返青后補灌與氮肥用量對旱地小麥產量及水氮利用效率的影響

趙凱男，吳金芝，黃明，李友軍，汪洪濤，黃修利，吳姍薇，張軍，趙志明，趙雯馨，李淑靖，李爽，李文娜

返青后補灌與氮肥用量對旱地小麥產量及水氮利用效率的影響

趙凱男，吳金芝，黃明，李友軍，汪洪濤，黃修利，吳姍薇，張軍，趙志明，趙雯馨，李淑靖，李爽，李文娜

河南科技大學農學院，河南洛陽 471023

【目的】基于高標準農田建設改善了旱地麥田灌溉條件，但小麥季通常僅能進行一次灌溉的生產實際，探索返青后補灌與氮肥互作對旱地小麥生產力、水氮利用以及土壤硝態氮殘留的影響，為旱地小麥高產高效和環境友好生產提供理論依據和技術支撐。【方法】于2019—2022年，在黃土高原與黃淮海平原交匯處的典型旱地小麥種植區，設置兩因素裂區試驗，灌溉水平為主處理，分別為全生育期不灌溉（I0）和返青后補灌（I1，小麥返青后0—40 cm土層首次出現土壤含水量低于田間持水量的60%時，補灌至田間持水量的85%，全生育期僅灌溉一次）。施氮量為副處理，分別為0（N0）、120（N120）、180（N180）和240 kg N·hm-2（N240）。分析小麥產量及其構成因素、水分利用效率、氮素吸收利用特征以及0—200 cm土層硝態氮殘留量。【結果】與I0相比，I1優化了小麥產量構成要素，增加了氮素吸收能力，籽粒產量和水分利用效率3年平均分別顯著提高55.8%和34.7%，0—200 cm土層硝態氮殘留顯著降低11.6%。隨著施氮量增加，I0水平下小麥產量、穗數、穗粒數和水分利用效率均呈現先升高后下降的趨勢，以N180處理最高；而I1水平下表現為先增加后保持穩定，N180和N240處理均保持較高水平。兩種灌溉水平下，增加施氮量均顯著降低了氮素利用效率、氮肥吸收效率和氮肥偏生產力，但N180處理下氮肥農學效率和氮肥表觀利用率與N120相比無顯著降低（2021—2022年度I1除外）。無論灌溉與否，增加施氮量均提高了成熟期麥田土壤硝態氮殘留量，I0水平下各施氮處理硝態氮主要富集在0—60 cm土層，且N180和N240處理在0—200 cm土層出現逐年累積效應；而I1較I0顯著降低了0—60 cm土層硝態氮殘留量，0—200 cm土層僅在N240處理下出現硝態氮累積。從互作效應看，3年試驗中，I1N180和I1N240組合均具有較高的籽粒產量和水分利用效率，但I1N180較I1N240降低了生育期耗水量和土壤硝態氮殘留量，并提高了氮效率。【結論】小麥返青后補灌配施氮肥180 kg N·hm-2可以優化產量構成要素，提高植株氮素積累量及積累強度，不僅在提高小麥產量的同時獲得最優氮效率，還能降低0—200 cm土層硝態氮殘留量，是旱地小麥在灌溉條件改善后兼顧小麥高產高效和環境友好生產的水肥組合。

返青后補灌；氮肥用量；旱地；小麥；產量；水分利用效率；硝態氮殘留

0 引言

【研究意義】干旱脅迫和氮肥過量是我國旱地小麥高產高效生產的主要限制因素。因水資源短缺，旱地小麥多采用“雨養”種植，其生長發育過程中面臨的干旱脅迫，易造成小麥產量低而不穩，氮肥利用效率降低，土壤硝態氮高量殘留等多種不利影響[1]。近年來，我國加快推進高標準農田進程，強化農田水利建設，很大程度上改善了旱地“靠天吃飯”的狀況。因此，立足于旱地灌溉條件有所改善的生產實際，研究旱地小麥灌溉與氮肥互作的產量效應及水氮利用能力，對糧食高產、資源高效以及環境保護均有重要意義[2]。【前人研究進展】水分和氮肥是調控作物生長的重要因素，合理灌溉和科學施氮可以大幅度提高作物產量，而水、氮過量和長期干旱脅迫則會降低肥料利用效率，加重資源浪費和環境污染[3]。關中平原地區，小麥季灌溉600和1200 m3·hm-2較不灌溉增產14.9%—300.1%，但灌溉處理間差異不顯著，且600 m3·hm-2處理利于提高水分和氮素利用效率，降低土壤硝態氮深層淋失風險[1]。華北平原地區，小麥季0—40 cm土層測墑補灌較定量灌溉（120 mm）減少用水26.9—46.9 mm，水分利用效率提高16.2%—16.7%，灌溉效益增加34.0%—68.1%[4]。關于階段性干旱的研究表明，小麥拔節后0—5 d 保持土壤相對含水量65%—70%時，籽粒產量與全生育期充分供水（75%— 80%）無顯著差異，而持續干旱則會大幅度降低分蘗成穗率、小穗數、穗粒數，最終導致小麥減產[5]。科學施氮是提高小麥產量的有效途徑，我國小麥推薦施氮量為150—225 kg N·hm-2[6]，但實際生產中氮肥投入量遠超作物生長需求，導致小麥氮肥利用效率低下，不僅造成氮肥資源浪費，而且過多氮素積累在土壤中易引起土壤硝態氮深層淋溶等環境問題[7]。已有研究表明，合理施氮能夠促進作物健壯生長，改善水肥吸收能力，增強植株抗旱性，從而降低干旱脅迫造成的不利影響[8-9]。然而，不同土壤水分條件下，氮素對作物的影響存在差異[9-13]。CLAY等[10]研究表明，適宜水分和干旱脅迫下氮肥對小麥生長分別表現為正向和負向調節效應，而適度干旱則無顯著影響。河北小麥節水穩產研究表明，拔節期灌溉75 mm配施氮肥120 kg N·hm-2，可在維持較高產量的前提下，降低生育期耗水量，提高水分利用效率，實現穩產與節水協同[11]。山東灌溉試驗表明，干旱脅迫降低了氮肥增產效果，而播前和拔節期各灌水60 mm，能夠促進小麥對20—140 cm土層水肥的吸收，減少硝態氮向100 cm以下土層淋溶，利于提高籽粒產量[12]。豫北水氮互作研究也表明，不灌溉或生育期灌一次水時，小麥最佳氮肥用量為180—240 kg N·hm-2，而灌兩次水時則為240 kg N·hm-2，且水氮互作顯著影響植株氮素的積累與轉運[13]。【本研究切入點】目前，關于灌溉和氮肥對小麥產量和氮肥吸收利用的研究主要集中于灌溉條件較好或沿河流分布的農業區，而在灌溉條件較差的旱作區，灌溉以及灌溉與氮肥互作對旱地小麥產量、水氮吸收利用以及土壤硝態氮殘留的影響尚缺乏研究，特別是在小麥返青后耗水量迅速增加的關鍵時期，通過測定土壤墑情適時補灌以緩解持續干旱造成不利影響的研究較少。隨著我國高標準農田建設的推進，旱區灌溉條件得到改善，小麥生育期內可以實現一次灌溉，如何利用好有限的水資源并配套適宜的施氮量尚有待深入探索。【擬解決的關鍵問題】因此，本研究在黃土高原與黃淮海平原交匯處的典型旱地小麥種植區，設置了連續3年的田間試驗，研究旱地小麥返青后補灌與氮肥互作對產量、水氮利用效率以及0—200 cm土層硝態氮殘留的影響，以明確與返青后補灌配施的氮肥用量，為實現旱地小麥高產高效和環境友好生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況和降水分布特征

試驗地位于黃土高原與黃淮海平原交匯處的河南省洛陽市孟津區小浪底鎮明達村，為典型旱地小麥種植區。該區屬于半濕潤易旱區，海拔120—481 m，年均氣溫13.7 ℃，日照時數2 270.1 h，無霜期235 d，20年平均降雨量為577.7 mm，其中約66.3%的降水集中在6—9月，且春旱發生頻率高，1—3月多年平均降雨量為36.3 mm。冬小麥-夏玉米輪作是當地主要的種植制度。試驗開始前0—20 cm耕層有機質含量14.7 g·kg-1、全氮1.11 g·kg-1、速效磷9.04 mg·kg-1、速效鉀139.6 mg·kg-1、土壤pH 7.57，0—40 cm土層田間持水量為27.4%，0—200 cm土層硝態氮殘留量438.2 kg·hm-2。試驗期間逐月降雨量和近20年月均降雨量見圖1，其中2020年5月10日前后，伴有一次強降雨，且雨后溫度驟升，14：00時相對濕度＜40%，屬于雨后青枯型干熱風災害；2021年5月14—16日連續3 d降水達到42.6 mm，但未形成干熱風農業氣象災害；2021年6—10月出現連續高量降雨，降水量達1031.9 mm，約為常規年份的2.5倍。

圖1 2019年6月至2022年5月逐月降雨量及近20年月均降雨量

1.2 試驗設計與田間管理

試驗于2019年9月至2022年6月進行，采用兩因素裂區設計，主區為全生育期不灌溉（I0）和返青后補灌（I1）兩種灌溉水平，副區為0（N0）、120（N120）、180（N180）和240 kg N·hm-2（N240），4個氮肥用量。返青后補灌處理，在小麥生育期僅灌溉一次，即返青后0—40 cm土層土壤含水量首次出現低于田間持水量的60%時，補灌至田間持水量的85%；小麥返青后每3天測定一次土壤含水量；補灌量計算采用水分平衡法，補灌量（mm）=10×ρb×H×（βi-βj）[14]。H為計劃濕潤土層深度（cm)；βi為0—40 cm土層目標土壤含水量的平均值（%，田間持水量乘以目標土壤相對含水量）；βj為補灌前0—40 cm土層土壤含水量的平均值；ρb為計劃濕潤層內土壤平均容重（g·cm-3）。灌水量用水表計量，返青后0—40 cm土層土壤水分動態變化及補灌量分別見圖2和表1。每個處理3次重復，小區面積為24.5 m2（3.5 m×7 m）。供試化肥分別為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含 P2O512%）和硫酸鉀（含 K2O 50%）。不灌溉處理，全部氮、磷（90 kg P2O5·hm-2）、鉀（60 kg K2O·hm-2）肥在小麥播種前3 d 人工均勻撒入相應小區，然后旋耕（15 cm）將肥料混入土壤；返青后補灌處理，50%氮肥以及全部磷鉀肥基施，50%氮肥于返青后隨補水追施。供試小麥品種為洛旱22，播量為187.5 kg·hm-2，于10月中下旬播種，6月初收獲。病蟲草害防治等田間管理措施按照當地農民生產習慣進行。

圖2 返青后麥田0—40 cm土層土壤含水量動態變化

表1 試驗期間麥田補灌前土壤含水量、目標含水量及灌水量

1.3 測定項目與方法

1.3.1 小麥生育期耗水量及水分利用效率的測定 于小麥播前和收獲后3—5 d，使用直徑4.0 cm土鉆，分別從各小區采集0—200 cm土層土樣，每20 cm為一層。將土樣帶至實驗室內，在鋁盒內裝入（50±5）g 鮮土，于105 ℃烘至恒重，計算土壤含水量。土壤貯水量、生育期耗水量及水分利用效率參照LI等[15]描述的方法計算。

土壤貯水量SWS（mm）= 10×D×H×W

式中，SWS為0—200 cm土層土壤貯水量（mm）；

D為土壤容重（g·cm-3）；H為土層厚度（cm）；W為土壤含水量（%）。

生育期耗水量ET（mm）= R+U-S-F-ΔW

式中，R為小麥生育期降水量（mm）；U為地下水補給量（mm）；S為徑流量（mm）；F為深層滲漏量（mm）；ΔW為小麥播前與收獲后0—200 cm土層土壤貯水量之差（mm）。當地下水埋深大于2.5 m，多年份降雨入滲深度不超過2 m時，U、S、F值可以忽略不計，本試驗地下水埋深5 m，且多年份降雨入滲深度不超過2 m，故U、S和F均為0。

水分利用效率WUE（kg·hm-2·mm-1）= Y/ET

式中，Y為籽粒產量（kg·hm-2），ET為生育期耗水量（mm）。

1.3.2 小麥植株氮素積累的測定 分別于小麥拔節、開花和成熟期，在各小區隨機取50株小麥，剪去根系后進一步處理，開花期分成莖葉鞘和穗，成熟期分成莖葉鞘、穗軸+穎殼（簡稱穎殼）和籽粒。70 ℃烘至恒重，測定干重后將樣品粉碎，用以測定植株全氮含量。全氮含量采用H2SO4-H2O2方法進行消解，采用AA3高通量連續流動分析儀（SEAL公司，德國）測定消解液中全氮含量（mg·L-1）[16]。各器官氮素積累量為該器官干物質量與其全氮含量的乘積，植株氮素積累量為各器官氮素積累量之和[17]。

1.3.3 籽粒產量及其構成要素的測定 于小麥4葉期，在各小區選擇具有代表性的1 m雙行進行定苗，全生育期不進行采樣等操作，用以統計莖蘗數。小麥收獲期，在各小區隨機選擇4個1 m×1 m樣方，混合后脫粒并稱重，取籽粒（50±5）g，70 ℃烘至恒重，測定籽粒含水量，籽粒產量以12.5%的含水量折算產量（kg·hm-2）。同時各小區隨機取50株小麥測定穗粒數和千粒重，穗粒數和千粒重使用自動考種分析儀（萬深SC-G）測定。

1.3.4 土壤硝態氮殘留量的測定 于小麥收獲期，從各小區采集0—200 cm土層土樣（取樣方法同1.3.1）。用1 mol·L-1KCl溶液50 mL浸提，在25—28 ℃下振蕩浸提1 h并過濾至透明塑料瓶，使用AA3高通量連續流動分析儀（SEAL公司，德國）測定浸提液中硝態氮含量（mg·L-1）。硝態氮殘留量（NA，kg·hm-2）采用DAI等[18]的計算方法，NR=Hi×Di×Ci×0.1，Hi為土層厚度（cm），Di為該土層土壤容重（g·cm-3），Ci為相應土層土壤硝態氮含量（mg·kg-1），0.1為轉換系數。

1.3.5 相關參數計算

植株氮素積累強度（kg·hm-2·d-1）=（當前生育時期地上部氮素積累量-前一生育時期地上部氮素積累量）/間隔天數[19]；

氮素利用效率（kg·kg-1）=籽粒產量/成熟期地上部氮素積累量[1, 17]；

氮肥吸收效率（kg·kg-1）=成熟期地上部氮素積累量/施氮量[2,17]；

氮肥農學效率（kg·kg-1）=（施氮區籽粒產量-不施氮區籽粒產量）/施氮量[1, 20]；

氮肥偏生產力（kg·kg-1）=籽粒產量/施氮量[2,17]；

氮肥表觀利用率（%）=（施氮區地上部氮素積累量-不施氮區地上部氮素積累量）/施氮量×100[20]。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2019軟件計算各處理的平均數、標準差，利用SPSS 23軟件進行處理間差異顯著性分析（新復極差法，Duncan)，＜0.05為顯著差異。圖表采用Microsoft Excel 2019制作。

2 結果

2.1 補灌與施氮對小麥產量及其構成要素的影響

由表2可知，灌溉與氮肥對旱地小麥籽粒產量及其構成要素具有顯著的調節作用。3年試驗結果表明，I1較I0顯著增加了籽粒產量，在2019—2020、2020—2021、2021—2022年度以及3年均值分別顯著提高75.7%、76.2%、26.3%和55.8%。增加施氮量對籽粒產量的影響因灌溉水平的不同存在差異。I0水平下，籽粒產量均在N180處理下達到最大值，其中，2019—2020和2020—2021年度較N0、N120、N240處理分別顯著提高33.7%、14.4%、7.0%和39.4%、9.1%、6.0%，2021—2022年度較N0和N120處理分別顯著提高29.7%和17.9%；I1水平下，籽粒產量均在N240處理下達到最大值，顯著高于N0和N120處理，但與N180處理差異不顯著。穗數和穗粒數變化規律與籽粒產量基本一致，I1水平下N180和N240處理均可達到較高水平。返青后補灌和增加施氮量均降低了千粒重，其中2019—2020和2020—2021年度，I1較I0分別顯著降低11.4%和12.5%；2019—2020、2020—2021和2021—2022年度，N240較N0分別顯著降低7.1%、8.7%和10.2%。綜上，返青后補灌主要是通過顯著提高穗數和穗粒數來增加籽粒產量。

2.2 補灌與施氮對小麥生育期耗水量及水分利用效率的影響

灌溉與氮肥對小麥生育期耗水量及水分利用效率具有顯著的調控作用（表3）。與I0相比，I1生育期耗水量在2019—2020、2020—2021、2021—2022年度以及3年均值分別顯著提高55.6、54.9、46.2和52.2 mm，水分利用效率分別顯著提高51.5%、50.4%、10.8%和34.7%。兩種灌溉水平下，小麥生育期耗水量均隨施氮量的增加而增加，在N240處理下達到最大值（除2020—2021年度I0外），其中，I0水平下，較N0、N120和N180處理，3年均值分別顯著增加34.0、26.2和14.0 mm，I1水平下顯著增加34.1、13.8和13.3 mm。施氮量對水分利用效率的影響因灌溉水平的不同存在差異，I0水平下，水分利用效率均為N180處理達到最大值，在2019—2020、2020—2021和2021—2022年度較其他氮肥處理分別提高5.4%—24.5%、4.9%— 33.9%和10.9%—20.4%，3年均值提高9.5%—26.1%；I1水平下，水分利用效率在 N180和N240處理下均保持較高水平，其中，2019—2020和2020—2021年度較其他氮肥處理分別提高3.1%—15.5%和4.9%—17.4%，而2021—2022年度在N120、N180和N240處理間無顯著差異。小麥生育期耗水量在不同生產年度間差異顯著，其中2020—2021年度生育期耗水量較2019—2020和2021—2022年度分別顯著降低36.5 和12.9 mm；水分利用效率在2020—2021和2021—2022年度間無顯著差異，但較2019—2020年度分別顯著提高26.1%和29.1%。

表2 不同處理對旱地小麥籽粒產量及其構成因素的影響

同一列數據后的不同小寫字母，表示同一年度處理間差異顯著（＜0.05）；*和**分別表示方差在＜0.05和＜0.01水平顯著

Different lowercase letters in the same column indicate significant difference among treatments in same year at＜0.05. * and ** indicate statistical significance of variance at＜0.05和＜0.01, respectively

表3 不同處理對旱地小麥生育期耗水量及水分利用效率的影響

數據后不同小寫字母表示同一年度處理間差異顯著，不同大寫字母表示不同年度間差異顯著（＜0.05）；*和**分別表示方差在＜0.05和＜0.01水平顯著

Different lowercase letters in the same column indicate significant difference among treatments in same year, and different capital letters indicate significant difference among each year (＜0.05). * and ** indicate statistical significance of variance at＜0.05和＜0.01, respectively

2.3 補灌與施氮對小麥不同生育時期植株氮素積累的影響

由圖3可知，旱地小麥植株氮素積累量隨生育進程的推進呈現增加趨勢，且兩年變化規律相同，但不同灌溉水平下，施氮量對植株氮素積累量的影響存在差異。I0水平下，2020—2021年度拔節期植株氮素積累量在N180處理下達到最大值，較N0、N120和N240分別顯著提高117.4%、29.5%和10.0%，而開花和成熟期以及2021—2022年度各生育時期均表現為N240≈N180＞N120＞N0。I1水平下，各生育時期植株氮素積累量均隨施氮量增加顯著提高，且均以N240處理最高，其中，拔節期兩年均值較N0、N120和N180處理分別顯著提高112.3%、25.4%和7.8%，開花期顯著提高108.1%、25.5%和7.0%，成熟期顯著提高95.7%、24.7%和7.4%。相同施氮量下，I1水平氮素積累量均顯著高于I0，其中，拔節、開花和成熟期兩年均值分別提高21.5%—39.2%、40.8%—54.2%和30.6%—50.6%。說明，返青后補灌能提高植株氮素積累量，且提高幅度表現為開花期＞成熟期＞拔節期。

誤差線為標準差，圖中不同小寫字母表示同一生育時期處理間在P＜0.05水平差異顯著

2.4 補灌與施氮對小麥不同生育階段植株氮素積累強度的影響

由圖4可知，兩種灌溉水平下，旱地小麥植株氮素積累強度均隨生育進程的推進呈現先升高后下降的變化趨勢，以拔節至開花階段達到最高，開花至成熟階段次之。不同灌溉水平下，各生育階段植株氮素積強度對施氮量的響應存在差異。I0水平下，拔節至開花階段植株氮素積累強度隨施氮量增加顯著提高，在N240 處理下達到最高值，兩年均值較N0、N120和N180處理分別顯著提高79.7%、28.0%和14.0%，而播種-拔節和開花-成熟階段均在N180處理下達到最高值，兩年均值較N0、N120、N240處理分別顯著提高115.2%、28.2%、6.4%和30.3%、16.7%、19.9%。I1水平下，除2020—2021年度開花-成熟階段較N180處理略有下降外，其他各生育階段植株氮素積累強度均以N240處理最高，其中，播種-拔節階段兩年均值較N0、N120和N180處理分別顯著提高112.4%、25.4%和7.7%，拔節—開花期提高109.2%、25.6%和5.8%（＞0.05），開花至成熟期顯著提高43.7%、20.9%和11.6%。相同施氮量下（N0除外），在播種-拔節和拔節-開花階段，I1水平植株氮素積累強度均顯著高于I0，兩年均值分別顯著提高21.3%—39.0%和55.8%—67.9%，而開花-成熟階段僅N240處理在2021—2022年度顯著提高30.9%。可見，返青后補灌可改善不同生育階段植株氮素積累強度，且在播種—拔節和拔節—開花階段表現最佳。

誤差線為標準差，圖中不同小寫字母表示同一階段處理間在P＜0.05水平差異顯著

2.5 補灌與施氮對小麥氮素吸收與利用的影響

由表4可知，與I0相比，I1可提高氮素利用效率、氮肥吸收效率、氮肥農學效率、氮肥偏生產力以及氮肥表觀利用率，3年均值分別顯著提高10.6%、43.8%、42.0%、55.4%和 58.1%。增加施氮量顯著降低了氮素利用效率、氮肥吸收效率和氮肥偏生產力，但I1水平下各指標均高于I0，其中N120處理下3年均值分別顯著提高12.1%、42.9%和59.3%，N180處理下分別顯著提高5.4%、40.4%和47.9%，N240處理下分別顯著提高6.3%、50.0%和59.0%。施氮量對氮肥農學效率和氮肥表觀利用率的影響在不同生產年度間略有差異，除2021—2022年度I1外，N180的氮肥農學效率和氮肥表觀利用率較N120處理未顯著降低甚至顯著增加。相同施氮量下，I1較I0氮肥農學效率和氮肥表觀利用率3年均值分別顯著提高16.2%—62.1%和49.1%—72.%，表明，適量增加施氮量能夠穩定或提高旱地小麥氮肥農學效率和氮肥表觀利用率，且返青后補灌下具有較高的氮效率。

表4 不同處理對小麥氮素吸收和利用的影響

同一列數據后的不同小寫字母，表示同一年度處理間差異顯著（＜0.05)；*和**分別表示處理間差異在＜0.05和＜0.01水平顯著

Different lowercase letters in the same column indicate significant difference among treatments in same year at＜0.05. * and ** indicate statistical significance of variance at＜0.05 and＜0.01, respectively

2.6 補灌與施氮對旱地麥田土壤硝態氮殘留的影響

由圖5可知，灌溉方式顯著影響著0—200 cm土層硝態氮的空間分布，I0水平下，隨著土層深度的增加，土壤硝態氮殘留量呈下降趨勢，而I1水平下，2019—2020和2020—2021年度呈現先降低（60 cm）后升高（160 cm）再降低的“S”形變化趨勢，2021—2022年度，因受播種前和生育期內降水的影響，除N240處理土壤硝態氮殘留量在80—200 cm土層出現小幅度上升趨勢外，其他處理變化規律與I0水平下相似。相同施氮量下（N0除外），I1較I0降低了0—60 cm土層硝態氮殘留量，在2019—2020、2020—2021和2021—2022年度分別顯著降低33.3%—48.5%、59.0%—63.9%、49.4%—55.0%，而60—200 cm土層硝態氮殘留量分別顯著提高13.3%—17.0%、18.3%— 28.4%、41.8%—88.3%，就0—200 cm土層硝態氮殘留量來看，3年均值I1較I0顯著降低8.9%—19.9%。

兩種灌溉水平下，增加施氮量均提高了成熟期麥田0—200 cm土層硝態氮殘留量。在2019—2020、2020—2021和2021—2022年度，I0水平下，N240較其他氮肥處理分別顯著提高15.0%—115.5%、16.1%— 439.6%和54.6%—312.4%，I1水平下，分別顯著提高18.8%—127.3%、19.2%—709.4%和84.5%—344.9%。與試驗起始時（2019—2020播前，438.2 kg·hm-2）相比，2020—2021年成熟期，I1水平下N0和N120處理0—200 cm土層硝態氮殘留量分別顯著降低77.3%和28.4%，而N180和N240處理分別顯著提高5.8%和22.7%；I1水平下，N0、N120和N180 處理分別顯著降低85.8%、32.8%和3.7%，在N240 時顯著提高14.8%。2021—2022年成熟期，各處理0—200 cm土層硝態氮殘留量較2019—2020和2020—2021年度均有所降低，且主要富集在0—60 cm土層，其中，I0水平下各氮肥處理0—60 cm土層硝態氮殘留量占0—200 cm土層硝態氮總量的55.5%—82.5%，I1水平下占39.7%—59.8%。

誤差線為標準差。*和**分別表示差異在P＜0.05和P＜0.01水平顯著

3 討論

3.1 補灌與氮肥互作提高小麥產量和水分利用效率

灌水和施氮是優化產量構成要素，實現小麥高產的重要措施[21-22]，小麥返青后需水量快速增加，尤其拔節-開花期作為需水生理臨界期，需（耗）水量最多，該時期適宜的土壤水分有利于提高群體數量，協調產量構成要素，對保障小麥穩產高產具有重要意義[23-24]。本研究表明，與I0相比，I1水平下小麥生育期耗水量3年均值提高52.2 mm，但穗數、穗粒數、籽粒產量和水分利用效率分別顯著提高29.4%、28.9%、55.8%和34.7%，說明返青后適時補灌可實現旱地小麥高產和水分高效。增產增效的主要原因在于，通過連續測定小麥根系主要分布土層（0—40 cm）的土壤水分含量，當其降至輕度至中度干旱范圍時，及時補灌至適宜水分狀態[14, 25]，既能夠改善耕層土壤水分狀況以促進分蘗和幼穗分化，保障田間群體數量，又能夠達到節約水資源的目的，最終實現旱地小麥高產高效生產[26]；而不灌溉條件下，因該地區小麥生育期降雨量僅為81.6—252.8 mm（圖1），尤其在返青-開花期有效降水量僅為11.1—88.3 mm（圖1），難以滿足植株正常生長需要，導致分蘗大量消亡，最終造成小麥減產[27]。豫中節水灌溉研究結果也表明，與自然降水相比，拔節后土壤相對含水量保持在70%±5%時，穗數、穗粒數和千粒重分別提高19.2%、11.3%和7.8%，產量提高13.8%[2]。山東測墑補灌研究表明，與補灌深度0—20 和0—140 cm相比，補灌深度為0—40 cm時，穗數、穗粒數和千粒重分別提高5.9%—9.1%、6.3%—10.7%和3.1%—7.8%，產量和水分利用效率提高7.0%—26.5%和-1.8%—7.7%[28]。本研究中，2019—2020和2020—2021年度，千粒重I1較I0處理分別顯著降低11.4%和12.5%，可能是由于返青后補灌顯著提高了群體數量和穗粒數（表2），但在生育期僅灌溉一次的情況下，較大的群體使籽粒灌漿能力有所降低，因此無法同水資源充足的灌區一樣實現產量三要素的同步提高。此外，田間調查發現，返青后補灌小麥生育進程較不灌溉推遲3 d左右，2019—2020年度灌漿期干熱風造成籽粒灌漿時間減少，而2020—2021年度灌漿中期連續3 d 較高的降雨量（共42.6 mm）也降低了處理間的差異，最終在多種因素共同作用下，導致返青后補灌的千粒重較不灌溉有所下降。

本研究中，增加施氮量，I0水平下穗數、穗粒數、籽粒產量以及水分利用效率均呈現先增后降的變化趨勢，3年中均以N180處理最高，而I1處理改善了土壤水分狀況，因此上述指標表現為先增加后穩定，在N180和N240處理下均保持較高水平，說明不灌溉條件下增加施氮量，雖然能夠提高小麥生產力，但施氮量超過180 kg N·hm-2后增產能力會顯著降低，而返青后補灌改善了土壤水分狀況，促進了小麥生長發育，對氮素的需求隨之提高[13]，因此在240 kg N·hm-2施氮量下依然可以保持較高的生產能力。此外，雖然2021—2022年度生育期降雨量僅為81.6 mm，但播種前夏季降雨量高達1 031.9 mm，因此I0水平下小麥產量顯著高于2019—2020和2020—2021年度，說明充足的底墑有利于增加旱地小麥產量；同時本年度I1較I0增產26.3%，表明返青后補灌在底墑較好年份依然具有增產作用。

3.2 補灌與氮肥互作提高小麥氮素積累量及積累強度

水分虧缺會導致氮素積累量以及吸收強度的顯著降低[29]，優化土壤水分供應可改善植株氮素積累特性，且水氮之間具有顯著的交互作用[21, 30]。張麗霞等[21]研究表明，春旱頻發情況下及時灌溉有利于提高植株氮素積累量，在生育期灌水量1 350 m3·hm-2條件下，施氮量為240 kg N·hm-2時達到最大值，而施氮量（270 kg N·hm-2）過大則會顯著降低植株氮素積累量。韓占江等[30]展開的測墑補灌試驗表明，與生育期灌溉量0、83.0、103.4 mm相比，灌溉量為43.8 mm時，開花和成熟期植株氮素積累量分別顯著提高15.5%、18.0%、13.3%和23.7%、26.0%、7.1%。史桂清等[19]也發現，節水條件下，施氮量225 kg N·hm-2與112.5 kg N·hm-2相比，小麥在拔節、孕穗、開花、成熟期植株氮素積累量分別提高3.2%、15.1%、19.4%、31.7%，拔節-孕穗、孕穗-開花、開花-成熟階段植株氮素積累強度分別提高56.3%、63.2%、74.1%。本研究表明，與I0相比，I1水平下拔節、開花和成熟期植株氮素積累量兩年均值分別顯著提高31.1%、50.3%和42.3%，播種-拔節和拔節-開花階段積累強度分別顯著提高29.7%、56.5%，說明，返青后補灌可促進旱地小麥對氮素的吸收積累，這與返青后適時灌溉能夠提高土壤酶活性[31]、促進土壤養分活化[32]，優化根系生長特征，延緩根系衰老速度[33-34]有重要關系。

增加施氮量可以在一定程度上減輕水分脅迫對植株生長造成的不利影響[22]，但嚴重干旱條件下會限制氮肥肥效發揮，降低小麥植株氮素吸收和積累，造成氮肥資源浪費和環境污染等嚴重問題[8-10,35]。本研究中，I0水平下，除拔節-開花階段植株氮素積累強度外，其余各生育時期植株氮素積累量及積累強度均在N180處理下達到最大值，繼續增加施氮量無顯著促進作用，這與前人報道的干旱降低氮素吸收能力的研究結果相近[29, 35]；而I1水平下，增加施氮量各生育時期植株氮素積累量及積累強度均表現為顯著增加（除2020—2021年開花-成熟階段植株氮素積累強度外），說明返青后補灌能夠提高植株氮素積累能力，其適宜的施氮量也相應增加。前人的研究也表明，適宜的土壤水分能夠促進小麥植株對土壤養分的吸收同化，有利于植株氮素的積累以及氮素向籽粒中的轉移[36]，但自然降水條件下，施氮量從195 kg N·hm-2增加至270 kg N·hm-2，開花和成熟期氮素積累量分別下降5.7%和10.6%[2]。

3.3 補灌與氮肥互作提高小麥氮素吸收與利用效率

提高氮效率是衡量灌溉、施肥科學性的重要指標。前人研究表明，與不灌溉相比，華北平原小麥季灌溉43.8 mm，氮肥吸收效率和氮肥生產效率分別提高23.8%和24.7%[30]；關中平原小麥季灌溉600 m3·hm-2，氮肥農學效率和氮素利用效率分別提高263.5%和54.7%[1]。本研究條件下，I1較I0 氮素利用效率、氮素吸收效率、氮肥農學效率、氮肥偏生產力和氮肥表觀利用率，3年均值分別顯著提高10.6%、43.8%、42.0%、55.4%和 58.1%，同時I1還能夠減緩增加施氮量引起的氮效率降低現象，對旱地小麥高產高效生產具有重要意義。在灌溉與氮肥互作調控小麥氮效率方面，關中平原小麥越冬期灌溉600 m3·hm-2并配施氮肥150 kg N·hm-2能夠提高氮素利用效率、氮肥表觀利用率和氮肥農學效率[37]；華北平原地區，相同施氮量下，小麥拔節和開花期各灌溉75 mm，較不灌溉氮素利用效率和氮素吸收效率分別提高23.7%—84.8%和8.9%—74.0%[38]。本研究中，兩種灌溉水平下，增加施氮量，氮素利用效率、氮肥吸收效率和氮肥偏生產力均顯著降低，而N180處理下氮肥農學效率和氮肥表觀利用率較N120處理無顯著降低（除2021—2022年度適時補灌外），甚至顯著增加，且I1水平下各指標均高于I0。同時，3年試驗中，在高產處理（I1N180）下氮肥偏生產力和氮肥表觀利用率分別為38.4—44.9 kg·kg-1和31.9%—64.5%，分別高于全國平均水平29.5 kg·kg-1[39]和31.2%[40]，有利于小麥產量和氮素吸收利用的協同提高。

3.4 補灌與氮肥互作降低麥田土壤硝態氮殘留

土壤硝態氮是作物吸收氮素的主要形式，其在土壤剖面中的分布受灌溉和施肥的影響較大[2,10]。西北地區節水灌溉研究表明，土壤硝態氮殘留量隨施氮量的增加顯著提高，且灌溉加速了硝態氮向深層遷移[1]。華北平原高產麥田研究也表明，在210—300 kg·hm-2施氮范圍內，隨著灌溉量的增加，土壤硝態氮逐漸遷移至100 cm以下土層，且施氮量越高深層積累越多[12]。本研究中，與I0相比，I1水平下0—200 cm土層硝態氮殘留量，3年均值顯著降低8.9%—19.9%，但影響效果因土層而異，其中0—60 cm土層3年均值顯著降低47.8%—54.9%，而60—200 cm土層顯著提高16.1%—23.3%，可見，I0水平下土壤硝態氮主要富集在0—60 cm土層，而I1水平下，由于灌溉使土壤硝態氮隨水分向深層運移，從而土壤硝態氮呈現淺層降低深層增加的趨勢。究其原因，一方面是小麥根系90%以上分布在0—60 cm土層[41]，返青后補灌有利于各生育時期植株對該土層氮素的吸收；另一方面，灌溉處理由于上層土壤水分增加，作物根系對深層土壤水分和硝態氮的吸收減少，進而使深層土壤硝態氮殘留量增加[42]；還有可能是土壤硝態氮容易隨水分遷移，灌溉后水分下滲易造成的硝態氮淋洗，但其真正原因及其作用大小還有待進一步探究。

本研究條件下，兩種灌溉方式中，增加施氮量均顯著提高了0—200 cm土層硝態氮殘留量，說明增施氮肥會提高土壤硝態氮殘留量，這與前人研究結果一致[1,7,12]。本研究還發現，與試驗起始時（2019—2020年播種期）0—200 cm土層硝態氮殘留量相比，2020—2021年度成熟期，I0水平下N180和N240處理硝態氮表現出累積效應，硝態氮殘留量顯著提高5.8%—22.7%，而I1水平下在施氮0—180 kg N·hm-2范圍內降低3.7%—85.8%，表明返青后補灌條件下，0—180 kg N·hm-2施氮范圍內不會造成0—200 cm土層硝態氮逐年積累，這可能是由于返青后補灌下具有較高的群體數量，增加了氮素庫容量，促進了植株對氮素的吸收能力[43-44]，這對保障旱地小麥高產的同時，減少土壤硝態氮殘留量具有重要意義。本研究還發現，土壤硝態氮殘留狀況還與降水有關，2021年夏季降水量大（1 031.9 mm），對0—200 cm土層硝態氮的空間分布產生重要影響，尤其對易發生硝態氮逐年積累效應的N180和N240處理影響更大，致使本年度小麥成熟期0—200 cm土層硝態氮空間分布與2019—2020和2020—2021年度明顯不同。因此在生產中應考慮降水對土壤硝態氮的影響，探索不同降水量下土壤硝態氮分布特點以及小麥生育期土壤硝態氮變化規律，對高效利用土壤硝態氮殘留并降低其向深層淋溶具有重要意義。

4 結論

返青后補灌和氮肥互作對旱地小麥產量、水氮吸收利用和土壤硝態氮殘留均有顯著影響。返青后補灌較不灌溉可改善小麥氮素吸收能力，提高水氮利用效率，最終顯著增加了籽粒產量，降低土壤硝態氮殘留量。增加施氮量能夠提高植株氮素積累量，但降低了小麥氮效率，增加了土壤硝態氮殘留量，但在施氮0—180 kg N·hm-2范圍內返青后補灌土壤硝態氮殘留未出現逐年累積效應。返青后補灌配施氮肥180或240 kg N·hm-2均可獲得較高的籽粒產量和水分利用效率，但配施氮肥180 kg N·hm-2具有較高的氮效率，且降低了生育期耗水量和0—200 cm土層硝態氮殘留量，整體效應優于配施氮肥240 kg N·hm-2處理。因此，返青后補灌配施氮肥180 kg N·hm-2是基于旱地麥田灌溉條件改善后實現小麥高產高效和環境友好生產的肥水組合。

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Effects of Supplemental Irrigation After Regreening and Nitrogen Fertilizer Application Rates on Wheat Yield, Water and Nitrogen Use Efficiency in Dryland

ZHAO KaiNan, WU JinZhi, HUANG Ming, LI YouJun, WANG HongTao, HUANG XiuLi, WU ShanWei, ZHANG Jun, ZHAO ZhiMing, ZHAO WenXin, LI ShuJing, LI Shuang, LI WenNa

College of Agriculture, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, Henan

【Objective】The project of high standard farmland construction in China has improved the irrigation conditions in dryland, however, there is usually only once limited irrigation that could be carried out in wheat growing season. In this study, the effects of supplemental irrigation after regreening and nitrogen (N) fertilizer rates on productivity, water and N utilization in dryland wheat and nitrate residue in soil were investigated, so as to provide the theoretical basis and technical support for high-yield, high-efficiency and environment-friendly production in dryland wheat.【Method】The two-factor split-plot field experiment was conducted in the typical dryland of the intersection between Loess Plateau and Huang-Huai-Hai Plain from 2019 to 2022, where the irrigation conditions of no-irrigation during whole growth period (I0) and supplemental irrigation after regreening (I1, supplemental irrigation to 85% of field capacity when the soil water content in the 0-40 cm soil layer after wheat regreening was lower than 60% of field capacity at the first time) were assigned to the main plots, and the nitrogen application rates of 0 (N0), 120 kg N·hm-2(N120), 180 kg N·hm-2(N180) and 240 kg N·hm-2(N240) were assigned to the subplots. The grain yield and yield components, water use efficiency, N absorption and utilization in wheat were tested, as well as the nitrate residue in the 0-200 cm soil layer in dryland.【Result】Compared with I0, I1 could optimize wheat yield components and increase N absorption capacity, for the 3-year average grain yield and water use efficiency significantly increased by 55.8% and 34.7%, respectively, however, it decreased soil nitrate residue by 11.6% in the 0-200 cm soil layer.With the increase of N application rate, the grain yield, spike number, kernels per spike and water use efficiency initially increased and then decreased, and reached the maximum under the N180 treatment with I0 level, but there were initially increased and then remained stable, and reached the higher level both in the N180 and N240 treatments under I1 level. With the increase of N application rate, the N use efficiency, N uptake efficiency and N partial factor productivity were significantly decreased under the both two irrigation conditions, but the N agronomy efficiency and N apparent efficiency under N180 treatment was not significantly decreased compared with N120 treatment (except I1 level in 2021-2022). Regardless of irrigation, with the increase of N application rate, the soil nitrate residue at harvest were significantly increased. Soil nitrate accumulated largely in the 0-60 cm soil layer under each N application rates with I0 level, and the obvious accumulated effects of soil nitrate residue in the 0-200 cm soil layer were found under N180 and N240 treatments; meanwhile, the soil nitrate residue under I1 level in the 0-60 cm soil layer was significantly lower than that under I0, and there were only accumulated effects of soil nitrate residue was found in the 0-200 cm soil layer under N240 treatment.In general, both the I1N180 and I1N240 could obtain the higher grain yield and water use efficiency. I1N180 treatment reduced water consumption during growth period and soil nitrate residue in the 0–200 cm soil layer, and improved the N efficiency, compared with I1N240 treatment.【Conclusion】Supplemental irrigation after regreeningcombined with 180 kg N·hm-2N fertilizer could optimize the yield components, shoot N accumulation and N accumulative rate, thus it could not only improve the grain yield and N absorption and utilization efficiency in wheat, but also reduce the soil nitrate residue in 0-200 cm soil layer. Therefore, I1N180 treatment was an optimal model for realizing the collaborative target of high-yield, high-efficiency and environment-friendly in dryland wheat production system.

supplemental irrigation after regreening; N fertilizer application rate; dryland; wheat; yield; water use efficiency; nitrate residue

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.17.012

2022-08-30；

2022-10-10

國家重點研發計劃（2016YFD0300404，2018YFD0300700）、河南科技大學博士科研啟動基金（13480082）

趙凱男，E-mail：575611817@qq.com。通信作者黃明，E-mail：huangming_2003@126.com。通信作者李友軍，E-mail：lyj@haust.edu.cn

（責任編輯 李云霞）