水肥配施对冬小麦产量、干物质量及养分 利用效率的影响

刘德祥，李淑文，张宝东，张宇航，文宏达

（1.河北农业大学 资源与环境科学学院/河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071001；2.河北省唐山市玉田县自然资源和规划局，河北 玉田 064100）

小麦是我国重要的粮食作物，产量和消费量稳居世界第一［1］。1978 年以来，我国小麦产量持续高速增长，但有研究显示，我国粮食增长率在2000到2003 年低至-4%［2］，说明增长表现出不可持续。我国农业在长期追求增产下灌水施肥出现不合理增加，导致水肥利用效率低、环境压力大等系列问题［3-6］。我国小麦氮肥偏生产力仅为28 kg/kg，而国际水平在40 kg/kg 以上，差距明显［7］。张福锁等研究发现我国小麦的氮肥农学效率为8.0 kg/kg，氮肥利用率为28.2%，远低于国际水平，与20 世纪80 年代相比呈下降趋势［8］。我国粮食作物的氮、磷、钾肥利用率分别为30% ～35%、20% 左右、40%～50%［9-10］，植物缺磷会抑制氮素或其它营养元素的吸收，还会抑制植物根系的生长［11-12］。王海艺等［13］研究表明，土壤含水量下降会抑制植物根系的生长，降低根系的吸收面积和吸收能力，影响作物对氮、磷、钾等营养元素的吸收和运输。河北省冬小麦的种植面积目前为240 万hm2，占全国土地总面积的9.7%［1］。施肥过量、地下水超采问题严重制约该地区农业转型和发展。化肥对河北省冬小麦产量的平均贡献率为39.3%，氮肥、磷肥、钾肥的平均贡献率分别为25.7%、18.8%、13.1%，河北冬小麦肥料利用效率总体处于中等偏低水平［5,14］，罗建美等［15］研究显示，河北省大部分地区生产力水平的增产比率低于10%。

针对河北省水资源紧缺和养分利用率较低的现状，前人研究中有关施肥对小麦产量、氮素利用效率等的研究较多，但不同区域生产用品种较多，各品种对水肥要素的响应程度不同，为此，研究不同小麦品种在不同灌水、施肥水平下冬小麦产量、干物质累积量及其对养分利用效率的影响，以期为河北省小麦水肥高效高产优化方案的制定和保障粮食安全提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

表1 小麦播种前耕层土壤养分含量Table 1 Soil nutrient content in the plough layer before cultivation

1.2 供试材料

供试作物：选用‘石麦22’ 和‘济麦22’（通过前期调查，2 个品种在区域内均大面积种植，具有抗旱抗寒、抗病性强的特点，‘石麦22’对低水下肥效反映好，‘济麦22’对高水高肥表现良好）2 个品种作为研究对象。供试肥料：氮肥、磷肥、钾肥分别施以尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512%）、氯化钾（K2O 60%）、复合肥（N-P2O5-K2O 15-15-15）。

1.3 试验设计

2 年度试验均采用裂区设计，以春季灌水次数为主区，施肥量为副区，品种处理为副副区。设置2 个灌水处理：拔节期灌1 水（W1）、拔节期和孕穗期各灌1 水（W2），灌水量为每次75 mm （50 m3/667 m2）；施肥处理设不施肥（F0）、低肥（F1，N、P2O5、K2O 施用量分别为75、75、105 kg/hm2）、中肥（F2，N、P2O5、K2O 施用量分别为112.5、112.5、157.5 kg/hm2）、高肥（F3，N、P2O5、K2O 施用量分别为150、150、210 kg/hm2）4个水平，其中，磷、钾肥全部底施，氮肥按纯氮底追比为1∶1 施用。在拔节期追肥结合灌水实施。小麦品种2 个（‘石麦22’ 和‘济麦22’）。试验小区面积为396 m2（33 m×12 m），每个处理设置3 个重复。采用常规窄行密植（15 cm 等行距），播种量15 kg/667 m2（基本苗23 万～25 万）。2018年6 月8 号小麦收获后，按小麦处理小区，种植玉米‘郑单958’，所有处理均底施化肥（N-P2O5-K2O= 112.5-112.5- 157.5 kg/hm2），大喇叭口期追施氮肥112.5 kg/hm2。生长季田间管理与其他大田管理相同。

1.4 测定项目与方法

在2 年度小麦播种前、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期分别采集0 ～20 cm、20 ～40 cm、40 ～60 cm 土层的土壤样本，常规方法测定土壤速效养分（碱解氮—碱解扩散法、有效磷—0.5 mol/L碳酸氢钠浸提法和速效钾—火焰光度计法）含量、土壤含水量（烘干法），小麦收获后测定土壤容重（环刀法）；在小麦拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期取10 株植株样品带回实验室测定地上部生物量、株高，用叶面积仪测其叶面积，成熟期每小区取两个1 m2小麦穗测得籽粒产量；降雨量数据由辛集河北农大试验基地气象站提供。结合测得与收集的数据计算以下指标［14-16］：

氮吸收量（kg/hm2）=籽粒氮含量×籽粒产量+秸秆氮含量×秸秆产量；

氮素表观利用率（%）=（施氮区地上部植株吸氮量- 不施氮地上部植株吸氮量）/ 施氮量×100%；

氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮区籽粒产量/施氮量；

氮素农学利用率（kg/kg）=（施氮肥区产量-无氮肥区产量）/施氮量；

动物学家发现，在自然界中，很多动物都非常重情谊，会对死亡的同类进行悼念，其“葬礼”五花八门，有些“葬礼”还非常隆重呢！

磷、钾计算方法与氮素相同；

阶段养分干物质利用效率（kg/kg）=阶段干物质量/养分吸收量（N+P2O5+K2O）。

1.5 数据处理

运用 Microsoft Excel 2010 软件处理试验数据和制作图表，用 SPSS20.0 软件进行数据方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同水肥处理下冬小麦各生育时期干物质量变化

不同水肥用量下冬小麦各生育时期干物质量的变化（表2）表明，不同品种冬小麦的干物质量随着生育进程而逐渐增加。

表2 不同水肥用量下冬小麦各生育时期干物质量变化Table 2 Dry matter mass of winter wheat in different periods under different water and fertilizer applications kg/hm2

2018 和 2019 年小麦成熟期的干物质累积量均以W2F2（‘石麦22’ ）和W2F3（‘济麦22’）为 最 高， 分 别 为22 805.5、23 014.5 kg/hm2和 22 198.3、22 378.5 kg/hm2。灌水相同条件下，与不施肥（F0）处理相比，不同施肥处理冬小麦各生育时期干物质量分别增长拔节期-0.14%～ 44.44%、 -0.26% ～ 45.98%、 抽 穗 期6.65% ～56.70%、3.77% ～ 58.59%、 灌 浆 期0.23% ～54.78%、-1.55%～ 50.15%和成熟期1.43%～21.80%、0.20%～ 21.07%。在成熟期，与F0 处理相比，2 年度‘石麦22’ 的平均干物质增长率在W1F2 下最高为9.20%，‘济麦22’在W1F3 下最高为21.44%，可见‘济麦22’品种的干物质累积对施肥的响应度显著高于‘石麦22’。2 年度‘石麦22’ 不同生育时期的干物质量均以中肥F2 处理为最高，‘济麦22’则在高肥F3 时达最高。2018 和2019 年，小麦成熟期干物质量均以中高肥F2 和F3 处理显著高于F1 和F0处理（除‘济麦22’的W1 处理外）。施肥量相同时，2 品种在各生育期的干物质量均表现为W2＞W1，表明春灌两水冬小麦积累的干物质更高。

2.2 不同水肥处理冬小麦各生育期养分吸收量变化

综合2018 和2019 年冬小麦生育期内的全氮吸收量变化（图1）可以看出，‘石麦22’ 在拔节期吸氮量在W1 下施肥明显高于不施肥，W2 下F2 与F0 差距不大；在抽穗期不同施肥量下公顷吸收量排序为H0＜H1＜H2＜H3，但W1 差距很小，最大与最小吸氮量差值仅为26.1 kg/hm2，在W2 下最大与最小吸氮量差值为105.5 kg/hm2，但F1 与F2 之间差距未达显著差异，说明灌水次数对‘石麦22’抽穗期氮素吸收有积极影响，W1 处理由于灌水不足而影响了氮肥肥效发挥；在灌浆期W1F2、W2F2 处理吸氮量分别为176.80 kg/hm2、219.57 kg/hm2，数值差为42.77 kg/hm2，其它施肥水平下W1、W2 数值差距不大，说明在F2 下灌水次数对‘石麦22’在灌浆期的氮素吸收有较大影响。‘济麦22’在抽穗期W2F2＞W1F2、W2F3＞W1F3，差值分别为38.32 kg/hm2和8.58 kg/hm2，而W2F0、W2F1 分别低于W1F0、W1F1，差值分别为10.15 kg/hm2、7.49 kg/hm2，表明在抽穗期灌水次数对‘济麦22’在F2、F3 下的吸氮量影响较大，在F0 和F1 下影响不大；

图1 不同水肥用量下冬小麦各生育期吸氮量（2018 和2019 平均值）Fig. 1 Nitrogen uptake of winter wheat at different growth stages under different amounts of water and fertilizer application (Note: GF represents grain filling, the same below)

灌浆期的吸氮量在F0、F1、F2、F3 4 个施肥量下W2 比W1 分别高出16.61%、50.30%、35.09%、18.79%，可以看出F2、F3 下灌水次数对‘济麦22’灌浆期的吸氮量影响较大。综合2 个品种氮素吸收表现来看，除‘石麦22’‘济麦22’的W1 处理外，其它处理成熟期吸氮量均表现出F3＞F2＞F1＞F0 的规律。

冬小麦全生育期的磷素吸收变化如图2 所示，在灌浆期，‘石麦22’的吸磷量W2F2 比W1F2 高53.71%，W2F3 比W1F3 高59.97%,F0、F1 下 吸 磷量W1＞W2；‘济麦22’在F0、F2、F3 下的吸磷量W1＞W2，在L 下W1＜W2，呈现出一定的水肥互作关系。

从成熟期吸磷量来看，2 个品种在W2 下吸磷量排序均为F3＞F2＞F1＞F0，‘石麦22’ 相邻两者之间差值较大，‘济麦22’的F2 和F3 之间、F0 和F1 之间差异未达显著水平；最大吸磷量‘石麦22’ 为92.49 kg/hm2，‘济麦22’为86.29 kg/hm2，‘石麦22’ 优于‘济麦22’。

图2 不同水肥用量下冬小麦各生育期吸磷量Fig. 2 Phosphorus uptake of winter wheat at different growth stages under different water and fertilizer applications

冬小麦全生育期钾素吸收规律如图3 所示，明显可以看出不同施肥量下抽穗期和拔节期的吸钾量W2 与W1 相比更加分散。以‘石麦22’为例，抽穗期吸钾量在W1 和W2 下的最大值与最小值数值差分别为36.29 和101.2，表明灌水次数会对不同施肥量下小麦钾素吸收造成不同的影响。在成熟期，‘石麦22’和‘济麦22’吸钾量最大值分别127.10和133.73 kg/hm2，可见不同灌水施肥水平下全钾吸收量差别较小，表明灌水施肥对冬小麦成熟期吸钾量没有显著影响。

图3 不同水肥用量下冬小麦各生育期吸钾量Fig. 3 Potassium uptake of winter wheat at different growth stages under different water and fertilizer applications

2.3 不同水肥用量下冬小麦阶段养分干物质利用效率

从图4 中（2018 和2019 年平均值）可以看出，冬小麦拔节期—灌浆期的阶段养分干物质利用效率均较低，范围为15.11 ～30.08 kg/kg；到成熟期小麦干物质利用效率明显高于其它生育阶段，均值为66.19 kg/kg；2 个品种的养分干物质利用效率均以F0 处理为最高值，‘石麦22’表现为W2＞W1 处理，春2 水比春1 水处理高出8.10%，‘济麦22’则为W1＞W2，春1 水处理比春2 水处理高13.93%；在成熟期除F0 处理外，其它施肥处理W1、W2 下的养分干物质利用效率数值差异较小。

图4 不同水肥用量下冬小麦阶段养分干物质利用效率Fig. 4 Dry matter utilization efficiency of winter wheat with different water and fertilizer applications

2.4 水肥用量对冬小麦产量的影响

如图5 所示，小麦产量在2018 和2019 年度的表现趋势较为一致。2 年度‘石麦22’均以W2F2 处理产量最高，分别比F0 处理高出27.07%和40.67%；‘济麦22’则均以W2F3 处理最高为8 863.5 kg/hm2和8 991.8 kg/hm2， 分 别 比F0高42.27% 和42.99%。2 年 度 春2 水（W2） 处理‘石麦22’比春1 水处理（W1）产量增加了0.80% ～24.16%（W2F1 除外），‘济麦22’W2比W1 处理产量提高幅度-3.99%～4.56%；说明‘石麦22’的水分增产效果显著，‘济麦22’的水分增产效应不明显。2 个品种相比，2018 和2019 年，‘济麦22’和‘石麦22’产量分别增加1.35%～33.14%和1.38% ～29.10%；春1 水条件下，‘济麦22’比‘石麦22’的增产幅度为166.61% ～33.14%和15.62%～29.10%，比春2 水条件下表现突出。‘石麦22’在同灌水次数下W2F2＞W2F3，水肥互作效应明显；‘济麦22’则以W2F3＞W2F2、W1F3＞W1F2（差异未达显著水平），说明当水肥条件满足时‘济麦22’可进一步提高产量。

2.5 不同水肥用量下冬小麦籽粒肥料利用效率的对比分析

由表3 可知，‘石麦22’在不同施肥量下氮肥表观利用率在W1 下表现为F2＞F1＞F3，差异达显著水平；在W2 下F1 与F2 处理氮肥表观利用率差异未达显著水平；说明水分不满足条件下，水分限制了肥料的吸收利用。‘济麦22’在2 种灌水处理下，其氮肥表观利用率均表现为F3＞F2＞F1，春1 水处理＞春2 水处理，处理间差异达显著水平，与‘石麦22’的氮肥利用趋势明显不同。‘石麦22’和‘济麦22’2 个品种的磷肥表观利用率，在春1 水处理下均以F1 低肥处理最高，F2 中肥处理最低，差异达显著水平；春2 水处理下，‘石麦22’磷肥表观利用率表现为F3＞F2＞F1，‘济麦22’为F2＞F3＞F1，处理间差异达显著水平。不同水肥处理下2 个品种小麦的钾肥表观利用率变化于8.66% ～14.87% 和10.65% ～15.73% 之 间，均 以W2F1 处理的利用率最高，为14.87%和14.73%。2个品种的肥料表观利用率对比可知，春1 水处理下‘石麦22’的氮钾肥表观利用率低于‘济麦22’，‘石麦22’的磷肥表观利用率高于‘济麦22’。

由各处理的小麦肥料偏生产力（表3）可知，‘石麦22’和‘济麦22’2 个品种在W1、W2 2 种灌水处理下，其氮、磷、钾肥偏生产力均表现出F1＞F2＞F3 的趋势，且处理间差异均达显著水平；相同施肥水平下W1、W2 处理的小麦肥料偏生产力差异未达显著水平。相同施肥灌水下，2 个品种偏生产力均以‘济麦22’明显高于‘石麦22’，‘济麦22’的氮肥偏生产力分别比‘石麦22’高18.31%、31.10%、18.76%和20.31%、2.19%、20.42%。

由表3 可知，‘石麦22’在W1 下的肥料（N、P2O5、K2O）农学利用率以F3、F1 处理较高，但二者差异未达显著水平；W2 处理下的小麦肥料农学利用率则以F2 处理最高，显著高于F3 和F1 处理。‘济麦22’的农学利用率在W1 下以F2 最高，显著高于F3、F1 处理；W2 下的农学利用率以F3 处理最高，显著高于F2、F1 处理差异；‘济麦22’在W1F2 处理取得最高的氮磷钾肥农学利用率。‘济麦22’品种在高水条件下肥料利用率有望继续增加，可为粮食安全提供后备高产高效品种。

3 讨论

3.1 施肥与小麦产量和干物质量的关系

施用化肥可显著提高小麦产量和干物质累积量［4,8］，作物对肥料投入的反应因作物品种、土壤条件、气候和其它因素的影响而差别很大，小麦氮、磷、钾肥配施的增产幅度53.2%,肥料贡献率也提高了l2.5%，高产作物品种对肥料的依赖性更强，化肥在当前的农业增产中发挥了更加重要的作用［14］。本研究中‘石麦22’在中肥下、‘济麦22’在高肥下的产量和干物质积累量高于其它施肥处理；在成熟期‘济麦22’受施肥影响程度大于‘石麦22’；施肥量相同时，2 个品种在各生育期的干物质量均表现为W2＞W1，表明灌水次数增加可提高冬小麦干物质量；随施肥量增加，冬小麦产量变化于干物质量有所不同，2个品种也表现差异。这与Zhang M、吴强的研究结果（中肥高产）有一定差异［6,17］，Zhang M 在华北平原研究以W2N1 处理（100 kgN/hm2+120 mm 灌水）获得显著高于对照的产量，但N1 与N2、N3 处理间产量差异未达显著水平。吴强在内蒙古的研究表明N4（166.5 kgN/hm2，中高水平）下小麦产量最高。说明不同区域不同品种和不同氮肥用量下，小麦对氮素养分的响应不同，最高产量点不同。

3.2 水肥处理对小麦肥料利用率的影响

随灌水量和合施肥量增加，小麦的肥料农学利用效率一般呈降低趋势，中水低肥（100 kgN/hm2+ 120 mm 灌水）的农学效率最高［6］。小麦氮素生理效率和偏生产力均随施氮量增加而降低［18］。本研究发现，冬小麦吸氮量均表现出高肥＞中肥＞低肥＞不施肥的特征；两品种小麦的氮肥表观利用率在低水（春灌1 水50 m3）下均随施肥量增加而降低，而增加灌水量，氮素表观利用率对施肥量的响应差异未达显著水平。冬小麦的偏生产力均随施肥水平的提高而降低且差异达显著水平；同灌水施肥下肥料偏生产力‘济麦22’明显高于‘石麦22’；施肥量相同时‘石麦22’在春1 水下的肥料农学利用效率高于春2 水处理，差异达显著水平，‘济麦22’则相反，但差异未达显著水平。与他人研究相比，本研究2 个品种的最优推荐施肥量（225 kg/hm2）高于Zhang［6］（华北平原小麦，100 kgN/hm2）、崔帅等［19］（河北藁城120 kgN/hm2）推荐用量、吴强［17］（内蒙古，166.5 kgN/hm2）和李亚静［18］（冀东平原，180 kgN/hm2）的推荐量，与吕敏娟等［20］在河北正定冬小麦‘衡4399’‘藁优2018’品种的推荐用量相当，说明在不同区域气候条件下，不同品种小麦对水肥的响应度不同，还需深入研究区域适应度高的小麦品种的节水节肥效应，为化肥减施增效、水资源节约高效利用和保障粮食安全提供理论依据和技术支撑。

4 结论

不同冬小麦品种受灌水和施肥的影响表现不同，‘石麦22’干物质累积量在中肥下为最优，‘济麦22’在高肥下为最优，春2 水优于春1 水处理。除‘石麦22’的春1 水处理外，其它处理吸氮量均随施肥量增加而提高。相同灌水施肥下‘济麦22’肥料偏生产力明显高于‘石麦22’；‘石麦22’肥料农学效率春1 水处理显著高于春2 水处理，‘济麦22’差异未达显著水平；‘济麦22’在高肥下产量最高，‘石麦22’则在中肥下产量最高。综合考虑区域水资源状况，‘济麦22’表现出更好的水肥利用特性，春1 水高肥（N 300 kg/hm2，P2O5150 kg/hm2，K2O 210 kg/hm2，50 m3/667m2）为推荐方案；‘石麦22’则以春2 水中肥（N 225 kg/hm2，P2O5112.5 kg/hm2，K2O 157.5 kg/hm2，100 m3/667m2）为推荐水肥方案。