施氮与耕作方式对冬小麦产量和氮肥效率的影响

常凤，李岚涛，陶静静，张倩，苗玉红，谭金芳，王宜伦

(河南农业大学资源与环境学院,河南 郑州 450002)

小麦是中国主要粮食作物之一，对提高粮食产量、保障粮食安全具有重要意义。中国面临巨大的人口与资源压力，在追求粮食高产的同时，要注意绿色环保、节能降本与高产高效等方面[1-2]。然而，生产实际中，农民为使作物持续增产，肥料过量投入已是不争事实，且已远超作物经济最佳施肥量，在增加劳动成本的同时，还造成资源浪费与环境污染等系列问题[3]。因此，减少氮素损失，提高氮肥利用率，实现小麦高产、优质、高效成为当下农业生产的重大挑战。

河南省是中国重要的粮食大省，也是典型的一年两熟制区域，冬小麦-夏玉米轮作为该省主要种植模式。随着农村城镇化步伐加快，农村机械化程度迅速提高。由于旋耕方式整地简单方便，即用旋耕机旋耕2遍(深约15 cm)，小麦生产中农民广泛采用旋耕方式。研究表明,旋耕能够增加土壤贮水量，提高作物水分利用效率和产量[4]。但也有研究指出，旋耕处理小麦水分利用效率和产量均较翻耕降低，不利于水分的高效利用[5]，且长期旋耕容易导致土壤容重增大，影响作物根系对土壤养分和水分的吸收。而翻耕是采用铧式犁耕翻(深约30 cm)之后，再用旋耕机旋耕1遍(深约15 cm)，可以有效打破犁底层，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤渗水速度，缩小上下土层肥力水平的差异[2]。耕作措施是影响冬小麦群体结构与产量构成的重要因素，适宜的耕作措施可以改善土壤的水肥气热，促进作物生长发育，提高产量、水分利用效率[6]、叶绿素含量[7]和光合速率[8]。氮素是影响作物产量和品质的重要因素，合理的氮素运筹能有效培肥土壤[9]，维持土壤氮素平衡[10]，促进作物优质、高产[11]。通过优化耕作方式、施肥制度、水肥一体化等技术，可以提高作物养分利用。因此，明确不同耕作和施氮方式对小麦生产具有非常重要的现实意义。对不同耕作方式[12]或不同施肥方式[13-14]单方面作用下有关作物耗水特性、生长发育、产量及土壤构造和养分含量等方面的研究较多，但在该地区不同耕作方式与施氮方式相结合的综合调控措施下对冬小麦生理特性、产量和养分吸收利用的影响鲜见报道。本试验以许昌潮土区为代表，主要研究了不同耕作方式下施氮对冬小麦产量、养分吸收利用、硝酸还原酶活性及叶绿素含量等的影响，旨在明确该地区适宜的耕作方式与施氮方式的组合，为冬小麦科学种植提供理论与技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在河南农业大学许昌校区试验站(34°8′17″ N，113°48′19″ E)进行。许昌市属暖温带半湿润季风气候，热量资源丰富，雨量较多，光照充足，无霜期长。春季干旱多风沙；夏季炎热雨集中；秋季晴和气爽日照长；冬季寒冷少雨雪。试验地前茬为玉米，玉米收获后全部秸秆还田，土壤类型为潮土，质地为黏壤，地势平坦。小麦播种前按照“S型”标准取样方法于试验田块采集有代表性0～30 cm耕层土样20处，风干、磨细、过筛，测定耕层土壤基础理化性状[16]分别为：pH值7.36，有机质含量20.63 g·kg-1，碱解氮含量97.98 mg·kg-1，速效磷含量23.78 mg·kg-1，速效钾含量160.20 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，主区设置2种耕作方式：翻耕和旋耕。翻耕是采用铧式犁耕翻(深30 cm)之后，再用旋耕机旋耕1遍(深15 cm)。旋耕即旋耕机旋耕1遍(深15 cm)。副区设置4种施氮方式即N0:不施氮肥；N1:一次性施氮210 kg·hm-2(60%控释尿素+40%普通尿素)；N2:普通尿素210 kg·hm-2(50%基肥+50%拔节肥)；N3:普通尿素270 kg·hm-2(50%基肥+50%拔节肥)。共8个处理，3次重复，小区面积32 m2。供试小麦品种为矮抗58，播种量为195 kg·hm-2。除氮肥按试验设计施肥外，磷(P2O5)肥、钾(K2O)肥均按90 kg·hm-2以基肥方式于小麦播种前一次性施入。氮肥类型为控释尿素(含氮量44%)和尿素(含氮量46%)，磷肥为重过磷酸钙(P2O5含量为46%)，钾肥为氯化钾(K2O含量为60%)。2015-10-07进行翻耕和旋耕整地，次日进行小麦播种，2016-06-09收获。灌溉、除草等其他田间管理措施同当地农民的技术一致。

1.3 样品的采集与分析

分别于冬小麦拔节期和扬花期选取各小区有代表性小麦30株，采用日本Minolta公司生产的SPAD-502型叶绿素仪测定旗叶SPAD值。测试时，各叶片分别从叶片基部开始按叶片长度每1/3将其分为基部、中部和顶部3部分，测其SPAD值，同一小区测定结果取平均值。在上述叶片SPAD值测定基础上，30个叶片中选取10片，采用活体法测定其硝酸还原酶活性[15]。

冬小麦成熟期随机抽取各试验小区有代表性小麦植株带回实验室。放入鼓风烘箱中在105 ℃条件下杀青30 min，65 ℃烘干，称其质量，用微型粉碎机粉碎后过0.5 mm筛，浓硫酸-双氧水法消煮、AA3流动注射分析仪(德国SEAL)测定植株和子粒中的氮含量，钼锑抗比色法测定植株和子粒中的磷含量，火焰光度计法测定植株和子粒中的钾含量[16]。于各小区测产区随机选取2个0.3 m2小麦样方，调查小麦穗数和穗粒数，测定千粒质量。此后，随机选取2个1 m2样方，脱粒，称其质量用于计产，小区产量以含水量14%折算每公顷产量。

1.4 相关指标计算

养分积累量/(kg·hm-2)=植株干质量(kg·hm-2)×植株养分含量/(g·kg-1)/1 000。

氮肥利用率/%=(施氮区植株氮素积累量-对照区植株氮素积累量)/施氮量×100%。

氮收获指数/%=子粒氮素积累量/植株氮素积累量×100%。

氮肥生理利用率/(kg·kg-1)=(施氮区产量-对照区产量)/(施氮区植株氮素积累量-对照区植株氮素积累量)。

氮表观盈余量/(kg·hm-2)=养分投入量-作物携出量。

2 结果与分析

2.1 不同处理对冬小麦SPAD值的影响

由表1可知，翻耕和旋耕冬小麦SPAD值施氮较不施氮拔节期分别提高了9.07%～16.10%和8.36%～10.63%，扬花期分别提高了9.99%～11.33%和10.08%～11.77%。N1，N2和N3拔节期翻耕较旋耕分别提高了4.99%，0.35%和3.95%。扬花期，N1和N3旋耕较翻耕分别提高了0.96%和0.44%，N2翻耕较旋耕提高了1.28%。翻耕条件下，拔节期N1处理SPAD值最高，较N2显著增加了6.44%；扬花期N2较N1和N3分别提高了1.22%和0.19%，但差异不显著。旋耕条件下，拔节期和扬花期冬小麦SPAD值各施氮处理间差异均不显著。说明在拔节期和扬花期冬小麦的SPAD值均在翻耕条件下一次性施氮210 kg·hm-2(60%控释尿素+40%普通尿素)即能达到较高值。

表1 不同处理对冬小麦SPAD值的影响Table 1 Effects of different treatments on SPAD in leaves of winter wheat

2.2 不同处理对冬小麦硝酸还原酶活性的影响

由表2可知，翻耕和旋耕冬小麦硝酸还原酶活性施氮较不施氮拔节期分别提高了11.60%～13.70%和10.02%～12.34%，扬花期分别提高了33.33%～41.92%和37.47%～43.45%。同一施氮方式下，拔节期冬小麦硝酸还原酶活性翻耕较旋耕提高了0.96%～3.18%，扬花期提高了1.53%～7.40%。拔节期，翻耕和旋耕下N3冬小麦硝酸还原酶活性均最高，但各施氮处理间硝酸还原酶活性差异不显著。扬花期，翻耕方式下，N3较N1和N2分别提高了6.44%和5.09%；旋耕方式下，N1较N2提高了2.60%。因此，翻耕较旋耕更有利于提高冬小麦关键生育时期的叶片硝酸还原酶活性，促进氮素的吸收，进而实现增产，一次性施氮210 kg·hm-2(60%控释尿素+40%普通尿素)硝酸还原酶活性即能达到较高水平。

表2 不同处理对冬小麦硝酸还原酶活性的影响Table 2 Effects of different treatments on nitrate reductase activity in leaves of winter wheat μg·g-1·h-1

2.3 不同处理对冬小麦产量及其构成要素的影响

由表3可知，同一施氮方式下翻耕产量均较旋耕有所增加，其中N3条件下，翻耕较旋耕显著增产8.99%；翻耕条件下,施氮较不施氮显著增产16.55%～21.29%，旋耕条件下施氮较不施氮显著增产13.60%～18.91%。翻耕条件下，冬小麦产量表现为N3>N2>N1，差异不显著；旋耕条件下，N2较N1，N3分别提高0.68%，4.68%。同一施氮方式下，冬小麦穗数和穗粒数翻耕较旋耕分别显著增加3.01%～12.41%和增加0.43%～2.55%。翻耕和旋耕条件下，施氮较不施氮处理穗数分别显著增加16.20%～21.51%和11.08%～15.32%，穗粒数分别显著增加6.93%～10.80%和8.37%～11.66%，千粒质量分别显著增加5.98%～12.45%和9.57%～11.17%。同一耕作方式下，N3的小麦穗数和穗粒数均最高，但各施氮处理间差异不显著；翻耕条件下N1千粒质量最大，旋耕条件下N3最大，其次是N1，但各施氮处理间差异不显著。因此，翻耕较旋耕更有利于协同提高冬小麦穗数，穗粒数和千粒质量，从而实现增产，且一次性施氮210 kg·hm-2(60%控释尿素+40%普通尿素)即能达到较高产量。

表3 不同处理对冬小麦产量及其构成要素的影响Table 3 Effect of different treatments on yield and its components of winter wheat

2.4 不同处理对冬小麦地上部养分积累量的影响

由表4可知，同一施氮方式下，冬小麦翻耕氮、磷、钾积累量均高于旋耕，且均为N3最高，N3处理冬小麦氮和磷积累量翻耕较旋耕分别显著增加12.09%和43.48%，钾积累量增加8.93%。翻耕和旋耕条件下施氮较不施氮处理氮积累量分别显著提高35.90%～59.57%和39.59%～57.58%，磷积累量分别显著提高58.96%～98.18%和25.61%～47.88%，钾积累量分别显著提高33.82%～45.62%和27.74%～40.00%。翻耕条件下，N3氮和磷积累量较N1,N2分别显著增加了17.42%,9.72%和24.67%,20.41%，N1和N2差异不显著；钾积累量较N1和N2分别增加8.82%和7.96%，各施氮处理间差异不显著；旋耕条件下，N2和N3氮积累量较N1分别显著增加了12.89%和11.81%，磷积累量N2较N1显著增加了17.73%，N1,N2和N3处理间钾积累量差异不显著。说明翻耕较旋耕更有利于冬小麦地上部养分的吸收积累，且一次性施氮210 kg·hm-2(60%控释尿素+40%普通尿素)即能达到较高地上部养分积累量。

表4 不同处理对冬小麦地上部养分积累量的影响Table 4 Effect of different treatments on aboveground nutrients accumulation of winter wheat kg·hm-2

2.5 不同处理对冬小麦氮肥效率的影响

由表5可以看出，同一施氮方式下，冬小麦氮收获指数和氮肥生理利用率翻耕较旋耕分别增加0.57%～6.64%和2.96%～38.86%。翻耕和旋耕N1冬小麦氮收获指数和氮肥生理利用率均高于其他施氮处理。旋耕条件下，N2冬小麦氮肥利用率最高，较N1显著增加9.29%，较N3增加7.21%，较翻耕N2增加4.01%。翻耕条件下，各施氮处理间氮肥利用率差异不显著。翻耕和旋耕下，冬小麦氮素表观盈余量均表现为N3>N2。说明施高量氮肥处理氮表观盈余量显著高于低量氮肥处理，既造成了大量氮肥的无效投入，又增加了硝态氮淋洗对地下水污染的风险；N1与N2比较，氮表现盈余量分别增加11.34和19.52 kg·hm-2。说明施等量氮肥的情况下，配施控释尿素可增加土壤氮的盈余，减少氮的无效损失。综合冬小麦氮收获指数、氮肥生理利用率和氮表观盈余量考虑，翻耕一次性施氮210 kg·hm-2(60%控释尿素+40%普通尿素)效果较好。

表5 不同处理对氮肥利用效率的影响Table 5 Effect of different treatments on nitrogen use efficiency of winter wheat

3 讨论与结论

合理施氮可以提高作物干物质累积，是实现小麦高产优质高效的重要措施。控释尿素能够控制养分释放期，具有肥效期长、供肥稳定等特点[17]。与普通尿素配合施用能满足冬小麦氮素需求，对冬小麦产量有显著影响[18]。耕作方式是影响土壤理化性质的重要因素之一，通过改变土壤性状调节土壤水肥气热，从而改变作物根系的生长环境，对作物产量有较大影响[12]。何建宁等[19]研究表明，翻耕处理较旋耕提高了小麦旗叶光合能力，有利于灌浆中后期碳水化合物的合成，提高千粒质量。本试验结果表明，翻耕较旋耕增加了冬小麦拔节期旗叶SPAD值，翻耕条件下，一次性施氮210 kg·hm-2(60%控释尿素+40%普通尿素)和普通尿素270 kg·hm-2(50%基肥+50%拔节肥)处理旗叶SPAD值均显著高于旋耕。这与孙铭泽等[20]研究结果一致。说明翻耕提高了冬小麦旗叶SPAD值，使冬小麦旗叶保持较高的光合能力，从而实现增产。

土壤中的硝酸盐在小麦植株体内经硝酸还原酶作用合成各种含氮物质，硝酸还原酶活性高低直接影响土壤中无机氮的利用率，从而影响冬小麦子粒产量和植株对氮素的利用程度[21]。李东方等[22]研究表明，施氮能明显增加冬小麦叶片硝酸还原酶活性。马林等[23]认为，耕作方式对冬小麦旗叶硝酸还原酶活性的提高有显著差异。本试验表明，拔节期和扬花期翻耕处理冬小麦硝酸还原酶活性均较旋耕增加，翻耕和旋耕处理下施氮均显著提高了冬小麦硝酸还原酶活性，但各施氮处理间差异不显著。表明适量施氮能够提高冬小麦硝酸还原酶活性，促进植株对氮素的吸收。但超过一定量后对硝酸还原酶活性影响不大[24]。

庞党伟等[25]认为，冬小麦连续旋耕会造成冬小麦减产，而旋耕后适时深耕比连续旋耕平均增加有效穗数14.5%，增加穗粒数5.7%，产量平均提高7.6%。张向前等[8]研究表明，旋耕冬小麦子粒产量和收获指数均较翻耕高。本研究表明，相同氮肥运筹下翻耕处理均较旋耕表现出增产效应，冬小麦穗数、穗粒数和氮磷钾积累量均高于旋耕。其主要原因是冬小麦生育期光合性能对干物质积累和转运具有重要作用[26]，而拔节期叶片SPAD值与全氮含量和子粒产量均呈正相关性[27]，翻耕条件下通过改变土壤环境影响作物旗叶叶绿素含量和光合特性，增加作物干物质积累，进而提高小麦产量[28]。本研究中，同一耕作方式下施氮均使冬小麦显著增产，且各施氮处理间产量差异不显著。施氮增产的主要原因是促进植株生长发育，增加花前干物质积累和花后干物质转运，提高穗粒数、粒质量和有效穗数，但氮肥并不是越多越好[29]，且控释氮肥与普通尿素一次性配施较普通尿素拔节期追肥提高作物产量[30]。

本研究结果表明，翻耕处理冬小麦氮收获指数和氮肥生理利用率较旋耕分别增加0.57%～6.64%和2.96%～38.86%。同一施氮方式下翻耕处理冬小麦氮肥利用率却略低于旋耕，差异不显著；而同一耕作方式下相比，翻耕处理方式下各施氮处理间差异不显著，旋耕处理下氮肥利用率N2>N3，且较N1显著增加9.29%。这与SOON等[31]研究认为的耕作方式对氮素吸收利用的影响较小的结论基本一致。不同耕作方式下施氮对土壤养分和作物产量的影响规律与试验地土壤质地及实施年限关系很大。另外，前茬作物的施氮方式和耕作方式对后季作物也会存在一定影响，并且各耕作方式的效果在不同年际间也存在差异。实际生产中，应综合各因素考虑，因地制宜选择适合当地的最优耕作和施氮方式。

综合冬小麦产量、养分积累量、氮收获指数等各因素考虑，冬小麦翻耕条件下一次性施氮210 kg·hm-2(60%控释尿素+40%普通尿素) 氮收获指数和氮肥生理利用率最高，产量和养分积累量均较高，为豫中地区冬小麦生产适宜的耕作及施氮方式。