施氮量和底施对小麦产量、氮肥利用及土壤残留的影响

施氮量和底施对小麦产量、氮肥利用及土壤残留的影响

0施氮量、底肥与施肥的比例对小麦产量的影响[研究意义]向小麦施用氮肥是提高小麦产量和品质的主要措施之一，但不适当的使用氮肥也会导致以下副作用，如低血压、污染严重。因此，合理利用氮肥是提高水稻利用率、提高作物产量、改善品质和减少污染的重要举措。【前人研究进展】关于施氮量和追肥时期对小麦产量的影响已有较多研究,有报道指出高产麦田施氮量在225-300kg·ha-1范围内,底追肥比例2﹕1为宜;另有研究表明超高产小麦施氮量在160kg·ha-1或240kg·ha-1条件下,均以底施与拔节期追施比例为1﹕1产量最高。【本研究的切入点】前人的研究主要侧重于施氮量和底肥与追肥的比例对小麦产量的影响,而在保证产量和品质的同时,降低肥料氮在深层土壤的残留,减少氮肥损失,提高氮肥利用率的研究尚少见报道;在高产田,底肥和追肥的比例如何配置,二者对小麦产量及不同生育时期肥料氮的去向有何影响,亦缺乏研究。【拟解决的关键问题】本试验应用15N标记技术研究了高产条件下底施和追施肥料氮的利用率、在0-200cm土层不同深度土壤中的残留和损失以及施氮量和底追肥比例对小麦籽粒产量和蛋白质含量的影响,旨在提出兼顾小麦产量、品质、效益、生态、安全的氮肥运筹方式,为小麦生产中氮肥的合理调控提供理论依据。1材料和方法1.1小麦品种对土壤养分积累的影响试验于2003-2004年度在山东省龙口市中村高产田进行。试验点位于东经120.3°、北纬37.3°。该地区属于温带季风型气候带,海拔10m左右,历年平均全年降雨量为600mm,主要分布在7-8月份。年平均气温为12℃,无霜期190d。本年度小麦生育期间降水量为播种至冬前期82.9mm,冬前至拔节期33.3mm,拔节至开花期28mm,开花至成熟期84.3mm。试验地为棕壤,小麦播前0-20cm土层养分含量为有机质13.1g·kg-1、全氮1.14g·kg-1、碱解氮87.5mg·kg-1、速效磷10.49mg·kg-1、速效钾84mg·kg-1。0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-80cm、80-100cm、100-120cm、120-140cm、140-160cm、160-180cm、180-200cm各土层土壤硝态氮和铵态氮含量分别为19.9、13.3、13.0、8.4、9.0、7.5、7.8、6.9、6.0、5.8mg·kg-1和7.5、6.6、6.6、6.0、5.2、5.3、5.0、4.8、4.8、4.7mg·kg-1。0-100cm和100-200cm土层土壤硝态氮积累量分别为157kg·ha-1和88kg·ha-1,0-100cm和100-200cm土层土壤无机氮积累量分别为237kg·ha-1和152kg·ha-1。选用强筋小麦品种济麦20。15N标记试验采用土柱栽培法。选用直径20cm、高205cm、未封底的PVC管,将0-30cm、30-100cm和100-200cm各层土壤分别取出并晾干过筛。把PVC管竖直放入挖好的土坑中,依次填入100-200cm和30-100cm土层的土,每填入50cm深的土即充分灌水使其自然沉实,待30cm以下土壤完全沉实,再填入20cm深的表土用水沉实,均匀撒上底施氮肥、全部磷肥和钾肥,盖上10cm厚的表土,并填埋好土柱周围土壤以恢复原状。土柱高出地面5cm,以免灌溉时发生养分流失。试验设置7个处理,即不施氮肥;N168kg·ha-1(每柱0.527g),底施1份、拔节期追施1份;N168kg·ha-1(每柱0.527g),底施1份、拔节期追施2份;N168kg·ha-1(每柱0.527g),不施底氮肥、全部拔节期追施;N240kg·ha-1(每柱0.753g),底施1份、拔节期追施1份;N240kg·ha-1(每柱0.753g),底施1份、拔节期追施2份;N240kg·ha-1(每柱0.753g),不施底氮肥、全部拔节期追施,分别用N0、N1、N2、N3、N4、N5、N6表示(表1)。其中处理N4为当地高产麦田常规施氮量和底追肥比例。每处理设“底施15N标记尿素+拔节期追施普通尿素”和“底施普通尿素+拔节期追施15N标记尿素”两种施肥方式,以分别计算小麦植株吸收的底肥氮和追肥氮的量。各处理磷肥用量为P2O5135kg·ha-1(每柱0.423gP2O5),钾肥为K2O105kg·ha-1(每柱0.329gK2O)。15N氮肥为尿素(含N46%),由上海化工研究院生产,丰度为10.28%,磷肥为过磷酸钙(含P2O517%),钾肥为氯化钾(含K2O60%)。底施氮肥、全部磷肥和钾肥于制作土柱时施入;追施氮肥于小麦拔节期(4月13日)结合浇水施入。每柱播种10粒,于三叶期定苗5株,折合基本苗为150株·m-2,重复3次。小麦全生育期共灌溉3次,分别为冬前、拔节、灌浆期,每次灌水量为60mm。2003年10月4日播种,2004年6月11日收获。其余管理措施同一般大田栽培。在同一地块设置大田试验,处理与15N标记试验相同,采用裂区设计,施氮量为主区,氮肥底追肥比例为副区。小区面积为3m×8m=24m2,基本苗为150株·m-2,重复3次。2003年10月4日播种,2004年6月14日收获。小麦灌溉和其他管理措施同土柱栽培。1.2土样的采集和测定15N标记试验在拔节期(追肥前)、开花期和成熟期取植株样品,70℃烘至恒重后测定干物质重。同时,在各生育时期按20cm为一层取0-200cm土层土壤样品,风干保存。植株样和土样的15N丰度用北京分析仪器厂产ZHT-03型质谱仪测定。大田试验每小区收获6m2计产。用GB2905-1982半微量凯氏定氮法测定籽粒氮素含量,乘以5.7即为蛋白质含量。1.3计算方法植株吸收的氮素来源于底肥、追肥和土壤,比例的计算参照陈子元的方法:1.4统计分析数据差异显著性检验采用DPS统计分析软件中Duncan新复极差法,作图采用Originpro7.0软件。2结果与分析2.1不同施氮量对小麦幼苗肥料积累的影响由表2可以看出,拔节期,相同施氮量处理,随着底施氮量增加,小麦对底肥氮的积累量也增加。与不施底肥处理N3、N6比较,施入底肥显著增加了植株的氮素积累量,但N1、N2、N4和N5之间无显著差异,表明在处理N2的基础上增加底施氮量,植株氮素积累量未显著增加。开花期,相同施氮量处理,植株中追肥氮的积累量随追施氮量的增加而提高。比较氮素总积累量,处理N1、N2、N4和N5之间无显著差异,且显著大于N3与N6,表明在开花期,不施底肥、拔节期全部追施的N3与N6的氮素积累量仍低于施底肥的处理。成熟期,小麦对追肥氮的积累量显著大于底肥氮;相同施氮量处理间比较,底追肥比例为1﹕2的处理N2、N5的肥料氮积累量最高,但处理之间植株的氮素积累量差异不显著。由表2还可以看出,在各生育时期,随施氮量的增加,小麦吸收的肥料氮与土壤氮积累量的比值也增加,这说明在施氮量较低时,植株主要吸收土壤氮;增加施氮量,植株吸收肥料氮的比例上升。在施氮量相同的条件下,底追肥比例为1﹕2的处理N2、N5的肥料氮与土壤氮积累量比值最高,表明调节底追肥比例可促进小麦对肥料氮的吸收,提高氮肥利用率。2.2不同时期和开花期和生育期底肥氮利用率和损失率施入土壤中的肥料氮有3个去向:作物吸收、土壤残留和损失。在高肥力水浇地中,0-100cm土层中的小麦根系占总根量的89%,是小麦吸收养分的主要土层,因此本试验将各生育时期0-100cm土层中标记的肥料氮量定为残留量,未被小麦吸收和残留在100-200cm土层的肥料氮计为损失。由表3可以看出,在拔节期,底肥氮利用率、残留率和损失率分别为22%-38%、29%-42%和20%-49%;与拔节期相比,开花期和成熟期底肥氮的利用率增加,残留率降低,损失率无显著变化。不同处理比较,各生育时期趋势相同,即随着底施氮量增加,氮肥利用率和土壤残留率显著降低,损失率显著增加。这表明减少底施氮量是提高氮肥利用率、降低损失率的有效途径。追肥氮在开花期和成熟期的去向存在差异(表3)。开花期的追肥氮利用率、土壤残留率、损失率分别为25%-41%、45%-48%、13%-29%;成熟期与开花期相比较,其利用率和损失率增加,残留率降低。处理之间比较,开花期和成熟期趋势相同,表现为底追肥比例相同条件下,随着施氮量增加,追肥氮利用率降低,损失率增加,土壤残留率差异较小;施氮量相同条件下,随着追肥氮比例增加,其利用率降低,损失率增加,土壤残留率差异不显著。由表3还可以看出,成熟期,底追肥比例相同条件下,随着施氮量增加,氮肥利用率和残留率显著降低,损失率显著增加;施氮量相同条件下,随着追肥氮比例增加,氮肥利用率呈先升高后降低的趋势,损失率呈先降低后升高的趋势,而残留率无显著差异,其中处理N2氮肥利用率最高,损失率最低。2.3不同时期追氮对土壤残留量的影响从图1可以看出,在拔节期,底肥氮的残留量主要分布在0-100cm土层。处理之间比较,随底肥氮量增加,其在0-200cm土层的残留量显著增加,且下移层次加深,处理N2淋洗至80-100cm土层土壤中,处理N5、N1至120-140cm土层,而处理N4达140-160cm土层。与拔节期比较,开花期底肥氮在0-40cm土层中的残留量所占比例减少,而在40-100cm和100-200cm土层所占比例增加。处理间比较,底肥氮残留量的变化趋势与拔节期一致,其中处理N4已下移至160-180cm土层。成熟期,底肥氮在0-40cm土层中残留量的比例进一步减少,40-100cm和100-200cm土层所占比例增加,底肥氮在0-40cm、40-100cm和100-200cm土层中的残留量分别占总底肥氮残留量的38%-49%、40%-51%和0-22%。这表明随着小麦的生育进程,残留底肥氮不断下移。处理间比较,底肥氮残留量的变化趋势同开花期。由图2可以看出,开花期,追肥氮主要分布在0-40cm土层中,100-200cm土层未检测到其存在。在底追肥比例相同条件下,随追氮量增加,土壤残留氮量也增加;相同施氮量条件下,增加追肥氮比例可显著增加0-100cm土层中氮素残留量。与开花期比较,成熟期追肥氮移动加深,处理N4、N5淋洗至140-160cm土层中,处理N3、N6已分别至160-180cm和180-200cm土层。结合表3可知,追肥氮下移至100-200cm土层是成熟期比开花期追肥氮损失率显著增加的原因之一,表明在本试验条件下,追氮量较多会增加100cm以下土层残留量及下移深度,易于造成淋溶损失。处理间比较,追肥氮残留量的变化趋势与开花期一致。2.4施肥氮比例对小麦籽粒品质的影响由表4可以看出,在15N标记试验中,与不施氮处理相比,施氮显著增加了小麦籽粒产量、蛋白质含量和蛋白质产量。在底追肥比例相同条件下,不同施氮量处理的蛋白质含量和蛋白质产量无显著差异。在相同施氮量条件下,适当增加追肥氮的比例,籽粒产量提高了,其中处理N2、N5和N6较高;与底追肥比例为1﹕1的处理比较,增加追肥氮比例,籽粒蛋白质含量与蛋白质产量显著增加,这是适当减少底施氮肥比例,增加追施氮肥比例处理的突出特点,有利于保持强筋小麦品质的稳定性。大田试验处理间的变化趋势与15N标记试验结果一致。3对试验结果的分析不同小麦生产体系中,施入肥料氮的去向存在差异,并受施氮量和施氮时期的影响[11,12,13,14,15,16,17,18,19]。有研究指出,随着施氮量增加,小麦氮肥利用率和土壤残留率显著降低,损失率显著增加,与本试验结果一致。Luis等研究认为不同时期追施氮肥可调节小麦的氮肥利用率,且拔节期施肥的利用率较高。本试验表明,调整底追肥比例也调节了小麦的氮肥利用率,且底追肥比例为1﹕2的处理N2最高。前人在土壤肥力较高的草甸栗钙土上研究表明,底施氮和追施氮的去向无显著差异,而本试验研究发现,底施氮和追施氮在作物吸收、土壤残留和损失的3个去向的分配比例明显不同,追肥氮的利用率显著高于底肥氮,损失率则低于底肥氮;适当增加追肥氮的比例提高了氮肥利用率,减少其损失率,其中施氮量为168kg·ha-1,底追肥比例为1﹕2的处理N2氮肥利用率最高,损失率最低。有报道指出,小麦收获时肥料氮在0-100cm土层内各层次均有残留,并下移超出100cm土体;在成熟期,土壤中肥料氮的残留量随施氮量增加而增加,但随土壤深度的增加而减少,与本试验结果一致。Ottman研究指出,在小麦生产中,改变施氮量及施肥时期对肥料氮在土壤中的残留量有显著影响,对氮肥移动的深度无影响;而Boman指出,氮肥的施用时期对肥料氮在土壤中的残留量和分布均无影响。本研究结果与上述结论不同,前人多在冬小麦成熟期对0-100cm土层的肥料氮残留量进行研究,本试验将取样土层深度增加至200cm,并利用15N标记试验研究了不同生育时期各土层肥料氮残留量。结果表明,随着小麦的生育进程,土壤残留的肥料氮不断下移,且施氮量及底追肥比例对肥料氮在土壤中的残留量及移动深度有显著影响。底追肥比例相同条件