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基于旱地小麦高产优质的氮肥用量优化

惠晓丽 马清霞 王朝辉 张翔 罗来超

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基于旱地小麦高产优质的氮肥用量优化

    作者简介: 惠晓丽E–mail:xlhui0703@163.com;;†马清霞 E–mail:1821137433@qq.com;
    通讯作者: 王朝辉, E-mail:w–zhaohui@263.net
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2018YFD0200400)、现代农业产业技术体系专项(CARS–3)。

Optimization of nitrogen rate based on grain yield and nutrient contents in dryland wheat production

    Corresponding author: WANG Zhao-hui, E-mail:w–zhaohui@263.net ;
  • 摘要: 【目的】探讨长期定位施氮条件下小麦产量与籽粒养分含量的变化,及其与土壤硝态氮、有效磷和速效钾的变化,为旱地小麦合理施用氮肥,维护土壤肥力,提高产量和改善品质提供理论依据。【方法】本研究基于2004年在黄土高原开始的长期定位施肥试验,2015-2017连续三年取样,研究了施氮量对土壤硝态氮、有效磷、速效钾含量,小麦氮磷钾素吸收利用,籽粒氮、磷、钾含量,地上部生物量、籽粒产量及其构成的影响。【结果】与不施氮相比,长期施氮小麦平均增产67.1%,生物量提高52.0%,收获指数提高9.5%。穗数和穗粒数分别提高32.5%和40.0%,千粒重下降7.1%。施氮量与产量、生物量呈抛物线关系,获得最高产量6587 kg/hm2的施氮量为N 215 kg/hm2。籽粒氮含量随施氮量增加而增加,磷含量降低,钾含量无显著变化。土壤硝态氮含量与施氮量呈显著正相关,小麦获得最高产量时播前和成熟期硝态氮含量分别为7.2和10.3 mg/kg;有效磷含量随施氮量增加而降低,速效钾无显著变化。氮收获指数、生理效率、偏生产力、农学效率均随施氮量增加而降低,分别降低1.7%、8.6 kg/kg、17.8 kg/kg和6.8 kg/kg。【结论】综合考虑小麦的籽粒产量和籽粒关键养分含量,研究区域旱地冬小麦产量目标应为6300 kg/hm2,施氮量为N 150 kg/hm2、施磷量为P2O5100 kg/hm2,播前或收获期表层土壤 (0-20 cm) 保持在硝态氮为6.0~8.0 mg/kg,土壤有效磷为12.0~15.0 mg/ kg,速效钾为139~140 mg/kg。
  • 图 1  三年休闲期和冬小麦生长季降水量

    Figure 1.  Precipitation during fallow and growing seasons of winter wheat in 3 years

    图 2  长期不同氮用量条件下冬小麦产量、收获指数、生物量

    Figure 2.  Grain yield,biomass and harvest index of winter wheat under long-term application of different N rates

    图 3  长期不同氮用量条件下冬小麦穗数、穗粒数和千粒重的影响

    Figure 3.  Spike number,kernels per spike and 1000-grain weight of winter wheat under long-term application of different N rates

    图 4  长期不同氮用量条件下小麦籽粒养分含量

    Figure 4.  Grain N,P,and K concentrations of winter wheat under long-term application of different N rates

    图 5  长期不同施氮量对土壤硝态氮含量的影响

    Figure 5.  Effect of long-term application of different N rates on soil nitrate N concentration

    图 6  长期不同施氮量对土壤有效磷含量的影响

    Figure 6.  Effect of long-term application of different N rates on soil available P concentration

    图 7  长期不同施氮量对土壤速效钾含量的影响

    Figure 7.  Effect of long-term application of different N rates on soil available K concentration

    图 8  施氮量、产量及土壤硝态氮含量之间的关系

    Figure 8.  The relationship among N rates,yields and soil nitrate N concentrations

    表 1  长期氮用量试验开始时0-20 cm供试土壤的基本性状

    Table 1.  Basic properties of the 0–20 cm layer soil at initiation of the long-term N application experiment

    处理
    Treatment
    pH有机质 (g/kg)
    Organic matter
    全氮 (g/kg)
    Total N
    有效磷 (mg/kg)
    Olsen-P
    速效钾 (mg/kg)
    NH4OAc-K
    矿质氮Inorganic N(mg/kg)
    NO3-NNH4+-N
    初始土壤 (2004)
    Initial soil
    8.313.81.115182.45.42.4
    N08.215.00.920139.81.60.7
    N808.214.80.921131.44.10.4
    N1608.215.21.013132.86.40.7
    N2408.214.71.014123.97.20.5
    N3208.216.21.019131.310.1 1.0
    注(Note):2004 年指试验开始前土壤基本性状,其他数据为 2017 年播前土壤的相关数据。处理均为在施磷 P2O5 100 kg/hm2 基础上设置不同氮用量,以“N+ 施氮量”的形式表示。Data in the row of 2004 are the basic soil properties in October 2004 when the long–term N application experiment was initiated,and others are that measured in October 2017. Treatments were defined as “N+ number”,which means N plus its application rate in the unit of N kg/hm2 with application of P2O5100 kg/hm2.
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    表 2  长期不同施氮量处理小麦氮、磷、钾素吸收利用率

    Table 2.  N,P and K uptake and utilization of wheat affected by long-term application of different N rates

    氮用量
    N rate
    (kg/hm2)
    吸收量
    Uptake
    (kg/hm2)
    收获指数
    Harvest index
    (%)
    生理效率
    Physiological efficiency
    (kg/kg)
    100 kg籽粒养分需求量
    Nutrient requirement for 100 kg grain
    (kg 100 /kg)
    氮肥偏生产力
    Partial factorproductivity
    (kg/kg)
    氮肥农学效率
    Agronomicefficiency
    (kg/kg)
    N
    062.00 c81.6 a59.2 a1.7 d
    80131.29 b 80.1 a46.7 b2.2 c73.7 a28.2 a
    160182.70 a 77.0 b34.8 c2.9 b38.8 b16.0 b
    240190.65 a 76.8 b 33.4 cd 3.0 ab26.1 c10.9 c
    320185.29 a 77.2 b32.7 d3.1 a18.7 d 7.4 c
    P
    014.30 b86.3 b249.7 b 0.42 a
    8018.36 a88.2 a326.3 a 0.31 b
    16019.79 a85.9 b323.3 a 0.32 b
    24019.51 a85.1 b331.9 a 0.31 b
    32018.82 a85.2 b327.0 a 0.31 b
    K
    050.15 c29.2 a 74.3 ab1.4 b
    8083.24 b26.1 b76.8 a1.4 b
    16097.42 a23.5 c69.9 b1.5 a
    240 92.46 ab 24.1 bc 72.2 ab 1.5 ab
    320 86.63 ab 24.3 bc 72.8 ab 1.4 ab
    注(Note):氮肥偏生产力和氮肥农学效率均以 N 为基础表示 Partial factor productivity and agronomic efficiency for N fertilizer are all expressed on the basis of N; 同列数据后不同小写字母表示不同施氮量处理间差异显著 Values followed by different lowercase letters indicate significant difference among different N treatments (P < 0.05).
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    [9] 党廷辉郭胜利郝明德 . 旱地冬小麦氮磷自然供给能力及其吸收氮磷来源的长期定位试验. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2001.0208
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    [11] 李廷亮谢英荷洪坚平刘丽萍孟会生邓树元单杰孙丞鸿 . 追氮和垄膜沟播种植对晋南旱地冬小麦氮素利用的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2011.1043
    [12] 黄明王朝辉罗来超王森曹寒冰何刚刁超朋 . 垄覆沟播及施肥位置优化对旱地小麦氮磷钾吸收利用的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.17463
    [13] 刁超朋王朝辉李莎莎刘璐王森黄宁 . 旱地高产小麦品种籽粒氮含量差异与氮磷钾吸收利用的关系. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.17252
    [14] 李莎莎王朝辉刁超朋王森刘璐黄宁 . 旱地高产小麦品种籽粒锌含量差异与氮磷钾吸收利用的关系. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.18003
    [15] 门中华李生秀 . 钼对冬小麦硝态氮代谢的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2005.0212
    [16] 李莎莎王朝辉刁超朋王森刘璐黄宁 . 旱地高产小麦品种籽粒锌含量差异与产量构成和锌吸收利用的关系. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.17341
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    [19] 屈会峰赵护兵刘吉飞黄鸿博王朝辉翟丙年 . 不同覆盖措施下旱地冬小麦的氮磷钾需求及其生理效率. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.16466
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-09
  • 网络出版日期:  2020-02-13

基于旱地小麦高产优质的氮肥用量优化

    作者简介:惠晓丽E–mail:xlhui0703@163.com;
    作者简介:†马清霞 E–mail:1821137433@qq.com
    通讯作者: 王朝辉, w–zhaohui@263.net
  • 1. 西北农林科技大学资源环境学院/农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西杨凌 712100
  • 2. 西北农林科技大学/旱区作物逆境生物学国家重点实验室,陕西杨凌 712100
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2018YFD0200400)、现代农业产业技术体系专项(CARS–3)。
  • 摘要: 【目的】探讨长期定位施氮条件下小麦产量与籽粒养分含量的变化,及其与土壤硝态氮、有效磷和速效钾的变化,为旱地小麦合理施用氮肥,维护土壤肥力,提高产量和改善品质提供理论依据。【方法】本研究基于2004年在黄土高原开始的长期定位施肥试验,2015-2017连续三年取样,研究了施氮量对土壤硝态氮、有效磷、速效钾含量,小麦氮磷钾素吸收利用,籽粒氮、磷、钾含量,地上部生物量、籽粒产量及其构成的影响。【结果】与不施氮相比,长期施氮小麦平均增产67.1%,生物量提高52.0%,收获指数提高9.5%。穗数和穗粒数分别提高32.5%和40.0%,千粒重下降7.1%。施氮量与产量、生物量呈抛物线关系,获得最高产量6587 kg/hm2的施氮量为N 215 kg/hm2。籽粒氮含量随施氮量增加而增加,磷含量降低,钾含量无显著变化。土壤硝态氮含量与施氮量呈显著正相关,小麦获得最高产量时播前和成熟期硝态氮含量分别为7.2和10.3 mg/kg;有效磷含量随施氮量增加而降低,速效钾无显著变化。氮收获指数、生理效率、偏生产力、农学效率均随施氮量增加而降低,分别降低1.7%、8.6 kg/kg、17.8 kg/kg和6.8 kg/kg。【结论】综合考虑小麦的籽粒产量和籽粒关键养分含量,研究区域旱地冬小麦产量目标应为6300 kg/hm2,施氮量为N 150 kg/hm2、施磷量为P2O5100 kg/hm2,播前或收获期表层土壤 (0-20 cm) 保持在硝态氮为6.0~8.0 mg/kg,土壤有效磷为12.0~15.0 mg/ kg,速效钾为139~140 mg/kg。

    English Abstract

    • 小麦是世界主要粮食作物,2016年全球种植超过220万公顷,产量占世界粮食总产的1/3[1]。中国是世界上小麦总产最高,消费量最大的国家,种植面积占粮食作物总面积的22%,产量占总产的20%以上。随着人口增加和生活水平提高,对小麦需求不断增加,实现小麦高产优质,满足消费需求至关重要。从1978年到2016年,我国氮肥消量增加147%,小麦增产139%,单产增加189%[2]。我国现阶段小麦的氮肥利用率平均为35%[3],单施氮肥对产量的贡献率仅为27.1%[4]。过量氮肥投入和肥料利用率低是造成环境安全问题的主要原因之一。

      研究表明,土壤肥力与施氮量显著相关。在河南禹州,连续4年氮肥定位试验表明,施氮 (N) 量 < 180 kg/hm2时,长期施氮有机质呈下降趋势;超过N 180 kg/hm2,随施氮量增加有机质含量增加[5]。在陕西杨凌,与19年不施氮处理相比,施N 165 kg/hm2显著增加了土壤矿质氮含量,小麦拔节、开花和成熟期增幅分别为239%、70%和62%,收获后土壤硝态氮显著提高,30-40 cm土层达21.3 mg/kg,提高19.6 mg/kg [6]。河南禹州,在最适施N 180 kg/hm2时,拔节、开花和成熟期0-30 cm硝态氮因品种而异,豫麦198为10.3、15.0、10.0 mg/kg,周麦16为8.7、13.3、10.9 mg/kg,分别比对照提高2.0%、9.6%、47.1%和38.1%、56.5%、20.0%[7]。克罗地亚的田间试验表明,施氮显著增加了小麦–玉米轮作中土壤硝态氮含量,施N 100~300 kg/hm2,土壤硝态氮平均为19.8~54.4 mg/L[8]。合理施用氮肥是小麦增产提质的关键。文献分析表明,产量与施氮量呈抛物线关系,黄土高原64%区域施氮量在N 100~300 kg/hm2,平均产量为5000~9000 kg/hm2。施N 247.6 kg/hm2可实现最高产量7203 kg/hm2[9]。巢湖流域N 210 kg/hm2增产64.8%,施氮超过N 291 kg/hm2,产量下降[10]。黄淮海平原小麦最适施氮量为N 202 kg/hm2,产量为最大产量97.4%[11]。安徽淮北田间试验表明,小麦蛋白质含量与施氮量呈显著线性正相关,施氮量每增加N 60 kg/hm2,烟农19和皖麦50蛋白质含量平均增加1.0 kg/hm2[12]。也有报道,小麦籽粒蛋白质含量与施氮量间呈线性–平台或二次函数关系,麦–玉、稻–麦轮作和北方旱作冬麦区,施氮量为N 230、150、134 kg/hm2时,籽粒蛋白质达最高含量,分别为14.3、12.5、13.0 kg/hm2[13]。安徽沿淮稻–麦轮作区发现,施N 270 kg/hm2时籽粒蛋白质含量最高为12.4 kg/hm2,过多氮肥对品质的改善作用降低[14],有研究表明小麦籽粒蛋白质含量也与遗传有关[15]

      可见,关于小麦氮肥施用的研究主要集中在施氮量与产量及品质,施氮量与土壤肥力、氮素残留或环境问题等方面,缺乏基于定位试验,从长期的角度系统分析评价施氮量、土壤养分水平、小麦产量、矿质营养品质之间的关系,优化氮肥用量的综合研究。为此,本文基于氮用量长期定位试验,分析了氮肥用量引起的冬小麦产量与产量构成变化,冬小麦氮磷钾养分含量与吸收利用变化和土壤氮磷钾有效养分的变化。目标在于明确黄土高原旱地条件下氮肥用量与土壤氮素变化、冬小麦产量及矿质营养品质之间的关系,为旱地小麦合理施肥与绿色生产提供科学依据。

      • 田间试验位于陕西杨凌西北农林科技大学试验站 (34°16′ N、108°04′ E),属黄土高原南部典型旱地麦区,地处渭河三级阶地、地势平坦,海拔为525 m,多年平均气温12.9℃,三年 (2015-2017) 平均降水量为562 mm,且降水有40.1%分布在7、8、9月冬小麦收获后的夏季休闲期 (如图1),年蒸发量为1400 mm。当地农作物生产主要依赖自然降水,属典型的旱作雨养农业区。供试土壤为土垫旱耕人为土,土壤基础理化性状如表1。本研究基于始于2004年10月的长期定位试验,在2015-2017年取样分析。

        图  1  三年休闲期和冬小麦生长季降水量

        Figure 1.  Precipitation during fallow and growing seasons of winter wheat in 3 years

        表 1  长期氮用量试验开始时0-20 cm供试土壤的基本性状

        Table 1.  Basic properties of the 0–20 cm layer soil at initiation of the long-term N application experiment

        处理
        Treatment
        pH有机质 (g/kg)
        Organic matter
        全氮 (g/kg)
        Total N
        有效磷 (mg/kg)
        Olsen-P
        速效钾 (mg/kg)
        NH4OAc-K
        矿质氮Inorganic N(mg/kg)
        NO3-NNH4+-N
        初始土壤 (2004)
        Initial soil
        8.313.81.115182.45.42.4
        N08.215.00.920139.81.60.7
        N808.214.80.921131.44.10.4
        N1608.215.21.013132.86.40.7
        N2408.214.71.014123.97.20.5
        N3208.216.21.019131.310.1 1.0
        注(Note):2004 年指试验开始前土壤基本性状,其他数据为 2017 年播前土壤的相关数据。处理均为在施磷 P2O5 100 kg/hm2 基础上设置不同氮用量,以“N+ 施氮量”的形式表示。Data in the row of 2004 are the basic soil properties in October 2004 when the long–term N application experiment was initiated,and others are that measured in October 2017. Treatments were defined as “N+ number”,which means N plus its application rate in the unit of N kg/hm2 with application of P2O5100 kg/hm2.
      • 田间试验采用单因素完全随机区组试验设计,在施P2O5 100 kg/hm2的基础上,设置N 0、80、160、240和360 kg/hm2 5个氮水平,每个处理重复4次,以普通尿素 (N含量46%) 为氮源,重过磷酸钙 (P2O5含量46%) 为磷源,无其他肥料施入,肥料均作基肥于冬小麦播前撒施、旋耕与0—20 cm根层土壤混匀。肥料用量包含了当地农户较高和较低用量。小区面积为40 m2,冬小麦品种为小偃22,2014–2015、2015–2016和2016–2017年播量分别为135、135和125 kg/hm2,行距15 cm,播深为5 cm。每年10月中旬播种,次年6月初收获。耕作制度为冬小麦–夏休闲,小麦生育期无灌溉,田间管理与当地农户一致。

      • 采用样方计产法,在小麦成熟时,避开边界区域,每个小区随机均匀选取4个1 m2 (1 m × 1 m) 的样方作为计产区,收割地上部,自然风干后机械脱粒,称取籽粒风干样重,并取100 g左右在65℃下烘至恒重,测定含水量,计算籽粒产量 (以干重表示)。同时,采用盲抽法[16],在每个小区的采样区随机抽取100穗的小麦植株,连根拔起,剪去根系,地上部分为穗和茎叶,分别装入网袋,作为分析样品。植株样带回后自然风干,人工脱粒,穗分为籽粒和颖壳,取部分茎叶、颖壳、籽粒用自来水清洗3次、去离子水洗3次后,90℃杀青30 min,65℃烘至恒重,测定风干样品含水量。烘干样用碳化钨球磨仪 (Retsch MM400,德国) 粉碎,密封保存,用于测定养分含量。

        土壤样品采集:于小麦播前、拔节、开花和成熟期,在每个小区5个点,以0—20 cm为一层,采集0—40 cm的土壤,同层样品剔除杂物、混匀,取500 g作为一个分析样品,剩余土壤按层次回填各取样点,并压实。除鲜样测定外,剩余土样风干,过1 mm和0.15 mm筛保存,用于养分测定。

      • 植物样品用H2SO4–H2O2消解,全氮全磷用连续流动分析仪测定,全钾用火焰光度计测定。

        土壤样品测定:采用烘干法测定含水量[14]。称取5.00 g鲜土,加入1 mol/L KCl溶液50 mL,180 rps下震荡1 h,过滤后用连续流动分析仪 (AA3,德国) 测定硝态氮和铵态氮。播前土样有机质采用重铬酸钾容量法—外加热法测定;pH用水土比2.5∶1浸提,pH计测定;全氮采用浓硫酸消煮,连续流动分析仪测定;有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提,连续流动分析仪测定;速效钾用1 mol/L中性NH4OAc溶液浸提,火焰光度计法测定[17]

      • 地上部养分吸收量 (kg/hm2) = (籽粒养分含量 × 籽粒产量 + 茎叶养分含量 × 茎叶生物量 + 颖壳养分含量 × 颖壳生物量)/1000[18]

        肥料偏生产力 (kg/kg) = 施肥小区作物产量/施肥量

        养分收获指数 (%) = 籽粒养分吸收量/地上部养分吸收量 × 100[19]

        养分生理效率 (kg/kg) = 产量/地上部养分吸收量

        养分需求量 (kg/1000 - kg grain) = 地上部养分吸收量/产量 × 1000

        氮肥农学效率 (kg/kg) = (施氮区产量 − 缺氮区产量)/施氮量[20]

        试验数据处理和图表制作采用Microsoft Excel 2007,统计分析采用SPSS Statistics 22.0,

        多重比较采用LSD法,差异显著水平为0.05(P < 0.05)。

      • 施氮量对旱地小麦产量和生物量有显著影响 (图2)。与不施氮相比,施N 80、160、240和320 kg/hm2产量和生物量平均分别提高61.9%、70.3%、71.6%、64.6%和48.8%、57.8%、55.7%、45.8%。回归分析表明,三年平均产量和生物量均随施氮量增加呈抛物线变化,施N 215和198 kg/hm2时,达最高产量6587 kg/hm2和最大生物量14344 kg/hm2,比不施氮增加80.8%和60.7%。

        图  2  长期不同氮用量条件下冬小麦产量、收获指数、生物量

        Figure 2.  Grain yield,biomass and harvest index of winter wheat under long-term application of different N rates

        施氮显著提高了小麦收获指数 (图2),不施氮时收获指数平均为41.4%,施N 80、160、240和320 kg/hm2,三年平均分别为44.6%、44.6%、45.6%和46.6%,平均增加9.5%。收获指数随施氮量增加呈显著二次函数变化,施N 320 kg/hm2时,收获指数最大为46.7%。

        可见,施氮显著增加了小麦产量、生物量和收获指数,但施N量超过80 kg/hm2时,产量和生物量增加不再显著。

      • 旱地小麦穗数和穗粒数显著受施氮量影响 (图3)。与不施氮相比,施N 80、160、240和320 kg/hm2,每公顷穗数平均分别增加114、141、134、96万个,穗粒数增加7、10、10、12粒/穗。穗数、穗粒数与施氮量呈显著二次回归关系,施N 202和222 kg/hm2时有最大穗数为每公顷522万个、穗粒数为35粒/穗。小麦千粒重随施氮量的增加而降低 (图3),与不施氮相比,施氮的小麦千粒重降低2.6%~9.5%。千粒重与施氮量亦呈抛物线关系,施N 266 kg/hm2时,千粒重最小为36 g。小麦基本苗随施氮量增加无显著变化 (图3)。

        图  3  长期不同氮用量条件下冬小麦穗数、穗粒数和千粒重的影响

        Figure 3.  Spike number,kernels per spike and 1000-grain weight of winter wheat under long-term application of different N rates

        因此,施氮增加了小麦穗数和穗粒数,降低了小麦千粒重,基本苗无显著影响。施氮量超过N 160 kg/hm2时,各施氮量间穗数,穗粒数和千粒重差异不再显著。

      • 施氮对旱地冬小麦籽粒氮含量有显著影响 (图4)。与不施氮相比,施N 80、160、240和320 kg/hm2时,籽粒氮含量分别为17.5、22.3、23.1和23.7 g/kg,平均增加26.3%~71.0%。籽粒氮含量与施氮量呈极显著抛物线关系,施氮量为N 320 kg/hm2,氮含量最高为23.7 g/kg。

        图  4  长期不同氮用量条件下小麦籽粒养分含量

        Figure 4.  Grain N,P,and K concentrations of winter wheat under long-term application of different N rates

        籽粒磷钾含量随施氮量的变化与氮不同 (图4)。与不施氮相比,施N 80、160、240和320 kg/hm2时,籽粒磷含量分别为2.8、2.7、2.6和2.7 g/kg,降低22.6%~26.8%;钾含量分别为3.5、3.5、3.4和3.4 g/kg,降低12.2%~14.5%。籽粒磷钾含量与施氮量间呈显著抛物线关系,施N 223 kg/hm2,磷含量有最小值2.6 g/kg;施N 256 kg/hm2,钾含量最小为3.3 g/kg。可见,氮肥投入增加了籽粒氮含量,降低了磷钾含量。

      • 与不施氮相比,长期施氮显著提高小麦吸氮量 (表2),施氮时吸氮量介于131.3~190.7 kg/hm2,比对照提高112%~206%;吸氮量与施氮量间呈极显著二次函数关系 (y(N) = –0.002x2 + 1.071x + 61.658 R2 = 0.649**),施N 268 kg/hm2时,有最大吸氮量205.0 kg/hm2。施氮显著降低冬小麦氮收获指数,施氮时氮收获指数介于76.8%~80.1%,比对照降低1.8%~5.9%;氮收获指数与施氮量呈抛物线关系 (y(N) = 0.0000747x2– 0.039x + 81.964,R2 = 0.116*),施氮量为N 261 kg/hm2时,收获指数最小值,为76.9%。氮生理效率亦随施氮量增加而降低,施氮时氮生理效率介于32.7~46.7 kg/kg,比对照降低21.1~44.8%;生理效率与施氮量呈极显著二次曲线关系 (y(N) = 0.0004x2 – 0.204x + 59.447,R2 = 0.838**),施N 255 kg/hm2,生理效率有最小值33.4 kg/kg。施氮显著增加了小麦需氮量,施氮时需氮量介于2.2~3.1 kg/100 kg,比对照提高29.4%~82.4%;需氮量与施氮量呈极显著正相关 (y(N) = 0.005x + 1.859,R2 = 0.689**),施氮量介于0~320 kg/hm2时,施氮量每增加N 100 kg/hm2,需氮量增加0.5 kg/100 kg。随着施氮量增加,氮肥偏生产力显著降低。施氮时偏生产力介于18.7~73.7 kg/kg;氮肥偏生产力与施氮量呈极显著线性负相关 (y(N) = –0.222x + 83.736,R2 = 0.798**),施氮量介于0~320 kg/hm2时,施氮量每增加N 100 kg/hm2,偏生产力降低22.2 kg/kg。随施氮量增加,氮肥农学效率亦显著降低,施氮时农学效率介于7.4~28.2 kg/kg;农学效率与施氮量呈极显著负相关 (y(N) = –0.085x + 32.504,R2 = 0.540**),施氮量介于0~320 kg/hm2时,施氮量每增加N 100 kg/hm2,农学效率降低8.5 kg/kg。

        表 2  长期不同施氮量处理小麦氮、磷、钾素吸收利用率

        Table 2.  N,P and K uptake and utilization of wheat affected by long-term application of different N rates

        氮用量
        N rate
        (kg/hm2)
        吸收量
        Uptake
        (kg/hm2)
        收获指数
        Harvest index
        (%)
        生理效率
        Physiological efficiency
        (kg/kg)
        100 kg籽粒养分需求量
        Nutrient requirement for 100 kg grain
        (kg 100 /kg)
        氮肥偏生产力
        Partial factorproductivity
        (kg/kg)
        氮肥农学效率
        Agronomicefficiency
        (kg/kg)
        N
        062.00 c81.6 a59.2 a1.7 d
        80131.29 b 80.1 a46.7 b2.2 c73.7 a28.2 a
        160182.70 a 77.0 b34.8 c2.9 b38.8 b16.0 b
        240190.65 a 76.8 b 33.4 cd 3.0 ab26.1 c10.9 c
        320185.29 a 77.2 b32.7 d3.1 a18.7 d 7.4 c
        P
        014.30 b86.3 b249.7 b 0.42 a
        8018.36 a88.2 a326.3 a 0.31 b
        16019.79 a85.9 b323.3 a 0.32 b
        24019.51 a85.1 b331.9 a 0.31 b
        32018.82 a85.2 b327.0 a 0.31 b
        K
        050.15 c29.2 a 74.3 ab1.4 b
        8083.24 b26.1 b76.8 a1.4 b
        16097.42 a23.5 c69.9 b1.5 a
        240 92.46 ab 24.1 bc 72.2 ab 1.5 ab
        320 86.63 ab 24.3 bc 72.8 ab 1.4 ab
        注(Note):氮肥偏生产力和氮肥农学效率均以 N 为基础表示 Partial factor productivity and agronomic efficiency for N fertilizer are all expressed on the basis of N; 同列数据后不同小写字母表示不同施氮量处理间差异显著 Values followed by different lowercase letters indicate significant difference among different N treatments (P < 0.05).

        与吸氮量变化相同,长期施氮显著提高小麦吸磷量 (表2)。施氮处理的吸磷量介于18.4~19.8 kg/hm2,比对照提高28.4%~38.4%;吸磷量与施氮量呈极显著二次函数关系 (y(P) = –0.0001x2 + 0.053x + 14.517,R2 = 0.187**),施N 264 kg/hm2,吸磷量最高为21.5 kg/hm2。施氮降低小麦磷收获指数,施氮时,磷收获指数介于85.1%~88.2%,比对照降低0.4%~1.4%;磷收获指数与施氮量间无显著相关关系。磷生理效率随施氮量增加而增加,施氮时,磷生理效率介于323.3~331.9 kg/kg,比不施氮提高29.4%~31.0%;磷生理效率与施氮量呈极显著二次曲线关系 (y (P) = –0.0017 x2 + 0.741x + 257.928,R2 = 0.233**),施N 218 kg/hm2时,磷生理效率有最大值500.4 kg/kg。施氮显著降低小麦需磷量,与不施氮相比,施氮时需磷量介于0.31~0.32 kg/100 kg,比对照降低23.8%~26.2%;需磷量与施氮量呈极显著负相关 (y(P) = –0.0003x + 0.378,R2 = 0.170**),施氮量介于0~320 kg/hm2时,施氮量每增加N 100 kg/hm2,需磷量降低0.03 kg/100 kg。

        施氮增加了小麦吸钾量 (表2),施氮时,吸钾量介于83.2~97.4 kg/hm2,与不施氮相比提高66.0%~94.3%;小麦吸钾量与施氮量呈极显著二次曲线关系 (y(K) = –0.0011x2 + 0.449x + 51.695,R2 = 0.256**),施N 204 kg/hm2时,吸钾量最高,为97.5 kg/hm2。钾收获指数随施氮量增加降低,与不施氮相比,施氮钾收获指数介于23.5%~26.1%,降低10.6%~19.5%;钾收获指数与施氮量呈极显著二次相关 (y(K) = 0.0001x2 – 0.050x + 29.223,R2 = 0.221**),施氮量为N 252 kg/hm2,钾收获指数最小,为22.9%。施氮降低钾生理效率,施氮时,钾生理效率介于69.9~76.8 kg/kg,比对照降低2.0%~5.9%;钾生理效率与施氮量无显著关系。施氮提高了小麦需钾量,施氮时,需钾量介于1.4~1.5 kg/100 kg,比对照提高1.0%~7.1%;需钾量与施氮量也无显著关系。

        可见,长期施氮增加了冬小麦地上部吸氮、磷、钾量和需氮、钾量,降低了需磷量,但不同施氮量间需磷量无显著差异;施氮降低了氮、磷、钾收获指数,氮和钾生理效率,氮肥偏生产力和农学效率,但磷生理效率在施氮量间差异不显著。

      • 0—20 cm土层硝态氮含量随施氮量增加而升高 (图5)。不施氮时,播前、拔节、开花和成熟期平均含量分别为3.7、1.8、2.5和2.3 mg/kg,与播前相比,拔节、开花和成熟期分别降低51.4%、32.4%和37.8%;施氮时,平均分别为7.1、9.3、9.3和9.4 mg/kg,与播前相比,后三个时期分别增加31.0%、31.0%和32.4%。土壤硝态氮含量与施氮量呈极显著正相关,本研究中,施氮量介于0~320 kg/hm2时,每增施N 100 kg/hm2,播前土壤硝态氮增加1.5 mg/kg、拔节期增加4.0 mg/kg、开花期增加4.3 mg/kg、成熟期增加4.3 mg/kg。随施氮量增加,成熟期硝态氮含量增加量与拔节、开花期相近,但均高于播前。

        图  5  长期不同施氮量对土壤硝态氮含量的影响

        Figure 5.  Effect of long-term application of different N rates on soil nitrate N concentration

        20—40 cm土层硝态氮含量随小麦生育期的变化与表层相似 (图5)。不施氮时,播前、拔节、开花和成熟期平均含量分别为4.5、1.5、2.7和2.0 mg/kg,与播前相比,拔节、开花和成熟期分别降低66.2%、39.3%和56.0%。施氮时,平均分别为8.4、14.3、13.5和13.4 mg/kg,后三个时期分别增加70.2%、60.7%和59.5%。随施氮量增加,小麦成熟期20—40 cm土壤硝态氮含量增加量亦与拔节、开花期相近,均高于播前,且高于表层。

        可见,不施氮时,随着生育期的变化,硝态氮含量降低。施氮显著增加了土壤硝态氮含量,且成熟期变化与拔节期、开花期相近,显著高于播前。20—40 cm土壤硝态氮含量高于表层。

      • 拔节、开花和成熟期的土壤有效磷含量均高于播前,施氮显著降低0—20 cm土层有效磷含量 (图6)。试验结果表明,不施氮时播前、拔节、开花和成熟期有效磷含量分别为16.5、27.6、26.8和18.5 mg/kg,施氮时,分别介于11.8~14.2、20.2~27.3、17.3~23.9和14.0~18.8 mg/kg,4个时期平均分别降低28.5%、17.1%、38.4%、和19.6%。各时期有效磷含量与施氮量均未达显著相关。

        图  6  长期不同施氮量对土壤有效磷含量的影响

        Figure 6.  Effect of long-term application of different N rates on soil available P concentration

        20—40 cm土层有效磷亦随施氮量增加而降低。不施氮时,播前、拔节、开花和成熟期分别为8.4、11.5、12.0和6.6 mg/kg。施氮时,分别介于6.4~7.2、6.5~9.9、7.9~10.6和3.7~4.9 mg/kg,4个时期平均降低23.1%、48.7%、31.1%和66.1%。除成熟期有效磷含量与施氮量间呈显著负相关外,其他时期均未达显著相关。

        综上,施氮降低了土壤有效磷含量,且随施氮量增加降低。各时期有效磷含量与施氮量间均未达到显著相关。20—40 cm土层有效磷含量低于表层。

      • 拔节、开花和成熟期的土壤速效钾含量均高于播前,0—20 cm土层速效钾含量随施氮量无显著变化 (图7)。不施氮,播前、拔节、开花和成熟期速效钾分别为139.3、154.7、146.7和144.4 mg/kg,施氮时,速效钾含量分别介于118.1~126.7、130.4~136.1、124.9~129.9和127.3~133.5 mg/kg,各时期平均降低0.4%、2.8%、1.2%和3.6%,四个时期速效钾含量与施氮量间均无显著相关。

        图  7  长期不同施氮量对土壤速效钾含量的影响

        Figure 7.  Effect of long-term application of different N rates on soil available K concentration

        20—40 cm土层速效钾随施氮量增加亦无显著变化 (图7)。不施氮,播前、拔节期、开花期和成熟期分别为122.7、136.1、128.6和134.2 mg/kg,施N 80、160、240和320 kg/hm2时,速效钾含量平均为122.4、132.5、127.2和129.6 mg/kg,分别降低0.2%、2.6%、1.1%和3.5%,各处理间差异不显著。

        可见,施氮土壤速效钾降低,但各处理间无显著差异。20—40 cm土壤速效钾含量低于表层。

      • 研究结果表明,施氮量与旱地冬小麦产量呈极显著二次曲线关系,最高产量施氮量为215 kg/hm2,产量为6587 kg/hm2。加拿大南部冬小麦–油菜轮作,小麦最佳经济施氮量为79 kg/hm2[21];意大利南部地中海雨养气候区域,小麦最适施氮量为60 kg/hm2[22];山东泰安地区最优施氮量为210 kg/hm2[23];北京通州冬小麦–夏玉米轮作及部分华北平原地区推荐施氮量在110~130 kg/hm2[13]。可见,各地区最优施氮量存在差异,这主要与小麦产量有关,本试验为旱地冬小麦–夏休闲耕作体系,小麦最高产量为6587 kg/hm2;加拿大试验前茬作物为绿肥,春小麦最佳经济产量为3632 kg/hm2[21];山东泰安灌溉条件下产量平均达8994 kg/hm2[22];北京通州则为5300 kg/hm2[23]。由此可知,产量是影响最优施氮量的主要因素,山东、北京和本研究中产量较高,施氮量也较加拿大等地区高。

        施氮显著影响冬小麦干物质累积和转移,本研究表明,施氮提高了小麦生物量和收获指数,施氮198 kg/hm2时,生物量最高。在美国中部平原旱作轮作体系的研究表明,施氮量为84~112 kg/hm2时,小麦获得最大生物量,同时获得最高产量[24]。在河南郑州的研究表明,适量施氮有利于成熟期生物量累积,施氮过量增益不显著甚至降低生物量[25]。可见,适当施氮有利于干物质累积与同化物向籽粒的转移,促进产量的增加,过量施氮导致奢侈吸收早期养分和水分过度消耗,后期水分胁迫易影响干物质累积转移,导致早衰减产[26]

        从产量构成来看,施氮显著增加公顷穗数和穗粒数,降低千粒重。在印度旱区的研究表明,施氮显著增加穗数和千粒重,施氮超过100 kg/hm2时,差异不显著[27]。在山东泰安,施氮显著增加了穗数、穗粒数和千粒重,施氮超过最适施氮量210 kg/hm2时,穗粒数和千粒重显著下降,穗数无显著变化[23]。黄淮平原冬麦区,不同产量水平的穗数、穗粒数和千粒重对产量的影响不同,较低产量水平 ( < 7500 kg/hm2) 时,提高穗数、穗粒数或两者均可显著提高产量;较高产量水平 ( > 7500 kg/hm2) 时,主要通过穗粒数提高产量,千粒重会降低[28]。可见,产量构成对产量的贡献有所差异,合理施氮均能增加产量构成因素,提高产量。

      • 研究表明,施氮显著增加小麦籽粒氮含量,降低籽粒磷和钾含量。徐凤娇等[29]、Duncan等[30]的研究也表明,适量施氮显著增加小麦蛋白质含量,过量施氮不利于籽粒产量和品质的提高,这与本研究结果一致。通常认为,产量是引起籽粒养分含量变化的主要原因[31],本研究中,施氮小麦平均增产67.1%,吸氮量增加178.2%,吸磷量和吸钾量分别提高33.7%和79.3%,籽粒氮含量提高56.2%,磷含量降低33.2%,钾降低15.6%。黄土高原小麦–玉米轮作的研究表明,施氮显著增加小麦氮素吸收利用,与不施氮相比平均增加71.9%,产量增加47.7%[32]。可见,产量对籽粒氮的浓缩效应使其含量增加,而稀释效应是籽粒磷和钾含量降低的主要原因[33]

        本研究还表明,施氮量介于0~320 kg/hm2时,施氮量每增加100 kg/hm2,冬小麦籽粒需氮量增加0.5 kg/100 kg,氮收获指数、生理效率、偏生产力、农学效率分别降低1.7%、8.4 kg/kg、22.2 kg/kg和8.5 kg/kg。新疆小麦氮肥用量研究表明,随着施氮量增加,氮肥农学效率降低,最适施氮量180~270 kg/hm2,氮肥农学效率为8.1~6.9 kg/kg[34]。在河南新乡,随施氮量增加,小麦氮素吸收利用均趋于降低,最适施氮量240 kg/hm2,与施氮120 kg/hm2相比,氮收获指数、氮素利用率、农学效率和生产效率分别降低5.8%、43.0%、36.3%和39.1%[35]。在非洲的相关研究表明,施氮量为120 kg/hm2时有最高农学效率22.7 kg/kg、生理效率43.2 kg/kg和表观回收率56.5%,随着施氮量增加,均显著较低[36]。可见,随施氮量增加,旱地冬小麦需氮量增加,氮收获指数、生理效率、偏生产力、农学效率均降低。

        研究还表明,施氮提高冬小麦磷、钾素吸收量,施氮量分别为264和204 kg/hm2时,有最大吸磷量21.5 kg/hm2和吸钾量97.5 kg/hm2;提高磷生理效率、需钾量,降低磷、钾收获指数。在四川德阳进行的施氮量对杂交稻养分吸收利用研究表明,施氮量120~180 kg/hm2,杂交稻吸磷量无变化,吸钾量增加2.7%;磷收获指数无显著变化,钾收获指数降低4.0%;需磷量和需钾量增加[37]。在陕西长武的研究表明,施氮提高小麦吸磷量吸钾量,比对照提高0.3%和17.3%;磷收获指数降低0.02%,钾收获指数提高0.02%[38]。在山东龙口的相关研究表明,施氮增加小麦磷、钾吸收量,与对照相比分别增加15.8%和23.0%;磷、钾生理效率降低9.0%和16.9%;磷收获指数增加2.0%,钾收获指数降低5.9%[39]。可见施氮促进小麦磷、钾吸收,对磷、钾利用影响存在差异。

      • 研究结果表明,土壤硝态氮随冬小麦生育期变化,拔节期和开花期均高于播前和成熟期,各时期土壤硝态氮与施氮量呈极显著正相关;随着施氮量增加,有效磷降低,速效钾无显著变化。在陕西渭南的研究表明,小麦土壤氮磷钾养分含量随生育期变化,越冬和拔节期高于收获期,随施氮量增加,有效磷降低,钾无显著变化[40]。在美国堪萨斯州的研究表明,施氮显著增加0–15 cm土层硝态氮含量,钾含量无显著变化[41]。可见,施氮提高产量的同时也影响土壤养分。本研究结果中,维持小麦最高产量6587 kg/hm2的播前土壤表层硝态氮为7.2 mg/kg、成熟期为10.3 mg/kg;有效磷含量分别为11.8 mg/kg和14.9 mg/kg,速效钾为138.6 mg/kg;在河南禹州的研究表明,随施氮量增加,硝态氮含量增加,最适施氮量180 kg/hm2时,成熟期土壤硝态氮为10.0 mg/kg [7]。在山西运城的研究表明,施氮显著提高土壤各层硝态氮含量,且在施氮量180 kg/hm2,成熟期土壤硝态氮在10.0 mg/kg左右时,产量为7680 kg/hm2[42]。陕西永寿、河南洛阳11个试验点研究表明,土壤硝态氮含量与籽粒产量显著相关[43]。可见,小麦高产与土壤硝态氮有一定联系,但各个区域最高产量土壤硝态氮有所差异。

        由本研究可知,渭北旱地冬小麦–夏休闲的小麦高产6587 kg/hm2,表层土壤硝态氮播前为7.2 mg/kg、成熟期为10.3 mg/kg,同时有效磷分别为11.8 mg/kg和14.9 mg/kg,速效钾均为138.6 mg/kg,施氮量为215 kg/hm2,此时籽粒氮含量为23.8 g/kg、磷含量为2.6 g/kg,钾含量为3.3 g/kg。我们之前的研究指出,籽粒锌含量与施氮量呈极显著正相关,施氮量每增加100 kg/hm2,锌含量提高4.0 mg/kg,最大产量施氮量215 kg/hm2时,锌含量为30.7 mg/kg [44];0–100 cm硝态氮残留量与施氮量呈极显著二次曲线关系,施氮0~320 kg/hm2时,硝态氮残留量增加速率为0~28.6 kg/hm2[44]。施氮215 kg/hm2时,0–100 cm土壤硝态氮残留量为142.7 kg/hm2。当产量为95%最高产量6258 kg/hm2时,施氮量为144 kg/hm2,降低33.0%,此时0-100 cm硝态氮残留量为96.1 kg/hm2,降低32.7%,对应的表层土壤硝态氮播前为6.2 mg/kg、成熟期为7.3 mg/kg,分别降低13.9%和41.1%;有效磷分别为11.9和14.7 mg/kg;速效钾均为140.6 mg/kg,相对稳定;籽粒氮含量为21.6 g/kg,降低9.2%、磷含量为2.7 g/kg,钾含量为3.4 g/kg保持稳定,籽粒锌含量为27.9 mg/kg,降低9.1%。因此,综合考虑旱地小麦高产优质绿色生产 (图8),推荐该区域施氮量为150 kg/hm2,此时小麦产量为6300 kg/hm2,表层土壤硝态氮播前为6.0 mg/kg、成熟期为8.0 mg/kg,有效磷含量播前应维持在12.0 mg/kg,成熟期维持在15.0 mg/kg,速效钾维持在139~140 mg/kg;籽粒氮含量为21.8 g/kg,磷含量和钾含量分别维持在2.7 g/kg和3.7 g/kg,锌含量为28.1 mg/kg的较高水平;硝态氮残留量可维持在99.7 kg/hm2的较优水平。

        图  8  施氮量、产量及土壤硝态氮含量之间的关系

        Figure 8.  The relationship among N rates,yields and soil nitrate N concentrations

      • 施氮显著提高了旱地小麦生物量、产量及籽粒氮磷钾含量,增加了土壤中硝态氮含量,随着施氮量增加,土壤有效磷有降低趋势,速效钾无显著变化;长期过量施氮会引起生物量和产量降低,降低氮素吸收利用效率,增加土壤中硝态氮残留。因此,在渭北旱源地区,为使小麦达到6300 kg/hm2的高产水平,同时籽粒氮含量为21.8 g/kg、磷含量为2.7 g/kg,钾含量为3.7 g/kg,锌含量为28.1 mg/kg的较高水平,0–100 cm硝态氮残留量在99.7 kg/hm2的较优水平,则施氮量应控制在150 kg/hm2,施磷量为100 P2O5 kg/hm2,播前或收获期土壤硝态氮为6.0~8.0 mg/kg,土壤有效磷为12.0~15.0 mg/ kg,速效钾为139~140 mg/kg。

    参考文献 (45)
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