管渠灌溉和施氮量对冬小麦产量和氮素利用效率影响

魏汇庆,邵亚茹,宫俪芹,陈立山,禹江达,王春堂

管渠灌溉和施氮量对冬小麦产量和氮素利用效率影响

魏汇庆,邵亚茹,宫俪芹,陈立山,禹江达,王春堂*

山东农业大学水利土木工程学院, 山东 泰安 271018

在冬小麦种植过程中，管渠灌溉节水效果显著，但在氮肥利用上还未明晰合理指标。为探究管渠灌溉冬小麦适宜的施氮量，本试验设置6个处理，管渠灌溉条件下不施氮处理（G-N0），施氮150 kg/hm2（G-N1），施氮240 kg/hm2（G-N2），施氮300 kg/hm2（G-N3），施氮360 kg/hm2（G-N4），畦灌条件下施氮300 kg/hm2（Q-N3），其中G-N0为空白对照，G-N3为传统施氮对照，分析管渠灌溉不同施氮量对干物质积累量、籽粒产量和氮肥利用效率的影响以及管渠灌溉与传统畦灌相同施氮量的干物质积累量、籽粒产量和氮肥利用效率的影响。结果显示，在G-N2和G-N3处理干物质积累量相较于G-N0处理分别增加了22.87%和21.07%，籽粒产量相较于G-N0处理分别增加了69.92%和68.08%，两个处理都能实现高产；在G-N2处理的氮肥农学利用效率和氮肥生理利用效率最高，而过量施氮G-N4处理的氮肥农学利用效率和氮肥生理利用效率明显降低，氮肥偏生产力随着施氮量的增加而降低；管渠灌溉G-N3处理与传统畦灌Q-N3处理相比干物质积累、产量和氮肥利用效率显著增加，成熟期籽粒干物质积累增加了8.54%，籽粒产量增加了14.41%，氮肥偏生产力增加了14.44，氮肥农学利用效率和氮肥生理利用效率分别增加了45.07%和17.84%。因此，管渠灌溉下冬小麦较优施氮量为240 kg/hm2。

管渠灌溉; 冬小麦; 氮肥利用效率

小麦作为我国的主要粮食作物之一，产量和品质的提高是不断追求的，随着各种灌水方式的不同，提高了小麦产量和品质的同时，极大的节约了农业用水[1,2]，我国很多农民为了追求产量，往往存在过量施氮和施氮不合理的问题，过量施氮不仅不会提高产量，也会导致氮肥利用效率降低和地下水污染[3,4]，氮肥的合理利用能够提高氮肥利用效率，在作物不同时期施氮量的不同也会影响作物的产量和水氮空间分布状况[5]。因此，在小麦种植生产过程中，合理选择灌水方式和施氮量，才能更好地节约用水和提高小麦的产量和品质。

我国农业用水在水资源中占有很大比例[6]，在节水灌溉中，选择适宜的灌水方式是节约用水的重要途径[7]，然而有很多地区采用漫灌、畦灌、交替灌溉等地面灌溉方式，这些灌溉方式普遍存在灌水均匀性差，水资源浪费严重，深层渗漏严重，氮素淋失的缺点[8-10]，因此选择适宜的灌水方式对水资源的合理利用显得尤为重要。

管渠灌溉作为一种新兴的灌水方式，能够实现大田定量控水灌溉，杜绝深层渗漏，灌水均匀度高，因依靠管渠代替田面输水，灌水质量不受畦田长度的影响，解决长畦灌水难的问题，适应性强，可多条管渠同时灌溉，节约劳动力[11]。前人研究表明，管渠灌溉方式对土壤有较好的水分入渗特性[12]，管渠灌溉有较好水流扩散，灌水均匀度高，也有较高的灌溉水评价指标[13]。管渠灌溉与传统畦灌、波涌流灌溉相比，能提高冬小麦的产量和水分利用效率[14]，同时在适当减少氮肥使用量的情况下，依然能够实现夏玉米较高的产量和氮素更好的吸收利用[15]。本研究基于大田实验，研究管渠灌溉条件下不同施氮量对冬小麦产量以及氮肥利用效率的影响，探究能使冬小麦达到较高产量和品质的同时，又能提高氮肥利用效率的适宜施氮量。

1 材料与方法

1.1 试验原理

管渠灌溉是将管渠（顶部开敞的圆缺型输水管槽，或称为渠槽管，如图1所示）布设在畦田中间且具有一定的坡度，可与大田的田面坡度相等或相近，利用管渠输水代替田面输水，在管渠中设置与管渠内壁十分吻合的球体塞阀，通过拉动牵引绳控制塞阀在管渠内匀速移动，靠其阻挡作用，使管渠内水流在塞阀上游产生溢流，因供水流量不变，溢流段在灌水方向上沿管渠两侧均匀移动，这样使灌溉水在大田纵向上等量均匀分布，灌溉水在大田内只是完成横向扩散，在横向扩散距离只有畦宽的一半，提高了灌溉水的横向分布均匀度和水分利用效率，节约了用水。

1-管渠 2-塞阀 3-畦田

1.2 试验材料

试验地点为泰安市马庄镇（117°0′21″E，36°01′11″N）进行，试验时间为2020年10月-2021年6月，供试验材料为济麦22，试验区属于暖温带大陆季风气候，年平均降水量687.7 mm，年平均气温12.8 ℃，主要土壤类型为壤土，耕层为0～20 cm，有机质10.09 g/kg，土壤中全氮量0.68 g/kg，碱解氮量78.15 mg/kg，速效磷量45.83 mg/kg，速效钾量131.25 mg/kg。

1.3 试验设计

本试验畦田的规格为1.8 m×120 m=216 m2，经调查，当地农民的传统施氮量为300 kg/hm2，试验设置6个处理，管渠灌溉条件下不施氮处理（G-N0）；施氮150 kg/hm2（G-N1）；施氮240 kg/hm2（G-N2）；施氮300 kg/hm2（G-N3）；施氮360 kg/hm2（G-N4）；畦灌条件下施氮300 kg/hm2（Q-N3）,每个处理重复3次，其中G-N0为空白对照，G-N3为传统施氮对照。氮肥选用尿素（含氮46%），磷肥和钾肥分别选用过磷酸钙（含P2O512%）和氯化钾（含K2O 60%），播种前施总氮量的40%和P2O5、K2O各120 kg/hm2，剩余氮肥于拔节期追肥，其它管理同当地冬小麦高产田。2020年10月3日播种，2021年6月8日收获，生育期内总降雨量213.8 mm，管渠灌溉总水量为173.1 mm，畦灌总灌水量为173.1 mm，管渠灌溉的灌水量为畦灌灌水量的75%，灌水详情见表1，降雨详情见图2。

表1 冬小麦生育期灌水量和灌水总量

图2 冬小麦生育期内降雨量

1.4 测定项目与方法

1.4.1 地上部干物质积累在冬小麦返青期、拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期和成熟期，于各处理小区0～40 m、40～80 m、80～120 m选取具有代表性的连续20株取样，成熟期的样品进行分样，分为籽粒和植株（茎鞘+叶片），样品于105 ℃烘箱杀青30 min后，调至85 ℃烘干之恒重量，称重。

1.4.2 产量在冬小麦成熟期选取各处理小区 0～40 m、40～80 m、80～120 m田块中长势均匀的地段，每个地段的面积为1.8 m×2 m=3.6 m2，每个地段上选取具有代表性的小麦50株进行室内测量，测量穗数、穗粒数、千粒重和穗长，并将地段内全部小麦收获脱粒，自然风干至籽粒含水量为12.5%左右，称重之后计算出籽粒产量。

1.4.3 含氮量的测定与计算于成熟期各处理选取距畦首0～40 m、40～80 m、80～120 m选取代表性植株，烘干，研磨后过0.25 mm孔径筛，采用凯式定氮法测定含氮量。氮素相关指标计算方法如下：氮肥农学利用效率（kg/kg）=（施氮处籽粒产量-不施氮处籽粒产量）/施氮量；氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮区产量/施氮量；氮肥生理利用效率（kg/kg）=（施氮处籽粒产量-不施氮处籽粒产量）/（施氮处理地上部氮素积累量-不施氮处理地上部氮素积累量）。

1.5 数据统计与分析

采用Microsoft Excel整理和计算数据，用SPSS Statistics软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 冬小麦干物质积累

表2为不同生育时期冬小麦干物质积累，由表2可知，在管渠灌溉模式下，成熟期和开花期G-N0处理的籽粒和植株干物质积累量均显著低于其他施氮处理，相较于G-N0处理，G-N1处理、G-N2处理、G-N3处理和G-N4处理成熟期籽粒干物质积累量分别增加7.14%、22.87%、21.07%和13.82%，成熟期植株干物质积累分别增加7.31%、22.66%、19.50%和14.22%，成熟期籽粒和植株干物质积累量在N2和N3处理时达到最大且无显著差异，开花期干物质积累量分别增加16.65%、30.60%、13.25%和30.88%，返青期和拔节期不同施氮处理的干物质积累量都要高于N0处理的干物质积累量。管渠灌溉G-N3处理和畦灌Q-N3处理相比，返青期和开花期干物质积累量无显著差异，拔节期管渠灌溉高于畦灌，成熟期籽粒和植株的干物质积累量管渠灌溉都显著高于畦灌，分别增加8.54%和6.40%，在相同施氮量的情况下，管渠灌溉情况下籽粒和植株干物质积累量要高于畦灌。

表2 不同时期冬小麦干物质积累/g·m-2

注：不同小字母表示差异达5%显著水平，下同。

Note: The represent significantly difference at 0.05 level, same as below.

2.2 冬小麦产量及构成因素

由表3可知，与G-N0相比，不同的施氮处理均显著提高冬小麦的产量，相较于G-N0处理，G-N1处理、G-N2处理、G-N3处理和G-N4处理籽粒产量分别增加了33.32%、69.92%、68.08%和39.44%，由G-N0、G-N1和G-N2处理可以看出，冬小麦产量随着施氮量的增加而增加，G-N2处理与传统施氮量G-N3相比无显著差异，G-N4处理与G-N3处理相比较，过量施氮处理的G-N4籽粒产量明显降低，管渠灌溉的G-N3处理与畦灌的Q-N3处理的相比较，在相同施氮量的情况下，管渠灌溉的籽粒产量要高于畦灌。G-N0、G-N1和G-N2三个处理的穗粒数、穗长和千粒重的比较，穗粒数、穗长和千粒重随着施氮量的增加而增加，G-N0与G-N1处理的公顷穗数无显著差异，G-N2处理的公顷穗数明显高于G-N0处理，G-N2与G-N3处理相比，公顷穗数、穗粒数、穗长和千粒重无显著差异，过量施氮的G-N4处理与传统施氮的G-N3相比，穗长和千粒重明显降低，公顷穗数与穗粒数无显著差异；管渠灌溉G-N3处理与畦灌Q-N3处理比较，公顷穗数、穗粒数和穗长无显著差异，千粒重管渠灌溉要高于畦灌的方式。

2.3 不同处理对冬小麦氮肥利用效率的影响

由表4可知，管渠灌溉在G-N2处理氮肥农学利用效率达到最大值，与传统施氮处理相比提高了28.45%，过量施氮处理的G-N4氮肥农学利用效率明显降低，管渠灌溉传统施氮G-N3处理与畦灌传统施氮Q-N3处理相比氮肥农学利用效率显著提高，管渠灌溉提高了45.07%。管渠灌溉不同施氮处理的氮肥偏生产力随着施氮量的增加而降低，G-N1处理与G-N2处理相比较于G-N3处理氮肥偏生产力增加了58.60%和26.38%，传统施氮量的管渠灌溉氮肥偏生产力要高于畦灌方式。管渠灌溉不同施氮处理氮肥生理利用效率随着施氮量的增加而降低，在G-N2处理达到最大值，与G-N4处理无显著差异，相同施氮量的管渠灌溉和畦灌相比，管渠灌溉的氮肥生理利用效率要高于畦灌。说明管渠灌溉在G-N2处理在降低了施氮量的情况下，氮肥农学利用效率，氮肥偏生产力，氮肥生理利用效率都有较高的结果。

表3 产量及产量构成因素

表4 不同处理氮肥利用效率

3 讨论

合理选用灌水方式和适宜施氮量是提高小麦产量和氮肥利用效率的重要途径。传统施肥一般采用播种期施用大量氮肥作基肥，这不利于冬小麦后期生长和产量的提高，氮肥也得不到充分利用[10]。适宜的施氮量能够促进小麦产量以及氮肥利用效率的提高[16]，而通过管渠灌溉方式以及相对应的施氮量，能够实现小麦的高产和氮肥利用。研究表明，小麦的干物质积累量和产量会随着施氮量增加而增加[17]，但是过量施氮也会抑制小麦的产量并且使得氮肥浪费严重，污染环境[8,9]。本研究中在管渠灌溉条件下产量和干物质积累量随着施氮量增加出现先增加后降低趋势，在G-N2和G-N3处理籽粒的干物质积累量和产量较高且无显著差异，籽粒干物质积累量相较于G-N0处理分别增加了22.87%和21.07%，籽粒产量相较于G-N0处理分别增加了69.92%和68.08%，说明在管渠灌溉时施氮量在240 kg/hm2和300 kg/hm2都能实现冬小麦较高的产量和品质。

氮肥是冬小麦生长过程中不可缺少的元素，但在氮肥的使用过程中，存在氮肥用量大，利用效率低，甚至造成环境污染[7,8]，在氮肥使用过程，适量减少氮肥用量，提高氮肥利用效率，在冬小麦种植过程中是重要的。研究表明，在冬小麦种植过程中，不同的施氮时机和适量减少施氮量使氮肥更好利用，提高氮肥利用效率[10,18,19]。本研究中，在G-N2处理的氮肥农学利用效率和氮肥生理利用效率最高，而过量施氮G-N4处理的氮肥农学利用效率和氮肥生理利用效率明显降低，氮肥偏生产力随着施氮量的增加而降低，说明在管渠灌溉方式下，能够使氮肥利用效率达到较高的施氮量为240 kg/hm2。

在冬小麦耕种过程中传统畦灌作为农民常用的灌水方式，本身存在很多不足，畦灌水资源浪费严重，灌水效率低[20]，而且也会造成氮素淋失，降低氮肥的利用效率[21]，管渠灌溉与传统畦灌相比，能够明显节约灌溉用水量，提高灌水效率[7]，促进氮肥利用效率。在本研究中，管渠灌溉G-N3处理与传统畦灌Q-N3处理相比，管渠灌溉成熟期籽粒干物质积累量增加了8.54%，籽粒产量增加了14.41%，氮肥偏生产力增加了14.44，氮肥农学利用效率和氮肥生理利用效率分别增加了45.07%和17.84%。说明管渠灌溉与传统畦灌相比，能提高冬小麦籽粒产量，提高氮肥利用效率。

4 结论

（1）管渠灌溉在不同施氮量的处理下，施氮量在240 kg/hm2和300 kg/hm2在籽粒干物质积累量和产量都无显著差异，所以管渠灌溉适量减少施氮量不影响干物质积累和产量；

（2）管渠灌溉在不同施氮量的处理下，氮肥农学利用效率和氮肥生理利用效率在240 kg/hm2达到最大值，所以管渠灌溉方式较优施氮量为240 kg/hm2左右；

（3）管渠灌溉和传统畦灌相比，相同施氮量管渠灌溉冬小麦的产量和氮肥利用效率明显高于传统畦灌。

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Effects of Pipe Irrigation and Nitrogen Application Amount on the Nitrogen Use Efficiency of Winter Wheat

WEI Hui-qing, SHAO Ya-ru, GONG Li-qin, CHEN Li-shan, YU Jiang-da, WANG Chun-tang*

271018,

In the process of winter wheat planting, the water-saving effect of pipe and canal irrigation is remarkable, but there is no clear and reasonable index of nitrogen fertilizer utilization. In order to explore the appropriate nitrogen application rate of winter wheat irrigated by pipe and canal, six treatments were set up in this experiment, including no nitrogen application under pipe and canal irrigation (G-N0). Nitrogen 150 kg/hm2(G-N1), nitrogen 240 kg/hm2(G-N2)，Nitrogen 300 kg/hm2(G-N3)，Nitrogen was applied 360 kg/hm2(G-N4)，Border irrigation under the condition of the 300 kg/hm2nitrogen (Q-N3), including G-N0as biank control, G-N3for traditional nitrogen control, ratio analysis pipe canal irrigation different N application rate on dry matter accumulation and grain yield and nitrogen use efficiency and the influence of the traditional canal irrigation and border irrigation of the same N application rate of dry matter accumulation and grain yield and nitrogen use efficiency. The results showed that compared with G-N0treatment, the dry matter accumulation of G-N2and G-N3treatments increased by 22.87% and 21.07%, and the grain yield increased by 69.92% and 68.08%, respectively. Both treatments could achieve high yield. The agronomic use efficiency and physiological use efficiency of nitrogen fertilizer in G-N2treatment were the highest, while the agronomic use efficiency and physiological use efficiency of nitrogen fertilizer in G-N4treatment with excessive nitrogen application were significantly decreased, and the partial productivity of nitrogen fertilizer decreased with the increase of nitrogen application rate. Compared with the traditional border irrigation Q-N3treatment, the canal irrigation G-N3treatment significantly increased dry matter accumulation, yield and nitrogen use efficiency. The grain dry matter accumulation increased by 8.54%, grain yield increased by 14.41%, and nitrogen partial productivity increased by 14.44. The agronomic and physiological use efficiency of nitrogen fertilizer increased by 45.07% and 17.84%, respectively. Therefore, the optimal nitrogen application rate of winter wheat under canal irrigation is 240 kg/hm2.

Canal irrigation; winter wheat; Nitrogen use efficiency

S512.1+1

A

1000-2324(2022)05-0705-06

2022-08-08

2022-08-18

山东省重点研发计划项目(2018GNC110015);山东省自然科学基金(ZR2017MEE001)

魏汇庆(1997-),男,硕士研究生,研究方向:水利水电工程. E-mail:whq12318@163.com

通讯作者:Author for correspondence. E-mail:slx@sdau.edu.cn