不同灌溉技術下水氮耦合對小麥光合特性、灌水利用特性及產量的影響

高翠民，楊永輝，何 方，韓偉峰，王小非，武繼承

(1.河南省農業科學院 植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002；2．農業部作物高效用水原陽科學觀測實驗站，河南 原陽 453514)

我國是缺水農業大國，現有耕地1.3億 hm2，農田灌溉面積占耕地總面積的52%，年用水量4 000億 m3，占全國總用水量的61.4%。到2030年預計我國人口將達到16億，按照現有生活水平預測，需要將糧食增長到6.4～7.2億 t，年用水量也將從現在的4 000億 m3增長到6 650億 m3[1]。而且，我國小麥生產主要還是采用傳統的漫灌和溝灌的灌溉方式，水肥利用率僅為30%～40%，造成了水肥資源的浪費。過量施用肥料，尤其是氮肥，不僅直接導致氮肥利用率和農學效率降低，而且對環境的可持續發展造成了潛在危害。氮肥施入土壤后，通過淋溶、揮發、反硝化和地表徑流等途徑嚴重損失掉[2-4]，導致了一系列的環境污染問題[5]，如大氣污染[6]、湖泊水體富營養化、赤潮現象[7]、土壤酸化[8-9]、地下水污染[10-11]等，進而嚴重影響農業、社會和生態的可持續發展。歐美發達國家采用滴灌、噴灌等節水灌溉技術，水肥分利用率可以提高1倍，達到70%～80%。因此，具有節水、節肥、省工等特點的水肥一體化技術的推廣和應用勢在必行[12]。

水肥一體化是利用管道灌溉系統，根據作物對水分和養分的需求規律，將肥料和灌溉水一起適時適量、準確地輸送到作物的根部土壤，供作物吸收，實現水肥同步管理和高效利用的節水農業技術，提高了水肥利用效率，減少了以前粗獷的農業種植模式對環境、大氣、水體造成的污染及其對人類造成的潛在危害。我國水肥一體化技術的研究從1975年開始，當時引進了墨西哥的滴灌設備，建立了3個試驗點，面積5.3 hm2，取得了顯著的增產和節水效果。此后的幾十年，我國灌溉施肥的理論及應用技術日益成熟和完善，但主要運用于設施栽培、無土栽培、果樹栽培等多種栽培模式[13]，在小麥生產應用較少。隨著土地流轉，規模經營的農戶會更加愿意接受新型、經濟、高效的水溶肥。新技術、新肥料對于提升種植戶收入的作用越來越明顯。

河南省是我國重要糧食生產省份之一，若不解決水肥資源的高效利用問題，河南省糧食持續高效生產將難以為繼。因此，本研究通過測定不同灌溉技術下水氮耦合各處理小麥SPAD值、凈光合速率、蒸騰速率、灌水利用效率，灌水效益和產量，分析了灌水、氮肥及其互作對產量的影響和SPAD、凈光合速率、蒸騰速率與產量的相關性。簡要闡述不同節水灌溉技術提高小麥產量的機制，為水肥一體化技術的應用和推廣提供理論支撐，對促進農業可持續發展具有重要和長遠的戰略意義。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況及供試材料

試驗于2018-2019年在河南省農業科學院河南現代農業研究開發基地(原陽，經度：E 113.97°、緯度：N 35.05°)開展。該地區屬于暖溫帶大陸性季風型氣候，年平均日照時間為 1 925.1 h，光能資源充足；年平均溫度為 14.5 ℃；年平均降水量約為 573.3 mm，主要集中在6-8月份，占全年降水量的 58.4%，具有雨熱同季的優點，但是降雨時空分布不均衡。試驗地土壤類型為沙壤土，土壤基本理化性質： pH值7.68，有機質含量7.69 g/kg，全氮、全磷、全鉀含量分別為0.49，0.63，2.31 g/kg，速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為 60.93，18.76，122.13 mg/kg。供試品種：鄭麥103，于2018年10月中旬播種，播種量180 kg/hm2，行距18 cm。

1.2 試驗設計

試驗采用裂區設計，主區為灌溉技術(A)，設置普通灌溉(A1)、噴灌(PG)(A2)和滴灌(DG)(A3)3種灌溉技術；副區為灌水量(B)，設置不灌水(B1)、600 m3/hm2(B2)、450 m3/hm2(B3)和300 m3/hm2(B4)4個灌水量；副裂區為施氮量(C)，設置純氮240 kg/hm2(C1)和210 kg/hm2(C2)2個氮水平。3種灌溉技術設置共同不灌水對照處理，共20個處理，分別為B1C1、B1C2、A1B2C1、A1B2C2、A1B3C1、A1B3C2、A1B4C1、A1B4C2、A2B2C1、A2B2C2、A2B3C1、A2B3C2、A2B4C1、A2B4C2、A3B2C1、A3B2C2、A3B3C1、A3B3C2、A3B4C1、A3B4C2，每個處理3次重復。氮肥分3次施入，底肥施60%，與普通過磷酸鈣(P2O590 kg/hm2)和鉀肥(K2O 90 kg/hm2)一起翻耕入土。追肥分2次施入，其中拔節期施入25%和灌漿期施入15%。不同灌溉技術的追肥方式不一樣，在PG和DG灌溉技術條件下，氮肥與水通過水肥一體化設施施入，而普通灌溉采用撒施的方式。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 SPAD值 測定光合特性的同時，使用SPAD-502(日本美能達公司)葉綠素儀測定小麥旗葉SPAD值，每個處理選取10片具有代表性的葉片。

1.3.2 光合特性的測定 在小麥抽穗期-揚花期，選擇晴朗天氣9:00-11:30使用美國Li-Cor公司生產的Li-6400XT型便攜式光合儀，在開放氣路系統自然光照下測定小麥旗葉的凈光合速率和蒸騰速率。每個處理選取5片具有代表性的葉片，為了排除太陽輻射對不同處理造成的影響，采用交叉測量的方法。

1.3.3 產量 小麥成熟期每小區收獲3個 6 m2，曬干后稱其質量，再將其折合成每公頃產量。

1.3.4 灌水利用特性 灌水利用效率和灌水效益的計算方法如下[14]：灌水利用效率=籽粒產量/灌水量；灌水效益=(灌水處理籽粒產量-不灌水處理籽粒產量)/灌水量。

1. 4 數據處理

采用 Microsoft Excel 2013 進行數據統計和作圖，并應用 SPSS 22.0進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉技術下水肥耦合對小麥SPAD值的影響

方差分析表明，灌水量和施氮量對小麥SPAD值的影響均極顯著，而灌溉技術對小麥葉片SPAD值沒有顯著影響。灌水量極顯著提高了小麥葉片SPAD值，而且隨著灌水量的增加而增加，其中以B2處理最高，達到了51.4。灌水量相等條件下，C1處理的小麥葉片SPAD值顯著高于C2處理(表1)。灌水各處理的小麥葉片SPAD值顯著高于B1處理，其中，普通灌溉和PG灌溉技術下均以B2C2處理的最高，分別為51.1和52.1；而DG灌溉技術下以B2C1處理的最高，為51.8(圖1)。在灌水量相對充足(B2和B3)的條件下，節水灌溉技術下(PG和DG)各處理小麥SPAD值高于對應普通灌溉處理(個別處理除外)；而在低灌水量(B4)條件下，只有>施氮量為C2時PG和DG的小麥SPAD值高于對應普通灌溉處理。

表1 SPAD值的方差分析與多重比較結果Tab.1 Results of variance analysis and multiple comparisons of SPAD value

圖1 不同灌溉技術下水肥耦合各處理SPAD值Fig.1 The SPAD value of water-nitrogen coupling treatments under different irrigation technologies

2.2 不同灌溉技術下水肥耦合對小麥光合特性的影響

由表2可知，灌溉技術、灌水量、施氮量及A×B交互作用對小麥凈光合速率和蒸騰速率的影響均極顯著；A×C、B×C 和A×B×C交互作用對小麥蒸騰速率的影響極顯著或者顯著，而對小麥凈光合速率沒有顯著影響。節水灌溉技術下(PG和DG)小麥凈光合速率和蒸騰速率均顯著高于普通灌溉處理。就不同灌水量而言，灌水顯著提高了小麥凈光合速率和蒸騰速率，其中均以B2處理最高，小麥凈光合速率和蒸騰速率分別達到了13.76 μmol/(m2·s)和4.08 mmol/(m2·s)。研究結果還表明，C1處理的小麥凈光合速率和蒸騰速率顯著高于C2處理。

多重比較表明，與對照相比，灌水顯著提高了小麥凈光合速率，3種灌溉技術下均以B2C1處理的小麥凈光合速率最高，普通灌溉、PG、DG小麥凈光合速率分別達到了13.84，14.44，14.22 μmol/(m2·s)(圖2)。在灌水量相對充足(B2和B3)的條件下，3種灌溉技術下相同處理凈光合速率間沒有顯著差異；而B4灌水量條件下，節水灌溉技術下(PG和DG)小麥的凈光合速率顯著高于對應普通灌溉處理。

與對照相比，灌水各處理的蒸騰速率均顯著增加。相同灌水量和施氮量條件下，各處理小麥葉片蒸騰速率均以DG灌溉技術下最大，其中以B2C1處理最高，達到了6.07 mmol/(m2·s)(圖2)。灌水量由B3降至B4時，節水灌溉技術下(PG和DG)小麥蒸騰速率的降幅小于對應普通灌溉處理。

表2 小麥光合特性的方差分析和多重比較結果Tab.2 Results of variance analysis and multiple comparisons of wheat photosynthetic characteristics

圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖3-4同。 Different lowercase letters in figure indicate significant difference among different treatments (P<0.05). The same as Fig.3-4.

2.3 不同灌溉技術下水肥耦合對小麥產量的影響

方差分析表明，灌溉技術對小麥產量的影響顯著，灌水量、施氮量及A×B交互作用對小麥產量的影響均極顯著。從整體上來看，節水灌溉技術下(PG和DG)小麥的產量顯著高于普通灌溉處理，而且C1處理的小麥產量顯著高于C2處理(表3)。3種灌溉技術下灌水各處理的小麥產量均顯著高于不灌水處理，而且隨著灌水量的增加而增加，其中以灌水量B2處理的產量最高。3種灌溉技術下不同水肥耦合各處理均以B2C1處理的小麥產量最高，普通灌溉、PG、DG分別達到了10 802，10 559，10 641 kg/hm2(圖3)。在灌水量相對充足(B2和B3)的條件下，3種灌溉技術下相同各處理的小麥產量間沒有顯著差異；但是在B4灌水量條件下，節水灌溉技術下(PG和DG)小麥產量顯著高于對應普通灌溉處理，施氮量為C2時尤為突出。

表3 小麥產量的方差分析和多重比較結果Tab.3 Results of variance analysis and multiple comparisons of wheat yield

圖3 不同灌溉技術下水肥耦合各處理小麥產量Fig.3 Wheat yield of water-nitrogen coupling treatments under different irrigation technologies

2.4 不同灌溉技術下水肥耦合對小麥灌水利用的影響

方差分析表明，灌溉技術對小麥灌水利用效率和灌水效益的影響均顯著，灌水量、施氮量及A×B交互作用對小麥灌水利用效率和灌水效益的影響均極顯著。B×C交互作用對小麥灌水利用效率的影響顯著，而對小麥灌水效益沒有顯著影響(表4)。節水灌溉技術下(PG和DG)小麥的灌水利用效率和灌水效益均顯著高于普通灌溉處理。從整體來看，3種灌溉技術下小麥灌水利用效率和灌水效益均隨著灌水量的減少而顯著增加。灌水利用效率隨著施氮量的增加而增加，而灌水效益隨著施氮量的增加而降低。

3種灌溉技術下水肥耦合各處理均以B4C1處理的灌水利用效率最高，普通灌溉、PG和DG分別達到了227.8，247.4，249.7 kg/m3。在灌水量相對充足(B2和B3)的條件下，3種灌溉技術下相同各處理的灌水利用效率沒有顯著差異；但是在B4灌水量條件下，節水灌溉技術下(PG和DG)小麥灌水利用效率顯著高于對應普通灌溉處理(圖4)。對于灌水效益，3種灌溉技術下小麥灌水效益呈現不同的變化規律，節水灌溉技術下(PG和DG)小麥灌水效益隨著灌水量的減少而增加，而普通灌溉技術下小麥灌水效益隨著灌水量的減少呈現先增加后降低的趨勢。節水灌溉技術下(PG和DG)小麥灌水效益均以B4C2處理的最高，分別為66.3，69.0 kg/m3，而普通灌溉技術下以B3C2處理最高，為47.5 kg/m3。在灌水量相對充足(B2和B3)的條件下，節水灌溉技術下(PG和DG)各處理小麥灌水效益與對應普通灌溉處理間沒有顯著差異；但是B4灌水量條件下節水灌溉技術(PG和DG)小麥灌水效益顯著高于對應普通灌溉處理。

表4 小麥灌水利用特性的方差分析和多重比較結果Tab.4 Results of variance analysis and multiple comparisons of irrigation water use characteristics

圖4 不同灌溉技術下水肥耦合各處理小麥灌水利用效率和灌水效益Fig.4 The wheat irrigation water use efficiency and irrigation benefit of water-nitrogen coupling treatments under different irrigation technologies

2.5 小麥葉片SPAD值、光合特性與產量相關性分析

由表5可知，小麥葉片SPAD值、凈光合速率、蒸騰速率和產量均呈極顯著正相關關系。小麥葉片SPAD值和凈光合速率、蒸騰速率也呈極顯著正相關關系。凈光合速率和蒸騰速率也呈極顯著正相關關系。

表5 小麥葉片SPAD值、光合特性與產量相關性分析Tab.5 Correlation coefficients among SPAD value, photosynthetic characteristics and yield of winter wheat leaves

3 結論與討論

光合作用所產生的有機物是植物自身生長發育所必需的營養物質，也是產量形成的物質基礎，有研究表明，小麥產量70%以上是通過穗和葉片光合作用合成的有機物形成的[15]。本研究發現，灌水顯著提高了小麥SPAD值、凈光合速率和蒸騰速率，而且隨著灌水量的增加呈現遞增的趨勢。從整體上來看，灌水量相等條件下，節水灌溉技術(PG和DG)處理的小麥凈光合速率和蒸騰速率大于對應普通灌溉處理(個別處理除外)，而且灌水量越少，節水灌溉技術處理的小麥凈光合速率和蒸騰速率與普通灌溉處理(個別處理除外)之間的差異越大。說明節水灌溉能夠提高小麥凈光合速率和蒸騰速率，與前人研究結果一致[16-20]。相關性分析表明，小麥葉片SPAD值、凈光合速率、蒸騰速率與產量均呈極顯著正相關關系；小麥葉片SPAD值與凈光合速率也呈極顯著正相關關系；凈光合速率與蒸騰速率也呈極顯著正相關關系。因此，節水灌溉技術通過提高小麥凈光合速率和蒸騰速率，從而增加小麥產量。

黃淮海地區降雨較少，而且降雨時空分布不均衡，在整個小麥生長季的降雨只能滿足其水分需求量的 25%～40%，小麥產量形成主要依賴于灌溉[21]，而且在充分灌溉界限下，小麥產量隨著灌水量的增大而增加[22]。本研究結果表明，3種灌溉技術下灌水各處理的小麥產量均顯著高于對照，而且隨著灌水量的增加而增加。有研究表明，灌溉技術對小麥產量有顯著影響[23]，這一結論在本研究中也得到了證實，在灌水量相對充足(B2和B3)的條件下，3種灌溉技術下小麥產量沒有顯著差異；但是在B4灌水量條件下，節水灌溉技術下(PG和DG)小麥產量顯著高于普通灌溉處理，施氮量為C2時尤為突出。水分和氮肥管理對小麥生長發育的調控存在互補效應[24]。通過分析表明，灌溉技術對小麥產量的影響顯著，灌水量、施氮量及A×B交互作用對小麥產量的影響均極顯著。同樣，灌溉技術對小麥灌水利用效率和灌水效益也有顯著影響，節水灌溉技術能夠提高小麥水分利用效率[16]。本研究表明，在灌水量相對充足(B2和B3)的條件下，節水灌溉技術下(PG和DG)小麥灌水利用效率及其灌水效益與相應普通灌溉處理間沒有顯著差異；但是低灌水量(B4)節水灌溉技術下(PG和DG)小麥灌水利用效率及其灌水效益顯著高于對應普通灌溉處理。同時，方差分析表明，灌溉技術對小麥灌水利用效率和灌水效益的影響均顯著，灌水量、施氮量及A×B交互作用對小麥灌水利用效率和灌水效益的影響均極顯著。因此，節水灌溉技術與追施氮肥相結合的水肥一體化不僅能夠提高小麥產量[16-19]，還能夠提高灌水和氮肥利用率[23, 25-26]，進而減少過量施用氮肥對環境造成的污染。

灌溉技術、灌水量和施氮量對小麥光合特性、灌水利用特性和產量的影響均顯著。小麥SPAD值、凈光合速率、蒸騰速率和產量隨著灌水量或者施氮量的增加而增加；而灌水利用效率和灌水效益則隨著灌水量的減少而增加。灌水量相對充足(B2和B3)條件下，3種灌溉技術下小麥SPAD值、凈光合速率、蒸騰速率、灌水利用效率、灌水效益和產量均沒有顯著差異，但是在低灌水量(B4)條件下，節水灌溉技術下(PG和DG)小麥凈光合速率、蒸騰速率、灌水利用效率、灌水效益和產量顯著高于對應普通灌溉處理。綜合考慮小麥產量和灌水利用特性，節水灌溉技術下(PG和DG)+ B4C1為最佳節水增效模式。