滴灌水肥一体化下施氮量对小麦氮素吸收及土壤硝态氮含量的影响

郭丽1，2，王丽英1，2，张彦才1，2，史建硕1，2，李若楠1，2，王艳霞3，任燕利1，2

(1．河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北石家庄 050051；2.河北省肥料工程技术研究中心，河北石家庄 050051；3.石家庄市农业技术推广中心，河北石家庄 050051 )

摘要：为探明华北地区山前平原水肥一体化条件下小麦合理的氮肥运筹。于 2013-2015 年2个小麦生长季，设置4个滴灌施氮量(N0-不施氮、N1-120 kg/hm2、N2-240 kg/hm2、N3-360 kg/hm2)处理，研究滴灌水肥一体化下施氮量对小麦氮素吸收积累和土壤硝态氮含量的影响。结果表明：施氮量N1、N2和N3处理的小麦干质量及产量较处理N0显著增加，N1、N2和N3处理间无显著差异；施氮量对小麦茎秆的氮含量影响较大，但对籽粒氮含量的影响差异不显著；处理N3的小麦总吸氮量分别显著高于处理N0、N1和N2，但处理N1和N2之间无显著差异；氮肥收获指数以N2处理最高，氮肥当季回收利用率、氮肥农学效率、氮肥生产效率和氮肥利用效率均表现出随施氮量增加而降低的趋势；施氮量超过240 kg/hm2，土壤硝态氮含量增加，且随种植年限的延长更加明显。采用一元二次方程拟合，获得小麦最高产量的施氮量为238.46～250.78 kg/hm2，经济施氮量为174.28～207.18 kg/hm2。综合考虑经济效益和生态效益，该条件下小麦滴灌经济施氮量以174～207 kg/hm2为宜。

关键词：小麦；滴灌；水肥一体化；施氮量；氮素吸收；土壤硝态氮

小麦是河北省乃至我国重要粮食作物，保障小麦高产稳产对我国粮食安全具有举足轻重的作用，但华北地区水资源极度匮乏、地下水超采严重，因此，冬小麦节水栽培是稳定面积和产量的关键。滴灌施肥技术是将灌溉与施肥相结合，可有效地控制施肥、灌溉数量和时间，不仅控制水肥入渗深度，还能维持根区合理的养分供应浓度，使水肥供应与植株生长相协调，提高水肥利用效率，减少水肥损失。滴灌施肥在欧美等发达国家已有大面积的应用与推广，而我国滴灌施肥一体化技术仅在设施蔬菜和经济作物上推广应用，在华北地区小麦种植生产中技术应用较少，研究滴灌施肥的适宜施肥量将为水肥一体化技术提供依据，对缓解深层地下水过度超采具有重要意义[1-2]。

在植物所需的营养元素中，小麦的生长发育和产量对氮素反应最为敏感[3]。然而，在小麦生产中，“施肥越多，产量越高”的观念普遍存在，盲目和不合理的施肥现象非常普遍，而过量的氮肥投入不仅造成肥料浪费，并且引起土壤酸化，污染地下水资源，还会导致小麦产量、品质下降等问题。研究证实，施入土壤的氮素主要有反硝化损失、灌溉和降雨淋失、当季作物吸收利用及土壤残留4个去向，其中反硝化损失约为5%～8%，氮素淋失约为5%～18%，作物吸收约为18%～41%，土壤残留约占20%～48% [4]，长期过量施肥会导致氮素损失量增加，不利于氮素利用效率的提高[5-6]。

迄今，部分学者对小麦产量、品质、氮利用效率及氮素平衡等方面已开展了大量研究。研究发现小麦不同生育期吸氮量不同[7]。同一生育时期，随施氮量增加小麦氮素累积量提高，在小麦籽粒中69%～87%的氮素是靠营养体运转，随施氮量的提高运转效率降低[8]。有研究发现，在一定的灌溉水平下，0～240 kg/hm2的施氮范围内，小麦总吸氮量和氮肥吸收量随施氮水平的增加而提高，氮肥利用效率降低[9]。上述研究主要集中在地面畦灌条件下采用播前施用底肥和春后一次追肥的基础上研究小麦氮肥利用规律，但在滴灌水肥一体化条件下研究小麦氮素吸收及运转规律对施氮量的反应亟待明确。本研究通过2季试验，研究滴灌条件下不同氮肥用量对小麦氮素吸收累积、氮素利用效率和土壤氮残留的影响，为河北山前平原冬小麦滴灌水肥一体化施肥提供科学依据。

1 材料和方法

本试验于2013-2015 在农业部鹿泉农业环境野外观测实验站进行(38°12′N,114°38′E)，种植模式为冬小麦-夏玉米轮作。该地区为华北地区山前平原，土壤为黏壤质洪冲积石灰性褐土。该试验基础土壤：0～20 cm 的土壤硝态氮11.28 mg/kg、速效磷 14.6 mg/kg、速效钾 85.0 mg/kg，2013-2015年的供试小麦品种为邢麦6号。

试验设4个施氮处理，施氮量分别为0，120，240，360 kg/hm2，分别用N0、 N1、 N2和N3表示。试验采用随机区组排列，小区面积64 m2，重复 3 次。各处理的磷钾肥用量相同，分别为P2O5 105 kg/hm2和 K2O 270 kg/hm2。

供试肥料氮、钾肥的40%和磷肥的80%底施，其余氮、磷、钾肥按照施肥量，配成固体水溶性肥料，分别在起身期、拔节期、抽穗期及灌浆期4个时期滴灌施肥。底肥供试氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为磷酸二铵(含N 16% 、P2O5 44%，)，N0处理磷肥为过磷酸钙(含P2O5 12%)，钾肥为氯化钾(含 K2O 62%)。追肥滴灌水溶性肥料的氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为磷酸一铵(含N 11%，P2O5 61%)，钾肥为氯化钾(含 K2O 60%)。冬小麦全生育期灌溉4～5次，滴灌追肥每次灌溉量为225～375 m3/hm2，2013-2015年小麦季灌水量均为1 500 m3/hm2。

1.3 测试项目与方法

1.3.1 植株干质量分别在冬小麦拔节期、抽穗期、灌浆期取50 cm双行植株，成熟期取1 m2的植株，于105 ℃杀青30 min，65 ℃烘至恒重，计算单位面积干质量。

1.3.2 植株含氮量于拔节期、抽穗期及成熟期取样，其中拔节期和抽穗期将植株茎叶粉碎混合均匀，成熟期小麦植株分为茎秆、籽粒两部分测定其含氮量。样品于105 ℃杀青30 min后，在 75 ℃烘至恒重。采用浓硫酸消煮，凯氏定氮仪测定植株各器官全氮含量。有关氮素吸收利用的计算公式[5，8]如下：

氮素累积量=含氮量(%)×干质量；

氮素收获指数(%)=籽粒氮素吸收量/植株地上部氮素积累量×100；

氮肥当季回收率(%)=(收获期施氮区地上部总吸氮量-收获期不施氮地上部总吸氮量)/施氮量×100；

氮肥农学效率(kg/kg)=(施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量)/施氮量；

氮肥生产效率(kg/kg)=籽粒产量/施氮量；

氮素利用效率(kg/kg)=籽粒产量/植株地上部氮素积累量；

经济施氮量(kg/hm2)=-(b-Px/Py)/2a(其中，a为产量和施氮量拟合一元二次方程的一元回归系数，b为二元回归系数，Px为氮肥价格4.96元/kg，Py为小麦价格2.4元/kg)。

1.3.3 土壤硝态氮含量测定小麦成熟期，取 0～100 cm 土层土样，每 20 cm 为一层，立即装入自封袋中并置于-20 ℃冰冻保存。测定时将土壤样品解冻、混匀、过2 mm筛。称取 10 g 土壤样品，采用1 mol/L KCl溶液50 mL浸提1 h，浸提液用紫外分光光度计比色测定。同时测定土壤含水量，计算干土硝态氮含量。

1.3.4 产量成熟期每个小区取样4 m2，采用小型脱粒机进行脱粒、风干，测定籽粒含水量后折算成含水量为13%的产量。

数据处理分析采用 Microsoft Excel 2007 和SPSS 19.0数据分析软件进行数据统计分析和差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 滴灌小麦干质量对施氮量的影响

小麦干质量对施氮量的影响见图1。2014年小麦拔节期，N1、N2和N3处理的干质量分别较N0增加23.5%，24.0%，26.9%；抽穗期，N1、N2和N3处理分别较N0增加18.0%，18.1%，13.9%；成熟期，N1、N2和N3处理分别较N0增加12.0%，10.2%，11.1%，3个时期均表现出N1、N2和N3分别较N0的干质量显著增加，但N1、N2和N3处理间差异不显著；2015年不同施氮处理对小麦干质量的影响和2014年表现出相似趋势。以上结果表明滴灌条件下，施氮量在0～120 kg/hm2内小麦干质量呈上升趋势，但施氮量在120～360 kg/hm2内小麦干质量无显著变化。

2.2 滴灌施氮量对小麦植株含氮量和氮累积量的影响

不同施氮量的小麦氮含量及植株氮累积量变化见表1，2014年拔节期，植株氮含量以N2处理最高，但与N3处理无显著差异，显著高于处理N0和N1；抽穗期，处理 N2和N3的植株氮含量显著高于N0，但与N1无显著差异；成熟期，茎秆氮含量处理N3显著高于处理N0和N1，与处理N2差异不显著；成熟期，籽粒氮含量在处理N0～N3间无显著差异。2015年小麦拔节期，茎秆氮含量表现为处理N1、N2和N3显著高于处理N0，但处理N2和N3差异不显著，抽穗期表现为随施氮量增加小麦茎秆氮含量提高，处理N1～N3 显著高于处理N0，而处理N1～N3的小麦茎秆氮含量无明显变化；成熟期，茎秆氮含量均以处理N0显著低于施氮处理，处理N1和N2无显著差异，但N1和N2显著低于N3处理。2015年小麦籽粒含氮量表现出与2014年相同趋势，处理间无显著差异。上述结果表明，施氮量对小麦茎杆的氮含量影响较大，对籽粒氮含量的调控效应不明显。尽管不同年份间施氮量对植株含氮量的影响不尽一致，但植株含氮量总体表现为随施氮量的增加而增加的趋势。

2014年拔节期和抽穗期小麦植株氮累积量表现为N0显著低于施氮处理，2个时期施氮处理间相比较，表现为N2和N3的氮累积量显著高于N1，但N2和N3处理间无显著差异。成熟期表现为处理N3的氮累积量较处理N0、N1和N2显著增加；2015年小麦植株氮累积量在3个不同时期均表现出随施氮量的增加而增加，N1～N3处理的氮累积量显著高于处理N0。上述结果表明，施氮量对小麦拔节期、抽穗期和成熟期的氮累积量具有正调控效应。

注：同列中不同字母表示同一年份不同处理差异达5%显著水平。表2同。

Note：Different small letters in a column mean significant difference among the nitrogen treatments in a year at 5% levels. The same as Tab.2.

2.3 滴灌施氮量对小麦籽粒产量和氮素利用效率的影响

由表2可见，2014年，小麦产量表现为处理N0显著低于处理N1、N2和N3，氮收获指数处理N2显著高于处理N0和N1，处理N2和N3无显著差异，氮肥当季回收率和氮肥农学效率表现为处理N1显著高于处理N2和N3，处理N2和N3显著不差异，氮肥生产效率表现为随施氮量的增加而降低，处理N1的氮肥生产效率显著高于处理N2和N3，氮利用效率表现为处理N0>N1>N2>N3，处理 N3显著低于处理N0、N1和N2，处理N1和N2差异不显著。2015年小麦籽粒产量、氮收获指数均表现为处理N1～N3显著高于N0，氮肥当季回收率、氮肥农学效率、氮肥生产效率和氮利用效率与2014年趋势一致。上述结果表明，连续2年施氮量在120～360 kg/hm2内的小麦产量无显著差异，氮收获指数表现为随施氮量增加呈先增加后降低的抛物线趋势，氮肥当季回收率、氮肥农学效率、氮肥生产效率及氮利用效率表现为随施氮量增加而降低的趋势。

2.4 滴灌施氮量对土壤硝态氮含量的影响

收获期土壤硝态氮含量对施氮量的响应见图2，2014年小麦收获季，0～20 cm土壤硝态氮含量表现为处理N0最低，处理N1、N2和N3土壤硝态氮含量分别是N0处理的1.43，3.68，4.50倍，40 cm以下不同处理间土壤硝态氮含量的差异逐渐变小。2015年，处理N0与N1在 0～20 cm土层范围内差异较大，20 cm以下土层N0和N1土壤硝态氮含量无显著差异，N0与N2、N3处理间土壤硝态氮含量表现为随土层深度的增加差异逐渐变小的趋势，但0～100 cm土层处理 N2和N3的土壤硝态氮含量较处理N0明显升高。不同施氮量间比较，表现为0～80 cm土层内处理N2明显高于处理N1，0～100 cm土层内处理 N3的土壤硝态氮含量比处理N1和N2明显增加。上述结果表明，经2年种植后，施氮量在240～360 kg/hm2内，随着施氮量增加土壤硝态氮含量明显上升，并出现土壤硝态氮向下淋溶趋势，施氮量240，360 kg/hm2的土壤硝态氮分别下移至80，100 cm土壤层次。

2.5 滴灌小麦经济施氮量

合理施用氮肥是小麦获得高产的有效措施之一，有关籽粒产量和施氮量关系的研究，通常选择较优的施肥模型来拟合作物对施氮量的反映并进行氮肥推荐。对小麦产量和施氮量采用一元二次方程进行拟合，获得最高产量的施氮量和经济施氮量(图3)。2014年，拟合方程为y=-0.016 1x2+7.678 5x+8 058，决定系数为0.827 3，相关系数为0.91，2015年拟合方程为y=-0.023 7x2+11.887x+7 938.2，决定系数为0.903 8，相关系数0.95，可见，一元二次方程较好地反映了小麦产量与滴灌施氮量之间的关系。经拟合方程得出：2014，2015年，小麦最高产量的施氮量分别为238.46，250.78 kg/hm2，经济施氮量分别为174.28，207.18 kg/hm2。综上所述，在该试验土壤肥力条件下，山前平原滴灌小麦的最高产量施氮量为238～250 kg/hm2；从经济效益及生态环境角度考虑，经济施氮量为174.28～207.18 kg/hm2。

2.6 各指标相关性分析

滴灌条件下，小麦施氮量、产量及氮素吸收利用效率各指标的相关分析见表3，施氮量与氮肥利用效率呈极显著负相关，与吸氮量呈极显著正相关；产量与施氮量、氮收获指数、氮肥农学效率、氮肥生产效率呈显著正相关，与氮肥当季回收率和吸氮量呈极显著正相关，与氮肥利用效率呈显著负相关；氮收获指数与吸氮量呈显著正相关；氮当季回收率、氮肥农学效率、氮肥生产效率3个指标两两之间呈极显著性正相关，氮当季回收率和氮肥利用效率与吸氮量分别为显著正相关和极显著负相关关系。

注：CC.相关系数；AON.施氮量；GY.产量；NHI.氮收获指数；NRE.氮肥当季回收率；NAE.氮肥农学效率；NPE.氮肥生产效率；NUE.氮肥利用效率；TNU.吸氮量；*.在相关系数在P=0.05 水平显著(双尾检验)；** .在P=0.01 水平显著(双尾检验)。

Note：CC. Correlation coefficient； AON. Amount of nitrogen； GY.Grain yield;NHI.N harvest index； NRE.N recovery efficiency； NAE .N agronomy efficiency； NPE.N productive efficiency； NUE.N use efficiency； TNU. Total N uptake；*.Correlation is significant at the 0.05 probability level (2-tailed)；**.Correlation is significant at the 0.01 probability level(2-tailed).

3 讨论与结论

养分吸收是干物质积累的基础，干质量和养分累积是作物各组织器官分化、产量形成的前提[10]。部分学者研究认为小麦不同生育时期的吸氮量表现为随生育进程的延长，氮素营养的累积量呈上升趋势，同一生育时期，小麦氮素吸收量随氮肥用量的增加而提高[11-12]，有关施氮量对小麦干质量及氮素积累的影响前人已有诸多报道。王兵等[13]研究认为，黄土高原在平水年份，施氮量为0～180 kg/hm2随施氮量的增加，小麦吸氮量增加，在干旱年份，当施氮量为 180 kg/hm2时，小麦吸氮量降低。张宏等[14]研究发现，在陕西关中地区，冬小麦返青后地上植株氮素累积量的增加趋于线性关系，但施氮量120～240 kg/hm2对籽粒的氮素累积量无显著变化。本研究表明，小麦植株营养器官的氮含量总体表现为随着施氮量的增加而提高，而施氮量对籽粒氮含量的影响较小。施氮量对小麦氮累积量的影响表现为在0～120 kg/hm2小麦植株氮素累积量逐渐增加，施氮量120～240 kg/hm2小麦氮累积量虽有上升趋势但不存在统计学差异，施氮量为360 kg/hm2时氮累积量显著高于其他施氮处理，且不同年际间表现相似趋势。本结果与张宏的研究结果部分一致。

前人研究表明，小麦籽粒产量随施氮量的增加表现为先升高后降低趋势，氮肥利用率逐渐降低[6，15]，不同小麦种植地区，适宜施氮量有所不同[16-18]，Halvorson等[16]通过研究美国中部平原旱地轮作种植体系，指出小麦籽粒产量最高时的施氮质量为84 kg/hm2。Bassoa等[17]综合分析小麦产量和氮素损失后，认为意大利地中海雨养气候区适宜的施氮量为60 kg/hm2。Ryan 等[18]研究非洲北部地区的小麦施氮量发现，年降雨量350～500 mm内的小麦适宜施氮量在60～120 kg/hm2，年降雨量在270 mm的适宜施氮量为30 kg/hm2。段文学等[19]在黄淮冬麦区鲁中丘陵区研究2年小麦籽粒产量、氮素利用率和氮肥生产效率，认为该区150 kg/hm2的施氮量最为适宜。本试验研究表明，N0籽粒产量较N1、N2和N3显著下降，但N1、N2和N3处理间籽粒产量无显著差异，氮当季回收率、氮肥农学效率、氮肥生产效率和氮肥利用效率表现为随施氮量增加呈降低趋势；通过对各个指标相关分析，小麦产量与施氮量、氮收获指数，氮农学效率和氮肥生产效率呈显著正相关，与氮肥当季回收效率和吸氮量呈极显著正相关，但与肥料利用效率呈显著负相关。由此可见，氮肥虽然在一定程度上提高产量，但利用效率逐渐降低。此外，采用二元一次方程研究籽粒产量与施肥量的关系，根据边际收益等于边际成本的原则确定经济施氮量为174.28～207.18 kg/hm2。由于不同种植年限间总降雨量及各生育阶段降雨量存在差异，影响氮肥利用效率及硝态氮的淋溶，因此，该区不同年际间施氮量对小麦的长期调控效应需后续工作进一步研究，为明确本种植区域常年适宜氮肥用量提供依据。

随施氮量增加，土壤硝态氮含量增加，在 0～100 cm 土体内硝态氮含量增加的趋势更明显，表明过量施氮后氮素淋溶下渗增加[20-21]。有研究表明，在施氮180～225 kg/hm2内分次追肥较拔节期一次追肥的土壤硝态氮含量明显降低[22]。在有限灌溉条件下，小麦收获后施氮量为 70，140 kg/hm2的土壤硝态氮积累量无显著差异，施氮 221 kg/hm2时表层土壤硝态氮积累量增加，施氮 300 kg/hm2导致0～200 cm土层硝态氮积累量显著增加[23]。本研究表明，在滴灌水肥一体化条件下，进行4次追肥，2014年小麦土壤硝态氮含量在0～30 cm土层内表现为随施氮量增加明显上升，30 cm 以下土层变化幅度较小；2015年N1处理仅在0～30 cm 土层深度较N0变化较大，N2和N3处理在0～100 cm间表现为随施氮量增加土壤硝态氮含量明显增加，这一结果表明施氮量240～360 kg/hm2随种植年限延长土壤硝态氮含量明显增加。可见，适宜的施氮量减少了硝态氮向深层土壤的淋溶，亦达到节肥、增效和保护生态环境的作用。

通过2年试验研究表明，结合小麦产量、氮肥利用效率和土壤硝态氮考虑，在滴灌水肥一体化条件下华北地区山前平原小麦种植区经济施氮量为174.28～207.18 kg/hm2。

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Effects of Nitrogen Amount on Nitrogen Absorption of Wheat and Soil

-N Content under Drip Fertigation

GUO Li1，2 ，WANG Liying1，2，ZHANG Yancai1，2，SHI Jianshuo1，2，LI Ruonan1，2，WANG Yanxia3，REN Yanli1，2

(1.Institute of Agriculture Resource and Environment，Hebei Academy of Agriculture and Forestry Science，Shijiazhuang 050051，China； 2.Hebei Fertilizer Engineering Technology Research Center，Shijiazhuang 050051，China； 3.Shijiazhuang Agricultural Technology Promotion Center，Shijiazhuang 050051，China)

Abstract：The effects of nitrogen fertilizer application rate on the nitrogen utilization and soil

-N content were studied to provide a scientific basis for reasonable nitrogen management under drip fertigation in Piedmont Plain of Hebei .The objective of this experiment was in this area. The experiment was conducted to determine the effects of nitrogen fertilizer application rate on nitrogen absorption and soil nitrogen content by using four nitrogen level of N0-No nitrogen, N1-120 kg/ha, N2-240 kg/ha and N3-360 kg/ha, under drip fertigation in field in 2013-2014 and 2014-2015 wheat seasons. The results showed that dry matter weight and yield of N1，N2 and N3 were significantly higher than N0，but no significant difference under N1,N2 and N3 treatments. The effect of nitrogen amount on N content of wheat stem was significantly and on N content of grain was no significantly. The total nitrogen uptake amount in wheat were significantly increased under the condition of N3 treatment compared with that of N0，N1 and N2，the total nitrogen uptake amount were no significantly difference between N1 and N2 treatments.The highest N harvest index appeared in N2 treatment.N recovery efficiency，N agronomy efficiency，N productive efficiency and N use efficiency were decreased with nitrogen amount increasing.Soil

-N content were significantly increased as nitrogen fertilizer application rate was higher than 240 kg/ha，and that was more obvious with the increase of the planting time. The nitrogen application rate for highest yield was 238.46-250.78 kg/ha. The economic nitrogen application amount was 174.28-207.18 kg/ha，which was calculated according to the wheat yield and the nitrogen application amount by one variable quadratic equation.Considering the soil ecological environment and the economic efficiency，the optimal nitrogen application rate was at 174-207 kg/ha under the experiment condition.

Key words：Wheat； Drip irrigation； Fertigation； Nitrogen application rate； Nitrogen uptake； Soil

-N content

作者简介：郭丽(1979-)，女，河北饶阳人，助理研究员，博士，主要从事作物栽培学研究。

通讯作者：王丽英(1977-)，女，河北邱县人，研究员，博士，主要从事作物营养与施肥技术、新型肥料研究与应用。