長期水氮互作下不同年代冬小麥的產量和光合特性

董志強，呂麗華，張麗華，姚艷榮，張經廷，申海平，鄭孟靜，姚海坡，賈秀領

(河北省農林科學院糧油作物研究所/農業部華北地區作物栽培科學觀測實驗站，河北石家莊 050035)

合理運籌水肥(尤其是氮肥)對小麥葉片光合具有明顯的調控作用，是實現小麥優質、高效的重要措施[1-4]。黃淮海平原是我國糧食的主產區，其糧食產量占全國糧食總產的三分之一。冬小麥是該地區的主要糧食作物，其高產穩產對我國糧食安全具有重要意義[5]。我國水資源不僅缺乏，時空分布不均勻，而且農田灌水方式不合理，資源浪費嚴重，目前我國的農業用水效率仍遠低于發達國家水平，灌溉水有效利用系數約為0.5，1 m3灌溉水糧食產量為1.1 kg，而先進國家灌溉水有效利用系數為0.7～0.8，1 m3灌溉水糧食產量為2.5～3.0 kg[6-7]。黃淮海平原區水資源嚴重匱乏，水資源總量僅占全國的五分之一[8]，且該區冬小麥-夏玉米輪作施氮量普遍存在過量的問題，平均為530 kg·hm-2，遠超過農作物的吸收量，生產中小麥季氮肥利用率只有28%～41%[9]。過量施氮會增加土壤氮素盈余，導致氮肥利用率降低、NO3-N淋失，環境污染等問題發生[10-11]。

土壤水肥變化會顯著影響大田作物的光合特性及產量[12-15]。生產中合理的水氮運籌對作物光合和產量會產生明顯的正向互作效應[16-18]。張珂珂等[19]研究表明，適量補水條件下，減氮、高氮處理小麥旗葉葉綠素含量和光合速率均顯著高于不施氮處理，但減氮與高氮處理之間差異不顯著。黃淮海區冬小麥高產條件下施純氮195 kg·hm-2、拔節后土壤相對含水量維持在70%±5%時，小麥植株生長的水氮需求能夠得到滿足，籽粒產量可達到9 000～10 000 kg·hm-2，水肥利用效率得到提高。適當減少灌水量和施肥量不僅不會影響作物產量，而且能顯著提高水分和氮素利用效率[20-22]。

目前，盡管有關水氮互作對小麥產量及光合特性等的影響已有很多報道[17,19,22-24]，但關于長期水氮互作對不同年代推廣的小麥產量及光合特性的影響尚缺乏深入研究。本試驗在太行山前平原區定位十年的水氮互作試驗田重點研究了水氮互作對不同年代推廣的冬小麥產量及旗葉光合特性的影響，以期得到不同灌溉水平下的最佳施氮量，為黃淮海平原區冬小麥節水減氮栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2017-2019年度在河北省農林科學院糧油作物研究所藁城堤上試驗站(38°41′N,116°85′E,海拔51.2 m)進行，為自2006年開始的冬小麥-夏玉米一年兩熟水氮耦合定位試驗一部分。試驗區屬于河北太行山山前平原區。試驗田土質為壤土，耕層土壤有機質、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為 14.4 g·kg-1、 0.94 g·kg-1、1.82 g·kg-1、 59.14 mg·kg-1、16.9 mg·kg-1、92 mg·kg-1。2017年10月15日播種，收獲日期為2018年6月9日；2018年10月10日播種，收獲日期為2019年6月8日。前茬玉米收獲后秸稈全部還田。

本試驗采用灌水、施肥和品種3因子裂裂區設計，小區面積37.8 m2(5.4 m×7.0 m)，3次重復。主區為灌水，設灌1水(W1，拔節水，限水處理)和灌2水(W2，拔節水+開花水，適水處理)兩個灌溉水平，每次灌水量750 m3·hm-2。副區為施肥，設0(N0)、60(N1)、120(N2)、180(N3)、240(N4)和300(N5) kg·hm-26個施氮水平，以尿素(含氮46%)為氮源，小麥播種前基施和拔節期追施各占50%，小麥季各處理均于播種前旋地時施入P2O5150 kg·hm-2(過磷酸鈣，含P2O515%)和K2O 105 kg·hm-2(顆粒氯化鉀，含K2O 60%)。副副區為小麥品種，供試品種為現代品種冀麥325和20世紀70年代品種冀麥7，播量均為360 kg·hm-2。其他田間管理與當地生產習慣相同，小麥生育期內無嚴重病蟲害。

2017-2018年度小麥生育期降水量183.2 mm，屬于豐水年，播種前降水量大，足墑播種(2017年10月7至10日連續4 d降雨，總降水量高達179.8 mm)，但自10月22日至翌年4月11日，連續171 d干旱少雨，降水量僅為16.5 mm，發生嚴重冬春干旱。2018-2019年度降水量113.2 mm，由于2019年6月5-7日降水量35.4 mm，實際小麥生育期有效降水量僅77.8 mm，屬于枯水年。和上年度相同，自10月17日至翌年4月8日，連續173 d干旱少雨，降水量僅為9.2 mm，發生嚴重冬春干旱。有兩次降水發生在小麥關鍵生理需水期，一次是拔節后(4月9日14.8 mm)，另一次是開花前(4月25-27日30.2 mm)。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 光合速率測定

于小麥開花期晴天無風或微風的上午10:00-12:00，每小區選取長勢一致的5株小麥，采用Li-6400 型光合測定儀測定其旗葉光合速率和蒸騰速率。

1.2.2 產量測定

用小區收獲機單獨收獲脫粒，每小區收獲面積33.6 m2，待籽粒自然風干后分別稱重，采用谷物水分測定儀測定籽粒含水量，再折算出含水量13%的標準產量。

1.3 數據計算與統計分析

用Microsoft Excel 2007處理數據和作圖，采用SPSS 22.0軟件進行統計分析，最小極差(LSD)法檢驗差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 水氮互作對小麥產量及產量構成的影響

在相同灌水條件下，施氮對冀麥325產量的影響在不同降水年型間存在一定差異。2017-2018年度(豐水年)，灌1水、灌2水時，冀麥325的產量隨施氮量的增加總體上均呈逐漸增加趨勢(表1)，以N5處理最高；2018-2019年度(枯水年)，灌1水、灌2水時產量均隨施氮量的增加呈先增后減趨勢，產量分別在N3和N2處理下最高(表2)。冀麥7的產量在相同灌水條件下總體上均隨施氮量的增加表現為先增后減(表3和表4)。灌1水和灌2水時其產量在豐水年分別以N5和N2處理最高，在枯水年分別以N3和N2處理最高。這表明，在適水、限水條件下冀麥325和冀麥7產量均在施氮量120～180 kg·hm-2時達到或接近最高值，再增施氮肥時產量減少或緩慢增加。

在相同施氮量下，豐水年，冀麥325除W2N2處理低于W1N2處理外，其他灌2水處理均高于灌1水處理；冀麥7的表現與冀麥325正好相反，除W2N1處理高于W1N1處理外，其他灌2水處理均低于灌1水處理。枯水年，冀麥325和冀麥7均表現為灌2水處理高于灌1水處理，且隨施氮量的增加，二者差值有逐漸增大的趨勢，冀麥325和冀麥7灌2水的產量平均值較灌1水分別增加28.7%和33.9%。可見，施氮量0～300 kg·hm-2時小麥生育期降水量對產量的影響較大，豐水年限水處理和適水處理差異很小，而枯水年適水處理顯著高于限水處理。

相同灌溉水平和施氮量條件下，豐水年、枯水年冀麥325產量均高于冀麥7(表1～表4)。豐水年在氮肥和水分充足條件下，冀麥325產量提升的空間大于冀麥7，枯水年冀麥325受水分脅迫的影響小于冀麥7。相同施氮量下，灌2水時冀麥325、冀麥7的枯水年產量均高于豐水年，冀麥325枯水年產量較豐水年增加13.0%，冀麥7增加11.7%；灌1水時冀麥325、冀麥7豐水年的產量比枯水年分別增加11.8%和21.8%。這表明，豐水年灌1水、枯水年灌2水能更好地與氮肥產生水氮耦合效應，有利于小麥產量的提高。

從產量構成來看，相同灌溉水平下，豐水年，冀麥325、冀麥7的收獲穗數隨施氮量增加的變化趨勢和籽粒產量基本相同，均表現為先增后減(表1和表3)。灌1水時兩個品種的收獲穗數分別以N2和N3處理最大，灌2水時分別以N4和N2處理最大。冀麥325 灌2水的平均收獲穗數較灌1水增加7.9%，平均穗粒數較灌1水減少5.5%。相同灌水條件下，兩個品種N0、N1處理的收獲穗數和穗粒數均顯著低于其他施氮處理，千粒重顯著高于其他施氮處理。兩個品種灌1水的N0處理收獲指數均顯著低于其他施氮處理。枯水年，兩個品種灌1水的收獲穗數均隨施氮量增加表現為先增后減，且均以N2處理最大；灌2水收獲穗數均隨施氮量增加而逐漸增加(表2和表4)。以上結果表明，在施氮量0～300 kg·hm-2時，豐水年小麥產量的主控因子為單位面積收獲粒數(收獲穗數×穗粒數)，而枯水年為千粒重。

表1 2017-2018年度不同水氮處理下小麥品種冀麥325的產量及其構成

表2 2018-2019年度不同水氮處理下小麥品種冀麥325的產量及其構成

表3 2017-2018年度不同水氮處理下小麥品種冀麥7的產量及其構成

表4 2018-2019年度不同水氮處理下小麥品種冀麥7的產量及其構成

2.2 年型、灌水、氮肥、品種對小麥產量的聯合方差分析

小麥籽粒產量受降水年型、灌水、施氮、品種及其互作效應的影響(表5)。單因素對產量的影響均達到極顯著水平，其中以品種效應最大，降水年型效應最小。降水年型與灌水互作對小麥產量的影響亦達到極顯著水平，降水年型與氮肥互作和降水年型、灌水與氮肥三者互作對小麥產量的影響達到顯著水平。

表5 降水年型、灌水、施氮和品種對小麥產量的聯合方差分析

2.3 水氮互作對小麥開花期旗葉凈光合速率(Pn)的影響

相同灌水情況下，兩年度小麥開花期旗葉Pn隨施氮量增加的變化趨勢基本相同。以2017-2018年度為例，兩個灌溉水平下隨施氮量的增加，小麥開花期旗葉Pn均先增后減。冀麥325旗葉Pn在灌1水和灌2水時均以N2處理最大，冀麥7旗葉Pn最大值均出現在N3處理中。總體來看， 灌1水和灌2水條件下小麥開花期旗葉Pn分別在施氮量為120～240 kg·hm-2和60～300 kg·hm-2時較高且穩定。

相同施氮量情況下，灌1水和灌2水相比較，兩個小麥品種開花期旗葉Pn的差異較小(圖1)。在不施氮條件下，灌1水較灌2水大幅度降低了旗葉Pn，在施氮時表現相反。

數據為2018年5月4日和9日兩次測定結果的平均值，相同灌水次數的柱形圖上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。同圖2。

2.4 水氮互作對小麥開花期旗葉蒸騰速率(Tr)的影響

灌1水、灌2水條件下小麥開花期旗葉Tr隨施氮量增加的變化趨勢和Pn相同，也表現為先增后減趨勢(圖2)。兩種水分條件下冀麥325旗葉Tr最大值對應的施氮量均為N2處理。冀麥7對應的施氮量均為N3處理。不施氮時增加灌水提高了旗葉Tr，而施氮時增加灌水會產生負 效應。

圖2 同一品種不同水氮處理間旗葉蒸騰速率的比較

3 討 論

3.1 水氮互作對小麥產量的影響

有關水氮互作對小麥籽粒產量的影響，前人做了大量研究。Gu等[25]研究表明，在土壤干旱條件下增施氮肥或在肥力水平較低的土壤條件下增加灌溉次數均可顯著提高小麥干物質積累量，進而增加產量。本研究中，豐水年限水條件下，冀麥325和冀麥7產量均表現為N5>N2>N4>N3>N1>N0；枯水年限水條件下，冀麥325產量表現為N3>N5>N2>N4>N1>N0，冀麥7產量表現為N3>N5>N4>N2>N1>N0，這與上述結論存在一定差異。連續十年土壤不施氮肥的情況下增加灌溉次數后，豐水年現代小麥品種冀麥325產量顯著增加，而20世紀70年代小麥品種冀麥7產量略有減少；枯水年冀麥325和冀麥7產量均顯著增加，這與上述結論基本一致。

灌溉量和施氮量對小麥籽粒產量產生調控和互補效應，其中灌溉起主導作用，灌水處理籽粒產量均高于不灌水處理，施氮量對灌溉量有一定的補償效應，小麥拔節期灌水結合240 kg·hm-2施氮處理能獲得較高的單位面積穗數和穗粒數，使最終籽粒產量達到最高[26]。有研究表明，在一定閾值范圍內小麥產量隨施氮量的增加而增加，超過一定閾值后隨施氮量增加，小麥產量增加不顯著甚至降低[27-30]。王小燕等[31]指出，在相同水分條件下，不施氮和施氮240 kg·hm-2時小麥籽粒產量均顯著低于施氮180 kg·hm-2處理。馬伯威等[32]研究表明，河北太行山山前平原區高產冬小麥生產中，施氮量為195 kg·hm-2、春季總灌水量為105 mm(拔節期45 mm、開花期30 mm、灌漿期30 mm)的限水限氮噴灌模式是同步實現高產及水氮高效利用的最佳運籌模式。本試驗結果表明，2017-2018年度，在灌1水、灌2水條件下，冀麥325籽粒產量隨施氮量的增加總體上呈逐漸增加的趨勢，冀麥7籽粒產量隨施氮量的增加表現為先增后減，灌1水時冀麥325和冀麥7籽粒產量達到穩定值時對應的施氮量均為120 kg·hm-2；灌2水時冀麥7產量最大值對應的施氮量亦為120 kg·hm-2，這與前人的研究結果[27-32]基本一致。冀麥325兩個灌溉水平下產量最大值對應的施氮量均為300 kg·hm-2，且灌2水時隨施氮量的增加，籽粒產量逐漸增加，這與李娜娜等[26]和王小燕等[31]的結論存在較大差異，可能是地力基礎、生育期氣候條件及所選小麥品種等不同造成的。2018-2019年度， 灌1水、灌2水兩個灌溉條件下，冀麥325和冀麥7籽粒產量隨施氮量的增加均表現為先增后減。灌1水時兩個品種籽粒產量均以180 kg·hm-2施氮處理最高，灌2水時均以120 kg·hm-2施氮處理 最高。

本課題組九年(2006-2015)的冬小麥-夏玉米一年兩熟水氮長期定位試驗結果表明[33]，從試驗的第4年開始，兩種灌溉水平(灌1水、灌2水)下施氮0～120 kg·hm-2時，當時主推的小麥品種籽粒產量隨施氮量的增加而快速增加，施氮量超過120 kg·hm-2后產量不再隨施氮量的增加而持續增加，基本保持穩定。本試驗中豐水年和枯水年不同降水年型情況下，當代主推品種冀麥325和20世紀70年代主推品種冀麥7籽粒產量隨施氮量增加的變化趨勢與上述結論基本一致。

3.2 水氮互作對小麥旗葉光合特性的影響

旗葉光合能力的強弱直接決定著小麥生產力的高低。小麥籽粒灌漿期間70%左右的籽粒灌漿物質來自抽穗至成熟階段的光合同化產物，其中旗葉供給占所需光合產物的33%以上[34-35]。減少供水量會導致冬小麥旗葉光合速率、蒸騰速率明顯下降[23]。王 磊等[17]研究表明，供水量500 mm處理的旗葉光合速率、蒸騰速率顯著高于供水量250 mm處理，低供水量導致小麥葉片的凈光合速率、蒸騰速率為適應水分供應不足而顯著下降，從而提高了單葉水分利用效率。本試驗結果表明，豐水年不施氮肥情況下，灌1水較灌2水大幅降低小麥開花期旗葉光合速率。在施氮量為60～240 kg·hm-2時，冀麥325灌1水的開花期光合速率高于灌2水，施氮量300 kg·hm-2時灌1水低于灌2水；冀麥7在施氮量為60～300 kg·hm-2時表現為灌1水高于灌2水。這與上述研究結論存在一定差異，可能是小麥生育期降水量、供試品種或測定時期不同導致的。

增施氮肥可減輕水分脅迫對小麥光合生理特性的不利影響[17]。Wu等[36]指出，在干旱脅迫下，適量施用氮肥可以通過增加葉面積指數和光合色素含量來提高植物葉片的光合性能，減輕干旱脅迫對PSⅡ造成的光損傷，促進植株的生長發育，減輕水分虧缺對植物產量的不利影響。王志強等[24]研究表明，限制灌溉條件下，與不施氮肥相比，增施氮肥能明顯改善小麥旗葉光合性能。本研究中，限制灌溉條件(僅灌拔節水)下，冬小麥開花期旗葉光合速率隨施氮量增加表現出先增后減的趨勢，冀麥325旗葉光合速率最大值對應的施氮量為120 kg·hm-2，冀麥7為180 kg·hm-2，這與上述研究結論基本一致。可見，合理的水氮運籌能提高小麥開花期旗葉光合速率，提高光合能力，為增加產量奠定基礎。

4 結 論

豐水年(2017-2018年度)，灌1水、灌2水時冀麥325開花期旗葉光合速率最大值對應的施氮量均為120 kg·hm-2，冀麥7均為180 kg·hm-2；冀麥325產量在施氮量為120 kg·hm-2時基本達到穩定值，再多施氮時灌1水有減產趨勢，灌2水產量增加緩慢，冀麥7產量隨施氮量增加而先增后減，灌1水的產量在施氮量為120 kg·hm-2時達到較大值，灌2水產量最大值對應的施氮量為120 kg·hm-2。枯水年(2018-2019年度)，相同灌溉水平下小麥產量隨施氮量增加先增加后減少，灌1水產量最大值對應的施氮量為180 kg·hm-2，灌2水為120 kg·hm-2。