不同養分管理模式對小麥產量和氮肥效率的影響

劉瑞麗，王 歡，張曉寧，張宏彥

（中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

不同養分管理模式對小麥產量和氮肥效率的影響

劉瑞麗，王 歡，張曉寧，張宏彥

（中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

提高單位面積產量是滿足我國小麥需求的主要途徑。基于田間長期定位試驗，分析了過去低投入、當前集約化高投入和優化投入3種養分管理模式對小麥生長發育和氮肥效率的影響。結果表明：低投入的氮肥偏生產力高，但小麥分蘗能力、地上部生物量累積、氮吸收和產量均受到影響，兩季平均產量只有3.79 t/hm2；優化投入在保證小麥產量的基礎上比高投入減少20%～46%的化肥和7 t/hm2的牛糞，顯著提高氮肥偏生產力，二者兩季平均產量分別為9.27、9.28 t/hm2，平均氮肥偏生產力分別為68、27 kg/kg；高投入中大量的養分投入增加了無效分蘗的發生和營養生長階段氮的奢侈吸收，不利于小麥產量的進一步提高。因此，優化肥料用量和施肥時期是保證小麥產量和提高氮肥效率的基礎。

小麥；產量；分蘗；地上部生物量；氮吸收；氮肥偏生產力

小麥是我國主要糧食作物之一，產量占全國糧食總產的20%以上。由于人口增加和飲食結構改變，2030年我國小麥需求量將增加到125 Mt［1］。然而我國耕地資源有限，提高單位面積產量是提高小麥總產、滿足需求的主要途徑［2］。華北平原是我國小麥主產區之一，小麥產量占全國總產的75%，實現該地區可持續高產對保證我國糧食安全有重要意義［3］。在長達2000多年的時間內，該地區滿足作物生長、維持土壤肥力主要依靠有機物料投入，如人畜糞便、草木灰、綠肥等，肥料供應不足制約著糧食產量的進一步提高［4-5］。“綠色革命”后，我國糧食產量隨著化肥產業發展不斷增加。從1949年到2009年，華北平原的小麥產量從0.6 t/hm2增加到5.4 t/hm2［3］。受“施肥越多、產量越高”影響，華北平原小麥的氮肥用量已高達300 kg/hm2，遠遠超過小麥需求量［6］。過量氮肥施用在降低養分效率的同時，還帶來一系列環境問題，如土壤酸化、硝酸鹽淋洗、水體富營養化、溫室氣體排放等［7-10］。因此，為了實現我國農業的可持續發展，必須轉變現有的養分管理方式，同步實現作物高產與資源高效。

針對這一問題，中國農業大學養分管理小組經過多年研究建立了基于根層養分調控的作物養分管理技術，充分考慮作物的養分需求規律及土壤和環境的養分供應能力，以實現養分供應與作物吸收在時間和空間上匹配，減少養分盈余。關于該技術已經開展很多研究，并取得了一定成果，如Chen等依據該技術的施肥措施使小麥產量從農民傳統的7.2 t/hm2增加到8.9 t/hm2［1］，Lu等使用該技術在維持小麥產量的同時使氮肥用量從300 kg/hm2減少到160 kg/hm2［11］。但是這些研究多從小麥生長過程，如產量、群體發育、生物量累積、養分吸收、養分效率的單個或幾個方面進行分析，缺少綜合分析。因此，本研究利用長期定位試驗綜合分析不同養分管理技術對小麥生長的影響，以期為華北平原小麥高產高效提供可靠的理論依據和實踐經驗。

1 材料與方法

本研究依托中國農業大學曲周縣高產高效現代農業研究基地的長期定位試驗，該試驗始于2007年，種植方式為冬小麥-夏玉米輪作。在2013—2014年和2014—2015年小麥季取樣分析不同養分管理技術對小麥生長的影響。兩個試驗年份小麥季0℃以上積溫分別為3 271、3 121℃，降水量分別為123、112 mm。

1.1 試驗材料

供試土壤為潮土，0～30 cm土層的有機質含量為12.7 g/kg，全氮含量為0.79 g/kg，Olsen-P含量為4.94 mg/kg，速效鉀含量為113 mg/kg，pH值為8.65。

供試小麥品種為良星99，播種量225 kg/hm2，行距15 cm。兩季小麥的播種時間分別為2013年10月12日和2014年10月10日。試驗所用牛糞在施用前經過堆漚處理，尿素（46% N）、過磷酸鈣（14% P2O5）和硫酸鉀（50% K2O）分別作為氮肥、磷肥和鉀肥。基肥均在播種當天撒施，然后翻耕播種，翻耕深度為25 cm，追肥的具體日期為2014年4月3日和2015年4月5日。

1.2 試驗方法

試驗設過去低投入（LI）、集約化高投入（HI）和基于根層養分調控的優化投入（OI）3個處理。LI處理養分來源為牛糞，依據氮素在家庭消費系統中的流向以牛糞歸還上季作物籽粒帶走氮素的80%［12］。2013—2014年牛糞用量為2.57 t/hm2，N、P、K濃度分別為17.1、7.3、11.7 g/kg；2014—2015年牛糞用量為3.29 t/hm2，N、P、K濃度分別為14.6、5.6、13.6 g/kg。HI中N、P2O5K2O用量分別為250、150、130 kg/hm2，牛糞投入量為7 t/hm2。除100 kg/hm2的N在小麥拔節期追施外其他肥料均基施。OI處理磷肥和鉀肥的用量依據磷鉀衡量監控技術確定，P2O5、K2O用量分別為120、100 kg/hm2，均基施。氮肥用量依據根層氮素實時監控技術確定，即將小麥的生長時期分為播種-拔節期和拔節-揚花期兩個階段。播種和拔節期施肥前取土測定根層硝態氮含量，氮肥用量為小麥氮需求量減去根層硝態氮含量。OI處理2013—2014年基施和拔節期追施N量分別為62、50 kg/hm2，2014—2015年為100、65 kg/hm2。每個處理4次重復，田間隨機區組設計，小區面積為1 026 m2（38 m × 27 m）。LI處理無農藥投入，其他田間管理措施3個處理相同。

1.3 測定項目及方法

群體發育動態：出苗后，每個小區選擇10個1 m雙行的樣點固定，分別在苗期、越冬期、返青期、拔節期、揚花期和收獲期調查群體數量。

地上部生物量和氮吸收量：在返青期、拔節期、揚花期和收獲期，每個小區隨機選擇3個0.5 m雙行的點，收割全部地上部植株，在75℃條件下烘干至恒重，計算生物量。然后將樣品粉碎，用凱氏定氮法測定植株氮濃度，計算氮吸收量。

穗粒數和千粒重：在收獲期，每個小區選擇有代表性的3個樣點，每個樣點選擇連續的40穗統計穗粒數。脫粒烘干后計算千粒重。

產量：在收獲期，每個小區選擇有代表性的3個6 m2的測產點，人工收割，脫粒后在75℃烘箱中烘干至恒重，然后計算小麥產量（含水量14%）。

各生育期具體的調查或取樣時間為：苗期，2013年11月6日和2014年11月5日；越冬期，2013年12月5日和2014年12月5日；返青期，2014年3月13日和2015年3月12日；拔節期，2014年4月1日和2015年4月3日；揚花期，2014年4月29日和2015年5月2日；收獲期，2014年6月2日和2015年6月3日。

圖1 不同養分管理模式小麥群體動態發育

數據整理、統計分析、作圖分別采用Excel 2010、SAS 8.1、Sigmaplot 12.5完成。

氮肥偏生產力（kg/kg）= 產量/氮肥投入量，其中氮肥投入量包括通過化肥和牛糞帶入的氮。

2 結果與分析

2.1 不同養分管理模式對小麥群體發育的影響

不同養分管理模式的出苗情況相同，處理間差異始于冬前分蘗（圖1）。2013—2014年，HI處理冬前單位面積莖數分別比LI、OI處理增加34%和28%，LI、OI處理間差異不顯著；2014—2015年，HI處理冬前單位面積莖數比OI處理提高29%，OI比LI處理提高55%。各處理單位面積莖數均在拔節期達到最大，且處理間差異顯著，表現為HI＞OI＞LI。拔節期之后分蘗迅速死亡，在揚花期穩定。整體來看，LI處理收獲期莖數顯著低于OI和HI處理，兩年的成穗率分別為61%和45%；HI處理分蘗能力比OI處理強，但這也增加了個體間對養分、水分和光等資源的競爭，加速了分蘗死亡，所以HI處理收獲期莖數并不顯著高于OI處理。2013—2014年OI和HI處理成穗率分別為42%和31%，2014—2015年二者的成穗率分別為39%和35%。

2.2 不同養分管理模式對小麥地上部生物量的影響

圖2 不同養分管理模式小麥生物量累積動態

OI和HI處理地上部生物量顯著高于LI處理，且這種差異在小麥生長初期開始出現并延續到后來的生育期（圖2）。兩個小麥季，從播種到返青期LI處理生物量累積量分別為0.84、0.48 t/hm2。相同生長期內，OI和HI處理生物量累積量比LI處理提高72%～363%。收獲期LI處理兩季生物量累積量分別為7.32、7.40 t/hm2，OI和HI處理比LI處理提高90%～188%。對于OI和HI處理，從播種到揚花期HI處理生物量累積量均顯著高于OI處理。兩個小麥季OI處理揚花期生物量累積量分別為9.37、13.19 t/hm2，HI處理比其提高11%和16%。揚花期之后，二者之間的差異逐漸減小，收獲期OI和HI處理生物量累積量無顯著差異。

2.3 不同養分管理模式對小麥氮吸收的影響

圖3 不同養分管理模式小麥氮吸收動態

不同養分管理模式在整個冬小麥生育期均有氮吸收量差異，表現為HI＞OI＞LI（圖3）。從播種到返青期，LI處理兩季的氮吸收量分別為23.1、15.5 kg/hm2。相同生長期OI處理氮吸收量比LI處理增加141%和301%，HI處理比OI處理增加71%和61%。LI處理兩個收獲期的氮吸收量分別為66.9、75.4 kg/hm2，OI處理比LI處理增加173%和178%，HI處理比OI處理增加13%和25%。

不同養分管理模式花前、花后氮吸收量和花后氮再轉移量如表1所示。LI和OI處理花前氮吸收量占各自收獲期吸收量的72%～89%，花后二者仍保持一定的氮吸收能力，花后吸收的氮和再轉移的氮用于籽粒建成。而HI處理在花前即達到最大吸氮量，花后氮吸收量不再增加，其籽粒中的氮全部來自于花后氮的再轉移。

表1 小麥花前、花后氮累積量和花后再轉移量 （kg/hm2）

2.4 不同養分管理模式對小麥產量和產量構成的影響

不同養分管理模式對小麥產量和產量構成均有顯著影響（表2）。兩個小麥季，OI和HI處理產量比LI處理提高123%～165%。這是穗數、穗粒數和千粒重綜合作用的結果。OI和HI處理在2013—2014年小麥產量和產量構成無顯著差異；在2014—2015年，HI處理穗數顯著高于OI處理，但千粒重顯著低于OI處理，最終二者產量無顯著差異。

表2 不同養分管理模式下小麥產量、產量構成和氮肥效率

2.5 不同養分管理模式對氮肥偏生產力的影響

兩季小麥的氮肥偏生產力均表現出LI＞OI＞HI（表2）。LI兩季的氮肥偏生產力分別為94、112 kg/kg。OI處理氮肥偏生產力雖然顯著低于LI處理，卻比HI處理提高171%和131%，達到72、63 kg/kg。

3 結論與討論

華北平原小麥的氮肥推薦用量為180 kg/ hm2［13］，而兩季小麥低投入通過牛糞帶入的氮分別為38.5、35.4 kg/hm2，氮缺乏嚴重，影響小麥氮吸收。小麥氮營養與小麥分蘗、光合作用、穗粒數形成等密切相關。施氮能增加群體莖蘗數和成穗率、增加葉片的凈光合速率、增加穗粒數，這都利于籽粒產量增加［14-16］。土壤氮供應不足將限制這些生長發育過程，進而導致減產。本試驗低投入的地上部生物量和產量構成均低于優化投入和高投入，最終導致產量的降低。盡管低養分投入提高了低投入的氮肥效率，但這并不能保證小麥高產，故而低投入處理是一個低投入、低產出、高養分效率的體系。

高地上部生物量和氮吸收量是獲得高產的基礎［17-18］。如小麥產量從7 t/hm2增加到9 t/hm2，地上部生物量累積量從10.0 t/hm2增加到15.7 t/hm2，氮吸收量從135 kg/hm2增加到209 kg/hm2［19］。本試驗高投入的地上部生物量和氮吸收量比低投入顯著增加，為提高產量奠定了基礎。綜合兩季數據，高投入的小麥產量比低投入提高145%，兩季平均產量達到9.28 t/hm2，比當地農民產量增加72%［3］。但高投入的氮投入量遠超過小麥氮吸收量，收獲時的氮吸收量僅占投入量的62%～83%。過多的氮投入使小麥在揚花期就達到最大氮吸收量，導致花后氮吸收量不再增加，不利于高產。王仁杰等、劉紅杰等的研究結果均發現，隨著氮肥用量的增加，小麥產量達到一定水平后不再增加，甚至有所降低［16，20］。總的來說，高投入處理是一個高投入、高產出、低養分效率的體系。

基于根層養分調控技術，優化投入兩季小麥的氮肥用量比高投入減少46%、磷肥用量減少20%、鉀肥用量減少23%，但產量未降低。小麥產量與開花期營養器官向生殖器官的轉移量和花后氮吸收量密切相關。因生長環境、小麥品種、土壤類型等差異，花后從營養器官向生殖器官轉移的氮占籽粒氮含量的73%～98%［21］。李春燕等對揚輻麥4號的研究表明，高產群體小麥花后吸氮量占總吸氮量的比例比中高產和中低產群體高31%～52%［22］。本研究中，高投入在花后無凈氮吸收量，籽粒的氮全部來自于花后的氮再轉移，而優化投入仍保持一定的氮吸收能力，花后氮吸收量占收獲期氮吸收量的11%～14%，占籽粒氮含量的13%～18%。從氮肥效率來看，優化投入的氮肥偏生產力平均比高投入提高151%，兩季平均達到68 kg/kg。這一結果與其他報道的氮肥效率相當［1，11，23］。綜上所述，優化投入在優化養分投入量和投入時間的情況下，保證了小麥產量，提高了養分效率，這對華北平原小麥生產有重要借鑒意義。

從兩季結果來看，2014—2015年小麥整體長勢比2013—2014年好，這主要是氣候條件差異造成的。2014—2015年冬前0℃以上積溫比2013—2014年增加121℃，促進了冬前分蘗的發生。另外，2014—2015年冬季日均溫通常都在零度以上，小麥一直在緩慢分蘗，所以2014—2015年的群體數量要高于2013—2014年，并且帶動了地上部生物量的累積和氮的吸收。2014—2015年優化投入拔節期單位面積莖數比2013—2014年增加34%，而地上部生物量和氮吸收量分別增加8%和27%，在一定程度上降低了群體質量，進而降低成穗率。不同于優化投入，2014—2015年高投入拔節期單位面積莖數、地上部生物量和氮吸收量分別比2013—2014年增加26%、25%和45%，群體質量有所增加，成穗率也增加，這可能是造成2014—2015年高投入單位面積穗數高于優化投入的原因。另外，2014—2015年揚花期前后出現連續多日的降雨，這可能是造成該年份千粒重低于2013—2014年的主要原因。

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（責任編輯 楊賢智）

Effects of different nutrient management systems on wheat yield and nitrogen use efficiency

LIU Rui-li，WANG Huan，ZHANG Xiao-ning，ZHANG Hong-yan
（College of Resources and Environmental Sciences，China Agricultural University，Beijing 100193，China）

The effects of different nutrient management systems，including historical low-input，modern intensive high-input and optimum-input，on wheat growth and nitrogen use efficiency were evaluated in a longterm field experiment. The results indicated that: nitrogen partial productivity was obviously high in low-input system related to low nutrient rate，but wheat tillering，aboveground biomass accumulation，nitrogen uptake and yield were negatively affected by nutrient deficiency. Mean wheat yield inlow-input system of the two study years was only 3.79 t/hm2. Based on root-zone nutrient management，20% of 46% of chemical fertilizer and total cattle manure were saved in optimum-input system，compared with high-input system，with no yield penalty，and significantly improved nitrogen partial productivity. According to the two study years，mean of wheat yields in optimum-input and highinput systems were 9.27 and 9.28 t/hm2，and nitrogen partial productivities were 68 and 27 kg/kg，respectively. Massive nutrient in high-input system increased un-productive tillering and led to nitrogen luxurious uptake during the vegetative growth stage，these were unprofitable to further yield improvement. In conclusion，optimization of fertilizer rate and fertilization time were essential to maintain wheat yield and improve nitrogen use efficiency.

wheat；yield；tillering；aboveground biomass；nitrogen uptake；nitrogen partial productivity

S512.1+1

A

1004-874X（2017）04-0007-07

劉瑞麗，王歡，張曉寧，等. 不同養分管理模式對小麥產量和氮肥效率的影響［J］.廣東農業科學，2017，44（4）：7-13.

2017-02-10

國家公益性行業（農業）科研專項（201203030-03）；國家“973”計劃項目（2015CB150405）

劉瑞麗（1988-），女，在讀博士生，E-mail：liuruili5212006@163.com

張宏彥（1972-），男，博士，副教授，E-mail：zhanghy@cau.edu.cn