不同养分管理模式对小麦产量和氮肥效率的影响

刘瑞丽，王 欢，张晓宁，张宏彦

（中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

不同养分管理模式对小麦产量和氮肥效率的影响

刘瑞丽，王 欢，张晓宁，张宏彦

（中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

提高单位面积产量是满足我国小麦需求的主要途径。基于田间长期定位试验，分析了过去低投入、当前集约化高投入和优化投入3种养分管理模式对小麦生长发育和氮肥效率的影响。结果表明：低投入的氮肥偏生产力高，但小麦分蘖能力、地上部生物量累积、氮吸收和产量均受到影响，两季平均产量只有3.79 t/hm2；优化投入在保证小麦产量的基础上比高投入减少20%～46%的化肥和7 t/hm2的牛粪，显著提高氮肥偏生产力，二者两季平均产量分别为9.27、9.28 t/hm2，平均氮肥偏生产力分别为68、27 kg/kg；高投入中大量的养分投入增加了无效分蘖的发生和营养生长阶段氮的奢侈吸收，不利于小麦产量的进一步提高。因此，优化肥料用量和施肥时期是保证小麦产量和提高氮肥效率的基础。

小麦；产量；分蘖；地上部生物量；氮吸收；氮肥偏生产力

小麦是我国主要粮食作物之一，产量占全国粮食总产的20%以上。由于人口增加和饮食结构改变，2030年我国小麦需求量将增加到125 Mt［1］。然而我国耕地资源有限，提高单位面积产量是提高小麦总产、满足需求的主要途径［2］。华北平原是我国小麦主产区之一，小麦产量占全国总产的75%，实现该地区可持续高产对保证我国粮食安全有重要意义［3］。在长达2000多年的时间内，该地区满足作物生长、维持土壤肥力主要依靠有机物料投入，如人畜粪便、草木灰、绿肥等，肥料供应不足制约着粮食产量的进一步提高［4-5］。“绿色革命”后，我国粮食产量随着化肥产业发展不断增加。从1949年到2009年，华北平原的小麦产量从0.6 t/hm2增加到5.4 t/hm2［3］。受“施肥越多、产量越高”影响，华北平原小麦的氮肥用量已高达300 kg/hm2，远远超过小麦需求量［6］。过量氮肥施用在降低养分效率的同时，还带来一系列环境问题，如土壤酸化、硝酸盐淋洗、水体富营养化、温室气体排放等［7-10］。因此，为了实现我国农业的可持续发展，必须转变现有的养分管理方式，同步实现作物高产与资源高效。

针对这一问题，中国农业大学养分管理小组经过多年研究建立了基于根层养分调控的作物养分管理技术，充分考虑作物的养分需求规律及土壤和环境的养分供应能力，以实现养分供应与作物吸收在时间和空间上匹配，减少养分盈余。关于该技术已经开展很多研究，并取得了一定成果，如Chen等依据该技术的施肥措施使小麦产量从农民传统的7.2 t/hm2增加到8.9 t/hm2［1］，Lu等使用该技术在维持小麦产量的同时使氮肥用量从300 kg/hm2减少到160 kg/hm2［11］。但是这些研究多从小麦生长过程，如产量、群体发育、生物量累积、养分吸收、养分效率的单个或几个方面进行分析，缺少综合分析。因此，本研究利用长期定位试验综合分析不同养分管理技术对小麦生长的影响，以期为华北平原小麦高产高效提供可靠的理论依据和实践经验。

1 材料与方法

本研究依托中国农业大学曲周县高产高效现代农业研究基地的长期定位试验，该试验始于2007年，种植方式为冬小麦-夏玉米轮作。在2013—2014年和2014—2015年小麦季取样分析不同养分管理技术对小麦生长的影响。两个试验年份小麦季0℃以上积温分别为3 271、3 121℃，降水量分别为123、112 mm。

1.1 试验材料

供试土壤为潮土，0～30 cm土层的有机质含量为12.7 g/kg，全氮含量为0.79 g/kg，Olsen-P含量为4.94 mg/kg，速效钾含量为113 mg/kg，pH值为8.65。

供试小麦品种为良星99，播种量225 kg/hm2，行距15 cm。两季小麦的播种时间分别为2013年10月12日和2014年10月10日。试验所用牛粪在施用前经过堆沤处理，尿素（46% N）、过磷酸钙（14% P2O5）和硫酸钾（50% K2O）分别作为氮肥、磷肥和钾肥。基肥均在播种当天撒施，然后翻耕播种，翻耕深度为25 cm，追肥的具体日期为2014年4月3日和2015年4月5日。

1.2 试验方法

试验设过去低投入（LI）、集约化高投入（HI）和基于根层养分调控的优化投入（OI）3个处理。LI处理养分来源为牛粪，依据氮素在家庭消费系统中的流向以牛粪归还上季作物籽粒带走氮素的80%［12］。2013—2014年牛粪用量为2.57 t/hm2，N、P、K浓度分别为17.1、7.3、11.7 g/kg；2014—2015年牛粪用量为3.29 t/hm2，N、P、K浓度分别为14.6、5.6、13.6 g/kg。HI中N、P2O5K2O用量分别为250、150、130 kg/hm2，牛粪投入量为7 t/hm2。除100 kg/hm2的N在小麦拔节期追施外其他肥料均基施。OI处理磷肥和钾肥的用量依据磷钾衡量监控技术确定，P2O5、K2O用量分别为120、100 kg/hm2，均基施。氮肥用量依据根层氮素实时监控技术确定，即将小麦的生长时期分为播种-拔节期和拔节-扬花期两个阶段。播种和拔节期施肥前取土测定根层硝态氮含量，氮肥用量为小麦氮需求量减去根层硝态氮含量。OI处理2013—2014年基施和拔节期追施N量分别为62、50 kg/hm2，2014—2015年为100、65 kg/hm2。每个处理4次重复，田间随机区组设计，小区面积为1 026 m2（38 m × 27 m）。LI处理无农药投入，其他田间管理措施3个处理相同。

1.3 测定项目及方法

群体发育动态：出苗后，每个小区选择10个1 m双行的样点固定，分别在苗期、越冬期、返青期、拔节期、扬花期和收获期调查群体数量。

地上部生物量和氮吸收量：在返青期、拔节期、扬花期和收获期，每个小区随机选择3个0.5 m双行的点，收割全部地上部植株，在75℃条件下烘干至恒重，计算生物量。然后将样品粉碎，用凯氏定氮法测定植株氮浓度，计算氮吸收量。

穗粒数和千粒重：在收获期，每个小区选择有代表性的3个样点，每个样点选择连续的40穗统计穗粒数。脱粒烘干后计算千粒重。

产量：在收获期，每个小区选择有代表性的3个6 m2的测产点，人工收割，脱粒后在75℃烘箱中烘干至恒重，然后计算小麦产量（含水量14%）。

各生育期具体的调查或取样时间为：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；拔节期，2014年4月1日和2015年4月3日；扬花期，2014年4月29日和2015年5月2日；收获期，2014年6月2日和2015年6月3日。

图1 不同养分管理模式小麦群体动态发育

数据整理、统计分析、作图分别采用Excel 2010、SAS 8.1、Sigmaplot 12.5完成。

氮肥偏生产力（kg/kg）= 产量/氮肥投入量，其中氮肥投入量包括通过化肥和牛粪带入的氮。

2 结果与分析

2.1 不同养分管理模式对小麦群体发育的影响

不同养分管理模式的出苗情况相同，处理间差异始于冬前分蘖（图1）。2013—2014年，HI处理冬前单位面积茎数分别比LI、OI处理增加34%和28%，LI、OI处理间差异不显著；2014—2015年，HI处理冬前单位面积茎数比OI处理提高29%，OI比LI处理提高55%。各处理单位面积茎数均在拔节期达到最大，且处理间差异显著，表现为HI＞OI＞LI。拔节期之后分蘖迅速死亡，在扬花期稳定。整体来看，LI处理收获期茎数显著低于OI和HI处理，两年的成穗率分别为61%和45%；HI处理分蘖能力比OI处理强，但这也增加了个体间对养分、水分和光等资源的竞争，加速了分蘖死亡，所以HI处理收获期茎数并不显著高于OI处理。2013—2014年OI和HI处理成穗率分别为42%和31%，2014—2015年二者的成穗率分别为39%和35%。

2.2 不同养分管理模式对小麦地上部生物量的影响

图2 不同养分管理模式小麦生物量累积动态

OI和HI处理地上部生物量显著高于LI处理，且这种差异在小麦生长初期开始出现并延续到后来的生育期（图2）。两个小麦季，从播种到返青期LI处理生物量累积量分别为0.84、0.48 t/hm2。相同生长期内，OI和HI处理生物量累积量比LI处理提高72%～363%。收获期LI处理两季生物量累积量分别为7.32、7.40 t/hm2，OI和HI处理比LI处理提高90%～188%。对于OI和HI处理，从播种到扬花期HI处理生物量累积量均显著高于OI处理。两个小麦季OI处理扬花期生物量累积量分别为9.37、13.19 t/hm2，HI处理比其提高11%和16%。扬花期之后，二者之间的差异逐渐减小，收获期OI和HI处理生物量累积量无显著差异。

2.3 不同养分管理模式对小麦氮吸收的影响

图3 不同养分管理模式小麦氮吸收动态

不同养分管理模式在整个冬小麦生育期均有氮吸收量差异，表现为HI＞OI＞LI（图3）。从播种到返青期，LI处理两季的氮吸收量分别为23.1、15.5 kg/hm2。相同生长期OI处理氮吸收量比LI处理增加141%和301%，HI处理比OI处理增加71%和61%。LI处理两个收获期的氮吸收量分别为66.9、75.4 kg/hm2，OI处理比LI处理增加173%和178%，HI处理比OI处理增加13%和25%。

不同养分管理模式花前、花后氮吸收量和花后氮再转移量如表1所示。LI和OI处理花前氮吸收量占各自收获期吸收量的72%～89%，花后二者仍保持一定的氮吸收能力，花后吸收的氮和再转移的氮用于籽粒建成。而HI处理在花前即达到最大吸氮量，花后氮吸收量不再增加，其籽粒中的氮全部来自于花后氮的再转移。

表1 小麦花前、花后氮累积量和花后再转移量 （kg/hm2）

2.4 不同养分管理模式对小麦产量和产量构成的影响

不同养分管理模式对小麦产量和产量构成均有显著影响（表2）。两个小麦季，OI和HI处理产量比LI处理提高123%～165%。这是穗数、穗粒数和千粒重综合作用的结果。OI和HI处理在2013—2014年小麦产量和产量构成无显著差异；在2014—2015年，HI处理穗数显著高于OI处理，但千粒重显著低于OI处理，最终二者产量无显著差异。

表2 不同养分管理模式下小麦产量、产量构成和氮肥效率

2.5 不同养分管理模式对氮肥偏生产力的影响

两季小麦的氮肥偏生产力均表现出LI＞OI＞HI（表2）。LI两季的氮肥偏生产力分别为94、112 kg/kg。OI处理氮肥偏生产力虽然显著低于LI处理，却比HI处理提高171%和131%，达到72、63 kg/kg。

3 结论与讨论

华北平原小麦的氮肥推荐用量为180 kg/ hm2［13］，而两季小麦低投入通过牛粪带入的氮分别为38.5、35.4 kg/hm2，氮缺乏严重，影响小麦氮吸收。小麦氮营养与小麦分蘖、光合作用、穗粒数形成等密切相关。施氮能增加群体茎蘖数和成穗率、增加叶片的净光合速率、增加穗粒数，这都利于籽粒产量增加［14-16］。土壤氮供应不足将限制这些生长发育过程，进而导致减产。本试验低投入的地上部生物量和产量构成均低于优化投入和高投入，最终导致产量的降低。尽管低养分投入提高了低投入的氮肥效率，但这并不能保证小麦高产，故而低投入处理是一个低投入、低产出、高养分效率的体系。

高地上部生物量和氮吸收量是获得高产的基础［17-18］。如小麦产量从7 t/hm2增加到9 t/hm2，地上部生物量累积量从10.0 t/hm2增加到15.7 t/hm2，氮吸收量从135 kg/hm2增加到209 kg/hm2［19］。本试验高投入的地上部生物量和氮吸收量比低投入显著增加，为提高产量奠定了基础。综合两季数据，高投入的小麦产量比低投入提高145%，两季平均产量达到9.28 t/hm2，比当地农民产量增加72%［3］。但高投入的氮投入量远超过小麦氮吸收量，收获时的氮吸收量仅占投入量的62%～83%。过多的氮投入使小麦在扬花期就达到最大氮吸收量，导致花后氮吸收量不再增加，不利于高产。王仁杰等、刘红杰等的研究结果均发现，随着氮肥用量的增加，小麦产量达到一定水平后不再增加，甚至有所降低［16，20］。总的来说，高投入处理是一个高投入、高产出、低养分效率的体系。

基于根层养分调控技术，优化投入两季小麦的氮肥用量比高投入减少46%、磷肥用量减少20%、钾肥用量减少23%，但产量未降低。小麦产量与开花期营养器官向生殖器官的转移量和花后氮吸收量密切相关。因生长环境、小麦品种、土壤类型等差异，花后从营养器官向生殖器官转移的氮占籽粒氮含量的73%～98%［21］。李春燕等对扬辐麦4号的研究表明，高产群体小麦花后吸氮量占总吸氮量的比例比中高产和中低产群体高31%～52%［22］。本研究中，高投入在花后无净氮吸收量，籽粒的氮全部来自于花后的氮再转移，而优化投入仍保持一定的氮吸收能力，花后氮吸收量占收获期氮吸收量的11%～14%，占籽粒氮含量的13%～18%。从氮肥效率来看，优化投入的氮肥偏生产力平均比高投入提高151%，两季平均达到68 kg/kg。这一结果与其他报道的氮肥效率相当［1，11，23］。综上所述，优化投入在优化养分投入量和投入时间的情况下，保证了小麦产量，提高了养分效率，这对华北平原小麦生产有重要借鉴意义。

从两季结果来看，2014—2015年小麦整体长势比2013—2014年好，这主要是气候条件差异造成的。2014—2015年冬前0℃以上积温比2013—2014年增加121℃，促进了冬前分蘖的发生。另外，2014—2015年冬季日均温通常都在零度以上，小麦一直在缓慢分蘖，所以2014—2015年的群体数量要高于2013—2014年，并且带动了地上部生物量的累积和氮的吸收。2014—2015年优化投入拔节期单位面积茎数比2013—2014年增加34%，而地上部生物量和氮吸收量分别增加8%和27%，在一定程度上降低了群体质量，进而降低成穗率。不同于优化投入，2014—2015年高投入拔节期单位面积茎数、地上部生物量和氮吸收量分别比2013—2014年增加26%、25%和45%，群体质量有所增加，成穗率也增加，这可能是造成2014—2015年高投入单位面积穗数高于优化投入的原因。另外，2014—2015年扬花期前后出现连续多日的降雨，这可能是造成该年份千粒重低于2013—2014年的主要原因。

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（责任编辑 杨贤智）

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

刘瑞丽，王欢，张晓宁，等. 不同养分管理模式对小麦产量和氮肥效率的影响［J］.广东农业科学，2017，44（4）：7-13.

2017-02-10

国家公益性行业（农业）科研专项（201203030-03）；国家“973”计划项目（2015CB150405）

刘瑞丽（1988-），女，在读博士生，E-mail：liuruili5212006@163.com

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