监控施肥对旱地冬小麦土壤水分、干物质积累转运和产量的影响

张亚蓉 ，程宏波 ，马建涛 ，王文杰 ，吴炳权

（1.甘肃农业大学 生命科学与技术学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃农业大学 农学院，甘肃 兰州 730070）

我国是粮食生产及消费大国，2021 年小麦播种面积2 356 万hm2，小麦产量为5 810 kg/hm2[1]。化肥对提高粮食产量至关重要，化肥是植物的“粮食”，土壤培肥的主要措施之一则是化肥的施用，其对作物生长的促进和粮食安全的保障方面起到重要作用[2]。然而，当前氮肥施用量的不足与过量并存于粮食生产中，施肥过量会威胁作物—土壤—环境可持续发展，施肥不足则又难以满足作物需求，不利于产量形成[3-5]；此外，施肥量的确定在考虑增产和提高养分效率的同时，还应将环境可持续发展作为目标之一[6]。

前人研究提出的监控施肥技术表明，合理施氮可促进植株干物质积累[7-8]，优化冠层结构[9]，促进干物质从营养器官向籽粒转移[10-11]，氮肥的施用量是根据播种或收获日前1 m 土层硝态氮含量在目标产量的基础上确定的，具有无需对土壤基础肥力大量测定的优点。渭北旱地田间试验表明，与农户施肥相比，监控施肥下氮肥用量减少25%，但小麦籽粒产量却提高3%，籽粒氮含量提高2.4%，氮肥偏生产力提高130%，收获时土壤硝态氮残留降低27%[12-13]。监控施肥可以监测土壤中硝态氮的含量，避免了大量施肥造成硝态氮积累和淋失的隐患，可确定并有效控制氮肥施用量，避免了小麦不同生长期土壤养分推荐施肥确定工作量大的问题，也不需要考虑氮肥的利用率，从而简化了施肥量的计算，方便基层农业技术人员施用和推广，甚至农户也可直接使用，是一项绿色、健康、可持续的技术方案。

甘肃省雨养农业区主要位于黄土高原，属半干旱大陆性季风气候，水分是该地区限制作物产量的最主要因素，作物生长依赖于自然降水，提高水分利用效率是提高旱地作物产量的有效途径[14]。本试验在监控施肥技术的基础上，探究不同施肥模式与冬小麦土壤水分变化及水分利用效率、干物质积累转运及产量的关系，旨在为监控施肥的推广及应用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2021 年9 月至2022 年7 月在甘肃省通渭县平襄镇甘肃农业大学试验基地进行，该区为黄土高原雨养农业典型代表区，土壤为黄绵土；平均海拔1 750 m，年日照时数2 100～2 400 h，年均温7.2 ℃，无霜期120～170 d，年蒸发量＞1 500 mm；年均降水量390.6 mm，其中约65%集中在6—9 月。小麦生育期间总降水量为235.2 mm，≥5 mm 的有效降水量为182.9 mm，其中播种至拔节期113.6 mm，拔节至孕穗期56.0 mm，孕穗至开花期6.5 mm，开花至成熟期6.8 mm。

1.2 试验材料

供试冬小麦品种为兰大A2。供试肥料氮肥选用尿素（含氮46%）、磷肥选用过磷酸钙（含14%P2O5）、钾肥选用硫酸钾（含50% K2O）。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，设5 个施肥处理，分别为T1.农户施肥；T2.监控施肥；T3.监控缺氮；T4.监控缺磷；T5.监控缺钾（表1）。3次重复，小区面积144.5 m2。各处理肥料作为底肥在小麦播种前一次性施入，后期不再追肥。小麦播种量均为225 kg/hm2，播种方式为机械条播，重复间留置观察道，四周设置保护区和保护行。试验于2021 年9 月20 日播种，2022年7月3日收获，整个冬小麦生育期内不灌溉。

表1 各处理施肥量Tab.1 Rates of fertilizer application kg/hm2

1.4 监控施肥量的确定

农户施肥根据调研数据，采用当地农户平均施肥量；监控施肥量采用“1 m 土壤硝态氮监控施肥，0～40 cm 土层磷钾恒量施肥”技术[13]。在前3 a平均产量的基础上增加10%～15%作为目标产量；施磷（钾）系数依据0～40 cm 土层速效磷钾含量确定。

1.5 测定项目及方法

1.5.1 土壤水分含量测定 在冬小麦拔节期（JT）、孕穗期（BT）、开花期（FL）、灌浆期（GF）及成熟期（MT）5 个生育时期，各个小区分0～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150、150～180、180～200 cm 共8 个土层，均在小麦行间使用土钻取土样，采用烘干法测定土壤含水量。

式中，W为土壤贮水量（mm）；h为土层深度（cm）；ρ为土壤容重（g/cm3），本试验各土层ρ平均为1.250 g/cm3；ω为土壤含水量（%）；ET为冬小麦生育期农田耗水量（mm）；P为小麦生育期≥5 mm有效降雨量；W1、W2 分别为生育期某一时段开始和结束时土壤贮水量（mm）；WUE为水分利用效率（kg/（hm2·mm）），Y为籽粒产量（kg/hm2）。

1.5.2 小麦干物质量测定 在冬小麦返青期（RT）、拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期及成熟期等生育时期，从各小区随机取20 株长势均匀的小麦植株样品，分器官称鲜质量后分别装好，置于105 ℃烘箱中杀青30 min，后于80 ℃下烘干至恒质量，并计算相关指标。

1.5.3 小麦产量测定 在收获期采集植物样品，各小区随机选取5 个采样点样品并进行混合，在各个小区的混合样中随机取20 株进行室内考种，测定单株干质量、株高、穗长、小穗数等指标。成熟期用1 m2正方形木框在每个小区随机统计5 个1 m2的有效穗数，每个小区选取5个1 m 行长统计穗数；随机取50个穗，测定穗粒数；人工计数5个1 000粒测定千粒质量。采用全区收获法确定产量，现场称量鲜质量，采样测定含水量后，按13%含水量折算籽粒产量。

1.6 数据处理

试验数据使用Excel 2021 处理，采用SPSS Statistics 22.0 进行统计分析；采用Duncan 法进行差异显著性检验，显著水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 监控施肥对冬小麦产量及水分利用效率的影响

从表2可以看出，与T2处理相比，其他处理明显降低冬小麦产量4%～23%、单位面积穗数6.6%～28.3%及水分利用效率1.5%～17.2%，处理间降幅大小排序为T3＞T4＞T1＞T5。相关分析表明，单位面积穗数和籽粒产量呈显著正相关（r=0.766**）。可见，T2 处理产量提高的原因是由于单位面积穗数增加。

表2 不同施肥对冬小麦产量及水分利用效率的影响Tab.2 Effects of different fertilization on yield and water use efficiency of winter wheat

2.2 监控施肥对冬小麦干物质积累量及其转运的影响

2.2.1 生育时期地上部干物质积累量 冬小麦各生育时期干物质积累量如图1 所示。

图1 冬小麦各生育时期干物质积累量Fig.1 Dry matter accumulation in winter wheat ateach growth stage

各施肥处理地上部干物质积累量均随着生育期的推进而增加，T2 处理各生育时期地上部干物质积累量高于其他施肥处理8.3%～33.6%；处理间以T3 处理降幅（33.6%）最大，各生育阶段地上部干物质积累量以拔节—开花期增幅最大（图1），T3、T4、T5 处理分别较T2 处理减少成熟期地上部干物质积累量37.4%、25.2%、14.7%。

2.2.2 各生育阶段干物质积累及占比 不同施肥条件下，干物质积累量以拔节—孕穗期增加最多，干物质积累量及占比随生育阶段的推进逐渐降低，T2 处理各个生育阶段干物质积累量均高于其他处理（表3）。

T1 处理较T2 处理显著降低各生育阶段干物质积累量7.1%～13.5%（P＜0.05），孕穗—开花期降幅最大（13.5%）。与T2 处理相比，缺素处理降低生育阶段干物质积累量0.2%～59.0%，其中T3处理（缺氮）和T5 处理（缺钾）在开花—灌浆期对干物质积累的影响最大，降幅分别为59.0% 和24.7%；T4 处理（缺磷）在灌浆—成熟期对干物质积累影响最大，降幅42.7%。可见，缺素处理会降低花后干物质积累量。

2.2.3 干物质转运及其对籽粒的贡献 花后干物质积累量各处理间差异显著（P＜0.05），T2 处理花后干物质积累量及对籽粒的贡献率高于其他处理，但花前干物质转运量、转运率及对籽粒的贡献率低于其他处理（表4）。

表4 不同施肥对花前干物质转运和花后干物质积累的影响Tab.4 Effects of different fertilization on pre-flowering dry matter transport and post-flowering dry matter accumulation

与T2 处理相比，其他处理降低了花后干物质积累量9.5%～40.2%，T3 处理降幅最大，降低花后贡献率3.8%～25.8%；花前干物质转运量、转运率和籽粒贡献率以T5 处理最大，其他处理较T2 处理分别提高8.4%～111.4%、19.3～146.1%、17.6%～120.7%。可见，T2 处理是通过增加花后干物质积累量，提高对籽粒的贡献率，从而达到提高冬小麦产量的目的。

2.3 监控施肥对土壤贮水量的影响

2.3.1 不同生育时期全土层土壤贮水量 各处理土壤贮水量随冬小麦生育时期推进呈递减趋势变化，处理间降幅大小依次为T1＞T4＞T2＞T5＞T3，生育时期间以拔节期差异最小，灌浆期差异最大（表5）。

表5 不同施肥模式下各生育时期土壤贮水量Tab.5 Soil water storage at different fertilization patterns at different growth stagesmm

各处理拔节—成熟期平均土壤贮水量依次为T3（35.7 mm）＞T5（34.6 mm）＞T2（34.2 mm）＞T4（33.9 mm）＞T1（33.6 mm）；处理间比较，孕穗期土壤贮水量T1 处理显著低于T2 处理2.5 mm（P＜0.05）；拔节期及开花后，2 个处理间土壤贮水量差异较小。

T3 处理灌浆—成熟期土壤贮水量均高于其他处理。T2、T3 处理土壤贮水量于灌浆期差异最大，T3 显著高于T2 处理4.8 mm（P＜0.05）；成熟期T3处理显著高于T2 处理2.8 mm（P＜0.05）。

2.3.2 0～200 cm 土层全生育期土壤贮水量 各处理在0～180 cm 土层土壤贮水量逐渐增加；180～200 cm 土层土壤贮水量减少；土壤贮水量集中在60～180 cm 土层,60～90 cm 土层贮水量较40～60 cm 土层平均增加14.1 mm；180～200 cm 土层贮水量较150～180 cm 土层平均减少15.5 mm（表6）。

表6 不同施肥模式下不同土层土壤贮水量Tab.6 Soil water storage in different soil layers at different fertilization patternsmm

从表6 可以看出，与T2 处理相比，T1 处理0～200 cm 土层土壤贮水量平均减少0.6 mm；T3 处理0～180 cm 土层土壤贮水量平均增加1.8 mm。

土层间土壤贮水的变异系数表现为：90～120 cm 土层最大，180～200 cm 土层最小，T1 处理与T3 处理之间90～120 cm 土层极差值（4.8 mm）最大，差异最大。

2.4 监控施肥对冬小麦耗水的影响

2.4.1 全生育时期冬小麦总耗水量、耗水来源及其占比 小麦全生育期对自然降水的利用及占总耗水比例高于土壤贮水（表7）。T3 处理与T1 处理差异显著，T3 处理较其他处理总耗水减少14.0～27.5 mm，降幅达4.3%～8.0%，土壤贮水降幅达9.6%～17.3%，说明缺氮处理抑制小麦对土壤水分的利用。

表7 不同施肥对总耗水量、土壤贮水或降水的耗水量及其比例的影响Tab.7 Effects of different fertilization on total water consumption，soil water or precipitation consumption and its proportion

2.4.2 冬小麦阶段性耗水及其占比 各处理阶段耗水随生育时期递减，播种—拔节期耗水量最大，灌浆—成熟期耗水量最小（表8）。与T2 处理相比，T1 处理降低孕穗—开花期土壤含水量22.9 mm，提高其余生育时期土壤耗水量6.9 mm，拔节—孕穗期增幅最大，为24.2%。缺素处理较T2 处理提高拔节—孕穗期土壤耗水量3.3～26.9 mm，降低孕穗—开花期土壤耗水量13.7～26.1 mm。

表8 不同施肥对各生育阶段土壤耗水及其比例的影响Tab.8 Effects of different fertilization on soil water consumption and its proportion at different growth stages

3 结论与讨论

3.1 监控施肥对旱地冬小麦土壤水分及水分利用效率的影响

土壤水分是影响作物生长的重要因素，水资源的匮乏影响着我国西北半干旱雨养区农业的持续发展。前人研究表明，施肥对冬小麦生育期土壤水分有明显影响，能促进根系生长，加强作物对深层土壤水分的吸收，提高土壤生产力，促进冬小麦生长发育，提高水分利用效率[15-16]，植物对养分的吸收、运转和利用都依赖于土壤水分[17]。本研究结果表明，监控施肥较农户施肥提高了全生育期和0～200 cm 各个土层之间土壤贮水量，促进了土壤水分利用，较农户施肥提高水分利用效率8%，加大水分消耗，降低土壤耕层含水量，这与危锋等[18]的研究结果一致。

3.2 监控施肥对旱地冬小麦干物质积累转运的影响

干物质的积累和转运对小麦产量形成的影响较大。小麦籽粒产量少部分来源于花前干物质转运，较大一部分来自于花后干物质量的积累[19-21]。本研究表明，各施肥处理小麦干物质积累量均随生育期的推进而逐步增加，且在拔节期之后积累量快速增加，监控施肥处理显著提高了冬小麦各生育时期地上部干物质积累量，缺氮、缺磷、缺钾处理降低了各生育阶段干物质积累量，缺氮处理抑制作用最为显著，尤其是在开花—灌浆期对冬小麦的生长影响最大。干物质积累是麦类作物产量与品质形成的物质基础，开花前贮存的同化产物在花后向籽粒的转运是其产量形成的重要物质来源[22-23]，氮肥、磷肥的施用严重影响了干物质积累转运。本研究表明，在监控施肥条件下，花前干物质转运量和花前干物质生产对籽粒贡献率最小，而花后干物质积累量和花后干物质生产对籽粒贡献率最大，籽粒产量也最大，监控施肥提高了花后干物质积累量和对籽粒贡献率，提高了冬小麦产量。

3.3 监控施肥对旱地冬小麦产量的影响

施肥可以提高小麦的产量及干物质积累量[24-26]，对小麦生长发育及后期产量形成具有重要作用[22]，小麦高产的基础是合理的群体结构，生物产量是经济产量的基础[27-28]。本研究结果表明，监控施肥处理提高了冬小麦籽粒产量和生物量，缺氮、缺磷处理籽粒产量、生物量明显低于其他施肥处理，主要原因在于，作物需求量最大的矿质元素为氮，研究表明，氮肥对促进小麦营养器官的生长、增强光合作用、加速小麦营养物质的积累和转化具有非常重要的作用。本研究结果表明，当氮肥供应不足时小麦群体总茎数和穗数远低于其他处理，T3 处理较T2 处理总茎数减少37.8%，有效分蘖减少43.2%，无效分蘖减少36%，穗数减少28.3%，缺氮影响了群体结构，导致小麦总茎数减少，且缺氮严重影响了群体有效分蘖，可能是缺氮影响了穗的分化，导致有效分蘖减少，从而减少了穗数，降低了小麦产量。小麦产量构成因素为穗数、穗粒数、千粒质量，在本研究中不同施肥处理间千粒质量、穗粒数差异不显著，而穗数差异显著且与产量变化一致，引起小麦产量增加主要是由于穗数的变化导致。在西北旱作雨养农业区，氮素是制约小麦生长及产量形成的主要养分因素，在本试验中，虽然总施肥量减少，但增施了氮肥，提高了氮磷比，提高了养分之间的协同效应[29-30]。

监控施肥是对氮磷钾肥的合理配施，平衡了小麦生长所需的元素，在一定程度上减少了氮肥的施用量，实现了旱地小麦的平衡施肥。前人研究表明，虽然氮肥的施用量减少，但是增施了磷钾肥，籽粒产量和生物量差异不显著；另外，氮肥增施促进根系发育，增强作物对深层土壤水分的利用，使0～2 m 土壤含水量较农户施肥有所增加，达到了以肥调水，水肥互作的目的，从而促进小麦的发育及产量形成[31]。

综上可见，监控施肥能显著提高冬小麦籽粒产量，而缺氮处理显著降低冬小麦产量；监控施肥对土壤含水量具有明显影响，加剧了冬小麦不同生育时期和土层间的土壤水分波动，显著提高水分利用效率。监控施肥可促进冬小麦的生长发育且较其他处理显著提高花后干物质积累量和花后同化物生产对籽粒的贡献率。可见，监控施肥是旱地冬小麦稳产增产的有效途径，可在西北半干旱地区小麦生产中推广使用。