施氮量对滴灌冬小麦–夏玉米周年产量及氮素利用效率的影响

2022-09-22曲文凯徐学欣郝天佳赵金科孟繁港赵长星

植物营养与肥料学报 2022年7期

曲文凯，徐学欣，郝天佳，刘帅，赵金科，孟繁港，赵长星

（山东省旱作农业技术重点实验室/青岛农业大学农学院，山东青岛 266109）

施氮和灌水是促进作物生长、提高作物产量的重要手段，其中氮素更是作物生长发育和形态建成所需的最关键营养元素[1]。中国是世界上氮肥消费量最大的国家，我国农田单位面积平均施氮量是世界平均水平的4倍，但在实际生产中农民常采用“一炮轰”的施肥方式并结合大水漫灌的灌溉方式，肥料随大水向深层土壤运移，使地下水硝态氮含量超标并伴随着肥料利用率低下和水分利用效率低下的严重问题[2]。近年来滴灌水肥一体化技术发展迅速，已经在小麦、玉米等作物上大面积推广应用，该技术可将水肥精准高效的投送到作物根际土壤，极大提高了水氮利用效率[3–7]，华北平原地区是我国粮食主产区，且主要以小麦–玉米轮作为主要种植模式，研究表明该地区的小麦–玉米轮作体系氮素施用严重超标[8]，从环境保护和经济性考虑，探讨适用于该地滴灌条件下合理的施氮量至关重要。郭丽等[9]研究表明施氮量超过240 kg/hm2，土壤硝态氮残留量增加，硝态氮向深层运移增加，且随种植年限增加而愈加明显，增加了淋失和污染地下水的风险。滴灌条件下适量减氮可增加小麦干物质积累量和花前干物质转运效率及其对籽粒产量贡献率[10]，杜君等[11]在河南省的试验表明，滴灌水肥一体化技术下，化肥用量减施 20%能显著提高夏玉米产量，提高经济效益，是适宜在潮土区推广的一种高效节本增收的施肥灌溉模式，而滴灌水肥一体化条件下施氮过多会产生负效应，对玉米的生长发育和产量产生抑制作用[12]。前人的研究以施氮对小麦或玉米单季作物的产量、水氮利用效率的影响为主，且这些研究多是在水肥耦合和常规灌溉条件下进行的，关于施氮量对定量灌溉滴灌条件下的小麦–玉米周年产量、氮肥利用效率的影响的研究是鲜见的，为此，本试验研究了施氮量对滴灌冬小麦/夏玉米周年产量、干物质积累、氮素利用和土壤氮素残留的影响，以期为小麦–玉米周年绿色增产增效提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2018年10月—2020年10月连续2年在青岛农业大学胶州现代农业示范园(35.53°N，119.58°E)进行，该地属半湿润季风气候，土壤类型为砂姜黑土。收获后小麦、玉米秸秆全部还田。试验前0—20 cm土层土壤有机质含量18.11 g/kg、全氮 0.79 g/kg、碱解氮 96.2 mg/kg、速效磷 17.2 mg/kg、速效钾142.2 mg/kg。供试冬小麦品种为济麦22，夏玉米供试品种为郑单958。设不施氮 (N0)，小麦、玉米分别施氮 150/150 kg/hm2(N1)、210/225 kg/hm2(N2)和 270/300 kg/hm2(N3) 4 个施氮水平，以传统灌溉方法和施氮量240/240 kg/hm2为对照(CK)，试验采用单因素随机区组设计，3次重复。各施氮处理小麦均底施纯氮 90 kg/hm2、P2O590 kg/hm2和 K2O 90 kg/hm2，N0 处理底施 P2O590 kg/hm2和 K2O 90 kg/hm2，过磷酸钙作磷肥、硫酸钾作钾肥、尿素作氮肥；玉米各处理施肥量和施肥种类同小麦。小区面积60 m2，小麦每小区种植12行，行距20 cm，滴灌管铺设“一管3行”，于小麦拔节期、开花期、灌浆中期(开花后15天)进行滴灌等量追肥(3个时期的追肥量相同)，肥料种类为尿素，N1、N2和N3处理在每个追肥时期的追施纯氮量分别为20、40和60 kg/hm2，并于每次定量灌溉40 mm，水表计量灌水量；CK处理于拔节期和开花期畦灌，第一年度水表计量总畦灌量为151.3 mm，第二年度水表计量总畦灌量为162.3 mm，CK处理于拔节期畦灌前采用撒施的方式追肥，追施纯氮量为150 kg/hm2。2018—2019年小麦季全生育期降雨量122.7 mm；2019—2020年小麦季全生育期降雨量257.1 mm。玉米种植密度为75000株/hm2，行距60 cm，滴灌管铺设“一管1行”。各滴灌处理分别于拔节期、大喇叭口期、开花期、花后20天进行滴灌等量追肥(4个时期的追肥量相同)，肥料种类为尿素，N1、N2和N3处理在每个追肥时期的追施纯氮量分别为15、33.75 和 52.5 kg/hm2，每次定量灌溉 30 mm (由于2019—2020年玉米季多降雨且降雨量较大，每次定量灌溉10 mm)，水表计量灌水；CK处理于拔节期畦灌，第一年度水表计量总畦灌量为78.4 mm，由于第二年度降雨量较大，水表计量总畦灌量为62.6 mm，CK处理于拔节期畦灌前采用沟施方式进行追肥，追施纯氮量为150 kg/hm2。2019年玉米季全生育期降雨量为101.3 mm；2020年玉米季全生育期降雨量为638.2 mm。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 干物质积累冬小麦于成熟期取样，每小区取连续30株小麦，每个处理3次重复，植株按茎、叶、穗分开；夏玉米于成熟期取样，每小区取3株长势一致的植株，每个处理3次重复，植株按茎、叶、苞叶、籽粒、穗轴分开，将植株各个器官置于75℃烘箱烘干至恒重，称量干物质重量。

1.2.2 氮素积累采用半微量凯式定氮法测定各器官氮素含量，各器官氮素积累量=各器官干物质积累量×各器官含氮量。

1.2.3 土壤硝态氮分别在冬小麦和夏玉米成熟期用土钻取0—100 cm土层土壤，每20 cm为一层，一部分放入–20℃冰箱保存用于测土壤硝态氮含量，另一部分用烘干法测定土壤含水量。土壤硝态氮含量测定参考文献[13]：称取 5 g新鲜土壤，加入 50 mL 1 mol/L 的 KCl 溶液，封口膜封口，用摇床震荡 30 min，震荡速度为250 r/min，滤纸过滤，滤液用 AA3连续流动分析仪(AutoAnalyzer-Ⅲ，德国，SEAL 公司)测定硝态氮含量，采用环刀法测定0—100 cm土壤容重，每20 cm为一层进行测定。土壤硝态氮残留量(kg/hm2)=土层深度(cm)× 土壤容重(g/cm3)×土壤NO3–-N 含量 (mg/kg)/10。

1.2.4 土壤全氮土壤全氮含量的测定：称取5 g风干土，采用半微量凯氏定氮法测定土壤全氮含量。

1.2.5 籽粒产量及产量构成因素冬小麦收获前调查单位面积穗数和穗粒数，成熟时每个小区选4.8 m2面积进行收获测定产量(13%含水量)，同时测定千粒重(13%含水量)。夏玉米收获时每小区选取5 m 2行的区域调查穗数，收获后调查穗粒数和千粒重(14%含水量)，脱粒测定产量(14%含水量)。

1.2.6 氮肥利用率相关计算公式如下[14–15]：

氮素利用效率(NUE，kg/kg)=籽粒产量/植株氮素积累量；

氮肥偏生产力(PFP，kg/kg)=籽粒产量/施氮量；

氮肥农学利用率(NAE，kg/kg)=(施氮区籽粒产量–无氮区籽粒产量)/施氮量。

1.3 数据处理与分析

采用 Microsoft Excel 2010 软件对数据进行处理，采用DPS统计软件进行方差分析，用Origin 2018作图，多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 施氮量对冬小麦、夏玉米产量及产量构成因素的影响

方差分析结果(表1、表2)表明，氮肥对小麦和玉米的单位面积穗数、穗粒数、千粒重和产量均有极显著影响；年份对小麦单位面积穗数、穗粒数和产量有极显著影响，对千粒重无显著影响；年份对玉米千粒重和产量有极显著影响，对单位面积穗数和穗粒数无显著影响；氮肥和年份互作对小麦单位面积穗数、穗粒数、千粒重和产量均有极显著影响，对玉米单位面积穗数、穗粒数和产量有极显著影响，对玉米千粒重无显著影响。进一步分析表明，两年度冬小麦生长季，N2处理产量最高，且显著高于其他处理，2年平均产量为8502 kg/hm2，各处理产量均呈表现为N2>N3>CK>N1>N0，在滴灌施肥条件下，施氮0～210 kg/hm2范围内，冬小麦单位面积穗数、穗粒数随施氮量增加而增加，而千粒重随着施氮量的增加呈现降低的趋势。由表2可知，2019年夏玉米产量表现为N3、N2>CK>N1>N0，2020年夏玉米产量表现为N2、N3>CK>N1>N0，在各滴灌施肥处理下，穗粒数随着施氮量的提高而增高，千粒重随着施氮量的提高先升高后降低；两年度，千粒重均在N2处理下最高，穗粒数均在N3处理下最高，且N2与N3处理穗粒数无显著差异；N2处理的产量、穗粒数和千粒重与CK处理相比平均分别提高7.1%、0.7%和4.7%。由图1可知，两年度，小麦/玉米周年产量以N2处理的最高，2年平均产量为19482 kg/hm2且产量均表现为N2、N3>CK>N1>N0，玉米季2020年度，降雨较多，降雨量较大，影响了籽粒的灌浆，导致千粒重显著下降，产量较2019年玉米季下降。

图1 施氮对2018—2020周年产量的影响Fig.1 The effects of nitrogen fertilization on annual yield in 2018–2020

表1 不同施氮量处理冬小麦产量及其构成因素Table 1 Yield and yield components of winter wheat under different N treatments

表2 施氮量对夏玉米产量及产量构成因素的影响Table 2 Effects of nitrogen application rate on summer maize yield and yield components

2.2 施氮量对冬小麦、夏玉米干物质积累的影响

方差分析结果(表3)表明，氮肥、年份以及氮肥和年份互作对小麦干物质积累量、玉米干物质积累量均有极显著影响。进一步分析表明，在滴灌施肥条件下，施氮0～270 kg/hm2范围内，两年度冬小麦干物质积累量随着施氮量的增加而提高，表现为N3、N2>N1>N0；CK处理的干物质积累量显著低于N2和N3处理，并显著高于N1和N0处理。滴灌施肥条件下，施氮0～300 kg/hm2范围内，两年度夏玉米干物质积累量随着施氮量的增加而提高，均在N3施氮水平下达到最大值，夏玉米干物质积累量均表现为N3、N2>N1>N0，CK处理的干物质积累量显著低于N3处理，并在2020年显著高于N1和N0处理，与N2处理无显著差异。

表3 不同施氮量下冬小麦、夏玉米干物质积累量 (kg/hm2)Table 3 The dry matter accumulation of winter wheat and summer maize under different N application rates

2.3 施氮量对冬小麦、夏玉米氮素吸收的影响

方差分析结果(表4)表明，氮肥、年份以及氮肥和年份互作对小麦氮素积累量、玉米氮素积累量均有极显著影响。进一步分析表明，在滴灌分次施肥条件下，冬小麦季施氮0～270 kg/hm2范围内，冬小麦氮素积累量随着施氮量的提高而升高，两年度冬小麦氮素积累量均呈现N3、N2>N1>N0，N3处理时氮素积累量最高，CK处理氮素积累量与N3和N2处理之间无显著差异，但显著高于N1和N0处理。夏玉米季，施氮0～300 kg/hm2范围内，夏玉米氮素积累量随着施氮量的提高而提高，N3处理夏玉米成熟期氮素积累量最高，2019年，夏玉米氮素积累量表现为N3>N2>N1>N0，2020年表现为N3、N2>N1>N0；2019年度CK处理氮素积累量显著低于N3处理，与N2无显著差异，但显著高于N1和N0处理，2020年度CK处理氮素积累量显著低于N3和N2处理，与N1处理无显著差异。

表4 不同施氮量下冬小麦、夏玉米氮素吸收量 (kg/hm2)Table 4 Nitrogen absorption of winter wheat and summer maize under different N treatments

2.4 施氮量对冬小麦、夏玉米氮肥利用率的影响

方差分析结果(表5)表明，氮肥对冬小麦和夏玉米氮肥偏生产力、氮肥农学利用率和氮素利用效率均有极显著影响；年份对冬小麦季氮肥偏生产力、农学利用率和氮素利用效率以及夏玉米氮肥偏生产力均有极显著影响；年份对夏玉米氮肥农学利用率和氮素利用效率无显著影响；氮肥、年份互作对夏玉米氮肥偏生产力、氮肥农学利用率和冬小麦季氮肥偏生产力、氮肥农学利用率及氮素利用效率均有极显著影响，氮肥、年份互作对夏玉米季的氮素利用效率无显著影响。进一步分析表明，冬小麦、夏玉米氮肥偏生产力整体均随着施氮量的增高而下降，两年度冬小麦均表现为N1>N2>CK>N3，夏玉米季均表现为N1>N2>CK>N3。冬小麦季氮素利用效率随着施氮量的提高而下降，夏玉米N0、N1、N2处理的氮素利用效率显著高于N3、CK处理且N0、N1、N2处理间无显著差异；2019年度，冬小麦氮素利用效率表现为N0、N1>N2>N3、CK，夏玉米表现为N2、N1、N0>CK、N3，2020年度，冬小麦氮素利用效率表现为N0、N1>N3、CK，且N2处理与N0、N1处理无显著差异，夏玉米表现为N2、N1、N0>N3、CK；氮肥农学利用率整体随着施氮量的提高而下降，2019年度冬小麦氮肥农学利用率表现为N1、N2>CK、N3，夏玉米氮肥农学利用率表现为N1>N2>CK>N3，2020年度冬小麦氮肥农学利用率表现为N1、N2>N3、CK，夏玉米氮肥农学利用率表现为N1、N2>CK、N3。

表5 不同施氮处理下小麦、玉米氮肥偏生产力 (PFP)、氮肥农学利用率(NAE)和氮素利用效率(NUE)Table 5 The partial nitrogen fertilizer productivity (PFP), nitrogen fertilizer agronomic use efficiency (NAE) and nitrogen use efficiency (NUE) of wheat and maize under different N treatments (kg/kg)

2.5 施氮量对冬小麦、夏玉米成熟期土壤全氮含量的影响

由图2可知，随着施氮量的增加，各处理成熟期0—100 cm土层全氮含量呈增加的趋势，且0—40 cm土层全氮含量显著高于其它土层，随着施氮量的持续增加，40—100 cm土层土壤的全氮含量增加，随着轮作年份的增加，N3、N2、CK处理0—100 cm土层土壤全氮含量与N0、N1处理之间的差异逐渐增大，相较于2019年小麦成熟期，在2020年玉米成熟期时，N1、N2、N3、CK各处理0—60cm土层土壤全氮平均含量分别提高–0.007、0.017、0.031 和 0.025 g/kg，0—40 cm 土层内 N3、N2、CK处理的氮盈余量高于N0、N1处理，N3处理全氮含量最高但与N2、CK处理差异不显著，40 cm土层以下，各土层全氮含量差异不显著。

图2 不同施氮量下0—100 cm剖面土壤全氮含量Fig.2 Total N content in 0–100 cm depth soil under different N treatments

2.6 施氮量对冬小麦、夏玉米成熟期土壤硝态氮残留的影响

如图3所示，2019年小麦收获季，0—20 cm土层硝态氮残留量表现为N0最低，处理N1、N2、N3、CK的硝态氮残留量分别为N0的2.3、2.7、3.4、2.4倍，20 cm土层以下，各个处理硝态氮残留量差异逐渐缩小，2019年玉米收获季，N2、N3、CK各施氮处理的0—20 cm土层硝态氮残留量进一步提高，N2、N3、CK处理0—20 cm土层土壤硝态氮残留量较同一年小麦成熟期分别增长了6.22、7.22、2.64 kg/hm2，N3处理的增长值高于其他处理，CK处理的硝态氮残留量峰值出现在20—40 cm，达29.4 kg/hm2，高于该土层的其他处理，其他各滴灌分次施肥处理的峰值出现在0—20 cm；2020年小麦成熟期，0—20 cm土层的硝态氮残留量与上一季玉米收获时基本一致，20—40 cm土层硝态氮残留量以N3处理最高，达30.7 kg/hm2，高于其他处理，CK处理在60—100 cm土层的硝态氮残留量显著高于其余各处理，其波峰出现在40—60 cm土层，较2019年波峰20—40 cm土层有所下移；2020年玉米季，CK处理硝态氮残留量的最高值出现在 100 cm，N1、N2、N3、CK 各处理 60—80 cm土层硝态氮残留量较上一季度小麦收获时分别提高 0.79、2.88、2.98、10.86 kg/hm2，80—100 cm 土层硝态氮残留量较上一季度小麦收获时分别提高0.68、2.37、3.62、16.62 kg/hm2。

图3 不同施氮量下0—100 cm剖面土壤硝态氮含量Fig.3 NO3–-N content in 0–100 cm soil depth under different N treatments

3 讨论

前人研究表明，施氮量对小麦单位面积穗数、穗粒数与产量均有极显著影响[16]。产量及其三要素均随施氮量的增加呈先升高后降低的趋势，在低施氮量范围内增施氮肥产量增加较快，施氮量超过一定值后产量开始缓慢下降，对渭北旱地小麦来说，施氮量为180 kg/hm2时，产量最高，随着施氮量的继续提高，产量下降[17]。吕广德等[18]研究发现，玉米施氮量181 kg/hm2，50%基施，50%大喇叭口期追施，产量、穗粒数和千粒重均最高；陈祥等[19]研究发现，与传统“一炮轰”施肥相比，氮肥后移可以提高冬小麦的籽粒产量、单位面积穗数及氮肥利用率；本研究发现，在定量滴灌、冬小麦与夏玉米轮作条件下，N2处理下产量最高，均呈现出N2>N3>CK>N1>N0的规律，在滴灌施肥条件下，施氮0～210 kg/hm2范围内，冬小麦单位面积穗数、穗粒数随施氮量增加而增加，而千粒重随着施氮量的增加呈现降低的趋势，这与徐晓峰等[20]的研究结果一致。夏玉米各处理之间单位面积穗数差异多不显著，穗粒数随着施氮量的提高而增高，千粒重随着施氮量的提高先升高后降低，玉米产量的提高，主要依赖于穗粒数、千粒重的提高。本研究还发现氮肥分次后移追肥相较于传统施肥方式对小麦的增产主要是由于增加了小麦的穗粒数，可能是因为后期(开花期、灌浆期)追肥可减少空粒和瘪粒从而提高小麦穗的结实率，但对单位面积穗数的影响不显著，氮肥分次后移追肥相较于传统施肥方式对玉米的增产主要是由于增加了玉米的籽粒千粒重，说明氮肥分次后移对玉米的籽粒灌浆有促进作用，但对单位面积穗数和穗粒数的影响不显著，这与王云奇等[21]的研究结果基本一致。2020年度玉米季度降雨量较大，影响了籽粒灌浆进程，导致千粒重下降，进而影响了产量。较高的干物质积累量是小麦高产的前提，适量施氮可提高干物质积累量，促进小麦增产[22]。刘其等[23]研究表明，对于新疆滴灌春小麦来说施氮能显著促进干物质和氮素的积累，当施氮300 kg/hm2时达到最大值。另有研究表明，施氮225～300 kg/hm2范围内，施氮可促进滴灌小麦干物质积累转运[24]；陈天宇等[25]研究发现，玉米成熟期氮素吸收量随着施氮量的增加而增高；本研究结果表明，施氮0～300 kg/hm2下，干物质积累量和成熟期氮素吸收量均随着施氮量的增加而提高，且均在300 kg/hm2时达到最大值，这与前人研究基本一致。本研究还表明，在施氮量为210/225 kg/hm2时，滴灌分次施肥的干物质和氮素积累量显著高于传统施肥灌溉处理，干物质和氮素是作物产量形成的基础，是最终产量形成的重要保障，滴灌分次施肥相较于传统畦灌和“一炮轰”施肥可显著增加干物质积累量，促进干物质和氮素由营养器官向籽粒转运，从而显著提高氮素利用效率，但是施氮量过高，导致氮素大量积累在营养器官，使干物质和氮素的转运效率大大降低，导致氮素利用效率降低[26–29]。本研究表明，随着施氮量的持续增加，氮肥偏生产力和氮素利用效率均显著下降，综合施氮量、产量、氮肥偏生产力、氮素利用效率和氮肥农学利用率，N2处理的表现较优。

姜海斌等[30]在水稻–大蒜–水稻–蚕豆轮作田为期2周年的研究结果表明，施用化肥和有机肥可显著增加表层土壤全氮含量，郭倩倩等[31]研究表明秸秆还田下，施氮能显著提高小麦季0—60 cm土壤全氮含量，本研究表明，在冬小麦季和夏玉米季，0—100 cm土层土壤全氮含量随着施氮量的增加而提高，全氮的积累主要集中在0—40 cm土层。N3、N2、CK处理可显著增加土壤全氮含量，这与前人研究结果基本一致。土壤硝态氮的淋溶是导致地下水硝酸盐增多的重要过程，前人的大量研究表明过量施氮加速土壤硝态氮淋失和残留[32–34]。王平等[35]研究表明，施用氮肥显著提高了收获后各层土壤氮素残留量，相比不施氮处理提高了 0.69～2倍，延迟追氮时期提高了在0—100 cm土层的氮素残留量；戴健等[36]研究发现，当季硝态氮残留主要集中在0—60 cm土层，且在40—60 cm有波峰。本试验研究表明，滴灌分次施肥条件下，施氮增加了小麦季和玉米季0—100 cm土层土壤硝态氮残留量，冬小麦季施氮270 kg/hm2，夏玉米季施氮 300 kg/hm2时硝态氮残留量在冬小麦季和夏玉米季均急剧增加，显著高于其他处理，且随着年份增加有向深层土壤迁移的趋势，研究还发现，分次滴灌施肥处理的最高值出现在0—20 cm土层，而传统施肥方式CK处理的硝态氮含量最高值在2019年度玉米成熟期出现在20—40 cm土层，2020年度下移至100 cm土层，这是由于2020年玉米季降雨量较大，加速了硝态氮向深层土壤的淋溶[37]，且60—100 cm土层土壤硝态氮含量显著高于各个滴灌分次施肥处理，这说明滴灌分次施肥可有效解决拔节期单次追肥(CK)土壤氮素淋溶迁移的问题，有效降低硝态氮向地下水淋失。