利用長期定位施肥的土壤條件研究不同施肥措施對小麥(TriticumaestivumL.)吸收利用氮素的影響,為新形勢下制定合理培肥施肥技術確保小麥的高產穩(wěn)產,保護農田環(huán)境具有積極意義。施肥對小麥生長發(fā)育的影響,研究表明隨著氮肥或有機肥施用量的增加,葉片SPAD值增大[1];與單施無機肥相比,有機無機肥配施可以增加小麥的有效小穗數和穗粒數[2],降低小麥灌漿盛期旗葉膜脂過氧化,提高光合速率、干物質積累速率和千粒質量,延緩葉片的衰老;而不均衡施肥膜脂過氧化作用升高,光合速率降低[3]。在小麥品質方面,在高施氮量情況下,可以提高小麥籽粒的蛋白石含量和面粉面團參數[4];與不施肥相比,氮磷鉀配施可以明顯提高小麥籽粒的蛋白質、總氨基酸和必需氨基酸含量[5],改善面粉品質和面團品質,增加灰分含量[6];但也有研究認為長期有機無機配施與不施肥或者單施氮肥相比,降低籽粒的蛋白質、濕面筋、干面筋含量以及沉淀值和小麥籽粒品質[7]。此外,施肥對小麥籽粒產量及養(yǎng)分吸收的影響,國、內外大量研究認為有機無機配施能顯著提高小麥籽粒產量[8-18],而長期不施肥、單施N肥及不均衡施肥處理的小麥產量下降[9,12,14];同時,施用有機肥可以使小麥對N、P、K的吸收較為均衡,缺素施肥直接導致植株體內相應養(yǎng)分的明顯虧缺,不施N肥則制約小麥對K的吸收[19];NP、NPK配施小麥的氮、磷利用率較高,且NPK配施有機肥的肥料利用率有累加效應[20]。前人有關施肥對小麥影響的研究多集中在小麥生長發(fā)育、品質、產量等方面,研究選用的小麥品種通常已經大面積推廣。而有關不同施肥措施對小麥特別是新審定小麥品種氮素的階段性吸收、利用以及累積等方面研究則鮮有報道。本研究以國家潮土土壤肥力與肥料效益長期監(jiān)測基地為平臺,以1990年以來的不同施肥措施的土壤為基礎材料,以新審定的鄭麥7698為對象,系統(tǒng)的研究不同施肥措施對其整個生育期各生育階段N素吸收、累積的影響,為制定小麥高產穩(wěn)產的施肥技術、豐富小麥營養(yǎng)需肥理論及其它相關研究提供理論支持和借鑒。

　　1材料與方法

　　1.1試驗地概況1987年中國農業(yè)科學院在全國9個不同土壤生態(tài)類型區(qū)布置了“全國土壤肥力和肥料效益長期定位監(jiān)測試驗網”,經過2年勻地種植,于1990年開始不同施肥方式下作物產量與肥料效益的監(jiān)測研究。試驗地位于黃淮海平原國家潮土土壤肥力與肥料效益鄭州長期監(jiān)測站(34°47′N,113°40′E),4季分明,氣候類型為暖溫帶季風氣候,年平均氣溫14.4℃,>10℃積溫約5169℃。7月最熱,平均27.3℃;1月最冷,平均0.2℃;年平均降雨量645mm,無霜期224d,年平均蒸發(fā)量1450mm,年日照時間約2400h。土壤類型為潮土,1990年研究開始時基礎土壤樣品的養(yǎng)分情況為pH8.3,w[土壤有機質(SOM)]=10.1g?kg-1,w[土壤堿解氮(Alkali-hydrolysableNitrogen)]=76.6mg?kg-1,w[有效磷(Olsen-P)]=6.5mg?kg-1,w[有效鉀(ExchangeableK)]=74.5mg?kg-1,w[土壤全氮(TotalN)]=0.65g?kg-1,w[土壤全磷(TotalP)]=0.64g?kg-1,w[土壤全鉀(TotalK)]=16.9g?kg-1。有關監(jiān)測站長期定位施肥對土壤養(yǎng)分及肥力的研究詳見Nie等[21]、張水清等[22]的研究結果。

　　1.2試驗設計長期定位施肥研究的試驗小區(qū)為完全隨機排列,本研究選取其中的5個處理:(1)CK(種植冬小麥,不施肥);(2)NK(施氮肥和鉀肥,不施磷肥);(3)NPK(施氮磷鉀化肥);(4)MNPK(M指有機肥,有機肥+氮磷鉀化肥);(5)SNPK(S指玉米秸稈,秸稈還田+氮磷鉀化肥),按照小區(qū)面積大、小分2組,分別為54m2和45m2,每組各處理均3次重復,相當于有6次的重復。研究施用的氮肥為尿素[CO(NH2)2],磷肥為磷酸二氫鈣[Ca(H2PO4)2],鉀肥為硫酸鉀(K2SO4),有機肥為牛糞,秸稈為當季玉米秸稈。除不施肥(CK)的處理外,施肥處理的施氮量(或標準)相同(其中施有機肥或秸稈還田的氮肥分配比為m(有機氮)與m(無機氮)之比為7∶3,m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1∶0.5∶0.5),施肥處理的磷肥、鉀肥、有機肥、秸稈作基肥一次施入,無機氮肥的m(基肥)∶m(追肥)=4∶6(秸稈還田處理可能由于C多而C/N失調,必需增加N用量,這樣秸稈還田處理所無機氮肥按7∶3分配基肥和追肥),各處理施肥量見表1。試驗選用的小麥品種為鄭麥7698(豫審麥2011008),2009年10月18日播種,播量約150kg?hm-2,行距23cm,2010年6月11日收獲。各處理田間管理一致,分別于越冬期、返青期及抽穗期澆水3次,每次500m3?hm-2;并進行人工除草。此外,本研究整理分析了1991—2008年間18年的小麥產量資料,為分析小麥對氮素吸收的影響提供數據上支持和補充;長期定位施肥研究選用的小麥品種雖然年際間不同,但是同一研究年份內,各施肥處理的品種相同。

　　1.3測定及分析方法分別在小麥的越冬期(2009-12-22)、返青期(2010-02-25)、拔節(jié)期(2010-03-17)、抽穗期(2010-04-16)、灌漿期(2010-05-06)、成熟期(2010-06-11)進行田間植株樣品的采集,并進行室內處理以及分析測定。小麥出苗后,在每個小區(qū)固定3個1m長樣段,在每個生育時期調查田間群體數,取平均值計算;同時取0.5m行長的植株樣品,用自來水沖洗干凈,剪去根部,分為莖稈、葉、葉鞘、穗和籽粒(生育前期為整株),鮮樣于105℃殺青30min,70℃烘干至恒質量,并稱質量,計算干物質重。植株的全氮用H2SO4-H2O2法測定[23],干物質用烘干法測定[24],小區(qū)實收5m2計算產量,氮吸收量及利用率等計算方法如下:N累積吸收量(kg?hm-2)=[干物質積累量(kg?hm-2)×各器官中全氮質量分數(g?kg-1)]/1000;氮肥吸收利用率=(施氮肥區(qū)作物氮素累積量─空白區(qū)氮素累積量)/施用氮肥總氮量×100%;氮肥生理利用率(Physiologicalefficiencykggrain/kgN)=(施氮肥區(qū)產量─空白區(qū)產量)/(施氮肥區(qū)植株吸氮量─空白區(qū)植株吸氮量);氮肥農學利用率(Agronomicefficiencykggrain/kgN)=(施氮肥區(qū)產量─空白區(qū)產量)/施用氮肥總量;氮肥偏生產力(Partialfactorproductivitykggrain/kgN)=作物施肥后的產量/氮肥施用量;文中數據為6次重復均值,用Excel、DPS等軟件進行統(tǒng)計分析,用LSD法進行多重比較。

　　2結果與分析

　　2.1長期不同施肥措施下小麥籽粒產量(1991—2008)、群體動態(tài)與生物量的變化在等氮量施肥條件下,由圖1可以看出,1991—2008年間CK、NK處理的小麥產量均低于NPK、MNPK、SNPK處理,其中NK處理的小麥產量在1991—1994年間呈下降趨勢而后逐漸趨于穩(wěn)定。NPK、MNPK、SNPK處理的小麥產量在年際間存在一定的波動,NPK處理的籽粒產量要稍高于MNPK、SNPK處理。此外,考慮到不同年份之間小麥品種對研究的影響,研究將1991—2008年間18年的歷史產量數據分為1991—1999、2000—2008年2個階段來分析,由表2可以看出,1991—1999和2000—2008年前后2個階段中NPK、MNPK、SNPK處理的籽粒產量分別為6116.3、5682.2、6084.0kg?hm-2和6700.3、6031.7、6368.0kg?hm-2,均極顯著(P≤0.01)高于CK、NK處理;NPK、MNPK、SNPK處理之間差異不顯著,前后2個階段的產量增加幅度上以NPK處理最大,達到9.6%,其次為MNPK處理,SNPK處理相對較小,前后2個階段各處理產量大小均為NPK>SNPK>MNPK;說明NPK、MNPK、SNPK施肥處理的研究結果與品種關系不大。不同施肥措施對小麥群體數影響明顯,在小麥生長的各個生育階段,NPK、MNPK、SNPK施肥措施的田間群體數較大,到拔節(jié)期群體數最大,分別為1513.2、1414.4、1545.7萬苗?hm-2,是CK、NK處理的3~4倍;NPK、MNPK、SNPK處理在抽穗期以前群體的變動幅度也較大,而CK、NK處理的群體波動幅度較小(圖2)。不同施肥處理對冬小麥干物質累積量的影響,由圖3可以看出,在小麥生長的各個階段NPK、MNPK、SNPK施肥處理的總干物質重以及莖、葉、葉鞘、穗等器官的干物質重均較高,CK、NK施肥處理的則明顯較低[圖3(a)];而且隨著生育進程的推進,地上部干物質積累量的差距進一步加大,到成熟期最大。從灌漿期、成熟期各個器官的干物質分配來看,NPK、MNPK、SNPK施肥措施有利于光合產物向營養(yǎng)器官、生殖器官積累[圖3(b),(c)],進而獲得較高的籽粒產量。在成熟期,NPK、MNPK、SNPK施肥處理的籽粒產量分別為8883.2、7706.4、8197.5kg?hm-2,是CK、NK處理的2~4倍。

　　2.2不同施肥措施下小麥地上部全氮含量與氮素積累量的變化長期定位施肥對冬小麥不同生育時期吸收土壤N素的影響,由表3可以看出,在小麥越冬期、返青期,MNPK/SNPK處理的小麥幼苗植株全氮含量高于CK、NK、NPK處理,但是各處理間沒有達到顯著水平。到拔節(jié)期,MNPK/SNPK處理的小麥幼苗植株全氮含量分別極顯著(P≤0.01)、顯著(P≤0.05)高于CK、NK施肥處理;NPK處理的植株全氮含量低于MNPK/SNPK處理,但極顯著(P≤0.01)高于CK。抽穗期,NK、NPK、SNPK施肥處理植株的全氮含量較高,均極顯著(P≤0.01)高于CK、MNPK施肥處理。在灌漿期,各施肥處理的小麥器官全氮含量中葉最高,其次為穗,而葉鞘和莖中的含量較低;施肥處理的莖、葉(P≤0.01)、鞘、穗中的全氮含量均高于CK處理;施肥的各處理差異不顯著。在成熟期,各處理小麥葉(CK除外)、穗的氮含量較高,而莖、鞘、穎殼中的氮含量較低;各施肥處理之間,NK、NPK處理的小麥葉、穗中氮含量較高,分別為1.18%、1.15%和2.26%、2.33%,葉中分別極顯著(P≤0.01)、顯著(P≤0.05)高于CK;而MNKP、SNPK處理的氮含量相對較低,在葉、穗中的質量分數分別約0.8%、1.60%。氮素吸收累積上,在小麥生長的越冬期、返青期、起身期以及抽穗期,NPK、MNPK、SNPK施肥處理間小麥的氮素累積吸收量沒有顯著差異,但均極顯著(P≤0.01)高于CK、NK處理;NK施肥處理的吸收量也隨著生育時期的推進多于CK處理(表3)。從各個器官的吸收分配來看,灌漿期NPK、MNPK、SNPK施肥處理在莖、葉、鞘及穗的氮素累積量均極顯著(P≤0.01)高于CK、NK處理,其中SNPK、NPK、MNPK分別在莖葉、鞘、穗中的氮素累積量較高(表3)。在小麥成熟期NPK、MNPK、SNPK處理在莖、葉、鞘、穎殼、籽粒中的氮素累積量均顯著(P≤0.05)或極顯著(P≤0.01)高于CK、NK處理,其中NPK施肥處理在葉、穎殼、籽粒的吸收量最高,分別達到(以N計)11.86、13.39、206.80kg?hm-2,MNPK在莖、鞘中的氮素吸收量最高(以N計)分別達到18.38和5.89kg?hm-2,SNPK在各個器官中的氮素吸收量則介于二者之間;在成熟期累積氮吸收總量以NPK最高,達到249.1kg?hm-2,極顯著(P≤0.01)高于其他施肥處理,CK處理的氮素吸收量最低,僅為61.73kg?hm-2,顯著(P≤0.05)或極顯著(P≤0.01)低于其他處理;氮素吸收量順序由大到小依次為NPK>MNPK>SNPK>NK>CK。

　　2.3不同施肥措施下氮肥利用率的變化施肥措施最終會影響到氮肥的利用效率,由圖4可以看出,在本研究條件下NPK、MNPK、SNPK施肥處理的氮肥吸收利用率(RE)、農學效率(AE)以及偏生產力(PFP)均明顯高于NK施肥處理,說明NPK配施以及與有機肥和秸稈還田配合施用非常有利于小麥對氮肥的吸收、利用,并提高籽粒產量[圖4(a),(c),(d)]。此外,NK、NPK、MNPK、SNPK施肥處理的生理利用率(PE)分別為22.7、35.2、53.3、64.2kggrain?kg-1N,說明等氮量條件下,NPK肥配合秸稈還田或有機肥更有利于土壤氮素的吸收[圖4(b)]。

　　3討論

　　有關施肥對小麥影響的研究一直持續(xù)是農業(yè)科研人員關注的熱點。與本研究施氮量[165kg?hm-2(以N計)]相同的研究中,皇浦湘榮等[5]研究得出有機無機肥配施處理的產量均與NPK處理差異不顯著,但千粒質量、穗數、蛋白質含量均高于NPK處理。介曉磊等[26]研究表明NPK配施或與有機肥配施能提高小麥葉片硝酸還原酶活性,有機肥與化肥配施處理的小麥產量與NPK處理差異不顯著,千粒質量、穗數高于NPK處理,NPK配施有機肥有利于提高氨基酸含量。本研究表明,長期定位施肥條件下,NPK、MNPK、SNPK處理的小麥產量在較高,這與前人的研究結論基本一致。與CK、NK處理相比,施NPK、NPK配施有機肥或秸稈還田增加產量的原因是:一方面增大了田間群體的穗數;另一方面有利于不同生育時期莖、葉、穗等器官對氮素的吸收和累積,最終獲得了較高的干物質累積量和籽粒產量(表2)。但也應該注意,MNPK、SNPK處理籽粒的產量分別7706.4、8197.5kg?hm-2,仍低于NPK處理的8883.2kg?hm-2的水平,說明MNPK、SNPK施肥處理還有潛在增產的空間,反映出本研究等氮條件下有機無機肥配施的處理中無機氮肥供應量偏小或者有機肥施用量偏大。黃紹敏等[25]連續(xù)13年對不同施肥方式下潮土土壤氮素平衡及去向進行研究,結果表明施NPK化肥氮素中48%被作物利用,9.7%殘留在土壤中,55%揮發(fā)損失;NPK與有機肥配施的氮素利用率、殘留率和損失率分別為44.3%、23%和42%,其中與秸稈配施的氮素利用率最高達到51%。同時對豫麥13、鄭太育1號、臨汾7203、鄭州941、豫麥47、鄭州8998、鄭麥9023等小麥品種連續(xù)15年不同施肥方式的研究結果認為,在施氮量相同情況下,NPK和NP處理小麥的氮利用率最高,分別為70.3%和68.4%,秸稈還田(SNPK)條件下氮、磷的利用率高于MNPK[20]。本研究則認為NPK、MNPK、SNPK施肥處理的氮肥吸收利用率(RE)、農學效率(AE)以及偏生產力(PFP)均明顯高于NK施肥處理,說明NPK配施以及與有機肥和秸稈還田配施有利于小麥對氮肥的吸收,并提高籽粒產量[圖4(a),(c),(d)];而生理利用率(PE)分別為35.2(NPK)<53.3(MNPK)<64.2(SNPK)kggrain?kg-1N,說明NPK肥配合秸稈還田或有機肥更有利于土壤氮素的吸收[圖4(b)]。此外,本研究以長期定位監(jiān)測基地近20年歷史不同施肥措施的土壤為載體,以新審定的小麥品種為研究對象,具有長、短結合的研究特點。本研究對長期定位研究18年歷史的小麥產量進行了整理分析,產量結果與本研究的結論相吻合;同時試驗又分為2組,每組各處理均重復3次,相當于重復6次,進而彌補了本研究周期性相對較短的問題,進一步減少了系統(tǒng)誤差,增大了研究數據準確性、真實性以及結論的可靠性。4結論在等氮量[165kg?hm-2(以N計)]條件下,施NPK肥以及NPK配施有機肥或秸稈還田能夠顯著提高小麥各生育階段的田間群體數、有效穗數和干物質累積量。在小麥抽穗期以前,NPK、MNPK、SNPK施肥處理的小麥對氮素吸收累積量差異不明顯,但均極顯著(P≤0.01)高于不施肥(CK)或缺素施肥(NK);NPK、NPK配施有機肥或秸稈還田更有利于灌漿期、成熟期氮素在莖、葉、鞘、穗等器官累積;小麥對氮素吸收累積量、氮肥利用率以NPK最大,MNPK/SNPK次之,均極顯著(P≤0.01)高于CK和NK;氮素吸收累積量順序依次為NPK>MNPK>SNPK>NK>CK。NPK、MNPK、SNPK處理的氮肥吸收利用率(RE)、生理利用率(PE)、農學效率(AE)以及偏生產力(PFP)均明顯高于CK和NK處理,NPK肥配合秸稈還田或有機肥更有利于土壤氮素的吸收。