微喷灌水肥一体化下磷钾肥减量分期施用对小麦产量和养分利用的影响

张 晶 党建友 裴雪霞 张定一 王姣爱 程麦凤

(山西省农业科学院小麦研究所,山西 临汾 041000)

近年来我国施用化肥过量现象普遍,导致肥料利用率偏低,不仅不能促进作物增产,而且会造成严重的环境污染,不利于农业可持续发展[1-4]。在小麦生长发育所需的氮、磷、钾3种大量营养元素中,氮肥对小麦产量效应最大[5-8],其次是磷、钾肥,但磷肥易固定[9-10],钾肥易流失,因而人们对合理施用氮磷钾肥的研究较多[11-13]。目前,在小麦/玉米一年两熟种植区,水肥一体化条件下磷钾肥减量分期施用的研究报道较少。微喷灌是利用微喷带将水喷射至空中,并散成细小雾滴,均匀地喷洒到植物根区的一种节水灌溉技术,相比水分利用效率仅为45%的传统灌溉方式[14-16],其节水效果明显。研究表明,采用微喷灌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,同时可以防止水肥深层渗漏,提高肥料的利用效率,改善土壤小环境,有利于农业可持续发展[17-19]。鉴于山西省的土壤以石灰为主,成土母质中主要含钾矿物长石,具有较高或中等偏高供钾水平[20]。本研究通过微喷灌水肥一体化方式,将传统的磷钾肥用量进行减量并分期施用处理,研究其对小麦产量及养分利用效率的影响,以期为山西省南部小麦玉米一年两熟区小麦节水节肥稳产增效栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验地概况

供试小麦品种为良星99,由山东良星种业有限公司提供。

试验于2016-2017年在山西省农业科学院小麦研究所韩村试验基地(36°8′N、111°34′E,海拔441 m)进行。试验田0～20 cm 土层土壤肥力为有机质10.15 g·kg-1、碱解氮48.36 mg·kg-1、速效磷13.91 mg·kg-1、速效钾133 mg·kg-1。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·hm-2,2016年10月8日播种。

1.2 试验设计

试验设置灌水和施肥处理:施纯氮225 kg·hm-2,施用方式为70%底施+30%拔节期追施;磷钾肥设置常规施肥量(P2O5,135 kg·hm-2;K2O,90 kg·hm-2)和减量30%,施用方式钾肥全部底施,磷肥设100%底施(P底)、50%底施+50%冬前追施(P底+冬)、50%底施+50%拔节期追施(P底+拔)3个处理。对照(CK):常规施肥量,漫灌。灌溉及施肥情况详见表1。每个处理3次重复,每小区面积40 m×2.3 m=92 m2,等行距种植12行小麦,在第6和第7行之间沿小麦种植方向铺设一条微喷带,进水端安装压力表、水表和阀门,根据试验设计的灌水量用微喷灌方式补灌,底肥和CK 追肥采用撒施,其他处理追肥采用水肥一体化施入。

表1 试验设计Table1 Experimental design

1.3 测定项目与方法

1.3.1 植株干重及全氮含量的测定 于小麦成熟期在每个小区连续选取20株完整植株的叶片、茎秆、颖壳(颖壳+穗轴)和籽粒,105℃杀青20 min,80℃烘干至恒重,称干重,然后粉碎,备用。氮含量采用凯氏定氮法测定;磷含量用钒钼黄比色法测定;钾含量采用火焰光度计法测定[21]。

1.3.2 植株氮、磷、钾素积累转运与利用的相关计算

氮(磷、钾)素积累量=氮(磷、钾)素含量×干物质质量;

植株氮(磷、钾)素利用效率=籽粒产量/成熟期植株氮(磷、钾)积累量×100%;

氮(磷、钾)收获指数=籽粒氮(磷、钾)素积累量/植株氮(磷、钾)素积累量;

氮(磷、钾)肥偏生产力=产量/施氮(磷、钾)量;

氮(磷、钾)素产投比=植株氮(磷、钾)积累量/[氮(磷、钾)肥施用量×0.865]。

1.3.3 产量测定 成熟时每小区收获1 m2植株,3次重复,脱粒风干,称重记产。

1.4 数据处理

试验数据用Microsoft Office Excel 2003和DPS 15.10软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 磷钾肥减施与常量施肥的微喷灌小麦成熟期各器官氮素积累量及分配比例

由表2可知,成熟期磷钾肥减施和常量施肥植株氮素积累量均表现为P底+拔K＞P底K＞P底+冬K,磷钾肥减施和常量施肥P底+拔K 植株氮素积累量差异不显著(P＞0.05)。营养器官叶片氮素积累量以常量施肥中P底+拔K 最高,磷钾肥减施P底+拔K 次之;茎杆氮素积累量和分配比例均以磷钾肥减施P底K 最高,磷钾肥减施P底+拔K 次之;颖壳和籽粒中氮素积累量均以常量施肥P底+拔K 最高,常量施肥P底+拔K 籽粒氮素积累量最高,为158.02 kg·hm-2,显著高于其余处理(P＜0.05)。由此可见,磷肥50%底施+50%拔节期追施更有利于成熟期小麦植株和籽粒的氮素积累。

2.2 磷钾肥减施与常量施肥的微喷灌小麦成熟期各器官磷素积累量及分配比例

由表3可知,成熟期植株磷素积累量以常量施肥P底+冬K 最高,且与其他处理差异显著(P＜0.05),磷钾肥减施处理表现为P底+拔K＞P底+冬K＞P底K。营养器官叶片磷素积累量和磷素分配比例均以常量施肥P底+拔K 最高;茎杆磷素积累量以常量施肥P底+冬K和磷钾肥减施P底+拔K 较高,二者之间无显著差异(P＞0.05),磷素分配比例以磷钾肥减施P底+拔K 最高,与除磷钾肥减施P底K 外的其他处理差异显著(P＜0.05);颖壳磷素积累量以磷钾肥减施P底K和常量施肥P底+冬K 较高,二者间差异不显著(P＞0.05),磷素分配比例则以磷钾肥减施P底K 最高,且与其他处理差异显著(P＜0.05);籽粒中磷素积累量和分配比例均以常量施肥P底+拔K 最高。成熟期磷素积累量表现为籽粒＞茎杆＞颖壳＞叶片,常量施肥处理50%底施+50%冬前追施能够提高成熟期小麦植株磷素积累,而常量施肥处理50%底施+50%拔节期追施的籽粒磷素积累量和分配比例最高。

表2 磷钾肥减施与常量施肥的微喷灌小麦成熟期各器官氮素积累量及分配比例Table2 N accumulation (NA) and N distribution ratio(NDR) of maturation period in micro-sprinkler irrigation wheat under phosphorus,potassium fertilizer reduced and normal fertilization

表3 磷钾肥减施与常量施肥的微喷灌小麦成熟期各器官磷素积累量及分配比例Table3 P accumulation (PA) and P distribution ratio(PDR) of maturation period in micro-sprinkler irrigation wheat under phosphorus,potassium fertilizer reduced and normal fertilization

2.3 磷钾肥减施与常量施肥的微喷灌小麦成熟期各器官钾素积累与分配比例

由表4可知,成熟期植株钾素积累量以磷钾肥减施P底+拔K 最高,但且与其他处理差异显著(P＜0.05)。营养器官叶片钾素积累量和分配比例以常量施肥P底+拔K 最高,磷钾肥减施P底+拔K 钾素积累量与其差异不显著(P＞0.05),其他处理钾素积累量均与其差异显著(P＜0.05);茎杆及颖壳钾素积累量均以磷钾肥减施P底+拔K 最高;籽粒钾素积累量和分配比例均以常量施肥P底+冬K 最高,常量施肥P底+拔K 次之。成熟期钾素积累量表现为茎杆＞籽粒＞颖壳＞叶片,磷钾肥减施处理磷肥50%底施+50%拔节期追施能够提高成熟期小麦植株、叶片、茎杆及颖壳的钾素积累。

表4 磷钾肥减施与常量施肥的微喷灌小麦成熟期各器官钾素积累量及分配比例Table4 K accumulation (KA) and K distribution ratio (KDR) of maturation period in micro- sprinkler irrigation wheat under phosphorus,potassium fertilizer reduced and normal fertilization

2.4 磷钾肥减施与常量施肥小麦产量及氮磷钾利用效率相关指标

由表5可知,常量施肥和磷钾肥减施P底+拔K 小麦产量均较高。植株氮素利用效率以CK 最高;磷素利用效率以常量施肥P底K 最高,且与其他处理差异显著(P＜0.05);钾素利用效率以磷钾肥减施P底K 最高,常量施肥P底K 次之。氮肥偏生产力以磷钾肥减施P底+拔K 最高;磷、钾肥偏生产力及其相应产投比均以磷钾肥减施P底+拔K 最高。由此可知,在微喷灌水肥一体化磷钾肥减量30%的条件下,通过合理施用氮磷钾肥可以提高小麦产量和氮磷钾肥偏生产力及其产投比。

表5 磷钾肥减施与常量施肥小麦产量及氮磷钾利用效率相关指标Table5 Grain yield and corresponding indicators under phosphorus,potassium fertilizer reduced and normal fertilization

3 讨论

研究表明,适量施磷可显著提高冬小麦产量,但施磷量过低或过高会抑制小麦的生长与产量的形成;此外,施磷还可促进冬小麦营养生长(拔节期)和生长前期的植株发育,但由于磷在土壤中极易被固定,其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[22-24]。因此,要实现小麦高产,在确定氮、钾肥用量的同时,更要重视磷肥的施用。本研究采用的微喷灌水肥一体化施肥方式,有利于磷肥垂直向下扩散,分期施磷肥更能促进小麦对磷素的吸收利用。结果表明,磷钾肥减施处理成熟期植株氮磷钾积累量均表现为P底+拔K 最高,说明微喷灌水肥一体化磷钾肥减施30%条件下,磷肥50%底施+50%拔节期追施可以提高小麦成熟期植株氮磷钾积累量。此外,籽粒中氮素积累量以常量施肥P底+拔K 最高,磷钾肥减施P底+拔K 次之,说明磷肥50%底施+50%拔节期追施的方式可以提高籽粒的氮素积累量。王荣辉等[25]对旱地小麦的研究表明,由产量增加引起的养分稀释效应导致适量施磷显著降低了小麦籽粒的含氮量,这与本试验结果不一致,可能与本试验采用微喷灌水肥体化且磷肥分次施用有关。党红凯等[26]认为小麦器官中较高的含磷量能够促进植株生长,有利于提高籽粒产量;崔正勇等[27]研究表明,增加施氮量和施磷量,可以提高冬小麦成熟期籽粒磷素积累量,但增加施磷量会导致磷素利用效率降低。本试验中,成熟期磷素积累量为籽粒＞茎杆＞颖壳＞叶片,常量施肥处理50%底施+50%拔节期追施籽粒磷素积累和分配比例最高。磷肥对小花和花粉粒的形成发育及籽粒灌浆有明显的促进作用,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。

前人研究表明,小麦生长发育所需的氮磷钾3种大量营养元素中,氮肥对小麦的产量效应最大,其次为钾肥和磷肥,且3种肥料配合施用更有利于提高小麦产量、促进小麦对营养元素的吸收,提高肥料的利用率[28-29]。黄倩楠等[30]通过对中国小麦主产区多点的农户调研分析表明,随着产量的增加,小麦对氮、磷、钾养分需求量呈降低趋势。本研究结果表明,小麦产量,成熟期植株氮磷钾肥偏生产力及其产投比均以磷钾肥减施P底+拔K 最高,说明采用微喷灌水肥一体化技术在磷钾肥减施30%条件可以提高小麦产量并满足生育期氮磷钾需求量。

4 结论

本研究结果表明,与传统栽培模式及微喷灌常量施肥相比,利用微喷灌水肥一体化技术生育期灌水3次(越冬水+拔节水+灌浆水),灌水量1 500 m3·hm-2,磷钾肥较常量减施30%条件下磷肥50%底施+50%拔节期追施能够提高小麦产量、成熟期植株氮磷钾积累量、氮磷钾偏生产力及其产投比,从而实现节水节肥稳产高效。本研究将传统大水漫灌改为微喷灌,将农民传统的施肥量进行适度减量以水喷施,为山西省南部小麦节水节肥稳产高效栽培技术提供了理论依据。