氮肥用量对小麦开花后根际土壤特性和产量的影响

安婷婷，侯小畔，周亚男，刘卫玲，王群，李潮海，张学林



氮肥用量对小麦开花后根际土壤特性和产量的影响

安婷婷，侯小畔，周亚男，刘卫玲，王群，李潮海，张学林

（河南农业大学农学院/河南粮食作物协同创新中心/小麦玉米作物学国家重点实验室，郑州450002）

【目的】明确小麦开花后根际土壤特性动态特征及其与产量和籽粒氮素积累量之间的关系，能够为生产上合理施肥、提高氮肥利用效率和减轻环境污染提供理论依据。【方法】2014—2015和2015—2016年在小麦季设置4个氮肥水平（0，CK；150 kg N·hm-2，N150；240 kg N·hm-2，N240和300 kg N·hm-2，N300）并于小麦开花期、灌浆中期和成熟期分层（0—20 cm和20—40 cm） 测定小麦根际和非根际土壤铵态氮、硝态氮、蔗糖酶、脲酶，同时测定根、茎、叶和穗生物量及其氮素含量；重点分析根际土壤特性与小麦籽粒产量和氮素积累量之间的关系。【结果】（1）与CK相比，N150、N240和N300处理2年小麦籽粒产量的平均值分别增加99%、130%和107%，且处理之间差异显著。随施氮量的增加小麦根、茎、叶、穗生物量和地上部氮素积累量均呈增加趋势；氮肥回收率呈下降趋势，且处理之间差异显著。（2）从开花到成熟期，0—20 cm和20—40 cm土层小麦根际和非根际土壤铵态氮、硝态氮含量、土壤蔗糖酶和脲酶（0—20 cm除外）活性均呈下降趋势。处理CK、N150、N240和N300根际土壤铵态氮和硝态氮含量显著低于非根际土壤。4个处理2年0—20 cm根际土壤铵态氮含量平均值比非根际土壤降低29%，硝态氮含量降低22%；20—40 cm根际土壤铵态氮含量比非根际土降低34%，硝态氮含量降低14%。而根际土壤蔗糖酶和脲酶活性显著高于非根际土。4个处理2年0—20 cm根际土壤蔗糖酶活性比非根际土壤提高29%，脲酶活性提高15%；20—40 cm根际土壤蔗糖酶活性比非根际土壤提高33%，脲酶活性提高13%。（3）相关分析结果表明，小麦籽粒产量和籽粒氮素积累量均与0—20 cm和20—40 cm根际和非根际土壤无机氮（铵态氮+硝态氮）、脲酶和蔗糖酶（2016年籽粒氮素积累量除外）呈显著正相关。【结论】小麦根际土壤可利用性氮素含量小于非根际土壤，而酶活性高于非根际土；根际和非根际土壤与籽粒产量和籽粒氮素积累量呈显著正相关。根际和非根际土壤特性显著影响小麦籽粒产量。

小麦产量；氮肥；根际土壤；铵态氮、硝态氮；酶

0 引言

【研究意义】小麦是中国重要的粮食作物之一。黄淮海平原是中国小麦主产区，也是全国最大的小麦集中产区，该区小麦总产量在全国小麦产量中占有重要地位[1]。氮肥是植物生长发育必须的大量营养元素[2]，根际土壤独特的物理、化学和生物学性质能使氮素形态发生变化，改变其迁移性和生物有效性，从而影响植物对它们的吸收利用[3]。因此研究根际土壤特性与产量的关系具有重要意义。【前人研究进展】氮肥用量多寡显著影响小麦生长发育[4]、产量形成[5]、品质改善[6]、氮肥利用效率[7]以及土壤特性[4,6-7]等。硝态氮是小麦吸收氮素的主要形式。赵俊晔等[8]和段文学等[9]研究发现随施氮量的增加，土壤硝态氮含量显著升高。施氮量也显著影响土壤酶活性。郭天财等[10]研究表明，根际土壤酶活性随小麦生育进程的变化趋势一致，在同生育时期内, 根际土壤脲酶活性随着施氮水平提高而上升。而夏雪等[11]研究发现随施氮量的增加蔗糖酶和脲酶活性表现为先增加后降低的趋势。前人研究发现，改善根际土壤特性能够显著提高作物产量。雍太文等[12]和LI等[13]研究认为，套作模式通过改善作物根际环境，促进了作物地下部根系生长和地上部生物量的增加，从而实现作物增产。肖靖秀等[14]研究认为小麦蚕豆间作能够显著提高作物产量和养分利用效率，其间作优势的形成与地下部根际效应密切相关。【本研究切入点】开花到成熟期是小麦籽粒产量形成的重要阶段，也是氮素分配的关键期。前人研究认为施氮量显著影响根际土壤特性，表明了根际土壤特性在作物生产中的重要性。但是有关施肥对小麦花后0—20 cm和20—40 cm根际和非根际土壤特性与小麦籽粒产量和籽粒氮素积累之间的关系方面的研究少见报道。【拟解决的关键问题】本试验设置不同氮肥水平，研究了冬小麦花后根际和非根际土壤0—20 cm和20—40 cm土层铵态氮、硝态氮和酶活性的变化特征，分析了根际和非根际土壤特性与产量和籽粒氮素积累量的关系，以期为合理高效利用氮肥、提高小麦产量提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验设置在河南省西平县二郎乡张尧村（114°02′E、33°20′N，平均海拔49 m）。西平县地处北亚热带向暖温带过渡地带，属亚湿润大陆性季风型气候。年均日照时数2 157.2 h，平均气温14.8℃，无霜期221 d，降雨量852 mm，正常年份的自然降水基本能满足作物生长发育的需求，一般不灌溉，属典型的雨养农业区。土壤类型为砂姜黑土，0—20 cm土层：砂粒39.09%、粉粒21.35%、黏粒39.56%，有机质含量40.59 g·kg-1，全氮3.53 g·kg-1，碱解氮120.5 mg·kg-1，速效磷（P2O5）24.26 mg·kg-1，速效钾（K2O）34.66 mg·kg-1，pH 5.26。

1.2 试验设计

小麦季氮肥试验设4个水平，分别为：0（CK：对照）、150（N150）、240（N240）和300 kg N· hm-2（N300），小区面积270 m2，4次重复。氮肥分别于基施（50%）和拔节期（50%）施入，磷肥（P2O5120 kg·hm-2）和钾肥（K2O 90 kg·hm-2）作为基肥一次性施入。氮肥采用尿素，磷肥采用过磷酸钙，钾肥采用氯化钾。基肥按面积施肥，人工撒施，然后机械耙匀，再种小麦；追肥根据处理施肥量和小区面积，确定小型汽油精密施肥机施肥量。小麦品种为郑麦7698。2014—2015年度为2014年10月15日播种，2015年6月5日收获；2015—2016年度为2015年10月16日播种，2016年6月5日收获。两年播种量均为225kg·hm-2，行距为20 cm。

1.3 田间取样

2014—2015年和2015—2016年分别于小麦开花期、灌浆中期（开花后20 d）和成熟期（开花后40 d）3个关键生育时期，在各小区随机选取长势均匀的小麦植株，进行取样。地上和地下生物量取样面积均为20 cm（长）×20 cm（宽），分别取其茎、叶、穗（颖壳和籽粒）；分层挖取0—20 cm和20—40 cm小麦根系生物量，用小毛刷轻轻刷下黏附在根围的土壤（距离根围0—4 mm）作为根际土壤[15-16]，同时在小麦行间分层取0—20 cm和20—40 cm土壤样品作为非根际土壤。植株地上部和根系生物量用烘箱杀青30 min后，75℃烘干至恒重并称重。小麦成熟后每处理取5 m2测产，并选取10株进行考种。

1.4 测定指标和方法

小麦地上和地下各器官氮素含量采用凯氏定氮法进行测定。测定土壤铵态氮和硝态氮含量：取5 g新鲜土壤样品，用50 mL 2 mol·L-1KCl浸提，浸提液采用全自动连续流动分析仪（AA3，SEAL- Analytical，Germany）。采用关松萌等[17]方法测定根际和非根际土壤酶活性，其中脲酶活性以5 g土壤中加入定量尿素在37℃条件培养24 h后土壤中铵态氮含量来表示；蔗糖酶活性，称取5 g土壤加入15 mL 8%蔗糖在37℃下培养24 h后土壤中葡萄糖含量来表示。

（1）各器官氮素积累量（kg·hm-2）=器官全氮含量×干物质量；

（2）籽粒氮素积累量（kg·hm-2）=籽粒全氮含量×实际产量；

（3）氮肥回收率（%）=（施氮区植株氮素积累量-不施氮区植株氮素积累量）/施氮量×100。

1.5 数据分析

采用One way ANOVA分析施肥处理之间籽粒产量和氮素利用效率的差异显著性并采用LSD进行多重比较。采用Pearson Correlation 分析小麦籽粒产量和籽粒氮素积累量与关键生育时期0—20 cm、20—40 cm土层土壤铵态氮、硝态氮、脲酶和蔗糖酶之间的相关性。采用Excel 2013进行数据处理，采用SPSS 19.0进行方差分析，采用SigmaPlot 12.5作图。

2 结果

2.1 小麦籽粒产量、生物量、地上地下氮素积累量和氮素利用效率

CK、N150、N240、N300处理连续2年（2015和2016年）小麦籽粒产量的平均值分别为4 270、8 496、9 833和8 841 kg·hm-2。与CK相比，3个施肥处理2年产量的平均值分别增加99%、130%和107%（表1）。连续2年小麦开花后植株根、茎、叶生物量均呈下降趋势，而穗部生物量呈增加趋势（图1）。随氮肥用量的增加，植株根、茎、叶生物量均显著增加。与CK相比，N150、N240和N300 处理2年的地上部生物量平均值分别增加65%、98%和116%，根系生物量分别增加60%、127%和119%（图1）。

与CK相比，3个施肥处理2年籽粒氮素积累量平均值分别增加98%、136%和139%；地上部氮素积累量分别增加105%、147%和172%；根系氮素积累量增加59%、232%和276%。连续2年氮肥回收率随氮肥用量增加呈下降趋势。

2.2 小麦根际和非根际土壤特性

小麦开花后0—20 cm和20—40 cm根际和非根际土壤铵态氮、硝态氮含量均呈下降趋势，而根际土壤铵态氮和硝态氮含量显著低于非根际土壤（图2和图3）。与CK相比，3个施肥处理2年0—20 cm根际土壤铵态氮含量平均值分别增加31%、56%和114%（图2），非根际土壤分别增加36%、51%和104%；4个处理2年0—20 cm根际土壤铵态氮含量平均值比非根际土壤降低29%；20—40 cm根际土壤铵态氮含量分别比CK增加23%、64%和82%，非根际土壤分别增加63%、96%和150%； 20—40 cm铵态氮含量降低34%。随施氮量增加，根际硝态氮含量显著增加，氮肥处理间有显著差异，而对照（未施氮）土壤硝态氮含量降低19%（图3）。

图1 2015和2016年小麦开花后根、茎、叶、穗生物量动态

表1 氮肥用量对小麦产量、地上部氮素积累量、根部氮素积累量和氮素利用率的影响

GNA：籽粒氮素积累量；ANA：地上部氮素积累量；RNA：根系氮素积累量；NRE：氮肥回收率。相同年份同一栏中标以不同小写字母的值在5%水平差异显著。下同

GNA: Grain N Accumulation; ANA: Aboveground N Accumulation; RNA: Root N Accumulation; NRE: N Recovery Efficiency. Values within the same column and the same year followed by different letters are significantly different at the 5% probability level. The same as below

小麦开花后0—20 cm和20—40 cm根际和非根际土壤蔗糖酶呈下降趋势；2015和2016年0—20 cm土层根际和非根际土壤脲酶活性呈先升高后下降趋势，20—40 cm土层呈下降趋势；而根际土壤蔗糖酶、脲酶活性高于非根际土壤（图4和图5）。4个处理2年0—20 cm土层根际土壤蔗糖酶活性比非根际土壤提高29%； 20—40 cm土层蔗糖酶活性提高33%。根际和非根际土壤脲酶活性随着施氮量的增加先增加后降低；脲酶活性提高14%。

2.3 小麦籽粒产量和籽粒氮素积累量与土壤参数的相关分析

小麦籽粒产量和籽粒氮素积累量与根际和非根际土壤参数的相关分析（表2）表明，产量与0—20 cm、20—40 cm根际和非根际土壤无机氮（铵态氮+硝态氮）含量、脲酶和蔗糖酶活性均呈显著正相关；籽粒氮素积累量与土壤无机氮、脲酶和蔗糖酶（2015年20—40 cm根际和非根际土壤除外）活性均呈显著正相关。

表2 2015和2016年小麦籽粒产量和籽粒氮素积累量与土壤特性的相关性

产量和籽粒氮素积累量：n=12。标以*和**分别表示在0.05、0.01水平差异显著

Yield and Grain N Accumulation: n=12. *and ** indicate significance at 0.05 and 0.01 levels

3 讨论

3.1 不同氮肥用量条件下小麦根际土壤特性动态特征

本研究发现氮肥施用对小麦开花后根际和非根际土壤养分有显著影响；随着施氮量的增加根际和非根际土壤无机氮含量增加，并且根际土壤无机氮含量低于非根际土（图2—3）。Ai等[18]认为长期施肥潮土小麦生殖生长阶段根际土壤硝态氮显著低于非根际土壤；而李晓月等[19]比较不同质地土壤发现小麦拔节期根际土中无机氮均显著高于非根际土；梁国鹏等[20]研究发现施氮量显著影响根际和非根际土壤的无机氮含量；在整个玉米生育期内，非根际土壤硝态氮含量显著高于根际土壤；非根际土壤铵态氮含量在灌浆期显著高于根际土壤。这与本研究结果一致。根际是养分从土壤进入作物系统的门户，根际过程决定着土壤中氮素的转化强度和有效性[21]，由于植物根系吸收，根际土壤中铵态氮、硝态氮易出现亏缺状况，这可能是根际土壤无机氮含量低于非根际土壤的重要原因。

R 0-20、R 20-40表示 0—20 cm和20—40 cm根际土壤；B 0-20、B 20-40表示 0—20 cm和20—40 cm非根际土壤。下同

图3 2015和2016年小麦开花后0—20 cm和20—40 cm根际和非根际土壤硝态氮动态特征

标以不同小写字母于处理间表示在5%水平上差异显著。下同

图5 2015和2016年小麦开花后0—20 cm、20—40 cm根际和非根际土壤脲酶活性

氮肥施用对小麦开花后根际和非根际土壤酶活性也有显著影响。随着施氮量的增加根际和非根际土壤蔗糖酶和脲酶活性先增加后降低，并且小麦根际土壤酶活性高于非根际（图4和图5）。马健等[22]研究发现灰漠土小麦根际土过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶活性均大于非根际土；李振高等[23]认为小麦扬花期前，宝丰7228根际土的脲酶活性大于非根际土；姚建华等[24]发现，随着距离根表的距离增加，2 个小麦品种根际土壤脲酶、蔗糖酶活性均逐渐降低。李俊华等[25]在对棉花根际土的研究中也发现，根际土壤脲酶活性显著高于非根际。根际土壤酶活性与非根际之间的差异受不同地域气候、土壤类型、生育时期及作物等的综合影响。施氮量显著影响小麦根系和土壤微生物分泌物[26]，在小麦生长期，根系进行着活跃的代谢作用，不断向根外分泌有机物质，这些分泌物是根际微生物的重要营养和能量来源[27]，并且根际微生物的活度和数量远远高于非根际土壤，距根越远，植物的根分泌物就越少，供给微生物的能源物质也就越少，从而影响它们产生酶和死亡后释放酶的能力，最终导致根际和非根际酶活性的差异[18,28]，这可能是小麦根际土壤酶活性显著高于非根际土的原因。

3.2 不同氮肥用量条件下小麦根际土壤与籽粒产量和籽粒氮素积累量的关系

本研究发现小麦籽粒产量和籽粒氮素积累量与0—20 cm和20—40 cm根际和非根际土壤无机氮含量呈显著正相关（表2），表明小麦籽粒产量与开花后的根系主要集聚土层养分密切相关。土壤氮素营养状况是影响小麦生长、发育并决定产量的主要因素[29]。适量增施氮肥，小麦根系生物量显著增加（图1），根系吸收面积增加，促进了根系对氮素的吸收[30]；同时改善小麦地上部分的光合性能[31]，促进干物质的积累与转移，从而提高了地上部生物量和产量[32]，但过量增施氮肥花前转运量、转运率、花前贮藏物质对籽粒产量贡献率均下降[33-34]。朱新开等[35]研究发现随施氮量增加籽粒产量和氮积累量先增加后降低，这与本试验2016年结果一致。

小麦籽粒产量和籽粒氮素积累量还与0—20 cm和20—40 cm土层根际和非根际土壤脲酶和蔗糖酶活性显著正相关（表2）。Verstraete等[36]认为冬小麦产量与磷酸酶活性呈极显著正相关，王娟等[37]研究表明土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性与小麦产量均未达到显著正相关。与不施肥相比，N150和N240显著提高土壤脲酶和蔗糖酶活性，改善了土壤可利用性氮素的转化和供应，促进小麦根系生长和养分吸收，小麦生育后期氮素吸收转运畅通，最后增加籽粒产量。N240小麦根际和非根际土壤脲酶和蔗糖酶活性均大于N300，从一个方面解释了氮肥用量继续增加而产量不增加甚至降低的原因；另一方面可能是N300地上部生物量比N240高，过量使用氮肥，延缓衰老进程，导致碳水化合物和氮素在营养器官大量积累，不利于向籽粒的转移，造成作物生长过程中库源平衡失调，从而引起产量的下降[9,38]。

4 结论

小麦开花后根际和非根际土壤铵态氮、硝态氮含量、蔗糖酶和脲酶（0—20 cm土层除外）活性均呈降低趋势，这一趋势与小麦根、茎、叶生物量动态一致；根际土壤铵态氮和硝态氮含量低于非根际土壤，而脲酶和蔗糖酶活性均高于非根际土壤。

小麦根际土壤特性与籽粒产量和籽粒氮素积累密切相关，主要是通过调控土壤可利用性氮素供应影响产量；另一方面是通过改善土壤酶活性，保证土壤氮素的顺利转化和供应，促进根系生长和植株养分的吸收。因此，合理施肥，营造良好的根际环境，能够保障小麦生育期对养分的需求，提高氮素利用效率，促进产量增加。

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（责任编辑 李云霞）

Effects of Nitrogen Fertilizer Rates on Rhizosphere Soil Characteristics and Yield after Anthesis of wheat

AN TingTing, HOU XiaoPan, ZHOU YaNan, LIU WeiLing, WANG Qun, LI ChaoHai, ZHANG XueLin

(Agronomy College, Henan Agricultural University/Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crop/State Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science, Zhengzhou 450002)

【Objective】 Making the relationship between rhizosphere soil properties and wheat grain yield or grain nitrogen(N) accumulation (GNA) clear could help managing N fertilizer application, improving N use efficiency and reducing environment pollution. 【Method】A field experiment with four N fertilizer treatments (0 kg N·hm-2, CK; 150 kg N·hm-2, N150; 240 kg N·hm-2, N240; 300 kg N·hm-2, N300) was conducted in 2014-2015 and 2015-2016, soil samples including rhizosphere soil (R) and bulk soil (B) in 0-20 cm and 20-40 cm depths were collected at anthesis, milking and maturity stages. Soil NH4+-N, NO3--N, urease, saccharase and wheat biomass including root, stem, leaf, spike biomass and their N content were measured, and the relationships between rhizosphere soil characteristics and grain yield and GNA were analyzed. 【Result】(1) Results of the experiment showed that in comparison with CK, wheat grain yields of three N fertilizer treatments increased by 99%, 130% and 107% for the two annual average, respectively. Wheat root, stem, leaf and spike biomass and aboveground nitrogen accumulation (ANA) increased with the N application rates increasing, while nitrogen recovery efficiency (NRE) declined, and their differences among the four treatments were significant. (2) Over the periods of studies, soil NH4+-N concentration, NO3--N concentration, soil sacharase and urease activities (0-20 cm excluded) of both rhizosphere and bulk soil in 0-20 cm and 20-40 cm depths showed a decreasing trend. The average NH4+-N and NO3--N concentration of four fertilizer treatments in rhizosphere soil was significantly lower than that in bulk soil. In comparison with bulk soil in 0-20 cm depth, rhizosphere soil NH4+-N concentration of four treatments in the two years reduced by 29%, and by 22% for NO3--N concentration; and rhizosphere soil NH4+-N concentration reduced by 34% and by 14% for NO3--N concentration in 20-40 cm depth. Rhizosphere soil sacharase activities in 0-20 cm depth increased by 29% than that of bulk soil, and by 15% for urease activities; while increased by 33% for sacharase activities and by 13% for urease activities in 20-40 cm. (3) Pearson correlation analysis showed that soil inorganic-N (NH4+-N + NO3--N), urease, and saccharase (2016 year GNA excluded) in rhizosphere soil and bulk soil were all significantly and positively correlated with wheat grain yield and GNA. 【Conclusion】All of these results indicated that wheat rhizosphere soil available N concentration was less than the bulk soil after anthesis stage, while rhizosphere soil enzyme activity was higher than the bulk soil. Grain yield and GNA were all significantly and positively correlated with rhizosphere and bulk soil. The variations of rhizosphere and bulk soil characteristics could affect wheat grain yield.

wheat yield; nitrogen fertilizer; rhizosphere soil; NH4+-N, NO3--N; enzyme

2017-02-07；接受日期：2017-04-28

国家公益性行业（农业）科研专项（201503117）、国家现代农业产业技术体系建设专项（CARS-02-19）、河南省教育厅项目（13A210491）

安婷婷，E-mail：tingtingan2014@163.com。通信作者张学林，Tel：13643867669；E-mail：xuelinzhang1998@163.com