氮·磷减施对滴灌春小麦干物质积累和产量的影响

李怀胜，张 磊 (.新疆生产建设兵团第九师农业科学研究所，新疆额敏 834300；2.塔里木大学植物科学院，新疆阿拉尔 843300；3.新疆农垦科学院，新疆石河子 832000)

小麦作为新疆主要粮食作物，常年种植面积为118万hm，其中春麦36万hm左右，确保春小麦健康生产，对保障区域粮食安全具有重要意义。研究表明，化肥投入费用占新疆春小麦种植成本的24.17%。目前，春小麦种植过程中化肥过施的现象普遍存在，化肥过施容易造成土壤污染、酸化、板结，显著改变耕作层土壤理化性质。从经济层面，降低小麦收益，在一定程度上影响了农户种植小麦的积极性。如何在稳定产量的基础上合理使用减量施肥技术，将成为小麦生产的研究热点。关于化肥减施前人已经做了大量研究，杨启航等研究发现，水肥一体化模式下适当减少肥料用量，可以提高肥料利用率、降低土壤养分盈余。李彦旬等研究表明，适当减量施氮可改善滴灌春小麦籽粒灌浆特性以及氮代谢酶活性。石元强等研究表明，籽粒产量和氮肥农学利用率均随施氮量的增加有所提高，但当超过一定值时，产量和农学利用效率不再明显提升。研究表明减量施肥对提升作物产量、优化群体结构、提升肥料利用率等方面都有显著作用。但有关水肥一体化条件下氮、磷减施对北疆区域春小麦产量、干物质积累和经济效益的综合研究较少。笔者研究了氮、磷减施对滴灌春小麦干物质积累、产量和效益的影响，以期为新疆北疆区域肥料减施成效研究提供参考。

1 材料与方法

于2020年3—8月在新疆生产建设兵团第九师团结农场4连进行(83°29′E，46°31′N)。该试验区属典型的中温带大陆性干旱气候，四季分明，春季冷暖波动大，夏季热而短促，秋季降温迅速，冬季寒冷漫长，干燥，年均气温5.6 ℃，年均降水271 mm。前茬作物为酱用番茄。供试土壤有机质29.34 g/kg，碱解氮101.51 mg/kg，速效磷46.66 mg/kg，速效钾371.97 mg/kg，pH 8.10。

为探究氮肥、磷肥减施对春小麦干物质积累和产量的影响，在对60户团场农工习惯施肥量调研基础上，采用“3414”不完全设计方案，设置氮、磷2因素4水平，其中0水平为不施肥；1水平为减量施肥，施肥量为常量施肥的50%，；2水平为常量施肥(通过土壤条件监测下的推荐施肥)；3水平为过量施肥(农户习惯施肥量)。共9个处理，分别为①N、P不施肥空白对照(NP)；②不施氮，磷肥常量(NP)；③氮肥减量，磷肥常量(NP)；④不施磷，氮肥常量(NP)；⑤磷肥减量，氮肥常量(NP)；⑥氮肥、磷肥均为常量(NP)；⑦氮肥常量，磷肥为过量(NP)；⑧氮肥过量，磷肥常量(NP)；⑨氮肥、磷肥均为过量(NP)。②～⑨各处理钾肥施用量均相同，各处理均 3 次重复，随机区组排列。具体设计方案见表1。N、N、N、N分别表示氮肥(N)用量为0、130、260、390 kg/hm，P、P、P、P分别表示磷肥(PO)0、69、138、207 kg/hm，钾肥(KO)用量为37.5 kg/hm。供试肥料为尿素(N 46.4%)、滴灌磷酸二铵(N 18%、PO46%)、硫酸钾(KO 52%)。针对不同生育期的施肥需求，均采取滴灌水肥一体化技术施肥。

表1 滴灌春小麦施肥“3414”试验设计方案Table 1 Experiment design of “3414” fertilization for spring wheat under drip irrigation

(1)干物质积累量。于成熟期收获前，在各小区分别取50个单茎，按照茎秆(叶鞘)、叶片、穗、籽粒分成4个部分，105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重并称量，按照公式计算单位面积干物质积累(kg/hm)：单位面积干物质积累=单株各器官干物质积累量×单位面积株数。

(2)籽粒产量。于收获期利用小型收割机对试验小区分别实收测产。

(3)经济效益的计算。以籽粒2.36元/kg、N 1.6元/kg、PO5.5元/kg、KO 4.5元/kg的价格计算(因田间管理一致，故不计入)，按照以下公式计算单位面积经济效益(元/hm)。

=×-×-×-×

(1)

式中，为单位面积经济效益；为单位面积产量；为作物单价；为单位面积氮肥施用量；为氮肥单价；为单位面积磷肥施用量；为磷肥单价；为单位面积钾肥施用量；为钾肥单价。

(4)农学利用率。计算公式：

氮肥农学利用率(kg/kg)=(施氮区产量-无氮区产量)/施氮量

磷肥农学利用率(kg/kg)=(施磷区产量-无磷区产量)/施磷量

分别采用Microsoft Office Excel 2007 和SPSS 17进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

由表2可知，常量施肥(NP)处理的干物质积累量、籽粒产量和经济效益的平均值分别为20 493.62 kg/hm、7 857.06 kg/hm和17 198.91元/hm，较不施肥处理(NP)分别提高41.25%、50.13%、39.25%。减量施肥(NP、NP)处理的干物质积累量、籽粒产量和经济效益的平均值分别为18 804.07 kg/hm、7 232.03 kg/hm和16 017.59元/hm，较不施肥处理(NP)分别提高29.60%、38.18%、29.68%，较常量施肥分别降低8.24%、7.96%、6.87%。过量施肥(NP、NP、NP)的干物质积累量、籽粒产量和经济效益的平均值分别为18 701.89 kg/hm、7 121.47 kg/hm和14 517.93元/hm，较不施肥处理(NP)分别提高28.90%、36.07%、17.54%，较常量施肥分别降低8.74%、9.36%、15.59%。缺素处理(NP、NP)的干物质积累量、籽粒产量和经济效益的平均值分别16 257.54、6 308.65 kg/hm和14 962.14元/hm。较不施肥处理(NP)分别提高12.05%、20.54%、21.14%，较常量施肥分别降低20.67%、19.71%和13.00%。由此可见，在钾肥相同的基础上，合理施用氮、磷肥有利于滴灌春小麦干物质积累、籽粒产量和经济效益的增加；过量施肥和缺素施肥降低干物质积累与籽粒产量，同时降低作物经济效益。

表2 不同施肥处理方式下春小麦干物质积累、籽粒产量和经济效益Table 2 The dry matter accumulation，grain yield and economic benefits of drip irrigation spring wheat under different fertilization methods

氮肥减施对滴灌春小麦干物质、籽粒产量、肥料利用及经济效益的影响。以不施氮肥(NP)、氮肥减量(NP)、氮肥常量(NP)和氮肥过量(NP)4个处理分析施用氮肥的效应。由表3、图1和图2可知，干物质积累量氮肥效应表现为氮肥过量>氮肥常量>氮肥减量>不施氮肥；氮肥常量、氮肥减量和氮肥过量处理较不施氮肥干物质积累量分别增加 41.25%、39.20%和51.03%，3种施肥方式差异不显著，减量施肥在节约投入成本的基础上保证作物质量。籽粒产量的氮肥效应表现为氮肥常量>氮肥过量>氮肥减量>不施氮肥，氮肥常量、氮肥减量、氮肥过量处理的籽粒产量较不施氮肥分别增加24.97%、11.51%、14.21%，且氮肥减量与氮肥过量无显著差异，氮肥常量显著大于其他处理，表明施氮有利于产量提高，其中常量施氮对籽粒产量的增加更加有利；从不同施氮处理的氮肥农学利用率看，减量施氮表现为1 kg 氮肥(N)可使春小麦增产5.56 kg。而经济效益的施氮效应表现与籽粒产量表现一致，与不施氮相比，氮肥常量、氮肥减量和氮肥过量分别增加23.65%、10.78%、10.67%，氮肥减量增幅高于氮肥过量，低于氮肥常量，由此可知，氮肥减量有利于经济效益的提高，过量增施抑制作物各项指标。

表3 不同水平氮肥的春小麦干物质积累、产量、经济效益及农学利用率Table 3 Dry matter accumulation, yield,economic benefit, agronomic utilization rate of spring wheat under nitrogen levels

图1 不同水平氮肥的春小麦干物质积累、产量和经济效益Fig.1 Dry matter accumulation，yield and economic benefits of spring wheat with different levels of nitrogen fertilizer

图2 不同水平氮肥的春小麦干物质积累、产量、经济效益增量百分比及农学利用率Fig.2 Percentage of dry matter accumulation，yield，economic benefit increment and agronomic utilization rate of spring wheat with different levels of nitrogen fertilizer

磷肥施用对滴灌春小麦干物质、产量、肥料利用及经济效益的影响。以不施磷(NP)、磷肥减量(NP)、磷肥常量(NP)和磷肥过量(NP)处理进行施磷效应分析。由表4、图3和图4可知，干物质积累量施磷效应表现出与氮肥效应相似的趋势，且磷肥减量、磷肥常量和磷肥过量干物质积累量分别增加0.07%、17.78%、5.05%，磷肥减量与磷肥常量差异显著，与磷肥过量差异不显著，说明磷肥的投入对春小麦干物质积累有促进作用，且减量施磷不影响干物质的积累。籽粒产量效应表现为磷肥常量>磷肥减量>磷肥过量>不施磷，磷肥减量、磷肥常量和磷肥过量比不施磷肥籽粒产量分别增加17.75%、24.12%、11.11%，且磷肥常量、磷肥减量与磷肥过量差异显著；从磷肥农学利用率来看，减量施磷的磷肥农学利用率最高，1 kg 磷肥(PO)可使春小麦增产16.28 kg，均高于磷肥常量与磷肥过量。经济效益磷肥效应表现为磷肥常量>磷肥减量>磷肥过量>不施磷，与不施磷肥相比，磷肥减量、磷肥常量和磷肥过量分别提高25.80%、30.13%、21.17%，但磷肥减量与磷肥常量、磷肥过量无显著差异，说明磷肥减量更加有利于经济效益的增加。

图3 不同水平磷肥的春小麦干物质积累、产量和经济效益Fig.3 Dry matter accumulation，yield and economic benefits of spring wheat with different levels of phosphorus fertilizer

图4 不同水平磷肥的春小麦干物质积累、产量、经济效益增量百分比及农学利用率Fig.4 Incremental percentage of dry matter accumulation，yield，economic benefit and agronomic utilization rate of spring wheat with different levels of phosphorus fertilizer

表4 不同水平磷肥的春小麦干物质积累、产量、经济效益及农学利用率Table 4 Dry matter accumulation, yield, economic benefit and agronomic utilization rate of spring wheat with different levels of phosphorus fertilization

肥料模型的建立。

(1)采用一元二次模型=++，将P固定在138 kg/hm条件下，对氮素效应模型进行拟合，得出氮肥肥料效应回归方程：

=6 20464+1079-002

(2)

=410(=033>005)未达显著水平，不能进行回归分析，表明试验不能完成滴灌春小麦氮素单因素效应分析，具体预测见图5。

图5 不同水平氮肥的春小麦肥料效应模型Fig.5 Fertilizer effect model of spring wheat with different levels of nitrogen fertilizer

将N肥固定在260 kg/hm条件下，对磷素效应模型进行拟合，其肥料效应回归方程：

=6 304986+24803 2-0102 2

(3)

=4921(=0000 2<005)，=0.99，表明该试验能够完成磷素的单因素效应分析(图6)。

图6 不同水平磷肥的春小麦肥料效应模型Fig.6 Fertilizer effect model of spring wheat with different levels of phosphorus fertilizer

(2)实际种植过程中，肥料之间存在一定的耦合关系，为预测籽粒产量与2种肥料的施用关系，建立二元二次方程，考虑到2种肥的耦合关系对表2籽粒产量数据建立回归方程，可得到籽粒产量与氮肥、磷肥施用量的关系：

=5 43013+848+1604-002-007+0007×

其中=5358(=0000>005)，=0.93，达显著水平，且一次项系数为正值，二次项次数为负值，是典型的肥料效应函数模型，可以用来对滴灌春小麦产量进行肥料效应分析(图7)。

图7 不同水平氮肥、磷肥耦合的春小麦肥料效应模型Fig.7 Fertilizer effect model of spring wheat coupled with different levels of nitrogen and phosphorus fertilizer

综上所述，由一次性偏回归系数可知，在K肥投入不变的情况下，N肥对籽粒产量的影响低于P肥；N、P肥料的二次项回归系数均为负数，表明2个肥料因子的效应曲面为抛物曲面，应存在最高产量的适宜氮磷肥投入量，超过该投入量会造成籽粒产量的下降。

肥料模型应用。通过建立一元和二元肥料效应模型分析滴灌春小麦氮磷肥综合效应，认为氮磷肥的二元二次更能反映氮磷肥的施用效果。因此，按照肥料效应函数求解最高产量的方程组=b+ 2b+b=0和=b+2b+b=0，列出方程组：

(5)

得出最高产量7 435.43 kg/hm，其施肥量为N 234.05 kg/hm，P 126.2 kg/hm。根据二元二次模型及肥料、产品的价格计算，在新疆北疆中高产田滴灌春小麦氮肥最佳用量为214.06 kg/hm，磷肥最佳用量为108.63 kg/hm，最佳施肥量的产量为7 408.12 kg/hm，氮磷肥适宜配施比例为1∶0.51。

3 讨论

节肥、高产和环保是农业可持续发展和保障粮食安全的必然要求，也是未来小麦实际生产的必然选择。研究表明氮肥和磷肥的施用对滴灌春小麦产量及其构成具有显著的互作效应，但过量投入并不能提高春小麦的产量和干物质积累。该研究中，平衡施肥(常量和减量)的干物质积累、籽粒产量和经济效益较不施肥处理分别提高35.43%、44.16%、34.47%，比过量施肥处理分别提高5.06%、5.94%、14.40%，比缺素处理分别提高20.86%、19.59%和11.00%。此外，该研究发现过量和缺素施肥会造成经济效益的降低，这表明在钾肥确定的基础上，氮磷平衡施肥有利于滴灌春小麦干物质积累、籽粒产量和经济效益的增加，表现出更好的稳产、增产效应。

肥料的投入对作物生长发育及后期产量形成具有重要作用。研究表明，影响籽粒产量、促进花后干物质积累及转运等的主要因素是氮磷肥的施用。该研究中，氮、磷肥单因子效应分析表明，随着氮、磷肥水平的提高，滴灌春小麦干物质积累、籽粒产量和经济效益均表现为先增后降的趋势，干物质积累的氮、磷肥效应虽表现为过量>常量>减量>不施肥，但平衡施肥与过量施肥差异不显著，籽粒产量、经济效益的氮、磷肥效应表现为常量>减量>过量>不施肥，说明适宜的氮磷减量不影响滴灌春小麦干物质积累，有利于后期营养向籽粒转运，这与前人研究结果一致。因此，在生产实际中不可盲目加大肥量投入，需结合品种特性、土壤养分状况等综合优化施肥，才能达到高产、高效的目的。

拟合肥料效应方程是诸多学者研究合理施肥和确认区域最佳施肥量的有效措施。在该试验中，通过建立以氮磷肥为变量、籽粒产量为目标函数的肥料效应一元、二元方程，明确二元二次拟合方程更加适合进行效应分析，并且根据计算得出在新疆北疆中高产田滴灌春小麦氮肥最佳用量为214.06 kg/hm，磷肥最佳用量为108.63 kg/hm，最佳施肥量的产量为7 408.12 kg/hm，氮磷肥适宜配施比例为1∶0.51。

4 结论

该研究结果表明适当的氮磷减施，有利于滴灌春小麦干物质积累、籽粒产量和经济效益的增加，过量和缺素施肥不仅会降低干物质积累与籽粒产量，甚至会造成经济效益的降低。因此，在北疆区域滴灌春小麦氮肥最佳用量为214.06 kg/hm，较农户习惯施肥减少氮肥施用175.94 kg/hm，氮肥减施45%，磷肥最佳用量为108.63 kg/hm，较农户习惯施肥减少磷肥施用98.37 kg/hm，磷肥减施47%，最佳施肥量的产量为7 408.12 kg/hm，氮磷肥适宜配施比例为1∶0.51。