氮肥減施對(duì)寬幅播種冬小麥產(chǎn)量形成和氮肥利用效率的影響

徐曉峰 焦念元

(1河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院/牡丹學(xué)院，河南 洛陽 471023；2洛陽市植物營養(yǎng)與環(huán)境生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471023)

我國的氮肥消費(fèi)量占全球氮肥消費(fèi)量的四分之一[1]，普遍存在過量施肥現(xiàn)象。減量施肥是為了應(yīng)對(duì)種植業(yè)化肥過量施用，肥料利用率低等問題而發(fā)展的一種新型施肥技術(shù)，目標(biāo)是減少化肥施用，同時(shí)保持作物產(chǎn)量[2-4]。研究表明，提高畝穗數(shù)[5-6]、改善干物質(zhì)積累效率[7]是實(shí)現(xiàn)冬小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要技術(shù)途徑。畝穗數(shù)與分蘗數(shù)密切相關(guān)，施氮能提高分蘗數(shù)[8]，從而增加畝穗數(shù)，并提高干物質(zhì)積累效率[9-10]。因此增施氮肥已成為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基本措施[1]，在氮肥減施的情況下如何有效保證足夠的畝穗數(shù)，提高干物質(zhì)積累效率，是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。

寬幅播種技術(shù)是相對(duì)于常規(guī)條播的一項(xiàng)農(nóng)技農(nóng)藝高度結(jié)合的新型播種技術(shù)，具有行距大、播幅寬的特點(diǎn)[11]。與常規(guī)條播相比，寬幅播種具有顯著的增蘗增穗的作用[12]。寬幅播種通過增大行距，提高透光率，改善下層葉片和莖稈的光合效率[13]；并可通過延緩衰老進(jìn)程，延長灌漿時(shí)間[14]，提高干物質(zhì)積累量。此外，寬幅播種還具有群體質(zhì)量高[15]、氮肥利用效率優(yōu)的特點(diǎn)[11]。采用寬幅播種對(duì)各小麥具有增穗增效的作用，因此在氮肥減施過程中采用寬幅播種可能更有利于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)的目標(biāo)。

河南省豫北地區(qū)是我國冬小麥主產(chǎn)區(qū)之一，產(chǎn)量水平高，農(nóng)民習(xí)慣施肥量大[16]。針對(duì)該地區(qū)的冬小麥氮肥減施技術(shù)已有不少報(bào)道[7，14]。王小明等[17]研究表明施氮180～240 kg·hm-2能夠滿足該地區(qū)的冬小麥對(duì)氮素的需求。但氮肥減施對(duì)寬幅播種冬小麥產(chǎn)量形成和氮肥利用效率影響的報(bào)道較少[15]，尤其是在晚播條件下，其產(chǎn)量形成規(guī)律和氮肥利用效率特點(diǎn)尚不明確。為此，本研究采用大田試驗(yàn)，探究了氮肥減施和寬幅播種對(duì)冬小麥群體動(dòng)態(tài)、氮肥利用效率、產(chǎn)量及產(chǎn)量形成的影響，旨在為建立冬小麥氮肥減施、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年11月至2019年6月在河南省濟(jì)源市梨林鎮(zhèn)小南程村(35.090°N，112.739°E)進(jìn)行。該試驗(yàn)地屬太行山山前平原，土壤類型為潮土，屬于暖溫帶季風(fēng)氣候，年均降雨量609 mm，近60年日均溫及月均降雨量分布見圖1。前茬為大豆，耕層土壤硝態(tài)氮30.70 mg·kg-1、交換性鉀183.7 mg·kg-1、有效磷74.5 mg·kg-1。供試品種為新麥26 號(hào)，是當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)麥基地建設(shè)的選用品種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)3 個(gè)處理:1)氮肥減施處理(減肥處理，N225):采用寬窄行設(shè)計(jì)，其中寬行行間距26 cm，窄行行間距10 cm(均不含小麥播幅)，小麥播幅為8 cm；各小區(qū)施純氮225 kg·hm-2，按基追比1∶1兩次施入。2)農(nóng)民習(xí)慣施肥處理(習(xí)慣施肥處理，N300):采用寬窄行設(shè)計(jì)；各小區(qū)均施用純氮300 kg·hm-2，按基追比6∶4兩次施入。3)無肥處理(N0)，不施用氮肥，采用寬窄行設(shè)計(jì)。氮肥減施量根據(jù)文獻(xiàn)[17]和前期試驗(yàn)結(jié)果確定。減肥處理、習(xí)慣施肥處理及對(duì)照各小區(qū)磷、鉀肥分別為184、51 kg·hm-2，磷、鉀肥基肥一次施入。基肥在深翻前撒施；追肥于拔節(jié)期用種肥同播機(jī)深施，追肥后灌水。在冬小麥生長期間，于12月中旬灌冬水225 m3·hm-2；于拔節(jié)期灌水225 m3·hm-2；于孕穗期灌水150 m3·hm-2；其他管理均按照常規(guī)高產(chǎn)田管理規(guī)范進(jìn)行。各處理播種量均為225 kg·hm-2。各處理均重復(fù)3 次。于2018年11月4日播種，2019年5月30日收獲。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 基本苗、群體動(dòng)態(tài)、畝穗數(shù)、成穗率及生物量 采用1 m 雙行的調(diào)查方法，選取有代表性的相鄰兩行小麥，量取1 m，并分別在兩端設(shè)置標(biāo)志，分別于三葉期、冬前(12月15日)、返青期、拔節(jié)期、揚(yáng)花期調(diào)查小麥莖蘗數(shù)，并于成熟期調(diào)查穗數(shù)，估算成穗率。分別于拔節(jié)期、揚(yáng)花期、成熟期選取有代表性的1 m 雙行植株，測定生物量。按照公式計(jì)算成穗率:

1.3.2 產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成要素及收獲指數(shù) 于成熟期在各小區(qū)選取代表性的1 米8 行小麥，風(fēng)干后測產(chǎn)。分別測定莖葉、穗軸穎殼和籽粒質(zhì)量，以及千粒重，并根據(jù)式(2)計(jì)算收獲指數(shù)，其中籽粒產(chǎn)量根據(jù)實(shí)測含水率轉(zhuǎn)換為14%含水率后作為產(chǎn)量測定值。測產(chǎn)的同時(shí)，在田間取連續(xù)20 穗調(diào)查穗粒數(shù)。

1.3.3 花前干物質(zhì)輸出量、花后干物質(zhì)積累量及對(duì)籽粒的貢獻(xiàn) 于揚(yáng)花期在田間標(biāo)記長勢均勻的40 個(gè)單莖。揚(yáng)花初期取其中20 個(gè)單莖，分為莖葉和穗兩部分，于75℃烘干至恒重后測定干重，為花前莖葉和穗的單莖干物質(zhì)量；收獲期取另20 個(gè)單莖，分為莖葉、籽粒、穗軸＋穎殼三部分，于75℃烘干至恒重后測定干重，為花后三部分的單莖干物質(zhì)量。按照公式計(jì)算相關(guān)指標(biāo):

1.3.4 氮素積累量 于收獲期結(jié)合脫粒，隨機(jī)選取一部分秸稈和籽粒，分別烘干后粉碎，制成待測樣。采用硫酸-雙氧水消化法，凱氏定氮法測定氮含量，并計(jì)算秸稈和籽粒部分氮素積累量[18]。然后根據(jù)公式計(jì)算地上部氮吸收量和氮收獲指數(shù):

1.3.5 氮肥利用效率的計(jì)算 分別計(jì)算氮肥農(nóng)學(xué)效率(nitrogen agronomic efficiency，NAE)、氮肥利用效率(nitrogen recovery rate，NRE)及氮肥偏生產(chǎn)力(nitrogen partial factor productivity，PFP):

1.4 數(shù)據(jù)處理

各指標(biāo)分別進(jìn)行單因素方差分析，并采用LSD 多重比較法在5%水平上檢驗(yàn)各處理間均值的差異顯著性。統(tǒng)計(jì)分析采用R 軟件及其輔助包實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥減施對(duì)寬幅播種冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

由表1可知，與習(xí)慣施肥處理相比，無肥處理產(chǎn)量降低36.83%，而減肥處理增產(chǎn)6.01%。此外，對(duì)照的成穗率和千粒重分別比習(xí)慣施肥處理顯著提高6.60 個(gè)百分點(diǎn)和10.59%，但畝穗數(shù)和穗粒數(shù)卻顯著降低了19.67%和21.44%；減肥處理的成穗率和千粒重分別提高18.10 個(gè)百分點(diǎn)和1.30%，畝穗數(shù)也提高3.39%，僅穗粒數(shù)顯著降低了4.68%。表明減肥處理可通過提高成穗率，克服穗粒數(shù)下降的影響，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。

表1 氮肥減施對(duì)寬幅播種冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響Table 1 Effects of reduced application of nitrogen fertilizer on grain yields and yield component of winter wheat with wide-range sowing

2.2 氮肥減施對(duì)寬幅播種冬小麥群體莖蘗動(dòng)態(tài)的影響

由圖2可知，與習(xí)慣施肥處理相比，無肥處理在冬前、返青期、拔節(jié)期、揚(yáng)花期各階段的莖蘗數(shù)分別顯著降低24.01%、35.68%、30.27%、38.50%；減肥處理各生長階段莖蘗數(shù)分別顯著降低27.97%、29.36%、26.84%、24.60%。表明在寬幅播種條件下，氮肥減施并無增蘗作用。

2.3 氮肥減施對(duì)寬幅播種冬小麥生物量積累、產(chǎn)量形成和收獲指數(shù)的影響

由表2可知，與習(xí)慣施肥處理相比，無肥處理在拔節(jié)期、揚(yáng)花期、收獲期的生物量分別顯著降低24.16%、41.53%、40.00%，減肥處理在拔節(jié)期和揚(yáng)花期生物量分別顯著降低11.41%、31.08%，但收獲期生物量僅降低0.19%，未達(dá)到顯著水平。此外，減肥處理的收獲指數(shù)也較習(xí)慣施肥處理顯著提高2.97%。綜上表明，氮肥減施結(jié)合寬幅播種可降低冬小麥群體花前生物量，促進(jìn)群體花后生物量的積累，并提高收獲指數(shù)。

表2 氮肥減施對(duì)寬幅播種冬小麥各生長階段生物量積累及收獲指數(shù)的影響Table 2 Effects of reduced application of nitrogen fertilizer on the biomass accumulation and harvest index of winter wheat with wide-range sowing

2.4 氮肥減施對(duì)寬幅播種冬小麥花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)移、花后干物質(zhì)積累的影響

由表3可知，與習(xí)慣施肥處理相比，無肥處理由于群體密度小，揚(yáng)花期的單莖生物量反而顯著提高8.93%，而減肥處理僅提高1.19%。到收獲期，與習(xí)慣施肥處理相比，無肥處理的單莖生物量顯著提高8.05%，花后干物質(zhì)積累量提高5.34%；同期，減肥處理單莖生物量則比習(xí)慣施肥處理顯著提高18.50%，花后干物質(zhì)積累量顯著提高39.70%。表明減肥處理對(duì)單莖花后干物質(zhì)積累具有非常明顯的促進(jìn)作用。

與習(xí)慣施肥處理比，無肥處理花后干物質(zhì)對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率提高1.26 個(gè)百分點(diǎn)，而減肥處理提高14.51 個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí)，無肥處理的單莖花前干物質(zhì)積輸出量、花前干物質(zhì)輸出率以及花前干物質(zhì)輸出對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率分別比習(xí)慣施肥處理提高16.00%、0.92 個(gè)百分點(diǎn)、1.44 個(gè)百分點(diǎn)，而減肥處理的這三項(xiàng)指標(biāo)均顯著低于習(xí)慣施肥處理。表明氮肥減施比習(xí)慣施肥能更有效實(shí)現(xiàn)花后干物質(zhì)積累向籽粒的轉(zhuǎn)移。

表3 氮肥減施對(duì)寬幅播種冬小麥花后干物質(zhì)積累及花前干物質(zhì)輸出的影響Table 3 Effects of reduced application of nitrogen fertilizer on photo-assimilate translocation amount from vegetative organs to grain and its accumulation amount after anthesis of winter wheat with wide-range sowing

2.5 氮肥減施對(duì)寬幅播種冬小麥氮肥利用效率的影響

由表4可知，減肥處理的籽粒和秸稈氮濃度、地上部氮吸收量均顯著高于無肥處理，氮收獲指數(shù)則無顯著差異。而減肥處理的籽粒和秸稈氮濃度雖低于習(xí)慣施肥處理，但兩處理間地上部氮吸收量無顯著差異，且減肥處理的氮收獲指數(shù)顯著高于習(xí)慣施肥處理。

氮肥減施減少了氮肥的投入量，但并未顯著減少地上部的氮吸收量和產(chǎn)量，因此有效提高了氮肥利用效率。與習(xí)慣施肥處理相比，減肥處理的氮肥農(nóng)學(xué)效率提高12.94%，氮肥偏生產(chǎn)力提高41.09%，氮肥利用率提高11.90 個(gè)百分點(diǎn)，且三項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到顯著差異水平。表明氮肥減施可通過有效提高秸稈氮向籽粒的轉(zhuǎn)移效率，改善氮收獲指數(shù)，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)條件下氮肥利用效率的提高。

表4 氮肥減施對(duì)寬幅播種冬小麥氮肥吸收與利用效率的影響Table 4 Effects of reduced application of nitrogen fertilizer on nitrogen uptake and utilization efficiency of winter wheat with wide-range sowing

3 討論

氮肥減施通過降低群體密度，提高成穗率，保障了足夠的畝穗數(shù)；并通過促進(jìn)花后干物質(zhì)積累以及向籽粒轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了氮肥利用效率和產(chǎn)量的提高，說明短期內(nèi)寬幅播種配合氮肥減施在冬小麥生產(chǎn)中是可行的。

增蘗增穗是寬幅播種的突出優(yōu)勢[19，12]。但本研究發(fā)現(xiàn)采用氮肥減施時(shí)，寬幅播種不增蘗也能實(shí)現(xiàn)增穗?？赡苡袃煞矫嬖?，一方面寬幅播種有較高的出苗率。王曉紅[20]在總結(jié)寬幅播種的推廣經(jīng)驗(yàn)時(shí)認(rèn)為，寬幅播種具有前期苗齊、苗勻的特點(diǎn)，王立梅[21]也報(bào)道寬幅播種能提高3.2%的出苗率。更高的基本苗貢獻(xiàn)了更多的主莖穗[22]，減輕了畝穗數(shù)對(duì)分蘗成穗的依賴。另一方面可能與成穗率的提高有關(guān)。春生分蘗，尤其是返青后的分蘗，生長期短，干物質(zhì)積累少，難以形成有效穗[23-25]。通過氮肥減施降低返青期后的分蘗數(shù)[26]，既能改善群體內(nèi)環(huán)境，也有利于減少水與養(yǎng)分資源的消耗，提高成穗率，改善后期生長條件[17]。

冬小麥產(chǎn)量的形成依賴于花后干物質(zhì)的高效積累和花前干物質(zhì)順利轉(zhuǎn)移[17]。王小明等[17]報(bào)道冬小麥的花后干物質(zhì)積累量并未隨施氮量的增加而增加，施氮量為180～240 kg·hm-2時(shí)最高。王林林等[27]也發(fā)現(xiàn)，與施氮量300 kg·hm-2相比，施氮量為195 kg·hm-2的花后干物質(zhì)積累量更高。本研究也證實(shí)氮肥減施處理的花后干物質(zhì)積累量高于習(xí)慣施肥處理。寬幅播種行距大，能改善冠層微環(huán)境[13]，減少冠層光截獲量，增加漏光率，改善冠層光合效率[28-29]，有利于提高干物質(zhì)積累效率。另外，灌漿持續(xù)時(shí)間是影響干物質(zhì)積累的主要因素[30]，寬幅播種能延緩冬小麥的衰老過程[14]，延長灌漿時(shí)間[31]。本研究中，寬幅播種配合氮肥減施處理的花后干物質(zhì)貢獻(xiàn)率偏高，而花前干物質(zhì)輸出的貢獻(xiàn)率則偏低。這與王玉杰等[32]、郝啟飛等[33]報(bào)道結(jié)果不一致，但與王小明等[17]的結(jié)果比較接近。其是否與習(xí)慣施肥和減肥處理的熟期不一致有關(guān)，值得進(jìn)一步研究。

研究表明，氮肥減施能有效提高氮肥利用效率[34-35]。本研究也證實(shí)了該結(jié)論。本研究中減肥處理與習(xí)慣施肥處理的地上部氮吸收量無顯著差異[11]?？赡芘c2 種處理在收獲期的生物量無明顯差異有關(guān)。冬小麥地上部對(duì)氮肥的吸收與地上部生物量密切關(guān)系[36-37]，2 種施肥處理在收獲期地上部生物量相近，可能是收獲期地上部氮吸收量相近的原因。

4 結(jié)論

晚播條件下寬幅播種配合氮肥減施能提高冬小麥籽粒產(chǎn)量。氮肥減施處理冬小麥主要通過降低最大分蘗數(shù)，提高成穗率，保障畝穗數(shù)，促進(jìn)花后干物質(zhì)積累和向籽粒分配，實(shí)現(xiàn)氮肥利用效率和產(chǎn)量的提高。本研究結(jié)果表明，短期內(nèi)寬幅播種配合氮肥減施在冬小麥生產(chǎn)上是可行的，但持續(xù)氮肥減施對(duì)寬幅播種冬小麥產(chǎn)量形成的影響和配合措施還需進(jìn)一步研究。