減量施氮對冀東地區春小麥氮肥利用及產量的影響

王爽，李菡，任學軍，王健，郭振清，李云，韓玉翠，林小虎

(1. 河北省作物逆境生物學重點實驗室/河北科技師范學院農學與生物科技學院，河北秦皇島 066004；2. 河北科技師范學院鄉村振興研究中心，河北秦皇島 066004)

小麥是世界三大糧食作物之一，也是我國主要的糧食作物。 近年來我國小麥種植面積變化不大，但單位面積和總產量呈上升趨勢，這得益于小麥品種及栽培技術的不斷提升[1]。 肥料的施用對植株生長起著重要作用，其中氮被稱為“生命元素”，是植物生長發育中重要的營養元素，也是提高作物產量的重要營養元素。 大量研究證明，作物生長過程中施氮水平直接影響其生長和產量形成，同時也影響作物生長過程中的生理代謝[2-4]。 但是，為追求作物高產導致氮肥施用量過多的現象普遍存在，從而導致資源浪費和環境污染[5]。 一味提高氮肥施入量，不僅不會使產量無限制的增加，反而會使小麥產量降低[6-8]。 因此，小麥種植應合理施用氮肥，提高氮肥利用率，以達到節本增效和保護環境的目的。

不同生長環境下小麥對氮素的吸收利用不同[9]。 針對不同生長條件實施氮肥管理，可提高小麥植株的氮素積累量和氮肥利用率，并能促進同化物向籽粒轉運，從而提高產量[10，11]。 冀東地區處于溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，傳統種植制度以春玉米一年一熟和春花生-冬小麥-夏玉米兩年三熟為主。 冀東燕山山前平原區≥0℃積溫達4200℃，多年栽培種植經驗使其形成了春小麥-夏玉米、春小麥-夏谷等一年兩熟栽培模式，但是對于春小麥減氮施肥和肥料利用率的研究較少。 本研究通過分析減氮條件下的春小麥產量、干物質及氮素積累轉運以明確冀東地區春小麥適宜施氮量，為該地區減氮施肥提供理論依據，從而提高種植效益。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗于2021 年在河北科技師范學院農學與生物科技學院試驗站(39°44＇N、119°14＇E)進行。試驗地土壤為壤土，種植前0 ～20 cm 土壤養分狀況:有機質、全氮含量分別為20.38、2.14 g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為72.24、19.78、127.14 mg/kg。

試驗材料為春小麥津強11。 磷肥(P2O5)120 kg/hm2、鉀肥(K2O)120 kg/hm2作為基肥，氮肥(尿素，含氮46 %)于拔節期追施。 共設置4 個施氮水平(0、 80、 160、 240 kg/hm2)，分別表示為N0、N80、N160、N240。 其中，N240(240 kg/hm2)為生產中常規施氮水平。 完全隨機排列，每處理重復3 次。 小區面積16 m2(4 m × 4 m)，行間距20 cm。 2021 年3 月7 日播種，基本苗600 萬/hm2，6月22 日收獲，其他管理措施同當地大田生產。

1.2 測定項目及方法

1.2.1 干物質轉運相關指標 分別于拔節期、孕穗期、抽穗期、開花期和成熟期各取10 株長勢均勻的植株，將地上部分分為葉、鞘、稈、穎殼+穗軸和籽粒，105℃烘箱中殺青30 min，75℃烘干至恒重，稱量各器官干重。 根據以下公式計算相關指標:

花前干物質轉運量＝開花期植株干重-成熟期營養器官干重 ；

花前干物質轉運率(%)＝花前干物質轉運量/開花期植株干重×100 ；

花前干物質對籽粒貢獻率(%)＝花前干物質轉運量/成熟期籽粒干重×100 ；

花后干物質積累量＝成熟期植株干重-開花期植株干重 ；

花后干物質對籽粒貢獻率(%)＝花后干物質積累量/成熟期籽粒干重×100 。

1.2.2 氮素積累轉運相關指標 將烘干樣品用粉碎機粉碎后，用H2O2-H2SO4消煮法消煮后用全自動凱氏定氮儀測定全氮量。

植株氮素積累量＝植株干物質積累量×植株含氮量 ；

花前氮素轉運量＝開花期植株氮素積累量-成熟期營養器官氮素積累量 ；

花前氮素轉運率(%)＝花前氮素轉運量/開花期植株氮素積累量×100 ；

花前氮素對籽粒氮貢獻率(%)＝花前氮素轉運量/成熟期籽粒氮素積累量×100 ；

花后氮素積累量＝成熟期植株氮素積累量-開花期植株氮素積累量 ；

花后氮素對籽粒氮貢獻率(%)＝花后氮素積累量/成熟期籽粒氮素積累量×100 。

1.2.3 氮素利用率相關指標 按以下公式計算。

氮收獲指數(%) ＝ 籽粒氮素積累量/成熟期植株氮素積累量×100 ；

氮肥利用效率(%)＝(施氮區植株氮積累量-不施氮區植株氮積累量)/施氮量×100 ；

氮肥農學利用效率＝(施氮區產量-不施氮區產量)/施氮量 ；

氮肥生理利用率＝(施氮區籽粒干重-不施氮區籽粒干重)/(施氮區植株氮素積累量-不施氮區植株氮素積累量) ；

氮肥偏生產力＝籽粒產量/施氮量 。

1.2.4 產量及產量性狀 成熟期各小區分別劃定3 個1 m2區塊調查穗數；之后人工收割、脫粒、晾曬后稱重，并測定籽粒含水率及折算為13%含水率的千粒重和每公頃籽粒產量。 每小區取長勢均勻的20 穗調查穗粒數。

1.3 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010 進行數據處理和繪圖， DPS 7.05 軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 施氮水平對春小麥干物質積累、轉運的影響

2.1.1 不同時期植株干物質積累的變化 由圖1可知，施氮前(拔節期)各處理間干物質積累量無明顯差異，拔節期施氮后各處理間差異逐漸明顯。不同施氮水平下成熟期植株干物質積累量變異范圍為18752～23472 kg/hm2，施氮處理的干物質積累量均顯著高于不施氮處理。 孕穗期各處理的植株干物質積累量表現為N240＞N80＞N160＞N0，N160顯著低于N80和N240；抽穗期表現為N240＞N160＞N80＞N0，N240、N160、N80均顯著高于N0，N240、N80與N160處理間差異不顯著；N80處理開花期的植株干物質積累量顯著高于N160，成熟期分別較N160和N240顯著提高15.86%和13.62%。 說明，減少施氮量能夠提高抽穗后春小麥植株的干物質積累量，最終促進籽粒發育。

圖1 不同氮處理下小麥各生育時期植株干物質積累量

2.1.2 不同時期植株干物質轉運特征的變化 由表1 可知，施氮處理花前干物質轉運量和對籽粒貢獻率均隨著施氮量的減少而降低。 N240和N160處理的花前干物質轉運量差異不顯著，N80處理顯著低于N240、N160和N0處理。 N80、N160、N240處理的花前干物質對籽粒貢獻率呈顯著性差異，N80顯著低于N160和N240。 N160處理的花前干物質轉運率最高(28.96%)，與N240處理差異不顯著，但顯著高于N80和N0處理，說明減氮提高了春小麥花前干物質轉運率，而過量減氮導致轉運率降低。

表1 不同氮處理對春小麥干物質轉運特征的影響

各施氮水平下，花后干物質積累量及其對籽粒貢獻率均隨施氮量的減少而增加。 N240處理的花后干物質對籽粒貢獻率顯著低于其他處理；N80處理的花后干物質積累量及其對籽粒貢獻率均最高，分別為9330.00 kg/hm2和77.56%，比N0分別高35.18%和12.60%，比N240處理分別高39.88%和20.90%；N160處理的花后干物質積累量及其對籽粒貢獻率比N240處理分別高14.36%和5.36%，說明減少施氮量有利于提高春小麥花后干物質的積累并提高其對籽粒的貢獻率。

2.2 施氮水平對春小麥氮素積累、轉運的影響

2.2.1 不同時期植株氮素積累的變化 由圖2 可知，施肥前(拔節期)各處理間無顯著差異，拔節期后，各施氮處理的植株氮素積累量均顯著高于不施氮處理。 孕穗期和抽穗期，N80、N160處理的氮素積累量均顯著低于N240處理；抽穗期后N80處理的氮素積累量迅速增加，至開花期其氮素積累量(137.86 kg/hm2)較N160顯著提高8.43%，與N240處理(143.27 kg/hm2)相差不大；成熟期N80處理的氮素積累量達到180.44 kg/hm2，較N160(165.61 kg/hm2)和N240(167. 11 kg/hm2) 分別提高8. 95% 和7.98%。 說明減量施氮有利于提高小麥植株生育后期氮素積累量。

圖2 不同氮處理下小麥各生育時期植株氮素積累量

2.2.2 不同時期植株氮素轉運特征的變化 由表2 可知，3 個施氮水平下植株的花前氮素轉運量差異不大，都顯著高于不施氮處理。 3 個施氮處理下花前氮素對籽粒貢獻率表現為N80＜N160＜N240， N240處理貢獻率最高達81.77%，顯著高于其他處理。 3 個施氮處理下花后氮素積累量及對籽粒貢獻率隨著施氮量的減少逐漸升高，均在N80處理達到最大值，分別為42.58 kg/hm2和29.63%，且顯著高于N0和N240。 花前氮素與花后氮素對籽粒的貢獻率呈現相反的變化趨勢，且花前氮素對籽粒的貢獻率所占比例較大。

表2 不同氮處理對春小麥氮素轉運特征的影響

2.3 施氮水平對春小麥氮素利用的影響

由表3 可知，氮肥利用效率、氮肥農學利用效率、氮肥生理利用率和氮肥偏生產力均隨著施氮量的減少而逐漸升高。 N80、N160處理的氮肥生理利用率為45.50、43.13 kg/kg，均顯著高于N240處理的12.25 kg/kg。 各處理的氮收獲指數無顯著差異，N80和N160處理的氮收獲指數較N240處理提高4.24%和4.05%。 說明本試驗條件下，減氮處理能顯著提高春小麥對氮肥的吸收利用。

表3 不同氮處理對春小麥氮肥利用效率的影響

2.4 施氮水平對春小麥產量及產量構成的影響

由表4 可知，N0處理的產量顯著低于其他處理。 各施氮處理小麥產量和穗數均表現為N80＞N160＞N240＞N0，N80處理產量和穗數均最高，分別較N160、N240提高2.15%、8.04%和7.19%、16.31%，說明適當減少施氮量能夠增加穗數、提高產量。各處理間穗粒數表現為N240＞N80＞N0＞N160，N80與N240差異不顯著，但均顯著高于N0處理。 N160處理千粒重最大，顯著高于N0處理，與N240處理差異不顯著，說明少量減氮可以適當增加千粒重。

表4 不同氮處理下春小麥籽粒產量及其構成因素

3 討論

3.1 減量施氮對小麥干物質積累、轉運的影響

小麥植株干物質積累與產量的形成關系密切，而氮素又是影響植株干物質積累的重要組成部分，所以控制好施氮量是保證作物豐產的關鍵因素。 張均華等[12]研究表明，小麥開花期干物質積累量均隨施氮量的增加而增加；姜麗娜等[13]研究發現百農418 和許科316 成熟期的干物質積累量和產量隨施氮量的增加而增加，與本試驗結果不盡相同。 本試驗發現除N80處理外，其他處理干物質積累量變化趨勢與前人研究結果一致。 本試驗表明，施氮量80～240 kg/hm2條件下，小麥花前干物質轉運量及對籽粒的貢獻率隨施氮量的增加而增加，這與蔡瑞國等[14]關于不同灌溉條件下施氮的研究結果一致，而不同于雷鈞杰等[15]的研究結果，其原因可能與栽培環境和灌溉方式等因素有關。 在生產中常規施氮水平(N240處理)花后干物質積累量及其對籽粒貢獻率并不是最高，干物質轉運指標在減氮處理下顯著高于常規施氮量處理，表明施氮量過高反而會降低花后干物質的轉運，這與馬東輝等[16]的研究結果一致。 實際生產中，施氮量過高會降低小麥營養器官中的同化物向籽粒的轉運率[17，18]。 說明通過適當減少施氮量可以提高花后干物質的積累量及其對籽粒的貢獻率。

3.2 減量施氮對小麥氮素積累和轉運的影響

合理施用氮肥能夠提高小麥植株氮素積累量，從而促進氮素向籽粒的轉運，最終達到增產及提高品質的目的[7，19]。 有研究表明，小麥植株氮素積累量在各生育時期隨施氮量的增加而增加[20]，與本研究結果相似。 本試驗條件下除N80處理外，其他處理小麥植株氮素積累量在各生育時期的變化趨勢與前人研究結果一致。 本試驗表明，花前氮素轉運量隨施氮量的減少先降低后升高，N240處理轉運量最高，但與N80處理差異不顯著；除N80處理外，花前氮素轉運率隨施氮量的增加呈下降趨勢，但各處理間無顯著差異，這與前人研究結果類似[21]；除N0處理外，花前氮素對籽粒的貢獻率隨著施氮量的增加而提高，與孔麗婷等[19]的研究結果不一致，這可能與不同試驗地區常規施氮量的水平有關。 除N0處理外，花后氮素積累量及其對籽粒貢獻率隨施氮量的增加而降低，N80與N160無顯著差異，但均顯著高于N0和N240處理。 表明，施氮量過低不足以支撐后期植株生長，使得葉片早衰，沒有足夠的氮素轉運至籽粒；過量施氮則會造成植株營養器官超負荷運載，導致營養器官光合能力下降，不利于營養體中的氮素向籽粒轉運[22]。 氮素對籽粒的貢獻率主要依賴于花前氮素的積累轉運，且花后氮素對籽粒貢獻率與花前相比較，不同施氮水平下呈現相反的變化趨勢。

3.3 減量施氮對小麥氮肥利用的影響

氮肥是提高小麥產量的重要因素，但氮肥的不合理施用，會使氮肥的增產效應下降，從而降低氮肥利用效率。 前人研究表明，氮肥的利用效率隨施氮量的增加呈降低趨勢[21，23]，與本研究結果一致。 郭曾輝等[24]研究發現，在限水減氮處理中，施氮量為150 kg/hm2時冬小麥氮素利用率、氮素收獲指數和氮肥農學效率最高；矯巖林等[25]的研究發現，煙農0428 氮肥農學利用率以180 kg/hm2處理最高。 本試驗條件下，施氮量為80 kg/hm2時，氮肥利用效率、氮肥農學利用效率和氮素偏生產力均顯著高于其他兩個處理，其原因可能是水肥管理和品種的不同。 本試驗表明，各處理間氮收獲指數無顯著差異，但隨著施氮量增加，氮收獲指數呈下降趨勢，與江東國等[26]的研究結果一致。 過量減施氮肥會使土壤肥力氮和作物產量降低，可能無法保證產量穩定和土壤氮素平衡[23]。 施氮量過高氮素可能會利用不充分，營養體中氮不能完全轉運至籽粒，超負荷利用葉片及莖鞘氮會導致葉片早衰，最終影響氮素利用率[22]。 綜上，應因地制宜，依靠地情合理施氮。

3.4 減量施氮對小麥產量及產量性狀的影響

施氮量是影響產量的重要因素，受地區、品種、管理措施等因素的影響，前人對產量研究的結果也不盡相同。 有研究表明，冬小麥施氮量超過120 kg/hm2時作物產量變化不大[27]；黨廷輝等[28]的研究表明，小麥籽粒產量隨施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢，與本研究結果一致；葉優良等[29]分析認為冬小麥最高施氮量不超過180 kg/hm2。張興梅等[30]的研究發現，春小麥施氮量低于120 kg/hm2時產量隨施氮量的增加而提高，施氮量150 kg/hm2的小麥產量低于120 kg/hm2處理。 代麗婷等[31]的研究發現，施氮量在90 kg/hm2時春小麥產量最高， 但與施氮量82 kg/hm2的產量無顯著差異， 且施氮量在82 kg/hm2時的單位面積穗數最高，這與本研究結果類似。 本研究在施氮量為80 kg/hm2時春小麥產量和穗數均最高，但與施氮量160 kg/hm2處理的產量差異不顯著。 產量與穗數、穗粒數和千粒重三者有著復雜的關系，三者的互作最終影響產量的形成。 穗數是高產的前提和基礎，穗粒重是高產的關鍵[13]。 本研究表明，N80處理穗數顯著高于其它處理，穗粒數顯著高于N0和N160處理。 王月福等[32]認為，提高施氮量能促進小麥分蘗與穗花發育，但對千粒重無顯著影響，這與本研究結果一致。 本研究條件下，施氮量為80 kg/hm2時產量最高，且與其他處理差異顯著，這可能與其穗數、穗粒數較高有關。 說明適當減少氮肥施用量，可以顯著增加春小麥穗數和穗粒數，進而提高產量。

4 結論

本研究得出，適當減少氮肥施用量可以提高干物質積累量及轉運量，提高氮素積累量、轉運率和氮肥利用效率，同時獲得高產。 這既保護了環境又減少了資源浪費，達到節本增效的目的。 本試驗條件下，80 kg/hm2氮素用量處理的氮肥利用效率和產量最高，可作為冀東地區春小麥生產中的推薦施氮量。