基肥减量对冬小麦生长、产量构成和氮肥利用效率的影响

徐晓峰,石兆勇,常会庆，郭大勇,吕元丰

(1.河南科技大学 农学院/牡丹学院,河南 洛阳 471023;2.洛阳市植物营养与环境生态重点实验室,河南 洛阳 471023;3.河南平安种业有限公司,河南 焦作 454881)

0 引言

小麦是中国的三大主粮作物之一，施肥是提高小麦产量的基本措施[1]。但近年来，小麦生产中普遍存在施肥过量的问题，不但没能提高产量，还浪费了化肥，导致化肥利用效率低下[2]，带来农业生产成本增加和环境污染加剧等问题[3]。优化养分管理技术，避免过量施肥，提高化肥利用效率，是当前小麦生产面临的主要挑战。为了应对种植业面临的问题，农业部于2015年2月颁布了《到2020年化肥施用量零增长行动方案》，以实现农业的可持续发展。减量施肥正是在这一背景下发展起来的一种优化施肥技术，目标是在维持当前产量的前提下，减少化肥施用量，提高化肥利用效率，减轻种植业的环境压力[4]。减量施肥能显著影响小麦的分蘖[5]，对穗粒数和千粒质量也有一定的影响，从而影响成穗率和灌浆过程，最终影响产量[6-8]。文献[9-11]研究表明：减量施肥对冬小麦产量的影响一般不显著或有小幅增产效应，其影响可能与小麦的品种、土壤肥力和管理技术等因素有关。减量施肥的稳产增产机制仍不十分清楚，有待进一步的研究。豫北地区是中国的冬小麦主产区，产量高，作物养分需求量大，但目前针对豫北冬小麦高产区减量施肥技术的研究较少，如何实现本地区的减量施肥并不清楚。为此，本文通过在豫北冬小麦主产区河南省新乡市新乡县和河南省焦作市温县设置田间试验，探讨氮肥基肥减量对冬小麦茎蘖动态、成穗规律、产量及其构成、氮肥利用效率和经济效益的影响，分析减量施肥在豫北地区冬小麦生产上的可行性，揭示减量施肥的稳产增产机制及途径，为实现该地区冬小麦高效施肥、提高氮肥利用效率的目标提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2017—2018年分别在河南省新乡市新乡县七里营镇和河南省焦作市温县祥云镇实施。新乡县七里营镇试验地0～20 cm耕层土壤主要理化性质为：pH8.38，全氮0.86 g·kg-1，全磷0.90 g·kg-1，有效磷14.9 mg·kg-1，速效钾199.1 mg·kg-1。温县祥云镇试验地0～20 cm耕层土壤主要理化性质为：pH8.22，全氮0.72 g·kg-1，全磷0.87 g·kg-1，有效磷14.3 mg·kg-1，速效钾295.5 mg·kg-1。两地的前茬均为玉米，采用秸秆全量返田。

1.2 试验设计

采用随机区组设计，分别以无氮肥和农户习惯施肥量为双对照区，设置两个基肥减量水平。氮肥控制总量、基肥与追肥施用量见表1。表1中：无氮肥对照(N0)，基肥和追肥施用量均为纯氮0 kg·hm-2；农户习惯施肥量对照(N1)，基肥纯氮量180 kg·hm-2，追肥纯氮量120 kg·hm-2；基肥减量1(N2),基肥减量33.33%，基肥纯氮量120 kg·hm-2，追肥纯氮量120 kg·hm-2；基肥减量2(N3),基肥减量50.00%，基肥纯氮量90 kg·hm-2，追肥纯氮量120 kg·hm-2。基肥和追肥均为尿素，其中，基肥在深翻前撒施；追肥在拔节期撒施并灌水。所有小区磷肥和钾肥均作为基肥施入，其中，磷肥采用过磷酸钙，施用量为P2O590 kg·hm-2；钾肥采用氯化钾，施用量为K2O 75 kg·hm-2。

表1 氮肥控制总量、基肥与追肥施用量

新乡县试验点参试品种为百农207，播种期为2017年10月16日，播种量为150 kg·hm-2，行距20 cm，基本苗2.025×106株·hm-2，小区面积100 m×5 m,采用4次重复。温县试验点参试品种为平安11，播种期为2017年11月5日，播种量为150 kg·hm-2，行距20 cm，基本苗2.025×106株·hm-2，小区面积50 m×10 m,采用8次重复。两地均在播种前深耕30 cm。2017年12月初浇封冻水，2018年3月22日施用追肥并浇水，2018年5月初灌浆初期浇灌浆水。其他管理措施按常规进行。

1.3 测定方法

茎蘖数调查方法：于三叶期在田间设置1 m双行标记，分别于三叶期、返青期、拔节期和扬花期跟踪调查群体茎蘖数。按平均行距换算为单位面积茎蘖数。

地上部生物量调查方法：分别于拔节期、扬花期和收获期采集1 m单行植物样，去除根部后，于105 ℃杀青，75 ℃烘干，测定干样质量。按平均行距换算为单位面积地上部生物量。

产量及产量构成三要素调查方法：于灌浆后期在田间取4行，每行1 m，调查穗数，按平均行距换算为单位面积穗数。随机取一行小麦，用剪刀剪取连续的20穗有效穗，统计穗粒数。于收获期取1 m2样方，收割后带回实验室，测定籽粒生物量，并统计千粒质量。

成穗率计算方法：成穗率(%)=(亩穗数/拔节期茎蘖数)×100%。

植物样氮含量的测定：样品粉碎后，用元素分析仪测定全氮含量。

氮肥利用效率计算方法：

氮肥农学效率(kg·kg-1)=(施肥区籽粒产量-无肥区籽粒产量)/氮肥施用量；

氮肥利用率(%)=((施肥区地上部氮吸收量-无肥区地上部氮吸收量)/氮肥施用量)×100%；

氮肥偏生产力(kg·kg-1)=籽粒产量/氮肥施用量。

经济效益计算方法：化肥成本按照市场价计算，其中，尿素为2.0 元·kg-1，过磷酸钙为1.1 元·kg-1，氯化钾为2.0 元·kg-1。小麦按市场价2.2 元·kg-1。

产值(元·hm-2)=小麦产量×小麦价格。

增收(元·hm-2)=(处理区产值-处理区化肥成本)-(农户习惯施肥区产值-农户习惯施肥区化肥成本)。

1.4 数据分析

试验数据用R软件进行方差分析，并采用最小显著差异(least significant difference,LSD)法对各施肥水平下的测定指标做均值比较，以检验各处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 产量与产量构成三要素

冬小麦产量与产量构成三要素见表2。N2处理在温县和新乡县两个试验点都实现了增产。在温县试验点，N2处理产量达到8.84 t·hm-2，比N1处理产量高4.49%；在新乡县试验点，N2处理产量为6.90 t·hm-2，比N1处理高1.92%。 N3处理在温县试验点产量为8.65 t·hm-2，比N1处理产量高2.25%；在新乡县试验点，N3处理产量低于N1处理产量。在温县和新乡县两个试验点，基肥减量处理与农民习惯施肥量处理间产量差异均未达到显著水平。

在温县试验点，N2处理每公顷穗数比N1处理高8.02%，穗粒数高4.21%，千粒质量低3.66%，差异均不显著；在新乡县试验点，N2处理每公顷穗数比N1处理高11.61%，穗粒数低8.56%，千粒质量高1.45%，差异均不显著。与N1处理相比，N3处理在两个试验点的每公顷穗数均下降。综上，氮肥适度减量能小幅提高每公顷穗数，但对穗粒数和千粒质量的影响因品种和试验点的不同而有差异。加大基肥减量幅度，将显著减少每公顷穗数。

表2 冬小麦产量与产量构成三要素

注：同一试验点同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

2.2 茎蘖动态与成穗特征

冬小麦茎蘖动态及成穗规律见表3。由表3可知：在温县试验点，N2处理返青期每公顷茎蘖数与N1处理无差异；N2处理拔节期每公顷茎蘖数比N1处理低8.28%，但差异不显著。在新乡县试验点，N2处理返青期每公顷茎蘖数与N1处理无差异，N2处理拔节期每公顷茎蘖数比N1处理低7.25%。N3处理的拔节期每公顷茎蘖数在温县试验点比N1处理低15.92%，在新乡县试验点比N1处理低9.42%。氮肥减量主要减少了返青后茎蘖数。

两个试验点在N2处理下，除温县拔节期地上部生物量高于N1处理外，其他N2处理的拔节期和扬花期的地上部生物量均低于N1处理，但未达到显著水平；收获期的地上部生物量N2处理均高于N1处理，两者差异也不显著。两个试验点在N3处理下，拔节期和扬花期的地上部生物量比N1处理低；在收获期，温县试验点的地上部生物量高于N1处理，新乡试验点的地上部生物量低于N1处理。

在温县试验点，N2处理的成穗率达到48.95%，比N1处理提高了15.80%，但差异未达到显著水平；N3处理的成穗率为45.16%，比N1处理提高了6.84%。在新乡县试验点，N2处理的成穗率为37.38%，比N1处理提高了20.97%，差异显著；N3处理成穗率为33.25%，比N1处理提高了7.61%。

表3 冬小麦茎蘖动态及成穗规律

2.3 氮肥利用效率

氮肥利用效率见表4。施肥显著提高了冬小麦地上部的氮总累积量，但N2处理、N3处理与N1处理间差异不显著。在温县试验点，N2处理地上部氮总累积量为206.95 kg·hm-2，比N1处理高9.95 kg·hm-2；N3处理地上部氮总累积量为198.42 kg·hm-2，比N1处理高1.42 kg·hm-2。在新乡县试验点，N2处理地上部氮总累积量为175.66 kg·hm-2，比N1处理高3.60 kg·hm-2；N3处理地上部氮总累积量为171.78 kg·hm-2，比N1处理低0.28 kg·hm-2。两个试验点秸秆中氮向籽粒的转移效率均较高，各处理间的趋势一致。两个试验点各处理氮收获指数由高到低依次为：N0>N1>N3>N2。温县试验点的氮收获指数略低于新乡试验点。

减肥处理有效提高了氮肥的利用效率。在温县试验点，N2处理的氮肥农学效率为5.77 kg·kg-1，比N1处理高2.25 kg·kg-1，N3处理也比N1处理高2.33 kg·kg-1。在新乡试验点，N2处理的氮肥农学效率为3.44 kg·kg-1，比N1处理高1.05 kg·kg-1，N3处理比N1处理高0.61 kg·kg-1。各处理间差异不显著。

在温县试验点，N2处理的氮肥利用率为24.84%，较N1处理的氮肥利用率高8.29个百分点，N3处理的氮肥利用率较N1处理的氮肥利用率高7.77个百分点。在新乡县试验点，N2处理的氮肥利用率为25.68%，较N1处理的氮肥利用率高6.34个百分点，N3处理的氮肥利用率较N1处理的氮肥利用率高8.16个百分点。各处理间氮肥利用率差异不显著。

表4 氮肥利用效率

在温县试验点，N2处理的氮肥偏生产力为32.27 kg·kg-1，比N1处理提高了7.55 kg·kg-1,N3处理的氮肥偏生产力较N1处理提高了11.42 kg·kg-1。在新乡县试验点，N2处理的氮肥偏生产力为25.19 kg·kg-1，较N1处理提高了5.40 kg·kg-1,N3处理的氮肥偏生产力较N1处理提高了8.07 kg·kg-1。各处理间氮肥偏生产力差异显著。

2.4 冬小麦拨节期每公顷茎蘖数与氮肥偏生产力的关系

冬小麦拔节期每公顷茎蘖数与氮肥偏生产力的关系见图1。在温县(见图1a)和新乡县(见图1b)两个试验点，氮肥偏生产力均与拔节期每公顷茎蘖数呈负相关。说明氮肥减量对氮肥偏生产力的影响可能与避免返青后无效分蘖的大量发生有关。

(a) 温县 (b) 新乡县

图1 冬小麦拔节期每公顷茎蘖数与氮肥偏生产力的关系

2.5 经济效益分析

不同减量施肥模式对冬小麦生产经济效益的影响见表5。在温县试验点，N2处理比N1处理增收614.70 元·hm-2；N3处理比N1处理增收847.48 元·hm-2。在新乡县试验点，N2处理比N1处理增收540.12 元·hm-2,N3处理比N1处理增收176.26 元·hm-2。相对不施肥处理和农户习惯施肥量处理，减量施肥处理在两地均能使经济效益增加。

表5 不同减量施肥模式对冬小麦生产经济效益的影响

3 讨论

3.1 氮肥基肥减量对冬小麦产量的影响及减肥潜力

本文在冬小麦主产区的试验结果表明：高产地块进行减量施肥是可行的，基肥减量是实现减量施肥的有效途径。基肥减量到120 kg·hm-2并不影响冬小麦的产量；基肥减量到90 kg·hm-2，两个试验点中的一个出现减产。因此，豫北地区通过基肥减量的模式实现氮肥减量的适宜幅度可能在20%(质量分数)左右。这一结果与文献[12-13]的报道一致，比文献[5，14]报道的适宜量范围要小，且远小于文献[1,15-16]的减量幅度。出现这种情况可能与试验地采用秸秆还田这一措施有关。豫北地区秸秆禁止焚烧，作物秸秆全量还田。文献[17-18]对水稻等作物的研究也发现，当秸秆全量还田，氮肥减量幅度较大时，会引起减产现象。基肥的施用量需要兼顾冬小麦苗期的养分需求和秸秆腐解对氮的需求。

基肥施用量的选择是小麦季氮肥管理的关键环节。基肥可以有效促进分蘖，形成冬前壮蘖[1,19]。适当减少基肥量，是避免返青后无效分蘖发生的重要手段[5,20-21]。协调冬前分蘖数和返青后无效分蘖间的关系，是黄淮海地区小麦高产、超高产的关键[22-23]。在前茬为玉米的条件下，玉米秸秆还田量很大[24]，当基肥减量幅度较大时，有可能引发秸秆降解过程需氮与小麦苗期需氮间的矛盾。本研究表明：当基肥减量到90 kg·hm-2时，在显著抑制无效分蘖的同时，也导致成穗率下降。因此，保证足够的基肥量可能是维持产量的基础。

3.2 氮肥基肥减量对冬小麦氮肥利用效率的影响

冬小麦地上部氮累积量通常与施氮量密切相关[4]。施氮量越大，地上部氮累积量越高，但在过量施肥的条件下可能并非如此，过量施肥条件下返青后发生的小分蘖并不能存活到收获期，但却挤占有限的养分资源。冬小麦氮肥偏生产力与拔节期茎蘖数间的负相关关系说明了这点。通过减少无效分蘖，避免前期养分过分消耗，可能是减量施肥提高冬小麦氮肥利用效率的一种机制。改善后期氮素供应，能有效改善小麦花后光合效率，促进花前干物质的转运，从而提高穗粒数和千粒质量[25-26]。本文研究发现：在收获期，减量施肥处理的秸秆氮含量要高于农户习惯施肥量处理和无氮肥对照，氮收获指数也要低一些。这说明减量施肥通过减少拔节期茎蘖数，反而改善了冬小麦生长后期的氮营养供应状况。营养状况的改善，有助于产量形成，从而提高氮肥利用效率。

3.3 基肥减量对冬小麦生产经济效益的影响

基肥减量并不会增加施肥作业的用工，对小麦生产经济效益的影响主要体现在两方面：一方面是化肥成本的节约实现收益的增加；另一方面是增产实现的收益增加。本文的试验表明：两种减量幅度在两个试验点都实现了效益的增收，增收幅度为176.26～847.48元·hm-2。考虑到化肥种类繁多，价格差异也很大，这里仅以价格较低的尿素、过磷酸钙、氯化钾的价格为依据进行计算，如以农户习惯使用的各种复合肥作参考，化肥成本的节约会更大。当前，土地流转在豫北地区正在兴起，出现了一大批承包66.67 hm2以上的种粮大户。由于基肥减量技术有显著的经济效益，尽管对小农户的种粮效益影响不大，却会极大地影响种粮大户的收益，这一特点为该技术的推广创造了较好的条件。

4 结束语

与农户习惯施肥量相比，氮肥基肥减量能维持和小幅提高冬小麦产量，但对产量的影响并不显著。基肥减量主要通过提高冬小麦的亩穗数，减少拔节期茎蘖数实现化肥减量不减产的目标。基肥减量能显著提高冬小麦的氮肥偏生产力，增加经济收益。本文研究结果为在豫北冬小麦主产区推行减量施肥技术提供了理论和技术支撑。