水分亏缺和施氮对春小麦生长和水氮利用的影响

闻 磊，张富仓，邹海洋, 陆军胜，郭金金，薛占琪

(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100)

甘肃河西内陆河灌区是甘肃省主要产粮区，该地区大部分处于干旱或极度干旱区，多年平均降雨量(139.2 mm)远小于多年平均蒸发量(1 614.6 mm)，水资源短缺是制约该地区农业可持续发展的主要因素。目前在河西地区，春小麦农田灌水施肥方式仍以大水漫灌和土壤撒施肥料为主，这种灌溉和施肥方式导致农田水肥流失严重和水肥利用效率低下，使农田生态环境日益恶化，严重影响了绿洲农业的可持续发展。改善灌溉、施肥方式，提高作物的水肥综合利用效率是解决该地区作物高效生产的关键所在。滴灌是目前干旱缺水地区最有效节水的灌溉方式之一，具有节水节肥、保持土壤结构、改善作物品质、大幅提高作物产量等诸多优点[1]。

近年来，国内外学者在水分亏缺对春小麦的生长和水肥利用影响方面进行了大量研究。研究表明，在作物的某些生育时期实施亏缺灌溉既能满足作物生理代谢需水要求，又能提高作物的抗逆性，诱导作物产生吸水补偿效应，显著增加作物的水分利用效率[2-3]；并且生育期适宜的土壤水分亏缺和施氮量有利于春小麦生长、干物质积累及其向籽粒转运，进而提高产量[4-5]；进一步研究发现，冬小麦对水分亏缺的敏感期为拔节期，其次为开花期、灌浆期和苗期；而水分亏缺对冬小麦灌浆期的影响主要表现为缩短了灌浆总持续期以及渐增期、快增期、慢增期3个阶段灌浆持续期[6-7]，随着亏水程度的加重，小麦灌浆持续期的缩短程度加重，因而水分亏缺不仅影响灌浆过程，还影响产量因子，进而影响最终产量。也有学者认为，水分亏缺条件下，氮肥对冬小麦植株生长和干物质积累具有明显的调节效应[5]。因此，在生产实践中必须将水分调亏与合理施肥相结合，首先要确定合适的亏水阶段和适宜的亏水程度，其次要确定调亏灌溉条件下适宜的施氮水平和施氮方式，以达到优质、高产协调统一的目的。这也说明研究不同施氮水平下不同生育时期的水分亏缺对春小麦的生长、产量和水肥利用的影响，探索适于春小麦生长适宜的施氮水平和灌溉制度，对春小麦节水节肥高效生产具有重大意义。

以往对于亏缺灌溉和施肥的研究，较多集中在盆栽条件下或某一生育时期亏缺灌溉、施肥等单因素对于作物生长和产量的影响，而对不同生育时期水分亏缺及与氮肥的互作对大田作物的生长、产量和水肥利用的影响鲜有报道。本试验采用滴灌施肥技术，研究了不同生育时期水分亏缺和施氮对河西地区大田春小麦的生长、产量、水分利用效率和氮肥偏生产力的影响，以期为优化灌溉决策及实现河西地区春小麦的节水节肥、高效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区基本概况

试验于2017年在中国农业大学石羊河流域农业与生态节水试验站(37°50′N、102°51′E)进行。试验站位于甘肃省武威市，地处腾格里沙漠边缘，属于典型的大陆性温带干旱气候，具有丰富的光热资源。该地区年平均气温8 ℃，年平均积温3 550 ℃，年平均日照时数3 000 h左右，年均降水量不足200 mm，年平均蒸发量2 000 mm。试验地土质为灰钙质轻砂壤土，田间持水率30.6%(体积含水率)，土壤容重1.50 g·cm-3。

1.2 试验设计与方法

以当地春小麦主栽品种永良4号为试验材料，于2017年3月27日人工15 cm等行距播种，2017年7月25日收获。试验设置水分和施氮量两个因素，其中水分设4个水平[苗期-拔节期亏水(W1:土壤含水率下限为55%的田间持水率)、孕穗期-开花期亏水(W2：土壤含水率下限为60%的田间持水率)、灌浆期-成熟期亏水(W3：土壤含水率下限为55%的田间持水率)、全生育期不亏水处理(W4：三个生育阶段土壤含水率下限分别为70%、70%和65%的田间持水率，对照)]，苗期-拔节期、孕穗期-成熟期的计划湿润层深度分别为40和60 cm，当土壤含水率达到控制下限开始灌水，灌至上限，所有灌水处理的上限均为100%的田间持水率，不同处理的土壤含水率控制下限具体见表1；施氮量设120、180和240 kg·hm-2三个水平，分别用N1、N2和N3表示。试验共12个处理，设3个重复，小区面积25 m2(5 m×5 m)，采用随机区组排列。

苗期、孕穗期、开花期和灌浆期的施氮量分别占总施氮量的20%、30%、30%和20%。试验中氮肥选用尿素(N：46%)，钾肥选用硫酸钾镁(K2O：52%)，磷肥选用磷酸二铵(P2O5：46%)，磷肥和钾肥在播前一次性施入土壤中，施用量均为90 kg·hm-2。滴灌带配置采用“一管四行”，即一条滴灌带控制4行小麦，在第2行和第3行中间铺设滴灌带，滴灌带的滴头流量为3 L·h-1，并使用水表精确控制每次灌溉量，整个生育期施肥4次，其他各项管理与大田生产相同。

表1 河西地区春小麦灌溉和施氮处理的试验方案Table 1 Treatment of irrigation and nitrogen rate for spring wheat in Hexi region

1.3 测定项目与方法

1.3.1 灌水量的计算

土壤含水率采用土钻取土烘干法测定，灌水量计算公式如下：

M=10×γ×H×(100%[θi-θj)]

(1)

式中，M为灌水量(mm)，γ为土壤容重(g·cm-3)，H为计划湿润层深度(cm)，θi为田间持水率，θj为测定土壤含水率。

1.3.2 生长指标的测定

株高：在苗期、拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期、成熟期6个生育时期，每个小区连续选取长势一致的5株小麦，用卷尺测定株高。

叶面积指数：在苗期、拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期、成熟期，每个小区随机选取3个点，利用SUNSCAN冠层分析仪测定叶面积指数。

干物质积累：在苗期、拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期、成熟期，每个小区连续选取20株能够代表该小区平均长势的完整植株，置于105 ℃的烘箱中杀青30 min，75 ℃条件下烘干至恒重，冷却至常温称重，计算每公顷干物积累量。

1.3.3 产量测定

在成熟期每个小区选取1 m2代表性样点，脱粒考种测产，然后烘干重，折算成公顷产量。

水分利用效率(WUE)、灌溉水利用效率(IWUE)和氮肥偏生产力(NFP)计算式分别为：

WUE=Y/ET

(2)

IWUE=Y/I

(3)

NFP=Y/T

(4)

式中，Y为作物产量(kg·hm-2)，ET为全生育期耗水量(mm)，I为全生育期总灌水量(mm)，T为全生育期总施氮量(kg·hm-2)。

1.3.4 土壤贮水量和农田耗水量[10]的计算

土壤贮水量：在不同生育期采用取土烘干法测定0～100 cm土层的土壤含水率，每20 cm 为一层，降水后及灌溉前后加测一次，计算土壤贮水量的变化ΔW：

(5)

式中，i为土层编号，n为总土层数，γi为土壤干容重(g·cm-3)，Hi为土层厚度(cm)；θi1和θi2分别为阶段初和阶段末的土壤质量含水率。

农田耗水量：试验区地下水埋深40～50 m，由于滴灌条件下每次灌水量较少，渗漏量可以忽略；该地区属温带大陆性干旱区，常年高温少雨，地表径流量也可以忽略，因此农田水量平衡方程为：

ET=Pr+I+ΔW

(6)

式中，ET为农田耗水量(mm)，Pr为降雨量(mm)，I为灌溉量(mm)。

1.4 数据处理

采用Excel 2016进行数据整理，用SPSS 20对数据进行方差分析，并用Origin 9.0绘图。

2 结果与分析

2.1 水分亏缺和施氮对春小麦生长的影响

2.1.1 水分亏缺和施氮对春小麦株高的影响

灌水量和施氮量对春小麦株高和叶面积指数均有极显著影响(P<0.01)。不同水氮条件下，春小麦的株高随着生育进程的推进逐渐增加(表2)。从水分效应看，在苗期-拔节期，小麦株高增加最快，平均增长量为24.4 cm，且W1与其他水分条件间有显著差异，W1的株高较W4降低了5.0%～19.8%；苗期-拔节期小麦对水分要求较大，增加灌水量有利于植株的生长；在孕穗期-开花期，株高增长减缓，W1和W2的株高较W4分别降低了4.6%～8.5%和3.7%～5.5%；在灌浆-成熟期，W4的株高最大，分别比W1和W2提高了6.7%～10.0%和2.0%～5.1%，W3与W4间没有显著差异。这说明苗期-拔节期水分亏缺对于春小麦的株高有显著的抑制作用，灌浆期-成熟期水分亏缺对株高的影响与充分供水的W4没有显著差异。在灌水量相同时，N2的平均株高比N1和N3高14.8%和5.3%，说明少量施氮不利于春小麦株高的增长，过量施氮也会抑制株高的增长。

表2 水分亏缺和施氮对春小麦株高的影响Table 2 Effect of water deficit and nitrogen rate on plant height of spring wheat cm

同列不同字母表示处理间存在显著性差异。表3和表4同。

Different letters in the same column indicate significant differences among the treatments at 0.05 level. The same in tables 3 and 4.

2.1.2 水分亏缺和施氮对春小麦叶面积指数的影响

春小麦的叶面积指数随着生育期的推进，呈先升后降的趋势，在孕穗期达到最大值(表3)。在相同水分条件下，春小麦的叶面积指数随着施氮量的增加呈先增后减的趋势，N1、N2和N3条件下春小麦的平均叶面积指数分别为1.15、2.33和1.80。在相同施氮水平下，在苗期-拔节期，W1的叶面积指数增长较慢，复水后一直低于W4，W1的叶面积指数较W4降低了25.55%～43.82%。抽穗期-开花期的水分亏缺对叶面积指数也产生了一定影响，复水后叶面积指数逐渐升高，W2较W4增长了16.58%～27.13%。在灌浆期-成熟期，W1、W2、W3、W4的叶面积指数分别下降了34.5%、24.6%、28.8%、25.3%，说明该阶段的亏水处理会加剧叶片的衰老。

2.2 水分亏缺和施氮对春小麦干物质积累的影响

从图1可以看出，春小麦干物质积累随着施氮量的增加呈先增后减的趋势。施氮120～180 kg·hm-2能够促进小麦的生长，施氮240 kg·hm-2则抑制春小麦的生长，导致干物质积累量下降；N2的干物质积累量最高，可达18 994 kg·hm-2，比N1和N3的最大干物质积累量分别高17.7%和30.1%。在拔节后期，W1的干物质积累量较W4降低了4.9%～31.9%，复水后一直低于其他处理；在孕穗-开花期和灌浆-成熟期W1的干物质积累量较W4分别降低12.6%～18.4%和12.3%～22.9%；在灌浆-成熟期，W3的干物质积累量较W4降低了17.5%～43.6%。总体上干物质积累量表现为N2>N3>N1，W2>W4>W3>W1；在所有处理中N2W2处理最有利于春小麦的干物质积累。

表3 水分亏缺和施氮对春小麦叶面积指数的影响 Table 3 Effect of water deficit and nitrogen rate on LAI of spring wheat

2.3 水分亏缺和施氮对春小麦产量和氮肥偏生产力的影响

2.3.1 水分亏缺和施氮对春小麦的产量和氮肥偏生产力的影响

在所有处理中，N2W2处理的产量最高,其次为N2W4处理，N3W1处理产量最小(图2)。从水氮主效应看，春小麦产量表现为W2>W4>W3>W1，其中W2比W4、W3和W1分别增产2.3%、8.7%和11.6%；随着施肥量的增加，春小麦产量先增后降，N2比N3和N1分别增产11.3%和24.0%。经方差分析，灌溉和施氮对春小麦的产量均有极显著影响(P<0.01)，水氮交互效应显著(P<0.05)。春小麦氮肥偏生产力(NFP)随着施氮量的增加而下降，N1的NFP最大，平均为45.50 kg·kg-1；N3的NFP最小，平均为26.82 kg·kg-1。当施肥量相同时，W2的NFP与W4无显著性差异，较W1和W3分别提高了9.9%和8.7%。

图柱上的字母不同表示处理间差异显著(P<0.05)。下图同。

图2 水分亏缺和施氮对春小麦产量和氮肥偏生产力的影响

表4 不同生育期水分亏缺和施氮对春小麦产量构成因素的影响Table 4 Effect of water deficiency and nitrogen application on yield of spring wheat at different growth stages

2.3.2 水分亏缺和施氮对春小麦产量构成因素的影响

在同一水分条件下，随施氮量的增加，有效穗数、穗粒数和千粒重均呈先升后降的趋势，N2的有效穗数最大，较N1和N3提高了33.7%和16.6%；N2W2处理的千粒重最大，达到53.49 g。在同一施氮水平下，W2的穗粒数和千粒重与W4没有显著差异，二者均显著高于W1和W3；有效穗数则表现为W4>W2>W3>W1(表4)。因此，苗期-拔节期和灌浆期-成熟期的水分亏缺会显著降低春小麦的有效穗数、穗粒数和千粒重。

2.4 水分亏缺和施氮对春小麦水分利用效率的影响

在相同施氮量下，亏缺灌溉显著提高春小麦的WUE，与W4相比，W1和W2的WUE分别降低了5.2%和13.6%；W3和W4间没有显著性差异。亏缺灌溉也提高春小麦的IWUE，与W4相比，W1、W2和W3的IWUE分别提高了14.3%、19.0%和6.3%。在同一水分条件下，N1和N2间WUE和IWUE没有显著性差异，N1和N2间WUE和IWUE较N3分别提高17.9%、16.8%和8.0%、8.7%(图3)。

图3 水分亏缺和施氮对春小麦水分利用效率的影响

3 讨 论

作物在不同的生育阶段对土壤养分和水分有不同的要求，土壤水分严重亏缺将会影响小麦的生长，使小麦的营养生长受到抑制，降低株高和叶面积指数[8]。本研究发现，苗期-拔节期的水分亏缺不利于春小麦株高和叶面积指数的增长，而且苗期-拔节期水分亏缺条件下株高和叶面积指数始终最小，这可能是由于拔节期是茎秆快速生长期，所以与其他生育阶段水分亏缺相比，拔节期的水分亏缺对株高影响最严重[9]。灌浆-成熟期的水分亏缺和全生育期不亏水对春小麦的株高没有显著影响，但是灌浆期-成熟期的水分亏缺会加快植株叶片的衰老，叶面积指数下降较快；全生育期不亏水的叶面积指数下降较慢，这说明高水分及灌水量可使小麦在生育后期保持更大的绿叶面积，有利于光能的截获，并向籽粒提供更多的同化物[10]。

植物对干旱最明显的适应特征是干物质的积累。有研究表明，水分亏缺通过影响作物气孔的变化和根系生长，进而影响作物干物质的形成和分配[11,12]；本研究发现，在孕穗-开花期进行适度水分亏缺，对春小麦干物质积累影响不显著，这可能是由于分蘖期和拔节期进行适量灌溉，有利于小麦叶片早发、早分蘖、早生根，促进植株对水分的吸收利用，同时提高光合能力，有利于光合产物积累和转运[13]。本研究中，苗期-拔节期水分亏缺对春小麦的干物质积累影响最大，其次为灌浆期-成熟期的水分亏缺，可能是由于苗期-拔节期的水分亏缺导致小麦分蘖减少，使群体数量不够，最终影响产量[14]。本研究中，适量施氮肥能够促进春小麦干物质的积累，这与郭 栋等[15]研究结果一致。

一定时期的适度水分亏缺对产量和水分利用效率的提高有利[16-17]。同时，水肥存在明显的互作效应。有学者认为，在冬小麦的抽穗期给予一定程度的水分亏缺，可以去除无效分蘖，优化营养分配格局，提高籽粒产量[18]。在本研究中，孕穗期-开花期水分亏缺时春小麦获得较高产量，但是在苗期-拔节期水分亏缺时产量较低，这可能是由于苗期-拔节期的水分亏缺减少了分蘖的形成，导致群体数量不够，影响最终产量[19]。有研究认为，适量施氮可促进水分高效利用[20,21]。本研究也得到相似的结果。生育期内的水分亏缺会显著提高春小麦的水分利用效率，其中W1和W2的水分利用效率较高。王 伟等[22]研究表明，生育期适度亏水有利于提高小麦产量和WUE。

综合来看，本试验条件下，最优的水肥调控模式为施氮量180 kg·hm-2和孕穗期-开花期的水分亏缺(灌水下限为60%的田间持水率)，其他生育时期充分供水(苗期-拔节期土壤含水率下限为70%的田间持水率，灌浆-成熟期土壤含水率下限为65%的田间持水率)。本试验仅从生长产量方面研究了不同生育时期水分亏缺和施氮的水肥耦合对春小麦的生长、产量和水分利用效率的影响，而对于水分亏缺和施氮在小麦每个生育期影响的生理机制还需要进一步的研究。