减氮适墒对冬小麦土壤硝态氮分布和氮素吸收利用的影响

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本站小编 Free考研考试/2021-12-26

张嫚, 周苏玫, 杨习文, 周燕, 杨蕊, 张珂珂, 贺德先, 尹钧. 减氮适墒对冬小麦土壤硝态氮分布和氮素吸收利用的影响[J]. , 2017, 50(20): 3885-3897 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2017.20.005
ZHANG Man, ZHOU SuMei, YANG XiWen, ZHOU Yan, YANG Rui, ZHANG KeKe, HE DeXian, YIN Jun. Effects of Nitrogen-Reducing and Suitable Soil Moisture on Nitrate Nitrogen Distribution in Soil, Nitrogen Absorption and Utilization of Winter Wheat[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2017, 50(20): 3885-3897 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2017.20.005

0 引言

【研究意义】黄淮冬麦区是中国重要的小麦生产基地,总产量占全国的76%,该地区常年降雨量为520—900 mm,小麦生育期降水仅有150—300 mm,尤其是北部地区降水量少,不能满足小麦生长发育需要,多依靠超采地下水进行农田灌溉,导致地下水位持续下降,水资源日益匮乏^[1]。灌水技术上又存在足量灌溉或大水漫灌的现象,造成农田土壤养分的淋失。氮素是影响作物生长发育的重要限制因子,合理施氮能促进根系发育,增强作物对土壤水分和氮肥的吸收,提高籽粒产量^[2-3]。而过量施用氮肥,导致氮素残留在土壤或以氨等形式挥发,不仅造成氮肥增产效果下降、土壤板结,还会以硝态氮淋失等途径污染地下水,危害生态环境^[4-5]。因此,适宜土壤墒情下,探讨降低施氮量对麦田土壤中硝态氮的利用,开花前后氮素吸收、转运分配特性的影响,对于小麦的可持续生产具有重要意义。【前人研究进展】冬小麦营养器官氮素积累、分配及转运与籽粒的产量和品质紧密相关^[6]。适量灌溉是促进氮肥吸收,提高氮肥利用率的基础,随灌溉量和灌溉次数的增加,小麦开花前后植株对氮素的吸收量显著增加^[7],但灌水不足或过量灌溉均不利于氮素在植株中的积累^[8]。研究表明,增施氮肥能够促进植株对氮素的吸收和开花前后氮素向籽粒中的转运^[2,9],而氮肥用量过多会延缓植株衰老,降低籽粒产量、氮素转移率和氮肥利用率^[10-11]。蒿宝珍等^[12]研究表明,在限水灌溉条件下,适量施氮（180—210 kg·hm^-2）可增大华北地区冬小麦冠层叶片间氮素垂直分布梯度,提高叶片氮素转移量和对籽粒的贡献率,获得较高的氮素利用率。王小燕等^[13]研究指出,在一定灌溉条件下,施氮量由120 kg·hm^-2增至240 kg·hm^-2时,各营养器官中氮素的积累量增加,但开花后营养器官氮素向籽粒的转移率降低,最终不利于提高籽粒蛋白质含量。郭天财等^[14]认为,高产麦田中,随施氮量（0—360 kg·hm^-2）的增加,植株地上部氮积累量提高,同时氮表观损失量和土壤残留量也逐渐增多。硝态氮（NO₃-N）是植物根系吸收利用的主要无机氮,灌水过多或长期大量施氮都会导致硝态氮在小麦根区以下土层积累,生物有效性降低,而硝态氮淋失是农田氮素损失的主要途径^[15-16]。【本研究切入点】黄淮南部小麦高产生产中氮素的使用量大都在270 kg·hm^-2以上,如何优化氮肥管理,提高氮肥利用率,降低硝态氮在深层土壤的残留,保护生态环境,充分发挥氮素肥效,维持小麦可持续生产,成为生产上亟待解决的问题,而这方面的研究报道尚少。【拟解决的关键问题】本试验在大田常规高量施肥的基础上适当减少施氮量,结合适宜补墒灌溉处理,研究土壤中有效氮的动态分布和植株对氮素的有效利用规律,旨在为黄淮高产麦区提高氮肥吸收利用率和小麦高效高产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2014—2016年在河南省郑州市河南农业大学科教示范园区（113°39′ E,34°43′N）进行,地处北温带大陆半湿润性季风气候区域,平均海拔46.5 m,年平均日照时数1 869.7 h,年平均气温15.6℃,无霜期209 d,一年两熟,年平均降雨量542.2 mm。2014—2015和2015—2016年小麦生育期间总降水量为216.8 mm 和239.0 mm,其中播种到拔节期分别为46.8 mm和154.9 mm,拔节到成熟期分别为170.0 mm和84.1 mm,具体分布见图1。试验区降水量少且分布不均,为保证冬小麦的高产生长发育,必需补充灌溉。试验材料为河南省主推高产品种周麦22。试验田地势平坦,地力均匀,前茬作物为玉米,供试土壤为潮土,土壤容重为1.5 g·cm^-3,田间最大持水量为24.2%。土壤基础肥力情况如表1所示。

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图1两个小麦生长季的降水量和平均温度分布
-->Fig. 1Precipitation and average temperature in two growth seasons of winter wheat
-->

Table 1
表1
表1试验土壤的基础肥力状况
Table 1The soil fertility status of the tested soil

年份 Year	土壤层次 Soil layer (cm)	有机质 OM (g·kg^-1)	全氮 TN (g·kg^-1)	碱解氮 AN (mg·kg^-1)	速效磷 AP (mg·kg^-1)	速效钾 AK (mg·kg^-1)
2014-2015	0-20	15.0	0.9	60.0	28.8	130.0
2015-2016	0-20	14.8	1.0	58.4	27.4	127.6

OM: Organic matter; TN: Total nitrogen; AN: Available nitrogen; AP: Available phosphorus; AK: Available potassiumOM：有机质;TN：全氮;AN：碱解氮;AP：速效磷;AK：速效钾

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试验设3个水分处理：（1）自然降水（W1,不灌溉）;（2）适墒处理（W2,拔节后土壤相对含水量维持在70%±5%）;（3）足墒处理（W3,拔节后土壤相对含水量维持在80%±5%）,不同灌水处理小区间设置1 m隔离带。3个施氮处理：（1）N1（不施氮肥）;（2） N2（减氮施肥处理,施纯氮195 kg·hm^-2）;（3）N3（常规高量氮肥处理,施纯氮270 kg·hm^-2）。本试验为多年定点定位水肥试验,采用二因素裂区设计,主区为水分处理,副区为施氮处理,共9个处理,重复3次,共27个小区。小区面积21 m²（7 m×3 m）,每小区12行,行距20 cm。小麦播种之前施入基肥,其中磷肥（过磷酸钙）97.5 kg P₂O₅·hm^-2,钾肥（硫酸钾）150 kg K₂O·hm^-2,同时施入40%氮肥（尿素）;拔节期追施剩余60%氮肥。
两年均在10月14日播种,基本苗为237.5万株/hm²,3叶期确定一米双行进行追踪观察。小麦开花时在各小区中间区域选择同期开花、穗型整齐、株高一致的单茎进行挂牌标记。于5月25日至6月3日按成熟先后以小区为单位分次收获。其他管理措施同大田高产栽培。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 补灌方法与土壤相对含水量的计算小麦拔节后,每隔10 d测一次土壤墒情,按公式SI = 10×γ_bd ×D_h×(θ_t-θ_n)计算灌水量。式中,SI（mm）为灌水量,γ_bd（g·cm^-3）为计划湿润层的土壤容重,D_h（cm）为计划湿润层的土壤深度（本试验中为60 cm）,θ_t（%）为目标含水量,θ_n（%）为灌溉前土壤含水量。用水表计量实际灌水量,保证各处理土壤含水量控制在试验要求的范围。
采用直径4 cm土钻取0—20 cm和20—40 cm土层的土壤,装入铝盒称鲜质量,105℃烘干至恒量,称干质量,计算土壤质量含水量和土壤相对含水量。
1.2.2 土壤硝态氮含量测定在小麦开花期和成熟期,用土钻取0—100 cm土层土样,每20 cm为一层,土样剔除作物根系后混匀立即装入自封袋,于-20℃条件保存。采用KCl浸提法,在220 nm和275 nm波长下测定硝态氮含量^[17]。
1.2.3 植株氮素含量测定及氮素积累、运转的计算方法各处理在开花期和成熟期取田间标记过的单茎10株,进行器官分离,在80℃条件下烘至恒重,粉碎后用于植株氮素含量测定。采用H₂SO₄-H₂O₂消煮、半微量凯氏定氮仪测定植株的含氮量。各器官氮素积累、运转及氮素利用的计算公式^[11,18-19]如下：
各器官氮素积累量=氮素含量（%）×干物质质量;
花前氮素转移量=开花期营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量;
花前氮素转移率=花前氮素转移量/开花期氮素积累量×100%;
花前氮素对籽粒氮素的贡献率=花前氮素转移量/成熟期籽粒氮素积累量×100%;
花后氮素积累量=成熟期植株氮素积累量-开花期植株氮素积累量;
花后氮素对籽粒氮素的贡献率=花后氮素积累量/成熟期籽粒氮素积累量×100%;
氮素吸收效率=成熟期植株地上部氮素积累量/施氮量;
氮素利用效率=籽粒产量/成熟期植株地上部氮素积累量;
氮肥生产效率=籽粒产量/施氮量;
氮素收获指数=籽粒氮素积累量/成熟期植株地上部氮素积累量。
1.2.4 籽粒产量及其构成因素的测定小麦成熟时,收获一米双行,统计穗数、穗粒数、千粒重。每小区实收4.8 m²（1.6 m×3 m）,脱粒晒干后计算籽粒产量,籽粒含水量为12.5%,3次重复。

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图2两个小麦生长季内0—40 cm土壤相对含水量
-->Fig. 2Soil relative water content in 0-40 cm layers in two growth seasons of winter wheat
-->

1.3 数据统计分析

用Microsoft Excel 2010整理数据和作图,SPSS 19.0软件进行方差分析和多重比较（LSD法）。除图3为2015—2016年数据外,其他为2014—2016两年数据。

2 结果

2.1 冬小麦生育期内0—40 cm土层含水量的动态变化

小麦生育期间,不同水分处理土壤耕层（0—40 cm）的相对含水量动态变化如图2所示。可以看出,两个小麦生长季0—40 cm土层相对含水量受灌溉的影响,表现为W3>W2>W1,0—20 cm土层W1、W2和W3处理在越冬至灌浆期相对含水量的变幅分别是39.3%—59.6%、65.5%—73.3%和74.6%—81.1%,平均含水量为48.3%、70.0%和77.3%,变异系数为15.9%、4.1%和3.4%,20—40 cm土层W1、W2和W3水分处理在越冬至灌浆期水分的变幅分别是33.7%—64.2%、67.8%—76.7%和76.7%—82.6%,平均含水量为49.0%、72.1%和80.7%,变异系数为23.6%、4.7%和3.0%。由此可见,可根据不同生育阶段的降雨量和土壤墒情的变化,进行测墒补灌,保证了土壤中要求的含水量,从而调控氮肥的吸收和利用。同时,自然降水条件下,生育期含水量均较低,变异系数较大,限制了氮素的吸收和运动。

2.2 0—100 cm土层中硝态氮和土壤含水量的分布

0—100 cm土层中硝态氮和土壤含水量分布如图3所示。由图3-A可以看出,土壤硝态氮（NO₃-N）的含量在0—60 cm随土层加深逐渐减少,大于60 cm又有不同程度的回升。随施氮量的增加,各土层中硝态氮含量显著提高,N1、N2和N3水平下0—100 cm土层平均含量在开花期依次为4.7、11.5和12.8 mg·kg^-1,成熟期依次为3.9、10.7和13.40 mg·kg^-1,其中硝态氮在0—20 cm土层含量最高,大于20 cm土层含量明显降低。N1和N2水平下,开花期0—80 cm各土层平均硝态氮含量均高于成熟期,尤其是N2处理0— 20 cm土层相差最大,平均降幅为2.3 mg·kg^-1;N3水平下,开花期0—100 cm各土层平均硝态氮含量低于成熟期,其中80—100 cm土层增幅最大,为1.8 mg·kg^-1。由此可见,适量施氮（N2）增加了土壤硝态氮含量,维持植株生长的需要,有利于花后对硝态氮的吸收利用,收获后硝态氮含量明显下降;而高氮处理（N3）,开花期含量较高,收获后土层中的硝态氮仍有较多的富集。
由图3-B还可看出,不同的灌溉量明显影响了0—100 cm土层中的土壤含水量,在0—80 cm随土层加深逐渐减少,60—80 cm出现低谷,80—100 cm又有回升,其中以W3回升最明显,从而改变了土层中硝态氮的分布。同一施氮水平下,0—40 cm土层硝态氮含量随灌水量的增加而降低,表现为W3<W2<W1,各处理间差异显著（P<0.05）（图3-A）;随着土层的加深,灌水处理之间的差异减少,开花期60—80 cm、收获后40—60 cm土层不同水分处理之间的差异不明显;土层进一步加深,水分处理间差异又变大,尤其在成熟期80—100 cm土层硝态氮含量随灌水量的增加而显著升高,N2和N3水平下,均为W3>W2>W1（除开花期N3水平下W3>W1>W2）（P<0.05）,其中在N2条件下,W3、W2平均分别比W1高3.8 mg·kg^-1、1.2 mg·kg^-1,N3条件下W3、W2平均分别比W1高4.2 mg·kg^-1、1.2 mg·kg^-1,说明灌溉加速NO₃-N向土壤深层的淋失,随着施氮量的增多,淋失量增大。

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图30—100 cm土层土壤NO₃-N含量(A)和土壤含水量(B)分布（2015—2016）
-->Fig. 3NO₃-N content and soil water content at anthesis and maturity in the 0-100 cm soil layers (2015-2016)
-->

2.3 减氮适墒对冬小麦氮素积累与分配的影响

表2为小麦开花和成熟期不同水氮处理下营养器官和籽粒中氮素的积累情况,结果表明灌水和施肥均明显提高了植株氮素的积累量。2014—2015年度,在W2和W3条件下,开花期氮素积累量在茎+鞘和穗中表现为N3>N2>N1,在叶中表现为N2>N3>N1;成熟期各器官中氮素积累量随施氮量的增加表现基本一致,为N2>N3>N1,但营养器官中氮素积累量在N3和N2间无显著差异。2015—2016年度,在适墒处理W2下,开花期和成熟期各营养器官的氮素积累量表现为N2、N3显著高于N1（P<0.05）,N3与N2差异不大;在足墒W3处理下,各营养器官和籽粒中的氮素积累量随施氮量的增加逐渐增加,表现出N3>N2>N1（除开花期穗中以N2处理较高）。
Table 2
表2
表2不同处理对小麦开花期和成熟期氮素积累的影响
Table 2Effects of different treatments on N distribution in different organs at anthesis and maturity in wheat (kg·hm^-2)

年份 Year	处理 Treatment	开花期氮素积累量 Nitrogen accumulation amount at anthsis					成熟期氮素积累量 Nitrogen accumulation amount at maturity
年份 Year	处理 Treatment	茎+鞘 Stem+ Sheath	叶 Leaf	营养体 VO	穗 Spike	穗/营养体 Spike/VO	茎+鞘 Stem+ Sheath	叶 Leaf	颖壳+穗轴 Spike axis+Husk	营养体 VO	籽粒 Kernel	籽粒/营养体 Kernel/VO
2014- 2015	W1N1	43.5g	63.0g	106.5e	16.5e	0.2cd	7.2e	5.2f	9.4e	21.9e	158.2e	7.2a
	W1N2	59.1de	82.8d	141.9d	24.7c	0.2b	12.1d	14.0a	12.4d	38.6c	199.9b	5.2b
	W1N3	60.3cd	76.2e	136.5e	15.1e	0.1f	13.8c	12.4bc	15.0c	41.2bc	174.7d	4.2ef
	W2N1	55.0ef	71.8f	126.8f	21.7d	0.2b	15.2bc	9.7d	10.8de	35.7d	162.4e	4.6cde
	W2N2	78.2a	108.8a	187.0a	24.1c	0.1e	11.7d	14.1a	15.2bc	41.0bc	212.1a	5.2b
	W2N3	80.9a	101.1b	182.0b	27.5ab	0.2d	10.7d	13.7ab	18.2a	42.7b	199.6b	4.7cd
	W3N1	53.4f	76.9e	130.3f	24.8c	0.2a	16.3ab	7.8e	11.5d	35.5d	173.0d	4.9bc
	W3N2	64.3c	103.9b	168.1c	25.8bc	0.2d	17.2a	12.0c	17.6a	46.8a	202.5b	4.3def
	W3N3	71.4b	100.4c	171.8c	28.8a	0.2bc	16.3ab	13.1abc	16.8ab	46.2a	185.7c	4.0f
2015-2016	W1N1	47.8e	37.8e	117.5e	32.0e	0.4b	10.6d	6.6e	11.1e	28.3f	163.8de	5.8a
	W1N2	62.9d	58.8d	154.2d	32.4e	0.3d	19.3bc	9.3cd	11.4e	40.0d	195.9bc	4.9b
	W1N3	59.4d	54.4d	144.9d	31.1e	0.3cd	18.3bc	7.3de	16.4d	39.6d	173.2cd	4.4bcd
	W2N1	48.0e	31.6f	118.4e	38.8d	0.5a	17.3c	6.5e	8.2f	31.9e	130.8ef	4.1cde
	W2N2	102.5a	92.1a	252.4a	57.8a	0.3c	29.5a	15.5b	20.4bc	65.4b	263.6a	4.0de
	W2N3	102.5a	81.5b	234.8b	50.8bc	0.3cd	27.6a	11.5c	23.5a	62.7b	258.9a	4.1cde
	W3N1	46.0e	33.9ef	117.8e	37.9d	0.5a	12.6d	7.5de	9.7ef	29.8ef	143.0ef	4.8bc
	W3N2	85.9c	64.7c	205.4c	54.8ab	0.4b	21.2b	14.2b	18.8c	54.3c	218.0b	4.0de
	W3N3	94.3b	85.1b	229.1b	49.7c	0.3cd	28.4a	18.7a	22.5ab	69.5a	251.0a	3.6c

VO: Vegetative organ; Values followed by different letters within the same column mean significantly different (P<0.05). The same as belowVO：营养器官;同列不同字母表示差异显著（P<0.05）。下同

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2014—2015年度开花期穗/营养体以W2N2处理最低（0.1）,2015—2016年度以W3N3处理较低,而成熟期籽粒/营养体在两个生长季均以W3N3处理表现最低（4.0和3.6,P<0.05）,表明足墒下施氮过多导致成熟期营养器官中的氮素残留量增加,不利于向籽粒中转运,造成氮素收获指数降低。而减氮适墒（W2N2）处理下,开花期营养器官和成熟期籽粒中氮素积累量最高,其中籽粒氮素积累量平均达237.9 kg·hm^-2,比其他处理高出27.3%。

2.4 减氮适墒对冬小麦氮素吸收、转运的影响

由表3可见,开花后各器官氮素向籽粒中的转移量表现为叶片>茎+鞘>穗,表明叶片是籽粒积累氮素的最大供给器官。2014—2015年度,随灌溉水平的增加,茎+鞘氮素转移量表现为W2>W3>W1,叶片和穗中表现为W3>W2>W1;在W2和W3处理下,随施氮量的增加,茎+鞘氮素转移量为N3>N2>N1,叶中为N2>N3>N1,而在穗中为N1>N3>N2。2015—2016年度,不同灌水处理间比较,各器官氮素向籽粒的转移量表现为W2>W3>W1,在灌溉处理W2、W3下,各营养器官氮素转移量随施氮量的增加变化与2014—2015年度基本一致。
灌溉显著增加了两年度冬小麦花前氮素向籽粒的转移总量及贡献率,为W2>W3>W1;在适墒W2条件下,花前氮素转移量随施氮量的增加表现为N2>N3>N1,足墒W3条件下,表现为N3>N2>N1,两年均在W2N2处理下最大,这与各器官氮素向籽粒的转移情况相吻合,表明减氮适墒处理有效促进氮素向籽粒中的转移。在W2和W3处理下,不同施氮量间比较,花前氮素对籽粒氮的贡献率在2014—2015年度为N3>N2>N1,2015—2016年度为N2>N3>N1。两年度小麦花前氮素向籽粒的转移率在灌溉间表现为W2>W3,在W2水平下,施氮处理间表现为N2、N3>N1,但在W3水平下,表现为N1>N2、N3,N2与N3间差异不显著,且两年氮素转移率在W2N2处理有较高值,表明足墒条件下,大量施氮对营养器官氮素向籽粒的转移有抑制效应。
Table 3
表3
表3不同处理条件下冬小麦植株氮素的吸收与转移
Table 3Assimilation and translocation to grains of N accumulated under different treatments

年份 Year	处理 Treatment	开花-成熟氮素转移量 AS-MS NTA (kg·hm^-2)			花前氮素转移量 Pre-antheis NTA (kg·hm^-2)	花前氮素转移率 Pre-anthesis NTR (%)	花前氮素对籽粒氮的贡献率 Pre-anthesis NRC (%)	花后氮素积累量 Post-anthesis NAA (kg·hm^-2)	花后氮素对籽粒氮的贡献率 Post-anthesis NRC (%)
年份 Year	处理 Treatment	茎+鞘 Stem+ Sheath	叶 Leaf	穗 Spike	花前氮素转移量 Pre-antheis NTA (kg·hm^-2)	花前氮素转移率 Pre-anthesis NTR (%)	花前氮素对籽粒氮的贡献率 Pre-anthesis NRC (%)	花后氮素积累量 Post-anthesis NAA (kg·hm^-2)	花后氮素对籽粒氮的贡献率 Post-anthesis NRC (%)
2014- 2015	W1N1	36.3d	57.8e	7.1d	101.2g	82.2a	64.0e	57.0bc	36.0ab
	W1N2	47.0c	68.8c	12.3ab	128.1d	76.9c	64.1e	71.8a	35.9ab
	W1N3	46.5c	63.8d	1.4e	110.4f	72.8d	63.2e	64.4ab	36.8a
	W2N1	39.9d	62.1d	10.9bc	112.9f	76.0c	69.5d	49.6cd	30.5c
	W2N2	66.5a	94.7a	8.9cd	170.1a	80.5ab	80.2b	42.0de	19.8d
	W2N3	70.2a	87.3b	9.3cd	166.8a	79.6b	83.6a	32.8e	16.4d
	W3N1	37.1d	69.2c	13.3a	119.6e	77.1c	69.1d	53.4bcd	30.9bc
	W3N2	47.1c	91.9a	8.2d	147.2c	75.9c	72.8c	55.3bc	27.2c
	W3N3	55.1b	87.3b	12.0ab	154.4b	77.0c	83.2a	31.3e	16.8d
2015- 2016	W1N1	37.2def	31.3d	20.8c	89.3e	75.8a	55.7d	74.5bc	44.3a
	W1N2	43.7d	49.5c	21.0c	114.2d	74.0ab	58.4cd	81.7ab	41.6ab
	W1N3	41.1de	47.7c	14.7d	105.3d	72.7b	60.8bcd	67.9c	39.2abc
	W2N1	30.7f	25.1e	30.6b	86.4e	73.0b	66.1abc	44.3d	33.9cde
	W2N2	72.9ab	76.6a	37.4a	187.0a	74.1ab	71.2a	76.6bc	28.8e
	W2N3	74.9a	70.0b	27.3b	172.2b	73.3ab	66.8abc	86.7ab	33.2cde
	W3N1	33.3ef	26.5e	28.2b	88.0e	74.8ab	62.3abcd	55.0d	37.7bc
	W3N2	64.6c	50.5c	36.0a	151.1c	73.6ab	69.3ab	66.9c	30.7de
	W3N3	65.9bc	66.4b	27.2b	159.6c	69.7c	63.6abcd	91.4a	36.4bcd

AS: Anthesis stage; MS: Maturity stage; NTA: N transportation amount; NTR: N transportation rate; NRC: Contribution of N remobilized to grain; NAA: Nitrogen accumulation amountAS：开花期;MS：成熟期;NTA：氮素转移量;NTR：氮素转移率;NRC：氮素对籽粒氮的贡献率;NAA：氮素积累量

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两年度冬小麦花后氮素积累量及对籽粒氮的贡献率随灌溉水平增加,表现为W1>W3>W2,同一灌溉条件下,花后氮素积累量在2014—2015年度表现为N2>N3,2015—2016年度在W2、W3水平下为N3>N2,两年均在W1N2处理下有较高值。两年度冬小麦花后氮素积累量对籽粒氮的贡献率在W2和W3下,随施氮量增加表现为N1>N3、N2,各施氮间无显著差异,表明灌溉条件下施氮降低了花后氮素积累对籽粒氮的贡献。

2.5 减氮适墒对冬小麦籽粒产量及其构成因素的影响

由表4可知,适墒和减量施氮明显影响了两年籽粒产量及其构成因素。灌水处理间比较,两年度的穗数、穗粒数和千粒重的变化趋势基本一致,W3、W2显著高于W1（P<0.05）,W3>W2,差异不大;同一灌溉水平下,随施氮量的增加均表现为N2>N3>N1。自然降水条件下（W1）,N2和N3处理穗粒数和千粒重差异不显著,施氮效应不明显;W2 条件下,穗粒数和籽粒产量在不同施氮处理间差异显著,2014—2015年度穗粒数和千粒重及2015—2016年度穗数均以W2N2处理最高,显著高于其他处理（P<0.05）。W3水平下,穗数和产量在N2和N3间差异显著,穗粒数以N2处理最高。两年籽粒产量范围为7 238—9 704 kg·hm^-2和6 313—8 899 kg·hm^-2,均在W2N2达到较高,平均比其他处理高出15.4%。
Table 4
表4
表4不同处理对小麦产量及其构成因素的影响
Table 4Effects of different treatments on yield and yield components of wheat

处理 Treatment	2014-2015				2015-2016
处理 Treatment	穗数 SN(×10⁴ hm^-2)	穗粒数 GNS	千粒重 TGW (g)	籽粒产量 GY (kg·hm^-2)	穗数 SN(×10⁴hm^-2)	穗粒数 GNS	千粒重 TGW (g)	籽粒产量 GY (kg·hm^-2)
W1N1	503.6g	32.0g	46.7f	7237g	740.0f	35.6f	45.6e	6313f
W1N2	575.3f	35.2e	47.9de	8259de	863.3de	39.5d	48.3cd	7333c
W1N3	566.1f	32.6g	47.2ef	8042e	787.5ef	37.9e	48.6cd	6813de
W2N1	592.8e	34.3f	48.5d	7815f	768.3ef	39.5d	49.4c	6047g
W2N2	627.0c	39.9a	53.2a	9703a	1143.3a	43.1b	52.3a	8240b
W2N3	656.2b	39.0b	50.3c	9402b	1063.3ab	40.7c	51.2ab	8899a
W3N1	607.8d	36.2d	50.0c	8359d	930.0cd	40.5c	49.2c	6615e
W3N2	646.1b	37.9c	52.2b	8844c	991.7bc	44.6a	51.1b	7000d
W3N3	675.3a	38.3bc	51.5b	9192b	1118.3a	43.3b	47.9d	8208b

SN: Spike number; GNS: Grain number per spike; TGW: 1000-grain weight; GY: Grain yieldSN：穗数;GNS：穗粒数;TGW：千粒重;GY：籽粒产量

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2.6 减氮适墒对冬小麦氮素生产与利用效率的影响

由表5可知,2014—2015年度,小麦氮素吸收效率和氮肥生产效率不同灌溉处理间表现为W2>W3>W1,差异显著;同一灌溉水平下,氮素吸收效率和氮肥生产效率随施氮量的增加表现为N2>N3。2015—2016年度,氮素吸收效率和氮肥生产效率变化趋势与2014—2015年度一致,均以W2N2处理最高,两年度二者平均比W2N3分别提高0.5 kg·kg^-1和12.2 kg·kg^-1。表明在适墒W2条件下,减量施氮至195 kg·hm^-2更有效提高植株中氮素积累量和籽粒产量。
2014—2015年度,灌溉处理间比较,氮素利用效率表现为W2>W3>W1,氮素收获指数表现为W1>W2>W3;同一灌溉处理下,氮素利用效率随施氮量的增加表现为N1>N3>N2,各施氮间无显著差异,其中W3N3在理间表现较高;收获指数在W2条件下表现为N2>N3>N1,在W3条件下表现为N1>N2>N3,以W2N2处理较高。与2014—2015年度相比,2015—2016年度各处理氮素利用效率和收获指数较低,变化趋势与2014—2015年度基本一致,且收获指数均在W3N3处理表现最低（P<0.05）。
Table 5
表5
表5不同处理对小麦氮素吸收和利用效率的影响
Table 5Effects of different treatments on N uptake efficiency and use efficiency of wheat

年份 Year	处理 Treatment	氮素吸收效率 N uptake efficiency (kg·kg^-1)	氮素利用效率 N use efficiency (kg·kg^-1)	氮肥生产效率 N productive efficiency (kg·kg^-1)	氮素收获指数 N harvest index (%)
2014-2015	W1N1	—	40.2a	—	87.9a
	W1N2	1.2b	34.7d	42.4c	83.8b
	W1N3	0.8d	37.2bc	29.8f	80.9de
	W2N1	—	39.5ab	—	82.0cd
	W2N2	1.3a	38.3ab	49.8a	83.8b
	W2N3	0.9c	38.8ab	34.8d	82.4c
	W3N1	—	40.1a	—	83.0bc
	W3N2	1.3a	35.5cd	45.4b	81.2d
	W3N3	0.9c	39.7a	34.0e	80.1e
2015-2016	W1N1	—	33.7ab	—	85.0a
	W1N2	1.2c	31.1bc	37.6b	83.1ab
	W1N3	0.8d	32.0bc	25.2f	81.4bc
	W2N1	—	37.2a	—	80.4cd
	W2N2	1.7a	25.1d	42.3a	80.1cd
	W2N3	1.2c	27.7cd	33.0d	80.4cd
	W3N1	—	38.7a	—	82.7b
	W3N2	1.4b	25.7d	35.9c	80.1cd
	W3N3	1.2c	25.6d	30.4e	78.3d

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3 讨论

3.1 减氮适墒对土壤硝态氮含量的影响

土壤硝态氮（NO₃-N）是作物直接吸收利用的氮素形态,主要集中在0—40 cm土层,且含量随着小麦生育时期的推进,呈下降趋势^[20]。前人研究表明,施氮提高了各土层硝态氮含量,低氮水平下施氮不会显著增加土壤中硝态氮的积累量,而高于最佳氮肥量时,氮肥施入会造成硝态氮向下层移动并在深层中累积,同时增大氮素淋失量^[21-22]。戴健等^[17]研究表明,硝态氮发生淋失的土层深度和淋失量与氮肥量呈显著的抛物线关系（r=0.9889和0.9940）,在施氮量160 kg·hm^-2的基础上,每增加100 kg·hm^-2的氮肥量,硝态氮淋失深度和淋失量的增加量分别高于27 cm和80.4 kg·hm^-2。本试验结果表明,减氮施肥处理（N2）促进了小麦在花后对土壤表层硝态氮的吸收利用,开花期0—80 cm各土层硝态氮含量均高于成熟期,0—20 cm土层含量相差最大,平均降幅为2.3 mg·kg^-1;而高施氮（N3）条件下,收获后土壤硝态氮在0—100 cm各土层均有不同程度的积累,80—100 cm土层比开花期增加了1.8 mg·kg^-1。
灌水量过多是促进硝态氮向深层土壤运移,造成氮素损失的另一主要原因。当施氮量从0增加到450 kg·hm^-2时,高频灌溉和低频灌溉处理的硝态氮淋失量分别增加了10倍和6倍^[23];也有研究表明,施氮210 kg·hm^-2水平下,在灌溉底墒水+拔节水的基础上增加开花水和开花水+灌浆水,硝态氮向100 cm以下土层的淋溶量增加;施氮量达300 kg·hm^-2时,随灌水量的增加硝态氮在深层土壤的积累量均明显增多^[16],而小麦的根系90%左右集中在100 cm以上土层^[3],硝态氮下移至深层不利于根系的吸收利用。本试验结果表明,施氮条件下补充灌溉增加了硝态氮在60—100 cm土层的积累,尤其是W3处理;收获后80—100 cm土层,W3处理硝态氮含量在N2和N3水平下分别比W1处理增加了3.8 mg·kg^-1和4.2 mg·kg^-1。减氮水平（N2）下,W2与W3处理相比,促进成熟期植株对0—60 cm土层硝态氮的吸收利用,可减少硝态氮向60 cm以下土层的淋溶,是小麦氮素吸收效率较高的原因。

3.2 减氮适墒对小麦氮素积累及转运的影响

灌溉与施氮量是调控小麦花后氮素的积累、转运及分配,提高氮素利用效率的有效措施。形成小麦籽粒的氮素主要有两部分,花前营养器官氮素的转移和花后氮素积累,因气候和栽培措施的不同,前者是后者的2.6—6.0倍^[24]。有研究指出^[25],土壤干旱提高了花前营养器官氮素向籽粒的转移率,但因植株总氮素积累量较少,籽粒中的氮素积累也并未得到提高;但多数研究表明,灌水不足或过多均会导致花前营养器官的氮素转移量降低,适宜灌溉是提高小麦开花前营养器官氮素向籽粒的转运量和花后吸氮量,提高籽粒产量和氮素利用效率的基础^{[7, 26-27]}。本试验结果表明,各营养器官氮素积累量及向籽粒的转移量,花前氮素向籽粒的转移总量及贡献率均以W2处理较高,花前氮素向籽粒的转移率亦有较高水平,使得籽粒中氮素积累量最高,而花后氮素积累量及对籽粒的贡献率以W1最高,与前人结果基本一致。足墒处理W3延缓了小麦植株衰老,导致氮素在成熟期营养器官中的残留量增大,不利于向籽粒中转移,两年度的收获指数在W3N3处理表现最低。
前人研究表明,当施氮量较低时,在一定的施氮范围内小麦开花、成熟期氮素吸收量和籽粒氮素积累量随施氮量的增加表现增加的趋势,但当超出了这个施氮范围,再增施氮肥会造成营养器官中氮素的残留量增加,不利氮素向籽粒的转移^[9,13,28]。熊淑萍等^[29]研究也表明,施氮量从225 kg·hm^-2减少至120 kg·hm^-2时,漯麦18和豫麦49-198的花前氮素转移量下降但降幅较小,而开花后氮素的吸收量及对籽粒的贡献率增高。本试验结果表明,在W2水平下,N2处理有效促进了叶片中积累的氮素向籽粒中转移,从而提高了花前营养器官对籽粒的氮素转移量及贡献率,两年度籽粒氮素积累量平均比其他处理高出27.3%,转移率亦达较高水平,这与前人研究结果基本一致,表明适墒条件下（W2）,适量减少氮肥的施入有利于植株营养器官中氮素向籽粒的转移。

3.3 减氮适墒对小麦籽粒产量及氮素利用的影响

适宜补灌能提高群体氮素吸收量,充分发挥肥效,提高氮素利用效率和再分配效率,从而实现小麦高产^[30-31]。张永丽等^[25]研究表明,在小麦生育期间降水量为196.1 mm的情况下,灌水240 mm相比180 mm和300 mm可显著提高济麦20的氮素利用效率和生产效率,从而提高籽粒产量,试验中适宜灌水量为180—240 mm。本研究结果显示,两年度小麦生育期降水量为216.8 mm 和239.0 mm的情况下,适宜灌溉结合减施氮肥（W2N2）可显著提高籽粒产量及其构成因素,产量平均较其他处理高出15.4%。VAN SANFORD等^[32]指出,氮素收获指数范围为0.7—0.8,高施氮条件下氮素收获指数的降低会导致氮素利用效率的下降。赵俊晔等^[11]研究表明,高产条件下,随施氮量（150—195 kg·hm^-2）的增加,植株氮素积累量增加不显著,但施氮量由195 kg·hm^-2提高到240 kg·hm^-2时,小麦的氮素吸收利用效率、氮肥生产效率和收获指数均趋于降低。也有研究表明,施氮240 kg·hm^-2时,籽粒含氮量达最大,氮肥生产效率却从施氮80 kg·hm^-2的70.0 kg·kg^-1,下降至27.7 kg·kg^-1,降低幅度达60%^[18]。本试验结果表明,W2条件下,施氮量195 kg·hm^-2在2015—2016年获得8 240 kg·hm^-2籽粒产量,虽低于产量最大值（N3,8 899 kg·hm^-2）,但该处理在两年度的氮素吸收效率和氮肥生产效率均为最高,相比N3分别提高了0.5 kg·kg^-1和12.2 kg·kg^-1。2014—2015年籽粒产量及两年的产量构成因素均以W2N2处理较高,从资源利用效率考虑,以拔节后土壤相对含水量维持在70%±5%,施氮量减少至195 kg·hm^-2较为适宜,有利于实现小麦产量和氮素吸收利用的同步提高。

4 结论

本试验条件下,水肥一体化对小麦植株营养器官氮素积累量、转移量和籽粒产量的影响存在互作效应。过量施氮增加了土壤中氮素的累积,足量灌水可导致硝态氮向深层土壤（80—100 cm）的淋溶。河南省小麦生产中氮肥施用量一般在270 kg·hm^-2以上,施氮量减少25%—30%,即减至195 kg·hm^-2时,通过对0—60 cm的土壤墒情监控,并及时补灌,使拔节后土壤相对含水量维持在70%±5%,小麦开花期植株氮素积累量、花前氮素向籽粒中转移量及对籽粒的贡献率均明显增加,氮素吸收效率和氮肥生产效率也显著提高,因此,减氮适墒处理是兼顾籽粒产量和氮肥的施用效率的最佳处理,可在本地区推广应用。
The authors have declared that no competing interests exist.