水氮运筹对小麦、玉米周年产量及水分利用的影响

杨永辉，武继承，徐为霞，潘晓莹，张洁梅，高翠民，何 方，王 越

(1.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002; 2.农业部作物高效用水原阳科学观测实验站，河南 原阳 453514；3.郑州市农产品质量检测流通中心，河南 郑州 450000)

作物生长过程中，尤其是小麦、玉米轮作过程中，水、肥、气、热等诸多因子会对其生长产生重要影响，其中，水肥两因子起着决定性作用[1]。在水分和养分对作物生长影响的过程中，这2个因子相互促进又相互制约[2-3]。作物产量越高，消耗的养分和水分就越多，但并非水肥供应量越大产量就越高[4]。因此，合理的水肥供应与调控是作物高产的重要措施。

适量的灌水与施肥有利于提高作物的产量，而水肥过量则导致水肥资源浪费，降低资源利用率，并导致养分流失且污染环境[5]。相关研究表明，水氮运筹有利于促进作物高产和资源高效利用[6-7]。水分亏缺或过量均会降低氮肥利用率与作物产量，适量灌溉可以促进小麦氮素吸收，提高光合速率，促进干物质积累，提高产量与水肥利用率[8]。氮肥亏缺或过量均会降低水分利用效率，而适宜的施氮量有利于提高作物产量与水肥利用效率[9]。合理的水氮运筹对作物光合特性具有明显的调控效应，作物开花后若水分亏缺会导致其光合能力迅速下降，致使作物产量降低[10]。适量氮肥可明显提高叶片的光合速率，延缓因干旱导致的光合速率下降[11]。因此，可通过优化灌溉方式与制度[12-13]，采用合理的耕作与覆盖方式[14-15]，同时因地制宜应用合理的施肥制度[16]，如水肥一体化[17-19]等技术，提高作物的水肥利用率，促进农业生产与生态环境良性发展。

温县是河南省著名的土壤地力较高的高产田地区，该地区雨水光照资源丰富。叶优良等[20]在2006年研究发现，温县小麦平均单产为7 960 kg/hm2，其中1/3左右农户的氮肥用量低于120 kg/hm2，说明该区地力和土壤条件较佳。在该区适量控制氮肥用量的条件下，进行作物不同生育时期氮肥运筹与灌水耦合，能够充分发挥肥效，促进养分吸收，起到以水调肥、以肥促水的作用。在该区关于小麦、玉米水氮运筹的研究已屡见不鲜[21-22]，但针对周年小麦、玉米水氮运筹方面的研究却鲜见报道。因此，在合理控制氮肥用量的条件下，根据作物需肥特点进行氮肥基施与追施，并采用喷灌带进行不同灌水量控制，研究水氮运筹对小麦、玉米周年生长、光合生理特性、产量及水分利用的影响，以期明确小麦、玉米合理的氮肥追施比例和灌水量。

1 材料和方法

1.1 研究区概况及试验材料

试验于2017—2018年在焦作市温县祥云镇平安种业试验基地进行，该地海拔102.3 m，北纬35.1°、东经113.05°，年平均气温14～15 ℃，年积温4 500 ℃以上，年日照2 484 h，年降水量550～700 mm，无霜期210 d。土壤为潮土，含全氮 0.10 g/kg、速效磷 28.5 mg/kg、速效钾 321.2 mg/kg、有机质14.3 g/kg，pH值为8.0。土壤机械组成为黏粒22.2%、粉粒66.4%、砂粒11.4%，田间持水量为33.1%。

供试小麦品种为平安11号，供试玉米品种为豫安3号。

1.2 试验设计

试验氮肥共设计2种基追组合：70%基施、30%追施，追肥分2次进行，分别为20%、10%(A1)；60%基施、40%追施，追肥分2次进行，分别为25%、15%(A2)。设计3种灌水量：0水(B1)、2水(B2)和3水(B3)。共6个处理，即A1B1、A2B1、A1B2、A2B2、A1B3、A2B3。小麦季施纯氮240 kg/hm2，底施P2O5135 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2、有机肥750 kg/hm2，分别于拔节期、灌浆期追施氮肥。在小麦播种前统一灌水600 m3/hm2，0水处理为全生育期不灌水，2水处理为拔节期和抽穗期灌水，3水处理为拔节期、抽穗期、灌浆期灌水，每次的灌水量均为450 m3/hm2。玉米季施纯氮270 kg/hm2，底施P2O5135 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，分别于小喇叭口期 、灌浆期追施氮肥。0水处理为全生育期均不灌水，2水处理为小喇叭口期和大喇叭口期灌水，3水处理为小喇叭口期、大喇叭口期、灌浆期灌水，每次的灌水量为450 m3/hm2。小麦、玉米均采用喷灌带进行灌水，灌水的同时进行氮肥追施。小麦、玉米生育期降雨量如图1所示。

图1 小麦、玉米生育期内降雨量

1.3 测定项目及方法

1.3.1 光合生理特性 在小麦灌浆期(2018年5月15日)、玉米灌浆期(2018年8月25日)选择晴朗无风的天气于 9：30—11：00 采用美国 Li-Cor公司生产的 Li-6400光合仪测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)，并计算叶片水分利用效率 WUE[23-24]，WUE=Pn/Tr。

测定叶片:小麦为旗叶，玉米为穗位叶。

1.3.2 生物量 在小麦收获时，每小区随机取植株5株，剪掉小麦根系，将植株放入烘箱中50 ℃烘8 h以去除小麦植株中的水分，然后用天平称取质量，即生物量。

1.3.3 小麦、玉米产量及其构成因素 在小麦和玉米收获时，采用精确度为1 mm的卷尺测量小麦株高、穗长及玉米株高、茎粗、穗位、穗长、穗粗(周长)，并调查小麦的小穗数、不孕穗数、穗粒数及玉米行数、双行粒数、叶片数。小麦，每小区收获 4 m2记产；玉米每小区取3行记产。

1.3.4 水分利用效率与灌水利用率 在小麦播种前、分蘖期、越冬期、返青期、抽穗期、灌浆期、收获期和玉米播种前、大喇叭口期、灌浆期、收获期，采用土钻获取0～100 cm土层(0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm)土壤，放入烘箱中105 ℃烘24 h，测定含水量，进而得知0～100 cm 土层土壤储水量，并计算全生育期耗水量、水分利用效率及灌水利用率。

全生育期耗水量=播种前0～100 cm土层土壤储水量+生育期内降雨量+生育期内灌水量-收获时0～100 cm 土层土壤储水量；

水分利用效率=籽粒产量/全生育期耗水量；

灌水利用率=(灌水处理籽粒产量-对应未灌水处理籽粒产量)/灌水量。

1.4 数据处理

试验光合生理特性指标值均为 9 次重复(每处理3个重复，每个重复分别测定 3 个样品)的算术平均值，其他结果为 3 次重复的算术平均值，所有数据应用SPSS 19.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同水氮运筹处理对小麦、玉米关键生育时期土壤储水量的影响

由图2可知，在小麦分蘖期、越冬期和返青期，不同氮肥基施比例对土壤储水量的影响总体上不显著，说明小麦生长前期氮素底施用量对于土壤水分的影响并不显著。但从抽穗期开始，不同处理间的土壤储水量差异逐渐增大。且从抽穗期开始，随灌水量的增加，土壤储水量逐渐增加，直至灌浆期；到收获期，随灌水量的增加，土壤储水量显著降低，说明在小麦灌浆期后水分消耗较大，且灌水量大的处理更利于小麦的生长从而增加水分的蒸腾和棵间蒸发量。

由图2可知，对于玉米而言，随灌水量的增加，大喇叭口期A1处理间无显著差异，A2处理土壤储水量先降低后增加；灌浆期和收获期，土壤储水量呈逐渐增加趋势，这可能与玉米生育期内降雨量较大有关。在灌浆期和收获期，均以A1B3处理的土壤储水量显著高于其他处理，其次为A2B3处理。表明在玉米生长中后期，灌水量较大时氮肥60%基施、40%追施处理的耗水量相对较高。

相同生育时期不同处理间不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)

2.2 不同水氮运筹处理对小麦生长发育、产量及水分利用的影响

2.2.1 群体数 不同水氮运筹管理对小麦群体产生重要影响。由图3可知，随生育进程的推进，小麦群体数表现为先增加后降低的趋势，返青期达到最高，而后逐步形成有效分蘖并成穗。在返青期后，以A1B1处理群体数最低，说明前期的分蘖大都转化为无效分蘖，成穗率降低；A1B2处理的群体数较其他处理高，特别是灌浆期。

图3 不同水氮运筹处理对小麦群体的影响

2.2.2 光合生理特性 由表1可知，随灌水量的增加，小麦的光合速率、气孔导度及蒸腾速率均增加，光合速率、蒸腾速率均以A1B3处理最高，气孔导度以A2B3处理最高，说明前期氮肥供应较多更利于小麦光合速率的提高，且降低了气孔导度。随灌水量的增加，小麦叶片水分利用效率呈显著降低趋势，其中A1处理的小麦叶片水分利用效率高于A2处理，但不显著，说明适度干旱更利于叶片水分利用效率的提高。

表1 不同水氮运筹处理对小麦光合生理特性的影响

注: 同列数据后不同小写字母表示不同处理间的差异显著(P<0.05)水平,下同。

Note: The different lowercase letters after data within a column mean significant differences among different treatments at 0.05 level, the same below.

2.2.3 产量及水分利用 由表2可知，随灌水量的增加，小麦小穗数、穗粒数、穗长、产量、水分利用效率等均表现为先增加后降低的趋势，而不孕穗数、生物量和千粒质量总体上均提高。小穗数、不孕穗数、水分利用效率均表现为A1处理高于A2处理，而穗长和耗水量均表现为A1处理低于A2处理。不同水氮运筹处理中，以A1B2处理的小穗数、穗粒数、产量、水分利用效率、灌水利用率最高，显著高于其他处理，产量、水分利用效率、灌水利用率分别为8 207.8 kg/hm2、26.7 kg/(mm·hm2)和1.42 kg/m3。说明适宜的灌水和氮肥基追比更利于小麦经济产量的提高，有利于节水增产。

2.3 不同水氮运筹处理对玉米生长发育、产量及水分利用的影响

2.3.1 光合生理特性 由表3可知，A1B3处理的玉米叶片光合速率、气孔导度及蒸腾速率均显著高于其他处理，总体上玉米叶片光合速率、气孔导度及蒸腾速率均表现为A1处理高于A2处理。随灌水量的增加，叶片气孔导度、蒸腾速率均呈增加的趋势，叶片水分利用效率表现为逐渐降低的趋势。各处理中，以A2B1处理叶片水分利用效率最高，其次为A1B1处理，A2B3处理最低。说明适度干旱更利于玉米叶片水分利用率的提高。

表2 不同水氮运筹处理对小麦产量及其构成因素、水分利用的影响

表3 不同水氮运筹处理对玉米光合生理特性的影响

2.3.2 产量及水分利用 由表4可知，A2B2处理玉米的株高、穗位、穗长、穗粗及双行粒数均较高；A2B2处理产量最高，其次为A1B3处理，说明在灌水量适中时，A2处理优于A1处理，灌水量较大时相反。水分利用效率和灌水利用率均以A1B3处理最高，A2B2处理次之。

表4 不同水氮运筹处理对玉米产量及其构成因素、水分利用的影响

2.4 不同水氮运筹处理对小麦、玉米周年产量及水分利用的影响

由表5可知，随灌水量增加，小麦、玉米周年耗水量总体上逐渐增加；A1条件下，周年产量和水分利用效率均表现为逐渐增加；A2条件下，周年产量和水分利用效率均表现为先增加后降低。耗水量和产量均表现为A1

表5 不同水氮运筹处理对小麦、玉米周年产量及水分利用的影响

3 结论与讨论

水氮是影响作物氮素吸收与转运的最有效因子之一[25]。合理的水分供应、适量的氮肥施用与基追比有利于作物合理利用氮肥、以肥调水、以水促肥[26-28]，可促进作物对光合能力与氮素的有效利用，提高干物质积累与转化，最终促进籽粒产量和水肥利用率的提高[29-30]。本研究发现，小麦前期氮肥供应较多更有利于光合速率的提高，而适度干旱更有利于叶片水分利用效率的提高。相关研究表明，随着灌水量增加，总耗水量增多，水分利用效率和灌水利用效率有所下降[31-32]。但本研究发现，随灌水量增加，小麦的水分利用效率先增加后降低，灌水利用率降低，各处理中以A1B2处理最高，显著高于其他处理。而对于玉米来说，随着灌水量增加，A1条件下，水分利用效率表现为逐渐增加；A2条件下，水分利用效率均表现为先增加后降低；A1处理的灌水利用率增加，水分利用效率和灌水利用率均以A1B3处理最高，显著高于其他处理。这可能与C3植物与C4植物对水肥和光热的需求不同有关。

不同氮肥基追模式与灌水量对小麦成产要素及水分利用等影响显著[33]。随灌水量增加，小麦小穗数、穗粒数、穗长、产量、水分利用效率等均表现为先增加后降低的趋势，而生物量和千粒质量总体上均提高。不同水氮运筹处理中，以A1B2处理小麦产量、水分利用效率、灌水利用率最高，显著高于其他处理，说明适宜的灌水和氮肥基追比更有利于小麦节水与增产增效。这与以往研究的前氮后移理论有所不同[33-34]，可能是因为地力差异的缘故。小麦季的水肥管理对后茬玉米也产生了重要影响，因为前茬小麦多余的水分与养分会供给下茬苗期玉米，从而促进其生长。本研究发现，在玉米生长季，不同水氮运筹处理中，A2B2处理玉米的株高、穗位、穗长、穗粗及双行粒数均较高，且其产量最高，显著高于其他处理，其次为A1B3处理。

在一定灌水量范围内，作物耗水量与灌水量呈正相关。本研究发现，小麦、玉米周年耗水量总体上随灌水量的增加呈增加趋势，且A2处理较A1处理耗水量大。小麦、玉米周年产量以A2B2处理最高，而水分利用效率和灌水利用率均以A1B3处理最高，显著高于其他处理。表明，在高产农田适当减少底施氮肥，而将其后移至作物关键生育时期更有利于周年小麦、玉米增产；而增加氮肥底施比例则更有利于提高小麦、玉米的周年水分利用效率和灌水利用率。