不同氮肥用量对小麦产量及氮素利用的影响

王立艳　高伟　李明悦　金修宽

摘    要：为实现小麦增产与氮素高效利用的目标，以天津地区主推小麦品种‘衡观35、‘衡4399和‘济麦22为供试材料，于2018—2019年在冬小麦生长季内开展不同小麦品种和施氮水平的田间试验，施氮水平为不施氮（N1），225 kg·hm-2（N2）和300 kg·hm-2（N3） 3个。结果表明， N2和N3比N1的小麦产量分别增加38.85%～94.88%和62.03%～131.51 %;3个小麦品种氮肥利用率为25.5 %～35.6 %，N3的氮肥利用率与N2相比降低了8.02 %～20.32 %;‘衡观35的氮肥偏生产力提高了4.64%，‘衡4399、‘济麦22的氮肥偏生产力分别降低了23.83 %和12.48 %。综合考虑三个小麦产量及氮素利用率，225 kg·hm-2为本研究条件下的最佳施肥量。

关键词：小麦品种;氮肥;产量;氮素利用率;氮收获指数

中图分类号：S512.1;S311          文献标识码：A         DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.01.004

Effects of Different Nitrogen Application Rates on Wheat Yield and Nitrogen Use Efficiency

WANG Liyan， GAO Wei， LI Mingyue，  JIN Xiukuan

（Tianjin Institute of Agricultural Resources and Environment， Tianjin  300192， China）

Abstract： In order to achieve the goal of increasing wheat yield and nitrogen use efficiency， 'Hengguan 35'， 'Jimai 22' and' Heng 4399' were used as the experimental materials to determine the effects of nitrogen rate on  wheat yield and nitrogen use efficiency， which were the main commercial wheat varieties in Tianjin region.  The field experiments of different varieties and nitrogen levels were carried out in 2018—2019 growth seasons of winter wheat. The nitrogen application levels were as fouows： no nitrogen（N1）， 225 kg·hm-2 （N2） and 300 kg·hm-2 （N3）  respectively. The results showed that wheat yields of N2 and N3 were increased by 38.85 %～94.88 % and 62.03 %～131.51 %， which compared with  non-nitrogen  application treatment; the nitrogen use efficiency of  three wheat varieties was 25.5 %～35.6 %， meanwhile nitrogen use efficiency of N3 decreased by 8.02 %～20.32 % compared with N2; and partial productivity of nitrogen fertilizer was increased by 4.64 % for 'Hengguan 35'， partial productivity of nitrogen fertilizer was decreased by 23.83 and 12.48 % for'Heng 4399' and 'Jimai 22'，respectively. Taking grain yield and nitrogen use efficiency into account， 225 kg·hm-2 was the optimum application rate under similar situation.

Key words： wheat cultivars; nitrogen fertilizer; yield; nitrogen use efficiency; nitrogen  harvest index

施肥是影響农田土壤养分库和作物产量的主要因素之一[1-3]。氮肥投入是农业生产中保障作物高产的重要手段，也是影响小麦籽粒产量和品质的主要因子[4]。近年来对于氮肥的规模化施用，小麦的产量水平得到显著提高[5]。国际上一般认为化肥对作物产量的贡献率在35%～66%之间，而我国有关报道认为化肥对作物产量的贡献率在35%～45%之间[6]。随着氮肥施用量的持续增加，其边缘效应也日益显现，大量无效的氮素投入不仅造成了大量的养分资源浪费、肥料贡献率低，而且导致肥料增产效应和产量均有所下降[7]。过量施用氮素不但不利于小麦产量潜力的发挥，还极易造成田间小气候的恶化，加剧植株病虫害的发生，同时还造成严重的土壤酸化以及地下水和空气等的污染[8-9]。因此，如何打破这种恶性循环，实现节氮增产已成为当前农业科研工作者的主要研究方向[10]。在保持小麦较高产量水平下研究如何减少氮肥的施用量，实现氮素化肥的高效利用，对保障粮食可持续生产和环境安全有重要意义。

华北地区小麦总产占到全国的67%[11]，是小麦的优势产区，同时也是典型的高投入高产出地区[12-13]。华北地区农用化肥施用量自2005年的1 916万t 增至2014年的2 174万t，增加了13%[14]。由于氮素过量投入使得该区产量、施肥量和氮素管理差异更加突出。所以培育和应用氮高效品种，在不降低产量和品质的同时减少氮肥使用量，提高氮肥利用率，降低农业生产成本，是实现“高产、优质、高效、生态、安全”的农业可持续发展的必要措施。本研究选用以天津地区主要推广小麦品种，分析在不施氮，225 kg·hm-2和300 kg·hm-2三个氮肥水平条件下，对不同品种的产量和氮素利用的影响，以期为小麦品种在华北地区的应用及改良提供数据支撑。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2018年9月—2019年6月在天津市武清区天津市农业科学院现代农业科技创新基地进行。供试土壤为重壤质潮土，0～20 cm土壤的基本性状为：硝态氮37.5 mg·kg-1，铵态氮9.2 mg·kg-1，速效磷25.8 mg·kg-1，速效钾426.8 mg·kg-1，有机质18.50 g·kg-1，全盐0.59 g·kg-1，pH 8.86，土壤容重1.05 g·cm-3。

1.2 试验设计

供试作物为主推品种：‘衡观35（河北省农林科学院旱作农业研究所选育，矮杆大穗、抗旱节水，高产型小麦品种）、‘衡4399（河北省农林科学院旱作农业研究所选育，节水高产、抗逆广适）、‘济麦22（山东省农业科学院作物研究所育成，株型紧凑，抗寒性好），分别标记为Hg35、H4399、Jm22。每个品种设有3个处理。采用完全随机区组排列，小区面积为25 m2（5 m×5 m），3次重复，共计27个小区。

供试肥料为尿素含N 46%，过磷酸钙含P2O5 12%，氯化钾含K2O 60%。肥料施用方法：过磷酸钙、氯化钾全部底施，尿素50 %底施，50 %在返青期进行追施，追施结合灌水进行。具体处理及施肥量见表1。

为减少试验误差，将小区分为取样区和测产区，各生育期采样在采样区进行，测产区在收获期测定产量。2018年10月15日播种，15-16日浇水，行距20 cm，3叶期定苗，基本苗450×104株·hm-2，分别在越冬前、返青期和拔节期灌水，并及时除草灭虫。其余管理方法同一般大田。

1.3 样品采集及测定项目

根据小麦长势分别在苗期、返青期、拔节、灌浆期、成熟期进行采样。在小麦成熟期时，每个处理各选取20株具有代表性的单株，将其分为茎秆、叶片、穗轴、颖壳和籽粒5部分，于105 ℃杀青30 min，然后75 ℃烘干至恒重，测定干物质量。

测定干物质量后将各部分样品粉碎，采用鲁如坤[15]的方法测定植株氮含量、籽粒氮吸收量和植株氮吸收量。

小麦成熟期在各小区分别取1 m2代表性樣品测定单位面积穗重。每小区均设3次重复。再按照含水率折算产量。

1.4 数据计算与统计分析

籽粒氮吸收量=籽粒生物量×籽粒氮含量/100

营养器官氮吸收量=茎叶氮吸收量+颖壳氮吸收量

地上部氮吸收量=籽粒吸收量+营养器官氮吸收量

氮收获指数=籽粒氮吸收量/地上部氮吸收量×100%

氮肥利用率（%）=（施氮区小麦地上部吸氮量-对照区小麦地上部吸氮量）/施氮量×100

氮肥偏生产力（kg·kg-1）=施氮处理产量/施氮量

式中，吸收量、籽粒产量和生物量单位均为kg·hm-2。

试验数据采用Excel2007和SPSS13.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥用量对不同小麦品种生物量的影响

施用氮肥能显著提高冬小麦产量，施氮与不施氮之间差异均达显著水平（图1），其中济麦22在N3水平产量最高，与N1水平之间差异达显著水平。‘衡观35、‘衡4399、‘济麦22的籽粒和秸秆平均产量分别为6 039.0，5 955.1，7 162.1和5 516.7，

6 315.1，6 768.6 kg·hm-2。

3个品种随着施用氮肥含量的增加，小麦籽粒产量也存在增加的趋势，且每个品种施氮与不施氮之间差异均达显著水平。施氮水平之间差异显著性不同，其中‘衡观35和‘济麦22的N3水平和N2水平之间差异达显著水平，‘衡4399的N3水平和N2水平之间差异不显著。‘衡观35在N3水平和N2水平分别比N1水平高出131.51 %和65.94 %;‘衡4399在N3水平和N2水平分别比N1水平高出97.93 %和94.88 %;‘济麦22在N3水平和N2水平分别比N1水平高出62.03%和38.85%。表明施氮对提高小麦籽粒产量效果明显。

3个品种随着施用氮肥含量的增加，小麦秸秆产量也存在增加的趋势。其中‘衡观35在N2水平和N3水平分别比N1水平高出33.69 %和58.37 %，‘衡4399在N2水平和N3水平分别比N1水平高出62.08%和80.81%;‘济麦22在N2水平和N3水平分别比N1水平高出49.55 %和94.94 %。表明施氮对提高小麦秸秆产量效果明显。

2.2 不同氮肥用量对小麦氮吸收的影响

随着施氮量的增加，不同小麦品种整体的吸氮量都有所增加（图2）。‘衡观35在N2水平与N1水平的吸氮量差异不显著，N3水平与N1水平之间的吸氮量差异达显著水平;‘衡4399与‘济麦22，两者在N2水平和N3水平均与N1水平之间的吸氮量差异达显著水平。N1水平、N2水平和N3水平下，‘衡观35、‘衡4399、‘济麦22从苗期到成熟期的吸氮量分别为240.3～315.1 kg·hm-2、568.4～665.3 kg·hm-2和660.8～741.6 kg·hm-2。‘衡观35、‘衡4399、‘济麦22的N2水平比N1水平的吸氮量平均增加96.6%，159.5%和92.7%，N3水平比N2水平的吸氮量平均增加12.2%，15.9%和14.9%。‘衡观35、‘衡4399、‘济麦22，N3水平与N2水平之间的吸氮量差异不显著，表明氮施肥量300 kg·hm-2与225 kg·hm-2相比，增施氮肥并未显著提高小麦吸氮量。

2.3 不同小麦品种氮响应度的差异

从表2中可以看出，3个小麦品种氮响应度整体均处于较高水平。供试小麦品种的氮响应度都大于9，‘衡观35和‘衡4399的氮响应度均大于10。其中，‘衡4399在N2水平和‘衡观35在N3水平，每增加1 kg氮肥的施用量均可增产15 kg以上，虽然‘衡4399的N2水平的氮响应度比N3水平的氮响应度要高，但是两者产量差异不显著。所以，在种植小麦过程中，对于在低施氮量水平下产量高而且氮响应度较高的品种，可以考虑在适宜种植的区域广泛开展种植;对于产量相当品种，可以适当考虑控制低氮水平的施用，减少氮肥施用量;对于产量一般但响应度较高品种就要控制施氮量，充分发挥氮肥单位增产作用。

2.4 不同氮肥用量对小麦氮肥利用效率的影响

从表3中可以看出，不同品种随着施氮量的增加，其收获指数变化趋势不同。‘衡观35、‘衡4399、‘济麦22的收获指数最高分别为0.60，0.55，0.62，分别在N2水平下。

3个小麦品种氮肥利用率差异显著性不同。‘衡4399的N2水平和N3水平之间差异不显著，‘衡观35和‘济麦22的N2水平和N3水平之间差异均达显著水平，3个小麦品种氮肥利用率为25.5 %～35.6 %。在相同施氮条件下，‘济麦22氮肥利用率要高于‘衡4399，两者要高于‘衡观35，且氮素利用率随着施氮量的增加而降低。N3水平与N2水平相比，‘衡观35、‘衡4399、‘济麦22氮肥利用率降低了8.02 %～20.32 %，平均降低了13.18 %。

氮肥偏生产力的表现趋势与氮肥利用率不完全一致，其中‘衡4399和‘济麦22的氮肥利用率与氮肥偏生产力的表现趋势一致。N3水平与N2水平相比，‘衡观35的氮肥偏生产力提高了4.6 %，‘衡4399、‘济麦22的氮肥偏生产力分别降低了23.8 %和12.5 %。‘衡4399和‘济麦22，N2水平和N3水平的氮肥偏生产力差异均达显著水平。所以，氮肥合理施用能够在降低氮肥投入量的同时提高氮肥利用率。

3 结论与讨论

作物产量是衡量肥料效果的一项重要指标。氮素是影响作物优质高产的首要因素。1978—2006年间化肥投入对粮食产量增长的贡献率达56.81%，氮肥是主要因素，对粮食增产的贡献率高达40%[16-17]，农业生产中多通过增施氮量来提高产量，然而实际生产中，作物产量并非随施氮量的增加成比例增加，反而呈现报酬递减规律[18]。徐凤娇研究表明，施氮量控制在180～270 kg·hm-2范围内，可以有效提高产量，超过270 kg·hm-2开始下降[19]。本研究中，在氮肥使用量為225 kg·hm-2时的小麦产量，比不施氮肥的小麦产量增加38.85～94.88%;在氮肥使用量为300 kg·hm-2时的小麦产量，比不施氮肥的小麦产量增加62.03～131.51%，表明施用氮肥对小麦增产具有显著效果。

本研究表明，随着施氮量的增加，不同的小麦品种整体的吸氮量都有所增加。‘衡观35在N2水平与N1水平的吸氮量差异不显著，N3水平与N1水平之间的吸氮量差异达显著水平;‘衡4399与‘济麦22，两者在N2水平和N3水平均与N1水平之间的吸氮量差异达显著水平。3个小麦品种N3水平与N2水平之间的吸氮量差异不显著，表明氮施肥量300 kg·hm-2与225 kg·hm-2相比，增施氮肥并未显著提高小麦吸氮量。3个小麦品种氮响应度整体均处于较高水平。供试小麦品种的氮响应度都大于9，‘衡观35和‘衡4399的氮响应度均大于10，但是由于不同品种在不同N水平下氮响应度的不同，在施用氮肥时要控制氮肥的施用量，充分发挥氮肥单位增产作用。

在小麦生产中，氮肥利用率是衡量施氮是否合理的一个重要指标。许多研究指出，随着施氮量的增加小麦氮肥利用率递减[20-21]，与本研究结果与其一致。本研究发现，3个小麦品种氮肥利用率为25.5%～35.6%，氮施肥量300 kg·hm-2与225 kg·hm-2相比，‘衡观35、‘衡4399、‘济麦22氮肥利用率降低了8.02%～20.32 %，平均降低了13.18 %。3个小麦品种氮肥利用率与氮肥偏生产力的表现趋势不完全一致，其中‘衡4399和‘济麦22的氮肥利用率与氮肥偏生产力的表现趋势一致。氮施肥量在300 kg·hm-2与225 kg·hm-2相比，‘衡观35的氮肥偏生产力提高了4.6%，‘衡4399、‘济麦22的氮肥偏生产力分别降低了23.8 %和12.5 %。‘衡4399和‘济麦22，N2水平和N3水平的氮肥偏生产力差异均达显著水平。

已有研究表明，氮肥合理运筹可以增加氮的积累量并提高氮肥利用率[22]。为使小麦品种达到稳产、高效、优质的目的，需要适量施用氮肥。综合考虑三个小麦施氮处理与不施氮处理的地上生物量、籽粒产量、氮吸收量、氮肥利用率、偏生产力、氮响应度因素，施氮量 225 kg·hm-2为本研究条件下的最佳施肥量，该条件下显著提高了氮肥利用率，实现了小麦减氮增产的协同目标。在小麦的生产中，应该根据当地的自然条件和小麦品种来确定适宜的施氮量，对于其它地区小麦生产中适宜施氮量的确定，还需要进一步研究。

致谢：

此数据来源与中国农业科学院农业信息研究所合作项目，特别感谢其对本试验开展所提供的大力支持与帮助！

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收稿日期： 2020-11-16

基金项目： 国家重点研发计划（2017YFD02017）

作者简介： 王立艳（1981—），女，黑龙江海伦人，助理研究员，硕士，主要从事盐碱地改良及植物营养方面研究。

通讯作者简介： 高伟（1978—），女，黑龙江佳木斯人，副研究员，博士，主要从事植物营养方面研究。