淺埋滴灌水氮配施對冬小麥生長發育、產量及水分利用效率的影響

doi：10.6048/j.issn.1001-4330.2024.05.003

摘" 要：【目的】研究滴灌帶淺埋、水氮配施對冬小麥生長發育、產量及水分利用效率的影響。

【方法】試驗為完全區組設計，設置3個因素：覆土深度（0和5 cm）、灌水量（270、315和360 mm）、施氮量（195、255和315 kg/hm2）。

【結果】在淺埋滴灌（5 cm）下，灌溉定額為315 mm、施氮量255 kg/hm2時，冬小麥產量、水分利用效率及氮肥偏生產力提升最明顯。淺埋滴灌使冬小麥株高和葉面積指數分別提高5.58%和16.77%，產量、水分利用效率與氮肥偏生產力分別顯著提高8.32%、8.20%和8.16%。淺埋滴灌較不覆土滴灌（0 cm）處理凈收益平均增收1 092 元/hm2，淺埋滴灌下灌水315 mm、施氮255 kg/hm2凈收益最高（10 883 元/hm2）。

【結論】冬小麥較優的灌溉施肥方案為淺埋滴灌灌水315 mm，施氮255 kg/hm2。

關鍵詞：冬小麥；淺埋滴灌；水氮配施；水分利用效率；產量

中圖分類號：S512""" 文獻標志碼：A""" 文章編號：1001-4330（2024）05-1057-10

收稿日期（Received）：

2023-10-25

基金項目：

國家自然科學基金項目（52279040）；第三次新疆綜合科學考察項目（2022xjkk0500）；新疆生產建設兵團重點領域創新團隊項目（2019CB004）

作者簡介：

謝忠（1996-），男，江西撫州人，碩士研究生，研究方向為干旱區節水灌溉，（E-mail）xz5250207@163.com

通訊作者：

葉含春（1966-），男，新疆庫爾勒人，教授，碩士生導師，研究方向為水資源開發利用，（E-mail）739301184@qq.com

0" 引 言

【研究意義】世界小麥播種面積處于谷類作物之首［1］。2022年新疆小麥種植面積約占全疆糧食播種面積的53.9%［2］。灌水和施肥是影響小麥產量的主要因素［3］。水氮互作改變土壤性質及影響作物根系發育，從而提升植物吸收水分與養分的效率。曹彩云等［4］研究表明，小麥需水量是有一定限度的，過量灌水浪費水資源，且不益于作物增產。李越等［5］以春小麥為試材研究發現，過度施氮易造成氮素流失，長期過度施氮還降低酶活性，減少土壤中微生物群落豐富度和多樣性。而合理的施用氮肥才有利于植株莖稈、葉片的快速增長、促進光合作用，使植株地上部分獲得較高的干物質積累量［6］。水分作為載體向植物根區運送養分，水分含量高低決定養分的遷移速率及其養分轉化［7-8］，合理灌溉用水可以既節水又增產［9］。因地制宜灌溉施氮可以提高農業生產效率，改善農業生態環境［10-15］。滴灌具有節水節肥、省工增效及改良土壤環境等特點，為目前應用灌水施肥組合的最佳方式［13］；Koskei等［14］研究結果表明，殘膜不僅降低土壤通透性，還減弱了土壤的透水性能，影響作物根系生長，導致作物減產。葛選良等［16］研究表明，淺埋滴灌不僅可以防止玉米生育初期大風對滴灌帶的影響，還可以減少株間土壤水分蒸發和銨態氮揮發。張雨珊等［17］研究發現，淺埋滴灌的玉米根系一般較膜下滴灌深10 cm，能吸收深土層水分供玉米生長，提高水分利用效率。此外，淺埋滴灌表層土壤干燥會抑制雜草生長，減少水分蒸發［18］，同時改善了土壤環境，有利于作物根系生長，提高作物產量［19］。淺埋滴灌技術是直接將滴灌帶埋于5～10 cm耕作層下，發揮滴灌技術優勢［15，20］，目前已應用于玉米、大豆和小麥。【本研究切入點】新疆伊犁河谷新墾區風力強勁，常常影響滴灌帶正常使用。需要研究淺埋滴灌水氮配施對伊犁河谷灌區冬小麥水肥利用效率的影響。【擬解決的關鍵問題】采用覆土深度、灌水量和施氮量三因素耦合試驗，分析淺埋滴灌水氮配施對冬小麥產量和水分利用效率的影響，為新疆伊犁河谷灌區應用淺埋滴灌水肥一體技術提供參考。

1" 材料與方法

1.1" 材 料

試驗于2021年9月18日至2022年7月2日在新疆生產建設兵團第四師可克達拉市伊犁河南岸灌區聯合試驗站（43°39′23″ N，80°42′8″ E，海拔818.2 m）進行，年均日照時長2 943 h，年均降雨量為290.2 mm，年均氣溫9.3℃。土壤以灰鈣土為主，質地為中壤土，薄土層會出現少量砂礫石。田間持水率為27.93 g/g，土壤孔隙度為36.47%，0～60 cm土層平均容重為1.56 g/cm3。土壤全氮含量、有機質含量和pH值分別為0.82 g/kg、13.16 g/kg和7.98。供試冬小麥品種為新冬53號，2021年9月18日播種，2022年7月2日收獲，全生育期288 d。圖1

1.2" 方 法

1.2.1" 試驗設計

采用干播濕出的方式，出苗水根據灌區統一協調配水輪灌，種植模式為1膜4行，滴灌帶間距為60 cm，冬小麥行距為15 cm，滴頭間距30 cm，設計流量2.8 L/h，冬小麥播種深度為4～6 cm，灌水由旋翼式水表控制計量。

參考文獻［8，20］方法確定冬小麥的施氮量及灌溉量，以及各生育期施肥和灌溉次數。試驗設2個覆土深度：S0（0 cm）和S5（5 cm），3個施氮水平：N1（195 kg/hm2）、N2（255 kg/hm2）和N3（315 kg/hm2），以及3個灌溉水平：W1（270 mm）、W2（315 mm）和W3（360 mm），共計18個處理。每個處理3次重復，各處理小區面積為24 m2（10 m×2.4 m），小區周邊設2.5 m寬的保護行，播種后將淺埋滴灌處理將滴灌帶埋入5 cm土壤中，不覆土滴灌處理的滴灌帶置于地表。P2O5和K2O均為150 kg/hm2，試驗肥料選用當地常規化肥為尿素（CO（NH2）2，N 46.4%），磷酸二銨（（NH4）2HPO4，P2O5 46.0%）和硫酸鉀（K2SO4，K2O 52.0%）。表1，表2

1.2.2" 測定指標

1.2.2.1" 株高、葉面積指數及干物質

各生育期每個小區選取長勢均勻的冬小麥3株，用鋼卷尺測量株高，并取平均值；采用精度1 mm直尺測定綠葉片長度和寬度，按照“葉面積=長×寬×0.82”公式計算單葉面積；通過單株葉面積和群體密度計算葉面積指數（Leaf Area Index，LAI）［21］。另外，在不同生育時期中，每個小區選取3株代表性小麥植株，取樣地上部分，拔節期樣品將莖和葉分離，開花期、灌漿和成熟期樣品將莖、葉和穗分離，放入105℃烘箱中殺青0.5 h，降至80℃烘干至恒重，使用LE204E/02型電子天平（梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司生產）稱干重，測定地上部干物質量。

葉面積指數LAI=單株葉面積×每公頃莖數×10-8.

1.2.2.2" 產量和水氮利用效率

在成熟期，每個小區選取10株冬小麥統計穗粒數，并取3個1 m2樣區調查有效穗數，脫粒曬干測定籽產，再從各小區收獲籽粒中取1 000粒測定千粒重。

計算灌溉水利用效率（Irrigation Water-Use Efficiency，IWUE，kg/m3）［22］。

IWUE=0.1×YI. （1）

式中，Y為相應處理冬小麥產量（kg/hm2）；I為相應處理生育期灌水量（mm）。

計算氮肥偏生產力（Nitrogen Partial Factor Productivity，PFPN）［23］：

PFPN=YN. （2）

式中，Y為相應處理冬小麥產量（kg/hm2）；N為相應處理施氮量（kg/hm2）。

1.2.2.3" 經濟效益

投入包括冬小麥種子、肥料、農藥、施肥灌、滴灌帶、農機作業費、水電費及人工費。

凈收益=產出-投入（價格均參照伊犁地區2022年市場平均水平）。

1.3" 數據處理

通過Microsoft Excel 2010整理數據，使用Origin 2022作圖，SPSS 22進行方差分析。

2" 結果與分析

2.1" 淺埋滴灌水氮配施對冬小麥生長發育影響

2.1.1" 株 高

研究表明，W1水平下，不同覆土埋深條件下的施氮處理間（即N1S0和N1S5或N2S0和N2S5）株高不存在顯著差異，但W2和W3水平下，不同覆土埋深條件下施氮處理間均存在顯著差異（P＜0.05）。同一施氮水平下，不同覆土埋深條件下的灌水處理間基本存在顯著差異（P＜0.05）。株高隨著灌水量、施氮量和覆土深度的增加而增大。W3水平冬小麥株高較W1和W2水平分別平均增加13.07%和5.76%，W2水平冬小麥株高較W1水平增加9.50%，N3水平冬小麥株高較N1和N2水平分別平均增加10.88%和2.61%，N2水平冬小麥株高較N1水平增加8.05%，淺埋滴灌較不覆土滴灌處理冬小麥株高平均增加5.10%。3個灌水量水平下，與不覆土滴灌處理比較，淺埋滴灌W1、W2和W3水平下冬小麥株高平均分別增加3.46%、6.21%和5.50%。圖2

2.1.2" 葉面積指數

研究表明，全生育期各處理冬小麥葉面積指數均表現為先增加后降低的趨勢；返青期至拔節期快速增長，至開花期達到最大，最大是W2N2S5處理（5.93 m2/m2）。各生育期灌水量、施氮量和覆土深度對冬小麥葉面積指數影響達到極顯著水平（P＜0.01）。冬小麥平均葉面積指數表現為W2＞W3＞W1，N2＞N3＞N1，S5＞S0。在W1、W2和W3水平下，N2水平的冬小麥葉面積指數較N1水平分別顯著平均增加20.28%、27.91%和28.47%（P＜0.05），較N3水平分別平均增加9.61%，14.01%和18.69%。與不覆土滴灌處理比較，淺埋滴灌N1、N2和N3水平下冬小麥葉面積指數分別平均增加13.83%、20.53%和15.79%。圖3

2.1.3" 地上部干物質

研究表明，拔節期冬小麥地上部干物質積累量各處理間差異不顯著，而開花期后各處理間差異逐漸顯著，地上部干物質積累量最大是W2N2S5處理（2 025.00 g/m2）。冬小麥地上部干物質積累量隨覆土深度增大而增加，而隨灌水量和施氮量增加表現為W2＞W3＞W1，N2＞N3＞N1。與不覆土滴灌處理相比，淺埋滴灌處理冬小麥地上部干物質積累量平均提高4.33%，與W1水平相比，W2和W3水平分別顯著增加15.88%和12.39%（P＜0.05）；N2水平較N1和N3水平冬小麥地上部干物質總量分別平均增加7.78%和4.58%。覆土淺埋W1、W2和W3水平下冬小麥較不覆土處理地上部干物質積累量分別平均增加5.71%、4.18%和3.29%。圖4

2.2" 淺埋滴灌水氮配施對冬小麥產量構成和水氮利用效率的影響

2.2.1" 淺埋滴灌水氮配施對冬小麥產量和產量構成的影響

研究表明，灌水量、施氮量和覆土深度對冬小麥穗粒數、千粒重、穗數和產量均有極顯著影響（P＜0.01）；高灌水量提高了冬小麥的穗數和產量，W3水平較W1和W2水平產量分別顯著平均增加23.00%和4.42%（P＜0.05）。同一灌水量

下，穗粒數、千粒重、產量隨施氮量增加表現為先

增加后減小的規律，產量最大值是W3N2S5處理；而千粒重和穗粒數最大值均為W2N2S5處理。3個灌水量水平下，與不覆土滴灌處理相比，淺埋滴灌W2水平對穗粒數、千粒重、穗數和產量提升最明顯，分別提升了13.76%、7.09%、6.85%和7.40%。3個施氮水平下，與不覆土滴灌處理相比，淺埋滴灌N2水平對穗粒數、千粒重和產量提升最大，分別為11.78%、6.15%和11.68%，而穗數在淺埋滴灌N3水平下提升最顯著，提升了5.15%。表3

2.2.2" 淺埋滴灌水氮配施對冬小麥灌溉水利用效率和氮肥偏生產力的影響

研究表明，灌水量、施氮量和覆土深度對冬小麥IWUE和PFPN有極顯著影響（P＜0.01）。隨灌水量的增加，PFPN增大，而IWUE呈先增加后減小的趨勢；W3水平較W1和W2水平PFPN顯著分別平均增加23.00%和4.64%，IWUE顯著平均降低7.75%和8.64%（P＜0.05）。同一灌水量下，隨施氮量的增加IWUE先增加后減小，而PFPN逐漸減小，IWUE在W2N2S5處理達到最大，PFPN最大為W3N1S5處理。淺埋滴灌處理較不覆土滴灌處理IWUE和PFPN分別平均增加8.20%和8.16%。同一灌水量下，淺埋滴灌N2水平較不覆土滴灌處理IWUE和PFPN提升最高，分別為11.52%和11.68%。表3

2.3" 淺埋滴灌水氮配施對冬小麥的經濟效益

研究表明，與不覆土滴灌處理比較，淺埋滴灌處理投入平均增加225 元/hm2。淺埋滴灌明顯提高了冬小麥產出，較不覆土滴灌處理產出平均增加1 317 元/hm2。凈收益是衡量農業生產經濟效益的綜合性指標，凈收益大小在施氮量水平上表現為N2＞N3＞N1，在不覆土滴灌處理灌水量水平上表現為W2＞W3＞W1，淺埋滴灌處理凈收益均高于不覆土滴灌處理。W2N2S5處理凈收益最高，較W2N2S0處理的凈收益提升最多，提升了2 158 元/hm2。表4

3" 討 論

3.1" 淺埋滴灌水氮配施對冬小麥生長的影響

研究結果發現，冬小麥株高隨著施氮量和灌水量的增加而增加，而地上部干物質積累量和葉面積指數隨施氮量和灌水量的增加呈先增后減的趨勢［24-25］；水分過量將促進小麥莖稈部分細胞快速的生長，造成小麥莖葉變細，而葉片面積和莖數直接影響葉面積指數，葉片光合作用是植株形成干物質的基礎［26］。小麥徒長葉面積指數降低，植株光合作用減弱，進而降低了小麥地上部干物質積累量。而適量的灌水施氮可以保持土壤中良好的水氣環境，促進土壤養分便于植物吸收，提高了地上部干物質積累量［27］。

地下滴灌能有效解決殘膜污染，但存在滴灌帶堵塞等問題［28］。滴灌帶埋深3～7 cm基本不堵塞，而埋深10 cm以下常造成滴灌帶堵塞［29］。試驗中淺埋滴灌（5 cm）處理下的冬小麥的株高、葉面積指數和地上部干物質積累量較不覆土滴灌處理分別提高了5.58%、16.77%和4.33%，是因為淺埋滴灌形成的濕潤峰更接近冬小麥初生根分布范圍區域［30］，提高了冬小麥根系對水分和養分的吸收，從而促進了冬小麥各器官的生長發育。此外，淺埋滴灌能長期確保冬小麥根區土壤濕潤，促進了土壤中的有益微生物大量繁殖，從而提高土壤中速效養分［31］。

3.2" 淺埋滴灌水氮配施對冬小麥產量及灌溉水利用效率的影響

研究結果發現，高灌水量能提高冬小麥穗數和產量，但顯著降低冬小麥穗粒數、千粒重、灌溉水利用效率及氮肥偏生產力，是因為高灌水量下促進小麥分蘗，增加了單位面積穗數［32］，而伊犁河谷氣候特殊，生育后期冬小麥受到強風襲擊，細稈易彎折影響作物水分和養分的運輸，最終導致穗粒數、千粒重減少。另一方面，高灌水量不僅導致土壤蒸發量增加，還加劇土壤氮素淋洗［33］，造成了灌溉水利用效率和氮肥偏生產力降低。而過度施氮會引起土壤中氮素的積累，冬小麥貪長生殖器官發育不好，產量偏低，與樊吳靜［34］等研究結果一致。

試驗中淺埋滴灌處理較不覆土滴灌處理冬小麥產量和凈收益分別平均提升8.32%和15.73%，是因為試驗地早春風力強勁常造成地表滴灌帶交叉纏繞甚至刮斷，降低了小麥對水分的吸收能力，導致不覆土處理滴灌帶管控區域的小麥出苗率低［17］，而淺埋滴灌處理始終保證良好的濕潤土壤環境，小麥出苗率高，植株長勢強健，最終收獲更高產量［35］。淺埋滴灌處理較不覆土滴灌處理灌溉水利用效率和氮肥偏生產力分別平均增加8.20%和8.16%，是因為淺埋滴灌單次灌溉流量小、灌溉頻次多，增大了土壤孔隙度，根系呼吸作用旺盛，進而促進小麥根系對水分養分吸收利用。

4" 結 論

4.1

同一施氮水平下，灌水量增加提高了冬小麥株高、穗數、產量和氮肥偏生產力，冬小麥葉面積指數、干物質積累量、穗粒數、千粒重和灌溉水利用效率隨著灌水量增加表現為先增加后減小趨勢；同一灌水水平下，隨著施氮量的增加，除氮肥偏生產力逐漸減小外，株高、葉面積指數、干物質積累量、產量構成因素和灌溉水利用效率均呈先增加后減小的趨勢。

4.2

淺埋滴灌處理較不覆土滴灌處理的冬小麥株高、葉面積指數和地上部干物質積累量分別增加5.58%、16.77%和4.33%，產量、灌溉水利用效率和氮肥偏生產力分別顯著增加8.32%、8.20%和8.16%（P＜0.05）。

4.3

覆土淺埋滴灌處理下灌溉定額315 mm，施氮量255 kg/hm2為適宜新疆伊犁河南岸灌區的淺埋滴灌水肥一體化管理模式。

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Effects of water and nitrogen application on winter wheat growth， yield， and water use efficiency under shallow buried drip irrigation

XIE Zhong， YE Hanchun， WANG Zhenhua， LI Haiqiang， LIU Jian， CHEN Rui， XU Yushuang

（College of Water amp; Architectural Engineering/Key Laboratory of Modern Water-Saving Irrigation of Xinjiang Production amp; Construction Group/Key Laboratory of Northwest Oasis Water-Saving Agriculture， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Shihezi Xinjiang 832000， China）

Abstract：【Objective】 This project aims to discuss the effects of shallow burial drip irrigation belt， irrigation and nitrogen application on the growth， yield and water use of winter wheat.

【Methods】" In this study， three factors were set up： soil depth （0 and 5 cm）， irrigation amount （270，315 and 360 mm）， and nitrogen application （195，255 and 315 kg/hm2）.

【Results】 The results showed that， when the irrigation quota was 315 mm and the nitrogen application rate was 255 kg/hm2， the yield， irrigation water use efficiency and nitrogen fertilizer partial productivity increased most obviously.Shallow buried drip irrigation increased the plant height and leaf area index of winter wheat by 5.58% and 16.77%， respectively， and the yield， irrigation water use efficiency and nitrogen partial factor productivity significantly increased by 8.32%， 8.20% and 8.16%， respectively.The net income of shallow buried drip irrigation increased by 1，092 yuan per hectare on average compared with that of no soil cover drip irrigation （0 cm）.The net income of shallow buried drip irrigation with 315 mm of water and 255 kg/hm2 of nitrogen was the highest， （10，883 yuan/hm2）.

【Conclusion】" The best irrigation and fertilization schemes are as follows： 315 mm of irrigation water and 255 kg/hm2 of nitrogen under shallow drip irrigation.

Key words：winter wheat; shallow buried drip irrigation; water and nitrogen combined application; water use efficiency; yield

Fund projects：National Natural Science Foundation of China （52279040）；The Third Xinjiang Scientific Expedition Program （2022xjkk0500）;Innovation Team Project in Key Areas of XPCC （2019CB004）

Correspondence author：YE Hanchun（1966-）， males， from Korla， Xinjiang， professor， master instructor， research direction：the development and utilization of water resources，（E-mail）739301184@qq.com