施氮量對小麥氮素利用的影響

李升東，張衛峰，王法宏，司紀升，孔令安，劉建軍

(1.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193； 2.山東省農業科學院作物研究所，山東濟南 250100)

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施氮量對小麥氮素利用的影響

李升東1,2，張衛峰1，王法宏2，司紀升2，孔令安2，劉建軍2

(1.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193； 2.山東省農業科學院作物研究所，山東濟南 250100)

摘要：為給小麥氮肥高效利用提供依據，采用大田試驗，連續2個年度(2012-2013、2013-2014)分別在潮土(濟南)和棕壤(淄博)兩種土壤類型上觀測了0 kg·hm-2(對照)、69 kg·hm-2、138 kg·hm-2、207 kg·hm-2、276 kg·hm-2(高氮處理)和345 kg·hm-2(富氮處理)純氮對小麥產量、氮肥利用效率和耕層土壤養分含量的影響。結果表明，在0～276 kg·hm-2范圍內，小麥葉面積系數(LAI)和植被歸一化指數(NDVI)均隨氮肥施用量的增加而增加，富氮處理下LAI和NDVI開始下降。施氮量在0～276 kg·hm-2范圍內時，穗數、穗粒數和千粒重隨著施氮量的增加而增加，說明在一定范圍內增施氮肥有利于小麥“庫”的建成。從低施氮量開始到207 kg·hm-2的用量時，肥料氮的利用效率持續增加，但是繼續增加施氮量時，氮肥農學利用效率出現下降，此時小麥進入氮肥的“奢侈吸收”階段。在黃淮海麥區氣候條件下，在小麥季施入氮素過量與否，對耕層土壤的肥力提升作用不明顯，因此小麥養分管理應以達到作物養分吸收和土壤供求同步、土壤無機氮沒有顯著積累為宜。

關鍵詞：小麥；氮肥梯度；氮肥利用率；土壤養分

受“施肥越多，產量越高”觀念的影響[1]，為了獲取作物高產，生產中不合理和盲目施肥現象相當普遍，尤其在經濟發達地區尤為突出，造成了肥料利用效率和生產效益的低下[2]。在山東惠民的調查發現，肥料的超量施用是土壤NO3--N 向下運移，淋出根層，進而污染深層地下水的主要原因[3]。雖然農業科研工作者不斷地呼吁農民降低肥料施用量，但是在實際生產中農民認為降低肥料用量雖然不會對當季作物產量造成較大影響，但會影響下季作物，不利于土壤生產力的持續，因此仍然過量施氮。研究證實，施入土壤中的氮素主要由降水/灌溉淋失、反硝化損失、作物吸收和土壤殘留四個方面完成循環[4-5]，其中氮素淋失在5%～18%之間，反硝化損失約為5%～8%，作物吸收約為18%～41%，土壤殘留部分大約20%～48%[6-8]。其中土壤殘留部分是關鍵，因為其貯存在土壤中，可以被下季作物再利用，這也是農民反駁科研工作者降低氮肥施用量不會影響土壤肥力狀況的所謂“科學依據”。巨曉棠等利用15N示蹤試驗在北京郊區冬小麥/夏玉米輪作體系中研究發現，施氮量在120～360 kg·hm-2時，一季作物生長后仍有20.9%～48.4%肥料氮殘留于0～100 cm土層中[8]。但是其沒有對土壤殘留養分的分布乃至下一季作物的利用情況進一步深入研究。由于華北平原具有典型的大陸性季風氣候，常年降水量雖然在600～800 mm之間，但是降水主要集中在6月至9月[9]。而當地的生產習慣為小麥/玉米一年兩熟，小麥一般是9月下旬或10月上旬播種，來年的5月下旬或6月上旬收獲，之后免耕鐵茬播種玉米，至9月中旬或下旬收獲[10]。農戶在小麥季施入土壤中的氮素在強降雨淋失的同時，有多少能夠被下季作物吸收利用成為當前氮素周年高效利用研究亟待明確的問題[11-13]。本試驗設置不同施氮量處理，研究了氮素管理對土壤生產力和小麥氮素利用效率的影響，以期為實現小麥高效生產、減輕氮素環境污染提供參考依據。

1材料與方法

1.1供試材料與試驗設計

試驗2012-2013年在山東省農業科學院作物研究所試驗田(北緯35°22′,東經117°13′，海拔40 m)進行，供試小麥品種為黃淮海麥區大面積推廣應用的濟麥22；2013-2014年在淄博市農業科學院桓臺試驗站(北緯36°51′，東經118°13′，海拔32 m)進行，供試小麥品種為山東省農業科學院原子能農業應用研究所選育的魯原502。濟南、淄博均屬于典型的大陸性季風氣候，降水主要集中在6-9月，兩地多年平均降水量分別為722.6和667.5 mm。濟南試驗點土壤類型為潮土，淄博試驗點土壤類型為棕壤，兩地播種前土壤基礎肥力狀況見表1。

試驗設0、69、138、207、276和345 kg·hm-26個氮肥施用量處理，分別用N0、N69、N138、N207、N270和N345表示，小區面積40 m2(4 m×10 m)，小區間距為50 cm，3次重復，氮肥50%于播種前基施，其余50%在拔節期人工開溝追施。磷肥和鉀肥施用量均為225 kg·hm-2，在播種前一次翻耕施入。氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。2012-2013季追氮日期為3月16日，2013-2014季追氮日期為3月25日。

表1　試驗田土壤基礎肥力

濟南和淄博試驗田分別于10月8日和11日播種，基本苗均為315萬株·hm-2。兩地分別于當年的11月15日和11月10日澆灌越冬水，次年的3月18日和3月22日澆灌返青水，其他田間管理措施等同于大田，收獲日期分別為次年的6月10日和6月12日。

1.2測定項目及方法

在日照強度達到900 μmol·m-2·s-1的無風天，用AccuPAR.model LP-80植物冠層分析儀測定葉面積系數(LAI)，每小區測5點取平均值。測量時將儀器水平放置在冠層上方無遮擋處，測量光合有效輻射(PAR)，然后將儀器水平放置到小麥根部再測量基部的光合有效輻射，由儀器按照內置公式計算LAI。

植被歸一化指數(NDVI)由國際玉米小麥改良中心(CIMMYT)提供的GreenSeeker 505測定。測定時儀器探頭平行于地面，距小麥冠層40 cm，測定者在田間行走的同時儀器采集并儲存數據。

開花期根系活力測定采用TTC法[14]。

氮肥農學效率AEN=(YN-Y0)/FN；氮肥偏生產力PFPN=YN/FN；肥料利用率RE=(UN-U0)/FN×100%。式中，YN為施氮處理籽粒產量；Y0為對照籽粒產量；FN為氮肥施用量；UN為施肥區小麥氮素吸收量；U0為空白區小麥氮素吸收量；FN為氮素投入量。

每個小區按照東西向劃分為兩部分，一部分用于生育期間采樣，另一部分用于收獲測產。于小麥返青、拔節、抽穗、灌漿和成熟期采植株樣測定生物量和農藝指標。收獲時每小區中間選取5 m2人工收獲測產。

1.3數據分析

數據分析采用SPSS17.0軟件處理，繪圖采用Sigma Plot 11.0軟件完成。

2結果與分析

2.1施氮量對小麥LAI和NDVI的影響

LAI和NDVI是反映農作物長勢和營養信息的兩個重要參數[15]。施氮量對小麥LAI和NDVI均存在顯著影響(圖1)。在0～276 kg·hm-2

圖1　施氮量對小麥NDVI和LAI的影響

施氮量范圍內，LAI和NDVI均隨著氮肥施用量的增加而增加，在氮肥施用量超過276 kg·hm-2時LAI和NDVI均下降。因此，過量施氮不利于小麥葉面積的擴大。從生育進程看，在小麥生長的前期(3月18、20日)和后期(6月1和3日)施氮量對LAI和NDVI的影響尤為明顯，說明合理的氮素供給具有促進小麥春季早發和后期延衰的作用，有利于植株健壯生長。

2.2施氮量對小麥產量及其構成的影響

當兩個試驗點分別在0～276和0～207 kg·hm-2范圍內持續增加施氮量時，小麥穗數、穗粒數和千粒重及產量均不斷提高，說明在一定范圍內增施氮肥有利于小麥“庫”的建成和高產。過量施氮時穗粒數和千粒重顯著下降，雖然穗數繼續增加，但產量變化不明顯或顯著降低。地上部生物量對施氮量也表現出相似的反應。

表2　施氮量對小麥產量和產量構成因素的影響

同列數據后小寫字母不同表示同一地點不同處理間差異顯著(P<0.05)。下表同

Values followed by different small letters in a column were significantly different among the different treatments in a site at 0.05 level.The same as in other tables

2.3施氮量對小麥氮素吸收、根系活力和氮肥利用效率的影響

隨著施氮量的增加，小麥植株總吸氮量呈現遞增趨勢(表3)。低氮處理(N0、N69、N138)下小麥根系活力高于高氮處理(N207、N276、N345)，說明小麥在低氮供應情況下會通過加強根系吸收能力來促進植株氮素累積。隨著施氮量的增加，氮肥偏生產力和氮肥利用效率均出現下降趨勢，氮肥農學利用效率呈先增后降趨勢，以N207處理最高。說明在本試驗條件下施氮量超過207 kg·hm-2后，小麥進入氮素的“奢侈吸收”狀態[16]，過量施氮對小麥生長發育沒有積極作用。

2.4施氮量對小麥收獲后耕層土壤養分含量的影響

隨著施氮量的變化，耕層土壤各養分含量出現了不同程度的增減，其中土壤全氮、硝態氮和銨態氮含量均是以N138和N207兩個處理最高(表4)。但各小區小麥植株攜走的氮量在124～214 kg·hm-2之間，高于低氮處理的氮素施入量(N0、N69)。本試驗條件下，前茬作物肥料氮的土壤殘留部分對本季作物耕層土壤養分供應的作用大，以N0、N69、N138和N207四個處理可以計算出，在本季生產過程中，前茬作物收獲后土壤殘留氮素對本季作物氮素的供應比例應在19%～21%之間，遠低于前人33%～42%的試驗結果[17]，說明在黃淮海麥區特殊氣候條件下，由于玉米季的高強度降雨，土壤硝態氮的淋失嚴重,即使在小麥季施入較多的氮肥，對0～40 cm耕層土壤的肥力提升作用也較小。

表3　施氮量對小麥氮素吸收利用及根系活力的影響

表4　施氮量對0～40 cm耕層土壤養分含量的影響

(續表4Continued table 4)

地點Sites土層Soildepth/cm處理Treatments有效磷AvailableP/(mg·kg-1)數值Value增減Increaserate速效鉀AvailableK/(mg·kg-1)數值Value增減Increaserate有機質OM/(g·kg-1)數值Value增減Increaserate濟南Jinan0～20N023.63a2.9290.27a6.757.90b-0.04N6921.69ab0.9885.67ab2.158.22ab-0.01N13823.64a2.9376.98c-6.548.31a0N20720.75b0.0476.39c-7.138.32a0N27624.25a3.5481.24b-2.288.42a0.01N34521.58ab0.8780.59b-2.938.53a0.0220～40N025.61b-4.0647.84ab0.991.71b-0.45N6921.31c-8.3632.55b-14.301.31b-0.49N13826.87b-2.8046.96ab0.112.21b-0.40N20732.65ab2.9845.07ab-1.787.41a0.12N27638.14a8.4734.12b-12.736.90a0.07N34532.12ab2.4554.25a7.405.72a-0.05淄博Zibo0～20N027.93ab-0.32112.26a6.018.11a-0.05N6926.75ab-1.50106.96a0.718.31a-0.03N13829.11a0.8698.63ab-7.628.61a0N20724.83b-3.4297.66ab-8.598.75a0.01N27630.73a2.48102.34a-3.918.72a0.01N34527.21ab-1.0495.38ab-10.878.40a-0.0220～40N016.87b1.0363.45c-22.922.81b-0.21N6922.36a6.5272.27c-14.104.87b-0.01N13818.37ab2.5394.68a8.316.22ab0.13N20719.05a3.2197.33a10.967.42a0.25N27616.70b0.8692.05a5.687.37a0.24N34517.34ab1.5087.21b0.846.93ab0.20

養分增減值為相對于試驗前土壤養分的變化值

The increase rate of soil nutrition is the change value relative to soil nutrition content before the expriment

3討 論

由于受農業從業人口素質和農田破碎度較高的影響，黃淮海麥區小麥生產過程中氮肥施用量變異較大，氮肥過量施用和施肥不足問題并存，農戶過量施肥的原因主要是擔心本季氮肥施用量的降低會影響下季作物的產量[1]。氮肥管理的目標應是在保護生態環境養分平衡的同時，既能滿足作物生長需要，又能保持土壤生產力的可持續[18-20]。本研究表明，雖然過量施氮可以提高土壤硝態氮含量，但是對銨態氮、有效磷、速效鉀和有機質含量影響不大，而殘留在土壤中的硝態氮極有可能在即將到來的雨季被雨水淋失到深層地下水中，在當前土壤基礎肥力較高的情況下繼續過量施氮也不會進一步提高土壤生產力。在黃淮海麥區耕層土壤速效氮超量的情況下，過量施肥不僅不會增加產量，反而會由于穗粒數和千粒重的降低而影響到小麥產量潛力的發揮。這主要是由于氮素的充足供應不利于拔節期小麥群體的兩極分化，雖然單位面積穗數有所增加，但是由于P、K養分供給的不平衡限制了小麥抗倒伏能力和綜合抗性的提高，進而限制了產量潛力的發揮。

張福鎖等[21]研究指出，華北平原高產地塊冬小麥氮素需求量為174 kg·hm-2。本試驗結果表明，在潮土(濟南)和棕壤(淄博)兩種土壤類型下，氮肥空白對照小麥公頃吸氮量分別高達127.3和162.4 kg·hm-2。如果照此計算兩地分別僅施用46.7和11.6 kg·hm-2的氮肥就可滿足兩地的小麥氮素需求。但兩地試驗結果顯示，取得產量水平最高的處理分別是N276和N207，與空白供氮量相加，產量水平最高的處理的供氮量分別高達400.3和369.4 kg·hm-2。由此造成了令人困惑的現象，在華北平原小麥玉米生產技術體系，供氮量多少才能既能滿足作物的需求，又能維持較高的土壤生產力？這需要從小麥吸收的氮素的去向進行分析，以籽粒產量為目標的農業生產，無非將氮素分配劃分為植株氮素積累和籽粒氮素積累兩部分。研究證明，在產量水平7 500～9 000 kg·hm-2的潮土上增施氮肥對冬小麥的增產效果不明顯，但可顯著促進小麥植株對氮素的吸收[22]。張法全等也證實，在10 000 kg·hm-2高產地塊上增加施氮量降低了花后營養器官氮素向籽粒的轉運量和轉運效率[23]。在本試驗條件下，過量施氮不僅限制了小麥根系活力的提高，而且延緩了拔節期小麥的兩極分化，降低了小麥的抗倒伏能力和綜合抗性，雖然增加了群體數量，但是不利于小麥綜合產量潛力的發揮。

另外，有研究認為，在冬小麥季，基施和追施氮肥的去向存在明顯差異。追施氮肥的利用率和收獲后殘留率顯著高于基施氮肥[24]。本研究發現，在潮土和棕壤中采用基追比1∶1施肥后，隨著施肥量的增加，20～40 cm土層硝態氮含量增加明顯，尤其是潮土增加較明顯。但是對改善土壤基礎肥力狀況作用不大。這主要是由于小麥收獲后即進入雨季，而此時的玉米尚處于苗期，根系弱，不能吸收到該土層養分，在強降雨的淋失下，這部分硝態氮大部分被降水帶到深層地下水中[25]。因此，過量施用氮肥不僅不會增加作物產量反而污染環境[26]，應以達到作物養分吸收和土壤供求同步、土壤無機氮沒有顯著積累為宜。

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Effect of Nitrogen Application Amount on Nitrogen Utilization of Wheat

LI Shengdong1,2,ZHANG Weifeng1,WANG Fahong2,SI Jisheng2,KONG Ling’an2,LIU Jianjun2

(1.College of Resources and Environmental Sciences，China Agricultural University，Beijing 100193,China;2.Crop Research Institute,Shandong Academy of Agricultural Sciences,Jinan,Shandong 250100,China)

Abstract:Field experiments were conducted in Jinan and Zibo,to investigate the effect of different nitrogen(N) fertilizer managements on winter wheat growth,yield and also the change of soil N content. Results showed that leaf area index(LAI) and vegetation index(NDVI) was increased with the increase of nitrogen application amount with the range of 0 to 276 kg·hm-2. However,LAI and NDVI was reduced when the applied nitrogen amount was more than 276 kg·hm-2. Furthermore,in the range of 0 to 276 kg·hm-2,the spike number per hectare,grain number per spike and thousand-kernel weight was increased with the increase of nitrogen application amount,which indicates there is an enough “pool” to absorb the applied nitrogen. The total amount of uptake increased with the increase of nitrogen application amount. However,the nitrogen partial factor productivity(PFP),agronomic efficiency(AE) and nitrogen use efficiency(RE) declined. The nitrogen use efficiency was increased with the increase of the applied nitrogen amount with the range of 0 to 207 kg·hm-2,but then declined with the amount of applied nitrogen increased,together with the declined AE. The wheat is at the luxury stage when the nitrogen application amount is more than 207 kg·hm-2. In Huang-Huai Hai region,the “luxury nitrogen application” is not good for the improvement of soil fertility,but the target of nutrient management should make sure that crop nutrient uptake and soil supply is synchronization,and no more soil inorganic nitrogen accumulation.

Key words:Wheat; Nitrogen gradients; Nitrogen use efficiency; Soil nutrients

中圖分類號：S512.1；S318

文獻標識碼：A

文章編號：1009-1041(2016)02-0223-08

通訊作者：張衛峰(E-mail: lsdlwy@163.com)

基金項目：山東省自然科學基金項目(ZR2014CQ032);國家現代農業產業技術體系項目(CARS-3-1-21);國家科技支撐計劃項目(2012BAD04B00);國家公益性行業(農業)科研專項(201203079，201303109-7)；國家農業科技成果轉化基金項目(2008GB2c600165)；山東省農業重大應用技術創新課題

收稿日期：2015-09-01修回日期：2015-10-08

網絡出版時間：2016-01-26

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160126.1945.026.html

第一作者E-mail：lsd01@163.com