麥—稻輪作系統中小麥施氮水平對后季直播水稻產量和氮肥利用效率的影響

余慶福 聶立孝

摘要：【目的】研究華中地區麥—稻輪作系統中小麥季不同施氮水平對后季直播水稻生長發育、產量和氮肥利用效率的影響，探討此系統中最佳的氮肥管理模式，為制定合理的氮肥管理方案提供理論依據和技術支持。【方法】采用裂區設計，主處理為小麥季3個不同氮處理（施N 0、105和210 kg/ha，分別記作WN0、WN105和WN210），副處理為后季水稻3個不同氮處理（施N 0、90和180 kg/ha，分別記作RN0、RN90和RN180），測定小麥和水稻不同生育期的株高、分蘗數、葉面積指數和生物量等指標，成熟期測定產量、產量構成因子及秸稈和籽粒氮含量。【結果】與其他施氮量相比，麥季施氮210 kg/ha對后季直播水稻的株高、分蘗數、生物量、產量和氮肥利用效率均有明顯影響，其中WN210RN90處理的各項指標均較高，整體表現較好。在麥稻季均施氮的情況下，系統周年產量表現為WN210RN180>WN105RN180>WN210RN90>

WN105RN90，前3個處理的系統周年產量均在13.50 kg/ha以上；結合小麥產量來看，WN210RN180和WN210RN90處理（3.55 t/ha）高于WN105RN180處理（2.79 t/ha）。【結論】小麥—直播水稻輪作系統中水稻生長季應充分考慮前季小麥的氮肥后效，適當降低后季直播水稻的施氮量。綜合考慮產量和氮肥利用效率，麥季210 kg/ha和稻季90 kg/ha的施氮組合（WN210RN90）為華中地區小麥—直播水稻輪作系統的最佳氮肥管理模式。

關鍵詞： 麥—稻輪作；直播水稻；施氮量；產量；氮肥利用率；氮素殘留；華中地區

中圖分類號： S344.17 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）09-1488-07

Abstract：【Objective】The present study was conducted to investigate effects of N application rates in wheat growing season on growth， grain yield and N-fertilizer utilization efficiency（NUE） of succeeding direct-seeded rice， in order to explore the optimal mode of N management in a wheat-rice rotation system in central China. 【Method】Split block design was employed with three N application rates（0， 105 and 210 kg/ha， expressed as WN0， WN105， and WN210， respectively） in wheat growing season， and after harvest of wheat， each plot was divided equally into three small plots which were assigned to three N application rates（0， 90， and 180 kg/ha， expressed as RN0， RN90， and RN180， respectively） in succeeding rice season. Plant height， tiller number， leaf area index， aboveground biomass， grain yields and yield components of wheat and rice were recorded at different growth stages， respectively. N contents of straw and grain of wheat and rice at maturity stage were determined， respectively. 【Result】The results showed that， N application at 210 kg/ha in wheat growing season had significant influence on plant height， tiller number， aboveground biomass， grain yield and NUE of succeeding direct-seeded rice compared with other N application rates. Among all treatments， every index for WN210RN90 was higher， and overall the performance under WN210RN90 was better. When N was applied in both wheat and rice growing seasons， all treatments was ranked in order of total grain yield： WN210RN180>WN105RN180>WN210RN90>WN105RN90， especially total grain yield of system under WN210RN180， WN105RN180 or WN210RN90 was over 13.50 kg/ha. In view of wheat grain yield， WN210RN180 and WN210RN90（3.55 t/ha） were better than WN105RN180（2.79 t/ha）. 【Conclusion】N-fertilizer application in wheat growing season have a significant residual effect to the succeeding rice season. Therefore， in wheat-rice rotation system， N application rate in rice growing season should be reduced due to residual N-fertilizer effect of wheat season. Considering grain yield and NUE in both rice and wheat seasons， the recommended N application rates（WN210RN90） are 210 kg/ha in wheat season and 90 kg/ha in rice season in central China， this N application combination is optimal mode of N management in rice-wheat rotation system.

Key words： wheat-rice rotation； direct-seeded rice； N application rate； yield； N-fertilizer utilization efficiency； residual N； central China

0 引言

【研究意義】麥—稻輪作系統作為我國長江中下游糧食主產區的主要耕作制度之一，直接關系到該地區乃至全國的糧食安全供給（范明生等，2008；管冠，2012）。直播稻作為一種輕簡的稻作方式（盧百關等，2009），省去了育秧、拔秧、運秧和栽插等多道工序，具有高效率、省工節本、操作簡單、條紋葉枯病發生較輕及緩解勞動力季節矛盾等優點，贏得了廣大農民的青睞（敖和軍等，2011；姚義，2012）。目前，直播稻在江蘇、湖南、安徽、浙江和湖北等地均有較大的播種面積（盧百關等，2009；敖和軍等，2011；陳品和陸建飛，2013）。近幾年來，小麥在湖北地區的種植面積不斷上升，已成為該地區與水稻輪作的主要作物之一，且小麥和直播稻的全程機械化在國內均日益成熟（詹國祥等，2007；馮娜和劉欣，2012；張紹軍等，2012；周永清，2014），因此，小麥和直播水稻輪作將是華中地區發展作物輕簡化栽培的重要方向之一。在我國，小麥的氮肥利用效率為35%左右（朱兆良，1985），而水稻的氮肥利用率平均只有29%（張福鎖等，2008）。麥—稻輪作體系中，由于較低的氮肥利用率及未充分考慮氮肥后效而易施氮過量，過量的氮素不僅會導致后季作物經濟效益降低，還會引起一系列的環境問題，如地下水的硝酸鹽污染、水體富營養化和溫室效應等（李榮剛等，1999；廖曉勇等，2001；晏娟等，2009）。因此，研究氮素殘留后效，制定適用于華中地區小麥—直播稻輪作體系的高產高效氮肥運籌方案，對減少過量施氮對生態環境的破壞及農業的可持續發展有著重要意義。【前人研究進展】農業生產中氮肥對于作物增產效益的貢獻高達76%（Soltanpour et al.，1989）。當季作物收獲后有10%～35%施入土壤的肥料氮殘留在土壤中（李世清和李生秀，2000）。小麥季殘留在土壤中的氮素有一部分能夠被后茬作物所利用（黃生斌等，2002；董嫻嫻等，2012）。范明生（2005）研究表明，移栽稻對前季小麥殘留的無機氮利用率較低，僅為2.5%；但劉立軍等（2005）研究證實，小麥季施氮對后季土壤肥力和水稻生長及產量有顯著影響，且會降低后季移栽水稻的氮肥利用率。【本研究切入點】目前，關于小麥與直播稻輪作及小麥氮素殘留對后季直播水稻影響的研究報道較少。【擬解決的關鍵問題】研究小麥季不同施氮水平對后季直播水稻生長發育、產量及氮肥利用率的影響，并通過麥稻兩季不同施氮量的組合，尋求小麥—直播水稻輪作系統最佳的氮肥管理模式，為華中地區小麥—直播稻輪作體系合理氮肥管理方案的制定提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試小麥品種為鄭麥9023（購自湖北省種子公司），水稻品種為黃華占（購自武穴市大金鎮農業技術推廣站）。試驗所用氮、磷、鉀和鋅肥分別為尿素（含N 46%，湖北三寧化工股份有限公司）、過磷酸鈣（含P2O5 12%，湖北遠大富馳醫藥化工股份有限公司）、氧化鉀（含K2O 60%，加拿大）和硫酸鋅（含Zn 25%，武漢農富樂科技有限公司）。試驗前土壤基本理化性質見表1。

1. 2 試驗方法

試驗于2014年10月～2015年9月在湖北省武穴市大金鎮大梅村（東經115°33′，北緯29°51′）進行。

小麥季設置3個不同氮肥水平：施N 0、105和210 kg/ha，分別記作WN0、WN105和WN210。氮肥分3次施用，其中基肥占25.7%，分蘗肥占30.0%，拔節肥占44.3%。磷肥施用量為P2O5 120 kg/ha，作基肥一次性施用；鉀肥施用量為K2O 105 kg/ha，分2次施用，其中基肥和拔節肥各占50.0%。4次重復，隨機區組排列，小區面積為112.5 m2（12.5 m×9.0 m），小區間及四周開排水溝。2014年10月20日播種，播種方式為條播，行距為20 cm，播種量為150 kg/ha；12月9日施分蘗肥，2015年3月9日施拔節肥，5月13日收獲。

水稻季試驗采用裂區設計，以麥季不同施氮處理為主區，將麥季的每小區平分為3個副區，設置3個不同氮肥水平：施N 0、90和180 kg/ha，分別記作RN0、RN90和RN180。試驗共9個處理，即WN0RN0（麥、稻兩季均不施N）、WN0RN90（麥季不施N，稻季施N 90 kg/ha）、WN0RN180（麥季不施N，稻季施N 180 kg/ha）、WN105RN0（麥季施N 105 kg/ha，稻季不施N）、WN105RN90（麥、稻季分別施N 105和90 kg/ha）、WN105RN180（麥、稻季分別施N 105和180 kg/ha）、WN210RN0（麥季施N 210 kg/ha，稻季不施氮）、WN210RN90（麥、稻季分別施N 210和90 kg/ha）和WN210RN180（麥、稻季分別施N 210和180 kg/ha）。副區小區面積為36.0 m2（9.0 m×4.0 m），4次重復，共36個小區。主區間設置排灌溝，各副區間用田埂分隔，并用塑料薄膜包埋，以防止串水串肥。氮肥分3次施用，基肥、分蘗肥和穗肥比例為1∶1∶1；鉀肥施用量為100 kg/ha，分2次施用，基肥和穗肥比例為1∶1；磷肥和鋅肥的施用量分別為40和5 kg/ha，均作基肥一次性施用。2015年5月21日播種，播種量為60 kg/ha，播種方式為濕直播；5月20日施基肥，7月1日施分蘗肥，7月18日施穗肥，9月9日收獲。

1. 3 田間管理

小麥、水稻季日均氣溫分別為11.4和26.3 ℃，降水量分別為476和396 mm，日均輻射量分別為8.5和10.3 MJ/m2，試驗期間無大旱、大寒、洪澇和持續高溫等特殊災害發生。小麥全生育期雨養，水稻出苗后田間保持5～10 cm淺水層，收獲前2周斷水。全生育期嚴格控制病蟲草害的發生。

1. 4 樣品采集、測定項目及方法

小麥：播種前于各處理土壤表層（0～20 cm）取土樣，風干混勻，測定土壤全氮、速效磷、速效鉀和有機質含量。分別于小麥越冬期、孕穗期、齊穗期和成熟期采集各小區0.5 m2有代表性的植株樣品，將根清洗干凈后平均分為12份，記錄分蘗數、株高和葉面積后，將樣品按莖和葉片分開（成熟期樣品分為籽粒和秸稈兩部分），于105 ℃殺青30 min，70 ℃烘至恒重后稱干重；干樣粉碎后用于植株氮素含量測定。成熟期每小區按5 m2測產，并取樣測定生物量和產量構成因子。測產的籽粒風干后，稱重，測定水含量，并折算成13%水含量的產量。收獲后每小區取1份表層（0～20 cm）土壤，風干混勻，測定土壤全氮、速效磷、速效鉀及有機質含量。

水稻：分別于分蘗期、幼穗分化期、齊穗期和成熟期采集各小區0.5 m2有代表性的植株樣品，將根清洗干凈后平均分為12份，記錄分蘗數、株高和葉面積后，將樣品按莖和葉片分開（成熟期樣品分為籽粒和稻草兩部分），干物質重與氮素含量的測定同上。成熟期每小區按兩個4 m2測產，并取樣測定生物量和產量構成因子。測產的稻谷風干后，稱重，測定水含量，并折算成14%水含量的產量。使用Isoprime-100穩定同位素質譜儀測定成熟期秸稈和籽粒的氮含量。

相關計算公式如下：

葉面積指數=植株葉片總面積/所占土地面積

氮肥吸收利用率（%）=（施氮區地上部吸氮量-空白區地上部吸氮量）/施氮量×100

籽粒氮素利用效率（kggrain/kgN）=籽粒產量/植株地上部總吸氮量

氮肥生理利用率（kggrain/kgN）=（施氮區籽粒產量-空白區籽粒產量）/（施氮區地上部分吸氮量-空白區地上部分吸氮量）

氮肥農學利用效率（kggrain/kgN）=（施氮區籽粒產量-空白區籽粒產量）/施氮量

氮肥偏生產力（kggrain/kgN）=施氮區產量/施氮量

氮收獲指數（%）=籽粒吸氮量/植株總吸氮量×100

1. 5 統計分析

試驗數據采用Excel 2007和Statistix 8.0進行統計分析。

2 結果與分析

2. 1 小麥季不同施氮水平對后季直播稻生長發育的影響

2. 1. 1 株高 由表2可知，當后季水稻施氮水平相同時，隨著小麥季施氮量的增加，水稻株高整體呈增加趨勢，其中WN210RN90處理幼穗分化期水稻株高比WN105RN90處理增加3.60 cm， WN210RN0處理齊穗期水稻株高比WN0RN0處理增加4.39 cm，差異達顯著水平（P<0.05，下同），表明與其他施氮量相比，麥季施氮210 kg/ha對后季直播水稻的株高有明顯的促進作用。

2. 1. 2 葉面積指數 由表3可知，在后季水稻同一氮水平下，直播水稻的葉面積指數隨麥季施氮量的增加也整體呈增大趨勢，但變化并不顯著（P>0.05，下同），說明小麥季施氮對后季直播水稻的葉面積指數無顯著后效。

2. 1. 3 分蘗數 由表4可知，當后季水稻施氮水平相同時，隨著小麥季施氮量的增加，不同時期的水稻分蘗數整體呈增加趨勢，其中WN210RN180處理水稻幼穗分化期分蘗數比WN0RN180處理高14.2%，WN210RN90處理水稻成熟期分蘗數比WN0RN90處理高10.7%，差異均達顯著水平。表明麥季施氮210 kg/ha可明顯增加后季直播水稻的分蘗數。

2. 1. 4 生物量 由表5可知，當后季水稻施氮水平相同時，隨著小麥季施氮量的增加，分蘗期和幼穗分化期的后季直播水稻生物量變化均不顯著；齊穗期時，WN210RN0處理的水稻生物量比WN0RN0處理增加23.2%；成熟期時，WN210RN0處理的水稻生物量比WN105RN0處理增加15.6%，WN210RN90處理的水稻生物量比WN0RN90處理增加8.5%，差異均達顯著水平。表明麥季施氮210 kg/ha可明顯增加后季直播水稻的生物量。

2. 2 小麥季不同施氮水平對后季直播稻產量及其構成因子的影響

由表6可看出，與不施氮對照相比，麥季施氮210 kg/ha使直播水稻在不施氮和施氮90 kg/ha的情況下產量分別提高10.5%和3.7%，增產顯著，且產量的提高主要是由于單位面積穗數和每穗粒數的增加。在麥季施氮0、105和210 kg/ha條件下，后季施氮90 kg/ha相比不施氮處理分別使直播水稻產量提高72.2%、70.3%和61.6%，后季施氮180 kg/ha分別使直播水稻產量提高100.9%、94.2%和80.8%，表明隨麥季施氮水平的增加，后季直播水稻的增產效益逐漸降低。

2. 3 小麥季不同施氮水平對后季直播稻氮素吸收利用的影響

2. 3. 1 對氮素吸收和分配的影響 由表7可看出，小麥季施氮可提高后季直播水稻的總吸氮量，其中WN210RN90處理的后季直播水稻總吸氮量顯著高于WN0RN90處理，WN105RN180處理的總吸氮量顯著高于WN0RN180處理。各處理間WN105RN180的總吸氮量最高，為187.1 kg/ha；其次為WN210RN180處理，總吸氮量為183.9 kg/ha。WN210RN0處理的氮收獲指數最高，為72.8%，其次為WN210RN90處理，為72.7%。與WN210RN180相比，WN210RN90后季直播水稻的氮收獲指數顯著提高7.0%，說明在麥季施氮210 kg/ha條件下，后季適當降低施氮量能提高直播水稻的氮收獲指數。

2. 3. 2 對氮肥利用效率的影響 由表8可看出，與麥季不施氮對照相比，麥季施氮105和210 kg/ha均提高了后季直播水稻的氮肥吸收利用率，但差異未達到顯著水平。但WN210RN90處理的氮肥農學利用率和氮肥偏生產力均最高，分別為40.8和101.8 kggrain/kgN，且氮肥偏生產顯著高于WN0RN90和WN105RN90處理。在后季水稻施氮的6個處理中，WN210RN90處理的直播水稻氮肥吸收利用率為69.2%，僅次于WN105RN180處理（70.5%），生理利用率為59.9 kggrain/kgN，僅次于WN105RN90處理（60.5 kggrain/kgN），籽粒氮素利用率為71.3 kggrain/kgN，僅次于WN0RN90處理（72.3 kggrain/kgN）。結果表明，WN210RN90處理的各項氮肥利用效率指標均相對較高，而WN210RN180處理的各項氮肥利用效率指標均較低。

2. 4 小麥—直播水稻系統的周年產量

由表9可看出，在麥稻季均施氮的情況下，系統周年產量表現為WN210RN180>WN105RN180>WN210RN90>WN105RN90，前3個處理的系統周年產量較高，均在13.50 kg/ha以上。結合小麥產量來看，WN210RN180和WN210RN90處理（3.55 t/ha）高于WN105RN180處理（2.79 t/ha）。

3 討論

小麥季施氮處理對后季水稻的影響，實質上主要是小麥季施氮通過肥料氮殘留影響后季水稻的土壤背景氮含量（劉立軍等，2005），從而間接影響后季水稻的生長發育、產量及氮肥利用效率。本研究結果表明，小麥季收獲后的殘留肥料氮對后季直播水稻的生長發育、產量和氮肥利用效率均有明顯的影響，說明小麥季殘留的肥料氮可以被后季作物利用，與黃生斌等（2002）在研究冬小麥施氮對下茬玉米后效中的結論一致。本研究中，小麥季收獲后的土壤測定結果顯示高施氮量與低施氮量小區的土壤殘留氮量并無顯著差異，但前季小麥不同施氮量對后季直播水稻的產量卻產生一定效應，原因可能有兩點，一是土壤取樣深度僅為0～20 cm，該層次的土壤肥料氮殘留情況并不能完全反映小麥季肥料氮在土壤中的實際殘留情況；二是前季小麥對后季直播水稻產生的影響不僅是由于土壤殘留氮造成，也可能是小麥季不同施氮量對土壤微生物群體結構、土壤氮的礦化等產生影響，從而對后季直播水稻產生影響。劉立軍等（2005）研究指出，與麥季不施氮處理相比，麥季施氮處理（276 kg/ha）的水稻各氮肥利用效率指標均降低。本研究結果表明，在后季水稻高氮（180 kg/ha）情況下，水稻氮肥利用效率有隨麥季施氮量的增加而降低的趨勢，與劉立軍等（2005）的結論相似。但本研究結果還表明，在后季水稻低氮（90 kg/ha）情況下，水稻氮肥利用效率有隨麥季施氮量增加而增加的趨勢，且麥季高氮處理（WN210RN90）顯著提高了水稻后季直播水稻的氮肥偏生產力。該結果與劉立軍等（2005）的結論又有所不同，原因可能是麥稻兩季施氮量均有差異和后季水稻栽培模式不同的緣故。本試驗中的后季水稻是直播水稻，不需要移栽，無返青期，因此從苗期開始就可以利用前季小麥殘留的無機氮進行生長發育，試驗中小麥季高施氮量處理對后季水稻株高、分蘗、生物量、產量和氮肥利用效率均有明顯影響也可說明這一點。而小麥季低施氮量處理對后季水稻無顯著影響，可能是肥料氮殘留太少的原因。

從系統生產力來看，WN105RN180、WN210RN90和WN210RN180處理的系統周年產量較高，均在13.50 kg/ha以上。3個處理中，WN210RN180處理的系統周年產量最高，但其稻季氮肥利用效率最低；WN105RN180處理的麥季周年產量僅次于WN210RN180處理，但其小麥產量較低，僅為2.79 t/ha；WN210RN90處理的小麥、水稻和系統周年產量均較高，同時其水稻氮肥利用效率最高。與WN210RN180處理相比，盡管WN210RN90處理的水稻產量稍有降低，但其籽粒氮素利用率、氮肥生理利用率、氮肥農學利用率、氮肥偏生產力和氮收獲指數均高于WN210RN180處理，且差異均達顯著水平。表明在麥季施氮210 kg/ha條件下，適當降低后季水稻的施氮量，可顯著提高后季直播水稻的氮肥利用效率，且不會造成產量的大幅度降低。因此，麥季210 kg/ha和稻季90 kg/ha的施氮組合（WN210RN90）為本試驗條件下小麥—直播水稻系統的最佳氮肥管理模式。巨曉棠和張福鎖（2003）研究指出，在冬小麥—夏玉米輪作體系中，冬小麥季可適當增加氮肥施用量，而夏玉米季可適當降低氮肥施用量，因為氮肥在小麥季的損失較低，殘留的氮對下茬玉米產生后效；但在玉米季，玉米處于高溫高濕環境條件下，過量施入的氮肥可通過各種途徑流失。在小麥—直播水稻輪作系統中，小麥季應適當多施氮肥，主要是因為高產小麥對氮肥的需求量較高，同時，小麥季的氮肥損失也較低（巨曉棠和張福鎖，2003），且氮肥殘留對后季水稻的后效明顯；而水稻季應適當少施氮肥，一是充分考慮前季小麥的殘留肥料氮的后效，二是水稻生長季節為夏季，高溫高濕，且降雨量比較集中，過量施入的氮肥在水稻季損失較大。

本試驗中水稻季的產量已達較高水平，但小麥季的產量偏低，可能與小麥抽穗后受赤霉病害影響有關。此外，本研究結論僅為一年的試驗結果，要得出更準確的結論，還需多點多年的持續試驗進行驗證。

4 結論

本研究結果表明，小麥—直播水稻輪作系統中小麥季施氮對后季直播水稻具有顯著后效，因此在水稻生長季應充分考慮前季小麥的氮肥后效，適當降低后季直播水稻的施氮量。綜合考慮產量和氮肥利用效率，本試驗條件下，麥季210 kg/ha和稻季90 kg/ha的施氮組合（WN210RN90）為長江中游地區小麥—直播水稻輪作系統的最佳氮肥管理模式。

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（責任編輯 王 暉）