不同氮肥在不同土壤中對小麥氮素利用及產量的影響

齊欣, 司玉坤, 趙亞南, 黃玉芳, 閆軍營, 孫笑梅*, 葉優良*

(1.河南農業大學資源與環境學院， 河南省農業綠色發展工程技術研究中心, 鄭州 450002； 2.河南省土肥站， 鄭州 450002)

小麥作為世界上種植面積最大的糧食作物，其生產直接關系到我國的糧食安全[1]。氮素是小麥所必需的大量營養元素之一，對小麥的生長發育至關重要[2]。研究不同類型氮肥對小麥生長發育、氮素吸收利用以及產量的影響，對于氮肥的合理施用、小麥產量的提高和品質的改良具有重要作用。前人研究表明，施氮能夠顯著提高小麥的干物質積累量、轉運量和產量[3]，但是不同形態的氮肥在土壤中轉化機制不同[4]，對小麥干物質和產量等形成的影響也存在顯著差異。銨態氮和硝態氮對小麥增產的差異與不同形態氮肥的特性及土壤起始氮含量有關[5]。李娜等[6]研究表明，施用硝態氮會增加小麥的穗數、穗粒數與莖稈、穎殼、籽粒及地上部總干物質積累，從而提高小麥產量。也有研究表明，施用銨態氮肥能夠提高灌漿前期葉綠素的含量和整個生育期的凈光合速率，降低灌漿后期超氧陰離子的產生速率，有效延緩旗葉衰老，提高產量[7]。孫傳范等[8]研究表明，銨態和硝態氮素的混合營養處理能夠提高小麥的干物質量、氮素積累量、單株葉面積及硝酸還原酶活性，最終提高小麥產量。

不同土壤類型對小麥生長也有著一定的影響。劉尚前等[9]研究表明，土壤類型對小麥產量的影響比小麥播期的影響要大；董魯浩等[10]研究表明，在褐潮土和紅壤上小麥增產途徑有所不同。目前，不同氮肥形態與土壤類型對小麥生長影響的研究較多，但結果存在較大差異，可能跟環境和土壤的交互作用有關，然而在不同土壤類型上，不同形態氮肥對小麥生長影響的研究鮮少見報道。

因此，本研究利用三種不同土壤類型，研究不同形態氮肥對小麥干物質累積、氮素吸收利用和產量的影響，明確不同土壤類型下適合小麥生長的氮肥形態，為氮肥的合理施用、及小麥的高產栽培模式提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

供試小麥品種為‘豫教5號’，該品種屬中熟半冬性、矮稈、重穗型，抗寒性較好，高產潛力大,該品種對土壤酸性較為敏感。試驗地點在河南省臨潁縣杜曲鎮(N 33.78°，E 113.83°)，屬于暖溫帶半濕潤季風氣候。試驗設計包括3種土壤類型和5種氮肥形式。三種土壤類型分別為潮土(chao soil, SC)、黃褐土(yellow cinnamon soil, SH)和砂姜黑土(shajiang black soil, SS)。其中黃褐土和砂姜黑土取自駐馬店西平縣(N 33.38°，E 113.92°)；潮土取自臨潁縣杜曲鎮(N 33.78°，E 113.83°)。3種土壤類型的理化性狀詳見表1。五種氮肥形態分別為尿素(urea，UR；N 46.4%，pH 9.1)、硝酸銨(ammonium nitrate，AN；N 26.0%，pH 7.2)、硫酸銨(ammonium sulfate，AS；N 21.0%，pH 5.9)、硝酸鈣(calcium nitrate，CN；N11.0%，pH 7.6)和氯化銨(ammonium chloride，AC；N 25.4%，pH 5.6)。所有氮肥均產自天津市科密歐化學試劑有限公司。試驗于2017年11月—2018年6月小麥季進行，采用盆栽模式，每盆裝干土8 kg，于2017年11月6日采用人工擺播的方式每盆播種26棵，苗期定苗，每盆留苗12棵。氮肥施肥按純氮量計，為1.28 g·盆-1，按照1/2基施、1/2拔節期追施的方式施用。除N肥外，采用基施過磷酸鈣(P2O50.64 g·盆-1)和氯化鉀肥(K2O 0.53 g·盆-1)。每個處理重復12次，共180盆。

表1 三種土壤的基礎理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of 3 type soils

1.2 取樣與指標測定

于返青期(播種后104 d)和揚花期(播種后165 d)對小麥根系進行取樣。取樣后，于4～6 h內完成根系活力的測定。測定方法為氯化三苯基四氮唑TTC法，采用WFJ-2000型分光光度計進行測定；采用WinRHI-ZO系列植物根系掃描儀對根系進行掃描，統計根系總長度、根系總表面積和根系總體積。

分別于越冬期(播種后72 d)、返青期(播種后104 d)、拔節期(播種后134 d)、揚花期(播種后165 d)和成熟期(播種后204 d)對小麥地上部(莖和葉)進行取樣。將莖稈和葉片分別裝入大紙袋中于105 ℃殺青后，80 ℃烘干至恒重，測定地上部干物質重。將各生育期的樣品烘干后磨碎，稱取0.2 g植株樣品用H2SO4-H2O2法消煮[11]，定容后過濾得到待測液，采用AA3流動注射分析儀(Seal，德國)測定全氮含量。

于收獲期進行室內考種分析，調查小麥的穗粒數和穗粒重；數取100粒，3個重復，計算千粒重。

參照以下公式計算收獲指數、花前氮素轉運量、花前氮素轉運量對籽粒氮素累積的貢獻率及氮肥偏生產力、氮肥吸收效率、氮素收獲指數和氮素利用效率。

收獲指數=籽粒產量/成熟期地上部生物量

(1)

花前氮素轉運量=開花期營養器官氮素累積量-成熟期營養器官氮素累積量

(2)

花前氮素轉運量對籽粒氮素累積的貢獻率=花前氮素轉運量/成熟期籽粒氮素累積量×100%

(3)

氮肥偏生產力=經濟產量/施入氮肥總量

(4)

氮肥吸收效率=成熟期地上部總氮素累積量/施氮量

(5)

氮素收獲指數=籽粒氮素累積/地上部氮素累積

(6)

氮素利用效率=籽粒產量/成熟期地上部氮素累積量

(7)

1.3 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 19.0和Origin 8.1軟件進行數據的整理和分析。

2 結果與分析

2.1 不同土壤類型下氮肥形式對‘豫教5號’根系活力的影響

由表2可見，不同土壤條件下、不同氮肥類型下小麥‘豫教5號’的根系活力差異顯著。在返青期和揚花期，SC條件下小麥的根系活力大于SH和SS條件。其中，SC條件下，播種后104和165 d均是AC處理的根系活力較強，AN處理的根系活力較弱，兩者間差異顯著。SH條件下， CN處理的根系活力較強，AN處理的根系活力較弱；各處理播種后104 d根系活力表現為CN>UR>AC、CN>AN，播種后165 d表現為CN>AS>AC、UR>AN。在SS條件下，播種后104 d，AN處理的根系活力顯著高于其他處理，表現為AN>UR>AC、CN、AS(AS、CN、AC處理間差異不顯著)；播種后165 d，UR處理的根系活力顯著高于其他處理，CN處理的根系活力顯著低于其他處理，表現為UR>AC、AS>AN>CN，AS和AC處理間差異不顯著。

表2 不同土壤類型及氮肥類型下‘豫教5號’的根系活力Table 2 Root activity of Yujiao 5 under different soil types and N fertilizer types (ug·g-1·h-1)

2.2 不同土壤類型下氮肥種類對‘豫教5號’干物質累積的影響

在整個生育期內，‘豫教5號’的干物質累積量呈遞增趨勢，至成熟期干物質累積量達最大值(圖1)。SC條件下，在播后165 d時UR處理的干物質累積量顯著低于其他處理；在播后204 d，CN處理的干物質累積量顯著低于AN、AS、AC處理，UR處理與其他處理間差異均不顯著。SH條件下，在播種后134 d，AS處理的干物質累積量顯著高于其他處理，AN和CN處理的干物質累積量較低，顯著低于其他處理，AN和AC處理間差異不顯著；到播種后204 d時，AS處理的干物質累積量最高，AC處理的干物質累積量顯著低于其他處理。SS條件下，在播種后134 d和播種后204 d各處理的干物質累積量均表現為CN>AS>AN>AC>UR，其中AS和CN，UR和AC處理間差異均不顯著。綜上所述，AC、AS和CN三個處理在SC、SH和SS三種土壤條件下均能促進小麥干物質的累積。

2.3 不同土壤類型下氮肥種類對‘豫教5號’植株氮素累積的影響

由圖2可見，隨著生育期的推進，‘豫教5號’的整株氮素累積量呈上升趨勢。在播種后104～204 d,小麥植株的氮素累積速度較快。SC條件下，播種后134和165 d，UR處理的植株氮素累積量顯著低于其他處理；在播種后204 d，AN和AC處理的氮素累積量顯著高于其他處理。SH條件下，在播種后165和204 d，AN處理的氮素累積量顯著高于其他處理，而CN處理的氮素累積量顯著低于其他處理；其中，在播種后165 d，AN與CN和AC處理間差異顯著，204 d時，各處理間無顯著差異。SS條件下，AN、AS、CN、AC處理在播種后104～134 d小麥植株的氮素累積速度較快，而UR處理,播種后104～165 d，小麥植株氮素累積速度較快，在播種后165 d，CN和AN處理的氮素累積量顯著高于其他處理，而UR、AS、AC處理間差異不顯著；在播種后204 d，CN處理顯著高于其他處理，而UR處理顯著低于其他處理，AN、AS、AC處理間差異不顯著。

2.4 不同土壤類型下氮肥種類對‘豫教5號’花前氮素轉運的影響

由表3可知， SC條件下，AC處理小麥莖鞘花前氮素轉運量較大，轉運比例及對籽粒的貢獻率也較高，分別為60%和37%；在葉片花前氮素轉運中,以AN處理的轉運比例和貢獻率較高，但各處理的轉運比例無顯著差異。SH條件下，AC處理莖鞘花前氮素轉運量較小，對籽粒的貢獻率也較低，分別為80.49 mg·盆-1和19%，其他各處理間在莖鞘花前氮素轉運量和對籽粒的貢獻率上無顯著差異。從對葉片花前氮素轉運的影響看，CN處理轉運量和貢獻率都較低，而AN處理轉運量、轉運比例和貢獻率都較高，分別為155.67 mg·盆-1、70%和37%。SS條件下，AN和AC處理莖鞘花前氮素轉運量和貢獻率都顯著高于其他處理，AS處理莖鞘花前氮素轉運量、轉運比例和貢獻率較低；且AN處理葉片花前氮素轉運量、轉運比例和對籽粒的貢獻率也較高，UR和AC處理花前葉片氮素的轉運量、轉運比例、和對籽粒的貢獻率都較低。

表3 不同氮肥類型下‘豫教5號’不同器官的花前氮素轉運Table 3 Pre-anthesis N transport in different organs of ‘Yujiao 5’ under different N fertilizer types

2.5 不同土壤類型下氮肥種類對‘豫教5號’氮肥利用率的影響

由表4可知，SC條件下，AS處理僅收獲指數上較低，在氮素吸收率、氮肥偏生產力和氮素利用效率上均較高；而CN處理收獲指數、氮素吸收率、氮肥偏生產力和氮素利用效率均顯著低于其他處理。SH條件下，UR和AN處理收獲指數、氮素吸收率、氮肥偏生產力和氮素利用效率無顯著差異，但顯著低于其他處理； AS、CN和AC處理間的氮素吸收率和氮肥偏生產力差異不顯著，但AS處理收獲指數較低，CN處理的氮肥利用率和AC處理的收獲指數均顯著高于其他處理。SS條件下，各處理間收獲指數、氮肥偏生產力和氮素利用效率均無顯著差異，但UR處理氮素吸收率顯著低于AS、CN和AC處理，僅為39%。

表4 不同氮肥類型下‘豫教5號’的氮吸收利用效率Table 4 N uptake and utilization efficiency of ‘Yujiao 5’ under different N fertilizer types

2.6 不同土壤類型下氮肥種類對‘豫教5號’產量及產量構成的影響

由表5可知，SC條件下，AS處理的產量和千粒重均顯著高于其他處理，但穗粒數較低；SH條件下，CN處理的產量最高，顯著高于UR、AN和AS處理，僅與AC處理間無顯著差異；SS條件下，也是AS處理的產量和千粒重較高。從不同土壤類型來看，小麥產量和千粒重表現為SC>SS>SH；穗粒數表現為SC>SH>SS。

表5 不同氮肥類型下‘豫教5號’的產量及產量構成Table 5 Yield and yield components of ‘Yujiao 5’ under different N fertilizer types

2.7 成熟期籽粒產量與氮素吸收量的相關分析

由圖3可知，不同土壤類型的籽粒產量與植株總氮素吸收量成顯著正相關。在黃褐土和砂姜黑土上，氮素吸收量與產量呈極顯著正相關，相關系數分別為0.763和0.740；在潮土條件下，相關系數為0.496。可見，氮素吸收總量與產量關系密切，增加植株氮素吸收量有助于提高小麥產量。

3 討論

小麥產量的形成是以穗數為基礎，兼顧穗粒數和千粒重協調發展的過程，提高穗粒數和千粒重是獲得高產的關鍵[12]。本研究發現，在三種土壤類型條件下，不同氮肥種類對小麥‘豫教5號’生長發育及產量的影響差異較大。在潮土和砂姜黑土中，硫酸銨處理產量較高，與其他處理相比千粒重較高，穗粒數優勢并不明顯；在黃褐土中，硫酸銨、硝酸銨和氯化鈣處理間產量無顯著差異，但千粒重和穗粒數顯著高于其他處理。較高的干物質累積是小麥獲得高產的保證[13]。本研究也表明，‘豫教5號’產量較高的處理，其生物量也較高。其中在潮土和砂姜黑土條件下，硫酸銨處理的產量較高，其干物質累積量也較高；在黃褐土條件下，硫酸銨和硝酸鈣處理的產量和干物質累積量都比較高。

與前人研究相比,‘豫教5號’在盆栽條件下的千粒重顯著低于大田條件下的千粒重[14]，推斷可能是由于盆栽條件導致小麥中后期盆內土壤溫度過高，根系遭受一定程度的水分脅迫，導致生長受阻，進一步抑制籽粒灌漿，使小麥出現早衰現象[6,15-16]。本研究表明，在潮土條件下，銨態氮肥效果優于硝態氮肥，但在砂漿黑土中，硝酸鈣處理的干物質累積和氮素吸收效果較好。王姣愛等[17]研究發現，碳銨與尿素混合處理下小麥的產量最高，其次為硫銨和尿素混合處理。這表明小麥對氮肥類型的響應與土壤類型有關。不同土壤類型的pH不同，且土壤結構存在差異，土壤質地在很大程度上也決定著土壤的水分以及養分情況，因此具有不同的養分供應能力[18]。土壤含水量過高或過低均會對小麥的生理特性、生物產量和籽粒產量造成影響[19]。王浩等[20]研究表明，不同小麥品種的品質性狀也會受到不同生態環境因素的影響，如在盆栽條件下，土壤溫度、水分條件及根系環境均受到限制，從而影響氮肥施用的效果，影響小麥的生長發育，導致小麥產量受到影響。

花前氮素轉運是小麥籽粒氮素的主要來源，籽粒中氮70%來自于花前的氮素轉運，30%來自花后氮素同化[21-23]。但是在本研究中，潮土條件下的尿素和硫酸銨處理、黃褐土條件下的氯化銨處理及砂姜黑土條件下的硫酸銨處理均對‘豫教5號’籽粒的貢獻率較低。可能是由于盆栽條件下，小麥灌漿期受到了較強的干旱脅迫，進而影響了小麥籽粒、秸稈及地上部的氮吸收量[24]。而不同土壤類型條件下不同氮肥形態適應干旱脅迫的能力不一樣，不同土壤類型的土壤緊實度和土壤團聚體等結構存在較大差異，進而影響土壤保水性，因此不同的土壤結構對脅迫的響應不同[25]。

不同土壤類型下，小麥對不同形態氮肥的利用率不同。研究表明，在水培條件下，銨、硝態氮同時施用可提高小麥氮素利用效率[26]，而安志超[27]指出，在中氮水平下，小麥對酰胺態氮的氮素利用效率顯著高于銨態氮；高氮水平下，對硝銨態氮的氮素利用效率顯著高于酰胺態氮。本研究發現，在潮土和砂姜黑土條件下，硫酸銨處理的氮肥偏生產力與氮肥利用效率較高；在黃褐土中硝酸鈣處理的氮素吸收率、氮肥偏生產力和氮肥利用效率均高于氯化銨處理。與前人結果存在一定差異，可能是由于不同土壤類型條件下，土壤pH差異下不同形態氮肥對作物生長的影響不同，且三種土壤類型在基礎肥力和土壤質地等方面也存在較大差異。比較而言，潮土更有利于小麥‘豫教5號’的生長，而黃褐土的pH、全氮及有機質含量均較低，小麥作為對土壤酸性比較敏感的作物，生長發育受到較大影響[28]。