密度氮肥互作对稻茬小麦产量及氮效率的协同调控效应

易 媛，苏盛楠，李福建，徐凯峰，朱新开,2，李春燕 ,2，丁锦峰,2，朱 敏,2，郭文善,2

(1.江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室/扬州大学小麦研究中心，江苏扬州 225009； 2.粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏扬州 225009)

提高小麦产量潜力和氮素吸收利用效率是解决全球粮食安全和保护生态环境的有效途径。过量施氮不仅影响作物产量和品质，还会降低经济效益和氮肥利用率(nitrogen-use efficiency，NUE)，而且会导致N2O的排放、氮素淋失，引起地下水污染、河流和湖泊的富营养化等环境问题[1-3]。诸多栽培措施中，氮肥和密度对小麦产量和氮肥利用效率的影响最突出[4-6]，其中密度是影响产量的主要因子[7-8]，其对产量形成的调控作用大于施氮效应，主要是通过提高穗数和叶面积指数来增加群体数量，进而影响群体光合，密度适宜、个体健壮、群体质量高时，个体和群体在一定的时间和空间范围内协调生长，可使穗数、穗粒数、粒重协调增加，从而获得较高的产量。施氮量与籽粒产量呈二次曲线关系[9]，超过一定阈值后再继续增加施氮量时，群体过度繁茂，虽穗数有所增加，但植株生长不良，穗粒数和粒重反而下降，最终增产效果不显著，甚至减产[10-11]。有研究认为，氮肥利用率与施氮量也呈极显著二次曲线关系[12]。也有研究表明，氮肥吸收利用率随施氮量增加而降低[13-14]。分次施肥有利于提高小麦氮素吸收效率[12,15-16]，合理的氮素运筹比例可有效调控群体发展，优化群体结构，延缓后期植株衰老，氮素的生产力和氮肥利用率较高[17]。如何通过栽培措施的协调来实现产量与氮效率的同步提升，是当前小麦生产中亟待解决的问题，其中关于密度与氮肥互作对协同提高产量和氮效率的研究目前较少。本试验针对江苏淮北生态区稻茬小麦氮肥用量高、利用率低的现状，以农民习惯施氮量(270 kg·hm-2)为基数，将施氮量降低15%～30%，探讨密度与氮肥互作对稻茬半冬性小麦产量、NUE的协同提高效应，分析减氮增效的栽培技术途径，以期为提高本区域稻茬小麦氮效率，实现化肥氮零增加的国家战略提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

试验于2014-2016年度在徐州市睢宁县兴华村江苏省农业稻麦综合展示基地进行，该区属亚热带温润气候区。供试小麦为半冬性品种徐麦33，由徐州农业科学院提供。前茬为水稻，土壤为轻壤土，2014年秋播时0～20 cm土壤有机质含量为1.91%，全氮含量为0.85 g·kg-1，速效氮含量为74.56 mg·kg-1，速效磷含量为54.79 mg·kg-1，速效钾含量为181.22 mg·kg-1；2015年秋播时0～20 cm土壤有机质含量为1.65%，全氮含量为0.69 g·kg-1，速效氮含量为64.69 mg·kg-1，速效磷含量为46.07 mg·kg-1，速效钾含量为153.27 mg·kg-1。2014-2016年小麦生长季气象条件见表1。

1.1 试验设计

试验采用三因素裂区设计，其中密度为主区，设基本苗150×104株·hm-2、225×104株·hm-2两个水平；以施氮量为副区，以当地农民传统施氮量270.0 kg·hm-2为基数，设减施30%氮肥(189.0 kg·hm-2)、减施15%氮肥(229.5 kg·hm-2)、不减施(270.0 kg·hm-2)3个水平，另设不施氮肥(0 kg·hm-2)作为计算NUE的参照小区；以氮肥运筹比例为裂区，设基肥∶壮蘖肥∶拔节肥∶孕穗肥为5∶1∶2∶2、3∶1∶3∶3和5∶0∶5∶0三种比例，共设20个处理，重复3次。氮肥种类为尿素(纯氮含量46.3%)，基肥于播种前施用，壮蘖肥于4～5叶期施用，拔节肥于叶龄余数2.5时施用，孕穗肥于叶龄余数0.8～1.2时施用。磷钾肥种类分别为过磷酸钙(P2O5含量12%)和氯化钾(K2O含量60%)，用量分别为P2O5120 kg·hm-2和K2O 120 kg·hm-2，全部基施。小区面积30 m2，行距30cm，三叶期间苗。小麦在2014-2015年10月25日播种，6月10日收获；2015-2016年10月28日播种，6月8日收获。

表1 2014-2016年小麦生育期间气象资料Table 1 Meteorological data during 2014-2016 wheat growing season

1.2 主要测定项目与方法

1.2.1 茎蘖动态调查

分别于分蘖期、拔节期、孕穗期、开花期、花后21 d五个主要生育时期，每小区用1 m×1 m的铁框圈取具有代表性的区域，进行茎蘖总数定点调查，并计算出茎蘖成穗率。

1.2.2 叶面积指数(LAI)测定

分别于各主要生育时期取10株具有代表性的植株连根挖出，带回实验室用LI-3000C 叶面积仪测定叶面积，并计算出叶面积指数。

1.2.3 干物质积累量及含氮量测定

把测定叶面积后的植株地下部剪掉，置105 ℃ 烘箱中杀青30 min后，80 ℃烘干到恒重，冷却后称重，换算成单株干重，再根据基本苗计算每公顷干重。干样粉碎后采用凯氏定氮法测定含氮量。

1.2.4 产量及其构成因素测定

收获前定点调查各小区穗数，计算每公顷穗数。连续取50穗，计数穗粒数，取平均值。成熟期各小区收获1.2 m2脱粒，风干后称重，用FOSS-370型近红外线谷物分析仪测定水分含量，换算为13%水分时的粒重计产，重复3次。

1.3 数据计算

氮肥农学效率(NAE) =(施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量)/ 施氮量；

氮肥吸收利用率(RE)=(施氮区氮素积累量-不施氮区氮素积累量)/ 施氮量×100%

花后干物质积累量=成熟期干物质积累量-开花期干物质积累量；

茎蘖成穗率=成熟期穗数/最高茎蘖数×100%

收获指数=籽粒产量/生物产量

花后LAI下降速率=(孕穗期LAI-花后21 d LAI)/ 孕穗期LAI×100%

群体总结实粒数=成熟期穗数×穗粒数

1.4 统计分析方法

试验数据采用 Excel 2003、DPS 6.55、SPSS 19.0等软件进行统计分析和绘图，采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 密肥组合对稻茬半冬性小麦产量、NAE及RE的影响

对两年数据方差分析结果(表2)表明，密度、施氮量及运筹比例均对稻茬半冬性小麦的籽粒产量、NAE、RE有显著或极显著的影响。除2015-2016年密度与运筹比例、施氮量与运筹比例对产量和NAE的的互作效应不显著外，在籽粒产量、NAE和RE上密度、施氮量、运筹比例间均存在着显著或极显著的两两互作效应，其中密度与施氮量的互作对籽粒产量、NAE、RE的影响在两个年度均达到极显著水平。这说明稻茬小麦生产中通过合理调控密度与施氮量，有可能实现籽粒产量和NUE协同提高。

表2 不同密氮处理下的稻茬小麦产量、氮肥农学效率及吸收效率方差分析(F值)Table 2 Variance analysis of yield, NAE and RE between different treatments in wheat(F value)

*、**分别表示在0.05和0.01水平上的显著性。表4同。

*,** indicate significant difference at 0.05 and 0.01 levels,respectively.The same in table 4.

由表3可知，两个年度产量超过7 500 kg·hm-2的处理中，以密度225×104株·hm-2、施氮量229.5 kg·hm-2的组合下出现高产的概率最大，其中最高产量和NAE均在密度225×104株·hm-2、施氮量229.5 kg·hm-2、运筹比例为5∶1∶2∶2的组合下获得，并且NAE、RE均较高，说明该密肥组合既减少了施氮量(减15%)，又可以实现籽粒产量与NUE的协同提高，是适宜的节氮增效措施组合。在8 000 kg·hm-2产量水平，密度由150×104株·hm-2增至225×104株·hm-2时，采用适当的氮肥运筹比例(基追比为5∶5)，可使施氮量由229.5～270.0 kg·hm-2降低至189.0～229.5 kg·hm-2，RE维持在41.1%～46.7%，而NAE提高了1.5%～33.3%，说明合理增加种植密度并配以适当的氮肥运筹方式，可维持较高的产量水平和氮肥吸收效率,节省15%～30%的氮肥用量，NAE也显著提高。另外，增加密度显著增加了单位面积穗数，而穗粒数显著减少。相关分析发现，产量的提升主要得益于穗数的增加，两个年度籽粒产量与穗数的相关系数分别为0.739**、0.858**。

密度225×104株·hm-2、施氮量189 kg·hm-2的组合也能实现高产，但出现的概率比较小，稳产性受到影响，且年度间NAE、RE变化比较大，说明这种组合需要结合不同年型生态条件才能实现高产稳产。同样，密度150×104株·hm-2、施氮量270 kg·hm-2的组合实现高产的概率也比较小，且不节氮，NAE最低，RE比较低，不符合当前绿色节氮栽培的需求。

分析7 500 kg·hm-2以下产量水平的密肥组合及NAE、RE的变化同样可以看出，不同密肥组合均可实现7 500 kg·hm-2左右的产量水平，但施氮量对NAE和RE的影响表现不一，如采用密度225×104株·hm-2、施氮量189 kg·hm-2的组合，与密度150×104株·hm-2、施氮量270 kg·hm-2的组合相比，施氮量降低30%，RE虽不同程度降低，NAE两个年度分别提高10.8%、28.3%；该组合与密度150×104株·hm-2、施氮量229.5 kg·hm-2的组合相比，NAE和 RE无显著差异，氮肥用量节省了15%(表3)。这进一步说明增加种植密度并配以适当的氮肥运筹方式，可降低15%～30%的氮肥用量，在维持一定产量水平的同时可提高NAE，使氮肥得以高效的施用。

2.2 籽粒产量与NAE、RE的相关性分析

相关性分析(图1，图2)表明，籽粒产量与NAE、RE均呈显著或极显著的正相关，两个年度的数据分析均表明，籽粒产量与NAE均呈开口向上的抛物线关系，与RE呈显著的线性正相关，说明在一定产量范围内，产量可与NAE、RE实现协同提升。

2.3 小麦籽粒产量、NAE、RE与群体质量指标的相关性分析

由表4可知，小麦籽粒产量、NAE、RE与群体质量指标存在一定的相关关系，产量、NAE及RE的提升得益于小麦群体结构的优化。综合两年试验数据，籽粒产量、NAE、RE与孕穗期LAI、花后21 d LAI、花后干物质积累量、群体总结实粒数均呈显著或极显著正相关，与LAI下降速率呈显著或极显著负相关，说明要实现高产氮高效的目标，关键在于获得适宜的孕穗期LAI、花后21 d LAI、提高花后干物质积累量和总结实粒数，同时降低LAI衰减速率。

表3 不同产量水平下的密肥组合及氮肥农学效率、吸收效率的差异Table 3 Difference of treatments，NAE and RE under different yield levels

同列不同字母表示同一年不同处理间在0.05水平上的差异显著性。

Different letters after values in same column indicate significant difference among the treatments at 0.05 level in a same year.

图1 籽粒产量与氮肥农学效率的相关关系Fig.1 Correlation between grain yield and nitrogen agronomic efficiency(NAE)

图2 籽粒产量与氮素吸收效率的相关关系Fig.2 Correlation between grain yield and nitrogen recovery efficiency(RE)

表4 小麦主要群体质量指标与产量、NAE、RE的相关关系Table 4 Correlation between main population quality index and yield, NAE, RE

*:P<0.05;**:P<0.01．

3 讨 论

在小麦生产实践中，品种、播期、密度、施氮量和氮肥运筹等因素均对产量和氮肥利用率有不同程度的影响。密度过小或过大均不能有效地协调好产量结构之间的关系，从而难以提高小麦产量，甚至可能减产[18-20]。在不同的土壤肥力、品种等生产条件下进行的研究表明，适当减量施氮，可以优化群体结构获得高产，同时提高氮肥利用效率。但对于不同类型品种，应当选择适宜当地栽培条件的施氮量。祁静玉等[21]认为，在新疆麦区相对于高产条件下300 kg·hm-2的氮肥投入，将施氮量降至250～270 kg·hm-2左右，明显改善了新春6号和新春31号的群体结构。研究表明，太湖地区麦季推荐施氮量为205 kg·hm-2，在传统施氮量的基础上减少10%～40%的氮肥用量，净经济效益提高5%～15%[22]。黄淮海麦区小麦生育期间施氮量为270 kg·hm-2左右，产量为8 689 kg·hm-2，在此基础上降低 25%～30%的施氮量，能够明显改善小麦群体结构且产量高达9 420 kg·hm-2[23]。密度和氮肥对产量的调控作用不仅在于两者本身，还在于两者间的交互效应[6]。通过施氮与密度的协同作用，可使氮素利用效率得到有效提高[5]。本试验条件下，密度与施氮量的互作对小麦产量、NAE、RE的影响在两个年度中均显著。在保证较高产量水平的基础上，当密度由150×104株·hm-2增至225×104株·hm-2时，采用5∶5的氮肥基追比例，可使施氮量由229.5～270.0 kg·hm-2降低至189.0～229.5 kg·hm-2，节省氮肥用量15%～30%，同时显著提高了NAE。此外，产量与NAE、RE均存在显著或极显著正相关关系，这与曹 倩等[8]的研究结果一致。在一定的产量范围内，产量与NAE呈抛物线关系，与RE呈线性正相关，说明高产和氮肥的高效利用可协同实现。但不同品种对氮肥的吸收利用效率存在差异，生产上应根据品种特性和当地栽培条件的不同，配以合理的种植密度和氮肥运筹比例来适当减少氮肥用量，以实现小麦高产氮高效的栽培目标。

适宜的群体结构是小麦实现高产稳产的基础[24]。有关小麦高产群体特征已有诸多报道[6, 25-27]。前人研究认为，在建立合理群体结构的基础上，促进开花至成熟阶段的干物质积累和向穗部的分配，实现生物产量和经济系数的同步提高，是获得小麦超高产的基本途径[24]；创造合理的群体结构，特别是适宜的LAI和较高的花后干物质积累量是实现高产超高产的重要调控指标[4, 25-27]。张旭等[28]研究表明，小麦粒重、收获指数、孕穗期LAI和开花期旗叶LAI与氮效率呈显著正相关。董召娣等[29]提出，花后干物质积累量、总结实粒数是春性和半冬性小麦群体氮肥生产效率(NGPE)的共性调控特征表现,粒叶比可作为春性小麦NGPE、半冬性小麦氮肥农学效率(NAE)差异的评价指标,茎蘖成穗率可作为春性小麦氮肥吸收效率(NUEa)的调控指标。本试验结果表明，籽粒产量、NAE、RE均与孕穗期LAI和花后21 d的LAI、花后干物质积累量、群体总结实粒数均呈显著或极显著正相关，与花后LAI下降速率呈显著或极显著负相关，反映出密度对氮肥施用量有一定的补偿效应，通过适度增加密度、减少氮肥施用量，可以培育合理群体，获得较好的群体质量，实现减氮(减15%左右)、较高的产量水平与NAE和RE。但这一结论与不同年型气象条件的变化有一定的相关性，生产中需要结合不同区域生态条件与品种特点，合理确定减氮的适宜比例，以实现产量与NUE的协调，实现绿色高效生产。