新型专用肥对冬小麦产量、氮素吸收与利用的影响

刘倩倩,陈 欢,张存岭,乔玉强,陈天河,徐汝民,唐 俊,曹承富

(1.阜阳师范大学,安徽阜阳 236037; 2.安徽省农业科学院作物研究所，安徽合肥 230031; 3.安徽省濉溪县科学技术协会，安徽淮北 235100; 4.安徽省帝元生物科技有限公司，安徽合肥 230036)

近几十年来，我国小麦产业迅速发展，至2015年我国小麦单产水平已超过世界单产水平60%以上[1]。随着人口的持续增长及生活水平的稳步提升，我国粮食安全面临着极大的挑战，保持小麦绿色增产增效是确保我国粮食安全和农业可持续发展的根本途径之一。

氮素是作物生长发育和产量形成的重要营养元素之一。氮肥的投入在促进作物增产提质方面发挥了重要作用。自20世纪80年代以来，我国粮食生产中氮肥施用量快速增长，施用总量增加近1.5倍[2]，但作物的增产速率却仅为10%左右[3]。我国小麦生产的氮肥利用率较低，约为35%[4]。随着农业集约化和现代化进程的推进，施用缓控释型、稳定型等新型肥料被认为是增产增效的有效途径之一，该类肥料通过控制养分尤其是氮素在土壤中的转化过程，协同肥料养分释放与作物需求，进而促进作物增产、氮肥利用率提高和农田氮素损失减少[5-7]。郑学博等[8]研究表明，施用控失肥和缓释肥的小麦比常规施肥分别增产1.13%和6.65%，氮肥回收率分别提高 10.5和13.7个百分点，氮肥农学效率分别提高 -0.86和0.57 kg·kg-1；白珊珊等[9]指出，施用控失肥后小麦产量比常规施肥增加18.51%～23.98%，农学利用效率提高2.41～3.12 kg·kg-1；孙云保等[10]的试验结果显示，在减氮30%的条件下连续四年施用控释尿素，与普通尿素相比仍未显著减产；Zheng等[11]认为，包膜控释型肥料可显著增加小麦产量，且明显提高肥料利用率。

尽管新型肥料的经济和生态效益已得到学者们的认可，但其在实际生产中的综合应用效果会受到作物种类、土壤类型、栽培管理等因素影响，仍具有较大的不确定性。本研究于2016-2017年在安徽省濉溪县开展田间试验，比较分析控失肥、炭基长效肥、保持性肥料、活性增效复合肥等13种新型专用肥对小麦产量、干物质量、氮素吸收、氮素利用效率等的影响，并利用主成分-聚类分析方法综合评价不同类型新型专用肥的丰产增效效果，以期为砂姜黑土区小麦生产中新型专用肥的高效合理施用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年10月-2017年6月在安徽省濉溪县杨柳农业科学院实验站开展，实验站位于安徽省淮北市濉溪县孙疃镇(116°45′E，33°37′N)，气候属于暖温带湿润季风气候，小麦生长期间降水量约390 mm，平均气温11.2 ℃，降水与气温具体变化见图1。供试土壤为砂姜黑土，前茬作物为玉米。试验开始前耕层土壤(0～ 20 cm)pH 7.21，有机碳、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为18.88 g·kg-1、 1.12 g·kg-1、1.12 g·kg-1、35.31 mg·kg-1、86.59 mg·kg-1、38.50 mg·kg-1、136.07 mg·kg-1。

1.2 试验材料与设计

试验肥料均由安徽帝元生物科技有限公司提供。试验设13个新型专用肥处理(分别用F1～F13代表，均播前一次性基施)、推荐施肥处理(用F14代表，基施纯氮、P2O5和K2O 量分别为150、90和90 kg·hm-2，拔节期追施纯氮30 kg·hm-2，氮磷钾肥分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾)和传统施肥处理(用F15代表，氮磷钾肥总施用量、种类与推荐施肥相同，而且全部基施)。各处理肥料施用量与施用时期见表1。每个处理3次重复，小区面积为12 m2(3 m×4 m)。供试小麦品种为安科157，播种密度为225×104株·hm-2，行距20 cm。播种时间为2016年10月8日，收获时间为2017年6月4日，其他大田管理技术同高产田块。另设一个不施氮对照，磷钾施用量同F15处理。

图中竖线为降水，三条横线从上到下分别为日最高、日均、日最低温度。

In the figure,the vertical line referto precipitation.The three transverse lines refer to the daily max.,mean and min. temperatures from top to bottom,respectively.

图1 2016-2017年小麦生长季气象条件变化

Fig.1 Meteorological variation of wheat season in 2016-2017

表1 各处理施肥种类和养分投入Table 1 Types of fertilizers and application rates under different treatments

1.3 测定指标与方法

1.3.1 干物质量、籽粒产量及其构成测定

于小麦三叶期，在各小区选择2个具有代表性、长势一致的1 m样段进行定点标记，调查基本苗，并于成熟期(2017年6月4日)，通过调查定点标记样段的茎蘖数计算单位面积有效穗数。各小区选取具有代表性、长势一致的单茎20个并连根拔起，小心剪掉根系后装入样品袋， 105 ℃杀青0.5 h后，75 ℃烘干至恒重，测定总干物质量；人工脱粒后测定穗粒数和穗粒重。用自走履带式全喂入联合收割机(4LZ-0.8，湖南)进行全小区收割，自然晒干后称重计产，并测定千粒重。

1.3.2 籽粒和秸秆含氮量测定

小麦样品烘干、脱粒后分为籽粒和秸秆两个部分，分别粉碎研磨过40目筛(0.425 mm)，混合均匀。称取一定质量的植株粉碎样品(秸秆约 0.20 g，籽粒约0.15 g)，用H2SO4-H2O2法消解至澄清，冷却定容后用连续流动分析仪(SEAL Auto Analyzer 3，德国)测定全氮含量。

1.4 氮素利用参数的计算

器官吸氮量=器官干物质量×器官全氮含量

植株吸氮总量=籽粒吸氮量+秸秆吸氮量

氮肥偏生产力=籽粒产量/施氮量[12]

氮肥回收效率=(施氮处理植株吸氮量-不施氮对照植株吸氮量)/施氮量[13]

氮肥农学效率=(施氮处理籽粒产量-不施氮对照籽粒产量)/施氮量[14]

氮肥生理效率=(施氮处理籽粒产量-不施氮对照籽粒产量)/(施氮处理植株吸氮量-不施氮对照植株吸氮量)[15]

氮素吸收效率=植株吸氮量/施氮量[16]

氮素籽粒生产效率=籽粒产量/植株吸氮量[17]

1.5 数据处理

试验数据采用Excel 2016进行整理、基础计算及画图；采用IMB SPSS Statistics 22进行方差分析(ANOVA)、相关性分析、因子分析和聚类 分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理间小麦产量及其构成差异

与推荐施肥(F14)、传统施肥(F15)相比，新型专用肥处理的小麦产量分别增加-24.34%～ 2.72%和-11.82%～19.72%，且除F2处理的产量显著低于F14和F15处理外，其他新型专用肥处理与F14和F15处理的差异均不显著(表2)。可见，新型专用肥对小麦产量的影响与推荐施肥和传统施肥基本相当。

表2 不同处理下小麦的产量及其构成要素Table 2 Yield and its components of wheat under different fertilization treatments

同列数值后不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著。

Different lower-case letters following the values within the same column indicate significant differences among different treatments at 0.05 level.

图柱上不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著。

Different lower-case letters above columns indicate significant differences among different treatments at 0.05 level.

图2 不同处理下小麦成熟期的干物质和氮素积累量

Fig.2 Accumulation of dry matter and nitrogen in wheat plant at maturity under different treatments

从小麦产量构成来看，有效穗数在F1～F15处理间差异不显著。不同肥料处理间穗粒数差异较小，千粒重差异不显著。这说明与推荐施肥和传统施肥相比，新型专用肥对小麦产量构成的影响基本一致。

2.2 不同处理间小麦干物质和氮素积累差异

F1～F15处理间小麦成熟期干物质和氮素积累量差异均不显著(图2)。F14处理的干物质和氮素积累量均最高，与F15处理相比，新型专用肥处理的干物质和氮积累量分别增加-2.68%～30.35%和 9.97%～38.44%。

2.3 不同处理下小麦氮素利用的差异

在不同处理间，除氮素吸收效率、氮素籽粒生产效率差异均不显著(表3)，氮肥偏生产力、氮肥回收效率、氮肥农学效率、氮肥生理效率的差异部分达到了0.05显著水平，而且不同指标间差异趋势表现不一致。

2.4 不同新型专用肥的应用效果综合评价

2.4.1 生产力与氮素吸收利用的相关关系

相关分析(表3)表明，在小麦产量、产量构成因素、干物质积累量、氮素积累量、氮肥偏生产力、氮素吸收效率、氮肥农学效率、氮肥生理效率、氮素籽粒生产效率及氮肥回收效率等指标之间均存在一定的相关性，说明这些指标间所反映的信息存在一定的重叠，因此有必要采用主成分分析法来综合客观评价不同肥料的应用效果。

表3 生产力与氮素吸收利用的相关关系Table 3 Correlation between productivity and N uptake and utilization

ES:Effective spikes; KS:Kernels per spike; TKW:Thousand kernels weight; GY:Grain yield; DM:Dry matter; PN:N accumulation; NpfP:N partial factor productivity; NuptE:N uptake efficiency; NAE:N agronomic efficiency; NPE:N physiological efficiency; NutE:N utilization efficiency；NRE：N recovery efficiency.*:P<0.05; **:P<0.01.

图柱上不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著。

Different lowercase letters on the same columns indicate significant differences among different treatments at 0.05 level.

图3 不同肥料处理下小麦的氮素利用效率

Fig.3 N use efficiency of wheat in different fertilization treatments

2.4.2 主成分-聚类分析

通过主成分分析，提取出4个主成分，特征值分别为5.710、2.399、1.267和1.015，方差贡献率分别为47.59%、19.99%、10.56%和8.46%，累计贡献率达86.59%，即这4个主成分涵盖了原始数据信息量的86.59%(表4)。这四个主成分中，第一主成分以小麦植株氮素积累量、氮肥偏生产力、氮素吸收效率、氮肥农学效率、氮肥生理效率、氮素籽粒生产效率及氮肥回收效率为主要影响因子，主要反映了氮素的吸收及利用效率；第二主成分以有效穗数、籽粒产量和干物质积累量为主要影响因子；第三、第四主成分则分别以穗粒数、千粒重为主要影响因子，反映了小麦的穗粒重特征。

进一步以各指标在4个主成分上的特征向量作为权重系数，分别乘以相应的标准化变量，其总和即不同肥料处理在各个主成分上的得分(表5)。结果显示，在第一主成分上F3、F5、F6、F7、F8和F14处理的得分较高，因为其具有较高的氮素吸收与利用效率；在第二主成分上除F1、F2、F3、F6、F11、F13和F15外的其他处理因具有较高穗数和籽粒产量而得分较高；在第三和第四主成分上则分别以F1、F3、F4、F5、F6、F14、F15和F1、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F10、F12处理的得分较高。不同肥料处理在各主成分上的得分差异主要是因为各个主成分的影响因子不同。

表4 特征值与方差贡献率Table 4 Eigen values and variation contribution rates

表5 不同肥料处理的主成分得分Table 5 Scores of various principal components

以4个主成分得分代替原始指标作为综合评价的新指标，进行系统聚类。结果(图4)表明，得到聚类树状图，在欧氏距离为10时不同施肥处理可分为2大类，其中第一类群包括F3、F5、F6、F7、F8和F14处理；第二类群则是余下的施肥处理。由聚类结果可得，说明F3、F5、F6、F7和F8等5种新型专用肥的综合效果较好，其施用可替代推荐施肥，而其他肥料的综合效果则较差。

3 讨 论

随着人口的快速增长，粮食安全与可持续发展之间的矛盾愈演愈烈，新型专用肥被认为是集约农业丰产、增效、环保的有效途径之一。研究表明，新型专用肥对作物产量和氮肥利用效率的作用既可能是正向的[5-7]，也可能是负向的[18]，还可能不显著[19]，其田间表现的不确定性主要是源于农田生态系统的复杂性[20]，包含作物体系、土壤性质、气象条件及施肥管理措施等因素的影响。新型专用肥对砂姜黑土区小麦的增产效应已有报道[8,21-22]。本研究也表明，不同新型专用肥处理下小麦籽粒产量与推荐施肥(F14)、传统施肥(F15)处理相比分别增产-24.34%～2.72%和 -11.82%～19.72%。新型专用肥处理的小麦有效穗数和千粒重与推荐施肥(F14)差异不显著，而穗粒数稍有下降。郑学博等[8]的研究结果也证明了控失肥处理下小麦的穗粒数略低于推荐施肥。这可能是因为小麦生育期较长，新型专用肥在生育后期养分供应能力尤其是氮素供应仍有一定的局限性，进而促进小花退化。

图4 聚类树状图

新型专用肥可显著提高肥料利用率，不仅可节本增益，还可以降低损失带来的环境风险，进而实现农业可持续性发展[9]。本研究表明，不同新型专用肥处理的小麦植株氮素积累比传统施肥(F15)增加了-9.97%～38.44%，而相较推荐施肥则稍有下降。本研究中，氮素积累量提高主要是因为干物质量的增加。在氮素利用方面，新型专用肥的氮肥偏生产力、氮肥回收效率、氮肥农学效率、氮肥生理效率、氮素吸收效率与氮素籽粒生产效率等指标均不显著低于传统施肥(F15)。这与前人的研究结果一致[6,8,23-24]，其新型专用肥对氮肥利用率的提高效应一方面可能是因为其降低了养分流失[6,25]，使土壤中有更多养分供作物吸收利用，另一方面可能是养分释放时期得以延长，且与作物生长需求规律相匹配[22,26]；但是相较于推荐施肥(F14)，则各项氮素效率指标在不同新型专用肥处理间的表现不同。本研究中，部分新型专用肥处理与传统施肥或推荐施肥相比未能明显提高小麦产量、氮素吸收及利用效率，主要原因可能是其氮素释放与小麦生长需求不协同[27]，难以满足小麦生育后期对养分尤其是氮素营养的 需求。

由于小麦产量性状、干物质量、氮素吸收量与氮素利用效率指标之间存在显著的相关关系，难以直接筛选出综合效果较优的新型专用肥，因此本研究利用主成分-聚类分析方法，先降维提取简单的少数几个综合指标(主成分)，既可反映原始信息，又可避免重复信息的干扰[28]；然后对所提取出的主成分进行聚类，相较于单独的聚类分析具有低复杂性、高精确性等优点[29]。主成分-聚类分析方法已广泛地运用于农业系统的评价，如土壤肥力[30]、作物性状与品质等[31-32]，但是用于评价不同新型专用肥的增产提效综合效应仍较为少见。从本研究提取出的4个主成分的方差贡献率高低可以看出，在新型专用肥的综合评价中，小麦植株氮素吸收与利用效率最为重要，其方差贡献率最高，为47.59%；生产力次之，穗粒重性状则最低，但仍不可忽略。通过聚类分析对不同肥料处理进行分类，其中与大田推荐施肥分为一类的包括总养分含量为48%的控失肥、保持性肥料、活性增效复合肥、活性尿素BB肥和控失增效二铵BB肥等，即这5种新型专用肥具有丰产、氮效率高等较优的综合效果，其施用可替代大田推荐施肥。