施氮对稻茬冬小麦氮肥吸收利用及转运的影响

李欣欣,石祖梁,王久臣,王 飞,江荣风

(1.农业农村部农业生态与资源保护总站,北京 100125;2.中国农业大学资源与环境学院,北京 100094)

施用氮肥是提高小麦产量和改善其品质的重要措施之一,氮运筹对小麦植株氮素积累、氮素吸收效率和籽粒产量有明显调控效应。适量施氮能促进植株对氮素的吸收,提高小麦籽粒产量、蛋白质含量,但过量或不合理施氮不仅不能达到高产优质的目的,还会降低氮肥利用率,增加氮肥损失,污染环境[1-2]。前人研究表明,小麦籽粒积累的氮素有70% 以上来自花后植株氮素的再分配[3],较高的籽粒产量来自于较高的氮素利用效率和氮素转运效率[4]。因而,小麦植株氮素的吸收、同化和运转利用,直接影响籽粒的产量和蛋白质含量。国内学者对我国北方主要麦区小麦氮素的吸收利用规律及转运特性进行了大量研究,指出增施氮肥有利于促进小麦花后氮素的积累与转运,但氮肥用量过多,会延缓衰老进程,不利于营养器官中的碳水化合物和氮素向籽粒转移,最终导致产量和蛋白质含量降低[5-6];相同施氮量条件下增加追肥氮的比例或追肥氮施用时期后移,可以提高营养器官中氮素的转运量和开花后氮素的同化量,并提高氮肥利用率,促进氮肥向籽粒转运[7-8]。小麦对氮素的吸收利用及其与产量和品质的关系,与品种特性和环境条件密切相关[9-10]。长江中下游平原是典型的稻麦两熟轮作区,其耕作方式、气候条件、播种时间以及施肥方式等与其他麦区明显不同,对植株的氮素积累和回收利用的影响也明显不同。目前对稻茬小麦的研究主要集中在产量、品质和生态环境的调控效应方面,对不同来源氮素的吸收、转运特性还缺乏定量化的研究。为此,本试验采用大田试验和15N 示踪技术相结合,研究不同施氮量对稻茬小麦植株不同来源氮素吸收利用、分配、转运特性及氮肥利用的影响,以期为稻茬小麦高产高效栽培中氮肥的合理利用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2016-2017年度在江苏省农业科学院试验基地进行。供试土壤0～20 cm 土层土壤养分状况为:有机质19.50 g·kg-1,全氮0.78 g·kg-1,速效磷17.50 mg·kg-1,速效钾46.88 mg·kg-1。供试小麦品种为中筋小麦品种扬麦16号。

田间试验分大田试验和15N 微区试验两部分。大田试验设不同的施氮水平,即全生育期不施氮肥(N0)、施120 kg·hm-2(N120)、210 kg·hm-2(N210)和300 kg·hm-2(N300),基追比例为5∶5,基肥于播前施入,追肥于拔节期施入。同时每小区施磷(P2O5)100 kg·hm-2,钾(K2O)150 kg·hm-2,磷、钾肥全部作为底肥一次性施入。氮肥为尿素(46%),磷肥为过磷酸钙(17%),钾肥为氯化钾(60%)。小区面积24 m2,基本苗18×105株·hm-2,行距为25 cm,随机区组设计,3次重复。以边长为25 cm、高30 cm 未封底的无底镀锌铁框做土柱,在施氮量处理上设置15N微区,施用肥料为15N 标记的尿素。每个施氮量处理又分别设15N 尿素基肥+普通尿素追肥(每小区4个土柱)和普通尿素基肥+15N 尿素追肥(每小区2个土柱),施肥量和施用时期及其他管理措施同上述大田试验处理。15N尿素由上海化工研究院生产,丰度为10%左右。其他田间管理同当地一般大田。

1.2 测定项目与方法

在小麦成熟期,大田试验于每小区取2 m2小麦脱粒,晒干后测定产量;并于每小区取20株单茎,按茎鞘、叶片、籽粒、穗轴+颖壳分样,70 ℃烘干至恒重,测定干物重。磨碎后采用浓硫酸-双氧水消煮,半微量凯氏定氮法测定植株氮含量。15N 尿素基肥+普通尿素追肥试验分别于越冬期、拔节期(追肥前)、开花期和成熟期每个小区取一个土柱微区,普通尿素基肥+15N 尿素追肥试验分别于开花期和成熟期每个小区取一个土柱微区,用剪刀沿根部剪取微区内地上部全部植株样品。越冬期、拔节期植株按茎鞘、叶片分开,开花期植株按茎鞘、叶片、穗部分开,成熟期植株按茎鞘、叶片、籽粒、穗轴+颖壳分开,鲜样在105 ℃下杀青30 min后,70 ℃烘干至恒重,用半微量凯氏定氮法测定植株氮含量。15N 丰度采用ZHTO2 型质谱仪分析,由河北省农林科学院理化所 测定。

1.3 计算方法

氮肥利用率=植株中肥料氮积累量/施氮量×100%

植株氮积累量=植株干物重×植株含氮量

植株氮来源于基(追)肥的比例=基(追)肥处理植株的15N 原子百分超%/肥料的15N 原子百分超%×100%

植株基(追)肥氮积累量=植株氮积累量×植株氮来源于基(追)肥的比例

植株肥料氮积累量=植株基肥氮积累量+植株追肥氮积累量

植株土壤氮积累量=植株氮积累量-植株肥料氮积累量

植株氮转运量=开花期植株营养器官氮积累量-成熟期营养器官氮积累量

花后氮积累对籽粒氮的贡献率=(成熟期植株氮积累量-开花期植株氮积累量)/成熟期籽粒氮积累量×100%

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS软件对数据进行统计分析。

2 结果分析

2.1 施氮量对小麦不同生育阶段植株氮吸收积累的影响

表1显示,播种至越冬期,小麦植株总氮积累量在施氮处理间无显著差异;随着施氮量的提高,小麦植株中肥料氮积累量呈上升趋势,土壤氮积累量呈下降趋势。越冬至拔节期,小麦植株中不同来源氮的积累量均随施氮量的提高而显著增加。拔节至开花期,随施氮量的增加,植株中基肥氮积累量和追肥氮积累量均呈增加趋势;土壤氮积累量呈显著降低趋势,不同施氮量处理间差异不显著。开花至成熟期,植株中肥料氮积累量和土壤氮积累量均随施氮量的增加而显著增加。分析全生育期可以看出,播种至成熟期,小麦植株总氮积累量和肥料氮积累量均随施氮量的增加而显著增加,土壤氮积累量则表现为N300处理显著高于其他处理,其他处理间差异不显著。相同施氮处理下,小麦植株中追肥氮积累量均高于基肥氮积累量。全生育期N120处理下的土壤氮积累量高于肥料氮积累量,而N210和N300处理则呈相反趋势,表明提高施氮量会降低植株对土壤氮素的吸收同化。N120、N210、N300处理小麦植株中土壤氮积累量占总氮积累量的比例分别为57%、48%、45%。不同生育阶段比较,小麦植株基肥氮积累量表现为越冬至拔节期和拔节至开花期>播种至越冬期>开花至成熟期;追肥氮积累量则以拔节至开花阶段最高;肥料氮积累量表现为拔节至开花期和越冬至拔节期>开花至成熟期>播种至越冬期;土壤氮积累量在N210和N300处理下表现为越冬至拔节期>拔节至开花期>开花至成熟期>播种至越冬期,在N0和N120处理下则以拔节至开花期最高。

表1 施氮量对不同生育阶段小麦植株不同来源氮素积累的影响

2.2 成熟期不同来源氮素在小麦各器官中的分配特征

表2结果显示,不同来源氮素在小麦植株各器官的积累量均随施氮量的增加而增加。各施氮处理下,不同来源氮素均以籽粒积累量最高。就营养器官而言,平均各施氮处理,基肥氮和肥料氮分配量表现为茎鞘>穗轴+颖壳>叶片,追肥氮分配量表现为穗轴+颖壳>茎鞘>叶片,而土壤氮和植株总氮分配量表现为茎鞘>叶片>穗轴+颖壳,表明肥料氮和土壤氮在小麦植株中的分配存在一定差异,进而对氮素转运产生影响。从小麦植株总氮的分配比例来看,叶片、茎鞘、穗轴+颖壳和籽粒氮的分配比例分别为6.09%～ 9.70%、9.01% ～11.14%、7.19% ～7.48%、71.96%～77.42%,总体表现为随施氮量的增加,叶片、茎鞘氮素的分配比例升高,而穗轴+颖壳和籽粒氮素的分配比例则下降。

表2 施氮量对成熟期小麦植株氮素分配的影响

2.3 成熟期不同来源氮素在小麦籽粒中的分配

由图1可知,随施氮量增加,肥料氮对籽粒氮的贡献率显著增加,土壤氮对籽粒氮的贡献率则显著降低。N120、N210、N300处理下基肥氮对籽粒氮的贡献率分别为20.79%、27.07%、29.00%,追肥氮对籽粒氮的贡献率分别为24.99%、29.15%、32.25%,肥料氮对籽粒氮的贡献率分别为45.78%、56.22%、61.25%,土壤氮对籽粒氮的贡献率分别为54.22%、43.78%、38.75%。N120处理以土壤氮贡献率较高,N210和N300处理则均以肥料氮贡献率较高。

图柱上不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图2同。

2.4 施氮量对花后不同来源氮素转运的影响

由表3可以看出,小麦植株各营养器官肥料氮的转运量均随施氮量的增加而增加,土壤氮的转运量则随施氮量的增加而降低。不同器官比较,氮素转运量均表现为茎鞘>叶片>穗轴+颖壳。植株总氮转运效率为66.61%～74.33%,叶片、茎鞘、穗轴+颖壳的氮素转运效率分别为 69.32%～80.69%、70.68%～76.88%、49.86～59.54%,均表现为随施氮量的增加而降低。基肥氮、土壤氮和植株氮转运效率均表现为叶片>茎鞘>穗轴+颖壳,而追肥氮和肥料氮转运效率则表现为茎鞘>叶片>穗轴+颖壳。不同来源氮素比较,小麦植株中基肥氮的转运量和转运效率低于追肥氮,肥料氮的转运量和转运效率高于土壤氮,基肥氮、追肥氮、肥料氮和土壤氮的转运效率分别为77.31%～79.96%、77.89%～81.80%、77.61%～81.13%、51.55%～67.64%。

表3 施氮量对花后营养器官不同来源氮素转运的影响

2.5 施氮量对小麦花后氮素积累的影响

表4结果显示,小麦植株花后不同来源氮的积累量及其对籽粒氮的贡献率均随施氮量的增加而增加,表明增加施氮量能够提高小麦植株花后氮积累量。小麦植株花后氮积累量对籽粒氮的贡献率为15.59%～22.28%,花后肥料氮积累量对籽粒肥料氮的贡献率为9.59%～14.56%,花后土壤氮积累量对籽粒土壤氮的贡献率为 24.11%～34.48%,表明籽粒中肥料氮和土壤氮均更多地依赖于营养器官的氮转运。

表4 花后氮素积累量及其对籽粒氮素的贡献率

2.6 施氮量对小麦籽粒产量及氮肥利用的影响

图2结果显示,与N0相比,施氮能显著增加小麦籽粒产量,但超过210 kg·hm-2的施氮量时,产量增加不显著。N120、N210、N300处理籽粒产量较N0处理分别增加60.99%、89.89%、92.09%。N120处理基肥氮、追肥氮和肥料氮利用率分别为50.07%、58.88%、54.48%,N210处理分别为46.46%、49.85%、48.15%,N300处理分别为39.56%、43.71%、41.64%。随施氮量增加氮肥利用率显著下降;追肥氮利用率高于基肥氮。

图2 施氮量对籽粒产量(左图)和氮肥利用效率(右图)的影响

3 讨 论

前人研究认为,小麦植株在整个生育期吸收的氮素1/3来自肥料氮,2/3来自土壤氮[11],但也有人提出,冬小麦吸收的氮素42.8%来自土壤氮,57.2%来自肥料氮[12],研究结果不尽相同,这可能与不同的耕作制度、施氮方式以及土壤肥力等有关。本试验条件下,施氮量为120 kg·hm-2时,小麦植株氮积累量的43%来自肥料氮,57%来自土壤氮;当施氮量增加到210 和300 kg·hm-2时,小麦植株氮积累量来自肥料氮的比例分别达到52%和55%,表明随施氮量增加小麦植株吸收肥料氮的比例增加,吸收土壤氮的比例下降,这与赵俊晔等[13]研究结果相似。关于小麦不同生育阶段的氮素吸收,前人研究表明,播种至拔节期是小麦吸收基肥氮的主要阶段,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[7,14]。本试验研究结果显示,越冬至拔节期是小麦植株基肥氮吸收的主要时期,拔节至开花期是追肥氮吸收的主要时期;而对土壤氮的吸收,低氮条件下以拔节至开花期最高,高氮条件下以越冬至拔节期最高,这可能与小麦植株生育前期生长量较小,对氮素需求较低,而生育后期生长旺盛,对肥料氮的依存率相对较高有关,具体原因值得进一步探讨。

开花至成熟阶段是小麦氮素吸收分配的关键时期,已有研究表明,形成籽粒蛋白质的氮素有两部分来源,其中1/3来源于开花后植株直接吸收同化的氮素,2/3来源于开花前营养器官贮存氮素的转移[15]。本研究显示,小麦植株花后氮素积累量对籽粒氮素的贡献率平均约为20%,即植株营养器官氮素转运量占籽粒氮素的4/5,这与前人研究结果较为一致。氮肥运筹对小麦植株氮素的积累、转运和分配有显著的影响,但前人对此研究结论并不一致。有学者认为增施氮肥能显著提高小麦各器官的氮素积累量以及营养器官贮存氮素转运量、转运效率和转运氮素对籽粒氮素的贡献率[9],也有学者认为随施氮量增加,氮素转运量及其对籽粒氮素的贡献率呈先增加后降低的趋势[16],还有研究表明,超过一定范围的氮肥施用量,对小麦植株氮素吸收和转运无显著的调节作用[17],改变氮肥基追比例可调节小麦营养器官氮素转运量与开花后氮素同化量的比例[18]。本试验结果表明,小麦植株氮素转运量随施氮量增加而增加,但氮素转运效率及转运氮素对籽粒的贡献率则随施氮量增加而下降。不同来源氮素比较,小麦植株肥料氮转运量随施氮量增加而增加,肥料氮转运效率和土壤氮转运量、转运效率则随施氮量增加而下降;追肥氮转运量高于基肥氮,肥料氮转运量高于土壤氮;肥料氮平均转运效率约为80%,而土壤氮平均转运效率约为60%,这可能与土壤氮素需要经过矿化作用转化成矿质氮才能被植株吸收利用有关[7]。

适量施氮有利于提高小麦氮素积累量,增加籽粒产量和蛋白质含量,改善品质[19],但氮肥利用效率会随施氮量增加而递减[20]。本研究结果表明,在0～210 kg·hm-2的施氮量范围内,增加施氮量有利于提高小麦籽粒产量,继续增加施氮量则产量增加不显著;在N120处理下,氮肥回收率超过50%,而在N300处理下仅为40%,且基肥氮利用率均低于追肥氮,这与赵俊晔等[13]研究结果较为一致。有学者研究提出,在小麦生产中应增加后期追肥比例,以保证土壤氮素持续有效供应,协调群体与个体的矛盾,延缓小麦后期衰老,提高子粒产量、蛋白质含量及氮肥利用率[21-22],但也有学者指出,在施肥不足或土壤肥力较低的情况下,减少前期氮肥施用量,会导致小麦产量的降低[23]。因此,针对稻茬小麦更加合理的氮素施用,还需结合田间基、追比例和土壤肥力进一步开展15N 示踪分析。