不同氮肥增效劑和水氮用量對冬小麥產(chǎn)量的影響

胡田田 崔曉路 李夢月 陸軍勝 羅利華 陳紹民

(西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

氮肥投入是影響小麥產(chǎn)量穩(wěn)定性的主導因素之一，目前農(nóng)戶已普遍形成了“要高產(chǎn)就必須多施肥”的施肥習慣[1]。然而，作物產(chǎn)量并不隨施氮量的增加而持續(xù)增加，并且過量施氮還會導致氮肥利用率和增產(chǎn)效應(yīng)降低、氮素損失量增加、土壤酸化加劇，氮肥在土壤中的殘留將導致環(huán)境污染等一系列問題[2-4]。為此，研究人員提出了許多減氮措施，其中添加氮肥增效劑就是方法之一[5-6]。氮肥增效劑能夠?qū)δ蛩氐乃饧跋趸?、土壤硝態(tài)氮的反硝化作用等進行抑制和調(diào)控，添加氮肥增效劑能在一定程度上減少氮肥損失、提高氮肥利用效率，同時還可減少施肥次數(shù)、降低成本[7-9]，在提高作物產(chǎn)量及保護環(huán)境等方面起到了積極的作用[10]。

目前，常用的氮肥增效劑主要包括脲酶抑制劑、硝化抑制劑、銨穩(wěn)定劑和雙效抑制劑等[11]。脲酶抑制劑通過抑制脲酶的活性減緩尿素的水解，從而使尿素更好地被作物利用[12]。雙效抑制劑是脲酶抑制劑與硝化抑制劑的配合施用，不僅能延緩尿素的水解，還能在一定程度上抑制尿素水解后的硝化過程[9]。研究表明，脲酶抑制劑和硝化抑制劑的持續(xù)時間和抑制效果受土壤水分含量、土壤pH值以及灌水量和施氮量等因素的影響[13-15]。李婷玉[16]認為，灌溉體系對施用脲酶抑制劑的作物生產(chǎn)力影響很大，在適當?shù)墓嗨織l件下，可以增產(chǎn)8%左右，但在雨養(yǎng)條件下只能增產(chǎn)4%左右。劉紅江等[17]研究表明，硝化抑制劑在較低施氮水平下可以提高不同生育期麥田土壤速效氮含量，但隨著施氮量的繼續(xù)增加，反而會降低土壤速效氮含量，從而降低作物產(chǎn)量?？梢?，氮肥增效劑需在合適的灌水施氮條件下才能更好地發(fā)揮作用。

目前，有關(guān)氮肥增效劑的研究主要集中在氮肥增效劑對土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響方面[18-19]，對作物產(chǎn)量方面的研究主要涉及氮肥增效劑或水肥用量等單一因素，關(guān)于氮肥增效劑類型與水肥用量綜合作用的研究卻鮮見報道。本文選用脲酶抑制劑、雙效抑制劑兩種常用的氮肥增效劑，以尿素傳統(tǒng)施用為對照，設(shè)置不同的灌水、施氮水平，采用裂-裂區(qū)試驗設(shè)計，定量研究不同氮肥增效劑下水氮用量對冬小麥產(chǎn)量的影響，提出不同氮肥增效劑下適宜的水肥用量范圍，以期為氮肥增效劑的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年10月—2019年6月在陜西省咸陽市武功縣海鋈皇嘉農(nóng)業(yè)示范園(34°21′N，108°3′E，海拔471 m)進行。該地區(qū)屬于溫帶半濕潤性季風氣候，年平均氣溫12.9℃，多年平均降雨量為597 mm，無霜期210 d。供試土壤為塿土，0～20 cm土層的土壤容重為1.36 g/cm3，土壤pH值為8，有機質(zhì)質(zhì)量比12.5 g/kg，全氮質(zhì)量比0.86 g/kg，速效磷質(zhì)量比32.3 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比174.5 mg/kg。以“西農(nóng)979”冬小麥為供試品種，于2018年10月12日播種，2019年6月2日收獲。冬小麥生育期內(nèi)有效降雨量為314 mm(圖1)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用裂-裂區(qū)設(shè)計，水分處理為主區(qū)，施氮處理為副區(qū)，氮肥增效劑類型為副-副區(qū)。主處理設(shè)低水30 mm(W1)、中水60 mm(W2)和高水90 mm(W3)處理；副處理設(shè)低氮75 kg/hm2(N1)、中氮150 kg/hm2(N2)和高氮225 kg/hm2(N3)處理；副-副處理為氮肥增效劑類型：脲酶抑制劑(NBPT)、雙效抑制劑(NBPT+DCD)，以傳統(tǒng)施肥(尿素，基施、冬灌追肥、拔節(jié)追肥比例為6∶2∶2，編號為CO)處理為對照。另外在3個水分水平下各設(shè)1個不施氮處理(CK)。小區(qū)面積36 m2(9 m×4 m)，共30個處理。脲酶抑制劑+尿素和雙效抑制劑+尿素均一次性基施；單施尿素的處理，氮肥的60%基施，20%冬灌時施入，20%拔節(jié)期施入。磷肥用過磷酸鈣，施磷量為105 kg/hm2；鉀肥用氯化鉀，施鉀量為45 kg/hm2。磷、鉀肥一次性基施。

1.3 產(chǎn)量測定

在冬小麥成熟期各小區(qū)隨機選取6個長勢均勻的樣方(1 m2)進行收獲，人工脫粒后曬干，并對每個樣方內(nèi)的小麥籽粒進行稱量，然后折算為以公頃為單位的產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

1.4.1頻率分析

(1)

式中nij——不同灌水或施肥水平下高于平均產(chǎn)量發(fā)生的次數(shù)

uj——灌水或施氮水平

nj——總處理數(shù)

p——產(chǎn)量高于95%置信區(qū)間的數(shù)量

均數(shù)標準差sx為

(2)

1.4.2統(tǒng)計分析

采用DPS 7.0.5軟件分析數(shù)據(jù)，采用Duncan新復(fù)極差法進行多重比較。采用Excel 2010和SigmaPlot 12.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥增效劑類型和水氮用量對冬小麥產(chǎn)量的影響

灌水水平、施氮水平、氮肥增效劑類型對冬小麥產(chǎn)量的影響都達到了極顯著水平(P<0.01)。由表1可知，灌水處理以W2處理的冬小麥產(chǎn)量最高，分別比W1和W3水平高15.40%和34.35%。施氮處理以N2處理下產(chǎn)量最高，分別比N1和N3處理增加22.46%和8.77%。CO處理的冬小麥產(chǎn)量最低，NBPT處理和NBPT+DCD處理較CO處理分別增加13.28%和26.21%。氮肥增效劑類型與灌水水平的交互作用達到顯著水平(P<0.05)，施氮水平與灌水水平的交互效應(yīng)達到極顯著水平(P<0.01)，氮肥增效劑類型與施氮水平的交互效應(yīng)未達到顯著水平(P>0.05)。氮肥增效劑類型、灌水水平和施氮水平三者的交互效應(yīng)達到顯著水平(P<0.05)。

表1 試驗因素對冬小麥產(chǎn)量的影響Tab.1 Influence of experimental factors on winter wheat yield

2.2 水氮用量對不同氮肥增效劑增產(chǎn)效果的影響

由圖2(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05))可以看出，不同氮肥增效劑對冬小麥產(chǎn)量的影響因水氮用量而變化。在W1灌水水平下，NBPT處理在N2施氮條件下的產(chǎn)量為7 574 kg/hm2，NBPT+DCD處理的產(chǎn)量為8 204 kg/hm2，較CO處理增產(chǎn)18.22%和28.05%。在N1水平下NBPT處理較CO處理增產(chǎn)20.01%，NBPT+DCD處理較CO處理增產(chǎn)24.85%。在N3水平下，NBPT處理和NBPT+DCD處理較CO處理分別增產(chǎn)15.24%和25.30%(圖2a)。在W2灌水水平下，施氮量為N1水平時，NBPT和NBPT+DCD處理較CO增產(chǎn)20.23%和38.96%；施氮量為N2水平時，較CO處理增產(chǎn)10.69%和26.96%。施氮量為N3水平時，NBPT處理和NBPT+DCD處理較CO處理分別增產(chǎn)17.76%和29.21%(圖2b)。在W3灌水水平下，施氮量為N1、N2、N3水平時，NBPT和NBPT+DCD處理較相應(yīng)的CO分別增產(chǎn)4.78%和15.52%、6.32%和26.39%、4.45%和17.02%(圖2c)?？梢?，不論灌水與施氮水平高低，雙效抑制劑均較脲酶抑制劑表現(xiàn)出更大的增產(chǎn)幅度。此外，在相同施氮水平下，NBPT和NBPT+DCD處理較CO處理的增產(chǎn)率隨著灌水量的增加都呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，在W2灌水水平下增產(chǎn)率達到最大(N2施氮水平下NBPT處理除外)。

2.3 氮肥增效劑與灌水量的交互效應(yīng)

由表1可知，氮肥增效劑類型與灌水水平的交互效應(yīng)達到顯著水平(P<0.05)。其交互效應(yīng)值(與CO處理產(chǎn)量差值)見表2。由表2可知，在N1、N2、N3施氮水平下，灌水量由30 mm增加到60 mm時，NBPT+DCD處理與灌水量表現(xiàn)為正交互效應(yīng)，繼續(xù)增加灌水量至90 mm，與灌水量表現(xiàn)為負交互效應(yīng)。在N1和N3水平下，NBPT處理表現(xiàn)出了相同規(guī)律，N2水平下有所不同?？傮w上，與灌水量30 mm相比，增加灌水量至60 mm，氮肥增效劑較CO處理增產(chǎn)效果增強，平均提高118 kg/hm2，繼續(xù)增加灌水量至90 mm，氮肥增效劑較CO處理增產(chǎn)效果減弱，平均減少274 kg/hm2。說明增加灌水量至60 mm，可使氮肥增效劑的增產(chǎn)效果增強，繼續(xù)增加灌水量至90 mm，則使氮肥增效劑的增產(chǎn)效果反而降低，且以NBPT+DCD表現(xiàn)更為突出。

2.4 不同氮肥增效劑下冬小麥產(chǎn)量的水氮耦合效應(yīng)

2.4.1冬小麥水氮生產(chǎn)函數(shù)建立

采用回歸分析法分別擬合CO、NBPT以及NBPT+DCD處理冬小麥產(chǎn)量與水氮用量之間的二元二次水肥效應(yīng)函數(shù)(Y為冬小麥產(chǎn)量，N、W分別為施氮量和灌水量)。由表3可知，擬合方程均達到顯著水平(P<0.05)，且符合報酬遞減規(guī)律，說明該擬合函數(shù)能較好地表述不同氮肥增效劑下水氮用量對冬小麥產(chǎn)量的影響。不同增效劑相比，水氮生產(chǎn)函數(shù)的一次項、二次項系數(shù)不同，NBPT和NBPT+DCD處理灌水量和施氮量的二次項系數(shù)絕對值均明顯大于CO處理，導致NBPT和NBPT+DCD處理產(chǎn)量隨灌水量和施氮量的變化幅度均大于CO處理。從回歸方程還可以看出，水氮交互作用為負值，說明水氮配施不會一直增加冬小麥產(chǎn)量。

表2 氮肥增效劑類型與灌水水平交互作用下 產(chǎn)量的相對變化量Tab.2 Effects of interaction between nitrogen synergist type and irrigation level on yield kg/hm2

表3 二元二次水氮效應(yīng)模型Tab.3 Binary secondary water and nitrogen effect model

2.4.2水氮用量對冬小麥產(chǎn)量的影響

從圖3可以看出，CO、NBPT和NBPT+DCD處理下灌水量、施氮量對冬小麥產(chǎn)量的影響均呈拋物線形變化。方程中灌水量的一次項系數(shù)都大于施氮量，且均為正值，說明灌水量和施氮量對冬小麥產(chǎn)量提高的貢獻為正效應(yīng)，且灌水量的正效應(yīng)大于施氮量(表3)。表明當灌水量固定時，冬小麥產(chǎn)量隨著施氮量的增加呈先增加后下降趨勢；當施氮量固定時，冬小麥產(chǎn)量隨著灌水量的增加先增加而后也呈現(xiàn)出下降趨勢，增幅相對于隨施氮量的增幅加快。

由表3可知，在N1水平下，CO、NBPT、NBPT+DCD處理冬小麥產(chǎn)量隨灌水量的增加而增加，當灌水量分別增加到53、50、52 mm時冬小麥產(chǎn)量達到最大，分別為5 617、6 485、7 191 kg/hm2，隨后，隨著灌水量的增加冬小麥產(chǎn)量隨之降低。在N2施氮水平下，CO、NBPT、NBPT+DCD處理的最高產(chǎn)量分別為6 377、7 378、8 236 kg/hm2，此時的灌水量分別為49、48、51 mm。在N3施氮水平下，CO、NBPT、NBPT+DCD處理在灌水量為45、46、50 mm時，產(chǎn)量達到理論最大值，分別為6 300、6 929、7 482 kg/hm2。表明灌水量對冬小麥產(chǎn)量的影響隨施氮量而變化。

在相同的灌水水平下，冬小麥產(chǎn)量也隨著施氮量的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。由表3可知，在W1灌水水平下，CO處理在施氮量為188 kg/hm2時，產(chǎn)量達到最大值6 268 kg/hm2，NBPT、NBPT+DCD處理分別在施氮量為166、157 kg/hm2時產(chǎn)量達到最大值，分別為7 178 、7 845 kg/hm2。在W2灌水水平下，CO、NBPT、NBPT+DCD處理產(chǎn)量達到理論最大值的施氮量分別為176、160、156 kg/hm2，其理論最大產(chǎn)量分別為6 361、7 268、8 164 kg/hm2。在W3灌水水平，CO、NBPT、NBPT+DCD處理的最大產(chǎn)量分別為5 433、5 921、6 852 kg/hm2，達到最大產(chǎn)量時的施氮量分別為163、154、154 kg/hm2?？梢姡煌鲂l件下施氮量對冬小麥產(chǎn)量的影響均隨灌水量而變化。

2.4.3理論最佳增產(chǎn)效果

對表3方程求偏導可得不同氮肥增效劑獲得最高產(chǎn)量時的灌水量和施氮量(表4)?？梢钥闯觯瑑煞N氮肥增效劑下冬小麥的理論最高產(chǎn)量都高于傳統(tǒng)施肥模式。在施氮量為180 kg/hm2、灌水量為48 mm時，CO處理產(chǎn)量達到理論最大值6 443 kg/hm2；此灌水施氮量下NBPT和NBPT+DCD處理理論上分別增產(chǎn)14.20%和26.40%。將NBPT處理獲得最高理論產(chǎn)量的施氮量162 kg/hm2、灌水量48 mm代入CO處理水氮效應(yīng)模型，計算可得NBPT處理較傳統(tǒng)施肥理論增產(chǎn)15.40%；同理，在施氮量同為158 kg/hm2、灌水量同為51 mm時，雙效抑制劑較CO處理理論增產(chǎn)30.02%。表明相同水肥用量條件下，兩種氮肥增效劑均可增加小麥產(chǎn)量，且NBPT+DCD處理的增產(chǎn)效果優(yōu)于NBPT處理。

表4 依據(jù)二元二次水肥效應(yīng)函數(shù)的最高產(chǎn)量及 其水氮用量Tab.4 Maximum yield and its water and nitrogen application rate based on binary quadratic water and fertilizer effect function

2.5 基于頻率分析的最佳水肥用量區(qū)間及其增產(chǎn)效果

利用頻率分析可得不同氮肥增效劑下冬小麥獲得較高產(chǎn)量的水肥區(qū)間，如表5所示。由表5可以看出，CO處理獲得最高產(chǎn)量時的施氮量區(qū)間為143～247 kg/hm2，灌水區(qū)間為49～63 mm，相應(yīng)產(chǎn)量為5 912～6 443 kg/hm2。NBPT處理獲得最高產(chǎn)量的施氮區(qū)間為139～183 kg/hm2，灌水區(qū)間為47～67 mm，最高產(chǎn)量區(qū)間為7 037～7 409 kg/hm2，在此灌水施氮區(qū)間下較CO處理可增產(chǎn)9.10%～26.69%。NBPT+DCD處理獲得最高產(chǎn)量時的施肥灌水區(qū)間為149～185 kg/hm2、50～65 mm，相應(yīng)產(chǎn)量為7 923～8 329 kg/hm2，在此灌水施氮區(qū)間下較CO處理增產(chǎn)22.97%～40.88%。由此可知，與傳統(tǒng)施肥相比，兩種氮肥增效劑都有明顯的增產(chǎn)效果，其中雙效抑制劑的增產(chǎn)效果大于脲酶抑制劑，而且，兩種氮肥增效劑下獲得最高產(chǎn)量的氮肥用量小于傳統(tǒng)施肥，其適宜灌水量相差不大。

3 討論

表5 以產(chǎn)量為目標的水肥用量區(qū)間Tab.5 Water and fertilizer consumption intervals targeted at yield

本研究發(fā)現(xiàn)，灌水量從30 mm增加至60 mm，可使氮肥增效劑的增產(chǎn)效果增強，繼續(xù)增加灌水量至90 mm，則反而降低氮肥增效劑的增產(chǎn)效果，且以NBPT+DCD處理表現(xiàn)更為突出。原因可能在于，脲酶抑制劑和硝化抑制劑在土壤中的持續(xù)時間和抑制效果受土壤水分含量、土壤pH值以及灌水量等因素的影響[11-13,23]。周旋等[25]研究表明，尿素在60%θF(θF為田間持水率)條件下水解時間大于80%θF，而脲酶抑制劑在60%θF條件下的有效作用時間也較80%θF延長，說明土壤含水量適當降低，尿素水解速度也減慢，繼而酰胺態(tài)氮在土壤中存在的時間延長，脲酶抑制劑可以更好地發(fā)揮效果。也有研究表明，雨養(yǎng)條件較適量灌溉使脲酶抑制劑的增產(chǎn)幅度明顯降低[16]。由于雙效抑制劑是脲酶抑制劑與硝化抑制劑的混合物，兩者可能會受不同的環(huán)境因素影響[26]。有研究表明，DCD的水溶性很高，在土體中移動性也較強，在強降雨或者灌水量較多的情況下，容易與銨根分離，甚至造成DCD淋溶損失，從而對DCD的效果造成影響[27]。綜上，水分不足或水分過量都會影響氮肥增效劑效果的發(fā)揮，合理灌溉才能使氮肥增效劑更好地發(fā)揮作用。

本研究表明，在3種灌水水平下，NBPT和NBPT+DCD處理冬小麥產(chǎn)量隨著施氮量的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。李華偉等[28]研究表明，在一定范圍內(nèi)施氮可以增加冬小麥地上部干物質(zhì)量，為提高冬小麥產(chǎn)量打下基礎(chǔ)。但是過量施氮會降低開花期-灌漿期的作物生長速率[29]，而冬小麥產(chǎn)量的60%～90%來源于開花后的光合產(chǎn)物，因此，過量施氮降低冬小麥開花后作物生長速率，進而抑制冬小麥產(chǎn)量的增長[29-30]。本研究還表明，在相同施氮水平下，冬小麥產(chǎn)量隨著灌水量的增加先增加后降低。這可能是由于灌水量對冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素[31]影響顯著，灌水量增加，冬小麥的千粒質(zhì)量顯著增加，從而使產(chǎn)量性狀略有增加，但繼續(xù)增加灌水量，反而會造成養(yǎng)分淋失、土壤通氣性不良，影響根系呼吸作用，導致作物不能很好吸收養(yǎng)分，從而降低冬小麥產(chǎn)量[32]。

本試驗中，水氮用量之間存在負交互效應(yīng)，即水氮配施并不會一直增加冬小麥產(chǎn)量。這可能與冬小麥不同生育階段水氮供應(yīng)的協(xié)調(diào)性及供應(yīng)量有關(guān)。本試驗條件下，冬小麥生育期降水主要集中在開花期以后，前期降水很少，拔節(jié)期之前累計有效降雨量僅為56 mm(圖1)。有研究表明，輕度干旱條件下，增施氮肥可以緩解水分不足的影響，而在干旱相對嚴重時，過量施氮反而會加劇干旱程度，使作物不能很好地吸收水分，從而導致減產(chǎn)，即使生育后期降雨量增加，部分小麥抽穗，但來不及灌漿，屬于無效穗數(shù)，并不能增加小麥產(chǎn)量[33]。徐曉峰等[34]研究表明，基施純氮量120 kg/hm2成穗率為48.95%，基施純氮量90 kg/hm2成穗率為45.16%，分別較基施純氮量180 kg/hm2成穗率增加15.80%、6.84%。另一方面，水分過多會導致氮肥的淋溶損失，進而減少作物產(chǎn)量[35]。張忠學等[36]研究表明，植株氮肥利用效率在中等施氮水平下最高，但是灌水量過高容易造成硝態(tài)氮的深層淋溶，而小麥根系90%分布在100 cm以上的土層中，硝態(tài)氮的深層淋溶不利于根系吸收利用，從而使籽粒產(chǎn)量降低[37-38]。而且，高水高氮會造成作物群體后期嚴重倒伏，阻礙氮素轉(zhuǎn)運，從而使產(chǎn)量降低[39]。因此，合理的水氮用量才能對作物產(chǎn)量的提升有正交互效應(yīng)。

4 結(jié)論

(1)在傳統(tǒng)施肥及兩種氮肥增效劑下，冬小麥產(chǎn)量均隨著施氮量/灌水量的增加呈先增加、后減小的趨勢，并且灌水水平與施氮水平及氮肥增效劑的交互作用對冬小麥產(chǎn)量均有顯著影響。

(2)NBPT和NBPT+DCD兩種氮肥增效劑均有顯著的增產(chǎn)效果，而且施氮量/灌水量對氮肥增效劑的增產(chǎn)效果有一定影響，NBPT和NBPT+DCD處理均在灌水量60 mm、施氮量75 kg/hm2時增產(chǎn)率最大，分別為20.23%和38.96%。

(3)建立了傳統(tǒng)施肥、NBPT和NBPT+DCD兩種增效劑下冬小麥產(chǎn)量的水氮生產(chǎn)函數(shù)，并利用頻率分析法確定了傳統(tǒng)施肥和兩種氮肥增效劑下獲得最高產(chǎn)量的水肥用量區(qū)間，CO、NBPT、NBPT+DCD處理獲得最高產(chǎn)量的灌水、施氮區(qū)間分別為49～63 mm和143～247 kg/hm2、47～67 mm和139～183 kg/hm2、50～65 mm和149～185 kg/hm2。