密度氮肥互作對稻茬小麥產量及氮效率的協同調控效應

易 媛，蘇盛楠，李福建，徐凱峰，朱新開,2，李春燕 ,2，丁錦峰,2，朱 敏,2，郭文善,2

(1.江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/揚州大學小麥研究中心，江蘇揚州 225009； 2.糧食作物現代產業技術協同創新中心，江蘇揚州 225009)

提高小麥產量潛力和氮素吸收利用效率是解決全球糧食安全和保護生態環境的有效途徑。過量施氮不僅影響作物產量和品質，還會降低經濟效益和氮肥利用率(nitrogen-use efficiency，NUE)，而且會導致N2O的排放、氮素淋失，引起地下水污染、河流和湖泊的富營養化等環境問題[1-3]。諸多栽培措施中，氮肥和密度對小麥產量和氮肥利用效率的影響最突出[4-6]，其中密度是影響產量的主要因子[7-8]，其對產量形成的調控作用大于施氮效應，主要是通過提高穗數和葉面積指數來增加群體數量，進而影響群體光合，密度適宜、個體健壯、群體質量高時，個體和群體在一定的時間和空間范圍內協調生長，可使穗數、穗粒數、粒重協調增加，從而獲得較高的產量。施氮量與籽粒產量呈二次曲線關系[9]，超過一定閾值后再繼續增加施氮量時，群體過度繁茂，雖穗數有所增加，但植株生長不良，穗粒數和粒重反而下降，最終增產效果不顯著，甚至減產[10-11]。有研究認為，氮肥利用率與施氮量也呈極顯著二次曲線關系[12]。也有研究表明，氮肥吸收利用率隨施氮量增加而降低[13-14]。分次施肥有利于提高小麥氮素吸收效率[12,15-16]，合理的氮素運籌比例可有效調控群體發展，優化群體結構，延緩后期植株衰老，氮素的生產力和氮肥利用率較高[17]。如何通過栽培措施的協調來實現產量與氮效率的同步提升，是當前小麥生產中亟待解決的問題，其中關于密度與氮肥互作對協同提高產量和氮效率的研究目前較少。本試驗針對江蘇淮北生態區稻茬小麥氮肥用量高、利用率低的現狀，以農民習慣施氮量(270 kg·hm-2)為基數，將施氮量降低15%～30%，探討密度與氮肥互作對稻茬半冬性小麥產量、NUE的協同提高效應，分析減氮增效的栽培技術途徑，以期為提高本區域稻茬小麥氮效率，實現化肥氮零增加的國家戰略提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

試驗于2014-2016年度在徐州市睢寧縣興華村江蘇省農業稻麥綜合展示基地進行，該區屬亞熱帶溫潤氣候區。供試小麥為半冬性品種徐麥33，由徐州農業科學院提供。前茬為水稻，土壤為輕壤土，2014年秋播時0～20 cm土壤有機質含量為1.91%，全氮含量為0.85 g·kg-1，速效氮含量為74.56 mg·kg-1，速效磷含量為54.79 mg·kg-1，速效鉀含量為181.22 mg·kg-1；2015年秋播時0～20 cm土壤有機質含量為1.65%，全氮含量為0.69 g·kg-1，速效氮含量為64.69 mg·kg-1，速效磷含量為46.07 mg·kg-1，速效鉀含量為153.27 mg·kg-1。2014-2016年小麥生長季氣象條件見表1。

1.1 試驗設計

試驗采用三因素裂區設計，其中密度為主區，設基本苗150×104株·hm-2、225×104株·hm-2兩個水平；以施氮量為副區，以當地農民傳統施氮量270.0 kg·hm-2為基數，設減施30%氮肥(189.0 kg·hm-2)、減施15%氮肥(229.5 kg·hm-2)、不減施(270.0 kg·hm-2)3個水平，另設不施氮肥(0 kg·hm-2)作為計算NUE的參照小區；以氮肥運籌比例為裂區，設基肥∶壯蘗肥∶拔節肥∶孕穗肥為5∶1∶2∶2、3∶1∶3∶3和5∶0∶5∶0三種比例，共設20個處理，重復3次。氮肥種類為尿素(純氮含量46.3%)，基肥于播種前施用，壯蘗肥于4～5葉期施用，拔節肥于葉齡余數2.5時施用，孕穗肥于葉齡余數0.8～1.2時施用。磷鉀肥種類分別為過磷酸鈣(P2O5含量12%)和氯化鉀(K2O含量60%)，用量分別為P2O5120 kg·hm-2和K2O 120 kg·hm-2，全部基施。小區面積30 m2，行距30cm，三葉期間苗。小麥在2014-2015年10月25日播種，6月10日收獲；2015-2016年10月28日播種，6月8日收獲。

表1 2014-2016年小麥生育期間氣象資料Table 1 Meteorological data during 2014-2016 wheat growing season

1.2 主要測定項目與方法

1.2.1 莖蘗動態調查

分別于分蘗期、拔節期、孕穗期、開花期、花后21 d五個主要生育時期，每小區用1 m×1 m的鐵框圈取具有代表性的區域，進行莖蘗總數定點調查，并計算出莖蘗成穗率。

1.2.2 葉面積指數(LAI)測定

分別于各主要生育時期取10株具有代表性的植株連根挖出，帶回實驗室用LI-3000C 葉面積儀測定葉面積，并計算出葉面積指數。

1.2.3 干物質積累量及含氮量測定

把測定葉面積后的植株地下部剪掉，置105 ℃ 烘箱中殺青30 min后，80 ℃烘干到恒重，冷卻后稱重，換算成單株干重，再根據基本苗計算每公頃干重。干樣粉碎后采用凱氏定氮法測定含氮量。

1.2.4 產量及其構成因素測定

收獲前定點調查各小區穗數，計算每公頃穗數。連續取50穗，計數穗粒數，取平均值。成熟期各小區收獲1.2 m2脫粒，風干后稱重，用FOSS-370型近紅外線谷物分析儀測定水分含量，換算為13%水分時的粒重計產，重復3次。

1.3 數據計算

氮肥農學效率(NAE) =(施氮區籽粒產量-不施氮區籽粒產量)/ 施氮量；

氮肥吸收利用率(RE)=(施氮區氮素積累量-不施氮區氮素積累量)/ 施氮量×100%

花后干物質積累量=成熟期干物質積累量-開花期干物質積累量；

莖蘗成穗率=成熟期穗數/最高莖蘗數×100%

收獲指數=籽粒產量/生物產量

花后LAI下降速率=(孕穗期LAI-花后21 d LAI)/ 孕穗期LAI×100%

群體總結實粒數=成熟期穗數×穗粒數

1.4 統計分析方法

試驗數據采用 Excel 2003、DPS 6.55、SPSS 19.0等軟件進行統計分析和繪圖，采用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 密肥組合對稻茬半冬性小麥產量、NAE及RE的影響

對兩年數據方差分析結果(表2)表明，密度、施氮量及運籌比例均對稻茬半冬性小麥的籽粒產量、NAE、RE有顯著或極顯著的影響。除2015-2016年密度與運籌比例、施氮量與運籌比例對產量和NAE的的互作效應不顯著外，在籽粒產量、NAE和RE上密度、施氮量、運籌比例間均存在著顯著或極顯著的兩兩互作效應，其中密度與施氮量的互作對籽粒產量、NAE、RE的影響在兩個年度均達到極顯著水平。這說明稻茬小麥生產中通過合理調控密度與施氮量，有可能實現籽粒產量和NUE協同提高。

表2 不同密氮處理下的稻茬小麥產量、氮肥農學效率及吸收效率方差分析(F值)Table 2 Variance analysis of yield, NAE and RE between different treatments in wheat(F value)

*、**分別表示在0.05和0.01水平上的顯著性。表4同。

*,** indicate significant difference at 0.05 and 0.01 levels,respectively.The same in table 4.

由表3可知，兩個年度產量超過7 500 kg·hm-2的處理中，以密度225×104株·hm-2、施氮量229.5 kg·hm-2的組合下出現高產的概率最大，其中最高產量和NAE均在密度225×104株·hm-2、施氮量229.5 kg·hm-2、運籌比例為5∶1∶2∶2的組合下獲得，并且NAE、RE均較高，說明該密肥組合既減少了施氮量(減15%)，又可以實現籽粒產量與NUE的協同提高，是適宜的節氮增效措施組合。在8 000 kg·hm-2產量水平，密度由150×104株·hm-2增至225×104株·hm-2時，采用適當的氮肥運籌比例(基追比為5∶5)，可使施氮量由229.5～270.0 kg·hm-2降低至189.0～229.5 kg·hm-2，RE維持在41.1%～46.7%，而NAE提高了1.5%～33.3%，說明合理增加種植密度并配以適當的氮肥運籌方式，可維持較高的產量水平和氮肥吸收效率,節省15%～30%的氮肥用量，NAE也顯著提高。另外，增加密度顯著增加了單位面積穗數，而穗粒數顯著減少。相關分析發現，產量的提升主要得益于穗數的增加，兩個年度籽粒產量與穗數的相關系數分別為0.739**、0.858**。

密度225×104株·hm-2、施氮量189 kg·hm-2的組合也能實現高產，但出現的概率比較小，穩產性受到影響，且年度間NAE、RE變化比較大，說明這種組合需要結合不同年型生態條件才能實現高產穩產。同樣，密度150×104株·hm-2、施氮量270 kg·hm-2的組合實現高產的概率也比較小，且不節氮，NAE最低，RE比較低，不符合當前綠色節氮栽培的需求。

分析7 500 kg·hm-2以下產量水平的密肥組合及NAE、RE的變化同樣可以看出，不同密肥組合均可實現7 500 kg·hm-2左右的產量水平，但施氮量對NAE和RE的影響表現不一，如采用密度225×104株·hm-2、施氮量189 kg·hm-2的組合，與密度150×104株·hm-2、施氮量270 kg·hm-2的組合相比，施氮量降低30%，RE雖不同程度降低，NAE兩個年度分別提高10.8%、28.3%；該組合與密度150×104株·hm-2、施氮量229.5 kg·hm-2的組合相比，NAE和 RE無顯著差異，氮肥用量節省了15%(表3)。這進一步說明增加種植密度并配以適當的氮肥運籌方式，可降低15%～30%的氮肥用量，在維持一定產量水平的同時可提高NAE，使氮肥得以高效的施用。

2.2 籽粒產量與NAE、RE的相關性分析

相關性分析(圖1，圖2)表明，籽粒產量與NAE、RE均呈顯著或極顯著的正相關，兩個年度的數據分析均表明，籽粒產量與NAE均呈開口向上的拋物線關系，與RE呈顯著的線性正相關，說明在一定產量范圍內，產量可與NAE、RE實現協同提升。

2.3 小麥籽粒產量、NAE、RE與群體質量指標的相關性分析

由表4可知，小麥籽粒產量、NAE、RE與群體質量指標存在一定的相關關系，產量、NAE及RE的提升得益于小麥群體結構的優化。綜合兩年試驗數據，籽粒產量、NAE、RE與孕穗期LAI、花后21 d LAI、花后干物質積累量、群體總結實粒數均呈顯著或極顯著正相關，與LAI下降速率呈顯著或極顯著負相關，說明要實現高產氮高效的目標，關鍵在于獲得適宜的孕穗期LAI、花后21 d LAI、提高花后干物質積累量和總結實粒數，同時降低LAI衰減速率。

表3 不同產量水平下的密肥組合及氮肥農學效率、吸收效率的差異Table 3 Difference of treatments，NAE and RE under different yield levels

同列不同字母表示同一年不同處理間在0.05水平上的差異顯著性。

Different letters after values in same column indicate significant difference among the treatments at 0.05 level in a same year.

圖1 籽粒產量與氮肥農學效率的相關關系Fig.1 Correlation between grain yield and nitrogen agronomic efficiency(NAE)

圖2 籽粒產量與氮素吸收效率的相關關系Fig.2 Correlation between grain yield and nitrogen recovery efficiency(RE)

表4 小麥主要群體質量指標與產量、NAE、RE的相關關系Table 4 Correlation between main population quality index and yield, NAE, RE

*:P<0.05;**:P<0.01．

3 討 論

在小麥生產實踐中，品種、播期、密度、施氮量和氮肥運籌等因素均對產量和氮肥利用率有不同程度的影響。密度過小或過大均不能有效地協調好產量結構之間的關系，從而難以提高小麥產量，甚至可能減產[18-20]。在不同的土壤肥力、品種等生產條件下進行的研究表明，適當減量施氮，可以優化群體結構獲得高產，同時提高氮肥利用效率。但對于不同類型品種，應當選擇適宜當地栽培條件的施氮量。祁靜玉等[21]認為，在新疆麥區相對于高產條件下300 kg·hm-2的氮肥投入，將施氮量降至250～270 kg·hm-2左右，明顯改善了新春6號和新春31號的群體結構。研究表明，太湖地區麥季推薦施氮量為205 kg·hm-2，在傳統施氮量的基礎上減少10%～40%的氮肥用量，凈經濟效益提高5%～15%[22]。黃淮海麥區小麥生育期間施氮量為270 kg·hm-2左右，產量為8 689 kg·hm-2，在此基礎上降低 25%～30%的施氮量，能夠明顯改善小麥群體結構且產量高達9 420 kg·hm-2[23]。密度和氮肥對產量的調控作用不僅在于兩者本身，還在于兩者間的交互效應[6]。通過施氮與密度的協同作用，可使氮素利用效率得到有效提高[5]。本試驗條件下，密度與施氮量的互作對小麥產量、NAE、RE的影響在兩個年度中均顯著。在保證較高產量水平的基礎上，當密度由150×104株·hm-2增至225×104株·hm-2時，采用5∶5的氮肥基追比例，可使施氮量由229.5～270.0 kg·hm-2降低至189.0～229.5 kg·hm-2，節省氮肥用量15%～30%，同時顯著提高了NAE。此外，產量與NAE、RE均存在顯著或極顯著正相關關系，這與曹 倩等[8]的研究結果一致。在一定的產量范圍內，產量與NAE呈拋物線關系，與RE呈線性正相關，說明高產和氮肥的高效利用可協同實現。但不同品種對氮肥的吸收利用效率存在差異，生產上應根據品種特性和當地栽培條件的不同，配以合理的種植密度和氮肥運籌比例來適當減少氮肥用量，以實現小麥高產氮高效的栽培目標。

適宜的群體結構是小麥實現高產穩產的基礎[24]。有關小麥高產群體特征已有諸多報道[6, 25-27]。前人研究認為，在建立合理群體結構的基礎上，促進開花至成熟階段的干物質積累和向穗部的分配，實現生物產量和經濟系數的同步提高，是獲得小麥超高產的基本途徑[24]；創造合理的群體結構，特別是適宜的LAI和較高的花后干物質積累量是實現高產超高產的重要調控指標[4, 25-27]。張旭等[28]研究表明，小麥粒重、收獲指數、孕穗期LAI和開花期旗葉LAI與氮效率呈顯著正相關。董召娣等[29]提出，花后干物質積累量、總結實粒數是春性和半冬性小麥群體氮肥生產效率(NGPE)的共性調控特征表現,粒葉比可作為春性小麥NGPE、半冬性小麥氮肥農學效率(NAE)差異的評價指標,莖蘗成穗率可作為春性小麥氮肥吸收效率(NUEa)的調控指標。本試驗結果表明，籽粒產量、NAE、RE均與孕穗期LAI和花后21 d的LAI、花后干物質積累量、群體總結實粒數均呈顯著或極顯著正相關，與花后LAI下降速率呈顯著或極顯著負相關，反映出密度對氮肥施用量有一定的補償效應，通過適度增加密度、減少氮肥施用量，可以培育合理群體，獲得較好的群體質量，實現減氮(減15%左右)、較高的產量水平與NAE和RE。但這一結論與不同年型氣象條件的變化有一定的相關性，生產中需要結合不同區域生態條件與品種特點，合理確定減氮的適宜比例，以實現產量與NUE的協調，實現綠色高效生產。