利用长期定位施肥的土壤条件研究不同施肥措施对小麦(TriticumaestivumL.)吸收利用氮素的影响,为新形势下制定合理培肥施肥技术确保小麦的高产稳产,保护农田环境具有积极意义。施肥对小麦生长发育的影响,研究表明随着氮肥或有机肥施用量的增加,叶片SPAD值增大[1];与单施无机肥相比,有机无机肥配施可以增加小麦的有效小穗数和穗粒数[2],降低小麦灌浆盛期旗叶膜脂过氧化,提高光合速率、干物质积累速率和千粒质量,延缓叶片的衰老;而不均衡施肥膜脂过氧化作用升高,光合速率降低[3]。在小麦品质方面,在高施氮量情况下,可以提高小麦籽粒的蛋白石含量和面粉面团参数[4];与不施肥相比,氮磷钾配施可以明显提高小麦籽粒的蛋白质、总氨基酸和必需氨基酸含量[5],改善面粉品质和面团品质,增加灰分含量[6];但也有研究认为长期有机无机配施与不施肥或者单施氮肥相比,降低籽粒的蛋白质、湿面筋、干面筋含量以及沉淀值和小麦籽粒品质[7]。此外,施肥对小麦籽粒产量及养分吸收的影响,国、内外大量研究认为有机无机配施能显着提高小麦籽粒产量[8-18],而长期不施肥、单施N肥及不均衡施肥处理的小麦产量下降[9,12,14];同时,施用有机肥可以使小麦对N、P、K的吸收较为均衡,缺素施肥直接导致植株体内相应养分的明显亏缺,不施N肥则制约小麦对K的吸收[19];NP、NPK配施小麦的氮、磷利用率较高,且NPK配施有机肥的肥料利用率有累加效应[20]。前人有关施肥对小麦影响的研究多集中在小麦生长发育、品质、产量等方面,研究选用的小麦品种通常已经大面积推广。而有关不同施肥措施对小麦特别是新审定小麦品种氮素的阶段性吸收、利用以及累积等方面研究则鲜有报道。本研究以国家潮土土壤肥力与肥料效益长期监测基地为平台,以1990年以来的不同施肥措施的土壤为基础材料,以新审定的郑麦7698为对象,系统的研究不同施肥措施对其整个生育期各生育阶段N素吸收、累积的影响,为制定小麦高产稳产的施肥技术、丰富小麦营养需肥理论及其它相关研究提供理论支持和借鉴。

1材料与方法

1.1试验地概况1987年中国农业科学院在全国9个不同土壤生态类型区布置了“全国土壤肥力和肥料效益长期定位监测试验网”,经过2年匀地种植,于1990年开始不同施肥方式下作物产量与肥料效益的监测研究。试验地位于黄淮海平原国家潮土土壤肥力与肥料效益郑州长期监测站(34°47′N,113°40′E),4季分明,气候类型为暖温带季风气候,年平均气温14.4℃,>10℃积温约5169℃。7月最热,平均27.3℃;1月最冷,平均0.2℃;年平均降雨量645mm,无霜期224d,年平均蒸发量1450mm,年日照时间约2400h。土壤类型为潮土,1990年研究开始时基础土壤样品的养分情况为pH8.3,w[土壤有机质(SOM)]=10.1g?kg-1,w[土壤碱解氮(Alkali-hydrolysableNitrogen)]=76.6mg?kg-1,w[有效磷(Olsen-P)]=6.5mg?kg-1,w[有效钾(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[土壤全钾(TotalK)]=16.9g?kg-1。有关监测站长期定位施肥对土壤养分及肥力的研究详见Nie等[21]、张水清等[22]的研究结果。

1.2试验设计长期定位施肥研究的试验小区为完全随机排列,本研究选取其中的5个处理:(1)CK(种植冬小麦,不施肥);(2)NK(施氮肥和钾肥,不施磷肥);(3)NPK(施氮磷钾化肥);(4)MNPK(M指有机肥,有机肥+氮磷钾化肥);(5)SNPK(S指玉米秸秆,秸秆还田+氮磷钾化肥),按照小区面积大、小分2组,分别为54m2和45m2,每组各处理均3次重复,相当于有6次的重复。研究施用的氮肥为尿素[CO(NH2)2],磷肥为磷酸二氢钙[Ca(H2PO4)2],钾肥为硫酸钾(K2SO4),有机肥为牛粪,秸秆为当季玉米秸秆。除不施肥(CK)的处理外,施肥处理的施氮量(或标准)相同(其中施有机肥或秸秆还田的氮肥分配比为m(有机氮)与m(无机氮)之比为7∶3,m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1∶0.5∶0.5),施肥处理的磷肥、钾肥、有机肥、秸秆作基肥一次施入,无机氮肥的m(基肥)∶m(追肥)=4∶6(秸秆还田处理可能由于C多而C/N失调,必需增加N用量,这样秸秆还田处理所无机氮肥按7∶3分配基肥和追肥),各处理施肥量见表1。试验选用的小麦品种为郑麦7698(豫审麦2011008),2009年10月18日播种,播量约150kg?hm-2,行距23cm,2010年6月11日收获。各处理田间管理一致,分别于越冬期、返青期及抽穗期浇水3次,每次500m3?hm-2;并进行人工除草。此外,本研究整理分析了1991—2008年间18年的小麦产量资料,为分析小麦对氮素吸收的影响提供数据上支持和补充;长期定位施肥研究选用的小麦品种虽然年际间不同,但是同一研究年份内,各施肥处理的品种相同。

1.3测定及分析方法分别在小麦的越冬期(2009-12-22)、返青期(2010-02-25)、拔节期(2010-03-17)、抽穗期(2010-04-16)、灌浆期(2010-05-06)、成熟期(2010-06-11)进行田间植株样品的采集,并进行室内处理以及分析测定。小麦出苗后,在每个小区固定3个1m长样段,在每个生育时期调查田间群体数,取平均值计算;同时取0.5m行长的植株样品,用自来水冲洗干净,剪去根部,分为茎秆、叶、叶鞘、穗和籽粒(生育前期为整株),鲜样于105℃杀青30min,70℃烘干至恒质量,并称质量,计算干物质重。植株的全氮用H2SO4-H2O2法测定[23],干物质用烘干法测定[24],小区实收5m2计算产量,氮吸收量及利用率等计算方法如下:N累积吸收量(kg?hm-2)=[干物质积累量(kg?hm-2)×各器官中全氮质量分数(g?kg-1)]/1000;氮肥吸收利用率=(施氮肥区作物氮素累积量─空白区氮素累积量)/施用氮肥总氮量×100%;氮肥生理利用率(Physiologicalefficiencykggrain/kgN)=(施氮肥区产量─空白区产量)/(施氮肥区植株吸氮量─空白区植株吸氮量);氮肥农学利用率(Agronomicefficiencykggrain/kgN)=(施氮肥区产量─空白区产量)/施用氮肥总量;氮肥偏生产力(Partialfactorproductivitykggrain/kgN)=作物施肥后的产量/氮肥施用量;文中数据为6次重复均值,用Excel、DPS等软件进行统计分析,用LSD法进行多重比较。

2结果与分析

2.1长期不同施肥措施下小麦籽粒产量(1991—2008)、群体动态与生物量的变化在等氮量施肥条件下,由图1可以看出,1991—2008年间CK、NK处理的小麦产量均低于NPK、MNPK、SNPK处理,其中NK处理的小麦产量在1991—1994年间呈下降趋势而后逐渐趋于稳定。NPK、MNPK、SNPK处理的小麦产量在年际间存在一定的波动,NPK处理的籽粒产量要稍高于MNPK、SNPK处理。此外,考虑到不同年份之间小麦品种对研究的影响,研究将1991—2008年间18年的历史产量数据分为1991—1999、2000—2008年2个阶段来分析,由表2可以看出,1991—1999和2000—2008年前后2个阶段中NPK、MNPK、SNPK处理的籽粒产量分别为6116.3、5682.2、6084.0kg?hm-2和6700.3、6031.7、6368.0kg?hm-2,均极显着(P≤0.01)高于CK、NK处理;NPK、MNPK、SNPK处理之间差异不显着,前后2个阶段的产量增加幅度上以NPK处理最大,达到9.6%,其次为MNPK处理,SNPK处理相对较小,前后2个阶段各处理产量大小均为NPK>SNPK>MNPK;说明NPK、MNPK、SNPK施肥处理的研究结果与品种关系不大。不同施肥措施对小麦群体数影响明显,在小麦生长的各个生育阶段,NPK、MNPK、SNPK施肥措施的田间群体数较大,到拔节期群体数最大,分别为1513.2、1414.4、1545.7万苗?hm-2,是CK、NK处理的3~4倍;NPK、MNPK、SNPK处理在抽穗期以前群体的变动幅度也较大,而CK、NK处理的群体波动幅度较小(图2)。不同施肥处理对冬小麦干物质累积量的影响,由图3可以看出,在小麦生长的各个阶段NPK、MNPK、SNPK施肥处理的总干物质重以及茎、叶、叶鞘、穗等器官的干物质重均较高,CK、NK施肥处理的则明显较低[图3(a)];而且随着生育进程的推进,地上部干物质积累量的差距进一步加大,到成熟期最大。从灌浆期、成熟期各个器官的干物质分配来看,NPK、MNPK、SNPK施肥措施有利于光合产物向营养器官、生殖器官积累[图3(b),(c)],进而获得较高的籽粒产量。在成熟期,NPK、MNPK、SNPK施肥处理的籽粒产量分别为8883.2、7706.4、8197.5kg?hm-2,是CK、NK处理的2~4倍。

2.2不同施肥措施下小麦地上部全氮含量与氮素积累量的变化长期定位施肥对冬小麦不同生育时期吸收土壤N素的影响,由表3可以看出,在小麦越冬期、返青期,MNPK/SNPK处理的小麦幼苗植株全氮含量高于CK、NK、NPK处理,但是各处理间没有达到显着水平。到拔节期,MNPK/SNPK处理的小麦幼苗植株全氮含量分别极显着(P≤0.01)、显着(P≤0.05)高于CK、NK施肥处理;NPK处理的植株全氮含量低于MNPK/SNPK处理,但极显着(P≤0.01)高于CK。抽穗期,NK、NPK、SNPK施肥处理植株的全氮含量较高,均极显着(P≤0.01)高于CK、MNPK施肥处理。在灌浆期,各施肥处理的小麦器官全氮含量中叶最高,其次为穗,而叶鞘和茎中的含量较低;施肥处理的茎、叶(P≤0.01)、鞘、穗中的全氮含量均高于CK处理;施肥的各处理差异不显着。在成熟期,各处理小麦叶(CK除外)、穗的氮含量较高,而茎、鞘、颖壳中的氮含量较低;各施肥处理之间,NK、NPK处理的小麦叶、穗中氮含量较高,分别为1.18%、1.15%和2.26%、2.33%,叶中分别极显着(P≤0.01)、显着(P≤0.05)高于CK;而MNKP、SNPK处理的氮含量相对较低,在叶、穗中的质量分数分别约0.8%、1.60%。氮素吸收累积上,在小麦生长的越冬期、返青期、起身期以及抽穗期,NPK、MNPK、SNPK施肥处理间小麦的氮素累积吸收量没有显着差异,但均极显着(P≤0.01)高于CK、NK处理;NK施肥处理的吸收量也随着生育时期的推进多于CK处理(表3)。从各个器官的吸收分配来看,灌浆期NPK、MNPK、SNPK施肥处理在茎、叶、鞘及穗的氮素累积量均极显着(P≤0.01)高于CK、NK处理,其中SNPK、NPK、MNPK分别在茎叶、鞘、穗中的氮素累积量较高(表3)。在小麦成熟期NPK、MNPK、SNPK处理在茎、叶、鞘、颖壳、籽粒中的氮素累积量均显着(P≤0.05)或极显着(P≤0.01)高于CK、NK处理,其中NPK施肥处理在叶、颖壳、籽粒的吸收量最高,分别达到(以N计)11.86、13.39、206.80kg?hm-2,MNPK在茎、鞘中的氮素吸收量最高(以N计)分别达到18.38和5.89kg?hm-2,SNPK在各个器官中的氮素吸收量则介于二者之间;在成熟期累积氮吸收总量以NPK最高,达到249.1kg?hm-2,极显着(P≤0.01)高于其他施肥处理,CK处理的氮素吸收量最低,仅为61.73kg?hm-2,显着(P≤0.05)或极显着(P≤0.01)低于其他处理;氮素吸收量顺序由大到小依次为NPK>MNPK>SNPK>NK>CK。

2.3不同施肥措施下氮肥利用率的变化施肥措施最终会影响到氮肥的利用效率,由图4可以看出,在本研究条件下NPK、MNPK、SNPK施肥处理的氮肥吸收利用率(RE)、农学效率(AE)以及偏生产力(PFP)均明显高于NK施肥处理,说明NPK配施以及与有机肥和秸秆还田配合施用非常有利于小麦对氮肥的吸收、利用,并提高籽粒产量[图4(a),(c),(d)]。此外,NK、NPK、MNPK、SNPK施肥处理的生理利用率(PE)分别为22.7、35.2、53.3、64.2kggrain?kg-1N,说明等氮量条件下,NPK肥配合秸秆还田或有机肥更有利于土壤氮素的吸收[图4(b)]。

3讨论

有关施肥对小麦影响的研究一直持续是农业科研人员关注的热点。与本研究施氮量[165kg?hm-2(以N计)]相同的研究中,皇浦湘荣等[5]研究得出有机无机肥配施处理的产量均与NPK处理差异不显着,但千粒质量、穗数、蛋白质含量均高于NPK处理。介晓磊等[26]研究表明NPK配施或与有机肥配施能提高小麦叶片硝酸还原酶活性,有机肥与化肥配施处理的小麦产量与NPK处理差异不显着,千粒质量、穗数高于NPK处理,NPK配施有机肥有利于提高氨基酸含量。本研究表明,长期定位施肥条件下,NPK、MNPK、SNPK处理的小麦产量在较高,这与前人的研究结论基本一致。与CK、NK处理相比,施NPK、NPK配施有机肥或秸秆还田增加产量的原因是:一方面增大了田间群体的穗数;另一方面有利于不同生育时期茎、叶、穗等器官对氮素的吸收和累积,最终获得了较高的干物质累积量和籽粒产量(表2)。但也应该注意,MNPK、SNPK处理籽粒的产量分别7706.4、8197.5kg?hm-2,仍低于NPK处理的8883.2kg?hm-2的水平,说明MNPK、SNPK施肥处理还有潜在增产的空间,反映出本研究等氮条件下有机无机肥配施的处理中无机氮肥供应量偏小或者有机肥施用量偏大。黄绍敏等[25]连续13年对不同施肥方式下潮土土壤氮素平衡及去向进行研究,结果表明施NPK化肥氮素中48%被作物利用,9.7%残留在土壤中,55%挥发损失;NPK与有机肥配施的氮素利用率、残留率和损失率分别为44.3%、23%和42%,其中与秸秆配施的氮素利用率最高达到51%。同时对豫麦13、郑太育1号、临汾7203、郑州941、豫麦47、郑州8998、郑麦9023等小麦品种连续15年不同施肥方式的研究结果认为,在施氮量相同情况下,NPK和NP处理小麦的氮利用率最高,分别为70.3%和68.4%,秸秆还田(SNPK)条件下氮、磷的利用率高于MNPK[20]。本研究则认为NPK、MNPK、SNPK施肥处理的氮肥吸收利用率(RE)、农学效率(AE)以及偏生产力(PFP)均明显高于NK施肥处理,说明NPK配施以及与有机肥和秸秆还田配施有利于小麦对氮肥的吸收,并提高籽粒产量[图4(a),(c),(d)];而生理利用率(PE)分别为35.2(NPK)<53.3(MNPK)<64.2(SNPK)kggrain?kg-1N,说明NPK肥配合秸秆还田或有机肥更有利于土壤氮素的吸收[图4(b)]。此外,本研究以长期定位监测基地近20年历史不同施肥措施的土壤为载体,以新审定的小麦品种为研究对象,具有长、短结合的研究特点。本研究对长期定位研究18年历史的小麦产量进行了整理分析,产量结果与本研究的结论相吻合;同时试验又分为2组,每组各处理均重复3次,相当于重复6次,进而弥补了本研究周期性相对较短的问题,进一步减少了系统误差,增大了研究数据准确性、真实性以及结论的可靠性。4结论在等氮量[165kg?hm-2(以N计)]条件下,施NPK肥以及NPK配施有机肥或秸秆还田能够显着提高小麦各生育阶段的田间群体数、有效穗数和干物质累积量。在小麦抽穗期以前,NPK、MNPK、SNPK施肥处理的小麦对氮素吸收累积量差异不明显,但均极显着(P≤0.01)高于不施肥(CK)或缺素施肥(NK);NPK、NPK配施有机肥或秸秆还田更有利于灌浆期、成熟期氮素在茎、叶、鞘、穗等器官累积;小麦对氮素吸收累积量、氮肥利用率以NPK最大,MNPK/SNPK次之,均极显着(P≤0.01)高于CK和NK;氮素吸收累积量顺序依次为NPK>MNPK>SNPK>NK>CK。NPK、MNPK、SNPK处理的氮肥吸收利用率(RE)、生理利用率(PE)、农学效率(AE)以及偏生产力(PFP)均明显高于CK和NK处理,NPK肥配合秸秆还田或有机肥更有利于土壤氮素的吸收。