不同微喷氮肥制度对冬小麦产量及水氮利用效率的影响

2020-09-28菅浩然刘洪波李连豪李宗鹏杨亚伟

灌溉排水学报 2020年9期

菅浩然，刘洪波，李连豪，李宗鹏，杨亚伟

（1.黄河水利职业技术学院水利工程学院，河南开封 475004； 2.安徽农业大学作物抗逆育种与减灾国家地方联合工程实验室，合肥 230036； 3.河南农业大学机电工程学院，郑州 450002；4.河南瑞通灌排设备有限公司，河南开封 475000）

0 引言

【研究意义】氮肥是粮食作物生长及产量构成的重要因素，提升氮肥利用效率对促进经济与资源可持续性发展具有重要意义。华北地区作为我国粮食作物主产区，多年来该区冬小麦种植管理中为了追求高产，氮肥投入量居高不下，导致氮肥利用率仅有30%～35%，甚至更低[1-2]。同时不合理的灌水量和过量施氮导致了水分和氮素大量淋失，加之不合理地追氮量和追氮时期也严重降低氮素利用效率[3]。因此，如何提升华北地区冬小麦种植管理中水氮利用效率，同时确保产量稳定，实现资源的可持续利用是当前亟待解决的问题。近年来，随着一系列先进的灌溉施肥设备的研发和在田间的应用，水肥利用效率大大提升[4]。滴灌和微喷技术作为一种先进的节水灌溉技术，在以新疆为代表的地区得到大量应用。但是整体而言，滴灌、微喷技术在我国还是以蔬菜和果树等经济作物上应用为主，在大田粮食作物方面还有待于进一步研究和推广[5]。【研究进展】微喷带灌溉是在喷灌和滴灌基础上发展起来的一种新型灌溉方式[6]。和传统的畦灌、管灌技术相比，采用微喷带灌溉技术投资成本相对廉价[7]；与畦灌相比，微喷带灌溉可减少灌水量 67.5～75.0 mm，能够降低表层土壤体积质量，抑制土壤养分向深层渗漏，具有显著节水优势[8]；采用微喷带灌溉通过合理的带长和喷射角度的选择能提高灌水均匀性[9]；采用微喷带灌溉能够改善农田小气候，提高冠层相对湿度，降低蒸腾速率，进而促进小麦对灌溉水分的利用效率[10-11]。最后，通过微喷带灌溉可实现水肥一体化技术，能够提高肥料利用效率。董志强等[7]研究发现河北地区，微喷灌与畦灌相比，在同等产量水平下，平水年节水潜力为20～50 mm，枯水年为 70～110 mm。与此同时，张英华等[12]研究表明，灌溉定额为1 500 m3/hm2下微喷4 次，并且追施氮肥90 kg/m2处理下冬小麦产量和水分利用效率较高。小麦灌浆初期微喷补灌或中后期在预报高温当天10:00微喷补水5～10 mm，可显著提高粒质量和籽粒产量[13]。【切入点】许多学者结合微喷技术开展了大量田间试验，其主要集中在微喷技术提高水分利用效率方面。但对于在微喷灌下如何结合水肥一体化技术在稳定产量的前提下减少氮肥施入量，合理分配氮素施入时期，进而优化华北地区冬小麦氮肥管理制度的研究较少。【拟解决的关键问题】参照华北地区传统种植的氮肥管理制度，应用微喷水肥一体化技术开展不同施氮量和施氮频率对冬小麦产量、灌浆期旗叶光合特性和水氮利用效率的影响，提出适宜该区微喷水肥一体化施氮制度，为该地区冬小麦节水高产栽培提供相应的理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018 年10 月—2019 年6 月在河南省新乡市辉县五丰农业专业合作社（35°39′ N，113°62′ E）进行，该区气候处于亚热带向暖温带过渡区，属暖温带大陆性季风型气候，年平均气温约为14 ℃，年日照时间约为2 231.4 h，平均日照百分率为50%，多年平均降水量约为619.7 mm，夏季集中了全年降水量的75%。试验地土壤耕层（0～25 cm）有机质量为16.5 g/kg，全氮量为1.11 g/kg，有效磷量为15.4 mg/kg，速效钾量为144.7 mg/kg，pH 值为8.28，土质为黏壤土，肥力中等。

1.2 试验设计

试验供试小麦品种为新麦29。播种日期为2018年10 月10 日，播种量为200 kg/m2，行距15 cm。试验以当地传统水氮管理制度为对照（畦灌，施氮量 300 kg/hm2，CK），在保持灌水总量相同情况下采用微喷水肥一体化技术下，设置了3 个施氮量（180、240、300 kg/m2；编号为N1、N2、N3）和2 个氮肥追施频率（拔节期1 次施入，拔节期和开花期2 次施入；对应编号为F1、F2），共6 个处理；CK 追肥在拔节期1 次施入。每个处理3 次重复，采用裂区布置，具体试验处理见表1。所有试验处理基肥施氮量为100 kg/hm2，随播种一次施入。追肥采用微喷水肥一体化技术，追肥肥料选用尿素（N≥46%）。试验采用并列斜5 孔微喷带，其对应孔径0.8 mm、带宽40.0 mm、壁厚0.2 mm。采用井水灌溉，微喷带工作压力为0.02 MPa，出水量6.0 m3/h；带长40 m，铺设间距1.8 m。对照区追肥采用人工撒施，灌水采用畦灌。冬小麦灌溉通过土壤含水率占田间持水率（FC）的百分数来确定，具体为返青期、拔节期、灌浆期对应的灌水下限依次设定为70%FC、75%FC、65%FC，相应根系层取40、60、65 cm。本研究分别在2018 年11 月28日冬灌灌水30 mm，其余分别在2019 年2 月25 日、3 月20 日、4 月15 日和5 月8 日灌水28.5、35、38和22 mm，冬小麦生育期累计灌水153.5 mm。

表1 冬小麦不同生育期的施氮量和施氮频率 Table 1 Nitrogen amount and frequency for winter wheat at different growth stages

1.3 测定项目与方法

1.3.1 冬小麦生长指标及产量

通过田间气象站（HOBO，美国）采集气象参数。在冬小麦的灌浆期选择典型晴天，于09:00—11:00 采用光合测定系统测量（CI-340，美国）旗叶净光合速率。在成熟期每个小区取代表性的半米2 行样段，在105 ℃杀青30 min，然后80 ℃干燥至恒质量，计算干物质积累量（精确至0.1 g）。采用半微量凯氏定氮法测定氮量。在冬小麦收获期取1 m×1 m 样方，调查穗数、穗粒数和千粒质量，籽粒质量含水率计为13%，最后折算成单位面积籽粒产量（kg/hm2）。

1.3.2 水分利用效率

在小麦各生育期灌水前后采用土钻取土，取土深度为120 cm，每20 cm 为1 层；称取鲜土质量后，在烘箱中于105 ℃烘至恒质量，然后计算土壤质量含水率。利用水分平衡公式计算冬小麦生育期内的总耗水量：

式中：ET 为冬小麦生育期内的总耗水量（mm）；I为灌水量（mm）；P 为降水量（mm）；ΔSWE 为0～120 cm 土体内土壤储水量的变化值（mm）；R 为地表径流；试验中未产生地表径流与深层渗漏，因此，D 与R 忽略不计。

水分利用效率（WUE）计算式为：

式中：WUE 为水分利用效率（kg/m3）；Y 为产量（kg）。

1.3.3 氮素利用效率

植株地上部分含氮量=Σ 收获期地上各部分器官生物量×各部分器官含氮量（%）；氮素利用效率=籽粒产量/地上部分氮素总累积量；氮肥偏生产力=籽粒产量/施氮量。

1.4 数据分析

采用Excel 2013 和SPSS 20.0 软件进行数据处理和统计分析，用Excel 2013 绘图。

2 结果与分析

2.1 冬小麦产量及产量构成要素

不同微喷氮肥管理制度下冬小麦产量及产量构成要素如表2 所示。由表2 可知，所有处理对应的穗数值差异不显著（P>0.05）。穗粒数随着追氮量的增加而略有增大；其中N3F2 和N3F1 处理的穗粒数值显著高于其余处理（P＜0.05），同时追氮频率对穗粒数影响不显著。千粒质量随着追氮量的增加而增大，其中N3 处理显著高于N1 处理（P＜0.05）；2 次追氮下对应的千粒质量均高于1 次追氮，N3、N2 和N1处理在F2 处理下的平均千粒质量比在F1 处理下高1.3%；并且在N2 追氮量下2 次追施千粒质量显著高于1 次追施。随着施氮量的增加，产量也相应增加，并且N3 施氮量对应的产量显著高于N1；在N2 处理下，2 次追氮量对应的产量显著高于1 次追氮量对应的产量。在N2 处理下分2 次追施相比于N1 施氮量能显著提高产量，相比于N3 处理能减少氮肥的施入并且不会引起产量的显著降低。N3、N2 和N1 在F2处理下的产量平均值比在F1 处理下高3.0%。此外，试验中只有N1 处理下的产量低于CK，其余处理则要高于CK，其中在相同的水分和氮肥管理下，N3F1处理比CK 产量提高16.7%。可见，采用微喷水肥一体化技术能够在保证产量的前提下显著减少氮肥施入量。

表2 不同处理下冬小麦产量和产量构成 Table 2 Grain yield and yield components of winter wheat under different treatments

2.2 不同水氮处理对旗叶光合速率的影响

不同水氮处理下灌浆期旗叶净光合速率的变化如图1 所示。从图1 可以看出，所有处理的净光合速率均随灌浆时间的延长而减小。N3 处理下旗叶光合速率在刚开始进入灌浆期时高于N1 处理和N2 处理；并且2 次追氮处理均高于1 次追氮处理。可见增加施氮量能提高小麦灌浆期旗叶光合能力，并且在相同追氮量的情况下于开花期追施相应量氮肥也能提高小麦旗叶净光合速率。在灌浆期的前20 d，N3 处理对应的净光合速率均高于N1 处理和N2 处理。进入灌浆后期，所有处理对应的旗叶净光合速率差异不明显。增加追氮量和追氮频率主要影响小麦灌浆前期旗叶光合能力，而该时期恰恰是千粒质量形成的关键时期。因此，对于有条件的地区建议分次追施氮肥。

2.3 不同水氮处理对水分利用效率的影响

不同水氮处理下的水分利用效率的变化如表3所示。由表3 可知，CK 土壤总耗水量显著高于其余处理（P＜0.05），并且N1 施肥处理下对应的土壤总耗水量也均高于N2 处理和N3 处理。表明传统灌溉施肥制度下和较低施氮量下小麦生长过程中需要消耗更多的土壤水分，以维持正常的蒸腾作用。整体来看，从N1 到N3 施氮处理下，随着施氮量的增加作物总耗水量（ET）相应减少。小麦水分利用效率（WUE）随着施氮量的增加而增大，并且2 次追氮下水分利用效率也要高于1 次追氮处理。在N1 处理下，N1F2处理的WUE 显著高于N1F1 处理（P＜0.05）；在N2处理下，N2F2 处理的WUE 比N2F1 处理增加10.5%，但差异不显著（P>0.05）；在N3 处理下，N3F2 处理的WUE 比N3F1 处理增加4.5%，但差异不显著（P>0.05）。可见，施氮频率的增加对WUE 的影响在不同施氮量下略有不同，但整体而言增加施氮频次能提高小麦的WUE。此外，与传统灌溉施肥相比（CK），采用微喷水肥一体化技术能显著提高小麦的水分利用效率。

图1 不同处理下灌浆期旗叶净光合速率的变化 Fig. 1 Changes of net photosynthetic rate of flag leaves at the filling stage under different treatments

表3 不同处理下的耗水组成和水分利用效率 Table 3 Water consumption and water use efficiency under different treatments

2.4 不同水氮处理对氮肥偏生产力和氮素利用效率的影响

不同水氮处理下氮肥偏生产力的变化如图2 所示。由图2 可知，在微喷水肥一体化处理下，氮肥偏生产力值随施氮量的增加而降低，并且N1 处理对应的氮肥偏生产力值显著高于N2 处理和N3 处理（P＜0.05）。在相同施氮量下，2 次追氮处理的氮肥偏生产力值均高于1 次追氮处理，但差异均不显著（P>0.05）。并且CK 的氮肥偏生产力显著低于微喷水肥一体处理对应的值，可见采用水肥一体化技术能显著提高小麦对氮肥的利用效率。

不同处理下氮素利用效率的变化如图3。由图3 可知，在微喷水肥一体处理下氮素利用效率随着施氮量和施氮频率的增加而增大。其中N3F2 和N2F2 处理的氮素利用效率显著高于其余处理（P＜0.05）。氮素利用效率的变化在不同施氮量下有所不同，其中在N1 施氮量下，N1F1 和N1F2 处理的氮素利用效率差异不显著（P>0.05），但是在N2 和N3 处理施氮量下，2 次施氮量处理的氮素利用效率均显著高于1 次追氮处理（P＜0.05）。由此表明，在相同施氮量下增加施氮频率能提高氮素利用效率，并且随着施氮量的增加这一变化趋势更加显著（N2 和N3 处理）。此外，CK 的氮素利用效率显著低于微喷水肥一体处理；可见采用微喷水肥一体化技术能明显改善冬小麦对氮素的利用效率。

图2 不同处理下氮肥偏生产力 Fig. 2 Nitrogen partial productivity under different treatments

图3 不同处理下氮素利用效率 Fig. 3 Nitrogen use efficiency under different treatments

3 讨论

本研究表明，与CK 相比，采用微喷水肥一体化技术在相同水分和养分管理下（N3F1 处理），小麦的产量提高16.7%，这与相关学者的结论[14-15]一致。在施氮量方面，随着施氮量从180 kg/hm2增加至240 kg/hm2，小麦的产量显著提高；但当施氮量从240 kg/hm2继续增加至300 kg/hm2时，小麦产量增加不明显。可见对于该地区而言，采用240 kg/hm2的施氮量能获得最佳产量效益。这一施氮量也与相关学者在华北地区开展研究得出的结论[16]相类似。相比于传统一次追氮处理而言，采用2 次微喷水肥一体追肥提高了灌浆前期旗叶净光合速率，这为后期千粒质量的增加奠定的基础。前人在采用滴灌水肥一体化的研究中也揭示出适宜施氮量能保持旗叶光合速率稳定的同时也能确保小麦产量的稳定[17]。在微喷水肥一体化技术条件下，只需在首部增加一个施肥泵和配套设施，其投资相对较小，并且灌水时期和施肥时期能很好结合起来，进而节省大量劳动力，因此从长远角度来看，施肥次数的增加并不会带来施肥成本的增加，反而能提高冬小麦的种植效益[18-19]。本研究表明，试验设置的2 次追氮处理下小麦的水分利用效率值高于1 次追氮处理，但是水分利用效率值并未随着施氮量的增加而增大，N2F2 处理下的水分利用效率值与N3F2 处理相同，但是N2 处理要比N3 处理减少60 kg/hm2的氮肥施入量。该结论与相关学者[1]在华北地区开展的冬小麦适宜灌水量和施氮量给出的研究结论相一致。在氮肥利用方面，虽然在微喷水肥一体下N1 处理施氮量对应的氮肥偏生产力最高，但是其产量也最低；此外，在氮素利用效率方面，N2F2 和N3F2 处理相近，但N2 处理的氮肥施入量少于N3 处理。前人研究[20]也表明氮肥利用效率随着施氮量的增加先增大后变小。综合水分利用效率和氮肥利用效率来看，总施氮量240 kg/hm2并且在拔节期和开花期分2 次追氮处理在当地微喷水肥一体化下条件下能获得最佳产量和水氮利用效率。