玉米小麦周年氮肥运筹对砂浆黑土区小麦干物质及氮素积累分配和产量的影响

吕广德，王瑞霞，牟秋焕，米 勇，亓晓蕾， 李 宁，吴 科，钱兆国

(1.泰安市农业科学研究院，山东泰安 271000；2.泰安市禾元种业科技有限公司，山东泰安 271000)

小麦和玉米是我国重要的粮食作物。我国人多地少，提高粮食单产对保证国家粮食安全有重要作用。全国共计有约370×104hm2砂姜黑土地，主要分布在黄淮海平原地区，具有耕作层浅而疏松、犁底层厚而坚实、容易遭受涝渍和干旱的特点，是我国主要的中产田区。研究发现，施肥量与作物产量显著正相关[1]，因此，农民通过大量增施化肥来追求高产。对2014-2016年我国种植业化肥施用状况调查发现，小麦、玉米的年均化肥施用量分别为300.2 kg·hm-2和325.6 kg·hm-2，但利用率仅为20%～40%[2-3]。玉米、小麦轮作种植是我国黄淮海地区的一种重要的种植制度，在实际生产中，往往只考虑单季作物产量和资源利用率，且有很大的随意性，缺乏周年氮肥统筹管理意识。有资料显示，周年施氮水平对玉米和小麦的产量及产量构成因素有重要影响[4]。在玉米、小麦周年种植过程中很少考虑氮肥的盈余量，与玉米相比，小麦的氮肥利用量较少，但小麦季施氮量高，容易造成氮素损失及环境问题[5]。研究发现，目前农业系统中的氮肥盈余量已经达到175 kg·hm-2[6]。玉米、小麦周年施氮量的提高会导致小麦季氮素利用效率以及氮农学利用效率降低[7]。周年总氮量为0～480 kg·hm-2条件下，随着施氮量的增加，小麦-玉米轮作中每一季作物和周年作物氮肥利用效率均呈降低趋势[8]。因此，提高轮作条件下的氮肥利用效率成为当前研究的热点。前人对砂浆黑土区小麦氮肥研究多集中在当季作物上，有关砂浆黑土区玉米、小麦周年氮肥运筹下小麦的干物质及氮素积累、转运方面的研究鲜有详细报道。为此，本研究拟探究砂浆黑土区玉米、小麦周年氮肥运筹对小麦干物质和氮素积累利用、小麦产量及其构成因素的影响，以期为砂浆黑土区玉米、小麦轮作制度下的氮肥合理运筹提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验设计

试验于2016-2018年玉米-小麦生长季在山东省泰安市农业科学研究院肥城试验基地(35°57′N，116°47′E)进行，试验地土壤类型为砂姜黑土，地力水平为7 500 kg·hm-2以上小麦产量。玉米-小麦周年种植。玉米播种前 0～40 cm 土层土壤养分含量见表1。

供试材料为目前推广面积最大的玉米品种郑单958和泰安市农业科学研究院选育的多穗型小麦品种泰山28。以产量及其构成因素较高为目标，在前期预试验基础上玉米季设置3个施氮量处理为113 kg·hm-2(E1)、181 kg·hm-2(E2)、249 kg·hm-2(E3)，施氮时期为播种期基施和大喇叭口期追施，比例为1∶1；小麦季设置4个氮肥处理分别为90 kg·hm-2(F1)、135 kg·hm-2(F2)、180 kg·hm-2(F3)、225 kg·hm-2(F4)，基肥和追肥比例为1∶1，追肥时期为拔节期，共12个处理。3次重复。玉米种植密度为67 500 株·hm-2，试验小区面积38.4 m2(8 m×4.8 m)。小麦种植密度为225×104株·hm-2，小区面积为12 m2(8 m×1.5 m)。玉米、小麦单季磷肥和钾肥为过磷酸钙(P2O516%)120 kg·hm-2和硫酸钾(K2O 50%)240 kg·hm-2，均作为基肥施入。其他管理措施同一般大田。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 小麦干物质积累及转运相关指标测定

于小麦冬前期和拔节期分别取10棵单株，开花期和成熟期分别连续取30个单茎，所有植株105 ℃杀青1 h，80 ℃烘至恒重后磨碎保存。干物质分配转运计算公式如下[9]：

花前营养物质转运量=开花期营养器官干物质积累量-成熟期营养器官干物质积累量；

花前营养物质转运效率=花前营养物质转运量/开花期营养器官干物质积累量×100%；

花前营养物质对籽粒产量的贡献率=花前营养物质转运量/成熟期籽粒干重×100%

花后干物质积累量=成熟期籽粒干重-花前营养物质转运量；

花后干物质积累量对籽粒产量的贡献率=花后干物质积累量/成熟期籽粒干重×100%。

1.2.2 小麦氮素积累与转运及氮素利用效率相关指标的测定

将1.2.1中的磨碎样品，采用 KDY-9820 凯氏定氮法测定植株氮素含量，氮素分配转运公式如下[10]：

氮素累积量=氮素含量(%)×干物质积累量；

营养器官氮素转运量=开花期营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量；

营养器官氮素转运效率=营养器官氮素转运量/开花期营养器官氮素积累量×100%；

营养器官氮素贡献率=营养器官氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100%；

氮素收获指数(NHI)=籽粒氮素积累量/植株氮素积累量；

氮肥利用效率(NUE)=籽粒产量/施氮量。

1.2.3 籽粒产量及其构成因素测定

在小麦成熟期，每个小区选取1 m2调查穗数；随机取10穗，测穗粒数；脱粒后自然风干至含水量为13.0% 时测定千粒重；各小区全部进行实收计产。

1.3 数据处理

采用 Excel 2017 和 SPSS 20 软件对数据进行统计分析。采用ANOVA和LSD法进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 玉米小麦周年氮肥运筹对小麦各生育阶段干物质积累量的影响

由表2可以看出，随着小麦生育期的推移，小麦干物质积累量呈先增加后降低的趋势，在拔节-开花阶段达到最高，占整个生育期积累量的比例为 48.27%～52.84%。小麦各生育期阶段干物质积累量均在E2F3条件下最高。小麦季施氮量为F1和F2时，随着玉米季施氮量的增加，小麦各生育阶段的干物质积累量呈增加趋势；在小麦季施氮量为F3和F4时，随着玉米季施氮量的增加，小麦各生育阶段的干物质积累量则先增加后降低，在施氮量E2时小麦干物质积累量最高。玉米季施氮量为E1时，随着小麦季施氮量的增加，小麦干物质积累量逐步增加；在玉米季施氮量为E2时，随小麦季施氮量的增加，小麦干物质积累量先增加后降低，在施氮量F3时积累量最高；在玉米季施氮量为E3时，随小麦季施氮量的增加，小麦干物质积累量也呈现先增加后降低的趋势，在施氮量F2时积累量最高。方差分析发现，玉米施氮处理、小麦施氮处理及其两者之间的互作对小麦各生育阶段的干物质积累量均有极显著影响。

表2 玉米小麦周年氮肥运筹对小麦各生育阶段干物质积累的影响Table 2 Effect of annual nitrogen fertilization on dry matter accumulation in wheat

2.2 玉米小麦周年氮肥运筹对小麦营养器官干物质向籽粒转运的影响

表3结果显示，小麦成熟期籽粒干物质积累量在E2F3处理下最大，较籽粒干物质积累量最小值增加 27.24%。在玉米施氮量E1下，随着小麦施氮量的增加，小麦籽粒干物质积累量、花前营养物质转运量和花后干物质积累量均增加，而花前营养物质转运效率和花前营养物质对籽粒干物质的贡献率呈先降低后升高趋势。在施氮量E2和 E3下，随着小麦施氮量的增加，小麦籽粒干物质积累量、花前营养物质转运量和花后干物质积累量先增加后降低，分别在E2F3和E3F2氮肥运筹下达到最高。花前营养物质转运量对籽粒干物质的贡献率为43.10%～45.22%，花后干物质积累量对籽粒干物质的贡献率为54.78%～ 56.92%，表明开花后干物质积累是籽粒干物质的主要来源。方差分析发现，玉米施氮处理、小麦施氮处理及其互作对籽粒干物质积累量、花前营养物质转运量、花后干物质积累量的影响均极显著；小麦施氮处理及其与玉米施氮处理互作对花前营养物质转运效率的影响达极显著水平；小麦施氮处理对花前营养物质转运对籽粒干物质贡献率的影响达显著水平；玉米-小麦周年施氮互作对花前营养物质对籽粒干物质的贡献率的影响达极显著水平；玉米-小麦周年施氮互作对花后干物质积累量对籽粒干物质的贡献率的影响达显著 水平。

2.3 玉米小麦周年氮肥运筹对小麦氮素积累及利用效率的影响

由表4可以看出，随着生育期的推移，小麦各生育阶段的氮素积累量先增加后降低，在拔节到开花阶段积累量最高，变化范围为63.41～ 112.50 kg·hm-2，氮素积累占比也在拔节到开花阶段最高，变化范围为36.85% ～ 43.52%，说明该阶段是小麦氮素积累的最佳时期，可能与该阶段追肥有一定的关系，推测在拔节或起身期追肥可以促进植株对氮素的吸收利用。在玉米季施氮量为E1时，随着小麦施氮量的增加，小麦各生育阶段的氮素积累量增加。在玉米季施氮量为E2时，随着小麦施氮量的增加，小麦各生育阶段氮素积累量先增加后降低，在F3时最高。在玉米季施氮量为E3时，小麦各生育阶段氮素积累量随着小麦施氮量的增加也呈现先增加后降低的趋势，但在F2时最高。总体而言，小麦整个生育期氮素积累在E2F3水平下最高。在F1和F2条件下，随着玉米季施氮量的增加，小麦的氮素积累量增加，但在F3和F4条件下，随着玉米施氮量的增加，小麦氮素积累量先增加后降低。且各生育阶段均呈现这一规律。方差分析发现，玉米施氮处理、小麦施氮处理及其两者之间的互作对小麦各生育阶段的氮素积累量的影响均达极显著水平。

表3 玉米小麦周年氮肥运筹对小麦营养器官干物质向籽粒中转运的影响Table 3 Effect of annual nitrogen application on the translocation of dry matter from vegetative organs to grain in wheat

表4 玉米小麦周年氮肥运筹对小麦氮素积累及利用效率的影响Table 4 Effects of annual nitrogen application on nitrogen accumulation and utilization efficiency of wheat

NAA:N accumulation amount.

2.4 玉米小麦周年氮肥运筹对小麦营养器官氮素向籽粒转运的影响

由表5可以看出，成熟期籽粒氮素积累量变化范围为137.76～184.10 kg·hm-2，最大变幅是33.64%，在E2F3处理下籽粒氮素积累量最高。花前营养器官氮素转运量为113.71～ 144.32 kg·hm-2，对籽粒氮素的贡献率为 78.40%～82.67%，而花后氮素积累量对籽粒氮素的贡献率在17.33%～21.60%之间，表明花前氮素积累量是籽粒氮素的主要来源。在玉米施氮量为E1时，随着小麦施氮量的增加，小麦籽粒氮素积累量、花前营养器官氮素转运量和花后氮素积累量均呈增加的趋势。在玉米施氮量为E2时，小麦籽粒氮素积累量、花前营养器官氮素转运量和花后氮素积累量随着小麦施氮量的增加呈现先增加后降低的趋势，在施氮量F3时最高。而玉米施氮量为E3时，小麦籽粒氮素积累量、花前营养器官氮素转运量和花后氮素积累量在小麦施氮量为F2时最高。E2F3氮素运筹下，花前营养器官氮素对籽粒氮素的贡献率最低，花后氮素积累量对籽粒氮素的贡献率最高。方差分析发现，玉米施氮处理、小麦施氮处理及其两者之间的互作对小麦籽粒氮素积累量、花前营养器官氮素转运量、转运效率及其对籽粒氮素的贡献率、花后氮素积累量及其对籽粒氮素的贡献率的影响均达极显著水平。

2.5 玉米小麦周年氮肥运筹对小麦产量及产量构成因素的影响

从表6中可以看出，玉米小麦周年氮肥运筹下小麦穗粒数、穗数、千粒重及产量均在E2F3处理下最高，其中，产量变化范围为7 589.10～ 9 453.15 kg·hm-2，最大变幅24.56%；穗数变化范围为556.4×104～635.3×104·hm-2；穗粒数变化范围为33.6～39.7粒；千粒重变化范围为 42.29～49.14 g。小麦氮素利用效率在E3F1时最高，两年平均达到91.13 kg·kg-1，在E1F4时最低，为38.00 kg·kg-1。小麦氮素收获指数却在E2F3时最低，为0.71。方差分析发现，玉米施氮处理、小麦施氮处理及其两者之间的互作对小麦籽粒产量及其构成因素和氮肥利用效率、氮肥收获指数的影响均达极显著水平。

表5 玉米小麦周年氮肥运筹对小麦营养器官氮素向籽粒中转运的影响Table 5 Effect of annual nitrogen application on the transport of nitrogen from vegetative organ to grain in wheat

表6 玉米小麦周年氮肥运筹对玉米和小麦产量及产量结构的影响Table 6 Effect of annual nitrogen fertilization on yield and yield components of wheat

3 讨 论

干物质是小麦光合产物的最终形态，在小麦整个生育期的各个阶段，植株光合产能不同，干物质积累量及积累比例也就不同。小麦花后光合同化物的积累及花前营养器官贮存的同化产物向籽粒的转运对小麦籽粒产量的提高起着关键作用[11]。研究表明，氮肥亏缺可能会促进营养器官中的光合产物向籽粒中的转运[12]，而在一定范围内适量增施氮肥可以提高花后干物质积累量及其向籽粒中的转运效率[13]。小麦在施氮量225 kg·hm-2基础上过量减氮(减氮30%)及增氮(增氮20%)均会降低花前干物质转运量和花后干物质积累量及其对籽粒的贡献率[14]。氮肥运筹是影响作物氮素吸收、积累及转运的关键因素，施氮量对玉米小麦周年生产体系中的氮肥利用效率有显著影响[4]。研究表明，增施氮素可以提高小麦植株氮素积累量，但营养器官氮素向籽粒的转运效率降低[15]；在小麦玉米复种中根据作物需氮规律进行施肥可以提高肥料利用率，节约氮肥达到近30%[16-17]。本研究结果表明，在玉米季施氮181 kg·hm-2和小麦季施氮180 kg·hm-2的氮肥组合能满足小麦高产所需的氮素营养，小麦干物质积累量及氮素积累量均在该氮肥组合处理下最高，且干物质和氮素向籽粒的转运量最高。本研究适宜施氮量略低于前人关于该区适宜氮肥用量的报道[18]，原因可能与播种时期、氮肥种类、小麦品种以及氮肥运筹方式不同有关。

施氮量和作物籽粒产量为二次曲线关系，施入氮肥量超过某一数值后继续增施氮量可能导致投入产出率急速降低，但由于生长环境不一致，作物品种之间存有差异，导致最佳产量时施氮量的多少不同[19]。有研究表明，在玉米小麦周年生产中，玉米季施氮189 kg·hm-2，小麦季施氮231 kg·hm-2，能够获得最高产量[20]。也有研究发现，每季作物氮素施用量均为200 kg·hm-2时可以获得最高产量，但若继续增施氮肥，作物产量不会增加[21]。本研究结果表明，黄淮海地区的砂浆黑土区夏玉米季施氮181 kg·hm-2，冬小麦季施氮180 kg·hm-2能获得小麦最大产量，两年平均为9 453.15 kg·hm-2，且产量构成三因素均在该施氮条件下达到最高。随着现代科技进步及新型农业生产发展, 夏玉米和冬小麦轻简化以及机械化施肥技术将会得到快速推广与应用[22]。本研究中施肥模式亦满足于机械化及快捷化施肥的需求。同时，将本试验结果与鲁中地区中高产田作物产量及地力性状相结合, 研制适合于区域特性的玉-麦轮作下作物施肥配方, 这对小麦绿色、高产高效施肥技术创建及普及推广具有重要意义和发展前景。