氮密调控对冬小麦籽粒产量及氮素利用效率的影响

刘卫星，张文杰，王家瑞，马 耕，康 娟，王晨阳

（1河南省科学技术发展战略研究所，郑州450008；2河南农业大学，郑州450002；3许昌市建安区农业技术推广中心，河南许昌461002）

0 引言

河南省是国内冬小麦的重要产区，小麦种植面积和总产量均位于全国第一，对保障粮食安全具有举足轻重的作用[1-3]。然而，为了极端追求高产，化肥的过量使用导致土壤性状板结，作物品质下降且对环境造成严重污染不利于维持生态平衡。因此，如何提高单位面积的小麦生产力和维持生态环境稳定促进农业可持续发展是一个广泛关注的热点难题。

小麦籽粒产量的形成是个体与群体关系相互协调、器官生长发育和物质生产积累相结合的复杂过程。种植密度和氮肥会改变小麦对环境资源的竞争力因而影响个体的生育和群体的发展，进而影响小麦对太阳光能的利用，最终影响产量。研究表明，耕地面积减少，可通过增加单位面积种植密度来提高冬小麦的籽粒产量。增加播量能提高成穗数，增加施氮量能提高有效分蘖，两者对提高产量具有积极作用[4-6]。密度适宜，个体健壮，群体质量高，个体和群体在一定的时间和空间范围内协调生长，可得到穗、粒、重的最佳组合，从而获得较高的产量[7]。

氮素是冬小麦生长发育的必需营养元素，也是作物产量的最重要的营养限制因子，合理利用氮肥可以使冬小麦籽粒产量增产45%左右[8]。增加施肥能显著提高冬小麦籽粒产量，施肥量达到某一临界值时，产量无明显增长的趋势，从而导致肥料利用率过低[9]。大量投入的氮肥在提高产量、农民经济收益方面有很大帮助，但也给环境带来了极大的影响，施用氮肥量过高造成的经济损失和环境问题也越来越严重[10]。合理增施氮肥对小麦干物质积累和转运有正向调控作用，能够促进花前积累干物质的转移，增加花后干物质积累量，有利于产量的提高[11-12]。

随着栽培技术的发展，降低施氮量和增加种植密度是现代化小麦生产实现高产质和高氮素利用效率较为经济环保的途径[13-14]。本研究在长期定位试验的基础上，研究了种植密度和施氮对冬小麦的产量和氮素利用效率的影响，旨在探明产量和氮素资源利用效率同步提高的最佳施氮量和种植密度，为制定合理的栽培措施、实现高产高效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

自2012年麦播开始，在许昌县建安区农业技术推广中心试验示范基地进行小麦-玉米氮密调控定位试验，供试小麦品种为‘矮抗58’，土类为潮土，前茬为玉米。试验采取两因素裂区设计，主区为种植密度，副区为施氮量。密度设置3个水平，播种量分别为 112.5 kg/hm2(D1)、150 kg/hm2(D2)、187.5 kg/hm2(D3)；施氮量设置4个水平，分别为不施氮(N0)、施氮180 kg/hm2(N1)、施氮 240 kg/hm2(N2)、施氮300 kg/hm2(N3)。小区面积40 m2，行距20 cm，3次重复。每公顷施磷肥(P2O5)150 kg、钾肥(K2O)120 kg。小麦季氮肥按照6:4分基肥底施和拔节期追施2次施用，磷钾肥作为基肥一次性施用，其他管理同一般高产麦田。本研究取样调查年份为2017—2018年。施基肥前测定各氮肥处理0～ 20 cm耕层土壤基础养分见表1。

表1 试验年度试验田播种前耕层土壤养分含量

1.2 测定项目与方法

1.2.1 群体调查 每小区选取长势均匀一致的1 m双行定点区域进行群体动态调查，调查时期分别为出苗期、越冬期、拔节期、抽穗期、开花期和成熟期。

1.2.2 干物质积累与转运 在开花期，各处理均选择开花时间一致和穗型、茎高相近的单茎挂牌标记。于开花期、成熟期，每个处理取30个单茎，105℃下杀青20 min，70℃烘干至恒重，称取干重。干物质积累与转运计算[13]如式(1)～ (4)。

1.2.3 氮效率指标 计算如式(5)～ (6)。

1.2.4 籽粒产量及其构成测定 成熟期对每小区内1 m双行进行考种分析，调查穗数、穗粒数和千粒重，每小区实收6 m2，脱粒、风干、称重，按含水量12.5%折算成实际籽粒产量。

1.2.5 统计分析方法 采用SPSS 17.0和Microsoft Excel 2013软件进行统计分析。利用方差分析(ANOVA)对数据进行统计分析，比较各处理之间的差异显著性(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 氮肥与密度对冬小麦群体动态的影响

由图1可知，随着小麦生育期推进，冬小麦群体茎蘖数呈先升高后降低趋势，在拔节期达到高峰。同一种植密度下，随着施氮肥水平的增加，冬小麦群体数量呈现升高的趋势，其中施氮300 kg/hm2(N3)下冬小麦群体茎蘖数达到最高值。进一步方差分析表明，尽管施氮300 kg/hm2(N3)的小麦群体茎蘖数略大于施氮240 kg/hm2(N2)，但差异不显著，表明在施氮240 kg/hm2后，施氮肥水平的增加对小麦群体茎蘖数增幅贡献度较小。

图1 氮肥与密度对冬小麦群体动态的影响

2.2 氮肥与密度对冬小麦干物质转运的影响

由表2可知，在同一种植密度下，除N0处理外，花前干物质转运量、花前贮藏物质转运率及其对籽粒的贡献率均随施氮量的增加而提高。花后光合同化量以及对籽粒的贡献率均随施氮量的增加而先增加后降低，施氮处理显著高于N0处理，N1处理花后干物质对籽粒的贡献率均处于较高水平。在同一施氮水平下，各种植密度处理间对花后干物质和对籽粒的贡献率无显著差异。在N1处理下，随种植密度的增加，花后干物质对籽粒的贡献率降低，说明在施氮条件限制下，增加种植密度不利于提高花后干物质对籽粒的贡献率。

表2 氮肥与密度对冬小麦干物质转运的影响

2.3 氮肥与密度对冬小麦氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力的影响

由图2可知，增加种植密度能增加冬小麦氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力，呈现先增加后降低的趋势。随施氮量的增加，氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力显著降低，与N1处理相比，N2、N3处理的氮肥农学利用效率和偏生产力分别降低了13.7%、35.2%和20.4%、32.5%。

图2 氮肥与密度互作对冬小麦氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力的影响

2.4 氮肥与密度对冬小麦产量的影响

由表3可知，穗数随着种植密度和施氮量的增加而增加。穗粒数随施氮量的增加而增多，但随着种植密度的增大而降低。千粒重随种植密度和施氮量的增加而降低。种植密度和施氮水平显著影响小麦籽粒产量；在同一施氮水平下，籽粒产量随种植密度的增加先提高后降低；在同一种植密度下，籽粒产量随施氮量的增加而增加，较不施氮处理(N0)，N1、N2和N3分别增加了68.3%、78.6%和73.8%，施氮量由N2(240 kg/hm2)增加到N3(300 kg/hm2)时，籽粒产量不再增加。氮肥和种植密度存在互作效应，以D2N2产量最高。

表3 氮肥与密度互作对冬小麦籽粒产量的影响

3 结论

合理的氮肥施用量及种植密度可提高花后干物质对籽粒的贡献率、协调产量构成因素，从而提高籽粒产量。适宜的氮肥水平和种植密度组合（氮肥施用量为240 kg/hm2，种植密度为150 kg/hm2）能同时获得较高的籽粒产量、氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力。氮肥水平与种植密度对小麦籽粒产量具有显著的交互效应，降低施氮量对小麦产量和氮效率的负面影响可以通过适当提高种植密度来抵消。

4 讨论

4.1 适宜的氮肥用量和种植密度通过调控群体结构和物质转运来提高小麦籽粒产量

不同种植密度对小麦籽粒产量和氮肥农学利用效率有显著影响。赵双等[15]研究表明，水稻产量随种植密度的增加而升高，但超过适宜密度后会下降。本试验条件下，种植密度为150.0 kg/hm2时冬小麦籽粒产量最高。施氮量增加，氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力均显著降低。提高种植密度，氮肥农学利用效率增加，何虎等[16]研究认为，适宜的栽植密度增加了有效群体数量，进而提高了有效穗数以及小麦对光照的吸收和对土壤养分的利用，从而增加产量和氮肥利用。冬小麦的增产效应既取决于种植密度和氮肥，也受种植密度和氮肥之间的互作效应影响。因此，提高小麦产量需要以合理的种植密度和氮肥施用量为基础[17]。建立合理的群体结构，合理解决群体发展与个体发育矛盾，充分利用光能和地力，是达到高产高效低消耗的根本途径。通过调节种植密度可以有效控制冬小麦群体结构，使单位面积穗数与穗粒数、千粒重的关系互相协调，从而获得高产[18-19]。张均华[20]研究表明，不施氮处理物质转运对籽粒贡献率整体较高，说明氮肥亏缺时，营养器官中的同化物会尽量向籽粒转移，而氮肥过量时，营养器官物质转运对籽粒贡献率并没有明显提升。本研究在长期定位试验条件下，花前对籽粒的贡献率在不施氮处理(N0)条件下最高，花前物质转运率和对籽粒的贡献率随着施氮量的增加而增加，而花后干物质积累量对于籽粒的贡献率下降。

4.2 适宜的氮肥用量和种植密度协同提高冬小麦产量和氮肥利用效率

增施氮肥对穗数和穗粒数有正效应[21]。束林华等[22]指出，小麦的产量和穗数与施氮量呈二次曲线关系，在0～ 180 kg/hm2内增加施氮量，能够促进分蘖，提高成穗率，但过大的施氮量会导致群体质量下降，有效穗数降低，不利于产量的增加。胡文静等[23]指出施氮量在180～ 270 kg/hm2范围内增加时，小麦穗数增加显著，施氮量在270～ 360 kg/hm2范围内增加时，产量对施氮量的响应钝化，使产量增幅下降。本试验结果表明，在同一种植密度下，产量随施氮量的增加呈现先增加后降低的趋势，在施氮量为240 kg/hm2条件下产量较高，与前人研究结论一致。氮肥施用量是否合理的主要表现是氮肥利用效率的高低，晏娟等[24]研究表明，随施氮量的增加，冬小麦氮素表观利用率、生理效率与农学效率逐渐下降。本试验条件下，在相同的氮肥施用量条件下，种植密度增加，氮肥利用效率增加，但种植密度达到187.5 kg/hm2，氮肥利用效率降低。在同一种植密度下，氮肥利用效率随着施氮量的增加显著下降。种植密度和施氮量对小麦籽粒产量、氮素累积及其利用率的影响不仅在于两者本身，还存在于播种量和施氮量的交互作用。播种密度和施氮量在一定范围内会相互配合，互相促进[25]。

施氮量和种植密度均显著影响冬小麦的生长发育，进而影响小麦群体数量、花前后贮藏干物质的转运量及对籽粒产量的贡献率、氮肥利用效率以及产量形成相关指标，进而影响着冬小麦的产量。较高的施氮量和种植密度可以维持小麦群体数量和花前贮藏干物质的积累转运量，但过高的施氮量不利于花后贮藏干物质的转运量及对籽粒产量的贡献率。施氮量和种植密度对小麦产量和氮效率也有显著影响，降低施氮量对小麦产量和氮效率的负面影响可以通过适当提高种植密度来抵消。氮肥施用量减少（从300 kg/hm2减少至240 kg/hm2）造成的单位面积产量下降可以通过提高种植密度来补偿。同时，在合理施氮条件下，提高种植密度（由112.5 kg/hm2增加到150 kg/hm2），可显著提高产量。因此，合理的施氮量和密度组合有利于减少氮肥用量和提高小麦产量，推荐施氮量240 kg/hm2配合种植密度150 kg/hm2，可进一步提高小麦籽粒产量和氮素利用效率。