氮肥和磷肥用量对小麦产量的影响

赵敬美，丁文峰，王 琳

(1.临沂市罗庄区农业农村局，山东 临沂 276017； 2.临沂市农业技术推广服务中心，山东 临沂 276000)

0 引言

在农业生产技术持续发展的过程中，化肥占据重要地位，对提高作物产量起到了不容小觑的作用，与此同时，化肥的大量施用造成了一系列严重的环境污染问题，因此探究一种合理的化肥品种与种植模式迫在眉睫[1-2]。绿肥是指针对植株在生长过程中产生的植物鲜体，在人工手段或机械处理的作用下，选择全部或部分鲜体翻压至土壤中，充当主作物生长的肥料[3]。作为绿肥种植时间最早、种植面积最大的国家，我国利用绿肥种植的技术已然极为娴熟，在绿色生态发展的理念下，绿肥种植技术受到了越来越多的重视[4-5]。鉴于此，本研究将探究不同绿肥播种条件下，氮肥与磷肥用量对土壤有机质含量、小麦产量等指标的影响，旨在显著提高小麦产量。

1 田间试验设计

1.1 基于绿肥混播的田间试验及测定

绿肥作物是指可有效促进主作物生长、显著改善土壤性状的作物，其鲜体即绿肥，故绿肥混播表示将不同种类的绿肥应用至同一个试验小区中[6-7]。本研究选择地处山东南部的Y村进行田间试验，该地属暖温带季风型半湿润性气候；全年总日照时间2 380.0 h，年均降雨量652.8 mm，年均气温12.3 ℃；无霜期198.4 d[8]。鉴于该种气候条件，Y村将夏空闲-冬小麦种植模式作为其主要种植制度。在Y村设置的试验地土壤种类为潮土，该种土壤属半水成土，是由河流沉积物在人们耕作活动和地下水运动的共同影响下形成的，其腐殖积累过程较弱，具有明显的沉积层理，通常表现出土层深厚、地势平坦的特点[9-10]。2015—2020年，Y村所处地区在小麦不同时期的降雨量情况如图1所示。

图1 2015—2020年Y村不同时期的降雨量Fig.1 Rainfall in different periods of Y Village from 2015 to 2020

由图1可知，Y村全年降雨量与绿肥生长期的降雨量总体呈现出下降趋势，各年份间小麦生育期的降雨量整体波动幅度较小。2019年与2020年夏空闲期内，绿肥生长期的降雨量分别为228.5和136.6 mm，显著低于6年同期平均降雨量；小麦生长期内的降雨量分别仅为207.6和308.9 mm，同样明显低于6年同期平均值；这两年的全年降雨量较低，分别为435.7和455.2 mm，均为干旱年份，对小麦产量造成了一定的影响。通过设置试验1与试验2的方式，判断氮肥用量与磷肥用量对小麦生长及产量的影响，二者均为裂区试验。令田间裂区试验中存在A、B、C共3个试验因素，其中A表示主区因素，B与C均表示区因素；各试验因素中均存在a、b、c共3个不同水平，r次重复，其布局如图2所示[11]。

图2 裂区试验设计田间布局Fig.2 Field layout of split plot test design

图2中显示出每个裂区均被划分为a个大区，并按照随机排入的方式设置其中具有a个A因素的水平；随后可看到每个a区均被划分为b行c列，涵盖了b个B因素的水平与c个C因素的水平。处于播种期与栽插期的主区，均以田埂进行分割；密度主区、其他因素小区之间均以走道进行间隔处理。裂区试验能够实现对3个要素的集中处理，具有较强的完全试验平衡性[12]。试验1与试验2具有一致性，如采用相同的主处理方式，即绿肥混播(麦豆+油菜，空闲为对照)；相同的小区间距30 cm，相同的小区面积即4.5 m×6.0 m=27.0 m2；相同的重复施肥次数，4次。两项试验的差异在于副处理方式，其中前者为冬小麦季施氮量，3个氮肥用量分别为0、120和240 kg N/hm2，底肥为80 kg/hm2的施氮量；后者为冬小麦季施磷量，3个磷肥用量分别为0、80和160 kg P2O5/hm2，底肥为120 kg/hm2的施氮量。试验期结束后，收获并称取全区绿肥与地上部分生物量，从每个小区中挖取出4个极具显著性与代表性的1 m绿肥根部样品，分别对其地上部与根部进行称量处理，进而计算得出其根冠比，为后续计算全区地下部分生物量提供数据支撑。在完成对冬小麦的收获后，需要从每个小区中挖取出3个长度为1 m的小麦样品，测量并计算其产量与各器官含氮量、含磷量；随后杀青、烘干等处理，计算各小区小麦样品中的含水量。

1.2 基于单种绿肥的田间试验及测定项目

与基于绿肥混播的田间试验相同，基于单种绿肥的田间试验将Y村作为试验区域，故此处不再赘述该地区的气候、全年总日照时间、年均降雨量、年均气温等指标。田间试验采用裂区试验设计的方式，设置试验3与试验4，其处理方式如表1所示。

表1 单种绿肥条件下试验3与试验4的处理方式Tab.1 Treatment methods of Test 3 and Test 4 under condition of single green fertilizer

二者主处理方式存在差异，其中前者将麦豆作为主处理的作物品种，后者将油菜作为主处理的作物品种，二者均将空闲作为对照。两项试验的副处理方式完全一致，均在小麦生长季中设置5个不同梯度的施磷水平，分别为0、40、80、120和160 kg P2O5/hm2；底肥量均为80 kg/hm2。采用重复处理的方式实施完全方案，共计15个处理，试验3与试验4的副区面积与小区间隙宽度分别设置为8 m×4 m=32 m2与30 cm。在2019年6月27日分别对麦豆与油菜两种不同绿肥进行种植，且在播种两种绿肥前均不进行施肥处理；同年9月15日对麦豆与油菜分别收获与翻压处理，令翻压深度保持在10～20 cm范围内；10月4日在不同试验地中一次性施入磷肥，并按照80 kg/hm2的量施入底肥，后期不再追施，随后对冬小麦进行播种。

试验期结束后的测定项目与方法，与基于绿肥混播的田间试验存在一定的共性，需要对各区进行绿肥的全区收获，且对地上部分生物量进行精确称取。从试验3与试验4的各个小区中，分别挖取4个足以代表整个小区的绿肥根系样品，其长度定为1 m，随后对绿肥的地上部与根部进行分割处理，称量并记录数据，用以计算相应绿肥的根冠比，进而可成功估算出整个小区中地下部的生物量。在小麦苗期对所有小区中的基本苗进行调查，冬季与春季对小麦进行调查的指标存在差异，前者的调查指标对象为小麦的单株分蘖数目，后者则为小麦的总茎数。在完成对小麦的收获处理后，需要对其产量进行细致的记录，并计算其穗粒数、千粒质量、公顷穗数。除此以外，冬小麦收获后需要对各个小区进行随机采样处理，各小区中均需挖取出3个长为1 m的小麦样段，测定其不同器官中的氮含量与磷含量。不同施肥处理方式下，土壤中的氮、磷含量必然存在一定的差异，因此需要在3个不同的时间节点对土壤进行采样处理，即绿肥翻压前、冬小麦播种前及其收获时。

2 氮磷肥用量差异对小麦产量的影响

2.1 绿肥混播对土壤肥力与水分的影响

对不同时期的土壤肥力情况进行实时监测与计算，在绿肥混播条件下，试验地中土壤肥力的状态产生了显著的变化。

2020年小麦收获后绿肥混播对土壤肥力的影响如图3所示。图3a为试验地中不同小区的土壤有机质含量对比情况，在绿肥混播的作用下，土壤有机质含量得到了大幅提升，其增幅约为14%。空闲小区的土壤有机质含量约为15.7 g/kg，而绿肥混播小区中土壤有机质含量约为17.3 g/kg，二者误差均已在图3a中进行标注。图3b为不同小区中的全氮含量，相较于空闲小区而言，绿肥混播小区中的全氮含量表现出显著的提高，提高幅度为17%左右。两个不同小区中的全氮含量均存在一定的误差，已在图3b中进行相应的标注。

图3 2020年小麦收获后绿肥混播对土壤肥力的影响Fig.3 Effect of green manure mixed sowing on soil fertility after wheat harvest in 2020

2020年绿肥混播处理对土壤硝态氮的影响结果如图4所示。由图4a可知，在对绿肥进行翻压处理前，空闲小区土层0～20 cm中的硝态氮含量高于绿肥混播小区的硝态氮含量。由图4b可知，经过约3周的腐解作用后，在小麦播种前，绿肥混播小区的硝态氮含量显著高于空闲小区中的硝态氮含量。由图4c可知，小麦收获时期，绿肥混播小区与空闲小区中的硝态氮含量几乎保持一致，不存在明显的差异。

图4 2020年绿肥混播对土壤硝态氮含量的影响Fig.4 Effect of mixed sowing of green manure on soil nitrate content in 2020

在不同的施肥处理条件下，各时期的土壤水分含量存在一定的差异，试验结果如图5所示。由图5a可知，2020年绿肥翻压前，绿肥混播与空闲处理小区中0～80 cm土层间的含水量存在差异较小，且随着土层深度的增加，两者几乎保持一致。由图5b与图5c可知，在小麦播种前与小麦收获时，绿肥混播小区与空闲小区中的土壤水分含量在0～200 cm中均保持一致，未表现出明显的差异。

图5 2020年绿肥混播对土壤水分含量的影响Fig.5 Effect of mixed sowing of green manure on soil water content in 2020

2.2 绿肥混播与氮肥用量对小麦产量的影响

为了进一步探究氮肥和磷肥用量对小麦产量的影响，在绿肥混播条件下，将不同氮肥用量作为研究变量，发现其对小麦产量有较大的影响，如表2所示。

表2 绿肥混播与不同氮肥用量对小麦产量的影响Tab.2 Effects of mixed sowing of green fertilizer and different nitrogen application rates on wheat yield 单位：kg/hm2

2019—2020年，绿肥混播与氮肥用量对小麦产量的影响作用存在显著差异。相较于空闲小区而言，绿肥混播小区中的小麦产量表现出显著的降低，2019年与2020年分别降低了12.5和12.9个百分点。在氮肥用量持续增加的过程中，小麦的籽粒产量呈现出先增后降的发展趋势。当氮肥用量为120 kg/hm2时，小麦的籽粒产量在2019年与2020年分别比空闲处理高10.9%与20.6%；此时绿肥混播与空闲处理的小麦籽粒产量均可达到最高值。基于此，氮肥用量的最佳值为120 kg/hm2，若将氮肥用量由240 kg/hm2降至120 kg/hm2，对冬小麦的产量不会造成负面影响。

2.3 单种绿肥与磷肥用量对小麦产量的影响

单种绿肥即种植麦豆与种植油菜作为绿肥的方式，与磷肥用量对小麦产量的影响情况如表3所示，不同绿肥种类对小麦产量的影响作用极为显著。

表3 单种绿肥与不同磷肥用量对小麦产量的影响Tab.3 Effects of single green fertilizer and different amounts of phosphorus fertilizer on wheat yield 单位：kg/hm2

通过表3可知，单种麦豆作为绿肥的试验小区中，其小麦籽粒产量相较于空闲小区而言降低了16.2%；单种油菜的试验小区小麦籽粒产量的降幅较小，降低了12.3%。不同磷肥用量对小麦产量作用的影响较小，当磷肥用量为120 kg N/hm2时，小麦产量可达到最高值，比空闲小区中的小麦产量提高了6.3%。单种绿肥的不同类型与磷肥交互作用对小麦产量具有明显的作用，单种麦豆小区中小麦的最大产量出现在最大磷肥用量为160 kg/hm2时，较空闲处理提高了11.7%。

3 结论

各类化肥在农业生产中的施用频率越来越高，在提高小麦等各种作物产量的同时，对环境也造成了一定的污染。为了探究氮肥与磷肥用量对小麦产量的影响，筛选出最为恰当的化肥用量，本研究通过裂区试验设计的方式，对绿肥混播与单种绿肥条件下不同氮磷肥料用量对小麦产量等相关指标进行研究。结果显示，在绿肥混播的作用下，土壤有机质含量与全氮含量均表现出显著提升；当氮肥用量为120 kg N/hm2时，小麦籽粒产量可达到最高值；不同类型的绿肥与磷肥交互作用对小麦产量具有着明显的作用，当磷肥用量降为80 kg P2O5/hm2时，单种麦豆小区中小麦可达到其最大产量。这显示出氮肥与磷肥用量可对小麦产量造成不同的影响，在小麦播种前对无机氮磷化肥用量均进行合理的控制，对提高小麦产量与肥料利用率有重要的指导意义。