優化施肥對關中灌區冬小麥產量及氮肥利用的影響

董云杰，呼延藝潔，王金平，韓 娟

(西北農林科技大學 農學院，陜西楊凌 712100)

肥料作為作物的糧食，對作物產量的貢獻率達40%～50%，在糧食生產中有重要意義[1]。統計表明，中國每生產1.5kg糧食需消耗0.5kg化肥，約為國際公認安全線的2倍[2]，化肥施用增長率達糧食產量增長率的8.7倍，產量與施肥量不再同步增長，化肥過量施用問題日益顯著[3]。長期過量而單一地施用化肥，不僅會導致土壤理化性質惡化和肥料養分不平衡，造成土壤綜合生產能力下降和資源浪費，還會影響生態環境[4]。因此，如何優化化肥使用量和調整施肥類型，對保障中國糧食生產安全和實現土壤可持續利用十分重要。

合理施用有機肥和生物炭是提高作物產量及實現土壤可持續利用的重要舉措之一。生物菌肥是一類含有活體微生物的特定肥料，通過其生命活動為作物提供氮素營養，促進作物對養分的吸收[5]，同時釋放生長激素并抑制有害微生物的形成，改良土壤質量，提高作物產量，廣泛應用于農業生產中[6-7]。Rose 等[8]認為生物菌肥可以替代23%～52%的氮肥，達到減肥增效的目的；郝志萍等[9]研究發現，生物菌肥替代氮肥施入后，作物增產17.68%～30.81%；黃鵬等[10]研究表明，生物菌肥可以與氮肥配施促進作物生長、提高作物產量和資源利用效率，減氮配施生物菌肥處理的氮肥利用率較常規施氮處理增加4.21%～4.61%。生物炭是木材、農作物廢棄物、植物組織或動物骨骼等生物質在低氧或缺氧(小于700℃)條件下不完全燃燒所產生的炭質[11]，含有60%以上的碳元素，擁有較大的孔隙度和比表面積，較強的土壤理化性質改良作用，可提高土壤疏松性和保水保肥性，對作物生長和產量有促進作用[12-13]。Jeffery等[14]通過meta-analysis系統分析施用生物炭與作物產量的關系后得出，施用生物炭后作物的產量平均增幅約為10%。合理配施生物炭和氮肥，對植株的生長以及作物產量的提高都有較好的促進作用，還能顯著增強植株肥料表觀利用率和氮素利用率[15-16]。Chan等[17]研究發現，生物炭配施氮肥后可使作物的干物質質量從95%增至266%；向偉等[18]研究表明，施入生物炭后作物產量提高3.86%～10.98%，氮肥利用效率提高7.7%～8.1%，特別是減氮配施生物炭處理的氮肥偏生產力較常規施氮處理提高52.3%～57.1%。

關中灌區是陜西省糧食生產的主產區和高產區，冬小麥是該地區重要的糧食作物，實現該地區冬小麥的高效優質生產，對保障陜西省糧食生產有著重要意義。但是該地區冬小麥生產中由于過量施用氮肥和施肥類型單一，引發土壤肥力下降、氮肥利用率低和環境污染等一系列問題[19]，化肥合理減施和施肥類型調整是該地區冬小麥生產亟待解決的問題。目前關于冬小麥施肥研究多集中在肥料施用量或者單一施肥類型方面，將生物菌肥、生物炭和尿素配合應用于小麥生產的研究還鮮有報道。基于此，本研究在尿素減施條件下，將生物菌肥、生物炭和尿素進行配施，研究不同施肥處理對關中灌區冬小麥生長發育、產量和氮肥利用的影響，篩選適宜該區冬小麥生產的施肥處理，為關中灌區冬小麥生產的化肥合理減施、增產增效提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地處于關中灌區，在陜西省涇陽縣的西北農林科技大學斗口試驗站內(東經108°88′，北緯34°61′)，屬暖溫帶半濕潤性大陸性季風氣候，年降雨量517.7 mm，年平均氣溫13.4 ℃。2017年10月至2018年5月冬小麥生育期降雨量和日平均氣溫如圖1。供試土壤為塿土，播前土層基礎養分含量狀況：土壤體積質量為1.61 g/cm3，有機質含量為19.37 g/kg，全氮含量為1.22 g/kg，速效磷含量為18.56 mg/kg，速效鉀含量為221.32 mg/kg，pH為8.51。

圖1 冬小麥生育季內降雨量和日平均氣溫Fig.1 Rainfall and daily mean temperature of winter wheat in growing seasons

1.2 試驗設計

試驗于2017年10月至2018年5月在西北農林科技大學斗口試驗站內進行。供試冬小麥品種為‘小偃22’，以常規施用尿素CK(播前210 kg/hm2氮肥+冬前60 kg/hm2氮肥)為對照，設置3種優化施肥處理，單施尿素U(播前120 kg/hm2氮肥+拔節期90 kg/hm2氮肥)、尿素配施菌肥UBF(播前120 kg/hm2氮肥和3 600 kg/hm2菌肥+拔節期90 kg/hm2氮肥)、尿素配施生物炭UBC(播前120 kg/hm2氮肥和22 500 kg/hm2生物炭+拔節期90 kg/hm2氮肥)，共計4個處理，每個處理設3次重復，共12個小區，小區面積為22.5 m2。磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)施用量分別為120 kg/hm2、90 kg/hm2，肥料撒入土壤表面后用旋耕機翻混入土壤，在越冬期和拔節期進行定量灌溉，灌水量均為100 mm，其他田間管理方式一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 群體質量指標 莖蘗動態：在冬小麥三葉期于各小區選取長勢均勻的兩個1 m2進行標記并統計基本苗，在越冬期、拔節期、成熟期調查標記區域內小麥的莖蘗數并計算莖蘗成穗率。

葉面積指數：在冬小麥越冬期、拔節期和開花期，于各小區選擇健康且長勢均勻的30片葉片制作小葉樣，利用公式計算葉面積指數，葉面積指 數=小葉樣面積(cm2)×1 m2葉片干質量(g)÷小葉樣干質量(g)÷10 000。

地上部干物質積累：在冬小麥越冬期、拔節期和成熟期，于各小區選取具有代表性的連續 20 cm小麥植株進行分樣，越冬期和拔節期分為葉片、莖鞘兩個部分，成熟期分成莖鞘+葉片、穗兩部分，樣品于105 ℃烘箱殺青30 min后于 80 ℃烘干至恒質量，稱量。

1.3.2 產量及構成因素 在冬小麥成熟期于每個小區收獲長勢均勻的1 m2植株，統計穗數和穗粒數，脫粒后測定千粒質量和含水量，計算14%水分含量下的產量。

1.3.3 氮積累與利用 將成熟期烘干稱量后的各部分樣品粉碎過篩，采用“H2SO4-H2O2消解-AA3型連續流動分析儀法”測定氮含量。氮含量以干質量表示，某一器官的氮積累量為該器官干物質量與氮含量的乘積，地上部氮積累量為各器官氮之和。氮積累與利用的相關計算公式：

氮素積累量(kg/hm2)=氮含量(g/kg)÷ 1 000×干物質量(kg/hm2)；氮素吸收效率 (kg/kg)=成熟期植株地上部氮素積累量 (kg/hm2)÷施氮量(kg/hm2)；氮素利用效率(kg/kg)=籽粒產量(kg/hm2)÷成熟期植株地上部氮素積累量(kg/hm2)；氮肥偏生產力(kg/kg)=籽粒產量(kg/hm2)÷施氮量(kg/hm2)。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2016、SPSS 23.0軟件進行數據整理、分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 優化施肥對冬小麥莖蘗動態的影響

如表1所示，隨著冬小麥的生長發育，莖蘗數呈現先增加后降低的趨勢，拔節期達到最高。在越冬期和拔節期，各處理冬小麥莖蘗數均表現為CK>U>UBF>UBC，CK處理莖蘗數顯著高于各優化施肥處理；成熟期，優化施肥處理U、UBF、UBC莖蘗數較CK分別增加1.79%、 6.38%、10.07%，4 個處理間差異不顯著。優化施肥處理U、UBF、UBC莖蘗成穗率較CK處理分別增加13.70%、22.96%、31.37%，且差異顯著，表現為UBC>UBF>U>CK。

表1 不同施肥處理下冬小麥莖蘗動態和莖蘗成穗率Table 1 Tiller dynamics and spike rate of winter wheat under different fertilization treatments

2.2 優化施肥對冬小麥葉面積指數的影響

從越冬期到開花期，各處理葉面積指數不斷增加(圖2)。CK處理葉面積指數在越冬期和拔節期均最大，且與優化施肥處理呈現顯著差異，越冬期較U、UBF、UBC處理分別增加9.49%、37.88%、44.54%，拔節期分別增加28.18%、 17.12%、8.32%；開花期，各處理葉面積指數表現為UBC>UBF>CK>U，優化施肥處理UBF、UBC葉面積指數較CK分別增加2.54%、 5.00%，而U處理較CK降低3.33%。

CK.常規施用尿素；U.單施尿素；UBF.尿素配施菌肥；UBC.尿素配施生物炭。不同小寫字母表示不同處理間在5%水平上差異顯著，圖3、圖4、圖5同

2.3 優化施肥對冬小麥地上部干物質積累的 影響

從越冬期到成熟期，冬小麥地上部干物質積累量呈現不斷增加的趨勢(圖3)。越冬期，優化施肥處理各部位干物質積累量均低于CK；CK處理的干物質積累總量較優化施肥處理UBF、UBC分別顯著增加47.87%、46.57%。拔節期，各部位干物質積累量均表現為CK>UBC>UBF>U，CK處理與優化施肥處理呈現顯著差異；CK處理干物質積累總量較優化施肥處理U、UBF、UBC分別增加27.95%、21.21%、9.63%。成熟期，各處理莖葉積累量差異不顯著，穗積累量和干物質積累總量均表現為UBC>CK>UBF>U，UBC干物質積累總量較CK、U、UBF顯著提高8.41%～17.94%；與單施尿素處理U相比，CK、UBF、UBC的穗積累量分別顯著提高10.22%、9.34%、29.99%，干物質積累總量分別顯著提高8.79%、7.60%、17.94%。

圖3 不同施肥處理下冬小麥地上部干物質積累Fig.3 Dry matter accumulation of winter wheat under different fertilization treatments

2.4 優化施肥對冬小麥產量的影響

如表2所示，4 個處理間穗數和千粒質量均無顯著性差異，CK穗數和千粒質量均低于優化施肥處理；UBC處理穗數最多，較CK、U、UBF分別增加10.07%、 8.14%、3.47%；優化施肥處理U、UBF、UBC的千粒質量均為35.15 g以上，比CK增加0.58～0.85 g。4 個處理的產量和穗粒數均表現為U

表2 不同施肥處理下冬小麥產量及產量構成因素Table 2 Grain yield and yield components of winter wheat under different treatments

2.5 優化施肥對冬小麥地上部植株氮含量和氮素積累量的影響

由圖4可知，小麥成熟期莖葉的氮含量低于穗的氮含量。各處理間莖葉氮含量呈現顯著差異，表現為UBF>U>UBC>CK，優化施肥處理U、UBF、UBC莖葉氮含量較CK分別提高 16.34%、41.61%、9.22%；4 個處理間穗的氮含量差異不顯著，CK最高，較優化施肥處理U、UBF、UBC分別提高10.73%、2.44%、11.19%。

圖4 不同施肥處理下小麥成熟期植株各部位氮含量Fig.4 Nitrogen content during maturity period of winter wheat under different treatments

由圖5可知，小麥成熟期地上部植株的氮素主要積累在穗中。小麥地上部氮素積累總量表現為UBF>UBC>CK>U，優化施肥處理UBF、UBC較CK處理增加6.39%～6.88%，單施尿素處理U較CK、UBC、UBF分別顯著降低 11.77%、17.07%、17.45%。優化施肥處理U、UBF、UBC的莖葉氮含量較CK分別增加 8.23%、39.47%、7.28%，UBF與其他處理呈顯著差異；與CK處理相比，U、UBF的穗氮素積累量分別降低17.93%、3.15%，UBC增加6.11%，單施尿素處理U顯著低于其他處理。

圖5 不同施肥處理下小麥成熟期植株氮素積累量Fig.5 Nitrogen accumulation during maturity period of winter wheat under different treatments

2.6 優化施肥對冬小麥氮素利用的影響

由表3可以看出，CK處理的氮素吸收效率、氮素利用效率和氮肥偏生產力均表現為最低。優化施肥處理U、UBF、UBC的氮素吸收效率較CK分別增加13.43%、37.42%、36.79%，UBF、UBC的氮素吸收效率與CK呈顯著差異；各處理氮素利用效率表現為UBC>U>UBF>CK，UBC處理與CK差異顯著，U、UBF、UBC處理較CK分別增加7.33%、6.59%、14.10%；優化施肥處理U、UBF、UBC的氮肥偏生產力顯著高于CK，增幅分別為21.52%、46.49%、55.86%，U處理顯著低于優化施肥理UBF、UBC。

表3 不同施肥處理下冬小麥氮素吸收、利用效率和氮肥偏生產力Table 3 Nitrogen uptake and use efficiency and nitrogen partial productivity of winter wheat under different fertilization treatments kg/kg

3 討 論

3.1 優化施肥對冬小麥生長和產量的影響

增施氮肥可以增加群體葉面積指數，提高冬小麥干物質積累量和產量[20-21]，但過量施用氮肥會改變冬小麥前中期的群體結構，導致無效分蘗增多，成穗數和莖蘗成穗率降低[22]。本研究中優化施肥處理的葉面積指數、干物質積累量和莖蘗數在越冬期和拔節期都低于常規施用尿素處理，但成穗數和莖蘗成穗率較常規施用尿素處理分別增加1.79%～10.07%、13.70%～31.37%，其中尿素配施菌肥和生物炭處理冬小麥成穗數和莖蘗成穗率均顯著高于常規施用尿素處理，這是因為菌肥和生物炭具有保肥供肥特性，可顯著抑制養分淋失、延緩肥料釋放，促進作物中后期的生長，保證成穗數、提高成穗率[23-25]。本研究結果表明，尿素配施菌肥和生物炭均能顯著提高冬小麥開花期的葉面積指數和成熟期干物質積累量，可能是菌肥中的活體微生物能夠促進植株的新陳代謝，增加小麥的葉面積指數和光合速率，促進光合產物的積累及向穗部的分配，調控莖鞘物質的轉運特性，有效提高小麥地上部干物質積累量和籽粒產量[26-27]；生物炭施入后土壤中可利用養分增加，能夠提高小麥葉面積指數，促進葉片光合產物轉運到穗中，增加穗和植株的干物質積累量[28]。

研究表明，增施氮肥主要通過提高冬小麥穗數和穗粒數，特別是穗數來增加產量[29]；氮肥過多則會降低小麥的穗數、千粒質量和產量[30]；本研究結果表明，單施尿素處理與常規施用尿素處理相比，冬小麥產量和產量構成沒有顯著差異，可能與土壤本身氮素含量有關[31]；尿素配施菌肥處理冬小麥的產量顯著高于常規施用尿素和單施尿素處理，主要是因為菌肥配施增加冬小麥穗數、穗粒數和千粒質量，從而提高產量[32]。謝迎新等[33]發現生物炭配施后冬小麥千粒質量無明顯差異，成穗數和穗粒數卻存在顯著差異，本研究中尿素配施生物炭處理提高冬小麥穗數和穗粒數，但是對千粒質量無影響，冬小麥產量較常規施用尿素和單施尿素顯著增加21.22%～28.25%，說明尿素配施生物炭也可促進冬小麥產量的增加。

3.2 優化施肥對冬小麥氮素積累和利用的影響

本研究結果顯示，和常規施用尿素處理相比，優化施肥處理提高冬小麥植株的莖葉氮含量和氮積累量，可能是優化施肥各處理在拔節期進行追肥，更符合營養生長階段小麥對養分的需求規律，有利于植株營養器官對氮素的吸收[34]。本研究還發現，尿素配施菌肥處理各部位氮含量和氮積累較單施尿素處理均有一定的增加，說明生物菌肥對小麥氮素吸收有一定的促進作用，與前人研究結果一致[35]。生物炭能夠提高作物的氮吸收量[36]，本研究中尿素配施生物炭處理穗的氮含量低于常規施用尿素處理，穗氮素積累量卻高于其他處理，主要因為生物炭有利于小麥生長后期的生長和干物質的積累，促進穗部氮素的積累。

氮素吸收利用效率是作物吸收氮素并轉化為籽粒的能力，氮肥偏生產力是施肥對產量影響的綜合體現。適當降低施氮量不會影響作物產量和氮素利用效率，還會顯著提高氮肥利用率和氮肥生理效率[37-38]，本研究中優化施肥各處理冬小麥的氮素吸收、利用效率和氮肥偏生產力較常規施用尿素處理均有一定程度的增加，其中尿素配施菌肥和生物炭處理冬小麥的氮素吸收、利用效率和氮肥偏生產力顯著高于常規施用尿素處理，說明氮肥減施條件下合理配施有機肥和生物炭可以顯著增加作物的氮素吸收、利用效率和氮肥偏生產力，這是因為菌肥中的有益微生物可以繁殖氮素養分，有利于氮素的固定，促進植株對氮素的吸收和同化[39]；生物炭表面有較多酸性官能團和負電荷，可以吸收固定更多土壤中的氨和離子，加上其孔隙度和表面積大，能夠保持更多氮素在毛孔內部，促進植株對氮素的吸收、利用和積累[40-41]。

4 結 論

尿素配施菌肥、生物炭處理通過促進冬小麥中后期的生長，提高開花期葉面積指數和成熟期干物質積累量。與常規施用尿素處理相比，尿素配施菌肥、生物炭處理冬小麥的穗數、穗粒數、千粒質量均有不同程度的增加，產量顯著提高 13.94%～21.22%。此外，尿素配施菌肥、生物炭處理冬小麥地上部氮素積累量較常規施用尿素處理增加6.39%～6.88%，優化施肥各處理的氮素吸收效率、氮素利用效率、氮肥偏生產力較常規施用尿素處理均有提高。綜上所述，尿素配施菌肥、生物炭均能促進冬小麥的生長發育和干物質積累，增加冬小麥氮肥利用率和產量，其中播前配施120 kg/hm2氮肥和22 500 kg/hm2生物炭，拔節期追施90 kg/hm2氮肥的處理表現最優，是關中灌區農業生產中較為適宜的優化施肥處理。