减量施氮对冀东地区春小麦氮肥利用及产量的影响

王爽，李菡，任学军，王健，郭振清，李云，韩玉翠，林小虎

(1. 河北省作物逆境生物学重点实验室/河北科技师范学院农学与生物科技学院，河北秦皇岛 066004；2. 河北科技师范学院乡村振兴研究中心，河北秦皇岛 066004)

小麦是世界三大粮食作物之一，也是我国主要的粮食作物。 近年来我国小麦种植面积变化不大，但单位面积和总产量呈上升趋势，这得益于小麦品种及栽培技术的不断提升[1]。 肥料的施用对植株生长起着重要作用，其中氮被称为“生命元素”，是植物生长发育中重要的营养元素，也是提高作物产量的重要营养元素。 大量研究证明，作物生长过程中施氮水平直接影响其生长和产量形成，同时也影响作物生长过程中的生理代谢[2-4]。 但是，为追求作物高产导致氮肥施用量过多的现象普遍存在，从而导致资源浪费和环境污染[5]。 一味提高氮肥施入量，不仅不会使产量无限制的增加，反而会使小麦产量降低[6-8]。 因此，小麦种植应合理施用氮肥，提高氮肥利用率，以达到节本增效和保护环境的目的。

不同生长环境下小麦对氮素的吸收利用不同[9]。 针对不同生长条件实施氮肥管理，可提高小麦植株的氮素积累量和氮肥利用率，并能促进同化物向籽粒转运，从而提高产量[10，11]。 冀东地区处于温带半湿润大陆性季风气候区，传统种植制度以春玉米一年一熟和春花生-冬小麦-夏玉米两年三熟为主。 冀东燕山山前平原区≥0℃积温达4200℃，多年栽培种植经验使其形成了春小麦-夏玉米、春小麦-夏谷等一年两熟栽培模式，但是对于春小麦减氮施肥和肥料利用率的研究较少。 本研究通过分析减氮条件下的春小麦产量、干物质及氮素积累转运以明确冀东地区春小麦适宜施氮量，为该地区减氮施肥提供理论依据，从而提高种植效益。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2021 年在河北科技师范学院农学与生物科技学院试验站(39°44＇N、119°14＇E)进行。试验地土壤为壤土，种植前0 ～20 cm 土壤养分状况:有机质、全氮含量分别为20.38、2.14 g/kg，碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为72.24、19.78、127.14 mg/kg。

试验材料为春小麦津强11。 磷肥(P2O5)120 kg/hm2、钾肥(K2O)120 kg/hm2作为基肥，氮肥(尿素，含氮46 %)于拔节期追施。 共设置4 个施氮水平(0、 80、 160、 240 kg/hm2)，分别表示为N0、N80、N160、N240。 其中，N240(240 kg/hm2)为生产中常规施氮水平。 完全随机排列，每处理重复3 次。 小区面积16 m2(4 m × 4 m)，行间距20 cm。 2021 年3 月7 日播种，基本苗600 万/hm2，6月22 日收获，其他管理措施同当地大田生产。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 干物质转运相关指标 分别于拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期和成熟期各取10 株长势均匀的植株，将地上部分分为叶、鞘、秆、颖壳+穗轴和籽粒，105℃烘箱中杀青30 min，75℃烘干至恒重，称量各器官干重。 根据以下公式计算相关指标:

花前干物质转运量＝开花期植株干重-成熟期营养器官干重 ；

花前干物质转运率(%)＝花前干物质转运量/开花期植株干重×100 ；

花前干物质对籽粒贡献率(%)＝花前干物质转运量/成熟期籽粒干重×100 ；

花后干物质积累量＝成熟期植株干重-开花期植株干重 ；

花后干物质对籽粒贡献率(%)＝花后干物质积累量/成熟期籽粒干重×100 。

1.2.2 氮素积累转运相关指标 将烘干样品用粉碎机粉碎后，用H2O2-H2SO4消煮法消煮后用全自动凯氏定氮仪测定全氮量。

植株氮素积累量＝植株干物质积累量×植株含氮量 ；

花前氮素转运量＝开花期植株氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量 ；

花前氮素转运率(%)＝花前氮素转运量/开花期植株氮素积累量×100 ；

花前氮素对籽粒氮贡献率(%)＝花前氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100 ；

花后氮素积累量＝成熟期植株氮素积累量-开花期植株氮素积累量 ；

花后氮素对籽粒氮贡献率(%)＝花后氮素积累量/成熟期籽粒氮素积累量×100 。

1.2.3 氮素利用率相关指标 按以下公式计算。

氮收获指数(%) ＝ 籽粒氮素积累量/成熟期植株氮素积累量×100 ；

氮肥利用效率(%)＝(施氮区植株氮积累量-不施氮区植株氮积累量)/施氮量×100 ；

氮肥农学利用效率＝(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量 ；

氮肥生理利用率＝(施氮区籽粒干重-不施氮区籽粒干重)/(施氮区植株氮素积累量-不施氮区植株氮素积累量) ；

氮肥偏生产力＝籽粒产量/施氮量 。

1.2.4 产量及产量性状 成熟期各小区分别划定3 个1 m2区块调查穗数；之后人工收割、脱粒、晾晒后称重，并测定籽粒含水率及折算为13%含水率的千粒重和每公顷籽粒产量。 每小区取长势均匀的20 穗调查穗粒数。

1.3 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010 进行数据处理和绘图， DPS 7.05 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 施氮水平对春小麦干物质积累、转运的影响

2.1.1 不同时期植株干物质积累的变化 由图1可知，施氮前(拔节期)各处理间干物质积累量无明显差异，拔节期施氮后各处理间差异逐渐明显。不同施氮水平下成熟期植株干物质积累量变异范围为18752～23472 kg/hm2，施氮处理的干物质积累量均显著高于不施氮处理。 孕穗期各处理的植株干物质积累量表现为N240＞N80＞N160＞N0，N160显著低于N80和N240；抽穗期表现为N240＞N160＞N80＞N0，N240、N160、N80均显著高于N0，N240、N80与N160处理间差异不显著；N80处理开花期的植株干物质积累量显著高于N160，成熟期分别较N160和N240显著提高15.86%和13.62%。 说明，减少施氮量能够提高抽穗后春小麦植株的干物质积累量，最终促进籽粒发育。

图1 不同氮处理下小麦各生育时期植株干物质积累量

2.1.2 不同时期植株干物质转运特征的变化 由表1 可知，施氮处理花前干物质转运量和对籽粒贡献率均随着施氮量的减少而降低。 N240和N160处理的花前干物质转运量差异不显著，N80处理显著低于N240、N160和N0处理。 N80、N160、N240处理的花前干物质对籽粒贡献率呈显著性差异，N80显著低于N160和N240。 N160处理的花前干物质转运率最高(28.96%)，与N240处理差异不显著，但显著高于N80和N0处理，说明减氮提高了春小麦花前干物质转运率，而过量减氮导致转运率降低。

表1 不同氮处理对春小麦干物质转运特征的影响

各施氮水平下，花后干物质积累量及其对籽粒贡献率均随施氮量的减少而增加。 N240处理的花后干物质对籽粒贡献率显著低于其他处理；N80处理的花后干物质积累量及其对籽粒贡献率均最高，分别为9330.00 kg/hm2和77.56%，比N0分别高35.18%和12.60%，比N240处理分别高39.88%和20.90%；N160处理的花后干物质积累量及其对籽粒贡献率比N240处理分别高14.36%和5.36%，说明减少施氮量有利于提高春小麦花后干物质的积累并提高其对籽粒的贡献率。

2.2 施氮水平对春小麦氮素积累、转运的影响

2.2.1 不同时期植株氮素积累的变化 由图2 可知，施肥前(拔节期)各处理间无显著差异，拔节期后，各施氮处理的植株氮素积累量均显著高于不施氮处理。 孕穗期和抽穗期，N80、N160处理的氮素积累量均显著低于N240处理；抽穗期后N80处理的氮素积累量迅速增加，至开花期其氮素积累量(137.86 kg/hm2)较N160显著提高8.43%，与N240处理(143.27 kg/hm2)相差不大；成熟期N80处理的氮素积累量达到180.44 kg/hm2，较N160(165.61 kg/hm2)和N240(167. 11 kg/hm2) 分别提高8. 95% 和7.98%。 说明减量施氮有利于提高小麦植株生育后期氮素积累量。

图2 不同氮处理下小麦各生育时期植株氮素积累量

2.2.2 不同时期植株氮素转运特征的变化 由表2 可知，3 个施氮水平下植株的花前氮素转运量差异不大，都显著高于不施氮处理。 3 个施氮处理下花前氮素对籽粒贡献率表现为N80＜N160＜N240， N240处理贡献率最高达81.77%，显著高于其他处理。 3 个施氮处理下花后氮素积累量及对籽粒贡献率随着施氮量的减少逐渐升高，均在N80处理达到最大值，分别为42.58 kg/hm2和29.63%，且显著高于N0和N240。 花前氮素与花后氮素对籽粒的贡献率呈现相反的变化趋势，且花前氮素对籽粒的贡献率所占比例较大。

表2 不同氮处理对春小麦氮素转运特征的影响

2.3 施氮水平对春小麦氮素利用的影响

由表3 可知，氮肥利用效率、氮肥农学利用效率、氮肥生理利用率和氮肥偏生产力均随着施氮量的减少而逐渐升高。 N80、N160处理的氮肥生理利用率为45.50、43.13 kg/kg，均显著高于N240处理的12.25 kg/kg。 各处理的氮收获指数无显著差异，N80和N160处理的氮收获指数较N240处理提高4.24%和4.05%。 说明本试验条件下，减氮处理能显著提高春小麦对氮肥的吸收利用。

表3 不同氮处理对春小麦氮肥利用效率的影响

2.4 施氮水平对春小麦产量及产量构成的影响

由表4 可知，N0处理的产量显著低于其他处理。 各施氮处理小麦产量和穗数均表现为N80＞N160＞N240＞N0，N80处理产量和穗数均最高，分别较N160、N240提高2.15%、8.04%和7.19%、16.31%，说明适当减少施氮量能够增加穗数、提高产量。各处理间穗粒数表现为N240＞N80＞N0＞N160，N80与N240差异不显著，但均显著高于N0处理。 N160处理千粒重最大，显著高于N0处理，与N240处理差异不显著，说明少量减氮可以适当增加千粒重。

表4 不同氮处理下春小麦籽粒产量及其构成因素

3 讨论

3.1 减量施氮对小麦干物质积累、转运的影响

小麦植株干物质积累与产量的形成关系密切，而氮素又是影响植株干物质积累的重要组成部分，所以控制好施氮量是保证作物丰产的关键因素。 张均华等[12]研究表明，小麦开花期干物质积累量均随施氮量的增加而增加；姜丽娜等[13]研究发现百农418 和许科316 成熟期的干物质积累量和产量随施氮量的增加而增加，与本试验结果不尽相同。 本试验发现除N80处理外，其他处理干物质积累量变化趋势与前人研究结果一致。 本试验表明，施氮量80～240 kg/hm2条件下，小麦花前干物质转运量及对籽粒的贡献率随施氮量的增加而增加，这与蔡瑞国等[14]关于不同灌溉条件下施氮的研究结果一致，而不同于雷钧杰等[15]的研究结果，其原因可能与栽培环境和灌溉方式等因素有关。 在生产中常规施氮水平(N240处理)花后干物质积累量及其对籽粒贡献率并不是最高，干物质转运指标在减氮处理下显著高于常规施氮量处理，表明施氮量过高反而会降低花后干物质的转运，这与马东辉等[16]的研究结果一致。 实际生产中，施氮量过高会降低小麦营养器官中的同化物向籽粒的转运率[17，18]。 说明通过适当减少施氮量可以提高花后干物质的积累量及其对籽粒的贡献率。

3.2 减量施氮对小麦氮素积累和转运的影响

合理施用氮肥能够提高小麦植株氮素积累量，从而促进氮素向籽粒的转运，最终达到增产及提高品质的目的[7，19]。 有研究表明，小麦植株氮素积累量在各生育时期随施氮量的增加而增加[20]，与本研究结果相似。 本试验条件下除N80处理外，其他处理小麦植株氮素积累量在各生育时期的变化趋势与前人研究结果一致。 本试验表明，花前氮素转运量随施氮量的减少先降低后升高，N240处理转运量最高，但与N80处理差异不显著；除N80处理外，花前氮素转运率随施氮量的增加呈下降趋势，但各处理间无显著差异，这与前人研究结果类似[21]；除N0处理外，花前氮素对籽粒的贡献率随着施氮量的增加而提高，与孔丽婷等[19]的研究结果不一致，这可能与不同试验地区常规施氮量的水平有关。 除N0处理外，花后氮素积累量及其对籽粒贡献率随施氮量的增加而降低，N80与N160无显著差异，但均显著高于N0和N240处理。 表明，施氮量过低不足以支撑后期植株生长，使得叶片早衰，没有足够的氮素转运至籽粒；过量施氮则会造成植株营养器官超负荷运载，导致营养器官光合能力下降，不利于营养体中的氮素向籽粒转运[22]。 氮素对籽粒的贡献率主要依赖于花前氮素的积累转运，且花后氮素对籽粒贡献率与花前相比较，不同施氮水平下呈现相反的变化趋势。

3.3 减量施氮对小麦氮肥利用的影响

氮肥是提高小麦产量的重要因素，但氮肥的不合理施用，会使氮肥的增产效应下降，从而降低氮肥利用效率。 前人研究表明，氮肥的利用效率随施氮量的增加呈降低趋势[21，23]，与本研究结果一致。 郭曾辉等[24]研究发现，在限水减氮处理中，施氮量为150 kg/hm2时冬小麦氮素利用率、氮素收获指数和氮肥农学效率最高；矫岩林等[25]的研究发现，烟农0428 氮肥农学利用率以180 kg/hm2处理最高。 本试验条件下，施氮量为80 kg/hm2时，氮肥利用效率、氮肥农学利用效率和氮素偏生产力均显著高于其他两个处理，其原因可能是水肥管理和品种的不同。 本试验表明，各处理间氮收获指数无显著差异，但随着施氮量增加，氮收获指数呈下降趋势，与江东国等[26]的研究结果一致。 过量减施氮肥会使土壤肥力氮和作物产量降低，可能无法保证产量稳定和土壤氮素平衡[23]。 施氮量过高氮素可能会利用不充分，营养体中氮不能完全转运至籽粒，超负荷利用叶片及茎鞘氮会导致叶片早衰，最终影响氮素利用率[22]。 综上，应因地制宜，依靠地情合理施氮。

3.4 减量施氮对小麦产量及产量性状的影响

施氮量是影响产量的重要因素，受地区、品种、管理措施等因素的影响，前人对产量研究的结果也不尽相同。 有研究表明，冬小麦施氮量超过120 kg/hm2时作物产量变化不大[27]；党廷辉等[28]的研究表明，小麦籽粒产量随施氮量的增加呈先升高后降低的趋势，与本研究结果一致；叶优良等[29]分析认为冬小麦最高施氮量不超过180 kg/hm2。张兴梅等[30]的研究发现，春小麦施氮量低于120 kg/hm2时产量随施氮量的增加而提高，施氮量150 kg/hm2的小麦产量低于120 kg/hm2处理。 代丽婷等[31]的研究发现，施氮量在90 kg/hm2时春小麦产量最高， 但与施氮量82 kg/hm2的产量无显著差异， 且施氮量在82 kg/hm2时的单位面积穗数最高，这与本研究结果类似。 本研究在施氮量为80 kg/hm2时春小麦产量和穗数均最高，但与施氮量160 kg/hm2处理的产量差异不显著。 产量与穗数、穗粒数和千粒重三者有着复杂的关系，三者的互作最终影响产量的形成。 穗数是高产的前提和基础，穗粒重是高产的关键[13]。 本研究表明，N80处理穗数显著高于其它处理，穗粒数显著高于N0和N160处理。 王月福等[32]认为，提高施氮量能促进小麦分蘖与穗花发育，但对千粒重无显著影响，这与本研究结果一致。 本研究条件下，施氮量为80 kg/hm2时产量最高，且与其他处理差异显著，这可能与其穗数、穗粒数较高有关。 说明适当减少氮肥施用量，可以显著增加春小麦穗数和穗粒数，进而提高产量。

4 结论

本研究得出，适当减少氮肥施用量可以提高干物质积累量及转运量，提高氮素积累量、转运率和氮肥利用效率，同时获得高产。 这既保护了环境又减少了资源浪费，达到节本增效的目的。 本试验条件下，80 kg/hm2氮素用量处理的氮肥利用效率和产量最高，可作为冀东地区春小麦生产中的推荐施氮量。