全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2013, 39(4): 704 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家公益性行业(农业)科研专项经费项目(20130 3104)，国家现代农业产业技术体系建设专项，山西农业大学科技创新基金
项目(201231)和山西农业大学引进人才科研启动费(XB2011007)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 谢英荷, E-mail: xieyinghe@163.com
第一作者联系方式: E-mail: litingliang021@126.com
Received(收稿日期): 2012-09-04; Accepted(接受日期): 2012-12-11; Published online(网络出版日期): 2013-01-28.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20130128.0920.012.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2013.00704
施氮量对晋南旱地冬小麦光合特性、产量及氮素利用的影响
李廷亮 1 谢英荷 1,* 洪坚平 1 冯 倩 1 孙丞鸿 2 王志伟 3
1山西农业大学资源环境学院, 山西太谷 030801; 2宁波市鄞州区姜山镇农技站, 浙江宁波 315191; 3太原市农产品质量安全监测中心,
山西太原 030000
摘 要: 在自然降水条件下, 通过 2 年大田试验研究了施氮量对晋南旱地冬小麦光合特性、产量、氮素利用效率以
及 0~200 cm土层 NO3-N残留的影响。结果表明, 在 0~270 kg hm2施氮量范围内, 随施氮量的增加, 旗叶的净光合
速率和叶绿素含量增加, 气孔导度增大, 胞间二氧化碳浓度降低, 旗叶蒸腾速率显著提高; 但施氮量超过 180 kg
hm2时, 除蒸腾速率外其他光合指标均无显著变化。N180处理的氮素当季回收率及氮素农学效率均最高, 且显著高
于 N90处理。生物产量以 N270处理最高, 且与其他处理差异显著; 但施氮量超过 180 kg hm2时, 氮素营养对籽粒
产量不再有显著贡献。从产量构成因素来看, 提高穗数和穗粒数是增加当地旱作小麦籽粒产量的关键。施氮量 90~270
kg hm2会造成土壤 NO3-N的残留, 残留量占施氮量的 35%左右, 其中 20~40 cm和 40~60 cm土层出现 NO3-N积累
峰值, NO3-N残留会导致氮素淋失风险增加及产量对氮肥反应不明显。综合考虑光合特性、产量、氮素利用率和 NO3-N
残留量, 当地旱作冬小麦施氮量以 180 kg hm2左右为宜。
关键词: 冬小麦; 施氮量; 旱地; 光合特性; 产量; 氮素利用
Effects of Nitrogen Application Rate on Photosynthetic Characteristics, Yield,
and Nitrogen Utilization in Rainfed Winter Wheat in Southern Shanxi
LI Ting-Liang1, XIE Ying-He1,*, HONG Jian-Ping1, FENG Qian1, SUN Cheng-Hong2, and WANG Zhi-Wei3
1 College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China; 2Agro-technical Extension Stations of Jiangshan Town,
Yinzhou District, Ningbo 315191, China; 3 Taiyuan Monitoring Center for Agricultural Products Quality and Safety, Taiyuan 030000, China
Abstract: The objective of this study was to optimize the application rate of nitrogen (N) fertilizer in winter wheat production in
the rainfed area of southern Shanxi Province, China. In a two-year field experiment from October 2008 to June 2010, we tested
the effects of N application rate on photosynthetic characteristics, grain yield and its components, and N use efficiency of wheat
cultivar “Linhan 6” and the soil residual nitrate-nitrogen (NO3-N) in 0–200 cm soil profile after harvest under four treatments of N
application (N rates of 0, 90, 180, and 270 kg ha1). In the N application range tested, the chlorophyll content, net photosynthetic
rate (Pn), stomatal conductance (Gs), and transpiration rate (Tr) of flag leaf were enhanced, and intercellular CO2 concentration (Ci)
was declined with increasing N mount. When N application level was higher than 180 kg ha1, no significant changes in these
photosynthetic indices, except for Tr, were observed. The values of N absorption in grain, seasonal N recovery efficiency, and N
agronomic efficiency in N180 treatment were the highest, which were significantly higher than those in N90 treatment. The bio-
mass of N270 was the highest among the treatments, which was significantly different from that of other treatments; however, the
treatments with N rate higher than 180 kg ha1 had no significant contributions to grain yield. In local wheat production, spike
number and grain number per spike are the major restraints of wheat yield. Nitrogen application rates from 90 to 270 kg ha1 re-
sulted in NO3-N residues in 0–200 cm soil layers, with the residue rate as high as 35% of the total N application amounts, particu-
larly in 20–40 and 40–60 cm soil layers, which caused a risk of increasing N leaching and the insensitive response of yield to N
application. Therefore, in a comprehensive consideration of grain yield, N use efficiency, and NO3-N residue in soil, we propose
the optimal N application rate of 180 kg ha1 in rainfed winter wheat growing in southern Shanxi Province or dryland areas with
similar ecological condition to that of the experiment.
第 4期 李廷亮等: 施氮量对晋南旱地冬小麦光合特性、产量及氮素利用的影响 705


Keywords: Winter wheat; Nitrogen application rate; Dryland; Photosynthetic characteristics; Yield; Nitrogen utilization
旱地小麦占山西省小麦播种面积的 60%以上,
主要集中在晋南地区。这一地区, 光照资源丰富, 昼
夜温差大, 有利于光合产物积累, 但由于干旱缺水
和农民盲目施肥, 致使近年的旱作冬小麦平均产量
不足 2250 kg hm−2 [1-2]。因此研究当地特定降水条件
下的肥料施用量, 实现水肥高效耦合对提高旱地冬
小麦产量和肥料利用率以及改善土壤生产力具有重
要意义。
氮素是植物生长必需的营养元素之一, 氮肥施
用量直接影响氮素的吸收、同化与转运, 从而影响
小麦的光合特性、生理代谢及产量形成[3-5]。施氮可
增加旗叶光合色素含量, 有利于延缓叶片衰老和光
合功能衰退, 提高 PSII 活性及其光化学效率, 但施
氮过量光合作用会受到非气孔限制 , 降低光合速
率[5-8]。合理施用氮肥可促进根系发育, 增强作物吸
收利用水分、养分的能力, 进而提高产量[9-10]。过量
施用的氮素则会以氨挥发、硝态氮淋溶及反硝化等
途径损失, 导致肥料利用率和增产效果降低、生产
成本增加及环境污染等一系列问题[11-12]。旱地氮素
损失率一般达 20%~50%, 除氨挥发外, 绝大部分以
NO3-N 形式残留于土壤中, 并随降水向下淋失, 造
成地下水污染[13]。针对以上问题, 前人有关施氮量
对旱地冬小麦的光合特性、产量和氮素利用率的研究
很多, 但试验结果所得适宜施氮量并不一致[8,14-15], 原
因是旱地冬小麦生长发育与品种特性、土壤肥力及
光热资源有关, 且更大程度上决定于降水量及其分
布, 具有显著的区域差异性。本研究在晋南冬小麦
雨养区, 通过大田试验研究不同施氮量对冬小麦光
合特性、产量形成、氮素利用率及土壤硝态氮残留
的影响, 探寻当地旱作小麦生产的适宜施氮量, 以
适应高产高效的可持续小麦生产。
1 材料与方法
1.1 试验点概况
2008—2010年连续 2个生长季在山西襄汾县伯
玉村旱地小麦种植区进行田间试验。该区属暖温带
大陆性季风气候, 年平均日照时数 2419 h, 有效积
温 4700℃, 年均气温 12.6℃, 无霜期 180~210 d, 年
平均降雨量 550 mm左右, 主要集中在 7月至 9月。
2008—2009 年和 2009—2010 年冬小麦生育期降雨
量分别为 182.6 mm和 142.2 mm。供试土壤为石灰
性褐土, 质地为中壤土, pH 8.02, 耕层土壤含有机
质 11.2 g kg1、全氮 0.88 g kg1、NO3-N 14.41 mg
kg1、速效磷 3.42 mg kg1, 速效钾 201.91 mg kg1,
容重 1.14 g cm3。两年度试验选用相邻的 2个地块,
土壤肥力基本一致。
1.2 试验设计
采用随机区组排列, 4次重复, 小区面积 6.25 m ×
8.00 m=50.00 m2。设 N0(对照)、N90、N180和 N270
共 4个施氮处理, 分别施纯氮(尿素, 含 N 46%) 0、
90、180和 270 kg hm2, 按当地磷钾肥最适用量, 各
处理均施 P2O5 (过磷酸钙, 含 P2O5 12%) 120 kg hm2
和 K2O (氯化钾, 含 K2O 60%) 150 kg hm2。全部肥
料在播种前一次性均匀撒入相应小区, 翻入土壤耕
层后耙平; 全生育期除自然降水外不灌溉。供试品
种为当地的抗旱品种临旱 6号, 播量为 150 kg hm2,
分别于 2008年 10月 3日和 2009年 9月 25日播种,
于 2009 年 6 月 3 日和 2010 年 6 月 5 日收获, 2009
年 7月至 9月休耕。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 土壤 NO3-N 含量 两年度均在播前(10 月
2 日和 9月 23 日)及收获期(6 月 3 日和 6 月 5 日)采
集土壤样品, 每小区采取 200 cm深土壤, 每 20 cm
为一层。称取 5 g新鲜土样, 加入 0.01 mol L1 CaCl2
50 mL, 振荡 30 min后过滤, 用 AA3连续流动分析
仪测定 NO3-N。用烘干法测定土壤水分。
1.3.2 旗叶光合特性参数 灌浆期于晴天
9:00—11:00, 采用 LI-6400 便携式光合测定系统
(LI-COR, 美国)测定旗叶的净光合速率(Pn)、气孔导
度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和细胞间隙 CO2 浓度(Ci)。每
小区测 5片旗叶, 取平均值。
1.3.3 旗叶叶绿素含量 于测定光合特性参数的
当天取样, 采用丙酮法[16]测定叶绿素总量。取 0.2 g
剪碎的旗叶叶片, 用 80%丙酮在黑暗中浸提叶绿素
24 h, 其间摇动 3~4次, 次日用分光光度计在 652 nm
下测定吸光度 (A652), 叶绿素含量 (mg L1)=A652×
1000/34.5。
1.3.4 小麦植株含氮量和籽粒产量 小麦成熟时,
各小区均全区收获脱粒计产; 每小区选取有代表性
的 3 个 1 m 样品考察穗数、穗粒数和千粒重; 植株
样品分为籽粒、颖壳和秸秆 3 部分, 烘干粉碎后称
重, 再用浓 H2SO4-H2O2法消煮, 用 AA3连续流动分
析仪测定各器官全氮含量。
706 作 物 学 报 第 39卷

1.4 计算公式及统计分析
籽粒吸收氮量(kg hm2)=籽粒含氮量(mg kg1)×
106×籽粒产量(kg hm2); 氮收获指数(%)=籽粒氮积
累量/成熟期地上部分总吸氮量; 氮肥农学效率(kg
kg1)=(施氮处理的籽粒产量不施氮处理的籽粒产
量)/纯氮施用量; 氮肥当季回收率(%)=(施氮处理收
获期地上部的吸氮总量不施氮处理收获期地上部
的吸氮总量)/纯氮施用量; 氮肥偏生产力(kg kg1)=
施氮处理籽粒产量/纯氮施用量; 土壤NO3-N累积量
(kg hm2)=土层厚度 (cm)×土壤容重 (g cm3)×土壤
NO3-N含量(g kg1)/10。
用 Microsoft Excel作图, 用 DPS软件统计分析
数据, 用 Duncan氏新复极差法进行多重比较。
2 结果与分析
2.1 施氮量对冬小麦灌浆期旗叶光合特性的影响
各施氮处理灌浆期旗叶 Pn 显著高于对照(N0),
且随施氮量的增加而增大, 以 N270 处理的 Pn最高,
比 N0 处理高 136.3%~149.6%, 但 N270 与 N180 之
间差异不显著(表 1)。Gs和 Tr的变化趋势与 Pn一致,
均随氮素水平的增加而增加, 但 Gs 值在 N270 与
N180处理间无显著差异, 而 Tr值在各处理间均有显
著差异。
Ci 在灌浆期随施氮量增加呈下降趋势, 施氮处
理与不施氮对照有显著差异, 说明增施氮肥可以提
高旗叶对胞间 CO2 的同化能力, 但各施氮处理间变
化不显著。叶绿素含量也表现为随施氮量的增加而
增加, 但 N180与 N270之间差异不显著。
2.2 施氮量对旱地小麦产量及产量构成的影响
冬小麦籽粒产量和生物量均随施氮量的增加而
提高, 以 N270处理为最高, 其生物量虽然显著高于
其他处理, 但其籽粒产量与 N180 处理无显著差异
(表 2)。说明当施氮量超过 180 kg hm2时, 主要促进
茎叶的生长, 而对籽粒充实无显著贡献。籽粒产量
和生物量在年度间表现出较大差异, 这可能与生育
期内降水量及分布等气候因素有关。
施氮量在 0~180 kg hm2范围内, 穗数、穗粒数
和千粒重均随施氮量的增加而增加, 但当施氮量超
过 180 kg hm2时, 产量构成要素基本没有变化(表
2)。与 N0相比, N180的穗数、穗粒数和千粒重分别
增加 21.2%~30.7%、19.8%~26.4%和 8.1%~10.2%。
产量与三要素的直接通径系数分别为 0.7289 (穗
数)、0.2863 (穗粒数)、0.0471 (千粒重)。不同处理
穗数、穗粒数和千粒重的变异系数分别为
12.8%~13.0%、9.0%~11.7%和 3.9%~4.7%。说明穗
数对当地旱作冬小麦产量具有最大的直接效应, 而
施氮量又主要是通过增加穗数和穗粒数来影响产量
的, 所以增加小麦的穗数和穗粒数是提高当地旱作
小麦产量的关键。
2.3 施氮量对旱地小麦氮素利用率的影响
随施氮量的增加, 籽粒吸氮量呈增长趋势, 但
N180 与 N270 无显著差异; 氮素收获指数呈下降趋
势; 氮肥当季回收率和氮肥农学效率先增加后降低,
以 N180 处理最高; 氮肥偏生产力则明显下降, 以
N90 处理最高(表 3)。总体来看, 当地旱作冬小麦施
氮量在 180 kg hm2时氮素利用效率相对较高。

表 1 施氮量对旱地冬小麦灌浆期光合特性的影响
Table 1 Effects of N application rates on photosynthetic characteristics in rainfed winter wheat at grain filling stage
处理
Treatment
光合速率
Pn (μmol m2 s1)
气孔导度
Gs (mol m2 s1)
蒸腾速率
Tr (mmol m2 s1)
胞间 CO2浓度
Ci (μL L1)
叶绿素含量
Chl content (mg kg1)
2008–2009
N0 5.44 c 0.17 c 1.17 d 274 a 1.43c
N90 8.17 b 0.28 b 1.92 c 231 b 1.87b
N180 12.67 a 0.40 a 2.45 b 215 b 2.29 a
N270 13.58 a 0.45 a 3.28 a 203 b 2.48 a
2009–2010
N0 5.23 c 0.10 c 0.89 d 312 a 1.56 c
N90 9.24 b 0.25 b 1.57 c 267 b 1.90 b
N180 11.28 ab 0.30 a 2.15 b 243 bc 2.12 ab
N270 12.36 a 0.33 a 2.98 a 221 c 2.31 a
在同一年度中, 数据后不同字母表示处理间差异显著(P < 0.05)。
In each growing season, values followed by different letters are significantly different at P < 0.05.

第 4期 李廷亮等: 施氮量对晋南旱地冬小麦光合特性、产量及氮素利用的影响 707


表 2 施氮量对旱地冬小麦生物量、籽粒产量和产量构成的影响
Table 2 Effects of N application rates on biomass, grain yield, and yield components in rainfed winter wheat
处理
Treatment
生物量
Biomass (kg hm2)
籽粒产量
Grain yield (kg hm2)
穗数
Spike number (104 hm2)
穗粒数
Grain number per spike
千粒重
1000-grain weight (g)
2008–2009
N0 3098.20 d 1470.93 c 242.16 c 18.2 c 34.3 c
N90 3515.71 c 1742.20 b 270.22 b 20.1 b 36.4 b
N180 4212.27 b 2173.75 a 316.45 a 23.0 a 37.8 ab
N270 4611.97 a 2337.56 a 327.12 a 23.4 a 38.1 a
2009–2010
N0 4668.23 d 2027.17 c 319.75 b 20.7 c 33.5 c
N90 5524.80 c 2323.10 b 313.33 b 23.1 b 34.5 b
N180 7392.77 b 3152.06 a 387.69 a 24.8 a 36.2 a
N270 7804.27 a 3297.32 a 401.77 a 25.4 a 36.3 a
在同一年度中, 数据后不同字母表示处理间差异显著(P < 0.05)。
In each growing season, values followed by different letters are significantly different at P < 0.05.

表 3 施氮量对旱地冬小麦氮素利用率的影响
Table 3 Effects of N application rates on N use efficiencies in rainfed winter wheat
处理
Treatment
籽粒吸氮量
N absorption in grain
(kg hm2)
氮收获指数
N harvest index
(%)
氮肥当季回收率
N recovery efficiency
(%)
氮肥农学效率
N agronomic efficiency
(kg kg−1)
氮肥偏生产力
Partial factor productivity
(kg kg−1)
2008–2009
N0 26.85 c 77.41 b — — —
N90 34.24 b 80.73 a 8.58 b 3.01 b 19.36 a
N180 39.12 a 71.84 c 11.00 a 3.90 a 12.08 b
N270 41.48 a 71.70 c 8.58 b 3.21 ab 8.66 c
2009–2010
N0 36.74 c 71.63 a — — —
N90 45.55 b 71.30 a 14.00 b 3.29 b 25.81 a
N180 63.87 a 68.17 b 23.56 a 6.25 a 17.51 b
N270 65.49 a 67.67 b 16.85 b 4.70 ab 12.21 c
在同一年度中, 数据后不同字母表示处理间差异显著(P < 0.05)。
In each growing season, values followed by different letters are significantly different at P < 0.05.

2.4 产量与光合特性及氮素利用效率的相关性
相关分析表明, 光合特性和氮肥利用效率参数
与生物量的相关性总体略高于其与籽粒产量的相关
性(表 4), 表明施氮通过影响生物量进而影响籽粒产
量。各光合特性指标中, 产量与叶绿素含量和 Pn的
相关系数高于与 Gs和 Tr的相关系数(表 4), 说明灌
浆期旗叶叶绿素含量和净光合速率对旱地冬小麦的
光合产物的积累与转移影响更大, 灌浆期间通过氮
素调节增加旗叶中叶绿素含量和减少光能的热耗散
对提高产量具有积极作用。另外, 籽粒产量会因旗
叶 Ci的增加而受到抑制; 生物量与氮肥的当季回收
率、农学效率的相关性达显著水平, 籽粒产量与氮
肥的农学效率亦呈显著正相关(表 4)。说明在一定施
氮量范围内 , 随地上部分积累或转移的氮素和光
合产物的增加 , 产量逐渐增加 , 且一定程度可用
产量高低来表征氮肥当季回收率和农学效率的高
低。产量与氮素偏生产率呈负相关。生物量和籽
粒产量与大多数指标的相关性不显著 , 既可能与
样本大小有关 , 也可能与旱地冬小麦产量受多种
因素共同影响有关 , 故表现为产量与单一指标的
相关性不显著。
2.5 施氮量对旱地小麦 NO3-N残留的影响
各施氮处理收获后较播前 0~200 cm 土层内均
有不同程度的 NO3-N 积累, 积累量随施氮量的增加
而急剧增加。收获后 NO3-N 的积累出现在 100 cm
以内, 而 100~200 cm土层几乎没有差别(图 1)。原因
是旱地冬小麦生育期降水量少, 土壤中 NO3-N 向下
淋失慢。

708 作 物 学 报 第 39卷

表 4 旱作冬小麦生物量和籽粒产量与光合特性及氮素利用效率指标的相关系数
Table 4 Correlation coefficients of biomass and grain yield of rainfed winter wheat with indices of photosynthetic
characteristic and N use efficiency
光合特性参数 Photosynthetic characteristics 氮肥利用效率 N use efficiency

叶绿素含量
Chl content Pn Ci Tr Gs NRE NAE PFPN
生物量 Biomass 0.640 0.649 0.357 0.569 0.389 0.835* 0.902* 0.212
籽粒产量 Grain yield 0.631 0.620 0.297 0.539 0.351 0.799 0.904* 0.312
NRE: 氮肥当季回收率; NAE: 氮肥农学效率; PFPN: 氮肥偏生产力。*P < 0.05。
NRE: N recovery efficiency; NAE: N agronomic efficiency; PFPN: partial factor productivity. *P < 0.05.



图 1 旱地冬小麦播前和收获后 0~200 cm各土层中 NO3-N累积量
Fig. 1 NO3-N cumulants and distributions in 0–200 cm soil layers at pre-sowing and post-harvest in rainfed winter wheat

2008—2009 年度, 收获后 N0 处理 0~40 cm 土
壤中 NO3-N 的积累量较播前低 , 施氮 90~270 kg
hm2各处理收获后的 NO3-N 积累主要集中在 20~80
cm, 积累峰值在 40~60 cm 土层, 积累量为 25.8~
43.85 kg hm2; 与播前相比, N90、N180和 N270处
理收获后 0~200 cm 土层的 NO3-N 积累量分别增加
32.74、65.41和 128.09 kg hm2。2009—2010年度, 收
获后 N0处理 0~100 cm土壤中 NO3-N的积累量较播
前有不同程度的减少, 表明旱地冬小麦至少可以吸
收利用 100 cm深土层的养分。N90、N180和 N270
收获后NO3-N主要积累在 20~60 cm土层, 积累峰值
在 20~40 cm, 积累量为 29.68~56.08 kg hm2; 收获
后 3 个施氮处理 0~200 cm 土层 NO3-N 积累量分别
比播前增加 21.47、58.90和 110.50 kg hm2。比较年
度间 NO3-N 积累峰值出现的土层深度 , 发现
2008—2009年较 2009—2010年下移 20 cm, 可能是
因为前者灌浆期降雨量 (109.3 mm)大于后者 (29.2
mm), 引起 NO3-N 向下移动。总体来看, 收获后各
处理 0~200 cm土体残留的 NO3-N 占施氮量的 35%
左右。
3 讨论
氮素是叶绿素的重要组成成分, 随外源供氮水
平的提高, 叶绿素 a和 b的含量增加, Pn和 Gs提高,
Ci 降低[17-18], 因此氮素合理运筹可以改善光合性能,
增加光合产物的积累。本试验表明, 施氮量在 0~180
kg hm2范围内, 灌浆期小麦旗叶的 Pn、Gs和叶绿素
含量呈显著增加趋势, 但当施氮量超过 180 kg hm2
时 , 这些指标无显著变化。这与前人的报道 [5,19]一
致。也有研究表明, 施氮量在 240 kg hm2时仍可提
高小麦的 Pn 和叶绿素含量[6,20-21], 这可能与小麦品
种特性、土壤肥力及生态条件等多方面因素有关 ,
蔡瑞国等[23]指出, 旗叶叶绿素含量是基因型、环境
条件和生育时期综合作用的结果。
第 4期 李廷亮等: 施氮量对晋南旱地冬小麦光合特性、产量及氮素利用的影响 709


增施氮肥可以改善作物地上部分的光合性能 ,
促进干物质的积累与转移, 同时也可提高作物根系
对土壤中氮素的吸收能力 , 进而提高氮肥利用效
率。但盲目过量施肥, 既不符合作物的需肥特性, 致
使增产效果不明显和氮肥利用率降低, 又会因氮素
的挥发和淋失造成环境污染。据 FAO统计, 世界氮
肥的平均利用率为 40%~60%, 而我国仅为 28%~
41%, 平均 35% [22]。郭胜利等[23]研究表明, 黄土高
原旱塬区投入的氮肥大部未被作物吸收, 在平均年
降水量 544 mm条件下, 长期单施氮肥(120 kg hm2),
作物的氮肥利用率仅为 18%, 氮磷肥配施(N 120 kg
hm–2、P2O5 60 kg hm–2)可使氮肥利用率提高到 36%。
陈磊等[24]和张少民等[25]在黄土高原旱地的研究也表
明, 氮磷钾合理配合可以使氮肥回收率从单施氮肥
的 13%提高到 53%左右。在本试验中, 在 P2O5 120 kg
hm2和 K2O 150 kg hm2条件下, 以施 N 180 kg hm–2
的氮肥利用效率最高 , 氮肥当季回收率为 11.00%
(2008—2009年)和 23.56% (2009—2010年), 据 2009,
2010 年当地 246 个样本调查表明, 在施 N 118~146
kg hm–2 条件下, 当地旱作小麦的氮肥偏生产率为
12%~23% [2]。氮肥利用率总体偏低, 其原因一方面
与当地土壤肥力水平低有关, 另一方面可能是由于
生育期降水量偏少(不足 190 mm), 且主要降水分布
时间与小麦需水生育期不一致。所以对于晋南旱地
冬小麦生产过程中氮肥利用率的提高要注重土壤培
肥和集雨保墒措施的研究。
氮素营养影响到地上部分光合特性及对氮素的
利用效率, 进而影响到产量, 小麦产量和品质性状
是基因型和环境综合作用的结果, 研究表明, 施氮
可促进旱地小麦籽粒产量的形成, 但超过一定量后
籽粒产量不增加, 甚至下降。所获得的最高产量的
施氮量与降水量和土壤条件有关。在豫西黄土丘陵
区旱区, 小麦生育期降水 220 mm, 施氮可以提高小
麦产量, 同时显著降低小麦的经济系数, 当地最佳
氮肥用量是 138 kg hm2 [26]; 在黄土高原旱塬区, 小
麦生育期降水 220 mm条件下, 施氮 225 kg hm2更
有利于冬小麦的高产和稳产[27]; 在黄土高原南部旱
地, 年降水量为 567.9 mm, 从氮素效率和氮对环境
影响看, 80 kg hm2是当地冬小麦的最佳施氮量[28]。
本试验在晋南旱区生态环境下, 年降水量约 400 mm,
在 P2O5 120 kg hm2和 K2O 150 kg hm2基础上施氮
180 kg hm2可显著提高冬小麦产量; 当施氮量超过
180 kg hm2时, 主要促进了茎叶的生长, 对籽粒形
成无显著贡献; 从产量三要素看, 穗数对当地旱作
冬小麦产量具有最大的直接效应, 增加小麦的穗数
和穗粒数是提高当地旱作小麦产量的关键。另外 ,
年度间产量差异比较大, 可能与小麦生育期降水分
布有关, 冬小麦耗水量最大时期在拔节期到抽穗期,
2008—2009年生育期 60%的降水量集中在灌浆至成
熟期 , 从播前到抽穗期降水仅为 73.3 mm, 而
2009—2010 年从播前到抽穗期降水量为 113 mm,
且 2009年 11月的强降雪(降水量为 39.7 mm)在减少
地面水分蒸发同时, 增加了土壤蓄水量[1]。
在追求作物高产的同时, 往往会导致氮素在土
壤中的残留, NO3-N 是旱地土壤矿质氮的主要成分,
随氮肥用量增加, 土壤剖面 NO3-N 含量逐渐增加,
尤其旱作农田石灰性土壤残留 NO3-N的累积量愈加
明显, NO3-N 的残留会导致氮素淋失风险增加及产
量对氮肥反应不明显。程杰[29]在黄土半干旱区的研
究表明, 连续种植小麦 4年后, 土壤 0~200 cm残留
NO3-N 28.87~462.59 kg hm2, 主要积累在 80~140
cm土层, 施氮 120 kg hm2和 240 kg hm2的平均残
留量分别为 97.04 kg hm2和 355.43 kg hm2。吴金水
等[12]研究表明, 小麦每年单施氮肥 120 kg hm2, 连
作 17 年后土壤剖面中 NO3-N 总量高达施氮总量的
55%, 40~60 cm和 140~220 cm土层出现 NO3-N积累
峰值。赵琳等[30]也指出, 半干旱农田生态系统石灰
性土壤施入的氮肥和有机氮矿化产物, 有相当一部
分最终以 NO3-N 形态残留在土壤中, 在半干旱区降
水量较高的雨季, NO3-N会向深层移动。本研究表明,
在生育期降水量为 140~180 mm 条件下, 施氮量为
90~270 kg hm2 时, 冬小麦收获后较播前均有不同
程度的 NO3-N 积累, 积累量随施氮量的增加而急剧
增加, 积累量占施氮量的 35%左右; NO3-N的积累在
100 cm以内的土层中, 在 20~40 cm和 40~60 cm出
现积累峰值。樊军等[31]指出, 在评价旱地土壤供氮
能力时至少应考虑 0~100 cm土层的 NO3-N积累量,
所以本研究结果中 20~40 cm 和 40~60 cm 的土层
NO3-N 积累量可作为下一季小麦生长的有效氮源;
但同时也应注意, 黄土高原 6 月至 9 月的强降雨会
使表层 NO3-N下移到较深层次[32], 且各土层 NO3-N
与产量的相关系数随土壤层次加深而逐渐减小, 深
层次土壤 NO3-N对产量的贡献率相对较低[31]。因此,
当地旱作麦田随施氮量和种植年限的增加 , 土壤
NO3-N 积累量有增加且向下移动成为无效氮素的可
能性, 会对地下水环境造成污染。
710 作 物 学 报 第 39卷

4 结论
在本试验条件下, 0~180 kg hm2的施氮量可以
显著改善旱作冬小麦的光合特性, 增加穗数和穗粒
数 , 从而提高产量 , 同时有较高的氮素利用率 , 但
继续过量施氮, 只促进茎叶生长, 对籽粒产量无显
著贡献。土壤 NO3-N 残留量随施氮量增加而增加,
施氮 90~270 kg hm2处理的土壤 NO3-N 积累量为
21.5~128.1 kg hm2, 占施氮量的 35%左右, 以 20~40
cm和 40~60 cm土层积累量最高。综合考虑产量及
氮肥利用效率, 建议当地旱作冬小麦的适宜施氮量
为 180 kg hm2。
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