微噴水肥一體化對冬小麥產量和水分利用效率的影響

李金鵬 宋文越 姚春生 周曉楠 張 震 王志敏 張英華

(中國農業大學 農學院，北京 100193)

微噴帶灌溉是近幾年來國內外在結合滴灌和噴灌優點的基礎上逐漸發展起來并應用于大田作物生產的灌溉新技術[1-2]。微噴灌作為微灌的一種，可利用微噴帶輸水，有效地減少灌溉用水損失和土壤無效蒸發耗水，并且微噴設備成本低廉、抗堵性強、易于收放，也可實現按需定量、少量均勻灌溉[3-4]。滿建國等[5-6]通過對微噴帶鋪設長度、噴射角度的優化使得微噴灌大大提高噴灑的均勻性，從而顯著地提高冬小麥的產量和水分利用效率。

水肥一體化技術可以將可溶性肥料溶于水中與灌溉水同時作用于作物冠層，且少量多次微噴效果較好。盡管已經發現微噴灌具有較高的節水潛力[7-9]，目前適宜于華北地區的微噴灌水肥施用模式尚未優化，使得其節水潛力難以發揮，也影響了該技術的大面積推廣和應用。張英華等[7]、李金鵬等[8]、徐學欣等[9]以及Li等[10]研究表明，適宜的微噴頻次和施氮量通過增加花后物質生產和水氮吸收利用顯著提高了冬小麥產量和水分利用效率。并且，與傳統漫灌相比，減量增次微噴水肥一體化使得每次的水肥集中供給主要的根系分布區域(0～60 cm)，每次較少的灌溉量也促進了根系下扎，提高了作物對深層土壤水肥的吸收和利用，減少了土壤硝態氮的淋洗，最終實現了冬小麥對水氮資源的高效利用[11]。也有研究發現，微噴水肥一體化條件下，通過優化施氮量可以顯著地提高小麥旗葉Fv/Fm，增加花后14～28 d旗葉葉片中的葉綠素含量，提高籽粒平均灌漿速率，延長籽粒灌漿時間，從而提高產量和氮肥生產效率[8,12]。

微噴灌水肥一體化少量多次水肥施用對小麥產量和水分利用效率有益效應方面的研究鮮有報道。本試驗通過在不同施氮量下設置拔節期一次性追施氮肥和水肥一體化多次追施氮肥處理，分析微噴灌下不同氮肥運籌對冬小麥籽粒產量、群體葉面積指數、花后旗葉葉綠素含量、干物質積累和水分利用效率的影響，旨在探明微噴水肥一體化少量多次水肥施用對小麥產量和水分利用效率的效應，以期為小麥微噴水肥一體化應用于大田生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015—2016年在中國農業大學吳橋實驗站(37°41′02″ N、116°37′23″ E)進行。試驗區屬海河平原黑龍港流域中部，暖溫帶季風氣候，海拔 14～22 m，地下水位7～9 m，年降水量歷年平均562 mm，主要分布在6—8月份，冬小麥生長季內降雨量歷年平均120 mm。本試驗中小麥生育期內有效降水量為127.7 mm，為平水年份。試驗地前茬為夏玉米，土壤為壤質底黏潮土。0～40 cm土壤中有機質含量為11.7 g/kg，全氮0.95 g/kg，速效鉀104.4 mg/kg，速效磷29.2 mg/kg。灌溉用井水，井深40 m，井離試驗地25 m。2015—2016年冬小麥生長季內具體的降雨分布和氣溫，見圖1。

圖1 2015—2016年冬小麥生育期內降雨分布和溫度變化Fig.1 Precipitation and temperature during the 2015-2016 growing season in winter wheat

1.2 試驗設計

供試冬小麥品種為‘濟麥22’，于2015年10月15日足墑播種，15 cm等行距種植，2016年6月10日收獲。2016年春季采用山東農業大學研發的小麥專用微噴帶(ZL20122 0356553.7)進行灌水。灌水時期為：拔節期、孕穗期、開花期和灌漿期，每次30 mm，水源為井水，灌水量定額可控，微噴帶水壓0.02 MPa，每隔6行放置1個微噴帶，帶長30 m，出水量6.0 m3/h，噴射角80°。播前底施純氮105 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，追肥采用尿素，設置3個追氮量(N1、N2、N3分別為45、90和135 kg/hm2)和2個追氮方式(JS,拔節期一次性追施；4T，水肥一體化氮肥隨灌水等量分次施用)，氮肥先在施肥罐中溶解，之后隨灌水一同施入田間，具體的灌溉及氮肥施用時期和用量，見表1。各處理小區面積120 m2(4 m×30 m)，3次重復，采取裂區設計，以氮肥用量為主區，以每次追施氮肥方式為副區。

表1 灌溉和施肥時期及用量Table 1 Irrigation schedule and nitrogen application in this study

1.3 測定項目及方法

1)群體葉面積指數(Leaf area index，LAI)：于開花期和灌漿期(花后20 d)用葉面積分析儀測定群體葉面積，換算成LAI。

2)旗葉葉綠素含量：于花后每隔5 d在每個試驗小區隨機取20片旗葉葉片，剪碎混勻稱取0.20 g,用50 mL 95%乙醇避光48 h浸提，提取液分別在665和649 nm波長下測定吸光度(OD)，重復3次，計算出相應的葉綠素(a+b)含量。

3)群體干物質積累：分別于開花期和成熟期測定干物質。各試驗小區取相鄰兩行50 cm代表性樣段，按照莖、葉、穗進行分樣。105 ℃殺青20 min后75 ℃烘干至恒重，稱量，計算階段干物質；花后干物質積累對籽粒貢獻率為花后干物質積累量與成熟期籽粒干重的比值。

4)土壤水分：于播種前和成熟期測定土壤水分含量。測定時，用土鉆在各小區取0～200 cm土層的土壤，每20 cm為1層，取樣后立即裝入鋁盒中，稱取新鮮土質量，然后105 ℃烘干至恒重，稱量干土重，計算土壤質量含水率。

5)全生育期水分蒸散總量(Evapotranspiration，ET)：

ET=ΔSW+P+I-D+Wg-R

式中：ΔSW為生育期0～200 cm土壤水分變化量，mm；P為降雨量，mm；I為灌溉量，mm；D為灌溉后土壤水向下層流動量，Wg為深層地下水利用量，R為地表徑流。本試驗地地下水位9 m，且無地表徑流，D、Wg和R均可忽略。水分利用效率(Water use efficiency)為籽粒產量與ET的比值，kg/(hm2·mm)。

6)測產及考種：在收獲前，每小區選取1 m 6行樣段測量穗數，每小區隨機選取60個穗測量穗粒數。在成熟期，每小區取3 m2面積測量實際產量。籽粒產量含水量折算為13%。從每個樣品中稱量 1 000 粒籽粒重量作為千粒重，3次重復。

1.4 數據處理

用Excel 2010軟件對試驗數據進行處理和作圖，用SPSS 19.0統計分析軟件進行方差分析與多重比較。

2 結果與分析

2.1 微噴灌氮肥運籌對冬小麥產量和產量構成的影響

表2可知，微噴灌2種氮肥施用方式下增施氮肥對冬小麥產量均有顯著影響，以N2處理產量最高；相同施氮量下，N1、N2和N3采用分次施氮(4T)相比于拔節期一次性施氮(JS)產量分別增加5.56%、6.35%和6.20%。從產量構成因素來看，除N1處理外，增加施氮量對穗數和穗粒數無顯著影響，施氮量及施氮方式主要顯著影響千粒重。從施氮量來看，N2處理千粒重顯著高于N3和N1處理，N1顯著低于N3處理；相同施氮量下，氮肥分次施用處理(4T)千粒重顯著高于拔節期一次性施氮(JS)。總之，微噴灌適宜的施氮量和分次施氮處理(N2-4T)下取得的冬小麥的產量最高，主要是該處理下取得了最高的千粒重。

表2 微噴灌氮肥運籌對冬小麥產量和產量構成的影響Table 2 Effects of micro-sprinkling with different nitrogen fertilizer application treatments on grain yield and yield components in winter wheat

2.2 微噴灌氮肥運籌對冬小麥群體葉面積指數的影響

圖2可知，微噴灌2種施氮模式下增施氮肥均有利于提高開花期的群體葉面積指數(LAI)，主要表現為N2和N3處理顯著高于N1處理，但前兩者之間無顯著性差異；而相同施氮量下，相比于氮肥分次施用處理(4T)，拔節期一次性施氮處理(JS)顯著提高開花期LAI，這可能由于拔節期是冬小麥葉片快速生長的重要時期，一次性的施氮促進葉片的生長，從而提高了LAI。灌漿期時，增施氮肥提高了LAI，但N2-4T、N3-4T和N3-JS之間無顯著性差異；N1和N2處理下，氮肥分次施用(4T)顯著提高LAI，而N3下，2種施氮方式對LAI無顯著影響。以上結果表明，微噴灌適宜施氮量條件下，氮肥分次施用可取得較高的灌漿期群體葉面積指數，對保證灌漿期的物質生產有重要的作用。

相同顏色柱子上的不同字母表示不同處理同一生育時期在P<0.05水平下差異顯著。下同。The different letters on the same color column indicate that there are significant differences among different treatments in the same growing stage at 0.05 level. The same below.圖2 微噴灌氮肥運籌對冬小麥開花期和灌漿期群體葉面積指數的影響Fig.2 Effects of micro-sprinkling with different nitrogen fertilizer application treatments on population leaf area index at the anthesis and filling stage of winter wheat

2.3 微噴灌氮肥運籌對冬小麥旗葉葉綠素含量的影響

圖3可知，微噴灌條件下冬小麥花后旗葉的葉綠素含量總體上呈現出隨施氮量的增加而增加的趨勢。花后5 d，相同施氮量下，旗葉葉綠素含量以拔節期一次性施氮處理(JS)高于氮肥分次施用處理(4T)，花后10 d二者差異不顯著，而花后15～30 d，氮肥分次施用(4T)相比于拔節期一次性施氮處理(JS)旗葉葉綠素含量顯著提高，說明氮肥分次施用有利于延緩灌漿中后期旗葉的衰老，這對灌漿期粒重的提高有重要影響。總之，微噴灌條件下，增加施氮量能延緩旗葉衰老，且氮肥分次施用處理(4T)在灌漿中后期延緩葉片衰老的效果好于拔節期一次性施氮處理(JS)。此外，N3處理下，灌漿后期(花后25和30 d)葉片中葉綠素含量仍然較高，顯著高于N2和N1處理，這可能會導致冬小麥貪青晚熟、粒重下降。

圖3 微噴灌氮肥運籌對冬小麥花后旗葉葉綠素含量的影響Fig.3 Effects of micro-sprinkling with different nitrogen fertilizer application treatments on flag leaf chlorophyll content after anthesis in winter wheat

2.4 微噴灌氮肥運籌對冬小麥干物質積累及收獲指數的影響

表3可知，開花期群體干物質積累量隨施氮量的增加而顯著增加；N1條件，2種施氮模式群體干物質積累無顯著差異，而N2和N3處理下拔節期一次性施氮(JS)均顯著提高開花期群體干物質積累量。成熟期和花后干物質積累量均表現為隨施氮量的增加先升高后降低，以N2處理最高，且N2處理下分次施氮(4T)顯著高于拔節期一次性施氮(JS)，而N1和N3處理下施氮方式對成熟期和花后干物質積累量無顯著影響。與拔節期一次性施氮(JS)相比，分次施氮(4T)提高花后干物質積累對籽粒產量的貢獻率，N1、N2和N3處理下貢獻率分別提高2.1%、2.3%和1.5%。此外，N2處理收獲指數顯著高于N1和N3，并且N2和N3處理下微噴分次施氮處理(4T)收獲指數顯著高于拔節期一次性施氮處理(JS)。

表3 微噴灌氮肥運籌對冬小麥干物質積累及收獲指數的影響Table 3 Effects of different micro-sprinkling nitrogen fertilizer application treatments on the dry matter accumulation (DM) and harvest index of winter wheat

2.5 微噴灌氮肥運籌對冬小麥生育期內總耗水和水分利用效率的影響

圖4可知，生育期總耗水量(ET)表現為隨施氮量的增加先增加后降低，但N2與N3處理間差異不顯著；N2處理下，微噴分次施肥(4T)ET與拔節期一次性施氮(JS)無顯著差異，而N1和N3下分次施肥處理(4T)則顯著低于拔節期一次性施肥處理(JS)，說明分次施氮處理(4T)有利于降低冬小麥生育期內的總耗水量。

圖4 微噴灌氮肥運籌對冬小麥生長季內總耗水量(ET)的影響Fig.4 Effects of micro-sprinkling with different nitrogen fertilizer application treatments on the seasonal ET during winter wheat development

圖5可知，水分利用效率(WUE)在相同施氮方式下均表現為隨施氮量的增加而先升高后降低，以N2處理下最高；相同施氮量下均表現為分次施氮處理(4T)WUE顯著高于拔節期一次性施氮處理(JS)。所有處理中，以N2-4T處理WUE最高，主要由于N2下分次施氮處理的籽粒產量最高(表2)。總之，適宜施氮量條件下，采用微噴灌氮肥分次施用有利于冬小麥籽粒產量和WUE的同步提高。

圖5 微噴灌氮肥運籌對冬小麥水分利用效率的影響Fig.5 Effects of micro-sprinkling with different nitrogen fertilizer application treatments on the water use efficiency of winter wheat

3 討 論

灌溉方式、施氮量及施肥方式對冬小麥產量和水分利用效率有很大的影響[7,13-14]。張英華等[7]研究發現，相同灌溉量條件下，采用水肥一體化減量增次微噴相對于傳統漫灌能顯著提高灌漿期群體綠色葉面積指數，延緩葉片衰老，提高生育后期干物質積累，增加千粒重，提高產量；多次微噴還能降低總耗水量和開花前耗水比例，提高開花后耗水比例，從而提高水分利用效率。可見，水肥一體化水氮耦合減量增次施用的增產增效作用明顯好于傳統漫灌處理。那么微噴水肥一體化條件下，這種增產增效作用的發揮是水分分次施用的影響還是水氮二者耦合的結果還不清楚。本研究發現，相同施氮量條件下，微噴灌分次施氮處理(4T)籽粒產量和水分利用效率顯著高于拔節期一次性施氮處理(JS)，并且產量的增加主要由于顯著提高了千粒重，穗數和粒數無顯著變化(表2)，可見，微噴水肥一體化氮肥分次施用的效應好于拔節期一次性施氮。

開花后是籽粒灌漿的重要時期，提高灌漿期的群體葉面積指數，保證灌漿期葉片的光合性能，延緩花后葉片衰老對確保花后物質生產、提高籽粒灌漿速率和增加粒重有重要作用[8,15-16]。小麥葉片葉綠素含量與施氮量密切相關，缺氮會導致葉綠素含量降低，因而降低葉片的光合速率[17]；但施氮過多容易導致植株貪青晚熟，不利于提高籽粒灌漿速率，結果粒重下降，產量降低[10,13,18-19]。本研究發現，適當增施氮肥(N2)，有利于提高灌漿期群體LAI，延緩旗葉衰老，增加花后物質積累，而繼續增加氮肥(N3)，群體LAI增加不明顯，盡管灌漿后期旗葉葉綠素含量仍然保持較高水平，但千粒重表現為下降，產量和水分利用效率也降低。相同施氮量下，拔節期一次性施氮處理(JS)能增加開花期群體葉面積指數和花后5 d旗葉葉綠素含量，但灌漿期葉面積指數以及花后15 d旗葉葉綠素含量以水肥一體化分次施氮處理(4T)較高。說明，微噴灌水氮耦合和氮肥后移更有利于延緩花后葉片衰老，維持花后物質生產。研究發現，花后的干物質生產及其對籽粒產量的貢獻率與產量關系密切，提高花后干物質積累是提高產量的重要途徑[20-21]。本研究中，與拔節期一次性施氮(JS)相比，微噴灌分次施氮處理(4T)提高了花后干物質積累對籽粒產量的貢獻率，N1、N2和N3分別提高2.1%、2.3%和1.5%。此外，較高施氮量N3處理籽粒產量和花后干物質積累顯著低于N2處理(表3)，尤其是拔節期一次性施氮處理(JS)干物質積累量大幅度降低，這可能是過多施肥導致了植株貪青晚熟，降低灌漿期籽粒灌漿速率，因而降低粒重和成熟期干物質積累量及收獲指數(表2)。

有研究表明，施氮量較高的情況下，氮肥分施產量和水分利用效率顯著高于一次性底施[22]。通過氮肥后移可以協調花前花后的氮素吸收和利用，從而大大地提高氮肥和水分利用效率[23]。Li等[10-11]研究發現，相比于傳統的灌溉模式，減量增次微噴灌處理通過水氮后移實現根水肥同位,改變了冬小麥群體干物質和氮素積累特征，主要表現為水肥一體多次施氮可保證上層主要根系分布區域土壤的水氮供應，顯著提高了花后的氮素吸收量，增加了花后氮素積累對籽粒氮素積累的貢獻率，最終提高了產量和氮肥利用效率。并且，花后的葉面施肥還能在顯著提高產量的同時改善籽粒品質[24]。本研究中，微噴條件下，分次施氮處理(4T)耗水量低于拔節期一次性施氮處理(JS)，并且由于氮肥分次施用處理(4T)產量較高，最終WUE在N1、N2和N3水平下分別提高8.24%、8.21%和9.34%(表4)。拔節期一次性施氮處理(JS)ET增加，可能是由于拔節期一次性施肥促進了群體葉面積的擴大，導致耗水量增加，而灌漿后期葉片衰老加快，影響了花后物質生產，導致產量下降，最終水分利用效率降低。微噴下水肥一體化氮肥后移可能也起到葉面施肥的作用，關于此方面的作用還需進一步的研究。

4 結 論

微噴灌條件下，相同施氮模式下冬小麥產量均隨施氮量的增加先升高后降低，以N2(追施90 kg/hm2)處理下產量和水分利用效率最高。相同施氮量時，相比于拔節期一次性施氮處理(JS)，氮肥分次施用(4T，拔節+孕穗+開花+灌漿)顯著提高了冬小麥產量和水分利用效率。分次施氮延緩了灌漿期葉片衰老，增加了花后物質積累，提高了粒重，進而提高了籽粒產量；分次施氮還減少了總耗水，因而顯著提高了水分利用效率。施氮過多則可能導致貪青晚熟，降低花后物質積累和收獲指數，最終產量降低。總之，微噴水肥一體化條件下，采用適宜的施氮量和氮肥分次施用(N2-4T)可以實現華北地區冬小麥的高產和水肥高效利用。