氮·磷減施對滴灌春小麥干物質積累和產量的影響

李懷勝，張 磊 (.新疆生產建設兵團第九師農業科學研究所，新疆額敏 834300；2.塔里木大學植物科學院，新疆阿拉爾 843300；3.新疆農墾科學院，新疆石河子 832000)

小麥作為新疆主要糧食作物，常年種植面積為118萬hm，其中春麥36萬hm左右，確保春小麥健康生產，對保障區域糧食安全具有重要意義。研究表明，化肥投入費用占新疆春小麥種植成本的24.17%。目前，春小麥種植過程中化肥過施的現象普遍存在，化肥過施容易造成土壤污染、酸化、板結，顯著改變耕作層土壤理化性質。從經濟層面，降低小麥收益，在一定程度上影響了農戶種植小麥的積極性。如何在穩定產量的基礎上合理使用減量施肥技術，將成為小麥生產的研究熱點。關于化肥減施前人已經做了大量研究，楊啟航等研究發現，水肥一體化模式下適當減少肥料用量，可以提高肥料利用率、降低土壤養分盈余。李彥旬等研究表明，適當減量施氮可改善滴灌春小麥籽粒灌漿特性以及氮代謝酶活性。石元強等研究表明，籽粒產量和氮肥農學利用率均隨施氮量的增加有所提高，但當超過一定值時，產量和農學利用效率不再明顯提升。研究表明減量施肥對提升作物產量、優化群體結構、提升肥料利用率等方面都有顯著作用。但有關水肥一體化條件下氮、磷減施對北疆區域春小麥產量、干物質積累和經濟效益的綜合研究較少。筆者研究了氮、磷減施對滴灌春小麥干物質積累、產量和效益的影響，以期為新疆北疆區域肥料減施成效研究提供參考。

1 材料與方法

于2020年3—8月在新疆生產建設兵團第九師團結農場4連進行(83°29′E，46°31′N)。該試驗區屬典型的中溫帶大陸性干旱氣候，四季分明，春季冷暖波動大，夏季熱而短促，秋季降溫迅速，冬季寒冷漫長，干燥，年均氣溫5.6 ℃，年均降水271 mm。前茬作物為醬用番茄。供試土壤有機質29.34 g/kg，堿解氮101.51 mg/kg，速效磷46.66 mg/kg，速效鉀371.97 mg/kg，pH 8.10。

為探究氮肥、磷肥減施對春小麥干物質積累和產量的影響，在對60戶團場農工習慣施肥量調研基礎上，采用“3414”不完全設計方案，設置氮、磷2因素4水平，其中0水平為不施肥；1水平為減量施肥，施肥量為常量施肥的50%，；2水平為常量施肥(通過土壤條件監測下的推薦施肥)；3水平為過量施肥(農戶習慣施肥量)。共9個處理，分別為①N、P不施肥空白對照(NP)；②不施氮，磷肥常量(NP)；③氮肥減量，磷肥常量(NP)；④不施磷，氮肥常量(NP)；⑤磷肥減量，氮肥常量(NP)；⑥氮肥、磷肥均為常量(NP)；⑦氮肥常量，磷肥為過量(NP)；⑧氮肥過量，磷肥常量(NP)；⑨氮肥、磷肥均為過量(NP)。②～⑨各處理鉀肥施用量均相同，各處理均 3 次重復，隨機區組排列。具體設計方案見表1。N、N、N、N分別表示氮肥(N)用量為0、130、260、390 kg/hm，P、P、P、P分別表示磷肥(PO)0、69、138、207 kg/hm，鉀肥(KO)用量為37.5 kg/hm。供試肥料為尿素(N 46.4%)、滴灌磷酸二銨(N 18%、PO46%)、硫酸鉀(KO 52%)。針對不同生育期的施肥需求，均采取滴灌水肥一體化技術施肥。

表1 滴灌春小麥施肥“3414”試驗設計方案Table 1 Experiment design of “3414” fertilization for spring wheat under drip irrigation

(1)干物質積累量。于成熟期收獲前，在各小區分別取50個單莖，按照莖稈(葉鞘)、葉片、穗、籽粒分成4個部分，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重并稱量，按照公式計算單位面積干物質積累(kg/hm)：單位面積干物質積累=單株各器官干物質積累量×單位面積株數。

(2)籽粒產量。于收獲期利用小型收割機對試驗小區分別實收測產。

(3)經濟效益的計算。以籽粒2.36元/kg、N 1.6元/kg、PO5.5元/kg、KO 4.5元/kg的價格計算(因田間管理一致，故不計入)，按照以下公式計算單位面積經濟效益(元/hm)。

=×-×-×-×

(1)

式中，為單位面積經濟效益；為單位面積產量；為作物單價；為單位面積氮肥施用量；為氮肥單價；為單位面積磷肥施用量；為磷肥單價；為單位面積鉀肥施用量；為鉀肥單價。

(4)農學利用率。計算公式：

氮肥農學利用率(kg/kg)=(施氮區產量-無氮區產量)/施氮量

磷肥農學利用率(kg/kg)=(施磷區產量-無磷區產量)/施磷量

分別采用Microsoft Office Excel 2007 和SPSS 17進行數據處理和統計分析。

2 結果與分析

由表2可知，常量施肥(NP)處理的干物質積累量、籽粒產量和經濟效益的平均值分別為20 493.62 kg/hm、7 857.06 kg/hm和17 198.91元/hm，較不施肥處理(NP)分別提高41.25%、50.13%、39.25%。減量施肥(NP、NP)處理的干物質積累量、籽粒產量和經濟效益的平均值分別為18 804.07 kg/hm、7 232.03 kg/hm和16 017.59元/hm，較不施肥處理(NP)分別提高29.60%、38.18%、29.68%，較常量施肥分別降低8.24%、7.96%、6.87%。過量施肥(NP、NP、NP)的干物質積累量、籽粒產量和經濟效益的平均值分別為18 701.89 kg/hm、7 121.47 kg/hm和14 517.93元/hm，較不施肥處理(NP)分別提高28.90%、36.07%、17.54%，較常量施肥分別降低8.74%、9.36%、15.59%。缺素處理(NP、NP)的干物質積累量、籽粒產量和經濟效益的平均值分別16 257.54、6 308.65 kg/hm和14 962.14元/hm。較不施肥處理(NP)分別提高12.05%、20.54%、21.14%，較常量施肥分別降低20.67%、19.71%和13.00%。由此可見，在鉀肥相同的基礎上，合理施用氮、磷肥有利于滴灌春小麥干物質積累、籽粒產量和經濟效益的增加；過量施肥和缺素施肥降低干物質積累與籽粒產量，同時降低作物經濟效益。

表2 不同施肥處理方式下春小麥干物質積累、籽粒產量和經濟效益Table 2 The dry matter accumulation，grain yield and economic benefits of drip irrigation spring wheat under different fertilization methods

氮肥減施對滴灌春小麥干物質、籽粒產量、肥料利用及經濟效益的影響。以不施氮肥(NP)、氮肥減量(NP)、氮肥常量(NP)和氮肥過量(NP)4個處理分析施用氮肥的效應。由表3、圖1和圖2可知，干物質積累量氮肥效應表現為氮肥過量>氮肥常量>氮肥減量>不施氮肥；氮肥常量、氮肥減量和氮肥過量處理較不施氮肥干物質積累量分別增加 41.25%、39.20%和51.03%，3種施肥方式差異不顯著，減量施肥在節約投入成本的基礎上保證作物質量。籽粒產量的氮肥效應表現為氮肥常量>氮肥過量>氮肥減量>不施氮肥，氮肥常量、氮肥減量、氮肥過量處理的籽粒產量較不施氮肥分別增加24.97%、11.51%、14.21%，且氮肥減量與氮肥過量無顯著差異，氮肥常量顯著大于其他處理，表明施氮有利于產量提高，其中常量施氮對籽粒產量的增加更加有利；從不同施氮處理的氮肥農學利用率看，減量施氮表現為1 kg 氮肥(N)可使春小麥增產5.56 kg。而經濟效益的施氮效應表現與籽粒產量表現一致，與不施氮相比，氮肥常量、氮肥減量和氮肥過量分別增加23.65%、10.78%、10.67%，氮肥減量增幅高于氮肥過量，低于氮肥常量，由此可知，氮肥減量有利于經濟效益的提高，過量增施抑制作物各項指標。

表3 不同水平氮肥的春小麥干物質積累、產量、經濟效益及農學利用率Table 3 Dry matter accumulation, yield,economic benefit, agronomic utilization rate of spring wheat under nitrogen levels

圖1 不同水平氮肥的春小麥干物質積累、產量和經濟效益Fig.1 Dry matter accumulation，yield and economic benefits of spring wheat with different levels of nitrogen fertilizer

圖2 不同水平氮肥的春小麥干物質積累、產量、經濟效益增量百分比及農學利用率Fig.2 Percentage of dry matter accumulation，yield，economic benefit increment and agronomic utilization rate of spring wheat with different levels of nitrogen fertilizer

磷肥施用對滴灌春小麥干物質、產量、肥料利用及經濟效益的影響。以不施磷(NP)、磷肥減量(NP)、磷肥常量(NP)和磷肥過量(NP)處理進行施磷效應分析。由表4、圖3和圖4可知，干物質積累量施磷效應表現出與氮肥效應相似的趨勢，且磷肥減量、磷肥常量和磷肥過量干物質積累量分別增加0.07%、17.78%、5.05%，磷肥減量與磷肥常量差異顯著，與磷肥過量差異不顯著，說明磷肥的投入對春小麥干物質積累有促進作用，且減量施磷不影響干物質的積累。籽粒產量效應表現為磷肥常量>磷肥減量>磷肥過量>不施磷，磷肥減量、磷肥常量和磷肥過量比不施磷肥籽粒產量分別增加17.75%、24.12%、11.11%，且磷肥常量、磷肥減量與磷肥過量差異顯著；從磷肥農學利用率來看，減量施磷的磷肥農學利用率最高，1 kg 磷肥(PO)可使春小麥增產16.28 kg，均高于磷肥常量與磷肥過量。經濟效益磷肥效應表現為磷肥常量>磷肥減量>磷肥過量>不施磷，與不施磷肥相比，磷肥減量、磷肥常量和磷肥過量分別提高25.80%、30.13%、21.17%，但磷肥減量與磷肥常量、磷肥過量無顯著差異，說明磷肥減量更加有利于經濟效益的增加。

圖3 不同水平磷肥的春小麥干物質積累、產量和經濟效益Fig.3 Dry matter accumulation，yield and economic benefits of spring wheat with different levels of phosphorus fertilizer

圖4 不同水平磷肥的春小麥干物質積累、產量、經濟效益增量百分比及農學利用率Fig.4 Incremental percentage of dry matter accumulation，yield，economic benefit and agronomic utilization rate of spring wheat with different levels of phosphorus fertilizer

表4 不同水平磷肥的春小麥干物質積累、產量、經濟效益及農學利用率Table 4 Dry matter accumulation, yield, economic benefit and agronomic utilization rate of spring wheat with different levels of phosphorus fertilization

肥料模型的建立。

(1)采用一元二次模型=++，將P固定在138 kg/hm條件下，對氮素效應模型進行擬合，得出氮肥肥料效應回歸方程：

=6 20464+1079-002

(2)

=410(=033>005)未達顯著水平，不能進行回歸分析，表明試驗不能完成滴灌春小麥氮素單因素效應分析，具體預測見圖5。

圖5 不同水平氮肥的春小麥肥料效應模型Fig.5 Fertilizer effect model of spring wheat with different levels of nitrogen fertilizer

將N肥固定在260 kg/hm條件下，對磷素效應模型進行擬合，其肥料效應回歸方程：

=6 304986+24803 2-0102 2

(3)

=4921(=0000 2<005)，=0.99，表明該試驗能夠完成磷素的單因素效應分析(圖6)。

圖6 不同水平磷肥的春小麥肥料效應模型Fig.6 Fertilizer effect model of spring wheat with different levels of phosphorus fertilizer

(2)實際種植過程中，肥料之間存在一定的耦合關系，為預測籽粒產量與2種肥料的施用關系，建立二元二次方程，考慮到2種肥的耦合關系對表2籽粒產量數據建立回歸方程，可得到籽粒產量與氮肥、磷肥施用量的關系：

=5 43013+848+1604-002-007+0007×

其中=5358(=0000>005)，=0.93，達顯著水平，且一次項系數為正值，二次項次數為負值，是典型的肥料效應函數模型，可以用來對滴灌春小麥產量進行肥料效應分析(圖7)。

圖7 不同水平氮肥、磷肥耦合的春小麥肥料效應模型Fig.7 Fertilizer effect model of spring wheat coupled with different levels of nitrogen and phosphorus fertilizer

綜上所述，由一次性偏回歸系數可知，在K肥投入不變的情況下，N肥對籽粒產量的影響低于P肥；N、P肥料的二次項回歸系數均為負數，表明2個肥料因子的效應曲面為拋物曲面，應存在最高產量的適宜氮磷肥投入量，超過該投入量會造成籽粒產量的下降。

肥料模型應用。通過建立一元和二元肥料效應模型分析滴灌春小麥氮磷肥綜合效應，認為氮磷肥的二元二次更能反映氮磷肥的施用效果。因此，按照肥料效應函數求解最高產量的方程組=b+ 2b+b=0和=b+2b+b=0，列出方程組：

(5)

得出最高產量7 435.43 kg/hm，其施肥量為N 234.05 kg/hm，P 126.2 kg/hm。根據二元二次模型及肥料、產品的價格計算，在新疆北疆中高產田滴灌春小麥氮肥最佳用量為214.06 kg/hm，磷肥最佳用量為108.63 kg/hm，最佳施肥量的產量為7 408.12 kg/hm，氮磷肥適宜配施比例為1∶0.51。

3 討論

節肥、高產和環保是農業可持續發展和保障糧食安全的必然要求，也是未來小麥實際生產的必然選擇。研究表明氮肥和磷肥的施用對滴灌春小麥產量及其構成具有顯著的互作效應，但過量投入并不能提高春小麥的產量和干物質積累。該研究中，平衡施肥(常量和減量)的干物質積累、籽粒產量和經濟效益較不施肥處理分別提高35.43%、44.16%、34.47%，比過量施肥處理分別提高5.06%、5.94%、14.40%，比缺素處理分別提高20.86%、19.59%和11.00%。此外，該研究發現過量和缺素施肥會造成經濟效益的降低，這表明在鉀肥確定的基礎上，氮磷平衡施肥有利于滴灌春小麥干物質積累、籽粒產量和經濟效益的增加，表現出更好的穩產、增產效應。

肥料的投入對作物生長發育及后期產量形成具有重要作用。研究表明，影響籽粒產量、促進花后干物質積累及轉運等的主要因素是氮磷肥的施用。該研究中，氮、磷肥單因子效應分析表明，隨著氮、磷肥水平的提高，滴灌春小麥干物質積累、籽粒產量和經濟效益均表現為先增后降的趨勢，干物質積累的氮、磷肥效應雖表現為過量>常量>減量>不施肥，但平衡施肥與過量施肥差異不顯著，籽粒產量、經濟效益的氮、磷肥效應表現為常量>減量>過量>不施肥，說明適宜的氮磷減量不影響滴灌春小麥干物質積累，有利于后期營養向籽粒轉運，這與前人研究結果一致。因此，在生產實際中不可盲目加大肥量投入，需結合品種特性、土壤養分狀況等綜合優化施肥，才能達到高產、高效的目的。

擬合肥料效應方程是諸多學者研究合理施肥和確認區域最佳施肥量的有效措施。在該試驗中，通過建立以氮磷肥為變量、籽粒產量為目標函數的肥料效應一元、二元方程，明確二元二次擬合方程更加適合進行效應分析，并且根據計算得出在新疆北疆中高產田滴灌春小麥氮肥最佳用量為214.06 kg/hm，磷肥最佳用量為108.63 kg/hm，最佳施肥量的產量為7 408.12 kg/hm，氮磷肥適宜配施比例為1∶0.51。

4 結論

該研究結果表明適當的氮磷減施，有利于滴灌春小麥干物質積累、籽粒產量和經濟效益的增加，過量和缺素施肥不僅會降低干物質積累與籽粒產量，甚至會造成經濟效益的降低。因此，在北疆區域滴灌春小麥氮肥最佳用量為214.06 kg/hm，較農戶習慣施肥減少氮肥施用175.94 kg/hm，氮肥減施45%，磷肥最佳用量為108.63 kg/hm，較農戶習慣施肥減少磷肥施用98.37 kg/hm，磷肥減施47%，最佳施肥量的產量為7 408.12 kg/hm，氮磷肥適宜配施比例為1∶0.51。