氮肥基追比对测墒补灌小麦耗水特性和籽粒产量的影响

张 振,于振文,张永丽,石 玉

(山东农业大学农业部作物生理生态与耕作重点实验室，山东泰安 271018)

黄淮海地区水资源总量仅占全国水资源总量的7.7%[1-2]，小麦生长季降水量150～180 mm，仅能满足小麦需水量的25%～40%，水资源短缺是该地区小麦生产的主要限制因素[3-5]。不同氮肥基追比能显著影响小麦的耗水量及水分利用效率[6]，生产中不合理氮肥基追比会导致籽粒产量和水分利用效率较低[7]。因此，在该地区水资源匮乏的条件下探讨适宜的氮肥基追比，对提高小麦籽粒产量和水分利用效率有重要意义。

研究表明，在小麦拔节期和灌浆期均灌水45 mm、总施氮量为180 kg·hm-2条件下，灌水利用效率及水分利用效率随基肥比例的增加呈现先增后降的趋势，基追比为6∶4的处理的水分利用效率最大[8]。在施氮量为225 kg·hm-2条件下，小麦开花至成熟期干物质积累量和籽粒产量均随基肥比例的提高而逐渐增加，基肥∶拔节肥∶孕穗肥比例为6∶3∶1的处理开花至成熟期干物质积累量和籽粒产量最高[9]。小麦测墒补灌节水栽培技术是在小麦关键生育时期，根据土壤墒情补灌土壤相对含水量至适宜水平，可使小麦达到节水高产的目的[10]。目前，在测墒补灌条件下有关氮肥基追比对小麦耗水特性、干物质积累及籽粒产量的影响鲜见报道。本研究在拔节期和开花期0～40 cm土层土壤相对含水量均补灌至70%条件下，研究不同氮肥基追比对小麦耗水特性和干物质积累及籽粒产量的影响，为小麦的节水高产栽培提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2016-2017年在山东省兖州区小孟镇史家王子村进行。该地区土壤类型为壤土。前茬玉米收获后秸秆全部还田。播前0～20 cm土层全氮含量1.13 g·kg-1，有机质含量14.20 g·kg-1，碱解氮含量122.60 mg·kg-1，速效钾含量129.44 mg·kg-1，速效磷含量38.11 mg·kg-1。0～40 cm土层土壤容重为1.538 g·cm-2，田间持水量26.235%，全生育期内有效降水量为265.80 mm。

供试小麦品种为济麦22，设5个氮肥基追比，分别为0∶10(N1)、3∶7(N2)、5∶5(N3)、7∶3(N4)、10∶0(N5)，总施氮量均为240 kg·hm-2。基肥于播种前施入，追肥于拔节期开沟追施。于拔节期、开花期采用烘干法测定土壤含水量。灌水量计算公式[11]：M=10·γ·H·(βi-βj)。式中，M为灌水量(mm)；H为拟湿润土层的深度，本试验为40 cm；γ为拟湿润土层的容重(g·cm-3)；βi为目标含水量(田间持水量乘以目标相对含水量，本试验拔节期和开花期均为70%)；βj为浇前土壤含水量。输水带灌溉并用水表计量。磷、钾肥全部底施，P2O5为150 kg·hm-2，K2O为112.5 kg·hm-2。小区面积为20 m2(4 m×5 m) ，三次重复，随机区组排列。小区间设2 m保护行，2016年10月12号播种，3叶期基本苗为180万株·hm-2，2017年6月8号收获。其他管理措施同常规高产田。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 土壤含水量

分别于小麦播前、拔节、开花和成熟期，用土钻每20 cm一层钻取0～200 cm土层的土壤。用铝盒盛放鲜土，称重(m1)；105 ℃下烘至恒重，称重(m2)；最后称取铝盒重(m3)。

土壤含水量=(m1-m2)/(m2-m3)×100%

土壤相对含水量=土壤含水量/田间持水量×100%

1.2.2 农田耗水量的计算

采用水分平衡法[12]计算耗水量：ET=△S+M+P+K

式中，ET为耗水量；△S为土壤贮水消耗量；M为灌水量；P为降水量；K为地下水补给量。本试验中地下水埋深为5 m，K忽略不计。

1.2.3 土壤贮水消耗量的计算

参照赵亚丽等[13]方法计算，公式如下：

式中，Si为播前至成熟期土壤贮水消耗量；i为土层编号；n为总土层数；γi为第i层土层土壤容重；Hi为第i层土壤厚度；θi1和θi2分别为播种前和成熟期第i层土壤含水量。

1.2.4 干物质积累量的测定

于小麦开花期和成熟期每处理取20个单茎，开花期分为茎秆、叶片、穗3部分，成熟期分为茎秆、叶片、颖壳和穗轴、籽粒4部分。105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，3次重复。

1.2.5 水分利用效率的计算[14]

土壤水利用效率=籽粒干物质积累量/土壤贮水消耗量

降水利用效率=籽粒干物质积累量/降水量

灌溉水利用效率=籽粒干物质积累量/灌水量

水分利用效率=籽粒干物质量积累量/总耗水量

1.3 数据处理

采用Excel 2007进行数据处理，SPSS 13.0进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤贮水消耗量的影响

N3处理0～160 cm土层土壤贮水消耗量显著低于其他处理；160～180 cm土层土壤贮水消耗量较N1、N2、N4和N5处理分别提高24.11%、9.57%、22.05%和12.93%；180～200 cm土层土壤贮水消耗量较N1、N2、N4和N5处理分别提高63.18%、98.41%、25.61%和17.97%，差异均显著(表1)。表明氮肥基追比为5∶5可显著提高小麦对160～200 cm土层土壤水的利用能力。

2.2 不同处理对耗水来源及其占总耗水量比例的影响

由表2可知，灌水量随基肥比例提高而逐渐增加，处理间差异显著；N1和N2处理的灌水量占总耗水的比例显著低于其他处理，其他处理间无显著差异。N3处理的土壤贮水消耗量较N1、N2、N4和N5处理分别低13.58%、10.83%、11.67%和24.35%，土壤贮水消耗量占总耗水的比例分别低13.14%、10.54%、6.37%和14.69%，差异均显著。降水量占总耗水量比例在N1、N2、N3处理间无显著差异，N4和N5处理显著低于其他处理。N3处理的总耗水量最低，与N1和N2处理无显著差异，较N4和N5处理分别低5.66%和11.34%。土壤贮水消耗量较低是N3处理总耗水量较低的主要原因。

表1 不同处理0～200 cm土层土壤贮水消耗量Table 1 Soil water consumption in 0-200 cm soil layers under different treatments mm

2.3 不同处理对小麦开花前耗水量与开花后耗水量及其比值的影响

由表3可知，N3处理的开花前耗水量最低，较N4、N5处理分别低10.93%和19.92%，与N1、N2处理无显著差异。开花后耗水量随基肥比例的增加呈先增后减的趋势，以N3处理最高，较N1、N2、N4、N5处理分别高13.37%、5.70%、8.27%、15.66%；N3处理的开花前耗水量与开花后耗水量的比值最低，较N1、N2、N4和N5处理分别低16.79%、8.02%、17.74%和30.79%，差异显著。相关分析表明，籽粒产量和开花前耗水量呈负相关，但未达到显著水平(r=-0.808)；与开花后耗水量呈极显著正相关，相关系数为0.980；和开花前耗水量与开花后耗水量的比值呈显著负相关，相关系数为-0.919。表明小麦开花后耗水量是影响籽粒产量的主要因素，氮肥基追比为5∶5处理显著提高了此阶段的耗水量，是其籽粒产量最高的主要原因。

表2 耗水来源及其占总耗水量比例Table 2 Source of water consumption and its ratio to total water consumption

表3 小麦开花前耗水量与开花后耗水量以及比例Table 3 Water consumption and post anthesis water consumption and proportion of wheat before anthesis

2.4 不同处理对小麦干物质积累的影响

由表4可知，各处理的开花期干物质积累量间无显著差异。成熟期植株总干物质积累量以N3处理最高，较N1、N2、N4和N5处理分别高9.92%、5.39%、7.75%和12.73%；开花至成熟期干物质积累速率随基肥比例的增加表现为先增加后减小的趋势，以N3处理最高，较N1、N2、N4和N5处理分别高20.97%、8.61%、10.37%和23.81%，差异显著。表明氮肥基追比为5∶5的N3处理有利于小麦干物质积累量和产量提高。

表4 开花期、成熟期干物质积累量和积累强度Table 4 Dry matter accumulation and accumulation intensity at anthesis and maturity

2.5 不同处理对小麦成熟期干物质在各器官中分配的影响

由表5可知，成熟期叶片中干物质量随基肥比例的增加呈先增后减趋势，以N1、N5处理较低，N2、N3、N4处理间无显著差异。N3处理干物质在茎秆、颖壳+穗轴中的积累量均显著高于其他处理；成熟期干物质在籽粒中积累量以N3处理最高，较N1、N2、N4和N5处理分别高11.57%、5.29%、5.75%、16.19%，差异显著。各处理成熟期干物质在叶片、茎秆和籽粒的分配比例无显著差异；颖壳+穗轴中的分配比例在N1、N2、N3处理间无显著差异，均显著高于N4和N5处理。表明氮肥基追比为5∶5时小麦各器官的干物质积累量均最高(叶片除外)。

表5 成熟期干物质在各器官中积累量和分配比例Table 5 Accumulation and proportion of dry matter in various organs at mature stage

2.6 不同处理对水分利用效率的影响

由表6可知，各处理的土壤水利用效率、降水利用效率和总水分利用效率均随基肥比例的增加呈先增后降的趋势，均以N3处理最高。与N1、N2、N4和N5处理相比，N3处理的土壤水利用效率分别高29.10%、18.07%、19.72%和53.59%，降水利用效率高11.59%、5.31%、5.76%和16.21%，总水分利用效率高12.18%、5.65%、12.11%和31.02%，差异均显著。灌水利用效率随基肥比例的增加而逐渐降低。表明氮肥基追比为5∶5较其他处理能更充分地利用土壤水和降水，从而获得了最高的水分利用效率。综合考虑水分利用效率和籽粒产量，N3处理为本试验条件下节水高产的最优处理。

表6 小麦土壤水、降水、灌水利用效率和水分利用效率Table 6 Water use efficiency(WUE) of soil water,precipitation,irrigation and total water kg·hm-2·mm-1

3 讨 论

研究表明，小麦开花后干物质积累量与籽粒产量呈极显著正相关，在同一灌水量条件下，总施氮量为180 kg·hm-2时，开花后干物质积累量和籽粒产量均随基肥比例的增加而降低[15]。总施氮量为200 kg·hm-2时，基追比为10∶0处理的干物质积累量和籽粒产量较6∶4处理分别低7.10%和5.40%[16]。也有研究表明，总施氮量为270 kg·hm-2，基追比为6∶4处理的籽粒产量较4∶6处理高5.48%[17]。本试验在拔节期和开花期将0～40 cm土层土壤相对含水量均补灌至70%，总施氮量为240 kg·hm-2条件下，发现氮肥基追比为5∶5的处理开花至成熟期干物质积累速率、成熟期植株总干物质积累量、籽粒产量均最高。与前人研究结果不尽相同，主要可能因为前人在灌水前未考虑土壤中原有的含水量，而本研究是根据土壤墒情进行补灌至土壤相对含水量达到同一水平，此外，总施氮量和其他生态条件的差异亦会影响结果。

有研究表明，在拔节期和开花期各灌水75 mm，总施氮量为226.5 kg·hm-2，基追施比对土壤水消耗量无显著差异[18]。总施氮量为270 kg·hm-2，氮肥基追比为3∶7处理水分利用效率最大[19]。也有研究认为，施氮量为180 kg·hm-2，氮肥基追比为5∶5处理的耗水量显著高于其他处理，水分利用效率较低[20]。本试验在总施氮量为240 kg·hm-2条件下，氮肥基追比为5∶5的处理土壤水消耗量较低，但对深层土壤水的利用能力强，水分利用效率最高。究其原因，可能因为本研究是在土壤相对含水量均补灌至70%的条件下进行的，而前人多是在灌水量一致的条件下进行，由此造成土壤供水能力不同而导致水分利用的差异；此外土壤质地和地力水平等因素亦会影响水分利用效率。因此，不同土壤质地和地力水平条件下氮肥基追比例对测墒补灌小麦耗水特性和籽粒产量的影响需要更多研究去探索。