調虧灌溉與施氮對花生產量及水氮利用的影響

胡家齊,夏桂敏,張柏綸,張 ,遲道才

(沈陽農業大學水利學院,遼寧 沈陽 110866)

花生是遼寧省種植面積第三大的作物，是第一大的經濟作物，2014年全省花生種植面積達到35.60萬hm2，占全國花生種植總面積的6.6%，產量62萬t，占全國的9.6%，種植面積和產量分別位列全國的第5位和第8位[1]，遼寧省在花生種植上具有一定優勢。花生雖屬于抗旱作物，但在其整個生長發育過程中仍然需要適量的水分，因為水分虧缺會嚴重影響花生的呼吸作用和光合作用[2]，從而影響花生產量的形成。同時花生也是耐瘠作物，有著豐富的根瘤，可以滿足花生需氮量的50%左右[3]。

調虧灌溉(regulated deficit irrigation,簡稱RDI)是一種利用作物的生理功能從而達到節水目的灌溉方式，于20世紀70年代中期由澳大利亞持續灌溉農業研究所Tatura中心提出[4]。核心是利用植物自身對水分虧缺的應激性，主動降低營養器官的生長發育，自身調節光合產物向著生殖器官運移。從而抑制了營養器官的生長冗余，提高作物的經濟系數，改善品質，達到節水、優質、高效的目的[5]。而水氮互作是指在農業生態系統中水分和土壤中的氮肥相互作用的現象，其協同作用可以綜合提高產量和WUE[6]。適當的氮肥用量可以提高植株的干物質積累，而干物質的積累是一切產量形成的前提[7]。

我國學者于1988年引入調虧灌溉，最初用于果樹的研究，康紹忠等人于1998年開始將調虧灌溉引入到大田作物的研究中[8]。至此，調虧灌溉的研究在我國百花齊放，在冬小麥[9]、大豆[10]、棉花[11]和水稻[12]等作物的研究也都初見成果。但在花生的研究成果卻少見報道。本試驗以花生品種“小白沙”為研究對象，采取裂區試驗設計，在花生的花針 結莢期進行不同程度的水分調虧，研究不同施氮量下調虧灌溉對花生生長、產量及水氮利用效率的影響，以期得出適宜花生的調虧灌溉程度和最佳氮肥施用量。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016年5-9月在北溫帶半干旱季風大陸性氣候區的阜新蒙古族自治縣進行，位于東經121°02′～122°54′，北緯 41°42′～42°55′之間，海拔213 m，多年平均降雨量為493.1 mm，總輻射量為138.5 kWh·m-2，年平均氣溫7.2℃，作物生育期平均氣溫20.2℃，10℃以上積溫2 900～3 400℃；無霜期150 d。多年平均降雨量為493.1 mm，其中夏季占全年的68.5%，春旱、秋吊現象頻繁，年平均蒸發量為1 847.6 mm。土壤容重1.40 g·cm-3，田間持水率32.15%(占體積百分比)，為砂壤土，地下水埋深8～13 m。土壤肥力中等，有機質含量為13.05 g·kg-1，全氮含量1.28 g·kg-1，堿解氮92.15 mg·kg-1，速效磷18.76 mg·kg-1，速效鉀201.43 mg·kg-1，土壤pH值為6.15。

1.2 試驗材料與設計

試驗在大田中進行，供試花生品種采用阜蒙縣當地廣泛種植的小白沙(白沙1016)，于2016年5月14日機械播種，9月17日收獲。試驗地面積500 m2，花生種植密度2.25×105株·hm-2。大壟雙行種植，每條壟中布置一條滴灌帶，壟距寬100 cm，兩行中間鋪設一條滴灌帶，采取膜下滴灌，灌溉水為地下水。取裂區試驗設計，設兩個因子(施氮量和水分虧缺度)。主區為施氮量，子區為水分虧缺度。施氮量為0(N0)、40(N1)、60(N2)和80(N3)kg·hm-2,4個水平；水分虧缺為花針-結莢期連續控水，重度虧水灌水下限為45%，(W1)上限為90%(下同)、中度虧水55%(W2)、輕度虧水65%(W3)(占田間持水量百分比)和雨養(W0)4個水平，共16個處理。每小區長5 m，寬2 m，小區間用80 cm深高分子樹脂分隔，以防止水分和氮素側滲，3次重復。2016年全生育期逐月降水量和有效降雨量如表1所示。

表1 花生生育期內降水量及有效雨量

1.3 觀測項目和方法

1.3.1 土壤含水率 在花生不同生育期內用澳大利亞SENTEK公司生產的Diviner 2000便攜式土壤水分速測儀測定10、20、30、40、50、60 cm及70 cm深度的土壤含水量，每5天測定一次，灌溉前后及降雨前后加測。

1.3.2 株高、干物質及葉面積指數的測定 從花生出苗后，用刻度尺每10天測定花生株高，花生每個生育期結束后測定花生干物質質量和用雅欣理儀生產的Yanxin-1241葉面積儀測量花生葉面積并計算葉面積指數。

1.3.3 花生產量的測定 全生育期結束后，每小區單打單收，計算各小區花生產量，各處理取均值。

1.3.4 耗水量ET花生的耗水量采用水量平衡方程進行計算：

ET=W0-Wt+WT+P0+K+M-F

WT=667(H2-H1)γ(θf-θ)

P0=σ×P

式中,ET為階段耗水量(mm)；W0,Wt為一個時段(生育期)始末的土壤計劃濕潤層內的儲水量(mm)；WT為由于土壤計劃濕潤層增加而增加的水量(mm)；θf為田間持水率(重量含水率)，θ為計劃濕潤層平均含水率(重量含水率(%))，γ為土壤容重(g·cm-3)；P0為時段內有效降雨量(mm)，P為次降雨量(mm)，σ為降雨有效利用系數(P≤5 mm時，σ=0；P=5～50 mm 時，σ=1；P≥50 mm時，σ=0.75)，K為時段內地下水補給量(mm)；M為時段內灌水量(mm)；F為時段內滲漏量(mm)。地下水深度足夠，故無地下水補給，K=0；由于試驗采用的灌水方式為滴灌，灌水引起深層滲漏很小，可忽略不計，因此取F=0。

1.3.5 計算指標

耗水強度(Water Consumption Intensity, CI)=各生育期耗水量/生育期天數

(1)

耗水模數(Water Consumption Percentage, CP)=各生育期耗水量/總耗水量

(2)

水分生產率(Water Use Efficiency, WUE)=花生產量/耗水量

(3)

氮肥農藝利用率(Nitrogen Agronomic Efficiency，NAE)=(施氮區產量-不施氮區產量)/施氮量

(4)

1.4 數據分析

采用Excel進行數據匯總、繪圖，SPSS 20進行統計分析和顯著性檢驗(Tucky HSD法，P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同水氮互作下花生全生育期的耗水特性

花生全生育期不同水分處理灌水量見表2，水氮互作花生不同生育期的耗水量、耗水模數和耗水強度見表3，由表3可以看出，花生全生育期耗水量呈現出“前期少，中期最多，后期偏多”的特性，這是由于花生的生理特性決定的，耗水最多的生育階段是花針期，其次是結莢期而后是飽果期和苗期。

表2 花生全生育期不同水分處理灌水量

表3 水氮互作花生不同生育期的耗水量、耗水模數和耗水強度與方差分析(F檢驗)

注：CA：耗水量； CI：耗水強度；CP：耗水模數.*表示影響顯著P<0.05，**表示極顯著P<0.01,下同。

Note: CA：Water consumption； CI：Water consumption intensity；CP：Water consumption percentage.*, and ** indicate significant atP<0.05, extremely significant effect atP<0.01.The same below.

苗期氣溫低，花生生長緩慢，因此耗水量最低；花針期和結莢期耗水量占花生全生育期耗水量的64.5%～74.27%，不僅因為這兩個生育期歷時長，耗水強度高于其它生育期，還因為這一階段是花生營養生長和生殖生長的重要時期；而飽果期，花生營養器官基本不再生長，主要為果實膨大，和營養的轉移，因此耗水量低。分析結果表明施氮量對于花生各生育期的耗水量、耗水強度和耗水模數影響極顯著，但是對于花生全生育期總耗水量的影響卻不顯著，說明施氮雖然會引起花生某個生育期的需水變化，但是經過調虧灌溉處理，在之后的生育期發生了明顯的耗水補償，因此生育期總耗水量變化不大。而水分虧缺除對花生苗期的耗水量和耗水強度影響不顯著外，對其它生育期和全生育期的各項指標影響均達極顯著水平。N*W(施氮與虧水的交互作用)對花生飽果期的耗水量、耗水強度及耗水模數均影響顯著。

2.2 不同水氮互作對花生生長的影響

2.2.1 不同水氮互作對花生株高的影響

水氮主因子對花生株高的影響見圖1，株高是反映作物生長性狀的重要特征指標。作物生長性狀決定了產量的大小和品質優劣。由圖1可知,在整個生長過程中,株高的增長情況均呈“S”型增長。不同水氮處理的增長趨勢相同,苗期株高增長較為緩慢,苗期至花針期主莖高増長加快,不同處理的差異開始顯現，結莢期増長速率逐漸減緩,到成熟期基本停止生長。花生株高增加速率與花生耗水強度基本一致(表2)。由圖1a可知，N2處理(施氮60 kg·hm-2)有利于花生株高的增長，并且從7月23日(花針期)差異開始明顯，并且最終保持到收獲，N2處理株高最終達到64.26 cm，分別高于N0、N1和N3處理10.24%、3.86%和4.69%。由圖1b可知，W3處理(灌水下限65%)即保持土壤濕潤有利于花生株高的增長，并且從7月13日(花針期)差異開始明顯，并且最終保持到收獲，W3處理株高最終達到64.26 cm，分別高于W0、W1和W2處理12.73%、9.52%和4.03%。并且水分對于花生株高的影響較氮肥的影響更為顯著。

圖1 水氮互作對花生株高的影響Fig.1 Effects of water and nitrogen interaction on plant height of peanut

2.2.2 不同水氮處理對花生葉面積指數影響 不同水氮供應對花生葉面積指數的影響見圖2，由圖2可知，隨著生育期的推進，花生葉面積指數呈現先增加后減小的趨勢，在花生結莢期葉面積指數達到最大。在不同施氮及灌水處理下，花生葉面積指數呈不同變化趨勢。其中，花生苗期時，不同施氮量對葉面積指數無顯著影響。在花針期、結莢期及飽果期，施氮量對葉面積指數均有顯著影響，葉面積指數隨施氮量的增加顯著增加，在N3處理(60 kg·hm-2)達到最大(圖2a)。調虧灌溉可以增加花生葉面積指數，花生各生育期葉面積指數均在W2中度虧水處理(灌水下限55%)達到最大(圖2b)。

2.3 不同水氮互作對花生干物質的影響

水分和肥料與作物的干物質累積密切相關，由表3，表4可知施氮量、水分虧缺以及水氮交互作用對花生干物質量的影響均達到極顯著水平。N2W2處理(灌水下限55%，施氮60 kg·hm-2)干物質累積最大，達到113.41 g，以N0W0(雨養不施氮)處理花生干物質累積最小，為64.66 g。分析其主效應，N2處理分別高出N0、N1和N3處理29.17%、18.48%和18.10%，并且達到顯著水平。全部灌水處理皆高于雨養處理。W2處理分別高出W0、W1和W3處理15.41%、7.16%和8.39%，且達到顯著水平。

2.4 不同水氮互作對花生產量的影響

由表4可知，施氮量與水分虧缺以及二者的交互對于花生的產量都有著極顯著的影響。進行因子主效應檢測分析(表5)可知，隨著氮肥施入量的增加，花生的產量呈先顯著增加，后又降低的趨勢，即當施氮量到達N2處理(60 kg·hm-2)時，花生達到最大產量5 765.89 kg·hm-2,繼續增加氮肥施用量，則會造成減產。可見，增加氮肥有利于花生增產，過量的氮肥又會抑制產量形成。調虧灌溉可以增加花生產量，相較不灌水，輕度虧水和中度虧水分別增產7.09%和13.09%。輕度虧水，中度虧水的產量顯著高于不灌水和重度虧水的產量。分析二者的交互效應(表4)表明，在N0和N2下，最大產量出現在中度虧水，而N1和N3下則是輕度虧水產量最大。說明在不同的施氮處理下，水分虧缺程度對于產量的影響不甚一致，特別是高氮處理下的中度虧水和重度虧水，產量低于不灌水處理。說明過量的氮肥和較為嚴重的水分虧缺都會造成花生的顯著減產。通過多重對比，N2W2處理(6 485.03 kg·hm-2)產量最高，顯著高于當地常規處理N2W0處理(4 903.87 kg·hm-2)，增產32.24%。

圖2 不同水氮供應對花生葉面積指數的影響Fig.2 The effects of different water and nitrogen supply on leaf area index of peanut

處理Treatment干物質/gDry weight耗水量/mmWater consumption產量/(kg·hm-2)YieldWUE/(kg·m-3)NAE/(kg·kg-1)N0W064.66f254.174155.53i1.64fg-N0W176.99cdef324.674211.07i1.32jk-N0W271.65ef328.994645.50gh1.41ij-N0W378.53cde298.024244.40i1.31k-N1W075.92cdef262.014783.73fgh1.83d15.70deN1W180.41cde330.455094.50ef1.54fgh23.46cN1W284.03cde335.555115.40de1.52ghi23.99cN1W377.81cde303.896147.57b1.86cd49.80aN2W078.99cde247.254598.85gh1.98ab20.03cdN2W198.36b318.425440.07cd1.77de21.41cdN2W2113.41a321.006485.03a2.02a38.82bN2W386.21bc288.436234.57ab2.16a34.65bN3W084.22cd254.084951.53cd1.95bc9.95efN3W171.81def325.444609.30h1.42ij5.67fN3W281.90cde326.894656.67gh1.42ij6.26fN3W381.30cde294.924946.93c1.68ef16.39deN3068.92??2.06355.900??424.253??988.909??W890.59??73.272??111.867??207.984??395.740??N?W682.24??0.01535.883??30.399??97.443??

注： 同一列不同字母表示具有顯著的差異，相同字母表示沒有差異(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters in columns are significantly different at 0.05 probability level，and the same letter indicates no difference, at 0.05 level. The same below.

2.5 不同水氮互作對花生WUE的影響

對于WUE，由方差分析(表4)可知，施氮、水分虧缺和二者的交互對于WUE的影響顯著。由主效應分析(表5)可知，氮肥方面，花生的WUE隨著施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢，在N2處理達到最大值(1.93 kg·m-3)，隨后是N1和N3處理，N0處理最低，僅為1.44 kg·m-3；水分虧缺方面，不灌溉處理的WUE最高，其值為1.85 kg·m-3，輕度虧水和中度虧水處理產量達到最高值(5 523.11 kg·hm-2，5 300.65 kg·hm-2)，但輕度虧水處理的WUE也達到較高值(1.70 kg·m-3)。而分析二者的交互效應(表4)，無論何種的灌水條件下，不同的施氮量對于花生WUE的影響都一致，皆在施氮量為N2(60 kg·hm-2)時，WUE達到最大值。但在不同的施氮條件下，WUE對水分的響應變化卻不一致，不同氮肥條件下，水分對于作物產量激發的潛力不同，從而導致單位體積水所對應的產量變化不同，進而導致水分對WUE的影響不甚一致。N2W0和N2W2處理有著最大的WUE，且二者差異不顯著，分別為1.98 kg·m-3和2.02 kg·m-3。

表5 不同水氮主因子間多重比較分析(Tukey HSD法)

2.6 不同水氮互作處理對花生NAE的影響

NAE反映氮肥對產量的貢獻，由表4、表5知，施氮量和水分虧缺以及二者的交互效應對NAE影響極顯著。NAE隨著施氮量的增加顯著降低，由最高的33.23 kg·kg-1(N1)降低到9.57 kg·kg-1(N3)，降幅達到247%。而隨著虧水程度的減輕，NAE顯著提高，相比不灌水處理W1，W2和W3分別提高了10.64%，94.94%和120.68%，并且均達到顯著水平。由表4的二者交互表明，在不同的虧水處理下，NAE均呈隨著施氮量的增加而顯著降低的趨勢，而在W2條件下，則是先升后降。在不同的施氮條件下，NAE隨著水分虧缺的減緩而有所升高。說明水氮交互作用能夠抑制NAE的下降，如N2W1處理的NAE比N3W3處理增加30.63%，而二者的產量差異卻不顯著，可見不同施氮和虧水可以降低花生種植中的施氮量，從而減輕了發生氮素流失的現象。

3 討 論

調虧灌溉可以提高作物的WUE這一觀點已經得到了廣大學者的認同[13]，而WUE則是由作物的產量和耗水量共同影響的。作物的耗水量由自然降水，灌溉水和土壤貯水三部分構成，隨著調虧灌溉程度減弱，即土壤保持較高的含水量，作物的耗水量越大[14]，此時，灌溉水占作物總耗水量的比值卻降低。花生苗期虧水會導致全生育期耗水量降低，而且隨著虧水歷時的增加，耗水量越低[15]。但與WUE卻不是單一的線性關系。花生前期水分虧缺會使其WUE提高，因為前期的干旱，有利于花生根系深扎，增加根冠比，進而增強花生的自身汲取土壤中水分的能力[16]。施氮對于作物的耗水也有著明顯的影響，在相同的灌溉方式下，增施氮肥會顯著增加玉米的全生育期耗水量[17]，這與本研究所得出的花生全生育期耗水量和各生育期的耗水規律一致。有研究表明在典型的旱作農業區，進行適當的灌溉處理相對于雨養處理，在獲得高產的同時，也能顯著提高小麥的WUE[18]。但本研究表明，在進行輕度調虧灌溉(65%下限)處理時，產量較雨養顯著提高，但WUE卻有著下降的趨勢，說明在在遼西半干旱區應用花針期-結莢期輕度調虧灌溉處理可以增加產量，可以維持較高的WUE。有研究表明，一定的水分條件下，增施氮肥，有益于花生保持較大的葉面積指數，但過量氮肥會導致葉片過大從而相互遮擋，進而導致下部葉片衰老死亡，使花生的葉面積指數降低[19]。過量施肥時，則WUE開始降低[20-21]，本研究雖是以花生為研究對象，但當控制灌水因素時，結論與其類似，說明不同作物對于氮的需求與反應具有一定的相似性。

雖然國內外對于調虧灌溉的研究已經很多，但對產量的影響卻說法不一[22]。產量受到氣候、環境等多方面的影響，而水、氮只是其中兩個比較重要的因子。增加灌水量和施肥量固然可以增加作物產量，但是只有當產量價值的邊界條件大于投入的費用時，此時增加的水、肥才是有意義的[23]。產量，耗水量和WUE是三個相互關聯的變量，三者之間有著明顯的耦合關系。調虧灌溉可以提高WUE，而增施氮肥可以顯著提高產量，故水氮互作可以綜合提高作物產量和WUE[24-25]。在一些水資源量小，而且農業水管理較差的地區，將調虧灌溉運用于馬鈴薯，可以減少馬鈴薯水分敏感期—花期25%的耗水量，而對產量無顯著影響[6]。本研究結果表明，N2W2相較常規雨養處理增產21.05%，WUE僅降低7.43%。所以，選定花生的需水關鍵期花針-結莢期進行調虧灌溉，可以達到增加產量而不顯著降低WUE的效果。施加適量氮肥有益于花生保持較大的葉面積指數，但過量氮肥會導致葉片過大從而相互遮擋，進而導致下部葉片衰老死亡，使花生的葉面積指數降低。

花生是耐瘠作物，有著豐富的根瘤，但是只能滿足花生自身氮需求的50%左右。在花生的種植中接種根瘤菌，使土壤中的根瘤菌增加，花生的產量先升高后降低，而生物量卻是一直增高的[26]。當土壤中的氮肥不足時，花生會出現較多的根瘤來進行固氮，從而維持花生產量的穩定，所以在降低氮肥施用量時，也能維持較大產量，而且NAE顯著上升，當氮施用量從67.5 kg·hm-2增加到202.567 kg·hm-2時，NAE下降達到了200%[27]，與本試驗得到的247%類似，但試驗條件不同，適宜的施氮量也不甚一致，所以結論有待進一步驗證。本試驗中雖然只是單獨施加氮肥，并沒有接種根瘤菌，但隨著虧水程度的減緩，花生的NAE顯著增加，且在試驗過程中確實發現施氮量低的處理，花生根系的根瘤明顯多于高氮處理，因此，可以綜合考慮根瘤與施氮量和水分虧缺的關系，有待進一步驗證，從而制定最佳的施肥灌水方式。

4 結 論

1)水氮互作下，N的主效應對花生的各生育期耗水量均有極顯著影響，N對全生育期耗水量影響不顯著，對花生產量、WUE和NAE等重要指標皆影響極顯著，隨著施氮量的增加，花生株高、葉面積指數和干物質量以及產量和WUE都呈先增后減的變化趨勢，產量和WUE最高增加32.03%和34.03%，NAE則是一直降低的，由最高的33.23 kg·kg-1(N1)降低到9.57 kg·kg-1(N3)，降幅達到247%。

2)W的主效應對花生全生育期耗水量影響極顯著，對花生株高和葉面積指數以及產量、WUE和NAE影響極顯著，W的主效應可明顯增加花生株高，最高增加12.73%，最高可增產13.09%，提高NAE 120.68%，但會顯著降低WUE，最多降低20.92%。

3)N*W的交互響應可以綜合提高花生的各項指標，并且達到顯著水平，合理的水氮組合不僅可以維持較高的WUE和NAE，還可以顯著提高產量，達到高產高效。因此推薦施氮60 kg·hm-2，花針-結莢期采取中度虧水處理(N2W2)，產量最高，為6 485.03 kg·hm-2，相較當地常規種植方式增產32.24%，而且還能維持較高的WUE和NAE，分別達到2.02 kg·m-3和38.82 kg·kg-1。