不同栽培模式对冬小麦籽粒产量及氮素利用效率的影响

李传兴+王月超+代兴龙+张宇+李华英+贺明荣

摘 要：

以大穗型冬小麦品种泰农18为材料，在不同地（肥）力条件下，设置农民习惯（FP）、超高产（SH）、高产高效（HH）三种栽培模式，主要研究不同地（肥）力水平下各栽培模式对小麦产量形成特点、氮素利用效率（NUE）、氮素吸收效率（UPE）、氮素转化效率（UTE）、地上部氮素积累量（AGN）、氮素收获指数（NHI）、籽粒含氮量（GNC）的影响，旨在探讨协同提高冬小麦产量及氮素利用效率的栽培模式及其生理基础。结果表明，中肥力条件下FP、SH、HH三种栽培模式两年的平均产量分别为8.05、8.94、8.56 t/hm2，SH、HH模式较FP模式分别增产11.06%、6.34%，HH模式较SH模式减产4.25%;高肥力条件下FP、SH、HH三种栽培模式两年平均产量分别为8.38、9.66、9.30 t/hm2，SH、HH模式较FP模式分别增产15.27%、10.98%，HH模式较SH模式减产3.73%。中肥力条件下FP、SH、HH三种栽培模式两年的平均NUE分别为19.97、15.08、22.82 kg/kg，HH模式的NUE分别比FP、SH模式提高14.27%、51.33%;高肥力条件下FP、SH、HH三种栽培模式两年的平均NUE分别为17.79、13.87、20.90 kg/kg，HH模式的NUE分别比FP、SH模式提高17.48%、50.68%。超高产模式在三种模式中获得最高产量，但氮素利用效率显著低于另外两种模式，高产高效模式通过提高氮素吸收效率和氮素转化效率从而大幅度提高氮素利用效率，其产量比当地农民传统栽培模式显著提高，与超高产模式比较维持了较高的产量水平，说明通过栽培模式的优化，可以协调产量形成和氮素吸收利用两个过程，获得产量与氮素利用效率的协同提高。

关键词：冬小麦;栽培模式;产量;氮素利用效率

中图分类号：S512.1+10.1  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2015）06-0015-07

Effects of Different Cultivation Patterns on Grain

Yield and Nitrogen Use Efficiency of Winter Wheat

Li Chuanxing， Wang Yuechao， Dai Xinglong， Zhang Yu，Li Huaying， He Mingrong*

（Agronomy College of Shandong Agricultural University/State Key Laboratory of Crop Biology，

Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System， Ministry of Agriculture， Taian 271018， China）

Abstract Using large-spike winter wheat cultivar Tainong 18 as material， 3 cultivation patterns， including farmer conventional cultivation pattern （FP），super high yield cultivation pattern （SH） and high yield and high efficiency cultivation pattern （HH），were set to explore the effects of different cultivation patterns on grain yield formation， nitrogen use efficiency （NUE）， nitrogen uptake efficiency （UPE）， nitrogen utilization efficiency （UTE）， above-ground nitrogen accumulation（AGN）， nitrogen harvest index （NHI） and grain nitrogen concentration （GNC） under different fertility levels. The cultivation pattern and physiological basis to coordinately increase both grain yield and NUE were aimed at. The results showed that at the medium fertility level， the two-year average yields of FP， SH and HH were 8.05， 8.94 and 8.56 t/hm2 respectively; the grain yields of SH and HH were 11.06% and 6.34% higher than that of FP respectively，  while that of HH was 4.25% lower than that of SH. At the high fertility level， the two-year average yields of FP， SH and HH were 8.38， 9.66， 9.30 t/hm2 respectively; the grain yields of SH and HH were 15.27% and 10.98% higher than that of FP respectively， while that of HH was 3.73% lower than that of SH. At the medium fertility level， the two-year average NUE of FP， SH and HH were 19.97， 15.08 and 22.82 kg/kg respectively， the NUE of HH was 14.27%， 51.33% higher than that of FP and SH respectively. At the high fertility level， the two-year average NUE of FP， SH and HH were 17.79， 13.87 and 20.90 kg/kg， the NUE of HH was 17.48% and 50.68% higher than that of FP and SH respectively. The SH obtained the highest grain yield， but its NUE was the lowest of all 3 cultivation patterns. The HH increased the NUE significantly by increasing the UPE and UTE. Compared with FP， the grain yield of HH increased significantly. In contrast to SH， the grain yield of HH maintained at high level. The process of yield formation and nitrogen uptake-utilization could be coordinated through integrating and optimizing cultivation pattern to increase the grain yield and nitrogen use efficiency coordinately.endprint

Key words Winter wheat; Cultivation pattern; Grain yield; Nitrogen use efficiency

当前小麦生产中，不尽合理的传统栽培模式（如氮肥超量撒施等）还相当普遍，不仅氮肥利用率偏低，且易造成资源浪费，并对生态环境产生极大的负面影响。如何通过栽培模式的优化，获得小麦产量和氮素利用效率的协同提高，已成为小麦高产高效栽培研究的重要课题。

小麦产量受氮肥施用量、施用时期和种植密度、播种时期等栽培因素的影响[1～3]。Moll[4]、Dhugga[5]等将氮素利用效率（Nitrogen use efficiency ，NUE）定义为单位供氮量（土壤氮+肥料氮）所能生产的籽粒产量，包括氮素吸收效率（N uptake efficiency，UPE）和氮素转化效率（N utilization efficiency，UTE）两部分;氮素吸收效率表征植物从土壤中吸取氮素的能力，氮素转化效率表征植物利用地上部积累的氮素进行籽粒生产的能力。优化栽培模式，是提高氮素利用效率的有效手段[6，7]。随施氮量的增加，氮素利用效率降低[8]。Arduini等[9]研究表明，增加种植密度，小麦地上部氮素积累量（Above-ground N uptake，AGN）增加，但籽粒含氮量（Grain N concentration，GNC）降低。有研究指出，适当推迟播期，有助于氮素利用效率的提高[10]。关于提高小麦产量或氮素利用效率，前人已从种植密度、氮肥运筹等方面作了大量的研究，但仅限于对某一个或两个因素交互效应的研究，关于不同栽培模式对其影响的研究鲜见报道。本试验在高、中肥力条件下进行，以泰农18为材料，设置不同栽培模式，分析其对冬小麦产量及氮素吸收、转化和利用效率的影响，以期为冬小麦高产高效生产提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2012-2013、2013-2014年度在泰安市岱岳区大汶口镇（36°11′ N，117°06′ E，海拔178 m）进行。两年度小麦生长季月均温度和降水量见表1。前茬作物为玉米。土壤类型为棕壤，播前耕层土壤养分含量两年平均为：高肥力地块（简称高肥力）有机质含量20.34 g/kg、全氮1.82 g/kg、碱解氮115.44 mg/kg、速效磷42.46 mg/kg、速效钾102.69 mg/kg;中肥力地块（简称中肥力）有机质含量15.24 g/kg、全氮1.03 g/kg、

表1 2012-2013、2013-2014年度

小麦生长季的降水量和月均温度

月份

降水量 （mm）

2012-20132013-2014

月均温度  （℃）

2012-20132013-2014

1013.95.615.414.9

1117.815.26.56.9

1228.40.6-0.90.4

15.60-1.61.5

28.114.02.32.0

312.10.69.310.6

411.541.214.315.5

557.753.821.920.5

62.434.224.024.1

总计 157.5165.2

碱解氮65.10 mg/kg、速效磷18.90 mg/kg、速效钾71.46 mg/kg。

1.2 试验设计

以大穗型冬小麦品种泰农18（T18）为试验材料，在高、中肥力条件下，分别设计三种栽培模式处理，即：①农民习惯栽培（FP）模式——按当地农民习惯的播期、种植密度及施肥方式种植，耕地方式为旋耕;②超高产栽培（SH）模式——在FP基础上优化种植密度，延迟播期，改进施肥方式，增加磷钾肥用量，耕地方式为深耕;③高产高效栽培（HH）模式——在SH基础上增加种植密度，延迟播期，减少氮肥及磷钾肥用量，耕地方式为深耕。随机区组设计，重复4次，高、中肥力地块每处理小区面积分别为216、168 m2，具体试验设计见表2，其它田间管理措施同一般大田。

表2 不同栽培模式试验设计

处理基本苗

（万株/ hm2）播期

（月/日）

不同时期肥料施用量

（kg/hm2）

肥料  播前拔节期灌溉

FP22510/5 N189126底墒水，越冬水

P2O5120-起身水，挑旗水

K2O30-灌浆水

SH37510/8 N126189底墒水，拔节水

P2O5201-挑旗-开花水

K2O9060灌浆水

HH45010/12 N96144底墒水

P2O5120-拔节水，开花水

K2O4530灌浆水（视降水进行）

注：氮磷钾肥分别为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O5 12%）和氯化钾（K2O 60%）。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 籽粒产量 成熟期测产，在每个小区内选定长势均匀一致的3 m2（2.0 m ×1.5 m）区域，将所有麦穗收获后脱粒，自然风干后进行考种、测产。

1.3.2 地上部氮素积累量 成熟期在每个小区选取长势均匀一致的区域随机取30个单茎，分成茎鞘、叶片、穗轴（含颖壳）和籽粒4部分，105℃下杀青30 min，80℃烘干至恒重，称取干重。籽粒用3100型实验磨（瑞典Perten公司）磨粉，其它器官用FZ102型微型植物粉碎机（天津泰斯特仪器有限公司）粉碎，植株各部分样品用浓硫酸和催化剂（CuSO4·5H2O∶K2SO4= 1∶5）消煮，半微量凯氏定氮法测定各部分器官的含氮量。各部分器官干物质积累与含氮量乘积相加即地上部氮素积累量。endprint

1.3.3 土壤无机氮含量测定 小麦播种前，分别在各处理小区内取两个土壤样点，每20 cm一层，用土钻取0～100 cm土层样品，分别混匀，于-20℃条件下保存。测定前将冰冻土样取出，解冻后充分混匀，过2 mm筛，称取12 g，加入50 mL的1 mol/L KCl溶液，振荡30 min后过滤，制成浸提液。用德国BRAN+LUEBBE公司产AA3流动分析仪测定土壤硝态氮和铵态氮含量（mg/kg），并根据各土层土壤容重将无机氮单位换算成kg/hm2，同时测定土壤含水量。

1.3.4 氮素利用各指标计算 根据Moll等[4]和Dhugga等[5]的定义进行。

氮素利用效率（NUE，kg/kg）=籽粒产量/供氮量（供氮量包括肥料氮和播前0～100 cm土层无机态氮积累量）;

氮素吸收效率（UPE，%）=成熟期地上部氮素积累量/供氮量×100;

氮素收获指数（NHI，%）=（籽粒产量×籽粒含氮量）/地上部氮素积累量×100;

氮素转化效率（UTE，kg/kg）=籽粒产量/地上部氮素积累量=氮素收获指数/籽粒含氮量。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05软件进行数据整理和统计分析，采用LSD 法进行显著性检验，采用Microsoft Word 2007制表，Sigmaplot 12.5制图。

2 结果与分析

2.1 不同栽培模式对冬小麦籽粒产量及其构成因素的影响

由表3可知，在中、高两种肥力条件下不同栽培模式对T18产量均有显著影响，均以SH模式产量最高，FP模式最低。中肥力条件下，FP、SH、HH模式两年的平均产量分别为8.05、8.94、8.56 t/hm2，SH、HH较FP分别增产11.06%、6.34%，HH模式较SH模式减产4.25%;产量构成因素方面，SH模式每公顷穗数、穗粒数均显著高于FP模式，HH模式穗粒数与FP模式无显著差异，千粒重略低于或与FP模式无显著差异，其较高产量是通过显著增加每公顷穗数而实现的。高肥力条件下，FP、SH、HH模式两年平均产量分别为8.38、9.66、9.30 t/hm2，SH、HH模式较FP模式分别增产15.27%、10.98%，HH模式较SH模式减产3.73%;产量构成因素方面，SH模式每公顷穗数显著高于FP、HH模式，这是其产量最高的主要原因，HH模式每公顷穗数及千粒重均显著高于FP模式，产量较FP模式得以提高。

表3 不同栽培模式下T18产量及其构成因素

年度地力水平处理穗数

（万穗/hm2）穗粒数千粒重

（g）产量

（t/hm2）

2012-2013中肥力FP564.84c37.47b41.16a7.87c

SH622.36b39.29a41.80a8.72a

HH651.96a37.38b41.64a8.47b

高肥力FP631.03c41.54b43.37b8.17c

SH704.04a42.29a44.25ab8.90a

HH665.92b42.39a44.79a8.52b

2013-2014中肥力FP622.44c37.36b40.65a8.22c

SH689.78b39.91a40.32a9.15a

HH742.22a37.40b39.14b8.65b

高肥力FP611.14c41.79a40.38b8.58c

SH805.82a38.56b44.40a10.41a

HH758.7b37.99b43.23a10.08b

注：同年度同肥力水平内，数据后不同小写字母表示0.05水平上差异显著，下同。

2.2 不同栽培模式对小麦氮素利用效率相关指标的影响

由表4可知，不同栽培模式下氮素利用效率（NUE）差异显著且不同肥力条件下趋势一致，即HH模式的NUE均显著高于 FP、SH，SH模式下的NUE在两年两种肥力条件下均为最低。就中肥力条件而言，HH的NUE两年平均值为22.82 kg/kg，分别比FP、SH模式提高14.27%、51.33%;高肥力条件下各处理NUE与中肥力条件相比均有所下降，HH模式NUE两年平均值为20.90 kg/kg，分别比FP、SH模式提高17.48%、50.68%。氮素吸收效率（UPE）方面，各处理趋势与NUE基本一致，即HH>FP>SH，两年度两种地块，HH模式的UPE都超过了64%，其它两模式的UPE均低于60%。SH模式的氮素转化效率（UTE）在两种肥力条件下均显著低于FP、HH模式，中肥力条件下SH模式UTE两年平均值为31.33 kg/kg，HH模式下UTE为33.85 kg/kg，比SH模式提高7.61%;高肥力条件下SH模式的UTE两年平均为27.43 kg/kg，HH模式下UTE为30.30 kg/kg，比SH模式平均高10.46%，但与FP模式的UTE相当，表明两种模式利用地上部积累氮素进行籽粒生产的能力无显著差异。

表4 不同栽培模式对氮素利用效率

及相关指标的影响

年度地力水平处理氮素利用效

率（kg/kg）氮素吸收

效率（%）氮素转化效

率（kg/kg）

2012-2013中肥力FP20.59b59.39b34.66a

SH15.18c49.83c30.49c

HH22.21a66.56a33.37bendprint

高肥力FP17.66b59.22b29.83a

SH13.27c48.97c27.10b

HH19.62a64.74a30.30a

2013-2014中肥力FP19.35b53.80b35.96a

SH14.98c46.60c32.16c

HH23.43a68.24a34.33b

高肥力FP17.91b55.51b30.53a

SH14.47c52.13b27.76b

HH22.18a73.22a30.30a

氮素吸收效率（UPE）受成熟期地上部氮素积累量以及供氮量（土壤氮+肥料氮）两因素共同作用。由图1可知，不同栽培模式对成熟期地上部氮素积累量（AGN）影响显著。SH模式AGN在两种肥力条件下均显著高于另外两模式，中肥力、高肥力条件下其两年平均值分别为287.44、351.39 kg/hm2;HH模式分别为253.90、307.15 kg/hm2，均显著高于FP模式。SH模式的AGN在三模式中最高，但受限于最高的供氮量，其氮素吸收效率在三种模式中最低;HH模式下AGN低于SH模式，但供氮量显著低于SH模式，其UPE是三模式中最高的。

氮素转化效率（UTE）与氮素收获指数（NHI）呈正比，与籽粒含氮量呈反比。由表5可知，中肥力条件下，SH模式的NHI两年平均值为73.53%，FP模式下NHI为76.33%，通过栽培模式的优化，HH模式的NHI较SH提高2.82%，达到75.61%，但与FP模式相比并无显著差异。高肥力条件下，各处理NHI两年平均值FP模式为69.57%、SH模式为68.18%、HH模式为 71.66%，HH模式较SH模式增幅为5.1%，并显著高于FP模式。较高的籽粒含氮量（GNC）导致较低的UTE，两年两种肥力条件下SH模式的GNC均显著高于FP模式，HH模式均与FP模式

图1 不同栽培模式下小麦成熟期地上部氮素积累量与土壤中可利用氮

无显著差异：中肥力条件下FP模式的GNC两年平均值为2.19%，SH模式为2.37%，增幅为8.23%;高肥力条件下FP模式GNC两年平均值为2.30%，SH模式为2.54%，增幅为10.46%。2012-2013生长季，SH的GNC在两种肥力条件下均显著高于HH，2013-2014生长季，两处理的GNC在两种肥力条件下均无显著差异。

表5 不同栽培模式下氮素收获指数、籽粒含氮量

年度地力水平处理氮素收获指数

（%）籽粒含氮量

（%）

2012-2013中肥力条件FP77.47a2.28b

SH74.51b2.47a

HH76.60a2.33b

高肥力条件FP70.64b2.35b

SH69.24c2.65a

HH72.79a2.40b

2013-2014中肥力条件FP75.18a2.09b

SH72.54b2.26a

HH74.61a2.17ab

高肥力条件FP68.50b2.24b

SH67.12b2.42a

HH70.53a2.33ab

3 讨论与结论

冬小麦夏玉米轮作是黄淮海地区粮食作物的主要种植模式，其产量约占全国粮食总产的30%[11，12]。但传统的农户种植模式存在许多问题：第一，种植密度过密或过稀，过密群体郁闭，抗倒能力差，过稀易造成光温资源的浪费，均不利于高产[13];第二，氮肥施用过量，氮素利用效率低[4，14]，环境污染问题严重[15];第三，播期偏早，尤其是近年来冬前>0℃积温升高的条件下，小麦冬前旺长现象严重，植株主茎及低位大蘖易遭受冬季和早春冷害和寒害的影响[3，16]，群体过大还易使得小麦基部节间患病，增加花后群体倒伏的风险[17～19]。前人研究表明，随种植密度增加，小麦产量和氮素利用效率均呈现先增加后降低的趋势[20]，而随施氮量增加小麦产量先增加后降低，但氮素利用效率逐渐下降[21];在一定范围内适当推迟播期，尤其是目前冬前积温上升的背景下，小麦籽粒产量和氮素利用效率仍可维持在较高的水平[22]。由此表明，小麦籽粒高产、氮肥高效利用的栽培模式需要适宜的密度、施氮量和播期相组合。在本试验条件下，通过适当增加种植密度、降低氮肥用量、延迟播期设计的高产高效栽培模式，相较于农民习惯种植模式而言产量显著提高，中肥力条件下提高6.34%、高肥力条件下提高10.98%，氮素利用效率相应提高14.27%、17.48%;与大量氮肥投入的超高产模式相比较产量略微下降，但其氮素利用效率相应提高51.33%、50.68%。表明通过优化种植密度、氮肥施用和播期进而集成的高产高效栽培措施可以实现产量与氮素利用效率的协同提高。

氮素吸收效率和氮素转化效率是氮素利用效率的重要组成部分，两者的乘积即为氮素利用效率[4，10]。国际上关于氮素吸收效率、氮素转化效率与氮素利用效率关系的报道相对较多，但结论不甚一致。Muurinen等[23]研究表明，氮素利用效率与氮素吸收效率密切相关。Ortiz-Monasterio等[24]研究发现低肥力条件下，氮素吸收效率对氮素利用效率的影响较高，而高肥力条件下则是对氮素转化效率的影响较大。本试验，超高产模式下较低的氮素吸收效率和氮素转化效率是其氮素利用效率低的主要原因。高产高效模式的氮素吸收效率显著高于农民习惯模式，而氮素转化效率则略微低于中肥力条件或持平于高肥力条件下的农民习惯种植模式，两者相乘，使得其氮素利用效率显著高于农民习惯模式。表明高产高效的集成栽培模式主要是通过大幅提高氮素吸收效率并维持较高的氮素转化效率而实现了氮素利用效率的提高。endprint

氮素吸收效率与成熟期地上部氮素积累量呈正相关，与总供氮量呈负相关。高产小麦栽培中以每公顷施纯氮240 kg为宜[25]，施氮过多则会促进土壤硝态氮向深层的移动和积累[26];增加种植密度有利于提高小麦群体吸收能力，促进小麦对于供应氮素的吸收[20]。本试验中，高产高效模式在适当降低氮肥用量条件下，其氮素总供应量显著低于超高产模式，通过增加种植密度提高的氮素吸收能力进一步保障了籽粒生产所需的地上部氮素积累，从而获得了较高的氮素吸收效率;高产高效模式下土壤总供氮量虽与农民习惯模式相差较小，但其地上部氮素积累量却显著提高。由此表明通过种植密度和氮肥用量的优化，可以大幅度提高小麦氮素吸收效率，从而提高氮素利用效率。

氮素转化效率可以表示为氮素收获指数与籽粒含氮量的比值，即氮素转化效率与氮素收获指数呈正相关，与籽粒含氮量呈负相关[27]。Barraclough等[28]认为，在维持籽粒含氮量的前提下，氮素转化效率的提高应依靠提高氮素收获指数来实现。本试验中，与超高产模式比较，高产高效模式通过栽培模式的优化，籽粒含氮量显著或略有降低的同时，氮素收获指数得以显著提高，二者协同提高了高产高效模式下的氮素转化效率。中肥力条件下，高产高效模式与农民习惯种植模式比较籽粒含氮量略有上升，氮素收获指数略有下降，氮素转化效率略有降低;高肥力条件下，高产高效模式较农民习惯种植模式氮素收获指数获得提高，因此虽然其籽粒含氮量升高，但氮素转化效率仍可维持在较高水平。

相较于农民习惯栽培模式，超高产模式产量显著提高，但氮素吸收效率、氮素转化效率及氮素利用效率大幅度降低;与超高产模式相比，高产高效模式在产量略微下降的情况下，显著提高了氮素吸收效率、氮素转化效率，从而显著提高氮素利用效率。本试验结果表明两种肥力条件下，在小麦超高产处理的基础上，均可通过适当增加密度、减少氮肥投入、延迟播期集成的综合措施的优化，实现产量形成过程与氮素吸收利用过程的协调，实现冬小麦高产高效生产。

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