氮肥对豆茬冬小麦氮素利用及产量的影响

范合琴，杨冰美，连延浩，杜飞波，任永哲，辛泽毓，王志强，林同保

(1.焦作市土壤肥料工作站，河南焦作 454150； 2.河南农业大学农学院，河南郑州 450046)

小麦(Triticumaestivum)是我国主要粮食作物之一，氮肥管理是冬小麦绿色生产的重要一环，最优施氮量会受到地区气候特征、前茬作物、土壤养分状况、目标产量等因素的影响。低效的施氮方案会造成经济损失和潜在的负面生态环境效应，包括硝酸盐淋洗、温室气体排放和水体富营养化等[1-3]。在不同种植制度下，根据前茬作物类型优化施氮策略有助于提高作物生产的盈利能力和养分利用效率[4-7]，是绿色高效农业的重要组成部分。

已有研究表明，豆科作物与禾本科作物轮作具有明显的增产作用[8]，这与豆科作物根系共生根瘤菌进行生物固氮密切相关。Yusuf等[9]利用氮平衡法研究了玉米与大豆、豇豆轮作，指出豆科作物轮作的氮效应为124～279 kg·hm-2。豆科作物根际沉积氮高于禾本科作物，轮作系统中禾本科作物吸收的氮有30%左右是来自于前茬豆科作物的根际沉积氮[10-11]。因此，在禾本科作物连作种植体系中引入豆科作物，能够降低后茬作物氮肥投入，提升氮素利用效率[12-13]，是实现农业可持续发展的重要措施。

黄淮海平原是典型的一年二熟区，小麦-玉米复种连作是该区域农田常年采用的主要种植制度，在近些年中央一号文件提出的产业结构调整、大豆振兴计划等背景下，积极探索新型麦-豆复种模式在该区域的适应性研究，部分替代麦-玉模式，对于进一步加强区域农业生态系统的多样性和稳定性及响应国家粮食产业结构调整和战略布局具有重要的现实意义。现有的冬小麦施氮效应研究大多集中于玉米茬口，有关大豆茬口下的冬小麦施氮效应的报道相对较少。本研究以玉米茬口为对照，重点研究大豆茬口下施氮量对冬小麦植株氮素利用效率以及产量形成的影响，以期为黄淮海地区麦-豆复种模式的推广应用及适应性评价提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2017-2018年在河南省原阳县(35°7′1″N、113°57′22″E)进行，该区域主要以一年二熟制为主。冬小麦生育期内月平均气温和降雨量分布情况见图1。供试土壤类型为沙壤土，夏季作物播前0～20 cm土壤含硝态氮7.21 mg·kg-1、有效磷20.62 mg·kg-1、速效钾 121.68 mg·kg-1，不同茬口冬小麦播前0～40 cm土层基础理化性质见表1。

表1 冬小麦播前0～40 cm土壤基础养分Table 1 Soil basic nutrients at 0-40 cm before wheat sowing

图1 2017-2018年小麦生育期原阳县月降水量和平均温度Fig.1 Distribution of monthly precipitation and air temperature at Yuanyang County during the winter wheat growing season of 2017-2018

1.2 试验设计

采用裂区设计，主区为茬口，包括玉米茬口(M)和大豆茬口(S)；副区为4个氮肥水平，分别为N0(0 kg·hm-2)、N1(180 kg·hm-2)、N2(240 kg·hm-2)和N3(300 kg·hm-2)，共计8个处理。氮肥按照基追比1∶1施入，各处理的磷肥和钾肥均以基肥120 kg·hm-2一次性施入。小区面积为8 m×6 m，重复3次。试验用氮肥为尿素(N 46.4%)，磷肥为过磷酸钙(P2O516%)，钾肥为氯化钾(K2O 60%)。

前茬玉米品种为浚单20，播种行距60 cm，株距25 cm；前茬大豆品种为中黄19，行距30 cm，株距16 cm。玉米和大豆于2017年6月8日采用免耕机具直播，整个生育期不进行施肥和灌溉，10月5日收获，玉米和大豆秸秆均粉粹后翻耕还田。冬小麦品种选用豫农211，播前进行旋耕，于2017年10月20日播种，播量150 kg·hm-2，2018年5月31日收获。小麦季各处理的灌溉量保持一致，分别在越冬期和返青期灌水900 m3·hm-2，其他田间管理同当地农户一致。

1.3 测定项目及方法

于冬小麦拔节期、开花期、灌浆期和成熟期，分别在各小区取具有代表性10 cm双行长的冬小麦植株，分部位(茎鞘、叶片、穗轴+颖壳、籽粒)后置于烘箱105 ℃杀青30 min，75 ℃至恒重，计算干物质积累量。烘干的样品用粉粹机磨碎后过0.55 mm筛，用凯氏定氮法测定全氮含量。

在小麦收获期，每小区取具有代表性的 0.667 m2样方，3次取样，调查成穗数并将籽粒脱粒后风干称重，计算产量。

参照cox等[14]的方法，计算小麦及氮素相关指标，具体公式如下：

氮积累量=氮含量×干物质积累量

花前氮素转运量(NTA)=开花期植株氮素积累量—成熟期营养器官氮素积累量

花前氮素转运效率(NTE)= NTA/开花期植株氮素积累量×100%

花前氮对籽粒氮的贡献率(BNCP)= NTA/成熟期籽粒氮积累量×100%

花后氮素积累量(NAA)=成熟期籽粒氮积累量-NTA

花后对籽粒氮的贡献率(ANCP)=NAA/成熟期籽粒氮积累量×100%

根据下式计算表征氮肥利用的相关指标：

氮肥利用率(NUR)=(施氮处理氮积累量-不施氮处理氮积累量)/施氮量

氮肥生理效率(NUE)=(施氮处理籽粒产量-不施氮处理籽粒产量)/氮积累量

氮素收获指数(NHI)=籽粒氮素积累量/植株地上部氮素积累量

氮肥偏生产力(NPFP)= 施氮处理产量/施氮量

1.4 数据处理与分析

数据采用SPSS进行统计分析，用Duncan法进行差异显著性检验，利用Excel进行图表绘制。通过数据分析，构建增施氮肥与植株氮素吸收与小麦产量的简单结构方程模型，运用R语言中的lavvan包中的sem程序对两种茬口下的结构方程模型的路径系数和参数进行运算，并进行图形可视化。

2 结果分析

2.1 植株干物质积累动态

冬小麦干物质积累动态在不同茬口和氮肥处理下表现有所不同(图2)。随着施氮量的增加，植株干物质的积累速率和总积累量呈增加趋势，当施氮量超过N2(240 kg·hm-2)后，干物质积累量增加不显著。不同氮肥水平下的茬口效应有所不同，与玉米茬口比较，大豆茬口显著促进了不施氮处理小麦生育后期的干物质积累量(P< 0.05)，干物质积累总量增加了21.6%，在其他施氮水平下两种茬口间的差异不显著。由表2可知，茬口对干物质积累速率影响不显著，施氮量对两个阶段干物质积累速率有极显著影响(P< 0.01)；茬口与施氮水平对两个阶段干物质积累速率存在显著互作效应(P<0.05)。大豆茬口较玉米茬口显著促进了不施氮处理下冬小麦全生育期的干物质积累速率，平均增幅为27.3%；而在开花至灌浆期，玉米茬口显著提高了N2和N3施氮量下小麦干物质积累速度，增幅为18.6%和13.7%。

表2 不同茬口和施氮量下冬小麦干物质积累速率Table 2 Dry matter accumulation rate of wheat under different stubble and nitrogen treatments kg·hm-2·d-1

图2 不同茬口和施氮量下2017-2018年冬小麦干物质积累量Fig.2 Dry matter accumulation of winter wheat in 2017-2018 under different nitrogen application rates and stubbles

2.2 植株不同部位氮素的积累特征

由表3可知，施氮量对小麦各生育阶段不同部位的氮素积累量具有极显著影响(P<0.01)，总体表现为施氮促进提高效果；而茬口对拔节期小麦茎鞘、开花和成熟期叶片氮素积累量影响显著(P<0.01)，茬口和施氮量对籽粒氮素积累量具有显著互作效应。相较于玉米茬口，大豆茬口拔节期茎鞘氮素积累量平均提高32.5%，在开花期和成熟期叶片氮素积累量分别提高22.8%和27.3%，差异均显著；在成熟期籽粒氮素积累量在不施氮和180 kg·hm-2施氮水平下分别提高32.1%和9.5%，差异均显著，而在240和300 kg·hm-2施氮量下，分别降低了3.9%(P> 0.05)和13.7%(P<0.05)。

表3 不同茬口和施氮量下冬小麦植株不同部位的氮素积累动态Table 3 Nitrogen accumulation dynamic of different wheat organs under different stubble and nitrogen treatments kg·hm-2

2.3 植株氮素转运和利用特征

茬口和施氮量对冬小麦氮素转运特征指标均有显著或极显著影响，两者对花后氮素积累量存在极显著的互作效应(表4)。总体来看，适当增施氮肥能显著提高花前氮素转运量和花后氮素积累量，进而增加籽粒氮素积累量；与玉米茬口相比，豆茬小麦的花前氮素转运量显著增加(P< 0.01)，增加了8.4%，但花前氮素转运效率显著降低(P<0.05，4.4%)，花后氮素积累量及其对籽粒的贡献率均显著降低(P<0.05)，分别降低了8.9%和7.2%。不同施氮量下茬口对小麦花后氮素积累量的影响有所不同，大豆茬口显著提高了0、180 kg·hm-2施氮量下小麦植株花后氮素积累量，分别较玉米茬口提高了34.5%和 13.6%，而当施氮量高于240 kg·hm-2后，则玉米茬口显著高于大豆茬口。

表4 不同茬口和施氮量下冬小麦的氮素转运特征Table 4 Nitrogen transport parameters under different stubble and nitrogen treatments

2.4 产量及氮素利用特征

由表5可知，施氮肥对冬小麦的籽粒产量及氮素利用特征参数影响均达到显著水平，茬口对NHI、NUR和NUE的影响达到显著水平，茬口和施氮交互作用对籽粒产量、NHI和NPPE有显著影响。不同施氮水平对产量的效应有所不同，在N0和N1水平下，大豆茬口较玉米茬口显著提高了的冬小麦籽粒产量，分别提高了25.8%和13.1%，当施氮量超过180 kg·hm-2(N2和N3处理)，豆茬小麦的籽粒产量及氮素利用效率相关指标均低于玉米茬口，在施氮量为300 kg·hm-2水平下，相较于玉米茬口，豆茬小麦的产量、NUR、NUE和NHI分别降低了 13.9%、29.7%、4.2%和3.6%，前3个指标二者间差异显著。

表5 不同茬口和施氮量下冬小麦产量及氮素利用特征Table 5 Nitrogen utilization parameters and yield under different stubble and nitrogen treatments

2.5 不同茬口下施氮量对冬小麦产量影响的路径分析

通过对氮素吸收转运以及利用特征的分析，发现茬口主要影响氮素的积累量。因此，构建一个简单的氮肥影响作物籽粒产量的模型(图3)。可以看出，大豆茬口下施氮量对籽粒产量的效应为0.73(0.93×0.79)，明显低于玉米茬口的0.93(0.98×0.95)，其中氮素积累量对籽粒产量的效应表现为大豆茬口弱于玉米茬口，这与两种茬口下施氮效应不同有关。

图3 不同茬口下施氮量对冬小麦籽粒产量的路径图Fig.3 Diagrams of winter wheat yield with different nitrogen applications under different stubble treatments

3 讨 论

由于不同作物的生物学特性差异，其对土壤养分、土壤微生物群落的影响不同，进而产生茬口效应影响后茬作物对土壤养分的吸收利用以及产量形成[15-16]。本试验表明，冬小麦生长、氮素积累及产量对施氮量的响应存在茬口效应，主要表现为大豆茬口显著促进了不施氮和低氮肥(180 kg·hm-2)投入水平下冬小麦的产量及氮素积累，这一方面与豆科作物生物固氮对土壤氮素的消耗低于玉米有关，导致大豆茬口下的基础养分高于玉米茬口(表1)；另一方面可能与豆茬效应形成的氮相关土壤微生物区系及根系分泌物等有关，提高了土壤中氮素的矿化，相关的有益微生物更丰富，提升了土壤的供氮能力[17-18]。随着施氮量的增加，其对小麦氮素同化和产量无益，这与大多数氮肥试验的研究结果基本类似[19- 20]。本研究发现，在施氮量高于240 kg·hm-2后，冬小麦的氮肥增产效果不明显，甚至显著减产，且大豆茬口的减产程度要大于玉米茬口，这表明大豆茬口下冬小麦的最佳产量对应的施氮量要低于玉米茬口[21]，结合大豆茬口氮肥利用效率特征的表现，综合分析认为，相较于玉米茬口，大豆茬口下冬小麦的施氮量应适当降低，本研究认为不应高于240 kg·hm-2，否则可能会产生显著的减产 效应。

籽粒氮素的积累量由花后氮素积累和花前氮素转运两个过程共同决定。本研究表明，施氮量对氮素的吸收及花前氮素转运率均有显著影响，随着施氮量的增加氮素的积累量成抛物线式增长，而花前氮素的转运率呈降低趋势，这与前人氮肥相关研究结果一致[22]。通过茬口效应的分析发现，当施氮量低于180 kg·hm-2，大豆茬口主要是通过提高花后氮素的积累量来提高籽粒氮素的积累量，在施氮量达到300 kg·hm-2，豆茬冬小麦的产量、氮素积累及转运效率均显著低于玉米茬口，这表明大豆茬口对高氮的耐受力不如玉米茬口，总体表现为“低氮促进，高氮抑制”。我们发现，大豆茬口的花前氮素转运率和氮素生理效率均低于玉米茬口，这表明本试验条件下大豆茬口并未改变冬小麦氮素吸收的生理机制和效率，这与豆-禾轮作提高了氮素等养分的利用效率的研究报道不太一致[13]，可能是由于本试验条件下大豆茬口的养分残留为主导效应，受制年限和土壤特性，土壤自身供氮能力的提升效应偏弱。

氮肥利用率是衡量作物对氮肥利用情况的重要指标。本研究发现，大豆茬口的氮肥利用率低于玉米茬口，推测大豆茬口下冬小麦吸收的氮素主要是来自于土壤氮素，这从不施氮肥处理下的氮素积累量在茬口间的表现也可以证实。大豆茬口促进冬小麦生长季土壤氮素供应的微生态机制需要通过测定土壤相关功能微生物的演替规律以及与根系的互作规律来进行揭示，有待开展进一步的深入研究。简单的结构方程模型分析显示，大豆茬口下的氮肥对产量的贡献要低于玉米茬口，也就意味着大豆茬口冬小麦对氮肥的依赖度要低于玉米茬口。因此，综合分析认为，相较于玉米茬口，大豆茬口能够提高冬小麦氮亏缺条件下的生长及氮素吸收，进而起到增产效应；此外，豆茬冬小麦应当采取适当降低施氮量的策略，以获得较好的氮肥利用效率。