不同水氮组合对冬小麦产量及水氮利用效率的调控效应

唐 锐，韩宜秀，易树生，郑 伟,2，南小红，罗 鸿，温晓荣，翟丙年,2*

（1 西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100；2 农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100；3 陕西省农牧良种场, 陕西扶风 722203）

小麦是陕西省主要粮食作物之一，播种面积稳定在96 万hm2左右，其稳定高产对保证陕西省粮食安全以及经济稳定发展具有重要意义[1]。但如今小麦生产仍面临淡水资源分布不均、田间管理粗放等问题，传统的“一炮轰”式施肥并不适合当前的农业生产，缺乏科学合理的灌溉施肥制度成为制约小麦增产的重要因素。为了追求稳产高产，越来越多的氮肥被投入农田，从1978 年到2016 年，我国氮肥消费量增加了147%，过量的氮肥输入无法显著提高产量，却导致较高的氮肥损失[2-4]。这不仅增加了生产投入成本，也造成了水分和养分资源的浪费，甚至导致了一系列环境问题[5-7]。随着我国水土资源约束逐渐加剧，水肥一体化技术在农业生产中得到了广泛的应用。在经济作物生产中已经证实，水肥一体化技术可以有效减少水肥在运输过程中的损耗，及时、足量地满足作物在不同时期的水肥需求，推动水肥在时间与空间上的同步、耦合[8-13]，实现减水、减肥、增产、高效[14-15]。目前，针对于大田作物的水肥一体化生产越来越受到重视，然而，水肥一体化对小麦生产的影响尚不明确。且前人的研究专注于常规灌溉条件下施氮量对小麦生长发育的影响，关于喷灌条件下施氮量对小麦生长发育及产量影响的研究较少。关中平原是陕西省小麦主产区，从环境保护和经济适用性角度考虑，探讨符合该地的水肥一体化方案，对提升关中平原小麦生产能力及保护土壤环境有重要意义。因此，本试验研究了喷灌施肥条件下不同灌溉施氮水平对冬小麦产量、干物质积累、水氮利用效率和土壤养分的影响，以期为集约化农田小麦增产增效提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021 年9 月至2022 年6 月在陕西省扶风县召公镇高桥农场(34°25′ N，108°00′ E)进行。试验区海拔609 m，属暖温带半湿润大陆性季风气候，多年平均气温12.5℃，无霜期年平均218 天，年平均降水量585.8 mm，具体降雨情况见图1。试验区土壤类型为褐土，质地为壤土，试验设置前耕作层土壤基本理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

图1 2021—2022 年扶风县降雨量与气温情况Fig.1 Rainfall and temperature in Fufeng County from 2021 to 2022

1.2 试验设计

试验采用田间裂区设计，主区为灌溉量，设4 个灌溉水平，分别为30 mm (W1)、60 mm (W2)、90 mm (W3)、120 mm (W4)；副区为施氮量，设4 个施氮水平，分别为N 150.0 kg/hm2(N1)、187.5 kg/hm2(N2)、225.0 kg/hm2(N3)、262.5 kg/hm2(N4)，共计16 个处理，3 次重复。史丹利复合肥料(15-20-5) 750 kg/hm2与尿素82 kg/hm2作基肥在播种前一次性施入，基肥施氮量计N 150 kg/hm2。所有灌溉施氮处理均在春后追施，氮肥随灌水喷施入土，喷施装置流量为50 m3/h。追水追肥时每个处理中心处升起喷头，喷施半径为7.5 m。灌溉处理中W1、W2、W3、W4 处理春后追灌量分别为30、60、90、120 mm；施氮处理中N1 处理春后不追氮，N2、N3、N4 处理春后追氮量分别为N 37.5、75、112.5 kg/hm2。所有处理采用尿素作为氮源，于2022 年3 月30 日进行第一次追水追肥，于2022 年4 月22 日进行第二次追水追肥，每次追水追肥量各占总量50%。不追加施氮处理(N1)即当地传统模式作为对照，具体试验方案见表2。供试小麦品种为小偃22 号，播种量225 kg/hm2，小区面积为225 m2(15 m×15 m)，小麦全生育期日常管理同当地保持一致。

表2 各试验处理灌溉和施氮量Table 2 Irrigation and nitrogen application rate of treatments

1.3 测定项目与方法

1.3.1 样品采集 试验开始前，在整个试验地以S 形选取20 个采样点，采集0—20 cm 土壤样品于4℃冰箱保存，用以测定土壤基础理化指标。冬小麦收获期在每个处理随机选取3 个采样点，采集0—20 cm 土壤样品去除杂物后混匀，分为2 份。1 份用以测定土壤基础理化指标，1 份过2 mm 筛用以测定土壤微生物生物量指标。于冬小麦成熟期在每个小区取20 株小麦，3 次重复，植株按茎、叶、穗、颖壳分离，用以测定植株全氮含量。

1.3.2 测定项目及方法 土壤硝态氮用1 mol/L KCl 浸提—流动分析仪测定，土壤微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、微生物生物量磷(MBP)采用氯仿熏蒸法测定。将小麦样品按各个器官置于105℃烘箱杀青30 min，然后调至65℃烘至恒重，计为干物质重量；将烘干后的植株地上部各组织器官用小型粉碎机粉碎，经H2SO4-H2O2消煮，通过连续流动分析仪测定各组织器官全氮含量。

各指标计算方法如下：

氮素利用效率 (NUE，kg/kg)=籽粒产量/植株氮素积累量；

氮肥偏生产力 (PFP，kg/kg)=籽粒产量/施氮量；

水分利用效率 [WUE，kg/(hm2·mm)]=籽粒产量/生育期总耗水量；

生育期总耗水量 (ET，mm)=I+P+U-D-R±ΔSWS。

式中：I 为灌溉量 (mm)；P 为降水量 (mm)；U 为地下水补给量 (mm)；D 为深层渗漏量 (mm)；R 为径流量 (mm)；ΔSWS 为播种前、后土壤贮水变化量 (mm)。因试验区地势较为平坦，深层土壤水分变化不大，本试验中U、D、R 均可忽略不计。

1.3.3 籽粒产量及产量构成因素 冬小麦收获前调查单位面积有效穗数和穗粒数，成熟时每个小区选2 m×2 m 的代表样方，贴地面采集地上部分，自然风干后脱粒，于105℃烘箱杀青30 min，然后调至65℃烘至恒重，计算产量，并称量千粒重。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2020 软件对数据进行处理，使用SPSS 21.0 统计软件进行方差分析，多重比较选择Duncan 法，使用R 语言 (4.2.2) 偏最小二乘法进行路径分析 (plspm 包)，Origin 2018 进行图形绘制。

2 结果与分析

2.1 水氮调控对冬小麦生长发育的影响

2.1.1 水氮调控对冬小麦产量及构成因素的影响由方差分析结果 (表3) 可知，灌溉与施氮可以显著影响小麦产量及构成因素。进一步分析发现，在相同灌溉水平下，产量随施氮量的增加呈现先上升后下降趋势，其中W3N2 处理下小麦产量最高，为9053 kg/hm2，较W1N1、W3N1 处理分别增产27.9%、16.1%；在灌溉因素的影响下，W3 灌溉下平均产量最高，达8460 kg/hm2，较W1 灌溉显著提高13.6%。千粒重主要受灌溉水平调控，在W3 灌溉下平均千粒重最大，为50.2 g，其中W3N4 处理时最重，为50.9 g，较W1N1 处理提高6.7%。穗粒数受施氮水平与水氮互作效应的共同影响，整体表现为N3 (43.6)>N2 (43.4)>N4 (43.3)>N1 (41.1)，在W2N2 处理下穗粒数最多，为45.9 粒，较W1N1 处理提升14.8%。有效穗数受灌溉水平与水氮互作效应的共同影响，整体表现为W4 (390.94)>W3 (390.93)>W2 (385.59)>W1(367.93)，其中W4N2 处理最大，为424 万/hm2，W3N2 处理次之，为422 万/hm2，二者分别较W1N1处理增长14.3%和13.6%。灌溉量、施氮量与产量共同构成一个开口向下的立体曲面 (图2)，拟合曲面最高产量达8848 kg/hm2，此时灌溉量为98 mm，施氮量为212 kg/hm2。灌溉量与施氮量在适宜范围时，小麦产量维持较高水平，当灌溉量与施氮量超过适宜范围，则造成小麦减产。从拟合方程 (z=-0.24x2-0.19y2-0.14xy+78.1x+96.5y-5251.5，z为产量，x为灌溉量，y为施氮量) 来看，施氮量与灌溉量的二次项系数均为负值，且施氮量的二次项与一次项系数均大于灌溉量，表明适宜范围增加施氮量的增产效果优于增加灌溉量，且过量灌溉对产量造成的负面影响大于过量施氮。保证产量高于8500 kg/hm2的灌溉量为70～110 mm，施氮量为190～250 kg/hm2。

表3 不同灌溉施氮处理下冬小麦产量及构成因素Table 3 Yield and yield components of winter wheat under different irrigation and nitrogen treatments

图2 产量拟合曲面Fig.2 Yield fitting surface

2.1.2 水氮调控对冬小麦干物质积累及氮素利用的影响 提高施氮量有利于小麦干物质与氮素积累(图3)，当灌溉为W1、W2 水平时，干物质与氮素积累量均随施氮量的提高而增加；当灌溉达到W3、W4 水平时，干物质与氮素积累量均随施氮量的提高而先增加后减少。在W3、W4 灌溉下干物质积累量分别为20306、20295 kg/hm2，分别较W1 灌溉增长2239、2228 kg/hm2；在W3 灌溉下平均氮素积累量最高，为221 kg/hm2，较W1 灌溉增加18.8 kg/hm2。综合灌溉、施氮因素考虑，干物质积累量、氮素积累量均在W3N2 处理时最高，其中干物质积累量为21252 kg/hm2，较W1N1 处理提高24.4%；氮素积累量为237 kg/hm2，较W1N1 处理增长24.2%。相同灌溉水平下，氮肥偏生产力与氮素利用效率变化趋势基本一致，二者均随施氮量增加而降低(图3)。相较于N1 施氮水平，N4 施氮下的氮肥偏生产力、氮素利用效率分别下降34.5%～40.4%、2.5%～6.9%。就灌溉因素考虑，氮肥偏生产力表现为W3 (42.6)>W4 (41.8)>W2 (40.6)>W1 (37.4)，其中W3N1 处理时最高，为52.0 kg/kg；氮素利用效率表现为W4 (39.4)>W2 (38.5)>W3 (38.3)>W1 (36.8)，其中W4N2 处理时最高，为40.0 kg/kg。因此，适度提高灌溉量有助于水氮耦合，增强小麦对氮素的吸收利用。

图3 不同水氮处理下小麦干物质积累与氮素利用率Fig.3 Dry matter accumulation and nitrogen use efficiency of wheat under different treatments

2.2 水氮调控对小麦水分利用效率的影响

灌溉水平是决定小麦水分利用效率的主要因素(图4)，随着灌溉量的提高，水分利用效率逐渐降低，W4 灌溉下平均水分利用效率较W1、W2、W3灌溉分别下降13.7%、13.3%、11.4%。同时水分利用效率受施氮量变化的影响，在相同灌溉条件下，均随施氮量的增加呈先上升后下降趋势。其中，W1、W2、W3、W4 灌溉下，施氮量分别为218、228、222、217 kg/hm2时水分利用效率达到最高点，分别为21.6、21.1、20.6、18.5 kg/(hm2·mm)。从施氮量对水分利用效率影响的回归分析中得出，W1、W2、W3、W4 灌溉的水分利用效率变化区间分别为17.1～21.6、17.5～21.1、17.0～20.6、15.1～18.5 kg/(hm2·mm)。相较而言，施氮量由N1 增加至N4 时，W1 灌溉下的水分利用效率变幅最大，因此在W1 灌溉时更应注意施氮量的适宜区间，以免施氮量过多而造成水分利用效率与氮素利用效率同步下降。我们无法改变因灌溉量增加而导致水分利用率下降的趋势，此时可以适度调整施氮量，以促使以水溶肥、以肥促水，进而提高水分利用效率。

图4 不同水氮处理对小麦水分利用效率的影响Fig.4 Effects of different water and N treatments on water use efficiency (WUE) of wheat

2.3 水氮调控对土壤硝态氮及微生物生物量碳、氮、磷的影响

由表4 可知，施氮水平对小麦土壤硝态氮、微生物生物量碳、氮、磷含量均有显著影响，灌溉水平主要影响微生物生物量氮、磷含量。相同灌溉条件下，增施氮肥显著提高土壤硝态氮含量，N2、N3、N4 施氮下硝态氮含量分别较N1 施氮平均提高23.4%、28.1%、37.8%。不同水氮处理的土壤微生物生物量碳含量处于246.3～307.3 mg/kg，W3 灌溉下，施氮量对微生物生物量碳的影响强度最大，其中，W3N3处理较W3N1 处理显著提高24.7%。同时，追施氮肥对微生物生物量氮的促进效果较强，同等灌溉水平下，施氮量越高微生物生物量氮含量越高，表现为N4 (49.4)>N3 (47.0)>N2 (42.3)>N1 (38.1)，且在W3N4 处理达到最大值，为53.8 mg/kg，较W1N1 处理显著提升59.2%。相同施氮水平下，微生物生物量氮含量随灌溉量的增加先提高后降低，均在W3 灌溉下达到最大值。土壤微生物生物量磷始终随灌溉量、施氮量的提高而上升，相比最低的W1N1 处理(2.1 mg/kg)，最高的W4N4 处理达到3.8 mg/kg。

表4 不同处理下土壤硝态氮及微生物生物量碳、氮和磷含量Table 4 Contents of soil nitrate nitrogen and microbial biomass carbon, nitrogen and phosphorus under different treatments

2.4 小麦产量对水氮投入、土壤养分、干物质及氮素积累量和产量构成的响应

路径分析结果如图5 所示，水氮投入、土壤养分、干物质及氮素积累量(植株的干物质积累量及各器官的氮素积累量)均可通过直接、间接两种方式来调控小麦产量，产量构成则通过单一路径直接影响小麦产量。由因子载荷得分可知，施氮水平(0.767)比灌溉水平(0.641)更能反映投入因素；土壤养分主要由土壤硝态氮、微生物生物量碳、氮、磷含量构成，其中微生物生物量氮(0.897)更好地反映土壤养分情况；地上部干物质积累量(0.942)以及籽粒氮素积累量(0.897)对小麦干物质及氮素积累量的表征性极强。通过路径系数发现，水氮投入指向土壤养分的路径系数为0.878，意味着水氮投入极显著影响土壤养分状况；土壤养分指向干物质及氮素积累量的路径系数为0.721，说明土壤养分状况极显著调控小麦干物质与氮素积累量。干物质及氮素积累量、产量构成均可以显著且直接调控小麦产量，路径系数分别为0.555、0.400。同时，干物质及氮素积累量还可以通过极显著影响产量构成(0.401) 的方式间接调控产量。综合考虑水氮投入、土壤养分、干物质及氮素积累量以及产量构成对产量调控的直接、间接效应(图6a)，发现干物质及氮素积累量对小麦产量的调控作用尤为重要(31.4%)，其次为水氮投入(28.2%)、土壤养分(22.9%)、产量构成(17.5%)，总效应值依次为0.716、0.642、0.522、0.400，其中水氮投入对产量的调控能力仅次于干物质及氮素积累量。尽管水氮投入对产量的直接影响较弱，但其主要通过间接路径调控产量、干物质及氮素累积量，间接影响效应分别为0.554、0.638。且水氮投入与土壤养分对小麦干物质及氮素积累量总效应作用分别占47.3%、52.7%，二者对于干物质及氮素积累量的影响同等重要(图6b)，因此水氮投入对产量的调控作用同样不容忽视。而土壤养分主要通过间接路径调控小麦产量，效应值为0.544。

图5 不同因素与产量关系的路径模型Fig.5 Path model of relationship between different factors and yield

图6 路径模型效应值Fig.6 Path model effect value

3 讨论

3.1 灌溉施氮水平对小麦产量的影响

灌溉施氮水平显著调控小麦植株的氮素吸收、积累和转运，对小麦增产增效具有重要意义。研究发现灌溉以及施氮可以进一步释放小麦的产量潜力，合理的水氮投入是调控小麦产量的重要途径[16]。在本研究中，W3N2 处理下产量最高，W1N1 处理下产量最低，两者产量差达1973 kg/hm2，通过拟合曲面发现，灌溉量、施氮量均与小麦产量构成二次曲线关系，一定范围内小麦产量随灌溉施氮水平提升而增加，且灌溉与施氮具有明显的耦合效应，因为灌溉、施氮以及二者互作显著提高了穗粒数与有效穗数，这与前人[17]研究结果一致。值得注意的是，当灌溉量与施氮量超过适宜范围后，小麦产量不再提高反而下降，在本试验中，当灌溉量由90 mm (W1)提升至120 mm (W2)、施氮量由225 kg/hm2(N3)增加至262.5 kg/hm2(N4)时，小麦穗粒数与有效穗数均出现下降，导致小麦产量回落，这可能与年降雨量以及植株氮素积累有关。2021 年全年降雨量达839.7 mm，在土壤墒情较好的前提下，过量灌溉反而导致表层土壤养分随灌溉水向下淋溶，不利于小麦对养分的吸收利用，并且易引起贪青晚熟，降低粒重[18-19]。因此，灌溉量需要根据不同降水年型进行调整，董志强等[20]研究发现利用微喷灌溉技术，在平水年推荐灌水量为90～120 mm，在枯水年需要较平水年适度增加灌溉量25～30 mm，以达到较高籽粒产量。在小麦生长发育过程中，拔节期到孕穗期是冬小麦水氮配合效应的关键期和亏缺敏感期[21-22]，在这段时间进行追水、追肥可以及时补充小麦生长发育所需水分以及养分，提高小麦单位面积穗数，促进灌浆[23]。本研究得出相似结果，W3N2 处理较W1N1处理单位面积穗数增加13.6%，产量提高16.1%，然而通过提高灌溉施氮水平带来的产量效益符合报酬递减规律，超过适宜灌溉施氮区间会造成边际效益下降。不同地区适宜的水氮用量范围有所差异，张丽霞等[24]研究表明施氮量在180～240 kg/hm2时小麦可以获得较优性状，Shi 等[25]研究发现华北小麦适宜的灌溉量为62～240 mm。

3.2 灌溉施氮水平对冬小麦干物质、氮素积累与水氮利用效率的影响

小麦营养生长进程中的干物质及氮素积累、转运同籽粒产量密切相关，通常被认为是小麦产量形成的重要基础[26]。在中国主麦区的调研结果[27]表明，不同地区小麦地上部干物质量存在显著差异，产量越高的麦区地上部干物质量越大。在本研究中，提高灌溉量促使小麦干物质积累量增加，而过多的氮肥施入导致干物质积累量出现下降。这是因为水分对小麦植株干物质积累起重要作用，一定范围内增加灌溉可以促进干物质积累，并且保持土壤湿度，促进小麦对土壤水分、养分的吸收利用，进而增加后期蒸腾作用，提高灌浆速率[23]。但是过高的灌溉量与施氮量不利于小麦氮素积累，超过适宜范围，小麦氮素积累量开始下降。本研究发现，当灌溉量由90 mm (W3)提升至120 mm (W4)时，表层土壤硝态氮、微生物生物量碳、氮含量同步下降，进而导致土壤养分相对匮乏，不利于小麦根系吸收及向地上部转运[28]。由于现代化集约农场存在生产面积大、管理制度统一等客观原因，本研究未设置大面积区域的不施氮处理，而选择氮肥偏生产力以及氮素利用效率来表征氮素利用情况。结果表明，施氮量由150.0 kg/hm2(N1)增至262.5 kg/hm2(N4)时，氮肥偏生产力、氮肥利用效率均呈下降趋势，这与前人[29-30]研究结果相似。因此，增施氮肥的同时需要补充灌溉以促进水氮耦合，提高成熟期小麦的氮素利用能力[31-32]。在水分利用效率中得出相似结果，随着灌溉量的增加，小麦的水分利用效率逐渐降低，一方面因为灌水对产量的影响符合报酬递减规律；另一方面，水分亏缺条件下小麦根系感知干旱胁迫，促使地上部叶片气孔闭合，降低蒸腾速率进而低灌溉水平下的水分利用率更高[33]。马仁诗等[34]指出水氮互作对小麦水氮利用的调控作用非常显著，本研究同样发现，灌溉配合施氮较单独灌溉或单独施氮更能促进冬小麦植株的氮素积累，在一定灌溉水平下适度提高施氮量可以提升水分利用效率。这可能是因为提高灌溉与施氮均促成小麦长势旺盛，增加了植株对水分与养分的需求量，进而提升了根系对水分与养分的吸收能力[35-36]。同时灌溉可以促进小麦对氮素的吸收利用，而施氮缓解了由于灌溉量过大引起土壤养分向下淋溶的消极影响。本研究发现，相较于灌溉30 mm (W1)，提高灌溉量利于提升氮肥偏生产力与氮素利用效率，但灌溉量的增加会导致水分利用效率的下降；而水分利用效率在施氮量处于217～228 kg/hm2时维持在较高水平。因此，为了兼顾水、氮利用效率与小麦产量，同时方便生产实践，推荐在灌溉80～100 mm 的条件下，配合施氮210～230 kg/hm2。

3.3 实现小麦增产的关键路径

进入土体的水分以及养分，会首先改变局部土壤理化性质，进而被小麦生长发育所吸收利用，最终到达地上部影响小麦产量。小麦产量与诸多因素有关，Hou 等[37]研究发现土壤水分亏缺状况与小麦产量相关性显著，赵勇等[38]通过构建产量模型，以电导率等土壤理化性质来预测小麦生产潜力；王喜枝等[39]指出增施氮肥可以提高小麦干物质积累量，通过提高干物质积累达到增产目的；陈久月等[40]依据主成分分析得出，小麦有效穗数可以显著影响小麦产量。传统的相关性比较无法综合考虑多方面情况，难以明确影响小麦产量的关键因素。因此，本研究依据实际农业生产环节，构建由水氮投入指向土壤养分含量、小麦干物质及氮素积累情况、产量构成以及籽粒产量的闭合路径。结果表明，小麦地上部干物质、氮素积累量是调控小麦产量的最主要因素，较高的干物质、氮素积累量是小麦高产的保证。在路径模型中，水氮投入与土壤养分对小麦干物质及氮素积累的影响显著，且二者影响能力相当。然而，水氮投入首先极显著改变了土壤养分状况，进而促使土壤具备了对小麦生长发育的调控能力；并且，作为最主要的外源输入方式，水氮投入更加直接且更易控制。因此，其对小麦干物质、氮素积累以及产量的调控作用十分重要。同时，影响小麦生长发育的外界因素众多，如气候、耕作方式等[41-42]，在今后研究小麦产量的响应差异时，可以尽量纳入多种影响因素，以构建更加全面的产量响应路径。

4 结论

小麦干物质及氮素积累量是决定籽粒产量的主要因素，水、氮投入和土壤养分含量均可通过直接、间接方式显著调控小麦产量。施氮量过高会影响小麦生长发育后期对氮素的吸收积累，适度补充灌溉可以促进水氮耦合，提高氮素利用效率，但灌溉量过高会降低水分利用效率。为兼顾小麦高产与水、氮高效，喷灌条件下关中平原冬小麦的适宜灌溉量为80～100 mm，施氮量为210～230 kg/hm2。