高寒地區氮肥減量分期施用對燕麥生物量及氮肥利用率的影響

收稿日期：2024-03-04；修回日期：2024-05-03

基金項目：高寒區高品質燕麥生產及牦牛高效轉化利用關鍵技術研究（2022-NK-130）；現代農業產業技術體系建設專項資金（CARS-07）資助

作者簡介：段連學（1996-），女，漢族，河北張家口人，博士研究生，主要從事牧草栽培育種方面的研究，E-mail：dlx1234560201@126.com；*通信作者Author for correspondence，E-mail：jzhfeng@163.com

摘要：氮肥施用量與方式直接影響燕麥（Avena stativa）產量和氮肥利用率，是作物生長和產量的關鍵因素。為探究氮肥減量分期施用對燕麥生物量及氮肥利用率的影響，本研究采用兩因素試驗設計，以‘青海甜燕麥’為試驗材料，設置了3個施氮水平（N1：69 kg·hm^-2，常規施氮量；N2：51.75 kg·hm^-2；N3：34.5 kg·hm^-2）和2個施氮時期（D1：全部基肥；D2：30%基肥+70%拔節期追肥），并以全生育期不施氮肥為對照（CK），動態監測了燕麥的地上生物量和植株含氮量等指標。結果表明，在燕麥的不同生長階段，相較于一次性基施常規施氮量，采用75%氮肥分期施用的策略可以顯著增加燕麥的地上生物量，在燕麥的完熟期達到最佳產量（14 100.4 kg·hm^-2）。此外，75%氮肥分期施用氮肥利用率和氮肥貢獻率分別提高26.07%和4.90%。因此，在青海省湟中地區，75%氮肥分期施用能有效減少氮肥損失，提高氮肥利用率，最終實現減氮不減產。

關鍵詞：施氮量；施氮時期；地上生物量；氮素吸收利用

中圖分類號：S817.8 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0435（2024）10-3185-09

Impact of Reduced and Split Nitrogen Fertilization on Oat Biomass and Nitrogen Use Efficiency in Alpine Regions

DUAN Lian-xue， MA Xiang， JU Ze-liang， JIA Zhi-feng^*

（College of Animal Husbandry and Veterinary Science， Qinghai University， Key Laboratory of Utilization of Excellent Pasture Germplasm Resources on the Qinghai-Tibetan Plateau， Laboratory of Research and Utilization of Germplasm Resources on the Qinghai-Tibetan Plateau， Xining， Qinghai Province 810016， China）

Abstract：The amount and method of nitrogen fertilizer applgjQyVyaTOfmCXfNMsq0n2A==ication directly affect oat yield and nitrogen use efficiency，which are crucial factors for crop growth and production. To investigate the impact of reduced nitrogen fertilization in different stages on oat biomass and nitrogen use efficiency，this study employed a two-factor experimental design，using Avena sativa L. ‘Qinghai’ as the test material. Three nitrogen application levels （N1：69 kg·hm^-2，conventional nitrogen application rate;N2：51.75 kg·hm^-2;N3：34.5 kg·hm^-2） and two nitrogen application periods （D1：all basal fertilizer;D2：30% basal fertilizer + 70% topdressing during jointing stage） were set up，with no nitrogen fertilizer application during the entire growth period as the control （CK）. The study dynamically monitored indicators such as oat aboveground biomass and plant nitrogen content. The results showed that compared with the conventional nitrogen application rate in a single basal application，the strategy of applying 75% nitrogen fertilizer in two stages could significantly increase the aboveground biomass of oats during different growth stages，achieving the optimal yield （14 100.4 kg·hm^-2） during the full maturity stage of oat. In addition，the nitrogen use efficiency and nitrogen contribution rate of the 75% nitrogen fertilizer applied in two stages increased by 26.07% and 4.90%，respectively. Therefore，in the Huangzhong region of Qinghai Province，applying 75% nitrogen fertilizer in two stages can effectively reduce nitrogen loss，improve nitrogen use efficiency，and ultimately achieve nitrogen reduction without yield reduction.

Key words：Nitrogen application;Nitrogen application period;Aboveground biomass;Nitrogen uptake and utilization

燕麥（Avena sativa）是禾本科燕麥屬一年生草本植物。因其獨特的生長習性和豐富的營養價值，在我國的高寒地區被廣泛種植^［1-2］。它不僅能在高海拔、瘠薄的土壤中茁壯成長，為當地畜牧業提供穩定的飼料來源^［3］，也能改善土壤結構，提升土壤肥力，為其他作物的生長創造有利條件。因此，種植燕麥這一系列優勢不僅促進了畜牧業的可持續發展，還能帶動了飼料加工、畜產品加工等相關產業的繁榮，為當地為當地經濟注入了新的活力^［4-5］。

在追求燕麥的高產、穩產和優質目標時，合理施肥顯得尤為關鍵。氮素，作為植物生長發育所必需的礦質營養元素，在提高作物產量、改善品質和增強土壤肥力方面發揮著至關重要的作用^［6］。然而，值得注意的是，中國作為全球最大的氮肥消費國之一，每年的施用量4400多萬噸，占全球消費量的30%，其平均利用率卻僅為30%～35%^［7］，這一現狀凸顯了氮肥使用的不合理性，它不僅對生態平衡造成破壞，更對現代農牧業的安全生產構成嚴重威脅。因此，我們迫切需要采取有效措施，提高氮肥的利用效率，以確保燕麥的優質高產，同時保護生態環境，促進農業的綠色和可持續發展。在此背景下，提高氮素利用效率成為了核心議題^［8-9］。青海省作為我國的關鍵生態屏障區域，已經積極行動起來，實施了“到2020年實現化肥使用量零增長”的宏偉計劃^［10］。自2015年以來，青海省的氮肥使用量已呈現出顯著的下降趨勢，尤其是2018年后^［11］。這一變化不僅反映了農戶施肥觀念的轉變，也體現了農業生產對環境保護意識的提升。然而，盡管氮肥使用量在減少，但施氮量對作物氮肥利用效率的影響依然不容忽視。通常，隨著施氮量的遞增，氮肥的利用率卻逐漸降低^［12-13］。這是因為作物在其生長周期內所需的氮肥量受到土壤條件及外部環境的嚴格制約。在青海地區，燕麥的種植過程中，農戶傳統的施肥方式往往是將全部的氮肥作為基肥一次性施入土壤中。然而，這種施肥方式存在諸多弊端。首先，它可能導致氮肥的流失，進而降低其利用率；其次，這種施肥方式可能無法滿足燕麥在生長后期對氮肥的需求，從而對燕麥的產量產生負面影響。為了充分挖掘燕麥的生產潛力，提高其在不同生長階段的氮含量和氮肥利用率，我們有必要深入探索更為合理的氮肥運籌模式。在這方面，易鎮邪等^［14-15］研究揭示了基肥與追肥比例對氮肥利用效率的顯著影響，為我們提供了寶貴參考。此外，陳新平等^［16］通過田間試驗發現，優化基肥與追肥比例能顯著提高氮肥效率并維持作物產量。李生秀^［17］則強調，追肥的比例和時機對氮肥效率至關重要，適量適時追肥能滿足作物氮素需求，提升氮肥利用效率。因此，針對青海地區燕麥種植的特點和土壤條件，可通過優化基肥與追肥的比例，以及調整施肥的時間和方式，來提高氮肥的利用效率，增加燕麥的產量，減少氮肥的流失，降低對環境的污染，從而實現生態環境保護，推動農業向綠色、可持續的方向發展。

盡管近年來青海地區燕麥栽培研究在品種比較、雜交選育及性狀遺傳力分析等方面取得了顯著進展^［18-20］，但關于分期施氮對燕麥產量及氮肥利用效率的影響研究仍顯不足。相比之下，玉米（Zea mays L.）、小麥（Triticum aestivum L.）、水稻（Oryza sativa L.）等糧食作物在這方面的研究更為成熟^［21］。鑒于此，本研究選擇‘青海甜燕麥’為研究對象，深入探究減量分期施氮策略對其地上生物量及氮素吸收利用的具體影響，旨在為青海地區燕麥種植中的肥料節約提供科學的理論依據和實用的技術支持，進而推動該地區燕麥產業的健康發展。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗基地位于青海省東部農區湟中區魯沙爾鎮（101°59′E，36°42′N，海拔2630 m），地勢平坦，氣候寒冷潮濕，無絕對無霜期，年均溫4.6℃，歷年年降水量500～650 mm，前茬作物是蕎麥（Fagopyrum esculentum Moench.）。試驗地基礎養分含量為pH 8.0，全氮1.56 g·kg^-1、全磷2.21 g·kg^-1、全鉀含量為 20.43 g·kg^-1，速效鉀110 mg·kg^-1，有機質18.41 g·kg^-1。

1.2 試驗材料

供試材料‘青海甜燕麥’由青海大學畜牧獸醫科學院提供。所用化肥為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（含PO 12 %），生產商為三環云天化有限公司。

1.3 試驗設計

采用施氮水平和施氮時期兩因素試驗設計，設定了69 kg·hm^-2（N1，常規施氮量）、51.75 kg·hm^-2（N2，常規施氮量75%）和34.5 kg·hm^-2（N3，常規施氮量50%）三個施氮水平，以及全部基施（D1）和基施+拔節期追施（D2，3∶7比例）兩個施氮時期。常規施肥量（尿素和過磷酸鈣）的設定參考了梁國玲等^［22］的研究成果。試驗以不施氮肥為對照（CK）。不同處理的施氮量見表1，隨機區組排列，重復3次，共21個小區，每個小區面積為3 m×5 m。拔節期追肥，采用溝施方式。于4月24日播種，播種方式為人工條播，條播行距為 25 cm，播量240 kg·hm^-2。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 生物量 在燕麥抽穗、開花、乳熟和完熟期，各小區齊地刈割1 m²裝風干袋，自然陰干后稱重，后折算成kg·hm^-2。

1.4.2 含氮量 在燕麥抽穗、開花、乳熟和完熟期各小區選 10 株長勢均勻的植株進行莖、葉、穗分離，放入烘箱內烘至恒重。采用濃硫酸消煮，國標GB2905-1982 半微量凱氏定氮法^［23-24］測定植株地上部分各器官的全氮含量。各指標公式如下：

氮肥貢獻率（%）=（施氮區產量-不施氮區產量）/施氮區產量×100;

氮素吸收效率（kg·kg^-1）=成熟期植株氮素積累量/施氮量;

氮素農學效率（kg·kg^-1）=（施氮處理作物產量-不施氮處理作物產量）/施氮量;

氮肥利用率（%）=（施肥區植株地上部氮積累量-對照區植株地上部氮積累量）施氮量×100;

氮肥偏生產力（kg·kg^-1）=單位面積籽粒產量/單位面積施氮量

1.5 數據處理

使用Excel 2019軟件對試驗數據進行整理及制圖，采用SPSS 21.0進行方差分析，多重比較采用Duncan新復極差法，對不同處理下地上生物量、各器官含氮量、氮肥貢獻率、氮素吸收效率、氮素農學效率、氮肥利用率等指標在a=0.05水平下進行差異顯著性分析。不同時期下的差異分析采用t檢驗。

2 結果與分析

2.1 減量分期施氮對青海甜燕麥地上生物量的影響

不同施氮量和施氮時期對青海甜燕麥地上生物量影響顯著（表2），在不同生育時期，施氮水平和施氮時期對燕麥地上生物量均影響顯著（P<0.01）。同時，施氮水平和施氮時期互作對燕麥地上生物量的影響均達到顯著水平（P<0.05）。

在同一施肥時期，不同施氮水平顯著影響燕麥的平均地上生物量（P<0.05）。隨著施氮量增加，燕麥地上生物量呈增長趨勢（圖1、圖2）。具體而言，在施氮量達到N1水平時，燕麥的地上生物量達到了最高值。相較于生物量最低的N3處理，N1處理顯著提高了生物量，在作物的生長過程中，其抽穗期、開花期、乳熟期和完熟期的生物量增長率分別為10.21%、31.05%、13.35%和6.55%。表明適量增加氮肥的施用量可以提高燕麥的地上生物量。除了施氮量外，施肥時期也對燕麥地上生物量有顯著影響（P<0.05）。在D2施肥時期下，燕麥的地上生物量表現最佳，在抽穗、開花、乳熟和完熟期，其平均生物量分別達到了8567.02，10 533.69，13 159.8和13 429.33 kg·hm^-2。

不同處理對青海甜燕麥地上生物量影響顯著（P<0.05，圖3）。同一施氮時期下，燕麥地上生物量隨施氮量的減少呈下降趨勢，而在同一施氮水平下，燕麥地上生物量以分期施氮表現最好。

同一施氮時期下，燕麥地上生物量與施氮量呈正比，且不同施氮時期下均以施氮量N1水平地上生物量最高，對照最低；同一施氮水平下，燕麥地上生物量隨施氮時期不同而不同，均以30%基肥和70%拔節肥（D2）最高。表明氮肥按比例分期施用（D2）優于氮肥全部基施（D1），施氮時期對燕麥產量的影響成效顯著。將75%的氮肥按比例分期施用，與一次性基施常規施氮量相比，燕麥地上生物量分別提高了7.4%、13.77%、10.70%和8.88%。

在不同施氮水平、施氮時期下，生育期對青海甜燕麥地上生物量同樣具有影響，各生育期燕麥地上生物量均以N1施氮量，播種期和拔節期追施氮肥為最佳，隨著生育期的推進，在完熟期達到峰值，最高地上生物量為14 100.4 kg·hm^-2，而在抽穗期產量最低。因此，實際生產中改變氮肥施用時期有利于提高燕麥地上生物量。

2.2 減量分期施氮對燕麥地上部植株氮含量的影響

在不同生育時期，施氮水平和施氮時期對燕麥地上部氮含量均達到顯著影響（P<0.001），施氮水平在開花期和完熟期對燕麥地上部氮含量的影響較大，同時，施氮水平與施氮時期互作效應對地上部氮含量影響顯著（表3）。

不同施肥處理在抽穗期、開花期、乳熟期和完熟期對青海甜燕麥植株氮含量的分析結果表明，在同一生育期，施肥與不施肥處理之間，氮含量差異顯著（P<0.05）。在各個生育期內，燕麥植株氮含量總體呈下降趨勢（圖4）。在不同生育期，與一次性基施常規施氮量相比，75%氮肥按比例分期施用燕麥植株氮含量分別提高11.48%，15.66%，18.77%，和8.12%。不同施氮時期對植株氮含量有顯著影響（P<0.05），各生育時期植株中氮含量均在氮肥按比例分期施用條件下最高。

2.3 減量分期施氮對燕麥各器官氮含量的影響

不同施氮水平和施氮時期對燕麥各器官氮含量影響顯著（P<0.001，表4）。在不同生育時期，施氮水平和施氮時期對燕麥各器官氮含量均達到顯著影響（P<0.001），施氮水平在開花期和完熟期對燕麥各器官氮含量的影響較大，同時，施氮水平與施氮時期互作效應對燕麥各器官氮含量影響顯著。

隨著生育期的推進，植株地上部分的氮含量會發生相應的變化（圖5）。在抽穗至成熟的階段，隨著施氮量的減少，燕麥的葉、莖和穗中的氮含量會顯著降低（P<0.05）。在N1，N2和N3的施肥條件下，從抽穗期到成熟期，燕麥的葉、莖和穗的氮含量呈現出D2>D1的趨勢。

植株的氮含量在各生育期中，隨著施肥量的增加而提高，不同施肥處理之間的差異顯著（P<0.05）。當增施氮肥時，從抽穗期到開花期，各施肥處理間的葉片氮含量下降幅度較小，而從開花期到完熟期則下降幅度較大。在同一生育期中，增施氮肥能夠顯著提高葉片的氮含量，且各施肥處理之間的差異顯著（P<0.05）。在D1和D2的條件下，各生育期的施肥量與葉中氮含量的相關系數分別為0.919，0.907，0.874，0.889和0.979，0.986，0.982，0.969（表6）。燕麥莖中的氮含量變化趨勢與葉片相似，D1和D2條件下，各生育期的施肥量與莖中氮含量的相關系數分別為0.862，0.985，0.911，0.985和0.987，0.963，0.989，0.933。燕麥穗中的氮含量隨著生育期的推進而上升，D1和D2條件下，各生育期的施肥量與莖中氮含量的相關系數都呈顯著正相關。

2.4 減量分期施氮對青海甜燕麥氮素利用效率的影響

在不同的氮肥處理下，氮肥利用率的表現亦不同，青海甜燕麥在各氮肥處理下的氮素吸收效率、氮素農學效率、氮肥偏生產力氮肥利用率和氮肥貢獻率在氮肥按比例分期施用條件下皆最高，且差異顯著（P<0.05）（表6）。D1，D2條件下，氮素吸收效率、氮素農學效率、氮肥偏生產力均表現為N3>N2>N1，氮肥利用率、氮肥貢獻率為N1>N2>N3。同一施氮量下，氮素吸收效率、氮素農學效率、氮肥偏生產力氮肥利用率和氮肥貢獻率表現為D2>D1。與一次性基施常規施氮量相比，75%氮肥分期施用氮肥利用率、氮肥貢獻率均顯著提高26.07%和4.90%。

3 討論

氮肥在作物的生長過程中具有不可或缺的重要性，它是決定作物氮素吸收效率的核心要素。眾多科學研究已經證明，氮肥的施用量及其分配比例對植株體內的氮含量有著顯著的影響，且這種影響與氮肥的用量呈現出正相關的關系^［25-26］。隨著氮肥用量的增加，植株的氮含量也會相應提高。在燕麥的生長初期，尤其是在拔節期之前，植株的體型相對較小，其對氮肥的需求相對較低。然而，即使在這個階段，如果土壤中的氮肥供應過于充足，而基肥的施用量過高，植株可能無法完全吸收這些氮素，導致氮肥的浪費和流失^［27-28］。因此，在燕麥的生長過程中，我們需要根據植株的生長階段和氮素需求，科學合理地制定施肥方案。本試驗針對燕麥的拔節期進行了氮肥施用策略的研究，結果表明，與傳統的一次性基肥施用相比，采用75%氮肥分期施用的方式顯著提高了氮肥的利用率，達到了26.07%的提升幅度。這一發現不僅驗證了氮肥分期施用策略在促進燕麥生長和提高氮肥利用效率方面的有效性，也符合易鎮邪等^［14］的研究結果，進一步凸顯了不同作物在氮肥利用上的特異性cd1af35d4c432fd87a6fc2a41a924d1f190475cf1f1cdfd63f32d4df5fe86e56。不同作物在氮肥利用上確實存在顯著差異，這既體現在對氮肥需求量的不同，也體現在對氮肥施用方式和時間的敏感響應上。分期施肥策略正是基于這種特異性，通過減少氮素在土壤中的淋失和揮發損失，確保更多的氮素能夠被作物吸收利用^［29］。這種策略不僅能提高氮肥利用效率，還有助于改善土壤微生物環境，促進氮素的生物固定和轉化，從而維持土壤健康狀態，為作物生長提供更為良好的土壤環境。但我們也必須認識到，長期過量施用氮肥可能對土壤健康產生負面影響，如土壤酸化、結構破壞和微生物群落失衡等^［30］。這些變化會降低土壤的肥力和生產力，對作物生長和品質造成不利影響。因此，在制定氮肥施用策略時，我們需要綜合考慮作物特性、土壤條件、氣候因素等多方面因素。在進一步探索不同施氮時期對燕麥生長的影響時，我們觀察到當75%的氮肥采用分期施用時，燕麥在完熟期的地上生物量達到了最大值。這證明了合理的氮肥分期施用策略對燕麥的生長和產量提升具有顯著的促進作用。同時，我們還發現燕麥能夠有效地調整氮素在植株內的分配，確保穗部有足夠的氮素供應以滿足籽粒發育的需求。這一發現與許國芬等^［32-33］的研究結果相吻合，不僅揭示了燕麥在氮素利用上的高效性，還體現了其對氮肥施用策略的適應性。在評估氮肥施用策略時，我們強調了經濟效益與環境效益并重的重要性。雖然分期施用氮肥可能暫時增加農民的管理成本，但長遠來看，其通過提高氮肥利用效率所帶來的經濟效益是顯著的。更重要的是，分期施肥策略能夠顯著減少氮肥的流失和污染，對保護生態環境和提高農產品安全性具有深遠意義^［34］。這種綜合考慮經濟效益與環境效益的評估方式，體現了我們在制定氮肥施用策略時的全面性和前瞻性。

科技的進步將持續推動相關領域的深化與拓展。目前，我們的研究主要集中在燕麥地上部的生長特性以及氮肥利用效率上。然而，為了更加全面地理解燕麥種植系統對生態和環境的影響，我們計劃將研究范疇拓寬至土壤溫室氣體排放和微生物活動這兩個至關重要的方面。通過這兩方面的研究，我們期望能夠更全面地評估燕麥種植系統的環境效應，為農業的可持續發展提供有力支持。

4 結論

高寒地區75%氮肥分期施用顯著提升燕麥生物量，尤其在完熟期達到最高值14 100.4 kg·hm^-2，證實分期施氮策略的有效性及氮肥減量與分期施用的結合優勢。氮肥利用率和產量貢獻率分別提高26.07%和4.90%，實現減氮不減產目標。本研究為高寒地區燕麥種植提供科學施肥方案，降低生產成本和環境影響，同時豐富農業生態學理論知識，為未來氮肥管理策略優化提供理論支持。

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（責任編輯 彭露茜）