不同质地土壤的小麦合理氮肥基追比研究

王继唯，袁 浩，马 阳，张世卿，张 培，张建发，李晓鹏，彭正萍

（1.河北农业大学 资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071001； 2.华北作物改良与调控国家重点实验室，河北 保定 071001；3.河北省耕地质量监测保护中心， 河北 石家庄 050000；4.河北省邢台市农业农村局，河北 邢台 054001）

小麦是我国主要粮食作物，氮作为促进小麦增产的主要元素之一，氮肥供给土壤的主要方式是底施和追施，不同质地的土壤通气、保肥、保水状况及耕作的难易程度差别较大，针对不同土壤质地进行合理氮肥分配是提高作物产量的重要手段。前人研究表明不同氮肥基追比增强植株光合效率和氮素利用，提高作物单产和总产［1］。不同质地土壤的最适氮肥基追比、土壤肥力、追氮方式均对小麦产量造成影响［2］。不同质地土壤的生产条件、地力水平存在较大差异，适宜的氮肥用量和基追比在不同地区和同一地区不尽相同。土壤肥力在作物生产中决定了肥料利用效率的高低［3］。调节基肥和追肥比例，改善作物叶片光合特性，提高小麦产量［4］。近年来，由于氮肥大量不合理施用，小麦生产成本增加，同时不利于小麦生产的高产、高效发展，且加大环境污染风险［5］。作物产量与施氮量不完全呈正比，小麦当季氮肥利用率只有25%～33%［6］。因此，探讨合理氮肥调控施用模式是我国整个农业研究的重点，针对不同土壤特性合理运筹氮肥对实现小麦丰产高效有重要意义［7］。

河北省黑龙港地区轻壤和砂壤质土壤面积所占比重较大，农民习惯不分质地采用统一的氮肥施用量和基追比。本研究采用田间试验法，以冬小麦为研究对象，在前期确定合理氮肥用量为240 kg/hm2的基础上［8］，分别在轻壤和砂壤质土壤上设置不同氮肥基追比处理，研究小麦光合生理特性、养分利用和产量性状的变化，为该地区不同质地土壤分类指导合理施用氮肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验于2018 年10 月至2019 年6 月在河北省邢台市宁晋县贾家口镇白木村（37°36′51″N，115°7′23″E）进行，地属温带大陆性季风气候，年均气温14.1 ℃，年均降水322 mm。供试土壤为轻壤质和砂壤质潮土。小麦播种前测定供试土壤0 ～20 cm基本理化性状，轻壤质土壤：容重1.36 g/cm3、pH 8.37、有机质20.8 g/kg、全氮1.33 g/kg、有效磷8.9 mg/kg、速效钾164.0 mg/kg；砂壤质土壤：容重1.33 g/cm3、pH 8.06、有机质16.0 g/kg、全氮0.78 g/kg、有效磷8.6 mg/kg、速效钾163.4 mg/kg。供试小麦品种为‘济麦22’，供试肥料为尿素（含46%N）、过磷酸钙（含16%P2O5）和氯化钾（含60%K2O）。

1.2 试验设计

选用轻壤、砂壤质地土壤，分别设6 个氮肥基追比处理，分别为不施氮肥及氮肥基追比3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3，共12 个处理，每处理重复3 次，共36 个小区，小区面积49 m2。同种质地土壤各小区随机排列。不同氮肥基追比的总纯氮用量均为240 kg/hm2，具体各处理及氮肥施用量见表1。各处理磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）施用量均一致，分别为105 kg/hm2和135 kg/hm2，在播种前全部底施。2018 年10 月14 日采用15 cm 等行距播种，播量225 kg/hm2。全部底肥于前茬玉米粉碎后撒施地表进行旋耕，来年小麦拔节期进行氮肥追施，各处理除氮肥基追比不同外，其他田间管理措施均一致。

表1 试验处理及其对应施氮情况Table 1 Experimental treatment and corresponding N application situations

1.3 测定指标及方法

1.3.1 小麦旗叶SPAD 值和叶面积指数 于小麦生长的挑旗、开花和灌浆期，每小区选取连续6 株小麦旗叶，利用SPAD 叶绿素仪（日本502-plus）测定叶片下部、中部和顶部3 个部位的SPAD 值，求其平均值。

每小区于灌浆期取代表性单茎30 株，用直尺测量每株所有绿叶的长和宽，叶面积= 长× 宽×0.83，计算群体叶面积指数（LAI）［9］。

1.3.2 小麦旗叶叶绿素荧光参数 于小麦灌浆期上午9:00—11:00，每个处理选取3 个小麦旗叶中部叶片，首先进行20 min 的暗反应，然后采用FMS-2型荧光仪（英国Hansatech 公司）进行叶绿素荧光参数测定，计算3 个叶片叶绿素荧光参数的平均值［10］。

1.3.3 植株干重和全氮含量 成熟期选取代表性植株20 株，分为秸秆和籽粒2 部分，于105 ℃杀青30 min，75 ℃烘至恒重，计算干物质含量。将植株样品混匀粉碎，称样后进行消煮，运用SmartChem 200 全自动化学分析仪测定消煮液中的全氮含量［11］。

1.3.4 小麦产量 成熟期，每处理采3 组，每组割取2 m 长6 行小麦，用脱粒机将其全部脱粒，测定籽粒重，采用谷物水分测定仪（PM-8188）测其含水量，按面积折算成含水量12.5%的小麦籽粒产量。

1.3.5 氮素相关效率计算［12］氮素积累量（kg/hm2）=干物质量×含氮浓度；

氮肥偏生产力（PFPN，kg/kg）=施氮区籽粒产量/施氮量；

氮肥表观回收率（NRE，%）=（施氮区籽粒吸氮量－不施氮区籽粒吸氮量）/施氮量×100；

氮肥农学效率（NAE，kg/kg）=（施氮区籽粒产量－不施氮区籽粒产量）/施氮量。

1.4 数据处理

用Excel2010 对数据整理和绘图，采用SPSS 22.0 软件进行显著性检验，显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 氮肥基追比对2 种质地土壤小麦旗叶叶绿素SPAD 值的影响

图1 表明，轻壤和砂壤质土壤各施氮肥处理小麦旗叶SPAD 值均显著高于不施氮处理36.3%～89.2%和19.6%～86.7%。

图1 轻壤和砂壤质地不同氮肥基追比对小麦旗叶SPAD 值的影响Fig. 1 Effect of different N fertilizer base-topdressing ratios on the SPAD value of wheat flag leaves in light and sandy texture soils

轻壤质，较LT1 比，挑旗、开花、灌浆期LT2、LT3、LT4、LT5、LT6 的旗叶SPAD 值分别显著提高59.6%～72.6%、36.3%～43.5%、80.5%～89.2%，各施氮处理间叶片SPAD 值差异不显著。砂壤质，挑旗、开花、灌浆期的ST2、ST3、ST4、ST5、ST6 的旗叶SPAD 值分别较ST1 显著提高61.2%～86.7%、19.6%～30.8%、21.5%～28.0%，其他各处理间差异不显著。2 种土壤质地下小麦旗叶SPAD 值从挑旗到灌浆期呈“抛物线”型变化。表明合理施用氮肥可提升小麦旗叶SPAD 值。

2.2 氮肥基追比对2 种质地土壤小麦叶面积指数和叶绿素荧光参数的影响

图2 表明，相同氮肥基追比下，轻壤质小麦叶片LAI 值较砂壤质提高0.6%～55.2%，不同氮肥基追比间砂壤变幅大于轻壤。较不施氮肥（T1）比，各施氮肥处理LAI 均显著提高。轻壤质，T3 的LAI值最大，较T1 显著提高1 倍T2、T4、T5、T6 较T1 显著提高63.7% ～92.7%。砂壤质，T2 的LAI值较T1 显著提高85.0%，T3、T4、T5 分别较T1提高52.0%、62.0%和43.5%。表明轻壤质土壤小麦的LAI 值总体好于砂壤质，相同质地合理氮肥基追比有利于LAI 的提升。

图2 轻壤和砂壤质地不同氮肥基追比对小麦叶面积指数（LAI）的影响Fig. 2 Effect of different N and base-topdressing ratios on wheat leaf area index in light loam soil and sandy texture soil

图3 表明，轻壤和砂壤质土壤各施氮处理的小麦旗叶Fv/Fm 值较不施氮处理显著提高。轻壤质，各施氮处理Fv/Fm 值较T1 提升5.8%～17.4%，T3 较其他施氮处理增加8.2%～11.0%，T4、T2、T5、T6 处理间差异不显著；砂壤质，T2 小麦旗叶Fv/Fm 值最大，较T1 显著提高22.2%，T2 较其他施氮处理平均增加3.2%～7.6%。表明不同土壤质地和氮肥基追比均对小麦旗叶PSⅡ的光化学效率产生显著影响。

图3 轻壤和砂壤质地不同氮肥基追比对小麦叶绿素 荧光参数的影响Fig. 3 Effects of different N fertilizer base-topdressing ratios on chlorophyll fluorescence parameters of wheat in light loam soil and sandy texture soil

2.3 氮肥基追比对2 种质地土壤小麦植株干物质分配和积累的影响

表2 表明，轻壤质，秸秆干物质LT3 值最大较LT1 显著提高111.3%，其余处理较LT1 提高64.7%以上；其他处理籽粒干物质较LT1 显著提高72.7%以上，LT3 较LT5、LT6 显著提高14.6%、15.6%；轻壤施氮处理总干物质较LT1 显著提高65.5%以上，秸秆干物质占总干物质55.1%～58.1%，籽粒干物质占总干物质41.9%～44.9%。砂壤质，秸秆干物质表现出ST2＞ST3＞ST4＞ST5＞ST6，各处理较ST1 显著提高12.3%～42.7%；籽粒干物质各处理较ST1 提高14.6%～56.9%，其中ST2 最高；施氮处理总干物质较LT1 显著提高13.3%～48.6%，秸秆干物质占总干物质56.2%～58.6%，籽粒干物质占总干物质41.4%～43.8%。2 种质地下不同氮肥基追比干物质表现不同，表明土壤质地和氮肥基追比均对植株干物质积累产生影响。

表2 2 种质地不同氮肥基追比干物质积累量Table 2 Dry matter accumulation of two different nitrogen fertilizer base-dressing ratios

2.4 氮肥基追比对2 种质地土壤小麦植株全氮的影响

表3 表明，2 种土壤质地下轻壤全氮积累量高于砂壤，同种土壤质地不同氮肥基追比植株籽粒全氮积累高于秸秆。轻壤质，小麦秸秆全氮积累各处理较LT1 显著提高1 倍以上，其他处理间差异不显著；小麦籽粒全氮积累量LT3＞LT4＞LT2＞LT5＞LT6＞LT1， 各 处 理 均 较LT1显著提高1 倍以上；轻壤施氮处理整株全氮积累较LT1 显著提高1 ～2 倍，秸秆全氮占总全氮积累15.2% ～20.7%，籽粒全氮占总全氮积累79.8%～84.9%。砂壤质，秸秆全氮积累量ST2、ST3、ST4、ST5 较ST1 显著提高1 倍以上，其中ST4 最高；其他各处理籽粒全氮较ST1 均显著提高23.5%以上，ST2 达到最大各处理间差不异显著；总全氮施氮处理较LT1 显著提高26.2%以上，秸秆全氮占总全氮积累10.8%～19.8%，籽粒全氮占总全氮积累80.2%～89.1%。表明土壤质地和适宜的氮肥基追比均对提高植株秸秆和籽粒全氮的积累有重要作用。

表3 2 种质地土壤不同氮肥基追比下的植株各器官全氮积累量Table 3 Total N accumulation of plant organs under different N fertilizer base-topdressing ratios in two types of soils

2.5 氮肥基追比对2 种质地土壤小麦产量及氮素利用效率的影响

表4 表明，轻壤产量较砂壤提升11.1%～67.3%，轻壤LT3 产量最高为8 265 kg/hm2，砂壤ST2 产量最高为5 847 kg/hm2。前者较后者产量提升41.4%。

轻壤质，小麦氮素积累量各处理较LT1 显著高2 ～5 倍，LT3 氮素积累最高且与其他处理间差异显著；氮肥偏生产力各处理较LT1 显著提高66.4%以上，LT3 氮肥农学效率较LT2、LT4、LT5、LT6 提高15.6%～50.1%；LT3 氮肥表观回收率较LT2、LT5、LT6 显著提高11.6%、23.4%、25.0%。砂壤质，各处理氮素积累量较ST1 提高43.4%以上，其中ST2 最高；各处理氮肥偏生产力各处理较ST1 显著提高14.6%～56.9%，氮肥农学效率ST2 最高，且ST2 较ST5 和ST6 平均分别显著提高1 倍到2 倍；ST2 氮肥表观回收率较ST3、ST4、ST5、ST6 提高7.77%、8.10%、20.83%、22.94%。说明不同质地小麦生长关键阶段合理氮肥基追比有利于小麦提高产量和养分利用。

表4 2 种质地不同氮肥基追比小麦产量及其养分利用Table 4 Yield and nutrient utilization of wheat in two different N fertilizer base-topdressing ratios

3 讨论与结论

研究表明，植株氮含量直接影响叶片光合作 用［13］，小麦植株叶片光合作用对作物产量提高有所影响［14］。本试验中，与不施氮（T1）比，SPAD 值、叶面积指数、叶绿素荧光参数等在轻壤和砂壤质土壤分别是4∶6 和3∶7 表现出较高值；说明不同氮肥基施和追施影响小麦植株光合作用，进一步表明不同质地土壤适宜的氮肥基追比有所不同。

另有研究表明［15］氮素利用效率可反映作物吸收氮素并转化为籽粒能力。前人研究得出，小麦氮素利用率均随施氮量的增加而降低［16-17］，本研究结果与前人相似。不同质地下小麦对氮肥利用程度不 同［18］，本试验中，小麦植株干物质和氮素积累、氮肥农学效率、氮肥偏生产力及氮肥表观回收率均随不同氮肥基追比例表现不同响应［19］。另有研究认为，小麦籽粒产量随追氮比例的增加而增加，也有学者指出，后期过多施氮没有增产效果［20］。本研究表明，不同土壤质地有不同最适氮肥基追比，轻壤质为4∶6 砂壤质则为3∶7。轻壤质土壤保水保肥能力强于砂壤质土壤，对水肥吸收利用率较高。轻壤质土壤氮肥使用适当前重后轻可提高氮肥的利用，从而提高产量；砂壤质土壤氮肥前轻后重有利于减少肥料流失，增加作物对氮的吸收利用。随施氮量增加小麦氮肥利用率递减，表明不同土壤质地下合理氮肥基追比对提高产量和植株养分有利。

本试验条件下，轻壤和砂壤质的产量及植株全氮积累最高分别为8 265、5 848 kg/hm2和208.70、157.20 kg/hm2。轻壤保肥较好，在底肥施用基础上，拔节适当多追施氮肥可以促进小麦增产；砂壤由于漏肥严重，底肥少施在追肥时增加氮肥用量可促进小麦生长及氮肥利用，进而增产。综合分析，轻壤质土壤推荐氮肥基追比为4∶6；砂壤质则为3∶7。依据土壤特性和养分供应能力合理施肥，可以实现该地区因土施氮肥策略，提高氮肥利用效率。