稻秸还田下播种密度与氮肥运筹对小麦产量及氮素利用效率的影响

修 明，谷世禄，田中伟，祝 庆，蔡 剑，姜 东，戴廷波

(南京农业大学农学院/农业部作物生理生态与生产管理重点实验室/江苏省现代作物生产协同创新中心,江苏南京 210095)



稻秸还田下播种密度与氮肥运筹对小麦产量及氮素利用效率的影响

修 明，谷世禄，田中伟，祝 庆，蔡 剑，姜 东，戴廷波

(南京农业大学农学院/农业部作物生理生态与生产管理重点实验室/江苏省现代作物生产协同创新中心,江苏南京 210095)

为明确秸秆还田条件下稻茬小麦高产高效栽培的适宜播种密度和氮肥运筹方式，采用大田试验，以济麦22号为材料，研究了稻秸还田下不同播种密度(播量120 kg·hm-2、180 kg·hm-2)、施氮量(180、225和270 kg N·hm-2)及氮肥基追比(基肥∶拔节肥∶孕穗肥为6∶3∶1、5∶3∶2和4∶3∶3)对小麦产量和氮素利用效率的影响。结果表明，在施氮量180 kg·hm-2(低氮)和225 kg·hm-2(适氮)下，提高播种密度显著提高了小麦叶面积指数、开花期旗叶光合速率、花后干物质积累量和籽粒产量；而在施氮量270 kg·hm-2(高氮)下，提高播种密度显著降低了小麦生育后期叶面积指数、开花期旗叶光合速率、花后干物质积累量和籽粒产量。提高播种密度、降低施氮量均降低了土壤中无机氮的盈余量，氮肥吸收效率和氮肥农学效率显著提高。产量、氮肥吸收效率及氮肥农学效率均在氮肥基追比为基肥∶拔节肥∶孕穗肥=6∶3∶1时最大。因此，稻秸还田条件下提高小麦播种密度、适当降低施氮量并提高基肥比例，可以实现小麦产量和氮素利用效率的同步提高。

小麦；稻秸还田；播种密度；施氮量；氮肥基追比；产量；氮素利用效率

稻麦轮作是江苏地区主要的种植方式，稻茬麦面积约占全省小麦种植面积的70%以上[1]。近年来，随着水稻产量水平的不断提高，水稻秸秆量也随之增大，稻秸还田成为水稻秸秆综合利用的重要手段，寻求稻秸还田下小麦高产高效栽培技术有利于稻秸还田技术的推广。研究表明，由于稻秸还田后小麦出苗率及出苗均匀性显著降低，导致产量下降，是制约稻秸还田下小麦高产高效的主要原因之一[2-3]。通过提高播种密度、增加翻耕次数与深度及播后镇压等措施可在一定程度上缓解稻秸还田后小麦因出苗不足导致产量降低的现象，其中播种密度的影响最大[3]。因此，稻秸还田后，应通过增加播种密度来获得预期的基本苗数。水稻秸秆因其自身碳氮比较高，在腐解过程中微生物会固定大量的氮素，导致土壤氮素和肥料氮素对小麦的有效性降低，沿用常规的氮肥运筹很难满足小麦对氮素的生理需求，还有可能造成氮肥的浪费[4-5]。氮肥施用过量不仅造成生产成本提高和氮肥利用效率降低，且会导致大量的硝态氮在土壤中富集，引起如地下水硝态氮含量提高、N2O 等温室气体排放增加等环境问题[6-7]。因此，明确稻秸还田下合理氮肥运筹对解决作物-土壤-秸秆之间的氮素需求矛盾、提高氮肥利用效率、保护生态环境、促进作物高产高效具有重要意义。前人的研究多针对于秸秆还田后提高播种密度对小麦出苗及产量的影响[8-9]，但针对稻秸还田后小麦在提高播种密度后应如何调控氮肥运筹以提高产量和氮肥利用效率尚不明确。本研究通过 2 年大田试验，分析在稻秸还田条件下，播种密度、施氮量及氮肥基追比对小麦产量及氮素利用效率及其生理指标的影响，旨在为稻秸还田下小麦高产高效栽培管理提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于 2013-2015 年在江苏省徐州市铜山区南京农业大学试验基地进行。试验地土质为砂姜黑土，耕层(0～20 cm)土壤有机质含量为 16.32 g·kg-1，全氮含量为 0.79 g·kg-1，碱解氮含量为 73.2 mg·kg-1，全磷含量为0.98 g·kg-1，有效磷含量为 35.3 mg·kg-1，速效钾含量为191.2 mg·kg-1。

供试品种为济麦22。采用裂区设计，以播种密度为主区，施氮量为副区，氮肥基追比为裂区。播种密度(播量)分别为 120 kg·hm-2(D120，常规播种密度)、180 kg·hm-2(D180，高播种密度)；施氮量分别为施纯氮 0、180(N180，低氮)、225(N225，适氮)、270(N270，高氮) kg·hm-2；氮肥基追比(基肥∶拔节肥∶孕穗肥)分别为 6∶3∶1(R6∶3∶1)、5∶3∶2(R5∶3∶2)、4∶3∶3(R4∶3∶3)。前茬水稻收割后，稻秸全量旋耕还田。小区面积 12 m2，随机排列，重复 3 次。小麦于 2013 年和 2014 年 10 月 15 日播种。各处理基肥一次性施入磷肥(过磷酸钙，含P2O515%)、钾肥(氯化钾，含 K2O 60%)各 150 kg·hm-2。其他栽培措施与大田高产管理相同。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 产量及产量构成因素测定

成熟期取 1 m2样段，测定有效穗数，人工收割脱粒，风干后计算籽粒产量；取 20 个单茎测定穗粒数及千粒重。

1.2.2 叶面积指数测定

在 2014-2015 小麦季分别于越冬期、拔节期、孕穗期、开花期和灌浆期采用 CID-301 型叶面积仪测定小麦叶面积指数[10]。

1.2.3 光合速率测定

采用 LI-6400(Li-Cor Inc，美国)便携式光合作用测定系统，在 2014-2015 小麦季于开花期晴天 9:00-11:00 测定旗叶光合速率[11]。

1.2.4 干物质积累量测定

于拔节期、开花期和成熟期从各小区取有代表性植株样品20株，分割各器官，于 105 ℃ 杀青 30 min，80 ℃烘干至恒重测干物质重，以此推算单位土地面积干物质积累量[12]。

1.2.5 土壤无机氮测定

在 2014-2015 小麦季分别于播种前、拔节期、开花期及成熟期以 20 cm 为一层取 0～40 cm 土样，每小区随机取3个点，相同层次的土壤混均密封于-20 ℃保存，同时用环刀法测定各层土壤容重。土壤样品解冻后烘干取10 g与2 mol·L-1的 KCl(水土比 5∶1)混合振荡 30 min 后过滤，用连续流动分析仪测定硝态氮和铵态氮，用烘干法测定土壤含水量[13]。

1.2.6 植株氮含量测定

将拔节期、开花期和成熟期的各器官样品烘干后粉碎，用浓H2SO4和H2O2消煮，半微量凯氏定氮法测定各器官全氮含量。有关参数计算如下：

植株氮积累量=植株干物重×植株含氮量；

土壤无机氮含量=土壤硝态氮含量+土壤铵态氮含量；

土壤无机氮积累量=土壤厚度×土壤容重×土壤无机氮含量；

土壤氮素表观盈亏量=(土壤无机氮起始总量+施氮量)/(土壤无机氮残留总量+作物吸氮量)[14]；

氮肥农学效率=(施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量)/施氮量[15]；

氮肥吸收效率=(施氮区氮素吸收量-不施氮区氮素吸收量)/施氮量×100%[15]。

1.3 数据分析

试验数据采用 Sigma Plot 12.5 和 Excel 2010 软件进行处理和作图，采用SAS进行方差分析与显著性测验。

表1 稻秸还田下播种密度与氮肥运筹对小麦产量及其构成因素的影响

同列数据后不同字母表示处理间有显著差异(P<0.05)。* 和 ** 分别表示在 5%和 1%水平上差异显著。下同。

Values followed by different letters are significantly different at 0.05 level among different treatments. * and ** mean significantly different at 0.05 and 0.01 levels,respectively.The same as below.

2 结果分析

2.1 小麦产量及其构成因素

由表 1 可知，播种密度、施氮量及基追比对小麦产量及其构成因素均有极显著影响(播种密度对千粒重、基追比对穗粒数和千粒重除外)，两年趋势表现相同。在相同施氮水平下，提高播种密度(D180)可显著提高籽粒产量；在相同的密度水平下，N270处理产量与N225无显著差异，但显著高于 N180处理。与 R6∶3∶1处理相比，R5∶3∶2和 R4∶3∶3处理产量显著或不显著降低，表明在秸秆还田条件下，增加基肥氮比例有利于高产。密度×氮肥、密度×基追比及密度×氮肥×基追比互作对籽粒产量均有显著或极显著影响，在 D120处理下，籽粒产量以N270最高；在 D180处理下，籽粒产量以N225最高，表明稻茬小麦秸秆还田条件下可通过增密减氮或降密增氮实现高产目标。

密度、施氮量对有效穗数和穗粒数有极显著的影响。有效穗数随密度、施氮量及基肥比例的增加而增加，穗粒数随密度和基肥比例的增加而减少。密度对千粒重无显著影响，但增加施氮量显著降低了千粒重，而增加后期追肥比例可显著提高千粒重。相关分析表明，产量与有效穗数极显著正相关，与穗粒数相关不显著，与千粒重极显著负相关(数据未显示)，表明秸秆还田条件下稳定有效穗数是获得高产的关键途径。

2.2 氮肥利用效率

播种密度、施氮量、基追比及其互作对氮肥利用效率各指标均有显著或极显著影响(表2)。增加密度显著提高了氮肥利用效率，而增加施氮量显著降低氮肥利用效率。随基肥比例增加，氮肥吸收效率和农学效率均显著或不显著增加，表明在秸秆还田条件下，增加基肥施氮比例有利于提高氮肥利用效率。因此，在提高播种密度的基础上，适当降低施肥量、增加基肥比例可实现氮肥的高效利用。

表2 稻秸还田下播种密度与氮肥运筹对小麦氮肥利用效率的影响

NAE:Nitrogen agronomic efficiency; NRE:Nitrogen recovery efficiency.

2.3 叶面积指数

小麦的叶面积指数(LAI)随生育时期推进呈先升后降的趋势，在孕穗期前达最大值(图 1)。在N180和N225施氮量下，增加播种密度显著提高了小麦各生育时期的叶面积指数，而在N270施氮量下，提高播种密度，小麦叶面积指数在孕穗后迅速降低。同一播种密度下，叶面积指数随施氮量和基肥比例的增加而增大。说明稻秸还田下，提高播种密度、适当降低施氮量并提高基肥比例，有利于小麦在生育后期维持较高的叶面积指数。

2.4 开花期旗叶净光合速率

由图 2 可知，在N180和N225施氮量下，提高播种密度，小麦开花期净光合速率均有不同程度增加，平均增幅分别为 4.91%和 2.93%；而在N270施氮量下，提高播种密度，小麦开花期净光合速率降低，平均降幅为2.79%。在D120播量下，小麦开花期净光合速率随施氮量和基肥比例的增加而显著升高；在D180播量下，小麦开花期净光合速率随施氮量的增加呈先升高后降低的变化趋势，随基肥比例的增加而显著升高。说明稻秸还田条件下，提高播种密度、适当降低施氮量并提高基肥比例，有利于小麦旗叶在开花期维持较高的光合速率。

图1 稻秸还田下播种密度与氮肥运筹对叶面积指数(LAI)的影响

图柱上不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Bars superscripted with different letters are significantly different at 0.05 level.

图2 稻秸还田下播种密度与氮肥运筹对小麦开花期旗叶净光合速率的影响

Fig.2 Effects of planting density and N application on photosynthetic rate(Pn) in flag leaves at anthesis of wheat with rice straw returning

2.5 不同生育阶段的干物质积累量

由表 3 可知，小麦出苗至拔节期干物质积累量随播种密度、施氮量及基肥比例的增加而增加。拔节至开花期干物质积累量在 D120播量下随施氮量和基肥比例的增加而降低，在D180播量下随施氮量的增加则先降低后升高，随基肥比例的增加而降低。开花至成熟期干物质积累量表现出与拔节至开花期干物质积累量相反的变化趋势，且在N180和N225施氮量下，提高播种密度显著提高了开花至成熟期的干物质积累量，两年平均增幅分别为 4.95%和4.57%；在N270施氮量下，提高播种密度显著降低了该生育阶段的干物积累量，两年平均降幅为2.21%。说明稻秸还田下，提高播种密度、适当降低施氮量并提高基肥比例，有利于小麦在花后维持较高的物质生产能力。

2.6 不同生育阶段的氮素积累量

由表4可知，小麦播种至拔节期的氮素积累量随播种密度、施氮量和基肥比例的增加而增加；拔节至开花期的氮素积累量显著高于其余生育阶段，说明该阶段是小麦吸收氮素的主要生育阶段，各处理间的氮素积累趋势与播种至拔节期一致。开花至成熟期的氮素积累量较少，且随播种密度和施氮量的增加而增加，随基肥比例的增加而降低。在N180、N225和N270施氮量下，提高播种密度显著增加了小麦整个生育期植株的氮素积累量，增幅分别为3.54%、4.19%和2.83% ；同一播种密度下，小麦整个生育期植株的氮素积累量随施氮量和基肥比例的增加而增加。

2.7 不同生育阶段土壤氮素表观盈亏

由图3可知，在播种至拔节期，各处理 0～40 cm 土壤均出现氮素表观盈余，且盈余量随播种密度的增加而降低，随施氮量和基肥比例的增加而增加。开花至成熟期土壤氮素略有盈余(D180和N180条件下的R5∶3∶2和R4∶3∶3处理除外)，且随施氮量的增加而增加，随播种密度和基肥比例的增加而降低。在拔节至开花期，低氮处理及较高的基肥比例均导致土壤氮素亏缺。就小麦整个生育阶段而言，各处理 0～40 cm 土壤均出现氮素表观盈余，且盈余量随播种密度和基肥比例的增加而降低，随施氮量的增加而增加，表明通过增加密度、优化施肥措施可降低土壤氮素表观盈余。

表3 稻秸还田下播种密度与氮肥运筹对小麦不同生育阶段干物质积累的影响

表4 稻秸还田下播种密度与氮肥运筹对小麦氮素积累量的影响

图3 稻秸还田下播种密度与氮肥运筹对小麦不同生育阶段 0～40 cm 土层氮素表观盈亏的影响

3 讨 论

大量研究认为，种植密度与氮肥水平显著影响了小麦的籽粒产量和氮素利用效率，适宜的氮肥水平和种植密度组合可以在提高氮素利用效率的同时获得较高的籽粒产量[16-17]。徐振江等[18]研究得出，小麦基本苗为 180×104·hm-2配施氮 300 kg·hm-2处理的籽粒产量与基本苗为 300×104·hm-2配施氮 150 kg·hm-2处理的籽粒产量相同；张 娟等[17]指出，当小麦种植密度由270×104·hm-2增至 405×104·hm-2，施氮量由 240 kg·hm-2降至 180 kg·hm-2时，产量并未发生变化，但氮肥吸收效率和农学效率显著提高。本研究结果表明，在稻秸还田条件下，常规播种密度(120 kg·hm-2)在配施高氮(270 kg·hm-2)且氮肥基追比为 6∶3∶1 的条件下可获得较高的籽粒产量；高播种密度(180 kg·hm-2)在配施适氮(225 kg·hm-2)且氮肥基追比为 6∶3∶1 的条件下获得的籽粒产量最高；两者的籽粒产量无显著差异，但后者氮肥吸收效率和氮肥农学效率均显著高于前者。这说明在稻秸还田条件下，提高播种密度的同时适当降低施氮量既可以稳定籽粒产量，又能显著提高氮肥利用效率。籽粒产量、氮肥吸收效率及氮肥农学效率在不同氮肥基追比处理间均表现出基肥∶拔节肥∶孕穗肥为 6∶3∶1 最高。这与“轻基重追”和“前氮后移”是提高小麦产量和氮肥利用效率的有效措施[19-20]的结果不同，究其原因，主要是在稻秸还田后，随着前期稻秸逐渐腐烂分解，微生物的数量和活性加剧，与小麦幼苗竞争氮素，中后期秸秆释放氮素供小麦吸收利用，小麦生长前期需要投入较多的氮肥才能满足生长所需，而后期可以适当降低氮肥的投入。

绿叶面积及持续时间可显著影响小麦光合产量，叶面积指数在一定程度上可反映作物吸收光能的能力；较高的叶面积指数能够提高作物的光合效率和干物质生产能力，从而提高作物的产量[21]。本研究结果表明，常规播种密度在高氮水平下及高播种密度在适氮水平下，小麦各生育时期的叶面积指数均维持在较高的水平，开花期旗叶光合效率及花后干物质积累量较高，因此获得了较高的籽粒产量。

土壤氮素表观盈亏因小麦不同生育阶段对氮素的需求不同而具有明显的阶段性特征[22]。本研究结果表明，拔节前各处理均出现氮素表观盈余，这与前人研究结果一致[23]。一方面是因为拔节前植株生长较慢对氮素的需求量较低；另一方面可能是前期稻秸腐解导致微生物固定了大量氮素[24]。拔节后追氮量高于 135 kg·hm-2也会引起土壤氮素的显著盈余，这可能是由于前期土壤氮素大量的盈余、稻秸后期释放的氮素和追氮量能够满足小麦中后期对氮素的需求[1]。前人研究表明，土壤硝态氮淋洗损失是盈余氮素的一个主要去向，同时还会造成环境污染[8,25]。由此可见，在稻秸还田条件下，提高施氮量和追氮比例可导致土壤中残留较多的氮素，提高了氮素表观盈余量及氮肥的损失量，导致氮素利用效率显著降低；而增加播种密度，有利于氮素被小麦充分吸收，提高了氮肥吸收效率，降低了土壤氮素表观盈余量及硝态氮的淋洗损失量，从而可以减轻因氮肥造成的环境污染。

4 结 论

在稻秸还田条件下，提高播种密度、适当降低施氮量并提高基肥比例可以提高花后光合生产能力、拔节后氮素吸收能力，同时降低土壤氮素盈余量，从而提高小麦产量和氮素利用效率。本试验条件下，播种密度为180 kg·hm-2、施氮量为225 kg·hm-2、基追比为6∶3∶1时，实现了产量与氮素利用效率的同步提高。

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Effect of Planting Density and Nitrogen Application on Wheat Yield and Nitrogen Use Efficiency under Rice Straw Returning

XIU Ming,GU Shilu,TIAN Zhongwei,ZHU Qing,CAI Jian,JIANG Dong,DAI Tingbo

(Agronomy College of Nanjing Agricultural University/Key Laboratory of Crop Physiology Ecology and Production Management of Ministry of Agriculture/Jiangsu Collaborative Innovation Center for Modern Crop Production,Nanjing,Jiangsu 210095,China)

To explore the effects of planting density and nitrogen(N) fertilizer management on grain yield and N use efficiency of wheat under rice straw returning,field experiment was conducted to study the effects of planting density(120 kg·hm-2and 180 kg·hm-2),N rate(180,225 and 300 kg·hm-2) and the ratio of basal to top-dressing(basal fertilizer∶ jointing fertilizer∶ booting fertilizer=6∶3∶1,5∶3∶2 and 4∶3∶3,respectively) on grain yield and N utilization in wheat under rice straw returning,with Jimai 22 as material. Results showed that increasing planting density improved leaf area index,photosynthetic rate of flag leaf at anthesis stage and dry matter accumulation from anthesis to maturity stage under low N rate(180 kg·hm-2) and appropriate N rate(225 kg·hm-2),therefore grain yield was improved significantly. However,under excessive N rate(270 kg·hm-2),increasing planting density decreased leaf area index at the late growth stage,photosynthetic rate of the flag leaf at anthesis stage and dry matter accumulation post-anthesis significantly,which resulted in reduction of grain yield. In addition,increasing planting density with reduced N rate decreased soil inorganic N surplus amount,but improved N agronomy efficiency and N uptake efficiency significantly. The optimal ratio of basal to top-dressing was 6∶3∶1,which could simultaneously improve grain yield and N use efficiency. In conclusion,increasing planting density with reduced N rate properly and increased the ratio of basal fertilizer under rice straw returning could improve grain yield and N use efficiency.

Wheat; Rice straw returning; Planting density; N rate; N basal to top-dressing ratio; Grain yield; N use efficiency

时间：2016-10-08

2016-03-22

2016-04-19

国家自然科学基金项目(31471443，31501262)；江苏省自然科学基金项目(BK20140705)

E-mail：201301044@njau.edu.cn

田中伟(E-mail：zhwtian@njau.edu.cn)

S512.1；S311

A

1009-1041(2016)10-1377-09

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20161008.0932.026.html