微喷灌水肥一体化小麦磷钾肥减施稳产提质研究

张 晶,党建友,张定一,王姣爱,裴雪霞,姬虎太,闫翠萍,程麦凤

(山西省农业科学院小麦研究所，山西 临汾 041000)

山西省属典型的大陆性季风气候区，十年九旱，旱涝交错。全省多年平均降水量508.8 mm，而小麦生育期降水仅满足总耗水量的25%～30%，其余需要通过灌溉来满足高产的需求，传统的灌溉方式的水分利用效率平均仅为45%，严峻的自然形势制约灌溉农业的发展[1-3]。微喷灌是近年来国内外在总结喷灌与滴灌的基础上，以类似于降雨的方式来补充作物所需要的水分，水分通过作物冠层进入根系，而此过程对作物的生长发育具有十分重要的作用，不但可以提高作物产量，而且节水效果明显[4-9]。近年来我国过量施用化肥现象普遍，导致肥料利用率偏低，不仅没有促进作物增产，还造成了严重的环境污染，不利于农业可持续发展[10-12]。山西省以石灰性土壤为主，成土母质中主要含钾矿物长石，一般具有较高或中等偏高的供钾水平。磷肥是植物生长发育所需的大量营养元素之一，在提高作物产量方面起着重要的作用，而土壤对磷有极强的固定吸附能力，导致磷肥当季利用率仅有10%～25%[13-16]。采用水肥一体化技术能将溶解后的肥料直接输送到小麦根系最集中的部位，促进根系对肥料的吸收。因此，通过微喷灌水肥一体化方式，将传统的灌水施肥量进行适度减量，提高水肥利用效率，是实现节水节肥栽培的重要途径。本研究在微喷灌水肥一体化条件下研究了磷钾肥减施及追施时间对小麦生长发育、水分利用效率及品质的影响，为山西省微喷灌水肥一体化条件下实现小麦节水节肥、稳产提质提供适宜的肥料用量、比例及施用时间。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2015～2017年在山西省农业科学院小麦研究所韩村试验基地(N36°08.754′、E111°34.517′，海拔441 m)同一块试验田连续进行，试验田0～20 cm土层土壤肥力为有机质10.15 g/kg，碱解氮48.36 mg/kg，有效磷13.91 mg/kg，速效钾133 mg/kg。连续2年试验数据趋势基本一致，本文以2016～2017年试验数据进行分析。小麦生育期降水量188.7 mm，玉米秸秆还田后旋耕两遍播种，播量187.5 kg/hm2，10月8日播种，小区面积40 m×2.3 m=92 m2，每个处理3次重复，各区宽2.3 m，长40 m，等行距种植12行小麦，自边行向内数，均在第6行与第7行之间沿小麦种植行向铺设一条微喷带。微喷带进水端装有压力表、水表和闸阀，进水端水压力为0.02 MPa。微喷带采用每组5孔单列斜布置，喷孔孔径均0.8 mm。供试品种为良星99。

试验设灌水和施肥处理：施纯N 225 kg/hm2，施用方式为底施70%+30%拔节期追施；磷钾肥设常规施肥量和减量30%，施用方式为钾肥全部底施，磷肥设100%底施(P底)、50%底施+50%冬前追施(P底+冬)、50%底施+50%拔节期(P底+拔)追施3个处理。CK:常规施肥量，漫灌，越冬水+拔节水，灌水量：900+1 200=2 100 m3/hm2。氮肥为尿素(N 46%)、磷肥为磷酸二铵(N 18%、P2O546%)、钾肥为氯化钾(K2O 60%)，底肥和CK处理追肥采用撒施，其他处理的追肥均采用水肥一体化施入(表1)。

表1 试验设计

1.2 测定项目与方法

1.2.1 小麦分蘖数测定

三叶期前，每个小区内分别固定2个1 m2样方，调查基本苗，越冬期和拔节期的茎蘖数。

1.2.2 干物质积累与分配

于小麦开花和成熟期按叶片、茎+叶鞘、颖壳+穗轴、籽粒分样，105℃杀青0.5 h,75℃烘至恒重，称干重。相关计算公式[17]如下：

营养器官开花前贮藏干物质转运量=开花期干重-成熟期干重(除籽粒外)；

营养器官开花前贮藏干物质转运率(%)=(开花前干重-成熟期干重)/开花期干重×100；

开花后干物质输入籽粒量=成熟期籽粒干重-营养器官花前贮藏干物质转运量；

对籽粒产量的贡献率(%)=开花前营养器官贮藏干物质转运量/成熟期籽粒干重×100。

1.2.3 土壤含水量

播种和收获当天测定0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土层土壤含水量。土层贮水量计算公式[3]为：

W=w×ρs×h×0.1

式中：W为土层贮水量(mm)；w为土层含水量(%)；ρs为土壤容重(g/cm3)；h为土层厚度(cm)；0.1为单位换算系数。

田间总耗水量(mm)=播种时土壤贮水量+生育期灌水量+有效降水量-收获期土壤贮水量

籽粒水分生产率(kg/mm)=籽粒产量/田间总耗水量

1.2.4 产量和产量构成因素

收获当天在各小区2个调查样方中的1个内随机拔取行长20 cm全部植株，随机取5株，去除穗粒数小于5粒穗数后，准确计有效成穗数，并调查每穗粒数，求平均值为穗粒数；各处理收获2个未取样调查样方外，再随机取3个1.0 m2，脱粒，风干后称重；取500粒称重，换算成千粒重，2次重复(重复间相差≤0.5 g)，80℃下烘至恒重，计算籽粒风干含水率，按13%含水率计算千粒重和产量。

1.2.5 品质测试

瑞士波通DA7 200型近红外分析仪测定小麦籽粒容重、吸水率、沉降值、形成时间和稳定时间。

1.3 数据处理

试验数据用Excel 2003和DPS 15.10软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 常量施肥和磷钾肥减施的微喷灌小麦分蘖

由表2可知，越冬前灌水量一致，磷钾肥减施对总茎数和单株茎数影响较小。拔节期磷钾肥减施对总茎数和单株分蘖数有显著影响，W1(越冬水+拔节水+灌浆水)和 W2(越冬水+拔节水+开花水+灌浆水)均表现为P底+拔K(磷肥50%底施+50%拔节期追施)>P底K(100%底施)>P底+冬K(50%底施+50%冬前追施)。常量施肥处理灌水次数对总茎数和单株分蘖数影响较小。

表2 常量施肥和磷、钾肥减施的微喷灌小麦分蘖

注：同列数据后不同小写字母表示不同处理间差异达到5%显著水平。下同。

2.2 常量施肥和磷、钾肥减施的微喷灌小麦干物质积累与分配

2.2.1 成熟期干物质在不同器官中的分配

由表3可知，成熟期干物质的分配量和比例依次为籽粒>茎秆>叶片>颖壳+穗轴。磷钾肥减施处理W1对干物质的积累和分配的影响大于W2，W1各器官的分配均表现为P底+拔K>P底K>P底+冬K，W2籽粒分配量为P底+拔K>P底K>P底+冬K，其余器官无显著差异。常量施肥处理灌水对各器官分配及比例有显著影响。磷钾肥减施条件下，生育期灌水3次(越冬水+拔节水+灌浆水)，磷肥50%底施+50%拔节期追施籽粒分配量及比例最高。

2.2.2 开花后营养器官干物质再分配及其籽粒贡献率

由表4可知，减量施肥和常量施肥W1均表现为开花前贮藏干物质转运率对籽粒的贡献率为P底+冬K>P底K> P底+拔K，而开花后干物质积累量和开花后干物质积累量对籽粒的贡献率则相反。减量施肥W2开花前贮藏干物质转运率对籽粒的贡献率表现为P底K> P底+冬K> P底+拔K，开花后干物质积累量和开花后干物质积累量对籽粒的贡献率为P底+拔K>P底+冬K>P底K，常量施肥则相反。减量施肥条件下，生育期灌水3次，磷肥50%底施+50%拔节期追施开花后干物质积累量对籽粒的贡献率最高。

表3 常量施肥和磷、钾肥减施的微喷灌小麦成熟期干物质在不同器官中的分配

表4 常量施肥和磷、钾肥减施的微喷灌小麦开花后营养器官干物质积累量和干物质再分配量

2.3 常量施肥和磷、钾肥减施的微喷灌小麦水分利用效率

由表5可知，播种时各处理土壤贮水量基本一致。两种灌水模式下常量施肥和减量施肥处理的水分利用效率表现均为P底+拔K>P底K>P底+冬K。其中W1减量施肥处理P底+拔K水分利用效率最高，达27.72 kg/mm，其原因可能是灌越冬水起到了塌实耕层土壤的作用，拔节期增量灌水更能满足小麦后期生长的需要。

2.4 常量施肥和磷、钾肥减施的微喷灌小麦产量及构成

由表6可知，减量施肥下灌水次数对产量及其构成均有显著差异，而常量施肥下灌水次数仅对千粒重和产量有显著影响。磷钾肥减量和常量施肥W1处理中成穗数和穗粒数差异不显著，千粒重和产量差异达显著水平，均表现为磷肥50%底施+50%拔节期追施最高，且减量施肥处理千粒重和产量大于常量施肥，其中千粒重差异显著。减量施肥W2中磷肥50%底施+50%拔节期追施产量及其构成均最高。千粒重和产量均表现为P底+拔K>P底K>P底+冬K。减量施肥条件下，生育期灌水3次(越冬水+拔节水+灌浆水)，磷肥50%底施+50%拔节期追施产量最高，增产主要与千粒重有关。

表5 常量施肥和磷、钾肥减施的微喷灌小麦水分利用效率

表6 常量施肥和磷、钾肥减施的微喷灌小麦产量及构成

2.5 常量施肥和磷、钾肥减施的微喷灌小麦品质

由表7可知，灌水量一致的条件下，灌水次数、磷钾肥减量和常量施肥对小麦品质指标影响较小， CK的各项品质指标均最低。减量施肥条件下，W1和W2处理稳定时间、形成时间、沉降值及容重均表现为P底K>P底+冬K> P底+拔K，除W2减量施肥处理中P底+拔K形成时间与P底K差异显著外，其余处理间差异不显著。稳定时间、形成时间及沉降值以W1常量施肥 P底+冬K较高。

表7 常量施肥和磷钾肥减施的微喷灌小麦品质

3 结论与讨论

越冬前灌水量一致，磷钾肥减施下总茎数和单株茎数无显著变化，这说明磷钾肥减量底施对小麦越冬前总茎数和分蘖数影响较小，可能是因为从分蘖到越冬是小麦群体发展较快的时期，吸收氮肥较多，对磷、钾的吸收一般随小麦生长的推移而逐渐增多，拔节以后急剧增长[18]，而本研究的氮肥未做减量设计，磷、钾肥减施30%可以满足小麦越冬前养分需求。拔节期磷钾肥减施处理对总茎数和单株分蘖数有显著影响，灌3水(越冬水+拔节水+灌浆水)和4水(越冬水+拔节水+开花水+灌浆水W1和 W2)均表现为P底+拔K(磷肥50%底施+50%拔节期追施)>P底K(100%底施)>P底+冬K(50%底施+50%冬前追施)。小麦成熟期磷钾肥减施灌3水对干物质的积累和分配影响大于灌4水，但籽粒分配量均为P底+拔K>P底K>P底+冬K，开花后干物质积累量和开花后干物质积累量对籽粒的贡献率均以P底+拔K最高，说明P底+拔K提高了花后干物质的积累能力，增加了籽粒中来自开花后干物质的比例，成熟期籽粒分配量高，是获得高产的生理基础。

磷钾肥减施条件下生育期灌3水，磷肥50%底施+50%拔节期追施产量最高，其次是灌4水，磷肥50%底施+50%拔节期追施，增产主要与千粒重有关，这与赵亚南等[11]、雷均杰等[19]、胡雨彤等[20]、候芳芳等[21]研究结果一致，可能是因为适宜的灌溉量和施肥量主要通过花后干物质转运量、转运率及其籽粒的贡献增加进而促进籽粒灌浆。生育期灌3或4水，磷钾肥减施磷肥50%底施+50%拔节期追施产量较高且与常量施肥高产处理差异不显著，说明此模式下减量施肥对小麦产量没有显著影响，产量构成因子中穗数和穗粒数没有显著变化，千粒重有增加趋势。有研究表明，磷在土壤中极易被固定，土壤中横纵向迁移距离不会超过5 cm，导致磷肥的当季利用率偏低[22]。本研究用微喷灌水肥一体化施磷肥方式，有利于磷肥垂直向下扩散，促进小麦对磷素的吸收利用，同时提高了水分利用效率。结果表明，底施70%氮肥+50%磷肥+100%钾肥可以为小麦苗期提供足够的磷养分，为小麦分蘖打好基础，磷肥对小花和花粉粒的形成发育以及籽粒灌浆有明显的作用，因此小麦拔节期喷施磷肥可以及时供应磷素，促进籽粒灌浆。灌水量一致的条件下，灌水次数、磷钾肥减量和常量施肥对小麦品质指标影响较小，对照各项品质指标均最低。这可能是由于灌水是影响小麦品质的重要因素，增加灌水，尤其是小麦生育后期增加灌水或土壤渍水会引起籽粒品质变劣，过多的灌溉量会缩短面团形成时间和稳定时间[23-25]。而本研究对照灌溉方式为漫灌，灌溉量为2 100 m3/hm2，较微喷灌灌水量高600 m3/hm2，这可能是其品质变劣的主要原因。

综合结果表明，与传统栽培模式及微喷灌常量施肥相比，生育期灌水3次(越冬水+拔节水+灌浆水)，灌水量1 500 m3/hm2，氮肥70%底施+30%拔节期追施、钾肥减30%全部底施、磷肥减30%且50%底施+50%拔节期追施能够有效提高水分利用效率及开花后干物质积累量和开花后干物质积累量对籽粒的贡献率，千粒重增加进而产量有增加趋势，品质较当地传统栽培模式有所提高，从而实现了节水节肥、稳产提质。