新型專用肥對冬小麥產量、氮素吸收與利用的影響

劉倩倩,陳 歡,張存嶺,喬玉強,陳天河,徐汝民,唐 俊,曹承富

(1.阜陽師范大學,安徽阜陽 236037; 2.安徽省農業科學院作物研究所，安徽合肥 230031; 3.安徽省濉溪縣科學技術協會，安徽淮北 235100; 4.安徽省帝元生物科技有限公司，安徽合肥 230036)

近幾十年來，我國小麥產業迅速發展，至2015年我國小麥單產水平已超過世界單產水平60%以上[1]。隨著人口的持續增長及生活水平的穩步提升，我國糧食安全面臨著極大的挑戰，保持小麥綠色增產增效是確保我國糧食安全和農業可持續發展的根本途徑之一。

氮素是作物生長發育和產量形成的重要營養元素之一。氮肥的投入在促進作物增產提質方面發揮了重要作用。自20世紀80年代以來，我國糧食生產中氮肥施用量快速增長，施用總量增加近1.5倍[2]，但作物的增產速率卻僅為10%左右[3]。我國小麥生產的氮肥利用率較低，約為35%[4]。隨著農業集約化和現代化進程的推進，施用緩控釋型、穩定型等新型肥料被認為是增產增效的有效途徑之一，該類肥料通過控制養分尤其是氮素在土壤中的轉化過程，協同肥料養分釋放與作物需求，進而促進作物增產、氮肥利用率提高和農田氮素損失減少[5-7]。鄭學博等[8]研究表明，施用控失肥和緩釋肥的小麥比常規施肥分別增產1.13%和6.65%，氮肥回收率分別提高 10.5和13.7個百分點，氮肥農學效率分別提高 -0.86和0.57 kg·kg-1；白珊珊等[9]指出，施用控失肥后小麥產量比常規施肥增加18.51%～23.98%，農學利用效率提高2.41～3.12 kg·kg-1；孫云保等[10]的試驗結果顯示，在減氮30%的條件下連續四年施用控釋尿素，與普通尿素相比仍未顯著減產；Zheng等[11]認為，包膜控釋型肥料可顯著增加小麥產量，且明顯提高肥料利用率。

盡管新型肥料的經濟和生態效益已得到學者們的認可，但其在實際生產中的綜合應用效果會受到作物種類、土壤類型、栽培管理等因素影響，仍具有較大的不確定性。本研究于2016-2017年在安徽省濉溪縣開展田間試驗，比較分析控失肥、炭基長效肥、保持性肥料、活性增效復合肥等13種新型專用肥對小麥產量、干物質量、氮素吸收、氮素利用效率等的影響，并利用主成分-聚類分析方法綜合評價不同類型新型專用肥的豐產增效效果，以期為砂姜黑土區小麥生產中新型專用肥的高效合理施用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016年10月-2017年6月在安徽省濉溪縣楊柳農業科學院實驗站開展，實驗站位于安徽省淮北市濉溪縣孫疃鎮(116°45′E，33°37′N)，氣候屬于暖溫帶濕潤季風氣候，小麥生長期間降水量約390 mm，平均氣溫11.2 ℃，降水與氣溫具體變化見圖1。供試土壤為砂姜黑土，前茬作物為玉米。試驗開始前耕層土壤(0～ 20 cm)pH 7.21，有機碳、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為18.88 g·kg-1、 1.12 g·kg-1、1.12 g·kg-1、35.31 mg·kg-1、86.59 mg·kg-1、38.50 mg·kg-1、136.07 mg·kg-1。

1.2 試驗材料與設計

試驗肥料均由安徽帝元生物科技有限公司提供。試驗設13個新型專用肥處理(分別用F1～F13代表，均播前一次性基施)、推薦施肥處理(用F14代表，基施純氮、P2O5和K2O 量分別為150、90和90 kg·hm-2，拔節期追施純氮30 kg·hm-2，氮磷鉀肥分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀)和傳統施肥處理(用F15代表，氮磷鉀肥總施用量、種類與推薦施肥相同，而且全部基施)。各處理肥料施用量與施用時期見表1。每個處理3次重復，小區面積為12 m2(3 m×4 m)。供試小麥品種為安科157，播種密度為225×104株·hm-2，行距20 cm。播種時間為2016年10月8日，收獲時間為2017年6月4日，其他大田管理技術同高產田塊。另設一個不施氮對照，磷鉀施用量同F15處理。

圖中豎線為降水，三條橫線從上到下分別為日最高、日均、日最低溫度。

In the figure,the vertical line referto precipitation.The three transverse lines refer to the daily max.,mean and min. temperatures from top to bottom,respectively.

圖1 2016-2017年小麥生長季氣象條件變化

Fig.1 Meteorological variation of wheat season in 2016-2017

表1 各處理施肥種類和養分投入Table 1 Types of fertilizers and application rates under different treatments

1.3 測定指標與方法

1.3.1 干物質量、籽粒產量及其構成測定

于小麥三葉期，在各小區選擇2個具有代表性、長勢一致的1 m樣段進行定點標記，調查基本苗，并于成熟期(2017年6月4日)，通過調查定點標記樣段的莖蘗數計算單位面積有效穗數。各小區選取具有代表性、長勢一致的單莖20個并連根拔起，小心剪掉根系后裝入樣品袋， 105 ℃殺青0.5 h后，75 ℃烘干至恒重，測定總干物質量；人工脫粒后測定穗粒數和穗粒重。用自走履帶式全喂入聯合收割機(4LZ-0.8，湖南)進行全小區收割，自然曬干后稱重計產，并測定千粒重。

1.3.2 籽粒和秸稈含氮量測定

小麥樣品烘干、脫粒后分為籽粒和秸稈兩個部分，分別粉碎研磨過40目篩(0.425 mm)，混合均勻。稱取一定質量的植株粉碎樣品(秸稈約 0.20 g，籽粒約0.15 g)，用H2SO4-H2O2法消解至澄清，冷卻定容后用連續流動分析儀(SEAL Auto Analyzer 3，德國)測定全氮含量。

1.4 氮素利用參數的計算

器官吸氮量=器官干物質量×器官全氮含量

植株吸氮總量=籽粒吸氮量+秸稈吸氮量

氮肥偏生產力=籽粒產量/施氮量[12]

氮肥回收效率=(施氮處理植株吸氮量-不施氮對照植株吸氮量)/施氮量[13]

氮肥農學效率=(施氮處理籽粒產量-不施氮對照籽粒產量)/施氮量[14]

氮肥生理效率=(施氮處理籽粒產量-不施氮對照籽粒產量)/(施氮處理植株吸氮量-不施氮對照植株吸氮量)[15]

氮素吸收效率=植株吸氮量/施氮量[16]

氮素籽粒生產效率=籽粒產量/植株吸氮量[17]

1.5 數據處理

試驗數據采用Excel 2016進行整理、基礎計算及畫圖；采用IMB SPSS Statistics 22進行方差分析(ANOVA)、相關性分析、因子分析和聚類 分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理間小麥產量及其構成差異

與推薦施肥(F14)、傳統施肥(F15)相比，新型專用肥處理的小麥產量分別增加-24.34%～ 2.72%和-11.82%～19.72%，且除F2處理的產量顯著低于F14和F15處理外，其他新型專用肥處理與F14和F15處理的差異均不顯著(表2)。可見，新型專用肥對小麥產量的影響與推薦施肥和傳統施肥基本相當。

表2 不同處理下小麥的產量及其構成要素Table 2 Yield and its components of wheat under different fertilization treatments

同列數值后不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。

Different lower-case letters following the values within the same column indicate significant differences among different treatments at 0.05 level.

圖柱上不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。

Different lower-case letters above columns indicate significant differences among different treatments at 0.05 level.

圖2 不同處理下小麥成熟期的干物質和氮素積累量

Fig.2 Accumulation of dry matter and nitrogen in wheat plant at maturity under different treatments

從小麥產量構成來看，有效穗數在F1～F15處理間差異不顯著。不同肥料處理間穗粒數差異較小，千粒重差異不顯著。這說明與推薦施肥和傳統施肥相比，新型專用肥對小麥產量構成的影響基本一致。

2.2 不同處理間小麥干物質和氮素積累差異

F1～F15處理間小麥成熟期干物質和氮素積累量差異均不顯著(圖2)。F14處理的干物質和氮素積累量均最高，與F15處理相比，新型專用肥處理的干物質和氮積累量分別增加-2.68%～30.35%和 9.97%～38.44%。

2.3 不同處理下小麥氮素利用的差異

在不同處理間，除氮素吸收效率、氮素籽粒生產效率差異均不顯著(表3)，氮肥偏生產力、氮肥回收效率、氮肥農學效率、氮肥生理效率的差異部分達到了0.05顯著水平，而且不同指標間差異趨勢表現不一致。

2.4 不同新型專用肥的應用效果綜合評價

2.4.1 生產力與氮素吸收利用的相關關系

相關分析(表3)表明，在小麥產量、產量構成因素、干物質積累量、氮素積累量、氮肥偏生產力、氮素吸收效率、氮肥農學效率、氮肥生理效率、氮素籽粒生產效率及氮肥回收效率等指標之間均存在一定的相關性，說明這些指標間所反映的信息存在一定的重疊，因此有必要采用主成分分析法來綜合客觀評價不同肥料的應用效果。

表3 生產力與氮素吸收利用的相關關系Table 3 Correlation between productivity and N uptake and utilization

ES:Effective spikes; KS:Kernels per spike; TKW:Thousand kernels weight; GY:Grain yield; DM:Dry matter; PN:N accumulation; NpfP:N partial factor productivity; NuptE:N uptake efficiency; NAE:N agronomic efficiency; NPE:N physiological efficiency; NutE:N utilization efficiency；NRE：N recovery efficiency.*:P<0.05; **:P<0.01.

圖柱上不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。

Different lowercase letters on the same columns indicate significant differences among different treatments at 0.05 level.

圖3 不同肥料處理下小麥的氮素利用效率

Fig.3 N use efficiency of wheat in different fertilization treatments

2.4.2 主成分-聚類分析

通過主成分分析，提取出4個主成分，特征值分別為5.710、2.399、1.267和1.015，方差貢獻率分別為47.59%、19.99%、10.56%和8.46%，累計貢獻率達86.59%，即這4個主成分涵蓋了原始數據信息量的86.59%(表4)。這四個主成分中，第一主成分以小麥植株氮素積累量、氮肥偏生產力、氮素吸收效率、氮肥農學效率、氮肥生理效率、氮素籽粒生產效率及氮肥回收效率為主要影響因子，主要反映了氮素的吸收及利用效率；第二主成分以有效穗數、籽粒產量和干物質積累量為主要影響因子；第三、第四主成分則分別以穗粒數、千粒重為主要影響因子，反映了小麥的穗粒重特征。

進一步以各指標在4個主成分上的特征向量作為權重系數，分別乘以相應的標準化變量，其總和即不同肥料處理在各個主成分上的得分(表5)。結果顯示，在第一主成分上F3、F5、F6、F7、F8和F14處理的得分較高，因為其具有較高的氮素吸收與利用效率；在第二主成分上除F1、F2、F3、F6、F11、F13和F15外的其他處理因具有較高穗數和籽粒產量而得分較高；在第三和第四主成分上則分別以F1、F3、F4、F5、F6、F14、F15和F1、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F10、F12處理的得分較高。不同肥料處理在各主成分上的得分差異主要是因為各個主成分的影響因子不同。

表4 特征值與方差貢獻率Table 4 Eigen values and variation contribution rates

表5 不同肥料處理的主成分得分Table 5 Scores of various principal components

以4個主成分得分代替原始指標作為綜合評價的新指標，進行系統聚類。結果(圖4)表明，得到聚類樹狀圖，在歐氏距離為10時不同施肥處理可分為2大類，其中第一類群包括F3、F5、F6、F7、F8和F14處理；第二類群則是余下的施肥處理。由聚類結果可得，說明F3、F5、F6、F7和F8等5種新型專用肥的綜合效果較好，其施用可替代推薦施肥，而其他肥料的綜合效果則較差。

3 討 論

隨著人口的快速增長，糧食安全與可持續發展之間的矛盾愈演愈烈，新型專用肥被認為是集約農業豐產、增效、環保的有效途徑之一。研究表明，新型專用肥對作物產量和氮肥利用效率的作用既可能是正向的[5-7]，也可能是負向的[18]，還可能不顯著[19]，其田間表現的不確定性主要是源于農田生態系統的復雜性[20]，包含作物體系、土壤性質、氣象條件及施肥管理措施等因素的影響。新型專用肥對砂姜黑土區小麥的增產效應已有報道[8,21-22]。本研究也表明，不同新型專用肥處理下小麥籽粒產量與推薦施肥(F14)、傳統施肥(F15)處理相比分別增產-24.34%～2.72%和 -11.82%～19.72%。新型專用肥處理的小麥有效穗數和千粒重與推薦施肥(F14)差異不顯著，而穗粒數稍有下降。鄭學博等[8]的研究結果也證明了控失肥處理下小麥的穗粒數略低于推薦施肥。這可能是因為小麥生育期較長，新型專用肥在生育后期養分供應能力尤其是氮素供應仍有一定的局限性，進而促進小花退化。

圖4 聚類樹狀圖

新型專用肥可顯著提高肥料利用率，不僅可節本增益，還可以降低損失帶來的環境風險，進而實現農業可持續性發展[9]。本研究表明，不同新型專用肥處理的小麥植株氮素積累比傳統施肥(F15)增加了-9.97%～38.44%，而相較推薦施肥則稍有下降。本研究中，氮素積累量提高主要是因為干物質量的增加。在氮素利用方面，新型專用肥的氮肥偏生產力、氮肥回收效率、氮肥農學效率、氮肥生理效率、氮素吸收效率與氮素籽粒生產效率等指標均不顯著低于傳統施肥(F15)。這與前人的研究結果一致[6,8,23-24]，其新型專用肥對氮肥利用率的提高效應一方面可能是因為其降低了養分流失[6,25]，使土壤中有更多養分供作物吸收利用，另一方面可能是養分釋放時期得以延長，且與作物生長需求規律相匹配[22,26]；但是相較于推薦施肥(F14)，則各項氮素效率指標在不同新型專用肥處理間的表現不同。本研究中，部分新型專用肥處理與傳統施肥或推薦施肥相比未能明顯提高小麥產量、氮素吸收及利用效率，主要原因可能是其氮素釋放與小麥生長需求不協同[27]，難以滿足小麥生育后期對養分尤其是氮素營養的 需求。

由于小麥產量性狀、干物質量、氮素吸收量與氮素利用效率指標之間存在顯著的相關關系，難以直接篩選出綜合效果較優的新型專用肥，因此本研究利用主成分-聚類分析方法，先降維提取簡單的少數幾個綜合指標(主成分)，既可反映原始信息，又可避免重復信息的干擾[28]；然后對所提取出的主成分進行聚類，相較于單獨的聚類分析具有低復雜性、高精確性等優點[29]。主成分-聚類分析方法已廣泛地運用于農業系統的評價，如土壤肥力[30]、作物性狀與品質等[31-32]，但是用于評價不同新型專用肥的增產提效綜合效應仍較為少見。從本研究提取出的4個主成分的方差貢獻率高低可以看出，在新型專用肥的綜合評價中，小麥植株氮素吸收與利用效率最為重要，其方差貢獻率最高，為47.59%；生產力次之，穗粒重性狀則最低，但仍不可忽略。通過聚類分析對不同肥料處理進行分類，其中與大田推薦施肥分為一類的包括總養分含量為48%的控失肥、保持性肥料、活性增效復合肥、活性尿素BB肥和控失增效二銨BB肥等，即這5種新型專用肥具有豐產、氮效率高等較優的綜合效果，其施用可替代大田推薦施肥。