在施N量為120、180和240 kg/hm2時，施硫較不施硫氮肥偏生產力和農學效率均顯著提高。【結論】在當前小麥生產中，采用控氮或減氮增硫技術措施，可實現小麥氮利用效率和籽粒產量的同步提高。在本試驗地區小麥生產中，達到冬小麥穩產高效或增產高效的適宜施氮量為180_240 kg/hm2配合60 kg/hm2硫肥施用。

氮； 硫； 冬小麥； 籽粒產量； 氮素利用

小麥是我國主要糧食作物，在國家糧食安全和社會經濟發展中占有重要地位。隨著我國人口持續增長、農業資源耗竭等問題的出現以及當前農業結構調整，糧食作物種植總面積減少，提高糧食單產、增加總產則成為滿足目前社會對糧食需求日益增多這一現狀的唯一途徑。在提高產量的諸多因素中，施肥特別是氮肥的施用發揮了巨大的作用。長期以來，我國在小麥生產中側重追求籽粒高產，加大肥料投入，尤其是氮肥的高投入仍對作物產量增加有很大貢獻[1-3]，但近年來我國小麥生產在提高單產方面持續徘徊不前，沒有較大突破[4]。歐洲一些國家近年來全年作物的氮肥施用量普遍降低到N 120 kg/hm2左右，而在我國華北平原小麥/玉米輪作農田和太湖地區水稻/小麥輪作稻田全年氮肥用量通常在N 550_600 kg/hm2[5]。過量施氮不僅增加氮肥殘留率，降低氮肥利用效率，對農田生態環境造成潛在威脅[6-9]，而且可降低土壤pH值[10]，影響離子的交換性吸收或促進其置換進入到土壤溶液中引起營養元素間的拮抗作用，進而影響其在植物體內的吸收和代謝，造成作物生理缺素的現象。

硫素是作物生長的必需營養元素，對小麥生長發育、產量形成以及抗逆穩產發揮著重要作用。隨著工業含硫廢氣排放控制和高純肥料種類的施用，作物生長環境中出現不同程度缺硫和潛在性缺硫現象[11]；由于硫和氮在生理、生化作用上有許多相似之處，在植物體內相輔相成，硫可以促進氮素在作物體內積累和利用[12-13]，在蛋白質合成方面表現高度協同關系[14-15]。以往的研究多集中在氮、硫肥施用的單項研究或硫氮配施對小麥品質性狀的影響方面，通過施硫措施提高小麥氮肥利用效率的研究較少，本試驗在河南溫縣大田條件下，設置不同施氮量配施硫肥試驗，探究氮硫配施對小麥氮素利用效率及籽粒產量的影響，以期為采取氮、硫配施的調控技術，實現小麥高產高效提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗于2012_2013年在河南省溫縣祥云鎮大田進行。位于北緯34°92′，東經112°99′，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，小麥全生育期降水164.8 mm，≥0℃積溫2188℃，日照時數1253 h，日均氣溫11.2℃。土壤類型為潮土，質地為粘土，前茬為夏玉米，0—30 cm土層的土壤有機質含量16.7 g/kg、全氮1.09 g/kg、速效磷(P)63.4 mg/kg、速效鉀(K)96.2 mg/kg、有效硫11.2 mg/kg。供試冬小麥品種為豫麥49-198。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，3次重復。設施氮0(N0)、120(N120)、180(N180)、240(N240)、360(N360) kg/hm25個水平，設不施硫(S0)和施硫60 kg/hm2(S60)兩個水平。各處理均施P2O590 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2，施用肥料分別為：尿素(含N 46%)、重過磷酸鈣(含P2O544%)、氯化鉀(含K2O 60%)和硫酸銨(分析純，含硫24%、氮21%)，施硫處理的氮源來自于硫酸銨和尿素，不施硫處理的氮源全部來自于尿素。磷、鉀肥全部和氮、硫肥的50%為基施，另50%的氮、硫肥于拔節期人工開溝追施。每個試驗小區面積30 m2，于10月15日機器播種，播量為150 kg/hm2。田間管理和病蟲害防治同當地高產農田。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 干物質積累量的測定 于越冬期、返青期、拔節期隨機選取代表性植株10株，開花期、灌漿期、成熟期隨機選取代表性植株10個單莖，按莖、葉、鞘、穗軸+穎殼、籽粒分器官置105℃烘箱中殺青30 min，80℃烘至恒重稱干重。取1 m長兩行小麥植株作為樣品分析計算各器官的干物質積累量和氮素積累量。

1.3.2 產量和產量構成因素的測定 成熟期各小區實收5 m2，脫粒風干后稱重，計算籽粒產量。取1 m長兩行小麥植株進行產量三要素分析。

1.3.3 植株氮含量的測定和計算 采用FOSS KJELTEC2300全自動定氮儀GB/T5511-1985(半微量凱氏定氮法)測定樣品全氮含量，并進行以下計算：

氮素積累總量(kg/hm2)=干物質量(kg/hm2)×植株含氮量(g/kg)/1000

氮肥偏生產力(PFP)=施氮處理籽粒產量/施氮量

氮肥農學效率(NUE)=(施氮處理籽粒產量-不施氮處理籽粒產量)/施氮量

氮素回收效率(RE)=(施氮處理植株吸氮量-不施氮處理植株吸氮量)/施氮量×100%

氮素生理效率(PE)=(施氮處理籽粒產量-不施氮處理籽粒產量)/(施氮處理植株吸氮量-不施氮處理植株吸氮量)

1.4 數據處理和統計分析

采用Excel 2003和SPSS 18.0統計分析軟件對數據進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 氮、硫配施對冬小麥干物質積累的影響

干物質積累是籽粒產量形成的基礎，由圖1可以看出，隨著生育期推進，干物質積累量逐漸增大，各處理變化基本一致，均呈“S”形曲線，越冬期和返青期由于冬小麥生長緩慢干物質積累較少，拔節后干物質快速增加，至成熟期達最高值。氮硫配施對小麥生育前期干物質積累影響不顯著，但隨生育期的推進，干物質積累量隨著施氮量增多顯著提高，而且相同施氮量條件下施硫較不施硫干物質積累量顯著提高，其中N180S60、N240S60和 N360S60分別較N180S0、N240S0和N360S0成熟期干物質積累量提高2225、3607和3120 kg/hm2。另外，N180S60> N240S0、N240S60> N360S0，且達顯著水平。表明通過增施硫肥降低施氮量措施，能提高冬小麥干物質積累，為籽粒產量提高奠定物質基礎。

2.2 氮、硫配施對冬小麥成熟期不同器官中氮素積累及分配的影響

從表1可見，不同施氮量對各部位氮素積累和分配比例影響不同，籽粒中氮積累量遠高于其他營養器官。在不施硫肥情況下，隨著施氮量增加，成熟期植株總氮素積累量呈先增加后降低趨勢，而在供硫情況下，植株總氮素累積量一直持續增加。相同施氮條件下，施硫能夠增加各營養器官氮素積累量，但對各部位氮素分配比例影響不同。在施氮240和360 kg/hm2條件下，籽粒和整株中氮素積累量最高，施硫顯著提高籽粒氮素積累量，而不施硫肥僅施氮360 kg/hm2處理籽粒中和整株氮素積累量顯著下降。隨著施氮量的增加，籽粒中氮素分配比例先增加后降低，在施氮180 kg/hm2條件下，籽粒中氮素分配比例達77.8%_79.9%，施氮360 kg/hm2處理籽粒中氮素分配比例為70.0%_72.4%。對氮、硫兩因子主體效應方差分析可知，單個硫、氮硫交互對小麥莖中氮素積累未達顯著水平(P=0.05)，但氮、硫及氮硫交互對其他營養器官氮素積累與分配的影響均達到差異顯著水平，表明在氮肥施用情況下配施硫肥可以起到提高小麥植株營養器官氮素積累與分配的效果。該試驗結果表明，施氮和施硫對營養器官和籽粒氮素積累量有著顯著的調控效應，施氮量過高不一定能獲得高的氮素積累和籽粒氮素分配比例，施硫可提高籽粒中氮素含量及營養器官中氮素分配比例，高施氮條件施硫可以促進籽粒和營養器官中的氮素積累量，且營養器官氮素積累分配比例高于向籽粒中氮素積累分配比例。

注(Note): 同列數值后不同小寫字母表示不同處理間差異達5%顯著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at 5% level.

2.3 氮、硫配施對冬小麥氮素吸收及利用效率的影響

由表2可知，隨施氮量增加氮肥偏生產力降低，氮回收效率、生理效率和農學效率先增加后降低。相同施氮條件下，施硫可提高氮肥偏生產力、回收效率和農學效率，但對生理效率無明顯影響。施氮120 kg/hm2條件下，增施硫肥能夠明顯提高氮回收效率和農學效率，分別提高了35.5個百分點和8.5 kg/kg。施氮180 kg/hm2時，生理效率達最高，增加施氮量生理效率則明顯降低。雖然在高施氮量(240、360 kg/hm2)條件下施硫對提高氮肥效率有積極效應，并顯著提高回收效率，但仍未能改變氮肥效率下降趨勢。氮、硫主效應方差分析結果表明，氮肥及氮、硫交互均對氮肥偏生產力、氮回收效率、氮生理效率及氮肥農學效率影響顯著，但硫肥對氮生理效率的影響不顯著。該試驗結果表明，施氮量過高則會顯著降低氮肥偏生產力和氮利用效率，但通過氮硫配施技術可明顯提高冬小麥氮肥偏生產力、回收效率及農學效率。

注(Note): PFP—氮肥偏生產力N partial factor productivity; RE—氮回收效率N recovery efficiency; PE—氮生理效率N physiological efficiency; NUE—氮肥農學效率nitrogen use efficiency; 同列數值后不同小寫字母表示不同處理間差異達5%顯著水平 Values followed by different letters are significant among treatments at 5% level.

2.4 氮、硫配施對冬小麥產量及其構成因素的影響

由表3可見，隨著施氮量增加，小麥籽粒產量和收獲指數呈現先增加后下降趨勢，均在N 240 kg/hm2時籽粒產量達最高值，且與其他處理相比差異達顯著水平。不同施氮量配施硫肥籽粒產量表現趨勢與不施硫相同，但施硫較不施硫均顯著提高了小麥籽粒產量，分別提高10.5%、18.3%、5.2%、5.6%和4.9%。在較高施氮量條件下(N180、N240和N360)配施硫肥，收獲指數則顯著低于不施硫處理，表明施硫對營養器官物質積累有顯著的促進作用。進一步對產量構成進行分析可知，不同處理對產量構成因素影響不同，隨著施氮量增加成穗數和穗粒數呈增加趨勢，千粒重則為不施氮處理顯著高于其他處理。相同施氮量條件下，施硫較不施硫提高了成穗數、穗粒數和千粒重，且對成穗數的影響均達顯著水平，甚至在高氮(N360)條件下施硫對成穗數和千粒重的影響亦達顯著水平。從氮、硫兩因子主體間效應方差分析可知，雖然氮硫交互小麥穗粒數和千粒重的影響未達差異顯著水平，但對小麥籽粒產量、收獲指數及產量構成中的成穗數的影響達到差異顯著水平，且施氮和施硫單個因子也對小麥產量、產量構成因素及收獲指數影響均達差異顯著水平，表明在當前施氮條件下配施硫肥可以通過提高小麥成穗數進而起到提高小麥籽粒產量和收獲指數的作用。

注(Note): 同列數值后不同小寫字母表示不同處理間差異達5%顯著水平 Values followed by different letters are significant among treatments at 5% level.

3 討論

3.1 氮、硫配施對冬小麥氮素積累及氮素利用的影響

前人研究表明，增施氮肥有利于增加小麥植株和籽粒含氮量和氮素積累總量，小麥群體一生總吸氮量隨產量水平提高進一步增加[16-17]。王東等[18]研究表明，冬小麥產量形成需硫量的相對高低與需氮量一致，氮素利用效率與硫素利用效率可以協同提高。本試驗表明，施氮和施硫均促進小麥植株對氮素的吸收利用，提高了成熟期各器官氮素積累量，施硫提高氮肥偏生產力和氮素利用效率，表明氮、硫之間有著積極正向交互作用。結果還表明，施硫增加了營養器官氮素占有比例，降低了籽粒中氮素占有比例，隨著施氮量增加籽粒中氮素占有比例呈下降趨勢。在一定氮、硫供應水平下，氮硫存在互促效應。氮硫供應水平過高，則相互抑制，不利于小麥對氮、硫的吸收和利用[19]。在氮素不足時，大量施用硫肥會抑制小麥植株對氮素的吸收利用，當作物不缺硫時氮、硫交互可在高氮素利用效率方面反映；在氮素充足的情況下，施用硫肥可以促進植物對氮素的吸收和利用，促使灌漿期各器官的氮素向籽粒中轉移[20-21]。成熟期氮在籽粒中的分配率最高在80%以上，而籽粒中積累的氮68.0%_73.3%來自營養器官中氮的再分配[22]。本研究表明，增加施氮量顯著降低氮肥偏生產力，氮肥農學效率、回收效率和生理效率呈現先增加后降低的趨勢，施硫則對不同施氮處理的促進效果有所不同，但都是正面影響。

3.2 氮、硫配施對小麥干物質積累及產量的影響

小麥籽粒產量形成受開花前貯存碳、氮物質的調節以及開花后光合生產和氮素吸收能力的影響。干物質積累是小麥產量形成的基礎，小麥籽粒中的碳約20%_25%來自開花前營養器官中的貯存碳, 超過70%來自開花后的光合生產[23]。因此，開花至成熟期干物質積累高是小麥獲得高產的重要條件。硫是葉綠素合成和 ATP磺酰的活性所必需的元素，以氨基酸的形式參與葉綠素前體的合成[24]，施硫保證了小麥可利用的硫，提高了小麥葉片光合特性，可提高小麥花后干物質積累量，對籽粒產量提高有重要作用[25]，本試驗結果表明，氮肥和硫肥配合施用對小麥干物質積累和產量提高有重要作用，在一定范圍之內籽粒產量隨施氮量的增加而提高，施氮量過高卻導致籽粒產量降低，但不同施氮量條件下配施硫肥均顯著提高小麥干物質積累量和籽粒產量，而且干物質積累量N180S60、N240S60分別顯著高于N240S0和N360S0, 籽粒產量N240S60顯著高于N360S0，該試驗結果表明，在本試驗條件下采用降氮增硫的施肥技術措施，有利于提高小麥生物量和籽粒產量。增施硫肥對小麥成穗數有顯著提高，增大了群體的干物質積累量，這可能是收獲指數不高的原因。有關氮硫配施對小麥氮素吸收及產量形成影響的生理機制有待于進一步深入研究。

4 結論

在本試驗條件下，適宜的施氮量對冬小麥產量提高及氮的高效利用有著重要作用，增施硫肥對冬小麥產量提高和氮素高效利用具有明顯的增強效果。施氮量過高不一定能獲得高的氮素積累和籽粒氮素所占比例，但施硫可提高籽粒中氮素含量，降低籽粒中氮素分配比例，進而整體提高營養器官中氮素分配比例。施氮量過高籽粒中氮素分配比例呈下降趨勢，施硫可促進籽粒和營養器官中氮素積累，且向營養器官氮素積累分配比例高于向籽粒中氮素積累的分配比例。施氮120 kg/hm2配合施硫60 kg/hm2時氮素利用效率最高，但其產量偏低，盡管施氮360 kg/hm2能獲得較高的干物質積累量，但其籽粒產量顯著低于施氮240 kg/hm2。因此，建議在本試驗地區小麥生產中，達到冬小麥穩產高效或增產高效的適宜施氮量為180_240 kg/hm2配合60 kg/hm2硫肥施用。

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Effects of nitrogen and sulfur combined application on nitrogen use efficiency and grain yield of winter wheat

XIE Ying-xin1, 2, LIU Chao2, 3, ZHU Yun-ji1, 2, 3*, FENG Wei1, 2, ZHANG Guo-zhao2,3, ZHU Hui-jie1, 2

(1NationalEngineeringResearchCentreforWheat,Zhengzhou,Henan450002,China; 2StateKeyLaboratoryofWheatandMaizeCropScience,Zhengzhou450002,China; 3CollegeofResourcesandEnvironment,HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China)

【Objectives】 Nitrogen (N) and sulphur (S) are essential nutrients required for all living organism, which play important role in grain yield and quality of wheat. Insufficient S, especially physiological deficiency S caused by large amounts of N supply, will result in decreased grain yield and diminished S amino acid content of the grain protein. This paper aims to compare the effects of different N and S combined application on the N use efficiency and grain yield of winter wheat and to give some reasonable advices about N and S fertilization technology in the North China Plain. 【Methods】 A wheat cultivar, Yumai 49-198, was used as test material. Field experiments were conducted with five N levels of 0, 120, 180, 240 and 360 kg/ha (recorded as N0, N120, N180, N240, N360) and two S levels of 0 and 60 kg/ha (S0, S60) during wheat growth seasons. The dry matter accumulation (DMA), N accumulation and distribution, and grain yield formation were measured in 2012-2013 at Wenxian County in Henan Province, China.【Results】 The DMA at late growth stages is increased with the increase of N application rate. Under the same N application rates, S application could significantly increase DMA of winter wheat compared with no S application, in which at maturity stage the DMA of N180S60, N240S60and N360S60compared with N180S0, N240S0and N360S0increased 2225, 3607 and 3120 kg/ha, respectively, showing the order of N180S60> N240S0, N240S60> N360S0, and the differences all reach significant level. The total N accumulation in wheat plant also increased with the increase of N application rate, the S application could significantly increase the accumulation under higher N application rates (240 and 360 kg/ha). Compared with no S application, S application at five N application levels could also increase the grain yield by 10.5%, 18.3%, 5.2%, 5.6% and 4.9%, respectively. N partial factor productivity gradually declined with the increase of N application rates, N recovery efficiency, agronomic efficiency and physiological efficiency are all the highest in the N180treatment, and combined with S application could further significantly increase the N recovery efficiencies, and the increases in agronomic efficiency and N partial factor productivity are significant at N application rates of 120, 180 and 240 kg/ha. 【Conclusions】Comprehensively considering grain yield and N use efficiency in the current wheat production of North China, we conclude that combined N and S fertilization is effective technology for achieving simultaneously high grain yield and N use efficiency of winter wheat. N of 180-240 kg/ha combined with S of 60 kg/ha are recommended to obtain stable and high yield and high efficiency of winter wheat in the tested area.

nitrogen； sulfur; winter wheat; grain yield; nitrogen utilization

2014-4-14 接受日期： 2014-10-23

國家重點基礎研究發展計劃(2009CB118600)；農業部公益性行業科研專項(201203096, 201203031，201303102)； “十二五”科技支撐計劃(2013BAD07B07，2011BAD16B07)資助。

謝迎新(1976—)， 男， 河南西平人， 博士， 副研究員， 主要從事植物營養與生理生態研究。 E-mail: xieyingxin@tom.com * 通信作者 E-mail: hnndzyj@126.com

S143.7+9； S512.1+1

A

1008-505X(2015)01-0064-08