施氮對冬/春小麥-夏玉米周年產量和氮素利用影響的研究進展

劉夢 葛均筑 楊永安 吳錫冬 侯海鵬 張垚

摘? ? 要：氮素是影響小麥、玉米生長發育和器官建成的重要營養元素，適量施氮可改善葉片光合性能，促進干物質積累與轉運及籽粒灌漿速率，提高產量和氮肥利用效率。生產中過量施氮會導致肥效降低與面源污染等生態問題，優化減氮協同能提高產量和肥料利用率。本文從冬/春小麥-夏玉米產量形成過程、產量及構成因素和氮素利用3個方面綜述了施氮量對華北平原麥-玉輪作系統產量和氮素利用影響的研究進展，展望了夏玉米籽粒機械直收技術要求背景下冬/春小麥-夏玉米周年耕作制度變革優化施氮的研究重點，以期為華北平原冬/春小麥-夏玉米周年雙機械直收的栽培技術優化與種植制度變革提供理論支撐。

關鍵詞：冬/春小麥;夏玉米;施氮量;周年產量;氮素利用

中圖分類號：S512.1;S513;Q945.1? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2022.06.005

Research Progress on the Effect of Nitrogen Application on Annual Yield and Nitrogen Use Efficiency of Winter/Spring Wheat-Summer Maize

LIU Meng1， GE Junzhu1， YANG Yongan2， WU Xidong1， HOU Haipeng3， ZHANG Yao1

（1.College of Agronomy and Resources and Environment， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China; 2.Tianjin High-quality Agricultural Products Development Demonstration Center， Tianjin 301500， China; 3.Tianjin Agricultural Development Service Center， Tianjin? 300061， China）

Abstract：Nitrogen is an important nutrient element effect on wheat and maize growth， organ building and yield formation. Appropriate nitrogen application can improve the leaf photosynthetic properties， promote dry matter accumulation and translocation， and grain filling rate， which lead to increase grain yield and nitrogen use efficiency. Excessive nitrogen application in production results in ecological problems， ie.， fertilizer efficiency reduction and non-point source pollution. And optimization of reducing nitrogen can increased grain yield and nitrogen use efficiency synergistically. In this paper， winter/spring wheat and summer maize yield formation process， yield and its composition factors， and nitrogen use efficiency were reviewed to recommend the research progress of nitrogen application affect wheat-maize annual rotation system yield and nitrogen use efficiency in the North China Plain. The research focus of annual optimal nitrogen application in winter/spring wheat-summer maize crops system optimization reform under the background of summer maize grain mechanical harvesting was prospected. So， its provided theoretical support for optimize cultivation technology and reform annual rotation system of winter/spring wheat and summer maize to achieve mechanical direct harvesting in the North China Plain.

Key words： winter/spring wheat; summer maize; nitrogen application; annual yield; nitrogen utilization

冬小麥-夏玉米周年輪作模式是華北平原傳統種植制度，其產量分別占全國50%和40%左右，在保障國家糧食安全中發揮重要作用[1-2]。近年來，因全球氣候變化與生產技術進步，傳統栽培技術導致播期和生育期與光溫資源匹配度下降，冬小麥冬前旺長，抗凍性減弱，夏玉米早收騰茬，沒有完全成熟引起減產，限制了周年產量及資源利用效率的協同發展[3-5]。隨著玉米籽粒機械直收技術的發展，夏玉米早收騰茬脫水時間較短[6]，籽粒含水量難以達到27%以下機械直收標準[7]。因此，在光溫資源緊張的情況下，通過協調麥-玉光溫資源配置，突破茬口銜接問題成為區域研究熱點[8-9]。氮素是影響小麥和玉米產量的重要營養元素，傳統栽培模式下為保證產量，周年施氮量平均為545～600 kg·hm-2，遠超過作物對氮素的最佳需求[10-11]，導致土壤氮素淋溶與殘留量增加，氮肥利用率下降，面源污染引起的生態問題凸顯[12]。因此，在協調麥-玉光溫資源配置調整的基礎上優化氮肥管理技術也十分必要，優化減氮可在保證產量的基礎上顯著提高小麥[13-15]和玉米[16-17]的氮肥利用率。目前，關于施氮對華北平原冬小麥-夏玉米輪作模式的周年產量及氮素利用研究比較充分，但缺乏系統整理和歸納總結，而關于區域麥-玉種植制度變革研究較少。因此，本文綜述了施氮量對冬/春小麥-夏玉米產量形成過程、產量及構成因素和氮素利用等3個方面的研究進展，展望了夏玉米籽粒機械直收技術要求背景下冬/春小麥-夏玉米周年耕作制度變革優化施氮的研究重點，以期為華北平原冬/春小麥-夏玉米周年雙機械直收的栽培技術優化與種植制度變革提供理論支撐。

1 施氮對冬/春小麥-夏玉米產量形成過程的影響

氮肥是影響小麥生長發育和產量形成過程的重要因子，施氮可提高葉面積指數[18]，顯著改善小麥光合性能[19-20]，影響物質積累與轉運[21]。傳統栽培模式下，農戶在生產中為實現高產，會增加化肥用量來提高經濟效益，但大量研究表明，氮肥對小麥產量形成過程正向調控存在閾值，超過臨界值后，投入產出比會急劇下降[19，22-23]。葉面積指數和葉綠素含量是衡量光合性能的重要指標之一，冬小麥旗葉LAI、SPAD值、凈光合速率隨施氮量增加呈先升高后降低的趨勢[19，24]。施氮不足或過量會導致LAI和光合速率下降，干物質量降低，增產效應降低。華北地區冬小麥優化施氮量為210～240 kg·hm-2，可促進冬小麥有效分蘗，提高葉面積指數及旗葉葉綠素含量，提高光化學效率，改善旗葉光合性能，提高干物質積累量[25]，優化小麥莖鞘物質輸出和轉化率，達到高產生理基礎[21，23，26]。

隨著施氮量的增加，春小麥葉片光合特性、葉面積指數、干物質積累、花前干物質轉運效率及其對籽粒產量貢獻率均呈先增大后減小趨勢[27-30]，且不同春小麥品種和生育時期差異顯著[31]。北方春麥區優化施氮量為245～255 kg·hm-2，可顯著促進春小麥根系生長發育，提高生育后期根系生理活性，增加莖蘗數，提高粒葉比，促進干物質向籽粒轉運，提高粒質量，實現增產[32-33]，而華北平原春小麥適宜施氮范圍尚無定論。

氮肥是玉米穩產和高產的保障，增施氮肥可改善玉米形態特征[34]，促進葉片葉綠素含量下降變緩，功能期延長，顯著提高葉面積指數，維持籽粒灌漿期較高的光合性能，調控干物質積累與轉運[35-36]。干物質積累和轉運是影響夏玉米產量形成的關鍵因素[37]，施氮可促進植株光合產物積累，顯著影響灌漿期干物質積累，實現增產[38-39]。近年來，夏玉米生產中節肥減氮的需求不斷增大。張美微等[34]研究表明，華北平原減氮20%至180 kg·hm-2未對夏玉米干物質積累與轉運造成顯著不良影響，配施有機肥可實現高產高效的生產目標。陳磊等[40]認為，在華北平原土壤肥力水平較高地區，減氮25%甚至40%時根系形態和根系生長參數無顯著變化。

2 施氮對冬/春小麥-夏玉米產量及其構成因素的影響

氮肥對產量構成因素的調節作用是促進小麥高產的基礎，增施氮肥能夠優化群體結構，增加有效穗數、穗粒數和粒質量[41]，調控小麥葉面積指數進而提高粒葉比來增加產量[12，42]，并對冬小麥籽粒形成和灌漿起著關鍵的調控作用，顯著影響小麥弱勢粒的粒質量[43-44]。研究表明，施氮不足會導致冬小麥拔節期后分蘗消減和群體數減少，限制產量提升[19];施氮過多并不會使產量持續增加[45]。施氮超過225 kg·hm-2會造成分蘗數增加，群體過大，后期貪青晚熟[19，23]，限制穗部發育和同化物分配效率。雖然成穗數增加，但是穗粒數增加受到影響，尤其是粒質量降低造成減產[46-47]。目前華北地區冬小麥高產高效的合理氮肥施用量尚不明確，有學者認為172～270 kg·hm-2為宜[48]，曹倩等[22]認為施氮量與冬小麥籽粒產量呈拋物線關系，冬小麥施氮量的最高上限為150～225 kg·hm-2，過高或者過低都會造成產量下降。

合理施氮有利于促進春小麥氮素吸收和轉運。劉克禮等[49]在內蒙古的研究表明，拔節期至孕穗期適宜氮素供應可以提高成穗率，增加穗粒數，通過延長葉面積穩定期和提高生育后期光合效率來增加粒質量，從而獲得高產。通過新疆地區的試驗，歐陽雪瑩等[50]認為，適當施氮可促進春小麥千粒質量的增加，而對其他產量構成因素影響不顯著;過量施氮增產效應下降，減施10%～20%氮肥能實現減肥不降產[27-28]，促進干物質積累向籽粒中分配，增加穗數、穗粒數和春小麥籽粒產量[32];滴灌春小麥施氮量減至225～250 kg·hm-2時，產量及其構成因素較高，實現節肥和高產協同[51]。馬一峰等[52]在華北地區的研究也表明，施氮能夠調節氮素吸收和轉運，改善產量構成因素，提高春小麥穗數、千粒質量提高產量[52]。

施氮可促進光合產物向籽粒轉運，影響雌穗分化，阻止籽粒敗育，改善產量構成，增加穗行數，施氮225 kg·hm-2禿尖長度顯著縮短23.8%～43.5%[53];施氮可延長灌漿活躍期，減少頂部籽粒敗育并促進灌漿，改善穗部性狀，增加穗粒數和穗粒質量[54-55]，調控灌漿速率提高千粒質量和產量[5]。一般認為，在傳統施氮基礎上適量減施氮肥不會顯著影響作物產量，在14.3%～28.6%范圍內可有效提高玉米生產效率[17]。張盼盼等[56]研究表明，減氮1/3和1/6的產量、籽粒氮濃度、收獲指數和氮收獲指數無顯著變化。李銀坤等[57]證實，在農民習慣施氮基礎上減量1/3不會顯著影響玉米產量。陳傳永等[17]研究表明，氮肥施用量減少28.6%也能滿足華北高產夏玉米每生產100 kg籽粒需氮1.75 kg[14]的氮肥需求。由此可知，華北地區夏玉米生產中減施氮肥是可行的，但不同學者報道的減氮比例和施氮量存在較大差異，減氮至何水平能夠同時獲得最佳產量和氮素利用效率尚無定論，這與土壤質地、初始土壤含氮量等因素密切相關。

3 施氮對冬/春小麥-夏玉米氮素利用的影響

施氮量顯著影響作物產量和植株氮素吸收，且籽粒產量與氮素吸收和利用效率有關[19-20]，適宜施氮量能調節農田氮盈余量，降低氮表觀損失量，提高產投比[21]。華北平原小麥氮肥投入量一般高于240 kg·hm-2，施氮量過高會導致氮素的利用率顯著降低，土壤中氮素的表觀損失顯著增加，在農戶習慣施氮條件下，施用每千克氮冬小麥僅增產2 kg[58]。李世娟等[59]認為，限水灌溉條件下冬小麥產量隨氮肥用量（0～375 kg·hm-2）增加而增加，當施氮量超過225 kg·hm-2后增施氮肥冬小麥產量不再增加，且隨著施氮量的增加，氮肥偏生產力[41]、氮肥利用率和農學利用率持續下降，而生理利用率呈現出“低—高—低”的拋物線變化趨勢，在施氮量為225 kg·hm-2時達到最高值，在現有土壤供氮能力下，農戶習慣施氮水平（如300 kg·hm-2）氮肥的表觀利用率在10%左右[58]。劉克禮等[49]通過內蒙古的研究認為，氮肥與磷鉀肥合理配施有利于提高氮素吸收量和吸收速度，能協調春小麥碳氮代謝平衡，協調生殖生長與營養生長，提高氮肥利用率。充足的養分供應尤其是氮素投入能夠提高光能轉化效率[9]，過高的氮投入會降低實際光化學效率[60]。合理施氮有利于促進春小麥氮素吸收和轉運，對氮利用有較大的調控效應[50]，過量施氮增產效應下降?？偠灾瑸榧骖櫘a量和環境保護，保證作物需求同時最大限度降低施肥量是肥料合理運籌的要求，但目前華北平原試驗中小麥-夏玉米周年總施肥量偏高（420～600 kg·hm-2），且多依賴灌溉提高肥料生產力[10-11，41]。數據顯示，周年氮肥用量減少至330 kg·hm-2作物產量不會顯著降低[41]。董嫻嫻等[61]認為，小麥季適度減氮提高氮肥的利用效率，利于后茬夏玉米根系下扎，促進根系發育和對深層累積NO3? -? -N的吸收利用，說明華北平原降低周年施氮量是可行的。由于夏玉米季降雨集中，造成肥料淋失[62]，在夏玉米季增加氮肥的增產幅度小，且當季肥料利用率不高[63-64];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[41]，玉米播前根區（0～90 cm）殘留的硝態氮與當季氮素具有同等有效性[41，65]。因此，降低夏玉米季施氮比例，增加小麥季施氮量有利于提高周年產量和資源利用效率。研究表明，麥-玉輪作體系中氮積累量隨小麥季施氮量的增加而增加，冬小麥與夏玉米施氮配比為2∶1可以獲得最大收益，此時小麥植株的吸收氮肥能力和籽粒蛋白質含量顯著提高[41]。

生產中施氮量過高可導致肥料利用率低、土壤質量下降等問題[66]。調查結果顯示，華北平原夏玉米農田氮肥投入量平均為276 kg·hm-2，氮肥利用率一般低于25%，施用每千克氮肥夏玉米僅增產3 kg[58]，且氨揮發損失較高[2]。隨著施氮量的增加，夏玉米氮肥利用率、農學利用率和氮肥偏生產力不斷降低，生理利用率呈現先升后降的趨勢[41，58];施氮量超過180 kg·hm-2后，氮肥的幾種利用率隨施氮量的增加均急劇下降。高施氮條件下（240 kg·hm-2以上），作物對氮素的低利用率導致土壤中氮素表觀損失顯著增加[58]。為改善過量施氮對環境的危害，提高氮素利用效率，在常規施氮量基礎上適量減氮，能夠協調氮素積累和轉運[67]，促進植株對氮素吸收和利用[68]，增加土壤硝態氮累積，減少N2O的排放[69]，優化施氮可使氮肥偏生產力從26 kg·kg-1提升至57 kg·kg-1[70]。徐杰等[71]研究表明，周年施氮270 kg·hm-2可調節產量形成過程，改善產量構成因素，促進群體干物質積累和氮素的吸收利用，使氮肥農學利用率、氮肥偏生產力、氮素利用效率均保持較高水平，并降低土壤硝態氮殘留。陳磊等[40]認為，在華北平原土壤肥力水平較高地區，減施氮肥25%～40%對夏玉米根際土壤無機氮供應水平、地上部總吸氮量無明顯影響，可顯著降低氮素表觀損失，提高氮素利用率。夏玉米季施氮量與作物收獲后土壤剖面NO3? - -N累積量，NO3 --N累積量與后茬冬小麥的產量均呈極顯著線性正相關關系，說明施入的氮肥對后茬作物有很強的有效性，生產中應充分考慮[65]。鐘茜等[58]研究表明，前茬施氮量達到225 kg·hm-2時，可基本滿足夏玉米的吸氮量，適當降低夏玉米施氮水平，能夠吸收和利用在30～60 cm土層的上季殘留硝態氮。因此，綜合考慮夏玉米汛期雨水流失，氮肥淋洗和保障作物產量等因素[65]，在有限施氮的條件下提高冬小麥季氮肥分配比例，更有利于實現增產增效[72-73]。

4 展望

作為華北地區的傳統栽培模式，冬小麥-夏玉米輪作體系面臨氣候變化、生產技術及減氮增效的諸多挑戰[74-75]。早播導致冬小麥冬前旺長及抗凍性減弱，夏玉米籽粒機械直收技術要求光溫匹配向夏玉米季偏移[7，36，76]。研究明確優化提高夏玉米與光溫資源匹配度，實現光溫資源高效利用和夏玉米籽粒機收的技術途徑[77-80]。因此，在華北平原周年減氮高產高效栽培技術發展過程中，應注重以下幾方面的研究：（1）優化施氮是作物高效生產和綠色農業可持續發展的永恒需求，深入探究華北地區優化減氮對冬/春小麥-夏玉米產量調控的生理機制，特別是周年季節作物間氮素統籌優化與利用，充分提高前茬氮素殘留的利用效率，以減少氮素投入和環境脅迫;（2）深入開展優化施氮對冬小麥播期推遲，夏玉米延遲收獲提高冬小麥抗逆性及夏玉米籽粒機械直收影響的生態學機制，提高周年光溫匹配度及生產潛力，促進華北平原麥-玉周年全程機械化技術的發展;（3）研究華北平原北部冬小麥調整為春小麥，改革麥-玉種植制度情境下，優化施氮對周年產量形成、氣候資源配置及氮素利用的影響，特別是減少小麥季地下水灌水次數，回補地下水的生態學機制，實現緩解水資源匱乏壓力，提高水肥利用效率，穩定周年作物產量。

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