2020, Vol. 28
小麦(Triticum aestivum)是我国重要的粮食作物之一, 平均每年种植面积2 400万hm2以上, 其产业健康发展直接关系到国家粮食安全和农业可持续发展[1-2]。在小麦种植诸多管理措施中, 绿色、高效施肥是其中重要的一环。然而, 当前小麦生产中施肥不合理问题十分突出, 如氮肥施用过量、磷钾肥投入偏少、施肥时期与肥料配比不合理等, 在肥料产投比降低的同时易引发一系列环境问题[3-4]。为顺应国家减肥增效的发展战略, 优化施肥方式和提高肥料利用率对增强小麦产量与品质效应以及实现可持续生产具有重要意义。
王宜伦等[5]通过两地田间试验对小麦施肥效应进行研究, 指出优化氮磷钾肥配施可显著促进冬小麦对氮磷钾养分的吸收利用。对河北省多点连续4年的冬小麦试验中进一步表明, 合理施肥可提高养分利用率[6]。同样的结论在玉米(Zea mays)[7]、水稻(Oryza sativa)[8]等粮食作物以及山药(Dioscorea oppositifolia)[9]、马铃薯(Solanum tuberosum)[10]和大葱(Allium fistulosum var. gigantum)[11]等经济作物上同样得以印证和拓展, 再次表明合理施肥的重要性。研究表明, 平衡施肥不仅能够稳产增收, 还可有效降低环境污染风险[12-14]。截至目前, 在作物诸多平衡施肥技术中, 根据作物生长发育和产量特性来判定作物营养丰缺状况继而确定合理、高效施肥策略的养分专家系统推荐施肥(Nutrient Expert, 简称NE)是目前应用最广、技术较为成熟的一种[5, 7]。该方法原理是基于产量反应和农学效率进行推荐施肥[15-18], 满足了当前推荐施肥需求, 得到快速发展并广泛应用, 是一种定点适应小农户生产管理方式的推荐施肥和养分管理方法。Chuan等[19]已从不同角度对NE系统的实用性和普适性进行探究, 认为基于NE的推荐施肥策略可有效避免施肥过量或不足等问题。Xu等[18]试验表明, 基于养分专家系统推荐施肥较农民习惯施肥在增产的同时还大幅度提高了东北春玉米养分利用效率。Zhang等[20-22]在对萝卜(Raphanus sativus)、小麦和玉米分析后建立了养分管理专家系统, 并通过田间试验证了NE系统使作物产量、品质、盈利能力和养分利用效率显著提高。因此, 基于NE推荐施肥下的作物既可做到减肥不减产, 实现节肥增效, 同时能显著降低土壤养分盈余[14, 23]。
前人基于NE系统的冬小麦平衡和优化施肥报道已相对较多, 并从产量效应、经济效益和模型稳定性等角度做了大量的工作, 取得了良好进展[5, 7, 10, 18-22]。然而, 在基于NE系统明确小麦氮磷钾最佳施肥量的基础上, 进一步研究冬小麦全生育期氮磷钾营养时序变化效应、花前/后干物质和氮磷钾营养积累与转运特性, 并明确肥料利用率的报道则相对较少。因此, 本文通过冬小麦开展了不同施肥处理, 研究氮磷钾不同配施对冬小麦产量和全生育期植株氮磷钾时序变化的影响, 分析了冬小麦花前/花后干物质和氮磷钾养分积累和转运及肥料利用率指标变化, 以期为冬小麦养分专家系统推荐施肥指导生产提供理论支撑。
1 材料与方法 1.1 试验区域概况试验于2018年10月至2019年6月在河南省鹤壁市农业科学院科研基地(114°17′E, 35°40′N)和新乡市原阳县河南农业大学试验基地(113°56′E, 35°6′N)同步进行。供试土壤类型鹤壁为黏质潮土, 原阳为砂质潮土, 两地均属于温带半湿润性季风气候, 多年平均气温和降雨量分别为14.5 ℃和650 mm左右。0~20 cm耕层土壤基础化学性质见表 1。
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表 1 试验地土壤基本化学性质 Table 1 Chemical properties of the tested soils in the experimental sites |
试验共设7个处理, 分别为:基于养分专家系统推荐施肥(Nutrient Expert, NE, 中国农业科学院何萍研究员发布的安卓移动终端“手机和平板”网络版本)、在NE基础上不施氮肥(NE-N)、在NE基础上不施磷肥(NE-P)、在NE基础上不施钾肥(NE-K)、NE中的氮肥为缓控释肥(RNE, 50%包膜尿素、施肥量同NE)、当地农技部门推荐施肥(ST)和当地农民习惯施肥(FP)。各处理具体施肥信息如表 2所示。每个处理3次重复, 小区面积为57.6 m2(宽×长=7.2 m×8.0 m), 随机区组排列。
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表 2 不同施肥处理的冬小麦施肥量 Table 2 Fertilizer application rates of different treatments of winter wheat |
供试肥料分别为普通尿素(N 46.0%)、包膜尿素(N 43.2%)、磷酸二铵(N-P2O5-K2O=15%-42%-0)、过磷酸钙(P2O5 12.0%)和氯化钾(K2O 60.0%)。此外, 农民习惯施肥采用复混肥料(N-P2O5-K2O=18%-20%-7%, 鹤壁)和(N-P2O5-K2O=17%-20%-5%, 新乡)的复合肥料。磷、钾肥在播种前作为基肥一次性施入; 氮肥: RNE处理播种前一次性施入, 其他处理播种前施1/2, 拔节前期施1/2。供试冬小麦品种为‘郑麦7698’(鹤壁)和‘郑麦366’(新乡)。播种量为150 kg·hm-2, 田间管理按当地农民种植习惯进行。
1.3 测定项目与方法 1.3.1 土样采集与分析在冬小麦播种施肥前采集试验地0~20 cm土壤样品, 风干后过筛, 分别测定土壤pH(水土比2.5:1, 电极法)、有机质(K2Cr2O7容量, 外加热法)、碱解氮(碱解扩散法)、有效磷(NaHCO3浸提, 钼蓝比色法)和速效钾(NH4OAC浸提, 火焰光度计法)含量[24]。
1.3.2 植株样品采集与分析试验于2018年10月播种, 2019年6月收获。分别于冬小麦分蘖期、拔节期、开花期和成熟期(鹤壁点为冬小麦播种后54 d、165 d、210 d和224 d, 新乡点分别为63 d、162 d、219 d和235 d), 在各小区选取代表性1 m双行小麦样方(取样方中小麦全部植株)。在105 ℃杀青30 min, 然后在65 ℃烘干至恒重, 用天平称重, 计算生物量。将烘干样品均匀混合粉碎, 采用浓H2SO4-H2O2消煮制备待测液, AA3流动注射分析仪测定植株和籽粒全氮含量, 钼黄比色方法测定植株和籽粒全磷含量, 火焰光度计法测定植株和籽粒全钾含量[24]。冬小麦成熟后, 在各小区选取长势均匀的小麦样方1.0 m2(宽×长=1.0 m×1.0 m), 取样方内小麦全部穗粒, 自然风干后于实验室内考种分析, 以含水量13.0%计算小麦产量。
1.4 数据处理与分析按照隋鹏祥等[25]和宋蝶等[26]的方法分别计算冬小麦养分相关指标, 具体如下:
| $ 养分积累量({\rm{kg·h}}{{\rm{m}}^{{\rm{ - }}2}}) = 植株干物重 \times 植株养分含量 $ | (1) |
| $ 肥料利用率(\% ) = (施肥区养分积累量 - 无肥区养分积累量)/施肥量 \times 100\% $ | (2) |
| $ 肥料农学效率({\rm{kg·k}}{{\rm{g}}^{ - 1}}) = (施肥区作物产量 - 无肥区作物产量)/施肥量 $ | (3) |
| $ \begin{array}{l} 开花期干物质或养分转运量({\rm{kg·k}}{{\rm{g}}^{ - 2}}) = 开花期营养器官干物质或养分积累量 - 成熟\\ 期营养器官干物质或养分积累量 \end{array} $ | (4) |
| $ \begin{array}{l} 开花期干物质或养分转运率({\rm{\% }}) = 开花期干物质或养分转运量/开花期营养\\ 器官干物质或养分积累量 \times 100{\rm{\% }} \end{array} $ | (5) |
| $ \begin{array}{l} 花前营养器官干物质或养分转运对籽粒干物质或养分积累贡献率({\rm{\% }}) = 开花期\\干物质或养分转运量 /籽粒干物质或养分积累量 \times 100{\rm{\% }} \end{array} $ | (6) |
| $ \begin{array}{l} 花后干物质或养分积累量({\rm{kg·h}}{{\rm{m}}^{{\rm{ - 2}}}}) = 成熟期干物质或养分积累量\\ - 开花期干物质或养分积累量 \end{array} $ | (7) |
| $ \begin{array}{l} 花后干物质或养分积累对籽粒干物质或养分积\\ 累贡献率({\rm{\% }}) = 100 - 花前积累干物质或养分转运对籽\\ 粒干物质或养分积累贡献率 \end{array} $ | (8) |
| $ \begin{array}{l} 干物质或养分收获指数{\rm{ = }}籽粒干物质或养分积\\ 累量/成熟期地上部干物质或养分积累量 \end{array} $ | (9) |
采用Microsoft Excel 2016进行基础数据输入与前期处理; SPSS 20.0软件进行试验点与施肥处理间方差分析和显著性检验(LSD法), 显著性水平设定为P < 0.05、P < 0.01和P < 0.001; Origin 8.5软件作图。
2 结果与分析 2.1 养分专家系统推荐施肥对冬小麦产量及其构成因子的影响优化施肥可显著提高冬小麦产量(表 3)。两试验地产量均以RNE处理最高, NE处理次之, FP处理最低。与FP处理相比, 鹤壁和新乡点RNE处理产量增幅分别为5.5%和9.6%, NE处理分别为4.7%和6.6%(鹤壁点RNE处理达显著水平, 其余处理未达显著水平), 基于专家系统的推荐施肥(NE、RNE)与ST处理无显著性差异。肥料减施处理两地冬小麦产量均以NE-N处理最低, NE-K处理最高, 且后者较前者分别提高9.8%(鹤壁)和29.0%(新乡)。各处理间穗粒数和穗数变化趋势与产量一致, 千粒重则无显著差异。交互分析结果表明, 试验地点对冬小麦穗粒数和穗数无显著影响, 但对千粒重和产量则具有极显著影响(P < 0.001);处理除对千粒重无显著影响效应外, 其余指标则均达极显著水平(P < 0.001);两者交互作用对冬小麦产量及产量构成因子则均未达显著水平。
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表 3 不同施肥处理对冬小麦产量及其构成因子的影响 Table 3 Effects of different fertilization treatments on winter wheat yield and its components |
不同施肥处理对冬小麦各生育期植株和籽粒氮磷钾含量如图 1和图 2所示。施肥状态下(FP、ST、NE、RNE)的植株和籽粒养分含量较高, 整体高于肥料减施(NE-N、NE-P、NE-K)。随着生育期的推进, 两个试验地植株氮磷钾含量整体均呈现降低趋势。折线图为生育期植株氮磷钾含量状况:植株氮含量整体表现为ST > NE > RNE > FP; 植株磷含量各施肥处理以RNE处理最高, FP处理最低; 植株钾含量整体表现为RNE > NE > ST > FP。柱状图为不同施肥水平条件下成熟期冬小麦籽粒氮磷钾含量状况:籽粒氮含量鹤壁点以NE处理最高, RNE处理次之, FP处理最低, NE、RNE较FP处理氮含量增幅分别为5.9%、5.3%;新乡点则是ST处理最高, NE处理次之, FP处理最低, ST、NE较FP处理氮含量增幅分别为8.7%、6.1%。籽粒磷含量和钾含量在两地表现的趋势一致, 均为RNE处理最高, NE处理次之, FP处理最低, 其中, NE、RNE较FP处理磷含量增幅分别为3.5%~5.6%、5.3%~6.5%, 钾含量增幅分别为6.2%~11.1%、7.9%~11.1%。冬小麦不同施肥处理在鹤壁(图 1)和新乡(图 2)整体呈现相同的趋势, 基于养分专家系统推荐施肥的植株/籽粒养分含量整体高于当地农民习惯施肥。
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图 1 不同施肥处理对鹤壁冬小麦不同时期养分含量的影响 Fig. 1 Effects of different fertilization treatments on nutrients contents of winter wheat in Hebi at different growth stages 各处理详见表 2。图A-C分别为不同时期冬小麦植株氮磷钾含量, 图D-F分别为冬小麦成熟期籽粒氮磷钾含量。柱形图不同小写字母表示不同处理间在P < 0.05水平差异显著。Description of each treatment is shown in the table 2. Figure A-C show the plant nitrogen, phosphorus and potassium contents of winter wheat at different times. Figure D-F show the grain nitrogen, phosphorus and potassium contents of winter wheat at maturity stage. Different lowercase letters mean significant differences among treatments (P < 0.05). |
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图 2 不同施肥处理对新乡冬小麦各时期养分含量的影响 Fig. 2 Effects of different fertilization treatments on nutrients contents of winter wheat in Xinxiang at different growth stages 各处理详见表 2。图A-C分别为不同时期冬小麦植株氮磷钾含量, 图D-F分别为冬小麦成熟期籽粒氮磷钾含量。柱形图不同小写字母表示不同处理间在P < 0.05水平上差异显著。Description of each treatment is shown in the table 2.Figure A-C show the plant nitrogen, phosphorus and potassium contents of winter wheat at different times. Figure D-F show the grain nitrogen, phosphorus and potassium contents of winter wheat at maturity stage. Different letters mean significant differences among treatments (P < 0.05). |
施肥(FP、ST、NE、RNE)较肥料减施(NE-N、NE-P、NE-K)可显著影响冬小麦花前干物质转运量和转运率、花前干物质转运对籽粒干物质积累贡献率、花后干物质积累量和花后干物质积累对籽粒干物质积累贡献率(P < 0.05), 对收获指数无显著影响(表 4)。地点和施肥处理互作显著影响收获指数, 对其他指标无显著影响。进一步研究分析, 在鹤壁养分专家系统推荐施肥显著影响了冬小麦花后干物质积累量, NE、RNE较FP处理分别提高14.0%和11.9%, 较ST处理分别提高8.3%和6.3%;在新乡养分专家系统推荐施肥显著影响了冬小麦花前干物质转运量和花后干物质积累量, NE、RNE较FP处理分别增加15.6%、17.1%和9.2%、18.6%, 与ST处理无显著性差异。
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表 4 不同施肥处理对冬小麦开花前后营养器官干物质转运及籽粒干物质积累的影响 Table 4 Effects of different fertilization treatments on dry matter transport of vegetative organs and dry matter accumulation in grains of winter wheat before and after anthesis |
由表 5可知, 施氮可显著提高冬小麦各生育期氮素积累量, 不同施肥处理显著影响花前氮素转运量(P < 0.05)。在鹤壁, 除花前氮素转运量以外, 不同施肥处理显著影响花后氮素积累量, 对其他指标无显著影响, 其中NE、RNE处理的花前氮素转运量和花后氮素积累量较FP处理分别提高6.2%、17.2%和26.1%、5.7%;在新乡, 花前氮素转运量和花后氮素积累量的变化趋势与鹤壁点相同, 其中NE、RNE处理的花前氮素转运量和花后氮素积累量较FP处理分别提高15.4%、13.3%和20.5%、16.2%, 除此之外, ST处理的花前氮素转运率和花前氮素转运对籽粒氮素积累贡献率较其他处理显著增加, 这可能与冬小麦的施肥量有关, 具体原因需要进一步探究。
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表 5 不同施肥处理对冬小麦氮素积累、转运及对籽粒的贡献率 Table 5 N accumulation, transport and contribution rate to grain of winter wheat under different fertilization treatments |
施磷可显著提高冬小麦各生育期磷素积累量, NE、RNE处理的磷素积累量较FP处理显著提高, 不同施肥处理显著影响花前磷素转运量(表 6)(P < 0.05)。在鹤壁, NE、RNE处理的花前磷素转运量较FP处理分别提高47.2%、50.2%, 除花前磷素转运量以外, 不同施肥处理还显著影响花前磷素转运率、花前磷素转运对籽粒磷素积累贡献率、花后磷素积累量和磷素积累对籽粒磷素积累贡献率; 在新乡, NE、RNE处理的花前磷素转运量较FP处理分别提高14.3%、12.9%, 除花前磷素转运量外, 不同施肥处理(FP、ST、NE、RNE)对其他指标无显著影响(P < 0.05)。
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表 6 不同施肥处理对冬小麦磷素积累、转运及对籽粒的贡献率 Table 6 P accumulation, transport and contribution rate to grain of winter wheat under different fertilization treatments |
施钾可显著提高冬小麦各生育期钾素积累量, 在成熟期NE、RNE处理的钾素积累量与FP处理无显著影响, 不同施肥处理显著影响花前钾素转运对籽粒钾素积累贡献率(P < 0.05)(表 7)。在鹤壁, NE、RNE处理的花前钾素转运对籽粒钾素积累贡献率较FP处理分别提高13.5%、80.7%, 较ST处理分别提高-5.1%和51.0%, 不同施肥处理对其他指标没有显著性影响。在新乡, 不同施肥处理还对花前钾素转运量和花后钾素积累对籽粒钾素积累贡献率存在显著影响(P < 0.05); NE、RNE处理的花前钾素转运对籽粒钾素积累贡献率较FP处理分别提高90.1%、77.2%, 花后钾素积累对籽粒钾素积累贡献率降低3.7.5%、32.4%。
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表 7 不同施肥处理对冬小麦钾素积累、转运及对籽粒的贡献率 Table 7 K accumulation, transport and contribution rate to grain of winter wheat under different fertilizer treatments |
由表 8可知, 两试验区NE处理氮、磷、钾肥平均肥料利用率和农学效率分别是42.4%、19.1%、47.3%和11.3%、12.2%、12.4%, RNE处理氮、磷、钾肥平均肥料利用率和农学效率分别是41.8%、19.3%、45.9%和11.7%、14.2%、14.1%。冬小麦NE和RNE处理的N、P2O5和K2O肥料利用率和农学效率并未存在显著差异, 两地肥效指标表现出相同的趋势。
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表 8 不同施肥处理对冬小麦肥料效率指标的影响 Table 8 Effects of different fertilization treatments on the fertilizer efficiency of winter wheat |
氮磷钾肥平衡施用是实现作物高效生产的关键技术, 优化和平衡施肥可显著提高冬小麦成熟期产量[5-6]。试验结果表明, 相比于肥料减施(NE-N, NE-P和NE-K)、农民习惯(FP)和农技部门推荐施肥(ST)处理, 基于养分专家系统的推荐施肥(NE和RNE)均有较好的增产效应(表 3), 这与王宜伦等[5]在小麦-玉米上施肥增产、且氮磷钾肥平衡施用增产效果最好的结论相一致。NE与FP处理相比, 增施钾肥的基础上进行减氮减磷, 冬小麦产量较FP处理分别增产4.7%和6.6%, 与ST处理相比, 氮、磷、钾肥的大幅度减施并没有造成冬小麦减产, 说明合理的氮磷钾配施是冬小麦增产的关键[14]; 缓控施肥处理(RNE)较NE处理增产0.9%~2.7%, 减少施肥次数并未造成明显减产, 宋亚栋[27]研究说明合理配施缓控释肥可以提高作物干物质的积累和养分的吸收, 从而促进产量的提高。试验地点显著影响冬小麦的千粒重, 施肥处理对穗粒数和穗数具有极显著影响。李岚涛等[28]在小麦、玉米上的研究同样验证了冬小麦产量受地点和处理的双重影响, 地点与处理互作无显著影响, 不同施肥处理通过何种途径造成产量因子的差异仍需要进一步探究。
作物花后干物质和花前营养器官干物质向籽粒的转运会影响作物的产量[25]。在本研究中, NE、RNE处理干物质转运对籽粒干物质积累平均贡献率(DMRCG)分别为4.1%和3.6%。干物质是小麦光合作用积累的产物, 籽粒产量所形成的物质来源于干物质, 因此可以通过提高干物质积累量增加冬小麦产量[27]。本试验结果表明, 基于专家系统的推荐施肥显著提高了冬小麦花后干物质积累量, NE、RNE较FP处理分别提高9.2%~14.0%、11.9%~18.6%。王新民等[29]研究认为, 施用缓控施肥促进孕穗期后干物质的迅速积累, 显著提高冬小麦中后期干物质的质量, RNE较NE处理花后干物质积累量(DMA)平均提高3.4%, 该结果进一步解释了RNE处理可显著提高冬小麦产量的原因。平衡施肥可使作物获得充足、持续且均衡的养分供应, 在确保高产的同时, 又能有效促进养分的同化和转运能力[14, 25]。
3.2 肥料效应与养分转运和积累的关系氮磷钾平衡施用利于作物对养分的吸收利用, 提高肥料利用效率[30]。肥料利用率、肥料农学效率和肥料偏生产力是评价肥料综合效应的重要参考指标[26, 31]。张福锁等[32]对全国粮食主产区进行的1 333个田间试验结果显示, 小麦氮、磷、钾肥料利用率分别为28.2 kg·kg-1、10.7 kg·kg-1、30.3 kg·kg-1, 肥料农学效率分别是8.0 kg·kg-1、7.3 kg·kg-1、5.3 kg·kg-1。本试验中, 基于养分专家系统的推荐施肥优化了氮、磷、钾肥配比, 促进冬小麦对氮、磷、钾养分的吸收利用, NE、RNE处理的肥料利用率和农学效率均高于全国平均水平, RNE较NE处理减少了施肥次数, 却并未降低冬小麦肥料利用效率(表 8)和产量(表 3)。柴婕等[33]研究表明土壤肥力水平决定肥料利用效率, 肥力越低施肥后的作物产量反应越大, 肥料利用率越高, 这可以用来解释新乡基础肥力低而肥料利用效率高于鹤壁的原因。肥料利用效率的差异首先从养分转运与积累角度进行分析, 数据表明氮磷钾平衡施用可有效提高冬小麦籽粒中的养分含量(图 1, 图 2), 提高籽粒养分含量是提高冬小麦肥料利用率的途径之一。进一步研究显示, 施肥可显著提高冬小麦各生育期养分积累量, 氮磷钾均衡施肥可显著提高冬小麦花前氮转运量(NR)、磷转运量(NP)和钾素转运对籽粒钾素积累贡献率(KRCG), 基于养分专家系统的推荐施肥(NE、RNE)较FP处理NR、PR、KRCG平均值分别提高13.0%、31.5%和65.5%, 这与宋亚栋[27]在冬小麦上合理施肥提高前期养分积累量的研究一致, 随鹏祥等[25]在春玉米的研究上也得到了同样的结论。过量施肥会造成养分盈余, 导致资源严重浪费和环境污染, 施肥不足则影响开花期养分的吸收能力和灌浆期籽粒的结实。这也进一步说明了合理施肥的重要意义和养分专家系统的实用性。
4 结论氮磷钾合理配施有效提高冬小麦产量和肥料利用效率, 基于养分专家系统的推荐施肥(NE、RNE)较当地农民习惯施肥(FP)优化了氮磷钾的配比, 氮、磷施用量分别降低16.2%~19.5%、43.3%~48.0%, 钾肥适当提高13.2%~57.9%, 冬小麦产量分别增产4.7%~6.6%、5.5%~9.6%。NE和RNE处理还可显著增加地上部植株养分含量和积累量, 以及花后干物质积累量、花前氮磷素转运量和钾素转运对籽粒钾素积累贡献率。综上所述, 养分专家推荐施肥在保证产量的基础上可以减少肥料的投入, 降低养分损失, 具有增产效应, 肥料利用效率较高。
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