不同灌溉技术下水氮耦合对小麦光合特性、灌水利用特性及产量的影响

高翠民，杨永辉，何 方，韩伟峰，王小非，武继承

(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)

我国是缺水农业大国，现有耕地1.3亿 hm2，农田灌溉面积占耕地总面积的52%，年用水量4 000亿 m3，占全国总用水量的61.4%。到2030年预计我国人口将达到16亿，按照现有生活水平预测，需要将粮食增长到6.4～7.2亿 t，年用水量也将从现在的4 000亿 m3增长到6 650亿 m3[1]。而且，我国小麦生产主要还是采用传统的漫灌和沟灌的灌溉方式，水肥利用率仅为30%～40%，造成了水肥资源的浪费。过量施用肥料，尤其是氮肥，不仅直接导致氮肥利用率和农学效率降低，而且对环境的可持续发展造成了潜在危害。氮肥施入土壤后，通过淋溶、挥发、反硝化和地表径流等途径严重损失掉[2-4]，导致了一系列的环境污染问题[5]，如大气污染[6]、湖泊水体富营养化、赤潮现象[7]、土壤酸化[8-9]、地下水污染[10-11]等，进而严重影响农业、社会和生态的可持续发展。欧美发达国家采用滴灌、喷灌等节水灌溉技术，水肥分利用率可以提高1倍，达到70%～80%。因此，具有节水、节肥、省工等特点的水肥一体化技术的推广和应用势在必行[12]。

水肥一体化是利用管道灌溉系统，根据作物对水分和养分的需求规律，将肥料和灌溉水一起适时适量、准确地输送到作物的根部土壤，供作物吸收，实现水肥同步管理和高效利用的节水农业技术，提高了水肥利用效率，减少了以前粗犷的农业种植模式对环境、大气、水体造成的污染及其对人类造成的潜在危害。我国水肥一体化技术的研究从1975年开始，当时引进了墨西哥的滴灌设备，建立了3个试验点，面积5.3 hm2，取得了显著的增产和节水效果。此后的几十年，我国灌溉施肥的理论及应用技术日益成熟和完善，但主要运用于设施栽培、无土栽培、果树栽培等多种栽培模式[13]，在小麦生产应用较少。随着土地流转，规模经营的农户会更加愿意接受新型、经济、高效的水溶肥。新技术、新肥料对于提升种植户收入的作用越来越明显。

河南省是我国重要粮食生产省份之一，若不解决水肥资源的高效利用问题，河南省粮食持续高效生产将难以为继。因此，本研究通过测定不同灌溉技术下水氮耦合各处理小麦SPAD值、净光合速率、蒸腾速率、灌水利用效率，灌水效益和产量，分析了灌水、氮肥及其互作对产量的影响和SPAD、净光合速率、蒸腾速率与产量的相关性。简要阐述不同节水灌溉技术提高小麦产量的机制，为水肥一体化技术的应用和推广提供理论支撑，对促进农业可持续发展具有重要和长远的战略意义。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及供试材料

试验于2018-2019年在河南省农业科学院河南现代农业研究开发基地(原阳，经度：E 113.97°、纬度：N 35.05°)开展。该地区属于暖温带大陆性季风型气候，年平均日照时间为 1 925.1 h，光能资源充足；年平均温度为 14.5 ℃；年平均降水量约为 573.3 mm，主要集中在6-8月份，占全年降水量的 58.4%，具有雨热同季的优点，但是降雨时空分布不均衡。试验地土壤类型为沙壤土，土壤基本理化性质： pH值7.68，有机质含量7.69 g/kg，全氮、全磷、全钾含量分别为0.49，0.63，2.31 g/kg，速效氮、速效磷、速效钾含量分别为 60.93，18.76，122.13 mg/kg。供试品种：郑麦103，于2018年10月中旬播种，播种量180 kg/hm2，行距18 cm。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，主区为灌溉技术(A)，设置普通灌溉(A1)、喷灌(PG)(A2)和滴灌(DG)(A3)3种灌溉技术；副区为灌水量(B)，设置不灌水(B1)、600 m3/hm2(B2)、450 m3/hm2(B3)和300 m3/hm2(B4)4个灌水量；副裂区为施氮量(C)，设置纯氮240 kg/hm2(C1)和210 kg/hm2(C2)2个氮水平。3种灌溉技术设置共同不灌水对照处理，共20个处理，分别为B1C1、B1C2、A1B2C1、A1B2C2、A1B3C1、A1B3C2、A1B4C1、A1B4C2、A2B2C1、A2B2C2、A2B3C1、A2B3C2、A2B4C1、A2B4C2、A3B2C1、A3B2C2、A3B3C1、A3B3C2、A3B4C1、A3B4C2，每个处理3次重复。氮肥分3次施入，底肥施60%，与普通过磷酸钙(P2O590 kg/hm2)和钾肥(K2O 90 kg/hm2)一起翻耕入土。追肥分2次施入，其中拔节期施入25%和灌浆期施入15%。不同灌溉技术的追肥方式不一样，在PG和DG灌溉技术条件下，氮肥与水通过水肥一体化设施施入，而普通灌溉采用撒施的方式。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 SPAD值 测定光合特性的同时，使用SPAD-502(日本美能达公司)叶绿素仪测定小麦旗叶SPAD值，每个处理选取10片具有代表性的叶片。

1.3.2 光合特性的测定 在小麦抽穗期-扬花期，选择晴朗天气9:00-11:30使用美国Li-Cor公司生产的Li-6400XT型便携式光合仪，在开放气路系统自然光照下测定小麦旗叶的净光合速率和蒸腾速率。每个处理选取5片具有代表性的叶片，为了排除太阳辐射对不同处理造成的影响，采用交叉测量的方法。

1.3.3 产量 小麦成熟期每小区收获3个 6 m2，晒干后称其质量，再将其折合成每公顷产量。

1.3.4 灌水利用特性 灌水利用效率和灌水效益的计算方法如下[14]：灌水利用效率=籽粒产量/灌水量；灌水效益=(灌水处理籽粒产量-不灌水处理籽粒产量)/灌水量。

1. 4 数据处理

采用 Microsoft Excel 2013 进行数据统计和作图，并应用 SPSS 22.0进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉技术下水肥耦合对小麦SPAD值的影响

方差分析表明，灌水量和施氮量对小麦SPAD值的影响均极显著，而灌溉技术对小麦叶片SPAD值没有显著影响。灌水量极显著提高了小麦叶片SPAD值，而且随着灌水量的增加而增加，其中以B2处理最高，达到了51.4。灌水量相等条件下，C1处理的小麦叶片SPAD值显著高于C2处理(表1)。灌水各处理的小麦叶片SPAD值显著高于B1处理，其中，普通灌溉和PG灌溉技术下均以B2C2处理的最高，分别为51.1和52.1；而DG灌溉技术下以B2C1处理的最高，为51.8(图1)。在灌水量相对充足(B2和B3)的条件下，节水灌溉技术下(PG和DG)各处理小麦SPAD值高于对应普通灌溉处理(个别处理除外)；而在低灌水量(B4)条件下，只有>施氮量为C2时PG和DG的小麦SPAD值高于对应普通灌溉处理。

表1 SPAD值的方差分析与多重比较结果Tab.1 Results of variance analysis and multiple comparisons of SPAD value

图1 不同灌溉技术下水肥耦合各处理SPAD值Fig.1 The SPAD value of water-nitrogen coupling treatments under different irrigation technologies

2.2 不同灌溉技术下水肥耦合对小麦光合特性的影响

由表2可知，灌溉技术、灌水量、施氮量及A×B交互作用对小麦净光合速率和蒸腾速率的影响均极显著；A×C、B×C 和A×B×C交互作用对小麦蒸腾速率的影响极显著或者显著，而对小麦净光合速率没有显著影响。节水灌溉技术下(PG和DG)小麦净光合速率和蒸腾速率均显著高于普通灌溉处理。就不同灌水量而言，灌水显著提高了小麦净光合速率和蒸腾速率，其中均以B2处理最高，小麦净光合速率和蒸腾速率分别达到了13.76 μmol/(m2·s)和4.08 mmol/(m2·s)。研究结果还表明，C1处理的小麦净光合速率和蒸腾速率显著高于C2处理。

多重比较表明，与对照相比，灌水显著提高了小麦净光合速率，3种灌溉技术下均以B2C1处理的小麦净光合速率最高，普通灌溉、PG、DG小麦净光合速率分别达到了13.84，14.44，14.22 μmol/(m2·s)(图2)。在灌水量相对充足(B2和B3)的条件下，3种灌溉技术下相同处理净光合速率间没有显著差异；而B4灌水量条件下，节水灌溉技术下(PG和DG)小麦的净光合速率显著高于对应普通灌溉处理。

与对照相比，灌水各处理的蒸腾速率均显著增加。相同灌水量和施氮量条件下，各处理小麦叶片蒸腾速率均以DG灌溉技术下最大，其中以B2C1处理最高，达到了6.07 mmol/(m2·s)(图2)。灌水量由B3降至B4时，节水灌溉技术下(PG和DG)小麦蒸腾速率的降幅小于对应普通灌溉处理。

表2 小麦光合特性的方差分析和多重比较结果Tab.2 Results of variance analysis and multiple comparisons of wheat photosynthetic characteristics

图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图3-4同。 Different lowercase letters in figure indicate significant difference among different treatments (P<0.05). The same as Fig.3-4.

2.3 不同灌溉技术下水肥耦合对小麦产量的影响

方差分析表明，灌溉技术对小麦产量的影响显著，灌水量、施氮量及A×B交互作用对小麦产量的影响均极显著。从整体上来看，节水灌溉技术下(PG和DG)小麦的产量显著高于普通灌溉处理，而且C1处理的小麦产量显著高于C2处理(表3)。3种灌溉技术下灌水各处理的小麦产量均显著高于不灌水处理，而且随着灌水量的增加而增加，其中以灌水量B2处理的产量最高。3种灌溉技术下不同水肥耦合各处理均以B2C1处理的小麦产量最高，普通灌溉、PG、DG分别达到了10 802，10 559，10 641 kg/hm2(图3)。在灌水量相对充足(B2和B3)的条件下，3种灌溉技术下相同各处理的小麦产量间没有显著差异；但是在B4灌水量条件下，节水灌溉技术下(PG和DG)小麦产量显著高于对应普通灌溉处理，施氮量为C2时尤为突出。

表3 小麦产量的方差分析和多重比较结果Tab.3 Results of variance analysis and multiple comparisons of wheat yield

图3 不同灌溉技术下水肥耦合各处理小麦产量Fig.3 Wheat yield of water-nitrogen coupling treatments under different irrigation technologies

2.4 不同灌溉技术下水肥耦合对小麦灌水利用的影响

方差分析表明，灌溉技术对小麦灌水利用效率和灌水效益的影响均显著，灌水量、施氮量及A×B交互作用对小麦灌水利用效率和灌水效益的影响均极显著。B×C交互作用对小麦灌水利用效率的影响显著，而对小麦灌水效益没有显著影响(表4)。节水灌溉技术下(PG和DG)小麦的灌水利用效率和灌水效益均显著高于普通灌溉处理。从整体来看，3种灌溉技术下小麦灌水利用效率和灌水效益均随着灌水量的减少而显著增加。灌水利用效率随着施氮量的增加而增加，而灌水效益随着施氮量的增加而降低。

3种灌溉技术下水肥耦合各处理均以B4C1处理的灌水利用效率最高，普通灌溉、PG和DG分别达到了227.8，247.4，249.7 kg/m3。在灌水量相对充足(B2和B3)的条件下，3种灌溉技术下相同各处理的灌水利用效率没有显著差异；但是在B4灌水量条件下，节水灌溉技术下(PG和DG)小麦灌水利用效率显著高于对应普通灌溉处理(图4)。对于灌水效益，3种灌溉技术下小麦灌水效益呈现不同的变化规律，节水灌溉技术下(PG和DG)小麦灌水效益随着灌水量的减少而增加，而普通灌溉技术下小麦灌水效益随着灌水量的减少呈现先增加后降低的趋势。节水灌溉技术下(PG和DG)小麦灌水效益均以B4C2处理的最高，分别为66.3，69.0 kg/m3，而普通灌溉技术下以B3C2处理最高，为47.5 kg/m3。在灌水量相对充足(B2和B3)的条件下，节水灌溉技术下(PG和DG)各处理小麦灌水效益与对应普通灌溉处理间没有显著差异；但是B4灌水量条件下节水灌溉技术(PG和DG)小麦灌水效益显著高于对应普通灌溉处理。

表4 小麦灌水利用特性的方差分析和多重比较结果Tab.4 Results of variance analysis and multiple comparisons of irrigation water use characteristics

图4 不同灌溉技术下水肥耦合各处理小麦灌水利用效率和灌水效益Fig.4 The wheat irrigation water use efficiency and irrigation benefit of water-nitrogen coupling treatments under different irrigation technologies

2.5 小麦叶片SPAD值、光合特性与产量相关性分析

由表5可知，小麦叶片SPAD值、净光合速率、蒸腾速率和产量均呈极显著正相关关系。小麦叶片SPAD值和净光合速率、蒸腾速率也呈极显著正相关关系。净光合速率和蒸腾速率也呈极显著正相关关系。

表5 小麦叶片SPAD值、光合特性与产量相关性分析Tab.5 Correlation coefficients among SPAD value, photosynthetic characteristics and yield of winter wheat leaves

3 结论与讨论

光合作用所产生的有机物是植物自身生长发育所必需的营养物质，也是产量形成的物质基础，有研究表明，小麦产量70%以上是通过穗和叶片光合作用合成的有机物形成的[15]。本研究发现，灌水显著提高了小麦SPAD值、净光合速率和蒸腾速率，而且随着灌水量的增加呈现递增的趋势。从整体上来看，灌水量相等条件下，节水灌溉技术(PG和DG)处理的小麦净光合速率和蒸腾速率大于对应普通灌溉处理(个别处理除外)，而且灌水量越少，节水灌溉技术处理的小麦净光合速率和蒸腾速率与普通灌溉处理(个别处理除外)之间的差异越大。说明节水灌溉能够提高小麦净光合速率和蒸腾速率，与前人研究结果一致[16-20]。相关性分析表明，小麦叶片SPAD值、净光合速率、蒸腾速率与产量均呈极显著正相关关系；小麦叶片SPAD值与净光合速率也呈极显著正相关关系；净光合速率与蒸腾速率也呈极显著正相关关系。因此，节水灌溉技术通过提高小麦净光合速率和蒸腾速率，从而增加小麦产量。

黄淮海地区降雨较少，而且降雨时空分布不均衡，在整个小麦生长季的降雨只能满足其水分需求量的 25%～40%，小麦产量形成主要依赖于灌溉[21]，而且在充分灌溉界限下，小麦产量随着灌水量的增大而增加[22]。本研究结果表明，3种灌溉技术下灌水各处理的小麦产量均显著高于对照，而且随着灌水量的增加而增加。有研究表明，灌溉技术对小麦产量有显著影响[23]，这一结论在本研究中也得到了证实，在灌水量相对充足(B2和B3)的条件下，3种灌溉技术下小麦产量没有显著差异；但是在B4灌水量条件下，节水灌溉技术下(PG和DG)小麦产量显著高于普通灌溉处理，施氮量为C2时尤为突出。水分和氮肥管理对小麦生长发育的调控存在互补效应[24]。通过分析表明，灌溉技术对小麦产量的影响显著，灌水量、施氮量及A×B交互作用对小麦产量的影响均极显著。同样，灌溉技术对小麦灌水利用效率和灌水效益也有显著影响，节水灌溉技术能够提高小麦水分利用效率[16]。本研究表明，在灌水量相对充足(B2和B3)的条件下，节水灌溉技术下(PG和DG)小麦灌水利用效率及其灌水效益与相应普通灌溉处理间没有显著差异；但是低灌水量(B4)节水灌溉技术下(PG和DG)小麦灌水利用效率及其灌水效益显著高于对应普通灌溉处理。同时，方差分析表明，灌溉技术对小麦灌水利用效率和灌水效益的影响均显著，灌水量、施氮量及A×B交互作用对小麦灌水利用效率和灌水效益的影响均极显著。因此，节水灌溉技术与追施氮肥相结合的水肥一体化不仅能够提高小麦产量[16-19]，还能够提高灌水和氮肥利用率[23, 25-26]，进而减少过量施用氮肥对环境造成的污染。

灌溉技术、灌水量和施氮量对小麦光合特性、灌水利用特性和产量的影响均显著。小麦SPAD值、净光合速率、蒸腾速率和产量随着灌水量或者施氮量的增加而增加；而灌水利用效率和灌水效益则随着灌水量的减少而增加。灌水量相对充足(B2和B3)条件下，3种灌溉技术下小麦SPAD值、净光合速率、蒸腾速率、灌水利用效率、灌水效益和产量均没有显著差异，但是在低灌水量(B4)条件下，节水灌溉技术下(PG和DG)小麦净光合速率、蒸腾速率、灌水利用效率、灌水效益和产量显著高于对应普通灌溉处理。综合考虑小麦产量和灌水利用特性，节水灌溉技术下(PG和DG)+ B4C1为最佳节水增效模式。