滴灌水氮運籌對春小麥根冠生長及產(chǎn)量的影響

鄒升 王冀川 陳慧

摘要：采用管栽模擬試驗，以新春6號（管徑20 cm、高100 cm）為材料研究不同滴灌水量（W1：6.597 3 kg/管、W2：10.367 3 kg/管、W3：14.137 2 kg/管）和施氮量（純氮施用量N0：0 g/管、N1：0.433 5 g/管、N2：0.650 3 g/管、N3：0.867 1 g/管）對春小麥根冠生長及產(chǎn)量的響應特征。結(jié)果表明，水、氮具有顯著的根冠雙向調(diào)節(jié)功能，在根系方面，隨著水、氮供應量增加，根系干質(zhì)量、總根長及表面積增加，少水中氮處理的根系變粗。水氮對根系生長特征的影響大小為根干質(zhì)量>根長>根系表面積>根系直徑。在冠部方面，增施水氮顯著促進冠部器官生長，利于高產(chǎn)的產(chǎn)量構(gòu)成因子的形成，且對產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響大小為穗粒數(shù)>小穗數(shù)>千粒質(zhì)量，但過高的水氮對有效蘗的形成不利，N3W3處理的穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量不及N3W2處理，最終產(chǎn)量以N3W2處理最高，達1.656 g/株。水氮在根系干質(zhì)量及表面積、單株成穗數(shù)和穗粒數(shù)等方面具有顯著的耦合效應，并且以水分對根冠生長及產(chǎn)量形成的促進效應大于氮素。根冠比隨供氮量增加而下降，隨供水量增加而增加，且其與WUE呈負相關(guān)，與產(chǎn)量呈二次多項式關(guān)系。通過分析，在灌水量為10.37～14.14 kg/管（折合3 300～4 500 m3/hm2）、施氮量0.65～0.87 g/管（折合207～276 kg/hm2）的范圍內(nèi)均能獲得1.37～1.66 g/株（折合7 230.2～8 715.2 kg/hm2）的較高產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：春小麥;滴灌;水氮運籌;根冠比;水分利用效率;產(chǎn)量

中圖分類號： S512.1+20.7;S512.1+20.6;S311? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）12-0129-05

滴灌水肥一體化技術(shù)是目前新疆重點推廣的一項增產(chǎn)增效的新技術(shù)，且在小麥上開始廣泛應用。由于實現(xiàn)了水肥同步，其利用效率和產(chǎn)量得到較大提升，但滴灌小麥出現(xiàn)的長勢旺、根系分布淺、后期易倒伏和早衰[1]的現(xiàn)象逐漸凸顯，制約了滴灌技術(shù)的應用和產(chǎn)量潛力的發(fā)揮，開展滴灌水氮運籌的根冠生長調(diào)控效應研究，制定科學的水肥措施是當前亟待解決的問題。

作物的根冠生長是一個動態(tài)平衡系統(tǒng)，存在互相依賴、互相競爭的關(guān)系[2]，當生長條件有利時，表現(xiàn)為依賴關(guān)系，反之則表現(xiàn)為競爭關(guān)系。在實際生產(chǎn)中，作物根、冠的這種關(guān)系主要受到水肥調(diào)控而表現(xiàn)出不同，水分顯著影響小麥的干物質(zhì)生產(chǎn)總量及其在根、冠間的分配比例[3]，從而對小麥根、冠生長關(guān)系和產(chǎn)量形成產(chǎn)生重要影響;氮肥能促進根系和地上部分生長，但氮肥過多會顯著降低根冠比，根體積、根容重和根系含水量隨氮素水平提高均表現(xiàn)出先升后降的趨勢[4];也有人研究認為水氮在小麥干物質(zhì)積累[5]、氮素吸收及水分利用效率上存在耦合效應[6]，但關(guān)于水氮對滴灌小麥根冠協(xié)調(diào)生長及產(chǎn)量形成方面的研究較少[7]。本試驗通過不同水氮耦合的管栽模擬試驗，開展不同滴灌供水供氮條件下根冠生長的響應關(guān)系的研究，為進一步探索滴灌小麥水氮高效利用及高產(chǎn)形成機制打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

試驗于2016年在塔里木大學試驗站網(wǎng)室中進行。采用管徑20 cm、高100 cm的硬質(zhì)聚氯乙烯（PVC）進行管栽，培養(yǎng)土為農(nóng)田沙壤土，有機質(zhì)含量1.025%，堿解氮含量 49.27 mg/kg，速效磷含量52 mg/kg，速效鉀含量 214.1 mg/kg。過篩后按1 t土混施三料磷肥80 g、硫酸鉀 40 g 裝土入管，然后埋入深度為1 m的坑中，管上端口與地表齊平。3月8日播種，品種為新春6號。每管均勻播種20粒，播深3 cm，隨后統(tǒng)一灌水1.5 kg/管以保證出苗，出苗后拔除多余麥苗（弱株）保證每管15株。

1.2 試驗設計

采用水氮雙因素試驗，施氮量（純氮）設0（N0）、0.433 5（N1）、0.650 3（N2）、0.867 1 g/管（N3）4個水平，灌水量設 6.597 3（W1）、10.367 3（W2）、14.137 2 kg/管（W3）3個水平，按面積折算為施純氮0、138、207、276 kg/hm2，滴水2 100、3 300、4 500 m3/hm2。試驗共12個處理，每處理重復6次，共計72根管。為模擬田間滴灌模式，每根管采用醫(yī)用輸液管連接掛瓶進行滴灌施肥，以輸液管上的開關(guān)調(diào)節(jié)滴水速度。氮素換算成尿素溶水后滴施。水、氮滴施按照小麥肥水需求規(guī)律進行生育期間的分配，詳見表1。

1.3 觀測項目與統(tǒng)計方法

出苗后每隔7 d觀察春小麥生育進程，記錄株高、分蘗數(shù)、各葉片面積（單葉面積=長×寬×0.82[8]）等。在小麥的乳熟期（6月3日）每處理取3管進行破壞性試驗，割取地上部分放入105 ℃烘箱中殺青15 min后，80 ℃烘至恒質(zhì)量后稱干質(zhì)量，取出完整的根系在80目網(wǎng)袋中沖去泥土后用鑷子仔細把根排放在玻璃板上，用掃描儀在300 dpi像素下掃描成黑白的TIF圖像，用DT-SCAN圖像分析軟件（英國Delta公司，1.0版）計算根長、平均直徑和根表面積等形態(tài)特征指標，用π·（R/2）2·L（L為根系長度，R為根系平均直徑）計算根系表面積。最后將根系烘干至恒質(zhì)量后稱質(zhì)量。6月19日成熟時割取地上部分，脫粒考種計產(chǎn)。灌溉水利用效率（WUE）按產(chǎn)量除以滴灌水量計算。

試驗結(jié)果采用DPS 7.5統(tǒng)計分析軟件Duncans新復極差法對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 水、氮對滴灌春小麥根系性狀的影響

根系的形態(tài)特征反映了根系發(fā)育及功能發(fā)揮的好壞[9]，從表2可以看出，隨著施氮量或灌水量的增加，根系干質(zhì)量、總根長及根系表面積增加，在不同施氮條件下，W2和W3處理的根系干質(zhì)量、總根長及根系表面積的均值分別比W1處理增加了36.36%和102.30%、22.88%和30.37%、13.96%和19.74%;N1、N2、N3施氮處理根系干質(zhì)量、總根長及根系表面積的均值較N0處理增加了 1.70%～8.39%、8.60%～34.20%和8.88%～28.35%。平均直徑隨供水量增加呈先下降后增加趨勢，隨施氮量增加呈先增加后下降的趨勢，在N2或W1處理時為最高，N3或W1處理時最小。

從水、氮對春小麥根系生長性狀的影響效應上看（F值），除氨素對根系干質(zhì)量性狀影響不顯著外，其他單因素效應均達顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）水平，其中水分處理的根干質(zhì)量、平均直徑、總根長和根系表面積的變異系數(shù)（CV）分別為35.47%、4.42%、13.44%和9.12%，而氮素處理的分別為3.59%、2.33%、12.80%和11.10%，說明在根干質(zhì)量、根系平均直徑和根長方面供水效應大于供氮效應，而對于根系表面積供氮效應略大于供水效應。從水、氮對根系性狀的影響程度（CV大?。┥峡?，對根干質(zhì)量影響最大，其次是根長和根系表面積，對根系直徑的影響最小。根長和根系表面積的水氮耦合效應達顯著（P<0.05）水平，說明在保證供水的基礎(chǔ)上，適當施用氮肥更能發(fā)揮其促進根系生長的作用。另外，在組合處理中，N3W3處理的根系干質(zhì)量和根長最大，分別達122.78 mg/株和13 860.46 mm/株，而N3W2處理的根系表面積最大，達11 672.90 mm2/株，N2W1處理的根系平均直徑最大，達0.331 mm，說明各根系性狀受水氮供應的影響側(cè)重點不同，須要有一個適宜的水氮組合來保證根系性狀的協(xié)調(diào)生長。

2.2 水、氮對滴灌春小麥地上部分生長特性的影響

從表3可以看出，隨著灌水量或施氮量的增加，地上部各器官生長，干質(zhì)量隨之增加，在不同施氮條件下，W2和W3處理的株高、莖粗、單株有效成穗數(shù)、地上部總干質(zhì)量和單株葉面積的均值分別較W1處理增加了15.75%和28.31%、13.31%和31.90%、14.31%和15.90%、51.16%和77.16%、17.65%和47.36%;N1、N2、N3施氮處理的均值較N0處理分別增加了 8.05%～18.02%、6.66%～34.20%、2.06%～10.74%、8.45%～37.73%、7.30%～15.89%，說明水氮對地上器官的生長具有明顯的促進作用。

從單因素對植株生長影響程度（F值）上看，除莖粗的供氮素效應不顯著外，其他處理的水、氮效應均達極顯著（P<0.01）水平，說明干旱區(qū)滴灌麥田保證水氮供應是促進麥株生長的基礎(chǔ)，而水氮供應僅對單株成穗數(shù)性狀具有顯著（P<0.05）的耦合效應，也說明了水氮供應對收獲群體大小調(diào)控的重要性。從水氮供應對地上部器官生長的影響程度（CV）上看，水分處理的株高、莖粗、成穗數(shù)、地上部干質(zhì)量及單株葉面積的CV分別為12.37%、13.92%、7.96%、27.50%和 19.67%，而氮素處理的分別為6.81%、13.13%、5.28%、14.04% 和6.32%，均小于水分處理，說明水分較氮素更能促進地上部生長。從水氮對地上部各性狀的影響（CV）大小上看，水氮對地上部總干質(zhì)量影響最大，株高、莖粗和單株葉面積次之，單株成穗數(shù)最小，說明水、氮影響主要表現(xiàn)在個體生產(chǎn)性能方面，這可能也是不同水氮處理最終形成不同產(chǎn)量的原因所在。

2.3 水、氮對滴灌春小麥產(chǎn)量結(jié)構(gòu)及產(chǎn)量的影響

不同水、氮處理對小穗數(shù)、穗粒數(shù)及產(chǎn)量的影響均達極顯著（P<0.01）水平。同一灌水或同一施氮量條件下，隨施氮量或灌水量增加，小穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量增加，單株產(chǎn)量（包括分蘗成穗）也隨之增加（表4）;在不同施氮條件下，W2和W3處理的小穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量及單株產(chǎn)量的均值分別較W1處理增加了12.06%和24.33%、30.80%和42.26%、9.18%和13.56%、64.47%和86.95%;N1、N2、N3施氮處理的均值較N0處理產(chǎn)量分別增加了12.90%～22.71%、3.14%～37.89%、3.05%～7.66%和8.21%～63.23%。

水氮對產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響側(cè)重點不同，氮素對小穗數(shù)、穗粒數(shù)和單株產(chǎn)量具有極顯著的影響，但對千粒質(zhì)量影響不顯著，而水分對產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均有極顯著的影響。從水氮對產(chǎn)量構(gòu)成的影響程度（CV）上看，水分處理的小穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和單株產(chǎn)量的CV分別為10.85%、17.57%、6.43%和29.99%，而氮素處理的分別為8.37%、15.17%、3.47% 和22.57%，均小于水分處理，說明在干旱度條件下，水分對產(chǎn)量形成及根冠生長的影響更大。另外從CV大小可以看出，水氮對產(chǎn)量構(gòu)成的影響大小為穗粒數(shù)>小穗數(shù)>千粒質(zhì)量，水氮對穗粒數(shù)及單株產(chǎn)量具有極顯著的耦合效應，說明穗粒數(shù)是干旱區(qū)滴灌春小麥易于通過水氮調(diào)控而實現(xiàn)增產(chǎn)的首要因素。從水氮組合處理上看，N3W2產(chǎn)量最高，達 1.656 g/株，顯著高于其他處理，N3W3和N2W3處理的產(chǎn)量次之，分別達1.429 g/株和1.374 g/株，N1W3、N2W2、N0W3處理產(chǎn)量也達到了1.126、1.084、1.012 g/株，而N0W1及N1W1處理最小，僅為0.555 g/株和0.620 g/株。

2.4 水氮對滴灌春小麥水分利用效率及根冠比的影響

從表5可以看出，水氮供應對根冠比及水分利用效率（WUE）具有極顯著影響。由圖1可知，同一灌水條件下，隨著施氮量增加，根冠比下降而WUE增加，說明增施氮肥不利于提高根冠比，但能促進灌溉水的有效利用;在N0、N1條件下，隨著灌水量增加，根冠比增加，N2、N3條件下，根冠比大小為W3>W1>W2。隨著施氮量增加，WUE增加，且在中、高氮（N2、N3處理）條件下適量水分處理（W2）時最大，高水條件（W3）的WUE反而下降。從組合處理上看，N0W3的根冠比最大，達6.58%，N1W3、N0W2、N2W3、N3W3、N2W1、N1W2處理次之，N3W2最小，僅為3.44%;N3W2的WUE最大，達 2.64 kg/m3，顯著高于其他處理，其次為N3W1、N2W2、N3W3和N2W3，N0W3最小，僅為1.18 kg/m3。從水、氮的影響程度上看，根冠比的CV分別為11.22%和 9.45%，而WUE的分別為9.26%和22.31%，說明水分重點影響根冠比而氮素重點影響WUE。

3 討論與結(jié)論

水、氮能有效促進作物根冠生長[10]，對于根系，主要體現(xiàn)在促進根干質(zhì)量和根長方面，且水分效應大于氮肥效應，這與陳娟等的研究結(jié)果[11]一致。根長和根系表面積的水氮耦合效應達極顯著水平，說明水氮一體化供應能有效發(fā)揮水、氮對根系生長的促進效應，但過多水氮（N3W3處理）易造成根系產(chǎn)生生長冗余[12]，只有高氮中水（N3W2）處理的根系表面積最大，利于增進根系的吸收功能。對于冠部，水氮的促進作用主要體現(xiàn)在株高、有效分蘗數(shù)、地上部干質(zhì)量及葉面積等方面，水氮耦合能有效促進有效莖蘗形成，增加個體生長質(zhì)量和生產(chǎn)性能[13]。

適當增施氮肥或增加灌水量均能促進產(chǎn)量構(gòu)成因子的增加，但以水分效應為主，水氮對各產(chǎn)量因子的影響大小順序為穗粒數(shù)>小穗數(shù)>千粒質(zhì)量，且穗粒數(shù)的水氮耦合效應達極顯著水平，說明在干旱灌區(qū)，保證水分是促進小麥根冠生長的關(guān)鍵，通過水肥一體化技術(shù)，適當增施氮肥，主抓穗粒數(shù)和收獲穗數(shù)，是南疆滴灌春小麥高產(chǎn)的關(guān)鍵。

試驗表明，增施氮肥，根冠比下降，這種現(xiàn)象在少水條件下尤其明顯，這與王艷哲等認為施氮量增加，根量減少的研究結(jié)果[14]一致，而與陳娟等認為的灌水量增加根冠比下降[11]不同的是，雖然增加灌水量能有效促進地上地下部分生長，但對根系的正效應要大于地上部分，導致高水處理的根冠比較大，這可能是滴灌過多水分會促進形成龐大的根系[15]，從而消耗較多的同化產(chǎn)物，使根質(zhì)量增加、冠質(zhì)量減少，這點與楊貴羽等的研究結(jié)論[3-4]較一致。

根冠比與水分利用效率及產(chǎn)量密切相關(guān)，多數(shù)研究認為較低的根冠比有利于WUE和產(chǎn)量的提高[16-18]，本研究發(fā)現(xiàn)，根冠比（x）與WUE（y）呈顯著線性負相關(guān)，其關(guān)系方程為 y1=-0.435 2x+3.951 8（r2=0.769 1*），與產(chǎn)量呈現(xiàn)較弱二次多項式關(guān)系，其關(guān)系方程為y2=0.221 4x2-2.343 7x+7.064（r2=0.406 9），即隨根冠比增加，產(chǎn)量呈先下降后增加的趨勢（圖2），說明提高根冠比并不利于水分的有效利用，但在某種程度上能促進高產(chǎn)的形成，生產(chǎn)中應注意適當增加氮肥及合理的水分供應，協(xié)調(diào)好根冠生長及水分高效利用的關(guān)系，才能實現(xiàn)節(jié)水高產(chǎn)。

滴施水氮對春小麥根冠具有顯著的雙向耦合調(diào)節(jié)效應，并且水分對根冠生長及產(chǎn)量形成的促進效應大于氮素，少氮高水利于根系生長而高氮少水利于冠部生長，追求較高的根冠比雖不利于WUE的提高，但能獲得較好的產(chǎn)量，故在生產(chǎn)中保證充足灌溉量的基礎(chǔ)上，適當增施氮肥，提高根冠比，避免滴灌小麥地上部生長過旺、根系長勢不足的缺點[19]，促進高產(chǎn)潛力的發(fā)揮。試驗得出，N3W2產(chǎn)量顯著高于其他處理，達1.656 g/株，其次是N3W3和N2W3處理，分別達1.429 g/株和1.374 g/株，說明在灌水量10.37～14.14 kg/管（折合 3 300～4 500 m3/hm2）、施氮量0.65～0.87 g/管（折合207～276 kg/hm2）的范圍內(nèi)均能獲得1.37～1.66 g/株（折合 7 230.2～8 715.2 kg/hm2）的較高產(chǎn)量。

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