不同降水年型与不同茬口对小麦植株氮素吸收转运与利用的影响

基金项目 国家现代农业产业技术体系（CARS-03）；河南省科技攻关项目（242102111169）。

作者简介 白冬（1989—），男，山西黎城人，硕士，助理研究员，从事小麦育种与栽培研究。

通信作者 朱统泉（1972—），男，河南确山人，硕士，研究员，从事作物遗传育种与栽培研究。

收稿日期 2024-03-28

摘要 为明确不同降水年型与小麦植株氮素吸收转运的关系，探索不同茬口的高效生产技术路径，本试验连续2年在河南驻马店农业科学院试验示范基地，研究不同降水年型和不同茬口对小麦植株氮素吸收利用、转运特性以及氮效率的影响。结果表明，丰水年较歉水年有利于大豆茬小麦植株氮素的吸收，提高小麦植株氮素的积累，促进花后积累的氮素向籽粒中运转；大豆茬和花生茬较玉米茬均可提高小麦植株含氮率，有利于小麦植株氮素积累，促进叶片和茎秆+茎鞘中的氮素向籽粒转移，提高小麦植株花前氮运转量和氮素转移率，最终增加小麦籽粒的氮效率和籽粒产量；丰水年较歉水年可明显提高不同茬口小麦植株的氮素吸收效率及氮素生产效率。不同降水年型下，大豆茬和花生茬均可促进小麦植株氮素吸收，有利于花后氮素积累向籽粒的运转，从而提高籽粒产量，最终提高小麦植株氮素利用效率，在歉水年条件下以大豆茬效果较好，丰水年条件下以花生茬效果较好。

关键词 年降水量；茬口；小麦；氮素吸收转运；氮素利用

中图分类号 S-3；S512.1" "文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2024）13-0001-06

Effects of different precipitation patterns and crop types on nitrogen uptake， transport，

and utilization in wheat plants

BAI Dong1" " CHEN Jie1" " CHEN Jianhui2" " XU Yonggui2" " YANG Yifan3" " ZHAO Lishang1" " SONG Jiajing1

SONG Quanhao1" " JIN Yan1" " ZHU Tongquan1

（1Zhumadian Academy of Agricultural Sciences， Zhumadian 463000， China;

2Henan Science and Technology Exchange Center， Zhengzhou 450003， China;

3Zhumadian Agricultural Science Experiment Station， Zhumadian 463000， China）

Abstract In order to clarify the relationship between different precipitation patterns and nitrogen uptake and transport in wheat plants， and to explore efficient production technology paths for different crop types， this experiment investigated the effects of different precipitation patterns and crop types on nitrogen uptake and utilization， transport characteristics， and nitrogen efficiency in wheat plants at the experimental demonstration base of the Zhumadian" Academy of Agricultural Sciences of Henan Province for two consecutive years. The results showed that the high water year was more conducive to the absorption of nitrogen by wheat plants after soybean cropping compared to the low water year， improving the accumulation of nitrogen in wheat plants and promoting the transport of nitrogen accumulated after flowering to the grains. Both soybean and peanut stubble could increase the nitrogen content of wheat plants compared to corn stubble， which was beneficial for nitrogen accumulation in wheat plants， promoting the transfer of nitrogen from leaves， stems and sheaths to grains， improving the pre flowering nitrogen transport and nitrogen transfer rate of wheat plants， and ultimately increasing the nitrogen efficiency and yield of wheat grains. The nitrogen absorption efficiency and nitrogen production efficiency of wheat plants with different crop types could be significantly improved in the year of abundant water compared to the year of insufficient water. Under different precipitation year types， both soybean and peanut stubbles can promote nitrogen absorption in wheat plants， which is beneficial for nitrogen accumulation and transportation to the grains after flowering， thereby increasing grain yield and ultimately improving nitrogen utilization efficiency of wheat plants. In low water years， soybean stubble has a better effect， while peanut stubble has a better effect in high water years.

Keywords annual precipitation; crops for rotation; wheat; nitrogen absorption and transport; nitrogen utilization

河南省大部分地区主要的种植制度是小麦—玉米一年两熟制，部分地区在实际生产中忽视了玉米重茬带来的土壤板结、持水力下降等问题[1-2]，是后茬小麦生产的限制因素之一。部分地区降水量不稳定，在一定程度上影响了小麦氮素利用效率，最终影响产量。因此在不同降水年型下，调整优化种植结构，将种植玉米改为种植大豆、花生等作物可以有效提高下茬小麦的产量和养分利用率，符合农业供给侧结构性改革要求[3]。不同作物的茬口效应不同，对土壤养分状况及后茬作物的生长影响也不同[4]，Arcand等[5]研究表明，豆科作物可以起到生物固氮作用，大大提高了后茬作物的经济产量。Copeland等[6]、Zhu等[7]研究了不同作物的茬口特性，指出豆类作物茬口有效肥力高，其后茬作物可提高氮素利用效率，降低氮肥投入。邵云等[8]、章家恩等[9]研究表明，花生茬口较玉米茬口具有改善土壤理化性质的优点，可促进下茬小麦植株养分的积累，提高小麦千粒重，最终提高产量。王飞等[10]发现花生茬能明显提高冬小麦干物质积累量，通过增加小麦产量构成进而提高小麦产量。杨宁等[11]认为在大豆—小麦轮作系统中，大豆能释放较多氮素满足小麦后期对氮素的需求，还可促进花后干物质和养分向籽粒中转移，进而增加小麦产量。史校艳等[12]研究发现，不同茬口可以影响小麦对氮素吸收的响应，后茬小麦的产量表现为前茬大豆＞前茬玉米。因此，大豆和花生作为冬小麦种植区的前茬作物，可以改善土壤，增强可持续的绿色生产力。此外，茬口对土壤有效水分也存在影响[13]，降水是小麦生育期水分的主要来源之一，而降水量的不稳定性对小麦生产造成了一定影响。大量研究表明降水对小麦生长发育和生产影响明显[14-16]，李森等[17]研究表明，丰水年较其他年份可提高旱地小麦植株的氮素积累量，可增加产量11.4%～15.2%。薛玲珠等[18]认为，充足的水分条件能促进旱地小麦花后氮素积累量向籽粒运转，从而提高氮素利用效率。不同茬口对小麦氮素利用及产量的影响多集中于不同栽培措施的比较，而在不同降水年型下小麦植株氮素吸收积累及转运对不同茬口响应的报道较少。为此，本研究连续2年探究了不同降水年型下小麦植株氮素吸收积累与利用对不同茬口的响应，为明确不同茬口与氮素吸收、转运的关系，以探索小麦高效生产、绿色环保的最佳技术路径，为选择合理的茬口及优化种植制度提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试品种为驻麦599，由驻马店市农业科学院提供。

1.2 试验地基本情况

试验在驻马店农业科学院试验基地进行，试验田为黄褐土，小麦生育期间无灌溉，0～20 cm土层土壤养分含量为全氮0.90 g/kg、碱解氮69.4 mg/kg、速效磷30.5 mg/kg、速效钾98.5 mg/kg、有机质10.3 g/kg，pH值为6.1。

1.3 试验设计

采用随机区组设计，前茬作物收获后晾晒土壤至播种前7 d深翻。设大豆茬（SS）、花生茬（PS）和玉米茬（CS）3个处理，小区面积19.2 m2，每处理重复3次。2018年10月13日耙耱收墒，基施纯N 234 kg/hm2，P2O5 90 kg/hm2，K2O 90 kg/hm2，10月16日播种，基本苗密度315万株/hm2，行距20 cm，机械条播，常规管理。2019—2020年度进行重复试验。

表1为试验田2018—2020年以及常年降水情况。2018—2019年总降水量偏高，属于丰水年；2019—2020年总降水量略低于常年，属于歉水年。

注：降水量数据来源于试验基地气象站；播种—越冬为10月中旬至11月下旬；越冬—拔节为12月上旬至次年2月下旬；拔节—开花为3月上旬至4月上旬；开花—成熟为4月中旬至5月下旬。

1.4 测定项目与方法

各处理分别在小麦越冬（WS）、拔节（ES）、抽穗（HS）、开花（AS）和成熟期（MS）随机取样20株，其中越冬期取整株样品，拔节期植株样品为叶片、茎秆+茎鞘2部分，抽穗期、开花期植株样品为叶片、茎秆+茎鞘和穗轴+颖壳3部分，成熟期植株样品为籽粒、叶片、茎秆+茎鞘和穗轴+颖壳4部分。样品于70 ℃烘至恒重，测定干物质量。不同生育时期的植株样本分别烘干后磨碎，用H2SO4—H2O2—靛酚蓝比色法测定各样本含氮率[19]。

1.5 数据分析

氮素运转、干物质量运转的计算公式分别参照范雪梅等[20]、赵俊晔等[21]的方法。

试验数据采用Excel 2016、SPSS 21.0软件进行统计分析、计算并绘图。

2 结果与分析

2.1 对小麦植株含氮率的影响

随小麦生育进程的推移，各生育期植株含氮率表现为先升高后降低的变化趋势，在拔节期出现峰值（图1）。由图1可以看出，丰水年较歉水年可提高大豆茬小麦植株含氮率；可提高花生茬小麦植株越冬期和拔节期含氮率，降低抽穗期、开花期和成熟期含氮率；可提高玉米茬小麦植株越冬期、拔节期、抽穗期和成熟期含氮率，降低开花期含氮率。不同降水年型下，各生育期植株含氮率均以大豆茬最高，花生茬次之，玉米茬最低。说明充足的降水量有利于大豆茬小麦植株氮素的吸收，且在小麦生育后期表现明显。

2.2 对小麦植株氮素积累量的影响

随着小麦生育进程的推进，其植株氮素积累量表现为增加趋势，成熟期达到最大（表2）。由表2可以看出，丰水年较歉水年可提高不同茬口各生育期小麦植株氮素积累量，且大豆茬和玉米茬的各生育期氮积累量差异明显（Plt;0.05），花生茬小麦植株氮素积累在越冬期、抽穗期、开花期和成熟期差异明显（Plt;0.05）。不同降水年型下，小麦植株各生育期氮素积累量均以大豆茬最高，花生茬次之，玉米茬最低，即丰水年较歉水年在不同茬口均有利于小麦植株氮素积累，且在降水量充足条件下以大豆茬较突出，而在降水量不充足条件下，不同茬口小麦植株氮素积累量提高存在差异。

注：同列不同小写字母表示处理间差异在0.05水平存在统计学意义。

2.3 对氮素在各器官中分配的影响

由表3可以看出，丰水年较歉水年可明显提高大豆茬小麦植株成熟期各器官的氮素积累量（Plt;0.05）；可明显提高花生茬小麦植株颖壳+穗轴和籽粒氮素积累量及其所占比例（Plt;0.05），明显降低花生茬小麦叶片和茎秆+茎鞘氮素积累量及其所占比例（Plt;0.05）；可明显提高玉米茬小麦植株叶片、茎秆+茎鞘的氮素积累量及其所占比例（Plt;0.05），提高籽粒氮素积累量（Plt;0.05）。在歉水年条件下，小麦植株的叶片、茎秆+茎鞘的氮素积累量及其所占比例均以玉米茬最高；颖壳+穗轴、籽粒的氮素积累量及其所占比例均以大豆茬最高；在丰水年条件下，小麦植株的叶片、茎秆+茎鞘的氮素积累量及其所占比例均以玉米茬最高，颖壳+穗轴和籽粒氮素积累量及其所占比例均以玉米茬最低。

2.4 对小麦植株氮运转量的影响

由表4可以看出，丰水年较歉水年可明显提高大豆茬和花生茬小麦植株花前氮运转量、花后氮积累量及花后氮积累对籽粒的贡献率（Plt;0.05），明显提高玉米茬小麦植株花后氮积累量和花后氮积累对籽粒的贡献率（Plt;0.05），玉米茬小麦植株花前氮运转量及花生茬小麦植株氮素转移率在丰水年和歉水年无明显差异（Pgt;0.05）。不同降水年型下，小麦植株花前氮运转量均以大豆茬最高，花生茬次之，玉米茬最低；小麦植株花后氮积累量和花后积累氮对籽粒的贡献率均以花生茬最低，玉米茬最高；植株氮素转移率以玉米茬最低。可见充足的水分条件可促进小麦植株花后积累的氮素向籽粒中运转。

注：植株花前氮运转量=开花期营养器官氮积累量－成熟期营养器官氮积累量；花前运转氮贡献率（%）=花前氮运转量/籽粒氮积累量×100；花后氮积累量=成熟期植株氮积累量-开花期植株氮积累量；花后积累氮贡献率（%）=花后氮积累量/籽粒氮积累量×100；转移率（%）=植株花前氮转移量/成熟期营养器官氮积累量×100。

2.5 对小麦植株氮效率的影响

由表5可看出，丰水年较歉水年可明显提高不同茬口小麦植株的氮素吸收效率及氮素生产效率（Plt;0.05）；明显提高花生茬小麦植株氮素收获指数（Plt;0.05）；降低大豆茬及玉米茬小麦植株氮素收获指数及氮素利用效率，且氮素利用率差异存在统计学意义（Plt;0.05）。在歉水年条件下，氮素吸收速率、氮素收获指数和氮素生产效率均以大豆茬最高，花生茬次之，玉米茬最低；氮素利用效率表现为玉米茬gt;花生茬gt;大豆茬；在丰水年条件下，氮素吸收效率以大豆茬最高，氮素收获指数和氮素利用效率由高到低依次为花生茬gt;大豆茬gt;玉米茬，氮素生产效率由高到低依次为大豆茬gt;花生茬gt;玉米茬，差异存在统计学意义（Plt;0.05）。歉水年的小麦植株氮素利用效率较高，且以大豆茬更有利于提高氮素吸收效率、氮素收获指数和氮素生产效率；丰水年的小麦植株氮素吸收效率和氮素生产效率较高，且以大豆茬更有利于提高氮素吸收效率和氮素生产效率，花生茬更有利于提高氮素收获指数和氮素利用效率。

注：氮素吸收效率（%）=植株氮积累量/施氮量×100；氮素收获指数=籽粒氮积累量/成熟期氮积累量×100；氮素利用效率（%）=籽粒产量/氮积累量×100；氮素生产效率（%）=籽粒产量/施氮量×100。

3 结论与讨论

水分是小麦植株氮素吸收和转运的关键因素之一，而不同降水年型会影响土壤水分含量，因此降水量与小麦产量高低有着密切关系。大量研究表明自然降水与作物生长密切相关，且小麦产量在一定范围内会随着降水量的升高而增加[22]，这主要是由于土壤水分的增加影响小麦干物质积累和转运，适当的土壤含水量有助于提高产量[23-24]。于琦等[25]研究表明，丰水年较其他年份可提高土壤的含水量，从而使小麦产量增加25.8%～70.0%。王秀英[26]研究指出，充足的水分可提高植株氮素积累量，最终提高小麦产量。孙敏等[27]研究表明，水分亏缺明显降低了小麦的氮素吸收量，因此丰水年可增加土壤水分，提高小麦植株的干物质量和氮素积累量，从而促进氮素由营养器官向籽粒的转移。本试验结果表明，丰水年较歉水年更有利于大豆茬小麦植株氮素的吸收，促进小麦植株花后积累的氮素向籽粒中运转，最终提高小麦植株产量，这与上述研究基本一致。

合理安排前茬作物能够有效改善土壤养分状况，促进小麦氮素吸收，提高小麦氮素利用效率。不同茬口直接影响下茬作物的生长。大豆茬和花生茬均有利于小麦植株干物质的积累和转运，且可明显提高小麦籽粒产量[8]。Kumar等[28]研究表明，豆茬作物可以优化土壤结构，促进后茬作物氮素吸收、提高后茬作物产量。范和琴等[29]研究表明，豆茬可明显提高冬小麦的氮素积累，从而提高小麦籽粒产量。张早立等[30]在大田试验中发现，花生相较于玉米茬口，可促进小麦幼苗根系生长，增强小麦叶片的光合作用和氮素利用，为增加产量奠定基础。薛华龙等[31]研究表明，花生茬口较玉米茬口可提高土壤速效氮和速效磷含量，增加土壤水分，更有利于下茬小麦养分的积累，从而提高小麦产量。本试验结果表明，大豆茬和花生茬较玉米茬均可提高小麦植株含氮率，有利于小麦植株氮素积累，还可促进叶片和茎秆+茎鞘中的氮素向籽粒转移，提高植株花前氮运转量和氮素转移率，最终增加小麦籽粒产量。

氮素利用效率是反映植物矿质养分吸收和利用能力的重要指标。本研究发现，丰水年较歉水年提高了小麦植株氮素吸收效率和氮素生产效率，但降低了氮素利用率，说明适当降低土壤含水量可以促进小麦植株氮素利用率。小麦植株的氮素利用率对大豆茬和花生茬的响应也不同，歉水年，大豆茬更有利于提高氮素吸收效率、氮素收获指数和氮素生产效率；丰水年，大豆茬更有利于提高氮素吸收效率和氮素生产效率，花生茬更有利于提高氮素收获指数和氮素利用效率。这可能是因为大豆茬能够提高冬小麦氮亏缺条件下的生长及氮素吸收转运，进而起到增产效果；花生茬能够促进冬小麦水分充足条件下的生长以及干物质量积累，提高氮素利用效率，从而达到增产。

参考文献

[1] 王传杰，肖婧，蔡岸冬，等. 不同气候与施肥条件下农田土壤微生物生物量特征与容量分析[J]. 中国农业科学，2017，50（6）：1067-1075.

[2] 张向前. 不同氮水平下玉米间作大豆和花生的效应研究[D]. 南京：南京农业大学，2013.

[3] 曾昭海. 豆科作物与禾本科作物轮作研究进展及前景[J]. 中国生态农业学报，2018，26（1）：57-61.

[4] 陈小容，雍太文，杨文钰，等. 不同种植模式下茬口对小麦季土壤养分和酶活性的影响[J]. 中国土壤与肥料，2011（6）：20-24.

[5] ARCAND M M，LEMKE R，FARRELL R E，et al. Nitrogen supply from belowground residues of lentil and wheat to a subsequent wheat crop[J]. Biology and fertility of soils，2014，50（3）：507-515.

[6] COPELAND P J，CROOKSTON R K. Crop sequence affects nutrient composition of corn and soybean grown under high fertility[J]. Agronomy journal，1992，84（3）：503-509.

[7] ZHU B，YI L X，HU Y G，et al. Nitrogen release from incorporated 15N-labelled Chinese milk vetch （Astragalus sinicus L.） residue and its dynamics in a double rice cropping system[J]. Plant and soil，2014，374（1）：331-344.

[8] 邵云，李昊烊，翁正鹏，等. 不同茬口对小麦养分利用和产量的影响[J]. 麦类作物学报，2019，39（3）：356-363.

[9] 章家恩，高爱霞，徐华勤，等. 玉米/花生间作对土壤微生物和土壤养分状况的影响[J]. 应用生态学报，2009，20（7）：1597-1602.

[10] 王飞，胡莎莎，焦念元，等. 玉米、花生及其间作茬口与施磷对冬小麦光合特性及产量的影响机制[J]. 西北植物学报，2019，39（4）：702-711.

[11] 杨宁，赵护兵，王朝辉，等. 豆科作物—小麦轮作方式下旱地小麦花后干物质及养分累积、转移与产量的关系[J]. 生态学报，2012，32（15）：4827-4835.

[12] 史校艳，王志强，谷庆昊，等. 施氮量对不同茬口冬小麦产量及氮肥利用率的影响[J]. 生态学杂志，2019，38（7）：2041-2048.

[13] 董云，张立峰，刘玉华，等. 冀西北半干旱区作物与茬口的土壤水分效应[J]. 河北农业大学学报，2018，41（2）：28-35.

[14] 高雪慧，刘强，王钧. 基于APSIM模型的陇中旱地春小麦产量对播期、施氮和降水量变化的响应模拟[J]. 麦类作物学报，2022，42（3）：371-379.

[15] 秦姗姗，侯宗建，吴忠东，等. 水氮耦合对冬小麦氮素吸收及产量的影响[J]. 排灌机械工程学报，2017，35（5）：440-447.

[16] 李月英，柳斌辉，刘全喜，等. 河北低平原气候条件对冬小麦产量的影响[J]. 麦类作物学报，2009，29（2）：330-334.

[17] 李森，魏红义，武继承，等. 不同降水年型下免耕对冬小麦氮素积累与产量的影响[J]. 农业机械学报，2021，52（6）：277-284.

[18] 薛玲珠，孙敏，高志强，等. 深松蓄水增量播种对旱地小麦植株氮素吸收利用、产量及蛋白质含量的影响[J]. 中国农业科学，2017，50（13）：2451-2462.

[19] 何照范. 粮油籽粒品质及其分析技术[M]. 北京：农业出版社，1985：290-294.

[20] 范雪梅，姜东，戴廷波，等. 花后干旱和渍水下氮素供应对小麦籽粒蛋白质和淀粉积聚关键调控酶活性的影响[J]. 中国农业科学，2005，38（6）：1132-1141.

[21] 赵俊晔，于振文. 高产条件下施氮量对冬小麦氮素吸收分配利用的影响[J]. 作物学报，2006，32（4）：484-490.

[22] 姚玉璧，王润元，杨金虎，等. 黄土高原半干旱区气候变化对春小麦生长发育的影响：以甘肃定西为例[J]. 生态学报，2011，31（15）：4225-4234.

[23] 王冀川，高山，徐雅丽，等. 不同滴灌量对南疆春小麦光合特征和产量的影响[J]. 干旱地区农业研究，2012，30（4）：42-48.

[24] 杨锦浩，李宇星，张月，等. 夜间增温对小麦干物质积累、转运、分配及产量的影响[J]. 核农学报，2022，36（11）：2295-2306.

[25] 于琦，李军，周栋，等. 不同降水年型黄土旱塬冬小麦免耕与深松轮耕蓄墒增收效应[J]. 中国农业科学，2019，52（11）：1870-1882.

[26] 王秀英. 不同水氮条件对燕麦氮素吸收转运和积累的影响[J]. 西南师范大学学报（自然科学版），2014，39（11）：101-107.

[27] 孙敏，白冬，高志强，等. 休闲期耕作对旱地麦田土壤水分与小麦植株氮素吸收、利用的影响[J]. 水土保持学报，2014，28（1）：203-208.

[28] KUMAR K，GOH K M. Management practices of antecedent leguminous and non-leguminous crop residues in relation to winter wheat yields，nitrogen uptake，soil nitrogen mineralization and simple nitrogen balance[J]. European journal of agronomy，2002，16（4）：295-308.

[29] 范合琴，杨冰美，连延浩，等. 氮肥对豆茬冬小麦氮素利用及产量的影响[J]. 麦类作物学报，2021，41（11）：1383-1391.

[30] 张早立，范合琴，李永珍，等. 花生和玉米前茬根系分泌物对冬小麦幼苗 生长及抗旱性的影响[J]. 河南农业大学学报，2020，54（3）：361-367.

[31] 薛华龙，娄梦玉，李雪，等. 施磷水平对不同茬口下冬小麦生长发育及产量的影响[J]. 中国农业科学，2021，54（17）：3712-3725.

（责编：李 媛）