1材料與方法
1.1試驗地概況1987年中國農業科學院在全國9個不同土壤生態類型區佈置了“全國土壤肥力和肥料效益長期定位監測試驗網”,經過2年勻地種植,於1990年開始不同施肥方式下作物產量與肥料效益的監測研究。試驗地位於黃淮海平原國家潮土土壤肥力與肥料效益鄭州長期監測站(34°47′N,113°40′E),4季分明,氣候類型爲暖溫帶季風氣候,年平均氣溫14.4℃,>10℃積溫約5169℃。7月最熱,平均27.3℃;1月最冷,平均0.2℃;年平均降雨量645mm,無霜期224d,年平均蒸發量1450mm,年日照時間約2400h。土壤類型爲潮土,1990年研究開始時基礎土壤樣品的養分情況爲pH8.3,w[土壤有機質(SOM)]=10.1g?kg-1,w[土壤鹼解氮(Alkali-hydrolysableNitrogen)]=76.6mg?kg-1,w[有效磷(Olsen-P)]=6.5mg?kg-1,w[有效鉀(ExchangeableK)]=74.5mg?kg-1,w[土壤全氮(TotalN)]=0.65g?kg-1,w[土壤全磷(TotalP)]=0.64g?kg-1,w[土壤全鉀(TotalK)]=16.9g?kg-1。有關監測站長期定位施肥對土壤養分及肥力的研究詳見Nie等[21]、張水清等[22]的研究結果。
1.2試驗設計長期定位施肥研究的試驗小區爲完全隨機排列,本研究選取其中的5個處理:(1)CK(種植冬小麥,不施肥);(2)NK(施氮肥和鉀肥,不施磷肥);(3)NPK(施氮磷鉀化肥);(4)MNPK(M指有機肥,有機肥+氮磷鉀化肥);(5)SNPK(S指玉米秸稈,秸稈還田+氮磷鉀化肥),按照小區面積大、小分2組,分別爲54m2和45m2,每組各處理均3次重複,相當於有6次的重複。研究施用的氮肥爲尿素[CO(NH2)2],磷肥爲磷酸二氫鈣[Ca(H2PO4)2],鉀肥爲硫酸鉀(K2SO4),有機肥爲牛糞,秸稈爲當季玉米秸稈。除不施肥(CK)的處理外,施肥處理的施氮量(或標準)相同(其中施有機肥或秸稈還田的氮肥分配比爲m(有機氮)與m(無機氮)之比爲7∶3,m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1∶0.5∶0.5),施肥處理的磷肥、鉀肥、有機肥、秸稈作基肥一次施入,無機氮肥的m(基肥)∶m(追肥)=4∶6(秸稈還田處理可能由於C多而C/N失調,必需增加N用量,這樣秸稈還田處理所無機氮肥按7∶3分配基肥和追肥),各處理施肥量見表1。試驗選用的小麥品種爲鄭麥7698(豫審麥2011008),2009年10月18日播種,播量約150kg?hm-2,行距23cm,2010年6月11日收穫。各處理田間管理一致,分別于越冬期、返青期及抽穗期澆水3次,每次500m3?hm-2;並進行人工除草。此外,本研究整理分析了1991—2008年間18年的小麥產量資料,爲分析小麥對氮素吸收的影響提供數據上支援和補充;長期定位施肥研究選用的小麥品種雖然年際間不同,但是同一研究年份內,各施肥處理的品種相同。
1.3測定及分析方法分別在小麥的越冬期(2009-12-22)、返青期(2010-02-25)、拔節期(2010-03-17)、抽穗期(2010-04-16)、灌漿期(2010-05-06)、成熟期(2010-06-11)進行田間植株樣品的採集,並進行室內處理以及分析測定。小麥出苗後,在每個小區固定3個1m長樣段,在每個生育時期調查田間羣體數,取平均值計算;同時取0.5m行長的植株樣品,用自來水沖洗乾淨,剪去根部,分爲莖稈、葉、葉鞘、穗和籽粒(生育前期爲整株),鮮樣於105℃殺青30min,70℃烘乾至恆質量,並稱質量,計算幹物質重。植株的全氮用H2SO4-H2O2法測定[23],幹物質用烘乾法測定[24],小區實收5m2計算產量,氮吸收量及利用率等計算方法如下:N累積吸收量(kg?hm-2)=[幹物質積累量(kg?hm-2)×各器官中全氮質量分數(g?kg-1)]/1000;氮肥吸收利用率=(施氮肥區作物氮素累積量─空白區氮素累積量)/施用氮肥總氮量×100%;氮肥生理利用率(Physiologicalefficiencykggrain/kgN)=(施氮肥區產量─空白區產量)/(施氮肥區植株吸氮量─空白區植株吸氮量);氮肥農學利用率(Agronomicefficiencykggrain/kgN)=(施氮肥區產量─空白區產量)/施用氮肥總量;氮肥偏生產力(Partialfactorproductivitykggrain/kgN)=作物施肥後的產量/氮肥施用量;文中數據爲6次重複均值,用Excel、DPS等軟件進行統計分析,用LSD法進行多重比較。
2結果與分析
2.1長期不同施肥措施下小麥籽粒產量(1991—2008)、羣體動態與生物量的變化在等氮量施肥條件下,由圖1可以看出,1991—2008年間CK、NK處理的小麥產量均低於NPK、MNPK、SNPK處理,其中NK處理的小麥產量在1991—1994年間呈下降趨勢而後逐漸趨於穩定。NPK、MNPK、SNPK處理的小麥產量在年際間存在一定的波動,NPK處理的.籽粒產量要稍高於MNPK、SNPK處理。此外,考慮到不同年份之間小麥品種對研究的影響,研究將1991—2008年間18年的歷史產量數據分爲1991—1999、2000—2008年2個階段來分析,由表2可以看出,1991—1999和2000—2008年前後2個階段中NPK、MNPK、SNPK處理的籽粒產量分別爲6116.3、5682.2、6084.0kg?hm-2和6700.3、6031.7、6368.0kg?hm-2,均極顯着(P≤0.01)高於CK、NK處理;NPK、MNPK、SNPK處理之間差異不顯着,前後2個階段的產量增加幅度上以NPK處理最大,達到9.6%,其次爲MNPK處理,SNPK處理相對較小,前後2個階段各處理產量大小均爲NPK>SNPK>MNPK;說明NPK、MNPK、SNPK施肥處理的研究結果與品種關係不大。不同施肥措施對小麥羣體數影響明顯,在小麥生長的各個生育階段,NPK、MNPK、SNPK施肥措施的田間羣體數較大,到拔節期羣體數最大,分別爲1513.2、1414.4、1545.7萬苗?hm-2,是CK、NK處理的3~4倍;NPK、MNPK、SNPK處理在抽穗期以前羣體的變動幅度也較大,而CK、NK處理的羣體波動幅度較小(圖2)。不同施肥處理對冬小麥幹物質累積量的影響,由圖3可以看出,在小麥生長的各個階段NPK、MNPK、SNPK施肥處理的總幹物質重以及莖、葉、葉鞘、穗等器官的幹物質重均較高,CK、NK施肥處理的則明顯較低[圖3(a)];而且隨着生育進程的推進,地上部幹物質積累量的差距進一步加大,到成熟期最大。從灌漿期、成熟期各個器官的幹物質分配來看,NPK、MNPK、SNPK施肥措施有利於光合產物向營養器官、生殖器官積累[圖3(b),(c)],進而獲得較高的籽粒產量。在成熟期,NPK、MNPK、SNPK施肥處理的籽粒產量分別爲8883.2、7706.4、8197.5kg?hm-2,是CK、NK處理的2~4倍。 2.2不同施肥措施下小麥地上部全氮含量與氮素積累量的變化長期定位施肥對冬小麥不同生育時期吸收土壤N素的影響,由表3可以看出,在小麥越冬期、返青期,MNPK/SNPK處理的小麥幼苗植株全氮含量高於CK、NK、NPK處理,但是各處理間沒有達到顯着水平。到拔節期,MNPK/SNPK處理的小麥幼苗植株全氮含量分別極顯着(P≤0.01)、顯着(P≤0.05)高於CK、NK施肥處理;NPK處理的植株全氮含量低於MNPK/SNPK處理,但極顯着(P≤0.01)高於CK。抽穗期,NK、NPK、SNPK施肥處理植株的全氮含量較高,均極顯着(P≤0.01)高於CK、MNPK施肥處理。在灌漿期,各施肥處理的小麥器官全氮含量中葉最高,其次爲穗,而葉鞘和莖中的含量較低;施肥處理的莖、葉(P≤0.01)、鞘、穗中的全氮含量均高於CK處理;施肥的各處理差異不顯着。在成熟期,各處理小麥葉(CK除外)、穗的氮含量較高,而莖、鞘、穎殼中的氮含量較低;各施肥處理之間,NK、NPK處理的小麥葉、穗中氮含量較高,分別爲1.18%、1.15%和2.26%、2.33%,葉中分別極顯着(P≤0.01)、顯着(P≤0.05)高於CK;而MNKP、SNPK處理的氮含量相對較低,在葉、穗中的質量分數分別約0.8%、1.60%。氮素吸收累積上,在小麥生長的越冬期、返青期、起身期以及抽穗期,NPK、MNPK、SNPK施肥處理間小麥的氮素累積吸收量沒有顯着差異,但均極顯着(P≤0.01)高於CK、NK處理;NK施肥處理的吸收量也隨着生育時期的推進多於CK處理(表3)。從各個器官的吸收分配來看,灌漿期NPK、MNPK、SNPK施肥處理在莖、葉、鞘及穗的氮素累積量均極顯着(P≤0.01)高於CK、NK處理,其中SNPK、NPK、MNPK分別在莖葉、鞘、穗中的氮素累積量較高(表3)。在小麥成熟期NPK、MNPK、SNPK處理在莖、葉、鞘、穎殼、籽粒中的氮素累積量均顯着(P≤0.05)或極顯着(P≤0.01)高於CK、NK處理,其中NPK施肥處理在葉、穎殼、籽粒的吸收量最高,分別達到(以N計)11.86、13.39、206.80kg?hm-2,MNPK在莖、鞘中的氮素吸收量最高(以N計)分別達到18.38和5.89kg?hm-2,SNPK在各個器官中的氮素吸收量則介於二者之間;在成熟期累積氮吸收總量以NPK最高,達到249.1kg?hm-2,極顯着(P≤0.01)高於其他施肥處理,CK處理的氮素吸收量最低,僅爲61.73kg?hm-2,顯着(P≤0.05)或極顯着(P≤0.01)低於其他處理;氮素吸收量順序由大到小依次爲NPK>MNPK>SNPK>NK>CK。