施氮對不同肥力土壤小麥氮營養和產量的影響

杜 盼，張娟娟，郭 偉，馬新明1,,3，郭建彪

（1 河南糧食作物協同創新中心，鄭州 450002；2 河南農業大學信息與管理科學學院，鄭州 450002；3 河南農業大學農學院，鄭州 450002）

土壤是植物賴以生存的基礎，土壤與作物之間進行營養、水、氣的交換，進而影響作物的生長發育和品質的形成。施肥量與作物產量呈顯著正相關[1]，因此農民通過大量增施化肥來追求高產，導致過量的氮被散失在空氣、水和土壤中，引起一系列的環境和人類健康問題[2]。農田養分供應是由土壤基礎肥力和肥料的投入共同決定的，不同土壤肥力下土壤養分供應能力和特征也不同，由此導致作物對養分吸收和利用特征也有所不同，直接影響肥料的合理施用和養分的管理[3]。已有長期定位試驗的研究結果表明，在高肥力不施肥的條件下，種植作物50年后產量仍在增加，在低肥力不施肥的條件下，作物的產量持續下降[4-6]。因此，進行田間施肥時，要充分考慮土壤基礎地力情況。鄭偉等[3]研究表明，范家屯鎮低肥力試驗點達到最高產量的施氮量高于榆樹市的高肥力點，但是范家屯鎮試驗點的最高產量和最佳經濟產量高于榆樹市試驗點；趙俊曄等[7]在土壤肥力存在差異的兩塊高產田上，研究發現成熟期小麥積累的氮素73.32%～87.27%來自土壤，較高土壤肥力條件下，植株吸收更多的土壤氮素，土壤中殘留的肥料氮量和肥料氮的損失量相應較高；潘曉麗等[8]在高、中、低三種不同肥力的土壤上進行相同的施肥處理，結果顯示高肥力土壤玉米產量比低肥力和中肥力土壤高出23.07%和12.40%，且玉米吸收的肥料氮和土壤氮比例接近1∶1；馬常寶等[1]研究表明潮土區的土壤地力對小麥的貢獻率為51.4%，對玉米的貢獻率為54.0%。

另外，關于施氮對作物不同葉位葉片氮含量、SPAD值的分布特征前人已做了較多的研究[9-16]。目前關于不同栽培措施和不同品種小麥的產量和植株、葉片氮營養的研究較多，但是針對不同土壤肥力下矮抗58產量、不同葉位葉片氮含量、SPAD值、氮素積累量、植株和所有葉片氮含量和土壤硝態氮的時空變化特征及對施氮量的響應還未見報道。本研究在河南省高、低肥力土壤上設置不同的施氮量，研究矮抗58主莖從上到下4片葉在不同土壤肥力條件下的SPAD值、氮含量和各葉位葉片的氮素積累量在不同葉位的時空分布特征及最大產量對應的施氮量，為河南省同類生產條件下氮肥的合理施用和產量的提升提供參考和依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

2015—2016年在河南省許昌縣河南農業大學許昌校區 (113°48′14.9″E，34°8′1″N) 進行，其中地塊1，土壤有機質、全氮、速效氮和速效鉀含量較低，以低肥力田描述；地塊2，土壤有機質、全氮、速效氮和速效鉀含量較高，以高肥力田描述。0—20 cm土層土壤基礎肥力見表1。供試品種為矮抗58，設置施氮 0 (N0)、120 (N1)、225 (N2) 和 330 kg/hm2(N3) 4個水平，基追比均為5∶5，基肥在播種前施入，追肥在拔節時施入。播種方式為機播，播量為150 kg/hm2，行距20 cm。小區面積為28.8 m2(2.4 m ×12 m)，3次重復。所用氮肥為尿素 (N含量46%)，結合整地一次性施用過磷酸鈣 (P2O514%) 857.14 kg/hm2、氯化鉀 (K2O 60%) 200 kg/hm2，磷鉀肥全部做基肥，其它栽培措施同一般高產田管理。

表1 高、低肥力農田0—20 cm土壤基本化學性質Table 1 Basic properties at 0-20 cm soil layers in the high and low fertility fields

1.2 測定項目和方法

1.2.1 SPAD值 用日本生產的SPAD-502型葉綠素計在小麥主要生育時期 (開花期、花后10天、花后20天) 每個小區取代表性植株20株，測量20個主莖旗葉到倒四葉的SPAD值，每張葉片測定3個位置 (葉尖、中部和底部)，計算3個位置的平均值作為該葉的SPAD值。

1.2.2 地上部生物量與氮含量 將1.2.1中的20個主莖按旗葉、倒2葉、倒3葉、倒4葉分開，另取10株按葉片和其余分開，均在105℃殺青30分鐘，80℃烘干至恒重，稱重。

將上述烘干后樣品粉碎過1 mm篩，采用濃硫酸雙氧水消煮法 (使用儀器為德國生產的連續流動分析儀) 測定其氮含量。

1.2.3 土壤硝態氮含量 用土鉆取越冬期到成熟期0—20 cm、20—40 cm的新鮮土壤樣品，每個小區取3個點分兩層混合，過20目篩，混勻，稱取10 g新鮮土壤樣品，加入100 mL 1 mol/L的KCl溶液浸提，振蕩1 h后過濾，吸取待測液4 mL，放入5 mL離心管，4℃冰箱保存待測。用連續流動分析儀測定，標液濃度為10、8、6、4、3、2、1 mg/L，同時測定鮮土含水量，換算成干土中硝態氮含量。

1.2.4 相關計算公式 植株含氮量 = [葉片氮含量 (%) ×葉片干物重 + 其余氮含量 (%) × 其余干物重] ÷ (葉片干物重 + 其余干物重)

單張葉片氮素積累量 (mg/片) = 該葉片含氮量 ×該葉片的重量。

1.3 數據處理

采用Excel2013進行數據處理和作圖，SPSS21.0軟件中的多重比較法Duncan進行方差分析，顯著水平設為0.05。

2 結果與分析

2.1 施氮量對土壤硝態氮含量的動態變化

由圖1可知，農田增施氮肥均顯著提高了兩個土層的硝態氮含量，高肥力田塊各施氮處理的土層硝態氮含量顯著高于低肥力田塊。隨著土層下移，硝態氮含量逐漸減少。兩土層的硝態氮含量范圍分別為2.43～74.37 mg/kg和2.3～33.46 mg/kg。

由圖1-a可知，施氮顯著提高了各施氮處理下高肥力田塊0—20 cm土層硝態氮含量；各施氮處理下低肥力土壤硝態氮含量差異顯著。開花期到成熟期，與不施氮處理相比，低肥力田塊N1處理的增幅為39.6%、19.9%、67.5%、23.4%；高肥力田塊N1處理的增幅為95.1%、106.6%、89.2%、40.3%。開花期、花后10天和成熟期，低肥力田塊下的N0和N1處理的土壤硝態氮含量差異不顯著；高肥力田塊下的N0和N1處理的0—20 cm土層的土壤硝態氮含量差異極顯著；花后20天，高、低肥力田塊在N0和N1處理下的土壤硝態氮含量均差異顯著。

由圖1-b可知，開花期到成熟期，與不施氮處理相比，低肥力田塊20—40 cm土層 N1處理的增幅分別為20.8%、31.5%、33.3%、30.4%；高肥力田塊N1處理的增幅分別為90.1%、74.0%、55.9%、123.8%。開花期到成熟期，低肥力田塊下的N0和N1處理下，土壤硝態氮含量差異均不顯著。在N2和N3處理下，高肥力田塊和低肥力田塊的土壤硝態氮含量之間均有極顯著差異。

圖1 不同土壤肥力和施氮處理條件下小麥不同生育時期0—20 cm和20—40 cm土層土壤硝態氮含量Fig. 1 Nitrate concentration in 0-20 cm and 20-40 cm soil layers at different stages of wheat under different fertility fields and nitrogen treatments

2.2 施氮量對小麥產量的影響

由圖2知，高肥力田塊施氮處理下的產量均高于低肥力田塊。低肥力田塊和高肥力田塊的施氮處理比不施氮處理產量分別增加了3.25 t/hm2和1.80 t/hm2，增幅分別達到55.2%和21.0%。不同施肥處理下，低肥力田塊小麥產量隨著施氮量的增加而顯著增加，高肥力田塊的小麥產量在各施氮處理之間差異不顯著。根據產量和施氮量相關性分析發現，兩者符合二次曲線方程，決定系數R2分別達到0.99和0.98。通過曲線方程可知高、低肥力田塊的施氮量為213 kg/hm2和287 kg/hm2時，理論產量達到最大值分別為10.44 t/hm2和9.13 t/hm2。

圖2 施氮水平對小麥產量的影響Fig. 2 Effect of different nitrogen treatments on yield of wheat

2.3 小麥SPAD值的分布特點及其對施氮量的響應

由圖3知，小麥在開花期、花后10天、花后20天，不同施氮量下，小麥葉片的SPAD值分別為25.6～59.0、16.0～57.8和11.2～57.1。在高肥力條件下，SPAD值范圍為11.2～59.0；在低肥力條件下，SPAD值范圍24.0～58.8。三個時期均以旗葉和倒2葉的SPAD值最高，其次為倒3葉，最后是倒4葉。從空間分布來看，除倒2葉外，葉片SPAD值隨著葉位的下降而降低。從生育時期來看，葉片SPAD值隨著生育時期的推進而降低。

圖3 不同土壤肥力和施氮處理條件下不同葉位SPAD的變化Fig. 3 SPAD value of wheat with different leaf location under different fertility fields

由圖3-a可知，開花期不同施氮處理下，低肥力田塊 N1、N2、N3處理旗葉和倒2葉的SPAD值顯著高于不施氮 (N0) 處理。不同葉位的SPAD值表現為隨著施氮量的增加而增加；高肥力田塊， N1、N2、N3水平下旗葉的SPAD值也顯著高于不施氮(N0) 處理。

由圖3-b知，花后10天，不同施氮處理下低肥力田塊， N1、N2、N3處理旗葉、倒2葉、倒3葉的SPAD值顯著高于不施氮 (N0) 處理；高肥力田，N1、N2、N3處理的旗葉、倒2葉、倒4葉的SPAD值與不施氮 (N0) 處理差異不顯著。所有施氮處理 (N0、N1、N2、N3)，倒2葉、倒3葉、倒4葉在不同土壤肥力下的SPAD值差異顯著。

由圖3-c知，花后20天的倒4葉葉片變黃故無法測出SPAD值。N0處理下，旗葉、倒2葉和倒3葉的SPAD值表現為低肥力低于高肥力，N1、N2、N3處理下旗葉、倒2葉和倒3葉的SPAD值表現為低肥力高于高肥力。

與N0相比，開花期和花后10天低肥力田SPAD值的最大增幅分別為130.8%、262.2%；高肥力田這兩個時期的最大增幅分別為26.2%和87.0%。說明土壤肥力高減小了不同葉位之間的差異。

2.4 小麥地上部植株和全部葉片氮含量變化及其對施氮量的響應

由圖4可知，施氮在不同程度上均提高了不同土壤肥力田塊植株和葉片氮含量，從開花期到花后20天，隨著葉莖比不斷減少，葉片氮含量明顯高于植株氮含量。不同土壤高、低肥力條件下，植株氮含量的范圍分別為0.75%～1.97%和1.33%～1.70%；所有葉片氮含量的范圍分別為1.80%～3.83%和2.32%～3.72%。

由圖4-a可知，開花期高肥力田塊的植株和葉片氮含量在各施氮處理之間差異均不顯著；低肥力田塊的N0處理與N1、N2、N3處理差異均顯著，說明在低肥力田塊增施氮肥能顯著提高植株和葉片的氮含量。N0處理下，高肥力田塊的植株氮含量顯著高于低肥力田塊。除N3處理， N0、N1、N2處理下低肥力田塊的地上部所有葉片氮含量顯著低于高肥力田塊。

由圖4-b可知，花后10天，隨著施氮量的增加，低肥力田塊的植株和葉片氮含量也呈增加趨勢；高肥力田塊隨著施氮量的增加植株和葉片氮含量呈現先增加后降低的趨勢。說明相同的施肥量在低肥力田塊是適量，但是在高肥力田塊就是過量施氮。在各施氮處理下，葉片氮含量在高低肥力之間差異均不顯著。

由圖4-c可知，花后20天，隨著生育時期的推進，高肥力田塊的葉片氮含量和植株氮含量在各氮處理下，差異均不顯著。在不施氮處理下，高、低肥力田塊下的植株與葉片氮含量差異均顯著。

圖4 不同土壤肥力和施氮處理條件下小麥植株和全部葉片氮含量變化Fig. 4 Nitrogen concentration of wheat with plant and all leaves under different fertility fields and nitrogen treatments

2.5 不同葉位葉片氮含量的分布特點及其對施氮量的響應

由圖5知，小麥在開花期、花后10天和花后20天，低肥力田塊小麥葉片氮含量分別為1.4%～4.0%、1.1%～3.5%、0.5%～3.8%，高肥力田塊小麥葉片氮含量分別為2.4%～4.3%、2.0%～3.8%、1.2%～2.4%，三個時期均以旗葉和倒2葉氮含量最高，其次為倒3葉，最后是倒4葉。從空間分布來看，除倒2葉外，葉片氮含量隨著葉位的下降而降低。從時間來看，葉片氮含量隨著生育時期的推進而降低。

由圖5-a知，開花期低肥力條件下，各葉位的氮含量隨著施氮量的增加而增加，高肥力條件下，各葉位的葉片氮含量隨著施氮量的增加先增加后降低，說明過量施氮反而不利于小麥葉片中氮含量的積累。開花期，不同施氮處理下低肥力田塊，N2、N3處理下旗葉、倒2葉、倒3葉的葉片氮含量顯著高于不施氮 (N0) 處理；高肥力田塊，N1、N2、N3處理的旗葉葉片氮含量高于不施氮 (N0) 處理。低肥力田塊，N0和N1處理倒2葉、倒3葉葉片氮含量的差異均不顯著；高肥力條件下，旗葉、倒2葉、倒3葉和倒4葉的葉片氮含量在各施氮處理下差異均不顯著。下位葉倒4葉的葉片氮含量高肥力田比低肥力田塊高出22%～71%。

由圖5-b知，花后10天，在相同施肥處理下，高肥力田塊的葉片氮含量均高于低肥力田塊。旗葉、倒2葉和倒3葉的葉片氮含量在N1到N3處理下，高低土壤肥力下差異均不顯著，高肥力下倒4葉葉片氮含量顯著高于低肥力條件下的葉片氮含量。

從圖5-c可以看出，花后20天，低肥力的旗葉葉片氮含量 (除N0外) 顯著高于高肥力旗葉葉片氮含量，這可能是因為過量施氮抑制根系的生長，使根系分布較淺，生育后期抗旱能力差，易脫水脫肥[17]，導致低肥力葉片氮含量反而高于高肥力土壤條件下的葉片氮含量。

與N0相比，開花期、花后10天、花后20天的低肥力田施氮最大增幅分別為179.7%、228.3%、613.2%；高肥力田三個時期的最大增幅分別為74.7%、92.9%、101.7%。

圖5 不同土壤肥力和施氮處理條件下小麥不同葉位葉片氮含量變化Fig. 5 Leaf concentration of wheat with different leaf location under different fertility fields and nitrogen treatments

2.6 不同葉位主莖葉片對氮素的吸收及轉運

由圖6顯示，上4葉氮素積累量分別為2.40～12.26 mg/株 (低肥力田塊)、6.26～15.70 mg/株 (高肥力田塊)，表明基礎肥力高的田塊能顯著提高上4葉的氮素積累量。低肥力田塊，上4葉的氮素積累量隨著施氮量的增加而提高，高肥力田塊上4葉氮素積累量隨著施氮量的增加先升高后降低，表明過量施氮反而不利于葉片氮素積累的增加。在低肥力田塊，與開花期相比，花后20天上4葉氮素積累量的降幅為13.2%～61.4%。隨著生育時期的推進，下部葉最先衰老，低肥力田，除N0外，不同葉位對上4 葉的貢獻率表現為旗葉 ＞ 倒 2 葉 ＞ 倒 3 葉 ＞ 倒4葉，旗葉對上4葉氮素積累的貢獻率由開花期的35.1% ～43.8%增加到40.0%～52.6%，到花后20天時，倒4葉對上4葉的貢獻率較少為5.4%～7.4%，表明葉片的衰老加速了氮素向上部葉片和籽粒中轉運；高肥力田，不同葉位對上4葉的貢獻率表現為旗葉 ＞ 倒 3 葉 ＞ 倒 4 葉或倒 2 葉 ＞ 倒 3 葉 ＞ 倒4葉，說明土壤肥力高減小了旗葉與倒2葉之間的差異。旗葉和倒2葉對上4葉的貢獻率最高分別達39.9%和39.7%。

由表2知，高、低肥力田塊不同葉位的氮素轉運量和轉運率有差異，在開花后10天到花后20天，旗葉到倒4葉這4片葉的轉運量和轉運率均表現為高肥力田塊高于低肥力田塊(除N0外) 。

圖6 小麥不同葉位的氮積累量Fig. 6 Nitrogen accumulation of wheat with different leaf location under different fertility fields

3 討論

3.1 不同肥力小麥產量和土壤硝態氮的變化特征

土壤基礎肥力影響養分的供應，影響作物對肥料的吸收和利用。劉海濤等[18]研究表明高肥力農田產量高于低肥力農田，高肥力的土壤能夠持續礦化出更多的無機氮供玉米利用，通過全面提升產量三要素進而增加作物產量。本研究結果表明，高肥力農田小麥產量在各施氮處理下均高于低肥力農田，低肥力農田的產量隨著施氮量的增加而增加，且各施氮處理之間差異顯著，增產幅度表現為低肥力農田高于高肥力農田。林琪等[19]研究表明，高肥力田塊的施氮量對產量的影響是二次曲線關系，達到最高產量的適宜施氮量為193.0～211.4 kg/hm2；在低肥力土壤上，產量隨著施氮量的提高而增加。本試驗結果表明，高、低肥力田塊的產量和施氮量均是二次曲線關系，高、低肥力田塊達到理論最高產量的施氮量為213 kg/hm2和287 kg/hm2，低肥力田塊的氮肥用量高于高肥力田塊，說明低肥力田塊要通過較高的氮肥投入來彌補土壤肥力低對產量的影響。

硝態氮含量直接反映旱地農田土壤氮素水平，增施氮肥會顯著增加土壤中硝態氮的含量且隨施氮量的增加而升高，但當施氮量為330 kg/hm2時，對土壤硝態氮含量的提高效果不明顯[20-21]。本試驗結果表明，高、低肥力田塊土壤的硝態氮含量隨著施氮量的增加而增加，但是在生育期之間沒有明顯的變化，0—20 cm土層的土壤硝態氮含量高于20—40 cm土層的土壤硝態氮含量，說明隨著土層的下移土壤硝態氮含量逐漸減少。高肥力土層的土壤硝態氮含量顯著高于低肥力田塊，但是高的硝態氮含量容易增加土壤硝態氮的淋失[22]。

表2 開花開始10天和10～20天不同葉位葉片氮素轉運量及轉運率Table 2 Amounts and rates of N transportation at different positions of wheat leaf during 0-10 and 10-20 day since anthesis stage

3.2 不同土壤肥力下小麥不同葉位葉片氮營養的變化特征

不同土壤肥力下麥稈覆蓋處理水稻灌漿期劍葉SPAD值均隨氮肥后移量的增加而增加[23]。隨著氮肥水平的提高，小麥葉片SPAD值逐漸增大，但在較高水平氮肥處理之間變化較小或者無變化，說明施氮有利于提高SPAD值，但過量施用氮肥會導致葉片SPAD值達到飽和[24]。在本試驗中，高、低肥力田塊的SPAD值與施氮量的關系表現與以上研究結果一致，在開花期和花后10天，高肥力田塊不同葉位SPAD值大體上高于低肥力田塊，上位葉旗葉、倒2葉高于低肥力田塊，而下位葉倒3葉、倒4葉顯著高于低肥力田塊，說明下位葉對土壤肥力比較敏感。在花后20天，高肥力田塊 (除N0外) 旗葉、倒2葉和倒3葉的SPAD值低于低肥力田塊。

蔡紅光等[25]研究表明，新立城低肥力試驗區在喇叭口期和灌漿之后葉片全氮量均高于德惠高肥力試驗區，而在吐絲期則低于德惠試驗區。李作一等[11]研究表明玉米的葉位差距越大，含氮量差異越大。本研究結果表明，在開花期到花后20天，N1和N2處理下，高肥力田塊全部葉片氮含量高于低肥力田塊，在花后10天和花后20天的N2和N3處理，低肥力田塊的全部葉片氮含量反而高于高肥力田塊，在不施氮條件下，全部葉片和植株氮含量均表現為高肥力田塊高于低肥力田塊。開花期和花后10天，高肥力田塊倒四葉的葉片氮含量顯著高于低肥力田塊，但是兩種肥力田塊下施氮處理之間差異不顯著，說明下位葉對土壤基礎肥力更敏感。在花后20天，高、低肥力田塊不同葉位的氮含量表現與不同葉位SPAD值相似的趨勢即在高氮處理下，低肥力田塊的葉位氮含量高于高肥力田塊。

張銘等[26]研究表明在高、中、低三種土壤肥力水平下小麥在各生育時期植株的吸氮量均隨施氮量的增加而提高且與施氮量存在顯著的線性正相關關系。趙滿興等[27]對西北旱地冬小麥研究表明施氮可以顯著增加小麥地上部的氮素積累量。姜麗娜等[28]研究表明高肥中密度條件下，倒4葉、倒4節及余葉和余節氮含量和積累量增加，縮小了與上部各器官的差異。本試驗結果表明，與基礎肥力低的田塊相比，基礎肥力高的田塊能顯著提高主莖頂部上4葉的氮素積累量。對于低肥力田塊，上4葉的氮素積累量隨著施氮量的增加而提高，高肥力田塊上4葉氮素積累量隨著施氮量的增加先升高后降低，表明過量施氮反而不利于葉片氮素積累的增加。低肥力田塊，隨著生育時期的推進，下部葉最先衰老，從開花期到花后20天，旗葉對上4葉氮素積累的貢獻率逐漸增加。到花后20天時，倒4葉對上4葉的貢獻率逐漸減少，說明葉片的衰老加速了氮素向上部葉片和籽粒中轉運；高肥力田塊，旗葉和倒2葉的氮素積累量差異不大，說明土壤肥力高減小了旗葉與倒2葉之間的差異。高肥力田塊不同施氮處理的不同葉位葉片的轉運量和轉移率均比低肥力田塊高，這就意味著有更多的氮轉運到籽粒中，因此，產量也會越高，更多的氮轉運到籽粒中，這可能是生育后期葉片氮含量SPAD值降低的原因。

4 結論

增施氮肥可以通過提高土壤硝態氮含量來提高土壤供氮能力。不同葉位葉片的SPAD值、葉片氮含量表現為高肥力田塊整體高于低肥力田塊，但是在生育后期高肥力田塊SPAD值和葉片氮含量低于低肥力田塊。高、低肥力田塊的旗葉和倒2葉氮素積累量對上4葉的貢獻率處于同等重要的位置。高肥力田塊不同施氮處理葉片的轉運量和轉移率比低肥力田塊高。通過提高低肥力田塊施氮量增加的產量達不到高肥力田塊的產量，高肥力田塊則要通過控制氮肥用量來提高產量和氮肥利用率，因此，考慮改善農田基礎肥力來提高產量。通過對高、低肥力條件下產量的分析發現達到最高產量時的施氮量分別為213 kg/hm2和287 kg/hm2。