拔节期水氮处理对冬小麦植株生长及氮肥吸收利用的影响

2021-11-09张笑培周新国王和洲杨慎骄陈金平刘安能

灌溉排水学报 2021年10期

张笑培，周新国*，王和洲，杨慎骄，陈金平，刘安能

（1.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡453002；2.河南商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站，河南商丘476000）

0 引言

【研究意义】黄淮麦区适宜的光温条件为冬小麦的优质生产提供了得天独厚的生长环境，目前已发展成中国重要的冬小麦生产基地，冬小麦产量占全国总产量的70%以上[1-2]。该地区常年降水量在520～900 mm 之间，主要集中在7—9月，冬小麦生育期降水仅150～300 mm，而且降水与冬小麦需水过程不同步，不能满足冬小麦正常生长发育需求，为获得较高的产量冬小麦生产必须依靠灌溉[3-4]。目前不科学的水肥管理不仅影响水肥利用效率，还会引起氮素淋洗污染地下水，造成农田生态环境及地下水安全问题[5-6]。因此，采取适宜的水氮管理模式，提高冬小麦产量及氮肥利用效率，对于实现黄淮地区冬小麦高产稳产及农业生态环境安全具有重要意义。

【研究进展】冬小麦优质高产除了受基因遗传特性直接影响，还与生长环境及栽培管理措施密切相关。水肥管理直接影响植株生长、产量及水氮利用效率[7-9]。冬小麦的生长及产量形成受水分和氮素的单因素效应及互作效应共同影响[10-12]。在一定的范围内，冬小麦籽粒产量随着施氮量和土壤含水率的增加而提高，但当灌水施氮超过阈值范围，籽粒增产效果会下降[13-14]。冬小麦的氮素吸收、运转和利用受土壤水分影响；适宜的施氮量可以缓解土壤水分胁迫对作物造成的伤害[15-17]。

【切入点】在黄淮地区有关冬小麦灌溉制度、优化氮肥施用等方面进行了相关研究[18-20]；但基于氮肥利用效率的最佳水氮管理模式及作物生长状况、籽粒产量及构成因素的变化规律需要进行更多的研究探索。【拟解决的关键问题】本研究以冬小麦为研究对象，重点研究拔节期水氮调控对冬小麦株高、叶面积、地上部干物质量、产量和氮肥吸收利用率的影响，确定拔节期最佳的水氮组合模式。以期为实现黄淮地区冬小麦可持续生产提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2012年10月—2013年6月在河南商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站（E 115°34′，N 34°35′，海拔51 m）进行。试验区属暖温带亚湿润季风性气候，多年平均降水量为708 mm（其中7—9月降水量约占全年降水量的65%～75%）。试验期间冬小麦生长季降水量282.3 mm，平均最高气温和最低气温分别为13.70 ℃和4.41 ℃。试验期间的有效降水量和气温如图1 所示。

图1 冬小麦生育期内降水量、最高温度和最低温度Fig.1 Daily rainfall,maximum temperature and minimum temperature during the whole growth period of winter wheat

试验区土壤质地为轻黏质土质，0～100 cm 平均土壤体积质量为1.46 g/cm3，田间持水率为36.72%（体积含水率），耕层土壤有机质、全氮量分别为9.8 g/kg和0.73 g/kg，碱解氮、速效磷和速效钾量分别为91.8、3.46 和55.2 mg/kg。试验期间地下水埋深大于3.0 m。

1.2 试验设计

试验采用二因素随机区组设计，在拔节期进行灌水和追施氮肥处理。灌水量设置3 个水平，0 mm（W1），60 mm（W2）和90 mm（W3）。拔节期追氮量（纯氮）分别为0 kg/hm2（N1）、75 kg/hm2（N2）和150 kg/hm2（N3）。播种前基施氮肥（纯氮）150 kg/hm2。施用氮肥为尿素（含N 46%）。基施P2O5112.5 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2。磷肥为过磷酸钙（含P2O546%），钾肥为氯化钾（含K2O 60%）。试验共9 个处理，各处理重复3 次，共27 个小区。小区面积为36 m2（3.6 m×10 m），相邻小区之间设置1.2 m 宽的保护行。小麦品种为“矮抗58”，于2012年10月15日播种，2013年6月1日收获。

前茬玉米收获后，秸秆全部粉碎还田。各处理播种前土壤墒情和肥力处于同一水平，于2013年3月2日进行拔节期灌水追肥处理，灌水前按照试验设计施入氮肥（W1 处理通过开小沟将氮肥施入麦田耕层土壤，W2、W3 处理灌水前撒施）。灌溉水源为地下水，利用涂塑软管将井水引入试验小区，各处理灌水量用精度0.001 m3的水表计量。各处理除拔节期外，其他生育期均未进行灌溉[18]。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 冬小麦生长发育

在冬小麦拔节期（2012年3月10日）、孕穗期（2012年4月10日）、扬花期（4月24日）及成熟期（2012年5月29日）进行群体动态调查和取样。各小区随机选取代表性植株10 株测量冬小麦株高、叶面积和地上部干物质量。株高、叶面积均采用精度为0.1 cm 的直尺测量，测量叶片最大长度和宽度，用0.75 的系数乘以叶片的长和宽，计算单片叶面积和单株叶面积，结合田间调查株数计算叶面积指数[18]。将样品减掉地下部分，于105 ℃烘箱中杀青30 min，80 ℃烘干至恒质量，称干质量。根据取样株数换算地上部干物质量。

1.3.2 考种、测产及植株含氮量测定

冬小麦成熟期，取1 m 双行调查穗粒数、成穗数等指标。各小区选取3 个1 m2实收计产，籽粒晾晒干后称质量，折算成单位面积产量；从各小区测产的籽粒中随机取1 000 粒，计算千粒质量[17-18]。

另取10 株植株，按不同器官分开，于105 ℃烘箱中杀青30min，80 ℃烘干至恒质量，称干质量，样品粉碎后H2SO4-H2O2消煮，参照鲍士旦的方法，采用半微量凯氏定氮法测定植株各器官全氮量[21]。根据取样数计算干物质量和氮素积累量。

1.3.3 氮肥吸收利用率和水分利用效率计算[18-20]

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2010、SAS6.0 软件对数据进行统计分析。差异显著性采用LSD 法进行比较。

2 结果与分析

2.1 冬小麦叶面积、株高和地上部干物质量

LAI、株高、地上部干物质量均随着作物生育期的推进逐渐增加。灌水和施氮对拔节期、孕穗期、扬花期3 个时期LAI均具有显著影响（表1）。灌水对拔节期、孕穗期、扬花期和成熟期株高均具有极显著影响；施氮量对扬花期和成熟期株高均具有极显著影响。灌水和施氮对扬花期、成熟期地上部干物质量影响显著，对拔节期地上部干物质量影响不显著；孕穗期仅灌水量对地上部干物质量影响显著（表1）。

where p=2πLIECF/Λ is the phase difference between the odd and even modes. The local helicity of the interference can be expressed as13

表1 冬小麦LAI、株高、地上部干物质量方差分析结果Table 1 Variance analysis of LAI,plant height,and dry matter accumulation of winter wheat

LAI、株高和地上部干物质量随追氮量的增加而增加。相同施氮量处理下，LAI、株高、地上部干物质量随灌水量的增加呈增高趋势，表现为：W1 处理

图2 冬小麦叶面积指数、株高、地上部干物质量Fig.2 Leaf area index(LAI),plant high and dry matter accumulation of winter wheat

2.2 冬小麦籽粒产量

灌水和施氮通过影响千粒质量、穗粒数、成穗数影响冬小麦籽粒产量。灌水量和施氮量对冬小麦千粒质量、穗粒数、成穗数影响均达到极显著水平（P<0.01）（表2）。灌水和施氮的交互作用对千粒质量影响达到极显著水平（P<0.01），对成穗数影响达到显著水平（P<0.05）。同一施氮条件下，成穗数、穗粒数随灌水量的增加而增加，千粒质量则呈降低趋势。同一灌水条件下，成穗数和穗粒数随着施氮量的增加而增加，在W1 处理条件下，N2、N3 处理显著高于N1处理（P<0.05）；在W2、W3 处理条件下，N2、N3处理差异不显著（P>0.05）。同一灌水处理下N2、N3处理千粒质量显著低于N1 处理，且在W3 处理条件下，N2、N3 处理间差异也达到显著水平（P<0.05）。

表2 冬小麦产量及其构成方差分析结果Table 2 Variance analysis of yield and its components of winter wheat

拔节期灌水和施氮及二者的交互作用对冬小麦产量影响达到极显著水平（P<0.01）。冬小麦产量随灌水量和施氮量增加呈增加趋势。同一灌水条件下，N2、N3 处理产量显著高于N1 处理。在W1、W2 处理条件下，N3 处理产量显著高于N2 处理；在W3处理条件下，N2、N3 处理无显著差异。说明在W3灌水条件下，N2 处理氮肥施用量较为适宜，继续增加施氮量增产效果不显著。同一施氮水平下，冬小麦产量随灌水量的增加而增加。在N1、N2 处理条件下，W3、W2 处理产量显著高于W1 处理，分别比W1 处理增产31.33%、23.70%和38.53%、17.82%；N3 处理条件下，W3、W2 处理产量分别比W1 处理增产9.34%、3.50%，但W3、W2 处理二者间差异不显著。

2.3 冬小麦产量与生长性状及产量构成相关性分析

对冬小麦籽粒产量与生长性状、产量构成进行相关性分析，结果如表3 所示。

表3 籽粒产量、生长性状及产量构成间相关系数Table 3 The correlation coefficient of grain yield,growth characters and yield composition

冬小麦生长性状与籽粒产量均显著正相关，说明提高冬小麦LAI、株高、地上部干物质量均有利于提高冬小麦籽粒产量。籽粒产量与成穗数和穗粒数极显著正相关，千粒质量与籽粒产量极显著负相关，说明在本试验条件下，产量的增加主要是由穗粒数和成穗数增加促成的。除千粒质量与其他性状极显著负相关外，其他各指标间均显著或极显著正相关。说明各个因子间存在相关性和制约性，在进行农田管理措施时，应使各个性状指标协调发展，充分发挥冬小麦的产量潜力。

2.4 冬小麦氮肥吸收利用和水分利用效率

籽粒吸氮量、地上部氮素积累量均随灌水量和施氮量的增加而显著增加。同一灌水水平，籽粒吸氮量和地上部氮素积累量随施氮量的增加而增加（图3），在W1 处理条件下，N3 处理显著高于N2、N1 处理，3 个氮肥梯度差异显著；在W2、W3 处理条件下，N2、N3 处理显著高于N1 处理，但二者间差异不显著（P>0.05）。

图3 冬小麦籽粒吸氮量及地上氮总量Fig.3 N amounts of grain and aboveground of wheat

图4 冬小麦氮肥生产效率Fig.4 Nitrogen fertilizer production efficiency of wheat

图5 籽粒氮肥吸收利用率Fig.5 Nitrogen fertilizer use efficiency of grain

图6 冬小麦水分利用效率Fig.6 Water use efficiency of wheat

3 讨论

3.1 水氮处理下冬小麦生长状况

水氮是影响作物生长的重要环境因子，二者在作物生长发育过程中存在明显的耦合效应[15]。在冬小麦生长前期水分充足条件下，适宜的施氮可以促进冬小麦叶面积、株高和干物质量增长[27]。施用氮肥对作物的生长调节具有阈值效应，即过量的施氮可能不利于作物的生长[24-27]。拔节期是冬小麦需水敏感期[22-23]，拔节期缺水对冬小麦生长有明显的抑制作用，导致株高、叶面积减小，干物质积累量降低[28]。本试验冬小麦拔节期的降水量仅为8.1 mm，该时期灌溉、追肥措施为冬小麦高产创造了较为适宜的水肥条件。本研究表明，LAI、株高和地上干物质量随拔节期灌水量和追氮量的增加呈增加趋势。LAI、株高和地上干物质量最高值均出现在W3 处理条件下，但与同生育期W2N2、W2N3 处理间无显著差异。说明拔节期灌水和施氮，提高了LAI、株高，改善冬小麦冠层结构，截获更多的光能，进行更多的光合作用，最终提高冬小麦干物质量[22-23]，但超过一定的灌水量和施氮量，增加效果减弱。

3.2 水氮处理下冬小麦产量及构成

水氮是影响作物产量的重要的可调控因子，采取适宜的水氮管理模式对农业高产稳产具有重要意义。适当地增加灌水和施氮量可以提高作物产量，但存在一定的临界值，超过临界值冬小麦产量无显著变化[11-13]。本试验表明，随拔节期灌水量和施氮量的增加，冬小麦籽粒数和成穗数增加，产量逐渐增加。在拔节期灌水量为90 mm，追氮量为75 kg/hm2时获得最高产量，继续增加施氮量，产量增加不显著。说明灌水和追氮对冬小麦增产作用存在一定的临界值，与前人的研究结果[15-17]相似。本研究中，冬小麦籽粒产量和穗粒数、成穗数正相关，表明拔节期灌水、追氮有利于增加冬小麦成穗数和穗粒数，最终促进产量的提高。

3.3 水氮处理下冬小麦氮肥吸收利用

作物对氮肥的吸收利用受水氮的共同影响。在一定的灌水范围内，随施氮量增加植株氮素积累量增加，但施氮量达到一定程度后增加效果减弱，甚至呈下降趋势[19-20]。本研究中W3N2 处理冬小麦植株氮素积累量和籽粒含氮量最高，但与W3N3 处理差异不显著，说明拔节期灌水、追施氮肥促进了小麦植株对氮素的吸收利用，但在N2 基础上继续增加施氮量，不利于植株氮素积累量增加及氮素向籽粒的转移。

在一定的施氮量和灌水量范围内，灌水有助于氮肥生产效率提高，施氮有助于水分利用效率提高。本研究中W3N2 处理比W3N3 处理氮肥生产效率提高35.10%，水分利用效率提高4.08%。说明拔节期灌水和追施氮肥可以显著提高冬小麦的水氮利用效率，但追氮量超过一定量会降低水氮利用效率，这一结论得到了相关研究[15-16]的支持。

拔节期追肥籽粒氮肥吸收利用率反映追施氮肥对籽粒氮积累量的影响。本研究W3N2 处理籽粒氮肥吸收利用率最高为0.53 kg/kg，显著高于其他处理。说明拔节期灌水促进了籽粒对氮肥的吸收利用。综合考虑作物氮素积累量和水氮利用效率，W3N2 处理是最佳的拔节期水肥管理模式。本研究中最大氮素积累量和籽粒含氮量均出现在最高灌水量处理中，与雒文鹤等[25]关于节水条件下作物氮素吸收利用的研究结果略有差异，造成结果不同的原因可能是因为本试验年度降水量及其分布、土壤基础肥力、施氮方式等差异所致。

本试验仅对拔节期灌溉、追氮条件下冬小麦生长性状和氮肥吸收利用进行了初步的研究探讨，以上结论还有待于进一步研究验证，以期为不同降水年型条件下水氮高效管理模式提供更为精准的理论依据和数据支持。