氮肥管理对春小麦产量及氮素利用率的影响

马献发，刘春柱，朱莹雪，许连周，王 琪

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

氮是小麦主要三大矿质营养元素之一，在一定范围内提高氮肥用量可显著增加小麦产量[1]。因盲目追求高产，小麦氮肥用量逐年增加。虽高投入氮肥保证作物产量，但我国氮肥平均利用率却仅30%左右，氮肥过量施用导致土壤板结、水体污染、空气污染等一系列环境问题[2]。

2015年国家农业部印发《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，指出化肥施用不合理问题，并提出有机肥替代部分化肥，实现有机无机相结合是降低化肥用量、促进作物增产、保证粮食安全的重要措施之一[3]。有机肥替代化肥，有效避免土壤酸化，提升土壤养分含量与土壤酶活性[4]。谢军红等研究发现有机肥替代50%化肥氮素可使玉米产量和综合效益达到最高[5]。有机肥替代部分化肥氮，促进氮素吸收及向籽粒转运，提高作物产量和氮肥利用率[6]。合理施用氮肥可提高作物产量和氮肥利用率[7]。相同施肥量条件下增加施肥次数，即“少量多次”施肥有利于提高肥料利用率和减少化肥用量[8]。Ke等研究结果表明，水稻养分吸收主要集中在分蘖期和抽穗期[9]。魏建林等研究表明，在相同施氮量条件下，冬小麦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次均施时效果最佳[10]。

虽然近年在江淮地区对施氮量、施氮时期及氮肥基追比例对冬小麦产量和氮素利用率的影响已有较多研究，但大多是在单施化肥基础上研究分期施肥，关于东北平原黑土地区结合有机肥替代部分化肥与分期施氮肥管理模式相关研究较少。本研究旨在降低黑土区化肥用量，明确有机肥替代氮肥结合分期施肥对东北春小麦产量、产量构成要素以及氮素利用率的影响，以期为东北黑土区春小麦高产高效的生产模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年4月在黑龙江省哈尔滨市东北农业大学实验实习与示范基地向阳农场（东经126°22′~126°50′，北纬45°34′~45°46′）开展，年降水量569.1 mm；属于黑龙江省第一积温带，≥10℃有效积温2 700℃以上。供试土壤为黑土，pH 6.87，有机质含量25.3 g·kg-1，全氮含量1.7 g·kg-1，速效氮含量179 mg·kg-1，速效磷含量24 mg·kg-1，速效钾含量165 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验设5个处理，分别为CF（常规施肥）、CK（不施氮肥，磷、钾肥用量同CF）、N1（有机肥替代25%化肥氮，播种前全施）、N2（有机肥替代25%化肥氮，剩余氮肥在播种前施2/3，拔节期施1/3）和N3（有机肥替代25%化肥氮，剩余氮肥在播种前、拔节期和孕穗期各施1/3）。除CK处理无氮肥施用外，CF、N1、N2、N3处理氮肥、磷肥和钾肥施用总养分量相同，有机肥替代后不足的磷、钾肥在播种前施相应化肥补足。每个处理3次重复，共15个小区，每个小区面积19.2 m（28 m×2.4 m）。常规施肥用肥总量为N：75 kg·hm-2，P2O5：75 kg·hm-2，K2O：37.5 kg·hm-2。供试肥料为商品有机肥（N、P2O5、K2O和有机质含量分别为2.33%、1.85%、2.35%和46.1%）、尿素（N含量46%）、重过磷酸钙（P2O5含量46%）和氯化钾（K2O含量60%），折合各肥料用量和施用时期见表1。春小麦品种为克春9号，种植密度650万株·hm-2。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤样品采集与测定

在春小麦苗期（5月1日）和成熟期（7月28日）用土钻分别采集0~10 cm和10~30 cm土层土壤，每个小区按照“S”型采集5个点均匀混合成一个土样。一部分保存鲜样采用0.01 mol·L-1CaCl2浸提-流动分析仪测定NH4+、NO3-含量，一部分经风干、研磨、过筛处理，参考土壤农化分析实验室常规方法测定土壤有机质、全氮和碱解氮含量[11]。

1.3.2 小麦植株采集与全氮含量测定

成熟期在每个小区随机取10株小麦装入密封袋，在105℃烘箱中杀青1 h，籽粒、颖壳和茎杆分离、称重后粉碎，采用H2O2-H2SO4消煮法测定各部位全氮含量。氮素利用率参照姜佰文等公式计算[7]。

1.3.3 小麦测产与考种

成熟期在每个小区随机选取0.9 m2（3行2 m长）样方，测算小麦密度；收集地上部植株装入尼龙网袋，自然晾干后脱粒测产量、穗数和千粒重。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2010软件计算数据，采用SPSS20.0软件作各处理间单因素方差分析（LSD法），P<0.05为差异显著，采用Canoco5.0作冗余分析（RDA）。

表1 春小麦施肥时期与施肥量Table 1 Fertilization period and fertilizer rateof spring wheat (kg·hm-2)

2 结果与分析

2.1 氮肥管理对春小麦产量及其构成要素的影响

与常规施肥相比，有机肥替代氮肥与分期施肥显著提高春小麦穗粒数、千粒重和产量（见表2）。春小麦穗粒数、千粒重和产量均在N1处理达到最大值。与CK处理和N3处理相比，N1处理春小麦穗粒重显著增加47.73%和16.47%，N3处理与N1和N2处理相比显著降低14.14%和11.48%。与CK、CF、N3处理相比，N1处理春小麦千粒重分别显著提高35.20%、15.53%和10.60%，与N2处理之间无显著差异。各处理之间单位面积穗数无显著差异。N1和N2处理春小麦产量间无显著差异；与CF处理相比，N1处理春小麦产量显著增产21.35%，N3处理相比N1和N2处理产量显著减产23.43%和20.34%；说明在等氮水平条件下，有机肥替代部分化肥氮一次性施入和分2期施肥，春小麦产量显著提高，可实现稳产高产。

表2 不同氮肥管理下春小麦产量及其构成要素Table 2 Yield and components of spring wheat under the different nitrogen fertilizer managements

2.2 氮肥管理对春小麦植株氮累积的影响

相比CK处理，CF、N1和N2处理下春小麦植株氮素总积累量分别显著提高32.74%、45.05%和32.34%，与N3处理之间差异不显著（见表3）。与CK处理相比，CF处理茎秆氮素积累量显著提高25.47%，N1和N2处理与CK处理茎秆氮素积累量差异不显著；与CK处理相比，N1和N2处理颖壳氮素积累量显著提高36.11%和25.26%，CF分别与N3处理和CK处理之间颖壳氮素积累量差异不显著；籽粒氮素积累量在各器官氮素分配比例中占主要地位，与CK处理相比，CF、N1、N2和N3处理籽粒氮素积累量分别显著提高40.65%、78.22%、57.08%和29.97%；与CK处理相比，CF、N1、N2和N3处理籽粒氮素分配比例分别显著提高6.59%、22.78%、18.70%和26.66%。总之，与不施氮处理和常规施氮肥处理比较，有机肥替代25%化肥氮一次性施入处理和分2期施肥处理显著增加春小麦籽粒中氮素积累量，有机肥替代25%化肥氮和分期施肥处理显著提高籽粒氮素分配比例。

表3 不同氮肥管理下春小麦成熟期各器官氮素积累量和分配比例Table 3 Accumulation and distribution of N in various organsof spring wheat under the different nitrogen fertilizer managements

2.3 氮肥管理对春小麦氮素利用率的影响

与春小麦氮素利用相关的4个指标在不同处理下变化趋势不同（见表4）。氮素收获指数（NHI）反映氮素在籽粒中分配比例，与CK处理相比，N1、N2和N3处理NHI值提高17.65%、13.73%和19.61%，与CF处理差异不显著。与CF处理相比，N1、N2和N3处理下氮素生理效率（NPE）分别显著提高10.41%、16.38%和23.35%，与CK处理差异不显著。N3处理下NPE值相比N1处理显著提高11.72%，和N2处理差异不显著。相比CF处理，N1和N2处理氮肥偏生产力（NPFP）分别显著提高21.33%和16.65%，CF和N3处理差异不显著，N1和N2处理差异不显著。氮肥农学效率（NAE）与氮肥偏生产力变化趋势相似，N1处理氮肥农学效率达到最大，但与N2处理差异不显著，与CF和N3处理相比显著提高66.00%和112.56%。总体来看，有机肥替代25%化肥氮一次性施肥处理和有机肥替代且分2期施肥处理显著提高氮肥利用率。

表4 不同氮肥管理下春小麦氮素利用率Table 4 Nitrogen use efficiency of spring wheat under the different nitrogen fertilizer managements

2.4 氮肥管理对土壤养分的影响

土壤肥力高低是影响农作物产量重要因素之一。土壤有机质、全氮、碱解氮、铵态氮和硝态氮含量是衡量土壤肥力重要指标（见表5）。春小麦苗期，CF（常规施肥）和N1处理0~10 cm土层土壤有机质、全氮、碱解氮含量显著高于其他处理，N1和N2处理铵态氮含量显著高于CF和N3处理，N2和N3处理硝态氮含量显著高于CF和N1处理；10~30 cm土层，各处理间土壤有机质和硝态氮含量无明显差异，CF和N1处理土壤全氮和碱解氮含量显著高于N2和N3处理，土壤铵态氮含量N1处理显著高于其他处理。

春小麦成熟期，0~10 cm土层，土壤有机质和铵态氮含量CF、N1和N2处理之间无明显差异，但显著高于N3处理；全氮含量CF和N3处理显著高于N1和N2处理；碱解氮各处理间差异显著，N1>CF>N2>N3；硝态氮含量各处理之间差异不显著。10~30 cm土层，各处理间土壤有机质和全氮含量无显著差异；土壤碱解氮含量N1和N2处理显著高于CF和N3处理；土壤铵态氮含量N1处理显著高于其他处理，而土壤硝态氮含量N1处理显著低于CF和N2处理，但高于N3处理。整体而言，与常规施肥相比，有机肥替代25%化肥氮一次性施肥更有利于提高土壤养分。

表5 不同氮肥管理下麦田土壤养分含量变化Table5 Changesof soil nutrientscontent in spring wheat fieldsunder thedifferent nitrogen fertilizer managements

2.5 春小麦产量与其构成要素、植株氮累积、土壤养分和氮素利用率关系

不同施氮水平下，春小麦产量与其构成要素（千粒重、穗数和穗粒数）、春小麦植株以及不同部位氮素积累量、土壤养分含量以及氮素利用率冗余分析见图1。单株穗粒数和籽粒氮素积累量与对产量呈极显著正相关，植株氮素积累量和颖壳氮素积累量与产量呈正相关，春小麦千粒重和茎秆氮素积累量与产量正相关不显著，而单位面积上春小麦穗数与产量呈显著负相关（见图1a）。5月1日0~10 cm土层土壤全氮、铵态氮、有机质含量和7月28日0~10 cm土层土壤有机质、碱解氮和铵态氮含量与春小麦产量呈显著正相关；而7月28日0~10 cm土层土壤硝态氮含量与春小麦产量呈显著负相关。总体看，土壤有机质、碱解氮和铵态氮含量与春小麦产量呈正相关，土壤硝态氮含量与小麦产量呈负相关（见图1b）。氮肥农学效率和氮肥偏生产力与春小麦产量呈极显著正相关，而氮素收获指数和氮素生理效率与春小麦产量之间相关性不显著（见图1c）。

图1 不同氮肥管理下春小麦产量和其构成要素、植株氮素积累、土壤养分含量及氮素利用率冗余分析Fig.1 Redundancy analysis(RDA)of spring wheat yield and yield components,nitrogen accumulation in different parts,soil nutrient content and nitrogen useefficiency of wheat under the different nitrogen fertilizer managements

3 讨论

合理施用有机肥显著增强土壤氮素转化能力和酶活性，提高小麦产量[12]。倪幸和Liu等研究表明，适当施用有机肥显著提高土壤供肥能力[13-14]，本研究发现，有机肥替代25%化肥氮处理，有效提高土壤中不同形态氮含量，土壤中铵态氮和硝态氮含量显著提高，这是因有机肥增加土壤微生物和土壤酶数量和活性，促进氮素转化，有利于土壤氮素向植物可吸收利用形态转化[15]。本研究中春小麦成熟期N1、N2和N3处理土壤中，铵态氮含量总体高于硝态氮含量，这是因有机肥所含有机物质可吸附土壤中NH4+，减缓NH4+硝化作用[16]，提高土壤中NH4+含量。由图1b冗余分析结果可知，土壤中NH4+和碱解氮含量与春小麦产量呈极显著正相关，说明有机肥通过影响土壤中氮素向有益于春小麦吸收利用形态转化以提高土壤供氮能力，提高春小麦产量。

与常规施肥（CF）相比，有机肥替代处理和有机肥替代且分2期施肥处理显著增加春小麦产量，但有机替代部分化肥并分期施肥处理并未高于一次性施肥处理，这是因东北春小麦生育期较短，对氮素需求集中在拔节期到孕穗期[1,8]，有机肥对养分释放缓慢，本试验中春小麦产量N1>N2>N3，说明分期施肥致使大量氮肥后移，造成春小麦前期生长氮素供应不足，无法及时提供春小麦生长所需养分，与一次性施肥相比降低氮素利用率，影响春小麦营养器官生长。本研究在等氮肥条件下，有机肥替代25%化肥氮可使有机营养缓慢释放，减少前期氮素损失，而春小麦在生长中、后期对氮素需求增加，适当分期施肥可更加有效满足春小麦生长对氮素需求，所以分两期施肥显著提高产量[17]。但有机肥替代并分3期施肥的N3处理出现减产现象，这是因肥料在施入土壤后经转化和迁移才被作物吸收利用，而短时期内多次喷施或撒施氮肥易造成肥料损失，降低肥料利用率，分3期施肥的处理在植物吸收养分最关键抽穗期无法及时供应氮素[18-19]，导致春小麦减产。

当有机肥替代25%化肥氮以及与分2期施肥措施相结合时，均可保证春小麦稳产高产，然而N1处理产量最高。春小麦籽粒氮素积累量和穗粒数与春小麦产量呈极显著正相关（见图1a），由于不同生长时期春小麦对氮素的吸收和累积能力差异明显，吸收氮素主要器官也随春小麦生长而改变，籽粒在成熟期成为累积氮素主要器官，且其70%氮素来自营养器官再分配[20-21]。本研究中与常规施肥处理相比，N1和N2处理有效改善春小麦穗部性状，增加单位面积小麦穗粒数、籽粒氮素积累量和千粒重，在等氮施肥条件下，N1处理中籽粒氮素积累量和穗粒数显著高于其他施肥处理，所以N1处理产量最高。施加有机肥改善土壤供氮能力，通过对产量构成因子正向影响增加春小麦产量，与研究有机肥替代部分化肥可改善玉米穗部性状和增加作物产量结果一致[22-23]。

N1与N2处理显著增加氮肥利用效率，尤其使其NAE值和NPFP值增加效果最显著（见表4），春小麦产量与其NAE值和NPFP值呈正相关性（见图1c），说明施用有机肥改善土壤理化性质，促进根系生长，抑制土壤中氮素硝化过程，减少氮素挥发损失，增加土壤有效氮含量，提高土壤供氮能力，有利于作物吸收和利用氮素[24-25]，提高氮素利用率和小麦产量。

本研究是在有机肥替代部分化肥基础上开展分期施肥处理，与代新俊[26]和张晶[27]等研究小麦单一分期施用化肥不同，施用有机肥可提高土壤持续供给春小麦后期生长所需养分能力，所以有机肥替代25%化肥氮并一次性施肥处理，既保证土壤对春小麦持续供氮能力，与分期喷洒施肥处理相比又减少氮素损失，提高氮素利用率。然而有机肥替代25%化肥氮并分2期施肥处理与常规施肥处理相比也可显著提高春小麦产量和氮素利用率，说明恰当分期施肥处理可发挥保肥增产的作用，若将部分有机肥和化肥作为秋深施肥和种肥，分层供给春小麦养分，可提高土壤对春小麦供氮能力，提高小麦产量。

4 结论

根据东北黑土区特有土壤和气候条件，在施氮总量不变、有机肥替代25%化肥氮基础上，播种前一次性施氮肥以及在播种前与拔节期分2期施氮肥均可有效提高春小麦产量，而在播种前、拔节期和孕穗期分3期施肥则未能及时提供春小麦所需氮素营养，降低春小麦产量和氮素利用率。综合分析，建议在有机肥替代25%化肥氮基础上，有机肥和化肥在播种前一次性施入，更有利于增加春小麦产量，提高氮素利用率，增加经济效益。