劉衛(wèi)星，張文杰，王家瑞，馬 耕，康 娟，王晨陽

（1河南省科學技術發(fā)展戰(zhàn)略研究所，鄭州450008；2河南農業(yè)大學，鄭州450002；3許昌市建安區(qū)農業(yè)技術推廣中心，河南許昌461002）

0 引言

河南省是國內冬小麥的重要產區(qū)，小麥種植面積和總產量均位于全國第一，對保障糧食安全具有舉足輕重的作用[1-3]。然而，為了極端追求高產，化肥的過量使用導致土壤性狀板結，作物品質下降且對環(huán)境造成嚴重污染不利于維持生態(tài)平衡。因此，如何提高單位面積的小麥生產力和維持生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展是一個廣泛關注的熱點難題。

小麥籽粒產量的形成是個體與群體關系相互協(xié)調、器官生長發(fā)育和物質生產積累相結合的復雜過程。種植密度和氮肥會改變小麥對環(huán)境資源的競爭力因而影響個體的生育和群體的發(fā)展，進而影響小麥對太陽光能的利用，最終影響產量。研究表明，耕地面積減少，可通過增加單位面積種植密度來提高冬小麥的籽粒產量。增加播量能提高成穗數，增加施氮量能提高有效分蘗，兩者對提高產量具有積極作用[4-6]。密度適宜，個體健壯，群體質量高，個體和群體在一定的時間和空間范圍內協(xié)調生長，可得到穗、粒、重的最佳組合，從而獲得較高的產量[7]。

氮素是冬小麥生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素，也是作物產量的最重要的營養(yǎng)限制因子，合理利用氮肥可以使冬小麥籽粒產量增產45%左右[8]。增加施肥能顯著提高冬小麥籽粒產量，施肥量達到某一臨界值時，產量無明顯增長的趨勢，從而導致肥料利用率過低[9]。大量投入的氮肥在提高產量、農民經濟收益方面有很大幫助，但也給環(huán)境帶來了極大的影響，施用氮肥量過高造成的經濟損失和環(huán)境問題也越來越嚴重[10]。合理增施氮肥對小麥干物質積累和轉運有正向調控作用，能夠促進花前積累干物質的轉移，增加花后干物質積累量，有利于產量的提高[11-12]。

隨著栽培技術的發(fā)展，降低施氮量和增加種植密度是現(xiàn)代化小麥生產實現(xiàn)高產質和高氮素利用效率較為經濟環(huán)保的途徑[13-14]。本研究在長期定位試驗的基礎上，研究了種植密度和施氮對冬小麥的產量和氮素利用效率的影響，旨在探明產量和氮素資源利用效率同步提高的最佳施氮量和種植密度，為制定合理的栽培措施、實現(xiàn)高產高效提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

自2012年麥播開始，在許昌縣建安區(qū)農業(yè)技術推廣中心試驗示范基地進行小麥-玉米氮密調控定位試驗，供試小麥品種為‘矮抗58’，土類為潮土，前茬為玉米。試驗采取兩因素裂區(qū)設計，主區(qū)為種植密度，副區(qū)為施氮量。密度設置3個水平，播種量分別為 112.5 kg/hm2(D1)、150 kg/hm2(D2)、187.5 kg/hm2(D3)；施氮量設置4個水平，分別為不施氮(N0)、施氮180 kg/hm2(N1)、施氮 240 kg/hm2(N2)、施氮300 kg/hm2(N3)。小區(qū)面積40 m2，行距20 cm，3次重復。每公頃施磷肥(P2O5)150 kg、鉀肥(K2O)120 kg。小麥季氮肥按照6:4分基肥底施和拔節(jié)期追施2次施用，磷鉀肥作為基肥一次性施用，其他管理同一般高產麥田。本研究取樣調查年份為2017—2018年。施基肥前測定各氮肥處理0～ 20 cm耕層土壤基礎養(yǎng)分見表1。

表1 試驗年度試驗田播種前耕層土壤養(yǎng)分含量

1.2 測定項目與方法

1.2.1 群體調查 每小區(qū)選取長勢均勻一致的1 m雙行定點區(qū)域進行群體動態(tài)調查，調查時期分別為出苗期、越冬期、拔節(jié)期、抽穗期、開花期和成熟期。

1.2.2 干物質積累與轉運 在開花期，各處理均選擇開花時間一致和穗型、莖高相近的單莖掛牌標記。于開花期、成熟期，每個處理取30個單莖，105℃下殺青20 min，70℃烘干至恒重，稱取干重。干物質積累與轉運計算[13]如式(1)～ (4)。

1.2.3 氮效率指標 計算如式(5)～ (6)。

1.2.4 籽粒產量及其構成測定 成熟期對每小區(qū)內1 m雙行進行考種分析，調查穗數、穗粒數和千粒重，每小區(qū)實收6 m2，脫粒、風干、稱重，按含水量12.5%折算成實際籽粒產量。

1.2.5 統(tǒng)計分析方法 采用SPSS 17.0和Microsoft Excel 2013軟件進行統(tǒng)計分析。利用方差分析(ANOVA)對數據進行統(tǒng)計分析，比較各處理之間的差異顯著性(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 氮肥與密度對冬小麥群體動態(tài)的影響

由圖1可知，隨著小麥生育期推進，冬小麥群體莖蘗數呈先升高后降低趨勢，在拔節(jié)期達到高峰。同一種植密度下，隨著施氮肥水平的增加，冬小麥群體數量呈現(xiàn)升高的趨勢，其中施氮300 kg/hm2(N3)下冬小麥群體莖蘗數達到最高值。進一步方差分析表明，盡管施氮300 kg/hm2(N3)的小麥群體莖蘗數略大于施氮240 kg/hm2(N2)，但差異不顯著，表明在施氮240 kg/hm2后，施氮肥水平的增加對小麥群體莖蘗數增幅貢獻度較小。

圖1 氮肥與密度對冬小麥群體動態(tài)的影響

2.2 氮肥與密度對冬小麥干物質轉運的影響

由表2可知，在同一種植密度下，除N0處理外，花前干物質轉運量、花前貯藏物質轉運率及其對籽粒的貢獻率均隨施氮量的增加而提高。花后光合同化量以及對籽粒的貢獻率均隨施氮量的增加而先增加后降低，施氮處理顯著高于N0處理，N1處理花后干物質對籽粒的貢獻率均處于較高水平。在同一施氮水平下，各種植密度處理間對花后干物質和對籽粒的貢獻率無顯著差異。在N1處理下，隨種植密度的增加，花后干物質對籽粒的貢獻率降低，說明在施氮條件限制下，增加種植密度不利于提高花后干物質對籽粒的貢獻率。

表2 氮肥與密度對冬小麥干物質轉運的影響

2.3 氮肥與密度對冬小麥氮肥農學利用效率和氮肥偏生產力的影響

由圖2可知，增加種植密度能增加冬小麥氮肥農學利用效率和氮肥偏生產力，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。隨施氮量的增加，氮肥農學利用效率和氮肥偏生產力顯著降低，與N1處理相比，N2、N3處理的氮肥農學利用效率和偏生產力分別降低了13.7%、35.2%和20.4%、32.5%。

圖2 氮肥與密度互作對冬小麥氮肥農學利用效率和氮肥偏生產力的影響

2.4 氮肥與密度對冬小麥產量的影響

由表3可知，穗數隨著種植密度和施氮量的增加而增加。穗粒數隨施氮量的增加而增多，但隨著種植密度的增大而降低。千粒重隨種植密度和施氮量的增加而降低。種植密度和施氮水平顯著影響小麥籽粒產量；在同一施氮水平下，籽粒產量隨種植密度的增加先提高后降低；在同一種植密度下，籽粒產量隨施氮量的增加而增加，較不施氮處理(N0)，N1、N2和N3分別增加了68.3%、78.6%和73.8%，施氮量由N2(240 kg/hm2)增加到N3(300 kg/hm2)時，籽粒產量不再增加。氮肥和種植密度存在互作效應，以D2N2產量最高。

表3 氮肥與密度互作對冬小麥籽粒產量的影響

3 結論

合理的氮肥施用量及種植密度可提高花后干物質對籽粒的貢獻率、協(xié)調產量構成因素，從而提高籽粒產量。適宜的氮肥水平和種植密度組合（氮肥施用量為240 kg/hm2，種植密度為150 kg/hm2）能同時獲得較高的籽粒產量、氮肥農學利用效率和氮肥偏生產力。氮肥水平與種植密度對小麥籽粒產量具有顯著的交互效應，降低施氮量對小麥產量和氮效率的負面影響可以通過適當提高種植密度來抵消。

4 討論

4.1 適宜的氮肥用量和種植密度通過調控群體結構和物質轉運來提高小麥籽粒產量

不同種植密度對小麥籽粒產量和氮肥農學利用效率有顯著影響。趙雙等[15]研究表明，水稻產量隨種植密度的增加而升高，但超過適宜密度后會下降。本試驗條件下，種植密度為150.0 kg/hm2時冬小麥籽粒產量最高。施氮量增加，氮肥農學利用效率和氮肥偏生產力均顯著降低。提高種植密度，氮肥農學利用效率增加，何虎等[16]研究認為，適宜的栽植密度增加了有效群體數量，進而提高了有效穗數以及小麥對光照的吸收和對土壤養(yǎng)分的利用，從而增加產量和氮肥利用。冬小麥的增產效應既取決于種植密度和氮肥，也受種植密度和氮肥之間的互作效應影響。因此，提高小麥產量需要以合理的種植密度和氮肥施用量為基礎[17]。建立合理的群體結構，合理解決群體發(fā)展與個體發(fā)育矛盾，充分利用光能和地力，是達到高產高效低消耗的根本途徑。通過調節(jié)種植密度可以有效控制冬小麥群體結構，使單位面積穗數與穗粒數、千粒重的關系互相協(xié)調，從而獲得高產[18-19]。張均華[20]研究表明，不施氮處理物質轉運對籽粒貢獻率整體較高，說明氮肥虧缺時，營養(yǎng)器官中的同化物會盡量向籽粒轉移，而氮肥過量時，營養(yǎng)器官物質轉運對籽粒貢獻率并沒有明顯提升。本研究在長期定位試驗條件下，花前對籽粒的貢獻率在不施氮處理(N0)條件下最高，花前物質轉運率和對籽粒的貢獻率隨著施氮量的增加而增加，而花后干物質積累量對于籽粒的貢獻率下降。

4.2 適宜的氮肥用量和種植密度協(xié)同提高冬小麥產量和氮肥利用效率

增施氮肥對穗數和穗粒數有正效應[21]。束林華等[22]指出，小麥的產量和穗數與施氮量呈二次曲線關系，在0～ 180 kg/hm2內增加施氮量，能夠促進分蘗，提高成穗率，但過大的施氮量會導致群體質量下降，有效穗數降低，不利于產量的增加。胡文靜等[23]指出施氮量在180～ 270 kg/hm2范圍內增加時，小麥穗數增加顯著，施氮量在270～ 360 kg/hm2范圍內增加時，產量對施氮量的響應鈍化，使產量增幅下降。本試驗結果表明，在同一種植密度下，產量隨施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在施氮量為240 kg/hm2條件下產量較高，與前人研究結論一致。氮肥施用量是否合理的主要表現(xiàn)是氮肥利用效率的高低，晏娟等[24]研究表明，隨施氮量的增加，冬小麥氮素表觀利用率、生理效率與農學效率逐漸下降。本試驗條件下，在相同的氮肥施用量條件下，種植密度增加，氮肥利用效率增加，但種植密度達到187.5 kg/hm2，氮肥利用效率降低。在同一種植密度下，氮肥利用效率隨著施氮量的增加顯著下降。種植密度和施氮量對小麥籽粒產量、氮素累積及其利用率的影響不僅在于兩者本身，還存在于播種量和施氮量的交互作用。播種密度和施氮量在一定范圍內會相互配合，互相促進[25]。

施氮量和種植密度均顯著影響冬小麥的生長發(fā)育，進而影響小麥群體數量、花前后貯藏干物質的轉運量及對籽粒產量的貢獻率、氮肥利用效率以及產量形成相關指標，進而影響著冬小麥的產量。較高的施氮量和種植密度可以維持小麥群體數量和花前貯藏干物質的積累轉運量，但過高的施氮量不利于花后貯藏干物質的轉運量及對籽粒產量的貢獻率。施氮量和種植密度對小麥產量和氮效率也有顯著影響，降低施氮量對小麥產量和氮效率的負面影響可以通過適當提高種植密度來抵消。氮肥施用量減少（從300 kg/hm2減少至240 kg/hm2）造成的單位面積產量下降可以通過提高種植密度來補償。同時，在合理施氮條件下，提高種植密度（由112.5 kg/hm2增加到150 kg/hm2），可顯著提高產量。因此，合理的施氮量和密度組合有利于減少氮肥用量和提高小麥產量，推薦施氮量240 kg/hm2配合種植密度150 kg/hm2，可進一步提高小麥籽粒產量和氮素利用效率。