氮肥调控对稻茬晚播小麦产量、品质及氮素利用的影响

王 慧,刘大同,朱冬梅,张 晓,李东升,高致富,高德荣

(江苏里下河地区农业科学研究所/农业部长江中下游小麦生物学与遗传育种重点实验室,江苏扬州 225007)

小麦作为我国重要的粮食作物,其高产稳产对确保我国粮食安全具有重要意义。近年来,由于天气、品种、前茬水稻种植方式改变和收获期推迟等诸多原因,长江中下游麦区稻茬小麦播期不断推迟,晚播面积逐年增加,严重限制其产量提升[1]。据统计,自2012年以来,江苏省晚播小麦比例均在40%以上,其中2016年该省秋播期间遭遇罕见的连阴雨,晚播小麦面积144.8×104hm2,占小麦总播面积的59.6%。小麦播期推迟后,冬前光照时数减少,有效积温不足,出苗迟缓、整齐度差;幼苗质量差,根系发育不良,分蘖少发甚至无分蘖发生;冬前生长量不足,难以形成壮苗安全越冬;返青后生育进程加快,成穗率降低,有效穗数不足且穗型小;生育期缩短,养分吸收能力降低,后期物质积累严重不足,穗粒数和粒重显著下降,导致严重减产[2-4]。王龙俊等[5]指出,与适期播种相比,稻茬小麦每晚播5 d减产可达7%～10%。小麦播期推迟已成为限制稻茬小麦增产的主要原因之一。

稻茬小麦晚播后苗情较弱,植株对土壤氮和肥料氮的吸收利用能力显著下降,表现在晚播不仅影响小麦分蘖发生,降低分蘖成穗率,同时会降低植株地上部氮素积累量,限制小麦产量潜力的提升[6]。提高播种密度一定程度上可以弥补晚播小麦因播期推迟导致的分蘖成穗数的减少[7-8]。适宜的种植密度有利于构建合理的群体结构,提高叶面积指数,增强群体的光合性能[9],但盲目增大密度易造成晚播小麦群体结构不合理,加剧植株间肥水竞争,导致个体发育不良,加大后期倒伏和病害等风险[10]。在晚播适宜密度条件下,合理的氮肥调控对改善群体结构、提高产量水平尤为重要[11-12]。前人研究认为,增施氮肥一定程度上可提高小麦氮素积累量,但减缓植株营养器官花前积累的氮素在花后向籽粒中的转运,降低氮肥偏生产力[13-14]。在合理控制密度和氮肥施用量条件下,调节氮肥运筹是提高氮肥利用率、实现稻茬晚播小麦高产稳产的重要途径。

晚播小麦降低氮肥基施比例能有效控制高峰苗,改善群体质量,提高成穗率[15]。在控制氮肥施用量条件下,适当提高追肥比例有利于增加小麦花后营养器官氮素转运量,促进籽粒对氮素的利用和积累,提高晚播小麦氮肥利用效率,并且促进小麦开花后光合产物的合成与积累,为籽粒灌浆充实和粒重提升提供物质基础[16]。杨 勇等[17]也认为,在适宜密度基础上提高晚播小麦中、后期施氮比例有利于增加籽粒产量。也有学者提出,氮肥追施时期影响养分从植株向籽粒的运输和转移,对小麦产量、蛋白质含量、加工品质等有显著影响[18]。前人在晚播小麦对种植密度和施氮量的响应方面已有较多研究,但在适度提高密度条件下氮肥施用量及运筹对稻茬晚播小麦的氮素吸收利用及产量和品质的综合调控效应尚未明确。因此,本研究以扬麦25为材料,分析不同施氮量及氮肥运筹下晚播小麦氮素吸收动态、肥料利用效率、产量和品质等的差异,探究稻茬晚播小麦适宜的氮肥管理技术及其调控机制,以期为稻茬晚播小麦高产高效优质生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验于2019-2021年在江苏里下河地区农科所万福基地(33°09′E,119°98′N)进行,前茬为水稻,土质为沙壤土。2019年秋播土壤有机质含量21.53 g·kg-1,全氮含量1.366 g·kg-1,全磷含量0.358 g·kg-1,速效氮含量73.88 mg·kg-1,速效磷含量17.5 mg·kg-1,速效钾含量78.4 mg·kg-1。2020年秋播土壤有机质含量19.07 g·kg-1,全氮含量1.135 g·kg-1,全磷含量0.461 g·kg-1,速效氮含量65.34 mg·kg-1,速效磷含量18.2 mg·kg-1,速效钾含量81.5 mg·kg-1。

1.2 试验设计

供试小麦品种为扬麦25,采用三因素裂区设计。主区设11月1日(适播)和11月25日(晚播)2个播期,基本苗分别为240×104和375×104株·hm-2;施氮量为裂区,设210和270 kg·hm-2两个水平;氮肥运筹为小裂区,设基肥∶平衡肥∶拔节肥比例分别为70%∶10%∶20%、50%∶10%∶40%和30%∶30%∶40%(简记为7∶1∶2、5∶1∶4和3∶3∶4,下同)。每个处理重复3次。基肥于播种前施用,平衡肥于3叶1心时施用,拔节肥于叶龄余数2.5时施用;N∶P∶K肥施用比例为1∶0.5∶0.5,P、K肥全部基施。另设不施氮空白对照,以计算氮效率。小麦机械条播,行距27 cm,小区面积6.67 m2。3叶期人工定苗。其他栽培措施同大田生产。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 植株氮含量测定及相关指标计算

于分蘖期、拔节期、开花期、成熟期分别在每个小区取样20株,按不同器官分样,105 ℃杀青60 min后80 ℃烘干至恒重,粉碎后采用半微量凯氏定氮法测定氮含量。氮肥偏生产力、氮素农学效率、氮素生理效率、氮素表观利用率的计算采用霍中洋[19]和石 玉等[20]的方法。

氮肥表观利用率=(施肥处理氮素吸收量-不施肥处理氮素吸收量)/施氮量×100%;

氮肥偏生产力=施肥处理籽粒产量/施氮量;

氮素农学效率=(施肥处理籽粒产量-不施肥处理籽粒产量)/施氮量;

氮素生理效率=(施肥处理籽粒产量-不施肥处理籽粒产量)/(施肥处理氮吸收量-不施肥处理氮吸收量)。

1.3.2 产量及其构成因素测定

成熟期每个小区选取2个1 m行长测穗数(穗粒数大于5);连续取20穗,测穗粒数,重复2次;测定水分后,按13%水分计算千粒重。按小区机械收割,自然晾晒,测定产量,重复3次。

1.3.3 籽粒品质指标测定

蛋白质含量采用近红外仪按照AACC39-10测定。湿面筋含量利用面筋洗涤仪按照AACC38-12测定。沉降值釆用SDS常量法测定。硬度采用JYDB100X40硬度仪测定。籽粒容重采用上海东方衡器有限公司生产的HGT-1000型容重仪测定。

1.4 统计分析

采用Excel 2003建立数据库,用SPSS 19.0进行数据计算、统计分析。

2 结果与分析

2.1 施氮量和运筹比例对晚播小麦产量及其构成的影响

晚播条件下虽然增加了基本苗,但小麦产量仍较适播下降, 2019-2020和2020-2021年平均减产幅度分别为8.95%和8.29%,其中氮肥运筹比例7∶1∶2和5∶1∶4的产量下降显著,而运筹比例3∶3∶4的产量下降不显著(表1)。

表1 施氮量、氮肥运筹对晚播小麦产量及其构成的影响

相同播期、氮肥运筹下,增加施氮量后小麦产量降低,适播条件下减产主要是因为田间倒伏,说明增加施氮量加大了小麦倒伏风险,不利于产量形成。从产量三因素来看,施氮量增加后,穗数有所增加,穗粒数也总体表现增加,但二者变化均不显著;千粒重则均呈下降趋势,其中2019-2020年下降显著。

适播条件下,两种施氮量处理中均以氮肥运筹比例5∶1∶4的产量最高,氮肥运筹比例7∶1∶2的产量最低;晚播条件下,除2019-2020年施氮量210 kg·hm-2下氮肥运筹比例3∶3∶4的产量略低于氮肥运筹比例5∶1∶4外,均以氮肥运筹比例3∶3∶4的产量最高,且两年的平均产量比氮肥运筹比例5∶1∶4和7∶1∶2分别高3.11%和8.94%,与氮肥运筹比例7∶1∶2差异显著。相同播期、施氮量条件下,氮肥运筹比例间穗数表现为7∶1∶2>5∶1∶4>3∶3∶4,但差异均不显著;随基肥比例的下降,穗粒数与千粒重均呈增加趋势。

总体来看,晚播条件下施氮210 kg·hm-2、氮肥运筹比例3∶3∶4时小麦能获得较高的穗粒数和千粒重,产量水平较高。

2.2 施氮量与运筹比例对各生育阶段氮素吸收量的影响

相同播期下不同氮肥组合间小麦氮素吸收存在差异(表2)。两个年度中,在相同播期、相同氮肥运筹比例下,增加施氮量后,小麦各阶段氮素积累量均提高。在出苗至分蘖期,氮肥运筹比例间氮素积累量表现为7∶1∶2>5∶1∶4>3∶3∶4,其中氮肥运筹比例7∶1∶2和3∶3∶4间差异显著;在拔节至开花期,适播与晚播条件下,氮肥运筹比例5∶1∶4和3∶3∶4均显著高于7∶1∶2,氮肥运筹比例5∶1∶4和3∶3∶4间差异不显著;在开花至成熟期,适播条件下,氮肥运筹比例5∶1∶4的氮素积累量高于7∶1∶2和3∶3∶4,与氮肥运筹比例7∶1∶2差异均达显著水平,而晚播条件下,氮素积累量表现为7∶1∶2<5∶1∶4<3∶3∶4,氮肥运筹比例3∶3∶4和7∶1∶2差异显著。

表2 晚播小麦不同肥料处理对植株氮素吸收量的影响

2.3 施氮量与运筹比例对晚播小麦氮肥利用效率影响

在相同播期、相同氮肥运筹比例下,增加施氮量后,小麦氮肥偏生产力、氮素农学效率、氮素生理效率及氮素表观利用率均下降,其中氮肥偏生产力和氮素生理效率变化均显著(表3)。适播条件下氮肥运筹比例为5∶1∶4时小麦具有较高的氮肥偏生产力、氮素农学效率及表观利用率;晚播条件下氮肥运筹比例为3∶3∶4时小麦氮肥农学效率和表观利用率最高,与氮肥运筹比例7∶1∶2差异均显著。

表3 晚播小麦不同肥料处理对氮肥利用效率的影响

2.4 施氮量与运筹比例对晚播小麦籽粒品质影响

在相同播期、相同氮肥运筹比例下,施氮量增加后,小麦籽粒蛋白质和湿面筋含量均有所增加,2019-2021年变化不显著,2020-2021年晚播条件下变化均达显著水平(表4)。相同施氮量下,随着氮肥后移,蛋白质和湿面筋含量呈增加趋势。其中,适播及晚播条件下施氮量为210 kg·hm-2时氮肥运筹比例 3∶3∶4的两个品质指标均显著高于运筹比例7∶1∶2;在施氮量为210 kg·hm-2时,除2020-2021年氮肥运筹比例5∶1∶4和3∶3∶4的湿面筋含量显著高于7∶1∶2外,晚播条件下三个氮肥运筹比例间两个品质指标差异均不显著。不同处理间籽粒容重、硬度无显著差异。

表4 施氮量与运筹比例对晚播小麦蛋白质、湿面筋、硬度等的影响(2019-2020)

3 讨论与小结

3.1 施氮量与运筹比例对稻茬晚播小麦氮素吸收和利用的调控

氮肥的合理施用有利于提高晚播小麦对氮素的积累和转运,促进植株对氮肥的吸收与利用。关于适期播种小麦,研究表明,小麦氮素积累量随生育进程逐渐增加,积累高峰期在拔节至开花期,可占总量50%以上[21];增加施氮量可提高植株氮素积累总量,但显著降低转运效率及其对籽粒氮素的贡献率,导致氮素吸收效率和氮素利用效率下降[22-23];控制氮肥用量同时适当提高追肥比例,有利于在满足开花后光合器官氮素需求的同时把更多氮素分配到籽粒和根系中,避免植株早衰的同时尽可能提高籽粒氮素积累[20]。晚播小麦氮素的积累与分配也受施氮量和氮肥运筹的显著影响。石祖梁等[24]研究认为,晚播小麦出苗迟缓,苗期生长速度慢,对氮素的吸收利用率低,基施过多氮肥易促使土壤氮素浓度过高而大量损失,适当减少氮肥基施比例,增加中后期施氮量,有利于提高肥料利用率。刘阿康等[25]指出,随播期推迟,小麦植株的氮素积累量呈下降趋势,苗期适当补施氮肥可促进小麦冬前及返青期营养生长,显著提高多穗型品种氮素籽粒生产效率和氮素收获指数,促进小麦对氮素的吸收和积累。在本试验中,不同播期小麦的吸氮高峰均在拔节至开花期,在270 kg·hm-2施氮量条件下植株氮素积累总量均呈高于210 kg·hm-2施氮量的趋势。在不同氮肥运筹下,氮肥运筹比例7∶1∶2与5∶1∶4和3∶3∶4相比虽然提高小麦出苗至分蘖期吸氮量,但降低植株拔节至成熟期吸氮量,不利于小麦后期氮素转运和积累。在适播条件下,氮肥运筹比例5∶1∶4的开花后吸氮量和吸氮总量均高于氮肥运筹比例7∶1∶2和3∶3∶4;在晚播条件下,氮肥运筹比例5∶1∶4和3∶3∶4均促进了小麦分蘖至成熟期植株吸氮量,其中氮肥运筹比例3∶3∶4的两年度分蘖至拔节和开花至成熟的吸氮量均最高,且植株吸氮总量也呈最高水平。

小麦生育中后期氮素吸收转运和积累量是提高小麦产量和氮效率的重要因素[26]。沈学善等[27]认为,晚播小麦植株氮素积累量、营养器官氮素转运对籽粒氮素贡献率以及植株的氮素收获指数和氮素吸收效率均高于适播小麦,但降低氮素利用效率和籽粒产量。吴光磊等[16]指出,施氮量一致的条件下提高追氮比例,可显著增加氮肥吸收利用率;在氮肥运筹一致的条件下,降低施氮量有利于提高氮肥吸收利用率和氮肥偏生产力。本研究结果表明,增加施氮量后,小麦的氮肥偏生产力、氮素农学效率、氮素生理效率和氮素表观利用率均呈下降趋势,这与宁东峰等[28]的研究结果一致。在晚播210 kg·hm-2施氮量条件下,增加追肥比例有利于提高氮肥偏生产力、氮素农学效率和氮素表观利用率,但降低氮素生理效率,其中氮肥运筹比例3∶3∶4在两个年度均表现出最高的氮肥偏生产力、氮素农学效率和氮肥表观利用率,与氮肥运筹比例5∶1∶4差异未达显著水平,但均显著高于氮肥运筹比例7∶1∶2。

3.2 施氮量与运筹比例对稻茬晚播小麦产量的调控

晚播小麦冬前光照和积温不足,植株生长发育缓慢,导致冬前苗小苗弱,影响群体质量,不利于产量提升[29]。播期推迟后,小麦产生育期推迟,缩短了植株幼穗分化时间,导致不孕小穗、小花数显著增加,降低穗粒数[30];相同密度下随着播期的推迟,小麦的穗数、穗粒数、千粒重和产量均明显下降[31];晚播小麦分蘖减少,分蘖成穗率降低,穗数显著下降,但穗粒数呈增加趋势,千粒重无显著差异[32];稻茬晚播小麦穗数和千粒重与产量呈显著正相关,穗粒数与产量相关性未达显著水平,表明穗数和千粒重是晚播小麦产量形成的关键[33]。本研究结果表明,小麦播期推迟近1个月时,增加基本苗后,产量仍下降,两个年度产量较适播小麦分别下降8.95%、8.29%。

乔玉强等[34]研究表明,晚播条件下提高密度有利于协调小麦群体质量和个体性状不足之间的矛盾,籽粒产量和氮肥利用率均高于低密度处理,其中基本苗在450×104株·hm-2时产量达到峰值;张耀兰等[35]也指出,淮北地区375万～450万株·hm-2密度有利于实现超晚播(较适播期推迟1个月左右)小麦高产优质;而邵庆勤等[31]研究认为,沿淮地区小麦播期推迟10 d后最适密度为450×104株·hm-2,播期推迟20 d后适宜密度为600×104株·hm-2。本试验条件下,晚播小麦密度与前人研究结果仍有一定差距,晚播小麦的适宜密度可能需要继续提高,尚有待进一步研究。

前人研究还表明,晚播小麦增施氮肥能一定程度上提高穗数,但效果不显著,且对穗粒数和千粒重无明显促进效应;相同施氮量下,增加基肥比例可增加成穗数,而氮肥适度后移可提升穗粒数,但对千粒重无明显影响[34]。在本研究中,适播和晚播条件下,高施氮量均导致小麦产量下降;氮肥运筹比例7∶1∶2增加了基肥比例,虽然提高了小麦穗数,但降低穗粒数和千粒重,产量低于氮肥运筹比例5∶1∶4和3∶3∶4。在适播条件下,氮肥运筹比例5∶1∶4有利于协调小麦前期分蘖发生和后期籽粒发育氮素需求,产量水平最高;在晚播条件下,采用210 kg·hm-2施氮量和氮肥运筹比例3∶3∶4,控制氮肥施用量的同时降低基肥比例,提高分蘖肥比例,虽然使穗数略有下降,但提高穗粒数和千粒重,产量最高,显著高于氮肥运筹比例7∶1∶2。刘阿康等[24]指出,晚播小麦增施苗肥一方面提高幼苗叶绿素含量和光合速率,促进植株冬前干物质积累;另一方面在春季返青时及时补充氮素营养,加快分蘖的发生,促进小麦营养生长向生殖生长的过渡。

关于播期对小麦籽粒品质影响的研究结果尚不一致。范金平等[1]和杨浩等[36]认为,随着播期的推迟,小麦蛋白质含量、湿面筋含量和沉降值等呈上升趋势;邵庆勤等[31]也认为,播期推迟后,小麦籽粒蛋白质含量、湿面筋含量和沉淀值增加,但面团形成时间及稳定时间无显著变化;刘莹等[37]研究得出,播期对蛋白质含量和湿面筋含量无显著影响,但播期过早或过晚均不利于小麦加工品质的改善。合理的氮肥运筹是实现晚播小麦稳产优质的重要措施,增加施氮量或增加氮肥追施比例有利于改善晚播小麦籽粒品质,提高籽粒蛋白质含量和湿面筋含量[33]。本研究结果表明,晚播条件下,增加施氮量或增加追肥比例小麦籽粒蛋白质含量和湿面筋含量均呈上升趋势;在氮肥运筹比例3∶3∶4下小麦籽粒蛋白质含量和湿面筋含量呈最高水平。

4 结 论

稻茬小麦晚播后适当增加密度有利于避免穗数的显著下降,降低减产幅度,与适播相比两个年度平均减产幅度仅为8.62%;增加施氮量虽然一定程度上促进植株各生育阶段氮素吸收量,但降低氮肥偏生产力、氮素农学效率、氮素生理效率和氮素表观利用率,且导致产量下降;增加追肥尤其是分蘖肥比例有利于促进小麦拔节后氮素吸收利用,有利于提高氮肥偏生产力、氮素农学效率和氮素表观利用率,但降低氮素生理效率。晚播条件下增加氮肥用量或提高追肥比例也有利于提高籽粒蛋白质含量和湿面筋含量。在适播条件下,氮肥运筹比例5∶1∶4有利于协调穗数和粒重的关系,产量水平最高;在晚播条件下,氮肥运筹比例3∶3∶4降低基肥比例,提高分蘖肥比例,虽然穗数略有下降,但提高穗粒数和千粒重,有利于产量形成。综上所述,本研究条件下晚播采用210 kg·hm-2施氮量、氮肥运筹比例3∶3∶4最有利于促进植株氮素吸收利用,提高氮肥利用效率,是实现稻茬晚播小麦产量稳定和籽粒品质改善的合理调控途径。