氮肥减量后移改善植株光合特性提高麦-玉周年产量及经济效益

【目的】针对黄淮海平原传统施氮技术下,小麦-玉米两熟体系作物生育后期土壤氮肥供应不足导致籽粒减产等问题,探讨氮肥减量后移对植株光合特性、干物质积累及周年籽粒产量和经济效益的影响,为进一步优化施氮制度提供理论依据。【方法】2020—2023年,于山东济阳典型麦-玉两熟种植区,设置周年施氮400 kg·hm^(-2)传统农户处理(CK,小麦季200 kg·hm^(-2):65%基肥+35%返青肥,玉米季200 kg·hm^(-2):100%基肥)、周年减氮10%(SN,小麦季180 kg·hm^(-2):50%基肥+50%返青肥,玉米季180 kg·hm^(-2):100%基肥)、周年减氮20%(NH,小麦季180 kg·hm^(-2):22.2%基肥+33.3%返青肥+44.5%抽穗肥,玉米季140 kg·hm^(-2):28.6%基肥+71.4%大喇叭口肥)和周年减氮30%(NL,小麦季140 kg·hm^(-2):43%返青肥+57%抽穗肥,玉米季140 kg·hm^(-2):100%大喇叭口肥)4种施氮制度,研究不同施氮制度下麦-玉两熟体系的光合特性、籽粒产量和经济效益。【结果】氮肥后移优化了氮肥减量条件下作物光合特性,其中,叶面积指数3年均值,小麦拔节和开花期NL较CK、SN和NH处理分别显著提高19.0%—40.1%和21.6%—36.7%,夏玉米吐丝期NL较CK和SN处理显著提高6.8%—7.3%;叶片SPAD值3年均值,冬小麦拔节和开花期NL较CK、SN处理分别显著提高7.7%—10.0%和7.4%—12.9%,灌浆中期NL较CK、SN和NH处理显著提高5.2%—16.2%;夏玉米大喇叭口期NL和NH较CK、SN处理3年均值分别显著提高9.0%—9.4%和6.7%—7.1%,吐丝和灌浆中期NL较CK、SN和NH分别显著提高5.1%—9.4%和4.1%—9.2%;净光合速率3年均值,小麦拔节、开花和灌浆中期NL较CK、SN处理分别提高8.9%—13.3%、14.0%—18.1%和20.1%—24.4%;夏玉米大喇叭口、吐丝和灌浆中期NL较CK、SN处理分别提高4.2%—5.7%、8.7%—13.4%和7.7%—12.8%。NL处理通过增加氮肥后移量,改善了各生育阶段地上部干物质积累强度,稳定或提高了各生育时期地上部干物质积累量,冬小麦拔节、开花和成熟期地上部干物质积累量的3年均值较CK分别显著提高26.7%、27.4%和18.1%,夏玉米吐丝期显著提高14.4%。氮肥后移通过改善氮肥减量条件下光合特性,促进了各生育时期地上部干物质积累,最终实现冬小麦、夏玉米及周年籽粒产量的3年均值,NL较CK处理分别显著提高20.5%、18.1%和19.1%,经济效益分别显著提高32.4%、23.8%和27.9%。【结论】黄淮海平原麦-玉两熟体系,周年减氮30%制度下通过增加氮肥后移量,改善了作物光合特性(叶面积指数、叶片SPAD值和净光合速率),优化了各生育阶段地上部干物质积累强度和干物质积累量,从而促进冬小麦、夏玉米及周年总产和经济效益的提高。

不同种植方式对小麦群体质量和产量结构的影响

为了深入研究小麦垄作栽培的增产机理,采用“大田切片法”研究了小麦不同种植方式(垄作和传统平作)的群体质量和产量结构。结果表明,垄作小麦冠层不同层次(上、中、下层)叶面积系数均高于平作小麦,并且群体透光率在各时期垄作也优于平作;垄作小麦的群体和旗叶光合速率及干物质积累等指标也大于平作。表明小麦垄作栽培显著改善了群体质量。对小麦群体干物质的调查表明,垄作栽培提高了小麦茎秆基部充实度,因而垄作小麦的抗倒伏能力较强。垄作小麦较平作小麦增产11%左右。

旱地保护性耕作对土壤理化性状和冬小麦生理特性的影响

本研究结果表明,与传统旋耕相比,旱地实行保护性耕作后,土壤容重和土壤温度得以改善,土壤含水率显著增加,土壤有机质含量提高,养分状况改善。对小麦生理特性的研究表明,采用保护性耕作种植的小麦单株分蘖力强,生育后期叶面积系数较高,干物质生产能力较强,公顷穗数显著高于传统旋耕,最终产量较传统旋耕增产27.4%。对比小麦当季水分生产效率,保护性耕作高于传统旋耕39.5%,达14.35 kg.mm-1.h-1。

行距配置对夏玉米群体结构的影响

为探索不同行距配置对夏玉米群体结构的影响,试验设置两个行距配置(R1:60 cm+60 cm;R2:70cm+50 cm),研究不同行距配置对玉米不同层次冠层光分布、叶面积指数、干物质量以及产量的影响。结果表明,R2模式提高了冠层透光率,显著增加了中层的光能截获率,比R1模式高出35.56%;R1、R2的叶面积指数无明显变化,但R2模式显著促进了穗部干物质积累;R2模式的产量显著高于R1模式,千粒重的增加是增产的主要原因。

山东省粮食组织化生产现状及发展对策

随着市场经济的不断发展,土地流转的必要性显而易见。山东省粮食组织化生产尚处于起步阶段,可分为科技示范型专业合作社、粮食加工企业+基地农户合作模式、服务型粮食生产专业合作社三种经营模式;土地流转难度大、种植规模较小、农田基础设施薄弱、大户科技素质较低、生产资金不足、自然灾害风险突出、缺少可持续发展的动力是目前限制山东省粮食生产组织化的主要原因。应加大资金、信息及技术支持,以促进山东省土地流转和粮食组织化生产。

施氮量对垄作小麦氮肥利用率和土壤硝态氮含量的影响

以平作为对照,研究了垄作种植方式下施氮量对冬小麦氮肥吸收利用、0～100cm土层土壤硝态氮含量以及产量的影响。在一定范围内增加施氮量,小麦的氮肥利用率降低,土壤氮的贡献率降低,小麦植株内的氮素积累量增加,收获指数提高,产量增加。低氮(0～66kg hm-2)条件下,小麦生育期间土壤硝态氮淋洗损失的可能小,小麦收获后0～100cm土体内不会累积大量硝态氮。施氮量在165～264kg hm-2时,60～100cm土体内土壤硝态氮含量增加,出现硝态氮下移趋势。种植方式影响小麦的氮肥利用效率,垄作种植小麦氮肥利用率和产量均高于平作小麦。垄作种植麦田60～80cm土体内土壤硝态氮含量相对较高,而平作种植麦田80～100cm土层硝态氮含量相对较高。种植方式对氮肥利用率的影响大于施氮量的影响,但施氮量对氮素收获指数、籽粒产量以及经济系数的影响大于种植方式的影响。本试验条件下,2种种植方式在施氮量为纯氮165kghm2时可以获得较高的氮肥利用率和氮素收获指数,平作小麦氮肥利用率为35.75%～36.41%,而垄作小麦为45.32%～47.25%;但2种种植方式的小麦都是施氮量为纯氮264kg hm-2时获得最高产量,平作和垄作小麦的最高产量分别达8078.31kg hm-2和8212.27kg hm-2。

垄作栽培对小麦植株形态和产量性状的影响

与传统平作相比,垄作栽培使小麦植株的基部节间缩短,株高显著降低;旗叶和倒2叶叶面积变小,而倒5叶叶面积变大,有利于构建“松塔型”理想株型;株型构成指数改善,有利于优化叶片的空间分布;冠层绿叶干重明显增加;穗粒数增加、千粒重提高,显著增产。

氮肥运筹对垄作小麦生育后期光合特性及产量的影响

为给垄作小麦生产提供理论依据与技术支持,采用正交设计的试验方法,研究了氮素运筹对垄作小麦生育后期旗叶光合特性及产量的影响。结果表明,适当增加施氮量,能够显著提高垄作小麦生育后期旗叶的光合速率及产量。在施氮量(纯氮)为每公顷250 kg左右时,小麦旗叶光合速率最高,产量也最高。在氮肥用量一定的情况下,33%播种前基施,67%拔节期追施,小麦后期光合速率和产量最高。垄作小麦在开花期光合速率略低于平作小麦,但自灌浆开始旗叶光合速率一直高于传统平作小麦,且差异显著。虽然垄作小麦的公顷穗数显著小于平作小麦,但是前者的穗粒数和千粒重却都显著大于后者,因而垄作小麦的产量也显著高于平作小麦。在较高肥力条件下,小麦采用垄作栽培方式,氮肥总用量250 kg/ha左右,基追比为1∶2时,可以获得较高的籽粒产量。

耕作方式对土壤微生物和土壤肥力的影响

通过2年田间定位试验,对比研究了免耕+秸秆覆盖、旋耕+秸秆覆盖和传统耕作三种耕作方式对土壤温度、土壤呼吸速率、土壤微生物数量和土壤肥力状况的影响。结果表明:秸秆覆盖对地温的影响存在"双重效应";土壤温度、土壤呼吸速率和土壤微生物量碳三者之间存在凸面关系;秸秆还田后耕作措施对土壤0～10和10～20cm的微生物数量的影响不同,但均能增加土壤微生物量;土壤微生物能够加快秸秆中的有机碳向土壤有机质的转化速率;土壤微生物量碳可以作为反映土壤生产力状况的重要生物学指标之一。

施氮量对小麦氮素利用的影响

为给小麦氮肥高效利用提供依据,采用大田试验,连续2个年度(2012^(-2)013、2013^(-2)014)分别在潮土(济南)和棕壤(淄博)两种土壤类型上观测了0kg·hm^(-2)(对照)、69kg·hm^(-2)、138kg·hm^(-2)、207kg·hm^(-2)、276kg·hm^(-2)(高氮处理)和345kg·hm^(-2)(富氮处理)纯氮对小麦产量、氮肥利用效率和耕层土壤养分含量的影响。结果表明,在0~276kg·hm^(-2)范围内,小麦叶面积系数(LAI)和植被归一化指数(NDVI)均随氮肥施用量的增加而增加,富氮处理下LAI和NDVI开始下降。施氮量在0~276kg·hm^(-2)范围内时,穗数、穗粒数和千粒重随着施氮量的增加而增加,说明在一定范围内增施氮肥有利于小麦"库"的建成。从低施氮量开始到207kg·hm^(-2)的用量时,肥料氮的利用效率持续增加,但是继续增加施氮量时,氮肥农学利用效率出现下降,此时小麦进入氮肥的"奢侈吸收"阶段。在黄淮海麦区气候条件下,在小麦季施入氮素过量与否,对耕层土壤的肥力提升作用不明显,因此小麦养分管理应以达到作物养分吸收和土壤供求同步、土壤无机氮没有显著积累为宜。

氮肥管理对小麦产量和氮肥利用效率的影响

氮肥过量施用造成环境污染和生产成本增加等问题已成为限制我国农业可持续生产的主要因素。为实现氮素化肥的高效利用,连续2年在山东省农业科学院作物研究所试验地同一地块利用氮肥梯度带,进行了基于小麦叶片SPAD值的氮素实时管理。结果表明,在基施区随着施肥量的增加,小麦籽粒产量增加,二者呈线性关系,但施氮量207kg/hm2(N207)和276kg/hm2(N276)处理间差异不显著;追施区小麦的2个生长季籽粒产量均以不施基肥拔节期追氮207kg/hm2(N0+207)处理最高,分别为7649kg/hm2和7522kg/hm2,基施氮肥207kg/hm2拔节期不追肥(N207+0)处理最低,仅为7318kg/hm2和7388kg/hm2,差异达显著水平(P<0.05)。基施区各氮肥处理的氮肥表观利用率(RE)和氮肥偏生产力(PFP)均存在显著性差异,均是随着基施量的增加而显著降低。追施区N0+207、N69+138、N138+693个处理的PFP、AE和RE均高于或显著高于N207和N276 2个处理。因此在确定总施氮量的条件下实行基、追肥分施能够显著提高小麦的氮肥表观利用率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力。

不同类型小麦品种孕穗期低温生理反应及其抗寒性分析

为明确冬小麦抗低温倒春寒的生理机制,以多穗型小麦品种济麦22、邯6172和大穗型小麦品种临麦4号、潍麦8号为材料,研究了孕穗期低温(1℃、-2℃)对小麦叶片可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸和丙二醛(MDA)含量以及超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响。结果表明,在低温处理当天,1℃低温下,4个品种的可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸和MDA含量均不同程度增加,SOD活性除济麦22外均提高;-2℃低温下,可溶性糖和脯氨酸含量增加更明显,SOD活性除临麦4号外均降低,各品种MDA含量均显著减少。低温处理第3d和第6d,低温最初诱导产生的脯氨酸逐渐减少,MDA含量大幅降低,其余指标均增加。经用隶属函数法综合分析,4个品种的抗寒性相近,穗型间差异不明显。

栽培技术优化对冬小麦根系垂直分布及活性的调控

为探索优化小麦根系构建,促进小麦根系功能发挥,以达到小麦高产高效的栽培技术,于2012—2013和2013—2014年度小麦生产季,通过大田试验,比较研究了鲁原502在旋耕-基肥撒施（RT-SF）,深翻-基肥撒施（PT-SF）和苗带旋耕-间隔深松-分层深施肥（SRT-SS-DT）3种栽培技术下产量及其构成,研究麦田0~90 cm内不同土层根系形态分布及生理特性的差异。与RT-SF和PT-SF处理相比,SRT-SS-DT处理显著提高了小麦的千粒重及单位面积穗数,使最终产量提高了3.96%~13.29%。SRT-SS-DT处理促进了小麦根系生长发育,拔节后15~60 cm土层内的根长密度和根干重密度、30~75 cm土层内根系总吸收表面积和活跃吸收面积较其他处理显著提高,尤其是在施肥层（15~30 cm土层）。开花后20 d,15~30 cm土层SRT-SS-DT的根系总吸收表面积和活跃吸收面积较RT-SF提高了66.3%和56.5%,较PT-SF提高了75.9%和59.8%。SRT-SS-DT增强了15~90 cm土层的根系活力,同时减缓了生育后期根系活力的下降,开花期至花后20 d,15~30 cm土层根系活力下降值在SRT-SS-DT处理下较RT-SF和PT-SF降低了28.5%和14.9%。此外,在花后20 d,SRT-SS-DT处理小麦15~90 cm土层根系表现较低MDA含量和较高SOD活性,尤其是15~30 cm土层,根系SOD活性分别比PT-SF和RT-SF处理高20.6%和10.9%。15~90 cm土层根系活力和根干重占比与小麦产量呈显著正相关。结果表明,通过对苗带旋耕、间隔深松和分层深施肥等栽培技术的集成和优化,可以有效扩展深层土壤根系的分布,提高深层土壤根系的活性,尤其是施肥层,有助于小麦产量提高。

不同基因型冬小麦在两种栽培模式下蒸腾速率、光合速率和水分利用效率的比较研究

为寻找提高小麦水分利用效率的途径,以株型扩张品种烟农19、株型紧凑品种泰山23和株型半扩张品种济麦20为材料,比较研究了垄作(小水沟内渗灌)和平作(大水漫灌)两种栽培模式下小麦的水分利用效率。结果表明,不同基因型供试品种的叶片温度、籽粒产量和水分利用效率在两种栽培模式下存在显著差异,产量水平的水分利用效率与光合速率和蒸腾速率呈显著正相关。垄作小麦冠层为波浪状,有利于提高小麦的籽粒产量和水分利用效率。水分高效型品种与水分高效型栽培技术结合能够取得较高的水分利用效率。

垄作小麦群体的光分布特征及其对不同叶位叶片光合速率的影响

利用4个不同基因型小麦(TriticumaestivumL.)品种(大穗型品种"烟辐188"和"淄麦12"、多穗型品种"济麦22"和"济麦20")对比研究了垄作和传统平作两种栽培方式对小麦群体内部光分布特征及其对不同叶位叶片光合速率的影响。结果表明:垄作栽培方式显著改善了小麦冠层内光的垂直分布状况,使冠层内不同垂直高度的光照强度显著高于传统平作,并显著提高了小麦冠层内不同叶位叶片的光合速率;垄作栽培能够显著降低多穗型小麦品种冠层温度,而对大穗型小麦品种作用不明显;垄作栽培方式能够显著提高多穗型小麦品种归一化植被指数(NDVI),明显改善小麦生长状况;垄作栽培方式可显著提高小麦的千粒重,增加穗粒数,使小麦的行优势得到充分发挥。垄作栽培方式更适合分蘖成穗率较高、群体相对较大的多穗型品种。

不同种植模式下小麦干物质积累及分配对源库关系的影响

2004-2006年采用对比试验,研究了垄作和传统平作两种种植方式下小麦干物质积累及分配对3种不同基因型小麦(济麦20、泰山23和烟农19)源库关系及籽粒产量的影响。结果表明:垄作种植方式下小麦单位面积干物质积累量要显著高于传统平作;垄作种植方式下小麦能够显著增加光合产物向叶片中的分配比例,从而达到扩"源"的目的;灌浆中期(5月23日)以前,垄作种植方式下光合产物向茎杆中分配的比例显著高于传统平作,是垄作小麦抗倒伏能力提高的关键因素;垄作种植方式下小麦能够在成熟前加快茎杆中贮藏的干物质向籽粒中转移,提高收获指数;垄作种植方式与传统平作比较,能够扩"源"稳"库",通过增加千粒重和穗粒数而显著的提高产量。

小麦氮肥高效利用技术研究

为了给氮肥利用率的提高和小麦生产成本的降低提供参考,依据植物群体和叶绿素的光谱特性,探讨了利用手持式植物冠层光谱测定仪指导合理施用氮肥的技术可行性。试验结果表明,该技术不仅可以减少氮肥施用量,而且可以明显增加小麦籽粒产量和氮肥利用率,提高小麦生产的经济效益。该技术简便实用,可以用于小麦生产中的氮素化肥管理。

耕层优化双行匀播对小麦产量及叶片光合特性的影响

为揭示小麦耕层优化双行匀播栽培技术的增产机理,通过田间试验,以鲁原502为材料,对旋耕、深耕和耕层优化双行匀播3种耕作技术下冬小麦群体动态、叶面积指数、顶部展开叶光合特性、水分利用效率、生物产量、籽粒产量及其结构进行比较分析。结果表明,耕层优化双行匀播技术能提高小麦群体分蘖能力及分蘖成穗率,在生育中后期可有效延缓旗叶叶绿素降解,延长光合时间,提高光合强度,维持较高的叶面积指数,促进干物质积累和转化。与深耕、旋耕相比,耕层优化双行匀播技术使小麦灌浆中后期旗叶水分利用效率分别提高了14.12%和19.21%,旗叶光合速率增加了13.33%和25.08%,增产8.11%和13.29%。

氮素精准管理对小麦产量和氮素利用的影响

为实现氮素高效利用与小麦籽粒产量协同提高的目标,于2017-2018和2018-2019年在山东省泰安市和德州市两地进行了基于小麦氮肥需求特征的氮肥精准管理试验,设传统农户施肥(FN)和氮肥精准管理(PN)2个处理。结果表明,与传统农户施肥相比,氮肥精准管理可以在氮肥用量减少30.2%~44.8%的情况下,使小麦籽粒产量增加7.9%~11.6%,使氮素吸收效率提高43.4%~63.3%,使氮素表观利用率增加30.7%~68.7%,使氮素农学效率提高50.6%~81.3%,使氮肥偏生产力增加84.0%~103.2%。这说明,基于小麦需肥特征的氮肥精准管理能在显著降低氮肥投入量的同时取得较高产量,这为减氮增效协同目标的实现奠定了理论基础。

不同基因型小麦NDVI值与产量的关系

在旱地保护性耕作条件下,以11个不同基因型小麦(Triticum aestivumL.)品种为材料,研究了植被归一化指数(NDVI,Normalized difference vegetation index)与产量构成和抗旱性的关系。结果表明,不同基因型小麦各生育期的归一化植被指数(NDVI)存在显著性差异;小麦抽穗期NDVI值与其干旱产量指数呈正相关,抽穗期NDVI值较高的小麦品种其干旱产量指数也较高;本试验条件下,石麦15、石家庄8号和烟Blu6439三个小麦品种的干旱产量指数较高。