密度氮肥互作對稻茬小麥產(chǎn)量及氮效率的協(xié)同調(diào)控效應(yīng)

易 媛，蘇盛楠，李福建，徐凱峰，朱新開,2，李春燕 ,2，丁錦峰,2，朱 敏,2，郭文善,2

(1.江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/揚州大學小麥研究中心，江蘇揚州 225009； 2.糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇揚州 225009)

提高小麥產(chǎn)量潛力和氮素吸收利用效率是解決全球糧食安全和保護生態(tài)環(huán)境的有效途徑。過量施氮不僅影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)，還會降低經(jīng)濟效益和氮肥利用率(nitrogen-use efficiency，NUE)，而且會導致N2O的排放、氮素淋失，引起地下水污染、河流和湖泊的富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[1-3]。諸多栽培措施中，氮肥和密度對小麥產(chǎn)量和氮肥利用效率的影響最突出[4-6]，其中密度是影響產(chǎn)量的主要因子[7-8]，其對產(chǎn)量形成的調(diào)控作用大于施氮效應(yīng)，主要是通過提高穗數(shù)和葉面積指數(shù)來增加群體數(shù)量，進而影響群體光合，密度適宜、個體健壯、群體質(zhì)量高時，個體和群體在一定的時間和空間范圍內(nèi)協(xié)調(diào)生長，可使穗數(shù)、穗粒數(shù)、粒重協(xié)調(diào)增加，從而獲得較高的產(chǎn)量。施氮量與籽粒產(chǎn)量呈二次曲線關(guān)系[9]，超過一定閾值后再繼續(xù)增加施氮量時，群體過度繁茂，雖穗數(shù)有所增加，但植株生長不良，穗粒數(shù)和粒重反而下降，最終增產(chǎn)效果不顯著，甚至減產(chǎn)[10-11]。有研究認為，氮肥利用率與施氮量也呈極顯著二次曲線關(guān)系[12]。也有研究表明，氮肥吸收利用率隨施氮量增加而降低[13-14]。分次施肥有利于提高小麥氮素吸收效率[12,15-16]，合理的氮素運籌比例可有效調(diào)控群體發(fā)展，優(yōu)化群體結(jié)構(gòu)，延緩后期植株衰老，氮素的生產(chǎn)力和氮肥利用率較高[17]。如何通過栽培措施的協(xié)調(diào)來實現(xiàn)產(chǎn)量與氮效率的同步提升，是當前小麥生產(chǎn)中亟待解決的問題，其中關(guān)于密度與氮肥互作對協(xié)同提高產(chǎn)量和氮效率的研究目前較少。本試驗針對江蘇淮北生態(tài)區(qū)稻茬小麥氮肥用量高、利用率低的現(xiàn)狀，以農(nóng)民習慣施氮量(270 kg·hm-2)為基數(shù)，將施氮量降低15%～30%，探討密度與氮肥互作對稻茬半冬性小麥產(chǎn)量、NUE的協(xié)同提高效應(yīng)，分析減氮增效的栽培技術(shù)途徑，以期為提高本區(qū)域稻茬小麥氮效率，實現(xiàn)化肥氮零增加的國家戰(zhàn)略提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

試驗于2014-2016年度在徐州市睢寧縣興華村江蘇省農(nóng)業(yè)稻麥綜合展示基地進行，該區(qū)屬亞熱帶溫潤氣候區(qū)。供試小麥為半冬性品種徐麥33，由徐州農(nóng)業(yè)科學院提供。前茬為水稻，土壤為輕壤土，2014年秋播時0～20 cm土壤有機質(zhì)含量為1.91%，全氮含量為0.85 g·kg-1，速效氮含量為74.56 mg·kg-1，速效磷含量為54.79 mg·kg-1，速效鉀含量為181.22 mg·kg-1；2015年秋播時0～20 cm土壤有機質(zhì)含量為1.65%，全氮含量為0.69 g·kg-1，速效氮含量為64.69 mg·kg-1，速效磷含量為46.07 mg·kg-1，速效鉀含量為153.27 mg·kg-1。2014-2016年小麥生長季氣象條件見表1。

1.1 試驗設(shè)計

試驗采用三因素裂區(qū)設(shè)計，其中密度為主區(qū)，設(shè)基本苗150×104株·hm-2、225×104株·hm-2兩個水平；以施氮量為副區(qū)，以當?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)施氮量270.0 kg·hm-2為基數(shù)，設(shè)減施30%氮肥(189.0 kg·hm-2)、減施15%氮肥(229.5 kg·hm-2)、不減施(270.0 kg·hm-2)3個水平，另設(shè)不施氮肥(0 kg·hm-2)作為計算NUE的參照小區(qū)；以氮肥運籌比例為裂區(qū)，設(shè)基肥∶壯蘗肥∶拔節(jié)肥∶孕穗肥為5∶1∶2∶2、3∶1∶3∶3和5∶0∶5∶0三種比例，共設(shè)20個處理，重復3次。氮肥種類為尿素(純氮含量46.3%)，基肥于播種前施用，壯蘗肥于4～5葉期施用，拔節(jié)肥于葉齡余數(shù)2.5時施用，孕穗肥于葉齡余數(shù)0.8～1.2時施用。磷鉀肥種類分別為過磷酸鈣(P2O5含量12%)和氯化鉀(K2O含量60%)，用量分別為P2O5120 kg·hm-2和K2O 120 kg·hm-2，全部基施。小區(qū)面積30 m2，行距30cm，三葉期間苗。小麥在2014-2015年10月25日播種，6月10日收獲；2015-2016年10月28日播種，6月8日收獲。

表1 2014-2016年小麥生育期間氣象資料Table 1 Meteorological data during 2014-2016 wheat growing season

1.2 主要測定項目與方法

1.2.1 莖蘗動態(tài)調(diào)查

分別于分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、開花期、花后21 d五個主要生育時期，每小區(qū)用1 m×1 m的鐵框圈取具有代表性的區(qū)域，進行莖蘗總數(shù)定點調(diào)查，并計算出莖蘗成穗率。

1.2.2 葉面積指數(shù)(LAI)測定

分別于各主要生育時期取10株具有代表性的植株連根挖出，帶回實驗室用LI-3000C 葉面積儀測定葉面積，并計算出葉面積指數(shù)。

1.2.3 干物質(zhì)積累量及含氮量測定

把測定葉面積后的植株地下部剪掉，置105 ℃ 烘箱中殺青30 min后，80 ℃烘干到恒重，冷卻后稱重，換算成單株干重，再根據(jù)基本苗計算每公頃干重。干樣粉碎后采用凱氏定氮法測定含氮量。

1.2.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測定

收獲前定點調(diào)查各小區(qū)穗數(shù)，計算每公頃穗數(shù)。連續(xù)取50穗，計數(shù)穗粒數(shù)，取平均值。成熟期各小區(qū)收獲1.2 m2脫粒，風干后稱重，用FOSS-370型近紅外線谷物分析儀測定水分含量，換算為13%水分時的粒重計產(chǎn)，重復3次。

1.3 數(shù)據(jù)計算

氮肥農(nóng)學效率(NAE) =(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/ 施氮量；

氮肥吸收利用率(RE)=(施氮區(qū)氮素積累量-不施氮區(qū)氮素積累量)/ 施氮量×100%

花后干物質(zhì)積累量=成熟期干物質(zhì)積累量-開花期干物質(zhì)積累量；

莖蘗成穗率=成熟期穗數(shù)/最高莖蘗數(shù)×100%

收獲指數(shù)=籽粒產(chǎn)量/生物產(chǎn)量

花后LAI下降速率=(孕穗期LAI-花后21 d LAI)/ 孕穗期LAI×100%

群體總結(jié)實粒數(shù)=成熟期穗數(shù)×穗粒數(shù)

1.4 統(tǒng)計分析方法

試驗數(shù)據(jù)采用 Excel 2003、DPS 6.55、SPSS 19.0等軟件進行統(tǒng)計分析和繪圖，采用LSD法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 密肥組合對稻茬半冬性小麥產(chǎn)量、NAE及RE的影響

對兩年數(shù)據(jù)方差分析結(jié)果(表2)表明，密度、施氮量及運籌比例均對稻茬半冬性小麥的籽粒產(chǎn)量、NAE、RE有顯著或極顯著的影響。除2015-2016年密度與運籌比例、施氮量與運籌比例對產(chǎn)量和NAE的的互作效應(yīng)不顯著外，在籽粒產(chǎn)量、NAE和RE上密度、施氮量、運籌比例間均存在著顯著或極顯著的兩兩互作效應(yīng)，其中密度與施氮量的互作對籽粒產(chǎn)量、NAE、RE的影響在兩個年度均達到極顯著水平。這說明稻茬小麥生產(chǎn)中通過合理調(diào)控密度與施氮量，有可能實現(xiàn)籽粒產(chǎn)量和NUE協(xié)同提高。

表2 不同密氮處理下的稻茬小麥產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學效率及吸收效率方差分析(F值)Table 2 Variance analysis of yield, NAE and RE between different treatments in wheat(F value)

*、**分別表示在0.05和0.01水平上的顯著性。表4同。

*,** indicate significant difference at 0.05 and 0.01 levels,respectively.The same in table 4.

由表3可知，兩個年度產(chǎn)量超過7 500 kg·hm-2的處理中，以密度225×104株·hm-2、施氮量229.5 kg·hm-2的組合下出現(xiàn)高產(chǎn)的概率最大，其中最高產(chǎn)量和NAE均在密度225×104株·hm-2、施氮量229.5 kg·hm-2、運籌比例為5∶1∶2∶2的組合下獲得，并且NAE、RE均較高，說明該密肥組合既減少了施氮量(減15%)，又可以實現(xiàn)籽粒產(chǎn)量與NUE的協(xié)同提高，是適宜的節(jié)氮增效措施組合。在8 000 kg·hm-2產(chǎn)量水平，密度由150×104株·hm-2增至225×104株·hm-2時，采用適當?shù)牡蔬\籌比例(基追比為5∶5)，可使施氮量由229.5～270.0 kg·hm-2降低至189.0～229.5 kg·hm-2，RE維持在41.1%～46.7%，而NAE提高了1.5%～33.3%，說明合理增加種植密度并配以適當?shù)牡蔬\籌方式，可維持較高的產(chǎn)量水平和氮肥吸收效率,節(jié)省15%～30%的氮肥用量，NAE也顯著提高。另外，增加密度顯著增加了單位面積穗數(shù)，而穗粒數(shù)顯著減少。相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量的提升主要得益于穗數(shù)的增加，兩個年度籽粒產(chǎn)量與穗數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.739**、0.858**。

密度225×104株·hm-2、施氮量189 kg·hm-2的組合也能實現(xiàn)高產(chǎn)，但出現(xiàn)的概率比較小，穩(wěn)產(chǎn)性受到影響，且年度間NAE、RE變化比較大，說明這種組合需要結(jié)合不同年型生態(tài)條件才能實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。同樣，密度150×104株·hm-2、施氮量270 kg·hm-2的組合實現(xiàn)高產(chǎn)的概率也比較小，且不節(jié)氮，NAE最低，RE比較低，不符合當前綠色節(jié)氮栽培的需求。

分析7 500 kg·hm-2以下產(chǎn)量水平的密肥組合及NAE、RE的變化同樣可以看出，不同密肥組合均可實現(xiàn)7 500 kg·hm-2左右的產(chǎn)量水平，但施氮量對NAE和RE的影響表現(xiàn)不一，如采用密度225×104株·hm-2、施氮量189 kg·hm-2的組合，與密度150×104株·hm-2、施氮量270 kg·hm-2的組合相比，施氮量降低30%，RE雖不同程度降低，NAE兩個年度分別提高10.8%、28.3%；該組合與密度150×104株·hm-2、施氮量229.5 kg·hm-2的組合相比，NAE和 RE無顯著差異，氮肥用量節(jié)省了15%(表3)。這進一步說明增加種植密度并配以適當?shù)牡蔬\籌方式，可降低15%～30%的氮肥用量，在維持一定產(chǎn)量水平的同時可提高NAE，使氮肥得以高效的施用。

2.2 籽粒產(chǎn)量與NAE、RE的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析(圖1，圖2)表明，籽粒產(chǎn)量與NAE、RE均呈顯著或極顯著的正相關(guān)，兩個年度的數(shù)據(jù)分析均表明，籽粒產(chǎn)量與NAE均呈開口向上的拋物線關(guān)系，與RE呈顯著的線性正相關(guān)，說明在一定產(chǎn)量范圍內(nèi)，產(chǎn)量可與NAE、RE實現(xiàn)協(xié)同提升。

2.3 小麥籽粒產(chǎn)量、NAE、RE與群體質(zhì)量指標的相關(guān)性分析

由表4可知，小麥籽粒產(chǎn)量、NAE、RE與群體質(zhì)量指標存在一定的相關(guān)關(guān)系，產(chǎn)量、NAE及RE的提升得益于小麥群體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。綜合兩年試驗數(shù)據(jù)，籽粒產(chǎn)量、NAE、RE與孕穗期LAI、花后21 d LAI、花后干物質(zhì)積累量、群體總結(jié)實粒數(shù)均呈顯著或極顯著正相關(guān)，與LAI下降速率呈顯著或極顯著負相關(guān)，說明要實現(xiàn)高產(chǎn)氮高效的目標，關(guān)鍵在于獲得適宜的孕穗期LAI、花后21 d LAI、提高花后干物質(zhì)積累量和總結(jié)實粒數(shù)，同時降低LAI衰減速率。

表3 不同產(chǎn)量水平下的密肥組合及氮肥農(nóng)學效率、吸收效率的差異Table 3 Difference of treatments，NAE and RE under different yield levels

同列不同字母表示同一年不同處理間在0.05水平上的差異顯著性。

Different letters after values in same column indicate significant difference among the treatments at 0.05 level in a same year.

圖1 籽粒產(chǎn)量與氮肥農(nóng)學效率的相關(guān)關(guān)系Fig.1 Correlation between grain yield and nitrogen agronomic efficiency(NAE)

圖2 籽粒產(chǎn)量與氮素吸收效率的相關(guān)關(guān)系Fig.2 Correlation between grain yield and nitrogen recovery efficiency(RE)

表4 小麥主要群體質(zhì)量指標與產(chǎn)量、NAE、RE的相關(guān)關(guān)系Table 4 Correlation between main population quality index and yield, NAE, RE

*:P<0.05;**:P<0.01．

3 討 論

在小麥生產(chǎn)實踐中，品種、播期、密度、施氮量和氮肥運籌等因素均對產(chǎn)量和氮肥利用率有不同程度的影響。密度過小或過大均不能有效地協(xié)調(diào)好產(chǎn)量結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，從而難以提高小麥產(chǎn)量，甚至可能減產(chǎn)[18-20]。在不同的土壤肥力、品種等生產(chǎn)條件下進行的研究表明，適當減量施氮，可以優(yōu)化群體結(jié)構(gòu)獲得高產(chǎn)，同時提高氮肥利用效率。但對于不同類型品種，應(yīng)當選擇適宜當?shù)卦耘鄺l件的施氮量。祁靜玉等[21]認為，在新疆麥區(qū)相對于高產(chǎn)條件下300 kg·hm-2的氮肥投入，將施氮量降至250～270 kg·hm-2左右，明顯改善了新春6號和新春31號的群體結(jié)構(gòu)。研究表明，太湖地區(qū)麥季推薦施氮量為205 kg·hm-2，在傳統(tǒng)施氮量的基礎(chǔ)上減少10%～40%的氮肥用量，凈經(jīng)濟效益提高5%～15%[22]。黃淮海麥區(qū)小麥生育期間施氮量為270 kg·hm-2左右，產(chǎn)量為8 689 kg·hm-2，在此基礎(chǔ)上降低 25%～30%的施氮量，能夠明顯改善小麥群體結(jié)構(gòu)且產(chǎn)量高達9 420 kg·hm-2[23]。密度和氮肥對產(chǎn)量的調(diào)控作用不僅在于兩者本身，還在于兩者間的交互效應(yīng)[6]。通過施氮與密度的協(xié)同作用，可使氮素利用效率得到有效提高[5]。本試驗條件下，密度與施氮量的互作對小麥產(chǎn)量、NAE、RE的影響在兩個年度中均顯著。在保證較高產(chǎn)量水平的基礎(chǔ)上，當密度由150×104株·hm-2增至225×104株·hm-2時，采用5∶5的氮肥基追比例，可使施氮量由229.5～270.0 kg·hm-2降低至189.0～229.5 kg·hm-2，節(jié)省氮肥用量15%～30%，同時顯著提高了NAE。此外，產(chǎn)量與NAE、RE均存在顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，這與曹 倩等[8]的研究結(jié)果一致。在一定的產(chǎn)量范圍內(nèi)，產(chǎn)量與NAE呈拋物線關(guān)系，與RE呈線性正相關(guān)，說明高產(chǎn)和氮肥的高效利用可協(xié)同實現(xiàn)。但不同品種對氮肥的吸收利用效率存在差異，生產(chǎn)上應(yīng)根據(jù)品種特性和當?shù)卦耘鄺l件的不同，配以合理的種植密度和氮肥運籌比例來適當減少氮肥用量，以實現(xiàn)小麥高產(chǎn)氮高效的栽培目標。

適宜的群體結(jié)構(gòu)是小麥實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)[24]。有關(guān)小麥高產(chǎn)群體特征已有諸多報道[6, 25-27]。前人研究認為，在建立合理群體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，促進開花至成熟階段的干物質(zhì)積累和向穗部的分配，實現(xiàn)生物產(chǎn)量和經(jīng)濟系數(shù)的同步提高，是獲得小麥超高產(chǎn)的基本途徑[24]；創(chuàng)造合理的群體結(jié)構(gòu)，特別是適宜的LAI和較高的花后干物質(zhì)積累量是實現(xiàn)高產(chǎn)超高產(chǎn)的重要調(diào)控指標[4, 25-27]。張旭等[28]研究表明，小麥粒重、收獲指數(shù)、孕穗期LAI和開花期旗葉LAI與氮效率呈顯著正相關(guān)。董召娣等[29]提出，花后干物質(zhì)積累量、總結(jié)實粒數(shù)是春性和半冬性小麥群體氮肥生產(chǎn)效率(NGPE)的共性調(diào)控特征表現(xiàn),粒葉比可作為春性小麥NGPE、半冬性小麥氮肥農(nóng)學效率(NAE)差異的評價指標,莖蘗成穗率可作為春性小麥氮肥吸收效率(NUEa)的調(diào)控指標。本試驗結(jié)果表明，籽粒產(chǎn)量、NAE、RE均與孕穗期LAI和花后21 d的LAI、花后干物質(zhì)積累量、群體總結(jié)實粒數(shù)均呈顯著或極顯著正相關(guān)，與花后LAI下降速率呈顯著或極顯著負相關(guān)，反映出密度對氮肥施用量有一定的補償效應(yīng)，通過適度增加密度、減少氮肥施用量，可以培育合理群體，獲得較好的群體質(zhì)量，實現(xiàn)減氮(減15%左右)、較高的產(chǎn)量水平與NAE和RE。但這一結(jié)論與不同年型氣象條件的變化有一定的相關(guān)性，生產(chǎn)中需要結(jié)合不同區(qū)域生態(tài)條件與品種特點，合理確定減氮的適宜比例，以實現(xiàn)產(chǎn)量與NUE的協(xié)調(diào)，實現(xiàn)綠色高效生產(chǎn)。