王壯志 楊 蕊 李 秀 張程翔 王小燕

（長江大學農學院/濕地生態(tài)與農業(yè)利用教育部工程研究中心/澇漬災害與濕地農業(yè)湖北省重點試驗室，湖北 荊州 434025）

目前，湖北省已成為我國長江中下游農作區(qū)中小麥增產的主力地區(qū)之一［1］。據湖北省自然資源廳統計，湖北省中低產田占耕地總面積的71.1%，糧食主產區(qū)中低產田比重超過52%，達154 萬公頃，其中江漢平原麥區(qū)占湖北省小麥種植面積的30%左右，由于該地區(qū)地勢低洼、常年陰雨天氣較多、土壤質地黏重且小麥生育期整體偏短，導致小麥產量水平低下［2-3］。有研究表明，目前影響長江流域小麥增產的最重要養(yǎng)分因子仍是氮肥，與不施氮肥處理相比，施用氮肥后籽粒產量可增加66.0%左右，氮肥的增產效應相較于磷鉀肥表現最佳［4］。但在農業(yè)生產實踐中，氮肥施用不當的現象依然存在，部分田塊氮肥的大量投入不僅降低了氮肥的使用效率、回收利用率以及經濟效益，而且引起了環(huán)境污染、生態(tài)系統惡化、生物多樣性降低和危害人類健康等一系列嚴峻問題［5-6］。因此，明確江漢平原中低產田小麥種植的適宜施氮量對長江中下游地區(qū)小麥的高效生產以及生態(tài)環(huán)境的保護具有重要意義。

受地域、品種以及氮肥運籌模式等不同試驗條件的影響，前人對小麥最佳施氮量的研究結果不盡相同。安婷婷等［7］研究發(fā)現，施氮量為0～300 kg·hm-2時，小麥籽粒產量隨施氮量的增加而增加，而在兼顧產量與施肥效益時的最佳施氮量為240 kg·hm-2。孟維偉等［8］研究結果顯示，小麥優(yōu)質高產的施氮量范圍為168～240 kg·hm-2。田中偉等［9］以不同年代長江中下游主推小麥品種為材料發(fā)現，當施氮量超過225 kg·hm-2時，不同小麥品種的籽粒產量均表現出不同程度的下降。薛軻尹等［10］研究表明，江漢平原稻茬小麥在總施氮量不變的基礎上，在冬前期和拔節(jié)期追施氮肥可以獲得較高的產量和氮肥農學利用率。近年來，關于施氮量、施肥時期以及氮肥基追比例對小麥產量與氮素利用效率的影響已有較多研究，但江漢平原地區(qū)大多是以高產田及單一小麥品種為基礎展開的研究，關于中低產田條件下，不同強筋小麥品種對施氮量的響應以及小麥籽粒產量與氮素利用效率之間關系的研究鮮有報道。鑒于此，本試驗以適宜長江中下游流域種植的小麥品種揚麥23和鄭麥9023為材料，對比研究不同施氮量對小麥氮素吸收利用和干物質積累動態(tài)變化等方面的影響，分析干物質積累量、氮素積累量和氮素利用效率與產量間的關系，旨在篩選出適宜江漢平原中低產田的氮肥施用量，進而為該地區(qū)中低產田小麥綠色、高效栽培提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2020年11月—2021年6月在湖北省荊州市長江大學產業(yè)科技園選擇中低產水平的旱地（30°21′N，112°3′E）進行大田試驗，土壤質地為砂質壤土，播種前0～20 cm 土層有機質含量11.00 g·kg-1，堿解氮含量82.03 mg·kg-1，速效磷含量15.20 mg·kg-1，速效鉀含量51.11 mg·kg-1，pH值為7.8。

1.2 試驗材料與試驗設計

供試小麥品種選用江漢平原地區(qū)傳統種植的強筋小麥品種鄭麥9023（ZM9023）和適宜長江中下游流域種植的強筋小麥品種揚麥23（YM23），分別由河南省農業(yè)科學院以及江蘇金土地種業(yè)有限公司提供。試驗采用二因素裂區(qū)設計，施氮量為主區(qū)，品種為副區(qū)。試驗共設計4 個純氮施用量，施氮量分別為0（CK）、135（LN）、180（MN）、225 kg·hm-2（HN），氮肥基追比設置為：1/3 播種前基施（10月26日），1/3 冬前期追施（次年1月12日），1/3 拔節(jié)期追施（次年2月28日）。每個處理3次重復，共24個小區(qū)，小區(qū)面積為12 m2（2 m×6 m），基本苗210 萬株·hm-2。所有小區(qū)基施磷肥（P2O5）、鉀肥（K2O）各105 kg·hm-2，均以人工撒施的方式在耕前進行施肥。氮肥按試驗設計施用，生育時期各月份降水量見圖1，其他管理同一般高產田。

圖1 2020—2021年小麥生長季逐月降水量Fig.1 Monthly precipitation of winter wheat in growing season from 2020 to 2021

1.3 測定項目與方法

1.3.1 旗葉相對葉綠素含量（soil and plant analyzer development,SPAD） 于孕穗期（booting stage，BS），開花期和花后7、14、21、28、35 d，分別記為BS、0DAA、7DAA、14DAA、21DAA、28DAA、35DAA 在每個小區(qū)選取15 株長勢均勻的植株，使用SPAD-502 葉綠素儀（日本Konica Minolta 公司）測定其主莖旗葉最寬部位的SPAD值。

1.3.2 干物質積累量與氮素含量的測定 在小麥冬前期、拔節(jié)期、孕穗期、開花期、灌漿中期和成熟期隨機選取15 株長勢均勻的完整植株，去除小麥根系后于105 ℃殺青30 min，60 ℃烘干至恒重，并稱取植株干物質積累量。

將以上烘干后的樣品粉碎，經濃硫酸消煮后用KDY-9810 全自動凱氏定氮儀（北京瑞邦興業(yè)科技有限公司）測定樣品氮素含量［11］。

1.3.3 產量及產量構成因素的測定 于小麥成熟期，在每小區(qū)選取1 m2樣方統計有效穗數，并隨機取20 株小麥統計穗粒數，每小區(qū)選取2 m2樣方進行收獲，脫粒曬干后計產（13%含水量）并測定千粒重。

1.3.4 各項指標計算公式 收獲指數（harvest index，HI）=籽粒產量/地上部的總生物產量×100%；

氮肥農學利用率（nitrogen fertilizer agronomic efficiency，NFAE）（kg·kg-1）＝（施氮小區(qū)籽粒產量-不施氮小區(qū)籽粒產量）/施氮量；

氮肥表觀利用率（nitrogen fertilizer apparent use efficiency，NFUE）＝（施氮小區(qū)成熟期植株氮積累總量-不施氮小區(qū)成熟期植株氮積累總量）/施氮量×100%；

氮肥偏生產力（nitrogen fertilizer partial factor productivity，NPFP）（kg·kg-1）=施氮小區(qū)產量/施氮量；

氮素收獲指數（nitrogen harvest index，NHI）=籽粒氮素積累量/成熟期植株氮素積累量總量。

1.4 數據處理

采用Excel 2019、Origin 2018 和Canoco 5.0 軟件進行數據處理和作圖，采用DPS 7.5 進行差異顯著性檢驗，采用SPSS 25.0軟件進行二因素方差分析比較小麥品種、施氮量以及二者之間交互作用對各項指標的影響。

2 結果與分析

2.1 施氮量對小麥產量及產量構成因素的影響

由表1可知，施氮量對產量及產量構成因素有極顯著影響，小麥籽粒產量、有效穗數和穗粒數均隨施氮量的增加而增加。與CK 相比，LN、MN 和HN 的產量分別增加了97.1%～122.4%、120.5%～152.3%和121.6%～158.6%，但施氮量從MN 增加至HN 時，兩品種小麥的增產效應均不顯著。同時，品種對產量、有效穗數、穗粒數和收獲指數有顯著或極顯著影響，在相同施氮量條件下，揚麥23 籽粒產量均高于鄭麥9023，相較鄭麥9023 平均增產19.8%。進一步分析產量構成因素，相同施氮量條件下，鄭麥9023 的有效穗數、千粒重均高于揚麥23，而穗粒數和收獲指數則低于揚麥23。綜上所述，揚麥23 產量高于鄭麥9023 主要是由于其穗粒數和收獲指數的提升。此外，在一定范圍內增施氮肥雖有利于小麥的增產，但在兼顧產量與投入的前提下，MN 是江漢平原中低產田的適宜施氮量處理。

表1 施氮量對小麥產量及產量構成因素的影響Table 1 Effects of nitrogen application on wheat yield and yield components

2.2 施氮量對小麥旗葉SPAD值的影響

由圖2可知，隨著生育時期的推進，兩品種小麥的SPAD 值均表現出先升高后降低的趨勢，在花后7 d 達到最大值。各生育時期小麥SPAD 值均隨施氮量的增加而升高。相同施氮量處理下，從孕穗期至花后21 d小麥SPAD 值均表現為揚麥23 高于鄭麥9023；但揚麥23 的SPAD 值在花后21 d 后迅速降低，且低于鄭麥9023。綜上，揚麥23 旗葉葉片的功能期較鄭麥9023短，增施氮肥能夠有效提升小麥各生育時期旗葉的葉綠素含量。

圖2 施氮量對小麥旗葉SPAD值的影響Fig.2 Effects of nitrogen application rate on SPAD value of flag leaves of wheat

2.3 施氮量對小麥植株干物質積累動態(tài)的影響

由圖3可知，兩品種小麥的干物質積累量在播種至冬前期呈緩慢增加趨勢，拔節(jié)期前后干物質進入迅速積累期，施氮處理的干物質積累量在成熟期達最大值，CK則在灌漿中期達最大干物質積累量。兩品種小麥的干物質積累量在各生育時期均隨施氮量的增加而增加。開花期前，不同品種和施氮量條件下的干物質積累量差異較小。開花期和成熟期，當施氮量超過180 kg·hm-2（MN）后，兩品種小麥的干物質積累量增加幅度降低，且在相同施氮量處理下，鄭麥9023 的干物質積累量均高于揚麥23。綜上，施氮量的增加可有效促進小麥干物質的積累，相較于揚麥23，鄭麥9023 的花后干物質積累能力較高。

圖3 施氮量對小麥干物質積累動態(tài)的影響Fig.3 Effect of nitrogen application rate the dynamics of dry matter accumulation of wheat

2.4 施氮量對小麥植株氮素積累動態(tài)的影響

由表2可知，施氮量對各生育時期小麥植株氮素積累量的調控效應達極顯著水平，小麥各生育時期的植株氮素積累量均隨施氮量的增加而增加，其中，播種至拔節(jié)期增加緩慢，拔節(jié)期至孕穗期增加迅速并在成熟期達最大值。品種僅對越冬期和拔節(jié)期時的植株氮素積累量分別有極顯著和顯著影響，除孕穗期外，在同一生育期內的相同施氮量處理下，揚麥23 的植株氮素積累量均高于鄭麥9023。其中成熟期時，揚麥23 在HN 處理下的植株氮素積累量顯著高于MN 處理，而鄭麥9023在兩處理間無顯著差異。綜上，在180 kg·hm-2及以下的施氮量范圍內增施氮肥可進一步提升鄭麥9023 植株的氮素積累量，揚麥23 在180 kg·hm-2施氮量的基礎上繼續(xù)增施氮肥至225 kg·hm-2時仍可有效促進小麥植株對氮素的吸收，即揚麥23 對氮肥的增施有著更好的響應。

表2 施氮量對各時期小麥植株氮素積累量的影響Table 2 Effects of nitrogen application rate on nitrogen accumulation of wheat plants in different periods/（kg·hm-2）

2.5 施氮量對小麥氮素利用效率的影響

由表3可知，兩品種小麥的氮肥偏生產力和氮肥農學利用率均隨施氮量的增加而降低；氮肥表觀利用率隨施氮量的增加均呈先升高后降低的趨勢，在MN處理下最高；氮素收獲指數方面，鄭麥9023 隨著施氮量的增加先降低后升高，揚麥23 則隨著施氮量的增加先升高后降低。兩小麥品種間比較，相同施氮量處理下，揚麥23相較鄭麥9023以上四項指標均具有更高的效率表現。其中，揚麥23 的氮肥偏生產力、氮肥農學利用率和氮素收獲指數分別比鄭麥9023 平均高出20.18%、15.40%和8.98%，氮肥表觀利用率則比鄭麥9023提高了4.41個百分點。方差分析結果顯示，施氮量對氮肥偏生產力和農學利用率的影響分別達極顯著和顯著水平，品種對氮肥偏生產力和氮素收獲指數的影響分別達極顯著和顯著水平。綜合以上4 個與小麥氮素利用效率相關的指標發(fā)現，在氮素充足的情況下繼續(xù)增施氮肥，小麥對氮肥的利用效率反而會有所下降。

表3 施氮量對小麥氮素利用效率的影響Table 3 Effects of nitrogen application rate on nitrogen use efficiency of wheat

2.6 基于不同施氮量條件下小麥產量及產量構成與各營養(yǎng)器官氮素積累量、干物質積累量和氮素利用的關系

冗余分析結果表明（圖4、5），兩品種小麥成熟期時各器官干物質積累量和氮素積累量與小麥產量及產量構成各因素呈顯著或極顯著正相關，同時成熟期小麥植株干物質積累量和氮素積累量與小麥產量及產量構成各因素均呈極顯著正相關，其中部分器官干物質積累量或氮素積累量與小麥千粒重呈正相關但不顯著。

圖4 基于不同施氮量條件下小麥產量及產量構成因素與干物質積累量的冗余分析（RDA）Fig.4 Redundancy analysis（RDA）of wheat yield and yield components with dry matter accumulation under different nitrogen application conditions

在氮素利用效率方面，兩品種小麥氮肥表觀利用率、氮肥農學利用率和氮肥偏生產力與小麥產量呈極顯著正相關，與小麥有效穗數、穗粒數以及千粒重呈顯著或極顯著正相關。鄭麥9023 氮素收獲指數與小麥產量、穗數和穗粒數各因素之間無顯著相關性，而與千粒重呈顯著正相關；揚麥23 氮素收獲指數與小麥產量、穗粒數以及千粒重呈顯著或極顯著正相關，而與穗數正相關性不顯著（圖6）。以上結果表明，干物質和氮素積累量的增加以及氮素利用效率的提升對小麥產量的提升有著重要的作用。

圖5 基于不同施氮量條件下小麥產量及產量構成因素與氮素積累量的冗余分析（RDA）Fig.5 Redundancy analysis（RDA）of wheat yield and yield components with nitrogen accumulation under different nitrogen application conditions

圖6 基于不同施氮量條件下小麥產量及產量構成因素與氮素利用效率的冗余分析（RDA）Fig.6 Redundancy analysis（RDA）of wheat yield and yield components with nitrogen use efficiency under different nitrogen application conditions

3 討論

小麥產量與施氮量呈二次曲線關系，合理施用氮肥是調控小麥產量的重要方法［12-14］。本研究發(fā)現，小麥產量隨施氮量的增加而增加，原因是施氮提高了有效穗數和穗粒數，這與前人研究結論一致［15-16］。值得注意的是，施氮量由180 kg·hm-2增至225 kg·hm-2時，小麥產量未顯著提高。由此可見，在綜合考慮收益與投入情況下，180 kg·hm-2施氮量是江漢平原中低產田小麥種植的最佳選擇。

適宜的施氮水平可以有效提升小麥葉片葉綠素含量，從而延長葉片功能期并提升植株葉片光合速率［17］。旗葉作為重要的源器官，其代謝產物對小麥產量的形成具有重要作用［14-15］。本試驗結果表明，施氮量在0～225 kg·hm-2范圍內，兩品種小麥旗葉SPAD 值均隨施氮量的增加而增加，這與前人研究結果一致［16-19］。同時，本研究發(fā)現，揚麥23的旗葉SPAD值自孕穗期至花后21 d 在相同施氮量條件下均高于鄭麥9023，但在花后21 d后迅速下降，生育后期反而均低于鄭麥9023。生育后期衰老速度更快的揚麥23 在成熟期時的最終干物質積累量卻低于鄭麥9023，這與前人研究結論一致［20］。而產量較高的揚麥23 在不同施氮量條件下生育后期的葉綠素含量反而下降的更快，這與前人研究結果不盡相同［21］，可能與該品種小麥具有較高灌漿速率的特性有關。

干物質的積累與分配、氮素的積累與轉運均與籽粒產量形成密切相關，合理的氮肥施用有助于提升干物質和氮素的轉運，進而為小麥的優(yōu)質高產奠定基礎［22-23］。本試驗中，各生育時期的小麥干物質和氮素積累量均隨施氮量的增加而增加，與前人研究結果一致［24-25］。但當成熟期施氮量由180 kg·hm-2增至225 kg·hm-2時，小麥的干物質和氮素積累量并未顯著提高，這可能與江漢平原地區(qū)大量降雨所導致的氮素徑流、滲漏有關。同時，過量施氮雖然有利于植株氮素積累，但也可能會減少氮素向小麥穗部的轉運［26］。因此，在本試驗條件下，氮肥的增施不宜超過180 kg·hm-2，高于該施氮量則會降低經濟收益。此外，大量研究表明，成熟期時小麥籽粒產量與植株干物質積累量和氮素積累量均呈顯著正相關［27-29］。本試驗在此基礎上發(fā)現，成熟期時小麥籽粒產量與各器官的干物質積累量和氮素積累量均呈顯著或極顯著正相關，其中小麥籽粒產量與籽粒干物質積累量和氮素積累量均呈極顯著正相關，這主要是因為小麥在成熟期時已完成了“源”向“庫”的物質轉運。兩品種小麥籽粒產量與各器官成熟期干物質積累量、氮素積累量的相關性不盡一致，這可能是因為不同品種小麥“源”的供應強度有所差異。由此推測，成熟期各器官干物質和氮素積累量仍與產量密切相關，灌漿至成熟過程中各器官中維持較高的干物質和氮素積累量仍是獲得較高籽粒產量的重要基礎。

合理的氮肥管理模式以及氮高效品種的篩選在小麥實際生產中有著重要的指導意義［19］，前人研究發(fā)現適量減氮有利于各項氮素利用效率的提高［30-31］。本研究結果表明，施氮量由135 kg·hm-2增至225 kg·hm-2時，氮肥偏生產力、氮肥農學利用效率以及氮素收獲指數同步降低，這與王永華等［29］的研究結果相同。但王兵等［32］認為，氮素收獲指數受施氮水平的影響并不顯著，推測與供試小麥品種及栽培環(huán)境差異有關。本研究發(fā)現，鄭麥9023和揚麥23的氮肥表觀利用率分別在施氮量為180 kg·hm-2和225 kg·hm-2時最高，說明揚麥23 對氮肥的利用有著更好的表現，這也與其能夠保持較高的氮素積累量相佐證。此外，氮肥的各項利用效率指標反映了氮素投入的合理程度，但前人關于小麥籽粒產量與各項氮肥利用效率指標相關性的研究較少且結論不一［27，33-34］。本研究發(fā)現，兩品種小麥籽粒產量與氮肥農學利用率、偏生產力以及表觀利用率均呈極顯著正相關，揚麥23 的籽粒產量與氮素收獲指數呈顯著正相關，而鄭麥9023 的籽粒產量與氮素收獲指數正相關性不顯著，這與馬獻發(fā)等［33］的研究結果基本一致。但也有學者認為小麥籽粒產量與氮肥偏生產力正相關性不顯著［34］，與氮素收獲指數負相關性不顯著［27］。本研究結果與前人對小麥籽粒產量和各項氮肥利用效率相關性的研究結果有所差異，這可能是由供試小麥品種與試驗環(huán)境的不同導致的。

4 結論

綜合分析可知，揚麥23 在不同施氮量條件下的產量均優(yōu)于鄭麥9023，主要是由于揚麥23在穗數和粒重方面表現穩(wěn)定的基礎上，有著更多的穗粒數，且揚麥23 對氮素有著更好的吸收利用能力。同時，施氮量為0～225 kg·hm-2時，氮素對小麥的葉綠素含量、物質積累、產量構成因素以及最終產量的形成均有著一定的調控作用。江漢平原地區(qū)中低產田小麥的科學施氮量應為180 kg·hm-2，在該施氮量條件下有助于小麥產量和氮素利用效率的協同提高。