測(cè)墑補(bǔ)灌條件下施氮量對(duì)冬小麥耗水特性和水氮利用效率的影響

鄭雪嬌，張永麗，吳復(fù)學(xué)，于振文，石 玉

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018；2.山東省鄄城縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，山東鄄城 274700)

測(cè)墑補(bǔ)灌條件下施氮量對(duì)冬小麥耗水特性和水氮利用效率的影響

鄭雪嬌1，張永麗1，吳復(fù)學(xué)2，于振文1，石 玉1

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018；2.山東省鄄城縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，山東鄄城 274700)

為明確黃淮麥區(qū)冬小麥高產(chǎn)節(jié)水條件下的適宜施氮量，以小麥品種山農(nóng)23為材料，在大田拔節(jié)期和開(kāi)花期0～40 cm土壤含水量分別補(bǔ)灌至田間持水量的70%和65%條件下，設(shè)置每公頃施純氮0 kg (N0)、180 kg (N1)、240 kg (N2)、300 kg (N3) 4個(gè)施氮水平，研究小麥耗水特性和水氮利用效率對(duì)施氮量的響應(yīng)。結(jié)果表明，N2處理較N0和N1處理顯著提高了20～160 cm土層土壤貯水消耗量，但與N3處理無(wú)顯著差異。N2處理灌水量較N0和N1處理分別降低7.35%和9.51%，顯著提高土壤貯水消耗量、開(kāi)花至成熟階段的耗水量和耗水模系數(shù)；N3處理的灌水量較N2處理增加9.59%，兩個(gè)處理間土壤貯水消耗量、開(kāi)花至成熟階段的耗水量和耗水模系數(shù)均無(wú)顯著差異。 N2處理的籽粒產(chǎn)量、降水利用效率和灌水利用效率比N1處理分別高9.53%、9.54%和21.04%，施氮量增加至300 kg·hm-2時(shí)，籽粒產(chǎn)量無(wú)顯著變化，灌水利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力分別降低7.55%和18.94%。因此，在本試驗(yàn)條件下，施氮240 kg·hm-2的增產(chǎn)、水氮高效利用效果最佳。

冬小麥；施氮量；耗水特性；產(chǎn)量

黃淮冬麥區(qū)小麥產(chǎn)量約占全國(guó)小麥總產(chǎn)量的50%[1]，但人均水資源占有量為474 m3，是我國(guó)水資源相對(duì)貧乏地區(qū)之一[2]。該地區(qū)冬小麥生長(zhǎng)季降水量為125～250 mm，僅能滿足其需要的25%～40%[3-4]。目前，黃淮冬麥區(qū)過(guò)度灌溉和使用氮肥的現(xiàn)象普遍存在，造成水資源浪費(fèi)和土壤氮素深層積累，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境[5-6]。因此，合理灌溉、優(yōu)化氮肥管理具有現(xiàn)實(shí)意義。

測(cè)墑補(bǔ)灌是在小麥關(guān)鍵生育時(shí)期根據(jù)土壤墑情適量補(bǔ)灌的一種節(jié)水灌溉技術(shù)[7]。Pan等[8]研究指出，拔節(jié)期土壤含水量通過(guò)測(cè)墑補(bǔ)灌分別達(dá)到田間持水量的60%、70%和80%時(shí)，195 kg·hm-2施氮量處理的小麥成熟期穗數(shù)、穗粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量均高于255 kg·hm-2施氮量處理。拔節(jié)后土壤含水量維持在田間持水量的70%±5%條件下，195 kg·hm-2施氮量處理的籽粒產(chǎn)量最高，較270 kg·hm-2施氮量處理高6.53%[9]。張黛靜等[10]研究表明，小麥播前、拔節(jié)期和開(kāi)花期土壤相對(duì)含水量測(cè)墑補(bǔ)灌至75%時(shí)，240 kg·hm-2施氮量處理的籽粒產(chǎn)量最高，水分利用效率達(dá)到31.5 kg·hm-2·mm-1。目前，測(cè)墑補(bǔ)灌條件下，前人對(duì)小麥?zhǔn)┑?yīng)的研究多集中在籽粒產(chǎn)量和水分利用效率方面，對(duì)小麥耗水特性的施氮效應(yīng)還鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究在測(cè)墑補(bǔ)灌條件下，分析了施氮量對(duì)冬小麥耗水特性和水氮利用效率的影響，以期為黃淮麥區(qū)小麥節(jié)水高產(chǎn)的氮肥管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015-2016冬小麥生長(zhǎng)季，在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)位于117 ° 9 ′ E，36 ° 9′ N，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候區(qū)。播種前試驗(yàn)田0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為15 g·kg-1、1.5 g·kg-1、117.69 mg·kg-1、41.58 mg·kg-1和133.86 mg·kg-1。小麥生育期降水184.2 mm，其中播種至拔節(jié)、拔節(jié)至開(kāi)花、開(kāi)花至成熟階段分別降水137.5、9.3和37.4 mm。0～140 cm土層田間持水量和土壤容重見(jiàn)表1。

表1 播前試驗(yàn)田各土層田間持水量和土壤容重Table 1 Field water holding capacity and soil bulk density in different soil layers of experimental field before sowing

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以小麥品種山農(nóng)23為供試材料，設(shè)0、180、240和300 kg·hm-2四個(gè)施氮水平，分別用N0、N1、N2、N3表示。各處理于播種前每公頃基施P2O5150 kg、K2O 112.5 kg及一半氮肥，剩余氮肥在拔節(jié)期開(kāi)溝追施。每處理于拔節(jié)期和開(kāi)花期進(jìn)行測(cè)墑補(bǔ)灌，0～40 cm土層平均土壤含水量分別補(bǔ)灌至田間持水量的70%和65%。

試驗(yàn)小區(qū)面積20 m2(2 m×10 m)，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)間設(shè)1 m寬保護(hù)行，試驗(yàn)田四周設(shè)2 m寬隔離區(qū)。2015年10月13日播種，2016年6月10日收獲。4葉期定苗，留苗密度為225株·m-2。其他管理措施同一般高產(chǎn)田。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤含水量測(cè)定

于播種前和成熟期用土鉆取0～200 cm土層的土壤，每20 cm為一層取樣，取土后立即裝入鋁盒，稱鮮重，105 ℃烘干至恒重，稱干重，計(jì)算土壤含水量。田間持水量用環(huán)刀法測(cè)定。

土壤質(zhì)量含水量= (土壤鮮重-土壤干重)/土壤干重×100%

土壤相對(duì)含水量=土壤質(zhì)量含水量/田間持水量×100%

1.3.2 補(bǔ)灌水量的計(jì)算和補(bǔ)灌方法

灌水前用土鉆取0～40 cm土層的土壤，每20 cm為一層，計(jì)算土壤質(zhì)量含水量和土壤相對(duì)含水量。根據(jù)灌水定額公式計(jì)算補(bǔ)灌水量M[11]。

M=10×ρb×H×(βi-βj)

式中，H為該時(shí)段土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層的深度，本試驗(yàn)中為40 cm；ρb為計(jì)劃濕潤(rùn)層的土壤容重；βi為目標(biāo)含水量(田間持水量乘以目標(biāo)相對(duì)含水量)；βj為灌溉前土壤含水量。采用輸水帶在試驗(yàn)小區(qū)均勻灌溉，用水表計(jì)量灌水量。

1.3.3 土壤貯水消耗量的計(jì)算

采用劉增進(jìn)等[12]方法計(jì)算土壤貯水消耗量Si。

Si=10×∑γiHi(θi1-θi2)

式中，i為土層編號(hào)，n為總土層數(shù)，γi為第i層土壤容重，Hi為第i層土壤厚度，θi1和θi2分別為第i層土壤時(shí)段初和時(shí)段末的土壤質(zhì)量含水量。

1.3.4 農(nóng)田耗水量的計(jì)算

依據(jù)水分平衡法計(jì)算小麥生育階段和全生育期總耗水量[13]。

ET1-2=Si+M+Pr+K。

式中，ET1-2為生育階段耗水量；Si為小麥生育階段土壤貯水消耗量；M為階段內(nèi)灌水量；Pr為階段內(nèi)有效降水量；K為階段內(nèi)地下水補(bǔ)給量。當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?.5 m時(shí)，K值可以不計(jì)，本試驗(yàn)的地下水深在5 m以下，因此無(wú)地下補(bǔ)水。

耗水模系數(shù)=各生育階段麥田耗水量/麥田總耗水量

1.3.5 籽粒產(chǎn)量測(cè)定及水分利用效率和氮素利用效率的計(jì)算

小麥成熟后按小區(qū)收獲后脫粒，籽粒自然風(fēng)干后稱量(含水量12.5%)，折算成公頃產(chǎn)量。

水分利用效率=籽粒產(chǎn)量/小麥生育期總耗水量

降水利用效率=籽粒產(chǎn)量/降水量

灌水利用效率=籽粒產(chǎn)量/灌水量

氮肥偏生產(chǎn)力=籽粒產(chǎn)量/施氮量

1.3.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SigmaPlot 12.5軟件進(jìn)行繪圖，采用SPSS13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1施氮對(duì)小麥全生育期0～200cm土層土壤貯水消耗量的影響

由圖1可以看出，在小麥整個(gè)生育期內(nèi)，0～20 cm土層土壤貯水消耗量隨施氮水平的提高而增加，處理間差異顯著；20～160 cm土層土壤貯水消耗量表現(xiàn)為N2處理顯著高于N1和N0處理，但與N3處理差異不顯著；160～180 cm土層土壤貯水消耗量表現(xiàn)為N3>N2>N1、N0；180～200 cm土層土壤貯水消耗量表現(xiàn)為N3>N2、N1>N0?？傮w來(lái)看，N3處理0～200 cm各土層土壤貯水消耗量均較高，N2處理主要促進(jìn)了小麥對(duì)20～160 cm土層土壤貯水的吸收。

圖1 不同處理小麥全生育期0～200 cm土層土壤貯水的消耗量

2.2施氮對(duì)麥田不同來(lái)源耗水量及其占總耗水量比例的影響

與N0處理相比，施氮處理提高了小麥總耗水量及土壤貯水消耗量，但降低了灌水量及降水量占總耗水量的比例(表2)。在施氮處理間，N2處理灌水量及其占總耗水量的比例顯著低于N1和N3處理，其中較N1處理降低9.51%和14.16%，較N3處理降低8.75%和6.09%。N2處理的總耗水量、土壤貯水消耗量及其占總耗水量的比例較N1處理分別高5.43%、24.18%和17.79%，降水量占總耗水量的比例較N1處理低5.15%，與N3處理無(wú)顯著差異。表明N2處理減少了灌水量，并促進(jìn)了對(duì)土壤貯水和降水的利用。

2.3施氮對(duì)小麥生育階段耗水量和耗水模系數(shù)的影響

不施氮處理下小麥各生育階段的耗水量均低于各施氮處理(表3)。在施氮處理間，播種至拔節(jié)階段耗水量差異不顯著，耗水模系數(shù)表現(xiàn)為N1、N2>N3；拔節(jié)至開(kāi)花階段耗水量表現(xiàn)為N3>N2、N1，不同處理間耗水模系數(shù)差異不顯著；開(kāi)花至成熟期N2處理的階段耗水量和耗水模系數(shù)較N1處理分別高13.21%和7.39%，與N3處理差異不顯著。這表明N2處理促進(jìn)了開(kāi)花至成熟期的水分消耗，有利于小麥籽粒充實(shí)和粒重增加。

表2 不同處理的小麥總耗水量及不同來(lái)源耗水的數(shù)量和比例Table 2 Total water consumption amount and the amount and ratio of different water resources under different treatments

同列不同字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平。下表同。

Values with different letters in the same column are significant among the treatments at 5% level. The same in other tables.

表3 小麥生育階段耗水量和耗水模系數(shù)Table 3 Water consumption amount and water consumption percentage at different growth stages of wheat

CA:water consumption amount of growth stage; CP:water consumption percentage.

2.4施氮對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量、水分和氮素利用效率的影響

N0處理籽粒產(chǎn)量、水分利用效率、降水利用效率和灌水利用效率均顯著低于施氮處理(表4)。在施氮處理間，N2處理的籽粒產(chǎn)量和降水利用效率顯著高于N1處理，與N3處理無(wú)顯著差異；N2處理的灌水利用效率較N1和N3處理分別高21.04%和8.17%。氮肥偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為N1>N2>N3。這表明N2處理最有利于小麥高產(chǎn)和水氮有效利用。

3 討 論

表4 小麥的籽粒產(chǎn)量、水分利用效率及氮肥偏生產(chǎn)力Table 4 Grain yield,water use efficiency and nitrogen partial productivity of wheat

前人研究表明，黃土高原旱塬區(qū)小麥返青至成熟期0～50 cm土層耗水率達(dá)54.6%[14]。Qiao等[15]研究發(fā)現(xiàn)，小麥越冬、返青、拔節(jié)、開(kāi)花和灌漿期各灌溉60 mm，與越冬和拔節(jié)期各灌溉60mm處理比較，0～200 cm土層土壤貯水消耗量降低77.9 mm。在生育期不灌水條件下，增加施氮可促進(jìn)0～160 cm土層土壤貯水消耗量[16]。Rasmussen等[17]也研究表明，施氮量由20 kg·hm-2增加至150 kg·hm-2，促進(jìn)50 cm以下土層小麥根系的生長(zhǎng)，增加植株對(duì)土壤貯水的吸收。前人對(duì)小麥不同深度土層土壤貯水消耗的研究多采用定量灌溉的方法，忽略了土壤墑情。本研究中，在拔節(jié)期和開(kāi)花期0～40 cm土層土壤含水量分別補(bǔ)灌至田間持水量的70%和65%條件下，240 kg·hm-2施氮處理的20～160 cm土層土壤貯水消耗量較180 kg·hm-2施氮處理提高28.29%，促進(jìn)了小麥對(duì)土壤貯水的利用，有利于節(jié)約灌水；施氮量增加至300 kg·hm-2時(shí)，20～160 cm土層土壤貯水消耗量無(wú)顯著變化。

有研究發(fā)現(xiàn)，拔節(jié)期、灌漿期分別灌水60 mm時(shí)，在0～270 kg·hm-2施氮量范圍內(nèi)冬小麥生長(zhǎng)季土壤供水占總耗水的比例為20.71%～27.44%，施氮處理下降水量和灌水量占總耗水量的比例較不施氮處理分別降低1.45%～10.01%和2.81%～8.36%[16]。小麥全生育期灌水150 mm時(shí)，隨施氮量的增加，總耗水量和土壤貯水消耗量呈單峰曲線，其中240 kg·hm-2施氮處理均最高，分別為535.6和149.5 mm[18]。施氮120和240 kg·hm-2條件下，小麥?zhǔn)斋@后的土壤貯水量較不施氮處理分別低56和51 mm[19]。本研究中，在拔節(jié)期和開(kāi)花期0～40 cm土層土壤含水量分別補(bǔ)灌至田間持水量的70%和65%條件下，240 kg·hm-2施氮處理的土壤貯水消耗量較180 kg·hm-2施氮處理提高24.18%，顯著增加小麥對(duì)土壤貯水的消耗，提高開(kāi)花至成熟期階段耗水量和耗水模系數(shù)，有利于滿足小麥籽粒灌漿時(shí)期的水分需求，施氮量再增加后，土壤貯水消耗量、開(kāi)花至成熟期階段耗水量和耗水模系數(shù)無(wú)顯著變化。

前人研究得出，施氮量與籽粒產(chǎn)量、水分利用效率和氮素利用效率的偏相關(guān)系數(shù)分別為0.774、0.226和0.729[20]。Zhang等[21]研究認(rèn)為，施氮190和290 kg·hm-2下，與110 kg·hm-2施氮處理比較，小麥籽粒產(chǎn)量分別增加8.47%和14.39%，水分利用效率分別提高9.43%和16.95%。亦有研究認(rèn)為，小麥全生育期灌水225 mm時(shí)，270 kg·hm-2施氮處理灌水利用效率較180 kg·hm-2施氮處理提高12.08%，水分利用效率無(wú)顯著差異[22]。在0～360 kg·hm-2范圍內(nèi)施氮，隨施氮量的增加，小麥籽粒產(chǎn)量先增后減，以施氮240 kg·hm-2的產(chǎn)量最高，氮肥偏生產(chǎn)力達(dá)到27.56 kg·kg-1[23]。本研究中，在測(cè)墑補(bǔ)灌條件下，240 kg·hm-2施氮處理比180 kg·hm-2施氮處理增產(chǎn)9.53%，降水利用效率和灌水利用效率分別提高9.54%和21.04%，施氮量再增加后籽粒產(chǎn)量無(wú)顯著變化，灌水利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力分別降低7.55%和18.94%。因此，在本試驗(yàn)條件下，240 kg·hm-2施氮處理是冬小麥高產(chǎn)栽培節(jié)水、節(jié)氮的最優(yōu)處理。

本研究?jī)H選用了山農(nóng)23作為供試品種，由于不同小麥品種耗水特性和水分利用效率存在較大差異，因此有關(guān)測(cè)墑補(bǔ)灌節(jié)水栽培條件下施氮量對(duì)不同小麥品種耗水特性的影響需要進(jìn)一步研究。

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EffectofNitrogenApplicationonWaterUseConsumptionCharacteristicsandtheWaterandNitrogenUseofWinterWheatunderSupplementalIrrigationBasedonMeasuringSoilMoisture

ZHENGXuejiao1,ZHANGYongli1,WUFuxue2,YUZhenwen1,SHIYu1

(1.Ministry of Agriculture Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System,Shandong Agricultural University,Tai’an,Shandong 271018,China; 2.Agricultural Technology Extension Station of Juancheng County,Juancheng,Shandong 274700,China)

To clarify the appropriate nitrogen application rate for high-yielding and water-saving of winter wheat production in Huang-Huai winter wheat region,field experiment was conducted under the condition of the relative soil moisture content at jointing and anthesis stages being 70% and 65%. Wheat cultivar Shannong 23 was supplied with nitrogen fertilizer at 0 (N0),180 (N1),240 (N2),and 300 (N3) kg N·hm-2. We explored the water consumption characteristics and water and nitrogen use efficiencies in response to different nitrogen application rate. The results showed that the consumption amount of soil water in 20-160 cm soil layers for treatment N2 was significantly higher than that of treatment N0 and N1,but no significant difference was found when compared with N3. Compared to treatment N0 and N1,N2 decreased the irrigation water amount by 7.35% and 9.51%,respectively,and significantly increased the soil water consumption,water consumption and water consumption percentage from jointing to anthesis. When the N application rate reached to 300 kg·hm-2,irrigation water amount was increased by 9.59%,and no significant difference was found under N2 treatment in soil water consumption,water consumption and water consumption percentage from jointing to anthesis. Compared to N1 treatment,N2 increased the grain yield,water use efficiency of precipitation and irrigation water productivity by 9.53%,9.54% and 21.04% respectively. While N application rate reached to 300 kg·hm-2,there was no significant difference under N2 treatment in grain yield. Irrigation water use efficiency and nitrogen partial productivity were decreased by 7.55% and 18.94%,respectively. Therefore,the optimal N application rate was 240 kg·hm-2(N2) under the present experimental conditions.

Winter wheat; Nitrogen application; Water consumption characteristics; Yield

時(shí)間：2017-10-11

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20171011.1602.022.html

2017-03-02

2017-04-25

農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代小麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(CARS-3-1-19)； 山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2016CM34)

E-mail：Zhengxj1021@163.com

張永麗(E-mail：zhangyl@sdau.edu.cn)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)10-1358-06