拔節期水氮處理對冬小麥植株生長及氮肥吸收利用的影響

張笑培，周新國*，王和洲，楊慎驕，陳金平，劉安能

（1.中國農業科學院 農田灌溉研究所，河南 新鄉453002；2.河南商丘農田生態系統國家野外科學觀測研究站，河南 商丘476000）

0 引 言

【研究意義】黃淮麥區適宜的光溫條件為冬小麥的優質生產提供了得天獨厚的生長環境，目前已發展成中國重要的冬小麥生產基地，冬小麥產量占全國總產量的70%以上[1-2]。該地區常年降水量在520～900 mm 之間，主要集中在7—9月，冬小麥生育期降水僅150～300 mm，而且降水與冬小麥需水過程不同步，不能滿足冬小麥正常生長發育需求，為獲得較高的產量冬小麥生產必須依靠灌溉[3-4]。目前不科學的水肥管理不僅影響水肥利用效率，還會引起氮素淋洗污染地下水，造成農田生態環境及地下水安全問題[5-6]。因此，采取適宜的水氮管理模式，提高冬小麥產量及氮肥利用效率，對于實現黃淮地區冬小麥高產穩產及農業生態環境安全具有重要意義。

【研究進展】冬小麥優質高產除了受基因遺傳特性直接影響，還與生長環境及栽培管理措施密切相關。水肥管理直接影響植株生長、產量及水氮利用效率[7-9]。冬小麥的生長及產量形成受水分和氮素的單因素效應及互作效應共同影響[10-12]。在一定的范圍內，冬小麥籽粒產量隨著施氮量和土壤含水率的增加而提高，但當灌水施氮超過閾值范圍，籽粒增產效果會下降[13-14]。冬小麥的氮素吸收、運轉和利用受土壤水分影響；適宜的施氮量可以緩解土壤水分脅迫對作物造成的傷害[15-17]。

【切入點】在黃淮地區有關冬小麥灌溉制度、優化氮肥施用等方面進行了相關研究[18-20]；但基于氮肥利用效率的最佳水氮管理模式及作物生長狀況、籽粒產量及構成因素的變化規律需要進行更多的研究探索。【擬解決的關鍵問題】本研究以冬小麥為研究對象，重點研究拔節期水氮調控對冬小麥株高、葉面積、地上部干物質量、產量和氮肥吸收利用率的影響，確定拔節期最佳的水氮組合模式。以期為實現黃淮地區冬小麥可持續生產提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2012年10月—2013年6月在河南商丘農田生態系統國家野外科學觀測研究站（E 115°34′，N 34°35′，海拔51 m）進行。試驗區屬暖溫帶亞濕潤季風性氣候，多年平均降水量為708 mm（其中7—9月降水量約占全年降水量的65%～75%）。試驗期間冬小麥生長季降水量282.3 mm，平均最高氣溫和最低氣溫分別為13.70 ℃和4.41 ℃。試驗期間的有效降水量和氣溫如圖1 所示。

圖1 冬小麥生育期內降水量、最高溫度和最低溫度Fig.1 Daily rainfall,maximum temperature and minimum temperature during the whole growth period of winter wheat

試驗區土壤質地為輕黏質土質，0～100 cm 平均土壤體積質量為1.46 g/cm3，田間持水率為36.72%（體積含水率），耕層土壤有機質、全氮量分別為9.8 g/kg和0.73 g/kg，堿解氮、速效磷和速效鉀量分別為91.8、3.46 和55.2 mg/kg。試驗期間地下水埋深大于3.0 m。

1.2 試驗設計

試驗采用二因素隨機區組設計，在拔節期進行灌水和追施氮肥處理。灌水量設置3 個水平，0 mm（W1），60 mm（W2）和90 mm（W3）。拔節期追氮量（純氮）分別為0 kg/hm2（N1）、75 kg/hm2（N2）和150 kg/hm2（N3）。播種前基施氮肥（純氮）150 kg/hm2。施用氮肥為尿素（含N 46%）。基施P2O5112.5 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2。磷肥為過磷酸鈣（含P2O546%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%）。試驗共9 個處理，各處理重復3 次，共27 個小區。小區面積為36 m2（3.6 m×10 m），相鄰小區之間設置1.2 m 寬的保護行。小麥品種為“矮抗58”，于2012年10月15日播種，2013年6月1日收獲。

前茬玉米收獲后，秸稈全部粉碎還田。各處理播種前土壤墑情和肥力處于同一水平，于2013年3月2日進行拔節期灌水追肥處理，灌水前按照試驗設計施入氮肥（W1 處理通過開小溝將氮肥施入麥田耕層土壤，W2、W3 處理灌水前撒施）。灌溉水源為地下水，利用涂塑軟管將井水引入試驗小區，各處理灌水量用精度0.001 m3的水表計量。各處理除拔節期外，其他生育期均未進行灌溉[18]。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 冬小麥生長發育

在冬小麥拔節期（2012年3月10日）、孕穗期（2012年4月10日）、揚花期（4月24日）及成熟期（2012年5月29日）進行群體動態調查和取樣。各小區隨機選取代表性植株10 株測量冬小麥株高、葉面積和地上部干物質量。株高、葉面積均采用精度為0.1 cm 的直尺測量，測量葉片最大長度和寬度，用0.75 的系數乘以葉片的長和寬，計算單片葉面積和單株葉面積，結合田間調查株數計算葉面積指數[18]。將樣品減掉地下部分，于105 ℃烘箱中殺青30 min，80 ℃烘干至恒質量，稱干質量。根據取樣株數換算地上部干物質量。

1.3.2 考種、測產及植株含氮量測定

冬小麥成熟期，取1 m 雙行調查穗粒數、成穗數等指標。各小區選取3 個1 m2實收計產，籽粒晾曬干后稱質量，折算成單位面積產量；從各小區測產的籽粒中隨機取1 000 粒，計算千粒質量[17-18]。

另取10 株植株，按不同器官分開，于105 ℃烘箱中殺青30min，80 ℃烘干至恒質量，稱干質量，樣品粉碎后H2SO4-H2O2消煮，參照鮑士旦的方法，采用半微量凱氏定氮法測定植株各器官全氮量[21]。根據取樣數計算干物質量和氮素積累量。

1.3.3 氮肥吸收利用率和水分利用效率計算[18-20]

1.4 數據處理

利用Microsoft Excel 2010、SAS6.0 軟件對數據進行統計分析。差異顯著性采用LSD 法進行比較。

2 結果與分析

2.1 冬小麥葉面積、株高和地上部干物質量

LAI、株高、地上部干物質量均隨著作物生育期的推進逐漸增加。灌水和施氮對拔節期、孕穗期、揚花期3 個時期LAI均具有顯著影響（表1）。灌水對拔節期、孕穗期、揚花期和成熟期株高均具有極顯著影響；施氮量對揚花期和成熟期株高均具有極顯著影響。灌水和施氮對揚花期、成熟期地上部干物質量影響顯著，對拔節期地上部干物質量影響不顯著；孕穗期僅灌水量對地上部干物質量影響顯著（表1）。

where p=2πLIECF/Λ is the phase difference between the odd and even modes. The local helicity of the interference can be expressed as13

表1 冬小麥LAI、株高、地上部干物質量方差分析結果Table 1 Variance analysis of LAI,plant height,and dry matter accumulation of winter wheat

LAI、株高和地上部干物質量隨追氮量的增加而增加。相同施氮量處理下，LAI、株高、地上部干物質量隨灌水量的增加呈增高趨勢，表現為：W1 處理

圖2 冬小麥葉面積指數、株高、地上部干物質量Fig.2 Leaf area index(LAI),plant high and dry matter accumulation of winter wheat

2.2 冬小麥籽粒產量

灌水和施氮通過影響千粒質量、穗粒數、成穗數影響冬小麥籽粒產量。灌水量和施氮量對冬小麥千粒質量、穗粒數、成穗數影響均達到極顯著水平（P<0.01）（表2）。灌水和施氮的交互作用對千粒質量影響達到極顯著水平（P<0.01），對成穗數影響達到顯著水平（P<0.05）。同一施氮條件下，成穗數、穗粒數隨灌水量的增加而增加，千粒質量則呈降低趨勢。同一灌水條件下，成穗數和穗粒數隨著施氮量的增加而增加，在W1 處理條件下，N2、N3 處理顯著高于N1處理（P<0.05）；在W2、W3 處理條件下，N2、N3處理差異不顯著（P>0.05）。同一灌水處理下N2、N3處理千粒質量顯著低于N1 處理，且在W3 處理條件下，N2、N3 處理間差異也達到顯著水平（P<0.05）。

表2 冬小麥產量及其構成方差分析結果Table 2 Variance analysis of yield and its components of winter wheat

拔節期灌水和施氮及二者的交互作用對冬小麥產量影響達到極顯著水平（P<0.01）。冬小麥產量隨灌水量和施氮量增加呈增加趨勢。同一灌水條件下，N2、N3 處理產量顯著高于N1 處理。在W1、W2 處理條件下，N3 處理產量顯著高于N2 處理；在W3處理條件下，N2、N3 處理無顯著差異。說明在W3灌水條件下，N2 處理氮肥施用量較為適宜，繼續增加施氮量增產效果不顯著。同一施氮水平下，冬小麥產量隨灌水量的增加而增加。在N1、N2 處理條件下，W3、W2 處理產量顯著高于W1 處理，分別比W1 處理增產31.33%、23.70%和38.53%、17.82%；N3 處理條件下，W3、W2 處理產量分別比W1 處理增產9.34%、3.50%，但W3、W2 處理二者間差異不顯著。

2.3 冬小麥產量與生長性狀及產量構成相關性分析

對冬小麥籽粒產量與生長性狀、產量構成進行相關性分析，結果如表3 所示。

表3 籽粒產量、生長性狀及產量構成間相關系數Table 3 The correlation coefficient of grain yield,growth characters and yield composition

冬小麥生長性狀與籽粒產量均顯著正相關，說明提高冬小麥LAI、株高、地上部干物質量均有利于提高冬小麥籽粒產量。籽粒產量與成穗數和穗粒數極顯著正相關，千粒質量與籽粒產量極顯著負相關，說明在本試驗條件下，產量的增加主要是由穗粒數和成穗數增加促成的。除千粒質量與其他性狀極顯著負相關外，其他各指標間均顯著或極顯著正相關。說明各個因子間存在相關性和制約性，在進行農田管理措施時，應使各個性狀指標協調發展，充分發揮冬小麥的產量潛力。

2.4 冬小麥氮肥吸收利用和水分利用效率

籽粒吸氮量、地上部氮素積累量均隨灌水量和施氮量的增加而顯著增加。同一灌水水平，籽粒吸氮量和地上部氮素積累量隨施氮量的增加而增加（圖3），在W1 處理條件下，N3 處理顯著高于N2、N1 處理，3 個氮肥梯度差異顯著；在W2、W3 處理條件下，N2、N3 處理顯著高于N1 處理，但二者間差異不顯著（P>0.05）。

圖3 冬小麥籽粒吸氮量及地上氮總量Fig.3 N amounts of grain and aboveground of wheat

圖4 冬小麥氮肥生產效率Fig.4 Nitrogen fertilizer production efficiency of wheat

圖5 籽粒氮肥吸收利用率Fig.5 Nitrogen fertilizer use efficiency of grain

圖6 冬小麥水分利用效率Fig.6 Water use efficiency of wheat

3 討論

3.1 水氮處理下冬小麥生長狀況

水氮是影響作物生長的重要環境因子，二者在作物生長發育過程中存在明顯的耦合效應[15]。在冬小麥生長前期水分充足條件下，適宜的施氮可以促進冬小麥葉面積、株高和干物質量增長[27]。施用氮肥對作物的生長調節具有閾值效應，即過量的施氮可能不利于作物的生長[24-27]。拔節期是冬小麥需水敏感期[22-23]，拔節期缺水對冬小麥生長有明顯的抑制作用，導致株高、葉面積減小，干物質積累量降低[28]。本試驗冬小麥拔節期的降水量僅為8.1 mm，該時期灌溉、追肥措施為冬小麥高產創造了較為適宜的水肥條件。本研究表明，LAI、株高和地上干物質量隨拔節期灌水量和追氮量的增加呈增加趨勢。LAI、株高和地上干物質量最高值均出現在W3 處理條件下，但與同生育期W2N2、W2N3 處理間無顯著差異。說明拔節期灌水和施氮，提高了LAI、株高，改善冬小麥冠層結構，截獲更多的光能，進行更多的光合作用，最終提高冬小麥干物質量[22-23]，但超過一定的灌水量和施氮量，增加效果減弱。

3.2 水氮處理下冬小麥產量及構成

水氮是影響作物產量的重要的可調控因子，采取適宜的水氮管理模式對農業高產穩產具有重要意義。適當地增加灌水和施氮量可以提高作物產量，但存在一定的臨界值，超過臨界值冬小麥產量無顯著變化[11-13]。本試驗表明，隨拔節期灌水量和施氮量的增加，冬小麥籽粒數和成穗數增加，產量逐漸增加。在拔節期灌水量為90 mm，追氮量為75 kg/hm2時獲得最高產量，繼續增加施氮量，產量增加不顯著。說明灌水和追氮對冬小麥增產作用存在一定的臨界值，與前人的研究結果[15-17]相似。本研究中，冬小麥籽粒產量和穗粒數、成穗數正相關，表明拔節期灌水、追氮有利于增加冬小麥成穗數和穗粒數，最終促進產量的提高。

3.3 水氮處理下冬小麥氮肥吸收利用

作物對氮肥的吸收利用受水氮的共同影響。在一定的灌水范圍內，隨施氮量增加植株氮素積累量增加，但施氮量達到一定程度后增加效果減弱，甚至呈下降趨勢[19-20]。本研究中W3N2 處理冬小麥植株氮素積累量和籽粒含氮量最高，但與W3N3 處理差異不顯著，說明拔節期灌水、追施氮肥促進了小麥植株對氮素的吸收利用，但在N2 基礎上繼續增加施氮量，不利于植株氮素積累量增加及氮素向籽粒的轉移。

在一定的施氮量和灌水量范圍內，灌水有助于氮肥生產效率提高，施氮有助于水分利用效率提高。本研究中W3N2 處理比W3N3 處理氮肥生產效率提高35.10%，水分利用效率提高4.08%。說明拔節期灌水和追施氮肥可以顯著提高冬小麥的水氮利用效率，但追氮量超過一定量會降低水氮利用效率，這一結論得到了相關研究[15-16]的支持。

拔節期追肥籽粒氮肥吸收利用率反映追施氮肥對籽粒氮積累量的影響。本研究W3N2 處理籽粒氮肥吸收利用率最高為0.53 kg/kg，顯著高于其他處理。說明拔節期灌水促進了籽粒對氮肥的吸收利用。綜合考慮作物氮素積累量和水氮利用效率，W3N2 處理是最佳的拔節期水肥管理模式。本研究中最大氮素積累量和籽粒含氮量均出現在最高灌水量處理中，與雒文鶴等[25]關于節水條件下作物氮素吸收利用的研究結果略有差異，造成結果不同的原因可能是因為本試驗年度降水量及其分布、土壤基礎肥力、施氮方式等差異所致。

本試驗僅對拔節期灌溉、追氮條件下冬小麥生長性狀和氮肥吸收利用進行了初步的研究探討，以上結論還有待于進一步研究驗證，以期為不同降水年型條件下水氮高效管理模式提供更為精準的理論依據和數據支持。

4 結論

拔節期灌水和追施氮肥對冬小麥葉面積、株高、地上部干物質量和籽粒產量均有顯著影響。W3N2 處理冬小麥葉面積指數、株高、地上部干物質量獲得較大值，籽粒產量達到最高為6 919.02 kg/hm2。

拔節期灌水和追施氮肥促進了冬小麥對氮素的吸收利用，W3N2 處理冬小麥植株氮素積累量和籽粒含氮量最高，并獲得較高的氮肥生產效率和水分利用率。拔節期追施氮肥籽粒氮肥吸收利用率也獲得最大值。

綜合考慮冬小麥生長狀況、植株氮素積累量及水氮利用效率，本試驗條件下，基施氮肥150 kg/hm2，拔節期灌水90 mm，追施氮肥75 kg/hm2的水氮投入模式可作為當地適宜的冬小麥生產水氮高效利用模式。