氮肥运筹对旱地胡麻水分利用特征及产量的调控效应

张 勇,吴 兵,高玉红,张巧霞 ,王一帆,景 娜,高珍妮

(1.甘肃省干旱生境作物学国家重点实验室/甘肃农业大学 农学院,兰州 730070； 2.甘肃农业大学 生命科学技术学院，兰州 730070；3.甘肃农业大学 信息科学技术学院,兰州 730070)

水和肥已成为当今世界影响粮食安全生产的两大主要因素[1]，二者协调利用对提高作物产量及综合利用价值意义重大[2]。氮肥的合理施用是作物高产、稳产的重要农艺措施之一，但氮肥施用过量，不但对增加作物经济效益无益，反而会使氮肥偏生产率和利用效率降低[3-5]。研究表明，适宜的氮肥运筹可以显著提高玉米[6-8]、小麦[9]的干物质积累量、氮素积累量，增加作物花后干物质对籽粒的贡献率，提高作物产量、水分利用效率(WUE)和氮肥利用率[10]；但施氮量过高会降低氮肥利用效率和氮素收获指数[7-8，10]。生产中不合理的氮肥基追比会影响作物籽粒产量和水分利用效率的降低，研究发现，小麦拔节、孕穗、开花期追肥均有利于促进地上部干物质积累与提高水分利用效率[11]和籽粒产量，且基追比为3∶7产量较高[12]。因此，合理的氮肥运筹模式可显著提高作物干物质积累、产量以及水分利用效率。

胡麻(LinumusitatissimumL.) ，又称油用亚麻，其生育期短、适应性广，广泛分布于中国甘肃、河北、内蒙、新疆等地，是中国北方地区一种重要的经济作物[13-14]。近年来，部分学者在施氮水平对胡麻水分利用特征和耗水特性的影响方面做了大量研究，但在与施肥时期互作方向对水分利用效率方面研究较少，研究发现施氮150kg·hm-2结合灌水2次或3次均有利于提高胡麻产量以及氮收获指数，合理的氮肥运筹可显著提高胡麻籽粒产量[15]，施氮90kg·hm-2可减少其苗期至盛花期时长，增加籽粒灌浆时间，显著增产27.35%，提高水分利用效率和氮肥偏生产力[16]。此外，增施氮肥还可改变不同土层土壤贮水量，增加作物对深层土壤水分的利用，但高氮肥不利于胡麻产量的增加以及农艺性状的改善[17]。目前，随着对胡麻需求量日益增大，高效的栽培措施至关重要，但关于氮肥运筹研究主要集中在玉米[18]、小麦[19-20]等大宗作物上，且对作物生长发育及产量形成过程的研究较多，针对半干旱气候条件下氮肥运筹对胡麻耗水特性及水分利用效率的研究报道较少。因此，在西北半干旱区研究不同施氮水平及施肥时期对旱地胡麻水分利用特征及其产量形成的影响，从而达到降低土壤耗水，提高水分利用效率，筛选出胡麻高产高效的氮运筹方式，对于提高旱地胡麻籽粒产量和水资源利用效率具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年4月17日至9月21日在定西市油料研究所试验地进行，海拔约2 040 m，年平均降水量413.8 mm，年平均气温6.3 ℃，极端高温30.6 ℃，极端低温-27.1 ℃，年日照时数 2 453 h，年无霜期213.3 d，蒸发量约1 500 mm。试验地土壤为黄绵土，土壤速效磷含量为26.43 mg·kg-1、速效钾108.30 mg·kg-1、全氮1.00 g·kg-1、全磷0.85 g·kg-1、有机质17.51 g·kg-1，pH 8.13，上茬作物为小麦。试验期间当地气候条件见图1。

1.2 试验设计

通过田间试验，采用二因素裂区试验设计，以当地常规施氮量180 kg·hm-2[w(N)=46%]为对照(J3)，设置2个水平减量施氮：减量2/3(J1:60 kg·hm-2)、减量1/3 (J2:120 kg·hm-2)，5个施肥时期：氮全部基施(N1)、氮肥2/3基肥+1/3追肥(现蕾初期)(N2)、氮肥 1/2基肥+1/2追肥(现蕾初期)(N3)、氮肥1/3基肥+2/3追肥(现蕾初期)(N4)和氮肥1/3基 肥+1/3追肥(分茎初期)+1/3追肥(现蕾初期)(N5)，共15个处理。小区面积5 m×4 m，小区间间隔30 cm，区组间隔40 cm，四周设1 m宽保护行。品种选用‘陇亚13号’，种植密度为750 万株·hm-2，条播，播深3 cm，行距20 cm，过磷酸钙[w(P2O5)=16%)]62.5 kg·hm-2，硫酸钾[w(K2O)=52%]52.5 kg·hm-2条施，磷、钾肥均作为基肥。其他管理方式同一般大田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水量 分别于胡麻播前、苗期、现蕾期、盛花期、青果期、成熟期分土层(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm、100～120 cm、120～140 cm、140～160 cm)测定土壤含水量及土壤体积质量。按照下式计算：

土壤含水量 =(M1-M2)/M2-铝盒×100%

式中，M1为土壤鲜质量(g) ；M2为土壤干质量(g)。

土壤贮水量：Sw=d×r×w×0.1

式中，Sw为土壤贮水量(mm) ，d为土层厚度(cm) ，r为土壤体积质量(g·cm-3) ， 本试验区的土壤体积质量为1.21 g·cm-3；w为土壤含水量(%) 。

耗水量：ET=BFW-HAW+P

式中，ET为胡麻生育期耗水量(mm)；BFW为播前土壤贮水量；HAW为收获后土壤贮水量；P为生育期降雨量(mm) 。

水分利用效率(WUE)=Y/ET

式中，Y为不同处理的经济产量，ET为处理的总耗水量。

ET=(播前土壤贮水量 - 收获后土壤贮水量) + 降水量

降水利用效率=籽粒产量/降水量

1.3.2 产量及其构成因素 胡麻收获前每小区取样12株进行室内考种，包括分枝数、分茎数、单株蒴果数、每果粒数、有效蒴果、无效蒴果数、千粒质量。按小区单收单打，晒干后测定小区产量。

氮肥偏生产力(PFP)=籽粒产量/施氮量

1.4 数据处理

对数据统计分析采用Excel 2018和SPSS 21.0，多重比较使用LSD法，Duncan’s法进行差异显著性检测，软件作图采用Excel 2018。

2.1 氮肥运筹下旱地胡麻土壤含水量时空动态变化

2.1.1 不同施氮量对旱地胡麻土壤水分时空动态变化的调控效应 不同施氮水平下旱地胡麻土壤含水量随着胡麻生育进程的推进在100 cm土层以内变幅较大(图2)。从不同土层来看，0～20 cm土层土壤含水量在胡麻全生育期呈先降(苗 期-青果期)后增(青果期-盛花期)趋势；20～60 cm土层除青果期外均随土层深度的增加而逐渐降低。青果期呈先增(20～40 cm)后降(40～60 cm)的变化趋势。60～160 m土层在盛花期、青果期、成熟期土壤含水量呈上升趋势。

从不同生育时期来看，苗期，各施氮水平下 0～20 cm土层土壤含水量随土层深度增加而逐渐降低。其中，0～40 cm土层土壤含水量表现为J3>J2>J1，40～160 cm土层为J2>J3>J1。 20～40 cm土层J3施氮水平下土壤含水量较J1水平显著高出8.07%；在40～60 cm土层和60～80 cm土层，J3、J2水平下土壤含水量分别较J1水平显著高出5.56%、5.81%和5.89%、7.10%；80～100 cm土层J2处理较J1处理显著高出 8.07%。说明高施氮水平显著提高胡麻苗期 20～40 cm土层土壤含水量，中等施氮水平显著提高40～100 cm土层土壤含水量。现蕾期，随着生殖器官的产生，胡麻需水量逐渐增加，0～60 cm土层土壤含水量急剧降低。在0～120 cm土层各施氮处理土壤含水量之间无显著差异；120～140 cm土层和140～160 cm土层土壤含水量表现为J2处理较J1、J3处理分别显著高出7.30%、8.18%和 10.40%、9.54%。胡麻盛花期，植株生长旺盛，较前期相比土壤含水量大幅度降低。其中，20～40 cm土层土壤含水量表现为J2处理最高，较J3处理显著高出20.23%；100～120 cm土层则为J3处理显著高于J1处理(3.32%)；120～140 cm土层土壤含水量J2和J3处理分别较J1处理显著高出7.94%和6.05%。青果期，随着生育进程继续推进，0～60 cm土层土壤含水量表现为J2> J1>J3，在80～160 cm土壤含水量表现为J3>J2>J1，20～40 cm土层土壤含水量J2处理较J3处理显著高出9.98%，60～80 cm土层土壤含水量J2处理较J1处理显著高出14.82%，80～100 cm土层土壤含水量J3处理较J1处理显著高出 10.77%。成熟期，营养物质向籽粒转运，加剧了对深层土壤水分的利用，60～80 cm、80～100 cm、100～120 cm土层土壤含水量J3处理较J1处理分别显著高出27.43%、27.67%、 16.84%，120～140 cm土层土壤含水量J2、J3处理较J1处理分别显著高出7.08%、9.27%。说明中施氮水平显著增加生育前期浅层土壤含水量，在成熟期显著增加深层土壤含水量，中等施氮量显著增加现蕾期深层土壤含水量，且显著增加盛花期、青果期浅层土壤含水量。

2.1.2 不同施肥时期对旱地胡麻土壤水分时空动态变化的调控效应 随着胡麻生育期的推进不同施肥时期处理下各土层土壤含水量变化趋势与不同施氮水平趋于一致(图3)。苗期、现蕾期和成熟期各施肥时期处理下不同土层土壤含水量之间无显著差异；盛花期，0～20 cm土层土壤含水量表现为N2和N4处理较N1、N3、N5处理分别显著高出23.78%、22.73%、28.10%和19.07%、 17.65%、22.79%，其他土层无显著差异；青果期，除20～40 cm土层土壤含水量在N2处理下较N5处理显著高出16.10%外，其他各土层均无显著差异。说明N2施肥方式可显著提高胡麻盛花期和青果期0～40 cm土层土壤含水量。

2.1.3 氮肥运筹与旱地胡麻各土层土壤含水量的互作效应分析 由表1可以看出，施氮量(J)对旱地胡麻20～40cm、40～60cm、60～80cm和80～100 cm土层土壤含水量影响均达极显著水平(P<0.01)，对140～160 cm土层含水量影响显著(P<0.05)，0～20 cm和100～140 cm土层土壤含水量无显著差异。不同施肥时期(N)处理对各土层土壤含水量均无显著影响。施氮水平和施肥时期对各土层土壤含水量的交互效应均不显著。

表1 氮肥运筹与旱地胡麻土壤含水量互作效应Table 1 Interaction effect between nitrogen fertilizer operation and soil moisture content of flax in dry land

2.2 氮肥运筹下旱地胡麻全生育期土壤贮水量的动态变化

在整个胡麻生育期土壤贮水量呈先降(苗期-现蕾期)后升(现蕾期-盛花期)再降(盛花期-成熟期)的变化趋势(表2)。同一施肥时期不同施氮条件下，施氮量对胡麻苗期和成熟期贮水量影响达极显著水平(P<0.01)，施肥时期对现蕾期贮水量影响显著(P<0.05)，对盛花期和青果期贮水量无显著影响。从胡麻不同生育时期来看，苗期，在不同施氮量下J2处理土壤贮水量较J1、J3处理显著高出7.29%和1.02%，说明在苗期中等施氮水平显著增加了土壤贮水量；现蕾期，J3处理较J1、J2处理显著高出2.58%和1.01%；成熟期，J3处理较J1、J2处理显著高出9.06%和 4.71%。由此可见，高施氮处理在胡麻现蕾期和成熟期显著提高了土壤贮水量。从同一施氮水平不同施肥时期来看，施肥时期对现蕾期贮水量影响显著(P<0.05)，对其他生育时期无显著影响。施氮水平和施肥时期综合运筹下表现为J2N4处理下胡麻现蕾期土壤贮水量较同一施氮量下N3和N5处理显著高出8.45%和9.42%。两因素间交互作用(J×N)对现蕾期贮水量影响显著 (P<0.01)，现蕾期J2N4处理较J1N4、J1N5、J2N3、J2N5、J3N1、J3N3处理显著高出2.88%～ 5.25%，J2N2处理较J1N1、J1N2、J1N3显著高出6.17%～8.62%，J1施氮量下N4、N5处理显著较低于其他处理。总体来看,不同施氮水平处理下，苗期中等施氮水平显著增加了土壤贮水量，现蕾期、成熟期高施氮水平显著增加了土壤贮水量，同一施氮量下不同施肥时期，现蕾期J2N4、J2N2处理显著提高土壤贮水量。

表2 氮肥运筹胡麻全生育期土壤贮水量Table 2 Soil water storage of flax under nitrogen fertilizer operation during whole growth period

2.3 氮肥运筹对旱地胡麻产量性状的影响

由表3可以看出，施氮量对胡麻植株分茎数影响显著(P<0.05)，对分枝数、有效蒴果、无效蒴果、千粒质量无显著影响，施肥时期对有效蒴果影响显著(P<0.05)，二因素互作不显著。不同施氮水平下，分茎数表现为J3水平显著高于J1和J2处理15.15%和16.03%；有效果数J3N1处理较J1N4、J2N2、J2N4和J3N4处理分别显著高出76.43%、73.87%、71.29%和64.65%，J2N5处理较J1N4、J2N2、J2N4处理分别显著高出 74.91%、72.37%和69.82%。不同施氮水平下J3处理的胡麻无效蒴果数较J1和J2处理高出 14.30%和14.76%,差异不显著。表明不同施氮水平下J3施氮处理能显著增加胡麻分茎数和有效效蒴果数，为胡麻高产奠定基础。

表3 氮肥运筹旱地胡麻产量性状Table 3 Yield character of flax in dry land under nitrogen fertilizer operation

2.4 氮肥运筹对旱地胡麻阶段耗水量的影响

由表4可以看出，在不同施氮水平处理下胡麻田间土壤耗水量表现为苗期和盛花期最高。青果期-成熟期阶段耗水量间差异显著(P<0.05)。二因素互作效应不显著。不同施氮水平处理下青果期-成熟期阶段耗水量表现为J1处理较J2和J3处理分别显著高出1.10%和28.13%。表明J1施氮水平显著增加胡麻青果期-成熟期阶段耗水量。

表4 氮肥运筹旱地胡麻生育阶段耗水量Table 4 Water consumption of flax in dry land at growth period under nitrogen fertilizer operation

2.5 氮运筹对胡麻籽粒产量及水分利用效率的影响

由表5可知，施氮量对旱地胡麻耗水量、水分利用效率、氮肥偏生产力和降水利用效率影响达极显著水平(P<0.01)，对胡麻籽粒产量影响显著(P<0.05)，对盛花期和青果期贮水量无显著影响，施肥时期处理对胡麻耗水量的影响达显著水平(P<0.05)，对籽粒产量、水分利用效率、氮肥偏生产力和降水利用效率的影响达极显著水平(P<0.01)，两因素间交互作用(J×N)对氮肥偏生产力影响极显著，对耗水量、产量、水分利用效率无显著影响。

表5 氮肥运筹胡麻籽粒产量及水分利用效率Table 5 Grain yield and water use efficiency of flax under nitrogen operation

随施氮量的增加胡麻耗水量呈降低趋势(表4)，在不同施氮水平下，J1处理较J2和J3处理分别显著高出3.59%和10.34%，在J1、J2和J3氮肥水平下N1、N2和N3施肥时期的胡麻耗水量分别较同一施氮水平其余分别显著降低 1.00%～9.01%、0.85%～4.24%和1.41%～ 7.25%。

不同施氮水平下胡麻籽粒产量表现为J2>J3>J1，J2处理较J3和J1处理分别显著高出 5.38%和8.32%。不同施氮水平下N2施肥时期处理籽粒产量均达到最大。在J1施氮水平下， N1、N2处理分别较N3、N5处理显著高出 19.67%、12.30%和21.79%、15.00%；J2水平下N2处理较其他处理处理显著高出1.22%～ 10.55%；不同氮肥综合运筹下，J2N2处理籽粒产量最高，较J3N3、J3N4和J3N5处理分别显著高出11.29%～16.97%。

不同施氮水平下水分利用效率表现为J3>J2>J1，J3处理较J2和J1处理分别显著高出 7.47%和18.79%，3个施氮水平下各处理间N1、N2、N1水分利用效率分别最大，处理N3、N4、N4水分利用效率最小，不同氮肥综合运筹下，J3N1处理的水分利用效率最高，较J1N3、J1N4、J1N5、J2N3、J3N4处理显著高出15.82%～33.26%；其次为J2N2处理，较J1N3、J1N4、J1N5、J2N3和J3N4处理显著高出15.09%～32.43%。

降水利用效率在不同施氮水平下表现为 J2>J3>J1，J2处理较J3和J1处理分别显著高出7.07%和5.37%，同一施氮水平下，J1N2处理较J1N3和J1N5处理分别显著高出22.03%和 15.20%，J2N2处理较J2N3处理显著高出 10.45%，J3N2处理较J3N4处理显著高出 11.58%。

综上所述，随施氮量增加耗水量降低，水分利用效率增加，在不同施氮水平下产量和降水利用效率表现为J2>J3>J1；在同一施氮量下不同施肥时期均表示为N2处理产量、降水利用效率、氮肥偏生产力分别达到最大，且在不同处理间J2N2处理水分利用效率显著高于其他处理。

3 讨 论

在黄土高原半干旱地区，水分是制约作物生长的关键因素[21]，土壤含水量时空动态变化不仅受降水、灌溉的影响，氮运筹方式也是制约农田氮素吸收及水分利用效率的重要因素[22-23]。白翔斌等[24]研究发现，不同施氮水平在生育前、中期能够增加浅层土壤水分利用效率，而且增加深层土壤水分上移。冯福学等[25]研究发现，一定施氮条件下有利于燕麦对增加深层土壤贮水的利用。本研究表明，J2施氮水平可显著提高胡麻苗期40～100 cm土层和现蕾期120～160 cm土层土壤含水量，增加土壤贮水量；盛花期和青果期20～40 cm土层土壤含水量较J3处理显著增加20.23%和9.98%。J3处理可使胡麻现蕾期和成熟期的土壤贮水量较J1、J2处理显著增加2.58%、 1.01%和9.06%、4.71%。说明在胡麻生育前期植株生长较缓慢，所需水分较少，高施氮处理显著提高了土壤含水量。现蕾期随着生殖器官的产生，胡麻需水量逐渐增加，J2施氮水平显著加大了对浅层土壤水分的消耗。段文学等[20]在小麦中研究也表明，当施氮量由90 kg ·hm-2增加到150 kg ·hm-2时，可显著增加对深层土壤贮水利用能力,但施氮量继续增加，土壤贮水消耗量未显著增加。在盛花期、青果期伴随着降雨量的增加，J2施氮水平蓄水保墒水平更加突出，显著增加浅层土壤含水量，说明J2施氮水平不仅在生育前期显著增加浅层土壤水分消耗，在盛花期、青果期还可增加蓄水能力。栗丽等[26]和杨永辉等[27]也指出，不同氮肥追施比例对各时期土壤贮水量影响显著。本研究表明，在J2施氮水平下N4、N2处理较显著提高土壤贮水量，显著增加表层土壤蓄水能力，提高土壤含水量。因此，在作物生长旺盛阶段通过控制施氮量以及施肥时期有利于改善不同土层土壤贮水量。

前人研究发现，施氮量与耗水量之间有明显的线性相关关系，不同氮运筹可显著提高提高籽粒产量和水分利用效率，且两者间存在明显的互作效应[28-30]。本研究发现，在整个生育时期J1处理耗水量较J2、J3处理显著高出3.59%和 10.34%，水分利用效率J3显著较J2、J1显著高出 7.47%、18.79%，说明低施氮水平较高施氮水平显著增加耗水量，水分利用效率降低，高施氮处理较低施氮处理耗水高峰显著前移，且显著增加作物对深层土壤水分的消耗[31-32]。此外，不同氮肥基追比对作物耗水量及水分利用效率影响显著[33]。前人研究表明，在不同种植模式下小麦氮肥基追比处理比例为5∶5、3∶7是最合理的水氮运筹模式[8,34]。本研究结果表明，在不同施氮水平处理下N1、N2水分利用效率最大，表明在胡麻生育前期保持极高的肥力可显著提高水分利用率，高施氮处理全部基施与氮肥2/3基肥和1/3现蕾初期追肥水分利用效率均较大，从经济效益角度看，不同施氮水平各处理间N2处理氮肥偏生产力分别达到最大值，降水利用效率J2N2处理较其他处理高2.78%～30.97%，表明J2N2处理是符合当地氮肥运筹的合理施肥方式，可显著提高胡麻产量及水分利用效率，起到“以肥调水”的作用。

施用氮肥在产量构成因子中的贡献率显著大于其他肥料，一定范围内增施氮肥可显著增加胡麻有效果数和每果实粒数[17]，能显著提高籽粒产量和氮素农学利用率[35]，随施氮量增加，其对产量相对贡献率显著提高[36]。王进斌等[37]研究发现，按照1/3基肥+2/3拔节期配施下可显著提高玉米干物质积累和籽粒分配量，提高籽粒产量。本研究发现，不同施氮水平产量J2处理显著较J3、J1处理高5.38%、8.32%，同一施氮量不同施肥时期J2N2处理较J2N1、J2N3、J2N4、J2N5处理显著高出1.22%～10.55%。在一定范围增施氮肥可显著增加作物产量，不同则表现最为生物量的变化与籽粒产量变化相反，增施氮肥氮肥可显著提高作物营养生长，未表明提高生殖生长，可见，氮肥2/3基肥和1/3追肥(现蕾初期)施肥方式是该区增产的较佳的胡麻氮运筹管理模式。

4 结 论

施氮水平和施肥时期对胡麻水分利用效率及产量具有显著互作效应，合理氮运筹方式可有效改善各土层土壤含水量、贮水量，提高降水利用率，在不同施氮水平随着施氮量增加耗水量呈降低趋势，水分利用效率呈增大趋势，不同施氮水平各处理间氮肥2/3基肥和1/3追肥(现蕾初期)施肥方式氮肥偏生产力分别达到最大值。本试验选取施氮水平150 kg·hm-2，施肥时期为氮肥2/3基肥和1/3追肥(现蕾初期)时为最佳氮运筹方式，既能有效提高产量，又能显著提高土壤水分利用效率，是该试区较佳的胡麻氮运筹管理模式。