施氮量對不同茬口冬小麥生長和產量的影響

朱員正 董云杰 姚麗茹 賀崢崢 普布倉決 張光鑫 韓娟

摘 要 旨在研究施氮量對不同茬口冬小麥生長和產量的影響，探明小麥合理輪作制度和氮肥管理?；诖蠖共缈诤陀衩撞缈?，設3個施氮量水平（N1：135 kg·hm-2；N2：180 kg·hm-2；N3：225 kg·hm-2），研究施氮量對不同茬口冬小麥莖蘗動態、葉面積指數、干物質積累、籽粒灌漿、產量及其構成因素的影響。結果表明，同一施氮量下，大豆茬口下的冬小麥分蘗能力、葉面積指數、干物質積累、強弱勢粒粒質量和產量顯著高于玉米茬口。玉米茬口下，冬小麥的分蘗能力，葉面積指數和干物質積累表現出N3 ＞ N2 ＞ N1處理；大豆茬口下，冬小麥上述指標表現出N2 ＞ N3 ＞ N1處理，且產量在N2處理下表現最佳，較玉米茬口產量顯著提高? 18.29%。結合籽粒灌漿和產量構成因素發現，大豆茬口冬小麥千粒質量優于玉米茬口是因為大豆茬口顯著提高了弱勢粒的平均灌漿速率所導致的。通過產量與施氮量擬合曲線的分析，大豆茬口最高產量施氮量和最佳經濟產量施氮量分別為203.60和199.11 kg·hm-2，玉米茬口為271.09和264.40 kg·hm-2。綜上，大豆茬口在冬小麥生長和產量上優于玉米茬口，適宜的施氮量為199.11～203.60 kg·hm-2。

關鍵詞 施氮量；茬口；小麥；產量

小麥作為三大糧食作物之一，其產量對于滿足日益增長的糧食需求至關重要[1]。氮（N）是小麥生長發育的必需元素之一，對小麥產量的貢獻超過45%[2]。外源添加的氮肥是小麥的重要氮源，氮肥的合理施用對小麥的生長和產量至關重要。然而，在實際生產中，氮肥不合理施用現象廣泛存在，特別是過量施氮，這不僅導致氮肥利用率低、產量不穩定，還會造成嚴重的面源污染[3]。因此，優化小麥的施氮量，對保障中國糧食生產安全和實現農業可持續生產有著重要意義。

小麥-玉米復種是眾多糧食產區的主要種植制度。禾本科連年種植是影響小麥生產的另一關鍵因素，長期的禾本科連作導致病蟲害加劇、土壤養分偏耗嚴重、土壤質量下降，這使得小麥生長發育不良，造成產量損失嚴重[4-5]。已有研究表明[6-7]，將豆科作物融入種植體系能夠有效避免上述問題。例如，Jie等[8]研究發現豆科作物使后茬非豆科作物增產20%。Gan等[9]研究表明，將豆科作物加入輪作周期，在輪作周期內，籽粒產量增加了35.5%。另外，利用豆科作物的固氮效應，還可以減少氮肥投入。美國中西部地區通過豆科作物苜蓿與玉米輪作，每年可節約5 000～? 9 000萬美元的氮肥成本[10]。Plaza-Bonilla等[11]研究表明豌豆可為下茬小麥提供40～49 kg·hm-2的氮。同時，豆科作物在固氮過程中產生的微環境，會促進輪作作物的生長，有利于氮素等養分的利用[12-13]。因此，可以將豆科作物引入禾本科作物連作體系中，一方面可以防止連作障礙的產生，另一方面利用豆科作物的固氮效應，減少氮肥投入的同時保證產量，實現作物的可持續生產。

基于以上兩點，本研究從施氮量和茬口兩方面出發，明確施氮量對玉米和大豆茬口下冬小麥生長和產量的影響，為冬小麥合理的茬口選擇和氮肥管理提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

于2018-2019年陜西省涇陽縣的西北農林科技大學斗口試驗站（108°88′E，34°61′N）進行，屬暖溫帶大陸性季風氣候。試驗開始時0～? 20 cm土層全氮 1.13 g·kg-1；有機質 17.05?? g·kg-1；有效磷 14.12 mg·kg-1；速效鉀?? 286.00 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗采用雙因素隨機區組設計，茬口設玉米茬口和大豆茬口；施氮量設N1（135 kg·hm-2）、N2（180 kg·hm-2）、N3（225 kg·hm-2）3個氮肥水平，氮肥按基肥∶拔節肥=1∶1施入。各處理磷肥、鉀肥播種全部基施，施用量分別為 120 kg·hm-2、90 kg·hm-2。每個處理設置3次重復，共18個小區，小區面積為45.5 m2（3.5 m×13 m）。

前茬玉米品種為‘陜單609，前茬大豆品種為‘中黃13。冬小麥品種為‘小偃22，于2018年10月7日播種，播量187.5 kg·hm-2，行距25 cm，播前進行旋耕，冬小麥于2019年5月29日收獲。其余田間栽培管理措施同當地農戶。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 莖蘗動態 ?于小麥越冬期、拔節期、開花期和成熟期，每個小區選取3行1 m長，調查田間莖蘗數，計算莖蘗成穗率。莖蘗成穗率=成熟期總莖數/拔節期總莖數×100%[14]

1.3.2 葉面積指數 于冬小麥越冬期、拔節期、開花期、灌漿期各小區選擇健康且長勢均勻的30片葉片制作小葉樣，測得小葉面積，利用公式計算葉面積指數，葉面積指數（LAI）=小葉面? 積（m2）×干物質質量（kg·m-2）/小葉干物質質量（kg）[15]

1.3.3 干物質積累 于冬小麥越冬期、拔節期、開花期、灌漿期、成熟期于各小區取樣，分部位（莖、葉、穗等）后，在105 ℃下殺青30 min，80 ℃烘干至恒量后稱質量。

1.3.4 籽粒灌漿特性

于冬小麥開花期，各小區標記當天開花且生長均勻的200個穗，隨后每隔4 d取20個穗，直至成熟。每穗取中部5～12排小穗的第1、2小花的籽粒作為強勢粒，第3～4位小花作為弱勢粒，將穗摘下分為強勢粒和弱勢粒，105 ℃殺青30 min后50 ℃烘干至恒量，并稱質量。采用Richards方程按照朱慶森等[16]方法對籽粒灌漿進行擬合，并計算導出相關的灌漿特征參數，公式如下：

W=A/（1+Be-Kt）1/N

式中，W為籽粒質量，A為生長終值，t為開花后的天數，B、K、N為參數。

生長速率（G）：G=AKBe-Kt/N（1+BeKt）（N+1）/N

起始生長勢（R0）：R0=K/N

活躍生長期（D）：D=（2N+4）/K

1.3.5 測? 產 小麥成熟期在每個小區隨機選擇1 m2樣方進行測產，調查穗數和穗粒數，脫粒后測定千粒質量和含水量，計算14%水分含量下的產量。

1.3.6 最佳經濟產量施氮量 通過回歸分析方法[17]擬合小麥產量與施氮量方程，確定最佳施氮量，其中，氮肥成本價格為1.8元·kg-1，冬小麥價格為2.4元·kg-1。

1.4 數據分析

采用 Excel 2016進行數據整理和圖表繪制，采用 SPSS 22.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 施氮量對不同茬口下冬小麥莖蘗動態的? 影響

由表1可以看出，莖蘗數呈現出先升后降的趨勢，在拔節期達到最高。玉米茬口下，與N1相比，N2和N3處理于拔節期分別顯著提高莖蘗數5.78%和15.44%；于成熟期分別顯著提高莖蘗數5.74%和15.71%（P<0.05）。大豆茬口下，與N1相比，N2和N3處理于拔節期分別顯著提高莖蘗數12.19%和3.27%，于成熟期分別顯著提高莖蘗數4.21%和10.56%。在同一施氮量下，莖蘗數表現為大豆茬口顯著高于玉米茬口。在N3處理下，大豆茬口相較于玉米茬口在拔節期和成熟期莖蘗數分別提高了18.92%和? 16.16%。

同一茬口下，莖蘗成穗率隨施氮量的增加而提高，但無顯著性差異（P>0.05），玉米茬口莖蘗成穗率整體顯著高于大豆茬口。同一施氮量下，N2處理大豆茬口的莖蘗成穗率顯著低于玉米茬口（P<0.05）。

2.2 施氮量對不同茬口冬小麥葉面積指數的? 影響

由圖1所示，冬小麥葉面積指數（LAI）在整個生育期呈現出先升后降的趨勢，開花期最高。玉米茬口下，整體上，LAI隨著施氮量的增加而增加，以開花期為例，相比N1處理，N2和N3處理分提高了10.57%和19.87%。大豆茬口下，越冬期和開花期的LAI隨著施氮量的增加而增加，越冬期N3較N1處理顯著提高了21.18%；拔節期和灌漿期LAI在N2處理下最高，但與N1和N3處理無顯著性差異。同一施氮量下，大豆茬口的LAI顯著高于玉米茬口。在越冬期，同一施氮量下，大豆茬口較玉米茬口顯著提高了42.66%～52.40%；拔節期提高了13.83%～52.60%；開花期顯著提高了27.82%～43.16%；灌漿期顯著提高了57.71%～141.13%。

2.3 施氮量對不同茬口冬小麥干物質積累的? 影響

如圖2所示，同一茬口下，冬小麥干物質量從拔節期到灌漿期迅速增加，到成熟期增速減緩。玉米茬口下，各生育時期冬小麥干物質量均呈?? N3>N2>N1處理，以成熟期為例，相比N1處理，N2和N3處理分顯著提高了9.11%和25.70%。大豆茬口下，灌漿期之前各施氮量下冬小麥干物質量無顯著差異，成熟期呈N2>N3>N1處理，且N3處理較N1處理顯著提高了4.59%。同一施氮量下，各生育時期冬小麥干物質量均呈大豆茬口>玉米茬口。在N3處理下，大豆茬口較玉米茬口在灌漿期和成熟期干物質分別顯著增加了19.79%和14.77%。在N2處理下，大豆茬口較玉米茬口在灌漿期和成熟期干物質分別顯著增加了35.10%和35.74%。

2.4 施氮量對不同茬口冬小麥灌漿的影響

2.4.1 強勢粒和弱勢粒粒質量 如圖3所示，各處理下冬小麥強勢粒和弱勢粒粒質量均呈現出“慢-快-慢”的S型曲線變化趨勢?；ê?～10 d強、弱勢籽粒干質量呈現緩慢增加趨勢。10～30 d強、弱勢籽粒干質量呈現急劇增加趨勢，之后開始下降。同一施氮量下，大豆茬口強、弱勢粒最終粒質量高于玉米茬口；不同茬口下，強、弱勢粒最終粒質量均表現為N3>N1>N2處理。進一步分析發現，茬口對粒質量的可調控程度表現為弱勢粒大于強勢粒，以玉米茬口為對照，同一施氮量下，強勢粒的增幅為1.35%～4.10%，弱勢粒的增幅在4.69%～8.13%。

2.4.2 強勢粒和弱勢粒灌漿參數 強勢粒和弱勢粒灌漿參數如表2所示，起始生長勢（R0）表示受精后子房的生長潛勢，與籽粒前期的生長速率密切相關。在強、弱勢粒中，N3處理的R0顯著高于N2、N1處理。玉米茬口下，N3處理強、弱勢粒R0較N1處理顯著提高10.00%和21.43%。大豆茬口下，N3處理強、弱勢粒R0較N1處理顯著提高18.18%和8.33%。冬小麥強勢粒最大灌漿速率（GRmax）均高于弱勢粒。在強勢粒中，玉米茬口的GRmax隨施氮量的增加而降低，N1處理較N3處理顯著提高了8.59%；大豆茬口的GRmax隨施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢，N1處理較N2處理顯著提高了6.03%。在弱勢粒中，玉米和大豆茬口的GRmax均隨施氮量的增加呈先升后降的趨勢，N1處理較N2處理分別顯著提高了6.91%和14.29%。冬小麥強勢粒平均灌漿速率（GRmean）高于弱勢粒。不同茬口下強勢粒GRmean無顯著差異，但弱勢粒GRmean表現出顯著性差異，大豆茬口較玉米茬口整體顯著提高5.04%。強勢粒的活躍灌漿期（D）高于弱勢粒。玉米茬口下，強勢粒的活躍灌漿期隨施氮量的增加而增加，N3處理強勢?；钴S灌漿期較N1處理顯著提高8.59%，大豆茬口下強勢粒表現出相同趨勢；弱勢粒的活躍灌漿期均在N2處理最高，大豆茬口下N2處理較N1處理顯著提高了6.02%。

2.5 施氮量對不同茬口冬小麥產量及產量構成的影響

如表3所示，大豆茬口下，冬小麥的穗數表現出N2>N3>N1處理，N2處理較N3處理顯著提高了6.11%；玉米茬口下，冬小麥的穗數表現出N3>N2>N1處理，N3處理較N2處理顯著提高了9.43%。同一茬口下，穗粒數隨施氮量的增加呈上升趨勢。大豆茬口千粒質量整體顯著高于玉米茬口。大豆茬口下，千粒質量隨氮肥的增加呈上升趨勢。玉米茬口下，N1處理下的千粒質量高于N3和N2處理。綜合產量構成三要素，玉米茬口下，N3處理冬小麥產量最大。大豆茬口下，N2處理下冬小麥產量最大。

相同施氮量下，大豆茬口冬小麥產量、穗數、穗粒數和千粒質量均高于玉米茬口。在N2處理下與玉米茬口相比，大豆茬口冬小麥產量、穗數分別提高了18.29%、34.88%，均達到顯著水平? （P<0.05）。除了N2處理玉米茬口冬小麥千粒質量低于大豆茬口外，玉米茬口冬小麥千粒質量均高于大豆茬口。玉米茬口和大豆茬口最高產量為7 607.26 kg·hm-2和8 053.69 kg·hm-2。大豆茬口主要通過提高冬小麥穗數和穗粒數來提高小麥產量。通過F測驗表明，茬口對冬小麥產量、穗數、穗粒數和千粒質量存在顯著影響，氮肥對冬小麥產量和穗數存在顯著影響，并且對產量和穗數存在顯著的交互作用。

2.6 不同茬口冬小麥產量與施氮量的關系

對不同茬口冬小麥產量與施氮量的關系進行一元二次方程擬合，由表4可示，大豆茬口最高產量施氮量和最佳經濟產量施氮量分別為203.60和199.11 kg·hm-2，比玉米茬口施氮量分別減少了24.89%和24.69%，最佳經濟產量卻比玉米茬口增加了7.49%。由此可知，大豆茬口可以在保證產量的前提下降低施氮量。

3 討論

3.1 施氮量與茬口對冬小麥生長的影響

莖蘗動態是小麥重要的生物學特征，也是決定群體發展的重要因素[18]。前人研究表明，增施氮肥能夠提高分蘗能力，增加莖蘗數[19]，本研究支持了這一結果，不同茬口下，相較N1處理，N2和N3處理均提高了莖蘗數。同一施氮量下，大豆茬口較玉米茬口冬小麥顯著提高了莖蘗數，可能是豆科作物的固氮作用促進了冬小麥對氮素的吸收[20]，增加了莖蘗數；另一方面和豆科茬口在團粒結構和根際沉積氮量的良好茬口優勢[21]有關。但大豆茬口較玉米茬口冬小麥莖蘗成穗率方面差異不顯著。這一結果可能是大豆茬口提高了小麥的分蘗能力，但也使得群體競爭增大，出現了更多的無效分蘗，致使成穗率比較低[22]。

LAI是小麥群體生長的基礎指標，與作物的光合能力有著密切關系[23-24]，而合理的栽培管理措施是保證作物生長的重要前提。本研究中，大豆茬口的LAI顯著高于玉米茬口，說明大豆茬口下的冬小麥有著較高的光合能力，有利于干物質積累。玉米茬口下，各時期LAI隨施氮量的增加而提高，這與李鑫格等[25]的研究一致。

干物質積累是作物產量形成的基礎，特別是花后積累的干物質對籽粒的貢獻率達60%以上[26]。本試驗表明，玉米茬口不同施氮量在開花期之前干物質積累差異不大，開花期之后出現顯著差異，這可能是由于N1處理能滿足作物前期的生長需求，但到后期供應不足所導致的。而大豆茬口差異不顯著，可能是豆科茬口提高了氮的有效性，使得即使在N1處理下也能滿足作物的生長。

3.2 施氮量與茬口對冬小麥灌漿和產量的影響

灌漿期是小麥籽粒形成、提高產量的重要生育時期，此時期在很大程度上決定了粒質量[27-28]。本研究中，隨著施氮量的增加，顯著增加了小麥穗數，但降低了千粒質量，這種結果與前人研究一致[29-30]，可能是穗數的增加使得群體間的競爭加劇而導致的。小麥的籽粒灌漿與穗上的所處位置密切相關，小麥穗基部第1位和第2位籽粒的粒質量和灌漿速率顯著高于第3位籽粒[31]。本研究發現冬小麥弱勢粒粒質量和灌漿速率在灌漿過程中均較低于強勢粒。在小麥中，頂部小穗的粒質量顯著低于底部小穗的粒質量，但弱勢粒對小麥產量增加的貢獻大于強勢粒[32]。以往的研究表明，干旱、高溫、栽培技術對弱勢粒灌漿的影響大于對強勢粒灌漿的影響[33-35]。因此，弱勢粒對環境和農藝措施更為敏感。本試驗結果證實了這一點，相較于強勢粒，弱勢粒受到茬口的影響更劇烈，并表明大豆茬口較玉米茬口主要是通過促進弱勢粒的灌漿來提高小麥粒質量。之前的研究表明，籽粒灌漿速率隨氮肥施用量的減少而增加[36-37]。本研究發現，隨著施氮量的增加，強勢粒和弱勢粒的最大灌漿速率、平均灌漿速率下降。本研究中籽粒灌漿時間隨施氮量的增加而減少[38]，表明氮肥降低會影響籽粒灌漿的持續時間。這些結果表明，施氮降低了強、弱勢籽粒的灌漿速率，延長了活躍灌漿期。這可能是因為高氮輸入增加了植物組織中的氮濃度，帶來較高的氮代謝率，并導致碳水化合物消耗增加，減少碳水化合物向籽粒灌漿的轉移[39-40]。冬小麥粒質量與灌漿速率和灌漿持續時間呈顯著正相關關系[41]。本研究中，大豆茬口強弱勢粒平均灌漿速率整體大于玉米茬口，最終粒質量表現為大豆茬口>玉米茬口，表明茬口主要通過影響強弱勢粒平均灌漿速率影響粒質量。

氮素是影響作物產量的重要因素，但過量施氮不利于花后物質轉運受阻，也就使得灌漿性能大幅下降，千粒質量降低，嚴重影響了作物的產量形成[42]。小麥產量由穗數、穗粒數、千粒質量3個要素構成，協調好這3個要素的關系是小麥高產的重要因素之一[43-44]。前人研究發現隨著施氮量的增加，小麥產量、穗數、穗粒數和千粒質量表現出先上升后下降的趨勢[45]。本研究表明，大豆茬口下，隨施氮量的提高，冬小麥穗數和產量先升后降，但穗粒數卻表現出增加趨勢，這可能與大豆茬口的氮沉積有關；玉米茬口下，冬小麥產量和穗數隨施氮量的增加而增加，而千粒質量和穗粒數并無顯著性差異，說明玉米茬口下產量的提高主要是通過穗數的增加的引起的。將兩個茬口的產量與構成要素進行整體比較，發現大豆茬口各方面均優于玉米茬口，存在著明顯的茬口優勢。史校艷等[46]的研究認為，茬口效應影響冬小麥的產量、穂數和穗粒數，呈現出為大豆茬口>玉米茬口。本研究發現同一氮肥處理下，與史校艷等的結果一致，且千粒質量也表現為大豆茬口>玉米茬口。本研究中，大豆茬口下N3和N2處理冬小麥產量差異不顯著，可能是由于大豆茬口的殘留氮充足，使得冬小麥在施氮量減少的情況下也能滿足冬小麥產量形成[47]。通過對冬小麥產量與施氮量間的關系進行一元二次方程擬合，結果表明，大豆茬口最高產量施氮量和最佳經濟產量施氮量為203.60、199.11 kg·hm-2，較玉米茬口減少了施氮量，但產量反而有所增加。因此，在實際生產中，應根據茬口的特性選擇適宜的施氮量，使氮肥得以最大化利用。

4 結? 論

不同茬口下，冬小麥的生長和產量對施氮量的響應不同。玉米茬口下，冬小麥莖蘗發育、葉面積指數、干物質積累和產量隨施氮量的增加而增加；大豆茬口下，冬小麥上述指標隨施氮量的增加表現出先升后降的趨勢，在施氮量180 kg·hm-2最高。同一施氮量下，大豆茬口莖蘗發育、葉面積指數、干物質積累、籽粒灌漿和產量表現優于玉米茬口。相比于玉米茬口，大豆茬口可以在保證產量的前提下降低施氮量，適宜的施氮量為? 199.11～203.60 kg·hm-2。

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Effect of Nitrogen Application Rate on Growth and Yield?? of? Winter Wheat? under Different Crop Rotations

Abstract To investigate the effect of nitrogen application rate on the growth and yield of winter wheat in different crop rotations and to establish a reasonable crop rotation system and nitrogen fertilizer management， three nitrogen application rates were set （N1：135 kg·hm-2；N2：180 kg·hm-2；N3：225 kg·hm-2）. This study was conducted based on soybean and maize crop rotations to study the effect of nitrogen application rates on stem and tiller dynamics， leaf area index， dry matter accumulation， grain filling， and yield and yield components of winter wheat under different crop rotations. The results showed that，at the same nitrogen application rate， the tillering ability， leaf area index， dry matter accumulation， grain? mass， and yield of winter wheat in soybean crop rotation were significantly higher than those in maize crops for rotation. In the maize crop rotation， the tillering ability， leaf area index and dry matter accumulation of winter wheat followed the order of N3>N2>N1 treatment; under the soybean crop rotation， the above-mentioned indexes of winter wheat showed the order of N2>N3>N1 treatment， and the yield was the highest under the N2 treatment， significantly increasing by 18.29 % compared to the maize crop rotation. When combining grain filling with yield components， it was observed that the 1 000-grain? mass of soybean crop rotation was better than that in maize crop rotation. This improvement was attributed to the significant increase in the average grain filling rate of inferior grain，the average grain filling rate of inferior grain in the soybean crop rotation. After analyzing fitting curve between yield and nitrogen application rate， the maximum yield nitrogen application rate and the optimal economic yield nitrogen application rate of soybean crop rotation were 203.60 and 199.11 kg·hm-2， respectively， for maize crop rotation， these values were?? 271.09 and 264.40 kg·hm-2. In conclusion， soybean crop rotation is superior to maize crop rotation in the growth and yield of winter wheat， and the recommended nitrogen application rate is 199.11-? 203.60 kg·hm-2.

Key words Nitrogen application rate; Crop rotation; Wheat; Yield