氮素精準管理對小麥產量和氮素利用的影響

李升東，畢香君，韓 偉，王宗帥，馮 波，王法宏，司紀升，石軍萍

(1.山東省農科院作物研究所，山東濟南 250100； 2.山東省農業技術推廣總站，山東濟南 250100)

工業氮肥投入是農業生產中保障作物高產的重要手段，近年來隨著氮肥的規模化施用，小麥產量水平得到顯著提高[1]，但隨著氮肥施用量的持續增加，其邊緣效應也日益顯現[2-3]。研究表明，中國小麥主產區黃淮海麥區農戶冬小麥生長季的氮肥施用量普遍在300 kg·hm-2以上，而當季氮肥利用率僅為30%～45%[4-5]，大量無效的氮素投入不僅增加了農民的糧食生產成本，而且造成環境的持續承壓，形成了農戶頻繁地大量施肥以維持產量但養分利用率卻降低的惡性循環[6]。過量施用氮素不但不利于小麥產量潛力的發揮，還極易造成田間小氣候的惡化，加劇植株病蟲害的發生，同時還造成嚴重的土壤酸化以及地下水和空氣等的污染[7-8]。因此，如何打破這種惡性循環，實現節氮增產已成為當前農業科研工作者的主要研究方向[9]。在保持小麥較高產量水平下研究如何減少氮肥的施用量，實現氮素化肥的精準高效利用，對保障糧食可持續生產和環境安全具有重要意義。張福鎖等[2]研究表明，過量施用氮肥是造成小麥產量在低水平徘徊的主要原因，采用3R(reduce、reuse、recycle)技術能有效降低氮肥用量。趙榮芳等[10]研究表明，通過檢測土壤硝態氮含量進行氮素優化管理能顯著提高氮肥利用效率及小麥產量。巨曉棠等[6,11]研究表明，提高小麥氮肥利用效率的關鍵在于保持土壤氮和外源氮的平衡，而外源氮的投入又能起到平衡土壤氮庫的作用。另外，優化肥料施氮量能顯著降低玉米-小麥輪作的N2O排放量，降低土壤和空氣污染[12]。因此，探索操作簡便、準確可靠的麥田施肥方法是當前小麥生產中亟需完成的工作。黃淮海麥區冬小麥一般于10月上旬播種，生長期較長，播種至成熟大約要經歷230 d，冬小麥整個生育期的需肥階段可分為播種-返青、返青-抽穗、抽穗-成熟3個階段，這3個階段小麥吸收的氮素分別約占總量的12.4%～20.7%、36.1%～55.2%和26.1%～40.2%[13-14]。以此為基礎，本研究將冬小麥不同生育階段的氮肥需求規律作為氮肥精準管理的科學依據進而指導小麥的田間施氮管理。基于此，本研究選擇山東省泰安市和德州市的2個小麥高產試驗田，設置了氮肥精準管理和傳統農戶施肥2個處理，研究其對小麥葉面積指數、葉片葉綠素含量、產量和氮素利用等的影響，以期在為小麥生產中氮肥優化管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017-2018和2018-2019年在山東省泰安市岱岳區馬莊鄉和德州市德州農業科學院試驗田進行，兩地均屬溫帶大陸性季風氣候，雨熱同季，典型的棕壤高產田，有灌溉條件，種植模式為小麥/玉米周年輪作。兩地麥田播前土壤基礎肥力狀況見表1。

表1 試驗田基礎肥力狀況

1.2 試驗設計

兩地均設傳統農戶施肥(farmer traditional management of nitrogen,FN)和氮肥精準管理(precision management of nitrogen fertilizer,PN)2個處理，4次重復，采用隨機區組排列；另外，設1個空白對照(CK)，不設重復，空白對照只作產量參考對照，只計算空白籽粒產量。小區面積均為60 m2(20 m×3 m)。整個生育期各處理的灌溉和病蟲害防治均按照當地農戶習慣進行。

供試品種：2017-2018年泰安所用供試小麥品種為山農20，德州所用供試小麥品種為濟麥22；2018-2019年兩地所用供試小麥品種均為濟麥44。所選品種均為當地大面積種植品種。

供試肥料：氮肥為尿素(N含量46.0%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O5含量18.0%)，鉀肥為氯化鉀(K2O含量60.0%)。

FN處理的施肥量與施肥方式：泰安和德州兩地近3年的年平均施肥量為參考施肥量，其中施純氮232.0 kg·hm-2、P2O5112.5 kg·hm-2和K2O 112.5 kg·hm-2。施肥方式與當地農戶施肥習慣一致，氮、磷、鉀肥均在播種整地時作為基肥一次性施入。

PN處理的施肥量與施肥方式：綜合前人研究結果，將小麥全生育期不同生長發育階段的氮素吸收規律與小麥目標產量結合分析，去除0～30 cm土壤硝態氮含量后，分別計算播種-返青、返青-抽穗、抽穗-成熟3個階段的氮肥施用量。根據前人在黃淮海麥區公開發表的論文計算各階段的氮肥利用系數，分別為1.4、1.6和1.2[15-16]。不同生育階段氮肥施用量計算公式為：NAAi=(ANUi-NCSi)×a，其中NAA為施氮量，ANU為地上部吸氮量，NCS為0～30 cm土壤硝態氮含量，a為氮肥利用系數，i為生育階段。本研究中小麥的預期目標產量為9 750 kg·hm-2，按前人研究預估地上部氮素吸收總量為230 kg·hm-2，根據不同生育階段氮肥施用量計算公式分別計算泰安和德州兩地冬小麥在3個需肥階段的氮肥施用量，結果見表2。氮肥的施用分為基肥和追肥，播種-返青階段的氮肥以基肥固態形式施入，返青-抽穗和抽穗-成熟2個階段則通過試驗田的水肥一體化設施滴灌施入。磷肥和鉀肥作為基肥在播前施入，其用量和施用方式均參照傳統農戶施肥習慣進行。

表2 氮肥精準管理試驗中氮肥的施用量

CK處理的施肥量與施肥方式：不施氮肥，磷肥和鉀肥在耕翻土地時作為基肥一次性施入，其用量與傳統農戶施肥中的一致。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 葉面積指數(LAI)的測定

分別于返青期(3月15日)、拔節期(3月21日)、抽穗期(4月26日)和灌漿中期(5月7日)隨機選取3個點，各點任選一行取20 cm范圍內長勢相對一致、具有代表性的小麥植株，帶回實驗室后用打孔稱重法計算LAI[8]。

1.3.2 旗葉葉綠素相對含量(SPAD)的測定

采用日本美能達SPAD-502PLUS葉綠素測定儀分別于返青期(3月15日)、拔節期(3月21日)、抽穗期(4月26日)和灌漿中期(5月7日)的9:00-11:00測定小麥植株旗葉的SPAD，各處理均選擇有代表性的小麥旗葉。以20片葉片SPAD值的均值作為該處理的SPAD值。

1.3.3 植株干物質量和氮積累量的測定

在小麥成熟期，各選取20株FN和PN處理具有代表性的單株，將其分為莖稈、葉片、穗軸、穎殼和籽粒5部分，于105 ℃殺青30 min，然后 75 ℃烘干至恒重，測定干物質量。

測定干物質量后將各部分樣品粉碎，采用魯如坤[8]的方法測定植株氮含量、籽粒氮積累量和植株氮積累量。

1.3.4 產量的測定

小麥成熟期在各小區分別取1 m2代表性樣點測定單位面積穗數，并取20株有代表性的植株進行室內考種，記錄穗粒數，同時從測產籽粒中隨機取1000粒測定千粒重。每小區均設3次重復。按照籽粒含水率13%折算產量和千粒重。

1.3.5 土壤無機氮積累量

小麥播種前分別取FN和PN處理0～30 cm土層土樣，每小區隨機取3點。土樣放入冰盒，過2 mm篩后，稱取10 g土壤樣品，加入KCl溶液 (土液比1∶5) 振蕩浸提，采用流動注射分析儀測定硝態氮含量，結合土壤容重(環刀法測定)計算播前土壤硝態氮含量。小麥收獲后分別取FN和PN處理0～160 cm(每20 cm為一層)土層土樣，同樣方法測量土壤硝態氮含量。

1.4 數據統計分析

籽粒氮積累量=籽粒氮含量×籽粒干重

植株氮積累量=植株氮含量×植株干重

氮素吸收效率=植物氮積累量/(施氮量+播前土壤無機氮積累量-收獲后土壤無機氮積累量)×100%

氮收獲指數=籽粒氮積累量/植株氮積累量×100%

氮肥偏生產力=施氮處理籽粒產量/施氮量

氮肥農學利用率=(施氮處理籽粒產量-空白處理籽粒產量)/施氮量×100%

氮肥表觀利用率=(施氮處理植株氮積累量-空白對照植株氮積累量)/施氮量×100%

土壤氮素盈余量=(播前土壤無機氮積累量+施氮量)-(收獲后土壤無機氮積累量+植株氮積累量)[7,16]

空白處理籽粒產量(Y0)由空白對照收獲測產獲得。

采用Microsoft Excel和SAS 8.2軟件分析統計數據，顯著性測驗在0.05水平進行。

2 結果與分析

2.1 氮肥精準管理對小麥葉面積指數的影響

FN和PN處理對小麥返青期的葉面積指數無明顯影響；從拔節期開始2個處理間出現差異，其中2017-2018年泰安以及2018-2019年德州拔節期PN處理的葉面積指數較FN處理分別顯著增加了12.7%和9.5%；抽穗期冬小麥的葉面積指數達到最大值，抽穗器和灌漿期2個處理間的葉面積指數均呈顯著性差異，且PN處理較FN處理分別增加了 7.1%～13.8%和12.0%～ 26.2%(表3)。本研究中PN處理氮肥分3次施入且施氮總量低于傳統農戶施肥，說明在適量合理減氮范圍內施氮次數的增加對小麥生育后期葉面積指數有明顯的促進作用。

表3 兩種處理下不同生育時期小麥的葉面積指數

2.2 氮肥精準管理對小麥旗葉SPAD值影響

由表4可知，PN處理能顯著提高小麥抽穗期和灌漿中期旗葉的SPAD值。在返青期，FN處理小麥旗葉的SPAD值高于PN，這是因為返青期的小麥植株尚處于苗期，根系吸收和利用氮素的能力均較弱，氮素向葉片轉化能力較差。在拔節期，PN處理的SPAD值開始高于FN。在抽穗期，PN處理小麥旗葉的SPAD值較FN提高了9.6%～10.8%，平均提高了10.2%，至灌漿中期較FN提高了5.7%～ 8.5%，平均提高6.8%，差異均達到顯著水平。可見，PN處理能夠促進小麥生育后期氮素向葉片轉化，而FN處理施氮量雖然大，但施氮時期與冬小麥各生育期氮肥需求規律不匹配，反而出現小麥生長后期脫氮的 現象。

表4 兩種處理下不同生育時期小麥旗葉的SPAD值

2.3 氮肥精準管理對小麥產量及其構成因素的影響

PN處理能夠增加冬小麥的籽粒產量(表5)。與FN處理相比，PN處理小麥的籽粒產量提高了7.9%～11.6%，平均提高了9.9%。比較作物產量構成三要素發現，PN處理主要通過提高冬小麥的千粒重(8.4%～ 11.2%)來實現籽粒產量的增加，而PN處理對冬小麥的穗數和穗粒數并無顯著性影響。可見，PN處理能充分發揮小麥生育后期的光合潛力，主要通過提高籽粒的千粒重來增加籽粒產量。

表5 兩種處理下小麥的籽粒產量及其構成要素

2.4 氮肥精準管理對小麥氮素利用效率的影響

與FN處理比較，PN處理在降低施氮量的同時能使冬小麥籽粒氮含量顯著提高9.4%～ 41.5%，平均提高了23.3%；使籽粒氮素吸收效率提高43.4%～63.3%，平均提高了55.0%；使氮收獲指數提高2.8%～7.0%，平均提高了 5.5%(表6)。所以，氮肥精準管理能夠在降低氮肥投入量的同時提高小麥的氮素吸收利用效率。

表6 兩種處理的施氮量以及小麥的籽粒氮含量、氮素吸收效率和氮收獲指數

由表7可知，與FN處理比較，PN處理土壤的氮肥偏生產力提高了84.0%～ 103.2%，平均提高了81.9%.%；氮肥農學效率提升了50.6%～81.3%，平均提升了61.7%；氮肥表觀利用效率提升了30.8%～68.7%，平均提升了 44.6%；土壤氮素盈余量降低了25.0%～31.6%，平均降低了28.2%。所以，FN處理能在降低氮肥投入量的同時通過優化氮肥利用，顯著提高小麥的氮素吸收利用效率，降低土壤氮素沉積和土壤氮素盈余，減少土壤無機氮殘留。

表7 兩種處理對小麥氮素利用效率的影響

3 討 論

調查表明，黃淮海麥區冬小麥季的氮肥施用量為143～325 kg·hm-2，平均高達277 kg·hm-2[19]，過量施氮與小麥生育后期脫氮的矛盾長期并存，每年在小麥季浪費的氮肥高達 40×104t以上[20]。因此如何降低氮肥用量并保障小麥的氮素需求是中國小麥生產中面臨的一個突出問題。本研究發現，與傳統農戶施肥量相比，氮肥精準管理能在降低氮肥總用量的前提下，明顯促進冬小麥生育中后期葉面積指數和葉綠素相對含量的增加，提高冬小麥的千粒重，從而增加籽粒產量，實現減氮增產的協同目標。前人研究指出，成熟期小麥植株對基肥的利用率僅為 28.50%～42.27%，對追肥的利用率為 39.67%～49.83%，說明小麥植株對追肥氮的利用率顯著大于對底肥氮的利用率，在生產上適當減少基肥氮的比例，增加追肥氮的比例，有利于提高氮肥利用效率[17]。聞 磊等[18]研究報道，習慣施氮處理由于氮素過量、過早施用，增加了0～40 cm土壤無機氮素積累和作物地上部的氮素吸收，但并沒有增加籽粒產量和氮肥利用率，反而造成較高的土壤無機氮殘留和氮素表觀損失，這與本研究得出的結論基本一致。傳統農戶施肥管理往往只注重基肥，將50%～70%的氮素作為基肥在播種時施入，有些地方甚至將100%氮素作基肥施入，而此時小麥處于苗期，根系吸收能力和氮素利用能力均較弱，投入農田的大量氮素并不能被植株實時吸收利用，導致氮肥利用率不高。另外，播種時施用的大量氮肥，除一部分被植物吸收外，另外相當可觀的部分殘留在土壤中，施入的氮素越多，流失到環境中的氮素也越多，從而造成土壤酸化、地下水硝態氮超標等一系列環境污染[21-22]。

前人研究表明，如何發揮土壤基礎氮庫的作用是進一步提升氮素利用效率和小麥產量的關鍵[23-24]。本研究中的氮肥精準管理將小麥的生長發育階段與其氮肥需求特征相結合匹配，并以此為基礎得出小麥季氮肥的合理施用量應為128～162 kg·hm-2，比傳統農戶生產氮肥投入量減少了30.2%～44.8%；氮肥精準管理的氮肥農學利用效率由傳統農戶施肥的5.14 kg·kg-1提高到8.26 kg·kg-1，增加了61%；另外，氮肥精準管理在提升氮肥農學利用效率的同時，使土壤氮素盈余量降低了25.0%～31.6%，減少了土壤氮素殘留；與傳統農戶施肥相比，氮肥精準管理的籽粒產量增加了7.9%～11.6%，實現了減氮增產的協同目標。本研究發現，根據小麥需氮規律而實施的氮肥精準管理不僅減少了氮素基肥的投入，而且通過適時適量地追施氮素，優化氮素的基追肥比，改變傳統的一次性基肥投入為3次精準施肥投入，既保證了小麥生育后期對氮素的需求，有效地緩解了小麥生育后期的脫氮狀況，也充分發揮了土壤的氮庫作用，使作物生長階段的氮素需求得到了較為科學的精準匹配，顯著提高了氮肥的吸收利用效率，從而實現了小麥減氮增產的協同目標。因此，基于小麥需肥特征建立的氮肥精準管理措施能夠實現氮素高效利用和小麥經濟產量協同提高的目標。