氮肥基追比对冬小麦土壤硝态氮变化及氮素利用的影响

宋文挺，韩明明，陈金，庞党伟，杨东清，金敏

(山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室，山东 泰安 271018)

氮肥基追比对冬小麦土壤硝态氮变化及氮素利用的影响

宋文挺，韩明明，陈金，庞党伟，杨东清，金敏

(山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室，山东 泰安 271018)

为给我国黄淮海平原冬小麦生产氮肥合理施用提供理论依据，于2015—2016年小麦生长季，以山农8355和济麦22为材料，设置4个氮肥基追比处理(T1：不施氮；T2、T3、T4施氮量均为 240 kg·hm-2，基追比依次为7∶3、5∶5、3∶7)，研究氮肥不同基追比对冬小麦土壤硝态氮时空分布、小麦各生育时期氮素盈亏及氮素利用的影响。结果表明，在总施氮量相同条件下，T2处理增加了小麦生育前期硝态氮向深层土壤的淋洗，小麦生育后期0～60 cm土层中硝态氮积累量降低，导致小麦生育后期(需氮高峰期)土壤氮素供应不足；T4处理显著降低小麦生育前期氮素总盈余量，减少小麦生育后期氮素的亏缺，氮素的利用效率和籽粒产量(山农8355为9 399 kg·hm-2，济麦22为9 572 kg·hm-2)均达到最高。本试验条件下，氮肥基追比3∶7是兼顾高产和高氮肥利用效率的最优处理。

冬小麦；氮肥基追比；硝态氮；盈余量；利用效率

AbstractIn order to provide theory basis for reasonable application of nitrogen fertilizer in winter wheat production in the Huang-Huai-Hai plain of China, the effects of different nitrogen fertilizer topdressing ratios on time-space distribution of soil NO3-N, apparent budget of soil nitrogen and nitrogen use efficiency in various growth stages of winter wheat were studied with Shannong 8355 and Jimai 22 as materials. The study were conducted in wheat growing season during 2015～2016, and four nitrogen treatments (without applying N fertilizer (T1); N application rate of 240 kg·hm-2with topdressing ratio as 7∶3 (T2), 5∶5 (T3) and 3∶7 (T4)) were set up. The results showed that under the same nitrogen application rate condition, the NO3-N content in deep soil layers of T2 treatment in early growth stage was increased, so the NO3-N content was reduced in 0～60- cm soil layers at late growth stage, which could not meet the needs of wheat for nitrogen. The surplus amount of soil nitrogen of T4 treatment was significantly reduced in early growth stage, which reduced the nitrogen deficiency at late growth stage, and the nitrogen use efficiency and grain yield (Shannong 8335 of 9 399 kg·hm-2, Jimai 22 of 9 572 kg·hm-2) of winter wheat both showed the highest value. In conclusion, the most appropriate nitrogen fertilizer topdressing ratio treatment was T4 treatment with the ratio as 3∶7 which gave consideration to high yield and high nitrogen use efficiency.

KeywordsWinter wheat；Nitrogen fertilizer topdressing ratio；Nitrate nitrogen；Surplus amount；Nitrogen use efficiency

我国是世界上最大的氮肥生产国和消费国，氮肥在我国农业生产中发挥了巨大作用。根据作物生长的环境条件和生长需求合理施用氮肥，是提高作物产量和氮肥利用率的有效措施，氮肥的不合理施用造成资源浪费的同时，也会造成农业生态环境的污染[1-3]。当施氮过量时，土壤中的硝态氮大量累积、淋洗[4]。合理施肥应该是在考虑土壤供氮水平和作物氮素需求两方面因素后，选用合适的施氮量，并且分阶段施肥，在土壤肥力较高条件下，采取氮肥后移的施氮方式[5]。

石玉等[6]研究表明在起始无机氮含量较高农田中，少施基肥是减少播种至拔节期氮肥表观损失量的有效措施。也有研究表明，当氮肥基追比例为5∶5，并且追肥在小麦花粉药隔形成期和开花期分两次施用，可以显著增加植株氮素的积累量并提高小麦的氮肥利用率[7]。

我国黄淮海平原是小麦-玉米轮作的集中区，明确此地区小麦生育期土壤硝态氮时空动态变化规律，研究土壤的氮素盈亏和小麦的氮素利用效率，实施合理的氮肥运筹，对于实现小麦生产的高产高效和保护环境均具有重要意义。因此，本试验在大田条件下就不同氮肥基追比对冬小麦各生育时期土壤硝态氮含量变化、土壤氮素表观盈亏量、小麦籽粒产量和氮肥利用率的影响进行研究，以期为我国黄淮海平原冬小麦生产中氮肥的合理施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1供试材料

本试验于2015—2016年在山东农业大学黄淮海试验田进行。地属温带半湿润大陆性气候，土壤类型为棕壤。播前0～20 cm土层有机质18.11 g·kg-1，全氮1.23 g·kg-1，速效磷17.05 mg·kg-1，速效钾112.80 mg·kg-1。种植制度为小麦、玉米一年两熟，收获后秸秆全部还田。小麦品种为大穗型山农8355和多穗型济麦22。

1.2试验设计与田间管理

试验采用裂区区组设计，重复3次，设4个氮基追比处理，各处理氮肥运筹如下：T1：不施氮；T2、T3、T4施氮量均为 240 kg·hm-2，基追比依次为7∶3、5∶5、3∶7。基肥于播前撒施，追肥于拔节期撒施。试验用氮、磷、钾肥分别为尿素、重过磷酸钙、氯化钾。磷、钾肥均在播前一次性施入，施用磷肥(P2O5) 90 kg·hm-2，钾肥(K2O)120 kg·hm-2。小麦于 2015年10月11日播种，播种密度为每公顷225 万粒。小区面积为4 m×4 m=16 m2。

1.3田间取样与测定方法

采用紫外分光光度法测定土壤硝态氮含量。在冬小麦越冬期、拔节期(追肥前)、开花期和成熟期，用土钻取 0～120 cm 土层土样，以20 cm为一层，重复3次，样品取后立即装入自封袋于-20℃冰冻保存。土样解冻后，将其充分混匀，称取5 g，加入2 moL·L-1CaCl225 mL浸提，振荡30 min后过滤，取500 μL待测液，加入CaCl2浸提液(稀释7倍) 3 mL，加入1∶9的硫酸溶液140 μL，振荡混匀。浸提液用PERSEE公司产TU-1950紫外分光光度计在210 nm和275 nm比色，绘制标准曲线，同时测定土壤含水量，计算干土硝态氮含量。

结果计算：土壤中NO3-N(mg·kg-1)= C·V·ts·mdry-1。式中，ts为稀释倍数，mdry为换算的干土重，C为由标准曲线计算得出的测定液质量浓度(μg·mL-1)，V为待测液体积(mL)、CaCl2浸提液体积(mL)和硫酸溶液体积(mL)之和。

于小麦越冬期、拔节期取整株样品，每处理取30株；开花期、成熟期每处理取30个单茎。鲜样在105℃下杀青30 min后，70℃烘干至恒重称重，计算地上部干物重。样品粉碎后以H2SO4-H2O2联合消煮，半微量凯氏定氮法测定植株全氮含量。成熟期于每处理取1 m2小麦脱粒，晒干后测定籽粒产量。

1.4计算方法

氮素(硝态氮)表观盈亏量=(土壤硝态氮起始总量+施氮量+土壤氮素矿化量)-(土壤硝态氮残留量+作物吸氮量+土壤中生物固定的化肥氮)=(土壤硝态氮起始总量+施氮量)-(土壤硝态氮残留总量+作物吸氮量)[8]；

土壤硝态氮积累量=土层厚度(cm)×土壤容重(g·cm-3)×土壤硝态氮含量(mg·kg-1)/10；

植株氮积累量(NAA)=植株干物重×植株含氮量[9]；

氮素养分利用效率(NUE)=籽粒产量/植株地上部氮素积累量；

氮肥农学效率(NAE)=(施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量)/施氮量；

氮肥表观回收效率(NRE，%) =(施氮区氮素吸收量-无氮区氮素吸收量)/施氮量×100；

氮肥偏生产力(PFP) =施氮区产量/施氮量。

1.5数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件对数据进行整理，DPS 7.05软件进行统计分析，利用SigmaPlot 10.0软件作图。

2 结果与分析

2.1氮肥基追比对冬小麦各生育时期土壤硝态氮含量时空变化的影响

由图1可知，两品种各施氮处理土壤硝态氮含量时空变化表现出相同的变化趋势，随土层加深，总体呈降低趋势。与不施氮处理T1相比，施用氮肥显著提高各个土层土壤硝态氮含量，但不同生育时期，处理和土层间都存在差异。

P：越冬前(12月10日)；G：拔节期(4月3日)；A：开花期(4月28日)；M：成熟期(6月10日)，下图同。

图1不同氮肥基追比对冬小麦各生育时期0～120 cm土层硝态氮含量的影响

越冬期，0～120 cm土层硝态氮含量随着施氮量的增加而增加，T2处理在各个土层的硝态氮含量均高于其它处理。拔节期，植株开始大量吸收氮素，各施氮处理0～120 cm土层的硝态氮含量均比冬前显著降低，T1处理的硝态氮含量与越冬期无显著差异；开花期，由于拔节期追施氮肥，以及环境温度升高土壤微生物活动加剧，各施氮处理0～120 cm土层的硝态氮含量均升高，在0～60 cm土层，硝态氮含量随追施氮肥量的增加而增加，T2处理硝态氮向下层淋洗较多，所以在开花期其硝态氮含量在60～120 cm土层要高于T4处理。成熟期各施氮处理0～60 cm土层硝态氮含量较开花期均降低，各处理间在0～60 cm土层硝态氮含量随着追施氮肥量的增加而增加，这说明T4处理主要提高了成熟期浅层土壤的硝态氮含量；由于硝态氮的淋洗，60～80 cm土层硝态氮含量较开花期略有升高，T2处理在60～120 cm土层硝态氮含量要显著高于T3和T4处理。

两品种间比较，在小麦各生育时期，种植济麦22的土壤硝态氮含量要高于山农8355，这说明两品种的吸氮能力不同，也与不同地块的土壤理化性质以及田间管理措施差异有关。

2.2氮肥基追比对冬小麦各生育时期土壤硝态氮积累量的影响

由图2可以看出，在小麦各个生育时期，济麦22土壤硝态氮的积累量要高于山农8355。越冬期，土壤硝态氮积累量随着施氮量的增加而增加，T2在各个土层的硝态氮含量均高于其它处理。拔节期，各施氮处理硝态氮积累量均比越冬期显著降低，并且T2处理在此期硝态氮积累量的下降幅度要高于其它处理，各处理间硝态氮积累量差异变小，这是由拔节期植株开始大量吸收氮素所造成，T1处理的硝态氮积累量与越冬期无显著差异。开花期，由于拔节期追施氮肥，各施氮处理硝态氮积累量均升高，并且随着追肥量的增加而增加。成熟期各施氮处理硝态氮积累量较开花期均降低，追肥量较多的T4处理，硝态氮的积累量下降幅度较大。

图2不同氮肥基追比对小麦各生育时期土壤硝态氮积累量的影响

2.3氮肥基追比对冬小麦各生育时期土壤氮素表观盈亏量的影响

由表1可知，与T1相比，各施氮处理均显著增加了植株氮素积累量、0～120 cm 土层硝态氮残留量及土壤氮素盈余量(拔节期至开花期除外)。不施氮处理在各生育阶段均出现氮素表观亏缺，这是因为土壤氮素无法满足小麦整个生育期的氮素需求量。播种至拔节期，不施氮肥的T1和施用基肥较少的T4均存在氮素的表观亏缺，基施氮肥较多的T2和T3处理存在氮素的表观盈余，基施氮肥越多，导致表观盈余量越高，而盈余的氮素会向深层土壤淋洗。

拔节期追施氮肥，显著提高了开花期0～120 cm土层土壤硝态氮的积累量，但各处理均存在氮素的表观亏缺；开花期到成熟期，植株氮素的积累量及土壤硝态氮的积累量均随追施氮量的增加而增加，除追氮量较高的T4处理外，其余处理均出现氮素表观亏缺，且亏缺量和追肥施氮量成反比。这表明开花到成熟期是小麦氮素的吸收高峰期，T4处理可以满足小麦对氮素的需求。

在相同处理下，山农8355氮素盈余总量要小于济麦22，这与山农8355是大穗型品种，并且茎秆粗壮、叶片较大、比济麦22在各个生育时期吸氮量更多有关。

表1

氮肥基追比对冬小麦不同生育阶段

0～120 cm土层氮素表观盈亏量的影响

(kg·hm-2)

注：同一小麦品种同行数据后不同字母表示差异达 5%显著水平。

2.4氮肥基追比对冬小麦籽粒产量和氮素利用效率的影响

由表2可知，两品种籽粒产量、氮肥农学效率和氮肥偏生产力均随着氮肥追肥比例的增加而增加，这说明适当增施追肥能显著促进小麦开花到成熟期籽粒对氮素的吸收。在不同生育阶段氮肥表观回收率表现趋势存在差异，播种至拔节期，基肥表观回收率随着基施氮肥量的增加而下降；拔节至成熟期，追肥表观回收率随着追氮量的增加

表2氮肥基追比对冬小麦籽粒产量和氮素利用效率的影响

注：同一小麦品种同列数据后不同字母表示差异达 5%显著水平。

而下降，在整个生育期，氮肥表观回收率随着追肥比例的增加而增加。综上所述，适当加大追氮量，促进小麦的氮素吸收，提高氮肥农学效率、氮肥偏生产力和产量。两品种间比较济麦22的产量要高于山农8355，后者的氮肥表观回收率要高于济麦22。

3 讨论与结论

3.1氮肥基追比对土壤硝态氮时空分布的影响

前人研究表明，农田施用氮肥后对0～100 cm土层硝态氮分布影响显著[10]。周顺利等[8]指出，即使在氮肥水平较低的地块，仍然存在着深层土壤硝态氮的淋洗现象。土壤中硝态氮的累积量和施氮量呈正相关，施氮量过高会引起土壤中硝态氮的大量累积[11]。土壤中大量积累的硝态氮不能被作物吸收，会随土壤水分的运移而淋洗，导致地下水源污染[12]。马兴华等[5]研究认为，不同的基追比会影响土壤剖面中硝态氮的分布，土壤硝态氮的时空分布影响着土壤的供氮能力和土壤氮库的平衡。石玉等[6]研究认为分期施肥是促进小麦氮素吸收利用、减少损失的有效措施，当基施氮量大于84 kg·hm-2或追施氮量大于160 kg·hm-2时，小麦生育期存在着明显的硝态氮累积高峰。有学者认为，追施氮肥虽使作物生育后期土壤氮素得到补充，但也导致作物收获后的土壤硝态氮残留增加，增加了淋洗可能[13]。可见，前人由于受氮素吸收动力学、土壤理化性质和田间管理等多种因素的影响，研究结果不尽一致。本试验对0～120 cm土层的研究表明，施氮显著提土壤各土层硝态氮含量。在施氮量为240 kg·hm-2时，拔节前土壤硝态氮含量随基肥比例的增加而增加，提高拔节期追肥比例，能显著提高开花至成熟期浅层土壤硝态氮含量，因而利于小麦吸收利用。不同的基追比例会影响土壤剖面中硝态氮的时空分布，基肥比例较大，导致小麦生育前期氮素向深层淋洗，增加氮素在深层土壤的积累，使小麦生育后期土壤0～60 cm土层硝态氮积累量较少，不能满足小麦生育后期氮素需求，增加追肥占比可减少拔节之前的氮素损失，并保证拔节到成熟期小麦氮素需求高峰期土壤氮素的供应。

3.2氮肥基追比对土壤氮素表观盈亏的影响

研究表明，小麦生长季内土壤氮素通过氨挥发、淋洗等多种途径损失，麦田土壤的氮素表观损失量和施氮量呈正相关[14]。周顺利等[8]研究表明即使不施用氮肥的处理在小麦拔节期追肥之前也存在着氮素表观盈余，此期小麦对氮素的需求量较少，应适当减少施用。由于作物不同生育阶段对氮素的需求量不同，土壤氮素盈亏具有明显的阶段性[15]。本研究表明，土壤氮素表观盈亏与氮肥基追比例显著相关。播种至拔节期，土壤氮素的盈余量随着基肥比例的增加而增加，不施氮肥和基肥比例较小的处理存在着氮素的少量亏缺，这一阶段小麦植株吸氮量较小，土壤起始无机氮素可满足小麦对氮素的需求，并且氮素的少量亏缺可以控制无效分蘖发生，优化群体质量；而基肥过多会增加土壤氮素的盈余量，导致生育前期氮素向深层土壤淋洗，因此对于起始氮素含量较高的土壤，要适当减少基肥比例，从而减少播种至拔节期氮肥的表观损失量。开花至成熟期，除了基追比为3∶7的处理氮素存在少量盈余外，其它处理均存在氮素亏缺，这个阶段是小麦生殖生长阶段，对氮素的需求量高，应该适当加大追施氮量，降低氮素的亏缺量，使土壤氮素供应充分，有利于氮素的吸收运转，提高氮肥农学利用率，确保小麦实现高产高效。并且追肥氮素在小麦收获后主要累积在浅层(0～40 cm)土壤，使其保持较高土壤肥力水平，可以被后季作物吸收利用。因而，本试验以基追比例3∶7为最优处理。

3.3氮肥基追比对小麦氮素利用效率的影响

氮肥利用效率是衡量氮肥运筹是否合理的一个重要指标，氮肥基追比例显著影响着氮肥利用效率。研究表明，增加拔节期追肥比例可提高氮肥农学利用率和氮肥吸收利用率[16]。小麦植株对追肥氮的利用率显著大于对基肥氮的利用率；在施氮量相同时，不同基追比例可调节小麦植株在不同生育阶段的氮肥利用率[17]。但也有学者提出氮肥后移技术在实际生产中应根据地力水平具体分析，在施肥不足或土壤肥力较低情况下，前期氮肥施用量过少，会造成小麦减产[18]。有研究认为，在冬小麦季，基施和追施氮肥的去向不同，基施氮肥的利用率和收获后残留率显著低于追施氮肥[19]。总之，氮肥基追比对小麦氮素吸收效率、氮素利用效率、氮肥偏生产力、氮肥回收效率、氮肥农学效率等定量指标具有显著影响。本研究表明，小麦氮素利用效率的各定量指标均随着拔节期追肥比例的增加而增加，这说明小麦植株对追肥氮的利用率显著大于对底肥氮的利用率；基追比例为3∶7的处理氮肥利用效率最高，在小麦高产栽培过程中应适当减少肥力较高地块的基肥比例，增加追施氮比例，以确保在高产稳产的同时获得较高的氮肥利用效率。

3.4氮肥基追比对小麦籽粒产量的影响

王月福等[18]研究表明，施氮量为240 kg·hm-2、氮肥基追比按5∶5施用时小麦产量达到最高；Sieling等[20]认为，小麦穗密度低和千粒重小是小麦产量降低的主要原因，增加氮肥用量可以增加每平方米的小麦穗数，降低产量损失。戴廷波等[21]以弱筋小麦扬麦9号和宁麦9号为试验材料研究表明，在较高肥力土壤和提高作物施氮量的基础上，基追比为34∶66时可以获得最高的籽粒产量，达6 365.1 kg·hm-2。本试验结果表明，适当增加氮肥追施比例，可显著提高籽粒产量，这说明提高氮肥追施比例保证了小麦幼穗分化后期、开花结实以及籽粒灌浆的氮素需求，增加穗粒数和千粒重，最终提高产量。本试验中，当氮肥基追比为3∶7时产量达到最高。

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EffectsofNitrogenFertilizerTopdressingRatioonChangesofSoilNitrateNitrogenandNitrogenUseEfficiencyinWinterWheat

Song Wenting, Han Mingming, Chen Jin, Pang Dangwei, Yang Dongqing, Jin Min

(CollegeofAgronomy,ShandongAgriculturalUniversity/StateKeyLaboratoryofCropBiology,Taian271018,China)

10.14083/j.issn.1001-4942.2017.09.017

2017-04-26

国家自然科学基金项目( 31271661)；国家公益性行业(农业)科研专项(201203100，201203029)；山东省现代农业技术体系项目

宋文挺(1990—)，男，甘肃平凉人，硕士研究生，主要从事作物高产生理生态研究。E-mail：windyuji1019@163.com

金敏(1982—)，女，山东济南人，硕士，实验师，主要从事作物高产生理生态研究。E-mail： cobra911@163.com

S512.106.2

A

1001-4942(2017)09-0088-07