孟維偉，張 正，徐 杰，南鎮(zhèn)武，劉靈艷，高華鑫，郭 峰，萬書波

(1.山東省農業(yè)科學院 作物研究所，山東省作物遺傳改良與生態(tài)生理重點實驗室，小麥玉米國家工程實驗室，山東 濟南 250100；2.山東省農業(yè)科學院，生物技術研究中心，山東省作物遺傳改良與生態(tài)生理重點實驗室，山東 濟南 250100)

隨著我國糧食需求的增長，越來越多的化學氮肥被施入農田，當前我國化學氮肥年消耗量約占全球的30%[1]。一定范圍內，適當增施氮肥可顯著提高小麥產量及氮肥利用效率，促進小麥植株對氮素的吸收利用及地上部干物質的積累與轉運[2]，但郭麗等[3]研究得出，施氮量在120～360 kg/hm2內，氮素利用效率則隨著施氮量的增加而顯著降低，而且過量氮肥的施入增加了土壤氮素通過氨揮發(fā)、淋溶、徑流和硝化與反硝化等途徑的流失，由此帶來的土壤酸化、水體富營養(yǎng)化、大氣污染等生態(tài)環(huán)境問題已引起廣泛關注[4-6]。因此，減量施氮、創(chuàng)新高效施氮模式成為應對以上問題的有效途徑。

種植豆科植物，利用其與根瘤菌共生固氮，不僅可提供豆科植物本身所需的氮素，還可增強土壤肥力、維持土壤養(yǎng)分平衡、改善土壤生態(tài)環(huán)境，是一種利于可持續(xù)生產的農業(yè)生產方式[7]。前人研究表明，豆科植物所固定的氮還可對下茬植物產生有益影響，下茬禾谷類作物積累的氮中，每千克就有280 g是直接從上茬豆科植物所固定的氮中得到的[8]。劉永秀等[9]研究亦表明，豆科作物收獲后，土壤有效態(tài)氮NO3-的含量一般都能提高30 kg/hm2左右，進而促進下茬作物的生長發(fā)育。

玉米花生間作是一種典型禾本科作物與豆科作物的間作模式，前人通過玉米花生混作研究發(fā)現(xiàn)，玉米對土壤硝態(tài)氮競爭力顯著高于花生，從而使花生根際土壤硝態(tài)氮含量降低[10]，低氮環(huán)境可刺激豆科作物異黃酮基因的生物合成，誘導其根瘤菌結瘤基因的轉錄和表達，從而間接提高花生根瘤固氮能力，增加其生物固氮量，顯著改善禾本科和豆科間混作系統(tǒng)的氮素營養(yǎng)[11]。前人對間作作物地下部根系間的氮、鐵等養(yǎng)分交流過程及玉米花生的間作優(yōu)勢有了明確認識[12-13]，但關于間作下茬作物的氮營養(yǎng)及其產量形成方面的研究較少。

本試驗在前茬為玉米花生間作的條件下，以傳統(tǒng)施氮量為對照，設計不同增氮、減氮處理，研究間作下茬小麥干物質積累及產量形成對不同氮肥用量的響應，旨在探明不同氮肥用量對玉米花生間作下茬小麥的生長發(fā)育及產量形成的影響，從而為明確玉米花生間作茬口小麥高效安全生產提供最適宜的氮肥用量依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗概況

本試驗于2014-2015年在山東省德州市臨邑縣德平鎮(zhèn)試驗基地進行(37°48′N，116°96′E)。試驗前茬為玉米花生間作種植模式，玉米品種為鄭單958，花生品種為花育22。小麥播前耕層土壤有機質含量平均為12.75 g/kg，全氮0.568 g/kg，堿解氮 63.6 mg/kg，速效磷 17.0 mg/kg，速效鉀 159.2 mg/kg。本試驗供試小麥品種為濟麥22。

1.2 試驗設計

在磷鉀肥等量同施條件下，試驗共設傳統(tǒng)施氮(對照，CK)、增氮10%(N+10)、增氮20%(N+20)、減氮10%(N-10)、減氮20%(N-20)和減氮30%(N-30)共6個處理(表1)，隨機區(qū)組排列，3次重復，18個小區(qū)。小區(qū)面積216 m2(14.4 m×15.0 m)，南北種植。田間管理同其他高產田。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 干物質積累量測定 于小麥越冬前、返青期、拔節(jié)期、開花期及成熟期，在每處理每重復小區(qū)選擇長勢一致的植株 5～6株(開花期、成熟期各取20單莖)小麥，剪去根，拔節(jié)期為全株烘干，開花和成熟期地上部分為葉片、莖+鞘、穎殼+穗軸、籽粒四部分，分別于烘箱中 105 ℃殺青 30 min，然后70 ℃烘干至恒重后稱重，分別計算各部分的干物質重。

kg/hm2

注：每公頃施磷酸二銨261.0 kg，其中含純N 47.0 kg；尿素用量計算已除去二銨中氮素含量。
Note：261.0 kg/ha diammonium phosphate including nitrogen 47.0 kg；Nitrogen content in diammonium phosphate has been removed by the carbamide.

1.3.2 干物質積累量及其轉運量的計算[14]花后干物質積累量=成熟期植株干質量-開花期植株干質量；花后干物質積累對籽粒的貢獻率=花后干物質積累量/籽粒干質量×100%；花前干物質轉運量=籽粒干質量-花后干物質積累量；花前干物質轉運對籽粒的貢獻率=花前干物質轉運量/成熟期籽粒干質量×100%。

1.3.3 植株氮素含量測定 按照國標GB 2905-82，用濃H2SO4-H2O2消煮，全自動凱氏定氮儀測定含氮量。

1.3.4 產量及構成因素測定 在小麥成熟期，各處理分別取3個具有代表性的樣點 7.2 m2(3.6 m×2.0 m)，采用小型脫粒機脫粒，晾干后測產并測千粒質量(按照籽粒含水量13%折算)。同時連續(xù)調查20～30株穗粒數(shù)。

1.3.5 氮肥偏生產力的計算[15]氮肥偏生產力(NPFP，kg/kg)=施氮區(qū)籽粒產量/施氮量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗所有數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2007 和SAS 9.0(SAS Institute，USA)進行統(tǒng)計分析和差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同施氮量對玉米花生間作下茬小麥總干物質積累量的影響

從圖1可以看出，小麥地上部總干物質積累量隨生育時期的推移呈先緩慢增加，后快速增長的趨勢，在成熟期達到最高。圖1還顯示，拔節(jié)前各處理總干物質積累量無顯著差異；開花-成熟期各處理干物質積累總量表現(xiàn)為增氮10%、增氮20%及減氮10%處理與對照無顯著差異，但減氮20%和減氮30%處理干物質積累總量顯著低于傳統(tǒng)施氮對照處理。

不同字母表示不同處理間差異達5%顯著水平。圖2同。Different letters mean significant difference among the nitrogen treatments at 5% levels. The same as Fig.2.

2.2 不同施氮量對玉米花生間作下茬小麥花前干物質的轉運和花后干物質積累的影響

從表2可以看出，與對照處理相比，增氮10%、20%處理提高了小麥籽粒干質量和開花前干物質轉運量；減氮10%處理對小麥籽粒干質量和開花前干物質轉運量無顯著影響，減氮20%、30%處理小麥籽粒干質量和開花前干物質轉運量略有降低。增氮20%處理和減氮30%處理花后干物質積累量均較對照有所降低，而增氮10%、減氮10%、減氮20%處理花后干物質積累量與對照差異不顯著。本試驗條件下，減氮10%、減氮20%處理花后干物質對籽粒的貢獻率與對照處理無顯著差異，均達到60%以上，減氮30%與增氮20%處理花后干物質對籽粒的貢獻率均低于對照，其中增氮20%處理達顯著水平，其花前干物質積累量對籽粒的貢獻率則顯著高于對照。表明適當增減氮對小麥干物質的積累與轉運影響較小，過量增氮或減氮均不利于小麥花后干物質積累及向籽粒的轉運。

表2 不同施氮量對玉米花生間作下茬小麥干物質積累、轉運及其對籽粒的貢獻率的影響Tab.2 Effects of different nitrogen fertilizer operations on dry matter accumulation, translocation and its contribution rate to grain of following wheat after maize peanut intercropping

注：同列中不同小寫字母表示不同處理間差異達5%顯著水平。表3-4同。
Note：Different lowercase letters in the same column show a significant difference among the treatments at 5% levels. The same as Tab.3-4.

2.3 不同施氮量對玉米花生間作下茬小麥氮素積累總量的影響

從圖2可以看出，小麥氮素積累總量隨生育時期的推移呈先緩慢增加，后快速增長，開花后緩慢增長的S型增長曲線，在成熟期達到最高。圖2還顯示，冬前與返青期各處理氮素積累總量無顯著差異；拔節(jié)-成熟期各處理氮素積累總量表現(xiàn)為減氮20%和減氮30%處理均低于傳統(tǒng)施氮對照，其中減氮30%處理與對照比較差異達顯著水平，而增氮10%、增氮20%及減氮10%處理與對照無顯著差異。

圖2 不同氮肥處理的小麥氮素積累總量Fig.2 Total nitrogen accumulation amount of wheatin different nitrogen fertilizer treatment

2.4 不同施氮量對玉米花生間作下茬小麥產量構成因素的影響

從表 3可以看出，穗粒數(shù)和千粒質量隨施氮量增加呈先增加后降低的趨勢，但各處理之間差異未達顯著水平。表明在傳統(tǒng)施氮的水平上減氮30%至增氮20%范圍內，氮肥用量的變化對其穗粒數(shù)和千粒質量的影響較小。各處理公頃穗數(shù)隨著施氮量的增加呈逐漸增加趨勢，減氮10%與對照處理差異不顯著，但減氮20%、30%處理公頃穗數(shù)顯著低于對照處理和減氮10%處理，這可能是過量減氮造成小麥籽粒產量大幅降低的主要原因。適量減氮處理降低了公頃穗數(shù)，但穗粒數(shù)與千粒質量略有增加，優(yōu)化了冬小麥籽粒產量因素的構成，有利于小麥的高產穩(wěn)產。

表3 不同施氮量對玉米花生間作下茬小麥籽粒產量構成因素的影響Tab.3 Effects of nitrogen fertilization on yield components of following wheat after maize peanut intercropping

2.5 不同氮肥用量對玉米花生間作茬口小麥產量和氮肥偏生產力的影響

從表4可以看出，增氮處理及減氮10%處理籽粒產量與對照處理無顯著差異，但減氮20%、30%處理籽粒產量顯著低于對照處理。前人研究認為，隨施氮量增加，小麥氮肥利用率遞減[16]，減量施氮可顯著提高作物氮肥利用效率。從表4可以看出，不同處理間的氮肥偏生產力隨施氮量的減少而呈逐漸增加趨勢，差異達顯著水平。以上結果表明，玉米花生間作茬條件下，適量減氮(減氮10%)小麥產量無顯著降低，并能顯著提高氮肥利用效率。

表4 不同施氮量對玉米花生間作下茬小麥產量和氮肥偏生產力的影響 Tab.4 Effects of nitrogen fertilization on yield and PFPN of following >wheat after maize peanu intercropping

3 結論與討論

小麥花后光合同化物的積累及花前營養(yǎng)器官貯存的同化產物向籽粒中的轉運對小麥籽粒產量的提高起著關鍵作用[17]。關于氮肥對小麥干物質積累運轉和產量的影響有不同的觀點和結論。Zhang等[18]研究認為，氮肥虧缺可能會增加營養(yǎng)器官中的光合產物向籽粒中的轉移。錢宏兵等[19]研究表明，在一定范圍內，適量增施氮肥提高了花后干物質積累量及其向籽粒中的運轉率。馬冬云等[20]研究則認為，在適量施氮條件下，增加追肥比例促進了花前光合同化物的積累及其向籽粒的轉運，但超過一定量后再增施氮肥則顯著降低了貯藏物質轉運量、轉運效率和對籽粒貢獻率。本研究表明，在對照施氮量225.0 kg/hm2基礎上減少10%的氮肥用量，對開花前干物質轉運量和花后干物質積累量及其對籽粒的貢獻率均無顯著影響；施氮量減少30%則顯著降低了花后干物質積累量。在對照基礎上增加20%的氮肥增加了花前干物質轉運量和對籽粒的貢獻率，卻降低了其花后干物質積累量和對籽粒的貢獻率，表明過量增氮或減氮均不利于小麥花后干物質積累及其向籽粒的轉運。

前人研究表明，適量增施氮肥可促進各產量構成要素水平的提高，從而實現(xiàn)產量的提高。過量施氮雖可顯著提高穗數(shù)和穗粒數(shù)，但同時也導致千粒質量的顯著下降，造成產量構成因素不協(xié)調，進而影響籽粒產量進一步的提高[19]。施用氮肥條件下，如果穗數(shù)和粒數(shù)的增加幅度大于粒重的降低幅度，籽粒產量則表現(xiàn)為增加；減氮有利于提高粒重，可在一定程度上調控產量的提升[21]。劉歡等[22]在華北地區(qū)小麥/玉米輪作體系秸稈還田條件下進行研究，結果表明，小麥季在農戶習慣施肥基礎上減氮19%，不會對小麥產量產生明顯影響。本試驗條件下，在對照施氮量225.0 kg/hm2基礎上減少10%的氮肥用量對公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質量及籽粒產量無顯著影響；而減少20%、30%的氮肥用量顯著降低了間作茬口冬小麥的公頃穗數(shù)和籽粒產量。在對照基礎上增加10%、20%的氮肥有利于公頃穗數(shù)的增加，但穗粒數(shù)和粒重略有降低，公頃穗數(shù)的提高幅度與穗粒數(shù)和千粒質量的降低幅度持平或略低，從而導致籽粒產量增加未達顯著水平。

易媛等[21]研究認為，將氮肥用量從270 kg/hm2減至225 kg/hm2雖影響了植株對氮素的吸收，降低了氮肥表觀利用率，但卻增強了氮肥偏生產力和氮素生理效率，有利于小麥對植株所吸收氮素的高效利用。本試驗結果表明，在對照施氮量225.0 kg/hm2基礎上減少氮肥用量顯著提高了氮肥偏生產力，增加施氮量則顯著降低其氮肥偏生產力。

本試驗在前茬為玉米花生間作的條件下，小麥季施氮量較當?shù)剞r民傳統(tǒng)施氮量減少10%處理(從225.0 kg/hm2減至202.5 kg/hm2)對小麥干物質積累、氮素積累總量及籽粒產量無顯著影響，且顯著提高其氮肥偏生產力，是玉米花生間作茬小麥兼顧高產高效生態(tài)的適宜施氮處理。