施氮对冬/春小麦-夏玉米周年产量和氮素利用影响的研究进展

刘梦 葛均筑 杨永安 吴锡冬 侯海鹏 张垚

摘    要：氮素是影响小麦、玉米生长发育和器官建成的重要营养元素，适量施氮可改善叶片光合性能，促进干物质积累与转运及籽粒灌浆速率，提高产量和氮肥利用效率。生产中过量施氮会导致肥效降低与面源污染等生态问题，优化减氮协同能提高产量和肥料利用率。本文从冬/春小麦-夏玉米产量形成过程、产量及构成因素和氮素利用3个方面综述了施氮量对华北平原麦-玉轮作系统产量和氮素利用影响的研究进展，展望了夏玉米籽粒机械直收技术要求背景下冬/春小麦-夏玉米周年耕作制度变革优化施氮的研究重点，以期为华北平原冬/春小麦-夏玉米周年双机械直收的栽培技术优化与种植制度变革提供理论支撑。

关键词：冬/春小麦;夏玉米;施氮量;周年产量;氮素利用

中图分类号：S512.1;S513;Q945.1             文献标志码：A           DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2022.06.005

Research Progress on the Effect of Nitrogen Application on Annual Yield and Nitrogen Use Efficiency of Winter/Spring Wheat-Summer Maize

LIU Meng1， GE Junzhu1， YANG Yongan2， WU Xidong1， HOU Haipeng3， ZHANG Yao1

（1.College of Agronomy and Resources and Environment， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384， China; 2.Tianjin High-quality Agricultural Products Development Demonstration Center， Tianjin 301500， China; 3.Tianjin Agricultural Development Service Center， Tianjin  300061， China）

Abstract：Nitrogen is an important nutrient element effect on wheat and maize growth， organ building and yield formation. Appropriate nitrogen application can improve the leaf photosynthetic properties， promote dry matter accumulation and translocation， and grain filling rate， which lead to increase grain yield and nitrogen use efficiency. Excessive nitrogen application in production results in ecological problems， ie.， fertilizer efficiency reduction and non-point source pollution. And optimization of reducing nitrogen can increased grain yield and nitrogen use efficiency synergistically. In this paper， winter/spring wheat and summer maize yield formation process， yield and its composition factors， and nitrogen use efficiency were reviewed to recommend the research progress of nitrogen application affect wheat-maize annual rotation system yield and nitrogen use efficiency in the North China Plain. The research focus of annual optimal nitrogen application in winter/spring wheat-summer maize crops system optimization reform under the background of summer maize grain mechanical harvesting was prospected. So， its provided theoretical support for optimize cultivation technology and reform annual rotation system of winter/spring wheat and summer maize to achieve mechanical direct harvesting in the North China Plain.

Key words： winter/spring wheat; summer maize; nitrogen application; annual yield; nitrogen utilization

冬小麥-夏玉米周年轮作模式是华北平原传统种植制度，其产量分别占全国50%和40%左右，在保障国家粮食安全中发挥重要作用[1-2]。近年来，因全球气候变化与生产技术进步，传统栽培技术导致播期和生育期与光温资源匹配度下降，冬小麦冬前旺长，抗冻性减弱，夏玉米早收腾茬，没有完全成熟引起减产，限制了周年产量及资源利用效率的协同发展[3-5]。随着玉米籽粒机械直收技术的发展，夏玉米早收腾茬脱水时间较短[6]，籽粒含水量难以达到27%以下机械直收标准[7]。因此，在光温资源紧张的情况下，通过协调麦-玉光温资源配置，突破茬口衔接问题成为区域研究热点[8-9]。氮素是影响小麦和玉米产量的重要营养元素，传统栽培模式下为保证产量，周年施氮量平均为545～600 kg·hm-2，远超过作物对氮素的最佳需求[10-11]，导致土壤氮素淋溶与残留量增加，氮肥利用率下降，面源污染引起的生态问题凸显[12]。因此，在协调麦-玉光温资源配置调整的基础上优化氮肥管理技术也十分必要，优化减氮可在保证产量的基础上显著提高小麦[13-15]和玉米[16-17]的氮肥利用率。目前，关于施氮对华北平原冬小麦-夏玉米轮作模式的周年产量及氮素利用研究比较充分，但缺乏系统整理和归纳总结，而关于区域麦-玉种植制度变革研究较少。因此，本文综述了施氮量对冬/春小麦-夏玉米产量形成过程、产量及构成因素和氮素利用等3个方面的研究进展，展望了夏玉米籽粒机械直收技术要求背景下冬/春小麦-夏玉米周年耕作制度变革优化施氮的研究重点，以期为华北平原冬/春小麦-夏玉米周年双机械直收的栽培技术优化与种植制度变革提供理论支撑。

1 施氮对冬/春小麦-夏玉米产量形成过程的影响

氮肥是影响小麦生长发育和产量形成过程的重要因子，施氮可提高叶面积指数[18]，显著改善小麦光合性能[19-20]，影响物质积累与转运[21]。传统栽培模式下，农户在生产中为实现高产，会增加化肥用量来提高经济效益，但大量研究表明，氮肥对小麦产量形成过程正向调控存在阈值，超过临界值后，投入产出比会急剧下降[19，22-23]。叶面积指数和叶绿素含量是衡量光合性能的重要指标之一，冬小麦旗叶LAI、SPAD值、净光合速率随施氮量增加呈先升高后降低的趋势[19，24]。施氮不足或过量会导致LAI和光合速率下降，干物质量降低，增产效应降低。华北地区冬小麦优化施氮量为210～240 kg·hm-2，可促进冬小麦有效分蘖，提高叶面积指数及旗叶叶绿素含量，提高光化学效率，改善旗叶光合性能，提高干物质积累量[25]，优化小麦茎鞘物质输出和转化率，达到高产生理基础[21，23，26]。

随着施氮量的增加，春小麦叶片光合特性、叶面积指数、干物质积累、花前干物质转运效率及其对籽粒产量贡献率均呈先增大后减小趋势[27-30]，且不同春小麦品种和生育时期差异显著[31]。北方春麦区优化施氮量为245～255 kg·hm-2，可显著促进春小麦根系生长发育，提高生育后期根系生理活性，增加茎蘖数，提高粒叶比，促进干物质向籽粒转运，提高粒质量，实现增产[32-33]，而华北平原春小麦适宜施氮范围尚无定论。

氮肥是玉米稳产和高产的保障，增施氮肥可改善玉米形态特征[34]，促进叶片叶绿素含量下降变缓，功能期延长，显著提高叶面积指数，维持籽粒灌浆期较高的光合性能，调控干物质积累与转运[35-36]。干物质积累和转运是影响夏玉米产量形成的关键因素[37]，施氮可促进植株光合产物积累，显著影响灌浆期干物质积累，实现增产[38-39]。近年来，夏玉米生产中节肥减氮的需求不断增大。张美微等[34]研究表明，华北平原减氮20%至180 kg·hm-2未对夏玉米干物质积累与转运造成显著不良影响，配施有机肥可实现高产高效的生产目标。陈磊等[40]认为，在华北平原土壤肥力水平较高地区，减氮25%甚至40%时根系形态和根系生长参数无显著变化。

2 施氮对冬/春小麦-夏玉米产量及其构成因素的影响

氮肥对产量构成因素的调节作用是促进小麦高产的基础，增施氮肥能够优化群体结构，增加有效穗数、穗粒数和粒质量[41]，调控小麦叶面积指数进而提高粒叶比来增加产量[12，42]，并对冬小麦籽粒形成和灌浆起着关键的调控作用，显著影响小麦弱势粒的粒质量[43-44]。研究表明，施氮不足会导致冬小麦拔节期后分蘖消减和群体数减少，限制产量提升[19];施氮过多并不会使产量持续增加[45]。施氮超过225 kg·hm-2会造成分蘖数增加，群体过大，后期贪青晚熟[19，23]，限制穗部发育和同化物分配效率。虽然成穗数增加，但是穗粒数增加受到影响，尤其是粒质量降低造成减产[46-47]。目前华北地区冬小麦高产高效的合理氮肥施用量尚不明确，有学者认为172～270 kg·hm-2为宜[48]，曹倩等[22]认为施氮量与冬小麦籽粒产量呈抛物线关系，冬小麦施氮量的最高上限为150～225 kg·hm-2，过高或者过低都会造成产量下降。

合理施氮有利于促进春小麦氮素吸收和转运。刘克礼等[49]在内蒙古的研究表明，拔节期至孕穗期适宜氮素供应可以提高成穗率，增加穗粒数，通过延长叶面积稳定期和提高生育后期光合效率来增加粒质量，从而获得高产。通过新疆地区的试验，欧阳雪莹等[50]认为，适当施氮可促进春小麦千粒质量的增加，而对其他产量构成因素影响不显著;过量施氮增产效应下降，减施10%～20%氮肥能实现减肥不降产[27-28]，促进干物质积累向籽粒中分配，增加穗数、穗粒数和春小麦籽粒产量[32];滴灌春小麦施氮量减至225～250 kg·hm-2时，产量及其构成因素较高，实现节肥和高产协同[51]。马一峰等[52]在華北地区的研究也表明，施氮能够调节氮素吸收和转运，改善产量构成因素，提高春小麦穗数、千粒质量提高产量[52]。

施氮可促进光合产物向籽粒转运，影响雌穗分化，阻止籽粒败育，改善产量构成，增加穗行数，施氮225 kg·hm-2秃尖长度显著缩短23.8%～43.5%[53];施氮可延长灌浆活跃期，减少顶部籽粒败育并促进灌浆，改善穗部性状，增加穗粒数和穗粒质量[54-55]，调控灌浆速率提高千粒质量和产量[5]。一般认为，在传统施氮基础上适量减施氮肥不会显著影响作物产量，在14.3%～28.6%范围内可有效提高玉米生产效率[17]。张盼盼等[56]研究表明，减氮1/3和1/6的产量、籽粒氮浓度、收获指数和氮收获指数无显著变化。李银坤等[57]证实，在农民习惯施氮基础上减量1/3不会显著影响玉米产量。陈传永等[17]研究表明，氮肥施用量减少28.6%也能满足华北高产夏玉米每生产100 kg籽粒需氮1.75 kg[14]的氮肥需求。由此可知，华北地区夏玉米生产中减施氮肥是可行的，但不同学者报道的减氮比例和施氮量存在较大差异，减氮至何水平能够同时获得最佳产量和氮素利用效率尚无定论，这与土壤质地、初始土壤含氮量等因素密切相关。

3 施氮对冬/春小麦-夏玉米氮素利用的影响

施氮量显著影响作物产量和植株氮素吸收，且籽粒产量与氮素吸收和利用效率有关[19-20]，适宜施氮量能调节农田氮盈余量，降低氮表观损失量，提高产投比[21]。华北平原小麦氮肥投入量一般高于240 kg·hm-2，施氮量过高会导致氮素的利用率显著降低，土壤中氮素的表观损失显著增加，在农户习惯施氮条件下，施用每千克氮冬小麦仅增产2 kg[58]。李世娟等[59]认为，限水灌溉条件下冬小麦产量随氮肥用量（0～375 kg·hm-2）增加而增加，当施氮量超过225 kg·hm-2后增施氮肥冬小麦产量不再增加，且随着施氮量的增加，氮肥偏生产力[41]、氮肥利用率和农学利用率持续下降，而生理利用率呈现出“低—高—低”的抛物线变化趋势，在施氮量为225 kg·hm-2时达到最高值，在现有土壤供氮能力下，农户习惯施氮水平（如300 kg·hm-2）氮肥的表观利用率在10%左右[58]。刘克礼等[49]通过内蒙古的研究认为，氮肥与磷钾肥合理配施有利于提高氮素吸收量和吸收速度，能协调春小麦碳氮代谢平衡，协调生殖生长与营养生长，提高氮肥利用率。充足的养分供应尤其是氮素投入能够提高光能转化效率[9]，过高的氮投入会降低实际光化学效率[60]。合理施氮有利于促进春小麦氮素吸收和转运，对氮利用有较大的调控效应[50]，过量施氮增产效应下降。总而言之，为兼顾产量和环境保护，保证作物需求同时最大限度降低施肥量是肥料合理运筹的要求，但目前华北平原试验中小麦-夏玉米周年总施肥量偏高（420～600 kg·hm-2），且多依赖灌溉提高肥料生产力[10-11，41]。数据显示，周年氮肥用量减少至330 kg·hm-2作物产量不会显著降低[41]。董娴娴等[61]认为，小麦季适度减氮提高氮肥的利用效率，利于后茬夏玉米根系下扎，促进根系发育和对深层累积NO3  -  -N的吸收利用，说明华北平原降低周年施氮量是可行的。由于夏玉米季降雨集中，造成肥料淋失[62]，在夏玉米季增加氮肥的增产幅度小，且当季肥料利用率不高[63-64];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[41]，玉米播前根区（0～90 cm）残留的硝态氮与当季氮素具有同等有效性[41，65]。因此，降低夏玉米季施氮比例，增加小麦季施氮量有利于提高周年产量和资源利用效率。研究表明，麦-玉轮作体系中氮积累量随小麦季施氮量的增加而增加，冬小麦与夏玉米施氮配比为2∶1可以获得最大收益，此时小麦植株的吸收氮肥能力和籽粒蛋白质含量显著提高[41]。

生产中施氮量过高可导致肥料利用率低、土壤质量下降等问题[66]。调查结果显示，华北平原夏玉米农田氮肥投入量平均为276 kg·hm-2，氮肥利用率一般低于25%，施用每千克氮肥夏玉米仅增产3 kg[58]，且氨挥发损失较高[2]。随着施氮量的增加，夏玉米氮肥利用率、农学利用率和氮肥偏生产力不断降低，生理利用率呈现先升后降的趋势[41，58];施氮量超过180 kg·hm-2后，氮肥的几种利用率随施氮量的增加均急剧下降。高施氮条件下（240 kg·hm-2以上），作物对氮素的低利用率导致土壤中氮素表观损失显著增加[58]。为改善过量施氮对环境的危害，提高氮素利用效率，在常规施氮量基础上适量减氮，能够协调氮素积累和转运[67]，促进植株对氮素吸收和利用[68]，增加土壤硝态氮累积，减少N2O的排放[69]，优化施氮可使氮肥偏生产力从26 kg·kg-1提升至57 kg·kg-1[70]。徐杰等[71]研究表明，周年施氮270 kg·hm-2可调节产量形成过程，改善产量构成因素，促进群体干物质积累和氮素的吸收利用，使氮肥农学利用率、氮肥偏生产力、氮素利用效率均保持较高水平，并降低土壤硝态氮残留。陈磊等[40]认为，在华北平原土壤肥力水平较高地区，减施氮肥25%～40%对夏玉米根际土壤无机氮供应水平、地上部总吸氮量无明显影响，可显著降低氮素表观损失，提高氮素利用率。夏玉米季施氮量与作物收获后土壤剖面NO3  - -N累积量，NO3 --N累积量与后茬冬小麦的产量均呈极显著线性正相关关系，说明施入的氮肥对后茬作物有很强的有效性，生产中应充分考虑[65]。钟茜等[58]研究表明，前茬施氮量达到225 kg·hm-2时，可基本满足夏玉米的吸氮量，适当降低夏玉米施氮水平，能够吸收和利用在30～60 cm土层的上季残留硝态氮。因此，综合考虑夏玉米汛期雨水流失，氮肥淋洗和保障作物产量等因素[65]，在有限施氮的条件下提高冬小麦季氮肥分配比例，更有利于实现增产增效[72-73]。

4 展望

作为华北地区的传统栽培模式，冬小麦-夏玉米轮作体系面临气候变化、生产技术及减氮增效的诸多挑战[74-75]。早播导致冬小麦冬前旺长及抗冻性减弱，夏玉米籽粒机械直收技术要求光温匹配向夏玉米季偏移[7，36，76]。研究明确优化提高夏玉米与光温资源匹配度，实现光温资源高效利用和夏玉米籽粒机收的技术途径[77-80]。因此，在华北平原周年减氮高产高效栽培技术发展过程中，应注重以下几方面的研究：（1）优化施氮是作物高效生产和绿色农业可持续发展的永恒需求，深入探究华北地区优化减氮对冬/春小麦-夏玉米产量调控的生理机制，特别是周年季节作物间氮素统筹优化与利用，充分提高前茬氮素残留的利用效率，以减少氮素投入和环境胁迫;（2）深入开展优化施氮对冬小麦播期推迟，夏玉米延迟收获提高冬小麦抗逆性及夏玉米籽粒机械直收影响的生态学机制，提高周年光温匹配度及生产潜力，促进华北平原麦-玉周年全程机械化技术的发展;（3）研究华北平原北部冬小麦调整为春小麦，改革麦-玉种植制度情境下，优化施氮對周年产量形成、气候资源配置及氮素利用的影响，特别是减少小麦季地下水灌水次数，回补地下水的生态学机制，实现缓解水资源匮乏压力，提高水肥利用效率，稳定周年作物产量。

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