不同氮肥在不同土壤中对小麦氮素利用及产量的影响

齐欣, 司玉坤, 赵亚南, 黄玉芳, 闫军营, 孙笑梅*, 叶优良*

(1.河南农业大学资源与环境学院， 河南省农业绿色发展工程技术研究中心, 郑州 450002； 2.河南省土肥站， 郑州 450002)

小麦作为世界上种植面积最大的粮食作物，其生产直接关系到我国的粮食安全[1]。氮素是小麦所必需的大量营养元素之一，对小麦的生长发育至关重要[2]。研究不同类型氮肥对小麦生长发育、氮素吸收利用以及产量的影响，对于氮肥的合理施用、小麦产量的提高和品质的改良具有重要作用。前人研究表明，施氮能够显著提高小麦的干物质积累量、转运量和产量[3]，但是不同形态的氮肥在土壤中转化机制不同[4]，对小麦干物质和产量等形成的影响也存在显著差异。铵态氮和硝态氮对小麦增产的差异与不同形态氮肥的特性及土壤起始氮含量有关[5]。李娜等[6]研究表明，施用硝态氮会增加小麦的穗数、穗粒数与茎秆、颖壳、籽粒及地上部总干物质积累，从而提高小麦产量。也有研究表明，施用铵态氮肥能够提高灌浆前期叶绿素的含量和整个生育期的净光合速率，降低灌浆后期超氧阴离子的产生速率，有效延缓旗叶衰老，提高产量[7]。孙传范等[8]研究表明，铵态和硝态氮素的混合营养处理能够提高小麦的干物质量、氮素积累量、单株叶面积及硝酸还原酶活性，最终提高小麦产量。

不同土壤类型对小麦生长也有着一定的影响。刘尚前等[9]研究表明，土壤类型对小麦产量的影响比小麦播期的影响要大；董鲁浩等[10]研究表明，在褐潮土和红壤上小麦增产途径有所不同。目前，不同氮肥形态与土壤类型对小麦生长影响的研究较多，但结果存在较大差异，可能跟环境和土壤的交互作用有关，然而在不同土壤类型上，不同形态氮肥对小麦生长影响的研究鲜少见报道。

因此，本研究利用三种不同土壤类型，研究不同形态氮肥对小麦干物质累积、氮素吸收利用和产量的影响，明确不同土壤类型下适合小麦生长的氮肥形态，为氮肥的合理施用、及小麦的高产栽培模式提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

供试小麦品种为‘豫教5号’，该品种属中熟半冬性、矮秆、重穗型，抗寒性较好，高产潜力大,该品种对土壤酸性较为敏感。试验地点在河南省临颍县杜曲镇(N 33.78°，E 113.83°)，属于暖温带半湿润季风气候。试验设计包括3种土壤类型和5种氮肥形式。三种土壤类型分别为潮土(chao soil, SC)、黄褐土(yellow cinnamon soil, SH)和砂姜黑土(shajiang black soil, SS)。其中黄褐土和砂姜黑土取自驻马店西平县(N 33.38°，E 113.92°)；潮土取自临颍县杜曲镇(N 33.78°，E 113.83°)。3种土壤类型的理化性状详见表1。五种氮肥形态分别为尿素(urea，UR；N 46.4%，pH 9.1)、硝酸铵(ammonium nitrate，AN；N 26.0%，pH 7.2)、硫酸铵(ammonium sulfate，AS；N 21.0%，pH 5.9)、硝酸钙(calcium nitrate，CN；N11.0%，pH 7.6)和氯化铵(ammonium chloride，AC；N 25.4%，pH 5.6)。所有氮肥均产自天津市科密欧化学试剂有限公司。试验于2017年11月—2018年6月小麦季进行，采用盆栽模式，每盆装干土8 kg，于2017年11月6日采用人工摆播的方式每盆播种26棵，苗期定苗，每盆留苗12棵。氮肥施肥按纯氮量计，为1.28 g·盆-1，按照1/2基施、1/2拔节期追施的方式施用。除N肥外，采用基施过磷酸钙(P2O50.64 g·盆-1)和氯化钾肥(K2O 0.53 g·盆-1)。每个处理重复12次，共180盆。

表1 三种土壤的基础理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of 3 type soils

1.2 取样与指标测定

于返青期(播种后104 d)和扬花期(播种后165 d)对小麦根系进行取样。取样后，于4～6 h内完成根系活力的测定。测定方法为氯化三苯基四氮唑TTC法，采用WFJ-2000型分光光度计进行测定；采用WinRHI-ZO系列植物根系扫描仪对根系进行扫描，统计根系总长度、根系总表面积和根系总体积。

分别于越冬期(播种后72 d)、返青期(播种后104 d)、拔节期(播种后134 d)、扬花期(播种后165 d)和成熟期(播种后204 d)对小麦地上部(茎和叶)进行取样。将茎秆和叶片分别装入大纸袋中于105 ℃杀青后，80 ℃烘干至恒重，测定地上部干物质重。将各生育期的样品烘干后磨碎，称取0.2 g植株样品用H2SO4-H2O2法消煮[11]，定容后过滤得到待测液，采用AA3流动注射分析仪(Seal，德国)测定全氮含量。

于收获期进行室内考种分析，调查小麦的穗粒数和穗粒重；数取100粒，3个重复，计算千粒重。

参照以下公式计算收获指数、花前氮素转运量、花前氮素转运量对籽粒氮素累积的贡献率及氮肥偏生产力、氮肥吸收效率、氮素收获指数和氮素利用效率。

收获指数=籽粒产量/成熟期地上部生物量

(1)

花前氮素转运量=开花期营养器官氮素累积量-成熟期营养器官氮素累积量

(2)

花前氮素转运量对籽粒氮素累积的贡献率=花前氮素转运量/成熟期籽粒氮素累积量×100%

(3)

氮肥偏生产力=经济产量/施入氮肥总量

(4)

氮肥吸收效率=成熟期地上部总氮素累积量/施氮量

(5)

氮素收获指数=籽粒氮素累积/地上部氮素累积

(6)

氮素利用效率=籽粒产量/成熟期地上部氮素累积量

(7)

1.3 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 19.0和Origin 8.1软件进行数据的整理和分析。

2 结果与分析

2.1 不同土壤类型下氮肥形式对‘豫教5号’根系活力的影响

由表2可见，不同土壤条件下、不同氮肥类型下小麦‘豫教5号’的根系活力差异显著。在返青期和扬花期，SC条件下小麦的根系活力大于SH和SS条件。其中，SC条件下，播种后104和165 d均是AC处理的根系活力较强，AN处理的根系活力较弱，两者间差异显著。SH条件下， CN处理的根系活力较强，AN处理的根系活力较弱；各处理播种后104 d根系活力表现为CN>UR>AC、CN>AN，播种后165 d表现为CN>AS>AC、UR>AN。在SS条件下，播种后104 d，AN处理的根系活力显著高于其他处理，表现为AN>UR>AC、CN、AS(AS、CN、AC处理间差异不显著)；播种后165 d，UR处理的根系活力显著高于其他处理，CN处理的根系活力显著低于其他处理，表现为UR>AC、AS>AN>CN，AS和AC处理间差异不显著。

表2 不同土壤类型及氮肥类型下‘豫教5号’的根系活力Table 2 Root activity of Yujiao 5 under different soil types and N fertilizer types (ug·g-1·h-1)

2.2 不同土壤类型下氮肥种类对‘豫教5号’干物质累积的影响

在整个生育期内，‘豫教5号’的干物质累积量呈递增趋势，至成熟期干物质累积量达最大值(图1)。SC条件下，在播后165 d时UR处理的干物质累积量显著低于其他处理；在播后204 d，CN处理的干物质累积量显著低于AN、AS、AC处理，UR处理与其他处理间差异均不显著。SH条件下，在播种后134 d，AS处理的干物质累积量显著高于其他处理，AN和CN处理的干物质累积量较低，显著低于其他处理，AN和AC处理间差异不显著；到播种后204 d时，AS处理的干物质累积量最高，AC处理的干物质累积量显著低于其他处理。SS条件下，在播种后134 d和播种后204 d各处理的干物质累积量均表现为CN>AS>AN>AC>UR，其中AS和CN，UR和AC处理间差异均不显著。综上所述，AC、AS和CN三个处理在SC、SH和SS三种土壤条件下均能促进小麦干物质的累积。

2.3 不同土壤类型下氮肥种类对‘豫教5号’植株氮素累积的影响

由图2可见，随着生育期的推进，‘豫教5号’的整株氮素累积量呈上升趋势。在播种后104～204 d,小麦植株的氮素累积速度较快。SC条件下，播种后134和165 d，UR处理的植株氮素累积量显著低于其他处理；在播种后204 d，AN和AC处理的氮素累积量显著高于其他处理。SH条件下，在播种后165和204 d，AN处理的氮素累积量显著高于其他处理，而CN处理的氮素累积量显著低于其他处理；其中，在播种后165 d，AN与CN和AC处理间差异显著，204 d时，各处理间无显著差异。SS条件下，AN、AS、CN、AC处理在播种后104～134 d小麦植株的氮素累积速度较快，而UR处理,播种后104～165 d，小麦植株氮素累积速度较快，在播种后165 d，CN和AN处理的氮素累积量显著高于其他处理，而UR、AS、AC处理间差异不显著；在播种后204 d，CN处理显著高于其他处理，而UR处理显著低于其他处理，AN、AS、AC处理间差异不显著。

2.4 不同土壤类型下氮肥种类对‘豫教5号’花前氮素转运的影响

由表3可知， SC条件下，AC处理小麦茎鞘花前氮素转运量较大，转运比例及对籽粒的贡献率也较高，分别为60%和37%；在叶片花前氮素转运中,以AN处理的转运比例和贡献率较高，但各处理的转运比例无显著差异。SH条件下，AC处理茎鞘花前氮素转运量较小，对籽粒的贡献率也较低，分别为80.49 mg·盆-1和19%，其他各处理间在茎鞘花前氮素转运量和对籽粒的贡献率上无显著差异。从对叶片花前氮素转运的影响看，CN处理转运量和贡献率都较低，而AN处理转运量、转运比例和贡献率都较高，分别为155.67 mg·盆-1、70%和37%。SS条件下，AN和AC处理茎鞘花前氮素转运量和贡献率都显著高于其他处理，AS处理茎鞘花前氮素转运量、转运比例和贡献率较低；且AN处理叶片花前氮素转运量、转运比例和对籽粒的贡献率也较高，UR和AC处理花前叶片氮素的转运量、转运比例、和对籽粒的贡献率都较低。

表3 不同氮肥类型下‘豫教5号’不同器官的花前氮素转运Table 3 Pre-anthesis N transport in different organs of ‘Yujiao 5’ under different N fertilizer types

2.5 不同土壤类型下氮肥种类对‘豫教5号’氮肥利用率的影响

由表4可知，SC条件下，AS处理仅收获指数上较低，在氮素吸收率、氮肥偏生产力和氮素利用效率上均较高；而CN处理收获指数、氮素吸收率、氮肥偏生产力和氮素利用效率均显著低于其他处理。SH条件下，UR和AN处理收获指数、氮素吸收率、氮肥偏生产力和氮素利用效率无显著差异，但显著低于其他处理； AS、CN和AC处理间的氮素吸收率和氮肥偏生产力差异不显著，但AS处理收获指数较低，CN处理的氮肥利用率和AC处理的收获指数均显著高于其他处理。SS条件下，各处理间收获指数、氮肥偏生产力和氮素利用效率均无显著差异，但UR处理氮素吸收率显著低于AS、CN和AC处理，仅为39%。

表4 不同氮肥类型下‘豫教5号’的氮吸收利用效率Table 4 N uptake and utilization efficiency of ‘Yujiao 5’ under different N fertilizer types

2.6 不同土壤类型下氮肥种类对‘豫教5号’产量及产量构成的影响

由表5可知，SC条件下，AS处理的产量和千粒重均显著高于其他处理，但穗粒数较低；SH条件下，CN处理的产量最高，显著高于UR、AN和AS处理，仅与AC处理间无显著差异；SS条件下，也是AS处理的产量和千粒重较高。从不同土壤类型来看，小麦产量和千粒重表现为SC>SS>SH；穗粒数表现为SC>SH>SS。

表5 不同氮肥类型下‘豫教5号’的产量及产量构成Table 5 Yield and yield components of ‘Yujiao 5’ under different N fertilizer types

2.7 成熟期籽粒产量与氮素吸收量的相关分析

由图3可知，不同土壤类型的籽粒产量与植株总氮素吸收量成显著正相关。在黄褐土和砂姜黑土上，氮素吸收量与产量呈极显著正相关，相关系数分别为0.763和0.740；在潮土条件下，相关系数为0.496。可见，氮素吸收总量与产量关系密切，增加植株氮素吸收量有助于提高小麦产量。

3 讨论

小麦产量的形成是以穗数为基础，兼顾穗粒数和千粒重协调发展的过程，提高穗粒数和千粒重是获得高产的关键[12]。本研究发现，在三种土壤类型条件下，不同氮肥种类对小麦‘豫教5号’生长发育及产量的影响差异较大。在潮土和砂姜黑土中，硫酸铵处理产量较高，与其他处理相比千粒重较高，穗粒数优势并不明显；在黄褐土中，硫酸铵、硝酸铵和氯化钙处理间产量无显著差异，但千粒重和穗粒数显著高于其他处理。较高的干物质累积是小麦获得高产的保证[13]。本研究也表明，‘豫教5号’产量较高的处理，其生物量也较高。其中在潮土和砂姜黑土条件下，硫酸铵处理的产量较高，其干物质累积量也较高；在黄褐土条件下，硫酸铵和硝酸钙处理的产量和干物质累积量都比较高。

与前人研究相比,‘豫教5号’在盆栽条件下的千粒重显著低于大田条件下的千粒重[14]，推断可能是由于盆栽条件导致小麦中后期盆内土壤温度过高，根系遭受一定程度的水分胁迫，导致生长受阻，进一步抑制籽粒灌浆，使小麦出现早衰现象[6,15-16]。本研究表明，在潮土条件下，铵态氮肥效果优于硝态氮肥，但在砂浆黑土中，硝酸钙处理的干物质累积和氮素吸收效果较好。王姣爱等[17]研究发现，碳铵与尿素混合处理下小麦的产量最高，其次为硫铵和尿素混合处理。这表明小麦对氮肥类型的响应与土壤类型有关。不同土壤类型的pH不同，且土壤结构存在差异，土壤质地在很大程度上也决定着土壤的水分以及养分情况，因此具有不同的养分供应能力[18]。土壤含水量过高或过低均会对小麦的生理特性、生物产量和籽粒产量造成影响[19]。王浩等[20]研究表明，不同小麦品种的品质性状也会受到不同生态环境因素的影响，如在盆栽条件下，土壤温度、水分条件及根系环境均受到限制，从而影响氮肥施用的效果，影响小麦的生长发育，导致小麦产量受到影响。

花前氮素转运是小麦籽粒氮素的主要来源，籽粒中氮70%来自于花前的氮素转运，30%来自花后氮素同化[21-23]。但是在本研究中，潮土条件下的尿素和硫酸铵处理、黄褐土条件下的氯化铵处理及砂姜黑土条件下的硫酸铵处理均对‘豫教5号’籽粒的贡献率较低。可能是由于盆栽条件下，小麦灌浆期受到了较强的干旱胁迫，进而影响了小麦籽粒、秸秆及地上部的氮吸收量[24]。而不同土壤类型条件下不同氮肥形态适应干旱胁迫的能力不一样，不同土壤类型的土壤紧实度和土壤团聚体等结构存在较大差异，进而影响土壤保水性，因此不同的土壤结构对胁迫的响应不同[25]。

不同土壤类型下，小麦对不同形态氮肥的利用率不同。研究表明，在水培条件下，铵、硝态氮同时施用可提高小麦氮素利用效率[26]，而安志超[27]指出，在中氮水平下，小麦对酰胺态氮的氮素利用效率显著高于铵态氮；高氮水平下，对硝铵态氮的氮素利用效率显著高于酰胺态氮。本研究发现，在潮土和砂姜黑土条件下，硫酸铵处理的氮肥偏生产力与氮肥利用效率较高；在黄褐土中硝酸钙处理的氮素吸收率、氮肥偏生产力和氮肥利用效率均高于氯化铵处理。与前人结果存在一定差异，可能是由于不同土壤类型条件下，土壤pH差异下不同形态氮肥对作物生长的影响不同，且三种土壤类型在基础肥力和土壤质地等方面也存在较大差异。比较而言，潮土更有利于小麦‘豫教5号’的生长，而黄褐土的pH、全氮及有机质含量均较低，小麦作为对土壤酸性比较敏感的作物，生长发育受到较大影响[28]。