施氮對黃土高原半濕潤區(qū)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

朱云鵬，王 霖，黨亞愛，王國棟

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100； 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院，陜西楊凌 712100)

水分和養(yǎng)分是作物良好生長的重要條件，土壤水分不足和肥力低下是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素。黃土高原的旱作農(nóng)業(yè)歷史悠久，其南部屬于半濕潤易旱地區(qū)，該地區(qū)土壤濕度適中，年均降水量在640 mm左右，主要集中在7-10月。研究表明，適量的降水量可滿足作物正常生長發(fā)育的需要，輕度干旱條件下追施氮肥能夠緩解水分脅迫對植物造成的不良影響[1-3]。在華北平原年降水量為515 mm、冬小麥生育期降水量為222 mm、施氮量為300 kg·hm-2時(shí)，小麥生長良好，產(chǎn)量能達(dá)到較高水平(4.6 t·hm-2)[4]。在黃土高原南部的關(guān)中平原區(qū)冬小麥生育期降水量為256 mm時(shí)，增施氮肥能顯著增加產(chǎn)量，當(dāng)施氮量為262.5 kg·hm-2時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到最高值8.4 t·hm-2[5]。在降水適量時(shí)，合理施肥對提高作物產(chǎn)量尤為重要[6]。黃土高原南部半濕潤區(qū)土壤肥力較低，土壤有機(jī)質(zhì)含量平均為1%，改善土壤養(yǎng)分是該區(qū)提高有限降水生產(chǎn)能力的關(guān)鍵[1]。在秸稈還田條件下合理配施氮肥可顯著增大冬小麥根量，擴(kuò)大水分、養(yǎng)分吸收的空間，提高水分利用效率[5,7]，能增加小麥產(chǎn)量、干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量和氮肥利用率，有利于小麥產(chǎn)量和品質(zhì)形成[8-10]。秸稈配施氮肥能促進(jìn)秸稈腐解，提高耕層土壤的有機(jī)質(zhì)含量，增加土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，增強(qiáng)土壤保水保肥能力，優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境[11]。但是過量施氮不僅不會增加作物產(chǎn)量，而且還會導(dǎo)致土壤pH、有機(jī)質(zhì)明顯下降；施氮量越大，土壤酸化越嚴(yán)重，破壞土壤環(huán)境，降低土壤質(zhì)量[12]。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，在黃土高原南部楊凌地區(qū)，以冬小麥為研究對象，在秸稈全量還田條件下，進(jìn)行了田間試驗(yàn)，分析施氮對冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響，以期為冬小麥生產(chǎn)的合理施氮提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

田間定位試驗(yàn)自2016年6月在陜西省楊凌區(qū)下川口村(北緯34°16′8″，東經(jīng)108°04′25″，海拔460 m)進(jìn)行。該區(qū)域?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫為12.9 ℃，年均降水640 mm，約60%的降水集中在7-10月份。該區(qū)土壤類型為土墊旱耕人為土，主要耕作方式為冬小麥與夏玉米輪作。試驗(yàn)地0～20 cm耕層土壤容重1.3 g·cm-3, pH 8.1，有機(jī)碳含量11.76 g·kg-1，總氮含量1.13 g·kg-1，總磷含量1.06 g·kg-1，總鉀含量19.66 g·kg-1。本研究數(shù)據(jù)來源于2016年10月-2018年5月冬小麥生長季測定結(jié)果。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置0 kg·hm-2、100 kg·hm-2、200 kg·hm-2、300 kg·hm-2和400 kg·hm-25個不同的施氮量處理，分別用N0、N100、N200、N300和N400表示。每個處理3個重復(fù)，共15個小區(qū)，小區(qū)面積125 m2(10 m×12.5 m)。冬小麥品種為西農(nóng)979，播種量為300 kg·hm-2，播種前基施氮肥，每個處理施用P2O590 kg·hm-2和K2O 60 kg·hm-2，將作物殘茬切碎，混入土壤。尿素作為氮肥，Ca(H2PO4)2·H2O作為磷肥，K2SO4作為鉀肥。

1.3 測定項(xiàng)目和方法

在2017和2018年冬小麥返青期、拔節(jié)期、揚(yáng)花期和成熟期四個生育時(shí)期取樣。每個小區(qū)隨機(jī)取0.1 m2樣品，用于測定干物質(zhì)量；成熟期每個小區(qū)取3 m2(1 m×3 m)樣品，用于測定籽粒產(chǎn)量；小麥干物質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量均以75 ℃烘干后質(zhì)量表示。同時(shí)在每個小區(qū)中使用直徑為 4 cm的螺旋鉆隨機(jī)鉆取0～200 cm土壤樣品，每20 cm一層，每個土壤樣品去除可見的植物殘?bào)w和礫石后，采用烘干法在105 ℃下烘 24 h用于測定土壤含水量。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算

土壤質(zhì)量含水量 = (烘干前鮮土質(zhì)量 - 烘干后干土質(zhì)量)/烘干后干土質(zhì)量 × 100%。

土壤蓄水量 = ∑(ai×bi×ci)，式中i為土層，ai為土壤質(zhì)量含水量(%)，bi為土層的土壤容重(g·cm-3)，ci為土層厚度。

土壤蓄水消耗量 = 播種前0～200 cm土層土壤蓄水量 - 收獲后0～200 cm土層土壤蓄 水量。

農(nóng)田總耗水量(ET)利用水量平衡方程式計(jì)算(因試驗(yàn)地平坦，未考慮地表徑流滲漏等)：

ET = 土壤蓄水消耗量 + 生長期有效降 雨量。

干物質(zhì)量水分利用效率 = 干物質(zhì)量/總耗水量。

籽粒產(chǎn)量水分利用效率 = 籽粒產(chǎn)量/總耗水量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Origin 2017軟件作圖和SPSS 23.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對冬小麥干物質(zhì)量、產(chǎn)量及收獲指數(shù)的影響

施氮對2017和2018年冬小麥不同生育時(shí)期的干物質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)均有顯著影響(表1)。施氮處理(N100～N400)的冬小麥在返青期、拔節(jié)期和揚(yáng)花期的干物質(zhì)量均顯著高于未施氮處理(N0)，但N200～N400處理間差異均不顯著；成熟期N200～N400 處理的干物質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量顯著高于N100處理，但是N200～N400處理間干物質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量均差異不顯著。這說明適量施氮可促進(jìn)小麥干物質(zhì)積累及高產(chǎn)，增進(jìn)同化物向籽粒產(chǎn)量的轉(zhuǎn)化。

表1 施氮對冬小麥產(chǎn)量及收獲指數(shù)的影響Table 1 Effects of nitrogen fertilizer on winter wheat yield and harvest index

同一列相同年份數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異達(dá)到0.05顯著水平。下表同。

Different lower-case letters following data in the same columns in the same year indicate significant difference among the treatments at 0.05 level. The same in table 2.

2.2 施氮對麥田土壤含水量及蓄水量的影響

施氮明顯降低了麥田土壤含水量(圖1)。冬小麥在返青前主要利用50 cm以上土層水分，由于此時(shí)植株耗水較少及降水的補(bǔ)充，不同處理間土壤含水量差異不顯著。由于拔節(jié)前降水較多，拔節(jié)期各處理0～50 cm土層的含水量均升高，且冬小麥主要吸收水分的土層深度超過100 cm，施氮處理的0～100和100～200 cm土層含水量均低于N0處理。在揚(yáng)花期，0～90 cm土層的含水量在不同處理間差異不顯著，施氮處理的90～170 cm土層含水量低于N0處理，尤其是90～150 cm土層含水量差異更明顯。在成熟期，0～90 cm土層含水量在不同處理間差異不顯著， 90～170 cm土層的含水量表現(xiàn)為施氮處理低于N0處理，說明冬小麥在成熟前主要利用90～170 cm土層水分。2017和2018年冬小麥成熟期，N0處理的 0～200 cm土層蓄水量顯著高于N100～N400處理，施氮處理間差異不顯著(圖2)，說明施氮可促進(jìn)小麥對土壤水分的吸收，但過多施氮對小麥吸收水分的效應(yīng)不明顯。

2.3 施氮對冬小麥水分利用效率的影響

由表2可以看出，2017和2018年冬小麥耗水量隨施氮量的增加呈先增后減趨勢，N100和N200處理顯著高于其他處理，但此二處理差異不顯著。籽粒產(chǎn)量水分利用效率和干物質(zhì)量水分利用效率隨施氮量增加而增加，N400處理與N0～N200處理間差異均顯著，但與N300處理差異不顯著。這表明適量施氮可促進(jìn)水分有效利用。

圖1 2017年不同施氮處理冬小麥生育期0～200 cm土層含水量變化Fig.1 Variation of soil water content in 0-200 cm soil layer during the growth stages of winter wheat under different nitrogen application treatments in 2017

3 討 論

施氮和秸稈還田是黃土高原南部半濕潤區(qū)常用的農(nóng)田管理模式。合理施氮與秸稈還田相結(jié)合可為作物生長和養(yǎng)分吸收提供更好的條件[13]。秸稈還田條件下，施氮能夠促進(jìn)冬小麥分蘗及其成穗，增加有效穗數(shù)和產(chǎn)量[14]，提高氮素利用效率，但當(dāng)施肥量達(dá)到一定值時(shí)，籽粒產(chǎn)量不再顯著增加[15]。而在華北平原的研究表明，秸稈覆蓋顯著減少了小麥穗數(shù)，增加了穗粒數(shù)，對千粒重?zé)o明顯影響，導(dǎo)致產(chǎn)量下降[4]。本研究中，在秸稈全量還田條件下，與N0處理相比，N200處理能顯著提高小麥干物質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量，但進(jìn)一步提高施氮量，二指標(biāo)不再顯著增加。相比2017年，2018年冬小麥干物質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量減少，這可能歸因于播種期出現(xiàn)連續(xù)降雨，小麥播期延后，播種后又出現(xiàn)寒潮。這些因素均導(dǎo)致小麥苗少苗弱，群體、個體質(zhì)量變差，從而不利于干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的形成。

圖柱上不同字母表示處理間差異顯著。

Different letters on the columns indicate significant differences among the treatments at 0.05 level.

圖2 施氮對冬小麥不同生育期0～200 cm土壤蓄水量的影響

施氮會促進(jìn)作物生長及根系吸收水分和養(yǎng)分，增加作物耗水量，引起土壤蓄水量下降[16]。本研究中， 施氮處理的土壤蓄水量顯著低于N0處理，但相比N0處理，小麥耗水量在低氮處理(N100和N200)下增加，在高氮處理(N300和N400)下減少。這可能是由于在長期的定位試驗(yàn)中，高氮處理下作物營養(yǎng)生長狀況較好，生物量和秸稈還田量均較大，增強(qiáng)了土壤蓄水和抑制棵間土壤水分蒸發(fā)的能力，從而減少了小麥耗水量[11,17](圖2)。冬小麥對土壤各層水分的吸收隨著生育時(shí)期的變化而變化[18]。分蘗、返青和拔節(jié)期冬小麥主要吸收利用表層土壤水，且對各層土壤水分的利用隨著深度的增加而減少；在孕穗期，冬小麥對80 cm處土壤水利用最多；開花期80～180 cm處土壤水是冬小麥的重要水源；乳熟期 40～80 cm土壤水分成為主要水源。本研究結(jié)果表明，在返青期以前，冬小麥主要利用土深50 cm以上的水分。拔節(jié)期前，冬小麥主要利用土深100 cm以上的水分。揚(yáng)花期前，冬小麥主要利用 90～150 cm土層水分。成熟期前，冬小麥主要利用90～170 cm土層水分。

水分利用效率由作物產(chǎn)量和耗水量的比值決定。合理施氮結(jié)合秸稈還田可顯著提高作物產(chǎn)量和水分利用效率，但是過量施氮會增加耗水量、降低產(chǎn)量和水分利用效率[6,13,19]。本研究中2017和2018年N200處理的產(chǎn)量、耗水量、籽粒產(chǎn)量水分利用效率和顯著高于N0處理，N300和N400處理的籽粒產(chǎn)量水分利用效率雖有進(jìn)一步增加，但變化已不明顯。綜合來看，在秸稈全量還田的條件下，在N200處理下冬小麥產(chǎn)量已經(jīng)接近飽和值，過多施氮的增產(chǎn)效果不顯著，雖然可進(jìn)一步提高水分利用效率，但會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益下降，不利于小麥高產(chǎn)高效栽培，因此在黃土高原南部半濕潤區(qū)小麥以施氮200 kg·hm-2最佳。