雨養和灌水條件下種植密度對冬小麥產量、氮素利用率和水分利用效率的影響

朱文美　費立偉 代興龍　張秀　董述鑫　初金鵬　鈐太峰　賀明榮

摘要：于2015—2016、2016—2017年連續兩個小麥生長季，選用大穗型品種泰農18（T18）和中穗型品種山農22（S22）為試驗材料，設置雨養（全生育期不灌水）和灌水（每次灌水60 mm） 2個灌溉水平，泰農18選用135、270、405、540株·m-2 4個種植密度（分別用T135、T270、T405、T540表示），山農22選用90、180、270、360株·m-2 4個種植密度（分別用S90、S180、S270、S360表示），研究了雨養與灌水條件下種植密度對冬小麥籽粒產量、氮素利用率及農田耗水特性、水分利用效率的影響。結果表明，在雨養和灌水條件下，隨種植密度增加，兩品種籽粒產量、氮素利用率、總耗水量和水分利用效率均呈先上升后降低趨勢，泰農18和山農22種植密度分別為405、270株·m-2時上述各指標達到最大值，并且種植密度的增產增效效應在雨養和灌水條件下存在顯著差異，雨養條件下增加種植密度的增產效應及其對氮素利用率、水分利用效率的提升效應顯著高于灌水條件，這與其在雨養條件下干物質提升幅度大（雨養和灌水條件下分別為29.78%和20.42%）、氮素利用效率下降幅度小（雨養和灌水條件下分別為12.90%和17.65%）和耗水增量低（雨養和灌水條件下分別為4.95%和6.74%）有關。兩品種冬小麥在雨養條件下基于氮素積累增量、水分消耗增量的密度增產效應亦優于灌水條件，生產中將有限的肥水投入到雨養或節水栽培條件下其增產效應可能更為顯著。

關鍵詞：冬小麥；種植密度；雨養與灌水；產量；水氮利用效率

中圖分類號：S512.1+10.1 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2018）08-0035-07

Effects of Planting Density on Grain Yield， Nitrogen and Water Use

Efficiency of Winter Wheat in Rainfed and Irrigation Regimes

Zhu Wenmei， Fei Liwei*， Dai Xinglong， Zhang Xiu，

Dong Shuxin， Chu Jinpeng， Qian Taifeng， He Mingrong

（College of Agronomy， Shandong Agricultural University/State Key Laboratory of Crop Biology/

Key Laboratory of Crop Physiological Ecology and Cultivation， Ministry of Agriculture， Taian 271018， China）

Abstract During 2015-2016 and 2016-2017 wheat growing seasons， using the big-spike cultivar Tainong 18 and medium-spike cultivar Shannong 22 as experimental materials， two irrigation regimes including no irrigation （W0） and irrigation with 60 mm （W60） each time were set to study the effects of plant density on grain yield， nitrogen and water use efficiency in rainfed and irrigation regimes. Tainong 18 was planted with four densities of 135 （T135）， 270 （T270）， 405 （T405） and 540 （T540） plants per square meter； Shannong 22 was planted with four densities of 90 （S90）， 180 （S180）， 270 （S270） and 360 （S360） plants per square meter. The results showed that under the rainfed and irrigation conditions， the grain yield， nitrogen use efficiency （NUE）， total evapotranspiration （ET） and water use efficiency （WUE） of the two cultivars showed increasing firstly and then decreasing with the increase of planting density. When the plant density was 405 plants per square meter for Tainong 18 and 270 plants per square meter for Shannong 22， the above indexes reached the maximum. Furthermore， compared to the irrigation treatment， significantly higher increase effects in yield， NUE， ET and WUE were observed under rainfed regimes as the plant density increased. These were related to the higher increment in dry matter accumulation （29.78% and 20.42% under rainfed and irrigation respectively）， lower reduction in N use efficiency （12.90% and 17.65% under rainfed and irrigation respectively）， and lower increment in ET （4.95% and 6.74% under rainfed and irrigation respectively）. The yield-increasing effect based on the increment of N accumulation and ET was better under rainfed than that under irrigation， so more significant improvement of yield， NUE and WUE could be obtained if the N and water were invested to the rainfed or water-saving wheat production under the optimum plant density.

Keywords Winter wheat； Plant density； Rainfed and irrigaiton； Grain yield； Nitrogen and water use efficiency

水分是影響小麥生長發育和產量形成的重要因素。水資源短缺限制農業發展[1]，嚴重威脅糧食安全[2]。華北平原是我國重要的小麥產區，但隨著各行業用水量的激增及水資源的消耗，華北農業區水資源日益匱乏[3，4]。而農業灌溉用水效率低下、水資源浪費嚴重亦成為限制區域產業發展的重要因素[5]，發展節水農業在未來的生產實踐中具有重要意義。

種植密度是影響冬小麥產量的重要因素之一[6]。適當增加種植密度可以提高冬小麥籽粒產量[7，8]，有效提高小麥根長密度，促進各土層根長密度的增加[9，10]，并促進冬小麥氮素利用率的增加[11] 和水分利用效率的提高[12]。然而，在雨養和灌水條件下增加種植密度對冬小麥籽粒產量、氮素利用率、總耗水量及水分利用效率的影響是否存在差異尚不清楚，這亦限制了小麥節水栽培理論與技術的發展。

因此，本試驗選擇泰農18和山農22兩個小麥品種，設置雨養和常規灌水2個灌溉水平和4個種植密度，研究灌水量和種植密度互作對小麥籽粒產量、氮素利用率、耗水與水分利用效率等方面的影響，以期明確雨養和灌水條件下增加種植密度對冬小麥籽粒產量、氮素利用率、總耗水量及水分利用效率的影響差異，為冬小麥節水高產高效栽培提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015—2016年和2016—2017年兩個小麥生長季在山東省泰安市岱岳區大汶口鎮東武村（35°57′N，117°03′E） 大田進行。前茬作物為玉米，多年秸稈還田。試驗田土壤為壤土。播前0～20 cm土層土壤養分情況見表1，小麥生長季降水量情況見圖1。

1.2 試驗設計

以大穗型品種泰農18 和中穗型品種山農22為供試材料，設置雨養（全生育期不灌水）、常規灌水（時期為越冬期、拔節期和開花期，每次灌水60 mm）2個處理；泰農18設置135、270、405、540株·m-2 4個種植密度，分別用T135、T270、T405、T540表示，山農22設置90、180、270、360株·m-2 4個種植密度，分別用S90、S180、S270、S360表示。試驗布局中兩品種分別單獨進行，每個品種均采用裂區設計，以灌水處理為主區，種植密度為副區，重復3次。小區面積為16.0 m×3.0 m = 48.0 m2。

播前施入基肥純N、P2O5、K2O均為120 kg·hm-2，拔節前施入純N 120 kg·hm-2。氮、磷、鉀肥分別為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O5 12%）和氯化鉀（K2O 60%）。

2015—2016年生長季因播種至越冬期間降水較多（圖1），各處理均未澆越冬水，僅在拔節期和開花期灌水。2016—2017年生長季各處理均在越冬期、拔節期和開花期灌水。灌水時用水龍帶從機井口引水至小區首端，水龍帶出水口安裝水表計量灌水量。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤養分的測定 播前取0～1 m土層土樣，20 cm為一層，每層分成三份。一份在烘干箱烘干測定土壤含水量；一份在通風避陰的地方自然風干粉碎后測定土壤有機質（水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法）、全氮（凱氏定氮法）、堿解氮（堿解擴散法）、速效磷（碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法）、速效鉀（醋酸銨浸提-火焰光度法）；一份-30℃以下低溫保存用于測定土壤硝態氮和銨態氮含量，測定時將土樣解凍、混勻，稱12 g，加入1 mol·L-1 KCl溶液50 mL，振蕩30 min，過濾取浸提液，用連續流動分析儀測定。

1.3.2 產量及其構成因素的測定 每個小區收獲3 m2，重復3次，脫粒曬干后測定籽粒產量；同時收獲長勢均勻的30株單莖，進行考種獲得產量構成因素數據。

1.3.3 植株干物質和氮含量的測定 成熟期各小區選取長勢均勻的區域，隨機取50個植株單莖，分為莖+葉鞘、葉、穎殼+穗軸、籽粒四個器官，于烘箱105℃下殺青30 min后，在80℃下烘干至恒重，稱重。

莖+葉鞘、葉和穎殼+穗軸采用FZ102型微型植物粉碎機進行粉碎，籽粒采用3100型實驗磨進行磨制。粉碎后的植物樣品采用K8200凱氏定氮儀進行氮含量的測定。根據各器官干重、含氮量計算地上部氮素積累量。各相關指標計算公式如下：

供氮量=施氮量+播前0～1 m 土層土壤硝態氮和銨態氮積累量

氮素利用率（NUE，kg·kg-1）=籽粒產量/總供氮量

氮素吸收效率（UPE，%）=地上部器官氮素積累量/總供氮量×100

氮素利用效率（UTE，kg·kg-1）=籽粒產量/地上部器官氮素積累量

1.3.4 土壤耗水量的測定 播前至成熟期每個關鍵時期均測定土壤含水量。以每20 cm為一層用土鉆取0～200 cm土層土樣，混勻后裝入鋁盒稱鮮重，然后在110℃下烘干至恒重，稱干重。土壤含水量計算公式為：土壤含水量（%）=（土壤鮮重-土壤干重）/土壤干重×100。

1.3.5 小麥生育期耗水量 采用農田水分平衡法[13]計算小麥生育期間的水分蒸發蒸騰消耗總量（ET），公式為：ET=P+I+U-R-Dw-△s。式中，ET為水分蒸發蒸騰消耗總量（mm）；P為小麥生育期內有效降雨量（mm）；I為小麥生育期內定額灌水量（mm）；U為向上流根區的毛管流（mm）；R為徑流（mm）；Dw為向下流根區的毛管流（mm）；△s為小麥生育期內0～200 cm土層土壤貯水消耗量（mm）。然后根據公式W=0.1rvh計算土壤儲水量（mm），r為土壤含水量（%），v為土壤容重（g·cm3），h為不同深度土壤儲水量（cm），0.1為換算常數。U和Dw在試驗中可以忽略不計。在小麥生長季中徑流（R）也可以忽略不計。

1.3.6 水分利用效率 水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）=籽粒產量（kg·hm-2）/小麥生育期耗水量（mm）

1.3.7 其它相關指標的計算 基于氮素積累增量的密度增產效應=產量差/地上部氮素積累量差；基于水分消耗增量的密度增產效應=產量差/土壤耗水量差。

1.4 數據統計分析

采用Microsoft Excel 2007軟件進行數據統計與做圖，于DPS 7.05軟件中用LSD法進行差異顯著性比較。

2 結果與分析

2.1 雨養與灌水條件下種植密度對籽粒產量的影響

如表2所示，在雨養和灌水條件下，當種植密度由T135（S90）增加至T405（S270）時，泰農18和山農22兩品種的產量均呈增加趨勢，但在雨養條件下這種增產效應高于灌水條件下。其中，泰農18兩生長季產量在雨養條件下平均增加1.13 t·hm-2 （17.23%）、灌水條件下平均增加1.03 t·hm-2（13.05%）；山農22在雨養條件下平均增加1.18 t·hm-2 （17.40%）、灌水條件下平均增加1.02 t·hm-2 （13.37%）。當種植密度進一步由T405（S270）提高至T540（S360）時，兩品種的產量均表現為降低趨勢。

如表2所示，在雨養和灌水條件下，隨種植密度增加，兩品種冬小麥干物質積累量變化規律與產量一致，當種植密度由T135（S90）增加至T405（S270）時，泰農18兩生長季干物質積累量在雨養條件下平均增加4.36 t·hm-2 （29.92%）、灌水條件下平均增加3.64 t·hm-2 （19.87%）；山農22在雨養條件下平均增加4.24 t·hm-2 （29.63%）、灌水條件下平均增加3.75 t·hm-2 （20.96%）。但當種植密度進一步由T405（S270）提高至T540（S360）時，兩品種干物質均表現為降低趨勢。而在雨養和灌水條件下，兩品種冬小麥收獲指數隨種植密度的增加呈降低趨勢。

2.2 雨養與灌水條件下種植密度對冬小麥地上部氮素積累量和氮素吸收效率的影響

2015—2016年生長季總供氮量為435.09kg·hm-2，2016—2017年生長季總供氮量為426.24 kg·hm-2。由表3可知，在雨養和灌水條件下，當種植密度由T135（S90）增加至T405（S270）時，兩品種地上部氮素積累量均呈增加趨勢，且其增加效應在灌水條件下高于雨養條件。泰農18兩生長季地上部氮素積累量在雨養條件下平均增加66.75 kg·hm-2（35.13%）、在灌水條件下平均增加88.04 kg·hm-2（38.23%）；山農22兩生長季在雨養條件下平均增加62.85 kg·hm-2（34.25%）、在灌水條件下平均增加83.55 kg·hm-2（37.04%）。當種植密度進一步由T405（S270）提高至T540（S360）時，兩品種地上部氮素積累量均有所降低。因本試驗中各處理間總供氮量無差異，所以在雨養和灌水條件下，氮素吸收效率的變化趨勢與地上部氮素積累量一致。

當由最低密度提高至產量最高的種植密度時，泰農18、山農22兩生長季基于氮素積累增量的密度增產效應雨養條件下（16.87、19.07 kg·hm-2）均顯著高于灌水條件（11.72、12.19 kg·hm-2）。

2.3 雨養與灌水條件下種植密度對冬小麥氮素利用效率的影響

由表3可知，在雨養和灌水條件下，隨種植密度增加，兩品種氮素利用效率均呈現降低趨勢，且當種植密度由T135（S90）增加至T405（S270）時其降低幅度在雨養條件下低于灌水條件下。泰農18兩生育季氮素利用效率在雨養條件下平均降低4.61 kg·kg-1（13.30%），在灌水條件下平均降低6.15 kg·kg-1（17.91%）；山農22在雨養條件下平均降低4.67 kg·kg-1（12.49%），在灌水條件下平均降低5.88 kg·kg-1（17.33%）。當種植密度繼續增加時，兩品種的氮素利用效率呈降低趨勢。

2.4 雨養與灌水條件下種植密度對氮素利用率的影響

由表3可知，在雨養和灌水條件下，當種植密度由T135（S90）增加至T405（S270）時，兩品種氮素利用率均呈增加趨勢，且其增加效應在雨養條件下高于灌水條件下。泰農18兩生育季氮素利用率在雨養條件下平均增加2.61 kg·kg-1 （17.30%），在灌水條件下平均增加2.39 kg·kg-1 （13.03%）；山農22在雨養條件下平均增加2.72 kg·kg-1 （17.37%），在灌水條件下平均增加2.39 kg·kg-1 （13.03%）。但當種植密度進一步由T405（S270）提高至T540（S360）時，兩品種氮素利用率均有所下降。

2.5 雨養與灌水條件下種植密度對總耗水量和水分利用效率的影響

表4顯示，在各種植密度條件下，灌水處理的總耗水量顯著高于雨養處理，而灌水處理的水分利用效率顯著低于雨養處理（T135處理除外）。在雨養和灌水條件下，當種植密度由T135（S90）增加至T405（S270）時，兩品種的總耗水量呈增加趨勢，且在灌水條件下這種增加效應高于雨養條件。泰農18兩生長季總耗水量在雨養條件下平均增加19.12 mm （5.24%）、灌水條件下平均增加31.69 mm（7.05%）；山農22在雨養條件下平均增加16.14 mm （4.66%）、灌水條件下平均增加26.15 mm（6.36%）。當種植密度由T405（S270）提高至T540（S360）時，兩品種的總耗水量呈降低趨勢。

表4顯示，在雨養和灌水條件下，當種植密度由T135（S90）增加至T405（S270）時，兩品種的水分利用效率也呈增加趨勢，但在雨養條件下提高幅度高于灌水條件下。泰農18水分利用效率兩生長季在雨養條件下平均提高2.02 kg·hm-2·mm-1（11.21%）、灌水條件下平均提高0.97 kg·hm-2·mm-1 （5.49%）；山農22在雨養條件下平均提高2.39 kg·hm-2·mm-1 （12.18%）、灌水條件下平均提高1.21 kg·hm-2·mm-1 （6.48%）。當種植密度由T405（S270）提高至T540（S360）時，兩品種的水分利用效率均呈降低趨勢。

泰農18、山農22兩生長季基于水分消耗增量的密度增產效應在雨養條件下（58.90、73.56 kg·hm-2·mm-1）優于灌水條件下（32.48、38.66 kg·hm-2·mm-1）。

3 討論與結論

種植密度是影響冬小麥生長發育與產量形成的關鍵因素[14]。國內外研究表明，產量隨種植密度的增加皆呈二次拋物線的變化趨勢[7，15-17]。本試驗結果表明，在雨養和灌水條件下，隨種植密度增加，兩品種冬小麥的產量同樣呈現先上升后降低的趨勢，泰農18種植密度為405株·m-2、山農22種植密度為270株·m-2時產量達到最高，這與前人的研究結果基本一致。但雨養和灌水條件下，適當增加種植密度的增產效應存在顯著差異，雨養條件下密度的增產效應更為顯著。

產量的形成來源于干物質的積累及其向籽粒的分配[18]，較高的干物質積累或較高的收獲指數及兩者的有效協同是提高小麥產量的關鍵[19]。本試驗條件下，雖然隨著種植密度的增加收獲指數略有下降，但主要是由于干物質的大幅提升促進了產量的提高，而雨養條件下增密的增產效應高于灌水條件亦主要是源于其較高的干物質增加幅度。

氮素利用率是籽粒產量和總供氮量的商值，也是氮素吸收效率和氮素利用效率的乘積，因此氮素利用率的提升源于氮素吸收和利用效率的協同[20]。適當增加種植密度可有效提高各土層小麥根長密度，促進其對供應氮素的吸收，提高地上部氮素的積累量和氮素吸收效率，彌補并超過氮素利用效率下降所致損失，進而提高冬小麥氮素利用率[10，21]。本試驗中，在雨養和灌水條件下適當增加種植密度亦是通過提高氮素積累量和氮素吸收效率提高氮素利用率，但對于氮素利用率的提升效應在雨養和灌溉條件下存在顯著差異。相對于灌水條件，雨養條件下適當增加種植密度對氮素利用率的提升效應更高，這是由于雖然雨養條件下增密對氮素吸收的促進效應較低，但適當增密在雨養條件下氮素利用效率的降低幅度小，而灌水條件下氮素利用效率的降低幅度偏高。

從基于氮素積累增量的密度增產效應來看，兩品種冬小麥在雨養條件下基于地上部氮素積累增量的密度增產效應優于灌溉條件下，表明在生產中將氮素資源投入到雨養條件下，其增產效應可能更為顯著。

小麥的全生育季耗水多少和產量高低是決定其水分利用效率的主要因素[22]，充分、有效利用總耗水是提高小麥水分利用效率的主要途徑[23-25]。前人在旱作條件下研究發現，適當增加種植密度，水分利用效率呈先上升后降低的趨勢[7]。本試驗中，在雨養和灌水條件下，隨種植密度增加，總耗水量和水分利用效率亦呈現出先上升后降低的趨勢，但其耗水增量及其對于水分利用率的提升效應在雨養和灌水條件下存在顯著差異。相對于灌溉條件，雨養條件下適當增加種植密度對水分利用效率的提升效應更高，這是由雨養條件下產量的增幅高而總耗水量的增幅低導致的。

從基于水分消耗增量的密度增產效應來看，兩品種冬小麥在雨養條件下基于水分消耗增量的密度增產效應遠遠優于灌水條件下，亦說明生產中將水分投入到雨養或節水栽培條件下其增產效應可能更為顯著。

在雨養和灌水條件下，適當增加種植密度均可以協同提高小麥產量、氮素利用率和水分利用效率。但其增產增效效應在兩水分條件下存在顯著差異，雨養條件下，適當增加種植密度的增產效應及其對氮素利用率、水分利用效率的提升效應更高，這與其在雨養條件下干物質提升幅度高、氮素利用效率下降幅度小和耗水增量低有關。冬小麥在雨養條件下基于氮素積累增量、水分消耗增量的密度增產效應優于灌水條件，生產中將有限的肥水投入到雨養或節水栽培條件下其增產效應可能更為顯著。

參 考 文 獻：

[1] 丁建學. 淺析宜川縣大力發展雨養農業的必要性及措施[J]. 陜西水利，2009（5）：133-134.

[2] 蔣銳，郭升，馬德帝. 旱地雨養農業覆膜體系及其土壤生態環境效應研究[J]. 中國生態農業學報， 2018，26（3）：1-14.

[3] Fang Q X，Ma L，Green T R，et al. Water resources and water use efficiency in the North China Plain：current status and agronomic management options[J]. Agricultural Water Management， 2010，97：1102-1116.

[4] 張光輝，連英立，劉春華，等. 華北平原水資源緊缺情勢與因源[J]. 地球科學與環境學報，2011，33（2）： 172-176.

[5] 張依章，劉孟雨，唐常源，等. 華北地區農業用水現狀及可持續發展思考[J]. 節水灌溉， 2007（6）： 1-3，6.

[6] Geleta B，Atak M，Baenziger P S，et al. Seeding rate and genotype effect on agronomic performance and end-use quality of winter wheat[J]. Crop Science，2002，42：827-832.

[7] 王立明. 播種密度對旱地不同類型冬小麥產量和水分利用效率的影響[J]. 中國種業，2010（3）： 41-43.

[8] Hiltbrunner J，Streit B，Liedgens M. Are seeding densities an opportunity to increase grain yield of winter wheat in a living mulch of white clover？ [J]. Field Crops Research，2007， 102（3）：163-171.