监控施肥下化肥减施对小麦养分利用及根系生长的影响研究进展

李妍忠智博张磊

(1.塔里木大学农学院，新疆 阿拉尔 843300；2.新疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所，新疆 石河子 832000；3.南疆干旱区特色作物遗传改良与高效生产兵团重点实验室，新疆 阿拉尔 843300)

据统计，到2025年世界人口约为71～78亿，食物需求量将增大至70%～100%[1]，这对粮食产量要求更高，对粮食安全更加重视。在全世界范围内，小麦是重要商品粮和战略性主要储备粮，小麦作为粗粮杂食，有充足的营养价值，有利于人体健康，约35%～40%的人口以小麦作为主要食粮[2]。因此，小麦的稳定生产对于人的健康安全和社会经济发展有重大作用[3]。

近10年，中国小麦年平均播种面积为2.43×107hm2，年平均产量为4912kg·hm-2，新疆小麦播种面积也已达到15.6万hm2[4]。但新疆属于西北干旱区，气候表现为降水稀少且蒸发强烈，灌水和施肥作为关键因素对小麦产量和品质的提升具有显著作用，尤其是施肥对改良土壤理化性质，平衡土壤养分，促进作物生长和提高作物的产量和品质均有重要影响。然而化肥的过度施用，导致农田土壤环境污染加重，耕地质量下降，甚至对生态环境造成严重影响，如土壤退化、地下水硝酸盐污染、湖泊富营养化、酸雨、氨挥发等[5，6]。

随着滴灌技术的引进及大面积应用，小麦已由传统灌溉施肥模式发展为滴灌水肥一体化技术模式，具有节水、节肥、省工等优点[7]。但在推广应用中仍然存在诸多问题：缺乏滴灌栽培的专用小麦品种；过量施肥普遍存在，造成增产不增收现象；养分投入比例不平衡，重氮轻磷钾的施肥策略，导致成本增加、产量降低和养分利用效率偏低；有机肥、无机肥的施用比例不平衡，有机肥施用严重不足，耕地地力质量下降严重；水肥运筹不科学，过度强调“重头肥”、基肥(底肥)，追肥(滴施)不足，小麦早衰严重；缺乏滴灌小麦水肥协同增效调控技术模式，施肥仍沿用常规方法，灌溉与施肥技术脱离，严重制约着水肥一体化效益的发挥。水肥运筹不科学，增产节水效果在各地表现差异比较大，已成为影响监控施肥技术在当前和将来大面积应用，充分发挥其增产增效潜力的限制因素。综上，根据区域特点深入研究小麦水肥一体化水肥耦合机理和肥料运筹策略研究是解决当前水肥一体化技术不到位、肥料利用率不高的关键所在，是达到化肥减施增产增效目标的保障。

1 监控施肥下的化肥减施技术的含义与作用

2009年开展初期试验阶段至2016年中期较为成熟阶段，先后开展旱地小麦试验点，应用监控施肥技术[8]，以“作物丰产、养分高效、土壤培肥、环境友好”为目标。在小麦播种前和收获后开展土壤养分含量测定，结合目标产量的养分需求，确定小麦生长过程中所需的氮、磷、钾肥料用量，有效减少和优化肥料用量，实现小麦稳产增产，提高肥料利用率，并降低土壤硝酸盐残留。在2020年农业农村部提出“化肥零增长计划”后，应大力推行监控施肥技术，用来维持植株与土壤中氮、磷、钾素的平衡，寻找最适宜施肥量；既能解决肥料利用率低的问题，还能保证作物获得更高的籽粒产量[9]，同时还能满足土壤培肥和保护生态环境的需要。这对认识和指导新疆不同灌区的小麦养分管理和完善灌溉小麦生产中的科学施肥技术有重要意义。

2 化肥减施对小麦养分吸收的影响

小麦是一种密植作物，生育期短，对养分的需求量较为集中[10]。而养分吸收是小麦干物质积累的基础，干物质积累是产量形成的前提[11]。研究表明，小麦的植株干物质积累量会随施肥量增加而减小，因此过量施肥会抑制干物质积累[12]。其中，氮肥是对小麦影响最大的元素之一，缺氮和过量施氮都会抑制小麦地上部生长[13]。监控施肥处理下小麦的籽粒、茎叶和颖壳的含氮量显著高于常规施肥处理[14]。在一定范围内随化肥施用量增加，有效小穗数、穗长也在不断增长，产量也在明显提高[15]，超出有效范围产量增加不显著，甚至降低[16]。化肥减施会使滴灌小麦干物质积累量增加，从而表现出最佳的稳产和增产效应[17]。因此适量减施化肥对滴灌小麦的各器官和植株的干物质积累具有促进作用[18]。在新疆地区实行监控施肥技术，合理减施化肥有利于优化群体结构，最终能够提高小麦籽粒产量[19]。但有学者提出相反结论，认为化肥减施不利于植株氮磷钾的养分含量积累，因施肥量无法达到小麦生长过程中的养分需求，无法提高籽粒产量，且减肥处理的小麦长势明显弱于常规处理[20]，有此差异的主要原因可能为，其设置的常规处理和减施处理的施肥量，与监控施肥下的化肥减施设置的施肥量不相符，适量减少化肥施用量不仅能够提高产量，而且显著提升化肥利用率[21]，同时增加小麦的化肥贡献率、化肥偏生产力和化肥农学效率，增大生产经济效益，具有较高的产投比。

3 化肥减施对小麦土壤养分变化的影响

小麦种植过程中，合理施肥可以使其生长的更好，产量得到提高，并具有良好的经济和生态效益。而过量施肥会使小麦的生长前期土壤耗水量加大，肥料利用率降低，导致土壤中大量硝酸盐累积[22]，农田土壤N2O排放量增加[23]，残留的硝酸盐因其具有高流动性而易于沥滤到更深土层[24]，硝酸盐浸出以及地下水污染将成为新的问题[25]，最终破坏农田土壤环境和粮食生产的可持续性[26]。目前调控作物收获后土壤的化肥残留是实现农业与生态环境可持续发展的关键，作物高产和减少化肥残留应相辅相成，根据土壤供氮能力施肥是实现这一目标的基本原则。

研究表明，化肥中仅有20%～50%的氮和30%～45%的磷能够被作物吸收，其他剩余部分将以硝酸盐形式损失[27]。当作物收获期时根层土壤氮含量为30～50kg·hm-2时，就能够避免发生硝态氮淋溶[28]。实施监控施肥技术可以降低土壤硝态氮累积残留和淋溶[8]。优化施氮能够避免深层土壤中硝态氮的累积，减少氮盈余[29]，使收获期0～100cm土层残留的土壤硝态氮控制在55kg·hm-2的安全阈值内。然而，磷肥与氮肥不同，施入土壤后，磷肥的当季利用率较低，未被利用的剩余部分，将以不同形态的磷酸盐积累在土壤剖面中，累积在土壤中的磷后效作用很高。合理施用磷肥能够降低土壤磷素残留[30]。当土壤有效磷含量超过满足小麦作物磷素需求时，增施磷肥不能增产[31]。通常在不同的地块里土壤速效磷含量反应不同，当在速效磷含量较低的地块时，施用磷肥可以提高籽粒产量，但在速效磷含量较高的地块，地块土壤本身能够满足作物磷素需求，无法吸收外界所提供的磷肥时，施磷对籽粒产量影响不显著。

目前随着钾肥的储量有限，钾肥资源也将逐步下降。通常钾肥价格较高，若过量施钾会降低农户经济成本。但钾肥具有增产和抗倒伏的作用，因此科学合理的施用钾肥对小麦具有重要作用。由于大部分农田的土壤含有丰富的钾素，作物对钾素满足率相对较高，钾肥的当季利用率通常也较高，一般不需要大量施用钾肥便可以满足作物高产优质的需求[32]。为了维持土壤中钾素对植物的有效供应，必须保证使土壤速效钾稳定在一定的水平。监控施肥技术下的施钾量较低，土壤中的速效钾含量便会降低，其施钾增产效应和钾肥利用率就越高。

另外，从环境安全角度出发，盈余的化肥会累积在土壤剖面，形成危险的生态环境隐患[33]。因此需探究不同施肥量对作物生长及土壤养分积累的影响，找到适宜的施肥量，合理施肥是农业高产高效和可持续发展的必然要求。监控施肥下减施化肥不会因长期忽视土壤监测而造成硝态氮、铵态氮、速效磷、速效钾等大量累积和淋溶的隐患。因此，迫切需要开展监控施肥技术的探究，这对土壤安全和粮食安全的意义重大。

4 化肥减施对根系的影响

根系是小麦的重要器官之一，其主要作用是吸收水分和养分，也是多种激素、氨基酸和有机质合成的重要场所[34]，在植株-土壤生态系统中具有重要作用。通过施肥方式或栽培措施能够缓解根系衰老，提高根系生理活性进而提高小麦产量[35]。通常合理的施用化肥和适当的灌溉技术能够调节小麦根系生长，增强根系活力。施用化肥能够加快小麦地上部的生长发育，扩根群，提升根质量，增强根系功能；但过高或过低的肥料施用量对小麦的根系生长没有明显的促进作用，反而导致肥料资源浪费[36]。肥料是农业生产力的基础，是重要的农业生产资料，农业生产力的水平可以反映出小麦根系的分布特征，生产力水平越高，根系为“宽深型”高产根型，生产力水平越低，根系为“窄浅型”低产根型，旱地小麦的根型通常为高产根[37]。小麦根系属于须根系，其根系发达，一般可延伸至土层100cm或更深，呈“T”字形分布，根系生长曲线呈“S”型。小麦根系在生育早期生长较为缓慢，在中期持续生长较快，在后期生长变得缓慢甚至出现下降的趋势。根系活力能够反映出作物吸收养分能力的强弱，在小麦植株中，大多数根系对硝态氮的吸收利用更加明显；根系活力越高，养分吸收能力越强。适量施肥能显著提高根系活力；但施肥过量便会抑制根系活力[38]。化肥减施能够促进根系发育，进而更高效地稳定小麦的产量构成因素达到高产的目的。在施肥过量的条件下，根系生长发育会受到抑制，在化肥亏缺时，会降低根系数量导致产量下降；只有合理施肥才能够助于根系生长并蔓延至深土层中，提高抗倒伏性并达到高产。与过量的施肥处理相比，适当降低施肥量，对小麦根系生物量具有促进作用[39]。因此，在农业生产中应根据小麦对化肥的不同适应性，合理进行肥料的调控，适当减施化肥，提高小麦根系活力，使小麦的养分吸收能力有所提高，进而增加小麦产量。

5 结论与展望

新疆是我国西北干旱地区，降水量少，实行水肥一体化滴灌种植小麦具有大量优点，但目前农户仍然根据传统的小麦施肥栽培模式，充分灌溉、投入大量化肥，劳动力度大。传统施肥方式会导致费时、费财、费力，增加了劳动成本，还会造成肥料资源浪费和环境污染。近年来，化肥的价格有很大提升，如果坚持使用传统的施肥方式，农户施用大量化肥、人力、财力来实现小麦高产，从根本上将无法达到最大经济效益。为此提出监控施肥模式，这种监控施肥模式，从农户的角度，既能够减少成本，还能够达到更高的产量和高收益、高收入。从农业环境角度，在根源上减少了地下水污染，最大程度的降低土壤污染，将土壤中的残留物减少到最低。从人体健康角度，化肥减施后将减少对人类健康的危害性。

本文综述了监控施肥下的化肥减施对滴灌春小麦的影响研究进展，从合理的化肥减施角度得出以下结论，合理的化肥减施对滴灌春小麦生长是有利影响，合理的化肥减施会使春小麦根系生物量和根系活力增强，从而促进干物质积累量和养分吸收作用，通过加快养分吸收和增加干物质积累量最终实现高产。化肥减施能够将土壤中的硝态氮、铵态氮、速效磷、速效钾的含量降低，从而降低残留量，避免造成淋溶损失；最终达到减少化肥施用量，加快小麦生长；稳定或增加小麦籽粒产量，提高化肥利用效率。

氮肥、磷肥和钾肥是春小麦生长过程中的必需元素，合理的共同施用氮、磷、钾肥才对小麦的生长过程有最佳的促进作用。目前在新疆干旱冷凉区使用监控施肥下化肥减施模式，研究3种元素肥料共同施用于滴灌春小麦的学者仍然较少。在将来的农业生产中监控施肥下化肥减施将会被推行使用，因其优点远大于传统施肥，不论氮、磷、钾肥都应节制施用，为农业可持续发展作出贡献。