不同水氮處理對滴灌冬小麥生長、產量和耗水特性的影響

陳凱麗,趙經華，付秋萍，馬英杰，王忠任

(新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052)

農田生態(tài)系統(tǒng)內水分和養(yǎng)分，不僅對作物生長發(fā)育具有重要影響，同時也是人類最重要調節(jié)和控制的兩個因子[1]。農業(yè)生產中，水、肥之間存在著明顯的交互作用。如何協(xié)調旱地農田水分與養(yǎng)分的相互關系，是提高旱地農作物生產效率的關鍵。以往關于不同水氮條件對冬小麥生長、產量和水分利用效率的影響研究主要集中在灌水或施氮單因子效應方面[2-6]，且灌溉方式主要是大水漫灌。而在滴灌灌水條件下二者交互作用的研究則較少，加上水氮配施需要與當?shù)氐霓r業(yè)生產環(huán)境相結合，因此研究結果有一定的區(qū)域性[7-8]。目前，新疆在農業(yè)生產過程中，水肥投入量大、利用效率低和損失嚴重等突出問題廣泛存在[9-10]，造成資源浪費、成本增加和環(huán)境污染等嚴重后果[11]。

水肥一體滴灌施肥影響肥料施用后養(yǎng)分在土壤中的分布，同時也對作物根系的生長和分布造成影響，進而影響作物對養(yǎng)分的吸收和利用[12]，將肥料施于根部，能減少水分的損耗和養(yǎng)分的淋失[13]，不僅可以促進肥料轉化和吸收提高肥料利用率，還可以調節(jié)水分利用，提高水分利用率[14]。為此，本文在前人研究的基礎上，通過田間滴灌試驗，研究不同水氮處理對冬小麥生育期株高和葉面積指數(shù)、產量及水分利用效率的影響，以期為該區(qū)冬小麥氮肥運籌和灌溉制度優(yōu)化提供科學依據。

1 試驗區(qū)概況與試驗方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于新疆阿克蘇地區(qū)紅旗坡新疆農業(yè)大學林果試驗基地內，地理位置為東經80°14′，北緯41°16′，海拔1 133 m。地處天山中段的托木爾峰南麓，塔里木盆地北緣，屬于典型的溫帶大陸性氣候，多年平均太陽總輻射量544.115～590.156 kJ·cm-2，多年平均年日照時數(shù)2 855～2 967 h，無霜期達205～219 d，多年平均降水量42.4～94.4 mm，多年平均氣溫11.2℃，年有效積溫為3 950℃。試驗于2014年10月7日至2015年6月12日在試驗區(qū)進行。試驗區(qū)土壤pH值8.01,有機質7.145 g·kg-1，全氮0.343 g·kg-1，全磷0.414 g·kg-1，全鉀18.898 g·kg-1，速效氮48.6 mg·kg-1，速效磷5.2 mg·kg-1，速效鉀155 mg·kg-1。試驗區(qū)0～60 cm土層的平均田間持水率23.89 %(體積含水率)。

1.2 試驗設計

試驗在無底測坑中進行，測坑長×寬×高=3 m×2.2 m×2 m。試驗設灌水下限高、中、低三水平，即W1(灌水下限為田間持水量75%)、W2(灌水下限為田間持水量60%)、W3(灌水下限為田間持水量45%)。底肥為磷酸氫二銨195 kg·hm-2，硫酸鉀鎂肥105 kg·hm-2，各處理均相同。追肥為尿素，設置3個水平(高、中、低)，即N1(返青、拔節(jié)期各追施90 kg·hm-2，孕穗期45 kg·hm-2)、N2(返青、拔節(jié)期各追施60 kg·hm-2，孕穗期30 kg·hm-2)、N3(不追肥)。N3處理的磷酸氫二銨和尿素總含氮量41 kg·hm-2；N2處理的磷酸氫二銨和尿素總含氮量111 kg·hm-2；N1處理的磷酸氫二銨和尿素總含N量146 kg·hm-2。

水肥試驗共設8個處理，即W1N1、W1N2、W1N3、W2N1、W2N2、W2N3、W3N2、W3N3。3次重復，共24個處理。

小麥品種為新冬22，播種日期10月7日，6月12日收獲。播量300 kg·hm-2，行距20 cm，共計播種13行，播深5 cm左右。冬小麥生育期見表1。

采用滴灌進行灌溉，小麥間距20 cm，毛管間距60 cm，滴頭流量1.8 L·h-1，滴頭間距30 cm，按設計要求進行灌水：當田間實際含水量達田間持水量的75%左右(W1處理)、60%左右(W2處理)和45%左右(W3處理)即進行灌水至田間持水量(60 cm深度)。W1處理共灌水7次，灌溉定額約為320 mm；W2處理共灌水4次，灌溉定額約為290 mm；W3處理共灌水2次，灌溉定額約為180 mm。

表1 冬小麥生育期(M-d)Table 1 Growth period of winter wheat

施肥處理：底肥在翻地前撒施，翻入地下5 cm處。追肥均采取隨水滴施，采用拉菲尓科技有限公司生產的便攜式施肥器進行施肥。

1.3 測試項目及方法

(1)土壤含水率：在小麥行側布置距小麥距離不同的TRIME管。采用TRIME—IPH土壤剖面含水量測量系統(tǒng)對不同深度土壤水分狀況進行監(jiān)測。垂直深度每隔20 cm測1個含水率，測量深度100 cm。每次灌水前，測定0～100 cm土層土壤含水率。

(2)作物耗水量：根據水量平衡原理計算小麥各生育期的耗水量。

ET=W0-Wt+P0+M+K-S

(1)

式中,ET為時段t內作物的耗水量(mm)；W0、Wt分別為時段初和任一時間t的土壤計劃濕潤層內的儲水量(mm)；P0為土壤計劃濕潤層內保存的有效水量(mm)；M為時段t內的灌水量(mm)；K為時段t內的地下水補給量(mm)；S為時段t內的深層滲漏量(mm)。

由于地下水位在6 m以下，因此不考慮地下水補給(即K=0)。根據埋設在地里的HYDRAU水分測定儀的觀測數(shù)據顯示，在試驗地100 cm以下，土壤含水量基本沒有變化，因此不考慮深層滲漏(即S=0)。

(3)耗水模系數(shù)=各生育階段麥田耗水量/麥田總耗水量

(2)

(4)株高：每小區(qū)自滴灌帶第一行、第二行各取3株有代表性的植株，做好標記，分蘗前株高為地面到最高葉尖的高度，分蘗后株高為從地面至穗的頂端，不包括芒，量取其長度，取平均值為該小區(qū)株高。

(5)葉面積指數(shù)：長寬系數(shù)法，校正系數(shù)取0.75。在每個生育時段初期，各小區(qū)分別取25 cm行長的樣本，確定其分蘗數(shù)，從中選取5個分蘗并用直尺測量小麥分蘗上葉片的最大長、寬，利用式(2)計算小麥葉面積指數(shù)，取其均值，代表單個分蘗的葉面積指數(shù)，再乘以總分蘗數(shù)，最終得出各小區(qū)葉面積指數(shù)，見公式(3)。

LAI=小麥1個分蘗上總的葉面積×25 cm行長的分蘗數(shù)/375

(3)

(6)干物質：每行各取15 cm行長的樣本，把根剪去，留地上部分裝入紙袋放入烘箱，先在105℃烘干30 min，停止樣品的呼吸消耗，然后再在80℃下烘干至恒重。

(7)考種：在完熟前按小區(qū)選取典型樣品，進行室內考種，統(tǒng)計有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重。

(8)產量：成熟后按小區(qū)單打單收，并計產。

(9)水分利用效率：

水分利用效率=籽粒產量/作物全生育期耗水量

(4)

2 結果與分析

2.1 不同水氮處理對滴灌冬小麥生長指標的影響

2.1.1 對冬小麥株高的影響 如圖1所示，不同處理的小麥起身期至抽穗開花期都生長迅速，其中在拔節(jié)孕穗期至抽穗開花期增長量最大，日均增長量達到1.5 cm。如圖1所示，各施氮處理間比較，N3處理的小麥株高都低于其它施肥處理。經單因素LSD法分析表明，在整個生育期內，在同一灌水下限處理下，N1處理與N2處理的小麥株高無顯著差異。在拔節(jié)孕穗期，W1、W2處理同一灌水下限處理下，N2處理與N3處理的株高差異顯著；在拔節(jié)孕穗期，W1處理下，N1處理的小麥株高還與N3處理的株高差異顯著。在灌漿期，W2處理下，N3處理的小麥株高分別與N1、N2處理差異顯著。上述研究表明，無論在何種灌水下限水平下，低肥都限制了小麥株高增長。各灌水下限處理間比較，W3處理的小麥株高都低于其他灌水下限處理。經雙因素LSD法分析表明，在拔節(jié)孕穗期W1與W2處理小麥株高差異顯著。在灌漿期W1、W2處理與W3處理的株高差異顯著。上述研究表明灌水量相對較高有利于小麥株高增長。由圖1所示，W1N1與W2N2處理的小麥在生長過程中株高差異不大，且最有益于株高增長。其中，株高最高的為W2N2處理的，達到72.83 cm，在此基礎上繼續(xù)增大灌水下限和施氮量都不利于小麥株高的增長，其他處理與W2N2處理的小麥株高相比，差幅達到5.5 cm左右。

2.1.2 對冬小麥葉面積的影響 葉片是光合作用的主要器官，葉面積對小麥產量形成具有較大的影響，故葉面積指數(shù)是小麥生長狀況的重要指標[15]。如圖2所示，各水氮處理的葉面積指數(shù)變化趨勢相同，都是先增大后減小，且葉面積指數(shù)都在拔節(jié)孕穗期至抽穗開花期期間達到最大。各施氮處理間比較，N3處理的小麥葉面積指數(shù)均小于其他處理。經單因素LSD法分析表明，在整個生育期內，在相同灌水下限處理的條件下，N2處理與N1處理的小麥葉面積指數(shù)都無顯著差異。在抽穗揚花期、灌漿期，在相同W1處理的同一水平下，N3處理與N2、N1處理的小麥葉面積指數(shù)差異顯著。各灌水下限處理間比較，經雙因素LSD分析表明，在抽穗揚花期、灌漿期，W3處理與W2、W1處理的小麥葉面積指數(shù)差異顯著。在相同施氮水平下，除W3N3處理以外，各灌水下限處理的葉面積指數(shù)大小均是W1>W2>W3。以上分析表明，后期水肥對小麥葉面積指數(shù)影響較大，低水低肥處理限制了小麥葉面積指數(shù)的增長。根據主效應分析表明在抽穗揚花期、灌漿期灌水下限對小麥葉面積指數(shù)的影響要大于施氮量的影響。如圖2所示， W1N1和W1N2處理的小麥葉面積指數(shù)在整個生育期都顯著高于其他處理，最高達到了9.8。綜上可以反應出灌水下限對葉面積指數(shù)的影響是顯著的，且比施氮量影響更大，葉面積指數(shù)隨著灌水下限的增大而增大。低水低肥處理限制了小麥葉面積指數(shù)的增長。

注：I：拔節(jié)孕穗期；II：抽穗期；III：開花期；IV：灌漿期；V：完熟期。圖中同一時期不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Note: I：jointing-booting stage；II: heading stage；III: flowering stage ；IV: filling stage；V: full ripe stage. Different letters show significant differences in processing at the same time(P<0.05)圖1 不同水氮處理下小麥生育期株高動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of plant height in different water and nitrogen treatments during wheat growth period

注：I：起身期；II：拔節(jié)孕穗期；III：抽穗揚花期；IV：灌漿期。圖中同一時期不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: I: setting stage;II: jointing-Booting stage;III: heading and flowering stage;IV: filling stage. Different letters significant differences in processing at the same time(P<0.05). The same below.圖2 不同水氮處理下小麥生育期葉面積指數(shù)動態(tài)變化Fig.2 Dynamic change of leaf area index in different water and nitrogen treatment during wheat growth period

2.1.3 對冬小麥干物質的影響 光合作用的最終積累產物是干物質，是形成產量的物質基礎[16]。經單因素LSD法分析表明，在起身期，在W2處理下，N1與N2、N3處理干物質積累量差異顯著。經雙因素LSD分析表明，在起身期，W1與W3處理干物質積累量差異顯著。由圖3可以看出干物質隨著小麥的生長在不斷地積累，且在起身期至灌漿期是干物質積累的黃金時間。在各灌水下限處理間比較，W1處理的小麥干物質積累量顯著高于其它灌水下限處理，其中，W1N2處理的干物質積累量達到最大。各施氮處理間比較，W1N2處理的干物質積累量在生長過程中總是大于W1N1處理；W3N3處理的干物質積累量總是大于W3N2處理；W2N2處理的干物質積累量僅在完熟期時略小于W2N1的干物質積累量，在其它時間均大于W2N1處理。說明在各灌水下限處理中，增加施氮量并不有利于小麥干物質積累，適當施氮量才有利于干物質積累。且各施氮處理間比較，N2處理最有利于干物質積累。

圖3 不同水氮處理下小麥生育期干物質積累量動態(tài)變化Fig.3 Dynamic change of dry matter accumulation in different water and nitrogen treatment during wheat growth period

2.2 不同水氮處理對冬小麥產量構成因素及產量的影響

千粒重、單穗粒數(shù)、穗數(shù)是構成小麥產量的三個構成因素。由表2可見，實際產量均未達到理論產量的85%，但實際產量與理論產量的變化趨勢是相同的。經雙因素LSD分析表明，各水分處理小麥產量及產量構成因素比較，W2與W3處理的小麥有效穗數(shù)和產量差異顯著。各施氮處理小麥產量及產量構成因素比較，N1處理與N3處理的小麥千粒重、穗粒數(shù)、產量差異顯著。上述分析表明低水低肥限制了小麥產量及產量構成因素的增長。由表2可看出，在W2處理下，N2與N3處理的有效穗數(shù)差異顯著，N2與N1、N3處理的產量差異顯著。在各灌水下限處理中，除W2處理外，各處理的產量都隨著施氮量的增加而增加；在各施氮處理中，除N2處理外，各處理的產量都隨著灌水下限的增大而增加。說明在W3和W1處理中繼續(xù)增加氮以及在N3和N1處理繼續(xù)增大灌水下限都有可能提高產量，在現(xiàn)有條件下，W2N2是最有利于增產的水肥耦合處理，達到8 843.84 kg·hm-2，比最低產量增產達19 %。在W2N2處理水平上繼續(xù)增氮或者繼續(xù)增大灌水下限都不利于增產。W2N2的水分利用效率達到了最大，達到了28.02 %。除W2N2處理外，各施氮處理中，水分利用效率隨著灌水下限的增大而增加。各灌水下限處理中，水分利用效率隨著施氮量的減小而減小，其中，W3N2和W3N3處理的小麥水分利用效率無顯著差異。這說明灌水下限和施氮量相對較小的處理反而有利于提高水分利用效率。

2.3 不同水氮處理下小麥各生育期耗水量及耗水模數(shù)

由表3可知，總耗水量隨著灌水下限的升高而增加。除W1處理的耗水量大于灌水量，其余的不同灌水下限處理小麥各生育期的耗水模數(shù)都相近，且從整體上來看，各生育期內耗水量和耗水模數(shù)都表現(xiàn)為灌漿>完熟>抽穗揚花期>拔節(jié)孕穗期>返青起身期。這說明灌水下限不影響各生育期小麥對水分的依賴程度。其中，灌漿期對水分依賴程度最大，平均耗水強度達到40%，其他生育期耗水模數(shù)為13%～18%，差幅顯著，所以應該在該生育期內加強對水分的農業(yè)生產管理措施。

由表4可以看出，小麥返青起身期耗水量和完熟期耗水量與產量達顯著相關。由各生育期對作物生長發(fā)育關聯(lián)性可知，返青起身期是控制秧苗生長、調節(jié)分蘗和決定成穗率多少的關鍵時期。完熟期為小麥的生理成熟期，由相關分析可知此時耗水量對小麥產量有較大的影響。故在小麥返青、完熟生育期內應加強對水分的管理。

表2不同水氮處理下滴灌小麥產量指標

Table 2 Yield index of wheat under different water and nitrogen treatments

處理Trestment單穗粒數(shù)Grainnumberperpanicle穗數(shù)/(104穗·hm-2)Spikenumber千粒重/gThousandseedweight理論產量的85%Theoreticalyield/(kg·hm-2)實際產量Actualyield/(kg·hm-2)水分利用效率Wateruseefficiency/[kg/(hm2·mm)]W1N131．50a800．00a47．63a10208．168530．55a23．95N233．83a900．00a47．93a12412．558197．05a24．77N335．50a854．1749．47a12756．158129．25a25．44W2N144．83a730．00a46．15a12845．857682．69b24．95N236．00a900．00a47．33a13040．288843．84a28．02N334．67a704．17b43．42a9013．917730．96bc26．37W3N229．67a800．00a46．01a9285．727850．19a27．91N331．50a837．50a43．15a9680．077450．06a27．34

注：不同字母表示在同一灌水水平下的不同處理間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different letters at the same time indicate significant differences among treatments at the same irrigation level(P<0.05).

表3 不同水氮處理下小麥各生育期耗水量及耗水模數(shù)Table3 Water consumption and water consumption modulus of wheat at different growth stages under different water and nitrogen treatments

表4 各階段耗水量與產量的Person相關系數(shù)Table 4 Person correlation coefficient between water consumption and yield at different growth stages

注：*表示相關顯著(P=0.05)。

Note: * stands for significant correlation at 0.05 level.

3 討論與結論

灌水下限對小麥株高和葉面積指數(shù)的影響是顯著的，且比施氮量對株高和葉面積指數(shù)影響更大。W2N2處理的株高最高，在此基礎上繼續(xù)增大灌水下限和氮都不利于小麥株高的增長。從拔節(jié)期到灌漿期株高差異性的變化可以看出，W3處理(灌溉定額為180 mm)和N3處理(45 kg·hm-2)不利于小麥株高的生長，且在小麥生長后期，增大灌水下限和施氮量有利于小麥株高的生長。W3處理和N3處理同樣不利于小麥葉面積指數(shù)的增長，這將直接影響最終產量。

水氮對作物的功能和作用各不相同，二者之間相互作用，相互影響。灌水下限對小麥干物質積累以及產量的影響要比施氮量的影響大。在各灌水下限處理中，增加施氮量并不有利于小麥干物質積累，適當?shù)氖┑坎庞欣诟晌镔|積累。此試驗條件下，W3(灌溉定額為180 mm)和W1(灌溉定額為320 mm)處理繼續(xù)增加氮以及N3(45 kg·hm-2)和N1(146 kg·hm-2)處理繼續(xù)增加灌水都有可能提高產量。產量隨著灌水下限和施氮的增加而增加，但過量的施氮量反而會抑制產量的增長(N3處理的產量比N2處理的小)。以N2處理(施氮量為111 kg·hm-2)施氮量為最佳。這與栗麗[18]研究的以150 kg·hm-2為最佳施氮量有一定的差異。分析原因，可能與試驗區(qū)的土壤肥力、氣候、農業(yè)管理等因素有關。

經分析表明，不同水氮處理，各生育期內耗水量和耗水模數(shù)都表現(xiàn)為灌漿>完熟>抽穗揚花期>拔節(jié)孕穗期>返青起身期。需要在灌漿期、返青期、完熟期加強對水分的生產管理。灌水下限相對較大和施氮量相對較小的處理有利于提高水分利用效率。這也與panda等[19-20]提出，在一定的水分脅迫下，小麥可以獲得較高的水分利用率的結論相一致.

在此試驗條件下，W2N2處理(灌水下限為田間持水量的60%，灌溉定額為290 mm，施氮量為111 kg·hm-2)的干物質、產量和水分利用效率最大。在W2N2基礎上繼續(xù)增加氮或者繼續(xù)增大灌溉下限都不利于節(jié)水增產。因此，該處理為產量和效益兼優(yōu)的最佳組合。本試驗是建立在阿克蘇氣候土壤性質條件下，對阿克蘇及南疆地區(qū)試驗及生產具有理論指導意義，但大面積推廣還存在氣候、土壤的差異。因此，還需加強研究，建立通用模型，更好地指導農業(yè)生產。