氮肥運籌對江漢平原稻茬小麥產量及氮效率的影響

薛軻尹，楊 蕊，張程翔，王小燕

(長江大學農學院/主要糧食作物產業化湖北省協同創新中心,湖北荊州 434025)

江漢平原是長江中下游地區重要的小麥產區之一。該區小麥主要采取稻麥連作種植模式[1-2]，小麥單產水平低，增產潛力巨大[3]。小麥為我國第二大糧食作物，對其氮肥投入比較多[4-5]。大量研究表明，在一定施氮量范圍內，增施氮肥是提高小麥產量的重要舉措[6-7]。然而氮肥的不合理施用和過量施用會降低氮肥利用率，加大氮素流失，導致土壤板結、水體污染、空氣污染等一系列環境問題[8-10]。合理的氮肥運籌可以提高作物產量和氮肥利用率[11-12]。魏建林等[4]研究表明，在相同施氮量條件下，增產效果和氮肥利用率以氮肥在基肥、返青期和拔節期分3次均施時效果最好。趙士誠等[13]研究表明，氮肥基追比例過高易導致小麥前期氮素奢侈吸收和旺長，氮肥以 3∶ 7的比例基施和拔節期追施能實現高產和提高氮肥利用率。另有研究表明，小麥的產量和氮肥利用率與土壤肥力密切相關[14-15]。張 銘等[16]研究認為，小麥的產量和氮肥利用率隨土壤肥力的提高表現為上升趨勢。近年來，針對施氮量、施氮時期及氮肥基追比例對小麥產量和氮效率的影響已有較多研究，但這些研究大多集中在黃淮海麥區，且大多數是在單一土壤肥力水平下針對單一的變量進行的，關于江漢平原地區稻茬小麥氮肥運籌模式的相關研究較少。江漢平原位于湖北省中南部，土壤肥沃，光照充足，降水豐富，但小麥生產中習慣了傳統施肥模式，氮肥基施用量較大，追肥比例較低甚至不進行追肥，使氮肥供應無法滿足小麥階段性的氮肥需求，導致小麥產量和氮肥利用率較低。本研究擬在江漢平原中肥力點和高肥力點開展稻茬小麥氮肥運籌試驗，研究中、高肥力土壤條件下不同的施氮量及氮肥基追比對稻茬小麥產量與氮效率等的影響，為這一生態區不同土壤肥力水平下小麥的高產高效栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2018年11月-2019年6月在兩個試驗點進行。中肥力點：湖北省荊州市長江大學試驗基地(N29°26′，E111°15′)，播種前0～20 cm土層pH為7.79，有機質含量12.37 g· kg-1，速效氮含量51.22 mg· kg-1，速效磷含量12.07 mg· kg-1，速效鉀含量52.74 mg· kg-1。高肥力點：湖北省荊州市江陵縣趙家臺村(N30°03′，E112°42′)，播種前0～20 cm土層pH為7.83，有機質含量15.35 g· kg-1，速效氮含量89.96 mg· kg-1，速效磷含量16.14 mg· kg-1，速效鉀含量78.52 mg· kg-1。供試小麥品種為鄭麥9023，前茬作物為水稻。

1.2 試驗設計

試驗采用裂區設計，主區為3個施氮量處理，分別為N1：135 kg· hm-2；N2：180 kg· hm-2；N3：225 kg· hm-2，副區為3種基追比例，分別為M1：10∶0∶0，氮肥全部基施；M2：7∶3∶0，氮肥基施和冬前追施；M3：1∶1∶1，氮肥基施和冬前與拔節追施，以不施氮處理(N0)作為空白對照，具體見表1，均以人工撒施的方式進行施肥。3次重復，小區面積12 m2(2 m×6 m)?；久?25萬株·hm-2，播期2018年11月1日，人工撒播。耕前基施磷、鉀肥均為105 kg· hm-2，氮肥按試驗設計施用。其他管理同一般高產田。

表1 試驗處理Table 1 Experimental treatment

1.3 測定項目與方法

1.3.1 冠層指標測定

葉面積指數(LAI)：使用美國產AccuPAR LP-80植物冠層分析儀于拔節期、孕穗期、開花期、灌漿中期及成熟期選取每個小區長勢均勻的植株，在距土壤表面上方10 cm處測定其葉面積指數。

旗葉SPAD值：使用日本產SPAD-502葉綠素儀于孕穗期、開花期和花后7、14、21、28 d，每個小區選取10株長勢均勻的植株測定其旗葉的SPAD值。

1.3.2 干物質積累量測定

選取長勢均勻的小麥植株，冬前期、拔節期、孕穗期每個處理分別取10株小麥地上部植株；開花期和成熟期每個處理分別取20株小麥地上部植株。測定所取小麥植株的莖蘗數，并將植株于105 ℃殺青30 min，60 ℃烘干至恒重，測定單莖的干物質重量，計算干物質積累量。

1.3.3 產量及其構成因素測定

小麥成熟時于每個小區選取50株長勢均勻的小麥植株，取其地上部，晾曬后測其干物質重量和粒重并計算收獲指數。選取有代表性的1 m2樣點調查穗數，并隨機選取20穗調查穗粒數。選取2 m2收獲，脫粒、晾曬后計產，測定千粒重。

1.3.4 氮素指標計算公式

開花期/成熟期植株各器官氮積累量=開花期/成熟期植株各器官含氮量×植株各器官干物質積累量；

花前植株氮積累量=開花期植株地上部各器官(莖稈、其余葉、旗葉、穗)氮積累量之和；

成熟期植株氮積累總量=成熟期植株地上部各器官氮積累量之和；

成熟期營養器官氮積累量=莖稈氮積累量+其余葉氮積累量+旗葉氮積累量+穎殼和穗軸氮積累量

營養器官花后氮輸出量=開花期植株氮積累量-成熟期營養器官氮積累量；

氮收獲指數=籽粒氮積累量/成熟期植株氮積累總量；

氮肥表觀利用率(NFUE)=(施氮小區成熟期植株氮積累總量-不施氮小區成熟期植株氮積累總量)/施氮量×100 %；

氮肥農學利用率(NFAE)=(施氮區籽粒產量-不施氮區籽粒產量)/施氮量。

氮肥生產力=產量/施氮量。

1.4 數據分析

采用WPS 2019、DPS 7.05軟件進行數據分析及繪圖，用LSD法進行顯著性及方差分析。

2 結果與分析

2.1 氮肥運籌對稻茬小麥LAI和旗葉SPAD值的影響

2.1.1 氮肥運籌對稻茬小麥LAI的影響

圖1表明，隨著生育期的推進，中肥力點和高肥力點各處理的LAI均呈先增大后減小的趨勢，兩個試驗點的LAI整體上均在灌漿中期達到最大值，灌漿中期以后迅速下降。在相同施氮量處理下，不同氮肥基追比例間比較，中肥力點小麥拔節期的LAI表現為M1>M2>M3，孕穗期到成熟期的LAI整體上表現為M1

JS：拔節期；BS：孕穗期；FS：開花期；MFS：灌漿中期；MS：成熟期。下同。JS:Jointing stage;BS:Booting stage;FS:Flowering stage;MFS:Middle of filling stage;MS:Maturity stage.The same in figure 3.圖1 氮肥運籌對稻茬小麥LAI的影響Fig.1 Effect of nitrogen fertilizer managements on LAI of rice stubble wheat

2.1.2 氮肥運籌對稻茬小麥旗葉SPAD值的 影響中肥力點和高肥力點各處理的小麥旗葉SPAD值均在開花期達到最大，孕穗期到開花期呈上升趨勢，開花期以后呈下降趨勢，尤其是灌漿中期(14DAA)以后，小麥旗葉SPAD值快速下降(圖2)。在相同施氮量處理下，兩個試驗點各個時期小麥旗葉SPAD值均表現為M1

在相同基追比例下，各個時期各個處理的SPAD值均隨著施氮量的增加而提高，高肥力點各處理的小麥旗葉SPAD值均高于中肥力點。中肥力點的小麥旗葉SPAD值N2處理比N1處理平均提高了2.1，N3處理比N2處理平均提高了2.4；高肥力點的SPAD值N2處理比N1處理平均提高了2.9，N3處理比N2處理平均提高了2.1，中肥力點小麥旗葉SPAD值的提高幅度隨施氮量的增加逐漸變大，高肥力點則逐漸變小。兩個試驗點皆以N3M3處理的SPAD值最大，而高肥力點N2處理的小麥旗葉SPAD值明顯高于中肥力點的N3處理。以上結果說明中肥力點增施較多氮肥有利于提高葉綠素含量，而高肥力點因土壤供氮能力較強，增施較少氮肥就可以達到中肥力點的同等效果。

BS：孕穗期；DAA：花后天數。BS:Booting stage; DAA:Days after anthesis.圖2 氮肥運籌對稻茬小麥旗葉SPAD值的影響Fig.2 Effect of nitrogen fertilizer managements on SPAD value of flag leaf of rice stubble wheat

2.2 氮肥運籌對稻茬小麥干物質積累量的影響

圖3表明，中肥力點和高肥力點各處理的干物質積累量均隨著小麥生長發育進程呈逐漸增加趨勢，以開花期到成熟期的增幅最大。在相同施氮量處理下，中肥力點小麥的干物質積累量在冬前期表現為M1>M2、M3，拔節期到開花期表現為M2>M1、M3，成熟期表現為M1

EWS：冬前期。EWS:Early winter stage.圖3 氮肥運籌對稻茬小麥干物質積累量的影響Fig.3 Effect of nitrogen fertilizer managements on dry matter accumulation of rice stubble wheat

在相同基追比例下，兩個試驗點各生育時期小麥的干物質積累量均隨著施氮量的增加而增加，高肥力點小麥的干物質積累量整體上高于中肥力點。這表明適當增施氮肥能夠提高小麥地上部生物量，為提高籽粒產量奠定基礎。

2.3 氮肥運籌對稻茬小麥產量及產量構成因素的影響

由表2可知，在相同施氮量處理下，中肥力點和高肥力點的產量均表現為M1

表2 氮肥運籌對稻茬小麥產量及產量構成因素的影響Table 2 Effects of nitrogen fertilizer managements on grain yield and its components of rice stubble wheat

產量構成因素上，在相同施氮量處理下，中、高肥力點小麥的有效穗數和穗粒數均表現為M1M2>M3。在相同基追比例下，兩個試驗點小麥的有效穗數和穗粒數均隨施氮量的增加而增加，表現為N1

總體上看，高肥力點的小麥產量、產量構成因素及收獲指數均高于中肥力點。兩個試驗點的產量與產量構成因素均以N3M3處理最優，中肥力點N3M3處理的產量及產量構成因素與其他處理間差異顯著，而高肥力點N3M3處理的產量和收獲指數與N2M3處理之間并無顯著差異。

2.4 氮肥運籌對稻茬小麥開花期和成熟期氮素積累與轉運的影響

由表3可知，在相同施氮量處理下，中肥力點和高肥力點小麥成熟期的植株氮積累總量和籽粒氮積累量均表現為M1

表3 氮肥運籌對稻茬小麥開花期和成熟期氮素積累與轉運的影響Table 3 Effects of nitrogen fertilizer managements on nitrogen accumulation and translocation during flowering stage and maturity stage of rice stubble wheat

在相同基追比例下，小麥成熟期植株氮積累總量和籽粒氮積累量均隨著施氮量的增加而提高，表現為N1

高肥力點小麥的花前植株氮積累量、成熟期植株氮積累總量、籽粒氮積累量和營養器官花后氮輸出量均高于中肥力點。中肥力點以N3M3處理表現最優，與其他各處理間差異顯著。高肥力點N2M3處理在得到較高氮收獲指數的同時，花前植株氮積累量和營養器官花后氮輸出量及其對籽粒氮的貢獻率也較高，且N2M3處理也獲得了較高的產量和收獲指數。

2.5 氮肥運籌對稻茬小麥氮效率的影響

由表4可知，在相同施氮量處理下，不同基追比例處理間氮肥表觀利用率、氮肥農學利用率和氮素生產力均表現為M1

表4 氮肥運籌對稻茬小麥氮效率的影響Table 4 Effect of nitrogen fertilizer managements on nitrogen use efficiency of rice stubble wheat

高肥力點的氮肥表觀利用率比中肥力點平均高了1.19%，氮肥農學利用率比中肥力點平均高了1.44 kg· kg-1，氮素生產力比中肥力點平均高了2.15 kg· kg-1。在中肥力點，N3M3處理獲得了最高的總吸氮量、氮肥表觀利用率、氮肥農學利用率及較高的氮素生產力。在高肥力點，N2M3處理在獲得了最高總吸氮量、氮肥農學利用率的同時，氮肥表觀利用率和氮素生產力也較高，值得在生產中推廣應用。

3 討 論

3.1 氮肥運籌對稻茬小麥光合特性及干物質積累的影響

光合作用是作物產量形成的基礎[17]，作物積累的干物質 90%～95% 來源于光合產物[18]。在一定范圍內，施氮量的增加有助于提高葉片SPAD值和LAI[7,19]，減緩小麥花后葉片SPAD值和LAI的衰減。適當增施氮肥可優化小麥群體生長，改善冠層結構及其內部光環境，增強光合作用，有利于小麥對光能的截獲利用，促進干物質積累和向籽粒的轉運，進而提高產量[20-24]。本研究發現，施氮量相同時，通過減少氮肥基施用量進行后期追肥來優化氮肥運籌可以顯著提高葉片的SPAD值和LAI。氮肥基追比例相同時，SPAD值和LAI均隨著施氮量的增加而提高，這與前人的研究結果一致，但SPAD值和LAI在不同土壤肥力下的表現不同。高肥力點小麥葉片SPAD值和LAI整體上高于中肥力點，這可能與高肥力點本身土壤供氮能力較強有關。

產量主要是由拔節后特別是花后干物質的生產決定的[25]。適量施用氮肥有利于小麥的干物質積累，可以顯著提高小麥的籽粒產量和生物量[26]。本研究發現，在各土壤肥力條件下通過優化氮肥基追比例和增加施氮量均可以明顯提高小麥的干物質積累量，而高肥力點小麥的干物質積累量整體上高于中肥力點。從本研究結果可以看出，中肥力點和高肥力點小麥葉片SPAD值、LAI和干物質積累量均較高的處理，籽粒產量也較高，這說明小麥的光合特性及干物質積累量與小麥高產密切相關。

3.2 氮肥運籌對稻茬小麥產量及產量構成因素的影響

氮素是影響小麥籽粒產量和品質的最重要因子[27]。小麥籽粒產量與施氮量之間呈二次曲線關系[28]，隨著施氮量的提高，產量表現出先增加后減少的趨勢，氮素施用量在180～270 kg·hm-2時產量達到最高[7]。另有研究表明，土壤肥力對小麥產量和氮肥利用率的影響大于施氮量[15]。本研究中，在135～225 kg·hm-2施氮量范圍內，氮肥基追比例相同時，產量隨著施氮量的增加而提高。當基追比例均為1∶1∶1時，中肥力點小麥施氮量為225 kg·hm-2時產量顯著高于其他各處理，而高肥力點小麥的產量在施氮量為180 kg·hm-2和225 kg·hm-2處理間并無顯著差異。高肥力點各處理的產量均高于中肥力點，這說明中肥力點通過提高施氮量增加的產量低于高肥力點，而高肥力點因土壤供氮能力較強，適當降低施氮量仍然可以達到高產穩產的目的。另外，控制氮肥總用量，適當減少基施氮肥量、增加追施氮肥量，同樣可以使小麥達到增產或穩產的效果[29]，本研究也得出了類似的結論。

增施氮肥使小麥增產是因為適宜的施氮量可促進小麥穗部發育，提高有效穗數和穗粒數，進而增加產量[30-31]。本研究發現，通過減少氮肥基施用量、增加后期追肥量或者適當增加施氮總量均可以使小麥單位面積有效穗數和穗粒數得到顯著提高，這與前人的研究結果表現一致。在產量構成因素上，高肥力點的表現也優于中肥力點，這也是高肥力點比中肥力點產量高的原因。

3.3 氮肥運籌對稻茬小麥氮素積累與轉運及氮效率的影響

合理的氮肥運籌對小麥的氮素積累與運轉及氮素利用效率都有至關重要的影響。朱新開等[32]認為，氮肥后移不僅對小麥植株后期氮的吸收與轉運有顯著調控作用，滿足小麥第2個吸肥高峰(拔節至開花期)的需要；同時還能增強干物質合成并提高向籽粒的運轉效率，實現籽粒產量的同步提高。本研究發現，在施氮量相同時，減少氮肥基施用量進行后期追肥有利于提高開花期和成熟期植株氮積累量、籽粒氮積累量和營養器官花后氮輸出量，促進花前氮素向籽粒的轉運，提高了氮肥的吸收與利用程度，這與代新俊等[5]研究結果相類似。在氮肥基追比例相同時，開花期、成熟期植株氮積累量、籽粒氮積累量和營養器官花后氮輸出量均隨施氮量的增加呈上升趨勢。高肥力點小麥的氮素積累與轉運優于中肥力點。

降低施氮量并提高后期追肥比例有利于降低氮素的損失，提高氮素利用效率[33]。本研究發現，施氮量相同時，減少氮肥基施用量進行后期追肥不僅氮肥表觀利用率得到了提高，氮肥農學利用率和氮素生產力均得到了同步提高。有學者認為，隨施氮量的增加小麥氮肥利用率逐漸降低[34]，但本試驗和張 銘等[16]的研究結果均表明，不同土壤肥力下適當增施氮肥可以明顯提高氮肥表觀利用率。另外，適當增施氮肥，小麥的氮肥農學利用率也有所提高，而氮素生產力則有所下降。高肥力點的氮肥表觀利用率、氮肥農學利用率和氮素生產力的平均值均高于中肥力點，這說明土壤肥力對小麥氮肥利用率的影響比施氮量大[15]。

近年來，小麥生產中為追求高產而施用過量氮肥，重施基肥的傳統施肥方式導致了氮肥增產效應不明顯、氮素利用率低及嚴重的環境污染問題。小麥生長發育對氮肥的需求與氮肥供應的不同步，尤其是江漢平原降雨豐富，地下水位淺，造成了大量殘留于土壤中的基肥的淋溶損失。因此，優化江漢平原的氮肥運籌模式十分必要。本試驗條件下，中肥力點施氮量為225 kg·hm-2、基追比例為1∶1∶1處理，高肥力點施氮量為180 kg·hm-2、基追比例為1∶1∶1處理時，小麥群體結構優良，光合作用較強，為稻茬小麥的生長發育提供了充足養分，降低了氮素損失，促進了氮素的積累與轉運，提高了氮肥利用率和氮肥農學利用率，同時獲得了較高的小麥產量，減少了環境污染。