王 震，李金秀，張 彬，馮 浩，李金榜*

（1 南陽市農業(yè)科學院，河南南陽 473008；2 南陽市宛城區(qū)種子技術服務站，河南南陽 473008）

小麥–玉米輪作是黃淮麥區(qū)典型的種植模式，小麥常年種植面積穩(wěn)定在900萬 hm2，占全國小麥面積的58.5%[1]。目前該區(qū)域在施肥管理上存在很大的隨意性，小麥、玉米兩季作物施肥時不考慮氮肥的盈余量，大量不被利用的氮素可能隨水淋洗到土壤深層。同時與玉米相比，小麥的氮肥利用量較少，小麥季施肥量尤其是氮肥用量過大、施肥不均勻，肥料因表施而揮發(fā)損失或因漫灌而淋失的現象普遍存在[2]，致使肥料利用率降低。農業(yè)生產中長時期的低氮肥利用率會造成資源的巨大浪費，嚴重污染環(huán)境，同時帶來一系列的環(huán)境和社會問題。調查發(fā)現，目前農業(yè)系統(tǒng)中的氮肥盈余量已經達到175 kg/hm2 [3]，黃淮麥區(qū)50%的地下水硝酸鹽含量因過量使用氮肥而超標[4]。因此，該區(qū)域采用合理的一體化氮肥運籌不僅能增加作物產量，而且對發(fā)展高產、高效、生態(tài)農業(yè)，提高農民栽培技術和經濟收入有著重要的意義[5]。

土壤中無機態(tài)氮一般占全氮的1%～5%，主要為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，這部分氮可以直接被作物吸收利用。研究發(fā)現，施入旱作土壤中的銨態(tài)氮肥和酰胺態(tài)氮肥1～2周會轉化為硝態(tài)氮，在高量施氮條件下，收獲后土壤中累積的氮素絕大部分以硝態(tài)氮形式存在[6]。氮肥利用率主要受土壤、作物種類、生育時期、其他肥料種類、肥料施用技術和氣象條件等因素影響，變幅很大[7-8]。氮肥利用效率的常用量化指標包括氮肥農學利用率、氮素養(yǎng)分利用效率、氮肥偏生產力等，這些量化指標可以從不同側面描述作物對氮素或氮肥的利用效率。研究表明，氮肥農學利用率、氮素養(yǎng)分利用效率、氮肥偏生產力隨施氮量的增加而降低[9]。所以僅簡單采用降低氮肥施用量的方法來提高利用效率，并不能達到較高的目標產量，更無法做到合理的氮肥施用。因此綜合研究氮肥的產量效應、氮肥利用率以及土壤–作物體系中的氮素平衡，始終是評價一體化氮肥合理施用與否的關鍵。

新麥21是新鄉(xiāng)市農業(yè)科學院以偃展1號為母本、新麥9號為父本雜交，經后代系譜法連續(xù)選擇培育而成的小麥品種，于2009年通過國家品種審定(國審麥2009014)，具有抗逆性強、綜合性狀優(yōu)良及廣泛的適應性等特點[10]。宛麥20是南陽市農業(yè)科學院以漯珍1號為母本、豫麥18為父本雜交，經系譜選擇而成的弱春性中熟黑色類型品種，于2011年通過河南省品種審定 (豫審麥2011012)，具有高產穩(wěn)產、適應性廣的特點，宛麥20種皮中含有花色素苷，籽粒中富含鐵、鋅、鈣、硒等微量元素，具有很高的營養(yǎng)價值。本試驗以新麥21和宛麥20為材料，在小麥、玉米一體化施肥條件下研究了周年氮肥用量及其分配比例對小麥產量、氮肥利用效率和土壤硝態(tài)氮的影響，以期為豫西南地區(qū)一體化施肥條件下高產栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況與試驗設計

試驗于2013—2016年在河南省南陽市臥龍區(qū)潦河鎮(zhèn)農科院試驗基地 (112°57′E、32°93′N) 進行，該試驗點地處亞熱帶到溫帶的過渡帶，屬于季風大陸濕潤半濕潤氣候，年平均氣溫14.4～15.7℃，年降雨量 703.6～1173.4 mm，年日照時數 1897.9～2120.9 h。供試土壤為黃褐土，0—20 cm土層土壤理化性質：全氮 1.20 g/kg、堿解氮 45.01 mg/kg、Olsen-P 23.34 mg/kg、速效鉀 113.62 mg/kg、有機質 16.48 g/kg。0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm土壤硝態(tài)氮含量分別為 5.3、6.1、7.7、15.4、19.8 mg/kg。

試驗采用裂區(qū)設計，主區(qū)為新麥21 (X21) 和宛麥20 (W20) 2個小麥品種；裂區(qū)設小麥/玉米兩熟制，周年 3 個氮肥 (尿素) 用量為 300 kg/hm2(N300)、450 kg/hm2(N450) 和 600 kg/hm2(N600)；次裂區(qū)設小麥、玉米作物間3個氮肥分配比例，分別為4∶6(B4)、5∶5 (B5)、6∶4 (B6)，共計 18 個處理。增設不施氮處理為對照。小麥季施氮量包括0、120、150、180、225、240、270、300、360 kg/hm2。每處理小區(qū)面積為30 m2，重復3次。

小麥于每年10月16日播種。各處理以P2O5150 kg/hm2(磷酸二銨，含 P2O546%)和 K2O 75 kg/hm2(氯化鉀，含K2O 60%) 為底肥；所施氮肥為尿素 (含N 46%)，按試驗要求 (基追比4∶6) 計算出每小區(qū)所需底肥，稱量后分別撒施，追肥于起身期依據試驗要求，按小區(qū)分別稱量條施。播種方式、灌水時期、病蟲害防治、收獲方式等管理措施同高產田。

1.2 樣品采集與測試

成熟期測產采用小區(qū)計產，每個小區(qū)收獲3 m2，重復3次，風干、脫粒后測產并進行室內考種。植株按普通葉、旗葉、莖稈、穎殼和子粒烘干、稱重，粉碎后，經濃H2SO4和H2O2消煮，采用半微量凱氏定氮法測定各器官全氮的含量。分別在小麥出苗、拔節(jié)、孕穗、成熟期和玉米拔節(jié)、抽雄、成熟期，以20 cm為間隔取0—100 cm土壤樣品，每小區(qū)取5鉆制備混合樣，鮮樣測定硝態(tài)氮。取樣留下的鉆孔用保護區(qū)土壤回填，防止灌水追肥養(yǎng)分下滲。土壤硝態(tài)氮采用 2 mol/L KCl浸提 1 h，紫外分光光度法測定。

1.3 數據處理與統(tǒng)計方法

有關參數計算：

植株氮素積累總量 = 成熟期單株干重 × 成熟期單株含氮量 (%)× 密度；

氮肥農學利用率 =(施氮區(qū)產量 － 無氮區(qū)產量)/施氮量；

氮素養(yǎng)分利用效率 = 籽粒產量/植株氮素積累量；

氮肥偏生產力 = 施氮區(qū)產量/施氮量；

經濟系數 = 經濟產量/生物學產量。

因三年試驗結果基本一致，采用三年數據的平均值進行分析。統(tǒng)計分析、通徑分析和差異顯著性檢驗用SPSS 13.0數據處理系統(tǒng)分析，用GGE biplot數據處理軟件作雙標圖分析氮素利用效率關系，等值線圖采用Surfer 8.0繪制。

2 結果與分析

2.1 氮肥運籌對產量及其構成因素的影響

由表1可知，氮肥用量和分配比例對產量構成因素均有顯著影響，兩個品種的反應也有差異。X21的成穗數在一定范圍內隨施氮量的增加而提高，當施氮量超過270 kg/hm2時成穗數隨施氮量的升高而呈現下降趨勢，拔節(jié)后小麥季施氮肥較高的處理小分蘗死亡數增大。施氮量240、270 kg/hm2處理X21成穗數較多，處理間差異不顯著。W20的成穗數隨施氮量的增加而提高，施氮量300、360 kg/hm2處理成穗數較多，處理間差異不顯著。在本試驗條件下，W20的分蘗成穗數多于X21。X21和W20的穗粒數無明顯變化趨勢，各處理間差異相對較小。X21和W20的最大穗粒數分別出現在N600 +B4 (240 kg/hm2) 和 N450 + B6 (270 kg/hm2) 處理。X21、W20的千粒重隨施氮量的增加而下降，以120 kg/hm2處理最高，分別達到 44.62 g 和 39.16 g。W20的千粒重普遍低于X21，品種內的差異不顯著。

氮肥用量和分配比例顯著影響小麥產量，兩個品種的產量均表現為隨施氮量增加呈先升高后降低的趨勢。X21的產量以施氮225、240、270 kg/hm2處理較高，處理間差異不顯著。小麥W20的產量以施氮225、270 kg/hm2處理較高，處理間產量差異不顯著。當小麥季施氮量超過300 kg/hm2時，X21和W20產量顯著下降。方差分析表明，品種、施氮量和分配比例均能顯著影響小麥產量 (F = 31467.68、763.36和9.88)，品種與施氮量之間、品種和分配比例之間、施氮量和分配比例之間以及三者之間均存在顯著互作效應 (F = 9.94、6.51、598.13 和 34.01)。

相關性分析表明，小麥季產量與全年產量存在極顯著正相關 (r = 0.906**)。氮肥施用量同樣顯著影響全年產量，隨著施氮量的增加全年產量也呈先增后減的趨勢。氮肥分配比例對全年產量影響依全年施氮量不同而存在差異，隨著全年施氮量的增加氮肥分配比例對全年產量的影響增大。全年施氮量300 kg/hm2時，分配比例對全年產量影響差異不顯著，但當全年施氮量達到600 kg/hm2時，分配比例對全年產量影響差異極顯著。全年產量在 N450 + B4、N450 +B5和N600 + B4處理時較高，處理間差異不顯著。

2.2 氮肥運籌小麥季產量構成因素通徑分析

X21 (y1)、W20 (y2) 產量性狀的 Kolmogorov-Smirnov檢驗顯著水平分別為0.187、0.200，均大于0.050，所以兩個品種的產量性狀服從正態(tài)分布，可以進行回歸分析，得出成穗數 (x1)、穗粒數 (x2)、千粒重 (x3) 與產量性狀的線性回歸方程 y1= –11.243 +0.012x1+ 0.124x2+ 0.187x3，y2= –14.943 + 0.011x1+0.233x2+ 0.201x3。由通徑系數可以得出 x1、x2、x3對 y1、y2的直接作用分別是：P1y1= 0.938，P2y1=0.350，P3y1= 0.929；P1y2= 0.846，P2y2= 0.045，P3y2=1.015。顯著性檢驗結果表明，x1、x2、x3的偏回歸系數顯著性均小于0.050，說明自變量與因變量之間存在顯著性差異，有統(tǒng)計學的意義。根據相關系數計算自變量的間接通徑系數，將相關系數、通徑系數及間接通徑系數的關系列于表2。

由表2可知，在一體化氮肥條件下，X21產量構成要素中，成穗數的直接作用最大，千粒重次之，穗粒數的直接作用最小。通過分析各個間接通徑系數發(fā)現，雖然成穗數通過千粒重對產量產生較大負值 (–0.420) 的間接作用，但是由于成穗數的直接通徑系數值 (0.938) 較大以及成穗數通過穗粒數對產量的間接作用，使成穗數對產量的影響最大。在本試驗條件下X21穗粒數的直接通徑系數和間接通徑系數均較小，對產量的改變影響不大。千粒重的直接通徑系數值 (0.929) 也較大，但千粒重通過成穗數和穗粒數對產量產生較大負值的間接作用抵消了部分直接作用，使千粒重對產量的簡單相關系數降為0.333。彩色小麥W20在一體化氮肥條件下，雖然成穗數的直接通徑系數（0.846）較大，但成穗數通過千粒重對產量產生較大負值（?0.763）的間接作用，使成穗數對產量的影響最小。W20的穗粒數在直接作用和通過千粒重對產量產生較大正值（0.402）的間接作用下，相關系數達到0.829，對產量的影響最大。千粒重的直接作用最大，但受千粒重通過成穗數對產量產生較大負值（?0.636）的間接作用影響，千粒重的簡單相關系數下降到0.557，小于穗粒數對產量的影響。

2.3 一體化氮肥運籌對氮肥利用效率的影響

從圖1中各處理與指標間的分布關系可以直觀發(fā)現其內在聯系，以不同指標為頂點畫多邊形，多邊形相鄰兩點間連線的垂直線是兩個指標優(yōu)化后的臨界值 (等值線)，垂直線將多邊形分成兩部分，優(yōu)勢處理位于相應部分的最高點[11–12]。處理與指標間的位置越近，該指標含量越高，所有垂直線的交點是所有指標的最佳平衡點。從圖1可知，X21和W20氮肥利用效率各指標的最佳處理分別為N450 + B5和N600 + B4。施氮量的增加顯著提高單位面積上植株氮的積累量，兩個品種的氮積累量最大值均出現在 N600 + B6 處理，X21 和 W20 分別為 332.39 kg/hm2和 333.19 kg/hm2。W20 在全年施氮 600 kg/hm2時，B5和B6處理差異不顯著。隨全年施氮量及分配比例的提高，兩個品種的氮素養(yǎng)分利用效率、氮肥農學利用率、氮肥偏生產力、經濟系數呈現降低趨勢，以上4項指標的最大值均出現在N300 + B4處理。

表1 不同處理小麥產量及產量構成因素Table 1 Grain yield and yield components of wheat under different treatments

由某一指標和中心點的連線為起始，順時針方向旋轉，其它指標和中心點連線與這條線夾角的余弦即為它們的相關系數[11–12]。相關性分析表明，兩個品種的氮素積累量與氮肥農學利用率、氮素養(yǎng)分利用效率、氮肥偏生產力和經濟系數之間存在極顯著負相關。由圖1可知，在一定范圍內增施氮肥顯著提高了產量和氮素積累量，顯著降低了氮肥農學利用率、氮素養(yǎng)分利用效率、氮肥偏生產力和經濟系數，全年施氮量在300、450 kg/hm2時兩個品種的氮肥利用效率差異相對較小，降低不顯著。

2.4 氮肥運籌下土壤硝態(tài)氮的動態(tài)變化

在N300處理水平，兩個品種各年份氮肥分配比例間0—100 cm土層硝態(tài)氮含量變化不明顯。X21 +N450的B4和B5處理0—100 cm土壤硝態(tài)氮含量分別從2013年小麥季季均10.9～15.8、10.8～14.0 mg/kg，增至2016年玉米季季均19.3～25.8、13.9～19.2 mg/kg，分別增加了63.3%～77.1%、28.7%～37.1%。由圖 2 可知，X21 + N450 + B4 處理 2015 年玉米季20—60 cm 土層硝態(tài)氮含量明顯增加；X21 + N450 +B5處理土層間硝態(tài)氮有增加但增加不明顯。X21 +N450 + B6處理在2013和2015年小麥季硝態(tài)氮含量達到各年度間較高水平，分別為18.7～24.2、23.1～26.9 mg/kg。X21 + N600 + B4 處理 2014 年玉米季0—40 cm土層和2015年玉米季之后的0—100 cm土層硝態(tài)氮含量明顯增加；X21 + N600 + B5 處理0—100 cm土層各年份間硝態(tài)氮含量均有不同程度的增加；X21 + N600 + B6 處理僅 2014 年玉米季0—100 cm土層硝態(tài)氮含量變化不明顯，其余生長季 注（Note）：x1—成穗數 Spike; x2—穗粒數 Kernel number; x3—千粒重 Thousand kernel weight; y—產量 Yield; PMCC—皮爾森相關系數 Pearson product-moment correlation coefficient; DPC—直接通徑系數 Direct path coefficient; IDPC—間接通徑系數 Indirect path coefficient.土層內硝態(tài)氮均有增加。X21 + N600處理0—100 cm土體中，B4、B5和B6處理土壤硝態(tài)氮含量分別從2013年小麥季季均16.7～21.5、13.1～26.7、21.6～33.6 mg/kg，增至2016年玉米季季均34.7～43.2、36.4～45.1、29.7～36.6 mg/kg，分別增加了100.9%～107.8%、68.9%～117.9%和8.9%～37.5%。

表2 產量及構成因素間的相關系數及其與產量的通徑系數Table 2 Correlation coefficients between yield and its components and path coefficients

圖1 不同處理間氮肥利用效率相關系數圖Fig. 1 Correlation coefficients of nitrogen utilization efficiencies under different treatments

W20 + N450的B4和B5處理土壤硝態(tài)氮含量分別從2013年小麥季季均14.8～15.3、11.6～16.5 mg/kg，增至2016年玉米季19.2～24.9、13.2～18.1 mg/kg，分別增加了29.7%～62.7%、9.7%～13.8%，W20 + N450 + B4 處理 2014 年 0—40 cm 土層和2015年玉米季拔節(jié)期至抽雄期0—40 cm土層硝態(tài)氮含量明顯增加，W20 + N450 + B5 處理土層內硝態(tài)氮含量增加不明顯。W20 + N450 + B6 處理 2013 年小麥季0—40 cm土層，2014年和2015年小麥季0—60 cm土層硝態(tài)氮均明顯增加，分別為18.28～25.04、24.5～29.9 、21.9～28.4 mg/kg。W20 + N600 + B4 處理3個小麥季0—60 cm土層硝態(tài)氮含量均有增加，W20 + N600 + B5 和 W20 + N600 + B6 處理隨種植年限的延長土壤硝態(tài)氮含量隨施氮量增加而升高，B4、B5和B6處理土壤硝態(tài)氮含量分別從2013年小麥季季均 19.7～21.9、18.4～26.6、23.4～36.5 mg/kg，增至2016年玉米季季均34.8～43.5、38.2～46.3、31.4～42.0 mg/kg，分別增加了76.6%～98.6%、74.1%～107.6% 和 15.1%～34.2%。X21 + N600 + B6 和 W20 +N600 + B6 處理 2015 年小麥季內 0—20 cm 土壤硝態(tài)氮含量分別達到75.4、76.1 mg/kg，為各處理3年內最高，這部分累積的高量硝態(tài)氮在玉米季也不能完全被有效利用而向土壤深層遷移，造成環(huán)境污染。

圖2 氮肥運籌對0—100 cm土壤含量的影響Fig. 2 Dynamics of contents affected by different N rates in 0–100 cm soil profile

3 討論

氮肥對農業(yè)生產有重要的作用，對產量有顯著影響，在一定的用量范圍內，氮肥可以促進有效分蘗產生、穗數增多，表現為產量隨施用量的增加而提高，但施氮過多時，不但產量增加不明顯，還會因供應過量造成營養(yǎng)生長過剩、群體過大，貪青晚熟[13]。研究表明，施氮量與籽粒產量呈拋物線關系，當施氮量超過臨界值時，投入產出率急劇下降[14]。在不同的土壤肥力、品種等生產條件下進行的研究表明，小麥施氮量的最高上限為 150～225 kg/hm2 [2, 15–16]，本試驗中兩個品種的產量隨施氮量的增加先升后降，新麥21和宛麥20分別在施氮量270、225 kg/hm2時產量較高。兩個品種的全年產量在年施氮量600 kg/hm2且分配比例為4∶6時較大。在小麥季施氮量225～270 kg/hm2范圍內，小麥季產量及全年產量差異不顯著。

通徑分析可以通過對自變量與因變量之間表明直接相關性的分解，來研究自變量對因變量的直接重要性和間接重要性，從而對統(tǒng)計決策提供可靠的依據[17]。由通徑分析可知，在一體化氮肥條件下新麥21產量構成要素中，成穗數直接作用最大，千粒重次之，穗粒數最??；宛麥20穗粒數對產量的影響最大，千粒重次之，成穗數最小。產量構成因素中普遍認為成穗數對產量的影響最大[18–19]。推測宛麥20產量要素對產量影響差異的原因可能是品種特性造成的，彩色小麥宛麥20對氮素的吸收利用相對于普通小麥較低，分蘗能力一般但成穗率高，成穗數與千粒重極顯著負相關，所以成穗數對產量的影響力下降較大，穗粒數接替成為影響該品種產量的關鍵性因素。

隨全年施氮量及分配比例的提高，氮素養(yǎng)分利用效率、氮肥農學利用率、氮肥偏生產力、經濟系數都呈現降低趨勢。由于氮肥利用率的相關指標并不包含施氮量、作物產量和土壤氮三者之間的關系，所以僅僅簡單通過降低氮肥施用量而提高氮肥利用率相關指標的做法并沒有實際的應用意義。雙標圖分析法是用圖解的形式表現和分析兩向數據，能從基因型、試驗點、性狀、環(huán)境等方面對試驗進行多層次、多角度的分析。利用此法分析不同施氮處理下氮肥利用率可以直觀發(fā)現不同指標間的最佳平衡點，在一定程度上彌補氮肥利用率在實際生產應用中的不足，本試驗中新麥21和宛麥20氮肥利用效率最佳處理分別為 225 kg/hm2和 240 kg/hm2。

大量研究表明，隨著施氮量的增加，土壤剖面硝態(tài)氮累積量增加，土壤氮素淋失加劇[20]。由于小麥60%的根系集中于0—30 cm土層[21]，玉米隨生育時期的不同55%～80%的根系集中于0—40 cm土層[22]，因此40 cm以下土體隨深度的增加硝態(tài)氮利用效率也隨之降低。巨曉棠等[6]研究發(fā)現，硝態(tài)氮在土壤剖面中的積累和移動受土壤質地、降雨量和灌溉量的影響，存在著非常大的年際變化，并且由于不同地區(qū)土壤氣候條件的差異，氮肥的環(huán)境容量和環(huán)境安全指標會有很大的差異。在本試驗條件下，年施氮量300 kg/hm2時，硝態(tài)氮含量變化并不顯著；年施氮量450 kg/hm2時，隨分配比例的不同小麥季和玉米季均有不同程度的硝態(tài)氮增加；年施氮量600 kg/hm2時，40 cm以下土層出現較為顯著的硝態(tài)氮含量增加，存在淋失現象。土壤–作物體系氮肥施用的最佳狀態(tài)應該是達到目標產量的前提下，施氮量既可以保證作物吸收氮肥，又可以維持土壤氮素平衡，氮肥損失最低[7]。同時由于不同小麥品種對氮素的吸收利用存在差異，針對不同品種應采取與其相適應的氮肥運籌措施，才能發(fā)揮品種的遺傳潛力，達到高產優(yōu)質[23]。在小麥、玉米一體化氮肥運籌條件下，綜合考慮產量、氮肥利用率及土壤硝態(tài)氮積累情況，周年施氮肥450 kg/hm2，小麥/玉米間5∶5分配比例有利于兩個品種高產高效。

4 結論

本試驗氮肥用量和分配比例對兩個品種產量及產量構成因素均有顯著影響，新麥21和宛麥20在年施氮量450 kg/hm2，比例分別為6∶4和5∶5時產量較高。通徑分析表明，一體化氮肥運籌條件下成穗數對新麥21產量影響最大，穗粒數對宛麥20產量影響最大。年氮肥用量450 kg/hm2、分配比例5∶5時新麥21氮肥利用率最佳；年氮肥用量600 kg/hm2，分配比例6∶4時宛麥20氮肥利用率最佳。兩個品種在年氮肥用量450 kg/hm2、分配比例5∶5時0—100 cm土層硝態(tài)氮增加不明顯。綜上，在本試驗條件下，周年施氮肥450 kg/hm2，小麥、玉米間5∶5分配比例有利于兩個品種高產高效。