水氮運(yùn)籌對(duì)小麥、玉米周年產(chǎn)量及水分利用的影響

楊永輝，武繼承，徐為霞，潘曉瑩，張潔梅，高翠民，何 方，王 越

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002; 2.農(nóng)業(yè)部作物高效用水原陽(yáng)科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，河南 原陽(yáng) 453514；3.鄭州市農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)流通中心，河南 鄭州 450000)

作物生長(zhǎng)過(guò)程中，尤其是小麥、玉米輪作過(guò)程中，水、肥、氣、熱等諸多因子會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)產(chǎn)生重要影響，其中，水肥兩因子起著決定性作用[1]。在水分和養(yǎng)分對(duì)作物生長(zhǎng)影響的過(guò)程中，這2個(gè)因子相互促進(jìn)又相互制約[2-3]。作物產(chǎn)量越高，消耗的養(yǎng)分和水分就越多，但并非水肥供應(yīng)量越大產(chǎn)量就越高[4]。因此，合理的水肥供應(yīng)與調(diào)控是作物高產(chǎn)的重要措施。

適量的灌水與施肥有利于提高作物的產(chǎn)量，而水肥過(guò)量則導(dǎo)致水肥資源浪費(fèi)，降低資源利用率，并導(dǎo)致養(yǎng)分流失且污染環(huán)境[5]。相關(guān)研究表明，水氮運(yùn)籌有利于促進(jìn)作物高產(chǎn)和資源高效利用[6-7]。水分虧缺或過(guò)量均會(huì)降低氮肥利用率與作物產(chǎn)量，適量灌溉可以促進(jìn)小麥氮素吸收，提高光合速率，促進(jìn)干物質(zhì)積累，提高產(chǎn)量與水肥利用率[8]。氮肥虧缺或過(guò)量均會(huì)降低水分利用效率，而適宜的施氮量有利于提高作物產(chǎn)量與水肥利用效率[9]。合理的水氮運(yùn)籌對(duì)作物光合特性具有明顯的調(diào)控效應(yīng)，作物開(kāi)花后若水分虧缺會(huì)導(dǎo)致其光合能力迅速下降，致使作物產(chǎn)量降低[10]。適量氮肥可明顯提高葉片的光合速率，延緩因干旱導(dǎo)致的光合速率下降[11]。因此，可通過(guò)優(yōu)化灌溉方式與制度[12-13]，采用合理的耕作與覆蓋方式[14-15]，同時(shí)因地制宜應(yīng)用合理的施肥制度[16]，如水肥一體化[17-19]等技術(shù)，提高作物的水肥利用率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展。

溫縣是河南省著名的土壤地力較高的高產(chǎn)田地區(qū)，該地區(qū)雨水光照資源豐富。葉優(yōu)良等[20]在2006年研究發(fā)現(xiàn)，溫縣小麥平均單產(chǎn)為7 960 kg/hm2，其中1/3左右農(nóng)戶的氮肥用量低于120 kg/hm2，說(shuō)明該區(qū)地力和土壤條件較佳。在該區(qū)適量控制氮肥用量的條件下，進(jìn)行作物不同生育時(shí)期氮肥運(yùn)籌與灌水耦合，能夠充分發(fā)揮肥效，促進(jìn)養(yǎng)分吸收，起到以水調(diào)肥、以肥促水的作用。在該區(qū)關(guān)于小麥、玉米水氮運(yùn)籌的研究已屢見(jiàn)不鮮[21-22]，但針對(duì)周年小麥、玉米水氮運(yùn)籌方面的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，在合理控制氮肥用量的條件下，根據(jù)作物需肥特點(diǎn)進(jìn)行氮肥基施與追施，并采用噴灌帶進(jìn)行不同灌水量控制，研究水氮運(yùn)籌對(duì)小麥、玉米周年生長(zhǎng)、光合生理特性、產(chǎn)量及水分利用的影響，以期明確小麥、玉米合理的氮肥追施比例和灌水量。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2017—2018年在焦作市溫縣祥云鎮(zhèn)平安種業(yè)試驗(yàn)基地進(jìn)行，該地海拔102.3 m，北緯35.1°、東經(jīng)113.05°，年平均氣溫14～15 ℃，年積溫4 500 ℃以上，年日照2 484 h，年降水量550～700 mm，無(wú)霜期210 d。土壤為潮土，含全氮 0.10 g/kg、速效磷 28.5 mg/kg、速效鉀 321.2 mg/kg、有機(jī)質(zhì)14.3 g/kg，pH值為8.0。土壤機(jī)械組成為黏粒22.2%、粉粒66.4%、砂粒11.4%，田間持水量為33.1%。

供試小麥品種為平安11號(hào)，供試玉米品種為豫安3號(hào)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)氮肥共設(shè)計(jì)2種基追組合：70%基施、30%追施，追肥分2次進(jìn)行，分別為20%、10%(A1)；60%基施、40%追施，追肥分2次進(jìn)行，分別為25%、15%(A2)。設(shè)計(jì)3種灌水量：0水(B1)、2水(B2)和3水(B3)。共6個(gè)處理，即A1B1、A2B1、A1B2、A2B2、A1B3、A2B3。小麥季施純氮240 kg/hm2，底施P2O5135 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2、有機(jī)肥750 kg/hm2，分別于拔節(jié)期、灌漿期追施氮肥。在小麥播種前統(tǒng)一灌水600 m3/hm2，0水處理為全生育期不灌水，2水處理為拔節(jié)期和抽穗期灌水，3水處理為拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期灌水，每次的灌水量均為450 m3/hm2。玉米季施純氮270 kg/hm2，底施P2O5135 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，分別于小喇叭口期 、灌漿期追施氮肥。0水處理為全生育期均不灌水，2水處理為小喇叭口期和大喇叭口期灌水，3水處理為小喇叭口期、大喇叭口期、灌漿期灌水，每次的灌水量為450 m3/hm2。小麥、玉米均采用噴灌帶進(jìn)行灌水，灌水的同時(shí)進(jìn)行氮肥追施。小麥、玉米生育期降雨量如圖1所示。

圖1 小麥、玉米生育期內(nèi)降雨量

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 光合生理特性 在小麥灌漿期(2018年5月15日)、玉米灌漿期(2018年8月25日)選擇晴朗無(wú)風(fēng)的天氣于 9：30—11：00 采用美國(guó) Li-Cor公司生產(chǎn)的 Li-6400光合儀測(cè)定凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)，并計(jì)算葉片水分利用效率 WUE[23-24]，WUE=Pn/Tr。

測(cè)定葉片:小麥為旗葉，玉米為穗位葉。

1.3.2 生物量 在小麥?zhǔn)斋@時(shí)，每小區(qū)隨機(jī)取植株5株，剪掉小麥根系，將植株放入烘箱中50 ℃烘8 h以去除小麥植株中的水分，然后用天平稱取質(zhì)量，即生物量。

1.3.3 小麥、玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 在小麥和玉米收獲時(shí)，采用精確度為1 mm的卷尺測(cè)量小麥株高、穗長(zhǎng)及玉米株高、莖粗、穗位、穗長(zhǎng)、穗粗(周長(zhǎng))，并調(diào)查小麥的小穗數(shù)、不孕穗數(shù)、穗粒數(shù)及玉米行數(shù)、雙行粒數(shù)、葉片數(shù)。小麥，每小區(qū)收獲 4 m2記產(chǎn)；玉米每小區(qū)取3行記產(chǎn)。

1.3.4 水分利用效率與灌水利用率 在小麥播種前、分蘗期、越冬期、返青期、抽穗期、灌漿期、收獲期和玉米播種前、大喇叭口期、灌漿期、收獲期，采用土鉆獲取0～100 cm土層(0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm)土壤，放入烘箱中105 ℃烘24 h，測(cè)定含水量，進(jìn)而得知0～100 cm 土層土壤儲(chǔ)水量，并計(jì)算全生育期耗水量、水分利用效率及灌水利用率。

全生育期耗水量=播種前0～100 cm土層土壤儲(chǔ)水量+生育期內(nèi)降雨量+生育期內(nèi)灌水量-收獲時(shí)0～100 cm 土層土壤儲(chǔ)水量；

水分利用效率=籽粒產(chǎn)量/全生育期耗水量；

灌水利用率=(灌水處理籽粒產(chǎn)量-對(duì)應(yīng)未灌水處理籽粒產(chǎn)量)/灌水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)光合生理特性指標(biāo)值均為 9 次重復(fù)(每處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)分別測(cè)定 3 個(gè)樣品)的算術(shù)平均值，其他結(jié)果為 3 次重復(fù)的算術(shù)平均值，所有數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮運(yùn)籌處理對(duì)小麥、玉米關(guān)鍵生育時(shí)期土壤儲(chǔ)水量的影響

由圖2可知，在小麥分蘗期、越冬期和返青期，不同氮肥基施比例對(duì)土壤儲(chǔ)水量的影響總體上不顯著，說(shuō)明小麥生長(zhǎng)前期氮素底施用量對(duì)于土壤水分的影響并不顯著。但從抽穗期開(kāi)始，不同處理間的土壤儲(chǔ)水量差異逐漸增大。且從抽穗期開(kāi)始，隨灌水量的增加，土壤儲(chǔ)水量逐漸增加，直至灌漿期；到收獲期，隨灌水量的增加，土壤儲(chǔ)水量顯著降低，說(shuō)明在小麥灌漿期后水分消耗較大，且灌水量大的處理更利于小麥的生長(zhǎng)從而增加水分的蒸騰和棵間蒸發(fā)量。

由圖2可知，對(duì)于玉米而言，隨灌水量的增加，大喇叭口期A1處理間無(wú)顯著差異，A2處理土壤儲(chǔ)水量先降低后增加；灌漿期和收獲期，土壤儲(chǔ)水量呈逐漸增加趨勢(shì)，這可能與玉米生育期內(nèi)降雨量較大有關(guān)。在灌漿期和收獲期，均以A1B3處理的土壤儲(chǔ)水量顯著高于其他處理，其次為A2B3處理。表明在玉米生長(zhǎng)中后期，灌水量較大時(shí)氮肥60%基施、40%追施處理的耗水量相對(duì)較高。

相同生育時(shí)期不同處理間不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 不同水氮運(yùn)籌處理對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及水分利用的影響

2.2.1 群體數(shù) 不同水氮運(yùn)籌管理對(duì)小麥群體產(chǎn)生重要影響。由圖3可知，隨生育進(jìn)程的推進(jìn)，小麥群體數(shù)表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，返青期達(dá)到最高，而后逐步形成有效分蘗并成穗。在返青期后，以A1B1處理群體數(shù)最低，說(shuō)明前期的分蘗大都轉(zhuǎn)化為無(wú)效分蘗，成穗率降低；A1B2處理的群體數(shù)較其他處理高，特別是灌漿期。

圖3 不同水氮運(yùn)籌處理對(duì)小麥群體的影響

2.2.2 光合生理特性 由表1可知，隨灌水量的增加，小麥的光合速率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率均增加，光合速率、蒸騰速率均以A1B3處理最高，氣孔導(dǎo)度以A2B3處理最高，說(shuō)明前期氮肥供應(yīng)較多更利于小麥光合速率的提高，且降低了氣孔導(dǎo)度。隨灌水量的增加，小麥葉片水分利用效率呈顯著降低趨勢(shì)，其中A1處理的小麥葉片水分利用效率高于A2處理，但不顯著，說(shuō)明適度干旱更利于葉片水分利用效率的提高。

表1 不同水氮運(yùn)籌處理對(duì)小麥光合生理特性的影響

注: 同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示不同處理間的差異顯著(P<0.05)水平,下同。

Note: The different lowercase letters after data within a column mean significant differences among different treatments at 0.05 level, the same below.

2.2.3 產(chǎn)量及水分利用 由表2可知，隨灌水量的增加，小麥小穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗長(zhǎng)、產(chǎn)量、水分利用效率等均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，而不孕穗數(shù)、生物量和千粒質(zhì)量總體上均提高。小穗數(shù)、不孕穗數(shù)、水分利用效率均表現(xiàn)為A1處理高于A2處理，而穗長(zhǎng)和耗水量均表現(xiàn)為A1處理低于A2處理。不同水氮運(yùn)籌處理中，以A1B2處理的小穗數(shù)、穗粒數(shù)、產(chǎn)量、水分利用效率、灌水利用率最高，顯著高于其他處理，產(chǎn)量、水分利用效率、灌水利用率分別為8 207.8 kg/hm2、26.7 kg/(mm·hm2)和1.42 kg/m3。說(shuō)明適宜的灌水和氮肥基追比更利于小麥經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的提高，有利于節(jié)水增產(chǎn)。

2.3 不同水氮運(yùn)籌處理對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及水分利用的影響

2.3.1 光合生理特性 由表3可知，A1B3處理的玉米葉片光合速率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率均顯著高于其他處理，總體上玉米葉片光合速率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率均表現(xiàn)為A1處理高于A2處理。隨灌水量的增加，葉片氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均呈增加的趨勢(shì)，葉片水分利用效率表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)。各處理中，以A2B1處理葉片水分利用效率最高，其次為A1B1處理，A2B3處理最低。說(shuō)明適度干旱更利于玉米葉片水分利用率的提高。

表2 不同水氮運(yùn)籌處理對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素、水分利用的影響

表3 不同水氮運(yùn)籌處理對(duì)玉米光合生理特性的影響

2.3.2 產(chǎn)量及水分利用 由表4可知，A2B2處理玉米的株高、穗位、穗長(zhǎng)、穗粗及雙行粒數(shù)均較高；A2B2處理產(chǎn)量最高，其次為A1B3處理，說(shuō)明在灌水量適中時(shí)，A2處理優(yōu)于A1處理，灌水量較大時(shí)相反。水分利用效率和灌水利用率均以A1B3處理最高，A2B2處理次之。

表4 不同水氮運(yùn)籌處理對(duì)玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素、水分利用的影響

2.4 不同水氮運(yùn)籌處理對(duì)小麥、玉米周年產(chǎn)量及水分利用的影響

由表5可知，隨灌水量增加，小麥、玉米周年耗水量總體上逐漸增加；A1條件下，周年產(chǎn)量和水分利用效率均表現(xiàn)為逐漸增加；A2條件下，周年產(chǎn)量和水分利用效率均表現(xiàn)為先增加后降低。耗水量和產(chǎn)量均表現(xiàn)為A1

表5 不同水氮運(yùn)籌處理對(duì)小麥、玉米周年產(chǎn)量及水分利用的影響

3 結(jié)論與討論

水氮是影響作物氮素吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)的最有效因子之一[25]。合理的水分供應(yīng)、適量的氮肥施用與基追比有利于作物合理利用氮肥、以肥調(diào)水、以水促肥[26-28]，可促進(jìn)作物對(duì)光合能力與氮素的有效利用，提高干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)化，最終促進(jìn)籽粒產(chǎn)量和水肥利用率的提高[29-30]。本研究發(fā)現(xiàn)，小麥前期氮肥供應(yīng)較多更有利于光合速率的提高，而適度干旱更有利于葉片水分利用效率的提高。相關(guān)研究表明，隨著灌水量增加，總耗水量增多，水分利用效率和灌水利用效率有所下降[31-32]。但本研究發(fā)現(xiàn)，隨灌水量增加，小麥的水分利用效率先增加后降低，灌水利用率降低，各處理中以A1B2處理最高，顯著高于其他處理。而對(duì)于玉米來(lái)說(shuō)，隨著灌水量增加，A1條件下，水分利用效率表現(xiàn)為逐漸增加；A2條件下，水分利用效率均表現(xiàn)為先增加后降低；A1處理的灌水利用率增加，水分利用效率和灌水利用率均以A1B3處理最高，顯著高于其他處理。這可能與C3植物與C4植物對(duì)水肥和光熱的需求不同有關(guān)。

不同氮肥基追模式與灌水量對(duì)小麥成產(chǎn)要素及水分利用等影響顯著[33]。隨灌水量增加，小麥小穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗長(zhǎng)、產(chǎn)量、水分利用效率等均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，而生物量和千粒質(zhì)量總體上均提高。不同水氮運(yùn)籌處理中，以A1B2處理小麥產(chǎn)量、水分利用效率、灌水利用率最高，顯著高于其他處理，說(shuō)明適宜的灌水和氮肥基追比更有利于小麥節(jié)水與增產(chǎn)增效。這與以往研究的前氮后移理論有所不同[33-34]，可能是因?yàn)榈亓Σ町惖木壒省Ｐ←溂镜乃使芾韺?duì)后茬玉米也產(chǎn)生了重要影響，因?yàn)榍安缧←湺嘤嗟乃峙c養(yǎng)分會(huì)供給下茬苗期玉米，從而促進(jìn)其生長(zhǎng)。本研究發(fā)現(xiàn)，在玉米生長(zhǎng)季，不同水氮運(yùn)籌處理中，A2B2處理玉米的株高、穗位、穗長(zhǎng)、穗粗及雙行粒數(shù)均較高，且其產(chǎn)量最高，顯著高于其他處理，其次為A1B3處理。

在一定灌水量范圍內(nèi)，作物耗水量與灌水量呈正相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，小麥、玉米周年耗水量總體上隨灌水量的增加呈增加趨勢(shì)，且A2處理較A1處理耗水量大。小麥、玉米周年產(chǎn)量以A2B2處理最高，而水分利用效率和灌水利用率均以A1B3處理最高，顯著高于其他處理。表明，在高產(chǎn)農(nóng)田適當(dāng)減少底施氮肥，而將其后移至作物關(guān)鍵生育時(shí)期更有利于周年小麥、玉米增產(chǎn)；而增加氮肥底施比例則更有利于提高小麥、玉米的周年水分利用效率和灌水利用率。