泾惠渠灌区不同水氮供应对冬小麦氮素吸收运转的影响

杨　佩，蔡焕杰,1c，高振晓,2，石小虎

(1 西北农林科技大学 a 旱区农业水土工程教育部重点实验室，b 水利与建筑工程学院，c 中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100;2 白银市水电勘测设计院，甘肃 白银 730900)



泾惠渠灌区不同水氮供应对冬小麦氮素吸收运转的影响

杨佩1a,1b，蔡焕杰1a,1b,1c，高振晓1a,1b,2，石小虎1a,1b

(1 西北农林科技大学 a 旱区农业水土工程教育部重点实验室，b 水利与建筑工程学院，c 中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100;2 白银市水电勘测设计院，甘肃 白银 730900)

[摘要]【目的】 研究泾惠渠灌区不同水氮供应对冬小麦植株氮素吸收运转的影响，为泾惠渠灌区提供合理的灌水施肥运筹方式。【方法】 在泾惠渠灌区，通过田间小区试验研究不同灌水(W90和W120，即灌水定额为90和120 mm)和施氮(底肥60和120 kg/hm2，追肥0，60和120 kg/hm2，即施氮的底追肥处理组合为N60/0，N60/60，N60/120；N120/0，N120/60，N120/120)对冬小麦籽粒产量、各部位氮素积累量、氮素利用效率等的影响。【结果】 除净积累量对籽粒氮的贡献率及氮素收获指数外，灌水和施氮对冬小麦籽粒产量、各器官氮素积累量、氮素转移量、氮素利用效率、氮肥农学利用效率均有显著影响。低水处理(W90)的籽粒产量、氮素积累量、氮肥农学利用效率显著高于高水处理(W120)，其中产量增幅为4.88%～7.44%，植株氮素积累量增幅为6.15%～18.66%，氮肥农学利用效率增幅为19.48%～35.94%。随施氮量的增加，冬小麦籽粒产量、氮素积累量均呈显著增长趋势，其中籽粒产量表现为N0/0(5 653.68 kg/hm2)

[关键词]灌水量；施氮量；氮素累积量；氮素转移量；氮素利用效率

水和氮是冬小麦生长必不可少的两个因素，但是水肥的不合理利用会造成水肥的浪费和环境污染。据统计，中国化肥年消耗量约占世界化肥生产总量的27.35%[1]，过量施肥不仅降低了氮肥的利用效率，还会使硝态氮大量淋失造成环境污染，而造成硝态氮大量淋失的最主要原因是过高的灌水定额将硝态氮淋洗到2 m以下土层，导致其难以被作物再利用，进而继续淋洗至更深土层中而对地下水造成污染[2]。泾惠渠灌区位于我国西北干旱半干旱农业区，土壤肥力低，水资源匮乏，当地农民多采用传统灌溉施肥模式，导致农业生产发展受到严重制约。据统计，关中地区冬小麦氮肥施用量合理的农户仅占36.1%[3]，大部分农户施氮量普遍较高，造成氮肥的极大浪费。有研究发现为获得小麦较高的氮素吸收、转运及累积量和较高的产量与氮肥利用效率，氮肥用量应控制在150～225 kg/hm2[4-8]。翟丙年[9]研究发现，供水量较低时，在一定范围内产量随施氮量的增加而增加，但超出一定用量时则随施氮量的增加而迅速减小；供水量较高时，产量随施氮量的增加而明显增加，高水高氮时产量最大，表现出明显的正交互作用。当前在针对大田小麦水肥管理研究中，多以某一地域为例来评价不同灌水量及施氮量对小麦生产的影响，虽然关于水肥一体化条件下的研究报道很多，但是由于小麦品种、地域、土壤、气候等多种因素的影响，导致各自的研究结论各有不同。而且在实际生产中，由于泾惠渠灌区多采用150～240 m的长畦田进行耕作，灌水定额达到90～120 mm(远高于60 mm的合理灌溉定额)，造成灌水量较大，而各研究的灌水定额一般较低，对于高水低氮这类实际生产条件下的植株体内氮素运移研究较少。为此，本研究通过在泾惠渠灌区较高灌水定额条件下，进行不同底肥追肥施用量的试验，以期分析有限灌溉条件下合理施氮对冬小麦籽粒产量及氮素吸收运转的影响，进而为该灌区合理水肥管理模式的确定提供参考。

1材料与方法

1.1试验概况和试验设计

本试验于2013年10月至2014年6月在陕西省咸阳市泾阳县桥底镇进行，试验区地处关中平原腹地，位于E 108°42′48″，N 34°35′44″，海拔423.8 m。冬小麦全生育期气象资料见图1。

灌溉水为泾惠渠渠水，试验区土壤类型为土娄土，0～30 cm土壤有机质平均含量为14.5 g/kg，全氮 1.25 g/kg，速效磷(P2O5)、速效钾(K2O)分别为16.7和159.8 mg/kg。供试小麦品种为西农979。试验小区为21.6 m×3.5 m的畦田，坡降为 1∶750。试验过程中，底肥采用西洋复合肥与尿素配施，追肥施用尿素。

试验采用两因素完全组合设计。

(1)灌水水平。参考泾惠渠灌区160及240 m典型畦长的灌水定额，灌水定额设90 mm(W90)和120 mm(W120)2个水平，分别于苗期、越冬期、返青

期、灌浆期各灌1次(参照当地习惯灌水时期及灌水次数确定)。

(2)施氮水平。基底氮设60和120 kg/hm22个水平，追施氮设0，60和120 kg/hm23个水平，最终的施氮组合处理为N60/0,N60/60,N60/120，N120/0,N120/60,N120/120。底肥于播种期施入，追肥时期为返青期(参照当地习惯施肥时期及施肥方式确定)。

(3)试验设2个对照处理，分别为W90N0/0和W120N0/0。各处理均重复3次。

本试验的灌水施肥组合方案如表1所示。

图 1　冬小麦生育期泾惠渠灌区平均降水及平均气温的变化Fig.1　Average precipitation and temperature in Jinghui canal irrigation region during the growth period of winter wheat

表 1　不同水氮供应对冬小麦氮素吸收运转影响的试验设计方案Table 1　Experiment design for effects of water and nitrogen supply on nitrogen absorption and translocation of winter wheat

1.2样品采集及测定指标

在冬小麦抽穗开花期和成熟期取整株小麦样品，开花期植株取样分为叶片、茎秆+叶鞘和颖壳+穗轴3部分，成熟期植株取样分为籽粒、叶片、茎秆+叶鞘和颖壳+穗轴4部分。所有样品于105 ℃杀青，75 ℃烘至恒质量(精度0.01 g)，测定干物质质量；采用H2O2催化，浓硫酸消煮，用AA3型连续流动分析仪测定植物样品全氮含量。采用下列公式计算氮素转移、利用、分配等参数。

营养器官氮素转移量=开花期营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量[9]；

营养器官氮素转移率=营养器官氮素转移量/开花期营养器官氮素积累量×100%[9]；

营养器官氮素贡献率=营养器官氮素转移量/成熟期籽粒氮素积累量×100%[9]；

氮素利用效率=产量/植株氮素积累量[9]；

氮肥农学利用效率=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量[10]；

氮素收获指数=籽粒氮积累量/植株氮积累量[10]。

1.3数据的统计与分析

数据差异显著性检验采用DPS统计分析软件进行，绘图采用OriginPro软件。

2结果与分析

2.1不同水氮供应对冬小麦籽粒产量的影响

不同水氮供应对冬小麦籽粒产量的影响见图2。

图 2　不同水氮供应对冬小麦籽粒产量的影响 相同颜色柱体上不同小写字母表示同一灌水定额下 不同施氮处理间差异显著(P<0.05)Fig.2　Effects of water and nitrogen supply on yield of winter wheat Different lower case letters on each column indicate significant different (P<0.05)

由图2可以看出，W90N0/0和W120N0/0处理的籽粒产量显著低于其他施氮处理，分别为 5 592.10 和5 715.25 kg/hm2。除N0/0处理外，W90灌水条件下各施氮处理的籽粒产量均显著高于W120条件下对应施氮处理的籽粒产量，增幅达4.88%～7.44%。小麦籽粒产量随施氮量的增加呈增长趋势，N120/120处理的籽粒产量显著高于相同灌水处理条件下的其他处理，分别为7 906.09 kg/hm2(W90)和 7 538.55 kg/hm2(W120)。N120/60、N60/120处理的籽粒产量差异不显著，表明在灌水定额为90或120 mm条件下，这2种施氮方式对籽粒产量无显著调节作用，原因是过高的灌水定额造成氮肥的大量淋失，使得土壤中可以利用的氮素含量减低，从而导致这2种施氮处理的籽粒产量差异不显著。在施氮总量为120 kg/hm2条件下， N60/60处理的籽粒产量显著高于底肥一次性施入(N120/0)处理。

2.2不同水氮供应对花后小麦营养器官氮素转移量的影响

由图3可以看出，除N0/0、N60/02个处理外，W90处理小麦茎秆+叶鞘的花后氮素转移量均显著高于W120处理中相应的供氮处理，氮素转移量增加了 1.29～19.25 kg/hm2，表明施氮量较高的条件下，过高的水分供应会导致花后茎秆+叶鞘的氮素转移量减少。花后茎秆+叶鞘的氮素转移量随施氮量的增加呈增加趋势，施氮量的增加有利于花后茎秆+叶鞘的氮素转移。N60/120、N120/1202个处理小麦茎秆+叶鞘的花后氮素转移量差异不显著，但均显著高于同一灌水量下的其他处理，可能是过高的灌水造成氮素淋失，从而减小了2个处理之间的差异。N60/60处理小麦花后茎秆+叶鞘的氮素转移量显著大于N120/0处理，N60/120处理显著大于N120/60处理，表明相同施氮总量的条件下，适当的调整施氮方式有利于花后茎秆+叶鞘的氮素转移。

小麦花后叶片、颖壳+穗轴的花后氮素转移量及营养器官的总转移量，随水肥供应条件的变化规律与小麦茎秆+叶鞘的转移量相似，故不再赘述。

图 3不同水氮供应对花后冬小麦营养器官氮素转移量的影响相同颜色柱体旁不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下图同

Fig.3Effects of water and nitrogen supply on nitrogen transfer of winter wheat vegetative organs Different lowercase letters seside each column indicate significant difference (P<0.05).The same below

2.3不同水氮供应对成熟期小麦各器官中氮素积累量的影响

由图4可以看出，除N0/0处理外，W90处理小麦籽粒的氮素积累量均显著高于W120处理中相应的供氮处理，且各施氮处理小麦籽粒的氮素积累量随施氮量的增加呈增长趋势。W90处理中，N60/60处理的籽粒氮素积累量显著高于N120/0处理，N60/120处理的籽粒积累量显著高于N120/60，表明同一施氮总量条件下，适当的施氮方式有利于籽粒中氮素的积累。

小麦茎秆+叶鞘、叶片、颖壳+穗轴的成熟期氮素积累量及其地上部分的总积累量随水肥供应条件的变化规律与籽粒氮素积累量规律相似。

2种灌水处理之间相比，W90处理中的籽粒氮素积累量及其在小麦地上部分植株氮素积累总量中所占的比例均显著高于W120中对应的氮肥处理；W90处理小麦茎秆+叶鞘、叶片、颖壳+穗轴3部分的氮素积累量及其所占比例基本均显著低于W120处理。这表明过高的灌水量不利于氮素向籽粒分配，但会提高营养器官对氮素的吸收，提高成熟期营养器官的氮素积累量在小麦地上部分植株氮素积累总量中所占的比例。

图 4　不同水氮供应对冬小麦氮素积累量的影响Fig.4　Effects of water and nitrogen supply on nitrogen accumulation of winter wheat

2.4不同水氮供应对小麦花后氮素净积累量及其对籽粒氮贡献率的影响

由表2可以看出，W90灌水定额下，除N0/0及N60/0处理外，其他各施氮处理的花后氮素净积累量均显著高于W120灌水定额下的对应施氮处理，增加量为8.93～36.08 kg/hm2。2个灌水水平中，氮素净积累量对籽粒氮的贡献率差异不显著；同一灌水水平下，氮素净积累量对籽粒氮的贡献率均随施氮量的增加呈降低趋势。

表 2　不同水氮供应对冬小麦花后氮素净积累量及其对籽粒氮贡献率的影响Table 2　Effects of water and nitrogen supply on nitrogen absorption after anthesis and nitrogen absorption contribution rate of winter wheat

注：同列数据后标不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下表同。

Note:Different lowercase letters in each column indicate significant difference (P<0.05).The same below.

2.5不同水氮供应对氮素利用效率、氮肥农学利用效率及氮素收获系数的影响

由表3可以看出，除N60/120外，W90处理的氮肥农学利用效率均显著高于W120处理对应的施肥水平，表明过高的灌水量会降低氮肥的农学利用效率。在W90和W120处理中，均以N0/0和N60/0处理氮素利用效率显著高于该灌水量下的其他施氮处理。氮肥农学利用效率随施氮量的增加呈下降趋势，N120/0处理的氮肥农学利用效率均低于N60/60处理，表明同一施氮总量水平下，提高追肥所占比例有利于提高氮肥的农学利用效率。W90条件下各施氮处理的氮素收获指数显著高于W120条件下对应的施肥处理；相同灌水条件下各施氮处理的氮素收获指数差异大多不显著。由表4可以看出，灌水与花后氮素净积累量、氮素利用效率、氮肥农学利用效率及氮素收获指数均呈极显著相关关系；施氮与花后氮素净积累量呈显著相关关系，与净积累量对籽粒氮的贡献率、氮素利用效率及氮肥农学利用效率呈极显著相关关系；水氮互作效应仅与氮肥农学利用效率呈显著相关关系，与花后氮素净积累量、净积累量对籽粒氮的贡献率、氮素利用效率及氮素收获指数相关关系不显著。

表 3　不同水氮供应对氮素利用效率、氮肥农学利用效率及氮素收获系数的影响Table 3　Effect of water and nitrogen supply on nitrogen use efficiency (NUE), nitrogen agronomic efficiency (NAE) and nitrogen harvest index (NHI)

表 4　水氮与冬小麦氮素转运各指标的相关性分析(F值)Table 4　Analysis of significant correlation level (F value) among water,nitrogen and all indexes of nitrogen transfer

注： *表示显著相关(P<0.05)，**表示极显著相关(P<0.01)。

Note:* means significant correlation (P<0.05),while ** means extremely significant correlation (P<0.01).

3讨论

本文通过泾惠渠灌区的田间小区试验，研究了不同水氮供应对冬小麦各器官中氮素分配运移以及冬小麦产量和氮利用效率的影响。对最优灌水量的研究结果表明，过高的灌水量不利于籽粒的氮素积累，反而会降低籽粒氮素所占比例，提高营养器官的氮素积累分配比例，这是因为充足的土壤水分有利于矿质元素的吸收，促进光合作用等生化反应，从而促进营养器官的生长，进而提高小麦的产量，但是过量的灌水量会导致矿物质元素的淋失，减少小麦对矿物质的吸收，从而降低产量，降低氮肥的农学利用效率及氮素收获系数等，这与前人研究结果相似[10-13]。本试验条件下，除N0/0处理外，W90处理小麦籽粒的产量和氮素积累量均显著高于W120处理，W120处理营养器官的氮素积累量显著高于W90处理；除N60/120处理外，W90处理氮肥的农学利用效率显著高于W120处理；W90处理的氮素收获指数显著高于W120处理，这表明W90与W120相比，灌水定额为90 mm为较好的灌水处理。

在施氮总量的研究中，本试验结果发现，随着施氮量的增加，小麦各部分的氮素积累量呈增长趋势，但是过高的施氮量在增加小麦植株吸氮量的同时，会导致开花后营养器官氮素向籽粒中的转移率降低，使得过多的氮素滞留在营养器官中；小麦籽粒产量随施氮量的增加而增加，而氮素利用率及氮肥的农学利用效率均随施氮量的增加呈下降趋势，但在施氮量较高的条件下，继续提高施氮量对籽粒产量的提高作用不显著，这是因为过量增施氮肥虽然增加了营养器官氮素向籽粒的转移量，但是过多的氮素贮存于营养器官中，容易引起贪青晚熟，从而导致籽粒产量下降或者增幅降低，同时造成氮素利用率及氮素收获指数降低，这与前人的研究结果相似[14-15]。综合各指标随施肥总量的变化认为，施氮量为180 kg/hm2是本试验条件下较合理的施氮总量水平。

在施氮方式的研究中，本试验结果发现，适当调节氮肥的施用比例，即调节基肥、追肥施用量有利于提高小麦生育后期氮素吸收强度，使得开花前贮存物质转运量和开花后氮素同化能力同步提高。在总施氮相同的条件下，适当提高追肥施用量，有利于提高营养器官的氮素转运量和开花后的氮素同化量；另外，在小麦生育期内基肥+追肥均施与小麦播种时一次性施入相比在一定程度上可以提高小麦的产量，合理的氮肥施用方式可以实现小麦的高产高效，这与前人的研究结果[12-13,16-19]相似。本试验中，W90灌水条件下N60/120处理的籽粒氮素积累量显著高于N120/60处理；N60/120处理的氮素利用率及氮肥农学利用效率均与N120/60处理差异不显著；表明在施氮总量为180 kg/hm2条件下，N60/120处理的施肥方式为较合理的施肥方式。

本试验条件下，灌水和施氮对花后氮素净积累量以及氮素利用效率等的交互效应不显著，一方面可能是由于试验处理各重复之间的误差大于处理之间的误差所导致，另一方面可能是由于水氮耦合效应是随着增加水量和氮质量浓度来提高其耦合效应的，前人研究水氮耦合时，灌水量低于本研究，氮施用量高于本研究，因此在本试验条件下，高水低肥导致氮质量浓度降低，从而导致其水氮耦合效应不显著[20-24]。

4结论

1) 与灌水定额120 mm相比，灌水定额为90 mm时，有利于提高冬小麦的籽粒产量，增加籽粒中的氮素净积累量，促进营养器官中氮素向籽粒中转移，同时提高氮肥的农学利用效率。

2)适当增加氮肥施用量有利于提高冬小麦的籽粒产量，增加籽粒中的氮素积累量，同时促进营养器官的氮素向籽粒转移。

3)适当调整基肥、追肥施用量，可以在对氮肥农学利用效率影响不显著的条件下，提高冬小麦的籽粒产量，增加各部分的氮素净积累量，并促进营养器官的氮素向籽粒转移。

综合考虑籽粒产量、氮肥农学利用效率、氮素利用效率、氮素收获指数等因素，本试验条件下冬小麦以灌水定额90 mm，底肥施氮量60 kg/hm2，追肥施氮量120 kg/hm2(W90N60/120)最为适宜，是泾惠渠灌区冬小麦适宜的水肥管理模式。

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DOI：网络出版时间:2016-06-0816:2110.13207/j.cnki.jnwafu.2016.07.013

[收稿日期]2014-11-13

[基金项目]国家自然科学基金项目“作物非充分灌溉健康生长需水量计算与生理节水潜力”(51179162)；国家科技支撑计划项目“旱区节水型生态灌区关键技术研究与应用”(211BAD29B01)

[作者简介]杨佩(1990-)，男，河北平山人，在读硕士，主要从事节水灌溉理论与技术研究。E-mail:yangpeisjz@163.com [通信作者]蔡焕杰(1962-)，男，河北藁城人，教授，博士，博士生导师，主要从事农业节水与水资源高效利用研究。 E-mail:caihj@nwsuaf.edu.cn

[中图分类号]S152.7,S512.1

[文献标志码]A

[文章编号]1671-9387(2016)07-0087-08

Effects of water and nitrogen supply on nitrogen absorption and translocation of winter wheat in Jinghui canal irrigation region

YANG Pei1a,1b,CAI Huanjie1a,1b,1c,GAO Zhenxiao1a,1b,2,SHI Xiaohu1a,1b

(1aMinistryofEducationKeyLaboratoryofAgriculturalSoilandWaterEngineeringinAridandSemiaridAreas,bCollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,cInstituteofWaterSavingAgricultureinAridRegionsofChina(IWSA),NorthwestA&FUniversityYangling,Shaanxi712100,China；2BaiyinReconnaissanceandDesignInstituteofWaterandElectricity,Baiyin,Gansu730900,China)

Abstract:【Objective】 The paper investigated the effects of water and nitrogen supply on nitrogen absorption and translocation of winter wheat to provide suitable irrigation and fertilization method in Jinghui canal irrigation area.【Method】 The treatment was conducted in Jinghui canal irrigation region with field plot experiments conducted to investigate the effects of different irrigation levels (W90,90 mm;W120,120 mm) and fertilization levels (basal dressing fertilizer:60 kg/hm2,120 kg/hm2;top dressing fertilizer:0 kg/hm2,60 kg/hm2,120 kg/hm2,i.e.N60/0,N60/60,N60/120;N120/0,N120/60and N120/120) on yield,nitrogen accumulation of different parts and nitrogen use efficiency of winter wheat.【Result】 Except for the nitrogen absorption contribution rate and nitrogen harvest index,both irrigation and nitrogen fertilization had significant effect on yield,nitrogen accumulation,nitrogen transfer amount,nitrogen use efficiency and agronomic nitrogen efficiency.Compared with irrigation treatment of 120 mm,yield and nitrogen accumulation and agronomic nitrogen efficiency of 90 mm treatment under the same nitrogen fertilizer level were increased significantly by 4.88%-7.44%,6.15%-18.66% and 19.48%-35.94%,respectively.With the increase of nitrogen supply,yield and nitrogen accumulation increased significantly.Relationships between yields were N0/0(5 653.68 kg/hm2)

Key words：irrigation amount;nitrogen fertilizer rate;nitrogen accumulation;nitrogen transfer amount;nitrogen use efficiency

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