优化氮肥配置提高冬小麦-夏玉米贮墒旱作栽培水氮利用效率

周晓楠 刘 影 杜承航 胡乃月 孙振才 张英华 王志敏

(中国农业大学 农学院，北京 100193)

华北平原是我国重要的粮食产区，其粮田主要种植制度是冬小麦-夏玉米一年两熟轮作制。该区水资源紧缺，全年降水70%以上集中在夏季，冬小麦生长季干旱少雨，需要补充灌溉，而灌溉水主要来自地下水。在长期的生产过程中，为了维持高产，冬小麦灌溉量大，常年灌水4～5次，总灌溉量300 mm以上，导致地下水严重超采。同时，在充分灌溉下，麦收后腾出的土壤库容小，容纳不下夏季多余的降水，使得汛期雨水流失和氮肥淋洗，降低了周年水、肥利用效率并危害环境。为协调粮食高产与环境安全，前人已经做了大量有益探索。冬小麦节水高产技术的推广应用，已使麦田灌溉量降至 2～3次。Zhao等通过大田试验结合作物模型得出结论认为，麦-玉周年灌溉量可降低至225 mm，且主要是麦季需水，同时氮肥用量可减少至330 kg/hm。麦-玉周年进行节水栽培，可实现高产和高水效的统一。然而，现行的节水技术仍需在春季补充灌溉，在地下水严重超采区仍受水资源匮乏的限制。近年来，国家实施地下水超采综合治理，为实现地下水采补平衡，农田灌溉量需要进一步减少。为此，冬小麦-夏玉米贮墒旱作栽培模式在河北省缺水区被提出，并投入应用。在该模式中，冬小麦浇足底墒水，夏玉米浇出苗水，两作生育期间均不再浇水，全年灌溉量约150 mm；由于播后不浇水，麦田不再需要构筑畦埂，土地资源利用率提高，收获面积增加，对产量有补偿作用，且冬小麦晚播早收，可延长夏玉米生长期，夏玉米可早播晚收提高产量，在综合技术的作用下全年粮食总产可达15 000 kg/hm。这项技术不仅大幅度降低了农田灌溉量，而且简化了栽培管理措施，节省了人力资源成本，可增加种田户的经济收益。随着节水模式的改变，配套的施肥模式也应调整变化。然而，与贮墒旱作相适应的周年氮肥高效运筹模式尚未建立起来。

Zhou等和王艳哲等的研究表明，夏玉米生长在高温多雨季节，根系分布较浅(最大根深120 cm)，当降雨量较大时，施于表层的氮肥易随水淋洗到根层以下，导致夏玉米不能吸收，氮肥利用率降低，若玉米施氮量增多，则氮肥损失加大。冬小麦在节水灌溉条件下，土壤氮素损失少，而且，由于根系分布较深(200 cm)，可以吸收利用深层土壤残留的氮素资源。有研究表明，旱作小麦适当增施氮肥，可以促进早期生长，以肥调水，提高抗旱性和产量，并能增加植株氮素吸收，提高籽粒蛋白质含量。在冬小麦-夏玉米贮墒旱作栽培体系中，统筹考虑2种作物生长环境和氮素供需特点，在周年有限施氮的前提下适当增加冬小麦施氮比例，减少夏玉米施氮量，可能有利于提高全年产量并减少氮损失，提高周年水氮利用效率，关于这方面的研究尚未见报道。本试验基于河北省冬小麦-夏玉米贮墒旱作栽培体系，在全年总施氮360 kg/hm的前提下，设置2茬作物不同氮肥运筹模式试验，测定冬小麦-夏玉米周年作物产量和水、氮利用效率，旨在探讨不同氮肥运筹模式对产量和资源利用的影响，以期为该地区建立贮墒旱作配套施肥模式提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017—2019年在中国农业大学吴桥实验站(37°41′ N、116°37′ E)进行。试验地作物种植模式为冬小麦-夏玉米一年两熟轮作。试验地处于海河平原黑龙港流域中部，海拔14～22 m，地下水位常年在9 m以下，降水量为560 mm/年，且主要分布在7—8月份，冬小麦季多年平均降水量为125 mm，夏玉米季多年平均降水量为435 mm。2017—2019年，冬小麦-夏玉米生育期内的降水量和日平均温度，见图1。2017—2018年降水量为676.2 mm，其中冬小麦季191.5 mm，夏玉米季484.7 mm；2018—2019年的降水量为367.1 mm，其中冬小麦季62.3 mm，夏玉米季304.8 mm。根据不同年份的降水量，本研究将2017—2018年归类为丰水年型，将2018—2019年归类为枯水年型。试验地土壤为壤质潮土，0～25 cm耕层土壤有机质含量为12.6 g/kg，全氮含量为1.1 g/kg，有效磷含量为45.5 mg/kg，速效钾含量为163.9 mg/kg。0～2 m土层从上至下每20 cm土层所对应的土壤容重分别为1.37、1.43、1.45、1.43、1.45、1.45、1.46、1.46、1.46和1.46 g/cm。

图1 2017—2019 年冬小麦-夏玉米生育期内降水量和日平均气温

1.2 试验设计

试验作物种植模式为冬小麦-夏玉米轮作，设置2种灌溉模式，一是贮墒旱作模式(W)，即冬小麦和夏玉米分别灌底墒水和出苗水，生育期内不再浇水；二是常规生产模式(W)，即冬小麦在灌底墒水基础上春季灌2水(拔节水和开花水)，夏玉米灌出苗水。在2种灌溉模式下设置不同氮肥运筹试验，全年总施氮量根据节水减氮要求设为360 kg/hm，冬小麦和夏玉米施氮处理，见表1。冬小麦灌底墒水；夏玉米灌出苗水；小麦肥料全部底施，玉米肥料均于播后在行侧开沟施。各模式处理冬小麦季施PO135.0 kg/hm和KO 112.5 kg/hm；夏玉米季施PO90.0 kg/hm和KO 112.5 kg/hm。

表1 试验地水分和氮肥处理

Table 1 Water and nitrogen input of each treatment

处理Treatment年份Year灌溉模式及灌溉量/mmIrrigationregimeandirrigation氮肥配置/(kg/hm2)Nitrogenapplicationpattern冬小麦Winterwheat夏玉米Summermaize周年灌水量Annualirrigation冬小麦Winterwheat夏玉米Summermaize周年施氮量AnnualnitrogenapplicationW0N12017—2018底墒水75出苗水751501202403602018—2019底墒水75出苗水90W0N22017—2018底墒水75出苗水751501801803602018—2019底墒水75出苗水90165W0N32017—2018底墒水75出苗水751502401203602018—2019底墒水75出苗水90165W1Nc2017—2018底墒水+拔节水+开花水75+75+75出苗水753001801803602018—2019底墒水+拔节水+开花水75+75+75出苗水90315

供试冬小麦品种为‘农大399’，供试夏玉米品种为‘郑单958’。2017年，冬小麦10月21日播种，播量285 kg/hm，翌年6月10日收获；夏玉米6月12日播种，定苗6×10株/hm，10月5日收获。2018年，冬小麦10月13日播种，播量240 kg/hm，翌年6月11日收获；夏玉米6月13日播种，定苗6.75×10株/hm，10月4日收获。冬小麦浇底墒水后，墒情适宜时肥料全部作基肥撒施，旋耕后播种，行距15 cm。夏玉米免耕贴茬播种，全部肥料在播种行侧10 cm处开沟条施，播种行距60 cm，播后灌出苗水。冬小麦和夏玉米秸秆全量还田。每个试验处理设3个重复，每个重复小区面积50 m(长10 m×宽5 m)。其他田间栽培管理措施同大田节水栽培模式。

1.3 测定项目及方法

地上部干物质：冬小麦在开花期和成熟期每个小区取1 m双行植株样品，按器官茎鞘、叶片、穗轴+颖壳、籽粒分离，装入纸袋中75 ℃下烘干称重，计算地上部干物质积累量。夏玉米在成熟期每个重复取代表性植株4株，按器官茎鞘、叶片、苞叶、穗轴和籽粒分离，恒温75 ℃烘干称重，计算地上部干物质积累量。花前贮藏物质对产量的贡献率计算方法为：

花前干物质对籽粒产量的贡献率=(开花期营养器官干物质量-成熟期营养器官干物质量)/成熟期籽粒干重×100%

产量：冬小麦在成熟期每个小区收获2.0 m的植株籽粒，晒干称重测其含水量，按含水量13%计算籽粒产量。夏玉米在成熟期每个小区取3行6 m(10.8 m)的果穗晒干脱粒称重，再测其含水量，按含水量14%计算籽粒产量。

土壤水分：分别在冬小麦和夏玉米成熟期，用土钻在0～2 m 土层中分层钻取土样，每20 cm为一层，105 ℃烘干，测定土壤质量、含水量，结合土壤容重数据计算各层土壤贮水量。作物蒸散量计算公式如下：

ET=SWC+

P

+

I

-

R

-

D

+

C

(1)

式中：ET，蒸散量,mm；SWC，土壤贮水消耗量,mm；

P

，降雨量,mm；

I

，灌溉量,mm；

R

，地表径流,mm；

D

,深层渗漏,mm；

C

，毛管水利用量,mm。本试验中，地下水位低于9 m，无地表径流，所以

R

和

C

值皆为0。深层渗漏

D

按照以下公式计算：

D

=

α

(

I

+

P

)

(2)

式中：补偿系数α由土壤质地，灌溉水以及降水来确定。

α

取值范围在0.1～0.3，粘土取值0.1，沙土取值0.3。本研究中，当单次灌溉或降水量≤90 mm时，

α

取值0.10；当单次灌溉或降水量在90～250 mm时，

α

取值0.15；当单次灌溉或降雨>250 mm时，

α

取值0.20。

土壤硝态氮含量：2 m土层分层取土样，用0.01 mol/L CaCl溶液浸提法提取土壤中无机氮素，并用紫外分光光度计法测定得到土壤硝态氮含量。

植株氮含量：将烘干后植株样品粉碎混匀过筛，采用半微量凯式定氮法测定各器官氮素含量。计算群体氮素分配和利用特征指标，公式如下：

氮素生理效率(NUE,kg/kg)=籽粒产量/成熟期地上部氮素积累量

(3)

氮肥偏生产力(PFP,kg/kg)=籽粒产量/施氮量

(4)

氮素收获指数NHI=籽粒氮积累量/成熟期地上部氮素积累量

(5)

籽粒蛋白质含量=籽粒氮素含量×5.70×100%

(6)

式中：5.70，蛋白质转换系数。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007整理数据，SPSS 20.0进行统计分析，GraphPad Prism 8进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 冬小麦-夏玉米产量及其构成因素

由表2可知，2017—2019年的贮墒旱作冬小麦产量由高到低均为WN>WN>WN，且差异显著(

P

<0.05，下同)，WN表现产量较高的原因主要是穗数较多，穗粒数相对稳定同时千粒重显著提升。说明在贮墒旱作下适当增施氮肥可稳定增加穗数和粒重，从而获得较高产量；但各处理之间夏玉米的产量无显著差异，说明在全年总施氮量一定的前提下，夏玉米当季施氮量对产量的影响不显著；冬小麦-夏玉米周年产量由高到低仍为WN>WN>WN，WN全年产量比WN和WN分别增加3.20%～5.17%和6.84%～9.94%；2个年份比较，丰水年份贮墒旱作各处理的产量均高于枯水年份。

与常规模式(WN)相比，贮墒旱作模式灌溉量减少150 mm，各施氮处理周年产量均降低。在枯水年份，贮墒旱作模式与常规模式之间的产量差异显著，主要是由于贮墒旱作冬小麦产量显著降低，而夏玉米产量在处理之间差异不显著;WN处理虽然在枯水年份减产11.38%，但在丰水年份产量与常规模式之间差异不显著。

2.2 冬小麦-夏玉米周年地上部干物质积累与分配

由表3可知，在贮墒旱作模式下，无论丰水年还是枯水年，不同施氮处理的冬小麦总生物量和花前、花后生物量由高到低均为WN>WN>WN，在丰水年份总生物量的差异显著，而收获指数在处理间无显著差异(丰水年份)，或WN表现高于WN和WN处理(枯水年份)。说明增加小麦季施氮量可增加小麦生物产量。在贮墒旱作条件下，不同处理间夏玉米生物量无显著差异，枯水年份WN处理收获指数显著高于其他处理。周年生物量以WN最高。

表3 冬小麦-夏玉米周年地上部干物质积累与分配

Table 3 Dry matter accumulation and distribution of winter wheat and summer maize under different water and nitrogen managements

年份Year处理Treatment冬小麦Winterwheat夏玉米Summermaize开花期干物质/(kg/hm2)Drymatteratanthesis成熟期干物质/(kg/hm2)Drymatteratmaturity花前物质对产量的贡献率/%Contributionrateofpre-anthesisdrymattertograinyield收获指数HI成熟期干物质/(kg/hm2)Drymatteratmaturity收获指数HI周年总干物质/(kg/hm2)Totaldrymatterofwinterwheat-summermaizeW0N15960c9303d32.2a0.53a15631a0.55a24934b2017—2018W0N26748b10728c30.0b0.52a16372a0.54a27100aW0N37211b11695b26.7bc0.52a15985a0.55a27680aW1Nc8132a12835a25.4c0.49b15468a0.56a28303aW0N16937c9786c35.2a0.50a17442a0.44b27474c2018—2019W0N28394b11976b34.6a0.45b17073a0.45b28916bW0N38468b12027b36.8a0.46b17874a0.47a29768bW1Nc9870a15258a26.8b0.49a17171a0.45b32431a

与常规模式(WN)比较，贮墒旱作模式各施肥处理在不同年份冬小麦地上部干物质积累量均显著降低，说明减少灌溉量降低了物质积累；收获指数在2017—2018年(丰水年份)表现显著升高，在2018—2019年(枯水年份)WN和WN则表现显著降低；从产量物质来源来看，贮墒旱作各处理花前贮藏物质对产量的贡献率均显著高于常规模式。夏玉米的干物质积累量和收获指数在不同处理间的差异多为不显著。贮墒旱作模式的冬小麦-夏玉米周年干物质积累量低于常规灌溉模式。

由表4可知，在贮墒旱作模式下，无论丰水年还是枯水年，冬小麦吸氮量由高到低均为WN>WN>WN，氮素收获指数在丰水年份表现为WN显著高于其他处理，枯水年各处理间无显著差异。冬小麦籽粒蛋白质含量由高到低则表现为WN>WN>WN，WN显著高于WN和WN。说明增加小麦季施氮量，小麦植株的吸收氮肥能力随之增加，也有利于提高籽粒蛋白质含量。在贮墒旱作模式下，不同施氮处理的夏玉米氮素积累和氮收获指数差异不显著，全年两茬的氮积累量随冬小麦施氮量增加而增加。

表4 冬小麦-夏玉米周年氮素积累与分配

Table 4 Accumulation and distribution of nitrogen of winter wheat and summer maize under different water and nitrogen managements

年份Year处理Treatment冬小麦Winterwheat夏玉米Summermaize开花期氮积累/(kg/hm2)Nitrogenaccumulationatanthesis成熟期氮积累/(kg/hm2)Nitrogenaccumulationatmaturity籽粒蛋白质含量/%Proteincontent氮收获系数Nitrogenharvestindex成熟期氮积累/(kg/hm2)Nitrogenaccumulationatmaturity氮收获系数Nitrogenharvestindex周年氮素积累/(kg/hm2)AnnualnitrogenaccumulationW0N1104c141c13.2b0.81a177a0.65a318c2017—2018W0N2125b172b13.6a0.78b174a0.65a346bW0N3136b189a13.8a0.78b174a0.65a363aW1Nc158a195a13.4ab0.76c174a0.63b369aW0N1114c121c12.2c0.81b192ab0.59a313c2018—2019W0N2130b141b12.2c0.79b187b0.57a328cW0N3135b148b12.6b0.80b201a0.58a349bW1Nc152a205a13.3a0.85a189b0.55b394a

与常规模式(WN)比较，贮墒旱作模式各处理冬小麦的氮素积累量在不同年份均较低，但2017—2018年(丰水年份)WN处理与WN差异不显著；贮墒旱作各处理冬小麦氮收获指数在枯水年份则显著低于WN，但在2018—2019年(丰水年份)显著高于WN。从籽粒蛋白质含量看，在枯水年份旱作处理蛋白质含量显著低于常规灌溉WN处理，但在丰水年份随施氮量增加旱作处理蛋白质含量逐渐增加，在WN处理时最高，虽高于WN，但差异不显著。夏玉米的氮积累量，在枯水年WN处理显著高于WN，其他旱作处理与WN无显著差异；夏玉米的氮收获指数则表现为贮墒旱作各处理间无显著差异，但都显著高于WN。

2.3 土壤硝态氮残留

由图2可知，2017—2018年(第1年丰水年份)，冬小麦收获后，上层0～60 cm土壤中硝态氮含量由高到低为WN>WN>WN>WN，WN显著高于其他处理，表明小麦季施氮量越高，麦收后上层土壤硝态氮存留量也越高，且在相同施氮模式下贮墒旱作土壤硝态氮含量高于常规灌溉WN处理；在>60～160 cm土层，处理间硝态氮含量以WN相对较高，WN相对较低；160 cm以下土层硝态氮含量由高到低则表现为WN>WN>WN>WN。夏玉米收获后，0～120 cm土层硝态氮含量由高到低为WN>WN>WN>WN，表明玉米季施氮量越高土壤硝态氮残留量也越高，且在相同施氮下贮墒旱作土壤硝态氮含量高于常规灌溉WN处理；120 cm以下土层硝态氮含量则表现为WN>WN>WN>WN。

图2 2018年冬小麦(a)和夏玉米(b)收获后土壤硝态氮残留量

由图3可知，2018—2019年(第2年枯水年份)，冬小麦收获后，上层0～40 cm土壤中硝态氮含量由高到低为WN>WN>WN>WN，表明麦季施氮量越高表层土壤硝态氮含量也越高，且在相同施氮处理，贮墒旱作土壤硝态氮含量高于常规灌溉模式(WN)；40 cm以下土层硝态氮含量在不同处理间无显著差异，且数值均较小。夏玉米收获后，贮墒旱作不同处理0～2 m土层硝态氮含量变化基本相似，处理间无显著差异，但均低于常规灌溉模式(WN)。

图3 2019年冬小麦(a)和夏玉米(b)收获后土壤硝态氮残留量

2.4 冬小麦-夏玉米周年水氮效率分析

由图4可知，在丰水年份，冬小麦水分利用效率表现为，贮墒旱作模式除WN处理外均显著高于常规模式(WN)，且贮墒旱作模式处理间随氮肥施用量增加而显著提高，以WN相对最高；夏玉米水分利用效率以WN和WN最高，两者之间差异不显著，但均显著高于WN和WN处理；周年水分利用效率由高到低则表现为WN>WN>WN>WN，差异均达显著水平。在枯水年份，冬小麦水分利用效率表现为：WN>WN>WN>WN，差异均达显著水平；夏玉米水分利用效率以旱作处理显著高于WN处理，其中WN和WN最高；周年水分利用效率由高到低则表现为WN>WN>WN>WN。

图4 2017—2018(a)和2018—2019(b)年冬小麦-夏玉米周年水分利用效率

由表5可知，无论是丰水年还是枯水年，冬小麦氮素利用效率均以WN显著高于其他处理，WN、WN和WN处理间差异不显著；夏玉米氮素利用效率在枯水年份处理间无显著差异，但在丰水年份则以WN和WN最高，WN最低；全年氮素利用效率则表现贮墒旱作各处理均高于WN处理。从氮肥偏生产力(PFP)看，冬小麦季以WN处理最低，但夏玉米季则以WN处理最高，冬小麦-夏玉米周年各处理间PFP由高到低表现为WN>WN>WN>WN，在贮墒旱作不同施氮处理间以WN处理最高。

表5 冬小麦-夏玉米周年氮素利用效率和氮肥偏生产力

Table 5 Nitrogen use efficiency and partial fertilizer productivity of winter wheat and summer maize under different water and nitrogen managements kg/kg

年份Year处理Treatment冬小麦Winterwheat夏玉米Summermaize周年Anniversary氮素利用效率NUE氮肥偏生产力PFP氮素利用效率NUE氮肥偏生产力PFP氮素利用效率NUE氮肥偏生产力PFPW0N138.8a45.6a54.4b40.1c47.5a42.0c2017—2018W0N236.3b34.7c56.7a54.8b46.5b44.7bW0N336.0b28.3d56.4a81.8a45.8c46.1aW1Nc35.9b38.9b52.2c53.3b45.0d46.1aW0N144.4a44.8b46.4a37.1c45.6a39.7c2018—2019W0N242.0b32.9c45.9a47.6b44.2b40.3cW0N342.5b26.2d46.6a74.7a45.0a42.4bW1Nc41.3b47.0a45.1a47.4b43.1c47.2a

3 讨 论

关于冬小麦和夏玉米氮肥合理施用的研究，多侧重于单季施氮量、施氮时期、基追比和氮肥形态对作物的影响以及与栽培措施的互作。小麦季适量增加施氮量，产量增加，品质改善，但过量施氮，产量有下降的趋势，且造成植株贪青，物质转运效率下降。玉米季增加施肥多表现为增产幅度很小，且当季肥料利用率不高。还有部分研究涉及到单季施肥对下茬作物的后效作用，例如小麦季施肥对玉米的后效，或者玉米季施肥对小麦的后效。

已有研究表明，冬小麦-夏玉米周年实施平衡施肥的策略，能够获得较高的产量和经济收益，但试验中周年总施肥量偏高(420～480 kg/hm)，且多依赖灌溉进行追肥以提高肥料生产力，更多考虑的依然是保障当季作物的生长以便获得产量的综合提升。也有研究表明，氮肥对小麦的增产效果要优于玉米，小麦季氮肥利用率显著高于玉米。冬小麦比夏玉米对氮肥的反应更敏感，氮肥的季节配置应当以冬小麦为主，夏玉米为辅。

总而言之，在肥料合理运筹范围内，既要保证作物需求，又要最大限度降低施肥量是兼顾产量和环境保护的重要参考。本研究针对贮墒旱作这一新型栽培模式进行跨季氮肥配比研究，结果表明，在周年限量施纯氮360 kg/hm的前提下，提高冬小麦季氮肥用量，减少夏玉米季氮肥用量，配比2∶1时可以获得最大收益。具体表现为冬小麦产量增加，粗蛋白含量增加，营养品质改善，夏玉米产量并不因减氮而减产，周年产量和水氮效率均能显著提升。在贮墒旱作条件下，小麦增加施氮量促进植株对氮素的吸收，增加了前期生长量，可稳定提高穗数，有利于后期抗逆生长，同时旱作土壤氮素损失少，未被小麦吸收的肥料氮转化为土壤氮存留于上层土体中，麦收后0～40 cm土壤氮素含量显著升高，这一结果与于宁宁等的研究类似。Ferguson等研究认为，玉米播前根区(0～90 cm)硝态氮存留与当季施肥具有同等有效性，而从本试验看，WN相对于其他处理夏玉米施氮量最低，但夏玉米的总吸氮量不仅没有降低，反而在枯水年份吸收氮肥的能力升高，说明前茬土壤氮的有效性要高于当季肥料氮。夏玉米季水热条件好，土壤养分释放快，易被作物吸收利用，但汛期降雨过于集中，在小麦常规的多次灌溉条件下，麦收后腾出的土壤库容小于汛期多余的降水会造成水、氮向地下渗漏淋洗，尤其是肥料氮容易淋失，利用率降低。在贮墒旱作条件下，冬小麦春季不再灌溉，麦收后0～2 m土层能够比常规灌溉多腾出近100 mm的土壤水分库容量，这可接纳汛期多余的水分避免水氮淋失。有关贮墒旱作模式下周年肥料氮的运移和吸收动态尚需进一步深入研究。

4 结 论

本试验结果表明，在华北平原贮墒旱作有限施氮(N 360 kg/hm)条件下，优化配置两茬氮肥资源，适当减少夏玉米季施氮，增加冬小麦施氮量或施氮比例，是协同提高全年产量和水氮利用效率的重要途径。在本试验所处地力和生产条件下，控制全年总施氮量在360 kg/hm，冬小麦施氮量占60%～70%是实现周年高产高效的最适氮肥配置方式。