水肥运筹对滴灌冬小麦干物质积累和产量调控效应研究

崔 月，张宏芝，赵 奇，刘建鹤

(1. 新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052；2. 新疆农业科学院核技术生物技术研究所/农业部荒漠绿洲作物生理生态与耕作重点实验室，乌鲁木齐 830091；3. 新疆润之农业发展有限公司，新疆奇台 831800)

0 引 言

【研究意义】肥料和水分是影响作物生长及产量形成的两大重要因素，适时、适量供应肥水对增加产量、提高品质具有重要意义。【前人研究进展】新疆特殊的地理环境导致小麦种植基本上依赖于人工灌水，农业用水与水资源匮乏的矛盾日益突出。研究表明[1-5]，滴灌能够减少水分蒸发及养分流失，提高农业管理效率。氮、磷、钾肥是作物生长过程中需求量最多的三种营养元素，由于收获后无法参与再循环，需依靠栽培技术予以补充。通过对不同水肥条件下冬小麦干物质积累及产量影响研究表明，合理施肥及灌水能够改善光合产物向籽粒的分配，从而提高作物产量[6-7]。朱齐超等[9]研究表明，施肥及灌水对冬小麦穗数、穗粒数、千粒重及产量有明显的调控效应，将水肥合理搭配、科学运筹对于产量增加具有较大潜力。曾胜和等[8]研究认为在新疆干旱区灰漠土中等肥力条件下，春小麦滴灌的最佳施肥量为氮肥234 kg/hm2、磷肥108 kg/hm2、钾肥61.7 kg/hm2。【本研究切入点】已有研究多集中在水、氮两因素对小麦植株生理、水肥利用率及产量影响等。关于肥、水配施的研究尚少，由于地理因素、环境因素时空变化对作物生长及产量产生的影响，还需要进一步试验论证。研究水肥运筹对滴灌冬小麦干物质积累和产量调控效应。【拟解决的关键问题】研究灌水与氮磷钾肥配施对生长期间干物质积累、叶面积、收获后产量及产量构成因素等，分析肥和水对冬小麦生长发育及产量的影响，为适宜的肥水运筹模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

选用当地主栽品种新冬36号，该品种为冬性早熟种，分蘖力中等。

试验于2016～2017年在新疆奇台县西地镇西地村进行。试验地土壤为灌溉灰漠土，肥力中等，0～40 cm有机质含量2.87%，碱解氮含量52.02 mg/kg，速效磷含量18.24 mg/kg，速效钾含量242 mg /kg。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

在大田滴灌条件下，设施肥和灌水两个参试因素，肥料为主区、灌水为副区。肥料处理(N∶P∶K=1∶0.6∶0.1)设置4个水平(纯量)，0(N0)、375(N1)、450(N2)和525 kg/hm2(N3)。氮肥使用尿素(N46%)，基追比为4∶6(追肥返青期40%、拔节期60%滴施)；磷肥使用磷酸二铵(N18%，P46%)，做底肥一次性施入；钾肥使用农用颗粒钾(K30%)，基追比为7∶3，追肥于灌浆期滴施。灌水处理设置4个滴灌量水平(不含底墒水)：3 450(W1)、4 200(W2)、4 950(W3)和5 700 m3/hm2(W4)。返青期至灌浆期共灌水7次。试验共设置16个处理，小区面积30 m2，重复3次。于10月7日播种，播种量270 kg/hm2。底肥于犁地前一次性撒施，机耕深度25～30 cm。滴灌带毛管按照“一管四行”布置，间距为60 cm。小区之间留1.2 m隔离带，以防止水分和养分侧渗。滴水量用水表和球阀控制。三叶期定苗，全生育期按高产田模式管理。表1

表1 肥水试验区灌溉管理

Table 1 Irrigation management in the experimental area of fertilizer and water

1.2.2 测定项目

1.2.2.1 干物质积累

在小麦拔节期、孕穗期、扬花期、灌浆期和成熟期每处理取10～15株，去除根部，置105℃烘箱中杀青30 min，80℃ 烘干至恒重，测定地上部干物质积累量。使用Logistic方程对干物质随时间积累量进行拟合，其基本模型为：y=k/[1+e(a-bt)]。y为干物质积累量；t为冬小麦拔节至观测日的天数；k为相应的理论最大值；a、b为待定系数。对方程进一步求导可得以下几个特征值：开始快速增长期时间点t1=(a-1.317)/b；结束快速增长期时间点t2=(a+1.317)/b；最大生长速率Vm=-bk/4；最大生长速率出现时间t0=-a/b；快速增长持续时间△t=t2-t1。

1.2.2.2 叶面积指数(LAI)

与单株形状考察同时进行，选取10株有代表性的植株作样株，测量叶片长度和宽度。单茎叶面积=长×宽×0.83，叶面积指数=单茎叶面积×1 hm2总茎数/10 000。

1.2.2.3 产量和产量构成因素

成熟期每小区取1 m2面积的样方进行计产，3次重复。调查穗数、穗粒数、粒重、千粒重。

1.3 数据处理

使用Excel 2010和DPS 10.5对试验数据进行分析，多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 水肥运筹对滴灌冬小麦地上部分干物质的影响

2.1.1 水肥运筹对滴灌冬小麦对地上部分干物质积累的影响

各时期干物质积累量、积累速率与作物产量密切相关。研究表明，从拔节期至收获期，冬小麦地上部分单株干物质积累量总体表现为先快后慢的增长趋势，拔节期至灌浆期干物质快速积累，灌浆后期至成熟期增长趋势变缓。拔节期，各处理间干物质积累量差异较小，单位积累量少。不施肥干物质积累量明显低于施肥处理。同一施肥量下相比较：N0处理灌浆期及收获期干物质积累量随着灌水量的增加而增大；不同时期干物质积累量均在W3、W4出现最大值。N2处理下，孕穗期、扬花期、灌浆期、收获期干物质积累量表现为W3>W2>W4>W1。N3处理随着灌水量的增加干物质积累量增大。同一灌水量下相比较，W1、W2、W4随着施肥量的增加而增大，W3在N2处理达到最大。图1

注：JS拔节期；BS孕穗期；FP扬花期；FSⅠ灌浆前期；FSⅡ灌浆后期；MS成熟期

Note: JS: Jionting stage; BS: Booting stage; FP: Flowering period; FSⅠ: early grain Filling stages; FSⅡ: Mid grain Filling stages; MS: Mature stage

图1 不同施肥量和灌水量下干物质积累动态变化
Fig.1 Accumulation dynamics of dry matter in different amount of fertilizer and irrigation

2.1.2 干物质积累随时间变化模拟

许多学者通过Logistic模型进一步探究干物质积累过程，它能够以时间为自变量描述生物量积累。试验采用Logistic回归方程对干物质积累量进行拟合，拟合优度比较高，说明此方程能够准确描述干物质积累过程。研究表明，各处理从拔节后6～10 d干物质开始快速积累，41～49 d后结束快速积累进入缓慢积累过程。干物质快速积累时间为孕穗期至灌浆期。N0W1处理快速积累出现时间最晚，N2W2快速积累出现时间最早。N0、N1处理下，t1、t2、t0及△t随灌水量增加而减小，且随着灌水量的增加，快速积累开始时间提前、速率增大；N2、N3处理的N2W2、N2W3、N2W3、N3W1处理t1、t2、t0及△t值均较小，最大增长速率(Vm)较高；回归方程特征参数与灌水及施肥量的增加无明显相关性。表明灌水及施肥缩短小麦植株进入快速积累时间、提高快速积累速率，尤其是在中肥力田，促进效应明显。过多肥、水供应对干物质快速积累无促进效应。表2

表2 干物质积累的Logistic模型及其特征值
Table 2 Logistic model of dry matter accumulation and its eigenvalue

处理Treatments方程Equation△tt1t2t0DVm(kg/hm2·d)R2N0W1 Y=3.757 9/[1+e(1.754 7-0.065 761 t)]9.9948.7938.8029.390.0580.988 8**N0W2 Y=4.006 1/[1+e(1.757 1-0.084 539 t)]8.8048.3539.5628.580.0590.979 1**N0W3 Y=4.190 8/[1+e(1.760 6-0.083 987 t)]8.7647.9839.2228.370.0650.982 1**N0W4 Y=4.267 4/[1+e(1.810 9-0.083 009 t)]7.9947.3139.3227.650.0680.980 7**N1W1Y=3.951 1/[1+e(1.799 5-0.082 334 t)]8.2846.2637.9827.270.0750.990 5**N1W2 Y=4.297 5/[1+e(1.832 2-0.082 062 t)]7.3744.2236.8525.800.0870.998 8**N1W3 Y=4.974 7/[1+e(1.791 9-0.075 334 t)]7.2343.6036.3625.410.0840.990 4**N1W4 Y=4.960 7/[1+e(1.816 9-0.074 759 t)]7.0643.1836.1325.120.0860.988 0**N2W1Y=5.015 4/[1+e(1.794 7-0.072 162 t)]6.7143.7137.0025.210.0850.993 5**N2W2Y=5.033 9/[1+e(1.780 8-0.070 412 t)]5.6341.4135.7823.520.0890.992 9**N2W3Y=5.490 8/(1+e[1.780 9-0.068 114 t)]5.6941.0835.3923.380.0920.996 2**N2W4Y=5.168 2/[1+e(1.797 8-0.069 836 t)]6.3342.1235.7924.220.0910.996 7**N3W1Y=4.645 9/[1+e(1.794 3-0.072 125 t)]5.7741.5935.8223.680.0880.987 9**N3W2Y=5.036 6/[1+e(1.892 6-0.072 838 t)]6.3342.6736.3424.500.0890.994 6**N3W3Y=5.049 2/[1+e(1.805 8-0.072 251 t)]6.4442.5436.1024.490.0890.984 0**N3W4Y=5.275 2/[1+e(1.799 8-0.072 235 t)]7.0544.7637.7125.910.0840.996 8**

注：t—拔节至观测日的天数(d);y—干物质积累量(g/plant);Vm—最大积累速率;t0—最大生长速率出现时间;t1—进入快速积累期时间拐点;t2—结束快速积累期时间拐点;Δt—快速积累持续时间

Note:t—The number of days of the cupping to observe day (d);y—Dry matter accumulation (g/plant);Vm—Maximum accumulation rate;t0—Maximum growth rate appears time;t1—Inflection point of rapid growth into the time;t2—Inflection point of rapid growth the end of time; Δt—Duration of rapid growth

2.2 水肥运筹对滴灌冬小麦叶面积指数的影响

小麦叶片将截获的光能转化为化学能，叶面积指数(LAI)反映了小麦光合群体的结构与大小，具有良好叶面积的冬小麦群体是保证产量的前提。拔节期至灌浆期，LAI随着生育进程推移呈先升后降的变化趋势，并且在孕穗期达到最大。在N0处理下，拔节期W1处理与其他三个处理间差异较大，孕穗及扬花期灌水量增加，LAI增加不明显，灌浆期N0W4处理高于其它处理，分别比N0W1、N0W2、N0W3处理提高14%、10%、6%。表明不施肥明显降低小麦LAI，在生长后期增加灌水量有利于叶片维持功能，延长物质转运时间。N1处理下，各时期均表现为随着灌水量的增加LAI增加。N2、N3处理LAI在拔节至孕穗期快速增加，表明充足的养分、水分对生长盛期的小麦LAI具有促进作用。N2W3处理在扬花及灌浆期各处理中LAI均最大，分别较 N2W2处理降低了1%和2%，二者差异较小。N3处理下，随着灌水量的增加，LAI增加不明显。不同肥、水处理下，W1均低于同一施肥量下的其它处理。表明高水高肥、低水低肥并不利于小麦叶面积指数提高；在适当的肥力水平下，灌水量不宜过大或过小。生育后期肥、水匮缺加速小麦叶片的衰落，从而导致小麦籽粒产量的降低。图2

注：JS拔节期； BS孕穗期；FP扬花期；FS灌浆期. a:N0施肥处理；b: N1施肥处理；c:N2施肥处理；d: N3施肥处理.

Note: JS:Jionting stage; BS:Booting stage; FP: Flowering period ; FS: grain Filling stages; MP: Mature period. a: N0 fertilizer treatment; b: N1 fertilizer treatment; c: N2 fertilizer treatment; d: N3 fertilizer treatment

图2 不同施肥及灌水量下叶面积指数变化
Fig.2 Effect of different fertilizer and irrigation leaf area indexes

2.3 水肥运筹对滴灌冬小麦产量及产量构成的影响

研究表明，有效穗数最大值出现在N2W3处理，与N2W2、N2W3、N2W4、N3W1、N3W2、N3W3、N3W4之间无显著差异，与N2W1及N0、N1各个处理存在显著差异。增施肥料明显提高穗数，随着肥料施入量的持续增加穗数在N2达到最大，N3时穗数减少。同一施肥量下，N0、N1有效穗数与灌水量呈正相关，低肥力田可以通过增加灌水提高穗数，从而增加产量构成途径。穗粒数最大值为N3W4的35.38，与N3施肥量下的其它灌水处理无显著差异。在同一施肥量下，随着灌水量的增加，穗粒数增加；同一灌水量下，随着施肥量的增加，穗粒数亦呈增加的趋势。说明在小麦正常生长情况下，较高的肥水水平对穗粒数增加具有促进作用，穗粒数与施肥量及灌水量之间成正比。N1、N2、N3各处理间千粒重无显著差异，但均与N0存在显著差异，可能是由于N0处理有效分蘖少，主茎成穗千粒重较分蘖穗大。

同一施肥量下，N0及N1处理产量随着灌水量的增加而增加。N0W1产量低至4 280.79 kg/hm2；N0W2、N0W3、N0W4与N0W1相比产量分别提高了26.78%、43.87%、62.80%，各处理间差异显著。说明在肥力较低条件下，灌水与产量呈正相关。N2处理产量表现为W3>W4>W2>W1，最高产量为N2W3，其值为9 848.13 kg/hm2，但与N2W2、N2W4、N3W1、N3W2、N3W3、N3W4之间无显著差异。N2W2与N0W2、N1W2比较产量分别增加了68%、36%，较N3W2降低了4%，与不施肥及低肥处理增产幅度较大，且差异达极显著水平。在同一施肥量下，N0、N1随灌水量的增加而增大；同一灌水量下，W1、W2处理产量随着施肥量增加而增大，W3、W4分别在N2W3和N2W4达到最大。在土地肥力薄弱情况下，适当增加灌水量能够有效提高产量。水肥交互作用对穗数及产量影响达到极显著水平(P<0.01)，对穗粒数有显著影响，与千粒重无显著相关性。表3

表3 水肥运筹下滴灌冬小麦产量及产量构成因素变化
Table 3 Influence of water and fertilizer operation on Yield and yield components of Winter Wheat in drip irrigation

处理Treatments穗数Spike number (104 spike/hm2)穗粒数Grains per spike千粒重1 000-seed weight (g)产量Yield (kg/hm2)N0W1391.13h25.76h50.37a4 470.79fN0W2475.58g 26.58gh50.85a5 427.39eN0W3520.03f27.59g50.87a6 158.69dN0W4548.92ef29.06f51.77a6 969.23bcN1W1564.47ef29.74f46.96b6 559.22cdN1W2573.92de29.71f46.85b6 715.28cdN1W3584.47de30.59ef46.83b7 062.07bcN1W4615.08cd 31.52de46.64b7 611.17bN2W1638.92c 29.78de46.78b7 488.87bN2W2724.61ab 32.52cd45.80b9 099.35aN2W3765.87a 33.53bc45.47b9 848.13aN2W4763.37ab 33.32bc45.36b9 727.08aN3W1721.70ab34.27abc45.87b9 568.93aN3W2710.21a 34.34abc46.05b9 485.52aN3W3708.93ab 34.76ab45.61b9 477.09aN3W4703.89ab 34.87a45.52b9 420.92aF 值 F Value施肥 Fertilization372.99**82.93**78.50**309.64**灌水 Irrigation18.03**16.68**0.2739.02**施肥×灌水Fertilization×Irrigation5.01**2.49*1.149.13**

注:**表示差异极显著(P<0.01),*表示差异显著(P<0.05)

Note:**means very significant difference (P<0.01),*means significant difference (P<0.05)

3 讨 论

3.1 水肥运筹显著影响作物生长动态、产量及其组成，适当施肥和灌水有助于提高冬小麦的LAI和生物量，从而促进光能利用率[9]。随着小麦的生长发育，肥料施入量并不是越多越好，尤其是到了生育期后期高肥处理的生物量反而较低，而适量施肥的干物质重相对较高[10-11]。这一结论与试验结果一致：在收获期，干物质积累量在N2W3达到最大。合理的水肥有助于协调光合产物向茎、叶、穗中的分配比例，促进向籽粒的转运与分配，从而获得较高的产量。试验中干物质积累随着生育期的推进呈先快后慢的趋势，拔节期至灌浆期为干物质快速积累时期，这与王玲敏、王桂良等[12-13]的结果一致。干物质积累量是由干物质积累速率与干物质快速积累时间共同决定的，只有在二者同时处于较高水平时，才能增加干物质积累量，为高产奠定基础[14]。Logistic方程能够对干物质积累随时间推移动态变化进行拟合。适量施肥及灌水显著缩短植株进入快速积累及达到快速积累最大速率的时间[15-16]。试验中N2W2处理进入干物质快速积累时间最早，且快速积累所用时间较短。水分亏缺会导致植株功能叶面积减少，降低对水分胁迫的适应性，提早进入成熟期[17]。灌浆期，同一肥处理下的各水处理中W1均最小。试验中LAI随着生育进程推移呈先升后降的变化趋势，并且在孕穗期达到最大。这一变化符合LAI最优发展动态(前快、中稳、后衰慢)[18]。

3.2 施肥与灌水对小麦高产具有决定性作用。在荒漠绿洲灌溉区，总的趋势是灌水量大，产量则高[19]。但是，随着灌水量的无限增长，产量并不与其始终保持正相关。Yao等[20]的研究则表明，产量随着灌水量的增大增产效应降低。籽粒产量随施氮量增加先增加后降低，不施肥处理显著低于施肥处理；随灌水量增加产量亦先增加后降低[21]。中水中肥增产效应最为显著，高水高肥次之，低水低肥效应最低[22]。此结果与试验结论一致。产量最大值出现在N2W3处理，但与中肥中水及高水、高肥处理无显著差异。N3增产效应低于N2。N1、N2产量随着灌水量的增加而增大，表明在肥力较低条件下，灌水能够增加产量。最高产量为N2W3，其值为9 848.13 kg/hm2，与不施肥及低肥处理比较增产效应明显。

4 结 论

4.1 通过不同施肥量及灌水量对干物质积累、叶面积指数、产量及产量构成的影响研究表明：随着生育进程的推移，从拔节期至成熟期，干物质积累量和叶面积指数表现为先快速增长后缓慢降低的趋势。干物质快速积累期，在基础肥力较低情况下，灌水能够补偿养分短缺对冬小麦干物质积累的抑制。不施肥显著减少小麦干物质积累量和LAI，降低光合有效面积，造成产量降低。

4.1 小麦正常生长情况下，穗粒数与施肥量及灌水量之间成正比，较高的肥水水平对小麦穗粒数增加具有促进作用。施肥及灌水对千粒重影响较小。最高产量为N2W3，其值为9 848.13 kg/hm2。水肥交互作用对产量的影响达到极显著水平。肥水用量与小麦产量并不成正比，当达到峰值后，肥水对小麦产量不再产生正效应。通过logistic方程将产量及产量构成与干物质积累特征相结合，从而从干物质积累的角度探究产量增产途径。

4.3 施肥量450 kg/hm2，灌水量4 200 m3/hm2，为新疆北疆适宜的肥水用量。

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