小麦玉米一体化氮肥运筹对小麦产量和氮素利用的影响

王 震，李金秀，张 彬，冯 浩，李金榜*

（1 南阳市农业科学院，河南南阳 473008；2 南阳市宛城区种子技术服务站，河南南阳 473008）

小麦–玉米轮作是黄淮麦区典型的种植模式，小麦常年种植面积稳定在900万 hm2，占全国小麦面积的58.5%[1]。目前该区域在施肥管理上存在很大的随意性，小麦、玉米两季作物施肥时不考虑氮肥的盈余量，大量不被利用的氮素可能随水淋洗到土壤深层。同时与玉米相比，小麦的氮肥利用量较少，小麦季施肥量尤其是氮肥用量过大、施肥不均匀，肥料因表施而挥发损失或因漫灌而淋失的现象普遍存在[2]，致使肥料利用率降低。农业生产中长时期的低氮肥利用率会造成资源的巨大浪费，严重污染环境，同时带来一系列的环境和社会问题。调查发现，目前农业系统中的氮肥盈余量已经达到175 kg/hm2 [3]，黄淮麦区50%的地下水硝酸盐含量因过量使用氮肥而超标[4]。因此，该区域采用合理的一体化氮肥运筹不仅能增加作物产量，而且对发展高产、高效、生态农业，提高农民栽培技术和经济收入有着重要的意义[5]。

土壤中无机态氮一般占全氮的1%～5%，主要为铵态氮和硝态氮，这部分氮可以直接被作物吸收利用。研究发现，施入旱作土壤中的铵态氮肥和酰胺态氮肥1～2周会转化为硝态氮，在高量施氮条件下，收获后土壤中累积的氮素绝大部分以硝态氮形式存在[6]。氮肥利用率主要受土壤、作物种类、生育时期、其他肥料种类、肥料施用技术和气象条件等因素影响，变幅很大[7-8]。氮肥利用效率的常用量化指标包括氮肥农学利用率、氮素养分利用效率、氮肥偏生产力等，这些量化指标可以从不同侧面描述作物对氮素或氮肥的利用效率。研究表明，氮肥农学利用率、氮素养分利用效率、氮肥偏生产力随施氮量的增加而降低[9]。所以仅简单采用降低氮肥施用量的方法来提高利用效率，并不能达到较高的目标产量，更无法做到合理的氮肥施用。因此综合研究氮肥的产量效应、氮肥利用率以及土壤–作物体系中的氮素平衡，始终是评价一体化氮肥合理施用与否的关键。

新麦21是新乡市农业科学院以偃展1号为母本、新麦9号为父本杂交，经后代系谱法连续选择培育而成的小麦品种，于2009年通过国家品种审定(国审麦2009014)，具有抗逆性强、综合性状优良及广泛的适应性等特点[10]。宛麦20是南阳市农业科学院以漯珍1号为母本、豫麦18为父本杂交，经系谱选择而成的弱春性中熟黑色类型品种，于2011年通过河南省品种审定 (豫审麦2011012)，具有高产稳产、适应性广的特点，宛麦20种皮中含有花色素苷，籽粒中富含铁、锌、钙、硒等微量元素，具有很高的营养价值。本试验以新麦21和宛麦20为材料，在小麦、玉米一体化施肥条件下研究了周年氮肥用量及其分配比例对小麦产量、氮肥利用效率和土壤硝态氮的影响，以期为豫西南地区一体化施肥条件下高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况与试验设计

试验于2013—2016年在河南省南阳市卧龙区潦河镇农科院试验基地 (112°57′E、32°93′N) 进行，该试验点地处亚热带到温带的过渡带，属于季风大陆湿润半湿润气候，年平均气温14.4～15.7℃，年降雨量 703.6～1173.4 mm，年日照时数 1897.9～2120.9 h。供试土壤为黄褐土，0—20 cm土层土壤理化性质：全氮 1.20 g/kg、碱解氮 45.01 mg/kg、Olsen-P 23.34 mg/kg、速效钾 113.62 mg/kg、有机质 16.48 g/kg。0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm土壤硝态氮含量分别为 5.3、6.1、7.7、15.4、19.8 mg/kg。

试验采用裂区设计，主区为新麦21 (X21) 和宛麦20 (W20) 2个小麦品种；裂区设小麦/玉米两熟制，周年 3 个氮肥 (尿素) 用量为 300 kg/hm2(N300)、450 kg/hm2(N450) 和 600 kg/hm2(N600)；次裂区设小麦、玉米作物间3个氮肥分配比例，分别为4∶6(B4)、5∶5 (B5)、6∶4 (B6)，共计 18 个处理。增设不施氮处理为对照。小麦季施氮量包括0、120、150、180、225、240、270、300、360 kg/hm2。每处理小区面积为30 m2，重复3次。

小麦于每年10月16日播种。各处理以P2O5150 kg/hm2(磷酸二铵，含 P2O546%)和 K2O 75 kg/hm2(氯化钾，含K2O 60%) 为底肥；所施氮肥为尿素 (含N 46%)，按试验要求 (基追比4∶6) 计算出每小区所需底肥，称量后分别撒施，追肥于起身期依据试验要求，按小区分别称量条施。播种方式、灌水时期、病虫害防治、收获方式等管理措施同高产田。

1.2 样品采集与测试

成熟期测产采用小区计产，每个小区收获3 m2，重复3次，风干、脱粒后测产并进行室内考种。植株按普通叶、旗叶、茎秆、颖壳和子粒烘干、称重，粉碎后，经浓H2SO4和H2O2消煮，采用半微量凯氏定氮法测定各器官全氮的含量。分别在小麦出苗、拔节、孕穗、成熟期和玉米拔节、抽雄、成熟期，以20 cm为间隔取0—100 cm土壤样品，每小区取5钻制备混合样，鲜样测定硝态氮。取样留下的钻孔用保护区土壤回填，防止灌水追肥养分下渗。土壤硝态氮采用 2 mol/L KCl浸提 1 h，紫外分光光度法测定。

1.3 数据处理与统计方法

有关参数计算：

植株氮素积累总量 = 成熟期单株干重 × 成熟期单株含氮量 (%)× 密度；

氮肥农学利用率 =(施氮区产量 － 无氮区产量)/施氮量；

氮素养分利用效率 = 籽粒产量/植株氮素积累量；

氮肥偏生产力 = 施氮区产量/施氮量；

经济系数 = 经济产量/生物学产量。

因三年试验结果基本一致，采用三年数据的平均值进行分析。统计分析、通径分析和差异显著性检验用SPSS 13.0数据处理系统分析，用GGE biplot数据处理软件作双标图分析氮素利用效率关系，等值线图采用Surfer 8.0绘制。

2 结果与分析

2.1 氮肥运筹对产量及其构成因素的影响

由表1可知，氮肥用量和分配比例对产量构成因素均有显著影响，两个品种的反应也有差异。X21的成穗数在一定范围内随施氮量的增加而提高，当施氮量超过270 kg/hm2时成穗数随施氮量的升高而呈现下降趋势，拔节后小麦季施氮肥较高的处理小分蘖死亡数增大。施氮量240、270 kg/hm2处理X21成穗数较多，处理间差异不显著。W20的成穗数随施氮量的增加而提高，施氮量300、360 kg/hm2处理成穗数较多，处理间差异不显著。在本试验条件下，W20的分蘖成穗数多于X21。X21和W20的穗粒数无明显变化趋势，各处理间差异相对较小。X21和W20的最大穗粒数分别出现在N600 +B4 (240 kg/hm2) 和 N450 + B6 (270 kg/hm2) 处理。X21、W20的千粒重随施氮量的增加而下降，以120 kg/hm2处理最高，分别达到 44.62 g 和 39.16 g。W20的千粒重普遍低于X21，品种内的差异不显著。

氮肥用量和分配比例显著影响小麦产量，两个品种的产量均表现为随施氮量增加呈先升高后降低的趋势。X21的产量以施氮225、240、270 kg/hm2处理较高，处理间差异不显著。小麦W20的产量以施氮225、270 kg/hm2处理较高，处理间产量差异不显著。当小麦季施氮量超过300 kg/hm2时，X21和W20产量显著下降。方差分析表明，品种、施氮量和分配比例均能显著影响小麦产量 (F = 31467.68、763.36和9.88)，品种与施氮量之间、品种和分配比例之间、施氮量和分配比例之间以及三者之间均存在显著互作效应 (F = 9.94、6.51、598.13 和 34.01)。

相关性分析表明，小麦季产量与全年产量存在极显著正相关 (r = 0.906**)。氮肥施用量同样显著影响全年产量，随着施氮量的增加全年产量也呈先增后减的趋势。氮肥分配比例对全年产量影响依全年施氮量不同而存在差异，随着全年施氮量的增加氮肥分配比例对全年产量的影响增大。全年施氮量300 kg/hm2时，分配比例对全年产量影响差异不显著，但当全年施氮量达到600 kg/hm2时，分配比例对全年产量影响差异极显著。全年产量在 N450 + B4、N450 +B5和N600 + B4处理时较高，处理间差异不显著。

2.2 氮肥运筹小麦季产量构成因素通径分析

X21 (y1)、W20 (y2) 产量性状的 Kolmogorov-Smirnov检验显著水平分别为0.187、0.200，均大于0.050，所以两个品种的产量性状服从正态分布，可以进行回归分析，得出成穗数 (x1)、穗粒数 (x2)、千粒重 (x3) 与产量性状的线性回归方程 y1= –11.243 +0.012x1+ 0.124x2+ 0.187x3，y2= –14.943 + 0.011x1+0.233x2+ 0.201x3。由通径系数可以得出 x1、x2、x3对 y1、y2的直接作用分别是：P1y1= 0.938，P2y1=0.350，P3y1= 0.929；P1y2= 0.846，P2y2= 0.045，P3y2=1.015。显著性检验结果表明，x1、x2、x3的偏回归系数显著性均小于0.050，说明自变量与因变量之间存在显著性差异，有统计学的意义。根据相关系数计算自变量的间接通径系数，将相关系数、通径系数及间接通径系数的关系列于表2。

由表2可知，在一体化氮肥条件下，X21产量构成要素中，成穗数的直接作用最大，千粒重次之，穗粒数的直接作用最小。通过分析各个间接通径系数发现，虽然成穗数通过千粒重对产量产生较大负值 (–0.420) 的间接作用，但是由于成穗数的直接通径系数值 (0.938) 较大以及成穗数通过穗粒数对产量的间接作用，使成穗数对产量的影响最大。在本试验条件下X21穗粒数的直接通径系数和间接通径系数均较小，对产量的改变影响不大。千粒重的直接通径系数值 (0.929) 也较大，但千粒重通过成穗数和穗粒数对产量产生较大负值的间接作用抵消了部分直接作用，使千粒重对产量的简单相关系数降为0.333。彩色小麦W20在一体化氮肥条件下，虽然成穗数的直接通径系数（0.846）较大，但成穗数通过千粒重对产量产生较大负值（−0.763）的间接作用，使成穗数对产量的影响最小。W20的穗粒数在直接作用和通过千粒重对产量产生较大正值（0.402）的间接作用下，相关系数达到0.829，对产量的影响最大。千粒重的直接作用最大，但受千粒重通过成穗数对产量产生较大负值（−0.636）的间接作用影响，千粒重的简单相关系数下降到0.557，小于穗粒数对产量的影响。

2.3 一体化氮肥运筹对氮肥利用效率的影响

从图1中各处理与指标间的分布关系可以直观发现其内在联系，以不同指标为顶点画多边形，多边形相邻两点间连线的垂直线是两个指标优化后的临界值 (等值线)，垂直线将多边形分成两部分，优势处理位于相应部分的最高点[11–12]。处理与指标间的位置越近，该指标含量越高，所有垂直线的交点是所有指标的最佳平衡点。从图1可知，X21和W20氮肥利用效率各指标的最佳处理分别为N450 + B5和N600 + B4。施氮量的增加显著提高单位面积上植株氮的积累量，两个品种的氮积累量最大值均出现在 N600 + B6 处理，X21 和 W20 分别为 332.39 kg/hm2和 333.19 kg/hm2。W20 在全年施氮 600 kg/hm2时，B5和B6处理差异不显著。随全年施氮量及分配比例的提高，两个品种的氮素养分利用效率、氮肥农学利用率、氮肥偏生产力、经济系数呈现降低趋势，以上4项指标的最大值均出现在N300 + B4处理。

表1 不同处理小麦产量及产量构成因素Table 1 Grain yield and yield components of wheat under different treatments

由某一指标和中心点的连线为起始，顺时针方向旋转，其它指标和中心点连线与这条线夹角的余弦即为它们的相关系数[11–12]。相关性分析表明，两个品种的氮素积累量与氮肥农学利用率、氮素养分利用效率、氮肥偏生产力和经济系数之间存在极显著负相关。由图1可知，在一定范围内增施氮肥显著提高了产量和氮素积累量，显著降低了氮肥农学利用率、氮素养分利用效率、氮肥偏生产力和经济系数，全年施氮量在300、450 kg/hm2时两个品种的氮肥利用效率差异相对较小，降低不显著。

2.4 氮肥运筹下土壤硝态氮的动态变化

在N300处理水平，两个品种各年份氮肥分配比例间0—100 cm土层硝态氮含量变化不明显。X21 +N450的B4和B5处理0—100 cm土壤硝态氮含量分别从2013年小麦季季均10.9～15.8、10.8～14.0 mg/kg，增至2016年玉米季季均19.3～25.8、13.9～19.2 mg/kg，分别增加了63.3%～77.1%、28.7%～37.1%。由图 2 可知，X21 + N450 + B4 处理 2015 年玉米季20—60 cm 土层硝态氮含量明显增加；X21 + N450 +B5处理土层间硝态氮有增加但增加不明显。X21 +N450 + B6处理在2013和2015年小麦季硝态氮含量达到各年度间较高水平，分别为18.7～24.2、23.1～26.9 mg/kg。X21 + N600 + B4 处理 2014 年玉米季0—40 cm土层和2015年玉米季之后的0—100 cm土层硝态氮含量明显增加；X21 + N600 + B5 处理0—100 cm土层各年份间硝态氮含量均有不同程度的增加；X21 + N600 + B6 处理仅 2014 年玉米季0—100 cm土层硝态氮含量变化不明显，其余生长季 注（Note）：x1—成穗数 Spike; x2—穗粒数 Kernel number; x3—千粒重 Thousand kernel weight; y—产量 Yield; PMCC—皮尔森相关系数 Pearson product-moment correlation coefficient; DPC—直接通径系数 Direct path coefficient; IDPC—间接通径系数 Indirect path coefficient.土层内硝态氮均有增加。X21 + N600处理0—100 cm土体中，B4、B5和B6处理土壤硝态氮含量分别从2013年小麦季季均16.7～21.5、13.1～26.7、21.6～33.6 mg/kg，增至2016年玉米季季均34.7～43.2、36.4～45.1、29.7～36.6 mg/kg，分别增加了100.9%～107.8%、68.9%～117.9%和8.9%～37.5%。

表2 产量及构成因素间的相关系数及其与产量的通径系数Table 2 Correlation coefficients between yield and its components and path coefficients

图1 不同处理间氮肥利用效率相关系数图Fig. 1 Correlation coefficients of nitrogen utilization efficiencies under different treatments

W20 + N450的B4和B5处理土壤硝态氮含量分别从2013年小麦季季均14.8～15.3、11.6～16.5 mg/kg，增至2016年玉米季19.2～24.9、13.2～18.1 mg/kg，分别增加了29.7%～62.7%、9.7%～13.8%，W20 + N450 + B4 处理 2014 年 0—40 cm 土层和2015年玉米季拔节期至抽雄期0—40 cm土层硝态氮含量明显增加，W20 + N450 + B5 处理土层内硝态氮含量增加不明显。W20 + N450 + B6 处理 2013 年小麦季0—40 cm土层，2014年和2015年小麦季0—60 cm土层硝态氮均明显增加，分别为18.28～25.04、24.5～29.9 、21.9～28.4 mg/kg。W20 + N600 + B4 处理3个小麦季0—60 cm土层硝态氮含量均有增加，W20 + N600 + B5 和 W20 + N600 + B6 处理随种植年限的延长土壤硝态氮含量随施氮量增加而升高，B4、B5和B6处理土壤硝态氮含量分别从2013年小麦季季均 19.7～21.9、18.4～26.6、23.4～36.5 mg/kg，增至2016年玉米季季均34.8～43.5、38.2～46.3、31.4～42.0 mg/kg，分别增加了76.6%～98.6%、74.1%～107.6% 和 15.1%～34.2%。X21 + N600 + B6 和 W20 +N600 + B6 处理 2015 年小麦季内 0—20 cm 土壤硝态氮含量分别达到75.4、76.1 mg/kg，为各处理3年内最高，这部分累积的高量硝态氮在玉米季也不能完全被有效利用而向土壤深层迁移，造成环境污染。

图2 氮肥运筹对0—100 cm土壤含量的影响Fig. 2 Dynamics of contents affected by different N rates in 0–100 cm soil profile

3 讨论

氮肥对农业生产有重要的作用，对产量有显著影响，在一定的用量范围内，氮肥可以促进有效分蘖产生、穗数增多，表现为产量随施用量的增加而提高，但施氮过多时，不但产量增加不明显，还会因供应过量造成营养生长过剩、群体过大，贪青晚熟[13]。研究表明，施氮量与籽粒产量呈抛物线关系，当施氮量超过临界值时，投入产出率急剧下降[14]。在不同的土壤肥力、品种等生产条件下进行的研究表明，小麦施氮量的最高上限为 150～225 kg/hm2 [2, 15–16]，本试验中两个品种的产量随施氮量的增加先升后降，新麦21和宛麦20分别在施氮量270、225 kg/hm2时产量较高。两个品种的全年产量在年施氮量600 kg/hm2且分配比例为4∶6时较大。在小麦季施氮量225～270 kg/hm2范围内，小麦季产量及全年产量差异不显著。

通径分析可以通过对自变量与因变量之间表明直接相关性的分解，来研究自变量对因变量的直接重要性和间接重要性，从而对统计决策提供可靠的依据[17]。由通径分析可知，在一体化氮肥条件下新麦21产量构成要素中，成穗数直接作用最大，千粒重次之，穗粒数最小；宛麦20穗粒数对产量的影响最大，千粒重次之，成穗数最小。产量构成因素中普遍认为成穗数对产量的影响最大[18–19]。推测宛麦20产量要素对产量影响差异的原因可能是品种特性造成的，彩色小麦宛麦20对氮素的吸收利用相对于普通小麦较低，分蘖能力一般但成穗率高，成穗数与千粒重极显著负相关，所以成穗数对产量的影响力下降较大，穗粒数接替成为影响该品种产量的关键性因素。

随全年施氮量及分配比例的提高，氮素养分利用效率、氮肥农学利用率、氮肥偏生产力、经济系数都呈现降低趋势。由于氮肥利用率的相关指标并不包含施氮量、作物产量和土壤氮三者之间的关系，所以仅仅简单通过降低氮肥施用量而提高氮肥利用率相关指标的做法并没有实际的应用意义。双标图分析法是用图解的形式表现和分析两向数据，能从基因型、试验点、性状、环境等方面对试验进行多层次、多角度的分析。利用此法分析不同施氮处理下氮肥利用率可以直观发现不同指标间的最佳平衡点，在一定程度上弥补氮肥利用率在实际生产应用中的不足，本试验中新麦21和宛麦20氮肥利用效率最佳处理分别为 225 kg/hm2和 240 kg/hm2。

大量研究表明，随着施氮量的增加，土壤剖面硝态氮累积量增加，土壤氮素淋失加剧[20]。由于小麦60%的根系集中于0—30 cm土层[21]，玉米随生育时期的不同55%～80%的根系集中于0—40 cm土层[22]，因此40 cm以下土体随深度的增加硝态氮利用效率也随之降低。巨晓棠等[6]研究发现，硝态氮在土壤剖面中的积累和移动受土壤质地、降雨量和灌溉量的影响，存在着非常大的年际变化，并且由于不同地区土壤气候条件的差异，氮肥的环境容量和环境安全指标会有很大的差异。在本试验条件下，年施氮量300 kg/hm2时，硝态氮含量变化并不显著；年施氮量450 kg/hm2时，随分配比例的不同小麦季和玉米季均有不同程度的硝态氮增加；年施氮量600 kg/hm2时，40 cm以下土层出现较为显著的硝态氮含量增加，存在淋失现象。土壤–作物体系氮肥施用的最佳状态应该是达到目标产量的前提下，施氮量既可以保证作物吸收氮肥，又可以维持土壤氮素平衡，氮肥损失最低[7]。同时由于不同小麦品种对氮素的吸收利用存在差异，针对不同品种应采取与其相适应的氮肥运筹措施，才能发挥品种的遗传潜力，达到高产优质[23]。在小麦、玉米一体化氮肥运筹条件下，综合考虑产量、氮肥利用率及土壤硝态氮积累情况，周年施氮肥450 kg/hm2，小麦/玉米间5∶5分配比例有利于两个品种高产高效。

4 结论

本试验氮肥用量和分配比例对两个品种产量及产量构成因素均有显著影响，新麦21和宛麦20在年施氮量450 kg/hm2，比例分别为6∶4和5∶5时产量较高。通径分析表明，一体化氮肥运筹条件下成穗数对新麦21产量影响最大，穗粒数对宛麦20产量影响最大。年氮肥用量450 kg/hm2、分配比例5∶5时新麦21氮肥利用率最佳；年氮肥用量600 kg/hm2，分配比例6∶4时宛麦20氮肥利用率最佳。两个品种在年氮肥用量450 kg/hm2、分配比例5∶5时0—100 cm土层硝态氮增加不明显。综上，在本试验条件下，周年施氮肥450 kg/hm2，小麦、玉米间5∶5分配比例有利于两个品种高产高效。