水分虧缺和施氮對春小麥生長和水氮利用的影響

聞 磊，張富倉，鄒海洋, 陸軍勝，郭金金，薛占琪

(1.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院，陜西楊凌 712100)

甘肅河西內陸河灌區是甘肅省主要產糧區，該地區大部分處于干旱或極度干旱區，多年平均降雨量(139.2 mm)遠小于多年平均蒸發量(1 614.6 mm)，水資源短缺是制約該地區農業可持續發展的主要因素。目前在河西地區，春小麥農田灌水施肥方式仍以大水漫灌和土壤撒施肥料為主，這種灌溉和施肥方式導致農田水肥流失嚴重和水肥利用效率低下，使農田生態環境日益惡化，嚴重影響了綠洲農業的可持續發展。改善灌溉、施肥方式，提高作物的水肥綜合利用效率是解決該地區作物高效生產的關鍵所在。滴灌是目前干旱缺水地區最有效節水的灌溉方式之一，具有節水節肥、保持土壤結構、改善作物品質、大幅提高作物產量等諸多優點[1]。

近年來，國內外學者在水分虧缺對春小麥的生長和水肥利用影響方面進行了大量研究。研究表明，在作物的某些生育時期實施虧缺灌溉既能滿足作物生理代謝需水要求，又能提高作物的抗逆性，誘導作物產生吸水補償效應，顯著增加作物的水分利用效率[2-3]；并且生育期適宜的土壤水分虧缺和施氮量有利于春小麥生長、干物質積累及其向籽粒轉運，進而提高產量[4-5]；進一步研究發現，冬小麥對水分虧缺的敏感期為拔節期，其次為開花期、灌漿期和苗期；而水分虧缺對冬小麥灌漿期的影響主要表現為縮短了灌漿總持續期以及漸增期、快增期、慢增期3個階段灌漿持續期[6-7]，隨著虧水程度的加重，小麥灌漿持續期的縮短程度加重，因而水分虧缺不僅影響灌漿過程，還影響產量因子，進而影響最終產量。也有學者認為，水分虧缺條件下，氮肥對冬小麥植株生長和干物質積累具有明顯的調節效應[5]。因此，在生產實踐中必須將水分調虧與合理施肥相結合，首先要確定合適的虧水階段和適宜的虧水程度，其次要確定調虧灌溉條件下適宜的施氮水平和施氮方式，以達到優質、高產協調統一的目的。這也說明研究不同施氮水平下不同生育時期的水分虧缺對春小麥的生長、產量和水肥利用的影響，探索適于春小麥生長適宜的施氮水平和灌溉制度，對春小麥節水節肥高效生產具有重大意義。

以往對于虧缺灌溉和施肥的研究，較多集中在盆栽條件下或某一生育時期虧缺灌溉、施肥等單因素對于作物生長和產量的影響，而對不同生育時期水分虧缺及與氮肥的互作對大田作物的生長、產量和水肥利用的影響鮮有報道。本試驗采用滴灌施肥技術，研究了不同生育時期水分虧缺和施氮對河西地區大田春小麥的生長、產量、水分利用效率和氮肥偏生產力的影響，以期為優化灌溉決策及實現河西地區春小麥的節水節肥、高效生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區基本概況

試驗于2017年在中國農業大學石羊河流域農業與生態節水試驗站(37°50′N、102°51′E)進行。試驗站位于甘肅省武威市，地處騰格里沙漠邊緣，屬于典型的大陸性溫帶干旱氣候，具有豐富的光熱資源。該地區年平均氣溫8 ℃，年平均積溫3 550 ℃，年平均日照時數3 000 h左右，年均降水量不足200 mm，年平均蒸發量2 000 mm。試驗地土質為灰鈣質輕砂壤土，田間持水率30.6%(體積含水率)，土壤容重1.50 g·cm-3。

1.2 試驗設計與方法

以當地春小麥主栽品種永良4號為試驗材料，于2017年3月27日人工15 cm等行距播種，2017年7月25日收獲。試驗設置水分和施氮量兩個因素，其中水分設4個水平[苗期-拔節期虧水(W1:土壤含水率下限為55%的田間持水率)、孕穗期-開花期虧水(W2：土壤含水率下限為60%的田間持水率)、灌漿期-成熟期虧水(W3：土壤含水率下限為55%的田間持水率)、全生育期不虧水處理(W4：三個生育階段土壤含水率下限分別為70%、70%和65%的田間持水率，對照)]，苗期-拔節期、孕穗期-成熟期的計劃濕潤層深度分別為40和60 cm，當土壤含水率達到控制下限開始灌水，灌至上限，所有灌水處理的上限均為100%的田間持水率，不同處理的土壤含水率控制下限具體見表1；施氮量設120、180和240 kg·hm-2三個水平，分別用N1、N2和N3表示。試驗共12個處理，設3個重復，小區面積25 m2(5 m×5 m)，采用隨機區組排列。

苗期、孕穗期、開花期和灌漿期的施氮量分別占總施氮量的20%、30%、30%和20%。試驗中氮肥選用尿素(N：46%)，鉀肥選用硫酸鉀鎂(K2O：52%)，磷肥選用磷酸二銨(P2O5：46%)，磷肥和鉀肥在播前一次性施入土壤中，施用量均為90 kg·hm-2。滴灌帶配置采用“一管四行”，即一條滴灌帶控制4行小麥，在第2行和第3行中間鋪設滴灌帶，滴灌帶的滴頭流量為3 L·h-1，并使用水表精確控制每次灌溉量，整個生育期施肥4次，其他各項管理與大田生產相同。

表1 河西地區春小麥灌溉和施氮處理的試驗方案Table 1 Treatment of irrigation and nitrogen rate for spring wheat in Hexi region

1.3 測定項目與方法

1.3.1 灌水量的計算

土壤含水率采用土鉆取土烘干法測定，灌水量計算公式如下：

M=10×γ×H×(100%[θi-θj)]

(1)

式中，M為灌水量(mm)，γ為土壤容重(g·cm-3)，H為計劃濕潤層深度(cm)，θi為田間持水率，θj為測定土壤含水率。

1.3.2 生長指標的測定

株高：在苗期、拔節期、孕穗期、開花期、灌漿期、成熟期6個生育時期，每個小區連續選取長勢一致的5株小麥，用卷尺測定株高。

葉面積指數：在苗期、拔節期、孕穗期、開花期、灌漿期、成熟期，每個小區隨機選取3個點，利用SUNSCAN冠層分析儀測定葉面積指數。

干物質積累：在苗期、拔節期、孕穗期、開花期、灌漿期、成熟期，每個小區連續選取20株能夠代表該小區平均長勢的完整植株，置于105 ℃的烘箱中殺青30 min，75 ℃條件下烘干至恒重，冷卻至常溫稱重，計算每公頃干物積累量。

1.3.3 產量測定

在成熟期每個小區選取1 m2代表性樣點，脫粒考種測產，然后烘干重，折算成公頃產量。

水分利用效率(WUE)、灌溉水利用效率(IWUE)和氮肥偏生產力(NFP)計算式分別為：

WUE=Y/ET

(2)

IWUE=Y/I

(3)

NFP=Y/T

(4)

式中，Y為作物產量(kg·hm-2)，ET為全生育期耗水量(mm)，I為全生育期總灌水量(mm)，T為全生育期總施氮量(kg·hm-2)。

1.3.4 土壤貯水量和農田耗水量[10]的計算

土壤貯水量：在不同生育期采用取土烘干法測定0～100 cm土層的土壤含水率，每20 cm 為一層，降水后及灌溉前后加測一次，計算土壤貯水量的變化ΔW：

(5)

式中，i為土層編號，n為總土層數，γi為土壤干容重(g·cm-3)，Hi為土層厚度(cm)；θi1和θi2分別為階段初和階段末的土壤質量含水率。

農田耗水量：試驗區地下水埋深40～50 m，由于滴灌條件下每次灌水量較少，滲漏量可以忽略；該地區屬溫帶大陸性干旱區，常年高溫少雨，地表徑流量也可以忽略，因此農田水量平衡方程為：

ET=Pr+I+ΔW

(6)

式中，ET為農田耗水量(mm)，Pr為降雨量(mm)，I為灌溉量(mm)。

1.4 數據處理

采用Excel 2016進行數據整理，用SPSS 20對數據進行方差分析，并用Origin 9.0繪圖。

2 結果與分析

2.1 水分虧缺和施氮對春小麥生長的影響

2.1.1 水分虧缺和施氮對春小麥株高的影響

灌水量和施氮量對春小麥株高和葉面積指數均有極顯著影響(P<0.01)。不同水氮條件下，春小麥的株高隨著生育進程的推進逐漸增加(表2)。從水分效應看，在苗期-拔節期，小麥株高增加最快，平均增長量為24.4 cm，且W1與其他水分條件間有顯著差異，W1的株高較W4降低了5.0%～19.8%；苗期-拔節期小麥對水分要求較大，增加灌水量有利于植株的生長；在孕穗期-開花期，株高增長減緩，W1和W2的株高較W4分別降低了4.6%～8.5%和3.7%～5.5%；在灌漿-成熟期，W4的株高最大，分別比W1和W2提高了6.7%～10.0%和2.0%～5.1%，W3與W4間沒有顯著差異。這說明苗期-拔節期水分虧缺對于春小麥的株高有顯著的抑制作用，灌漿期-成熟期水分虧缺對株高的影響與充分供水的W4沒有顯著差異。在灌水量相同時，N2的平均株高比N1和N3高14.8%和5.3%，說明少量施氮不利于春小麥株高的增長，過量施氮也會抑制株高的增長。

表2 水分虧缺和施氮對春小麥株高的影響Table 2 Effect of water deficit and nitrogen rate on plant height of spring wheat cm

同列不同字母表示處理間存在顯著性差異。表3和表4同。

Different letters in the same column indicate significant differences among the treatments at 0.05 level. The same in tables 3 and 4.

2.1.2 水分虧缺和施氮對春小麥葉面積指數的影響

春小麥的葉面積指數隨著生育期的推進，呈先升后降的趨勢，在孕穗期達到最大值(表3)。在相同水分條件下，春小麥的葉面積指數隨著施氮量的增加呈先增后減的趨勢，N1、N2和N3條件下春小麥的平均葉面積指數分別為1.15、2.33和1.80。在相同施氮水平下，在苗期-拔節期，W1的葉面積指數增長較慢，復水后一直低于W4，W1的葉面積指數較W4降低了25.55%～43.82%。抽穗期-開花期的水分虧缺對葉面積指數也產生了一定影響，復水后葉面積指數逐漸升高，W2較W4增長了16.58%～27.13%。在灌漿期-成熟期，W1、W2、W3、W4的葉面積指數分別下降了34.5%、24.6%、28.8%、25.3%，說明該階段的虧水處理會加劇葉片的衰老。

2.2 水分虧缺和施氮對春小麥干物質積累的影響

從圖1可以看出，春小麥干物質積累隨著施氮量的增加呈先增后減的趨勢。施氮120～180 kg·hm-2能夠促進小麥的生長，施氮240 kg·hm-2則抑制春小麥的生長，導致干物質積累量下降；N2的干物質積累量最高，可達18 994 kg·hm-2，比N1和N3的最大干物質積累量分別高17.7%和30.1%。在拔節后期，W1的干物質積累量較W4降低了4.9%～31.9%，復水后一直低于其他處理；在孕穗-開花期和灌漿-成熟期W1的干物質積累量較W4分別降低12.6%～18.4%和12.3%～22.9%；在灌漿-成熟期，W3的干物質積累量較W4降低了17.5%～43.6%。總體上干物質積累量表現為N2>N3>N1，W2>W4>W3>W1；在所有處理中N2W2處理最有利于春小麥的干物質積累。

表3 水分虧缺和施氮對春小麥葉面積指數的影響 Table 3 Effect of water deficit and nitrogen rate on LAI of spring wheat

2.3 水分虧缺和施氮對春小麥產量和氮肥偏生產力的影響

2.3.1 水分虧缺和施氮對春小麥的產量和氮肥偏生產力的影響

在所有處理中，N2W2處理的產量最高,其次為N2W4處理，N3W1處理產量最小(圖2)。從水氮主效應看，春小麥產量表現為W2>W4>W3>W1，其中W2比W4、W3和W1分別增產2.3%、8.7%和11.6%；隨著施肥量的增加，春小麥產量先增后降，N2比N3和N1分別增產11.3%和24.0%。經方差分析，灌溉和施氮對春小麥的產量均有極顯著影響(P<0.01)，水氮交互效應顯著(P<0.05)。春小麥氮肥偏生產力(NFP)隨著施氮量的增加而下降，N1的NFP最大，平均為45.50 kg·kg-1；N3的NFP最小，平均為26.82 kg·kg-1。當施肥量相同時，W2的NFP與W4無顯著性差異，較W1和W3分別提高了9.9%和8.7%。

圖柱上的字母不同表示處理間差異顯著(P<0.05)。下圖同。

圖2 水分虧缺和施氮對春小麥產量和氮肥偏生產力的影響

表4 不同生育期水分虧缺和施氮對春小麥產量構成因素的影響Table 4 Effect of water deficiency and nitrogen application on yield of spring wheat at different growth stages

2.3.2 水分虧缺和施氮對春小麥產量構成因素的影響

在同一水分條件下，隨施氮量的增加，有效穗數、穗粒數和千粒重均呈先升后降的趨勢，N2的有效穗數最大，較N1和N3提高了33.7%和16.6%；N2W2處理的千粒重最大，達到53.49 g。在同一施氮水平下，W2的穗粒數和千粒重與W4沒有顯著差異，二者均顯著高于W1和W3；有效穗數則表現為W4>W2>W3>W1(表4)。因此，苗期-拔節期和灌漿期-成熟期的水分虧缺會顯著降低春小麥的有效穗數、穗粒數和千粒重。

2.4 水分虧缺和施氮對春小麥水分利用效率的影響

在相同施氮量下，虧缺灌溉顯著提高春小麥的WUE，與W4相比，W1和W2的WUE分別降低了5.2%和13.6%；W3和W4間沒有顯著性差異。虧缺灌溉也提高春小麥的IWUE，與W4相比，W1、W2和W3的IWUE分別提高了14.3%、19.0%和6.3%。在同一水分條件下，N1和N2間WUE和IWUE沒有顯著性差異，N1和N2間WUE和IWUE較N3分別提高17.9%、16.8%和8.0%、8.7%(圖3)。

圖3 水分虧缺和施氮對春小麥水分利用效率的影響

3 討 論

作物在不同的生育階段對土壤養分和水分有不同的要求，土壤水分嚴重虧缺將會影響小麥的生長，使小麥的營養生長受到抑制，降低株高和葉面積指數[8]。本研究發現，苗期-拔節期的水分虧缺不利于春小麥株高和葉面積指數的增長，而且苗期-拔節期水分虧缺條件下株高和葉面積指數始終最小，這可能是由于拔節期是莖稈快速生長期，所以與其他生育階段水分虧缺相比，拔節期的水分虧缺對株高影響最嚴重[9]。灌漿-成熟期的水分虧缺和全生育期不虧水對春小麥的株高沒有顯著影響，但是灌漿期-成熟期的水分虧缺會加快植株葉片的衰老，葉面積指數下降較快；全生育期不虧水的葉面積指數下降較慢，這說明高水分及灌水量可使小麥在生育后期保持更大的綠葉面積，有利于光能的截獲，并向籽粒提供更多的同化物[10]。

植物對干旱最明顯的適應特征是干物質的積累。有研究表明，水分虧缺通過影響作物氣孔的變化和根系生長，進而影響作物干物質的形成和分配[11,12]；本研究發現，在孕穗-開花期進行適度水分虧缺，對春小麥干物質積累影響不顯著，這可能是由于分蘗期和拔節期進行適量灌溉，有利于小麥葉片早發、早分蘗、早生根，促進植株對水分的吸收利用，同時提高光合能力，有利于光合產物積累和轉運[13]。本研究中，苗期-拔節期水分虧缺對春小麥的干物質積累影響最大，其次為灌漿期-成熟期的水分虧缺，可能是由于苗期-拔節期的水分虧缺導致小麥分蘗減少，使群體數量不夠，最終影響產量[14]。本研究中，適量施氮肥能夠促進春小麥干物質的積累，這與郭 棟等[15]研究結果一致。

一定時期的適度水分虧缺對產量和水分利用效率的提高有利[16-17]。同時，水肥存在明顯的互作效應。有學者認為，在冬小麥的抽穗期給予一定程度的水分虧缺，可以去除無效分蘗，優化營養分配格局，提高籽粒產量[18]。在本研究中，孕穗期-開花期水分虧缺時春小麥獲得較高產量，但是在苗期-拔節期水分虧缺時產量較低，這可能是由于苗期-拔節期的水分虧缺減少了分蘗的形成，導致群體數量不夠，影響最終產量[19]。有研究認為，適量施氮可促進水分高效利用[20,21]。本研究也得到相似的結果。生育期內的水分虧缺會顯著提高春小麥的水分利用效率，其中W1和W2的水分利用效率較高。王 偉等[22]研究表明，生育期適度虧水有利于提高小麥產量和WUE。

綜合來看，本試驗條件下，最優的水肥調控模式為施氮量180 kg·hm-2和孕穗期-開花期的水分虧缺(灌水下限為60%的田間持水率)，其他生育時期充分供水(苗期-拔節期土壤含水率下限為70%的田間持水率，灌漿-成熟期土壤含水率下限為65%的田間持水率)。本試驗僅從生長產量方面研究了不同生育時期水分虧缺和施氮的水肥耦合對春小麥的生長、產量和水分利用效率的影響，而對于水分虧缺和施氮在小麥每個生育期影響的生理機制還需要進一步的研究。