不同施氮水平下拔节期灌溉对旱地冬小麦的群体动态、产量及耗水特性的影响

殷修帅,王仕稳,邓西平,4,李雨霖,杨文稼,孙海妮

(1.西北农林科技大学 生命科学学院,陕西 杨凌 712100; 2.西北农林科技大学 资源环境学院,陕西 杨凌 712100; 3.西北农林科技大学 水土保持研究所,陕西 杨凌 712100; 4.中国科学院 水利部 水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 712100)

黄土高原作为我国典型雨养农业区，水、氮是影响该地区小麦产量的两个主要因素。科研工作者做了大量的水肥耦合试验[1-6]，但因地力、种植模式、气候因子等因素影响，不同地区的研究结果也不尽相同。对于底墒较好的地区氮肥效应要大于水分效应[7-10]，但有限的灌溉下，配合适当的养分，将使得水分效应大于养分效应[11-12]。在20世纪80年代，有研究认为限制小麦产量的主要因子是肥[13]，主要通过增施氮肥提高小麦产量。但随着氮肥的持续高量投入，土壤已经出现了不同程度的污染[14-15]，长期过量的肥料施用还会加速土壤水库的耗竭，加剧水分匮乏，影响作物的生长。而目前针对黄土塬区的研究往往采取多次补灌等方式补充土壤水分，总补灌量甚至大于100 mm[16-19]，实际生产中并不利于当地农业生产。为此，针对黄土高原水分紧缺的情况，通过需水关键期少量灌溉研究对小麦的生产则更具有现实意义。有研究指出黄土旱塬区冬小麦最佳施氮量为140～180 kg/hm2，相应的产量是4 157～4 527 kg/hm2[20-21]。以渭北施氮140 kg/hm2，上下浮动20 kg/hm2为适中范围，调查发现，渭北约有64%调查点施肥过量，施氮合理的仅占30%。施肥过量造成地下水硝酸盐含量升高、氮肥农学效率显著下降等问题[22-23]。有研究表明渭北旱塬有着较大的减肥潜力，基于目前产量可减少约37%的氮肥施用量[24]。因此，试验设想能否通过需水关键期少量灌溉，在保证产量不降的情况下减少氮肥施用。试验通过设置水氮二因素，采用低灌水量配合减氮处理，研究限量水氮条件下小麦的群体、产量和耗水特性的变化，以期为小麦栽培中节水减氮提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验采用大田试验方法，于2015—2017年在陕西省长武县中科院水利部水土保持研究所长武试验站进行。试验站位于黄土高原中南部，陕西省长武县洪家乡。海拔1 200 m，年日照时数2 226.5 h，年均气温9.1℃，年均降水578.5 mm，7—9月降水量约占全年降水总量的54%，地下水深埋50～80 m，无霜期171 d，气候属于暖温带半湿润大陆性季风气候，地区是典型旱作农业区。2016年度降雨是413.2 mm，属干旱年。2017年度降雨602.0 mm，属丰水年[25]。两年的逐月降水量如图1所示。

试验地土壤属黑垆土，播前土壤基本养分含量如下：0—20 cm有机质10.5 g/kg，全氮0.8 g/kg，矿质态氮[26-27]4.5 mg/kg(德国AA3流动分析仪测定)，速效磷14.0 mg/kg，速效钾140.0 mg/kg，容重1.3 g/cm3。

图1 2015-2017年逐月降水量

1.2 试验设计

试验小区采取裂区设计。水分处理为主区，氮肥处理为副区。小区面积60 m2(5 m×12 m)。试验在施磷(以纯磷计算)120 kg/hm2的基础上，共设置4个氮水平，施氮量(以纯氮计算)分别是0 kg/hm2、60 kg/hm2、120 kg/hm2、180 kg/hm2。每个氮水平重复三次。水分处理设置2个，分为全生育期不灌溉(N0，N60，N120，N180)和拔节期灌溉30 mm水(N0W，N60W，N120W，N180W)两种处理，每处理重复三次。灌溉采用喷灌方法，通过水表读数和时间控制灌水量和均匀度。

供试品种选用“长旱58”，每年9月30日播种，次年6月30日收获。小麦播种采用人工播种方式，常规平作。播种量为150 kg/hm2，行距22 cm。试验肥料：氮肥是尿素(46%N)，2/3作为基肥施入，1/3作为拔节期追肥。磷肥是过磷酸钙(12%P2O5)，作为基肥一次性施入，其他管理措施同当地农户习惯管理模式。

1.3 测定指标

1.3.1 群体调查 在各小区选取长势均匀的1 m双行样段，在小麦返青、拔节、灌浆、成熟期定点调查群体茎蘖数。

1.3.2 地上生物量 在小麦返青、拔节、灌浆、成熟期每小区不同行选取两个30 cm长势均匀样段，连根拔出，记录株数后去根，80℃烘干称地上生物量。

1.3.3 产量及产量构成要素 小麦成熟时每小区收割代表性测产区块6 m2，记录穗数，风干后称重测产，从测产籽粒中取样测定千粒重。各小区选取30个麦穗进行考种。

1.3.4 土壤储水及耗水量 采用土钻法测定土壤含水率。分别在播前、返青、拔节、灌浆、灌浆末期、成熟期采集0～2 m土样，采集方法是0～1 m深度土样每10 cm取一样本，1～2 m深度土样每20 cm取一样本，采用烘干法计算土壤含水量。土壤含水量、土壤储水量、生育期耗水量、水分利用效率及变异系数计算公式如下：

土壤质量含水量=(土壤鲜重-土壤干重)/土壤干重×100%

土壤储水量E=C×ρ×H×10，其中E是储水量(mm)；C是土壤水分质量分数(g/g)；ρ是土壤容重(g/cm3)；H是土层深度(mm)。

生育期耗水量ET=P+U-R-F-ΔW，式中：ET是耗水量(mm)；P为降水量(mm)；R为径流量(mm)；U为地下水补给量(mm)；F为深层渗漏量(mm)；ΔW为生育时期末土壤贮水量与生育时期初土壤贮水量之差(mm)。试验地区为黑垆土，疏松多孔，再加上试验地平整，地表径流小，地下水深埋在40 m以下，不易上移补给。在有作物生长的农田，多雨年份降水入渗深度不超过2 m，所以F，U，R可忽略不计[28]。因此该公式可化简为：ET=P-ΔW。

水分利用效率WUE=Y/ET，其中WUE是土壤水分利用效率[kg/(hm2·mm)]；Y是籽粒产量(kg)；ET是农田耗水量(mm)[29]。

变异系数C.V=(SD/MN)×100%，其中C.V是变异系数，SD是标准差，MN是平均值。

1.4 数据处理

试验中所得数据均采用Microsoft Excel 2007和IBM SPSS Statistics 20.0进行处理，采用Duncan法进行显著性检验(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同施氮水平下灌溉对小麦群体茎蘖动态的影响

如图2所示，全生育期群体茎蘖数随施氮量增加呈增加趋势，群体茎蘖数均在返青—拔节期达到最大，此后逐渐下降。2015—2017年分别是干旱年和丰水年，相较于N120处理，成熟期N120W的群体茎蘖数分别增加了9.8%和13.0%。同时，补灌降低了0 kg/hm2氮水平下的群体茎蘖数，两年度成熟期群体茎蘖数分别下降20.2%和4.6%。表明合适氮水平下拔节补灌能够显著提高小麦的群体茎蘖数，而在不施氮情况下，补灌则显著降低了群体茎蘖数。而且干旱年拔节补灌对群体茎蘖数的影响要大于丰水年补灌效果。

注：小写字母代表各生育期内不同氮水平之间的差异(p<0.05)。横坐标轴1,2,3,4分别代表返青期—拔节期，拔节期—开花期，开花期—灌浆期，灌浆期—成熟期。

图2不同处理下冬小麦各生育期群体茎蘖动态

2.2 不同施氮水平下小麦茎蘖成穗率

不同处理下两年平均成穗率如表1所示，各处理的茎蘖数均是随着施氮量的增加而增加。在返青—拔节期N120和N180茎蘖数最大且无显著差异。成穗率N60，N120和N180间无差异但均显著大于N0。补灌处理成熟期茎蘖数随施氮量增加而增加，N120W和N180W无显著差异。相较于N120处理，补灌显著提高了N120W成熟期有效穗数和成穗率。同时，相较于N0处理，补灌降低了N0W成熟期茎蘖数和成穗率，但N0W和N0差异不显著。说明拔节期补灌能够增加120 kg/hm2氮水平下的成熟期茎蘖数和成穗率，因N120W和N180W无显著差异，所以补灌可以在保证产量的同时减少氮肥施用量。

表1 不同处理下2015-2017冬小麦茎蘖成穗率

注：表中小写字母代表各生育期内不同氮水平之间的差异(p<0.05)；大写字母代表同一氮梯度下浇水与不浇水间差异(p<0.05)。

2.3 不同施氮水平下灌溉对小麦地上部生物量的影响

干物质积累是产量形成的基础，干物质积累量的多少及转运效率的高低直接影响产量的形成。如图3所示，各处理地上部生物量均呈缓慢、迅速、再缓慢增加的趋势。返青期—拔节期是缓慢增加阶段，各氮处理间差异不大，但均显著大于0 kg/hm2氮水平处理。拔节期—灌浆期是迅速增加阶段，地上部生物量除0 kg/hm2氮水平处理，其他各氮水平间无显著差异。灌浆期—成熟期是缓慢增长阶段，2015—2016年成熟期地上生物量随施氮量的增加而增加。拔节期灌溉的各施氮水平下，成熟期N120W地上生物量最大，较N120处理提高了13.0%；N0W地上生物量最小，较N0处理下降了35.6%。2016—2017年因为成熟期降雨较集中等原因，成熟期各处理地上生物量较灌浆期略有减小。不灌溉各处理从返青到灌浆期与上一年度相同，成熟期N120与N180地上生物量无显著差异。拔节期补灌的各氮水平下，成熟期N120W地上生物量最大，较N120提高了14.6%，N0W地上生物量较N0减少了14.1%。说明拔节期少量补灌一定程度上增加了120 kg/hm2氮水平下的地上生物量，施氮量继续增加至180 kg/hm2时，补灌对地上生物量的增加幅度不显著。

2.4 不同施氮水平下灌溉对冬小麦产量及产量三要素的影响

如表2所示，从产量及其三要素分析，除2016—2017年因为成熟期降雨较多，导致120 kg/hm2和180 kg/hm2氮水平的千粒重下降之外，各处理随施氮量的增加，产量、穗数、穗粒数、千粒重均呈增加趋势。灌溉提高了120 kg/hm2氮水平下的产量，同时降低了0 kg/hm2氮水平的产量。比较N120W和N120及N0W和N0处理发现，灌溉主要通过影响成熟期穗数进而影响产量。从不同年份分析，2015—2017两年分别是干旱年和丰水年，灌溉处理N120W较N120产量分别提高了18.9%和17.6%，N0W较N0产量分别降低了42.4%和25.9%。结果表明在干旱年拔节补灌对产量的影响大于丰水年份。从施氮和灌水单因素方面分析，在同一灌溉条件下产量随施氮量增加而增加，当施氮量大于120 kg/hm2时，产量不再增加。在同一施氮不同灌水处理下，施氮120 kg/hm2时增产幅度最大，产量与施氮180 kg/hm2时无显著差异。综合水氮单因子和交互作用分析，施氮120 kg/hm2水平下拔节补灌30 mm水是最优处理。

2.5 不同施氮水平下灌溉对土壤储水量的影响

小麦各生育期土壤储水的变化如图4所示。从播前到成熟土壤储水呈下降趋势，成熟期土壤储水量最低。2015—2016年播前到返青阶段降雨较为集中，各处理土壤储水量略有增加且无显著差异。返青到灌浆期是作物需水关键期，土壤储水量随施氮量增加下降幅度增大，土壤储水N180=N120

注：小写字母代表各生育期内不同氮水平之间的差异(p<0.05)。横坐标轴1,2,3,4分别代表返青期—拔节期，拔节期—开花期，开花期—灌浆期，灌浆期—成熟期。

图3 不同处理下冬小麦各生育期地上部生物量

注：表中小写字母代表各生育期内不同氮水平之间的差异(p<0.05)；大写字母代表同一氮梯度下浇水与不浇水间差异(p<0.05)；NS表示在0.05水平下差异不显著；**表示在0.01水平上差异显著。

注：横坐标轴1,2,3,4,5,6分别代表播前，返青期，拔节期，灌浆期，灌浆末期，成熟期。

图4不同处理下冬小麦各生育期0～2m土壤储水量

2.6 不同施氮水平灌溉对冬小麦耗水量与水分利用效率的影响

小麦生育期内的总耗水量和水分利用效率如图5所示。两年度总耗水量随施氮量的增加而增加，同一氮水平下补灌处理耗水量增加不显著，而水分利用效率呈先增加后降低的趋势。比较2015—2016年干旱年和2016—2017年丰水年总耗水量和水分利用效率发现，丰水年各氮水平的耗水量显著增加，而水分利用效率显著减小。说明施氮量和总供水量的增加促进了耗水量的增加。水分利用效率随总供水量的增加而减小，随施氮量的增加先增加后降低。一定范围内增施氮肥，能够提高水分利用效率。

注：表中小写字母代表各生育期内不同氮水平之间的差异(p<0.05)；大写字母代表同一氮梯度下浇水与不浇水间差异(p<0.05)；WC1，WC2，WUE1，WUE2分别代表不灌溉处理的耗水量、灌溉处理的耗水量、不灌溉处理的水分利用效率、灌溉处理的水分利用效率。

图5冬小麦耗水量与水分利用效率

3 讨 论

小麦分蘖数是决定产量的重要因素，在生育前期(越冬—返青)保持较优的群体茎蘖数量，生育中期(拔节—孕穗)保持较高的成穗率，是高产的重要基础之一[30]。在小麦需水敏感期缺水将显著影响群体茎蘖数、穗数、穗粒数、千粒重等。拔节期是小麦需水的高峰期，拔节期灌溉是小麦获得较高穗数的基础[31]。有研究指出拔节不灌水处理比灌水处理穗数降低14.6%[32]。本研究发现，各处理的群体茎蘖数在返青—拔节期后逐渐下降，拔节期以后迅速降低。灌溉的各处理群体茎蘖数也随施氮量的增加而增加。灌溉对不同的氮水平下群体茎蘖数影响不同，两年试验结果均表明灌溉能够显著增加N120W的群体茎蘖数，提高了N120W在成熟期的有效穗数，两年度分别增加了9.8%和13.0%。同时，灌溉会显著降低成熟期N0W的群体茎蘖数，降低幅度达到20.2%。说明在黄土高原旱区拔节灌溉30 mm的前提下，施氮120 kg/hm2更有助于小麦高产。

关于施氮水平对小麦地上部形态构建，干物质积累和产量构成的影响前人已经做了大量研究[33-35]。增施氮肥能够促进植株对氮素的吸收，保持较高的成穗率，从而保证产量的提高。小麦地上部生物量随着施氮量的增加而增加。本试验发现，地上生物量随着施氮水平的增加而增加，当施氮大于120 kg/hm2时地上生物量增加不显著。拔节灌溉对不同的施氮处理影响不同，本试验拔节期灌溉显著增加了N120W的地上生物量，但降低了N0W的地上生物量。这可能是由于N0W养分供应不足，根系下扎深度较小，拔节后根系衰退较多，灌溉对表层根系有抑制作用，导致地上生物量降低[36-37]。施氮量大于120 kg/hm2时，继续施氮对小麦增产幅度变小，造成资源的浪费，本试验中施氮120 kg/hm2，拔节灌溉30 mm水时显著增加了地上生物量，提高了水氮利用效率，说明这一灌溉施肥方案具有可持续性。

通过对两年的小麦产量和产量三要素的分析发现，小麦籽粒产量及穗数、穗粒数和千粒重等随着施氮量的增加而增加，施氮量大于120 kg/hm2时产量增加不显著。研究发现，拔节灌溉主要促进了穗数和千粒重的增加，从而促进籽粒产量的增加，尤其在干旱年份灌溉导致的差异更显著。2016—2017年小麦千粒重没有随施氮量增加，甚至随施氮量增加而减小，可能是因为在灌浆末期到籽粒成熟期阶段，降雨过多及光强减弱导致已衰老的小麦根系在氧气稀少的土壤中根系活力迅速下降，小麦提前成熟，加之气温较高，灌浆期缩短，导致千粒重和产量下降[38-39]。

黄土高原地区地下水深埋40 m以下，0～2 m的土壤储水变化一定程度反映作物的水分消耗情况。本研究结果表明，土壤储水量随施氮水平增加下降幅度增大，超过120 kg/hm2时，土壤储水下降不明显，同时，通过对各处理耗水量和水分利用效率分析发现，灌溉后N120W的耗水量没有显著增加，但显著提高了其水分利用效率，同时灌溉导致了N0W的水分利用效率显著下降。以上结果表明，在合适的氮水平下拔节补灌才能够提高水分利用效率，合适的氮水平更有利于对水分的利用，这与前人的研究结论是一致的[40]。本试验研究认为在施氮120 kg/hm2时拔节期补充灌溉为最优处理。因此，在黄土高原少量的补灌条件下，配合适当的氮用量，呈现水分效应大于氮肥效应，能够达到通过少量补灌减少氮肥投入，以提高小麦产量的目的。

4 结 论

本试验在不同施氮水平下分析了拔节期少量补灌对小麦群体动态、地上生物量、产量及水分利用效率的影响。施氮120 kg/hm2条件下拔节期补灌30 mm水群体茎蘖数增幅最大，N120W处理的群体茎蘖数与N180、N180W处理无显著差异且显著大于N120处理。在不施氮条件下补灌则会显著降低群体茎蘖数。补灌效果在干旱年对群体茎蘖数的影响大于丰水年。

各处理地上生物量随生育期的推进逐渐增大，成熟期N120W处理地上生物量最大。继续增加施氮量，补灌对生物量的增加不显著。同时，补灌会导致不施氮处理的地上生物量显著降低。从产量方面分析，干旱年拔节补灌对产量的影响大于丰水年份。在补灌条件下当施氮量大于120 kg/hm2时，产量不再增加。在同一施氮水平下，N120W增产幅度最大，产量与N180和N180W处理无显著差异。两年耗水量和水分利用效率表明，耗水量随施氮量增加略有增加，补灌对生育期总耗水量影响不显著，但丰水年各处理的耗水量显著增加。两年水分利用效率均是随施氮量增大先增加后减小，N120W水分效率最大。综合水氮单因子和交互作用以及黄土高原地区产量形成和土壤水利用情况，本试验在保持产量的条件下N120W是最佳的减氮节水处理。