不同微噴氮肥制度對冬小麥產量及水氮利用效率的影響

菅浩然，劉洪波，李連豪 ，李宗鵬，楊亞偉

（1.黃河水利職業技術學院 水利工程學院，河南 開封 475004； 2.安徽農業大學 作物抗逆育種與減災國家地方聯合工程實驗室，合肥 230036； 3.河南農業大學 機電工程學院，鄭州 450002；4.河南瑞通灌排設備有限公司，河南 開封 475000）

0 引 言

【研究意義】氮肥是糧食作物生長及產量構成的重要因素，提升氮肥利用效率對促進經濟與資源可持續性發展具有重要意義。華北地區作為我國糧食作物主產區，多年來該區冬小麥種植管理中為了追求高產，氮肥投入量居高不下，導致氮肥利用率僅有30%～35%，甚至更低[1-2]。同時不合理的灌水量和過量施氮導致了水分和氮素大量淋失，加之不合理地追氮量和追氮時期也嚴重降低氮素利用效率[3]。因此，如何提升華北地區冬小麥種植管理中水氮利用效率，同時確保產量穩定，實現資源的可持續利用是當前亟待解決的問題。近年來，隨著一系列先進的灌溉施肥設備的研發和在田間的應用，水肥利用效率大大提升[4]。滴灌和微噴技術作為一種先進的節水灌溉技術，在以新疆為代表的地區得到大量應用。但是整體而言，滴灌、微噴技術在我國還是以蔬菜和果樹等經濟作物上應用為主，在大田糧食作物方面還有待于進一步研究和推廣[5]。【研究進展】微噴帶灌溉是在噴灌和滴灌基礎上發展起來的一種新型灌溉方式[6]。和傳統的畦灌、管灌技術相比，采用微噴帶灌溉技術投資成本相對廉價[7]；與畦灌相比，微噴帶灌溉可減少灌水量 67.5～75.0 mm，能夠降低表層土壤體積質量，抑制土壤養分向深層滲漏，具有顯著節水優勢[8]；采用微噴帶灌溉通過合理的帶長和噴射角度的選擇能提高灌水均勻性[9]；采用微噴帶灌溉能夠改善農田小氣候，提高冠層相對濕度，降低蒸騰速率，進而促進小麥對灌溉水分的利用效率[10-11]。最后，通過微噴帶灌溉可實現水肥一體化技術，能夠提高肥料利用效率。董志強等[7]研究發現河北地區，微噴灌與畦灌相比，在同等產量水平下，平水年節水潛力為20～50 mm，枯水年為 70～110 mm。與此同時，張英華等[12]研究表明，灌溉定額為1 500 m3/hm2下微噴4 次，并且追施氮肥90 kg/m2處理下冬小麥產量和水分利用效率較高。小麥灌漿初期微噴補灌或中后期在預報高溫當天10:00微噴補水5～10 mm，可顯著提高粒質量和籽粒產量[13]。【切入點】許多學者結合微噴技術開展了大量田間試驗，其主要集中在微噴技術提高水分利用效率方面。但對于在微噴灌下如何結合水肥一體化技術在穩定產量的前提下減少氮肥施入量，合理分配氮素施入時期，進而優化華北地區冬小麥氮肥管理制度的研究較少。【擬解決的關鍵問題】參照華北地區傳統種植的氮肥管理制度，應用微噴水肥一體化技術開展不同施氮量和施氮頻率對冬小麥產量、灌漿期旗葉光合特性和水氮利用效率的影響，提出適宜該區微噴水肥一體化施氮制度，為該地區冬小麥節水高產栽培提供相應的理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2018 年10 月—2019 年6 月在河南省新鄉市輝縣五豐農業專業合作社（35°39′ N，113°62′ E）進行，該區氣候處于亞熱帶向暖溫帶過渡區，屬暖溫帶大陸性季風型氣候，年平均氣溫約為14 ℃，年日照時間約為2 231.4 h，平均日照百分率為50%，多年平均降水量約為619.7 mm，夏季集中了全年降水量的75%。試驗地土壤耕層（0～25 cm）有機質量為16.5 g/kg，全氮量為1.11 g/kg，有效磷量為15.4 mg/kg，速效鉀量為144.7 mg/kg，pH 值為8.28，土質為黏壤土，肥力中等。

1.2 試驗設計

試驗供試小麥品種為新麥29。播種日期為2018年10 月10 日，播種量為200 kg/m2，行距15 cm。試驗以當地傳統水氮管理制度為對照（畦灌，施氮量 300 kg/hm2，CK），在保持灌水總量相同情況下采用微噴水肥一體化技術下，設置了3 個施氮量（180、240、300 kg/m2；編號為N1、N2、N3）和2 個氮肥追施頻率（拔節期1 次施入，拔節期和開花期2 次施入；對應編號為F1、F2），共6 個處理；CK 追肥在拔節期1 次施入。每個處理3 次重復，采用裂區布置，具體試驗處理見表1。所有試驗處理基肥施氮量為100 kg/hm2，隨播種一次施入。追肥采用微噴水肥一體化技術，追肥肥料選用尿素（N≥46%）。試驗采用并列斜5 孔微噴帶，其對應孔徑0.8 mm、帶寬40.0 mm、壁厚0.2 mm。采用井水灌溉，微噴帶工作壓力為0.02 MPa，出水量6.0 m3/h；帶長40 m，鋪設間距1.8 m。對照區追肥采用人工撒施，灌水采用畦灌。冬小麥灌溉通過土壤含水率占田間持水率（FC）的百分數來確定，具體為返青期、拔節期、灌漿期對應的灌水下限依次設定為70%FC、75%FC、65%FC，相應根系層取40、60、65 cm。本研究分別在2018 年11 月28日冬灌灌水30 mm，其余分別在2019 年2 月25 日、3 月20 日、4 月15 日和5 月8 日灌水28.5、35、38和22 mm，冬小麥生育期累計灌水153.5 mm。

表1 冬小麥不同生育期的施氮量和施氮頻率 Table 1 Nitrogen amount and frequency for winter wheat at different growth stages

1.3 測定項目與方法

1.3.1 冬小麥生長指標及產量

通過田間氣象站（HOBO，美國）采集氣象參數。在冬小麥的灌漿期選擇典型晴天，于09:00—11:00 采用光合測定系統測量（CI-340，美國）旗葉凈光合速率。在成熟期每個小區取代表性的半米2 行樣段，在105 ℃殺青30 min，然后80 ℃干燥至恒質量，計算干物質積累量（精確至0.1 g）。采用半微量凱氏定氮法測定氮量。在冬小麥收獲期取1 m×1 m 樣方，調查穗數、穗粒數和千粒質量，籽粒質量含水率計為13%，最后折算成單位面積籽粒產量（kg/hm2）。

1.3.2 水分利用效率

在小麥各生育期灌水前后采用土鉆取土，取土深度為120 cm，每20 cm 為1 層；稱取鮮土質量后，在烘箱中于105 ℃烘至恒質量，然后計算土壤質量含水率。利用水分平衡公式計算冬小麥生育期內的總耗水量：

式中：ET 為冬小麥生育期內的總耗水量（mm）；I為灌水量（mm）；P 為降水量（mm）；ΔSWE 為0～120 cm 土體內土壤儲水量的變化值（mm）；R 為地表徑流；試驗中未產生地表徑流與深層滲漏，因此，D 與R 忽略不計。

水分利用效率（WUE）計算式為：

式中：WUE 為水分利用效率（kg/m3）；Y 為產量（kg）。

1.3.3 氮素利用效率

植株地上部分含氮量=Σ 收獲期地上各部分器官生物量×各部分器官含氮量（%）；氮素利用效率=籽粒產量/地上部分氮素總累積量；氮肥偏生產力=籽粒產量/施氮量。

1.4 數據分析

采用Excel 2013 和SPSS 20.0 軟件進行數據處理和統計分析，用Excel 2013 繪圖。

2 結果與分析

2.1 冬小麥產量及產量構成要素

不同微噴氮肥管理制度下冬小麥產量及產量構成要素如表2 所示。由表2 可知，所有處理對應的穗數值差異不顯著（P>0.05）。穗粒數隨著追氮量的增加而略有增大；其中N3F2 和N3F1 處理的穗粒數值顯著高于其余處理（P＜0.05），同時追氮頻率對穗粒數影響不顯著。千粒質量隨著追氮量的增加而增大，其中N3 處理顯著高于N1 處理（P＜0.05）；2 次追氮下對應的千粒質量均高于1 次追氮，N3、N2 和N1處理在F2 處理下的平均千粒質量比在F1 處理下高1.3%；并且在N2 追氮量下2 次追施千粒質量顯著高于1 次追施。隨著施氮量的增加，產量也相應增加，并且N3 施氮量對應的產量顯著高于N1；在N2 處理下，2 次追氮量對應的產量顯著高于1 次追氮量對應的產量。在N2 處理下分2 次追施相比于N1 施氮量能顯著提高產量，相比于N3 處理能減少氮肥的施入并且不會引起產量的顯著降低。N3、N2 和N1 在F2處理下的產量平均值比在F1 處理下高3.0%。此外，試驗中只有N1 處理下的產量低于CK，其余處理則要高于CK，其中在相同的水分和氮肥管理下，N3F1處理比CK 產量提高16.7%。可見，采用微噴水肥一體化技術能夠在保證產量的前提下顯著減少氮肥施入量。

表2 不同處理下冬小麥產量和產量構成 Table 2 Grain yield and yield components of winter wheat under different treatments

2.2 不同水氮處理對旗葉光合速率的影響

不同水氮處理下灌漿期旗葉凈光合速率的變化如圖1 所示。從圖1 可以看出，所有處理的凈光合速率均隨灌漿時間的延長而減小。N3 處理下旗葉光合速率在剛開始進入灌漿期時高于N1 處理和N2 處理；并且2 次追氮處理均高于1 次追氮處理。可見增加施氮量能提高小麥灌漿期旗葉光合能力，并且在相同追氮量的情況下于開花期追施相應量氮肥也能提高小麥旗葉凈光合速率。在灌漿期的前20 d，N3 處理對應的凈光合速率均高于N1 處理和N2 處理。進入灌漿后期，所有處理對應的旗葉凈光合速率差異不明顯。增加追氮量和追氮頻率主要影響小麥灌漿前期旗葉光合能力，而該時期恰恰是千粒質量形成的關鍵時期。因此，對于有條件的地區建議分次追施氮肥。

2.3 不同水氮處理對水分利用效率的影響

不同水氮處理下的水分利用效率的變化如表3所示。由表3 可知，CK 土壤總耗水量顯著高于其余處理（P＜0.05），并且N1 施肥處理下對應的土壤總耗水量也均高于N2 處理和N3 處理。表明傳統灌溉施肥制度下和較低施氮量下小麥生長過程中需要消耗更多的土壤水分，以維持正常的蒸騰作用。整體來看，從N1 到N3 施氮處理下，隨著施氮量的增加作物總耗水量（ET）相應減少。小麥水分利用效率（WUE）隨著施氮量的增加而增大，并且2 次追氮下水分利用效率也要高于1 次追氮處理。在N1 處理下，N1F2處理的WUE 顯著高于N1F1 處理（P＜0.05）；在N2處理下，N2F2 處理的WUE 比N2F1 處理增加10.5%，但差異不顯著（P>0.05）；在N3 處理下，N3F2 處理的WUE 比N3F1 處理增加4.5%，但差異不顯著（P>0.05）。可見，施氮頻率的增加對WUE 的影響在不同施氮量下略有不同，但整體而言增加施氮頻次能提高小麥的WUE。此外，與傳統灌溉施肥相比（CK），采用微噴水肥一體化技術能顯著提高小麥的水分利用效率。

圖1 不同處理下灌漿期旗葉凈光合速率的變化 Fig. 1 Changes of net photosynthetic rate of flag leaves at the filling stage under different treatments

表3 不同處理下的耗水組成和水分利用效率 Table 3 Water consumption and water use efficiency under different treatments

2.4 不同水氮處理對氮肥偏生產力和氮素利用效率的影響

不同水氮處理下氮肥偏生產力的變化如圖2 所示。由圖2 可知，在微噴水肥一體化處理下，氮肥偏生產力值隨施氮量的增加而降低，并且N1 處理對應的氮肥偏生產力值顯著高于N2 處理和N3 處理（P＜0.05）。在相同施氮量下，2 次追氮處理的氮肥偏生產力值均高于1 次追氮處理，但差異均不顯著（P>0.05）。并且CK 的氮肥偏生產力顯著低于微噴水肥一體處理對應的值，可見采用水肥一體化技術能顯著提高小麥對氮肥的利用效率。

不同處理下氮素利用效率的變化如圖3。由圖3 可知，在微噴水肥一體處理下氮素利用效率隨著施氮量和施氮頻率的增加而增大。其中N3F2 和N2F2 處理的氮素利用效率顯著高于其余處理（P＜0.05）。氮素利用效率的變化在不同施氮量下有所不同，其中在N1 施氮量下，N1F1 和N1F2 處理的氮素利用效率差異不顯著（P>0.05），但是在N2 和N3 處理施氮量下，2 次施氮量處理的氮素利用效率均顯著高于1 次追氮處理（P＜0.05）。由此表明，在相同施氮量下增加施氮頻率能提高氮素利用效率，并且隨著施氮量的增加這一變化趨勢更加顯著（N2 和N3 處理）。此外，CK 的氮素利用效率顯著低于微噴水肥一體處理；可見采用微噴水肥一體化技術能明顯改善冬小麥對氮素的利用效率。

圖2 不同處理下氮肥偏生產力 Fig. 2 Nitrogen partial productivity under different treatments

圖3 不同處理下氮素利用效率 Fig. 3 Nitrogen use efficiency under different treatments

3 討 論

本研究表明，與CK 相比，采用微噴水肥一體化技術在相同水分和養分管理下（N3F1 處理），小麥的產量提高16.7%，這與相關學者的結論[14-15]一致。在施氮量方面，隨著施氮量從180 kg/hm2增加至240 kg/hm2，小麥的產量顯著提高；但當施氮量從240 kg/hm2繼續增加至300 kg/hm2時，小麥產量增加不明顯。可見對于該地區而言，采用240 kg/hm2的施氮量能獲得最佳產量效益。這一施氮量也與相關學者在華北地區開展研究得出的結論[16]相類似。相比于傳統一次追氮處理而言，采用2 次微噴水肥一體追肥提高了灌漿前期旗葉凈光合速率，這為后期千粒質量的增加奠定的基礎。前人在采用滴灌水肥一體化的研究中也揭示出適宜施氮量能保持旗葉光合速率穩定的同時也能確保小麥產量的穩定[17]。在微噴水肥一體化技術條件下，只需在首部增加一個施肥泵和配套設施，其投資相對較小，并且灌水時期和施肥時期能很好結合起來，進而節省大量勞動力，因此從長遠角度來看，施肥次數的增加并不會帶來施肥成本的增加，反而能提高冬小麥的種植效益[18-19]。本研究表明，試驗設置的2 次追氮處理下小麥的水分利用效率值高于1 次追氮處理，但是水分利用效率值并未隨著施氮量的增加而增大，N2F2 處理下的水分利用效率值與N3F2 處理相同，但是N2 處理要比N3 處理減少60 kg/hm2的氮肥施入量。該結論與相關學者[1]在華北地區開展的冬小麥適宜灌水量和施氮量給出的研究結論相一致。在氮肥利用方面，雖然在微噴水肥一體下N1 處理施氮量對應的氮肥偏生產力最高，但是其產量也最低；此外，在氮素利用效率方面，N2F2 和N3F2 處理相近，但N2 處理的氮肥施入量少于N3 處理。前人研究[20]也表明氮肥利用效率隨著施氮量的增加先增大后變小。綜合水分利用效率和氮肥利用效率來看，總施氮量240 kg/hm2并且在拔節期和開花期分2 次追氮處理在當地微噴水肥一體化下條件下能獲得最佳產量和水氮利用效率。

4 結 論

1）與當地傳統灌溉施肥方式相比，采用微噴水肥一體化技術在相同灌水施肥量下冬小麥產量提高16.7%。

2）微噴水肥一體化處理下，氮肥分2 次追施比1 次追施能提高旗葉在灌漿期的凈光合水平，進而提高冬小麥的千粒質量。

3）當施氮量超過240 kg/hm2時冬小麥產量不再顯著增加，其水分利用效率和氮素利用效率顯著降低。

4）綜合考慮小麥產量以及水分和氮素利用效率，建議新鄉地區在水肥一體化條件下采用240 kg/hm2的施氮量，并且追肥采取在拔節期（70 kg/hm2）和開花期（70 kg/hm2）分2 次追施的氮肥管理制度。