氮素精准管理对小麦产量和氮素利用的影响

李升东，毕香君，韩 伟，王宗帅，冯 波，王法宏，司纪升，石军萍

(1.山东省农科院作物研究所，山东济南 250100； 2.山东省农业技术推广总站，山东济南 250100)

工业氮肥投入是农业生产中保障作物高产的重要手段，近年来随着氮肥的规模化施用，小麦产量水平得到显著提高[1]，但随着氮肥施用量的持续增加，其边缘效应也日益显现[2-3]。研究表明，中国小麦主产区黄淮海麦区农户冬小麦生长季的氮肥施用量普遍在300 kg·hm-2以上，而当季氮肥利用率仅为30%～45%[4-5]，大量无效的氮素投入不仅增加了农民的粮食生产成本，而且造成环境的持续承压，形成了农户频繁地大量施肥以维持产量但养分利用率却降低的恶性循环[6]。过量施用氮素不但不利于小麦产量潜力的发挥，还极易造成田间小气候的恶化，加剧植株病虫害的发生，同时还造成严重的土壤酸化以及地下水和空气等的污染[7-8]。因此，如何打破这种恶性循环，实现节氮增产已成为当前农业科研工作者的主要研究方向[9]。在保持小麦较高产量水平下研究如何减少氮肥的施用量，实现氮素化肥的精准高效利用，对保障粮食可持续生产和环境安全具有重要意义。张福锁等[2]研究表明，过量施用氮肥是造成小麦产量在低水平徘徊的主要原因，采用3R(reduce、reuse、recycle)技术能有效降低氮肥用量。赵荣芳等[10]研究表明，通过检测土壤硝态氮含量进行氮素优化管理能显著提高氮肥利用效率及小麦产量。巨晓棠等[6,11]研究表明，提高小麦氮肥利用效率的关键在于保持土壤氮和外源氮的平衡，而外源氮的投入又能起到平衡土壤氮库的作用。另外，优化肥料施氮量能显著降低玉米-小麦轮作的N2O排放量，降低土壤和空气污染[12]。因此，探索操作简便、准确可靠的麦田施肥方法是当前小麦生产中亟需完成的工作。黄淮海麦区冬小麦一般于10月上旬播种，生长期较长，播种至成熟大约要经历230 d，冬小麦整个生育期的需肥阶段可分为播种-返青、返青-抽穗、抽穗-成熟3个阶段，这3个阶段小麦吸收的氮素分别约占总量的12.4%～20.7%、36.1%～55.2%和26.1%～40.2%[13-14]。以此为基础，本研究将冬小麦不同生育阶段的氮肥需求规律作为氮肥精准管理的科学依据进而指导小麦的田间施氮管理。基于此，本研究选择山东省泰安市和德州市的2个小麦高产试验田，设置了氮肥精准管理和传统农户施肥2个处理，研究其对小麦叶面积指数、叶片叶绿素含量、产量和氮素利用等的影响，以期在为小麦生产中氮肥优化管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017-2018和2018-2019年在山东省泰安市岱岳区马庄乡和德州市德州农业科学院试验田进行，两地均属温带大陆性季风气候，雨热同季，典型的棕壤高产田，有灌溉条件，种植模式为小麦/玉米周年轮作。两地麦田播前土壤基础肥力状况见表1。

表1 试验田基础肥力状况

1.2 试验设计

两地均设传统农户施肥(farmer traditional management of nitrogen,FN)和氮肥精准管理(precision management of nitrogen fertilizer,PN)2个处理，4次重复，采用随机区组排列；另外，设1个空白对照(CK)，不设重复，空白对照只作产量参考对照，只计算空白籽粒产量。小区面积均为60 m2(20 m×3 m)。整个生育期各处理的灌溉和病虫害防治均按照当地农户习惯进行。

供试品种：2017-2018年泰安所用供试小麦品种为山农20，德州所用供试小麦品种为济麦22；2018-2019年两地所用供试小麦品种均为济麦44。所选品种均为当地大面积种植品种。

供试肥料：氮肥为尿素(N含量46.0%)，磷肥为过磷酸钙(P2O5含量18.0%)，钾肥为氯化钾(K2O含量60.0%)。

FN处理的施肥量与施肥方式：泰安和德州两地近3年的年平均施肥量为参考施肥量，其中施纯氮232.0 kg·hm-2、P2O5112.5 kg·hm-2和K2O 112.5 kg·hm-2。施肥方式与当地农户施肥习惯一致，氮、磷、钾肥均在播种整地时作为基肥一次性施入。

PN处理的施肥量与施肥方式：综合前人研究结果，将小麦全生育期不同生长发育阶段的氮素吸收规律与小麦目标产量结合分析，去除0～30 cm土壤硝态氮含量后，分别计算播种-返青、返青-抽穗、抽穗-成熟3个阶段的氮肥施用量。根据前人在黄淮海麦区公开发表的论文计算各阶段的氮肥利用系数，分别为1.4、1.6和1.2[15-16]。不同生育阶段氮肥施用量计算公式为：NAAi=(ANUi-NCSi)×a，其中NAA为施氮量，ANU为地上部吸氮量，NCS为0～30 cm土壤硝态氮含量，a为氮肥利用系数，i为生育阶段。本研究中小麦的预期目标产量为9 750 kg·hm-2，按前人研究预估地上部氮素吸收总量为230 kg·hm-2，根据不同生育阶段氮肥施用量计算公式分别计算泰安和德州两地冬小麦在3个需肥阶段的氮肥施用量，结果见表2。氮肥的施用分为基肥和追肥，播种-返青阶段的氮肥以基肥固态形式施入，返青-抽穗和抽穗-成熟2个阶段则通过试验田的水肥一体化设施滴灌施入。磷肥和钾肥作为基肥在播前施入，其用量和施用方式均参照传统农户施肥习惯进行。

表2 氮肥精准管理试验中氮肥的施用量

CK处理的施肥量与施肥方式：不施氮肥，磷肥和钾肥在耕翻土地时作为基肥一次性施入，其用量与传统农户施肥中的一致。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 叶面积指数(LAI)的测定

分别于返青期(3月15日)、拔节期(3月21日)、抽穗期(4月26日)和灌浆中期(5月7日)随机选取3个点，各点任选一行取20 cm范围内长势相对一致、具有代表性的小麦植株，带回实验室后用打孔称重法计算LAI[8]。

1.3.2 旗叶叶绿素相对含量(SPAD)的测定

采用日本美能达SPAD-502PLUS叶绿素测定仪分别于返青期(3月15日)、拔节期(3月21日)、抽穗期(4月26日)和灌浆中期(5月7日)的9:00-11:00测定小麦植株旗叶的SPAD，各处理均选择有代表性的小麦旗叶。以20片叶片SPAD值的均值作为该处理的SPAD值。

1.3.3 植株干物质量和氮积累量的测定

在小麦成熟期，各选取20株FN和PN处理具有代表性的单株，将其分为茎秆、叶片、穗轴、颖壳和籽粒5部分，于105 ℃杀青30 min，然后 75 ℃烘干至恒重，测定干物质量。

测定干物质量后将各部分样品粉碎，采用鲁如坤[8]的方法测定植株氮含量、籽粒氮积累量和植株氮积累量。

1.3.4 产量的测定

小麦成熟期在各小区分别取1 m2代表性样点测定单位面积穗数，并取20株有代表性的植株进行室内考种，记录穗粒数，同时从测产籽粒中随机取1000粒测定千粒重。每小区均设3次重复。按照籽粒含水率13%折算产量和千粒重。

1.3.5 土壤无机氮积累量

小麦播种前分别取FN和PN处理0～30 cm土层土样，每小区随机取3点。土样放入冰盒，过2 mm筛后，称取10 g土壤样品，加入KCl溶液 (土液比1∶5) 振荡浸提，采用流动注射分析仪测定硝态氮含量，结合土壤容重(环刀法测定)计算播前土壤硝态氮含量。小麦收获后分别取FN和PN处理0～160 cm(每20 cm为一层)土层土样，同样方法测量土壤硝态氮含量。

1.4 数据统计分析

籽粒氮积累量=籽粒氮含量×籽粒干重

植株氮积累量=植株氮含量×植株干重

氮素吸收效率=植物氮积累量/(施氮量+播前土壤无机氮积累量-收获后土壤无机氮积累量)×100%

氮收获指数=籽粒氮积累量/植株氮积累量×100%

氮肥偏生产力=施氮处理籽粒产量/施氮量

氮肥农学利用率=(施氮处理籽粒产量-空白处理籽粒产量)/施氮量×100%

氮肥表观利用率=(施氮处理植株氮积累量-空白对照植株氮积累量)/施氮量×100%

土壤氮素盈余量=(播前土壤无机氮积累量+施氮量)-(收获后土壤无机氮积累量+植株氮积累量)[7,16]

空白处理籽粒产量(Y0)由空白对照收获测产获得。

采用Microsoft Excel和SAS 8.2软件分析统计数据，显著性测验在0.05水平进行。

2 结果与分析

2.1 氮肥精准管理对小麦叶面积指数的影响

FN和PN处理对小麦返青期的叶面积指数无明显影响；从拔节期开始2个处理间出现差异，其中2017-2018年泰安以及2018-2019年德州拔节期PN处理的叶面积指数较FN处理分别显著增加了12.7%和9.5%；抽穗期冬小麦的叶面积指数达到最大值，抽穗器和灌浆期2个处理间的叶面积指数均呈显著性差异，且PN处理较FN处理分别增加了 7.1%～13.8%和12.0%～ 26.2%(表3)。本研究中PN处理氮肥分3次施入且施氮总量低于传统农户施肥，说明在适量合理减氮范围内施氮次数的增加对小麦生育后期叶面积指数有明显的促进作用。

表3 两种处理下不同生育时期小麦的叶面积指数

2.2 氮肥精准管理对小麦旗叶SPAD值影响

由表4可知，PN处理能显著提高小麦抽穗期和灌浆中期旗叶的SPAD值。在返青期，FN处理小麦旗叶的SPAD值高于PN，这是因为返青期的小麦植株尚处于苗期，根系吸收和利用氮素的能力均较弱，氮素向叶片转化能力较差。在拔节期，PN处理的SPAD值开始高于FN。在抽穗期，PN处理小麦旗叶的SPAD值较FN提高了9.6%～10.8%，平均提高了10.2%，至灌浆中期较FN提高了5.7%～ 8.5%，平均提高6.8%，差异均达到显著水平。可见，PN处理能够促进小麦生育后期氮素向叶片转化，而FN处理施氮量虽然大，但施氮时期与冬小麦各生育期氮肥需求规律不匹配，反而出现小麦生长后期脱氮的 现象。

表4 两种处理下不同生育时期小麦旗叶的SPAD值

2.3 氮肥精准管理对小麦产量及其构成因素的影响

PN处理能够增加冬小麦的籽粒产量(表5)。与FN处理相比，PN处理小麦的籽粒产量提高了7.9%～11.6%，平均提高了9.9%。比较作物产量构成三要素发现，PN处理主要通过提高冬小麦的千粒重(8.4%～ 11.2%)来实现籽粒产量的增加，而PN处理对冬小麦的穗数和穗粒数并无显著性影响。可见，PN处理能充分发挥小麦生育后期的光合潜力，主要通过提高籽粒的千粒重来增加籽粒产量。

表5 两种处理下小麦的籽粒产量及其构成要素

2.4 氮肥精准管理对小麦氮素利用效率的影响

与FN处理比较，PN处理在降低施氮量的同时能使冬小麦籽粒氮含量显著提高9.4%～ 41.5%，平均提高了23.3%；使籽粒氮素吸收效率提高43.4%～63.3%，平均提高了55.0%；使氮收获指数提高2.8%～7.0%，平均提高了 5.5%(表6)。所以，氮肥精准管理能够在降低氮肥投入量的同时提高小麦的氮素吸收利用效率。

表6 两种处理的施氮量以及小麦的籽粒氮含量、氮素吸收效率和氮收获指数

由表7可知，与FN处理比较，PN处理土壤的氮肥偏生产力提高了84.0%～ 103.2%，平均提高了81.9%.%；氮肥农学效率提升了50.6%～81.3%，平均提升了61.7%；氮肥表观利用效率提升了30.8%～68.7%，平均提升了 44.6%；土壤氮素盈余量降低了25.0%～31.6%，平均降低了28.2%。所以，FN处理能在降低氮肥投入量的同时通过优化氮肥利用，显著提高小麦的氮素吸收利用效率，降低土壤氮素沉积和土壤氮素盈余，减少土壤无机氮残留。

表7 两种处理对小麦氮素利用效率的影响

3 讨 论

调查表明，黄淮海麦区冬小麦季的氮肥施用量为143～325 kg·hm-2，平均高达277 kg·hm-2[19]，过量施氮与小麦生育后期脱氮的矛盾长期并存，每年在小麦季浪费的氮肥高达 40×104t以上[20]。因此如何降低氮肥用量并保障小麦的氮素需求是中国小麦生产中面临的一个突出问题。本研究发现，与传统农户施肥量相比，氮肥精准管理能在降低氮肥总用量的前提下，明显促进冬小麦生育中后期叶面积指数和叶绿素相对含量的增加，提高冬小麦的千粒重，从而增加籽粒产量，实现减氮增产的协同目标。前人研究指出，成熟期小麦植株对基肥的利用率仅为 28.50%～42.27%，对追肥的利用率为 39.67%～49.83%，说明小麦植株对追肥氮的利用率显著大于对底肥氮的利用率，在生产上适当减少基肥氮的比例，增加追肥氮的比例，有利于提高氮肥利用效率[17]。闻 磊等[18]研究报道，习惯施氮处理由于氮素过量、过早施用，增加了0～40 cm土壤无机氮素积累和作物地上部的氮素吸收，但并没有增加籽粒产量和氮肥利用率，反而造成较高的土壤无机氮残留和氮素表观损失，这与本研究得出的结论基本一致。传统农户施肥管理往往只注重基肥，将50%～70%的氮素作为基肥在播种时施入，有些地方甚至将100%氮素作基肥施入，而此时小麦处于苗期，根系吸收能力和氮素利用能力均较弱，投入农田的大量氮素并不能被植株实时吸收利用，导致氮肥利用率不高。另外，播种时施用的大量氮肥，除一部分被植物吸收外，另外相当可观的部分残留在土壤中，施入的氮素越多，流失到环境中的氮素也越多，从而造成土壤酸化、地下水硝态氮超标等一系列环境污染[21-22]。

前人研究表明，如何发挥土壤基础氮库的作用是进一步提升氮素利用效率和小麦产量的关键[23-24]。本研究中的氮肥精准管理将小麦的生长发育阶段与其氮肥需求特征相结合匹配，并以此为基础得出小麦季氮肥的合理施用量应为128～162 kg·hm-2，比传统农户生产氮肥投入量减少了30.2%～44.8%；氮肥精准管理的氮肥农学利用效率由传统农户施肥的5.14 kg·kg-1提高到8.26 kg·kg-1，增加了61%；另外，氮肥精准管理在提升氮肥农学利用效率的同时，使土壤氮素盈余量降低了25.0%～31.6%，减少了土壤氮素残留；与传统农户施肥相比，氮肥精准管理的籽粒产量增加了7.9%～11.6%，实现了减氮增产的协同目标。本研究发现，根据小麦需氮规律而实施的氮肥精准管理不仅减少了氮素基肥的投入，而且通过适时适量地追施氮素，优化氮素的基追肥比，改变传统的一次性基肥投入为3次精准施肥投入，既保证了小麦生育后期对氮素的需求，有效地缓解了小麦生育后期的脱氮状况，也充分发挥了土壤的氮库作用，使作物生长阶段的氮素需求得到了较为科学的精准匹配，显著提高了氮肥的吸收利用效率，从而实现了小麦减氮增产的协同目标。因此，基于小麦需肥特征建立的氮肥精准管理措施能够实现氮素高效利用和小麦经济产量协同提高的目标。