玉米小麥周年氮肥運籌對砂漿黑土區小麥干物質及氮素積累分配和產量的影響

呂廣德，王瑞霞，牟秋煥，米 勇，亓曉蕾， 李 寧，吳 科，錢兆國

(1.泰安市農業科學研究院，山東泰安 271000；2.泰安市禾元種業科技有限公司，山東泰安 271000)

小麥和玉米是我國重要的糧食作物。我國人多地少，提高糧食單產對保證國家糧食安全有重要作用。全國共計有約370×104hm2砂姜黑土地，主要分布在黃淮海平原地區，具有耕作層淺而疏松、犁底層厚而堅實、容易遭受澇漬和干旱的特點，是我國主要的中產田區。研究發現，施肥量與作物產量顯著正相關[1]，因此，農民通過大量增施化肥來追求高產。對2014-2016年我國種植業化肥施用狀況調查發現，小麥、玉米的年均化肥施用量分別為300.2 kg·hm-2和325.6 kg·hm-2，但利用率僅為20%～40%[2-3]。玉米、小麥輪作種植是我國黃淮海地區的一種重要的種植制度，在實際生產中，往往只考慮單季作物產量和資源利用率，且有很大的隨意性，缺乏周年氮肥統籌管理意識。有資料顯示，周年施氮水平對玉米和小麥的產量及產量構成因素有重要影響[4]。在玉米、小麥周年種植過程中很少考慮氮肥的盈余量，與玉米相比，小麥的氮肥利用量較少，但小麥季施氮量高，容易造成氮素損失及環境問題[5]。研究發現，目前農業系統中的氮肥盈余量已經達到175 kg·hm-2[6]。玉米、小麥周年施氮量的提高會導致小麥季氮素利用效率以及氮農學利用效率降低[7]。周年總氮量為0～480 kg·hm-2條件下，隨著施氮量的增加，小麥-玉米輪作中每一季作物和周年作物氮肥利用效率均呈降低趨勢[8]。因此，提高輪作條件下的氮肥利用效率成為當前研究的熱點。前人對砂漿黑土區小麥氮肥研究多集中在當季作物上，有關砂漿黑土區玉米、小麥周年氮肥運籌下小麥的干物質及氮素積累、轉運方面的研究鮮有詳細報道。為此，本研究擬探究砂漿黑土區玉米、小麥周年氮肥運籌對小麥干物質和氮素積累利用、小麥產量及其構成因素的影響，以期為砂漿黑土區玉米、小麥輪作制度下的氮肥合理運籌提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與試驗設計

試驗于2016-2018年玉米-小麥生長季在山東省泰安市農業科學研究院肥城試驗基地(35°57′N，116°47′E)進行，試驗地土壤類型為砂姜黑土，地力水平為7 500 kg·hm-2以上小麥產量。玉米-小麥周年種植。玉米播種前 0～40 cm 土層土壤養分含量見表1。

供試材料為目前推廣面積最大的玉米品種鄭單958和泰安市農業科學研究院選育的多穗型小麥品種泰山28。以產量及其構成因素較高為目標，在前期預試驗基礎上玉米季設置3個施氮量處理為113 kg·hm-2(E1)、181 kg·hm-2(E2)、249 kg·hm-2(E3)，施氮時期為播種期基施和大喇叭口期追施，比例為1∶1；小麥季設置4個氮肥處理分別為90 kg·hm-2(F1)、135 kg·hm-2(F2)、180 kg·hm-2(F3)、225 kg·hm-2(F4)，基肥和追肥比例為1∶1，追肥時期為拔節期，共12個處理。3次重復。玉米種植密度為67 500 株·hm-2，試驗小區面積38.4 m2(8 m×4.8 m)。小麥種植密度為225×104株·hm-2，小區面積為12 m2(8 m×1.5 m)。玉米、小麥單季磷肥和鉀肥為過磷酸鈣(P2O516%)120 kg·hm-2和硫酸鉀(K2O 50%)240 kg·hm-2，均作為基肥施入。其他管理措施同一般大田。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 小麥干物質積累及轉運相關指標測定

于小麥冬前期和拔節期分別取10棵單株，開花期和成熟期分別連續取30個單莖，所有植株105 ℃殺青1 h，80 ℃烘至恒重后磨碎保存。干物質分配轉運計算公式如下[9]：

花前營養物質轉運量=開花期營養器官干物質積累量-成熟期營養器官干物質積累量；

花前營養物質轉運效率=花前營養物質轉運量/開花期營養器官干物質積累量×100%；

花前營養物質對籽粒產量的貢獻率=花前營養物質轉運量/成熟期籽粒干重×100%

花后干物質積累量=成熟期籽粒干重-花前營養物質轉運量；

花后干物質積累量對籽粒產量的貢獻率=花后干物質積累量/成熟期籽粒干重×100%。

1.2.2 小麥氮素積累與轉運及氮素利用效率相關指標的測定

將1.2.1中的磨碎樣品，采用 KDY-9820 凱氏定氮法測定植株氮素含量，氮素分配轉運公式如下[10]：

氮素累積量=氮素含量(%)×干物質積累量；

營養器官氮素轉運量=開花期營養器官氮素積累量-成熟期營養器官氮素積累量；

營養器官氮素轉運效率=營養器官氮素轉運量/開花期營養器官氮素積累量×100%；

營養器官氮素貢獻率=營養器官氮素轉運量/成熟期籽粒氮素積累量×100%；

氮素收獲指數(NHI)=籽粒氮素積累量/植株氮素積累量；

氮肥利用效率(NUE)=籽粒產量/施氮量。

1.2.3 籽粒產量及其構成因素測定

在小麥成熟期，每個小區選取1 m2調查穗數；隨機取10穗，測穗粒數；脫粒后自然風干至含水量為13.0% 時測定千粒重；各小區全部進行實收計產。

1.3 數據處理

采用 Excel 2017 和 SPSS 20 軟件對數據進行統計分析。采用ANOVA和LSD法進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 玉米小麥周年氮肥運籌對小麥各生育階段干物質積累量的影響

由表2可以看出，隨著小麥生育期的推移，小麥干物質積累量呈先增加后降低的趨勢，在拔節-開花階段達到最高，占整個生育期積累量的比例為 48.27%～52.84%。小麥各生育期階段干物質積累量均在E2F3條件下最高。小麥季施氮量為F1和F2時，隨著玉米季施氮量的增加，小麥各生育階段的干物質積累量呈增加趨勢；在小麥季施氮量為F3和F4時，隨著玉米季施氮量的增加，小麥各生育階段的干物質積累量則先增加后降低，在施氮量E2時小麥干物質積累量最高。玉米季施氮量為E1時，隨著小麥季施氮量的增加，小麥干物質積累量逐步增加；在玉米季施氮量為E2時，隨小麥季施氮量的增加，小麥干物質積累量先增加后降低，在施氮量F3時積累量最高；在玉米季施氮量為E3時，隨小麥季施氮量的增加，小麥干物質積累量也呈現先增加后降低的趨勢，在施氮量F2時積累量最高。方差分析發現，玉米施氮處理、小麥施氮處理及其兩者之間的互作對小麥各生育階段的干物質積累量均有極顯著影響。

表2 玉米小麥周年氮肥運籌對小麥各生育階段干物質積累的影響Table 2 Effect of annual nitrogen fertilization on dry matter accumulation in wheat

2.2 玉米小麥周年氮肥運籌對小麥營養器官干物質向籽粒轉運的影響

表3結果顯示，小麥成熟期籽粒干物質積累量在E2F3處理下最大，較籽粒干物質積累量最小值增加 27.24%。在玉米施氮量E1下，隨著小麥施氮量的增加，小麥籽粒干物質積累量、花前營養物質轉運量和花后干物質積累量均增加，而花前營養物質轉運效率和花前營養物質對籽粒干物質的貢獻率呈先降低后升高趨勢。在施氮量E2和 E3下，隨著小麥施氮量的增加，小麥籽粒干物質積累量、花前營養物質轉運量和花后干物質積累量先增加后降低，分別在E2F3和E3F2氮肥運籌下達到最高。花前營養物質轉運量對籽粒干物質的貢獻率為43.10%～45.22%，花后干物質積累量對籽粒干物質的貢獻率為54.78%～ 56.92%，表明開花后干物質積累是籽粒干物質的主要來源。方差分析發現，玉米施氮處理、小麥施氮處理及其互作對籽粒干物質積累量、花前營養物質轉運量、花后干物質積累量的影響均極顯著；小麥施氮處理及其與玉米施氮處理互作對花前營養物質轉運效率的影響達極顯著水平；小麥施氮處理對花前營養物質轉運對籽粒干物質貢獻率的影響達顯著水平；玉米-小麥周年施氮互作對花前營養物質對籽粒干物質的貢獻率的影響達極顯著水平；玉米-小麥周年施氮互作對花后干物質積累量對籽粒干物質的貢獻率的影響達顯著 水平。

2.3 玉米小麥周年氮肥運籌對小麥氮素積累及利用效率的影響

由表4可以看出，隨著生育期的推移，小麥各生育階段的氮素積累量先增加后降低，在拔節到開花階段積累量最高，變化范圍為63.41～ 112.50 kg·hm-2，氮素積累占比也在拔節到開花階段最高，變化范圍為36.85% ～ 43.52%，說明該階段是小麥氮素積累的最佳時期，可能與該階段追肥有一定的關系，推測在拔節或起身期追肥可以促進植株對氮素的吸收利用。在玉米季施氮量為E1時，隨著小麥施氮量的增加，小麥各生育階段的氮素積累量增加。在玉米季施氮量為E2時，隨著小麥施氮量的增加，小麥各生育階段氮素積累量先增加后降低，在F3時最高。在玉米季施氮量為E3時，小麥各生育階段氮素積累量隨著小麥施氮量的增加也呈現先增加后降低的趨勢，但在F2時最高?？傮w而言，小麥整個生育期氮素積累在E2F3水平下最高。在F1和F2條件下，隨著玉米季施氮量的增加，小麥的氮素積累量增加，但在F3和F4條件下，隨著玉米施氮量的增加，小麥氮素積累量先增加后降低。且各生育階段均呈現這一規律。方差分析發現，玉米施氮處理、小麥施氮處理及其兩者之間的互作對小麥各生育階段的氮素積累量的影響均達極顯著水平。

表3 玉米小麥周年氮肥運籌對小麥營養器官干物質向籽粒中轉運的影響Table 3 Effect of annual nitrogen application on the translocation of dry matter from vegetative organs to grain in wheat

表4 玉米小麥周年氮肥運籌對小麥氮素積累及利用效率的影響Table 4 Effects of annual nitrogen application on nitrogen accumulation and utilization efficiency of wheat

NAA:N accumulation amount.

2.4 玉米小麥周年氮肥運籌對小麥營養器官氮素向籽粒轉運的影響

由表5可以看出，成熟期籽粒氮素積累量變化范圍為137.76～184.10 kg·hm-2，最大變幅是33.64%，在E2F3處理下籽粒氮素積累量最高。花前營養器官氮素轉運量為113.71～ 144.32 kg·hm-2，對籽粒氮素的貢獻率為 78.40%～82.67%，而花后氮素積累量對籽粒氮素的貢獻率在17.33%～21.60%之間，表明花前氮素積累量是籽粒氮素的主要來源。在玉米施氮量為E1時，隨著小麥施氮量的增加，小麥籽粒氮素積累量、花前營養器官氮素轉運量和花后氮素積累量均呈增加的趨勢。在玉米施氮量為E2時，小麥籽粒氮素積累量、花前營養器官氮素轉運量和花后氮素積累量隨著小麥施氮量的增加呈現先增加后降低的趨勢，在施氮量F3時最高。而玉米施氮量為E3時，小麥籽粒氮素積累量、花前營養器官氮素轉運量和花后氮素積累量在小麥施氮量為F2時最高。E2F3氮素運籌下，花前營養器官氮素對籽粒氮素的貢獻率最低，花后氮素積累量對籽粒氮素的貢獻率最高。方差分析發現，玉米施氮處理、小麥施氮處理及其兩者之間的互作對小麥籽粒氮素積累量、花前營養器官氮素轉運量、轉運效率及其對籽粒氮素的貢獻率、花后氮素積累量及其對籽粒氮素的貢獻率的影響均達極顯著水平。

2.5 玉米小麥周年氮肥運籌對小麥產量及產量構成因素的影響

從表6中可以看出，玉米小麥周年氮肥運籌下小麥穗粒數、穗數、千粒重及產量均在E2F3處理下最高，其中，產量變化范圍為7 589.10～ 9 453.15 kg·hm-2，最大變幅24.56%；穗數變化范圍為556.4×104～635.3×104·hm-2；穗粒數變化范圍為33.6～39.7粒；千粒重變化范圍為 42.29～49.14 g。小麥氮素利用效率在E3F1時最高，兩年平均達到91.13 kg·kg-1，在E1F4時最低，為38.00 kg·kg-1。小麥氮素收獲指數卻在E2F3時最低，為0.71。方差分析發現，玉米施氮處理、小麥施氮處理及其兩者之間的互作對小麥籽粒產量及其構成因素和氮肥利用效率、氮肥收獲指數的影響均達極顯著水平。

表5 玉米小麥周年氮肥運籌對小麥營養器官氮素向籽粒中轉運的影響Table 5 Effect of annual nitrogen application on the transport of nitrogen from vegetative organ to grain in wheat

表6 玉米小麥周年氮肥運籌對玉米和小麥產量及產量結構的影響Table 6 Effect of annual nitrogen fertilization on yield and yield components of wheat

3 討 論

干物質是小麥光合產物的最終形態，在小麥整個生育期的各個階段，植株光合產能不同，干物質積累量及積累比例也就不同。小麥花后光合同化物的積累及花前營養器官貯存的同化產物向籽粒的轉運對小麥籽粒產量的提高起著關鍵作用[11]。研究表明，氮肥虧缺可能會促進營養器官中的光合產物向籽粒中的轉運[12]，而在一定范圍內適量增施氮肥可以提高花后干物質積累量及其向籽粒中的轉運效率[13]。小麥在施氮量225 kg·hm-2基礎上過量減氮(減氮30%)及增氮(增氮20%)均會降低花前干物質轉運量和花后干物質積累量及其對籽粒的貢獻率[14]。氮肥運籌是影響作物氮素吸收、積累及轉運的關鍵因素，施氮量對玉米小麥周年生產體系中的氮肥利用效率有顯著影響[4]。研究表明，增施氮素可以提高小麥植株氮素積累量，但營養器官氮素向籽粒的轉運效率降低[15]；在小麥玉米復種中根據作物需氮規律進行施肥可以提高肥料利用率，節約氮肥達到近30%[16-17]。本研究結果表明，在玉米季施氮181 kg·hm-2和小麥季施氮180 kg·hm-2的氮肥組合能滿足小麥高產所需的氮素營養，小麥干物質積累量及氮素積累量均在該氮肥組合處理下最高，且干物質和氮素向籽粒的轉運量最高。本研究適宜施氮量略低于前人關于該區適宜氮肥用量的報道[18]，原因可能與播種時期、氮肥種類、小麥品種以及氮肥運籌方式不同有關。

施氮量和作物籽粒產量為二次曲線關系，施入氮肥量超過某一數值后繼續增施氮量可能導致投入產出率急速降低，但由于生長環境不一致，作物品種之間存有差異，導致最佳產量時施氮量的多少不同[19]。有研究表明，在玉米小麥周年生產中，玉米季施氮189 kg·hm-2，小麥季施氮231 kg·hm-2，能夠獲得最高產量[20]。也有研究發現，每季作物氮素施用量均為200 kg·hm-2時可以獲得最高產量，但若繼續增施氮肥，作物產量不會增加[21]。本研究結果表明，黃淮海地區的砂漿黑土區夏玉米季施氮181 kg·hm-2，冬小麥季施氮180 kg·hm-2能獲得小麥最大產量，兩年平均為9 453.15 kg·hm-2，且產量構成三因素均在該施氮條件下達到最高。隨著現代科技進步及新型農業生產發展, 夏玉米和冬小麥輕簡化以及機械化施肥技術將會得到快速推廣與應用[22]。本研究中施肥模式亦滿足于機械化及快捷化施肥的需求。同時，將本試驗結果與魯中地區中高產田作物產量及地力性狀相結合, 研制適合于區域特性的玉-麥輪作下作物施肥配方, 這對小麥綠色、高產高效施肥技術創建及普及推廣具有重要意義和發展前景。