稻秸還田下播種密度與氮肥運籌對小麥產量及氮素利用效率的影響

修 明，谷世祿，田中偉，祝 慶，蔡 劍，姜 東，戴廷波

(南京農業大學農學院/農業部作物生理生態與生產管理重點實驗室/江蘇省現代作物生產協同創新中心,江蘇南京 210095)

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稻秸還田下播種密度與氮肥運籌對小麥產量及氮素利用效率的影響

修 明，谷世祿，田中偉，祝 慶，蔡 劍，姜 東，戴廷波

(南京農業大學農學院/農業部作物生理生態與生產管理重點實驗室/江蘇省現代作物生產協同創新中心,江蘇南京 210095)

為明確秸稈還田條件下稻茬小麥高產高效栽培的適宜播種密度和氮肥運籌方式，采用大田試驗，以濟麥22號為材料，研究了稻秸還田下不同播種密度(播量120 kg·hm-2、180 kg·hm-2)、施氮量(180、225和270 kg N·hm-2)及氮肥基追比(基肥∶拔節肥∶孕穗肥為6∶3∶1、5∶3∶2和4∶3∶3)對小麥產量和氮素利用效率的影響。結果表明，在施氮量180 kg·hm-2(低氮)和225 kg·hm-2(適氮)下，提高播種密度顯著提高了小麥葉面積指數、開花期旗葉光合速率、花后干物質積累量和籽粒產量；而在施氮量270 kg·hm-2(高氮)下，提高播種密度顯著降低了小麥生育后期葉面積指數、開花期旗葉光合速率、花后干物質積累量和籽粒產量。提高播種密度、降低施氮量均降低了土壤中無機氮的盈余量，氮肥吸收效率和氮肥農學效率顯著提高。產量、氮肥吸收效率及氮肥農學效率均在氮肥基追比為基肥∶拔節肥∶孕穗肥=6∶3∶1時最大。因此，稻秸還田條件下提高小麥播種密度、適當降低施氮量并提高基肥比例，可以實現小麥產量和氮素利用效率的同步提高。

小麥；稻秸還田；播種密度；施氮量；氮肥基追比；產量；氮素利用效率

稻麥輪作是江蘇地區主要的種植方式，稻茬麥面積約占全省小麥種植面積的70%以上[1]。近年來，隨著水稻產量水平的不斷提高，水稻秸稈量也隨之增大，稻秸還田成為水稻秸稈綜合利用的重要手段，尋求稻秸還田下小麥高產高效栽培技術有利于稻秸還田技術的推廣。研究表明，由于稻秸還田后小麥出苗率及出苗均勻性顯著降低，導致產量下降，是制約稻秸還田下小麥高產高效的主要原因之一[2-3]。通過提高播種密度、增加翻耕次數與深度及播后鎮壓等措施可在一定程度上緩解稻秸還田后小麥因出苗不足導致產量降低的現象，其中播種密度的影響最大[3]。因此，稻秸還田后，應通過增加播種密度來獲得預期的基本苗數。水稻秸稈因其自身碳氮比較高，在腐解過程中微生物會固定大量的氮素，導致土壤氮素和肥料氮素對小麥的有效性降低，沿用常規的氮肥運籌很難滿足小麥對氮素的生理需求，還有可能造成氮肥的浪費[4-5]。氮肥施用過量不僅造成生產成本提高和氮肥利用效率降低，且會導致大量的硝態氮在土壤中富集，引起如地下水硝態氮含量提高、N2O 等溫室氣體排放增加等環境問題[6-7]。因此，明確稻秸還田下合理氮肥運籌對解決作物-土壤-秸稈之間的氮素需求矛盾、提高氮肥利用效率、保護生態環境、促進作物高產高效具有重要意義。前人的研究多針對于秸稈還田后提高播種密度對小麥出苗及產量的影響[8-9]，但針對稻秸還田后小麥在提高播種密度后應如何調控氮肥運籌以提高產量和氮肥利用效率尚不明確。本研究通過 2 年大田試驗，分析在稻秸還田條件下，播種密度、施氮量及氮肥基追比對小麥產量及氮素利用效率及其生理指標的影響，旨在為稻秸還田下小麥高產高效栽培管理提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗于 2013-2015 年在江蘇省徐州市銅山區南京農業大學試驗基地進行。試驗地土質為砂姜黑土，耕層(0～20 cm)土壤有機質含量為 16.32 g·kg-1，全氮含量為 0.79 g·kg-1，堿解氮含量為 73.2 mg·kg-1，全磷含量為0.98 g·kg-1，有效磷含量為 35.3 mg·kg-1，速效鉀含量為191.2 mg·kg-1。

供試品種為濟麥22。采用裂區設計，以播種密度為主區，施氮量為副區，氮肥基追比為裂區。播種密度(播量)分別為 120 kg·hm-2(D120，常規播種密度)、180 kg·hm-2(D180，高播種密度)；施氮量分別為施純氮 0、180(N180，低氮)、225(N225，適氮)、270(N270，高氮) kg·hm-2；氮肥基追比(基肥∶拔節肥∶孕穗肥)分別為 6∶3∶1(R6∶3∶1)、5∶3∶2(R5∶3∶2)、4∶3∶3(R4∶3∶3)。前茬水稻收割后，稻秸全量旋耕還田。小區面積 12 m2，隨機排列，重復 3 次。小麥于 2013 年和 2014 年 10 月 15 日播種。各處理基肥一次性施入磷肥(過磷酸鈣，含P2O515%)、鉀肥(氯化鉀，含 K2O 60%)各 150 kg·hm-2。其他栽培措施與大田高產管理相同。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 產量及產量構成因素測定

成熟期取 1 m2樣段，測定有效穗數，人工收割脫粒，風干后計算籽粒產量；取 20 個單莖測定穗粒數及千粒重。

1.2.2 葉面積指數測定

在 2014-2015 小麥季分別于越冬期、拔節期、孕穗期、開花期和灌漿期采用 CID-301 型葉面積儀測定小麥葉面積指數[10]。

1.2.3 光合速率測定

采用 LI-6400(Li-Cor Inc，美國)便攜式光合作用測定系統，在 2014-2015 小麥季于開花期晴天 9:00-11:00 測定旗葉光合速率[11]。

1.2.4 干物質積累量測定

于拔節期、開花期和成熟期從各小區取有代表性植株樣品20株，分割各器官，于 105 ℃ 殺青 30 min，80 ℃烘干至恒重測干物質重，以此推算單位土地面積干物質積累量[12]。

1.2.5 土壤無機氮測定

在 2014-2015 小麥季分別于播種前、拔節期、開花期及成熟期以 20 cm 為一層取 0～40 cm 土樣，每小區隨機取3個點，相同層次的土壤混均密封于-20 ℃保存，同時用環刀法測定各層土壤容重。土壤樣品解凍后烘干取10 g與2 mol·L-1的 KCl(水土比 5∶1)混合振蕩 30 min 后過濾，用連續流動分析儀測定硝態氮和銨態氮，用烘干法測定土壤含水量[13]。

1.2.6 植株氮含量測定

將拔節期、開花期和成熟期的各器官樣品烘干后粉碎，用濃H2SO4和H2O2消煮，半微量凱氏定氮法測定各器官全氮含量。有關參數計算如下：

植株氮積累量=植株干物重×植株含氮量；

土壤無機氮含量=土壤硝態氮含量+土壤銨態氮含量；

土壤無機氮積累量=土壤厚度×土壤容重×土壤無機氮含量；

土壤氮素表觀盈虧量=(土壤無機氮起始總量+施氮量)/(土壤無機氮殘留總量+作物吸氮量)[14]；

氮肥農學效率=(施氮區籽粒產量-不施氮區籽粒產量)/施氮量[15]；

氮肥吸收效率=(施氮區氮素吸收量-不施氮區氮素吸收量)/施氮量×100%[15]。

1.3 數據分析

試驗數據采用 Sigma Plot 12.5 和 Excel 2010 軟件進行處理和作圖，采用SAS進行方差分析與顯著性測驗。

表1 稻秸還田下播種密度與氮肥運籌對小麥產量及其構成因素的影響

同列數據后不同字母表示處理間有顯著差異(P<0.05)。* 和 ** 分別表示在 5%和 1%水平上差異顯著。下同。

Values followed by different letters are significantly different at 0.05 level among different treatments. * and ** mean significantly different at 0.05 and 0.01 levels,respectively.The same as below.

2 結果分析

2.1 小麥產量及其構成因素

由表 1 可知，播種密度、施氮量及基追比對小麥產量及其構成因素均有極顯著影響(播種密度對千粒重、基追比對穗粒數和千粒重除外)，兩年趨勢表現相同。在相同施氮水平下，提高播種密度(D180)可顯著提高籽粒產量；在相同的密度水平下，N270處理產量與N225無顯著差異，但顯著高于 N180處理。與 R6∶3∶1處理相比，R5∶3∶2和 R4∶3∶3處理產量顯著或不顯著降低，表明在秸稈還田條件下，增加基肥氮比例有利于高產。密度×氮肥、密度×基追比及密度×氮肥×基追比互作對籽粒產量均有顯著或極顯著影響，在 D120處理下，籽粒產量以N270最高；在 D180處理下，籽粒產量以N225最高，表明稻茬小麥秸稈還田條件下可通過增密減氮或降密增氮實現高產目標。

密度、施氮量對有效穗數和穗粒數有極顯著的影響。有效穗數隨密度、施氮量及基肥比例的增加而增加，穗粒數隨密度和基肥比例的增加而減少。密度對千粒重無顯著影響，但增加施氮量顯著降低了千粒重，而增加后期追肥比例可顯著提高千粒重。相關分析表明，產量與有效穗數極顯著正相關，與穗粒數相關不顯著，與千粒重極顯著負相關(數據未顯示)，表明秸稈還田條件下穩定有效穗數是獲得高產的關鍵途徑。

2.2 氮肥利用效率

播種密度、施氮量、基追比及其互作對氮肥利用效率各指標均有顯著或極顯著影響(表2)。增加密度顯著提高了氮肥利用效率，而增加施氮量顯著降低氮肥利用效率。隨基肥比例增加，氮肥吸收效率和農學效率均顯著或不顯著增加，表明在秸稈還田條件下，增加基肥施氮比例有利于提高氮肥利用效率。因此，在提高播種密度的基礎上，適當降低施肥量、增加基肥比例可實現氮肥的高效利用。

表2 稻秸還田下播種密度與氮肥運籌對小麥氮肥利用效率的影響

NAE:Nitrogen agronomic efficiency; NRE:Nitrogen recovery efficiency.

2.3 葉面積指數

小麥的葉面積指數(LAI)隨生育時期推進呈先升后降的趨勢，在孕穗期前達最大值(圖 1)。在N180和N225施氮量下，增加播種密度顯著提高了小麥各生育時期的葉面積指數，而在N270施氮量下，提高播種密度，小麥葉面積指數在孕穗后迅速降低。同一播種密度下，葉面積指數隨施氮量和基肥比例的增加而增大。說明稻秸還田下，提高播種密度、適當降低施氮量并提高基肥比例，有利于小麥在生育后期維持較高的葉面積指數。

2.4 開花期旗葉凈光合速率

由圖 2 可知，在N180和N225施氮量下，提高播種密度，小麥開花期凈光合速率均有不同程度增加，平均增幅分別為 4.91%和 2.93%；而在N270施氮量下，提高播種密度，小麥開花期凈光合速率降低，平均降幅為2.79%。在D120播量下，小麥開花期凈光合速率隨施氮量和基肥比例的增加而顯著升高；在D180播量下，小麥開花期凈光合速率隨施氮量的增加呈先升高后降低的變化趨勢，隨基肥比例的增加而顯著升高。說明稻秸還田條件下，提高播種密度、適當降低施氮量并提高基肥比例，有利于小麥旗葉在開花期維持較高的光合速率。

圖1 稻秸還田下播種密度與氮肥運籌對葉面積指數(LAI)的影響

圖柱上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Bars superscripted with different letters are significantly different at 0.05 level.

圖2 稻秸還田下播種密度與氮肥運籌對小麥開花期旗葉凈光合速率的影響

Fig.2 Effects of planting density and N application on photosynthetic rate(Pn) in flag leaves at anthesis of wheat with rice straw returning

2.5 不同生育階段的干物質積累量

由表 3 可知，小麥出苗至拔節期干物質積累量隨播種密度、施氮量及基肥比例的增加而增加。拔節至開花期干物質積累量在 D120播量下隨施氮量和基肥比例的增加而降低，在D180播量下隨施氮量的增加則先降低后升高，隨基肥比例的增加而降低。開花至成熟期干物質積累量表現出與拔節至開花期干物質積累量相反的變化趨勢，且在N180和N225施氮量下，提高播種密度顯著提高了開花至成熟期的干物質積累量，兩年平均增幅分別為 4.95%和4.57%；在N270施氮量下，提高播種密度顯著降低了該生育階段的干物積累量，兩年平均降幅為2.21%。說明稻秸還田下，提高播種密度、適當降低施氮量并提高基肥比例，有利于小麥在花后維持較高的物質生產能力。

2.6 不同生育階段的氮素積累量

由表4可知，小麥播種至拔節期的氮素積累量隨播種密度、施氮量和基肥比例的增加而增加；拔節至開花期的氮素積累量顯著高于其余生育階段，說明該階段是小麥吸收氮素的主要生育階段，各處理間的氮素積累趨勢與播種至拔節期一致。開花至成熟期的氮素積累量較少，且隨播種密度和施氮量的增加而增加，隨基肥比例的增加而降低。在N180、N225和N270施氮量下，提高播種密度顯著增加了小麥整個生育期植株的氮素積累量，增幅分別為3.54%、4.19%和2.83% ；同一播種密度下，小麥整個生育期植株的氮素積累量隨施氮量和基肥比例的增加而增加。

2.7 不同生育階段土壤氮素表觀盈虧

由圖3可知，在播種至拔節期，各處理 0～40 cm 土壤均出現氮素表觀盈余，且盈余量隨播種密度的增加而降低，隨施氮量和基肥比例的增加而增加。開花至成熟期土壤氮素略有盈余(D180和N180條件下的R5∶3∶2和R4∶3∶3處理除外)，且隨施氮量的增加而增加，隨播種密度和基肥比例的增加而降低。在拔節至開花期，低氮處理及較高的基肥比例均導致土壤氮素虧缺。就小麥整個生育階段而言，各處理 0～40 cm 土壤均出現氮素表觀盈余，且盈余量隨播種密度和基肥比例的增加而降低，隨施氮量的增加而增加，表明通過增加密度、優化施肥措施可降低土壤氮素表觀盈余。

表3 稻秸還田下播種密度與氮肥運籌對小麥不同生育階段干物質積累的影響

表4 稻秸還田下播種密度與氮肥運籌對小麥氮素積累量的影響

圖3 稻秸還田下播種密度與氮肥運籌對小麥不同生育階段 0～40 cm 土層氮素表觀盈虧的影響

3 討 論

大量研究認為，種植密度與氮肥水平顯著影響了小麥的籽粒產量和氮素利用效率，適宜的氮肥水平和種植密度組合可以在提高氮素利用效率的同時獲得較高的籽粒產量[16-17]。徐振江等[18]研究得出，小麥基本苗為 180×104·hm-2配施氮 300 kg·hm-2處理的籽粒產量與基本苗為 300×104·hm-2配施氮 150 kg·hm-2處理的籽粒產量相同；張 娟等[17]指出，當小麥種植密度由270×104·hm-2增至 405×104·hm-2，施氮量由 240 kg·hm-2降至 180 kg·hm-2時，產量并未發生變化，但氮肥吸收效率和農學效率顯著提高。本研究結果表明，在稻秸還田條件下，常規播種密度(120 kg·hm-2)在配施高氮(270 kg·hm-2)且氮肥基追比為 6∶3∶1 的條件下可獲得較高的籽粒產量；高播種密度(180 kg·hm-2)在配施適氮(225 kg·hm-2)且氮肥基追比為 6∶3∶1 的條件下獲得的籽粒產量最高；兩者的籽粒產量無顯著差異，但后者氮肥吸收效率和氮肥農學效率均顯著高于前者。這說明在稻秸還田條件下，提高播種密度的同時適當降低施氮量既可以穩定籽粒產量，又能顯著提高氮肥利用效率。籽粒產量、氮肥吸收效率及氮肥農學效率在不同氮肥基追比處理間均表現出基肥∶拔節肥∶孕穗肥為 6∶3∶1 最高。這與“輕基重追”和“前氮后移”是提高小麥產量和氮肥利用效率的有效措施[19-20]的結果不同，究其原因，主要是在稻秸還田后，隨著前期稻秸逐漸腐爛分解，微生物的數量和活性加劇，與小麥幼苗競爭氮素，中后期秸稈釋放氮素供小麥吸收利用，小麥生長前期需要投入較多的氮肥才能滿足生長所需，而后期可以適當降低氮肥的投入。

綠葉面積及持續時間可顯著影響小麥光合產量，葉面積指數在一定程度上可反映作物吸收光能的能力；較高的葉面積指數能夠提高作物的光合效率和干物質生產能力，從而提高作物的產量[21]。本研究結果表明，常規播種密度在高氮水平下及高播種密度在適氮水平下，小麥各生育時期的葉面積指數均維持在較高的水平，開花期旗葉光合效率及花后干物質積累量較高，因此獲得了較高的籽粒產量。

土壤氮素表觀盈虧因小麥不同生育階段對氮素的需求不同而具有明顯的階段性特征[22]。本研究結果表明，拔節前各處理均出現氮素表觀盈余，這與前人研究結果一致[23]。一方面是因為拔節前植株生長較慢對氮素的需求量較低；另一方面可能是前期稻秸腐解導致微生物固定了大量氮素[24]。拔節后追氮量高于 135 kg·hm-2也會引起土壤氮素的顯著盈余，這可能是由于前期土壤氮素大量的盈余、稻秸后期釋放的氮素和追氮量能夠滿足小麥中后期對氮素的需求[1]。前人研究表明，土壤硝態氮淋洗損失是盈余氮素的一個主要去向，同時還會造成環境污染[8,25]。由此可見，在稻秸還田條件下，提高施氮量和追氮比例可導致土壤中殘留較多的氮素，提高了氮素表觀盈余量及氮肥的損失量，導致氮素利用效率顯著降低；而增加播種密度，有利于氮素被小麥充分吸收，提高了氮肥吸收效率，降低了土壤氮素表觀盈余量及硝態氮的淋洗損失量，從而可以減輕因氮肥造成的環境污染。

4 結 論

在稻秸還田條件下，提高播種密度、適當降低施氮量并提高基肥比例可以提高花后光合生產能力、拔節后氮素吸收能力，同時降低土壤氮素盈余量，從而提高小麥產量和氮素利用效率。本試驗條件下，播種密度為180 kg·hm-2、施氮量為225 kg·hm-2、基追比為6∶3∶1時，實現了產量與氮素利用效率的同步提高。

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Effect of Planting Density and Nitrogen Application on Wheat Yield and Nitrogen Use Efficiency under Rice Straw Returning

XIU Ming,GU Shilu,TIAN Zhongwei,ZHU Qing,CAI Jian,JIANG Dong,DAI Tingbo

(Agronomy College of Nanjing Agricultural University/Key Laboratory of Crop Physiology Ecology and Production Management of Ministry of Agriculture/Jiangsu Collaborative Innovation Center for Modern Crop Production,Nanjing,Jiangsu 210095,China)

To explore the effects of planting density and nitrogen(N) fertilizer management on grain yield and N use efficiency of wheat under rice straw returning,field experiment was conducted to study the effects of planting density(120 kg·hm-2and 180 kg·hm-2),N rate(180,225 and 300 kg·hm-2) and the ratio of basal to top-dressing(basal fertilizer∶ jointing fertilizer∶ booting fertilizer=6∶3∶1,5∶3∶2 and 4∶3∶3,respectively) on grain yield and N utilization in wheat under rice straw returning,with Jimai 22 as material. Results showed that increasing planting density improved leaf area index,photosynthetic rate of flag leaf at anthesis stage and dry matter accumulation from anthesis to maturity stage under low N rate(180 kg·hm-2) and appropriate N rate(225 kg·hm-2),therefore grain yield was improved significantly. However,under excessive N rate(270 kg·hm-2),increasing planting density decreased leaf area index at the late growth stage,photosynthetic rate of the flag leaf at anthesis stage and dry matter accumulation post-anthesis significantly,which resulted in reduction of grain yield. In addition,increasing planting density with reduced N rate decreased soil inorganic N surplus amount,but improved N agronomy efficiency and N uptake efficiency significantly. The optimal ratio of basal to top-dressing was 6∶3∶1,which could simultaneously improve grain yield and N use efficiency. In conclusion,increasing planting density with reduced N rate properly and increased the ratio of basal fertilizer under rice straw returning could improve grain yield and N use efficiency.

Wheat; Rice straw returning; Planting density; N rate; N basal to top-dressing ratio; Grain yield; N use efficiency

時間：2016-10-08

2016-03-22

2016-04-19

國家自然科學基金項目(31471443，31501262)；江蘇省自然科學基金項目(BK20140705)

E-mail：201301044@njau.edu.cn

田中偉(E-mail：zhwtian@njau.edu.cn)

S512.1；S311

A

1009-1041(2016)10-1377-09

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20161008.0932.026.html