監(jiān)控施肥下化肥減施對小麥養(yǎng)分利用及根系生長的影響研究進展

李妍忠智博張磊

(1.塔里木大學農學院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆農墾科學院農田水利與土壤肥料研究所，新疆 石河子 832000；3.南疆干旱區(qū)特色作物遺傳改良與高效生產兵團重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300)

據(jù)統(tǒng)計，到2025年世界人口約為71～78億，食物需求量將增大至70%～100%[1]，這對糧食產量要求更高，對糧食安全更加重視。在全世界范圍內，小麥是重要商品糧和戰(zhàn)略性主要儲備糧，小麥作為粗糧雜食，有充足的營養(yǎng)價值，有利于人體健康，約35%～40%的人口以小麥作為主要食糧[2]。因此，小麥的穩(wěn)定生產對于人的健康安全和社會經濟發(fā)展有重大作用[3]。

近10年，中國小麥年平均播種面積為2.43×107hm2，年平均產量為4912kg·hm-2，新疆小麥播種面積也已達到15.6萬hm2[4]。但新疆屬于西北干旱區(qū)，氣候表現(xiàn)為降水稀少且蒸發(fā)強烈，灌水和施肥作為關鍵因素對小麥產量和品質的提升具有顯著作用，尤其是施肥對改良土壤理化性質，平衡土壤養(yǎng)分，促進作物生長和提高作物的產量和品質均有重要影響。然而化肥的過度施用，導致農田土壤環(huán)境污染加重，耕地質量下降，甚至對生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響，如土壤退化、地下水硝酸鹽污染、湖泊富營養(yǎng)化、酸雨、氨揮發(fā)等[5，6]。

隨著滴灌技術的引進及大面積應用，小麥已由傳統(tǒng)灌溉施肥模式發(fā)展為滴灌水肥一體化技術模式，具有節(jié)水、節(jié)肥、省工等優(yōu)點[7]。但在推廣應用中仍然存在諸多問題：缺乏滴灌栽培的專用小麥品種；過量施肥普遍存在，造成增產不增收現(xiàn)象；養(yǎng)分投入比例不平衡，重氮輕磷鉀的施肥策略，導致成本增加、產量降低和養(yǎng)分利用效率偏低；有機肥、無機肥的施用比例不平衡，有機肥施用嚴重不足，耕地地力質量下降嚴重；水肥運籌不科學，過度強調“重頭肥”、基肥(底肥)，追肥(滴施)不足，小麥早衰嚴重；缺乏滴灌小麥水肥協(xié)同增效調控技術模式，施肥仍沿用常規(guī)方法，灌溉與施肥技術脫離，嚴重制約著水肥一體化效益的發(fā)揮。水肥運籌不科學，增產節(jié)水效果在各地表現(xiàn)差異比較大，已成為影響監(jiān)控施肥技術在當前和將來大面積應用，充分發(fā)揮其增產增效潛力的限制因素。綜上，根據(jù)區(qū)域特點深入研究小麥水肥一體化水肥耦合機理和肥料運籌策略研究是解決當前水肥一體化技術不到位、肥料利用率不高的關鍵所在，是達到化肥減施增產增效目標的保障。

1 監(jiān)控施肥下的化肥減施技術的含義與作用

2009年開展初期試驗階段至2016年中期較為成熟階段，先后開展旱地小麥試驗點，應用監(jiān)控施肥技術[8]，以“作物豐產、養(yǎng)分高效、土壤培肥、環(huán)境友好”為目標。在小麥播種前和收獲后開展土壤養(yǎng)分含量測定，結合目標產量的養(yǎng)分需求，確定小麥生長過程中所需的氮、磷、鉀肥料用量，有效減少和優(yōu)化肥料用量，實現(xiàn)小麥穩(wěn)產增產，提高肥料利用率，并降低土壤硝酸鹽殘留。在2020年農業(yè)農村部提出“化肥零增長計劃”后，應大力推行監(jiān)控施肥技術，用來維持植株與土壤中氮、磷、鉀素的平衡，尋找最適宜施肥量；既能解決肥料利用率低的問題，還能保證作物獲得更高的籽粒產量[9]，同時還能滿足土壤培肥和保護生態(tài)環(huán)境的需要。這對認識和指導新疆不同灌區(qū)的小麥養(yǎng)分管理和完善灌溉小麥生產中的科學施肥技術有重要意義。

2 化肥減施對小麥養(yǎng)分吸收的影響

小麥是一種密植作物，生育期短，對養(yǎng)分的需求量較為集中[10]。而養(yǎng)分吸收是小麥干物質積累的基礎，干物質積累是產量形成的前提[11]。研究表明，小麥的植株干物質積累量會隨施肥量增加而減小，因此過量施肥會抑制干物質積累[12]。其中，氮肥是對小麥影響最大的元素之一，缺氮和過量施氮都會抑制小麥地上部生長[13]。監(jiān)控施肥處理下小麥的籽粒、莖葉和穎殼的含氮量顯著高于常規(guī)施肥處理[14]。在一定范圍內隨化肥施用量增加，有效小穗數(shù)、穗長也在不斷增長，產量也在明顯提高[15]，超出有效范圍產量增加不顯著，甚至降低[16]。化肥減施會使滴灌小麥干物質積累量增加，從而表現(xiàn)出最佳的穩(wěn)產和增產效應[17]。因此適量減施化肥對滴灌小麥的各器官和植株的干物質積累具有促進作用[18]。在新疆地區(qū)實行監(jiān)控施肥技術，合理減施化肥有利于優(yōu)化群體結構，最終能夠提高小麥籽粒產量[19]。但有學者提出相反結論，認為化肥減施不利于植株氮磷鉀的養(yǎng)分含量積累，因施肥量無法達到小麥生長過程中的養(yǎng)分需求，無法提高籽粒產量，且減肥處理的小麥長勢明顯弱于常規(guī)處理[20]，有此差異的主要原因可能為，其設置的常規(guī)處理和減施處理的施肥量，與監(jiān)控施肥下的化肥減施設置的施肥量不相符，適量減少化肥施用量不僅能夠提高產量，而且顯著提升化肥利用率[21]，同時增加小麥的化肥貢獻率、化肥偏生產力和化肥農學效率，增大生產經濟效益，具有較高的產投比。

3 化肥減施對小麥土壤養(yǎng)分變化的影響

小麥種植過程中，合理施肥可以使其生長的更好，產量得到提高，并具有良好的經濟和生態(tài)效益。而過量施肥會使小麥的生長前期土壤耗水量加大，肥料利用率降低，導致土壤中大量硝酸鹽累積[22]，農田土壤N2O排放量增加[23]，殘留的硝酸鹽因其具有高流動性而易于瀝濾到更深土層[24]，硝酸鹽浸出以及地下水污染將成為新的問題[25]，最終破壞農田土壤環(huán)境和糧食生產的可持續(xù)性[26]。目前調控作物收獲后土壤的化肥殘留是實現(xiàn)農業(yè)與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關鍵，作物高產和減少化肥殘留應相輔相成，根據(jù)土壤供氮能力施肥是實現(xiàn)這一目標的基本原則。

研究表明，化肥中僅有20%～50%的氮和30%～45%的磷能夠被作物吸收，其他剩余部分將以硝酸鹽形式損失[27]。當作物收獲期時根層土壤氮含量為30～50kg·hm-2時，就能夠避免發(fā)生硝態(tài)氮淋溶[28]。實施監(jiān)控施肥技術可以降低土壤硝態(tài)氮累積殘留和淋溶[8]。優(yōu)化施氮能夠避免深層土壤中硝態(tài)氮的累積，減少氮盈余[29]，使收獲期0～100cm土層殘留的土壤硝態(tài)氮控制在55kg·hm-2的安全閾值內。然而，磷肥與氮肥不同，施入土壤后，磷肥的當季利用率較低，未被利用的剩余部分，將以不同形態(tài)的磷酸鹽積累在土壤剖面中，累積在土壤中的磷后效作用很高。合理施用磷肥能夠降低土壤磷素殘留[30]。當土壤有效磷含量超過滿足小麥作物磷素需求時，增施磷肥不能增產[31]。通常在不同的地塊里土壤速效磷含量反應不同，當在速效磷含量較低的地塊時，施用磷肥可以提高籽粒產量，但在速效磷含量較高的地塊，地塊土壤本身能夠滿足作物磷素需求，無法吸收外界所提供的磷肥時，施磷對籽粒產量影響不顯著。

目前隨著鉀肥的儲量有限，鉀肥資源也將逐步下降。通常鉀肥價格較高，若過量施鉀會降低農戶經濟成本。但鉀肥具有增產和抗倒伏的作用，因此科學合理的施用鉀肥對小麥具有重要作用。由于大部分農田的土壤含有豐富的鉀素，作物對鉀素滿足率相對較高，鉀肥的當季利用率通常也較高，一般不需要大量施用鉀肥便可以滿足作物高產優(yōu)質的需求[32]。為了維持土壤中鉀素對植物的有效供應，必須保證使土壤速效鉀穩(wěn)定在一定的水平。監(jiān)控施肥技術下的施鉀量較低，土壤中的速效鉀含量便會降低，其施鉀增產效應和鉀肥利用率就越高。

另外，從環(huán)境安全角度出發(fā)，盈余的化肥會累積在土壤剖面，形成危險的生態(tài)環(huán)境隱患[33]。因此需探究不同施肥量對作物生長及土壤養(yǎng)分積累的影響，找到適宜的施肥量，合理施肥是農業(yè)高產高效和可持續(xù)發(fā)展的必然要求。監(jiān)控施肥下減施化肥不會因長期忽視土壤監(jiān)測而造成硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀等大量累積和淋溶的隱患。因此，迫切需要開展監(jiān)控施肥技術的探究，這對土壤安全和糧食安全的意義重大。

4 化肥減施對根系的影響

根系是小麥的重要器官之一，其主要作用是吸收水分和養(yǎng)分，也是多種激素、氨基酸和有機質合成的重要場所[34]，在植株-土壤生態(tài)系統(tǒng)中具有重要作用。通過施肥方式或栽培措施能夠緩解根系衰老，提高根系生理活性進而提高小麥產量[35]。通常合理的施用化肥和適當?shù)墓喔燃夹g能夠調節(jié)小麥根系生長，增強根系活力。施用化肥能夠加快小麥地上部的生長發(fā)育，擴根群，提升根質量，增強根系功能；但過高或過低的肥料施用量對小麥的根系生長沒有明顯的促進作用，反而導致肥料資源浪費[36]。肥料是農業(yè)生產力的基礎，是重要的農業(yè)生產資料，農業(yè)生產力的水平可以反映出小麥根系的分布特征，生產力水平越高，根系為“寬深型”高產根型，生產力水平越低，根系為“窄淺型”低產根型，旱地小麥的根型通常為高產根[37]。小麥根系屬于須根系，其根系發(fā)達，一般可延伸至土層100cm或更深，呈“T”字形分布，根系生長曲線呈“S”型。小麥根系在生育早期生長較為緩慢，在中期持續(xù)生長較快，在后期生長變得緩慢甚至出現(xiàn)下降的趨勢。根系活力能夠反映出作物吸收養(yǎng)分能力的強弱，在小麥植株中，大多數(shù)根系對硝態(tài)氮的吸收利用更加明顯；根系活力越高，養(yǎng)分吸收能力越強。適量施肥能顯著提高根系活力；但施肥過量便會抑制根系活力[38]。化肥減施能夠促進根系發(fā)育，進而更高效地穩(wěn)定小麥的產量構成因素達到高產的目的。在施肥過量的條件下，根系生長發(fā)育會受到抑制，在化肥虧缺時，會降低根系數(shù)量導致產量下降；只有合理施肥才能夠助于根系生長并蔓延至深土層中，提高抗倒伏性并達到高產。與過量的施肥處理相比，適當降低施肥量，對小麥根系生物量具有促進作用[39]。因此，在農業(yè)生產中應根據(jù)小麥對化肥的不同適應性，合理進行肥料的調控，適當減施化肥，提高小麥根系活力，使小麥的養(yǎng)分吸收能力有所提高，進而增加小麥產量。

5 結論與展望

新疆是我國西北干旱地區(qū)，降水量少，實行水肥一體化滴灌種植小麥具有大量優(yōu)點，但目前農戶仍然根據(jù)傳統(tǒng)的小麥施肥栽培模式，充分灌溉、投入大量化肥，勞動力度大。傳統(tǒng)施肥方式會導致費時、費財、費力，增加了勞動成本，還會造成肥料資源浪費和環(huán)境污染。近年來，化肥的價格有很大提升，如果堅持使用傳統(tǒng)的施肥方式，農戶施用大量化肥、人力、財力來實現(xiàn)小麥高產，從根本上將無法達到最大經濟效益。為此提出監(jiān)控施肥模式，這種監(jiān)控施肥模式，從農戶的角度，既能夠減少成本，還能夠達到更高的產量和高收益、高收入。從農業(yè)環(huán)境角度，在根源上減少了地下水污染，最大程度的降低土壤污染，將土壤中的殘留物減少到最低。從人體健康角度，化肥減施后將減少對人類健康的危害性。

本文綜述了監(jiān)控施肥下的化肥減施對滴灌春小麥的影響研究進展，從合理的化肥減施角度得出以下結論，合理的化肥減施對滴灌春小麥生長是有利影響，合理的化肥減施會使春小麥根系生物量和根系活力增強，從而促進干物質積累量和養(yǎng)分吸收作用，通過加快養(yǎng)分吸收和增加干物質積累量最終實現(xiàn)高產。化肥減施能夠將土壤中的硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀的含量降低，從而降低殘留量，避免造成淋溶損失；最終達到減少化肥施用量，加快小麥生長；穩(wěn)定或增加小麥籽粒產量，提高化肥利用效率。

氮肥、磷肥和鉀肥是春小麥生長過程中的必需元素，合理的共同施用氮、磷、鉀肥才對小麥的生長過程有最佳的促進作用。目前在新疆干旱冷涼區(qū)使用監(jiān)控施肥下化肥減施模式，研究3種元素肥料共同施用于滴灌春小麥的學者仍然較少。在將來的農業(yè)生產中監(jiān)控施肥下化肥減施將會被推行使用，因其優(yōu)點遠大于傳統(tǒng)施肥，不論氮、磷、鉀肥都應節(jié)制施用，為農業(yè)可持續(xù)發(fā)展作出貢獻。