監控施肥對旱地冬小麥土壤水分、干物質積累轉運和產量的影響

張亞蓉 ，程宏波 ，馬建濤 ，王文杰 ，吳炳權

（1.甘肅農業大學 生命科學與技術學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室/甘肅農業大學 農學院，甘肅 蘭州 730070）

我國是糧食生產及消費大國，2021 年小麥播種面積2 356 萬hm2，小麥產量為5 810 kg/hm2[1]。化肥對提高糧食產量至關重要，化肥是植物的“糧食”，土壤培肥的主要措施之一則是化肥的施用，其對作物生長的促進和糧食安全的保障方面起到重要作用[2]。然而，當前氮肥施用量的不足與過量并存于糧食生產中，施肥過量會威脅作物—土壤—環境可持續發展，施肥不足則又難以滿足作物需求，不利于產量形成[3-5]；此外，施肥量的確定在考慮增產和提高養分效率的同時，還應將環境可持續發展作為目標之一[6]。

前人研究提出的監控施肥技術表明，合理施氮可促進植株干物質積累[7-8]，優化冠層結構[9]，促進干物質從營養器官向籽粒轉移[10-11]，氮肥的施用量是根據播種或收獲日前1 m 土層硝態氮含量在目標產量的基礎上確定的，具有無需對土壤基礎肥力大量測定的優點。渭北旱地田間試驗表明，與農戶施肥相比，監控施肥下氮肥用量減少25%，但小麥籽粒產量卻提高3%，籽粒氮含量提高2.4%，氮肥偏生產力提高130%，收獲時土壤硝態氮殘留降低27%[12-13]。監控施肥可以監測土壤中硝態氮的含量，避免了大量施肥造成硝態氮積累和淋失的隱患，可確定并有效控制氮肥施用量，避免了小麥不同生長期土壤養分推薦施肥確定工作量大的問題，也不需要考慮氮肥的利用率，從而簡化了施肥量的計算，方便基層農業技術人員施用和推廣，甚至農戶也可直接使用，是一項綠色、健康、可持續的技術方案。

甘肅省雨養農業區主要位于黃土高原，屬半干旱大陸性季風氣候，水分是該地區限制作物產量的最主要因素，作物生長依賴于自然降水，提高水分利用效率是提高旱地作物產量的有效途徑[14]。本試驗在監控施肥技術的基礎上，探究不同施肥模式與冬小麥土壤水分變化及水分利用效率、干物質積累轉運及產量的關系，旨在為監控施肥的推廣及應用提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021 年9 月至2022 年7 月在甘肅省通渭縣平襄鎮甘肅農業大學試驗基地進行，該區為黃土高原雨養農業典型代表區，土壤為黃綿土；平均海拔1 750 m，年日照時數2 100～2 400 h，年均溫7.2 ℃，無霜期120～170 d，年蒸發量＞1 500 mm；年均降水量390.6 mm，其中約65%集中在6—9 月。小麥生育期間總降水量為235.2 mm，≥5 mm 的有效降水量為182.9 mm，其中播種至拔節期113.6 mm，拔節至孕穗期56.0 mm，孕穗至開花期6.5 mm，開花至成熟期6.8 mm。

1.2 試驗材料

供試冬小麥品種為蘭大A2。供試肥料氮肥選用尿素（含氮46%）、磷肥選用過磷酸鈣（含14%P2O5）、鉀肥選用硫酸鉀（含50% K2O）。

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，設5 個施肥處理，分別為T1.農戶施肥；T2.監控施肥；T3.監控缺氮；T4.監控缺磷；T5.監控缺鉀（表1）。3次重復，小區面積144.5 m2。各處理肥料作為底肥在小麥播種前一次性施入，后期不再追肥。小麥播種量均為225 kg/hm2，播種方式為機械條播，重復間留置觀察道，四周設置保護區和保護行。試驗于2021 年9 月20 日播種，2022年7月3日收獲，整個冬小麥生育期內不灌溉。

表1 各處理施肥量Tab.1 Rates of fertilizer application kg/hm2

1.4 監控施肥量的確定

農戶施肥根據調研數據，采用當地農戶平均施肥量；監控施肥量采用“1 m 土壤硝態氮監控施肥，0～40 cm 土層磷鉀恒量施肥”技術[13]。在前3 a平均產量的基礎上增加10%～15%作為目標產量；施磷（鉀）系數依據0～40 cm 土層速效磷鉀含量確定。

1.5 測定項目及方法

1.5.1 土壤水分含量測定 在冬小麥拔節期（JT）、孕穗期（BT）、開花期（FL）、灌漿期（GF）及成熟期（MT）5 個生育時期，各個小區分0～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150、150～180、180～200 cm 共8 個土層，均在小麥行間使用土鉆取土樣，采用烘干法測定土壤含水量。

式中，W為土壤貯水量（mm）；h為土層深度（cm）；ρ為土壤容重（g/cm3），本試驗各土層ρ平均為1.250 g/cm3；ω為土壤含水量（%）；ET為冬小麥生育期農田耗水量（mm）；P為小麥生育期≥5 mm有效降雨量；W1、W2 分別為生育期某一時段開始和結束時土壤貯水量（mm）；WUE為水分利用效率（kg/（hm2·mm）），Y為籽粒產量（kg/hm2）。

1.5.2 小麥干物質量測定 在冬小麥返青期（RT）、拔節期、孕穗期、開花期、灌漿期及成熟期等生育時期，從各小區隨機取20 株長勢均勻的小麥植株樣品，分器官稱鮮質量后分別裝好，置于105 ℃烘箱中殺青30 min，后于80 ℃下烘干至恒質量，并計算相關指標。

1.5.3 小麥產量測定 在收獲期采集植物樣品，各小區隨機選取5 個采樣點樣品并進行混合，在各個小區的混合樣中隨機取20 株進行室內考種，測定單株干質量、株高、穗長、小穗數等指標。成熟期用1 m2正方形木框在每個小區隨機統計5 個1 m2的有效穗數，每個小區選取5個1 m 行長統計穗數；隨機取50個穗，測定穗粒數；人工計數5個1 000粒測定千粒質量。采用全區收獲法確定產量，現場稱量鮮質量，采樣測定含水量后，按13%含水量折算籽粒產量。

1.6 數據處理

試驗數據使用Excel 2021 處理，采用SPSS Statistics 22.0 進行統計分析；采用Duncan 法進行差異顯著性檢驗，顯著水平設定為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 監控施肥對冬小麥產量及水分利用效率的影響

從表2可以看出，與T2處理相比，其他處理明顯降低冬小麥產量4%～23%、單位面積穗數6.6%～28.3%及水分利用效率1.5%～17.2%，處理間降幅大小排序為T3＞T4＞T1＞T5。相關分析表明，單位面積穗數和籽粒產量呈顯著正相關（r=0.766**）。可見，T2 處理產量提高的原因是由于單位面積穗數增加。

表2 不同施肥對冬小麥產量及水分利用效率的影響Tab.2 Effects of different fertilization on yield and water use efficiency of winter wheat

2.2 監控施肥對冬小麥干物質積累量及其轉運的影響

2.2.1 生育時期地上部干物質積累量 冬小麥各生育時期干物質積累量如圖1 所示。

圖1 冬小麥各生育時期干物質積累量Fig.1 Dry matter accumulation in winter wheat ateach growth stage

各施肥處理地上部干物質積累量均隨著生育期的推進而增加，T2 處理各生育時期地上部干物質積累量高于其他施肥處理8.3%～33.6%；處理間以T3 處理降幅（33.6%）最大，各生育階段地上部干物質積累量以拔節—開花期增幅最大（圖1），T3、T4、T5 處理分別較T2 處理減少成熟期地上部干物質積累量37.4%、25.2%、14.7%。

2.2.2 各生育階段干物質積累及占比 不同施肥條件下，干物質積累量以拔節—孕穗期增加最多，干物質積累量及占比隨生育階段的推進逐漸降低，T2 處理各個生育階段干物質積累量均高于其他處理（表3）。

T1 處理較T2 處理顯著降低各生育階段干物質積累量7.1%～13.5%（P＜0.05），孕穗—開花期降幅最大（13.5%）。與T2 處理相比，缺素處理降低生育階段干物質積累量0.2%～59.0%，其中T3處理（缺氮）和T5 處理（缺鉀）在開花—灌漿期對干物質積累的影響最大，降幅分別為59.0% 和24.7%；T4 處理（缺磷）在灌漿—成熟期對干物質積累影響最大，降幅42.7%。可見，缺素處理會降低花后干物質積累量。

2.2.3 干物質轉運及其對籽粒的貢獻 花后干物質積累量各處理間差異顯著（P＜0.05），T2 處理花后干物質積累量及對籽粒的貢獻率高于其他處理，但花前干物質轉運量、轉運率及對籽粒的貢獻率低于其他處理（表4）。

表4 不同施肥對花前干物質轉運和花后干物質積累的影響Tab.4 Effects of different fertilization on pre-flowering dry matter transport and post-flowering dry matter accumulation

與T2 處理相比，其他處理降低了花后干物質積累量9.5%～40.2%，T3 處理降幅最大，降低花后貢獻率3.8%～25.8%；花前干物質轉運量、轉運率和籽粒貢獻率以T5 處理最大，其他處理較T2 處理分別提高8.4%～111.4%、19.3～146.1%、17.6%～120.7%。可見，T2 處理是通過增加花后干物質積累量，提高對籽粒的貢獻率，從而達到提高冬小麥產量的目的。

2.3 監控施肥對土壤貯水量的影響

2.3.1 不同生育時期全土層土壤貯水量 各處理土壤貯水量隨冬小麥生育時期推進呈遞減趨勢變化，處理間降幅大小依次為T1＞T4＞T2＞T5＞T3，生育時期間以拔節期差異最小，灌漿期差異最大（表5）。

表5 不同施肥模式下各生育時期土壤貯水量Tab.5 Soil water storage at different fertilization patterns at different growth stagesmm

各處理拔節—成熟期平均土壤貯水量依次為T3（35.7 mm）＞T5（34.6 mm）＞T2（34.2 mm）＞T4（33.9 mm）＞T1（33.6 mm）；處理間比較，孕穗期土壤貯水量T1 處理顯著低于T2 處理2.5 mm（P＜0.05）；拔節期及開花后，2 個處理間土壤貯水量差異較小。

T3 處理灌漿—成熟期土壤貯水量均高于其他處理。T2、T3 處理土壤貯水量于灌漿期差異最大，T3 顯著高于T2 處理4.8 mm（P＜0.05）；成熟期T3處理顯著高于T2 處理2.8 mm（P＜0.05）。

2.3.2 0～200 cm 土層全生育期土壤貯水量 各處理在0～180 cm 土層土壤貯水量逐漸增加；180～200 cm 土層土壤貯水量減少；土壤貯水量集中在60～180 cm 土層,60～90 cm 土層貯水量較40～60 cm 土層平均增加14.1 mm；180～200 cm 土層貯水量較150～180 cm 土層平均減少15.5 mm（表6）。

表6 不同施肥模式下不同土層土壤貯水量Tab.6 Soil water storage in different soil layers at different fertilization patternsmm

從表6 可以看出，與T2 處理相比，T1 處理0～200 cm 土層土壤貯水量平均減少0.6 mm；T3 處理0～180 cm 土層土壤貯水量平均增加1.8 mm。

土層間土壤貯水的變異系數表現為：90～120 cm 土層最大，180～200 cm 土層最小，T1 處理與T3 處理之間90～120 cm 土層極差值（4.8 mm）最大，差異最大。

2.4 監控施肥對冬小麥耗水的影響

2.4.1 全生育時期冬小麥總耗水量、耗水來源及其占比 小麥全生育期對自然降水的利用及占總耗水比例高于土壤貯水（表7）。T3 處理與T1 處理差異顯著，T3 處理較其他處理總耗水減少14.0～27.5 mm，降幅達4.3%～8.0%，土壤貯水降幅達9.6%～17.3%，說明缺氮處理抑制小麥對土壤水分的利用。

表7 不同施肥對總耗水量、土壤貯水或降水的耗水量及其比例的影響Tab.7 Effects of different fertilization on total water consumption，soil water or precipitation consumption and its proportion

2.4.2 冬小麥階段性耗水及其占比 各處理階段耗水隨生育時期遞減，播種—拔節期耗水量最大，灌漿—成熟期耗水量最小（表8）。與T2 處理相比，T1 處理降低孕穗—開花期土壤含水量22.9 mm，提高其余生育時期土壤耗水量6.9 mm，拔節—孕穗期增幅最大，為24.2%。缺素處理較T2 處理提高拔節—孕穗期土壤耗水量3.3～26.9 mm，降低孕穗—開花期土壤耗水量13.7～26.1 mm。

表8 不同施肥對各生育階段土壤耗水及其比例的影響Tab.8 Effects of different fertilization on soil water consumption and its proportion at different growth stages

3 結論與討論

3.1 監控施肥對旱地冬小麥土壤水分及水分利用效率的影響

土壤水分是影響作物生長的重要因素，水資源的匱乏影響著我國西北半干旱雨養區農業的持續發展。前人研究表明，施肥對冬小麥生育期土壤水分有明顯影響，能促進根系生長，加強作物對深層土壤水分的吸收，提高土壤生產力，促進冬小麥生長發育，提高水分利用效率[15-16]，植物對養分的吸收、運轉和利用都依賴于土壤水分[17]。本研究結果表明，監控施肥較農戶施肥提高了全生育期和0～200 cm 各個土層之間土壤貯水量，促進了土壤水分利用，較農戶施肥提高水分利用效率8%，加大水分消耗，降低土壤耕層含水量，這與危鋒等[18]的研究結果一致。

3.2 監控施肥對旱地冬小麥干物質積累轉運的影響

干物質的積累和轉運對小麥產量形成的影響較大。小麥籽粒產量少部分來源于花前干物質轉運，較大一部分來自于花后干物質量的積累[19-21]。本研究表明，各施肥處理小麥干物質積累量均隨生育期的推進而逐步增加，且在拔節期之后積累量快速增加，監控施肥處理顯著提高了冬小麥各生育時期地上部干物質積累量，缺氮、缺磷、缺鉀處理降低了各生育階段干物質積累量，缺氮處理抑制作用最為顯著，尤其是在開花—灌漿期對冬小麥的生長影響最大。干物質積累是麥類作物產量與品質形成的物質基礎，開花前貯存的同化產物在花后向籽粒的轉運是其產量形成的重要物質來源[22-23]，氮肥、磷肥的施用嚴重影響了干物質積累轉運。本研究表明，在監控施肥條件下，花前干物質轉運量和花前干物質生產對籽粒貢獻率最小，而花后干物質積累量和花后干物質生產對籽粒貢獻率最大，籽粒產量也最大，監控施肥提高了花后干物質積累量和對籽粒貢獻率，提高了冬小麥產量。

3.3 監控施肥對旱地冬小麥產量的影響

施肥可以提高小麥的產量及干物質積累量[24-26]，對小麥生長發育及后期產量形成具有重要作用[22]，小麥高產的基礎是合理的群體結構，生物產量是經濟產量的基礎[27-28]。本研究結果表明，監控施肥處理提高了冬小麥籽粒產量和生物量，缺氮、缺磷處理籽粒產量、生物量明顯低于其他施肥處理，主要原因在于，作物需求量最大的礦質元素為氮，研究表明，氮肥對促進小麥營養器官的生長、增強光合作用、加速小麥營養物質的積累和轉化具有非常重要的作用。本研究結果表明，當氮肥供應不足時小麥群體總莖數和穗數遠低于其他處理，T3 處理較T2 處理總莖數減少37.8%，有效分蘗減少43.2%，無效分蘗減少36%，穗數減少28.3%，缺氮影響了群體結構，導致小麥總莖數減少，且缺氮嚴重影響了群體有效分蘗，可能是缺氮影響了穗的分化，導致有效分蘗減少，從而減少了穗數，降低了小麥產量。小麥產量構成因素為穗數、穗粒數、千粒質量，在本研究中不同施肥處理間千粒質量、穗粒數差異不顯著，而穗數差異顯著且與產量變化一致，引起小麥產量增加主要是由于穗數的變化導致。在西北旱作雨養農業區，氮素是制約小麥生長及產量形成的主要養分因素，在本試驗中，雖然總施肥量減少，但增施了氮肥，提高了氮磷比，提高了養分之間的協同效應[29-30]。

監控施肥是對氮磷鉀肥的合理配施，平衡了小麥生長所需的元素，在一定程度上減少了氮肥的施用量，實現了旱地小麥的平衡施肥。前人研究表明，雖然氮肥的施用量減少，但是增施了磷鉀肥，籽粒產量和生物量差異不顯著；另外，氮肥增施促進根系發育，增強作物對深層土壤水分的利用，使0～2 m 土壤含水量較農戶施肥有所增加，達到了以肥調水，水肥互作的目的，從而促進小麥的發育及產量形成[31]。

綜上可見，監控施肥能顯著提高冬小麥籽粒產量，而缺氮處理顯著降低冬小麥產量；監控施肥對土壤含水量具有明顯影響，加劇了冬小麥不同生育時期和土層間的土壤水分波動，顯著提高水分利用效率。監控施肥可促進冬小麥的生長發育且較其他處理顯著提高花后干物質積累量和花后同化物生產對籽粒的貢獻率。可見，監控施肥是旱地冬小麥穩產增產的有效途徑，可在西北半干旱地區小麥生產中推廣使用。