施氮对不同肥力土壤小麦氮营养和产量的影响

杜 盼，张娟娟，郭 伟，马新明1,,3，郭建彪

（1 河南粮食作物协同创新中心，郑州 450002；2 河南农业大学信息与管理科学学院，郑州 450002；3 河南农业大学农学院，郑州 450002）

土壤是植物赖以生存的基础，土壤与作物之间进行营养、水、气的交换，进而影响作物的生长发育和品质的形成。施肥量与作物产量呈显著正相关[1]，因此农民通过大量增施化肥来追求高产，导致过量的氮被散失在空气、水和土壤中，引起一系列的环境和人类健康问题[2]。农田养分供应是由土壤基础肥力和肥料的投入共同决定的，不同土壤肥力下土壤养分供应能力和特征也不同，由此导致作物对养分吸收和利用特征也有所不同，直接影响肥料的合理施用和养分的管理[3]。已有长期定位试验的研究结果表明，在高肥力不施肥的条件下，种植作物50年后产量仍在增加，在低肥力不施肥的条件下，作物的产量持续下降[4-6]。因此，进行田间施肥时，要充分考虑土壤基础地力情况。郑伟等[3]研究表明，范家屯镇低肥力试验点达到最高产量的施氮量高于榆树市的高肥力点，但是范家屯镇试验点的最高产量和最佳经济产量高于榆树市试验点；赵俊晔等[7]在土壤肥力存在差异的两块高产田上，研究发现成熟期小麦积累的氮素73.32%～87.27%来自土壤，较高土壤肥力条件下，植株吸收更多的土壤氮素，土壤中残留的肥料氮量和肥料氮的损失量相应较高；潘晓丽等[8]在高、中、低三种不同肥力的土壤上进行相同的施肥处理，结果显示高肥力土壤玉米产量比低肥力和中肥力土壤高出23.07%和12.40%，且玉米吸收的肥料氮和土壤氮比例接近1∶1；马常宝等[1]研究表明潮土区的土壤地力对小麦的贡献率为51.4%，对玉米的贡献率为54.0%。

另外，关于施氮对作物不同叶位叶片氮含量、SPAD值的分布特征前人已做了较多的研究[9-16]。目前关于不同栽培措施和不同品种小麦的产量和植株、叶片氮营养的研究较多，但是针对不同土壤肥力下矮抗58产量、不同叶位叶片氮含量、SPAD值、氮素积累量、植株和所有叶片氮含量和土壤硝态氮的时空变化特征及对施氮量的响应还未见报道。本研究在河南省高、低肥力土壤上设置不同的施氮量，研究矮抗58主茎从上到下4片叶在不同土壤肥力条件下的SPAD值、氮含量和各叶位叶片的氮素积累量在不同叶位的时空分布特征及最大产量对应的施氮量，为河南省同类生产条件下氮肥的合理施用和产量的提升提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

2015—2016年在河南省许昌县河南农业大学许昌校区 (113°48′14.9″E，34°8′1″N) 进行，其中地块1，土壤有机质、全氮、速效氮和速效钾含量较低，以低肥力田描述；地块2，土壤有机质、全氮、速效氮和速效钾含量较高，以高肥力田描述。0—20 cm土层土壤基础肥力见表1。供试品种为矮抗58，设置施氮 0 (N0)、120 (N1)、225 (N2) 和 330 kg/hm2(N3) 4个水平，基追比均为5∶5，基肥在播种前施入，追肥在拔节时施入。播种方式为机播，播量为150 kg/hm2，行距20 cm。小区面积为28.8 m2(2.4 m ×12 m)，3次重复。所用氮肥为尿素 (N含量46%)，结合整地一次性施用过磷酸钙 (P2O514%) 857.14 kg/hm2、氯化钾 (K2O 60%) 200 kg/hm2，磷钾肥全部做基肥，其它栽培措施同一般高产田管理。

表1 高、低肥力农田0—20 cm土壤基本化学性质Table 1 Basic properties at 0-20 cm soil layers in the high and low fertility fields

1.2 测定项目和方法

1.2.1 SPAD值 用日本生产的SPAD-502型叶绿素计在小麦主要生育时期 (开花期、花后10天、花后20天) 每个小区取代表性植株20株，测量20个主茎旗叶到倒四叶的SPAD值，每张叶片测定3个位置 (叶尖、中部和底部)，计算3个位置的平均值作为该叶的SPAD值。

1.2.2 地上部生物量与氮含量 将1.2.1中的20个主茎按旗叶、倒2叶、倒3叶、倒4叶分开，另取10株按叶片和其余分开，均在105℃杀青30分钟，80℃烘干至恒重，称重。

将上述烘干后样品粉碎过1 mm筛，采用浓硫酸双氧水消煮法 (使用仪器为德国生产的连续流动分析仪) 测定其氮含量。

1.2.3 土壤硝态氮含量 用土钻取越冬期到成熟期0—20 cm、20—40 cm的新鲜土壤样品，每个小区取3个点分两层混合，过20目筛，混匀，称取10 g新鲜土壤样品，加入100 mL 1 mol/L的KCl溶液浸提，振荡1 h后过滤，吸取待测液4 mL，放入5 mL离心管，4℃冰箱保存待测。用连续流动分析仪测定，标液浓度为10、8、6、4、3、2、1 mg/L，同时测定鲜土含水量，换算成干土中硝态氮含量。

1.2.4 相关计算公式 植株含氮量 = [叶片氮含量 (%) ×叶片干物重 + 其余氮含量 (%) × 其余干物重] ÷ (叶片干物重 + 其余干物重)

单张叶片氮素积累量 (mg/片) = 该叶片含氮量 ×该叶片的重量。

1.3 数据处理

采用Excel2013进行数据处理和作图，SPSS21.0软件中的多重比较法Duncan进行方差分析，显著水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 施氮量对土壤硝态氮含量的动态变化

由图1可知，农田增施氮肥均显著提高了两个土层的硝态氮含量，高肥力田块各施氮处理的土层硝态氮含量显著高于低肥力田块。随着土层下移，硝态氮含量逐渐减少。两土层的硝态氮含量范围分别为2.43～74.37 mg/kg和2.3～33.46 mg/kg。

由图1-a可知，施氮显著提高了各施氮处理下高肥力田块0—20 cm土层硝态氮含量；各施氮处理下低肥力土壤硝态氮含量差异显著。开花期到成熟期，与不施氮处理相比，低肥力田块N1处理的增幅为39.6%、19.9%、67.5%、23.4%；高肥力田块N1处理的增幅为95.1%、106.6%、89.2%、40.3%。开花期、花后10天和成熟期，低肥力田块下的N0和N1处理的土壤硝态氮含量差异不显著；高肥力田块下的N0和N1处理的0—20 cm土层的土壤硝态氮含量差异极显著；花后20天，高、低肥力田块在N0和N1处理下的土壤硝态氮含量均差异显著。

由图1-b可知，开花期到成熟期，与不施氮处理相比，低肥力田块20—40 cm土层 N1处理的增幅分别为20.8%、31.5%、33.3%、30.4%；高肥力田块N1处理的增幅分别为90.1%、74.0%、55.9%、123.8%。开花期到成熟期，低肥力田块下的N0和N1处理下，土壤硝态氮含量差异均不显著。在N2和N3处理下，高肥力田块和低肥力田块的土壤硝态氮含量之间均有极显著差异。

图1 不同土壤肥力和施氮处理条件下小麦不同生育时期0—20 cm和20—40 cm土层土壤硝态氮含量Fig. 1 Nitrate concentration in 0-20 cm and 20-40 cm soil layers at different stages of wheat under different fertility fields and nitrogen treatments

2.2 施氮量对小麦产量的影响

由图2知，高肥力田块施氮处理下的产量均高于低肥力田块。低肥力田块和高肥力田块的施氮处理比不施氮处理产量分别增加了3.25 t/hm2和1.80 t/hm2，增幅分别达到55.2%和21.0%。不同施肥处理下，低肥力田块小麦产量随着施氮量的增加而显著增加，高肥力田块的小麦产量在各施氮处理之间差异不显著。根据产量和施氮量相关性分析发现，两者符合二次曲线方程，决定系数R2分别达到0.99和0.98。通过曲线方程可知高、低肥力田块的施氮量为213 kg/hm2和287 kg/hm2时，理论产量达到最大值分别为10.44 t/hm2和9.13 t/hm2。

图2 施氮水平对小麦产量的影响Fig. 2 Effect of different nitrogen treatments on yield of wheat

2.3 小麦SPAD值的分布特点及其对施氮量的响应

由图3知，小麦在开花期、花后10天、花后20天，不同施氮量下，小麦叶片的SPAD值分别为25.6～59.0、16.0～57.8和11.2～57.1。在高肥力条件下，SPAD值范围为11.2～59.0；在低肥力条件下，SPAD值范围24.0～58.8。三个时期均以旗叶和倒2叶的SPAD值最高，其次为倒3叶，最后是倒4叶。从空间分布来看，除倒2叶外，叶片SPAD值随着叶位的下降而降低。从生育时期来看，叶片SPAD值随着生育时期的推进而降低。

图3 不同土壤肥力和施氮处理条件下不同叶位SPAD的变化Fig. 3 SPAD value of wheat with different leaf location under different fertility fields

由图3-a可知，开花期不同施氮处理下，低肥力田块 N1、N2、N3处理旗叶和倒2叶的SPAD值显著高于不施氮 (N0) 处理。不同叶位的SPAD值表现为随着施氮量的增加而增加；高肥力田块， N1、N2、N3水平下旗叶的SPAD值也显著高于不施氮(N0) 处理。

由图3-b知，花后10天，不同施氮处理下低肥力田块， N1、N2、N3处理旗叶、倒2叶、倒3叶的SPAD值显著高于不施氮 (N0) 处理；高肥力田，N1、N2、N3处理的旗叶、倒2叶、倒4叶的SPAD值与不施氮 (N0) 处理差异不显著。所有施氮处理 (N0、N1、N2、N3)，倒2叶、倒3叶、倒4叶在不同土壤肥力下的SPAD值差异显著。

由图3-c知，花后20天的倒4叶叶片变黄故无法测出SPAD值。N0处理下，旗叶、倒2叶和倒3叶的SPAD值表现为低肥力低于高肥力，N1、N2、N3处理下旗叶、倒2叶和倒3叶的SPAD值表现为低肥力高于高肥力。

与N0相比，开花期和花后10天低肥力田SPAD值的最大增幅分别为130.8%、262.2%；高肥力田这两个时期的最大增幅分别为26.2%和87.0%。说明土壤肥力高减小了不同叶位之间的差异。

2.4 小麦地上部植株和全部叶片氮含量变化及其对施氮量的响应

由图4可知，施氮在不同程度上均提高了不同土壤肥力田块植株和叶片氮含量，从开花期到花后20天，随着叶茎比不断减少，叶片氮含量明显高于植株氮含量。不同土壤高、低肥力条件下，植株氮含量的范围分别为0.75%～1.97%和1.33%～1.70%；所有叶片氮含量的范围分别为1.80%～3.83%和2.32%～3.72%。

由图4-a可知，开花期高肥力田块的植株和叶片氮含量在各施氮处理之间差异均不显著；低肥力田块的N0处理与N1、N2、N3处理差异均显著，说明在低肥力田块增施氮肥能显著提高植株和叶片的氮含量。N0处理下，高肥力田块的植株氮含量显著高于低肥力田块。除N3处理， N0、N1、N2处理下低肥力田块的地上部所有叶片氮含量显著低于高肥力田块。

由图4-b可知，花后10天，随着施氮量的增加，低肥力田块的植株和叶片氮含量也呈增加趋势；高肥力田块随着施氮量的增加植株和叶片氮含量呈现先增加后降低的趋势。说明相同的施肥量在低肥力田块是适量，但是在高肥力田块就是过量施氮。在各施氮处理下，叶片氮含量在高低肥力之间差异均不显著。

由图4-c可知，花后20天，随着生育时期的推进，高肥力田块的叶片氮含量和植株氮含量在各氮处理下，差异均不显著。在不施氮处理下，高、低肥力田块下的植株与叶片氮含量差异均显著。

图4 不同土壤肥力和施氮处理条件下小麦植株和全部叶片氮含量变化Fig. 4 Nitrogen concentration of wheat with plant and all leaves under different fertility fields and nitrogen treatments

2.5 不同叶位叶片氮含量的分布特点及其对施氮量的响应

由图5知，小麦在开花期、花后10天和花后20天，低肥力田块小麦叶片氮含量分别为1.4%～4.0%、1.1%～3.5%、0.5%～3.8%，高肥力田块小麦叶片氮含量分别为2.4%～4.3%、2.0%～3.8%、1.2%～2.4%，三个时期均以旗叶和倒2叶氮含量最高，其次为倒3叶，最后是倒4叶。从空间分布来看，除倒2叶外，叶片氮含量随着叶位的下降而降低。从时间来看，叶片氮含量随着生育时期的推进而降低。

由图5-a知，开花期低肥力条件下，各叶位的氮含量随着施氮量的增加而增加，高肥力条件下，各叶位的叶片氮含量随着施氮量的增加先增加后降低，说明过量施氮反而不利于小麦叶片中氮含量的积累。开花期，不同施氮处理下低肥力田块，N2、N3处理下旗叶、倒2叶、倒3叶的叶片氮含量显著高于不施氮 (N0) 处理；高肥力田块，N1、N2、N3处理的旗叶叶片氮含量高于不施氮 (N0) 处理。低肥力田块，N0和N1处理倒2叶、倒3叶叶片氮含量的差异均不显著；高肥力条件下，旗叶、倒2叶、倒3叶和倒4叶的叶片氮含量在各施氮处理下差异均不显著。下位叶倒4叶的叶片氮含量高肥力田比低肥力田块高出22%～71%。

由图5-b知，花后10天，在相同施肥处理下，高肥力田块的叶片氮含量均高于低肥力田块。旗叶、倒2叶和倒3叶的叶片氮含量在N1到N3处理下，高低土壤肥力下差异均不显著，高肥力下倒4叶叶片氮含量显著高于低肥力条件下的叶片氮含量。

从图5-c可以看出，花后20天，低肥力的旗叶叶片氮含量 (除N0外) 显著高于高肥力旗叶叶片氮含量，这可能是因为过量施氮抑制根系的生长，使根系分布较浅，生育后期抗旱能力差，易脱水脱肥[17]，导致低肥力叶片氮含量反而高于高肥力土壤条件下的叶片氮含量。

与N0相比，开花期、花后10天、花后20天的低肥力田施氮最大增幅分别为179.7%、228.3%、613.2%；高肥力田三个时期的最大增幅分别为74.7%、92.9%、101.7%。

图5 不同土壤肥力和施氮处理条件下小麦不同叶位叶片氮含量变化Fig. 5 Leaf concentration of wheat with different leaf location under different fertility fields and nitrogen treatments

2.6 不同叶位主茎叶片对氮素的吸收及转运

由图6显示，上4叶氮素积累量分别为2.40～12.26 mg/株 (低肥力田块)、6.26～15.70 mg/株 (高肥力田块)，表明基础肥力高的田块能显著提高上4叶的氮素积累量。低肥力田块，上4叶的氮素积累量随着施氮量的增加而提高，高肥力田块上4叶氮素积累量随着施氮量的增加先升高后降低，表明过量施氮反而不利于叶片氮素积累的增加。在低肥力田块，与开花期相比，花后20天上4叶氮素积累量的降幅为13.2%～61.4%。随着生育时期的推进，下部叶最先衰老，低肥力田，除N0外，不同叶位对上4 叶的贡献率表现为旗叶 ＞ 倒 2 叶 ＞ 倒 3 叶 ＞ 倒4叶，旗叶对上4叶氮素积累的贡献率由开花期的35.1% ～43.8%增加到40.0%～52.6%，到花后20天时，倒4叶对上4叶的贡献率较少为5.4%～7.4%，表明叶片的衰老加速了氮素向上部叶片和籽粒中转运；高肥力田，不同叶位对上4叶的贡献率表现为旗叶 ＞ 倒 3 叶 ＞ 倒 4 叶或倒 2 叶 ＞ 倒 3 叶 ＞ 倒4叶，说明土壤肥力高减小了旗叶与倒2叶之间的差异。旗叶和倒2叶对上4叶的贡献率最高分别达39.9%和39.7%。

由表2知，高、低肥力田块不同叶位的氮素转运量和转运率有差异，在开花后10天到花后20天，旗叶到倒4叶这4片叶的转运量和转运率均表现为高肥力田块高于低肥力田块(除N0外) 。

图6 小麦不同叶位的氮积累量Fig. 6 Nitrogen accumulation of wheat with different leaf location under different fertility fields

3 讨论

3.1 不同肥力小麦产量和土壤硝态氮的变化特征

土壤基础肥力影响养分的供应，影响作物对肥料的吸收和利用。刘海涛等[18]研究表明高肥力农田产量高于低肥力农田，高肥力的土壤能够持续矿化出更多的无机氮供玉米利用，通过全面提升产量三要素进而增加作物产量。本研究结果表明，高肥力农田小麦产量在各施氮处理下均高于低肥力农田，低肥力农田的产量随着施氮量的增加而增加，且各施氮处理之间差异显著，增产幅度表现为低肥力农田高于高肥力农田。林琪等[19]研究表明，高肥力田块的施氮量对产量的影响是二次曲线关系，达到最高产量的适宜施氮量为193.0～211.4 kg/hm2；在低肥力土壤上，产量随着施氮量的提高而增加。本试验结果表明，高、低肥力田块的产量和施氮量均是二次曲线关系，高、低肥力田块达到理论最高产量的施氮量为213 kg/hm2和287 kg/hm2，低肥力田块的氮肥用量高于高肥力田块，说明低肥力田块要通过较高的氮肥投入来弥补土壤肥力低对产量的影响。

硝态氮含量直接反映旱地农田土壤氮素水平，增施氮肥会显著增加土壤中硝态氮的含量且随施氮量的增加而升高，但当施氮量为330 kg/hm2时，对土壤硝态氮含量的提高效果不明显[20-21]。本试验结果表明，高、低肥力田块土壤的硝态氮含量随着施氮量的增加而增加，但是在生育期之间没有明显的变化，0—20 cm土层的土壤硝态氮含量高于20—40 cm土层的土壤硝态氮含量，说明随着土层的下移土壤硝态氮含量逐渐减少。高肥力土层的土壤硝态氮含量显著高于低肥力田块，但是高的硝态氮含量容易增加土壤硝态氮的淋失[22]。

表2 开花开始10天和10～20天不同叶位叶片氮素转运量及转运率Table 2 Amounts and rates of N transportation at different positions of wheat leaf during 0-10 and 10-20 day since anthesis stage

3.2 不同土壤肥力下小麦不同叶位叶片氮营养的变化特征

不同土壤肥力下麦秆覆盖处理水稻灌浆期剑叶SPAD值均随氮肥后移量的增加而增加[23]。随着氮肥水平的提高，小麦叶片SPAD值逐渐增大，但在较高水平氮肥处理之间变化较小或者无变化，说明施氮有利于提高SPAD值，但过量施用氮肥会导致叶片SPAD值达到饱和[24]。在本试验中，高、低肥力田块的SPAD值与施氮量的关系表现与以上研究结果一致，在开花期和花后10天，高肥力田块不同叶位SPAD值大体上高于低肥力田块，上位叶旗叶、倒2叶高于低肥力田块，而下位叶倒3叶、倒4叶显著高于低肥力田块，说明下位叶对土壤肥力比较敏感。在花后20天，高肥力田块 (除N0外) 旗叶、倒2叶和倒3叶的SPAD值低于低肥力田块。

蔡红光等[25]研究表明，新立城低肥力试验区在喇叭口期和灌浆之后叶片全氮量均高于德惠高肥力试验区，而在吐丝期则低于德惠试验区。李作一等[11]研究表明玉米的叶位差距越大，含氮量差异越大。本研究结果表明，在开花期到花后20天，N1和N2处理下，高肥力田块全部叶片氮含量高于低肥力田块，在花后10天和花后20天的N2和N3处理，低肥力田块的全部叶片氮含量反而高于高肥力田块，在不施氮条件下，全部叶片和植株氮含量均表现为高肥力田块高于低肥力田块。开花期和花后10天，高肥力田块倒四叶的叶片氮含量显著高于低肥力田块，但是两种肥力田块下施氮处理之间差异不显著，说明下位叶对土壤基础肥力更敏感。在花后20天，高、低肥力田块不同叶位的氮含量表现与不同叶位SPAD值相似的趋势即在高氮处理下，低肥力田块的叶位氮含量高于高肥力田块。

张铭等[26]研究表明在高、中、低三种土壤肥力水平下小麦在各生育时期植株的吸氮量均随施氮量的增加而提高且与施氮量存在显著的线性正相关关系。赵满兴等[27]对西北旱地冬小麦研究表明施氮可以显著增加小麦地上部的氮素积累量。姜丽娜等[28]研究表明高肥中密度条件下，倒4叶、倒4节及余叶和余节氮含量和积累量增加，缩小了与上部各器官的差异。本试验结果表明，与基础肥力低的田块相比，基础肥力高的田块能显著提高主茎顶部上4叶的氮素积累量。对于低肥力田块，上4叶的氮素积累量随着施氮量的增加而提高，高肥力田块上4叶氮素积累量随着施氮量的增加先升高后降低，表明过量施氮反而不利于叶片氮素积累的增加。低肥力田块，随着生育时期的推进，下部叶最先衰老，从开花期到花后20天，旗叶对上4叶氮素积累的贡献率逐渐增加。到花后20天时，倒4叶对上4叶的贡献率逐渐减少，说明叶片的衰老加速了氮素向上部叶片和籽粒中转运；高肥力田块，旗叶和倒2叶的氮素积累量差异不大，说明土壤肥力高减小了旗叶与倒2叶之间的差异。高肥力田块不同施氮处理的不同叶位叶片的转运量和转移率均比低肥力田块高，这就意味着有更多的氮转运到籽粒中，因此，产量也会越高，更多的氮转运到籽粒中，这可能是生育后期叶片氮含量SPAD值降低的原因。

4 结论

增施氮肥可以通过提高土壤硝态氮含量来提高土壤供氮能力。不同叶位叶片的SPAD值、叶片氮含量表现为高肥力田块整体高于低肥力田块，但是在生育后期高肥力田块SPAD值和叶片氮含量低于低肥力田块。高、低肥力田块的旗叶和倒2叶氮素积累量对上4叶的贡献率处于同等重要的位置。高肥力田块不同施氮处理叶片的转运量和转移率比低肥力田块高。通过提高低肥力田块施氮量增加的产量达不到高肥力田块的产量，高肥力田块则要通过控制氮肥用量来提高产量和氮肥利用率，因此，考虑改善农田基础肥力来提高产量。通过对高、低肥力条件下产量的分析发现达到最高产量时的施氮量分别为213 kg/hm2和287 kg/hm2。