不同配方肥对冬小麦群体动态、抗逆性及产量的影响

2021-08-23李宏杰武庆慧赵亚南叶优良黄玉芳

中国土壤与肥料 2021年3期

李宏杰，武庆慧，赵亚南，叶优良，黄玉芳*

（1.河南农业大学资源与环境学院/河南省农业绿色发展工程技术研究中心，河南郑州 450000；2.中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

小麦是我国重要的粮食作物，提高小麦产量对保障我国粮食安全意义重大。科学合理的施肥是实现作物高产稳产的关键，然而当前我国不合理施肥问题比较严重，肥料投入量过高，施肥配方不合理现象非常普遍，导致肥料利用率不高，对环境危害也逐渐加重［1］。通过土壤和肥料养分供应与作物需求匹配，生产适合于小麦的配方肥，对于提高肥料利用率，促进农户节本增产增收具有重要意义。大量研究表明，通过优化肥料配比、施用配方肥，可实现作物营养均衡，提高土壤肥力，还可以降低过量肥料使用造成的农业面源污染［2-5］。调整肥料中各种养分的配比，使配方设计更加适合作物需求，对于肥料生产企业转型升级、作物提质增效也非常关键。我国复合肥基本上以高浓度、等养分、通用型配方为主，脱离了作物需肥规律，导致用肥成本增加、养分供应失衡、与农业生产需求脱节。吴良泉等［6］基于区域内土壤养分供应特征、作物养分需求和作物肥效反应，建立了我国小麦不同生态区域的肥料配方；农业农村部也曾发布我国小麦、玉米、水稻三大粮食作物的14 个大配方［7］。但是，我国粮食生产存在小农户分散经营的特点，导致了地块面积狭小、土壤养分变异大，区域施肥大配方需要根据具体情况进行调整，通过“大配方、小调整”的策略实现合理施肥［8-10］。近年来，智能配肥机的推广应用为配方肥的普及提供了载体，配方设计是影响配方肥推广的关键。针对区域特点对大配方进行调整并验证效果，是实现作物高产、养分高效利用、推广配方肥的关键，但目前关于这方面的报道很少。本研究以河南省临颍县为研究区域，通过田间小区试验，对比农户习惯配方、华北区大配方、调整小配方的应用效果，验证“大配方、小调整”区域配肥技术的可行性，为配方肥的应用推广提供支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本研究田间试验于2017～2018 年在临颍县杜曲镇（33°47′ N，113°50′ E）开展，土壤类型为潮土，质地为轻黏壤，前茬作物为玉米。试验前取0～20 cm 耕层土壤，测试基础理化性质，其pH 为7.3，有机质含量为23.5 g·kg-1，全氮为1.68 g·kg-1，有效磷为10.0 mg·kg-1，速效钾为80.0 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验设6 个处理（表1），分别是农户习惯施肥配方、华北区小麦推荐大配方、调整小配方。处理1 和2：通过临颍县4 个代表性乡镇的农户调研，选用农户冬小麦施肥采用较多的2 个配方，其中15-15-15 为分次施肥低氮配方，25-12-8 为一次性施肥高氮配方。处理3 和4：18-15-12 和15-20-10，前者为农业农村部推荐的华北区冬小麦配方，后者为河南省农业农村厅推荐配方。处理5 和6：依据临颍县冬小麦需肥状况和土壤测定结果设计的配方，分别为20-15-10 和22-16-7。其中，高氮型配方25-12-8 为一次性基施，不追肥；其他配方均为基施＋追施尿素。所有配方总养分为45%，根据施肥建议确定施肥量，见表1。所有配方肥以尿素、磷酸二铵、氯化钾为原料，通过智能配肥机配置。

表1 试验处理及施肥量

本试验供试品种为“新麦26”，播量225 kg·hm-2，于2017 年10 月30 日播种，11 月7 日出苗，2018 年6 月1 日收获。试验每个处理设3 次重复，随机区组排列，共18 个小区，小区面积为112 m2。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 群体动态监测

小麦出苗2～3 周后在小区内选择具有代表性的1 m，双行定点，分别在小麦播种后苗期、越冬期、返青期、拔节期、扬花期和收获期进行群体数量调查。

1.3.2 植株样品采集与测定

在小麦越冬期、返青期、拔节期、扬花期和成熟期，在取样区域随机选取15 株样品，其中10 株分成茎鞘、叶、颖壳和籽粒，剩下5 株保留整株，105℃杀青30 min，80℃烘干，称重，粉碎，用于全氮、磷、钾含量的测定。称取植株样品0.200 g，用H2SO4-H2O2消煮，获得待测液后，采用流动注射分析仪（AA3，Seal，德国）测定消化液全氮含量，用钒钼黄比色法测定磷含量，火焰光度计测定钾含量。

1.3.3 SPAD 值测定

在小麦返青期、拔节期、扬花期和灌浆期每个小区随机选取30 片叶片用叶绿素仪SPAD502 测定后取平均值，即为该处理的SPAD 值。

1.3.4 收获与考种

收获期各小区收割5 m2，脱粒，称量籽粒鲜重，用谷物水分测定仪测定水分，并统一按含水量13%进行换算小麦最终产量。同时选取1 m 双行内具有代表性的20 个麦穗进行考种。

1.3.5 冻害和赤霉病调查方法

在小麦冻害和赤霉病发病后期（蜡熟期）调查小麦的病穗率，计算病情指数。每个小区随机选取3 个区域，每区域点选取100 个小麦单茎进行统计调查计算发病率［发病率（%）=发病穗数/总穗数×100］和发病指数［发病指数（DI）=100×∑（各级病穗数×各级代表值）/（调查总穗数×最高级代表值）］。根据穗部冻害、赤霉病发病情况对小麦穗分为5 个等级，0 级为不发病，1 级为全穗0～1/4 发病，2 级为全穗1/4～1/2 发病，3 级为全穗1/2～3/4 发病，4 级为全穗3/4 以上发病。

1.4 数据处理

花前干物质转移量（kg·hm-2）=开花期干重-成熟期干重（非籽粒部分）

花前干物质转移效率（%）=（花前干物质转移量/开花期干重）×100

花前转移干物质对籽粒的贡献率（%）=（花前干物质转移量/籽粒重）×100

花后干物质累积量（kg·hm-2）=成熟期干物质累积量-开花期干物质累积量

花后干物质贡献率（%）=（花后干物质累积量/籽粒产量）×100

吸氮（磷、钾）量（kg·hm-2）=（籽粒产量×籽粒养分含量+茎叶生物量×茎叶养分含量+颖壳生物量×颖壳养分含量）/1000

氮（磷、钾）肥偏生产力（kg·kg-1）=施肥处理产量/氮（磷、钾）肥用量

净收益（元·hm-2）=经济产量×粮食价格-肥料用量×肥料价格

数据采用Excel 2016 进行整理，用SPSS 20.0进行统计分析，采用OriginPro 2016 绘图，处理间差异采用单因素方差分析，用Duncan 法进行多重比较，采用5%显著水平。

2 结果与分析

2.1 不同配方肥对小麦群体的影响

由图1 可见，小麦播种后24 d（苗期），不同小麦配方肥处理间基本苗数量差异不显著。随着生育时期的变化，在播种后75 d（越冬期）一次性施肥配方25-12-8 群体数量较其他处理高，越冬期－返青期各处理小麦群体数量迅速升至最高，不同处理间差异显著，群体数量最多的为25-12-8，最小的为15-15-15，返青期以后群体数量逐渐减小，下降最快的为一次性施肥配方25-12-8，其他配方在拔节期进行追肥，群体数量下降较为缓慢。在成熟期，各处理间群体数量大小为：18-15-12＞25-12-8＞20-15-10＞22-16-7＞15-20-10＞15-15-15。

2.2 不同配方肥对SPAD 值的影响

由图2 可见，不同小麦配方处理SPAD 值在整个生育时期呈现先升高后降低的趋势，从高到低顺序为拔节期＞扬花期＞灌浆期＞返青期。在返青期高氮处理25-12-8 SPAD 值显著高于低氮处理15-15-15 和15-20-10，其他处理差异不显著；拔节期SPAD 值上升到最大，最高的为25-12-8，最低的为15-15-15。在扬花期，SPAD 值最高的处理为15-15-15，最低的为25-12-8，到达灌浆期后，各处理之间差异不显著，SPAD 值最高的为15-20-10，SPAD 值最低的为25-12-8。可以看出，高氮配方在前期SPAD 值较高，然后逐渐降低，低氮配方SPAD 值在各处理中先降低后升高。

2.3 不同配方肥对小麦干物质累积及转运的影响

小麦干物质累积量随生育期的进行而逐渐增加，且在拔节期后干物质累积量增加速率较快（图3）。拔节期前，干物质累积较慢，一次性施肥高氮配方25-12-8的干物质累积量要显著高于低氮处理15-15-15 和15-20-10，干物质累积量在拔节期－扬花期占比最大，其次为扬花期－成熟期。在扬花期干物质累积量最大的配方为18-15-12 和15-20-10，最小为配方25-12-8。在成熟期干物质累积量最高的为配方20-15-10，干物质累积量为19175 kg·hm-2，最小的处理为配方25-12-8和15-15-15，干物质累积量为17336 和17410.9 kg·hm-2。

从小麦干物质转运及对籽粒的贡献率来看（表2），配方15-20-10 在花前干物质转运量及花前干物质转运率上显著高于处理25-12-8 和20-15-10。配方20-15-10 处理下，小麦花前干物质转运量和花前干物质转运率都最低。由花前贮藏干物质对籽粒贡献率来看，最高的为15-15-15 处理，达到70.8%，最低的为20-15-10 处理，为54.2%。不同处理下花后干物质同化量最大的为20-15-10 处理，最小的为15-15-15 处理。在花后同化物对籽粒贡献率中，最高的为20-15-10 处理，为45.8%，显著高于其他处理。

表2 不同配方肥对小麦干物质转运及对籽粒贡献率的影响

2.4 不同配方肥对小麦养分累积的影响

氮素累积量动态趋势图与干物质累积量变化趋势极其相似，随着生育时期的进行而呈增加趋势（图4）。氮素累积量各处理在拔节期之前增幅平稳，在拔节期－扬花期氮素累积量增幅最大，各处理之间的差异性也显现出来。其中一次性施肥配方25-12-8 氮素累积量最小，最大的是18-15-12 处理，配方15-15-15 在扬花期-成熟期氮素累积量增幅最小。

由磷素累积量可以看出（图4），各处理在返青期后磷素累积量迅速增加，这也与干物质累积量的变化密切相关。磷素累积量最大的处理为18-15-12，其次为20-15-10，最少的为15-15-15。扬花期-成熟期各处理增幅变化较大，增幅最大的处理为18-15-12，最小的为22-16-7。

钾素累积动态变化趋势同氮、磷不同，随着生育时期的进行先增加后减少（图4），小麦扬花期各处理钾素累积量达到最大值。扬花期钾素累积量最小的处理为25-12-8，最大的为18-15-12，扬花期－成熟期各处理下降趋势一致，钾素累积量最多的为18-15-12，最少的为25-12-8。

2.5 不同配方肥对小麦抗逆性的影响

不同配方肥对小麦赤霉病和冻害的影响不同（图5）。赤霉病发病率和发病指数变化趋势大致相同，最高的处理为15-15-15，发病率和发病指数分别为14%和8.37%，最低的为20-15-10，发病率和发病指数分别为9.3%和6.42%，处理25-12-8与15-15-15 相比差异不显著，可以看出前期氮肥用量大或是追氮量过多会导致小麦赤霉病发病率高。小麦冻害是指麦田持续低温天气造成的穗部生长停滞，灌浆期只有部分小穗发育结实，其余的小穗不完全或只有轴，没有膨胀的颖片。由各处理调查数据可以看出，低氮处理15-15-15 和15-20-10以及一次性施肥高氮处理25-12-8的冻害指数显著高于处理20-15-10，最高的处理为15-15-15，达到3.08%，最小的为20-15-10，达2.00%；对于冻害发病率，处理20-15-10 最低，值为4.33%，最高处理为25-12-8 和15-15-15，值为5.67%，差值为1.34%，变化幅度为30.9%，其他处理之间差异不显著。

2.6 不同配方肥对小麦产量及构成因素的影响

从产量来看，产量最高的配方为20-15-10，达到7.63 t·hm-2，最小的配方为15-15-15，为6.44 t·hm-2，两处理差值为1.19 t·hm-2，增幅为18.4%，其余各处理产量大小为18-15-12＞22-16-7＞15-20-10＞25-12-8，各处理间产量差异不显著（表3）。从穗数来看，最大的为18-15-12，达520.6×104hm-2，最低为15-15-15，仅477.6×104hm-2，变化幅度为9%，配方15-20-10、22-16-7、20-15-10 和25-12-8 穗数差异不显著。从千粒重来看，最大的处理为20-15-10，达到了44.4 g，最小的为15-15-15 配方，值为41.6 g，增幅为6.8%，其中配方18-15-12、15-20-10、22-16-7 和25-12-8 之间差异不显著。不同配方之间穗粒数差异不显著，最大为20-15-10配方，值为44.5，最小为25-12-8，值为43.0，变化幅度为3.5%。

表3 不同配方肥对小麦产量及其构成因素的影响

2.7 不同配方肥对肥料偏生产力的影响

不同施肥处理下，氮肥偏生产力变化范围为34.4～40.7 kg·kg-1，最大的处理为20-15-10，最小的为15-15-15，且两处理之间差异显著（表4）。磷肥偏生产力中，最大的处理为20-15-10，最小的为15-20-10，变化范围为56.3～84.8 kg·kg-1，钾肥偏生产力各处理之间差异显著，变化范围为71.6～167.9 kg·kg-1，最大值处理为22-16-7，最小值处理为15-15-15。

表4 不同配方肥对小麦肥料偏生产力的影响（kg·kg-1）

2.8 不同配方肥对经济效益的影响

以各种肥料投入成本和产量带来的产值作为基础，不考虑各处理共同投入的种子、灌水、农药喷施、机械耕作以及人工等成本，计算各配方下冬小麦的经济效益（表5），结果显示，肥料总成本最高的处理为15-15-15，成本为1779.8 元·hm-2，最低的处理为22-16-7，值为1539.8 元·hm-2，差值为240 元·hm-2，变化幅度为15.6%，总收益的最高处理与最低处理分别为20-15-10 与15-15-15，变化范围为15466.1～18319.3 元·hm-2，净效益变化范围为13686.4～16707.5 元·hm-2，差值为3021.1 元·hm-2，变化幅度为22.1%，各处理之间净收益大小关系为：20-15-10＞18-15-12＞22-16-7＞25-12-8＞15-20-10＞15-15-15，处理25-15-10的净效益显著高于其他处理。

表5 不同配方肥对小麦经济效益的影响（元·hm-2）

3 讨论

肥料是作物正常生长发育必不可少的，但是合理的施用肥料至关重要，合理施肥在一定程度上能够减轻环境污染，同时还可以增产增效，提高经济效益［11］。我国目前存在很多不合理施肥的现象，对环境造成严重的破坏，而推广配方施肥是缓解不合理施肥现状的重要措施［12-13］。小麦是生育期较长的作物，根据其需肥规律，保证氮磷钾比例平衡和前后期的养分供应平衡［14］，配方肥基施结合追肥可与小麦养分需求的规律更匹配，且能够保证氮磷钾的平衡供应，同时也避免前期养分投入过量而后期出现脱肥。

合理的群体和SPAD 值能够保证小麦充足的穗数和光合作用，并进而决定小麦的干物质累积和产量形成［15］。本研究中，农户习惯配方25-12-8 属于高氮配方，一次性施用导致前期SPAD 值较大，但在后期偏小；从群体数来看，与其他处理对比高氮配方的群体数从越冬期至返青期群体数增长最快，且群体数也最大，但是在返青期之后群体数下降速度也最快。低氮配方15-15-15 在整个生育期内群体数量和SPAD 一直处于较低水平。因此，处理25-12-8 和15-15-15 在收获期的干物质累积量相对于其他处理较低。调整小配方20-15-10的干物质累积量高于其他处理，这为配方肥提高小麦产量奠定基础。有研究表明，前期适量减少氮肥施用量有利于增加作物有效穗数和千粒重从而提高结实率［16］。本研究中，农户习惯一次性施肥或前期氮含量高的配方表现为千粒重和穗粒数较小；而配方肥20-15-10 在小麦整个生育期的养分供应更加均衡，符合小麦生育时期的需肥，增加小麦的千粒重和穗粒数，使小麦产量增加18.4%，而相应的经济效益及肥料利用率也高于其他配方。

有研究表明，不合理施氮以及过量施氮条件下，小麦赤霉病发病率会有所增加［17-18］。本研究发现，前期氮肥用量大或是追氮量过多会导致小麦赤霉病发病率高，其中赤霉病发病率和发病指数变化趋势大致相同，最高的处理为15-15-15，其次为处理25-12-8，最低的为20-15-10。本试验中农民习惯配方15-15-15，氮磷钾养分搭配不能匹配小麦生长发育对养分的需求，在拔节期至扬花期氮素浓度最高，可能是其赤霉病和冻害发病率高的原因。另外，磷钾对于提高作物抗寒、抗病等有重要作用［19］。尽管农民习惯配方施用中投入的钾相对比较高，但其抗逆性却很差。这可能是因为其氮磷钾养分供应不均衡，植株磷钾累积量反而低于配方处理，因此抗逆性较差。而配方施肥处理较好的抗逆性不仅可以提高小麦产量，还能改善籽粒品质，有助于实现农民增产增收。