小麦水氮耦合效应与水肥高效利用研究

李武超，李 磊，王 炜，李晶晶，尹 钧

(1.河南农业大学 国家小麦工程技术研究中心，河南 郑州 450046；2.河南省科技战略研究所，河南 郑州 450000)

我国是世界上缺水严重的国家，农业灌溉水的利用效率极其低下。伴随着全球缺水程度的不断加深，灌溉成本也不断上升[1-4]。由于作物生产中肥料投入数量不断增加，造成作物的水肥投入成本也越来越高。提高水肥利用效率，在保证高产水平下减少水肥投入，是实现小麦高产高效的主要途径。前人研究表明，合理的水氮运筹可以提高小麦旗叶的净光合速率和光合功能持续期[5-6]，增大穗数、穗粒数和千粒质量显著增加作物产量[7]，提高水分利用效率，小麦的需水关键期分布在小麦的生育中后期，通过适宜的水氮运筹可以提高产量及水分利用效率[8-13]。

在一定范围内增加灌水量具有增产效应，但过多灌水会使水分利用率显著降低[14]。返青期进行适当的水分运筹能够兼顾冬小麦产量和蛋白质产量[15-17]。适量施氮可以提高水分利用效率[18]，节水灌溉模式下，水氮间存在显著的互作效应[19]。在一定范围内，随着施氮量的增加，小麦拔节后株间蒸发量显著降低，开花后旗叶水分利用效率显著提高，但是继续增大施氮量，小麦株间蒸发量不再降低，开花后旗叶水分利用效率甚至降低[20-21]。尽管目前有关水氮效应的研究在小麦上已有很多，但是关于水氮合理运筹及对小麦生长发育的影响尚有待进一步研究。

本试验通过盆栽试验，严格控制小麦各生育时期的土壤含水量，区别于传统灌溉次数与灌水量研究，同时利用水氮运筹技术，研究不同水氮条件对小麦光合特性、水分利用效率和产量等的影响，旨在为科学管理小麦水肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验于2015-2016年在河南农业大学科教示范园区(113°39′E，34°43′N)进行。试验处理设置：在返青至拔节期土壤相对含水量55%的基础上，设置拔节至成熟期土壤相对含水量的55%(H1)、65%(H2)、70%(H3)、75%(H4)、85%(H5)5个水分水平；不施氮(施纯氮0 kg/hm2，N0)、施中氮(施纯氮195 kg/hm2，N1)和施高氮(施纯氮270 kg/hm2，N2)3个氮素处理。于10月6日施基肥，磷肥(过磷酸钙)为P2O5180 kg/hm2，钾肥(硫酸钾)为K2O 150 kg/hm2，同时基追比2∶3施尿素，土壤类型为潮土。土壤含有机质14.7 g/kg、全氮0.79 g/kg、碱解氮72.00 mg/kg、速效磷27.80 mg/kg、速效钾130.0 mg/kg。土壤容重为1.53 g/cm3，田间平均最大持水量为21.14%。

将子母盆放置在各小区内坑中，装土13 kg/盆，点播15粒/盆，冬前于三叶期定株，每盆定植长势一致的麦苗5棵；冬后自返青期开始按组合进行水分处理，返青至拔节期隔3 d补水，拔节期至成熟期隔1 d补水，用秤估量，量筒补水使各处理达到目标质量。小麦生长季返青期之前的降水量为155 mm。5月29日完全成熟，分处理收获考种。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 各处理目标质量 采用烘干法测各处理灌水前的土壤含水量及干土质量。目标质量=干土质量×(1+田间持水量×相对含水量)。

1.2.2 耗水量计算 目标质量与当次称得质量之差为耗水量。为方便记录，用耗水量与盆栽表面积之商，即毫米数表示。

1.2.3 灌浆速率计算 自花后15 d开始，每7 d取一次籽粒，取主茎穗子，每个处理3次重复，共进行4次，用烘干法测籽粒干质量。灌浆速率=(Mj-Mi)/a，其中，Mj为当次测量的籽粒质量，Mi为前一次测量的籽粒质量，a为2次取样间隔天数。

1.2.4 光合参数测定 于花后10 d开始，使用美国产Li-6400光合仪测旗叶净光合速率。Pn(μmol/(m2·s))、蒸腾速率Tr mmol/(m2·s))和气孔导度Gs(mmol/(m2·s))，7 d一次，取整盆的主茎旗叶中部，每个处理3次重复，共进行3次。

1.2.5 籽粒产量测定 每盆小麦全收，考种；自然风干至籽粒含水率为12.5%，计算籽粒产量。

耗水系数=耗水量/产量；水分利用效率=干物质量/蒸腾量；氮肥偏生产力=产量/施氮量；氮肥农学利用率=(施氮处理的产量-不施氮处理的产量)/施氮量。

1.3 数据分析

用Microsoft Excel 整理数据，用SPSS 17进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 水氮运筹对小麦水肥利用效率的影响

研究结果表明(表1)，在5个水分处理中，H2处理的水分利用效率、氮肥农学利用率最高，显著高于H1、H4、H5，耗水系数最低；H3处理的产量最高，显著高于H1、H2处理，与H4和H5处理之间差异不显著。说明在土壤相对含水量70%时的小麦产量最高，而65%条件下水肥利用效率最高。

在施中氮条件下，产量、氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率均最高，且显著高于其他2个处理，耗水系数显著低于不施氮和施高氮处理，水分利用效率最高，显著高于施高氮处理，与不施氮处理间差异不显著。说明施纯氮195 kg/hm2可显著提高小麦的产量和水肥利用效率。

表1 不同处理小麦产量和水肥利用效率比较Tab.1 Comparison of wheat yield and water-fertilizer utilization efficiency under different treatment

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)；大写字母表示差异极显著(P<0.01)。表2-4、图1-3同。

Note：Different small letters are significant difference(P<0.05)；Capital letters are extremely significant difference(P<0.01).The same as Tab.2-4，Fig.1-3.

进一步分析水氮耦合的组合效应表明(表2)，在所有15个处理组合中，H2N1和H3N1组合的产量、氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率最高，且显著高于其他组合；H2N1组合的水分利用效率最高，为1.90 g/kg，H3N1组合为1.71 g/kg，2个组合的耗水系数均低于1 580 kg/kg，氮肥偏生产力均高于15.10 kg/kg，氮肥农学利用率均高于7.50 kg/kg，且彼此间差异不显著，其中，氮肥偏生产力和氮肥农学利用率显著高于其他处理。说明土壤相对含水量65%～70%与纯氮195 kg/hm2的组合是高产高效水氮组合。同时表明水氮两因素之间存在交互效应，且交互效应对产量、水分利用效率、耗水系数、氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率的影响达到极显著水平。

表2 不同处理组合小麦产量和水肥利用效率比较Tab.2 Comparison of wheat yield and water-fertilizer use efficiency under different treatment combinations

注：W×N代表水氮两因素交互作用。

Note: W×N stands for the interaction effect between water and nitrogen.

2.2 水氮运筹对小麦灌浆速率的影响

图1结果表明，N1处理的小麦灌浆速率在整个灌浆过程中总体高于N0和N2处理；平均灌浆速率以H2 和H3较高，比其他处理高出15%～64%。N1处理条件下，H2 和H3处理在花后29 d以前的灌浆速率均高于其他3个处理，15，22，29 d灌浆速率分别达到2.8，2.1，1.2 g/d，而其他3个处理分别低于2.3，1.7，1.0 g/d。H2和H3的灌浆速率显著高于其他处理，说明H2N1和H3N1处理能有效提高小麦灌浆速率，有效佐证了H2N1和H3N1是小麦获得高产高效的最佳组合。

图1 不同处理组合小麦灌浆速率比较Fig.1 Comparison of wheat grain filling rate under different treatment combinations

2.3 水氮运筹对小麦灌浆期旗叶净光合速率的影响

进一步分析小麦灌浆期旗叶的净光合速率结果表明(图2)，N0处理在花后24 d丧失光合能力。N1处理的小麦灌浆期旗叶净光合速率总体高于N0和N2处理，其中花后10 d和17 d，H2和H3的旗叶净光合速率最高，分别达到24.5，22.2 μmol/(m2·s)以上，显著高于其他水分处理；花后24 d旗叶净光合速率明显降低，但H2和H3净光合速率仍在5.0 μmol/(m2·s)以上。结果说明，N1处理能明显提高小麦灌浆期旗叶净光合速率，H2N1和H3N1是提高小麦灌浆期旗叶净光合速率优化组合，也是提高灌浆速率和产量的物质基础。

图2 不同处理组合小麦灌浆期旗叶净光合速率比较Fig.2 Comparison of wheat flag leaf net photosynthetic rate under different treatment combinations at grain filling stage

2.4 不同处理下小麦各时期耗水量变化

为明确不同处理下小麦耗水的动态变化，分析了不同处理下小麦各时期耗水量。结果表明(表3)，小麦耗水量随着土壤含水量的增加而增大，阶段耗水百分比也随之加大。在拔节至开花期耗水量及耗水比顺序为H1

表3结果还表明，耗水量随着施氮量的增加而增大。在拔节至开花期，N2显著高于N0；开花至成熟期和总耗水量N2和N1显著高于N0。

表3 不同处理小麦耗水量及耗水比差异Tab.3 Difference between wheat water consumption and percentage under different treatment

进一步分析不同水氮组合的耗水量变化表明(表4)，耗水量有随土壤含水量和施氮量的增加而增大的趋势。在拔节至开花期，H1和H2条件下各处理(H2N2除外)耗水量均显著低于H4和H5的各处理组合，H3N1和H3N2的耗水量与H4和H5条件下各处理之间差异不显著；在开花至成熟期，施氮条件下H1和H2各处理组合(H2N2除外)的耗水量均显著低于H4和H5各处理组合。表明减少灌溉与氮素施用能有效降低水分消耗，提高水分利用效率。

表4 不同处理组合小麦耗水量及耗水比差异Tab.4 Difference between wheat water consumption and percentage under different treatment combinations

2.5 不同水肥处理对小麦灌浆期旗叶蒸腾速率的影响

麦田水分消耗包括地面蒸发与叶面蒸腾，叶面蒸腾速率是水分有效利用的重要指标，进一步分析小麦灌浆期旗叶的蒸腾速率表明(图3)，N0处理在花后24 d不再进行蒸腾作用，N1处理的小麦灌浆期旗叶蒸腾速率总体高于N0和N2处理，其中，在花后10 d和24 d显著高于N0和N2处理；N1处理条件下，花后10 d H2的旗叶蒸腾速率最高，达到11.85 mmol/(m2·s)，H3次之，为11.14 mmol/(m2·s)，二者间差异不显著；花后17 d和24 d H2和H3的旗叶蒸腾速率均高于其他处理，达到显著水平。结果说明N1处理能明显提高小麦灌浆期旗叶蒸腾速率，H2N1和H3N1组合是提高小麦灌浆期旗叶蒸腾速率优化组合。蒸腾速率代表小麦的有效耗水状况，蒸腾速率越高表示小麦总耗水量中的有效耗水越多。因此，H2N1和H3N1组合的旗叶蒸腾速率高，是H2N1和H3N1组合获得较高水肥利用效率和产量的有效佐证。

图3 不同处理组合小麦灌浆期旗叶蒸腾速率比较Fig.3 Comparison of wheat flag leaf transpiration rate under different treatment combinations at grain filling stage

3 结论与讨论

小麦产量和水分、养分利用效率是衡量小麦高产性和高效性的主要指标，适宜的水氮运筹能抑制地上部生长和促进地下部生长，提升根系水分利用潜力，同时有利于群体冠层的发育，为后期籽粒灌浆提供物质基础，增加有效利用，减少无效消耗，提高水分、养分利用效率，增加产量[18，22-25]。本试验结果表明，氮肥对产量、耗水系数和肥料利用效率的影响极显著，水氮之间的交互效应达到极显著水平。适宜的水分调控与合理施氮都能够改善旗叶的光合能力。增施氮肥能够延长旗叶净光合速率的上升时间，在整个灌浆时期内，净光合速率以施中氮和土壤相对含水量为65%～70%较高，这与灌浆速率相一致，也是H2N1和H3N1取得较高产量的重要基础。

小麦的有效耗水状况可以用蒸腾速率来表征，一般认为，蒸腾速率越高则小麦的有效耗水在总耗水量中的量和比例越大，同时也代表着较大的光合强度。本研究结果表明，尽管小麦耗水量随着土壤含水量和施氮量的增大而增大，但是中氮条件下小麦灌浆期旗叶蒸腾速率高于不施氮和施高氮处理，花后15 d H2和花后22 d H3处理的旗叶蒸腾速率显著高于其他3个处理，这也说明H2N1和H3N1组合是小麦获得较高的水肥利用效率和产量的优势组合。

植物水分利用效率一直是研究中比较关注的问题，了解植物的水分利用效率可以掌握植物生存策略，最终可以控制有限的水资源来获得最高的产量和经济效益。而在小麦的生产实践当中，重视水和氮的合理利用，实现水与肥的高效与节约始终是重要目标。H2N1和H3N1处理组合的水分利用效率、产量、氮肥偏生产力和农学利用高于其他处理，达到显著水平，H2N1高于H3N1，但是差异不显著。因此认为，田间相对含水量控制在65%～70%，配合195 kg/hm2的施肥量是小麦取得高产和高水肥利用效率的最优组合。

本研究结果表明，在小麦中后期控制田间相对含水量在65%～70%，是实现小麦高产高效的最适土壤相对含水量指标。在土壤全氮0.79 g/kg、碱解氮72.00 mg/kg条件下，氮肥施用量195 kg/hm2，或根据土壤养分状况变化，适当调整氮肥使用量，可达到水氮耦合的最佳效果，实现小麦生产的高产高效。