新疆农业科学, 2022, 59(2): 329-336 DOI: 10.6048/j.issn.1001-4330.2022.02.008

作物遗传育种·分子遗传学·耕作栽培·种质资源

减量施肥对滴灌冬小麦生长、产量及养分利用的影响

李怀胜,1, 艾海峰1, 王贺亚1, 张磊,2,3, 李金科3, 杨杰3

1.新疆生产建设兵团第九师农业科学研究所,新疆塔城 834300 2.新疆农垦科学院农田水利与土壤肥料研究所, 新疆石河子 832000

3.塔里木大学植物科学学院,新疆阿拉尔 843300

Effects of Fertilizer Reduction on Growth, Yield and Fertilizer Utilization of Winter Wheat under Drip Irrigation

LI Huaisheng,1, AI Haifeng1, WANG Heya1, ZHANG Lei,2,3, LI Jinke3, YANG Jie3

1. Agricultural Science Institute of the Ninth Division of the Xinjiang Production and Construction Corps, Tacheng Xinjiang 834300, China

2. Institute of Farmland Water Conservancy and Soil-fertilizer,XinjiangAcademy of Agricultural Reclamation Science, Shihezi Xinjiang 832000,China

通讯作者: 张磊(1982-),男,陕西人,副研究员,研究方向为土壤肥料与水肥一体化,(E-mail)zhanglei3127@163.com

收稿日期: 2021-01-5  

基金资助: 国家重点研发计划(2018YFD020040608)

Corresponding authors: ZHANG Lei(1982-),male, Shaanxi,Associate Research, Research direction:Integration of soil fertilizer with water and fertilizer,(E-mail)zhanglei3127@163.com

Received: 2021-01-5  

Fund supported: National Key R & D Program Project(2018YFD020040608)

作者简介 About authors

李怀胜(1988-),男,甘肃人,助理研究员,研究方向为作物栽培与植物营养,(E-mail)1505421254@qq.com

摘要

【目的】 研究不同化肥减施对滴灌冬小麦生长、产量及肥料利用率的影响,分析最佳的减肥模式,为滴灌冬小麦化肥减施提供理论依据。【方法】 以常规施肥(N240P105K37.5)和空白处理(N0P0K0)为对照,设置4个减肥处理,测定滴灌冬小麦的产量及构成、农艺性状、干物质和肥料利用率。【结果】 与常规种植相比,4个减肥处理的产量、穗粒数和千粒重均表现出显著性差异,以T3处理产量最高,为9 673.54 kg/hm2,增产幅度36.8%;减量施肥下干物质积累增长变化趋势与常规种植、空白对照表现一致,均在拔节期快速增长,到成熟期达到最大值;T3处理的花前、花后干物质转运量相比T5处理显著增加30.2%、29.4%,其他减肥处理干物质转运量、转运率和籽粒贡献率差异不显著;T3处理的小穗数、穗长、株高、单穗粒重4项指标上表现最佳,为16.57个、6.69 cm、84.87 cm、2.13 g;对比常规施肥,减肥处理氮、磷肥农学效率提高在1.6~20.19 kg/kg和5.13~59.00 kg/kg;偏生产力提高在2.25~45.53 kg/kg和5.13~116.91 kg/kg。【结论】 化肥减量对滴灌冬小麦产量影响不显著,且氮磷肥的合理配施有利于产量的增加;T3减量施肥模式(N240 、P52.5、K37.5)更适合新疆。

关键词： 化肥减施; 滴灌; 冬小麦; 生长; 产量; 养分利用

Abstract

【Objective】 Effects To study the effects of different chemical fertilizer reduction patterns on growth, yield and fertilizer utilization of winter wheat under drip irrigation were studied,in order to providewith the view of providing theoretical basis for chemical fertilizer reduction of winter wheat under drip irrigation and finding out,Conducted the best pattern to reduce fertilizer. 【Method】 The control was conventional farm household (N240P105K37.5) and blank treatment (N0P0K0),as the control, set up 4 fertilizer reduction treatments were set up to determine, the yield and composition, agronomic characters, dry matter and fertilizer use efficiency of winter wheat under drip irrigation were investigated. 【Result】 Compared with conventional farmers, there were significant differences in yield, grain per spike and 1,000-grain weight among the four treatments, the highest yield was 9,673.54 kg/hm2 treated with T3, 36.8% of increase production. The trend of dry matter accumulation under reduced fertilization was consistent with conventional farmers and blank control, and it increased rapidly in the jointing stage, reaching the maximum value in the mature stage; Compared with T5, the dry matter transport before and after anthesis of T3 treatment increased by 30.2% and 29.4%, respectively; There were no significant differences in dry matter transport volume, transport rate and grain contribution rate among other treatments. The four indexes of spikelet number, panicle length, plant height and grain weight per panicle of T3 treatment were highest, which were 16.57, 6.69 cm, 84.87 cm and 2.13 g. The agricultural efficiency of N and P fertilizer increased from 1.6-20.19 kg/kg and 5.13-59.00 kg/kg, respectively, compared with control treatments. And the partial productivity increased from 2.25-45.53 kg/kg and from 5.13-116.91 kg/kg. 【Conclusion】 There was no significant effect on the yield of winter wheat under drip irrigation using fertilizer reduction, and the rational application of nitrogen and phosphorus fertilizer was beneficial to increase the yield. Comprehensive comparative analysis showed that T3 model (N240P52.5 K37.5) was more suitable in our area.

Keywords： fertilizer reduction; drip irrigation; winter wheat; growth; yield; fertilizer utilization

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本文引用格式

李怀胜, 艾海峰, 王贺亚, 张磊, 李金科, 杨杰. 减量施肥对滴灌冬小麦生长、产量及养分利用的影响[J]. 新疆农业科学, 2022, 59(2): 329-336 DOI:10.6048/j.issn.1001-4330.2022.02.008

LI Huaisheng, AI Haifeng, WANG Heya, ZHANG Lei, LI Jinke, YANG Jie. Effects of Fertilizer Reduction on Growth, Yield and Fertilizer Utilization of Winter Wheat under Drip Irrigation[J]. Xinjiang Agricultural Sciences, 2022, 59(2): 329-336 DOI:10.6048/j.issn.1001-4330.2022.02.008

0 引言

【研究意义】化肥施用是影响粮食产量增长的重要因素之一[1,2]。史常亮、郭巧苓等[3,4]研究表明,在小麦、玉米和水稻生产上存在过量施肥的现象, 其过量施肥程度分别为 34.58%、32.76%、44.47%。在保证作物产量稳定的前提下,减量化技术研究受到关注。【前人研究进展】蔬菜[5,6]、水稻[7,8,9]、小麦[10,11,12,13]和玉米[14,15,16]等;对化肥减量技术方面主要是集中在有机替代、测土配方、新型肥料、水肥一体化等研究[5],此类化肥减量技术研究主要集中在植物生长、产量品质、肥料利用效率以及土壤环境优化方面。【本研究切入点】有关研究新疆区域内化肥减量对滴灌冬小麦的影响主要集中于氮肥单一元素的减量[17,18,19,20],对氮、磷肥共同减施对滴灌冬小麦的研究鲜有报道,而且作为新疆主要粮食作物的滴灌冬小麦在实际生产过程存在因盲目追求高产导致过量施肥、重氮轻磷钾、养分投入比例不平衡等问题,缺乏水肥协同增效调控的施肥模式,造成增产不增收现象较为普遍,严重制约着水肥一体化效益的发挥。亟需研究减量施肥对滴灌冬小麦生长、产量及养分利用的影响。【拟解决的关键问题】以常规施肥(N240P105K37.5)和空白处理(N0P0K0)为对照,设置4个减肥处理,在不同施肥模式下,分析滴灌冬小麦的农艺性状、干物质积累与转运、产量及肥料利用率指标,研究适宜该地区滴灌冬小麦生产的最佳施肥模式。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2018年9月~2019年8月在新疆生产建设兵团第九师农业科学研究所试验基地(E83°29',N46°31')进行,供试小麦品种为新冬22号,前茬作物玉米。供试土壤有机质19.52 g/kg,碱解氮57 g/kg,速效磷21 mg/kg,速效钾222 mg/kg,pH值为8.10。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

试验共设6个处理,其中1个常规施肥模式、4个肥料减施对比模式和1个空白处理,重复3次,随机排列,共计18个小区,每个小区面积324 m2(5.4 m×60 m),试验总面积0.58 hm2。施肥组合为①N0P0K0(T0)、②N120P52.5K37.5(T1)、③N120P105K37.5(T2)、④N240P52.5K37.5(T3)、⑤N240P105K37.5(T4)、⑥N240P105K37.5(T5)(常规施肥模式)。供试肥料为尿素(N 46.4%)、三料磷肥(P2O5 46%)、磷酸二铵(N 18%、P2O5 46%)、氯化钾(K2O 52%),除常规施肥模式(氮肥70%及全部磷钾肥做基肥)外,其它处理均以磷肥20%作为基施,剩余肥料全部随水滴施。

1.2.2 样品采集

1.2.2.1 产量及构成因素

成熟期利用小型收割机对每个小区的产量进行实测。并在每个小区选择3个样点随机选择20穗进行室内考种。

1.2.2.2 干物质积累与分配

于冬小麦拔节期、孕穗期、开花期、成熟期选取生长正常50个单茎,剪去根部,按照叶片、茎秆(茎+鞘)、穗(穗+穗轴)、籽粒进行分样处理,之后分别将各器官于105℃杀青30 min,80℃烘干至恒重,称干物质重。

花后干物质生产量=籽粒产量-花前营养器官贮藏干物质向籽粒转运量;

花后干物质生产对籽粒产量贡献率(%)=花后干物质生产量/籽粒产量×100;

花前营养器官同化物转移量=开花期整株干重—成熟期秸秆干重;

花前营养器官同化物转移率=(开花期整株干重—成熟期秸秆干重)/开花期整株干重×100;

花前干物质对籽粒产量贡献率(%)=花前营养器官同化物转移量/籽粒产量×100。

1.2.2.3 化肥利用率

氮肥农学效率(kg /kg) =(施肥区产量-不施肥区产量) /氮肥施用量;

磷肥农学效率(kg/kg)=(施肥区产量-不施肥区产量) /磷肥施用量;

氮肥偏生产力( kg /kg) = 施肥区产量/氮肥施用量;

磷肥偏生产力(kg/kg)=施肥区产量/磷肥施用量;

氮素收获指数%=籽粒氮素累积量/植株氮素总累积量;

磷素收获指数%=籽粒林素积累量/植株磷素总积累量。

1.3 数据处理

采用Excel进行数据整理、处理分析,SPSS 19.0软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 产量与产量构成因素

研究表明,4种减肥模式对比常规施肥和不施肥的籽粒产量均呈显著性差异;其中,与不施肥相比,T1、T2、T3、T4分别增产33.89%、47.99%、59.10%和25.16%,氮磷施用有利于籽粒产量的增加;较常规施肥,T1、T2、T3、T4分别增产15.12%、27.25%、36.80%、7.62%。在N 240、P2O5 105、K2O 37.5 kg/hm2基础上,N肥或P肥投入减量50%时籽粒产量、穗粒数、千粒重呈显著性增加,但T3模式明显优于T2模式,常规施肥的基础上减量磷肥投入更加有利于产量的增加;在N、P肥投入均减量50%时收获穗数穗粒数、收获穗数、千粒重无明显差异。表1

表1   化肥减施下滴灌冬小麦产量及产量构成变化

Table 1  Effects of fertilizer reduction on yield and yield components of winter wheat under drip irrigation

编号
Number		处理
Treatment		穗数
Spike number
(104/hm2)		千粒重
1,000-grain
weight
(g)		穗粒数
Grains per spike
(粒)		产量
Yield
(kg/hm2)		增产Ⅰ
Yield
increase
(%)		增产Ⅱ
Yield
increase
(%)
T0N0P0K0532.36e51.88d30.18e6 080.31f——
T1N120P52.5K37.5583.55c55.1bc35.28b8 140.72c33.8915.12
T2N120P105K37.5597.64b55.96b36.58a8 998.26b47.9927.25
T3N240P52.5K37.5626.70a57.74a37.63a9 673.54a59.1036.80
T4N240P105K37.5571.52cd54.39c33.98c7 610.25d25.167.62
T5农户558.92d52.74d32.39d7 071.52e16.30—

注:1.同列数字后的字母不同表示处理间差异显著 (P<0.05),下表同;2.增产Ⅰ—较空白增产,增产Ⅱ—较农户增产

Note:Different letters after the same column number indicate significant difference between treatments (P <0.05),The same in other tables;Yield increase Ⅰ-yield increase compared to blank;Yield increase Ⅱ-increase production compared to farmers

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2.2 干物质积累与转运

2.2.1 干物质积累

研究表明,各施肥处理干物质积累变化均表现为拔节后迅速增加,到成熟期达到最大值,整体呈现“S”型增长趋势;另外,T3处理在不同生育时期的干物质积累量最高,分别为4 605.6、8 369.46、14 681.16和21 041.7 kg/hm2。与不施肥相比,T1、T2、T3的干物质积累量均在拔节期、孕穗期、开花期、成熟期表现出显著性差异,而T4处理在孕穗期、成熟期差异不显著。对比常规施肥模式,T2、T3处理在拔节期、孕穗期、开花期、成熟期干物质积累表现出显著性差异,而T1处理差异不显著。4种减肥模式相比,T3处理在各时期干物质积累显著大于其他处理,表现最为显著。图1

图1

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图1   化肥减施下滴灌冬小麦干物质积累变化

注:方柱上不同字母表示处理间在P<0.05差异显著

Fig.1   Effect of fertilizer reduction on dry matter accumulation of winter wheat under drip irrigation

Note:Different letters above the bars are significantly different at P<0.05


2.2.2 干物质转运

研究表明,不同施肥模式下滴灌冬小麦同化物转运量、转运率和对籽粒贡献率均以T3减肥模式最高;较农户施肥,T3处理花前同化物转运量、转运率、籽粒贡献率分别高44.6%、18.9%和16.6%,花后转运量、籽粒贡献率分别高16.5%、6.8%。4种减肥模式下的花前同化物转运量差异显著,T1、T2、T4处理的转运率差异不显著,T3处理存在显著性差异,对籽粒产量贡献率除T2外其他处理显著大于T0,适宜的氮磷肥施用有利于滴灌冬小麦花前营养器官转移到穗部形成产量。表2

表2   化肥减施下滴灌冬小麦同化物转运变化

Table 2  Effects of fertilizer reduction on assimilate transport of winter wheat under drip irrigation

编号
Number		处理
Treatment		花前同化物 Assimilate before anthesis花后同化物Assimilate after anthesis
转运量
Transshipment
amount(g/stem)		转运率
Transshipment rate
(%)		贡献率
Contribution rate
(%)		转运量
Transshipment
amount(g/stem)		贡献率
Transshipment rate
(%)
T0N0P0K00.382c15.33b23.53b1.24abc76.47ab
T1N120P52.5K37.50.581b20.22ab32.71a1.20bc67.29b
T2N120P105K37.50.592b19.92ab30.47ab1.35ab69.53ab
T3N240P52.5K37.50.720a22.06a33.93a1.41a66.07b
T4N240P105K37.50.553b20.29ab33.60a1.09c66.40b
T5农户0.498b18.54ab29.10ab1.21abc70.90ab

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2.3 农艺性状

研究表明,在成熟期T3处理的小穗数、穗长、株高、单穗粒重4项指标上表现最佳,为16.57个、6.69 cm、84.87 cm、2.13 g。与不施肥处理相比,T3处理的小穗数、穗长、单穗粒重与其他处理相比差异显著,株高上差异均不显著;与常规相比,T3处理的小穗数、单穗粒重与其他处理呈显著性差异,T2处理的单穗粒重与其他各处理相比表现出显著性差异,其他各项指标差异性均不显著;4种减肥处理之间相比,在T4处理的基础上,氮、磷肥各减50%时,单穗粒重显著性增加,其他指标变化不大,氮、磷肥均减50%时,各项农艺性状指标差异性不显著,合理的氮磷减施并不影响小麦小穗数、穗长、株高、单穗粒重的变化。表3

表3   化肥减施下滴灌冬小麦农艺性状变化

Table 3  Effects of fertilizer reduction on agronomic characters of winter wheat under drip irrigation

编号
Number		处理
Treatment		小穗数
Spike number
(个)		穗长
Spike length
(cm)		株高
Plant height
(cm)		单穗粒重
Spike grain weight
(g)
T0N0P0K014.38b5.82b78.47a1.62c
T1N120P52.5K37.515.68ab6.33ab80.53a1.78bc
T2N120P105K37.515.84ab6.48a80.70a1.94ab
T3N240P52.5K37.516.57a6.69a84.87a2.13a
T4N240P105K37.514.97b6.30ab80.30a1.65c
T5农户14.84b6.27ab79.30a1.71c

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2.4 农学效率、偏生产力及收获指数

研究表明,各减肥处理氮肥农学效率在5.73~24.32 kg/kg,表现为T2>T1>T3>T4,磷肥农学效率在14.57~68.44 kg/kg,表现为T3>T1>T2>T4。与T5相比,各减肥处理的氮、磷肥农学效率显著高于常规施肥模式,适宜的化肥减量并不影响滴灌冬小麦的增产。在磷钾肥投入相同的情况下,氮肥农学效率表现为T2>T4、T1>T3,磷肥农学效率表现为T2>T4、T1<T3,在磷肥投入处于同水平下高施氮量的农学效率低下,且氮肥的高投入并不影响滴灌冬小麦增产,反之在适宜的氮肥投入下增加磷肥对增产有促进作用。

在钾肥投入等量的基础上,减肥处理的氮磷肥偏生产力均高于常规施肥模式,其表现农学效率一致。与T4处理相比,减磷50%(T3)和减氮50%(T2)的氮磷肥偏生产力均显著提高,其中氮肥偏生产力提高分别为8.60、43.28 kg/kg,磷肥偏生产力提高111.78、13.22 kg/kg。滴灌冬小麦氮素收获指数在58.93%~64.94%,存在一定的差异性;磷素收获指数在61.00%~62.78%,差异不显著。表4

表4   化肥减施下滴灌冬小麦肥料利用率变化

Table 4  Effects of fertilizer reduction on fertilizer use efficiency of winter wheat under drip irrigation

编号
Number		处理
Treatment		NP2O5
农学效率
AE(kg/kg)		偏生产力
PFP(kg/kg)		收获指数
NHI(%)		农学效率
AE(kg/kg)		偏生产力
PFP(kg/kg)		收获指数
NHI(%)
T0N0P0K0------
T1N120P52.5K37.517.1767.8464.9439.25155.0661.46
T2N120P105K37.524.3274.9960.5827.7985.761
T3N240P52.5K37.514.9740.3158.9368.44184.2661.65
T4N240P105K37.55.7331.7163.1914.5772.4862.78
T5农户4.1329.4661.789.4467.3562.6

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3 讨论

与常规施肥相比,试验中的减肥处理T3、T2、T1、T4分别增产36.80%、27.25%、15.12% 、7.62%,化肥减量并不影响滴灌冬小麦产量的增加,合理的氮磷配施在不同程度上有助于产量提高,与其他研究结果一致[12,13,14,15,16];在N 240 kg/hm2、P2O5 105 kg/hm2、K2O 37.5 kg/hm2水平下,N、P肥分别减量50%,籽粒产量、穗粒数、收获穗数、千粒重呈显著性差异,且均有所增加,以T3模式最为优异;在N、P肥投入均减量50%时收获穗数穗粒数、收获穗数、千粒重无明显差异。

减量施肥下干物质积累随生育进程的推进,均表现为拔节后迅速增加,到成熟期达到最大值,整体呈现“S”型增长趋势;对比常规农户施肥差异性表现有所不同,其中T2、T3处理在拔节期、孕穗期、开花期、成熟期干物质积累表现出显著性差异,而T1、T4处理差异不显著,并且只有T3处理的干物质物质转运量呈显著性差异,花前为0.72 g/株、花后为1.41 g/株;另外,各减肥处理的转运率和籽粒贡献率均不显著。

T3处理在成熟期的小穗数、穗长、株高、单穗粒重4项指标上表现最佳,为16.57个、6.69 cm、84.87 cm、2.13 g。减肥处理氮肥农学效率表现为T2>T1>T3>T4,磷肥农学效率表现为T3>T1>T2>T4;与T4处理相比,减磷50%(T3)和减氮50%(T2)的氮磷肥偏生产力均显著提高,其中氮肥偏生产力提高分别为8.60、43.28 kg/kg,磷肥偏生产力提高111.78 kg/kg、13.22 kg/kg;滴灌冬小麦氮、磷素收获指数分别在58.93%~64.94%、61.00%~62.78%。

4 结论

4.1

减量施肥与常规农户施肥的差异性不显著,只有磷肥减量50%(T3)表现出显著性差异,各项指标均表现最佳。

4.2

减量施肥随生育进程推进呈现“S”型增长趋势,与农户施肥与空白对照表现一致;对比农户施肥各减量施肥处理差异性表现有所不同,T2、T3处理在拔节期、孕穗期、开花期、成熟期干物质积累表现出显著性差异,而T1处理差异不显著;4种减肥模式相比,T3处理在各时期干物质积累显著大于其他处理,表现最为显著;只有T3处理的干物质物质转运量呈显著性差异,花前为0.72 g/株、花后为1.41 g/株。

4.3

减肥处理氮肥农学效率表现为T2>T1>T3>T4,磷肥农学效率表现为T3>T1>T2>T4;与T4处理相比,减磷50%(T3)和减氮50%(T2)的氮磷肥偏生产力均显著提高,其中氮肥偏生产力提高分别为8.60、43.28 kg/kg,磷肥偏生产力提高111.78、13.22 kg/kg;滴灌冬小麦氮、磷素收获指数分别在58.93%~64.94%、61.00%~62.78%。

4.4

产量:对比农户施肥,减肥处理T3、T2、T1、T4分别增产36.80%、27.25%、15.12% 、7.62%,以T3处理产量最高,达到9 673.54 kg/hm2。

化肥减量对滴灌冬小麦产量影响不显著,且氮磷肥的合理配施有利于产量的增加;T3减肥模式(N240P52.5K37.5)在新疆更为适合。

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为探讨太湖地区稻麦轮作农田适宜施氮量及氮素对干物质转运与氮肥利用的影响, 于2007&mdash;2009期间在中国科学院常熟农业生态实验站建立田间定位试验。设置4个氮肥处理水平, 分别用N0、N1、N2和N3表示。水稻各处理的施氮量分别为0、125、225和325 kg hm<sup>-2</sup>；小麦相应处理施氮量分别为0、94、169和244 kg hm<sup>-2</sup>(为稻季相应处理施氮量的75%)。结果表明, 水稻施氮量超过225 kg hm<sup>-2</sup>, 小麦施氮量超过169 kg hm<sup>-2</sup>后, 产量增加不显著。水稻、小麦开花期干物质积累量均随施氮量的增加而增加, 但花前营养器官干物质转运对籽粒贡献率均随氮肥用量增加而降低；氮肥农学效率与氮肥生理效率均随氮肥用量增加而降低, 且N2与N3处理之间差异不显著；边际产量均随施氮量增加而下降, N3处理边际效益水稻平均低于3.1 kg kg<sup>-1</sup>, 小麦平均低于2.4 kg kg<sup>-1</sup>。综上所述, 无论水稻还是小麦, N2处理既能保证较高物质转运率, 又能保证较高的氮肥利用效率与经济效益。

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