施氮量对江汉平原中低产田小麦产量及氮素吸收利用的影响

王壮志 杨 蕊 李 秀 张程翔 王小燕

（长江大学农学院/湿地生态与农业利用教育部工程研究中心/涝渍灾害与湿地农业湖北省重点试验室，湖北 荆州 434025）

目前，湖北省已成为我国长江中下游农作区中小麦增产的主力地区之一［1］。据湖北省自然资源厅统计，湖北省中低产田占耕地总面积的71.1%，粮食主产区中低产田比重超过52%，达154 万公顷，其中江汉平原麦区占湖北省小麦种植面积的30%左右，由于该地区地势低洼、常年阴雨天气较多、土壤质地黏重且小麦生育期整体偏短，导致小麦产量水平低下［2-3］。有研究表明，目前影响长江流域小麦增产的最重要养分因子仍是氮肥，与不施氮肥处理相比，施用氮肥后籽粒产量可增加66.0%左右，氮肥的增产效应相较于磷钾肥表现最佳［4］。但在农业生产实践中，氮肥施用不当的现象依然存在，部分田块氮肥的大量投入不仅降低了氮肥的使用效率、回收利用率以及经济效益，而且引起了环境污染、生态系统恶化、生物多样性降低和危害人类健康等一系列严峻问题［5-6］。因此，明确江汉平原中低产田小麦种植的适宜施氮量对长江中下游地区小麦的高效生产以及生态环境的保护具有重要意义。

受地域、品种以及氮肥运筹模式等不同试验条件的影响，前人对小麦最佳施氮量的研究结果不尽相同。安婷婷等［7］研究发现，施氮量为0～300 kg·hm-2时，小麦籽粒产量随施氮量的增加而增加，而在兼顾产量与施肥效益时的最佳施氮量为240 kg·hm-2。孟维伟等［8］研究结果显示，小麦优质高产的施氮量范围为168～240 kg·hm-2。田中伟等［9］以不同年代长江中下游主推小麦品种为材料发现，当施氮量超过225 kg·hm-2时，不同小麦品种的籽粒产量均表现出不同程度的下降。薛轲尹等［10］研究表明，江汉平原稻茬小麦在总施氮量不变的基础上，在冬前期和拔节期追施氮肥可以获得较高的产量和氮肥农学利用率。近年来，关于施氮量、施肥时期以及氮肥基追比例对小麦产量与氮素利用效率的影响已有较多研究，但江汉平原地区大多是以高产田及单一小麦品种为基础展开的研究，关于中低产田条件下，不同强筋小麦品种对施氮量的响应以及小麦籽粒产量与氮素利用效率之间关系的研究鲜有报道。鉴于此，本试验以适宜长江中下游流域种植的小麦品种扬麦23和郑麦9023为材料，对比研究不同施氮量对小麦氮素吸收利用和干物质积累动态变化等方面的影响，分析干物质积累量、氮素积累量和氮素利用效率与产量间的关系，旨在筛选出适宜江汉平原中低产田的氮肥施用量，进而为该地区中低产田小麦绿色、高效栽培提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2020年11月—2021年6月在湖北省荆州市长江大学产业科技园选择中低产水平的旱地（30°21′N，112°3′E）进行大田试验，土壤质地为砂质壤土，播种前0～20 cm 土层有机质含量11.00 g·kg-1，碱解氮含量82.03 mg·kg-1，速效磷含量15.20 mg·kg-1，速效钾含量51.11 mg·kg-1，pH值为7.8。

1.2 试验材料与试验设计

供试小麦品种选用江汉平原地区传统种植的强筋小麦品种郑麦9023（ZM9023）和适宜长江中下游流域种植的强筋小麦品种扬麦23（YM23），分别由河南省农业科学院以及江苏金土地种业有限公司提供。试验采用二因素裂区设计，施氮量为主区，品种为副区。试验共设计4 个纯氮施用量，施氮量分别为0（CK）、135（LN）、180（MN）、225 kg·hm-2（HN），氮肥基追比设置为：1/3 播种前基施（10月26日），1/3 冬前期追施（次年1月12日），1/3 拔节期追施（次年2月28日）。每个处理3次重复，共24个小区，小区面积为12 m2（2 m×6 m），基本苗210 万株·hm-2。所有小区基施磷肥（P2O5）、钾肥（K2O）各105 kg·hm-2，均以人工撒施的方式在耕前进行施肥。氮肥按试验设计施用，生育时期各月份降水量见图1，其他管理同一般高产田。

图1 2020—2021年小麦生长季逐月降水量Fig.1 Monthly precipitation of winter wheat in growing season from 2020 to 2021

1.3 测定项目与方法

1.3.1 旗叶相对叶绿素含量（soil and plant analyzer development,SPAD） 于孕穗期（booting stage，BS），开花期和花后7、14、21、28、35 d，分别记为BS、0DAA、7DAA、14DAA、21DAA、28DAA、35DAA 在每个小区选取15 株长势均匀的植株，使用SPAD-502 叶绿素仪（日本Konica Minolta 公司）测定其主茎旗叶最宽部位的SPAD值。

1.3.2 干物质积累量与氮素含量的测定 在小麦冬前期、拔节期、孕穗期、开花期、灌浆中期和成熟期随机选取15 株长势均匀的完整植株，去除小麦根系后于105 ℃杀青30 min，60 ℃烘干至恒重，并称取植株干物质积累量。

将以上烘干后的样品粉碎，经浓硫酸消煮后用KDY-9810 全自动凯氏定氮仪（北京瑞邦兴业科技有限公司）测定样品氮素含量［11］。

1.3.3 产量及产量构成因素的测定 于小麦成熟期，在每小区选取1 m2样方统计有效穗数，并随机取20 株小麦统计穗粒数，每小区选取2 m2样方进行收获，脱粒晒干后计产（13%含水量）并测定千粒重。

1.3.4 各项指标计算公式 收获指数（harvest index，HI）=籽粒产量/地上部的总生物产量×100%；

氮肥农学利用率（nitrogen fertilizer agronomic efficiency，NFAE）（kg·kg-1）＝（施氮小区籽粒产量-不施氮小区籽粒产量）/施氮量；

氮肥表观利用率（nitrogen fertilizer apparent use efficiency，NFUE）＝（施氮小区成熟期植株氮积累总量-不施氮小区成熟期植株氮积累总量）/施氮量×100%；

氮肥偏生产力（nitrogen fertilizer partial factor productivity，NPFP）（kg·kg-1）=施氮小区产量/施氮量；

氮素收获指数（nitrogen harvest index，NHI）=籽粒氮素积累量/成熟期植株氮素积累量总量。

1.4 数据处理

采用Excel 2019、Origin 2018 和Canoco 5.0 软件进行数据处理和作图，采用DPS 7.5 进行差异显著性检验，采用SPSS 25.0软件进行二因素方差分析比较小麦品种、施氮量以及二者之间交互作用对各项指标的影响。

2 结果与分析

2.1 施氮量对小麦产量及产量构成因素的影响

由表1可知，施氮量对产量及产量构成因素有极显著影响，小麦籽粒产量、有效穗数和穗粒数均随施氮量的增加而增加。与CK 相比，LN、MN 和HN 的产量分别增加了97.1%～122.4%、120.5%～152.3%和121.6%～158.6%，但施氮量从MN 增加至HN 时，两品种小麦的增产效应均不显著。同时，品种对产量、有效穗数、穗粒数和收获指数有显著或极显著影响，在相同施氮量条件下，扬麦23 籽粒产量均高于郑麦9023，相较郑麦9023 平均增产19.8%。进一步分析产量构成因素，相同施氮量条件下，郑麦9023 的有效穗数、千粒重均高于扬麦23，而穗粒数和收获指数则低于扬麦23。综上所述，扬麦23 产量高于郑麦9023 主要是由于其穗粒数和收获指数的提升。此外，在一定范围内增施氮肥虽有利于小麦的增产，但在兼顾产量与投入的前提下，MN 是江汉平原中低产田的适宜施氮量处理。

表1 施氮量对小麦产量及产量构成因素的影响Table 1 Effects of nitrogen application on wheat yield and yield components

2.2 施氮量对小麦旗叶SPAD值的影响

由图2可知，随着生育时期的推进，两品种小麦的SPAD 值均表现出先升高后降低的趋势，在花后7 d 达到最大值。各生育时期小麦SPAD 值均随施氮量的增加而升高。相同施氮量处理下，从孕穗期至花后21 d小麦SPAD 值均表现为扬麦23 高于郑麦9023；但扬麦23 的SPAD 值在花后21 d 后迅速降低，且低于郑麦9023。综上，扬麦23 旗叶叶片的功能期较郑麦9023短，增施氮肥能够有效提升小麦各生育时期旗叶的叶绿素含量。

图2 施氮量对小麦旗叶SPAD值的影响Fig.2 Effects of nitrogen application rate on SPAD value of flag leaves of wheat

2.3 施氮量对小麦植株干物质积累动态的影响

由图3可知，两品种小麦的干物质积累量在播种至冬前期呈缓慢增加趋势，拔节期前后干物质进入迅速积累期，施氮处理的干物质积累量在成熟期达最大值，CK则在灌浆中期达最大干物质积累量。两品种小麦的干物质积累量在各生育时期均随施氮量的增加而增加。开花期前，不同品种和施氮量条件下的干物质积累量差异较小。开花期和成熟期，当施氮量超过180 kg·hm-2（MN）后，两品种小麦的干物质积累量增加幅度降低，且在相同施氮量处理下，郑麦9023 的干物质积累量均高于扬麦23。综上，施氮量的增加可有效促进小麦干物质的积累，相较于扬麦23，郑麦9023 的花后干物质积累能力较高。

图3 施氮量对小麦干物质积累动态的影响Fig.3 Effect of nitrogen application rate the dynamics of dry matter accumulation of wheat

2.4 施氮量对小麦植株氮素积累动态的影响

由表2可知，施氮量对各生育时期小麦植株氮素积累量的调控效应达极显著水平，小麦各生育时期的植株氮素积累量均随施氮量的增加而增加，其中，播种至拔节期增加缓慢，拔节期至孕穗期增加迅速并在成熟期达最大值。品种仅对越冬期和拔节期时的植株氮素积累量分别有极显著和显著影响，除孕穗期外，在同一生育期内的相同施氮量处理下，扬麦23 的植株氮素积累量均高于郑麦9023。其中成熟期时，扬麦23 在HN 处理下的植株氮素积累量显著高于MN 处理，而郑麦9023在两处理间无显著差异。综上，在180 kg·hm-2及以下的施氮量范围内增施氮肥可进一步提升郑麦9023 植株的氮素积累量，扬麦23 在180 kg·hm-2施氮量的基础上继续增施氮肥至225 kg·hm-2时仍可有效促进小麦植株对氮素的吸收，即扬麦23 对氮肥的增施有着更好的响应。

表2 施氮量对各时期小麦植株氮素积累量的影响Table 2 Effects of nitrogen application rate on nitrogen accumulation of wheat plants in different periods/（kg·hm-2）

2.5 施氮量对小麦氮素利用效率的影响

由表3可知，两品种小麦的氮肥偏生产力和氮肥农学利用率均随施氮量的增加而降低；氮肥表观利用率随施氮量的增加均呈先升高后降低的趋势，在MN处理下最高；氮素收获指数方面，郑麦9023 随着施氮量的增加先降低后升高，扬麦23 则随着施氮量的增加先升高后降低。两小麦品种间比较，相同施氮量处理下，扬麦23相较郑麦9023以上四项指标均具有更高的效率表现。其中，扬麦23 的氮肥偏生产力、氮肥农学利用率和氮素收获指数分别比郑麦9023 平均高出20.18%、15.40%和8.98%，氮肥表观利用率则比郑麦9023提高了4.41个百分点。方差分析结果显示，施氮量对氮肥偏生产力和农学利用率的影响分别达极显著和显著水平，品种对氮肥偏生产力和氮素收获指数的影响分别达极显著和显著水平。综合以上4 个与小麦氮素利用效率相关的指标发现，在氮素充足的情况下继续增施氮肥，小麦对氮肥的利用效率反而会有所下降。

表3 施氮量对小麦氮素利用效率的影响Table 3 Effects of nitrogen application rate on nitrogen use efficiency of wheat

2.6 基于不同施氮量条件下小麦产量及产量构成与各营养器官氮素积累量、干物质积累量和氮素利用的关系

冗余分析结果表明（图4、5），两品种小麦成熟期时各器官干物质积累量和氮素积累量与小麦产量及产量构成各因素呈显著或极显著正相关，同时成熟期小麦植株干物质积累量和氮素积累量与小麦产量及产量构成各因素均呈极显著正相关，其中部分器官干物质积累量或氮素积累量与小麦千粒重呈正相关但不显著。

图4 基于不同施氮量条件下小麦产量及产量构成因素与干物质积累量的冗余分析（RDA）Fig.4 Redundancy analysis（RDA）of wheat yield and yield components with dry matter accumulation under different nitrogen application conditions

在氮素利用效率方面，两品种小麦氮肥表观利用率、氮肥农学利用率和氮肥偏生产力与小麦产量呈极显著正相关，与小麦有效穗数、穗粒数以及千粒重呈显著或极显著正相关。郑麦9023 氮素收获指数与小麦产量、穗数和穗粒数各因素之间无显著相关性，而与千粒重呈显著正相关；扬麦23 氮素收获指数与小麦产量、穗粒数以及千粒重呈显著或极显著正相关，而与穗数正相关性不显著（图6）。以上结果表明，干物质和氮素积累量的增加以及氮素利用效率的提升对小麦产量的提升有着重要的作用。

图5 基于不同施氮量条件下小麦产量及产量构成因素与氮素积累量的冗余分析（RDA）Fig.5 Redundancy analysis（RDA）of wheat yield and yield components with nitrogen accumulation under different nitrogen application conditions

图6 基于不同施氮量条件下小麦产量及产量构成因素与氮素利用效率的冗余分析（RDA）Fig.6 Redundancy analysis（RDA）of wheat yield and yield components with nitrogen use efficiency under different nitrogen application conditions

3 讨论

小麦产量与施氮量呈二次曲线关系，合理施用氮肥是调控小麦产量的重要方法［12-14］。本研究发现，小麦产量随施氮量的增加而增加，原因是施氮提高了有效穗数和穗粒数，这与前人研究结论一致［15-16］。值得注意的是，施氮量由180 kg·hm-2增至225 kg·hm-2时，小麦产量未显著提高。由此可见，在综合考虑收益与投入情况下，180 kg·hm-2施氮量是江汉平原中低产田小麦种植的最佳选择。

适宜的施氮水平可以有效提升小麦叶片叶绿素含量，从而延长叶片功能期并提升植株叶片光合速率［17］。旗叶作为重要的源器官，其代谢产物对小麦产量的形成具有重要作用［14-15］。本试验结果表明，施氮量在0～225 kg·hm-2范围内，两品种小麦旗叶SPAD 值均随施氮量的增加而增加，这与前人研究结果一致［16-19］。同时，本研究发现，扬麦23的旗叶SPAD值自孕穗期至花后21 d 在相同施氮量条件下均高于郑麦9023，但在花后21 d后迅速下降，生育后期反而均低于郑麦9023。生育后期衰老速度更快的扬麦23 在成熟期时的最终干物质积累量却低于郑麦9023，这与前人研究结论一致［20］。而产量较高的扬麦23 在不同施氮量条件下生育后期的叶绿素含量反而下降的更快，这与前人研究结果不尽相同［21］，可能与该品种小麦具有较高灌浆速率的特性有关。

干物质的积累与分配、氮素的积累与转运均与籽粒产量形成密切相关，合理的氮肥施用有助于提升干物质和氮素的转运，进而为小麦的优质高产奠定基础［22-23］。本试验中，各生育时期的小麦干物质和氮素积累量均随施氮量的增加而增加，与前人研究结果一致［24-25］。但当成熟期施氮量由180 kg·hm-2增至225 kg·hm-2时，小麦的干物质和氮素积累量并未显著提高，这可能与江汉平原地区大量降雨所导致的氮素径流、渗漏有关。同时，过量施氮虽然有利于植株氮素积累，但也可能会减少氮素向小麦穗部的转运［26］。因此，在本试验条件下，氮肥的增施不宜超过180 kg·hm-2，高于该施氮量则会降低经济收益。此外，大量研究表明，成熟期时小麦籽粒产量与植株干物质积累量和氮素积累量均呈显著正相关［27-29］。本试验在此基础上发现，成熟期时小麦籽粒产量与各器官的干物质积累量和氮素积累量均呈显著或极显著正相关，其中小麦籽粒产量与籽粒干物质积累量和氮素积累量均呈极显著正相关，这主要是因为小麦在成熟期时已完成了“源”向“库”的物质转运。两品种小麦籽粒产量与各器官成熟期干物质积累量、氮素积累量的相关性不尽一致，这可能是因为不同品种小麦“源”的供应强度有所差异。由此推测，成熟期各器官干物质和氮素积累量仍与产量密切相关，灌浆至成熟过程中各器官中维持较高的干物质和氮素积累量仍是获得较高籽粒产量的重要基础。

合理的氮肥管理模式以及氮高效品种的筛选在小麦实际生产中有着重要的指导意义［19］，前人研究发现适量减氮有利于各项氮素利用效率的提高［30-31］。本研究结果表明，施氮量由135 kg·hm-2增至225 kg·hm-2时，氮肥偏生产力、氮肥农学利用效率以及氮素收获指数同步降低，这与王永华等［29］的研究结果相同。但王兵等［32］认为，氮素收获指数受施氮水平的影响并不显著，推测与供试小麦品种及栽培环境差异有关。本研究发现，郑麦9023和扬麦23的氮肥表观利用率分别在施氮量为180 kg·hm-2和225 kg·hm-2时最高，说明扬麦23 对氮肥的利用有着更好的表现，这也与其能够保持较高的氮素积累量相佐证。此外，氮肥的各项利用效率指标反映了氮素投入的合理程度，但前人关于小麦籽粒产量与各项氮肥利用效率指标相关性的研究较少且结论不一［27，33-34］。本研究发现，两品种小麦籽粒产量与氮肥农学利用率、偏生产力以及表观利用率均呈极显著正相关，扬麦23 的籽粒产量与氮素收获指数呈显著正相关，而郑麦9023 的籽粒产量与氮素收获指数正相关性不显著，这与马献发等［33］的研究结果基本一致。但也有学者认为小麦籽粒产量与氮肥偏生产力正相关性不显著［34］，与氮素收获指数负相关性不显著［27］。本研究结果与前人对小麦籽粒产量和各项氮肥利用效率相关性的研究结果有所差异，这可能是由供试小麦品种与试验环境的不同导致的。

4 结论

综合分析可知，扬麦23 在不同施氮量条件下的产量均优于郑麦9023，主要是由于扬麦23在穗数和粒重方面表现稳定的基础上，有着更多的穗粒数，且扬麦23 对氮素有着更好的吸收利用能力。同时，施氮量为0～225 kg·hm-2时，氮素对小麦的叶绿素含量、物质积累、产量构成因素以及最终产量的形成均有着一定的调控作用。江汉平原地区中低产田小麦的科学施氮量应为180 kg·hm-2，在该施氮量条件下有助于小麦产量和氮素利用效率的协同提高。