施氮量对固定道垄作春小麦产量及氮肥利用率的影响

唐文雪，马忠明

（1.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省农业科学院，甘肃 兰州 730070）

河西绿洲灌区具有丰富的光热资源和土地资源，是我国重要的商品粮基地。春小麦是该区主要的粮食作物，常年播种面积13.33万hm2。生产中普遍采用土壤深翻、大水漫灌的平作栽培方式。为追求高产，春小麦生长季施氮量高达300～400 kg/hm2，灌水量在4 000 m3/hm2以上，导致水肥资源利用效率低下、资源浪费及生态恶化严重，发展固定道保护性耕作技术并优化利用氮肥资源对农业可持续发展具有重要意义［1-2］。固定道垄作保护性耕作是在农田中设置固定的机械行走道路，固定垄作和沟灌代替传统平作和大水漫灌，垄上种植作物，垄沟既是灌水沟，也是机械车轮行走道，作物收获后，高留茬秸秆覆盖免耕［3］。固定道保护性耕作方式具有高度机械化种植、改善土壤结构、提高水肥利用效率、减少生产投入（水肥、劳动力）及提高作物产量等优点［4-6］。国外在作物垄作栽培技术上的研究起步较早，20世纪40年代已经有对作物垄作栽培技术研究的报道，目前这一技术已经澳大利亚、美国、欧洲等国家和地区被采用，在干旱和水涝灾害严重的发展中国家也被广泛应用，而我国这方面的研究工作才刚刚起步［7］。固定道保护性耕作技术引进河西绿洲灌区后，在春小麦固定道耕作条件下土壤理化性状、水分动态、盐分动态、土壤有机碳变化等［8-12］方面有了一定研究，但对固定道保护性耕作栽培下氮肥适宜投入量等的研究鲜见报道。我们通过对不同施氮量下小麦生长发育情况及氮肥利用率的研究，旨在为固定道保护性耕作春小麦栽培高效施肥技术提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年3—7月在甘肃省农业科学院张掖节水农业试验站进行。试验站位于甘肃省河西走廊中段，海拔1 570 m，年平均日照时数3 085 h，昼夜温差13.0～16.07℃，平均气温7℃，≥0℃积温3 388℃，≥10℃积温2 896℃，无霜期153 d。土壤属轻壤土，0～200 cm土层平均容重1.376 g/cm3，有机质含量7.9 g/kg，速效磷含量24.7 mg/kg，速效钾含量82.0 mg/kg。平均年蒸发量2 075 mm，年降水量不足130 mm，干旱指数达10.3，属于典型的无灌溉就无农业的干旱灌溉地区，具有西北绿洲灌溉农业区的典型特征。

1.2 供试材料

指示小麦品种为当地主栽品种陇辐2号。N肥为尿素（N 46.4%），P2O5磷肥为重过磷酸钙（44%P2O5）。

1.3 试验设计与方法

试验共设4个施氮水平，分别为不施氮（N0）、施氮120kg/hm2（N1）、施氮180kg/hm2（N2）、施氮240 kg/hm2（N3）。采用随机区组设计，重复3次，小区面积32.5 m2（6.5 m×5.0 m）。试验各处理均施 P2O5120 kg/hm2。起垄前将N和P2O5全部撒施于起垄带，然后起垄。小麦全生育期灌水量2 400 m3/hm2，共灌水3次，分别于三叶期、挑旗期、灌浆期灌水，灌水量占灌溉定额的比例分别为30%、35%、35%。水表量水灌溉，小水慢灌，灌沟不漫垄。试验采用固定道垄作栽培方式种植，免耕、垄作和高留茬（20 cm）秸秆覆盖，垄面宽65 cm，垄沟宽35 cm，垄高20 cm。播种前只对垄床进行少量的修整，固定机械行走道，垄面无机械压实。每垄种植5行，行距15 cm，开沟撒种，播深3～5 cm。播种量 375 kg/hm2。2017年 3月下旬播种，7月中旬收获。

1.4 测定项目和方法

1.4.1 干物质积累量的测定 拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期和成熟期采集每小区的边行、次边行及中行地上部植株样品，每行随机采集10株，将植株放入烘箱，105℃杀青30 min然后75℃烘干至恒重称量。

1.4.2 叶面积和叶片SPAD值测定 拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期、成熟期采集每小区的边行、次边行及中行地上部植株样品，每行采集10株。应用叶绿素测定仪（SPAD-502）测定旗叶SPAD值，测定每片绿叶的长宽，用长宽系数法计算叶面积（系数为0.75）。

1.4.3 产量及产量构成因子测定 灌浆期定点调查各处理穗数。成熟期采集每小区的边行、次边行及中行地上部植株样品，每行随机采集10株，共采集30株，测定穗长、穗粒数、千粒重等。每小区去除边垄，中间3垄植株全部收获，按实收面积测产。小麦籽粒和秸秆分开计产。

1.4.4 植株全氮测定及相关指标计算 收集考种植株，分别测定植株籽粒及秸秆全氮。

小麦氮素总积累量=籽粒产量×氮素含量（%）＋秸秆产量×氮素含量（%）；

氮肥吸收利用率=（施氮区吸氮量-不施氮区吸氮量）/施氮量［13］

土壤氮依存率=（无氮区吸氮量／施氮区吸氮量）×100［14］

氮肥农学利用率=（施氮肥区产量-不施氮肥区产量）/施氮量［13］

1.5 数据处理

试验数据采用SPASS13.0和EXCEL2007软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 施氮量对小麦干物质积累的影响

小麦产量的形成是由干物质积累、运转及分配所决定，干物质积累反映了小麦光合产量的累积，是小麦籽粒产量形成的物质基础。从图1可看出，拔节期单株干物质仅为0.17～0.21 g，拔节前小麦地上部干物质积累缓慢，处理间差异不明显。拔节之后随生育进程推进，干物质积累迅速，处理间差异逐渐明显。开花期、成熟期单株干物质重分别为1.08～1.78、1.56～3.70 g，并随施氮量增加干物质呈增加趋势。拔节后，施氮处理的干物质重均显著高于N0处理，总体表现为 N3＞N2＞N1＞N0。

2.2 施氮量对小麦叶绿素SPAD值的影响

从表1看出，施氮量可显著提高小麦SPAD值。SPAD值随着施氮量的增加和生育时期的推进，表现为先增大后减小趋势。拔节到灌浆期，当施氮量超过180 kg/hm2时不能显著增加叶绿素SPAD值；成熟期SPAD值随施氮量增加而增加，表现为N3＞N2＞N1＞N0。不施氮处理的SPAD值在抽穗期就达到最高，施氮处理在开花期最高。所有处理在成熟期均急剧下降到最低，与灌浆期相比，N0、N1、N2、N3处理SPAD值下降64.30%、55.70%、48.72%、41.03%。施氮量越大SPAD值下降幅度越小，说明施氮量延缓了生育后期叶片SPAD值降低速度。

表1 不同施氮量处理的小麦SPAD值

2.3 施氮量对小麦叶面积指数的影响

叶片是作物光合作用的主要器官，叶面积的大小影响作物的生长发育及产量形成，叶面积指数反映作物群体光合作用及干物质生产能力［15］，较大的光合绿叶面积及较长的绿叶持续期是小麦取得高产的生理基础［16］。从图2看出，小麦各生育期的叶面积指数表现为先增大后降低的变化趋势，以抽穗期叶面积指数最大。随着生育期的推进，小麦叶片从植株底部开始枯萎，叶面积逐渐减小，叶面积指数降低。不同施氮量对小麦叶面积指数均有显著性影响。拔节期、抽穗期和开花期，施氮处理叶面积指数均高于N0处理，其中以N2处理叶面积最大。灌浆期叶面积指数持续下降，N2处理下降幅度大于N3处理，并且施氮处理的叶面积指数仍明显高于N0处理。各生育期叶面积指数总体表现为 N2＞N3＞N1＞N0。

2.4 施氮量对小麦产量及产量构成因子的影响

氮素具有促进小麦生长发育，提高有效分蘖数，增加穗粒数、千粒重，提高小麦产量的作用。由表2可知，不同施氮量对春小成麦穗数有一定的影响，但春小麦茎蘖成穗数低，结实率低下，对产量贡献率不大。穗粒数随着施氮量的增加先增加后减少，以N2处理穗粒数最高，为26.87粒，显著高于N0、N1处理，与N3处理差异不显著。千粒重随着施氮量的增加呈先增加后下降趋势，N2处理的千粒重最大，但各处理间差异不显著。小麦籽粒产量为2 505.6～5 883.3 kg/hm2，随着施氮量的增加先增后减，N2处理与N3处理差异不显著，与N1、N0处理差异显著，N3处理与N1处理差异不显著。生物产量为5 194.44～11 038.74 kg/hm2，随着施氮量的增加而增加，N2处理显著高于N1、N0处理，与N3处理差异不显著。说明低氮使小麦营养生长弱，植株早衰，造成籽粒及植株产量低，而高氮使春小麦过度贪青徒长，营养生长旺盛，因而抑制其生殖生长，导致籽粒灌浆不充分，不利于产量的形成与提高。

2.5 施氮量对小麦氮肥利用率的影响

氮肥利用率有土壤氮依存率、氮肥吸收利用率、氮肥农学利用率等不同指标。从表3看出，土壤氮依存率、氮肥吸收利用率、氮肥农学利用率均随着施氮量的增加呈下降趋势，施氮量为120 kg/hm2时均为最大。对以上3个指标的分析表明，低氮条件下虽然氮肥吸收利用率及农学利用率高，但土壤氮依存率也较高，长期下去会造成土壤肥力下降。过量施氮会降低小麦对土壤氮的依赖，过量的氮肥没有被作物吸收利用，既浪费了氮肥，又对环境造成了危害。

3 结论与讨论

氮素是小麦生长和产量形成的首要元素，氮素的供应直接影响了小麦光合产物的形成。在土壤氮素供应不足的前提下，一定范围内增施氮肥可以促进小麦干物质量的增加及向籽粒转移，超过一定范围会造成小麦营养生长旺盛，贪青晚熟，不利于产量的形成［17］，在干旱条件下，当氮素营养为200 kg/hm2时，小麦群体分蘖在冬前和返青期达到最高，当氮肥用量再增加时，分蘖能力就会降低。适量施用氮肥可提高小麦的成穗率，过量施用氮肥并不能促使小麦分蘖，反而会抑制分蘖［18］。施氮量在0～270 kg/hm2范围内时，随着施氮量的增加，陇春33号籽粒产量呈先增加后降低的趋势，氮肥施用量为237.6 kg/hm2时产量达最高［19］。与适量施氮相比，少量和过量施氮均影响小麦产量的提高［20-22］。本研究表明，一定范围内，随施氮量增加，可增加小麦叶面积指数，延缓小麦生育后期叶片SPAD值降低速度，提高小麦地上部干物质量，提高单位面积有效穗数、穗粒数及千粒重。施氮量为180 kg/hm2时，小麦穗粒数和千粒重最大，籽粒产量达到最高，为5 883.3 kg/hm2。施氮量为240 kg/hm2时，小麦营养生长过高，抑制了其生殖生长。穗粒数和千粒重均比施氮量180 kg/hm2处理低，小麦籽粒产量不增反降，比最高产量下降6.15%。

氮肥利用率是氮肥使用效果的一个综合评价指标，与经济效益、氮素流失密切相关。影响氮肥利用效率的因素较多，如氮肥形态、施氮量、氮肥运筹、水分条件、土壤环境、品种特性等。在生产中，根据我国粮食安全需求，只能追求保持较高产量下合理的氮肥利用率，而不应一味追求高的氮肥利用率而降低产量［23-25］。本研究表明，随施氮量的增加氮肥利用率呈下降趋势。施氮量为180 kg/hm2时，氮肥吸收利用率及农学利用率虽然显著低于施氮量120 kg/hm2时的水平，但仍然高达52.10%和18.77 kg/kg，并且显著高于目前我国小麦的氮肥吸收利用率及农学利用率的平均值34.80%、9.20 kg/kg。这一方面是因为生产条件、施肥技术、管理水平的差异，试验条件下肥料吸收利用率比农户条件下约高10百分点［26］，另一个重要原因是与传统栽培措施相比，固定道垄作沟灌栽培具有显著的节水节肥增产的优点［4-6，10，12］。综上分析，河西绿洲灌区固定道垄作栽培下春小麦的适宜施氮量为180 kg/hm2。