不同氮肥增效剂和水氮用量对冬小麦产量的影响

胡田田 崔晓路 李梦月 陆军胜 罗利华 陈绍民

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室， 陕西杨凌 712100)

0 引言

氮肥投入是影响小麦产量稳定性的主导因素之一，目前农户已普遍形成了“要高产就必须多施肥”的施肥习惯[1]。然而，作物产量并不随施氮量的增加而持续增加，并且过量施氮还会导致氮肥利用率和增产效应降低、氮素损失量增加、土壤酸化加剧，氮肥在土壤中的残留将导致环境污染等一系列问题[2-4]。为此，研究人员提出了许多减氮措施，其中添加氮肥增效剂就是方法之一[5-6]。氮肥增效剂能够对尿素的水解及硝化、土壤硝态氮的反硝化作用等进行抑制和调控，添加氮肥增效剂能在一定程度上减少氮肥损失、提高氮肥利用效率，同时还可减少施肥次数、降低成本[7-9]，在提高作物产量及保护环境等方面起到了积极的作用[10]。

目前，常用的氮肥增效剂主要包括脲酶抑制剂、硝化抑制剂、铵稳定剂和双效抑制剂等[11]。脲酶抑制剂通过抑制脲酶的活性减缓尿素的水解，从而使尿素更好地被作物利用[12]。双效抑制剂是脲酶抑制剂与硝化抑制剂的配合施用，不仅能延缓尿素的水解，还能在一定程度上抑制尿素水解后的硝化过程[9]。研究表明，脲酶抑制剂和硝化抑制剂的持续时间和抑制效果受土壤水分含量、土壤pH值以及灌水量和施氮量等因素的影响[13-15]。李婷玉[16]认为，灌溉体系对施用脲酶抑制剂的作物生产力影响很大，在适当的灌水量条件下，可以增产8%左右，但在雨养条件下只能增产4%左右。刘红江等[17]研究表明，硝化抑制剂在较低施氮水平下可以提高不同生育期麦田土壤速效氮含量，但随着施氮量的继续增加，反而会降低土壤速效氮含量，从而降低作物产量。可见，氮肥增效剂需在合适的灌水施氮条件下才能更好地发挥作用。

目前，有关氮肥增效剂的研究主要集中在氮肥增效剂对土壤氮素转化的影响方面[18-19]，对作物产量方面的研究主要涉及氮肥增效剂或水肥用量等单一因素，关于氮肥增效剂类型与水肥用量综合作用的研究却鲜见报道。本文选用脲酶抑制剂、双效抑制剂两种常用的氮肥增效剂，以尿素传统施用为对照，设置不同的灌水、施氮水平，采用裂-裂区试验设计，定量研究不同氮肥增效剂下水氮用量对冬小麦产量的影响，提出不同氮肥增效剂下适宜的水肥用量范围，以期为氮肥增效剂的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年10月—2019年6月在陕西省咸阳市武功县海鋈皇嘉农业示范园(34°21′N，108°3′E，海拔471 m)进行。该地区属于温带半湿润性季风气候，年平均气温12.9℃，多年平均降雨量为597 mm，无霜期210 d。供试土壤为塿土，0～20 cm土层的土壤容重为1.36 g/cm3，土壤pH值为8，有机质质量比12.5 g/kg，全氮质量比0.86 g/kg，速效磷质量比32.3 mg/kg，速效钾质量比174.5 mg/kg。以“西农979”冬小麦为供试品种，于2018年10月12日播种，2019年6月2日收获。冬小麦生育期内有效降雨量为314 mm(图1)。

1.2 试验设计

试验采用裂-裂区设计，水分处理为主区，施氮处理为副区，氮肥增效剂类型为副-副区。主处理设低水30 mm(W1)、中水60 mm(W2)和高水90 mm(W3)处理；副处理设低氮75 kg/hm2(N1)、中氮150 kg/hm2(N2)和高氮225 kg/hm2(N3)处理；副-副处理为氮肥增效剂类型：脲酶抑制剂(NBPT)、双效抑制剂(NBPT+DCD)，以传统施肥(尿素，基施、冬灌追肥、拔节追肥比例为6∶2∶2，编号为CO)处理为对照。另外在3个水分水平下各设1个不施氮处理(CK)。小区面积36 m2(9 m×4 m)，共30个处理。脲酶抑制剂+尿素和双效抑制剂+尿素均一次性基施；单施尿素的处理，氮肥的60%基施，20%冬灌时施入，20%拔节期施入。磷肥用过磷酸钙，施磷量为105 kg/hm2；钾肥用氯化钾，施钾量为45 kg/hm2。磷、钾肥一次性基施。

1.3 产量测定

在冬小麦成熟期各小区随机选取6个长势均匀的样方(1 m2)进行收获，人工脱粒后晒干，并对每个样方内的小麦籽粒进行称量，然后折算为以公顷为单位的产量。

1.4 数据分析与处理

1.4.1频率分析

(1)

式中nij——不同灌水或施肥水平下高于平均产量发生的次数

uj——灌水或施氮水平

nj——总处理数

p——产量高于95%置信区间的数量

均数标准差sx为

(2)

1.4.2统计分析

采用DPS 7.0.5软件分析数据，采用Duncan新复极差法进行多重比较。采用Excel 2010和SigmaPlot 12.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 氮肥增效剂类型和水氮用量对冬小麦产量的影响

灌水水平、施氮水平、氮肥增效剂类型对冬小麦产量的影响都达到了极显著水平(P<0.01)。由表1可知，灌水处理以W2处理的冬小麦产量最高，分别比W1和W3水平高15.40%和34.35%。施氮处理以N2处理下产量最高，分别比N1和N3处理增加22.46%和8.77%。CO处理的冬小麦产量最低，NBPT处理和NBPT+DCD处理较CO处理分别增加13.28%和26.21%。氮肥增效剂类型与灌水水平的交互作用达到显著水平(P<0.05)，施氮水平与灌水水平的交互效应达到极显著水平(P<0.01)，氮肥增效剂类型与施氮水平的交互效应未达到显著水平(P>0.05)。氮肥增效剂类型、灌水水平和施氮水平三者的交互效应达到显著水平(P<0.05)。

表1 试验因素对冬小麦产量的影响Tab.1 Influence of experimental factors on winter wheat yield

2.2 水氮用量对不同氮肥增效剂增产效果的影响

由图2(图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05))可以看出，不同氮肥增效剂对冬小麦产量的影响因水氮用量而变化。在W1灌水水平下，NBPT处理在N2施氮条件下的产量为7 574 kg/hm2，NBPT+DCD处理的产量为8 204 kg/hm2，较CO处理增产18.22%和28.05%。在N1水平下NBPT处理较CO处理增产20.01%，NBPT+DCD处理较CO处理增产24.85%。在N3水平下，NBPT处理和NBPT+DCD处理较CO处理分别增产15.24%和25.30%(图2a)。在W2灌水水平下，施氮量为N1水平时，NBPT和NBPT+DCD处理较CO增产20.23%和38.96%；施氮量为N2水平时，较CO处理增产10.69%和26.96%。施氮量为N3水平时，NBPT处理和NBPT+DCD处理较CO处理分别增产17.76%和29.21%(图2b)。在W3灌水水平下，施氮量为N1、N2、N3水平时，NBPT和NBPT+DCD处理较相应的CO分别增产4.78%和15.52%、6.32%和26.39%、4.45%和17.02%(图2c)。可见，不论灌水与施氮水平高低，双效抑制剂均较脲酶抑制剂表现出更大的增产幅度。此外，在相同施氮水平下，NBPT和NBPT+DCD处理较CO处理的增产率随着灌水量的增加都呈现出先增加后降低的趋势，在W2灌水水平下增产率达到最大(N2施氮水平下NBPT处理除外)。

2.3 氮肥增效剂与灌水量的交互效应

由表1可知，氮肥增效剂类型与灌水水平的交互效应达到显著水平(P<0.05)。其交互效应值(与CO处理产量差值)见表2。由表2可知，在N1、N2、N3施氮水平下，灌水量由30 mm增加到60 mm时，NBPT+DCD处理与灌水量表现为正交互效应，继续增加灌水量至90 mm，与灌水量表现为负交互效应。在N1和N3水平下，NBPT处理表现出了相同规律，N2水平下有所不同。总体上，与灌水量30 mm相比，增加灌水量至60 mm，氮肥增效剂较CO处理增产效果增强，平均提高118 kg/hm2，继续增加灌水量至90 mm，氮肥增效剂较CO处理增产效果减弱，平均减少274 kg/hm2。说明增加灌水量至60 mm，可使氮肥增效剂的增产效果增强，继续增加灌水量至90 mm，则使氮肥增效剂的增产效果反而降低，且以NBPT+DCD表现更为突出。

2.4 不同氮肥增效剂下冬小麦产量的水氮耦合效应

2.4.1冬小麦水氮生产函数建立

采用回归分析法分别拟合CO、NBPT以及NBPT+DCD处理冬小麦产量与水氮用量之间的二元二次水肥效应函数(Y为冬小麦产量，N、W分别为施氮量和灌水量)。由表3可知，拟合方程均达到显著水平(P<0.05)，且符合报酬递减规律，说明该拟合函数能较好地表述不同氮肥增效剂下水氮用量对冬小麦产量的影响。不同增效剂相比，水氮生产函数的一次项、二次项系数不同，NBPT和NBPT+DCD处理灌水量和施氮量的二次项系数绝对值均明显大于CO处理，导致NBPT和NBPT+DCD处理产量随灌水量和施氮量的变化幅度均大于CO处理。从回归方程还可以看出，水氮交互作用为负值，说明水氮配施不会一直增加冬小麦产量。

表2 氮肥增效剂类型与灌水水平交互作用下 产量的相对变化量Tab.2 Effects of interaction between nitrogen synergist type and irrigation level on yield kg/hm2

表3 二元二次水氮效应模型Tab.3 Binary secondary water and nitrogen effect model

2.4.2水氮用量对冬小麦产量的影响

从图3可以看出，CO、NBPT和NBPT+DCD处理下灌水量、施氮量对冬小麦产量的影响均呈抛物线形变化。方程中灌水量的一次项系数都大于施氮量，且均为正值，说明灌水量和施氮量对冬小麦产量提高的贡献为正效应，且灌水量的正效应大于施氮量(表3)。表明当灌水量固定时，冬小麦产量随着施氮量的增加呈先增加后下降趋势；当施氮量固定时，冬小麦产量随着灌水量的增加先增加而后也呈现出下降趋势，增幅相对于随施氮量的增幅加快。

由表3可知，在N1水平下，CO、NBPT、NBPT+DCD处理冬小麦产量随灌水量的增加而增加，当灌水量分别增加到53、50、52 mm时冬小麦产量达到最大，分别为5 617、6 485、7 191 kg/hm2，随后，随着灌水量的增加冬小麦产量随之降低。在N2施氮水平下，CO、NBPT、NBPT+DCD处理的最高产量分别为6 377、7 378、8 236 kg/hm2，此时的灌水量分别为49、48、51 mm。在N3施氮水平下，CO、NBPT、NBPT+DCD处理在灌水量为45、46、50 mm时，产量达到理论最大值，分别为6 300、6 929、7 482 kg/hm2。表明灌水量对冬小麦产量的影响随施氮量而变化。

在相同的灌水水平下，冬小麦产量也随着施氮量的增加呈现出先增加后降低的趋势。由表3可知，在W1灌水水平下，CO处理在施氮量为188 kg/hm2时，产量达到最大值6 268 kg/hm2，NBPT、NBPT+DCD处理分别在施氮量为166、157 kg/hm2时产量达到最大值，分别为7 178 、7 845 kg/hm2。在W2灌水水平下，CO、NBPT、NBPT+DCD处理产量达到理论最大值的施氮量分别为176、160、156 kg/hm2，其理论最大产量分别为6 361、7 268、8 164 kg/hm2。在W3灌水水平，CO、NBPT、NBPT+DCD处理的最大产量分别为5 433、5 921、6 852 kg/hm2，达到最大产量时的施氮量分别为163、154、154 kg/hm2。可见，不同增效剂条件下施氮量对冬小麦产量的影响均随灌水量而变化。

2.4.3理论最佳增产效果

对表3方程求偏导可得不同氮肥增效剂获得最高产量时的灌水量和施氮量(表4)。可以看出，两种氮肥增效剂下冬小麦的理论最高产量都高于传统施肥模式。在施氮量为180 kg/hm2、灌水量为48 mm时，CO处理产量达到理论最大值6 443 kg/hm2；此灌水施氮量下NBPT和NBPT+DCD处理理论上分别增产14.20%和26.40%。将NBPT处理获得最高理论产量的施氮量162 kg/hm2、灌水量48 mm代入CO处理水氮效应模型，计算可得NBPT处理较传统施肥理论增产15.40%；同理，在施氮量同为158 kg/hm2、灌水量同为51 mm时，双效抑制剂较CO处理理论增产30.02%。表明相同水肥用量条件下，两种氮肥增效剂均可增加小麦产量，且NBPT+DCD处理的增产效果优于NBPT处理。

表4 依据二元二次水肥效应函数的最高产量及 其水氮用量Tab.4 Maximum yield and its water and nitrogen application rate based on binary quadratic water and fertilizer effect function

2.5 基于频率分析的最佳水肥用量区间及其增产效果

利用频率分析可得不同氮肥增效剂下冬小麦获得较高产量的水肥区间，如表5所示。由表5可以看出，CO处理获得最高产量时的施氮量区间为143～247 kg/hm2，灌水区间为49～63 mm，相应产量为5 912～6 443 kg/hm2。NBPT处理获得最高产量的施氮区间为139～183 kg/hm2，灌水区间为47～67 mm，最高产量区间为7 037～7 409 kg/hm2，在此灌水施氮区间下较CO处理可增产9.10%～26.69%。NBPT+DCD处理获得最高产量时的施肥灌水区间为149～185 kg/hm2、50～65 mm，相应产量为7 923～8 329 kg/hm2，在此灌水施氮区间下较CO处理增产22.97%～40.88%。由此可知，与传统施肥相比，两种氮肥增效剂都有明显的增产效果，其中双效抑制剂的增产效果大于脲酶抑制剂，而且，两种氮肥增效剂下获得最高产量的氮肥用量小于传统施肥，其适宜灌水量相差不大。

3 讨论

表5 以产量为目标的水肥用量区间Tab.5 Water and fertilizer consumption intervals targeted at yield

本研究发现，灌水量从30 mm增加至60 mm，可使氮肥增效剂的增产效果增强，继续增加灌水量至90 mm，则反而降低氮肥增效剂的增产效果，且以NBPT+DCD处理表现更为突出。原因可能在于，脲酶抑制剂和硝化抑制剂在土壤中的持续时间和抑制效果受土壤水分含量、土壤pH值以及灌水量等因素的影响[11-13,23]。周旋等[25]研究表明，尿素在60%θF(θF为田间持水率)条件下水解时间大于80%θF，而脲酶抑制剂在60%θF条件下的有效作用时间也较80%θF延长，说明土壤含水量适当降低，尿素水解速度也减慢，继而酰胺态氮在土壤中存在的时间延长，脲酶抑制剂可以更好地发挥效果。也有研究表明，雨养条件较适量灌溉使脲酶抑制剂的增产幅度明显降低[16]。由于双效抑制剂是脲酶抑制剂与硝化抑制剂的混合物，两者可能会受不同的环境因素影响[26]。有研究表明，DCD的水溶性很高，在土体中移动性也较强，在强降雨或者灌水量较多的情况下，容易与铵根分离，甚至造成DCD淋溶损失，从而对DCD的效果造成影响[27]。综上，水分不足或水分过量都会影响氮肥增效剂效果的发挥，合理灌溉才能使氮肥增效剂更好地发挥作用。

本研究表明，在3种灌水水平下，NBPT和NBPT+DCD处理冬小麦产量随着施氮量的增加呈现出先增加后降低的趋势。李华伟等[28]研究表明，在一定范围内施氮可以增加冬小麦地上部干物质量，为提高冬小麦产量打下基础。但是过量施氮会降低开花期-灌浆期的作物生长速率[29]，而冬小麦产量的60%～90%来源于开花后的光合产物，因此，过量施氮降低冬小麦开花后作物生长速率，进而抑制冬小麦产量的增长[29-30]。本研究还表明，在相同施氮水平下，冬小麦产量随着灌水量的增加先增加后降低。这可能是由于灌水量对冬小麦产量及其构成因素[31]影响显著，灌水量增加，冬小麦的千粒质量显著增加，从而使产量性状略有增加，但继续增加灌水量，反而会造成养分淋失、土壤通气性不良，影响根系呼吸作用，导致作物不能很好吸收养分，从而降低冬小麦产量[32]。

本试验中，水氮用量之间存在负交互效应，即水氮配施并不会一直增加冬小麦产量。这可能与冬小麦不同生育阶段水氮供应的协调性及供应量有关。本试验条件下，冬小麦生育期降水主要集中在开花期以后，前期降水很少，拔节期之前累计有效降雨量仅为56 mm(图1)。有研究表明，轻度干旱条件下，增施氮肥可以缓解水分不足的影响，而在干旱相对严重时，过量施氮反而会加剧干旱程度，使作物不能很好地吸收水分，从而导致减产，即使生育后期降雨量增加，部分小麦抽穗，但来不及灌浆，属于无效穗数，并不能增加小麦产量[33]。徐晓峰等[34]研究表明，基施纯氮量120 kg/hm2成穗率为48.95%，基施纯氮量90 kg/hm2成穗率为45.16%，分别较基施纯氮量180 kg/hm2成穗率增加15.80%、6.84%。另一方面，水分过多会导致氮肥的淋溶损失，进而减少作物产量[35]。张忠学等[36]研究表明，植株氮肥利用效率在中等施氮水平下最高，但是灌水量过高容易造成硝态氮的深层淋溶，而小麦根系90%分布在100 cm以上的土层中，硝态氮的深层淋溶不利于根系吸收利用，从而使籽粒产量降低[37-38]。而且，高水高氮会造成作物群体后期严重倒伏，阻碍氮素转运，从而使产量降低[39]。因此，合理的水氮用量才能对作物产量的提升有正交互效应。

4 结论

(1)在传统施肥及两种氮肥增效剂下，冬小麦产量均随着施氮量/灌水量的增加呈先增加、后减小的趋势，并且灌水水平与施氮水平及氮肥增效剂的交互作用对冬小麦产量均有显著影响。

(2)NBPT和NBPT+DCD两种氮肥增效剂均有显著的增产效果，而且施氮量/灌水量对氮肥增效剂的增产效果有一定影响，NBPT和NBPT+DCD处理均在灌水量60 mm、施氮量75 kg/hm2时增产率最大，分别为20.23%和38.96%。

(3)建立了传统施肥、NBPT和NBPT+DCD两种增效剂下冬小麦产量的水氮生产函数，并利用频率分析法确定了传统施肥和两种氮肥增效剂下获得最高产量的水肥用量区间，CO、NBPT、NBPT+DCD处理获得最高产量的灌水、施氮区间分别为49～63 mm和143～247 kg/hm2、47～67 mm和139～183 kg/hm2、50～65 mm和149～185 kg/hm2。