劉瑞麗，王 歡，張曉寧，張宏彥

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）

不同養(yǎng)分管理模式對小麥產(chǎn)量和氮肥效率的影響

劉瑞麗，王 歡，張曉寧，張宏彥

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）

提高單位面積產(chǎn)量是滿足我國小麥需求的主要途徑。基于田間長期定位試驗(yàn)，分析了過去低投入、當(dāng)前集約化高投入和優(yōu)化投入3種養(yǎng)分管理模式對小麥生長發(fā)育和氮肥效率的影響。結(jié)果表明：低投入的氮肥偏生產(chǎn)力高，但小麥分蘗能力、地上部生物量累積、氮吸收和產(chǎn)量均受到影響，兩季平均產(chǎn)量只有3.79 t/hm2；優(yōu)化投入在保證小麥產(chǎn)量的基礎(chǔ)上比高投入減少20%～46%的化肥和7 t/hm2的牛糞，顯著提高氮肥偏生產(chǎn)力，二者兩季平均產(chǎn)量分別為9.27、9.28 t/hm2，平均氮肥偏生產(chǎn)力分別為68、27 kg/kg；高投入中大量的養(yǎng)分投入增加了無效分蘗的發(fā)生和營養(yǎng)生長階段氮的奢侈吸收，不利于小麥產(chǎn)量的進(jìn)一步提高。因此，優(yōu)化肥料用量和施肥時期是保證小麥產(chǎn)量和提高氮肥效率的基礎(chǔ)。

小麥；產(chǎn)量；分蘗；地上部生物量；氮吸收；氮肥偏生產(chǎn)力

小麥?zhǔn)俏覈饕Z食作物之一，產(chǎn)量占全國糧食總產(chǎn)的20%以上。由于人口增加和飲食結(jié)構(gòu)改變，2030年我國小麥需求量將增加到125 Mt［1］。然而我國耕地資源有限，提高單位面積產(chǎn)量是提高小麥總產(chǎn)、滿足需求的主要途徑［2］。華北平原是我國小麥主產(chǎn)區(qū)之一，小麥產(chǎn)量占全國總產(chǎn)的75%，實(shí)現(xiàn)該地區(qū)可持續(xù)高產(chǎn)對保證我國糧食安全有重要意義［3］。在長達(dá)2000多年的時間內(nèi)，該地區(qū)滿足作物生長、維持土壤肥力主要依靠有機(jī)物料投入，如人畜糞便、草木灰、綠肥等，肥料供應(yīng)不足制約著糧食產(chǎn)量的進(jìn)一步提高［4-5］?！熬G色革命”后，我國糧食產(chǎn)量隨著化肥產(chǎn)業(yè)發(fā)展不斷增加。從1949年到2009年，華北平原的小麥產(chǎn)量從0.6 t/hm2增加到5.4 t/hm2［3］。受“施肥越多、產(chǎn)量越高”影響，華北平原小麥的氮肥用量已高達(dá)300 kg/hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過小麥需求量［6］。過量氮肥施用在降低養(yǎng)分效率的同時，還帶來一系列環(huán)境問題，如土壤酸化、硝酸鹽淋洗、水體富營養(yǎng)化、溫室氣體排放等［7-10］。因此，為了實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的養(yǎng)分管理方式，同步實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)與資源高效。

針對這一問題，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)養(yǎng)分管理小組經(jīng)過多年研究建立了基于根層養(yǎng)分調(diào)控的作物養(yǎng)分管理技術(shù)，充分考慮作物的養(yǎng)分需求規(guī)律及土壤和環(huán)境的養(yǎng)分供應(yīng)能力，以實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分供應(yīng)與作物吸收在時間和空間上匹配，減少養(yǎng)分盈余。關(guān)于該技術(shù)已經(jīng)開展很多研究，并取得了一定成果，如Chen等依據(jù)該技術(shù)的施肥措施使小麥產(chǎn)量從農(nóng)民傳統(tǒng)的7.2 t/hm2增加到8.9 t/hm2［1］，Lu等使用該技術(shù)在維持小麥產(chǎn)量的同時使氮肥用量從300 kg/hm2減少到160 kg/hm2［11］。但是這些研究多從小麥生長過程，如產(chǎn)量、群體發(fā)育、生物量累積、養(yǎng)分吸收、養(yǎng)分效率的單個或幾個方面進(jìn)行分析，缺少綜合分析。因此，本研究利用長期定位試驗(yàn)綜合分析不同養(yǎng)分管理技術(shù)對小麥生長的影響，以期為華北平原小麥高產(chǎn)高效提供可靠的理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 材料與方法

本研究依托中國農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周縣高產(chǎn)高效現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究基地的長期定位試驗(yàn)，該試驗(yàn)始于2007年，種植方式為冬小麥-夏玉米輪作。在2013—2014年和2014—2015年小麥季取樣分析不同養(yǎng)分管理技術(shù)對小麥生長的影響。兩個試驗(yàn)?zāi)攴菪←溂?℃以上積溫分別為3 271、3 121℃，降水量分別為123、112 mm。

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤為潮土，0～30 cm土層的有機(jī)質(zhì)含量為12.7 g/kg，全氮含量為0.79 g/kg，Olsen-P含量為4.94 mg/kg，速效鉀含量為113 mg/kg，pH值為8.65。

供試小麥品種為良星99，播種量225 kg/hm2，行距15 cm。兩季小麥的播種時間分別為2013年10月12日和2014年10月10日。試驗(yàn)所用牛糞在施用前經(jīng)過堆漚處理，尿素（46% N）、過磷酸鈣（14% P2O5）和硫酸鉀（50% K2O）分別作為氮肥、磷肥和鉀肥?；示诓シN當(dāng)天撒施，然后翻耕播種，翻耕深度為25 cm，追肥的具體日期為2014年4月3日和2015年4月5日。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)過去低投入（LI）、集約化高投入（HI）和基于根層養(yǎng)分調(diào)控的優(yōu)化投入（OI）3個處理。LI處理養(yǎng)分來源為牛糞，依據(jù)氮素在家庭消費(fèi)系統(tǒng)中的流向以牛糞歸還上季作物籽粒帶走氮素的80%［12］。2013—2014年牛糞用量為2.57 t/hm2，N、P、K濃度分別為17.1、7.3、11.7 g/kg；2014—2015年牛糞用量為3.29 t/hm2，N、P、K濃度分別為14.6、5.6、13.6 g/kg。HI中N、P2O5K2O用量分別為250、150、130 kg/hm2，牛糞投入量為7 t/hm2。除100 kg/hm2的N在小麥拔節(jié)期追施外其他肥料均基施。OI處理磷肥和鉀肥的用量依據(jù)磷鉀衡量監(jiān)控技術(shù)確定，P2O5、K2O用量分別為120、100 kg/hm2，均基施。氮肥用量依據(jù)根層氮素實(shí)時監(jiān)控技術(shù)確定，即將小麥的生長時期分為播種-拔節(jié)期和拔節(jié)-揚(yáng)花期兩個階段。播種和拔節(jié)期施肥前取土測定根層硝態(tài)氮含量，氮肥用量為小麥氮需求量減去根層硝態(tài)氮含量。OI處理2013—2014年基施和拔節(jié)期追施N量分別為62、50 kg/hm2，2014—2015年為100、65 kg/hm2。每個處理4次重復(fù)，田間隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，小區(qū)面積為1 026 m2（38 m × 27 m）。LI處理無農(nóng)藥投入，其他田間管理措施3個處理相同。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

群體發(fā)育動態(tài)：出苗后，每個小區(qū)選擇10個1 m雙行的樣點(diǎn)固定，分別在苗期、越冬期、返青期、拔節(jié)期、揚(yáng)花期和收獲期調(diào)查群體數(shù)量。

地上部生物量和氮吸收量：在返青期、拔節(jié)期、揚(yáng)花期和收獲期，每個小區(qū)隨機(jī)選擇3個0.5 m雙行的點(diǎn)，收割全部地上部植株，在75℃條件下烘干至恒重，計算生物量。然后將樣品粉碎，用凱氏定氮法測定植株氮濃度，計算氮吸收量。

穗粒數(shù)和千粒重：在收獲期，每個小區(qū)選擇有代表性的3個樣點(diǎn)，每個樣點(diǎn)選擇連續(xù)的40穗統(tǒng)計穗粒數(shù)。脫粒烘干后計算千粒重。

產(chǎn)量：在收獲期，每個小區(qū)選擇有代表性的3個6 m2的測產(chǎn)點(diǎn)，人工收割，脫粒后在75℃烘箱中烘干至恒重，然后計算小麥產(chǎn)量（含水量14%）。

各生育期具體的調(diào)查或取樣時間為：苗期，2013年11月6日和2014年11月5日；越冬期，2013年12月5日和2014年12月5日；返青期，2014年3月13日和2015年3月12日；拔節(jié)期，2014年4月1日和2015年4月3日；揚(yáng)花期，2014年4月29日和2015年5月2日；收獲期，2014年6月2日和2015年6月3日。

圖1 不同養(yǎng)分管理模式小麥群體動態(tài)發(fā)育

數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計分析、作圖分別采用Excel 2010、SAS 8.1、Sigmaplot 12.5完成。

氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）= 產(chǎn)量/氮肥投入量，其中氮肥投入量包括通過化肥和牛糞帶入的氮。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同養(yǎng)分管理模式對小麥群體發(fā)育的影響

不同養(yǎng)分管理模式的出苗情況相同，處理間差異始于冬前分蘗（圖1）。2013—2014年，HI處理冬前單位面積莖數(shù)分別比LI、OI處理增加34%和28%，LI、OI處理間差異不顯著；2014—2015年，HI處理冬前單位面積莖數(shù)比OI處理提高29%，OI比LI處理提高55%。各處理單位面積莖數(shù)均在拔節(jié)期達(dá)到最大，且處理間差異顯著，表現(xiàn)為HI＞OI＞LI。拔節(jié)期之后分蘗迅速死亡，在揚(yáng)花期穩(wěn)定。整體來看，LI處理收獲期莖數(shù)顯著低于OI和HI處理，兩年的成穗率分別為61%和45%；HI處理分蘗能力比OI處理強(qiáng)，但這也增加了個體間對養(yǎng)分、水分和光等資源的競爭，加速了分蘗死亡，所以HI處理收獲期莖數(shù)并不顯著高于OI處理。2013—2014年OI和HI處理成穗率分別為42%和31%，2014—2015年二者的成穗率分別為39%和35%。

2.2 不同養(yǎng)分管理模式對小麥地上部生物量的影響

圖2 不同養(yǎng)分管理模式小麥生物量累積動態(tài)

OI和HI處理地上部生物量顯著高于LI處理，且這種差異在小麥生長初期開始出現(xiàn)并延續(xù)到后來的生育期（圖2）。兩個小麥季，從播種到返青期LI處理生物量累積量分別為0.84、0.48 t/hm2。相同生長期內(nèi)，OI和HI處理生物量累積量比LI處理提高72%～363%。收獲期LI處理兩季生物量累積量分別為7.32、7.40 t/hm2，OI和HI處理比LI處理提高90%～188%。對于OI和HI處理，從播種到揚(yáng)花期HI處理生物量累積量均顯著高于OI處理。兩個小麥季OI處理揚(yáng)花期生物量累積量分別為9.37、13.19 t/hm2，HI處理比其提高11%和16%。揚(yáng)花期之后，二者之間的差異逐漸減小，收獲期OI和HI處理生物量累積量無顯著差異。

2.3 不同養(yǎng)分管理模式對小麥氮吸收的影響

圖3 不同養(yǎng)分管理模式小麥氮吸收動態(tài)

不同養(yǎng)分管理模式在整個冬小麥生育期均有氮吸收量差異，表現(xiàn)為HI＞OI＞LI（圖3）。從播種到返青期，LI處理兩季的氮吸收量分別為23.1、15.5 kg/hm2。相同生長期OI處理氮吸收量比LI處理增加141%和301%，HI處理比OI處理增加71%和61%。LI處理兩個收獲期的氮吸收量分別為66.9、75.4 kg/hm2，OI處理比LI處理增加173%和178%，HI處理比OI處理增加13%和25%。

不同養(yǎng)分管理模式花前、花后氮吸收量和花后氮再轉(zhuǎn)移量如表1所示。LI和OI處理花前氮吸收量占各自收獲期吸收量的72%～89%，花后二者仍保持一定的氮吸收能力，花后吸收的氮和再轉(zhuǎn)移的氮用于籽粒建成。而HI處理在花前即達(dá)到最大吸氮量，花后氮吸收量不再增加，其籽粒中的氮全部來自于花后氮的再轉(zhuǎn)移。

表1 小麥花前、花后氮累積量和花后再轉(zhuǎn)移量 （kg/hm2）

2.4 不同養(yǎng)分管理模式對小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響

不同養(yǎng)分管理模式對小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成均有顯著影響（表2）。兩個小麥季，OI和HI處理產(chǎn)量比LI處理提高123%～165%。這是穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重綜合作用的結(jié)果。OI和HI處理在2013—2014年小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成無顯著差異；在2014—2015年，HI處理穗數(shù)顯著高于OI處理，但千粒重顯著低于OI處理，最終二者產(chǎn)量無顯著差異。

表2 不同養(yǎng)分管理模式下小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成和氮肥效率

2.5 不同養(yǎng)分管理模式對氮肥偏生產(chǎn)力的影響

兩季小麥的氮肥偏生產(chǎn)力均表現(xiàn)出LI＞OI＞HI（表2）。LI兩季的氮肥偏生產(chǎn)力分別為94、112 kg/kg。OI處理氮肥偏生產(chǎn)力雖然顯著低于LI處理，卻比HI處理提高171%和131%，達(dá)到72、63 kg/kg。

3 結(jié)論與討論

華北平原小麥的氮肥推薦用量為180 kg/ hm2［13］，而兩季小麥低投入通過牛糞帶入的氮分別為38.5、35.4 kg/hm2，氮缺乏嚴(yán)重，影響小麥氮吸收。小麥氮營養(yǎng)與小麥分蘗、光合作用、穗粒數(shù)形成等密切相關(guān)。施氮能增加群體莖蘗數(shù)和成穗率、增加葉片的凈光合速率、增加穗粒數(shù)，這都利于籽粒產(chǎn)量增加［14-16］。土壤氮供應(yīng)不足將限制這些生長發(fā)育過程，進(jìn)而導(dǎo)致減產(chǎn)。本試驗(yàn)低投入的地上部生物量和產(chǎn)量構(gòu)成均低于優(yōu)化投入和高投入，最終導(dǎo)致產(chǎn)量的降低。盡管低養(yǎng)分投入提高了低投入的氮肥效率，但這并不能保證小麥高產(chǎn)，故而低投入處理是一個低投入、低產(chǎn)出、高養(yǎng)分效率的體系。

高地上部生物量和氮吸收量是獲得高產(chǎn)的基礎(chǔ)［17-18］。如小麥產(chǎn)量從7 t/hm2增加到9 t/hm2，地上部生物量累積量從10.0 t/hm2增加到15.7 t/hm2，氮吸收量從135 kg/hm2增加到209 kg/hm2［19］。本試驗(yàn)高投入的地上部生物量和氮吸收量比低投入顯著增加，為提高產(chǎn)量奠定了基礎(chǔ)。綜合兩季數(shù)據(jù)，高投入的小麥產(chǎn)量比低投入提高145%，兩季平均產(chǎn)量達(dá)到9.28 t/hm2，比當(dāng)?shù)剞r(nóng)民產(chǎn)量增加72%［3］。但高投入的氮投入量遠(yuǎn)超過小麥氮吸收量，收獲時的氮吸收量僅占投入量的62%～83%。過多的氮投入使小麥在揚(yáng)花期就達(dá)到最大氮吸收量，導(dǎo)致花后氮吸收量不再增加，不利于高產(chǎn)。王仁杰等、劉紅杰等的研究結(jié)果均發(fā)現(xiàn)，隨著氮肥用量的增加，小麥產(chǎn)量達(dá)到一定水平后不再增加，甚至有所降低［16，20］。總的來說，高投入處理是一個高投入、高產(chǎn)出、低養(yǎng)分效率的體系。

基于根層養(yǎng)分調(diào)控技術(shù)，優(yōu)化投入兩季小麥的氮肥用量比高投入減少46%、磷肥用量減少20%、鉀肥用量減少23%，但產(chǎn)量未降低。小麥產(chǎn)量與開花期營養(yǎng)器官向生殖器官的轉(zhuǎn)移量和花后氮吸收量密切相關(guān)。因生長環(huán)境、小麥品種、土壤類型等差異，花后從營養(yǎng)器官向生殖器官轉(zhuǎn)移的氮占籽粒氮含量的73%～98%［21］。李春燕等對揚(yáng)輻麥4號的研究表明，高產(chǎn)群體小麥花后吸氮量占總吸氮量的比例比中高產(chǎn)和中低產(chǎn)群體高31%～52%［22］。本研究中，高投入在花后無凈氮吸收量，籽粒的氮全部來自于花后的氮再轉(zhuǎn)移，而優(yōu)化投入仍保持一定的氮吸收能力，花后氮吸收量占收獲期氮吸收量的11%～14%，占籽粒氮含量的13%～18%。從氮肥效率來看，優(yōu)化投入的氮肥偏生產(chǎn)力平均比高投入提高151%，兩季平均達(dá)到68 kg/kg。這一結(jié)果與其他報道的氮肥效率相當(dāng)［1，11，23］。綜上所述，優(yōu)化投入在優(yōu)化養(yǎng)分投入量和投入時間的情況下，保證了小麥產(chǎn)量，提高了養(yǎng)分效率，這對華北平原小麥生產(chǎn)有重要借鑒意義。

從兩季結(jié)果來看，2014—2015年小麥整體長勢比2013—2014年好，這主要是氣候條件差異造成的。2014—2015年冬前0℃以上積溫比2013—2014年增加121℃，促進(jìn)了冬前分蘗的發(fā)生。另外，2014—2015年冬季日均溫通常都在零度以上，小麥一直在緩慢分蘗，所以2014—2015年的群體數(shù)量要高于2013—2014年，并且?guī)恿说厣喜可锪康睦鄯e和氮的吸收。2014—2015年優(yōu)化投入拔節(jié)期單位面積莖數(shù)比2013—2014年增加34%，而地上部生物量和氮吸收量分別增加8%和27%，在一定程度上降低了群體質(zhì)量，進(jìn)而降低成穗率。不同于優(yōu)化投入，2014—2015年高投入拔節(jié)期單位面積莖數(shù)、地上部生物量和氮吸收量分別比2013—2014年增加26%、25%和45%，群體質(zhì)量有所增加，成穗率也增加，這可能是造成2014—2015年高投入單位面積穗數(shù)高于優(yōu)化投入的原因。另外，2014—2015年揚(yáng)花期前后出現(xiàn)連續(xù)多日的降雨，這可能是造成該年份千粒重低于2013—2014年的主要原因。

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（責(zé)任編輯 楊賢智）

Effects of different nutrient management systems on wheat yield and nitrogen use efficiency

LIU Rui-li，WANG Huan，ZHANG Xiao-ning，ZHANG Hong-yan
（College of Resources and Environmental Sciences，China Agricultural University，Beijing 100193，China）

The effects of different nutrient management systems，including historical low-input，modern intensive high-input and optimum-input，on wheat growth and nitrogen use efficiency were evaluated in a longterm field experiment. The results indicated that: nitrogen partial productivity was obviously high in low-input system related to low nutrient rate，but wheat tillering，aboveground biomass accumulation，nitrogen uptake and yield were negatively affected by nutrient deficiency. Mean wheat yield inlow-input system of the two study years was only 3.79 t/hm2. Based on root-zone nutrient management，20% of 46% of chemical fertilizer and total cattle manure were saved in optimum-input system，compared with high-input system，with no yield penalty，and significantly improved nitrogen partial productivity. According to the two study years，mean of wheat yields in optimum-input and highinput systems were 9.27 and 9.28 t/hm2，and nitrogen partial productivities were 68 and 27 kg/kg，respectively. Massive nutrient in high-input system increased un-productive tillering and led to nitrogen luxurious uptake during the vegetative growth stage，these were unprofitable to further yield improvement. In conclusion，optimization of fertilizer rate and fertilization time were essential to maintain wheat yield and improve nitrogen use efficiency.

wheat；yield；tillering；aboveground biomass；nitrogen uptake；nitrogen partial productivity

S512.1+1

A

1004-874X（2017）04-0007-07

劉瑞麗，王歡，張曉寧，等. 不同養(yǎng)分管理模式對小麥產(chǎn)量和氮肥效率的影響［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，44（4）：7-13.

2017-02-10

國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201203030-03）；國家“973”計劃項(xiàng)目（2015CB150405）

劉瑞麗（1988-），女，在讀博士生，E-mail：liuruili5212006@163.com

張宏彥（1972-），男，博士，副教授，E-mail：zhanghy@cau.edu.cn