不同耕作保墒措施下施氮量对小麦耗水量、产量及水分生产效率的影响

杨永辉，武继承，潘晓莹，张洁梅，何 方，张玉亭，王 喆，王 越，韩伟锋(.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002；2.农业部作物高效用水原阳科学观测实验站，河南 原阳 45354)

不同耕作保墒措施下施氮量对小麦耗水量、产量及水分生产效率的影响

杨永辉1,2，武继承1,2，潘晓莹1,2，张洁梅1,2，何 方1,2，张玉亭1，王 喆1,2，王 越1,2，韩伟锋1,2
(1.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002；2.农业部作物高效用水原阳科学观测实验站，河南 原阳 453514)

采用大田试验，探讨了普通耕作、深松、秸秆覆盖、保水剂与氮肥(0、120、240 kg/hm2N)相结合对小麦耗水量、产量及水分生产效率的影响，以期找出潮土区小麦高产的合理保墒施肥模式。结果表明：总体上氮肥用量适中时，小麦全生育期的总耗水量较大，而不施氮肥和氮肥用量较大时，小麦耗水量较低，其中以秸秆覆盖处理最低。随氮肥用量的增加，总体上小麦净光合速率、蒸腾速率均表现为先增后降的趋势，而叶片水分利用效率随氮肥用量的增加而提高。各处理以处理6(深松+120 kg/hm2N)的净光合速率最高，以处理10(深松+240 kg/hm2N)和处理11(秸秆覆盖+240 kg/hm2N)的叶片水分利用效率较高。各保墒措施均显著提高了小麦产量和水分生产效率。小麦产量随氮肥用量的增加先增加后降低，以处理6最高，较对照(普通耕作)提高30.5%，其次为处理8(保水剂+120 kg/hm2N)，两者差异不显著，之后为处理7(秸秆覆盖+120 kg/hm2N)、处理10、处理11；但水分生产效率以处理11最高，较对照提高50.4%，其次为处理10、处理8，三者差异显著。

小麦； 氮肥； 保墒措施； 光合特征； 产量； 水分利用

豫东潮土区年际降雨量和地面蒸发量较大，容易出现季节性干旱，加上不合理的耕作，土壤蓄水量少，严重制约着小麦生长和产量的提高。已有研究表明，传统翻耕易加剧有机质矿化，不利于土壤肥力的维持[1-2]；而采用适宜的土壤耕作和施肥方式不仅可改善土壤特性[3-5]，还可提高田间水分利用效率，达到保水增产的目的[6-7]。要促进小麦生长，增加产量，提高水分利用效率，就必须从保墒耕作和合理施肥两方面着手。方日尧等[8]研究表明，保护性耕作可促进土壤蓄水保墒，实现秋雨春用，提高作物产量。深松能够提高土壤水分入渗能力和土壤含水率，提高作物的光合速率[9-10]，促进水分利用效率的提高[11]。有关合理施肥和保护性耕作技术对农田土壤水分高效利用的研究已有不少[12-26]，但大多是对单项措施的研究，且多在旱作耕地上进行，而对于降雨量较高的豫东潮土区的相关报道较少。综合考虑“以肥调水”和“蓄水保墒”效应，并结合施肥和保墒2种措施，实现两者之间的耦合，对提高该地区的水肥高效利用具有重要意义。为此，研究了施氮量对不同保墒措施冬小麦耗水量、产量及水分生产效率的影响，以期找出潮土区小麦高产的合理保墒施肥模式，为该地区的作物水分利用和增产增收提供有利的科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验在河南省开封市通许县节水农业试验示范基地(114°26′58.47′′E、34°25′44.26′′N)进行，海拔62 m。该地区属温暖带半干旱型气候，年降水量657.9 mm，其中68.8%集中在6—9月，年际变化大，地表径流丰枯年份间非常悬殊，常有旱涝灾害发生，旱灾多于涝灾。试验地土壤属潮土类两合土种，肥力均匀，地势平坦，耕层含有机质11.4 g/kg、全氮0.81 g/kg、碱解氮74.31 mg/kg、速效磷19.8 mg/kg、速效钾90.3 mg/kg。该区种植模式为小麦、玉米轮作。

1.2 试验设计

设置4种措施：普通耕作、深松、秸秆覆盖、保水剂；设置3个氮肥用量(纯氮)：0、120、240 kg/hm2。共设计12个处理，即处理1：普通耕作(对照)，处理2：深松，处理3：秸秆覆盖，处理4：保水剂(45 kg/hm2，普通耕作)，处理5：普通耕作+120 kg/hm2N，处理6：深松+120 kg/hm2N，处理7：秸秆覆盖+120 kg/hm2N，处理8：保水剂(45 kg/hm2，普通耕作)+120 kg/hm2N，处理9：普通耕作+ 240 kg/hm2N，处理10：深松+240 kg/hm2N，处理11：秸秆覆盖+240 kg/hm2N，处理12：保水剂(45 kg/hm2，普通耕作)+240 kg/hm2N，每个处理3个重复，共36个小区。播种前用普通过磷酸钙(P2O5，105 kg/hm2)和硫酸钾(KCl，75 kg/hm2)作底肥，撒施；氮肥(尿素)底施50%，分别在拔节期追施30%(同时灌水，灌水量为45 mm/次)、灌浆期追施20%(同时灌水，灌水量为45 mm/次)。小麦品种为矮抗58，于2012年10月中旬播种，播种量为187.5 kg/hm2，2013年6月5日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 光合参数 在小麦灌浆期(2013年5月12日)于9:30—11:00采用美国Li-Cor公司生产的Li-6400光合仪测定小麦叶片净光合速率、蒸腾速率，并计算叶片水分利用效率[27-28]。

1.3.2 产量及水分生产效率 收获时对小麦进行考种，以每小区收获4 m2产量记产，将其产量折合成每公顷产量，并计算水分生产效率，水分生产效率=籽粒产量(kg/hm2)/生育期耗水量。其中，生育期耗水量=播种前0～100 cm土层土壤储水量+生育期内降雨量+生育期内灌水量-收获时0～100 cm土层土壤储水量。

1.4 数据处理

试验数据应用统计学及相关的数理统计软件(DPS)进行处理。

2 结果与分析

2.1 施氮量对不同保墒措施小麦耗水量的影响

2.1.1 不同生育阶段耗水量 从图1可知，小麦不同生育阶段各处理的耗水量差异明显。小麦播种到收获的总降雨量为350.3 mm，但降雨分布不均，在拔节—孕穗和孕穗—灌浆这2个生育阶段降雨量相对较少，必须利用土壤中的水分或进行补灌才能满足小麦的正常生长。整体来看，播种—拔节和孕穗—灌浆这2个阶段小麦的耗水量较大。从播种到拔节期，处理6和处理5的耗水量明显大于其他处理，其次为处理7、处理9、处理4和处理8，其他处理小麦耗水量均较低，且低于该时段的降雨量，特别是处理3，明显低于其他处理。而从拔节期到孕穗期，以处理11的耗水量最高，其次为处理10和处理3，其他处理的耗水量均低于40 mm。从孕穗期到灌浆期，除处理3、处理4、处理11外，其他处理的耗水量均远高于该时段的降雨量，且以对照耗水量最大。从灌浆期到收获，以处理4的耗水量最大，而以处理5、处理10、处理11的耗水量较低，均小于40 mm，该时期的降雨量能够满足其耗水量，且有盈余。综上，总体上从拔节期开始到灌浆期，该生育阶段的降雨量远不能满足小麦的生理需要，必须利用土壤中的水分或进行补灌才能维持小麦的正常生长。

图1 不同处理小麦不同生育阶段的耗水量比较

2.1.2 全生育期总耗水量 由图2可知，总体上中肥处理小麦全生育期的耗水量明显高于其他处理，以处理6(深松+120 kg/hm2N)耗水量最高，处理3(秸秆覆盖)和处理11(秸秆覆盖+240 kg/hm2N)的耗水量较低。说明氮肥用量适中时作物耗水量较大，特别是深松处理；而秸秆覆盖可有效降低水分的无效损耗和作物的耗水量，从而有利于作物水分利用潜力的提高。

图2 不同处理小麦全生育期耗水量比较

2.2 施氮量对不同保墒措施小麦光合特征的影响

由表1可知，总体上随氮肥用量的增加，各处理的净光合速率表现为先增加后降低的趋势，处理6(深松+120 kg/hm2N)最高，显著高于其他处理，其次为处理11、处理7和处理8，对照净光合速率最低。蒸腾速率与净光合速率表现趋势基本一致，各处理中仍以处理6最高，对照最低。而各处理叶片水分利用效率随氮肥用量的增加而升高，以处理10(深松+240 kg/hm2N)和处理11(秸秆覆盖+240 kg/hm2N)最高，显著高于其他处理，对照最低。说明，氮肥用量适中有利于光合速率的提高，从而促进干物质的积累，而氮肥用量较大时，更利于叶片水分利用效率的提高。

表1 不同处理小麦光合特征比较

注：同列不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，下同。

2.3 施氮量对不同保墒措施小麦产量及水分生产效率的影响

从表2可知，在不施氮肥的条件下，各保墒措施均提高了小麦的穗粒数和千粒质量；在120 kg/hm2N用量条件下，各保墒措施均提高了小麦穗数，保水剂处理(处理8)提高了小麦的穗长和穗粒数；在240 kg/hm2N用量条件下，各保墒措施均提高了小麦穗数，但降低了穗长、穗粒数和千粒质量。在相同施氮量条件下，各保墒措施均显著提高了小麦产量和水分生产效率。随氮肥用量的增加，小麦产量基本表现为先增加后降低的趋势，以处理6(深松+120 kg/hm2N)最高，较对照提高30.5%，其次为处理8(保水剂+120 kg/hm2N)，对照最低；但水分生产效率随氮肥用量的增加总体表现为先降低后增加的趋势，以处理11(秸秆覆盖+240 kg/hm2N)最高，较对照提高50.4%，其次为处理10(深松+240 kg/hm2N)，对照最低。说明，保墒施肥能有效提高小麦的产量和水分生产效率。

表2 不同处理小麦产量及水分生产效率的比较

3 结论与讨论

合理施肥和保墒耕作对农田土壤水分、光合特征、作物生长及水分利用产生重要影响。采取合理的保护性耕作措施并进行地表秸秆和残茬覆盖，尽可能地提高降水的就地入渗[3，29]，促进冬小麦土壤水分贮蓄，提高小麦关键生育时期水分的高效利用，这是促进潮土区高产稳产的关键。本研究发现，播种—拔节和孕穗—灌浆阶段小麦的耗水量较大。从拔节期开始到灌浆期，该阶段的降雨量不能满足小麦的生理需要，需要利用土壤中的水分或进行灌溉来维持小麦的正常生长；而灌浆期到收获期的降雨量相对较为丰富，能够满足小麦后期的生长需要，且盈余水分可促进下茬玉米苗期的生长。对于小麦全生育期而言，氮肥用量适中时，小麦的总耗水量较大，而不施氮肥和氮肥用量较大时，耗水量较低，尤其是有秸秆覆盖的处理。

耕作保墒措施因能改善土壤水分状况，增强小麦的光合性能，从而有利于光合产物的积累，形成较高的籽粒产量[30-31]，而使用氮肥也对小麦光合性能产生一定的影响。本研究发现，在不同耕作保墒措施条件下，施用氮肥均显著提高了小麦的净光合速率，但氮肥用量过大时净光合速率有所降低，而较高氮肥用量更利于叶片水分利用效率的提高。各处理中以处理6(深松+120 kg/hm2N)的净光合速率最高，对照最低；以处理10(深松+240 kg/hm2N)和处理11(秸秆覆盖+240 kg/hm2N)的叶片水分利用效率较高，对照最低。与对照相比，各耕作保墒施肥处理均提高了小麦产量及水分生产效率。随氮肥用量的增加，小麦产量表现为先增加后降低的趋势，而水分生产效率总体表现为先降低后增加的趋势。各处理中以处理6(深松+120 kg/hm2N)产量最高，较对照提高30.5%，其次为处理8(保水剂+120 kg/hm2N)。但水分利用效率以处理11(秸秆覆盖+240 kg/hm2N)最高，较对照提高了50.4%。说明，N用量为120 kg/hm2时进行深松或施用保水剂更利于小麦增产，而在N用量为240 kg/hm2时，进行秸秆覆盖对于提高小麦水分生产效率效果更显著。

对于同种耕作方式而言，其对作物生长和环境的影响具有累积效应，本研究为1 a的试验结果，而2 a以上耕作措施对不同氮肥用量条件下小麦水分利用以及土壤蓄水保墒效果的影响有待进一步研究。

[1] 王伯仁，徐明岗，黄佳良，等.红壤旱地长期施肥下土壤肥力及肥料效益变化研究[J].植物营养与肥料学报，2002，8(增刊)：21-28.

[2] 张建军，王勇，樊廷录，等.耕作方式与施肥对陇东旱塬冬小麦-春玉米轮作农田土壤理化性质及产量的影响[J].应用生态学报，2013，24(4)：1001-1008.

[3] 杨永辉，武继承，吴普特，等.秸秆覆盖与保水剂对土壤结构、蒸发及入渗过程的作用机制[J].中国水土保持科学，2009，7(5)：70-75.

[4] 杨永辉，武继承，韩庆元，等.保水剂对土壤孔隙影响的定量分析[J].中国水土保持科学，2011，9(6)：88-93.

[5] 杨永辉，武继承，毛永萍，等.利用计算机断层扫描技术研究土壤改良措施下土壤孔隙[J].农业工程学报，2013，29(23)：99-108.

[6] 刘鸿翔，王德禄，王守宇，等.黑土长期施肥及养分循环再利用的作物产量及土壤肥力质量变化Ⅰ.作物产量[J].应用生态学报，2001，12(1)：43-46.

[7] 付国占，李潮海，王俊忠，等.残茬覆盖与耕作方式对土壤性状及夏玉米水分利用效率的影响[J].农业工程学报，2005，21(1)：52-56.

[8] 方日尧，同延安，赵二龙，等.渭北旱原不同保护性耕作方式水肥增产效应研究[J].干旱地区农业研究,2003，21(1)：54-57.

[9] 吴金芝，黄明，李友军，等.不同耕作方式对冬小麦光合作用产量和水分利用效率的影响[J].干旱地区农业研究，2008，26(5)：17-21.

[10] 杨永辉，武继承，李学军，等.耕作和保墒措施对冬小麦生育时期光合特征及水分利用的影响[J].中国生态农业学报，2014，22(5)：534-542.

[11] Qin H L,Gao W S,Ma Y C,etal.Effects of subsoiling on soil moisture under no-tillage for two years[J].Agricultural Sciences in China, 2008,7(1):88-95.

[12] 杨治平，周怀平，李红梅.旱农区秸秆还田秋施肥对春玉米产量及水分利用效率的影响[J].农业工程学报，2001，17(6)：49-52.

[13] 李俊红,丁志强,杨妮娜,等.双免耕覆盖对旱地作物产量及水分利用效率的影响[J].河南农业科学,2014，43(12):65-68.

[14] 段运平,刘守渠,古晓红, 等.高寒冷凉区栽培方式、密度与覆膜对玉米新品种并单16号水分利用及产量的影响[J].山西农业科学,2015,43(9)：1123-1126.

[15] 毛红玲，李军，贾志宽，等.旱作麦田保护性耕作蓄水保墒和增产增收效应[J].农业工程学报，2010，26(8)：44-51.

[16] 杨永辉，武继承，王洪庆，等.不同水肥条件对玉米生长发育、 产量及水分利用效率的影响[J].河南农业科学,2015,44(11)：50-54.

[17] 陆岩，孟繁.辽西地区秸秆还田对花生产量与土壤水分利用效率的影响[J].现代农业科技，2011(2)：298-299.

[18] 周怀平，杨治平，李红，等.施肥和降水年型对旱地玉米产量及水分利用的影响[J].干旱地区农业研究，2004，22(3)：27-31.

[19] 张光荣，黄伟，刘晨.不同种植方式对萝卜产量和水分利用效率的影响[J].河南农业科学，2014,43(12)：128-130.

[20] 杨永辉, 武继承,何方,等.水肥运筹对冬小麦光合特性、 产量及水分利用的影响[J].河南农业科学，2015，44(5):67-71.

[21] 徐福利，严菊芳，高义民.保墒耕作与施肥对旱地小麦产量的综合影响[J].麦类作物学报，2000，20(3)：54-59.

[22] 李永平,史向远,周静,等.不同畜禽粪肥对土壤培肥及玉米增产效应的影响[J].现代农业科技，2013,41(6)：590-593.

[23] 薛春芝,李升东.保护性耕作条件下不同基因型小麦水分利用效率研究[J].华北农学报，2010,25(增刊)：107-109.

[24] 尚金霞，李军，贾志宽，等.渭北旱塬春玉米田保护性耕作蓄水保墒效果与增产增收效应[J].中国农业科学，2010，43(13)：2668-2678.

[25] 张彩霞，谯显明.旱地大豆不同覆膜方式水分效应试验研究[J].现代农业科技，2014(11):20-21.

[26] 李素娟,李琳,陈阜，等.保护性耕作对华北平原冬小麦水分利用的影响[J].华北农学报，2007，22(增刊):115-120.

[27] Fischer R A,Turner N C.Plant production in the arid and semiarid zones[J].Annual Review of Plant Physio-logy,1978,29:277-317.

[28] Powel S B.Photo inhibition of photosynthesis induced by visible light[J].Annual Review of Plant Physiology,1984,35:15-44.

[29] 侯贤清，贾志宽，韩清芳，等.不同轮耕模式对旱地土壤结构及入渗蓄水特性的影响[J].农业工程学报，2012，28(5)：85-94.

[30] 侯贤清,贾志宽,韩清芳,等.轮耕对宁南旱区冬小麦花后旗叶光合性能及产量的影响[J].中国农业科学，2011，44(15)：3108-3117.

[31] 韩宾,李增嘉,王芸,等.土壤耕作及秸秆还田对冬小麦生长状况及产量的影响[J].农业工程学报，2007，23(2)：48-53.

Effect of Nitrogen Fertilizer Application Rate on Water Consumption, Yield and Water Production Efficiency of Wheat under Different Tillage and Soil Moisture Conservation Measures

YANG Yonghui1,2,WU Jicheng1,2,PAN Xiaoying1,2,ZHANG Jiemei1,2,HE Fang1,2,ZHANG Yuting1,WANG Zhe1,2,WANG Yue1,2,HAN Weifeng1,2
(1.Institute of Plant Nutrient,Resources and Environment,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China; 2.Yuanyang Experimental Station of Crop Water Use,Ministry of Agriculture,Yuanyang 453514,China)

In order to find out reasonable soil moisture conservation and fertilization mode for increasing yield in meadow soil district,a field experiment was conducted to investigate the effects of the common tillage,subsoiling,straw mulching,water-retaining agent with different nitrogen application rate (0,120,240 kg/ha) on crop water consumption,yield and water production efficiency.The results showed that water consumption of wheat was the highest compared with other treatments in the whole growth period of wheat when nitrogen application rate was appropriate.While when the nitrogen application rate was zero or the and nitrogen application rate was too many,the water consumption of wheat was lower,which of the treatment with straw mulching was the lowest.On the whole,the net photosynthetic rate and transpiration rate of wheat first increased and then decreased with the increase of the nitrogen fertilizer application rate,while the leaf water use efficiency increased with the increase of the nitrogen fertilizer application rate.The net photosynthetic rate of treatment 6 (subsoiling + N of 120 kg/ha) was the highest,and which of treatment 10 (subsoiling + N of 240 kg/ha) and 11 (straw cover + N of 240 kg/ha) were higher.The moisture conservation measures significantly increased wheat yield and water production efficiency,and the yield increased initially and then decreased with the increase of nitrogen fertilizer application rate.The yield of the treatment 6 was the highest, increased by 30.5% compared with the control(common tillage),followed by the treatment 8 (SAP + N of 120 kg/ha)，treatment 7 (strawcover + N of 120 kg/ha),treatment 10,treatment 11.While the water production efficiency of the treatment 11 was the highest,which increased by 50.4% compared with the control,followed by the treatment 10,treatment 8.

wheat; nitrogen fertilizer; moisture conservation measures; photosynthetic characteristics; yield; water utilization

2015-11-15

国家自然科学基金项目(U1404404)；国家“863”计划项目(2013AA102904)；公益性行业(农业)科研专项(201203077)；国家科技支撑计划项目(2013BAD07B07)；河南省农业科学院优秀青年科技基金项目(2016YQ12)

杨永辉(1978-)，男，陕西西安人，副研究员，博士，主要从事土壤生态与节水农业方面的研究。 E-mail:yangyongh@mails.gucas.ac.cn

S512.1

A

1004-3268(2016)04-0061-05