氮肥运筹对江汉平原稻茬小麦产量及氮效率的影响

薛轲尹，杨 蕊，张程翔，王小燕

(长江大学农学院/主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心,湖北荆州 434025)

江汉平原是长江中下游地区重要的小麦产区之一。该区小麦主要采取稻麦连作种植模式[1-2]，小麦单产水平低，增产潜力巨大[3]。小麦为我国第二大粮食作物，对其氮肥投入比较多[4-5]。大量研究表明，在一定施氮量范围内，增施氮肥是提高小麦产量的重要举措[6-7]。然而氮肥的不合理施用和过量施用会降低氮肥利用率，加大氮素流失，导致土壤板结、水体污染、空气污染等一系列环境问题[8-10]。合理的氮肥运筹可以提高作物产量和氮肥利用率[11-12]。魏建林等[4]研究表明，在相同施氮量条件下，增产效果和氮肥利用率以氮肥在基肥、返青期和拔节期分3次均施时效果最好。赵士诚等[13]研究表明，氮肥基追比例过高易导致小麦前期氮素奢侈吸收和旺长，氮肥以 3∶ 7的比例基施和拔节期追施能实现高产和提高氮肥利用率。另有研究表明，小麦的产量和氮肥利用率与土壤肥力密切相关[14-15]。张 铭等[16]研究认为，小麦的产量和氮肥利用率随土壤肥力的提高表现为上升趋势。近年来，针对施氮量、施氮时期及氮肥基追比例对小麦产量和氮效率的影响已有较多研究，但这些研究大多集中在黄淮海麦区，且大多数是在单一土壤肥力水平下针对单一的变量进行的，关于江汉平原地区稻茬小麦氮肥运筹模式的相关研究较少。江汉平原位于湖北省中南部，土壤肥沃，光照充足，降水丰富，但小麦生产中习惯了传统施肥模式，氮肥基施用量较大，追肥比例较低甚至不进行追肥，使氮肥供应无法满足小麦阶段性的氮肥需求，导致小麦产量和氮肥利用率较低。本研究拟在江汉平原中肥力点和高肥力点开展稻茬小麦氮肥运筹试验，研究中、高肥力土壤条件下不同的施氮量及氮肥基追比对稻茬小麦产量与氮效率等的影响，为这一生态区不同土壤肥力水平下小麦的高产高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2018年11月-2019年6月在两个试验点进行。中肥力点：湖北省荆州市长江大学试验基地(N29°26′，E111°15′)，播种前0～20 cm土层pH为7.79，有机质含量12.37 g· kg-1，速效氮含量51.22 mg· kg-1，速效磷含量12.07 mg· kg-1，速效钾含量52.74 mg· kg-1。高肥力点：湖北省荆州市江陵县赵家台村(N30°03′，E112°42′)，播种前0～20 cm土层pH为7.83，有机质含量15.35 g· kg-1，速效氮含量89.96 mg· kg-1，速效磷含量16.14 mg· kg-1，速效钾含量78.52 mg· kg-1。供试小麦品种为郑麦9023，前茬作物为水稻。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，主区为3个施氮量处理，分别为N1：135 kg· hm-2；N2：180 kg· hm-2；N3：225 kg· hm-2，副区为3种基追比例，分别为M1：10∶0∶0，氮肥全部基施；M2：7∶3∶0，氮肥基施和冬前追施；M3：1∶1∶1，氮肥基施和冬前与拔节追施，以不施氮处理(N0)作为空白对照，具体见表1，均以人工撒施的方式进行施肥。3次重复，小区面积12 m2(2 m×6 m)。基本苗225万株·hm-2，播期2018年11月1日，人工撒播。耕前基施磷、钾肥均为105 kg· hm-2，氮肥按试验设计施用。其他管理同一般高产田。

表1 试验处理Table 1 Experimental treatment

1.3 测定项目与方法

1.3.1 冠层指标测定

叶面积指数(LAI)：使用美国产AccuPAR LP-80植物冠层分析仪于拔节期、孕穗期、开花期、灌浆中期及成熟期选取每个小区长势均匀的植株，在距土壤表面上方10 cm处测定其叶面积指数。

旗叶SPAD值：使用日本产SPAD-502叶绿素仪于孕穗期、开花期和花后7、14、21、28 d，每个小区选取10株长势均匀的植株测定其旗叶的SPAD值。

1.3.2 干物质积累量测定

选取长势均匀的小麦植株，冬前期、拔节期、孕穗期每个处理分别取10株小麦地上部植株；开花期和成熟期每个处理分别取20株小麦地上部植株。测定所取小麦植株的茎蘖数，并将植株于105 ℃杀青30 min，60 ℃烘干至恒重，测定单茎的干物质重量，计算干物质积累量。

1.3.3 产量及其构成因素测定

小麦成熟时于每个小区选取50株长势均匀的小麦植株，取其地上部，晾晒后测其干物质重量和粒重并计算收获指数。选取有代表性的1 m2样点调查穗数，并随机选取20穗调查穗粒数。选取2 m2收获，脱粒、晾晒后计产，测定千粒重。

1.3.4 氮素指标计算公式

开花期/成熟期植株各器官氮积累量=开花期/成熟期植株各器官含氮量×植株各器官干物质积累量；

花前植株氮积累量=开花期植株地上部各器官(茎秆、其余叶、旗叶、穗)氮积累量之和；

成熟期植株氮积累总量=成熟期植株地上部各器官氮积累量之和；

成熟期营养器官氮积累量=茎秆氮积累量+其余叶氮积累量+旗叶氮积累量+颖壳和穗轴氮积累量

营养器官花后氮输出量=开花期植株氮积累量-成熟期营养器官氮积累量；

氮收获指数=籽粒氮积累量/成熟期植株氮积累总量；

氮肥表观利用率(NFUE)=(施氮小区成熟期植株氮积累总量-不施氮小区成熟期植株氮积累总量)/施氮量×100 %；

氮肥农学利用率(NFAE)=(施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量)/施氮量。

氮肥生产力=产量/施氮量。

1.4 数据分析

采用WPS 2019、DPS 7.05软件进行数据分析及绘图，用LSD法进行显著性及方差分析。

2 结果与分析

2.1 氮肥运筹对稻茬小麦LAI和旗叶SPAD值的影响

2.1.1 氮肥运筹对稻茬小麦LAI的影响

图1表明，随着生育期的推进，中肥力点和高肥力点各处理的LAI均呈先增大后减小的趋势，两个试验点的LAI整体上均在灌浆中期达到最大值，灌浆中期以后迅速下降。在相同施氮量处理下，不同氮肥基追比例间比较，中肥力点小麦拔节期的LAI表现为M1>M2>M3，孕穗期到成熟期的LAI整体上表现为M1

JS：拔节期；BS：孕穗期；FS：开花期；MFS：灌浆中期；MS：成熟期。下同。JS:Jointing stage;BS:Booting stage;FS:Flowering stage;MFS:Middle of filling stage;MS:Maturity stage.The same in figure 3.图1 氮肥运筹对稻茬小麦LAI的影响Fig.1 Effect of nitrogen fertilizer managements on LAI of rice stubble wheat

2.1.2 氮肥运筹对稻茬小麦旗叶SPAD值的 影响中肥力点和高肥力点各处理的小麦旗叶SPAD值均在开花期达到最大，孕穗期到开花期呈上升趋势，开花期以后呈下降趋势，尤其是灌浆中期(14DAA)以后，小麦旗叶SPAD值快速下降(图2)。在相同施氮量处理下，两个试验点各个时期小麦旗叶SPAD值均表现为M1

在相同基追比例下，各个时期各个处理的SPAD值均随着施氮量的增加而提高，高肥力点各处理的小麦旗叶SPAD值均高于中肥力点。中肥力点的小麦旗叶SPAD值N2处理比N1处理平均提高了2.1，N3处理比N2处理平均提高了2.4；高肥力点的SPAD值N2处理比N1处理平均提高了2.9，N3处理比N2处理平均提高了2.1，中肥力点小麦旗叶SPAD值的提高幅度随施氮量的增加逐渐变大，高肥力点则逐渐变小。两个试验点皆以N3M3处理的SPAD值最大，而高肥力点N2处理的小麦旗叶SPAD值明显高于中肥力点的N3处理。以上结果说明中肥力点增施较多氮肥有利于提高叶绿素含量，而高肥力点因土壤供氮能力较强，增施较少氮肥就可以达到中肥力点的同等效果。

BS：孕穗期；DAA：花后天数。BS:Booting stage; DAA:Days after anthesis.图2 氮肥运筹对稻茬小麦旗叶SPAD值的影响Fig.2 Effect of nitrogen fertilizer managements on SPAD value of flag leaf of rice stubble wheat

2.2 氮肥运筹对稻茬小麦干物质积累量的影响

图3表明，中肥力点和高肥力点各处理的干物质积累量均随着小麦生长发育进程呈逐渐增加趋势，以开花期到成熟期的增幅最大。在相同施氮量处理下，中肥力点小麦的干物质积累量在冬前期表现为M1>M2、M3，拔节期到开花期表现为M2>M1、M3，成熟期表现为M1

EWS：冬前期。EWS:Early winter stage.图3 氮肥运筹对稻茬小麦干物质积累量的影响Fig.3 Effect of nitrogen fertilizer managements on dry matter accumulation of rice stubble wheat

在相同基追比例下，两个试验点各生育时期小麦的干物质积累量均随着施氮量的增加而增加，高肥力点小麦的干物质积累量整体上高于中肥力点。这表明适当增施氮肥能够提高小麦地上部生物量，为提高籽粒产量奠定基础。

2.3 氮肥运筹对稻茬小麦产量及产量构成因素的影响

由表2可知，在相同施氮量处理下，中肥力点和高肥力点的产量均表现为M1

表2 氮肥运筹对稻茬小麦产量及产量构成因素的影响Table 2 Effects of nitrogen fertilizer managements on grain yield and its components of rice stubble wheat

产量构成因素上，在相同施氮量处理下，中、高肥力点小麦的有效穗数和穗粒数均表现为M1M2>M3。在相同基追比例下，两个试验点小麦的有效穗数和穗粒数均随施氮量的增加而增加，表现为N1

总体上看，高肥力点的小麦产量、产量构成因素及收获指数均高于中肥力点。两个试验点的产量与产量构成因素均以N3M3处理最优，中肥力点N3M3处理的产量及产量构成因素与其他处理间差异显著，而高肥力点N3M3处理的产量和收获指数与N2M3处理之间并无显著差异。

2.4 氮肥运筹对稻茬小麦开花期和成熟期氮素积累与转运的影响

由表3可知，在相同施氮量处理下，中肥力点和高肥力点小麦成熟期的植株氮积累总量和籽粒氮积累量均表现为M1

表3 氮肥运筹对稻茬小麦开花期和成熟期氮素积累与转运的影响Table 3 Effects of nitrogen fertilizer managements on nitrogen accumulation and translocation during flowering stage and maturity stage of rice stubble wheat

在相同基追比例下，小麦成熟期植株氮积累总量和籽粒氮积累量均随着施氮量的增加而提高，表现为N1

高肥力点小麦的花前植株氮积累量、成熟期植株氮积累总量、籽粒氮积累量和营养器官花后氮输出量均高于中肥力点。中肥力点以N3M3处理表现最优，与其他各处理间差异显著。高肥力点N2M3处理在得到较高氮收获指数的同时，花前植株氮积累量和营养器官花后氮输出量及其对籽粒氮的贡献率也较高，且N2M3处理也获得了较高的产量和收获指数。

2.5 氮肥运筹对稻茬小麦氮效率的影响

由表4可知，在相同施氮量处理下，不同基追比例处理间氮肥表观利用率、氮肥农学利用率和氮素生产力均表现为M1

表4 氮肥运筹对稻茬小麦氮效率的影响Table 4 Effect of nitrogen fertilizer managements on nitrogen use efficiency of rice stubble wheat

高肥力点的氮肥表观利用率比中肥力点平均高了1.19%，氮肥农学利用率比中肥力点平均高了1.44 kg· kg-1，氮素生产力比中肥力点平均高了2.15 kg· kg-1。在中肥力点，N3M3处理获得了最高的总吸氮量、氮肥表观利用率、氮肥农学利用率及较高的氮素生产力。在高肥力点，N2M3处理在获得了最高总吸氮量、氮肥农学利用率的同时，氮肥表观利用率和氮素生产力也较高，值得在生产中推广应用。

3 讨 论

3.1 氮肥运筹对稻茬小麦光合特性及干物质积累的影响

光合作用是作物产量形成的基础[17]，作物积累的干物质 90%～95% 来源于光合产物[18]。在一定范围内，施氮量的增加有助于提高叶片SPAD值和LAI[7,19]，减缓小麦花后叶片SPAD值和LAI的衰减。适当增施氮肥可优化小麦群体生长，改善冠层结构及其内部光环境，增强光合作用，有利于小麦对光能的截获利用，促进干物质积累和向籽粒的转运，进而提高产量[20-24]。本研究发现，施氮量相同时，通过减少氮肥基施用量进行后期追肥来优化氮肥运筹可以显著提高叶片的SPAD值和LAI。氮肥基追比例相同时，SPAD值和LAI均随着施氮量的增加而提高，这与前人的研究结果一致，但SPAD值和LAI在不同土壤肥力下的表现不同。高肥力点小麦叶片SPAD值和LAI整体上高于中肥力点，这可能与高肥力点本身土壤供氮能力较强有关。

产量主要是由拔节后特别是花后干物质的生产决定的[25]。适量施用氮肥有利于小麦的干物质积累，可以显著提高小麦的籽粒产量和生物量[26]。本研究发现，在各土壤肥力条件下通过优化氮肥基追比例和增加施氮量均可以明显提高小麦的干物质积累量，而高肥力点小麦的干物质积累量整体上高于中肥力点。从本研究结果可以看出，中肥力点和高肥力点小麦叶片SPAD值、LAI和干物质积累量均较高的处理，籽粒产量也较高，这说明小麦的光合特性及干物质积累量与小麦高产密切相关。

3.2 氮肥运筹对稻茬小麦产量及产量构成因素的影响

氮素是影响小麦籽粒产量和品质的最重要因子[27]。小麦籽粒产量与施氮量之间呈二次曲线关系[28]，随着施氮量的提高，产量表现出先增加后减少的趋势，氮素施用量在180～270 kg·hm-2时产量达到最高[7]。另有研究表明，土壤肥力对小麦产量和氮肥利用率的影响大于施氮量[15]。本研究中，在135～225 kg·hm-2施氮量范围内，氮肥基追比例相同时，产量随着施氮量的增加而提高。当基追比例均为1∶1∶1时，中肥力点小麦施氮量为225 kg·hm-2时产量显著高于其他各处理，而高肥力点小麦的产量在施氮量为180 kg·hm-2和225 kg·hm-2处理间并无显著差异。高肥力点各处理的产量均高于中肥力点，这说明中肥力点通过提高施氮量增加的产量低于高肥力点，而高肥力点因土壤供氮能力较强，适当降低施氮量仍然可以达到高产稳产的目的。另外，控制氮肥总用量，适当减少基施氮肥量、增加追施氮肥量，同样可以使小麦达到增产或稳产的效果[29]，本研究也得出了类似的结论。

增施氮肥使小麦增产是因为适宜的施氮量可促进小麦穗部发育，提高有效穗数和穗粒数，进而增加产量[30-31]。本研究发现，通过减少氮肥基施用量、增加后期追肥量或者适当增加施氮总量均可以使小麦单位面积有效穗数和穗粒数得到显著提高，这与前人的研究结果表现一致。在产量构成因素上，高肥力点的表现也优于中肥力点，这也是高肥力点比中肥力点产量高的原因。

3.3 氮肥运筹对稻茬小麦氮素积累与转运及氮效率的影响

合理的氮肥运筹对小麦的氮素积累与运转及氮素利用效率都有至关重要的影响。朱新开等[32]认为，氮肥后移不仅对小麦植株后期氮的吸收与转运有显著调控作用，满足小麦第2个吸肥高峰(拔节至开花期)的需要；同时还能增强干物质合成并提高向籽粒的运转效率，实现籽粒产量的同步提高。本研究发现，在施氮量相同时，减少氮肥基施用量进行后期追肥有利于提高开花期和成熟期植株氮积累量、籽粒氮积累量和营养器官花后氮输出量，促进花前氮素向籽粒的转运，提高了氮肥的吸收与利用程度，这与代新俊等[5]研究结果相类似。在氮肥基追比例相同时，开花期、成熟期植株氮积累量、籽粒氮积累量和营养器官花后氮输出量均随施氮量的增加呈上升趋势。高肥力点小麦的氮素积累与转运优于中肥力点。

降低施氮量并提高后期追肥比例有利于降低氮素的损失，提高氮素利用效率[33]。本研究发现，施氮量相同时，减少氮肥基施用量进行后期追肥不仅氮肥表观利用率得到了提高，氮肥农学利用率和氮素生产力均得到了同步提高。有学者认为，随施氮量的增加小麦氮肥利用率逐渐降低[34]，但本试验和张 铭等[16]的研究结果均表明，不同土壤肥力下适当增施氮肥可以明显提高氮肥表观利用率。另外，适当增施氮肥，小麦的氮肥农学利用率也有所提高，而氮素生产力则有所下降。高肥力点的氮肥表观利用率、氮肥农学利用率和氮素生产力的平均值均高于中肥力点，这说明土壤肥力对小麦氮肥利用率的影响比施氮量大[15]。

近年来，小麦生产中为追求高产而施用过量氮肥，重施基肥的传统施肥方式导致了氮肥增产效应不明显、氮素利用率低及严重的环境污染问题。小麦生长发育对氮肥的需求与氮肥供应的不同步，尤其是江汉平原降雨丰富，地下水位浅，造成了大量残留于土壤中的基肥的淋溶损失。因此，优化江汉平原的氮肥运筹模式十分必要。本试验条件下，中肥力点施氮量为225 kg·hm-2、基追比例为1∶1∶1处理，高肥力点施氮量为180 kg·hm-2、基追比例为1∶1∶1处理时，小麦群体结构优良，光合作用较强，为稻茬小麦的生长发育提供了充足养分，降低了氮素损失，促进了氮素的积累与转运，提高了氮肥利用率和氮肥农学利用率，同时获得了较高的小麦产量，减少了环境污染。