农田施氮对冬小麦产量、根-冠氮素积累及其利用效率的影响

王丽芳，康 娟，马 耕，王家瑞，申圆心，刘世洁，王晨阳

(河南农业大学农学院/国家小麦工程技术研究中心，河南郑州 450046)

小麦是我国重要的粮食作物，对于保障国家粮食安全至关重要。《国家质量兴农战略规划(2018—2022年)》中明确提出要加快农业绿色发展，推进化肥减量增效行动，提高主要农作物化肥利用率[1]。现阶段小麦生产目标已经由产量为主向高产、优质、绿色、高效、生态、安全等多目标协同发展，增产与资源高效利用并重。我国氮肥用量占世界氮肥消耗总量的29%，但是氮肥当季利用率仅为30%～35%[2-4]。氮素积累是同化物合成和积累的基础，氮肥运筹对小麦根-冠氮素积累和籽粒产量有明显调控效应[5]，氮素利用效率与作物干物质生产和有效分配关系密切，其分配数量和方向可栽培管理调控[6]。

河南省中部地区具有较高的农业生产率，在保障国家粮食安全方面发挥着重要作用[7]。施用氮肥是提高当地作物产量的主要措施，但为了追求高产，过量施氮现象在生产中非常普遍。氮肥施用过量不仅会造成资源浪费、增加生产成本、降低氮肥利用效率，而且会提高土壤、水质等环境污染风险[8-11]。施用肥料能促进作物根系生长及其对土壤深处养分的吸收[12]。目前，针对施氮量、施氮时期、氮肥品种等方面的研究主要都集中在小麦植株地上部分，包括叶片生理、产量等方面[13-15]，但对不同氮肥处理下小麦产量和根-冠养分利用综合研究仍需进一步探讨。本研究以2012年以来在河南中部实施的长期定位施氮试验为基础，利用2015-2018年三个小麦生长季的试验数据，系统分析了冬小麦产量、根-冠氮素积累及其利用效率对氮肥的响应，阐明施氮对河南省冬小麦产量和氮素利用的影响，以期为河南省冬小麦的高产高效绿色栽培提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

定位试验始于2012年，在河南省许昌市建安区张潘镇(33°59′N,113°58′E)进行，具有明显的氮肥梯度表现。本地区属于黄淮区域典型冬麦区，2015-2018年小麦3个生长季具有相似的年均降雨量(302.7、325.0和295.0 mm)和温度(11.4、12.0和11.8 ℃)，属于温带季风气候。供试土壤0～20 cm土壤中全氮含量0.72 g·kg-1，有机质含量13.04 g·kg-1，全磷含量0.79 g·kg-1，全钾含量6.58 g·kg-1，容重 1.39 g·cm-3，pH 7.11。冬小麦-夏玉米轮作是当地主要的种植方式，长期定位试验中不同生长季作物管理措施一致。

供试冬小麦品种矮抗58。试验采用随机区组设计，设置0、180、240和300 kg·hm-24个施氮水平，分别用N0、N180、N240和 N300表示，设3个重复，小区面积为110 m2(10 m× 11 m)。适墒机播，播种量为187.5 kg·hm-2。冬小麦于10月上旬播种，第二年5月下旬收获。小麦播种时肥料全部基施，各小区均施P2O566 kg·hm-2和 K2O 72 kg·hm-2。采用常规大田耕作方式，秸秆全部粉碎还田，播前翻耕除病虫草害，小麦生长季无追肥并根据土壤墒情进行灌溉。

1.2 测定指标与方法

1.2.1 产量及产量构成因素测定

在小麦成熟期，每小区选有代表性的3 m2植株进行室内考种，调查其穗数、穗粒数和千粒重。收获后测定实际产量。

1.2.2 生物量及氮素含量测定

在小麦成熟期，每小区选20个植株剪取地上部生物量，再用人工挖掘柱形土柱法(20×20×30 cm)进行根系采样。地上部和根系样品均105 ℃杀青30 min，85 ℃烘至恒重，测定干物质量。之后分别粉碎过100目筛制成供试样品，经H2O4-H2O2液消煮后，用凯氏定氮法(2300 全自动定氮仪，Sweden)测定地上部和根系全氮含量，并计算其植株氮素积累量、氮肥农学效率、氮素利用效率、百千克籽粒需氮量和氮肥偏生产力。

植株氮素积累量= 成熟期单株干重×成熟期单株含氮量×种植密度

氮肥农学利用效率= (施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量

氮素利用效率= 籽粒产量/地上部氮素积累量

百千克籽粒需氮量= 植株地上部氮素积累量/籽粒产量×100

氮肥偏生产力= 籽粒产量/施氮量

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS软件对数据进行统计分析和多重比较，使用Origin 2015软件制图。

2 结果与分析

2.1 施氮处理对小麦株高、产量及其构成的影响

3年试验结果表明，与不施氮的N0处理相比，施氮处理(N180～N300)均显著提高了小麦株高、产量、穗数和穗粒数(2016-2017年穗粒数除外)，3个年份施氮处理的产量均显著高于N0处理，且2017-2018年度不同施氮处理间产量差异均显著，并以N240处理产量最高(表1)。施氮明显会降低千粒重，其中2017-2018年度千粒重随施氮水平的增加呈显著下降的趋势。总体来看，施氮主要是通过增加穗数和穗粒数对冬小麦产生增产作用，过多施氮对小麦产量的边际效应不明显，甚至导致产量下降。

2.2 氮肥处理对小麦根冠干物质积累的影响

3年间各施氮处理对冬小麦根系干重、地上部干重均产生显著影响。根系干重和地上部干重随施氮量的增加均呈先升后降趋势，N180处理下地上部干重最高，施氮处理均显著高于N0处理，但三个施氮处理间差异均不显著，其中3年N240和N180处理的平均根系干重与地上部干重分别提高0.76和10.30 t·hm-2(表 2)。 各施氮处理的根冠比均高于N0处理。这表明适宜施氮量有利于植株地上部和根系干物质积累。

表2 不同氮肥处理下小麦根冠生物量及根冠比Table 2 Root-shoot biomass and root/shoot ratio of wheat under different nitrogen treatments

2.3 氮肥处理对小麦根-冠氮素积累的影响

与N0处理相比，氮肥施用可显著提高小麦根系、籽粒、地上部及整株的氮素含量和积累量(表3)，但三个施氮处理间差异较小，基本不显著。

表3 不同氮肥处理下小麦的氮素含量及积累量Table 3 Nitrogen content and accumulation of wheat under different nitrogen treatments

2.4 氮肥处理对小麦氮素利用的影响

不同处理间小麦的氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力差异均显著，且随着施氮量的增加而降低。施氮对小麦的氮素利用效率和百千克籽粒吸氮量分别产生负向和正向效应，但不同施氮处理间小麦的氮素利用效率均差异不显著，百千克籽粒吸氮量差异较小，且在后两年在不同处理间差异均不显著。

表4 不同氮肥处理下冬小麦氮利用效率Table 4 Nitrogen use efficiency of winter wheat under different nitrogen treatments

3 讨 论

氮肥是影响冬小麦产量的重要栽培措施。多年氮肥梯度试验发现，施氮量对小麦产量的影响达到了显著水平，但作物产量并非随施氮量的增加而提高，反而呈现出报酬递减规律。Wang等[13]通过对北方地区的主要管理措施进行了整合分析发现，在200～285 kg·hm-2范围内施氮水平显著影响小麦产量、单位面积穗数和穗粒数，而施氮量超出此范围后产量开始呈下降趋势。本试验中，施氮均可显著提高小麦株高、产量、穗数和穗粒数，但在施氮处理间差异总体上表现不明显，说明过多施氮的边际效应减弱或不明显。Ladha等[16]分析认为，全球氮施用平均水平为112 kg·hm-2，亦有研究认为大多数情况下氮施用量165 kg·hm-2是小麦获得较高产量的适宜水平[17]。此外，本研究中2017-2018年生长季小麦遭遇4月初晚霜冻害和收获前阴雨寡照，导致产量、穗粒数和千粒重低于前两年，施氮240 kg·hm-2时产量显著高于其他处理，说明在逆境胁迫条件下通过增加氮素营养可提高产量。

小麦植株各器官生物量、根冠比等形态指标是影响产量的重要因素，施氮能增加植株生物量[18-19]。作物地上部氮素积累和根系养分含量与其吸收能力有关[20]。本研究结果表明，施氮会促进小麦根系、地上部的干物质和氮素积累，但施氮处理间差异较小。2017-2018年度根系和地上部氮含量和积累量随氮肥施用量的增加而提高，3年间籽粒氮含量和积累量均以N180处理最高，说明适量施氮可促进小麦植株氮素积累，有利于提高籽粒产量和蛋白质含量，改善品质[21]。

氮肥农学利用效率和偏生产力是用来表示氮素利用效率的常用定量指标，可从不同的侧面描述作物对氮肥的利用情况[22]。本试验中，不同处理间氮肥农学利用效率和偏生产力差异均显著，且随施氮量增加而降低，施氮对氮素利用效率和百千克籽粒吸氮量分别产生负向和正向效应。符小文等在冬小麦-夏大豆周年轮作体系下对氮利用特征进行了分析，结果表明，在前茬小麦季施氮的基础上，夏大豆当季氮素利用效率及NPFP均随当季施氮量的增加而降低[4]；雒文鹤等[23]对西北地区不同水氮处理下冬小麦百千克籽粒吸氮量进行了分析，结果发现，其吸氮量随氮梯度增加而增加。本研究中不同施氮处理间氮素利用效率差异不显著，百千克籽粒吸氮量差异较小。综合氮肥利用和产量特征，从降低成本角度考虑，本试验条件下施氮180 kg·hm-2即可在获得较高产量的同时，使氮肥利用能力提高。