管渠灌溉和施氮量對冬小麥產量和氮素利用效率影響

魏匯慶,邵亞茹,宮儷芹,陳立山,禹江達,王春堂

管渠灌溉和施氮量對冬小麥產量和氮素利用效率影響

魏匯慶,邵亞茹,宮儷芹,陳立山,禹江達,王春堂*

山東農業大學水利土木工程學院, 山東 泰安 271018

在冬小麥種植過程中，管渠灌溉節水效果顯著，但在氮肥利用上還未明晰合理指標。為探究管渠灌溉冬小麥適宜的施氮量，本試驗設置6個處理，管渠灌溉條件下不施氮處理（G-N0），施氮150 kg/hm2（G-N1），施氮240 kg/hm2（G-N2），施氮300 kg/hm2（G-N3），施氮360 kg/hm2（G-N4），畦灌條件下施氮300 kg/hm2（Q-N3），其中G-N0為空白對照，G-N3為傳統施氮對照，分析管渠灌溉不同施氮量對干物質積累量、籽粒產量和氮肥利用效率的影響以及管渠灌溉與傳統畦灌相同施氮量的干物質積累量、籽粒產量和氮肥利用效率的影響。結果顯示，在G-N2和G-N3處理干物質積累量相較于G-N0處理分別增加了22.87%和21.07%，籽粒產量相較于G-N0處理分別增加了69.92%和68.08%，兩個處理都能實現高產；在G-N2處理的氮肥農學利用效率和氮肥生理利用效率最高，而過量施氮G-N4處理的氮肥農學利用效率和氮肥生理利用效率明顯降低，氮肥偏生產力隨著施氮量的增加而降低；管渠灌溉G-N3處理與傳統畦灌Q-N3處理相比干物質積累、產量和氮肥利用效率顯著增加，成熟期籽粒干物質積累增加了8.54%，籽粒產量增加了14.41%，氮肥偏生產力增加了14.44，氮肥農學利用效率和氮肥生理利用效率分別增加了45.07%和17.84%。因此，管渠灌溉下冬小麥較優施氮量為240 kg/hm2。

管渠灌溉; 冬小麥; 氮肥利用效率

小麥作為我國的主要糧食作物之一，產量和品質的提高是不斷追求的，隨著各種灌水方式的不同，提高了小麥產量和品質的同時，極大的節約了農業用水[1,2]，我國很多農民為了追求產量，往往存在過量施氮和施氮不合理的問題，過量施氮不僅不會提高產量，也會導致氮肥利用效率降低和地下水污染[3,4]，氮肥的合理利用能夠提高氮肥利用效率，在作物不同時期施氮量的不同也會影響作物的產量和水氮空間分布狀況[5]。因此，在小麥種植生產過程中，合理選擇灌水方式和施氮量，才能更好地節約用水和提高小麥的產量和品質。

我國農業用水在水資源中占有很大比例[6]，在節水灌溉中，選擇適宜的灌水方式是節約用水的重要途徑[7]，然而有很多地區采用漫灌、畦灌、交替灌溉等地面灌溉方式，這些灌溉方式普遍存在灌水均勻性差，水資源浪費嚴重，深層滲漏嚴重，氮素淋失的缺點[8-10]，因此選擇適宜的灌水方式對水資源的合理利用顯得尤為重要。

管渠灌溉作為一種新興的灌水方式，能夠實現大田定量控水灌溉，杜絕深層滲漏，灌水均勻度高，因依靠管渠代替田面輸水，灌水質量不受畦田長度的影響，解決長畦灌水難的問題，適應性強，可多條管渠同時灌溉，節約勞動力[11]。前人研究表明，管渠灌溉方式對土壤有較好的水分入滲特性[12]，管渠灌溉有較好水流擴散，灌水均勻度高，也有較高的灌溉水評價指標[13]。管渠灌溉與傳統畦灌、波涌流灌溉相比，能提高冬小麥的產量和水分利用效率[14]，同時在適當減少氮肥使用量的情況下，依然能夠實現夏玉米較高的產量和氮素更好的吸收利用[15]。本研究基于大田實驗，研究管渠灌溉條件下不同施氮量對冬小麥產量以及氮肥利用效率的影響，探究能使冬小麥達到較高產量和品質的同時，又能提高氮肥利用效率的適宜施氮量。

1 材料與方法

1.1 試驗原理

管渠灌溉是將管渠（頂部開敞的圓缺型輸水管槽，或稱為渠槽管，如圖1所示）布設在畦田中間且具有一定的坡度，可與大田的田面坡度相等或相近，利用管渠輸水代替田面輸水，在管渠中設置與管渠內壁十分吻合的球體塞閥，通過拉動牽引繩控制塞閥在管渠內勻速移動，靠其阻擋作用，使管渠內水流在塞閥上游產生溢流，因供水流量不變，溢流段在灌水方向上沿管渠兩側均勻移動，這樣使灌溉水在大田縱向上等量均勻分布，灌溉水在大田內只是完成橫向擴散，在橫向擴散距離只有畦寬的一半，提高了灌溉水的橫向分布均勻度和水分利用效率，節約了用水。

1-管渠 2-塞閥 3-畦田

1.2 試驗材料

試驗地點為泰安市馬莊鎮（117°0′21″E，36°01′11″N）進行，試驗時間為2020年10月-2021年6月，供試驗材料為濟麥22，試驗區屬于暖溫帶大陸季風氣候，年平均降水量687.7 mm，年平均氣溫12.8 ℃，主要土壤類型為壤土，耕層為0～20 cm，有機質10.09 g/kg，土壤中全氮量0.68 g/kg，堿解氮量78.15 mg/kg，速效磷量45.83 mg/kg，速效鉀量131.25 mg/kg。

1.3 試驗設計

本試驗畦田的規格為1.8 m×120 m=216 m2，經調查，當地農民的傳統施氮量為300 kg/hm2，試驗設置6個處理，管渠灌溉條件下不施氮處理（G-N0）；施氮150 kg/hm2（G-N1）；施氮240 kg/hm2（G-N2）；施氮300 kg/hm2（G-N3）；施氮360 kg/hm2（G-N4）；畦灌條件下施氮300 kg/hm2（Q-N3）,每個處理重復3次，其中G-N0為空白對照，G-N3為傳統施氮對照。氮肥選用尿素（含氮46%），磷肥和鉀肥分別選用過磷酸鈣（含P2O512%）和氯化鉀（含K2O 60%），播種前施總氮量的40%和P2O5、K2O各120 kg/hm2，剩余氮肥于拔節期追肥，其它管理同當地冬小麥高產田。2020年10月3日播種，2021年6月8日收獲，生育期內總降雨量213.8 mm，管渠灌溉總水量為173.1 mm，畦灌總灌水量為173.1 mm，管渠灌溉的灌水量為畦灌灌水量的75%，灌水詳情見表1，降雨詳情見圖2。

表1 冬小麥生育期灌水量和灌水總量

圖2 冬小麥生育期內降雨量

1.4 測定項目與方法

1.4.1 地上部干物質積累在冬小麥返青期、拔節期、抽穗期、開花期、灌漿期和成熟期，于各處理小區0～40 m、40～80 m、80～120 m選取具有代表性的連續20株取樣，成熟期的樣品進行分樣，分為籽粒和植株（莖鞘+葉片），樣品于105 ℃烘箱殺青30 min后，調至85 ℃烘干之恒重量，稱重。

1.4.2 產量在冬小麥成熟期選取各處理小區 0～40 m、40～80 m、80～120 m田塊中長勢均勻的地段，每個地段的面積為1.8 m×2 m=3.6 m2，每個地段上選取具有代表性的小麥50株進行室內測量，測量穗數、穗粒數、千粒重和穗長，并將地段內全部小麥收獲脫粒，自然風干至籽粒含水量為12.5%左右，稱重之后計算出籽粒產量。

1.4.3 含氮量的測定與計算于成熟期各處理選取距畦首0～40 m、40～80 m、80～120 m選取代表性植株，烘干，研磨后過0.25 mm孔徑篩，采用凱式定氮法測定含氮量。氮素相關指標計算方法如下：氮肥農學利用效率（kg/kg）=（施氮處籽粒產量-不施氮處籽粒產量）/施氮量；氮肥偏生產力（kg/kg）=施氮區產量/施氮量；氮肥生理利用效率（kg/kg）=（施氮處籽粒產量-不施氮處籽粒產量）/（施氮處理地上部氮素積累量-不施氮處理地上部氮素積累量）。

1.5 數據統計與分析

采用Microsoft Excel整理和計算數據，用SPSS Statistics軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 冬小麥干物質積累

表2為不同生育時期冬小麥干物質積累，由表2可知，在管渠灌溉模式下，成熟期和開花期G-N0處理的籽粒和植株干物質積累量均顯著低于其他施氮處理，相較于G-N0處理，G-N1處理、G-N2處理、G-N3處理和G-N4處理成熟期籽粒干物質積累量分別增加7.14%、22.87%、21.07%和13.82%，成熟期植株干物質積累分別增加7.31%、22.66%、19.50%和14.22%，成熟期籽粒和植株干物質積累量在N2和N3處理時達到最大且無顯著差異，開花期干物質積累量分別增加16.65%、30.60%、13.25%和30.88%，返青期和拔節期不同施氮處理的干物質積累量都要高于N0處理的干物質積累量。管渠灌溉G-N3處理和畦灌Q-N3處理相比，返青期和開花期干物質積累量無顯著差異，拔節期管渠灌溉高于畦灌，成熟期籽粒和植株的干物質積累量管渠灌溉都顯著高于畦灌，分別增加8.54%和6.40%，在相同施氮量的情況下，管渠灌溉情況下籽粒和植株干物質積累量要高于畦灌。

表2 不同時期冬小麥干物質積累/g·m-2

注：不同小字母表示差異達5%顯著水平，下同。

Note: The represent significantly difference at 0.05 level, same as below.

2.2 冬小麥產量及構成因素

由表3可知，與G-N0相比，不同的施氮處理均顯著提高冬小麥的產量，相較于G-N0處理，G-N1處理、G-N2處理、G-N3處理和G-N4處理籽粒產量分別增加了33.32%、69.92%、68.08%和39.44%，由G-N0、G-N1和G-N2處理可以看出，冬小麥產量隨著施氮量的增加而增加，G-N2處理與傳統施氮量G-N3相比無顯著差異，G-N4處理與G-N3處理相比較，過量施氮處理的G-N4籽粒產量明顯降低，管渠灌溉的G-N3處理與畦灌的Q-N3處理的相比較，在相同施氮量的情況下，管渠灌溉的籽粒產量要高于畦灌。G-N0、G-N1和G-N2三個處理的穗粒數、穗長和千粒重的比較，穗粒數、穗長和千粒重隨著施氮量的增加而增加，G-N0與G-N1處理的公頃穗數無顯著差異，G-N2處理的公頃穗數明顯高于G-N0處理，G-N2與G-N3處理相比，公頃穗數、穗粒數、穗長和千粒重無顯著差異，過量施氮的G-N4處理與傳統施氮的G-N3相比，穗長和千粒重明顯降低，公頃穗數與穗粒數無顯著差異；管渠灌溉G-N3處理與畦灌Q-N3處理比較，公頃穗數、穗粒數和穗長無顯著差異，千粒重管渠灌溉要高于畦灌的方式。

2.3 不同處理對冬小麥氮肥利用效率的影響

由表4可知，管渠灌溉在G-N2處理氮肥農學利用效率達到最大值，與傳統施氮處理相比提高了28.45%，過量施氮處理的G-N4氮肥農學利用效率明顯降低，管渠灌溉傳統施氮G-N3處理與畦灌傳統施氮Q-N3處理相比氮肥農學利用效率顯著提高，管渠灌溉提高了45.07%。管渠灌溉不同施氮處理的氮肥偏生產力隨著施氮量的增加而降低，G-N1處理與G-N2處理相比較于G-N3處理氮肥偏生產力增加了58.60%和26.38%，傳統施氮量的管渠灌溉氮肥偏生產力要高于畦灌方式。管渠灌溉不同施氮處理氮肥生理利用效率隨著施氮量的增加而降低，在G-N2處理達到最大值，與G-N4處理無顯著差異，相同施氮量的管渠灌溉和畦灌相比，管渠灌溉的氮肥生理利用效率要高于畦灌。說明管渠灌溉在G-N2處理在降低了施氮量的情況下，氮肥農學利用效率，氮肥偏生產力，氮肥生理利用效率都有較高的結果。

表3 產量及產量構成因素

表4 不同處理氮肥利用效率

3 討論

合理選用灌水方式和適宜施氮量是提高小麥產量和氮肥利用效率的重要途徑。傳統施肥一般采用播種期施用大量氮肥作基肥，這不利于冬小麥后期生長和產量的提高，氮肥也得不到充分利用[10]。適宜的施氮量能夠促進小麥產量以及氮肥利用效率的提高[16]，而通過管渠灌溉方式以及相對應的施氮量，能夠實現小麥的高產和氮肥利用。研究表明，小麥的干物質積累量和產量會隨著施氮量增加而增加[17]，但是過量施氮也會抑制小麥的產量并且使得氮肥浪費嚴重，污染環境[8,9]。本研究中在管渠灌溉條件下產量和干物質積累量隨著施氮量增加出現先增加后降低趨勢，在G-N2和G-N3處理籽粒的干物質積累量和產量較高且無顯著差異，籽粒干物質積累量相較于G-N0處理分別增加了22.87%和21.07%，籽粒產量相較于G-N0處理分別增加了69.92%和68.08%，說明在管渠灌溉時施氮量在240 kg/hm2和300 kg/hm2都能實現冬小麥較高的產量和品質。

氮肥是冬小麥生長過程中不可缺少的元素，但在氮肥的使用過程中，存在氮肥用量大，利用效率低，甚至造成環境污染[7,8]，在氮肥使用過程，適量減少氮肥用量，提高氮肥利用效率，在冬小麥種植過程中是重要的。研究表明，在冬小麥種植過程中，不同的施氮時機和適量減少施氮量使氮肥更好利用，提高氮肥利用效率[10,18,19]。本研究中，在G-N2處理的氮肥農學利用效率和氮肥生理利用效率最高，而過量施氮G-N4處理的氮肥農學利用效率和氮肥生理利用效率明顯降低，氮肥偏生產力隨著施氮量的增加而降低，說明在管渠灌溉方式下，能夠使氮肥利用效率達到較高的施氮量為240 kg/hm2。

在冬小麥耕種過程中傳統畦灌作為農民常用的灌水方式，本身存在很多不足，畦灌水資源浪費嚴重，灌水效率低[20]，而且也會造成氮素淋失，降低氮肥的利用效率[21]，管渠灌溉與傳統畦灌相比，能夠明顯節約灌溉用水量，提高灌水效率[7]，促進氮肥利用效率。在本研究中，管渠灌溉G-N3處理與傳統畦灌Q-N3處理相比，管渠灌溉成熟期籽粒干物質積累量增加了8.54%，籽粒產量增加了14.41%，氮肥偏生產力增加了14.44，氮肥農學利用效率和氮肥生理利用效率分別增加了45.07%和17.84%。說明管渠灌溉與傳統畦灌相比，能提高冬小麥籽粒產量，提高氮肥利用效率。

4 結論

（1）管渠灌溉在不同施氮量的處理下，施氮量在240 kg/hm2和300 kg/hm2在籽粒干物質積累量和產量都無顯著差異，所以管渠灌溉適量減少施氮量不影響干物質積累和產量；

（2）管渠灌溉在不同施氮量的處理下，氮肥農學利用效率和氮肥生理利用效率在240 kg/hm2達到最大值，所以管渠灌溉方式較優施氮量為240 kg/hm2左右；

（3）管渠灌溉和傳統畦灌相比，相同施氮量管渠灌溉冬小麥的產量和氮肥利用效率明顯高于傳統畦灌。

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Effects of Pipe Irrigation and Nitrogen Application Amount on the Nitrogen Use Efficiency of Winter Wheat

WEI Hui-qing, SHAO Ya-ru, GONG Li-qin, CHEN Li-shan, YU Jiang-da, WANG Chun-tang*

271018,

In the process of winter wheat planting, the water-saving effect of pipe and canal irrigation is remarkable, but there is no clear and reasonable index of nitrogen fertilizer utilization. In order to explore the appropriate nitrogen application rate of winter wheat irrigated by pipe and canal, six treatments were set up in this experiment, including no nitrogen application under pipe and canal irrigation (G-N0). Nitrogen 150 kg/hm2(G-N1), nitrogen 240 kg/hm2(G-N2)，Nitrogen 300 kg/hm2(G-N3)，Nitrogen was applied 360 kg/hm2(G-N4)，Border irrigation under the condition of the 300 kg/hm2nitrogen (Q-N3), including G-N0as biank control, G-N3for traditional nitrogen control, ratio analysis pipe canal irrigation different N application rate on dry matter accumulation and grain yield and nitrogen use efficiency and the influence of the traditional canal irrigation and border irrigation of the same N application rate of dry matter accumulation and grain yield and nitrogen use efficiency. The results showed that compared with G-N0treatment, the dry matter accumulation of G-N2and G-N3treatments increased by 22.87% and 21.07%, and the grain yield increased by 69.92% and 68.08%, respectively. Both treatments could achieve high yield. The agronomic use efficiency and physiological use efficiency of nitrogen fertilizer in G-N2treatment were the highest, while the agronomic use efficiency and physiological use efficiency of nitrogen fertilizer in G-N4treatment with excessive nitrogen application were significantly decreased, and the partial productivity of nitrogen fertilizer decreased with the increase of nitrogen application rate. Compared with the traditional border irrigation Q-N3treatment, the canal irrigation G-N3treatment significantly increased dry matter accumulation, yield and nitrogen use efficiency. The grain dry matter accumulation increased by 8.54%, grain yield increased by 14.41%, and nitrogen partial productivity increased by 14.44. The agronomic and physiological use efficiency of nitrogen fertilizer increased by 45.07% and 17.84%, respectively. Therefore, the optimal nitrogen application rate of winter wheat under canal irrigation is 240 kg/hm2.

Canal irrigation; winter wheat; Nitrogen use efficiency

S512.1+1

A

1000-2324(2022)05-0705-06

2022-08-08

2022-08-18

山東省重點研發計劃項目(2018GNC110015);山東省自然科學基金(ZR2017MEE001)

魏匯慶(1997-),男,碩士研究生,研究方向:水利水電工程. E-mail:whq12318@163.com

通訊作者:Author for correspondence. E-mail:slx@sdau.edu.cn