麦—稻轮作系统中小麦施氮水平对后季直播水稻产量和氮肥利用效率的影响

余庆福 聂立孝

摘要：【目的】研究華中地区麦—稻轮作系统中小麦季不同施氮水平对后季直播水稻生长发育、产量和氮肥利用效率的影响，探讨此系统中最佳的氮肥管理模式，为制定合理的氮肥管理方案提供理论依据和技术支持。【方法】采用裂区设计，主处理为小麦季3个不同氮处理（施N 0、105和210 kg/ha，分别记作WN0、WN105和WN210），副处理为后季水稻3个不同氮处理（施N 0、90和180 kg/ha，分别记作RN0、RN90和RN180），测定小麦和水稻不同生育期的株高、分蘖数、叶面积指数和生物量等指标，成熟期测定产量、产量构成因子及秸秆和籽粒氮含量。【结果】与其他施氮量相比，麦季施氮210 kg/ha对后季直播水稻的株高、分蘖数、生物量、产量和氮肥利用效率均有明显影响，其中WN210RN90处理的各项指标均较高，整体表现较好。在麦稻季均施氮的情况下，系统周年产量表现为WN210RN180>WN105RN180>WN210RN90>

WN105RN90，前3个处理的系统周年产量均在13.50 kg/ha以上；结合小麦产量来看，WN210RN180和WN210RN90处理（3.55 t/ha）高于WN105RN180处理（2.79 t/ha）。【结论】小麦—直播水稻轮作系统中水稻生长季应充分考虑前季小麦的氮肥后效，适当降低后季直播水稻的施氮量。综合考虑产量和氮肥利用效率，麦季210 kg/ha和稻季90 kg/ha的施氮组合（WN210RN90）为华中地区小麦—直播水稻轮作系统的最佳氮肥管理模式。

关键词： 麦—稻轮作；直播水稻；施氮量；产量；氮肥利用率；氮素残留；华中地区

中图分类号： S344.17 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2016）09-1488-07

Abstract：【Objective】The present study was conducted to investigate effects of N application rates in wheat growing season on growth， grain yield and N-fertilizer utilization efficiency（NUE） of succeeding direct-seeded rice， in order to explore the optimal mode of N management in a wheat-rice rotation system in central China. 【Method】Split block design was employed with three N application rates（0， 105 and 210 kg/ha， expressed as WN0， WN105， and WN210， respectively） in wheat growing season， and after harvest of wheat， each plot was divided equally into three small plots which were assigned to three N application rates（0， 90， and 180 kg/ha， expressed as RN0， RN90， and RN180， respectively） in succeeding rice season. Plant height， tiller number， leaf area index， aboveground biomass， grain yields and yield components of wheat and rice were recorded at different growth stages， respectively. N contents of straw and grain of wheat and rice at maturity stage were determined， respectively. 【Result】The results showed that， N application at 210 kg/ha in wheat growing season had significant influence on plant height， tiller number， aboveground biomass， grain yield and NUE of succeeding direct-seeded rice compared with other N application rates. Among all treatments， every index for WN210RN90 was higher， and overall the performance under WN210RN90 was better. When N was applied in both wheat and rice growing seasons， all treatments was ranked in order of total grain yield： WN210RN180>WN105RN180>WN210RN90>WN105RN90， especially total grain yield of system under WN210RN180， WN105RN180 or WN210RN90 was over 13.50 kg/ha. In view of wheat grain yield， WN210RN180 and WN210RN90（3.55 t/ha） were better than WN105RN180（2.79 t/ha）. 【Conclusion】N-fertilizer application in wheat growing season have a significant residual effect to the succeeding rice season. Therefore， in wheat-rice rotation system， N application rate in rice growing season should be reduced due to residual N-fertilizer effect of wheat season. Considering grain yield and NUE in both rice and wheat seasons， the recommended N application rates（WN210RN90） are 210 kg/ha in wheat season and 90 kg/ha in rice season in central China， this N application combination is optimal mode of N management in rice-wheat rotation system.

Key words： wheat-rice rotation； direct-seeded rice； N application rate； yield； N-fertilizer utilization efficiency； residual N； central China

0 引言

【研究意义】麦—稻轮作系统作为我国长江中下游粮食主产区的主要耕作制度之一，直接关系到该地区乃至全国的粮食安全供给（范明生等，2008；管冠，2012）。直播稻作为一种轻简的稻作方式（卢百关等，2009），省去了育秧、拔秧、运秧和栽插等多道工序，具有高效率、省工节本、操作简单、条纹叶枯病发生较轻及缓解劳动力季节矛盾等优点，赢得了广大农民的青睐（敖和军等，2011；姚义，2012）。目前，直播稻在江苏、湖南、安徽、浙江和湖北等地均有较大的播种面积（卢百关等，2009；敖和军等，2011；陈品和陆建飞，2013）。近几年来，小麦在湖北地区的种植面积不断上升，已成为该地区与水稻轮作的主要作物之一，且小麦和直播稻的全程机械化在国内均日益成熟（詹国祥等，2007；冯娜和刘欣，2012；张绍军等，2012；周永清，2014），因此，小麦和直播水稻轮作将是华中地区发展作物轻简化栽培的重要方向之一。在我国，小麦的氮肥利用效率为35%左右（朱兆良，1985），而水稻的氮肥利用率平均只有29%（张福锁等，2008）。麦—稻轮作体系中，由于较低的氮肥利用率及未充分考虑氮肥后效而易施氮过量，过量的氮素不仅会导致后季作物经济效益降低，还会引起一系列的环境问题，如地下水的硝酸盐污染、水体富营养化和温室效应等（李荣刚等，1999；廖晓勇等，2001；晏娟等，2009）。因此，研究氮素残留后效，制定适用于华中地区小麦—直播稻轮作体系的高产高效氮肥运筹方案，对减少过量施氮对生态环境的破坏及农业的可持续发展有着重要意义。【前人研究进展】农业生产中氮肥对于作物增产效益的贡献高达76%（Soltanpour et al.，1989）。当季作物收获后有10%～35%施入土壤的肥料氮残留在土壤中（李世清和李生秀，2000）。小麦季残留在土壤中的氮素有一部分能够被后茬作物所利用（黄生斌等，2002；董娴娴等，2012）。范明生（2005）研究表明，移栽稻对前季小麦残留的无机氮利用率较低，仅为2.5%；但刘立军等（2005）研究证实，小麦季施氮对后季土壤肥力和水稻生长及产量有显著影响，且会降低后季移栽水稻的氮肥利用率。【本研究切入点】目前，关于小麦与直播稻轮作及小麦氮素残留对后季直播水稻影响的研究报道较少。【拟解决的关键问题】研究小麦季不同施氮水平对后季直播水稻生长发育、产量及氮肥利用率的影响，并通过麦稻两季不同施氮量的组合，寻求小麦—直播水稻轮作系统最佳的氮肥管理模式，为华中地区小麦—直播稻轮作体系合理氮肥管理方案的制定提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试小麦品种为郑麦9023（购自湖北省种子公司），水稻品种为黄华占（购自武穴市大金镇农业技术推广站）。试验所用氮、磷、钾和锌肥分别为尿素（含N 46%，湖北三宁化工股份有限公司）、过磷酸钙（含P2O5 12%，湖北远大富驰医药化工股份有限公司）、氧化钾（含K2O 60%，加拿大）和硫酸锌（含Zn 25%，武汉农富乐科技有限公司）。试验前土壤基本理化性质见表1。

1. 2 试验方法

试验于2014年10月～2015年9月在湖北省武穴市大金镇大梅村（东经115°33′，北纬29°51′）进行。

小麦季设置3个不同氮肥水平：施N 0、105和210 kg/ha，分别记作WN0、WN105和WN210。氮肥分3次施用，其中基肥占25.7%，分蘖肥占30.0%，拔节肥占44.3%。磷肥施用量为P2O5 120 kg/ha，作基肥一次性施用；钾肥施用量为K2O 105 kg/ha，分2次施用，其中基肥和拔节肥各占50.0%。4次重复，随机区组排列，小区面积为112.5 m2（12.5 m×9.0 m），小区间及四周开排水沟。2014年10月20日播种，播种方式为条播，行距为20 cm，播种量为150 kg/ha；12月9日施分蘖肥，2015年3月9日施拔节肥，5月13日收获。

水稻季试验采用裂区设计，以麦季不同施氮处理为主区，将麦季的每小区平分为3个副区，设置3个不同氮肥水平：施N 0、90和180 kg/ha，分别记作RN0、RN90和RN180。试验共9个处理，即WN0RN0（麦、稻两季均不施N）、WN0RN90（麦季不施N，稻季施N 90 kg/ha）、WN0RN180（麦季不施N，稻季施N 180 kg/ha）、WN105RN0（麦季施N 105 kg/ha，稻季不施N）、WN105RN90（麥、稻季分别施N 105和90 kg/ha）、WN105RN180（麦、稻季分别施N 105和180 kg/ha）、WN210RN0（麦季施N 210 kg/ha，稻季不施氮）、WN210RN90（麦、稻季分别施N 210和90 kg/ha）和WN210RN180（麦、稻季分别施N 210和180 kg/ha）。副区小区面积为36.0 m2（9.0 m×4.0 m），4次重复，共36个小区。主区间设置排灌沟，各副区间用田埂分隔，并用塑料薄膜包埋，以防止串水串肥。氮肥分3次施用，基肥、分蘖肥和穗肥比例为1∶1∶1；钾肥施用量为100 kg/ha，分2次施用，基肥和穗肥比例为1∶1；磷肥和锌肥的施用量分别为40和5 kg/ha，均作基肥一次性施用。2015年5月21日播种，播种量为60 kg/ha，播种方式为湿直播；5月20日施基肥，7月1日施分蘖肥，7月18日施穗肥，9月9日收获。

1. 3 田间管理

小麦、水稻季日均气温分别为11.4和26.3 ℃，降水量分别为476和396 mm，日均辐射量分别为8.5和10.3 MJ/m2，试验期间无大旱、大寒、洪涝和持续高温等特殊灾害发生。小麦全生育期雨养，水稻出苗后田间保持5～10 cm浅水层，收获前2周断水。全生育期严格控制病虫草害的发生。

1. 4 样品采集、测定项目及方法

小麦：播种前于各处理土壤表层（0～20 cm）取土样，风干混匀，测定土壤全氮、速效磷、速效钾和有机质含量。分别于小麦越冬期、孕穗期、齐穗期和成熟期采集各小区0.5 m2有代表性的植株样品，将根清洗干净后平均分为12份，记录分蘖数、株高和叶面积后，将样品按茎和叶片分开（成熟期样品分为籽粒和秸秆两部分），于105 ℃杀青30 min，70 ℃烘至恒重后称干重；干样粉碎后用于植株氮素含量测定。成熟期每小区按5 m2测产，并取样测定生物量和产量构成因子。测产的籽粒风干后，称重，测定水含量，并折算成13%水含量的产量。收获后每小区取1份表层（0～20 cm）土壤，风干混匀，测定土壤全氮、速效磷、速效钾及有机质含量。

水稻：分别于分蘖期、幼穗分化期、齐穗期和成熟期采集各小区0.5 m2有代表性的植株样品，将根清洗干净后平均分为12份，记录分蘖数、株高和叶面积后，将样品按茎和叶片分开（成熟期样品分为籽粒和稻草两部分），干物质重与氮素含量的测定同上。成熟期每小区按两个4 m2测产，并取样测定生物量和产量构成因子。测产的稻谷风干后，称重，测定水含量，并折算成14%水含量的产量。使用Isoprime-100稳定同位素质谱仪测定成熟期秸秆和籽粒的氮含量。

相关计算公式如下：

叶面积指数=植株叶片总面积/所占土地面积

氮肥吸收利用率（%）=（施氮区地上部吸氮量-空白区地上部吸氮量）/施氮量×100

籽粒氮素利用效率（kggrain/kgN）=籽粒产量/植株地上部总吸氮量

氮肥生理利用率（kggrain/kgN）=（施氮区籽粒产量-空白区籽粒产量）/（施氮区地上部分吸氮量-空白区地上部分吸氮量）

氮肥农学利用效率（kggrain/kgN）=（施氮区籽粒产量-空白区籽粒产量）/施氮量

氮肥偏生产力（kggrain/kgN）=施氮区产量/施氮量

氮收获指数（%）=籽粒吸氮量/植株总吸氮量×100

1. 5 统计分析

试验数据采用Excel 2007和Statistix 8.0进行统计分析。

2 结果与分析

2. 1 小麦季不同施氮水平对后季直播稻生长发育的影响

2. 1. 1 株高 由表2可知，当后季水稻施氮水平相同时，随着小麦季施氮量的增加，水稻株高整体呈增加趋势，其中WN210RN90处理幼穗分化期水稻株高比WN105RN90处理增加3.60 cm， WN210RN0处理齐穗期水稻株高比WN0RN0处理增加4.39 cm，差异达显著水平（P<0.05，下同），表明與其他施氮量相比，麦季施氮210 kg/ha对后季直播水稻的株高有明显的促进作用。

2. 1. 2 叶面积指数 由表3可知，在后季水稻同一氮水平下，直播水稻的叶面积指数随麦季施氮量的增加也整体呈增大趋势，但变化并不显著（P>0.05，下同），说明小麦季施氮对后季直播水稻的叶面积指数无显著后效。

2. 1. 3 分蘖数 由表4可知，当后季水稻施氮水平相同时，随着小麦季施氮量的增加，不同时期的水稻分蘖数整体呈增加趋势，其中WN210RN180处理水稻幼穗分化期分蘖数比WN0RN180处理高14.2%，WN210RN90处理水稻成熟期分蘖数比WN0RN90处理高10.7%，差异均达显著水平。表明麦季施氮210 kg/ha可明显增加后季直播水稻的分蘖数。

2. 1. 4 生物量 由表5可知，当后季水稻施氮水平相同时，随着小麦季施氮量的增加，分蘖期和幼穗分化期的后季直播水稻生物量变化均不显著；齐穗期时，WN210RN0处理的水稻生物量比WN0RN0处理增加23.2%；成熟期时，WN210RN0处理的水稻生物量比WN105RN0处理增加15.6%，WN210RN90处理的水稻生物量比WN0RN90处理增加8.5%，差异均达显著水平。表明麦季施氮210 kg/ha可明显增加后季直播水稻的生物量。

2. 2 小麦季不同施氮水平对后季直播稻产量及其构成因子的影响

由表6可看出，与不施氮对照相比，麦季施氮210 kg/ha使直播水稻在不施氮和施氮90 kg/ha的情况下产量分别提高10.5%和3.7%，增产显著，且产量的提高主要是由于单位面积穗数和每穗粒数的增加。在麦季施氮0、105和210 kg/ha条件下，后季施氮90 kg/ha相比不施氮处理分别使直播水稻产量提高72.2%、70.3%和61.6%，后季施氮180 kg/ha分别使直播水稻产量提高100.9%、94.2%和80.8%，表明随麦季施氮水平的增加，后季直播水稻的增产效益逐渐降低。

2. 3 小麦季不同施氮水平对后季直播稻氮素吸收利用的影响

2. 3. 1 对氮素吸收和分配的影响 由表7可看出，小麦季施氮可提高后季直播水稻的总吸氮量，其中WN210RN90处理的后季直播水稻总吸氮量显著高于WN0RN90处理，WN105RN180处理的总吸氮量显著高于WN0RN180处理。各处理间WN105RN180的总吸氮量最高，为187.1 kg/ha；其次为WN210RN180处理，总吸氮量为183.9 kg/ha。WN210RN0处理的氮收获指数最高，为72.8%，其次为WN210RN90处理，为72.7%。与WN210RN180相比，WN210RN90后季直播水稻的氮收获指数显著提高7.0%，说明在麦季施氮210 kg/ha条件下，后季适当降低施氮量能提高直播水稻的氮收获指数。

2. 3. 2 对氮肥利用效率的影响 由表8可看出，与麦季不施氮对照相比，麦季施氮105和210 kg/ha均提高了后季直播水稻的氮肥吸收利用率，但差异未达到显著水平。但WN210RN90处理的氮肥农学利用率和氮肥偏生产力均最高，分别为40.8和101.8 kggrain/kgN，且氮肥偏生产显著高于WN0RN90和WN105RN90处理。在后季水稻施氮的6个处理中，WN210RN90处理的直播水稻氮肥吸收利用率为69.2%，仅次于WN105RN180处理（70.5%），生理利用率为59.9 kggrain/kgN，仅次于WN105RN90处理（60.5 kggrain/kgN），籽粒氮素利用率为71.3 kggrain/kgN，仅次于WN0RN90处理（72.3 kggrain/kgN）。结果表明，WN210RN90处理的各项氮肥利用效率指标均相对较高，而WN210RN180处理的各项氮肥利用效率指标均较低。

2. 4 小麦—直播水稻系统的周年产量

由表9可看出，在麦稻季均施氮的情况下，系统周年产量表现为WN210RN180>WN105RN180>WN210RN90>WN105RN90，前3个处理的系统周年产量较高，均在13.50 kg/ha以上。结合小麦产量来看，WN210RN180和WN210RN90处理（3.55 t/ha）高于WN105RN180处理（2.79 t/ha）。

3 讨论

小麦季施氮处理对后季水稻的影响，实质上主要是小麦季施氮通过肥料氮残留影响后季水稻的土壤背景氮含量（刘立军等，2005），从而间接影响后季水稻的生长发育、产量及氮肥利用效率。本研究结果表明，小麦季收获后的残留肥料氮对后季直播水稻的生长发育、产量和氮肥利用效率均有明显的影响，说明小麦季残留的肥料氮可以被后季作物利用，与黄生斌等（2002）在研究冬小麦施氮对下茬玉米后效中的结论一致。本研究中，小麦季收获后的土壤测定结果显示高施氮量与低施氮量小区的土壤残留氮量并无显著差异，但前季小麦不同施氮量对后季直播水稻的产量却产生一定效应，原因可能有两点，一是土壤取样深度仅为0～20 cm，该层次的土壤肥料氮残留情况并不能完全反映小麦季肥料氮在土壤中的实际残留情况；二是前季小麦对后季直播水稻产生的影响不仅是由于土壤残留氮造成，也可能是小麦季不同施氮量对土壤微生物群体结构、土壤氮的矿化等产生影响，从而对后季直播水稻产生影响。刘立军等（2005）研究指出，与麦季不施氮处理相比，麦季施氮处理（276 kg/ha）的水稻各氮肥利用效率指标均降低。本研究结果表明，在后季水稻高氮（180 kg/ha）情况下，水稻氮肥利用效率有随麦季施氮量的增加而降低的趋势，与刘立军等（2005）的结论相似。但本研究结果还表明，在后季水稻低氮（90 kg/ha）情况下，水稻氮肥利用效率有随麦季施氮量增加而增加的趋势，且麦季高氮处理（WN210RN90）显著提高了水稻后季直播水稻的氮肥偏生产力。该结果与刘立军等（2005）的结论又有所不同，原因可能是麦稻两季施氮量均有差异和后季水稻栽培模式不同的缘故。本试验中的后季水稻是直播水稻，不需要移栽，无返青期，因此从苗期开始就可以利用前季小麦残留的无机氮进行生长发育，试验中小麦季高施氮量处理对后季水稻株高、分蘖、生物量、产量和氮肥利用效率均有明显影响也可说明这一点。而小麦季低施氮量处理对后季水稻无显著影响，可能是肥料氮残留太少的原因。

从系统生产力来看，WN105RN180、WN210RN90和WN210RN180處理的系统周年产量较高，均在13.50 kg/ha以上。3个处理中，WN210RN180处理的系统周年产量最高，但其稻季氮肥利用效率最低；WN105RN180处理的麦季周年产量仅次于WN210RN180处理，但其小麦产量较低，仅为2.79 t/ha；WN210RN90处理的小麦、水稻和系统周年产量均较高，同时其水稻氮肥利用效率最高。与WN210RN180处理相比，尽管WN210RN90处理的水稻产量稍有降低，但其籽粒氮素利用率、氮肥生理利用率、氮肥农学利用率、氮肥偏生产力和氮收获指数均高于WN210RN180处理，且差异均达显著水平。表明在麦季施氮210 kg/ha条件下，适当降低后季水稻的施氮量，可显著提高后季直播水稻的氮肥利用效率，且不会造成产量的大幅度降低。因此，麦季210 kg/ha和稻季90 kg/ha的施氮组合（WN210RN90）为本试验条件下小麦—直播水稻系统的最佳氮肥管理模式。巨晓棠和张福锁（2003）研究指出，在冬小麦—夏玉米轮作体系中，冬小麦季可适当增加氮肥施用量，而夏玉米季可适当降低氮肥施用量，因为氮肥在小麦季的损失较低，残留的氮对下茬玉米产生后效；但在玉米季，玉米处于高温高湿环境条件下，过量施入的氮肥可通过各种途径流失。在小麦—直播水稻轮作系统中，小麦季应适当多施氮肥，主要是因为高产小麦对氮肥的需求量较高，同时，小麦季的氮肥损失也较低（巨晓棠和张福锁，2003），且氮肥残留对后季水稻的后效明显；而水稻季应适当少施氮肥，一是充分考虑前季小麦的残留肥料氮的后效，二是水稻生长季节为夏季，高温高湿，且降雨量比较集中，过量施入的氮肥在水稻季损失较大。

本试验中水稻季的产量已达较高水平，但小麦季的产量偏低，可能与小麦抽穗后受赤霉病害影响有关。此外，本研究结论仅为一年的试验结果，要得出更准确的结论，还需多点多年的持续试验进行验证。

4 结论

本研究结果表明，小麦—直播水稻轮作系统中小麦季施氮对后季直播水稻具有显著后效，因此在水稻生长季应充分考虑前季小麦的氮肥后效，适当降低后季直播水稻的施氮量。综合考虑产量和氮肥利用效率，本试验条件下，麦季210 kg/ha和稻季90 kg/ha的施氮组合（WN210RN90）为长江中游地区小麦—直播水稻轮作系统的最佳氮肥管理模式。

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（责任编辑 王 晖）