優化氮肥配置提高冬小麥-夏玉米貯墑旱作栽培水氮利用效率

周曉楠 劉 影 杜承航 胡乃月 孫振才 張英華 王志敏

(中國農業大學 農學院，北京 100193)

華北平原是我國重要的糧食產區，其糧田主要種植制度是冬小麥-夏玉米一年兩熟輪作制。該區水資源緊缺，全年降水70%以上集中在夏季，冬小麥生長季干旱少雨，需要補充灌溉，而灌溉水主要來自地下水。在長期的生產過程中，為了維持高產，冬小麥灌溉量大，常年灌水4～5次，總灌溉量300 mm以上，導致地下水嚴重超采。同時，在充分灌溉下，麥收后騰出的土壤庫容小，容納不下夏季多余的降水，使得汛期雨水流失和氮肥淋洗，降低了周年水、肥利用效率并危害環境。為協調糧食高產與環境安全，前人已經做了大量有益探索。冬小麥節水高產技術的推廣應用，已使麥田灌溉量降至 2～3次。Zhao等通過大田試驗結合作物模型得出結論認為，麥-玉周年灌溉量可降低至225 mm，且主要是麥季需水，同時氮肥用量可減少至330 kg/hm。麥-玉周年進行節水栽培，可實現高產和高水效的統一。然而，現行的節水技術仍需在春季補充灌溉，在地下水嚴重超采區仍受水資源匱乏的限制。近年來，國家實施地下水超采綜合治理，為實現地下水采補平衡，農田灌溉量需要進一步減少。為此，冬小麥-夏玉米貯墑旱作栽培模式在河北省缺水區被提出，并投入應用。在該模式中，冬小麥澆足底墑水，夏玉米澆出苗水，兩作生育期間均不再澆水，全年灌溉量約150 mm；由于播后不澆水，麥田不再需要構筑畦埂，土地資源利用率提高，收獲面積增加，對產量有補償作用，且冬小麥晚播早收，可延長夏玉米生長期，夏玉米可早播晚收提高產量，在綜合技術的作用下全年糧食總產可達15 000 kg/hm。這項技術不僅大幅度降低了農田灌溉量，而且簡化了栽培管理措施，節省了人力資源成本，可增加種田戶的經濟收益。隨著節水模式的改變，配套的施肥模式也應調整變化。然而，與貯墑旱作相適應的周年氮肥高效運籌模式尚未建立起來。

Zhou等和王艷哲等的研究表明，夏玉米生長在高溫多雨季節，根系分布較淺(最大根深120 cm)，當降雨量較大時，施于表層的氮肥易隨水淋洗到根層以下，導致夏玉米不能吸收，氮肥利用率降低，若玉米施氮量增多，則氮肥損失加大。冬小麥在節水灌溉條件下，土壤氮素損失少，而且，由于根系分布較深(200 cm)，可以吸收利用深層土壤殘留的氮素資源。有研究表明，旱作小麥適當增施氮肥，可以促進早期生長，以肥調水，提高抗旱性和產量，并能增加植株氮素吸收，提高籽粒蛋白質含量。在冬小麥-夏玉米貯墑旱作栽培體系中，統籌考慮2種作物生長環境和氮素供需特點，在周年有限施氮的前提下適當增加冬小麥施氮比例，減少夏玉米施氮量，可能有利于提高全年產量并減少氮損失，提高周年水氮利用效率，關于這方面的研究尚未見報道。本試驗基于河北省冬小麥-夏玉米貯墑旱作栽培體系，在全年總施氮360 kg/hm的前提下，設置2茬作物不同氮肥運籌模式試驗，測定冬小麥-夏玉米周年作物產量和水、氮利用效率，旨在探討不同氮肥運籌模式對產量和資源利用的影響，以期為該地區建立貯墑旱作配套施肥模式提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017—2019年在中國農業大學吳橋實驗站(37°41′ N、116°37′ E)進行。試驗地作物種植模式為冬小麥-夏玉米一年兩熟輪作。試驗地處于海河平原黑龍港流域中部，海拔14～22 m，地下水位常年在9 m以下，降水量為560 mm/年，且主要分布在7—8月份，冬小麥季多年平均降水量為125 mm，夏玉米季多年平均降水量為435 mm。2017—2019年，冬小麥-夏玉米生育期內的降水量和日平均溫度，見圖1。2017—2018年降水量為676.2 mm，其中冬小麥季191.5 mm，夏玉米季484.7 mm；2018—2019年的降水量為367.1 mm，其中冬小麥季62.3 mm，夏玉米季304.8 mm。根據不同年份的降水量，本研究將2017—2018年歸類為豐水年型，將2018—2019年歸類為枯水年型。試驗地土壤為壤質潮土，0～25 cm耕層土壤有機質含量為12.6 g/kg，全氮含量為1.1 g/kg，有效磷含量為45.5 mg/kg，速效鉀含量為163.9 mg/kg。0～2 m土層從上至下每20 cm土層所對應的土壤容重分別為1.37、1.43、1.45、1.43、1.45、1.45、1.46、1.46、1.46和1.46 g/cm。

圖1 2017—2019 年冬小麥-夏玉米生育期內降水量和日平均氣溫

1.2 試驗設計

試驗作物種植模式為冬小麥-夏玉米輪作，設置2種灌溉模式，一是貯墑旱作模式(W)，即冬小麥和夏玉米分別灌底墑水和出苗水，生育期內不再澆水；二是常規生產模式(W)，即冬小麥在灌底墑水基礎上春季灌2水(拔節水和開花水)，夏玉米灌出苗水。在2種灌溉模式下設置不同氮肥運籌試驗，全年總施氮量根據節水減氮要求設為360 kg/hm，冬小麥和夏玉米施氮處理，見表1。冬小麥灌底墑水；夏玉米灌出苗水；小麥肥料全部底施，玉米肥料均于播后在行側開溝施。各模式處理冬小麥季施PO135.0 kg/hm和KO 112.5 kg/hm；夏玉米季施PO90.0 kg/hm和KO 112.5 kg/hm。

表1 試驗地水分和氮肥處理

Table 1 Water and nitrogen input of each treatment

處理Treatment年份Year灌溉模式及灌溉量/mmIrrigationregimeandirrigation氮肥配置/(kg/hm2)Nitrogenapplicationpattern冬小麥Winterwheat夏玉米Summermaize周年灌水量Annualirrigation冬小麥Winterwheat夏玉米Summermaize周年施氮量AnnualnitrogenapplicationW0N12017—2018底墑水75出苗水751501202403602018—2019底墑水75出苗水90W0N22017—2018底墑水75出苗水751501801803602018—2019底墑水75出苗水90165W0N32017—2018底墑水75出苗水751502401203602018—2019底墑水75出苗水90165W1Nc2017—2018底墑水+拔節水+開花水75+75+75出苗水753001801803602018—2019底墑水+拔節水+開花水75+75+75出苗水90315

供試冬小麥品種為‘農大399’，供試夏玉米品種為‘鄭單958’。2017年，冬小麥10月21日播種，播量285 kg/hm，翌年6月10日收獲；夏玉米6月12日播種，定苗6×10株/hm，10月5日收獲。2018年，冬小麥10月13日播種，播量240 kg/hm，翌年6月11日收獲；夏玉米6月13日播種，定苗6.75×10株/hm，10月4日收獲。冬小麥澆底墑水后，墑情適宜時肥料全部作基肥撒施，旋耕后播種，行距15 cm。夏玉米免耕貼茬播種，全部肥料在播種行側10 cm處開溝條施，播種行距60 cm，播后灌出苗水。冬小麥和夏玉米秸稈全量還田。每個試驗處理設3個重復，每個重復小區面積50 m(長10 m×寬5 m)。其他田間栽培管理措施同大田節水栽培模式。

1.3 測定項目及方法

地上部干物質：冬小麥在開花期和成熟期每個小區取1 m雙行植株樣品，按器官莖鞘、葉片、穗軸+穎殼、籽粒分離，裝入紙袋中75 ℃下烘干稱重，計算地上部干物質積累量。夏玉米在成熟期每個重復取代表性植株4株，按器官莖鞘、葉片、苞葉、穗軸和籽粒分離，恒溫75 ℃烘干稱重，計算地上部干物質積累量。花前貯藏物質對產量的貢獻率計算方法為：

花前干物質對籽粒產量的貢獻率=(開花期營養器官干物質量-成熟期營養器官干物質量)/成熟期籽粒干重×100%

產量：冬小麥在成熟期每個小區收獲2.0 m的植株籽粒，曬干稱重測其含水量，按含水量13%計算籽粒產量。夏玉米在成熟期每個小區取3行6 m(10.8 m)的果穗曬干脫粒稱重，再測其含水量，按含水量14%計算籽粒產量。

土壤水分：分別在冬小麥和夏玉米成熟期，用土鉆在0～2 m 土層中分層鉆取土樣，每20 cm為一層，105 ℃烘干，測定土壤質量、含水量，結合土壤容重數據計算各層土壤貯水量。作物蒸散量計算公式如下：

ET=SWC+

P

+

I

-

R

-

D

+

C

(1)

式中：ET，蒸散量,mm；SWC，土壤貯水消耗量,mm；

P

，降雨量,mm；

I

，灌溉量,mm；

R

，地表徑流,mm；

D

,深層滲漏,mm；

C

，毛管水利用量,mm。本試驗中，地下水位低于9 m，無地表徑流，所以

R

和

C

值皆為0。深層滲漏

D

按照以下公式計算：

D

=

α

(

I

+

P

)

(2)

式中：補償系數α由土壤質地，灌溉水以及降水來確定。

α

取值范圍在0.1～0.3，粘土取值0.1，沙土取值0.3。本研究中，當單次灌溉或降水量≤90 mm時，

α

取值0.10；當單次灌溉或降水量在90～250 mm時，

α

取值0.15；當單次灌溉或降雨>250 mm時，

α

取值0.20。

土壤硝態氮含量：2 m土層分層取土樣，用0.01 mol/L CaCl溶液浸提法提取土壤中無機氮素，并用紫外分光光度計法測定得到土壤硝態氮含量。

植株氮含量：將烘干后植株樣品粉碎混勻過篩，采用半微量凱式定氮法測定各器官氮素含量。計算群體氮素分配和利用特征指標，公式如下：

氮素生理效率(NUE,kg/kg)=籽粒產量/成熟期地上部氮素積累量

(3)

氮肥偏生產力(PFP,kg/kg)=籽粒產量/施氮量

(4)

氮素收獲指數NHI=籽粒氮積累量/成熟期地上部氮素積累量

(5)

籽粒蛋白質含量=籽粒氮素含量×5.70×100%

(6)

式中：5.70，蛋白質轉換系數。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2007整理數據，SPSS 20.0進行統計分析，GraphPad Prism 8進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 冬小麥-夏玉米產量及其構成因素

由表2可知，2017—2019年的貯墑旱作冬小麥產量由高到低均為WN>WN>WN，且差異顯著(

P

<0.05，下同)，WN表現產量較高的原因主要是穗數較多，穗粒數相對穩定同時千粒重顯著提升。說明在貯墑旱作下適當增施氮肥可穩定增加穗數和粒重，從而獲得較高產量；但各處理之間夏玉米的產量無顯著差異，說明在全年總施氮量一定的前提下，夏玉米當季施氮量對產量的影響不顯著；冬小麥-夏玉米周年產量由高到低仍為WN>WN>WN，WN全年產量比WN和WN分別增加3.20%～5.17%和6.84%～9.94%；2個年份比較，豐水年份貯墑旱作各處理的產量均高于枯水年份。

與常規模式(WN)相比，貯墑旱作模式灌溉量減少150 mm，各施氮處理周年產量均降低。在枯水年份，貯墑旱作模式與常規模式之間的產量差異顯著，主要是由于貯墑旱作冬小麥產量顯著降低，而夏玉米產量在處理之間差異不顯著;WN處理雖然在枯水年份減產11.38%，但在豐水年份產量與常規模式之間差異不顯著。

2.2 冬小麥-夏玉米周年地上部干物質積累與分配

由表3可知，在貯墑旱作模式下，無論豐水年還是枯水年，不同施氮處理的冬小麥總生物量和花前、花后生物量由高到低均為WN>WN>WN，在豐水年份總生物量的差異顯著，而收獲指數在處理間無顯著差異(豐水年份)，或WN表現高于WN和WN處理(枯水年份)。說明增加小麥季施氮量可增加小麥生物產量。在貯墑旱作條件下，不同處理間夏玉米生物量無顯著差異，枯水年份WN處理收獲指數顯著高于其他處理。周年生物量以WN最高。

表3 冬小麥-夏玉米周年地上部干物質積累與分配

Table 3 Dry matter accumulation and distribution of winter wheat and summer maize under different water and nitrogen managements

年份Year處理Treatment冬小麥Winterwheat夏玉米Summermaize開花期干物質/(kg/hm2)Drymatteratanthesis成熟期干物質/(kg/hm2)Drymatteratmaturity花前物質對產量的貢獻率/%Contributionrateofpre-anthesisdrymattertograinyield收獲指數HI成熟期干物質/(kg/hm2)Drymatteratmaturity收獲指數HI周年總干物質/(kg/hm2)Totaldrymatterofwinterwheat-summermaizeW0N15960c9303d32.2a0.53a15631a0.55a24934b2017—2018W0N26748b10728c30.0b0.52a16372a0.54a27100aW0N37211b11695b26.7bc0.52a15985a0.55a27680aW1Nc8132a12835a25.4c0.49b15468a0.56a28303aW0N16937c9786c35.2a0.50a17442a0.44b27474c2018—2019W0N28394b11976b34.6a0.45b17073a0.45b28916bW0N38468b12027b36.8a0.46b17874a0.47a29768bW1Nc9870a15258a26.8b0.49a17171a0.45b32431a

與常規模式(WN)比較，貯墑旱作模式各施肥處理在不同年份冬小麥地上部干物質積累量均顯著降低，說明減少灌溉量降低了物質積累；收獲指數在2017—2018年(豐水年份)表現顯著升高，在2018—2019年(枯水年份)WN和WN則表現顯著降低；從產量物質來源來看，貯墑旱作各處理花前貯藏物質對產量的貢獻率均顯著高于常規模式。夏玉米的干物質積累量和收獲指數在不同處理間的差異多為不顯著。貯墑旱作模式的冬小麥-夏玉米周年干物質積累量低于常規灌溉模式。

由表4可知，在貯墑旱作模式下，無論豐水年還是枯水年，冬小麥吸氮量由高到低均為WN>WN>WN，氮素收獲指數在豐水年份表現為WN顯著高于其他處理，枯水年各處理間無顯著差異。冬小麥籽粒蛋白質含量由高到低則表現為WN>WN>WN，WN顯著高于WN和WN。說明增加小麥季施氮量，小麥植株的吸收氮肥能力隨之增加，也有利于提高籽粒蛋白質含量。在貯墑旱作模式下，不同施氮處理的夏玉米氮素積累和氮收獲指數差異不顯著，全年兩茬的氮積累量隨冬小麥施氮量增加而增加。

表4 冬小麥-夏玉米周年氮素積累與分配

Table 4 Accumulation and distribution of nitrogen of winter wheat and summer maize under different water and nitrogen managements

年份Year處理Treatment冬小麥Winterwheat夏玉米Summermaize開花期氮積累/(kg/hm2)Nitrogenaccumulationatanthesis成熟期氮積累/(kg/hm2)Nitrogenaccumulationatmaturity籽粒蛋白質含量/%Proteincontent氮收獲系數Nitrogenharvestindex成熟期氮積累/(kg/hm2)Nitrogenaccumulationatmaturity氮收獲系數Nitrogenharvestindex周年氮素積累/(kg/hm2)AnnualnitrogenaccumulationW0N1104c141c13.2b0.81a177a0.65a318c2017—2018W0N2125b172b13.6a0.78b174a0.65a346bW0N3136b189a13.8a0.78b174a0.65a363aW1Nc158a195a13.4ab0.76c174a0.63b369aW0N1114c121c12.2c0.81b192ab0.59a313c2018—2019W0N2130b141b12.2c0.79b187b0.57a328cW0N3135b148b12.6b0.80b201a0.58a349bW1Nc152a205a13.3a0.85a189b0.55b394a

與常規模式(WN)比較，貯墑旱作模式各處理冬小麥的氮素積累量在不同年份均較低，但2017—2018年(豐水年份)WN處理與WN差異不顯著；貯墑旱作各處理冬小麥氮收獲指數在枯水年份則顯著低于WN，但在2018—2019年(豐水年份)顯著高于WN。從籽粒蛋白質含量看，在枯水年份旱作處理蛋白質含量顯著低于常規灌溉WN處理，但在豐水年份隨施氮量增加旱作處理蛋白質含量逐漸增加，在WN處理時最高，雖高于WN，但差異不顯著。夏玉米的氮積累量，在枯水年WN處理顯著高于WN，其他旱作處理與WN無顯著差異；夏玉米的氮收獲指數則表現為貯墑旱作各處理間無顯著差異，但都顯著高于WN。

2.3 土壤硝態氮殘留

由圖2可知，2017—2018年(第1年豐水年份)，冬小麥收獲后，上層0～60 cm土壤中硝態氮含量由高到低為WN>WN>WN>WN，WN顯著高于其他處理，表明小麥季施氮量越高，麥收后上層土壤硝態氮存留量也越高，且在相同施氮模式下貯墑旱作土壤硝態氮含量高于常規灌溉WN處理；在>60～160 cm土層，處理間硝態氮含量以WN相對較高，WN相對較低；160 cm以下土層硝態氮含量由高到低則表現為WN>WN>WN>WN。夏玉米收獲后，0～120 cm土層硝態氮含量由高到低為WN>WN>WN>WN，表明玉米季施氮量越高土壤硝態氮殘留量也越高，且在相同施氮下貯墑旱作土壤硝態氮含量高于常規灌溉WN處理；120 cm以下土層硝態氮含量則表現為WN>WN>WN>WN。

圖2 2018年冬小麥(a)和夏玉米(b)收獲后土壤硝態氮殘留量

由圖3可知，2018—2019年(第2年枯水年份)，冬小麥收獲后，上層0～40 cm土壤中硝態氮含量由高到低為WN>WN>WN>WN，表明麥季施氮量越高表層土壤硝態氮含量也越高，且在相同施氮處理，貯墑旱作土壤硝態氮含量高于常規灌溉模式(WN)；40 cm以下土層硝態氮含量在不同處理間無顯著差異，且數值均較小。夏玉米收獲后，貯墑旱作不同處理0～2 m土層硝態氮含量變化基本相似，處理間無顯著差異，但均低于常規灌溉模式(WN)。

圖3 2019年冬小麥(a)和夏玉米(b)收獲后土壤硝態氮殘留量

2.4 冬小麥-夏玉米周年水氮效率分析

由圖4可知，在豐水年份，冬小麥水分利用效率表現為，貯墑旱作模式除WN處理外均顯著高于常規模式(WN)，且貯墑旱作模式處理間隨氮肥施用量增加而顯著提高，以WN相對最高；夏玉米水分利用效率以WN和WN最高，兩者之間差異不顯著，但均顯著高于WN和WN處理；周年水分利用效率由高到低則表現為WN>WN>WN>WN，差異均達顯著水平。在枯水年份，冬小麥水分利用效率表現為：WN>WN>WN>WN，差異均達顯著水平；夏玉米水分利用效率以旱作處理顯著高于WN處理，其中WN和WN最高；周年水分利用效率由高到低則表現為WN>WN>WN>WN。

圖4 2017—2018(a)和2018—2019(b)年冬小麥-夏玉米周年水分利用效率

由表5可知，無論是豐水年還是枯水年，冬小麥氮素利用效率均以WN顯著高于其他處理，WN、WN和WN處理間差異不顯著；夏玉米氮素利用效率在枯水年份處理間無顯著差異，但在豐水年份則以WN和WN最高，WN最低；全年氮素利用效率則表現貯墑旱作各處理均高于WN處理。從氮肥偏生產力(PFP)看，冬小麥季以WN處理最低，但夏玉米季則以WN處理最高，冬小麥-夏玉米周年各處理間PFP由高到低表現為WN>WN>WN>WN，在貯墑旱作不同施氮處理間以WN處理最高。

表5 冬小麥-夏玉米周年氮素利用效率和氮肥偏生產力

Table 5 Nitrogen use efficiency and partial fertilizer productivity of winter wheat and summer maize under different water and nitrogen managements kg/kg

年份Year處理Treatment冬小麥Winterwheat夏玉米Summermaize周年Anniversary氮素利用效率NUE氮肥偏生產力PFP氮素利用效率NUE氮肥偏生產力PFP氮素利用效率NUE氮肥偏生產力PFPW0N138.8a45.6a54.4b40.1c47.5a42.0c2017—2018W0N236.3b34.7c56.7a54.8b46.5b44.7bW0N336.0b28.3d56.4a81.8a45.8c46.1aW1Nc35.9b38.9b52.2c53.3b45.0d46.1aW0N144.4a44.8b46.4a37.1c45.6a39.7c2018—2019W0N242.0b32.9c45.9a47.6b44.2b40.3cW0N342.5b26.2d46.6a74.7a45.0a42.4bW1Nc41.3b47.0a45.1a47.4b43.1c47.2a

3 討 論

關于冬小麥和夏玉米氮肥合理施用的研究，多側重于單季施氮量、施氮時期、基追比和氮肥形態對作物的影響以及與栽培措施的互作。小麥季適量增加施氮量，產量增加，品質改善，但過量施氮，產量有下降的趨勢，且造成植株貪青，物質轉運效率下降。玉米季增加施肥多表現為增產幅度很小，且當季肥料利用率不高。還有部分研究涉及到單季施肥對下茬作物的后效作用，例如小麥季施肥對玉米的后效，或者玉米季施肥對小麥的后效。

已有研究表明，冬小麥-夏玉米周年實施平衡施肥的策略，能夠獲得較高的產量和經濟收益，但試驗中周年總施肥量偏高(420～480 kg/hm)，且多依賴灌溉進行追肥以提高肥料生產力，更多考慮的依然是保障當季作物的生長以便獲得產量的綜合提升。也有研究表明，氮肥對小麥的增產效果要優于玉米，小麥季氮肥利用率顯著高于玉米。冬小麥比夏玉米對氮肥的反應更敏感，氮肥的季節配置應當以冬小麥為主，夏玉米為輔。

總而言之，在肥料合理運籌范圍內，既要保證作物需求，又要最大限度降低施肥量是兼顧產量和環境保護的重要參考。本研究針對貯墑旱作這一新型栽培模式進行跨季氮肥配比研究，結果表明，在周年限量施純氮360 kg/hm的前提下，提高冬小麥季氮肥用量，減少夏玉米季氮肥用量，配比2∶1時可以獲得最大收益。具體表現為冬小麥產量增加，粗蛋白含量增加，營養品質改善，夏玉米產量并不因減氮而減產，周年產量和水氮效率均能顯著提升。在貯墑旱作條件下，小麥增加施氮量促進植株對氮素的吸收，增加了前期生長量，可穩定提高穗數，有利于后期抗逆生長，同時旱作土壤氮素損失少，未被小麥吸收的肥料氮轉化為土壤氮存留于上層土體中，麥收后0～40 cm土壤氮素含量顯著升高，這一結果與于寧寧等的研究類似。Ferguson等研究認為，玉米播前根區(0～90 cm)硝態氮存留與當季施肥具有同等有效性，而從本試驗看，WN相對于其他處理夏玉米施氮量最低，但夏玉米的總吸氮量不僅沒有降低，反而在枯水年份吸收氮肥的能力升高，說明前茬土壤氮的有效性要高于當季肥料氮。夏玉米季水熱條件好，土壤養分釋放快，易被作物吸收利用，但汛期降雨過于集中，在小麥常規的多次灌溉條件下，麥收后騰出的土壤庫容小于汛期多余的降水會造成水、氮向地下滲漏淋洗，尤其是肥料氮容易淋失，利用率降低。在貯墑旱作條件下，冬小麥春季不再灌溉，麥收后0～2 m土層能夠比常規灌溉多騰出近100 mm的土壤水分庫容量，這可接納汛期多余的水分避免水氮淋失。有關貯墑旱作模式下周年肥料氮的運移和吸收動態尚需進一步深入研究。

4 結 論

本試驗結果表明，在華北平原貯墑旱作有限施氮(N 360 kg/hm)條件下，優化配置兩茬氮肥資源，適當減少夏玉米季施氮，增加冬小麥施氮量或施氮比例，是協同提高全年產量和水氮利用效率的重要途徑。在本試驗所處地力和生產條件下，控制全年總施氮量在360 kg/hm，冬小麥施氮量占60%～70%是實現周年高產高效的最適氮肥配置方式。