优化缓释氮肥与尿素配施比例提高冬小麦产量和氮肥利用效率

2023-08-15谷晓博白东萍杜娅丹卢识宇蔡文璟

农业工程学报 2023年11期

谷晓博，宋慧，白东萍，杜娅丹，常甜，卢识宇，蔡文璟

（1. 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，杨凌 712100；2. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌 712100）

0 引言

小麦是中国主要粮食作物之一，其高产稳产对保障中国粮食安全有重要意义[1]。氮是提高小麦产量的主要元素，作物需要充足的氮才能获得更高的经济产量，施氮量的多少必须与作物的需求相适应[1-2]。普通氮肥施用后土壤养分浓度在短时间内过高，加大了挥发损失和渗漏的风险，且土壤养分供应与作物养分需求不同步，导致作物难以获取充足的养分[3]。与普通尿素相比，缓释氮肥高效且环境友好，可促进作物生长和氮素吸收，提高产量和氮肥利用效率[4]，并对玉米、马铃薯等生育期较短的作物具有显著增产提效作用[5-6]。缓释氮肥前期释放较慢，可能会导致作物生育前期供氮不足，且冬小麦生育期较长，仅施用缓释氮肥难以保证冬小麦全生育期充足的氮素供应[7]；而且单施缓释氮肥成本较高。为调整和优化施肥结构，提高氮肥利用效率。开展缓释氮肥与尿素配施对作物生长及氮素吸收的研究[8-10]，寻求提高肥料利用效率和经济效益的“双赢”施肥模式，对农业高效生产，实现绿色可持续发展具有重要意义。

很多学者在对作物生长研究中发现，在干旱和半干旱气候条件下，缓释氮肥与尿素配施可提高作物产量[11]，降低施肥成本[12]。ZHENG 等[13]研究表明，混施缓释氮肥和尿素后，小麦产量提高7.9%～10.3%。另外，缓释氮肥与尿素的不同配施比例也会对作物产量和氮肥利用效率产生不同影响。ZHANG 等[14]研究表明，缓释氮肥占比为20%～40%时冬小麦产量最高，较常规施肥氮素利用率提高14.21%～29.89%；但FAN 等[15]研究发现，缓释氮肥与尿素混施占比75%时冬小麦产量最高，较尿素处理产量、氮素利用效率和经济效益提高了12.2%、9.7%和19.1%。前人关于缓释氮肥与尿素最佳配施比例的研究结果不尽一致，且主要集中于对作物产量和水肥利用效率的影响，而关于缓释氮肥和尿素配施对作物产量形成的调控机制尚不明晰。

因此，本研究在前人研究成果的基础上，进一步研究不同缓释氮肥和尿素配施比例对冬小麦干物质累积及转运、作物产量和氮素吸收利用效率等方面的影响，目的在于：1）揭示缓释氮肥和尿素配施对冬小麦产量的影响机制；2）确定冬小麦高产高效生产的缓释氮肥与尿素最佳配施比例，优化冬小麦施肥模式，以期为冬小麦绿色高效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及试验材料

2019—2020 年和2020—2021 年2 a 冬小麦田间试验在陕西省杨陵区西北农林科技大学农业水土工程教育部重点实验室节水灌溉试验站（108°24′E，34°17′N）进行，该区属暖温带季风半湿润气候区，海拔521 m，多年平均气温13 ℃，多年平均降水量632 mm，年平均蒸发量1 500 mm。

试验地土壤质地为中壤土，田间持水率23%～25%（质量含水率），平均干容重1.42 g/cm3。耕层土壤（0～30 cm）pH 值约7.92，基础肥力（质量比）如下：有机质18.2 g/kg，硝态氮68.71 mg/kg，速效磷21.45 mg/kg，速效钾156.96 mg/kg。2019—2020 年和2020—2021 年冬小麦生育期内总降水量分别为149.5 和185.2 mm，平均气温为9 和9.1 ℃，逐日平均气温和降雨量动态变化如图1 所示。

图1 2019—2021 年冬小麦生育期内日平均气温和日降水量Fig.1 Daily air temperature and precipitation during the growth period of winter wheat in 2019—2021

供试小麦品种为“小偃22”。试验所用缓释氮肥为硫包衣尿素，由江苏泰州汉枫缓释肥料有限公司生产（其缓释曲线如图2 所示），含氮量不小于37%，释放期[16]为90 d。硫包衣尿素相比于其他树脂包膜缓释肥料具有抑制氮素损失、供硫+氮硫互促、以及疏松土质，缓解土壤板结，改良土壤的优势[4]。

图2 硫包衣尿素（SCU）的缓释曲线Fig.2 Slow-release curves for sulfur-coated urea (SCU)

1.2 试验设计

试验包括不施肥（CK）、不施氮肥（N0）、仅施尿素（U）、仅施缓释氮肥（S）、缓释氮肥与尿素1:3 配施（SU1）、缓释氮肥与尿素1:1 配施（SU2）、缓释氮肥与尿素3:1 配施（SU3）7 个施肥处理（表1），每个处理重复3 次，共21 个试验小区，小区随机排列，面积16 m2（4 m×4 m），小区周围布设0.5 m 保护带。关中地区施氮量180 kg/hm2是冬小麦适宜的推荐施肥量[17]，各小区氮肥、磷肥（120 kg/hm2，以P2O5计）和钾肥（135 kg/hm2，以K2O 计）均作为基肥施入。2 a 冬小麦播种量187.5 kg/hm2，行距20 cm，分别于2019 年10 月18 日和2020 年10 月20 日播种，2020 年6 月5 日和2021 年6 月7 日收获。

表1 各处理设计Table 1 Design of different treatments

1.3 测定项目与计算方法

1.3.1 干物质累积量

于苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期在每个小区选取长势均匀且具有代表性的10 株小麦（苗期和拔节期植株较小，选取15 株），将茎秆、叶片、麦穗分开，放入干燥箱105 ℃杀青30 min 后，75 ℃干燥至恒质量，冬小麦地上部干物质总量为各器官干物质量之和。

花前营养器官干物质向籽粒转运量为开花期营养器官干物质积累量与成熟期营养器官干物质积累量的差值，kg/hm2；花前营养器官干物质转运量对籽粒产量贡献率为花前营养器官干物质向籽粒转运量占籽粒产量的比例，%；花后干物质生产量为籽粒产量与花前营养器官干物质向籽粒转运量的差值，kg/hm2；花后干物质生产量对籽粒产量贡献率为花后干物质生产量占籽粒产量的比例，%。

1.3.2 产量

于冬小麦成熟期在每小区中间选取单行4 m 长的小麦植株，晒干脱粒称质量，取部分籽粒烘干测其含水率，并测定穗长、穗行数、穗粒数、单穗籽粒质量和千粒质量。

1.3.3 氮素累积吸收量

冬小麦地上部植株经小型粉碎机粉碎，过0.5 mm 筛，用H2SO4-H2O2消煮后通过连续流动分析仪（Auto Analyzer-Ⅲ型，德国Bran Luebbe 公司）测定植株体内各个组织器官全氮含量。氮素吸收总量为各个器官氮素吸收量之和。氮素累积量（TN），其计算式如下：

式中NC为植株含氮率，%；DM为植株地上部干物质累积量，kg/hm2。

1.3.4 经济效益

产值为产量与单价的乘积，元/hm2；净效益为产值与总投入的差值，元/hm2。小麦单价按当年当季的收购价计算。2019—2020 年和2020—2021 年小麦收购价分别为1.50 和1.56 元/kg。总投入包括肥料、种子、种植、收获和其他成本。用工标准和生产资料价格依据试验点当地当年用工及物价水平确定。肥料包括尿素（1.5 元/kg）、硫包衣尿素（2019—2020 年和2020—2021 年分别为3.4、3.3 元/kg）、过磷酸钙（2019—2020 年和2020—2021 年分别为1.0、0.9 元/kg）、硫酸钾（3.0 元/kg）；种子（2019—2020 年和2020—2021 年单价分别为4.0、3.9 元/kg）；种植包括旋耕（2019—2020 年和2020—2021 年分别为975 和1 027.9 元/hm2）；收获按750 元/hm2计算；其他包括播种、杂草和害虫防治（1 500 元/hm2）。

1.3.5 氮肥利用效率

氮肥农学利用效率（SN）、氮肥生理利用效率（SP）、氮肥吸收利用效率（SR）和氮肥偏生产力（SF）的计算式如下：

式中YN为施氮处理籽粒产量，kg/hm2；Y0为不施氮处理籽粒产量，kg/hm2；EN为施氮量，kg/hm2；TN为施氮处理植株氮素累积量，kg/hm2；T0为不施氮处理植株氮素累积量，kg/hm2。

1.4 数据分析

1）以生长天数为自变量，地上部干物质为因变量，选取Logistic 方程拟合冬小麦干物质累积的动态变化过程[18] ：

式中y为小麦的干物质累积量，kg/hm2；Ymax为最大干物质累积量，kg/hm2；t为播种后天数，d；a和c为待定系数。

对式（6）进行求导得：

式中T1为干物质快速累积起始时间，d；T2为干物质快速累积结束时间，d；T3为干物质累积有效增长起始时间，d；T4为干物质累积有效增长结束时间，d；Vmax为干物质最大累积速率，kg/(hm2·d)；Vmean为干物质平均累积速率，kg/(hm2·d)；T为干物质快速生长期，d。

2）用Excel 2021 软件对试验数据进行整理和误差计算；用SPSS20.0 软件中的单因素AVNOVA 进行方差分析，采用Duncan’s 新复极差法进行显著性方差分析，显著水平α=0.05；用Origin 2021 软件制图。

2 结果与分析

2.1 缓释氮肥与尿素配施对冬小麦干物质累积和转运的影响

随生育期推移，地上部干物质累积呈苗期缓慢增加，拔节和灌浆期快速增长，灌浆末期达到最大值后趋于稳定的趋势（图3），最大干物质累积量随缓释氮肥与尿素配施比例的增加而增加（表2），用Logistic 曲线拟合的决定系数均在0.95 以上，表明此方程可以准确地描述干物质的动态累积过程。

表2 不同处理下冬小麦地上部干物质动态Logistic 方程拟合参数Table 2 Fitted parameters of Logistic equations for aboveground dry matter dynamics of winter wheat under different treatments

图3 2019—2021 年冬小麦生育期内干物质动态累积过程Fig.3 Dynamic accumulation process of dry matter (DM) in winter wheat growth period from 2019 to 2021

2 a 干物质快速累积起始时间最早的处理为SU3 和SU2，较其他各处理提前了1～4 d（表2）。随缓释氮肥与尿素配施比例的增加，干物质快速生长期（T）也呈增加趋势。2 a 试验中，与U 相比，缓释氮肥与尿素配施干物质快速生长期（T）延长了3～6 d，平均累积速率提高了1.90%～19.91%。SU3 处理较SU2、SU1、S、U 和N0 处理平均累积速率分别提高2.13%、2.79%、8.45%、10.90%和58.76%。与不施氮相比，施氮均提高最大累积速率（Vmax）。缓释与尿素配施比普通尿素处理，Vmax增加了8.43%～11.16%。2019—2020 年和2020—2021 年Vmax分别在SU1 和SU3 处理最大为287 和295 kg/(hm2·d)，较S 和U 分别提高6.69%和10.90%、21.10%和2.08%。缓释氮肥与尿素配施处理达到最大累积速率的时间Tmax比U 和S 提前了1～3 和1～4 d。由此可见，缓释氮肥与尿素配施有利于促进冬小麦干物质累积，并延长快速生长期。

不同氮肥配施比例显著影响了干物质转运过程（表3）。配施比例对花前转运量的贡献率、花后生产量和花后转运量对籽粒产量贡献率有极显著影响（P＜0.01）；年份对花前转运量及其对籽粒产量贡献率和花后生产量的贡献率有极显著影响（P＜0.01）。与不施肥相比，缓释氮肥与尿素配施小麦花前转运量和花后干物质生产量分别提高了 88.12%～101.62%和192.65%～233.09%（P＜0.05）。

表3 2019—2021 年不同处理下冬小麦营养器官的花前贮藏干物质转运量与花后干物质生产量Table 3 Storage dry matter transportation before flowering and photochemical production after flowering in winter wheat under different treatments from 2019 to 2021

小麦产量随花后干物质生产量的增加呈不断增加趋势（图4，R2≥0.79）。2019—2020 年和2020—2021 年小麦花后干物质生产量均在SU3 处理达到最大值，分别为5 203 和5 515 kg/hm2，2019—2020 年，SU3 的花后干物质生产量较SU2、SU1、S、U 和CK处理分别提高了6.10%、8.19%、35.49%、32.43%和116.70%（P＜0.05），2020—2021 年，SU3 的花后干物质生产量较S、U 和CK处理分别提高了47.07%、66.42%和349.47%（P＜0.05），但与SU2 和SU1 处理差异不显著。2 a 冬小麦花后干物质生产量对籽粒贡献率（53.18%～71.83%）均高于花前转运量对籽粒的贡献率（28.17%～46.82%），且2 a 花后干物质生产量对籽粒贡献率均在SU3 处理达到最大，在2019—2020 年SU3 比U、S、SU1 和SU2 处理显著提高19.64%、26.64%、5.56%和5.17%（P＜0.05），而在2020—2021 年与U、S、SU1 和SU2 间差异不显著（P＞0.05）。

图4 2019—2021 年冬小麦花后生产量与产量之间的拟合关系Fig.4 The fitting relationship between translocation after flowering and yield of winter wheat from 2019 to 2021

2.2 缓释氮肥与尿素配施对冬小麦产量及其构成的影响

施氮显著提高了冬小麦产量及构成因素（表4）。由表4 可知，缓释氮肥配施比例与年份均对冬小麦穗数、穗长和产量有极显著影响（P＜0.01）；二者交互效应对穗粒数和穗长有显著影响（P＜0.05），对千粒质量达到极显著水平（P＜0.01），对产量影响不显著（P＞0.05）。2 a小麦产量均随缓释氮肥施用比例的增加而增加，SU3 处理产量最高，分别为7 243 和8 021 kg/hm2，平均较SU1、S 和U 处理分别提高了5.71%、7.25%和16.07%（P＜0.05），但和SU2 处理产量7 458 kg/hm2，差异不显著（P＞0.05）。与2019—2020 年相比，2020—2021 年施肥处理（SU3、SU2、SU1、S 和U）产量分别提高10.74%、7.74%、4.23%、10.21%和0.95%，CK 和N0 处理产量降低32.22%和42.15%。缓释氮肥与尿素配施处理与U处理相比，提高产量7.99%～21.44%。

表4 2019—2021 年不同处理冬小麦产量及其构成因素Table 4 Grain yield and yield components of winter wheat under different treatments from 2019 to 2021

对冬小麦进行经济效益分析（表5）可知，随缓释氮肥配施比例的增加冬小麦肥料投入不断增长，但同时也提高了小麦产值和净收益。与CK 和N0 相比，SU1、SU2和SU3 处理的净收益分别提高了409.75%～562.47%、444.04%～605.58%、468.40%～635.93%（P＜0.05）。2 a均在SU3 净收益最大，比S 和U 处理，经济效益提高了15.18%和25.67%。SU2 较SU3 在减少总支出的同时并没有显著降低经济效益，可实现小麦高效生产与经济收益的“双赢”。

表5 2019—2021 年不同处理冬小麦的经济效益Table 5 Economic benefits of winter wheat under different treatments from 2019 to 2021元·hm-2

2.3 缓释氮肥与尿素配施对冬小麦氮素累积吸收与利用的影响

施氮对冬小麦地上部氮素累积量有显著影响，缓释氮肥与尿素配施显著提高了冬小麦氮素累积吸收量（P＜0.05）（图5）。2 a 均表现为SU3 处理氮素累积最大，分别为196.23 和189.69 kg/hm2，但SU3 与SU2 处理间差异不显著（P＞0.05）。SU3 在2019—2020 年分别比U 和CK 处理提高24.08%和291.53%（P＜0.05），2020—2021 年分别提高36.63%和428.31%（P＜0.05），但与SUZ 无显著差异。

图5 2019—2021 年不同处理下冬小麦地上部氮素累积量Fig.5 Nitrogen uptake accumulation of winter wheat under different treatments from 2019 to 2021

2019—2020 年各处理的氮素利用效率相关指标整体较2020—2021 年低，但各处理变化规律基本一致（图6）。缓释氮肥与尿素配施较普通尿素处理显著提高了小麦氮肥农学利用效率、氮肥生理利用效率、氮肥吸收利用效率和氮肥偏生产力。2020—2021 年SU3 较SU2 处理SR显著提高14.96%（P＜0.05），2019—2020 年SU3 处理与SU2 处理SR差异不显著（P＞0.05）。2 a 试验中，SU2 处理SR为45.97%，SN、SP和SF分别为16.07、30.49 和42.09 kg/kg，SU3 和SU2 处理间的SN、SP（2019—2020年除外）和SF均无显著差异（P＞0.05）。SU3 处理的SN较S 和U 处理分别提高82.88%和70.96%（P＜0.05），但与SU1 和SU2 处理差异不显著（P＞0.05）。2019—2020 年和2020—2021 年SP在SU3 和SU1 处理达到最大值，分别为32.47 和39.72 kg/kg，较U 分别提高100.56%和17.86%（P＜0.05）。2 a 试验中，SF均在SU3 处理达到最大值，分别为40.24 和47.80 kg/kg，与SU1 和SU2处理没有显著差异（P＞0.05）。

图6 2019—2021 年不同处理对冬小麦氮素利用效率的影响Fig.6 Effects of different treatments on nitrogen use efficiency of winter wheat from 2019 to 2021

3 讨论

3.1 缓释氮肥配施对冬小麦地上部干物质累积和转运的影响

提高作物干物质量是籽粒高产的物质基础[19]。本研究表明，与普通尿素相比，施用缓释氮肥与尿素配施可以显著提高冬小麦成熟期干物质量，这与衣文平等[8,20-21]的研究结果一致。YANG 等[22]对玉米进行研究发现，施氮提高了干物质累积最高速率，提早了累积速率达到最大值的时间，延长干物质快速生长期的持续时间。本研究对冬小麦进行分析发现，缓释氮肥与尿素配施使干物质快速累积起始时间提前了1～4 d，并延长干物质快速生长期3～6 d，同时提高了小麦干物质最大累积速率8.43%～11.16%（表2），有利于干物质累积，进而促进产量的提高。该结果进一步被LYU 等[23]研究证实，说明将缓释氮肥和尿素配施能更加充分地发挥氮肥对作物生长发育的促进作用，促进作物的干物质累积。

合理施氮能促进花后干物质积累[24]，屈会娟等[25]研究发现花后干物质累积量对小麦籽粒产量的贡献率达60%以上。本研究发现缓释氮肥和尿素配施处理的冬小麦花后生产量随着缓释氮肥配施比例的提高而增加，但花前营养器官中储存物质的转移量和对籽粒的贡献率却明显随之下降。表明缓释氮肥与尿素配施在增加冬小麦花后生产量的同时改善花前转运量。花后是籽粒灌浆的关键时期，较高的干物质累积量能保证小麦正常的灌浆能力[26]。研究发现，小麦花前干物质转运量与产量呈线性负相关，花后干物质累积量与产量呈线性正相关[27]。

施用缓释氮肥与尿素配施有利于开花后干物质累积和干物质对籽粒的贡献，同时也改善了花前转运量以及对籽粒的贡献率。可见，花后干物质累积是冬小麦高产的关键，赵艳等[28-29]研究得到相同结果。

3.2 缓释氮肥配施对冬小麦产量的影响

土壤养分供应能力直接影响作物生长和产量[30]，合理的氮素运筹是提高作物产量的重要保障[31]。缓释氮肥能够降低氮素损失量，缓慢持续释放养分能够匹配作物需肥特性，实现稳产增产。本研究表明，缓释氮肥与尿素配施可以显著提高穗数、穗粒数、穗长和千粒质量，而有效穗数和穗粒数的增加，可以增加小麦库容量，且产量构成要素之间的叠加效应可以显著提高作物产量[32]。卢艳丽等[33]研究表明，施用144 kg/hm2缓释氮肥比施用180 kg/hm2常规施肥，显著提高玉米产量18.30%。ZHENG 等[13]表明，混施30%的缓释氮肥和尿素后，小麦产量提高7.9%～10.3%。本研究发现，缓释氮肥与尿素配施处理相较于仅施普通尿素处理提高产量7.99%～21.44%，年份与配施比例对产量均有显著影响，但二者交互影响不显著（表4）。2020—2021 年CK 和N0 产量比2019—2020 年降低，可能是因为2019—2020 年播种前土壤中残留的养分较多，且连续2 a 不施肥土壤肥力降低。2020—2021 年缓释氮肥与尿素配施产量比2019—2020 年提高了4.23%～10.74%，可能连续施肥土壤肥力增加，2020—2021 年小麦生育期内降水量也增加了35.7 mm，有助于加快硫包衣尿素的供氮速率[34]。

与仅施用缓释氮肥相比，缓释氮肥与尿素配施还可显著降低投入成本，增加冬小麦的产投比。缓释氮肥与尿素3:1 配施（SU3）处理冬小麦产量最高（P＜0.05），而缓释氮肥与尿素1:1 配施（SU2）处理产量与SU3 差异不显著（P＞0.05），缓释氮肥与尿素1:1 配施（SU2）降低投入并获得高产。这与张晨阳等[20]研究发现施用缓释氮肥和尿素配施在不同品种下的小麦均有显著的增产效果一致。缓释氮肥与尿素配施可以协调养分释放时间和强度，降低普通氮肥养分释放过快导致淋失损失的风险，同时解决了缓释氮肥养分释放速度慢不能满足作物生育前期氮需求的问题和生育后期氮素供应短缺的潜在问题[34-35]。

3.3 缓释氮肥配施对冬小麦氮素吸收利用的影响

氮素损失的主要原因是氮供应与作物吸收不一致。缓释氮肥能调控土壤中氮肥的释放和转化，对提高氮肥利用率、减少氮素淋失有明显效果[21]。胡迎春等[9]研究表明，在黄土高原地区，缓释氮肥与普通氮肥配施可显著提高作物氮肥农学利用效率，并达到增产的目的。氮肥利用率的高低与氮素损失之间存在密切联系，本研究发现，与仅施尿素处理相比，缓释氮肥与尿素配施处理显著提高小麦氮素累积吸收量、氮肥吸收利用效率和氮肥偏生产力（图6），这与张宁宁等[36-38]的研究结果一致。说明了缓释氮肥配施使得肥料利用率提高，被作物及时并充分吸收同时减少了氮素在土壤中淋失的机会。LYU 等[23]研究结果表明，缓释氮肥配施比例为30%时小麦产量和氮素利用达到最高，但本研究发现缓释氮肥配施比例50%时产量与氮素利用效率达到最佳。原因可能是他们的研究采用了秸秆覆盖，而作物秸秆分解和早期小麦生长产生氮竞争，所以生育期前期所需的氮更高，尿素比例相对高一些。施氮对氮素吸收利用效率起主导作用，合理配施氮肥对植株氮素吸收、转运及利用效率有显著影响[31]。缓释氮肥配施的氮素供应优于普通氮肥[39]，研究发现，缓释氮肥与尿素3∶1 配施（SU3）处理显著提高小麦氮素吸收量、氮素利用效率和花后干物质生产量，并获得较高产量，但缓释氮肥与尿素1∶1 配施（SU2）处理与SU3 处理无显著差异。结合经济效益，SU2 较SU3 在减少总支出的同时并没有显著降低经济效益，缓释氮肥与尿素1:1 配施（SU2）可实现冬小麦绿色高效生产。

本研究综合分析了不同缓释氮肥与尿素配施比例对冬小麦干物质累积与转运、产量和氮素利用效率的影响，揭示了缓释氮肥与尿素配施对冬小麦地上部干物质累积、花前转运量和花后生产量的影响规律，进一步明晰了缓释氮肥与尿素配施对产量形成的影响机制，并基于产量和氮肥利用效率，确定了冬小麦高产高效的缓释氮肥与尿素配施比例。但后续研究还需考虑环境效应和碳氮排放等，如关于缓释氮肥与尿素配施对土壤硝态氮分布、氨挥发以及温室气体排放的影响还需进一步研究，以确定出冬小麦农田高产高效并同步减排的缓释氮肥与尿素施用量及其配施比例。