長(zhǎng)期水氮互作下不同年代冬小麥的產(chǎn)量和光合特性

董志強(qiáng)，呂麗華，張麗華，姚艷榮，張經(jīng)廷，申海平，鄭孟靜，姚海坡，賈秀領(lǐng)

(河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所/農(nóng)業(yè)部華北地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，河北石家莊 050035)

合理運(yùn)籌水肥(尤其是氮肥)對(duì)小麥葉片光合具有明顯的調(diào)控作用，是實(shí)現(xiàn)小麥優(yōu)質(zhì)、高效的重要措施[1-4]。黃淮海平原是我國(guó)糧食的主產(chǎn)區(qū)，其糧食產(chǎn)量占全國(guó)糧食總產(chǎn)的三分之一。冬小麥?zhǔn)窃摰貐^(qū)的主要糧食作物，其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對(duì)我國(guó)糧食安全具有重要意義[5]。我國(guó)水資源不僅缺乏，時(shí)空分布不均勻，而且農(nóng)田灌水方式不合理，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，目前我國(guó)的農(nóng)業(yè)用水效率仍遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家水平，灌溉水有效利用系數(shù)約為0.5，1 m3灌溉水糧食產(chǎn)量為1.1 kg，而先進(jìn)國(guó)家灌溉水有效利用系數(shù)為0.7～0.8，1 m3灌溉水糧食產(chǎn)量為2.5～3.0 kg[6-7]。黃淮海平原區(qū)水資源嚴(yán)重匱乏，水資源總量?jī)H占全國(guó)的五分之一[8]，且該區(qū)冬小麥-夏玉米輪作施氮量普遍存在過(guò)量的問(wèn)題，平均為530 kg·hm-2，遠(yuǎn)超過(guò)農(nóng)作物的吸收量，生產(chǎn)中小麥季氮肥利用率只有28%～41%[9]。過(guò)量施氮會(huì)增加土壤氮素盈余，導(dǎo)致氮肥利用率降低、NO3-N淋失，環(huán)境污染等問(wèn)題發(fā)生[10-11]。

土壤水肥變化會(huì)顯著影響大田作物的光合特性及產(chǎn)量[12-15]。生產(chǎn)中合理的水氮運(yùn)籌對(duì)作物光合和產(chǎn)量會(huì)產(chǎn)生明顯的正向互作效應(yīng)[16-18]。張珂珂等[19]研究表明，適量補(bǔ)水條件下，減氮、高氮處理小麥旗葉葉綠素含量和光合速率均顯著高于不施氮處理，但減氮與高氮處理之間差異不顯著。黃淮海區(qū)冬小麥高產(chǎn)條件下施純氮195 kg·hm-2、拔節(jié)后土壤相對(duì)含水量維持在70%±5%時(shí)，小麥植株生長(zhǎng)的水氮需求能夠得到滿(mǎn)足，籽粒產(chǎn)量可達(dá)到9 000～10 000 kg·hm-2，水肥利用效率得到提高。適當(dāng)減少灌水量和施肥量不僅不會(huì)影響作物產(chǎn)量，而且能顯著提高水分和氮素利用效率[20-22]。

目前，盡管有關(guān)水氮互作對(duì)小麥產(chǎn)量及光合特性等的影響已有很多報(bào)道[17,19,22-24]，但關(guān)于長(zhǎng)期水氮互作對(duì)不同年代推廣的小麥產(chǎn)量及光合特性的影響尚缺乏深入研究。本試驗(yàn)在太行山前平原區(qū)定位十年的水氮互作試驗(yàn)田重點(diǎn)研究了水氮互作對(duì)不同年代推廣的冬小麥產(chǎn)量及旗葉光合特性的影響，以期得到不同灌溉水平下的最佳施氮量，為黃淮海平原區(qū)冬小麥節(jié)水減氮栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017-2019年度在河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所藁城堤上試驗(yàn)站(38°41′N(xiāo),116°85′E,海拔51.2 m)進(jìn)行，為自2006年開(kāi)始的冬小麥-夏玉米一年兩熟水氮耦合定位試驗(yàn)一部分。試驗(yàn)區(qū)屬于河北太行山山前平原區(qū)。試驗(yàn)田土質(zhì)為壤土，耕層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為 14.4 g·kg-1、 0.94 g·kg-1、1.82 g·kg-1、 59.14 mg·kg-1、16.9 mg·kg-1、92 mg·kg-1。2017年10月15日播種，收獲日期為2018年6月9日；2018年10月10日播種，收獲日期為2019年6月8日。前茬玉米收獲后秸稈全部還田。

本試驗(yàn)采用灌水、施肥和品種3因子裂裂區(qū)設(shè)計(jì)，小區(qū)面積37.8 m2(5.4 m×7.0 m)，3次重復(fù)。主區(qū)為灌水，設(shè)灌1水(W1，拔節(jié)水，限水處理)和灌2水(W2，拔節(jié)水+開(kāi)花水，適水處理)兩個(gè)灌溉水平，每次灌水量750 m3·hm-2。副區(qū)為施肥，設(shè)0(N0)、60(N1)、120(N2)、180(N3)、240(N4)和300(N5) kg·hm-26個(gè)施氮水平，以尿素(含氮46%)為氮源，小麥播種前基施和拔節(jié)期追施各占50%，小麥季各處理均于播種前旋地時(shí)施入P2O5150 kg·hm-2(過(guò)磷酸鈣，含P2O515%)和K2O 105 kg·hm-2(顆粒氯化鉀，含K2O 60%)。副副區(qū)為小麥品種，供試品種為現(xiàn)代品種冀麥325和20世紀(jì)70年代品種冀麥7，播量均為360 kg·hm-2。其他田間管理與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)習(xí)慣相同，小麥生育期內(nèi)無(wú)嚴(yán)重病蟲(chóng)害。

2017-2018年度小麥生育期降水量183.2 mm，屬于豐水年，播種前降水量大，足墑播種(2017年10月7至10日連續(xù)4 d降雨，總降水量高達(dá)179.8 mm)，但自10月22日至翌年4月11日，連續(xù)171 d干旱少雨，降水量?jī)H為16.5 mm，發(fā)生嚴(yán)重冬春干旱。2018-2019年度降水量113.2 mm，由于2019年6月5-7日降水量35.4 mm，實(shí)際小麥生育期有效降水量?jī)H77.8 mm，屬于枯水年。和上年度相同，自10月17日至翌年4月8日，連續(xù)173 d干旱少雨，降水量?jī)H為9.2 mm，發(fā)生嚴(yán)重冬春干旱。有兩次降水發(fā)生在小麥關(guān)鍵生理需水期，一次是拔節(jié)后(4月9日14.8 mm)，另一次是開(kāi)花前(4月25-27日30.2 mm)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 光合速率測(cè)定

于小麥開(kāi)花期晴天無(wú)風(fēng)或微風(fēng)的上午10:00-12:00，每小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的5株小麥，采用Li-6400 型光合測(cè)定儀測(cè)定其旗葉光合速率和蒸騰速率。

1.2.2 產(chǎn)量測(cè)定

用小區(qū)收獲機(jī)單獨(dú)收獲脫粒，每小區(qū)收獲面積33.6 m2，待籽粒自然風(fēng)干后分別稱(chēng)重，采用谷物水分測(cè)定儀測(cè)定籽粒含水量，再折算出含水量13%的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

用Microsoft Excel 2007處理數(shù)據(jù)和作圖，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最小極差(LSD)法檢驗(yàn)差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮互作對(duì)小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

在相同灌水條件下，施氮對(duì)冀麥325產(chǎn)量的影響在不同降水年型間存在一定差異。2017-2018年度(豐水年)，灌1水、灌2水時(shí)，冀麥325的產(chǎn)量隨施氮量的增加總體上均呈逐漸增加趨勢(shì)(表1)，以N5處理最高；2018-2019年度(枯水年)，灌1水、灌2水時(shí)產(chǎn)量均隨施氮量的增加呈先增后減趨勢(shì)，產(chǎn)量分別在N3和N2處理下最高(表2)。冀麥7的產(chǎn)量在相同灌水條件下總體上均隨施氮量的增加表現(xiàn)為先增后減(表3和表4)。灌1水和灌2水時(shí)其產(chǎn)量在豐水年分別以N5和N2處理最高，在枯水年分別以N3和N2處理最高。這表明，在適水、限水條件下冀麥325和冀麥7產(chǎn)量均在施氮量120～180 kg·hm-2時(shí)達(dá)到或接近最高值，再增施氮肥時(shí)產(chǎn)量減少或緩慢增加。

在相同施氮量下，豐水年，冀麥325除W2N2處理低于W1N2處理外，其他灌2水處理均高于灌1水處理；冀麥7的表現(xiàn)與冀麥325正好相反，除W2N1處理高于W1N1處理外，其他灌2水處理均低于灌1水處理?？菟?，冀麥325和冀麥7均表現(xiàn)為灌2水處理高于灌1水處理，且隨施氮量的增加，二者差值有逐漸增大的趨勢(shì)，冀麥325和冀麥7灌2水的產(chǎn)量平均值較灌1水分別增加28.7%和33.9%。可見(jiàn)，施氮量0～300 kg·hm-2時(shí)小麥生育期降水量對(duì)產(chǎn)量的影響較大，豐水年限水處理和適水處理差異很小，而枯水年適水處理顯著高于限水處理。

相同灌溉水平和施氮量條件下，豐水年、枯水年冀麥325產(chǎn)量均高于冀麥7(表1～表4)。豐水年在氮肥和水分充足條件下，冀麥325產(chǎn)量提升的空間大于冀麥7，枯水年冀麥325受水分脅迫的影響小于冀麥7。相同施氮量下，灌2水時(shí)冀麥325、冀麥7的枯水年產(chǎn)量均高于豐水年，冀麥325枯水年產(chǎn)量較豐水年增加13.0%，冀麥7增加11.7%；灌1水時(shí)冀麥325、冀麥7豐水年的產(chǎn)量比枯水年分別增加11.8%和21.8%。這表明，豐水年灌1水、枯水年灌2水能更好地與氮肥產(chǎn)生水氮耦合效應(yīng)，有利于小麥產(chǎn)量的提高。

從產(chǎn)量構(gòu)成來(lái)看，相同灌溉水平下，豐水年，冀麥325、冀麥7的收獲穗數(shù)隨施氮量增加的變化趨勢(shì)和籽粒產(chǎn)量基本相同，均表現(xiàn)為先增后減(表1和表3)。灌1水時(shí)兩個(gè)品種的收獲穗數(shù)分別以N2和N3處理最大，灌2水時(shí)分別以N4和N2處理最大。冀麥325 灌2水的平均收獲穗數(shù)較灌1水增加7.9%，平均穗粒數(shù)較灌1水減少5.5%。相同灌水條件下，兩個(gè)品種N0、N1處理的收獲穗數(shù)和穗粒數(shù)均顯著低于其他施氮處理，千粒重顯著高于其他施氮處理。兩個(gè)品種灌1水的N0處理收獲指數(shù)均顯著低于其他施氮處理?？菟?，兩個(gè)品種灌1水的收獲穗數(shù)均隨施氮量增加表現(xiàn)為先增后減，且均以N2處理最大；灌2水收獲穗數(shù)均隨施氮量增加而逐漸增加(表2和表4)。以上結(jié)果表明，在施氮量0～300 kg·hm-2時(shí)，豐水年小麥產(chǎn)量的主控因子為單位面積收獲粒數(shù)(收獲穗數(shù)×穗粒數(shù))，而枯水年為千粒重。

表1 2017-2018年度不同水氮處理下小麥品種冀麥325的產(chǎn)量及其構(gòu)成

表2 2018-2019年度不同水氮處理下小麥品種冀麥325的產(chǎn)量及其構(gòu)成

表3 2017-2018年度不同水氮處理下小麥品種冀麥7的產(chǎn)量及其構(gòu)成

表4 2018-2019年度不同水氮處理下小麥品種冀麥7的產(chǎn)量及其構(gòu)成

2.2 年型、灌水、氮肥、品種對(duì)小麥產(chǎn)量的聯(lián)合方差分析

小麥籽粒產(chǎn)量受降水年型、灌水、施氮、品種及其互作效應(yīng)的影響(表5)。單因素對(duì)產(chǎn)量的影響均達(dá)到極顯著水平，其中以品種效應(yīng)最大，降水年型效應(yīng)最小。降水年型與灌水互作對(duì)小麥產(chǎn)量的影響亦達(dá)到極顯著水平，降水年型與氮肥互作和降水年型、灌水與氮肥三者互作對(duì)小麥產(chǎn)量的影響達(dá)到顯著水平。

表5 降水年型、灌水、施氮和品種對(duì)小麥產(chǎn)量的聯(lián)合方差分析

2.3 水氮互作對(duì)小麥開(kāi)花期旗葉凈光合速率(Pn)的影響

相同灌水情況下，兩年度小麥開(kāi)花期旗葉Pn隨施氮量增加的變化趨勢(shì)基本相同。以2017-2018年度為例，兩個(gè)灌溉水平下隨施氮量的增加，小麥開(kāi)花期旗葉Pn均先增后減。冀麥325旗葉Pn在灌1水和灌2水時(shí)均以N2處理最大，冀麥7旗葉Pn最大值均出現(xiàn)在N3處理中?？傮w來(lái)看， 灌1水和灌2水條件下小麥開(kāi)花期旗葉Pn分別在施氮量為120～240 kg·hm-2和60～300 kg·hm-2時(shí)較高且穩(wěn)定。

相同施氮量情況下，灌1水和灌2水相比較，兩個(gè)小麥品種開(kāi)花期旗葉Pn的差異較小(圖1)。在不施氮條件下，灌1水較灌2水大幅度降低了旗葉Pn，在施氮時(shí)表現(xiàn)相反。

數(shù)據(jù)為2018年5月4日和9日兩次測(cè)定結(jié)果的平均值，相同灌水次數(shù)的柱形圖上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。同圖2。

2.4 水氮互作對(duì)小麥開(kāi)花期旗葉蒸騰速率(Tr)的影響

灌1水、灌2水條件下小麥開(kāi)花期旗葉Tr隨施氮量增加的變化趨勢(shì)和Pn相同，也表現(xiàn)為先增后減趨勢(shì)(圖2)。兩種水分條件下冀麥325旗葉Tr最大值對(duì)應(yīng)的施氮量均為N2處理。冀麥7對(duì)應(yīng)的施氮量均為N3處理。不施氮時(shí)增加灌水提高了旗葉Tr，而施氮時(shí)增加灌水會(huì)產(chǎn)生負(fù) 效應(yīng)。

圖2 同一品種不同水氮處理間旗葉蒸騰速率的比較

3 討 論

3.1 水氮互作對(duì)小麥產(chǎn)量的影響

有關(guān)水氮互作對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量的影響，前人做了大量研究。Gu等[25]研究表明，在土壤干旱條件下增施氮肥或在肥力水平較低的土壤條件下增加灌溉次數(shù)均可顯著提高小麥干物質(zhì)積累量，進(jìn)而增加產(chǎn)量。本研究中，豐水年限水條件下，冀麥325和冀麥7產(chǎn)量均表現(xiàn)為N5>N2>N4>N3>N1>N0；枯水年限水條件下，冀麥325產(chǎn)量表現(xiàn)為N3>N5>N2>N4>N1>N0，冀麥7產(chǎn)量表現(xiàn)為N3>N5>N4>N2>N1>N0，這與上述結(jié)論存在一定差異。連續(xù)十年土壤不施氮肥的情況下增加灌溉次數(shù)后，豐水年現(xiàn)代小麥品種冀麥325產(chǎn)量顯著增加，而20世紀(jì)70年代小麥品種冀麥7產(chǎn)量略有減少；枯水年冀麥325和冀麥7產(chǎn)量均顯著增加，這與上述結(jié)論基本一致。

灌溉量和施氮量對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量產(chǎn)生調(diào)控和互補(bǔ)效應(yīng)，其中灌溉起主導(dǎo)作用，灌水處理籽粒產(chǎn)量均高于不灌水處理，施氮量對(duì)灌溉量有一定的補(bǔ)償效應(yīng)，小麥拔節(jié)期灌水結(jié)合240 kg·hm-2施氮處理能獲得較高的單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)，使最終籽粒產(chǎn)量達(dá)到最高[26]。有研究表明，在一定閾值范圍內(nèi)小麥產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加，超過(guò)一定閾值后隨施氮量增加，小麥產(chǎn)量增加不顯著甚至降低[27-30]。王小燕等[31]指出，在相同水分條件下，不施氮和施氮240 kg·hm-2時(shí)小麥籽粒產(chǎn)量均顯著低于施氮180 kg·hm-2處理。馬伯威等[32]研究表明，河北太行山山前平原區(qū)高產(chǎn)冬小麥生產(chǎn)中，施氮量為195 kg·hm-2、春季總灌水量為105 mm(拔節(jié)期45 mm、開(kāi)花期30 mm、灌漿期30 mm)的限水限氮噴灌模式是同步實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)及水氮高效利用的最佳運(yùn)籌模式。本試驗(yàn)結(jié)果表明，2017-2018年度，在灌1水、灌2水條件下，冀麥325籽粒產(chǎn)量隨施氮量的增加總體上呈逐漸增加的趨勢(shì)，冀麥7籽粒產(chǎn)量隨施氮量的增加表現(xiàn)為先增后減，灌1水時(shí)冀麥325和冀麥7籽粒產(chǎn)量達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)對(duì)應(yīng)的施氮量均為120 kg·hm-2；灌2水時(shí)冀麥7產(chǎn)量最大值對(duì)應(yīng)的施氮量亦為120 kg·hm-2，這與前人的研究結(jié)果[27-32]基本一致。冀麥325兩個(gè)灌溉水平下產(chǎn)量最大值對(duì)應(yīng)的施氮量均為300 kg·hm-2，且灌2水時(shí)隨施氮量的增加，籽粒產(chǎn)量逐漸增加，這與李娜娜等[26]和王小燕等[31]的結(jié)論存在較大差異，可能是地力基礎(chǔ)、生育期氣候條件及所選小麥品種等不同造成的。2018-2019年度， 灌1水、灌2水兩個(gè)灌溉條件下，冀麥325和冀麥7籽粒產(chǎn)量隨施氮量的增加均表現(xiàn)為先增后減。灌1水時(shí)兩個(gè)品種籽粒產(chǎn)量均以180 kg·hm-2施氮處理最高，灌2水時(shí)均以120 kg·hm-2施氮處理 最高。

本課題組九年(2006-2015)的冬小麥-夏玉米一年兩熟水氮長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果表明[33]，從試驗(yàn)的第4年開(kāi)始，兩種灌溉水平(灌1水、灌2水)下施氮0～120 kg·hm-2時(shí)，當(dāng)時(shí)主推的小麥品種籽粒產(chǎn)量隨施氮量的增加而快速增加，施氮量超過(guò)120 kg·hm-2后產(chǎn)量不再隨施氮量的增加而持續(xù)增加，基本保持穩(wěn)定。本試驗(yàn)中豐水年和枯水年不同降水年型情況下，當(dāng)代主推品種冀麥325和20世紀(jì)70年代主推品種冀麥7籽粒產(chǎn)量隨施氮量增加的變化趨勢(shì)與上述結(jié)論基本一致。

3.2 水氮互作對(duì)小麥旗葉光合特性的影響

旗葉光合能力的強(qiáng)弱直接決定著小麥生產(chǎn)力的高低。小麥籽粒灌漿期間70%左右的籽粒灌漿物質(zhì)來(lái)自抽穗至成熟階段的光合同化產(chǎn)物，其中旗葉供給占所需光合產(chǎn)物的33%以上[34-35]。減少供水量會(huì)導(dǎo)致冬小麥旗葉光合速率、蒸騰速率明顯下降[23]。王 磊等[17]研究表明，供水量500 mm處理的旗葉光合速率、蒸騰速率顯著高于供水量250 mm處理，低供水量導(dǎo)致小麥葉片的凈光合速率、蒸騰速率為適應(yīng)水分供應(yīng)不足而顯著下降，從而提高了單葉水分利用效率。本試驗(yàn)結(jié)果表明，豐水年不施氮肥情況下，灌1水較灌2水大幅降低小麥開(kāi)花期旗葉光合速率。在施氮量為60～240 kg·hm-2時(shí)，冀麥325灌1水的開(kāi)花期光合速率高于灌2水，施氮量300 kg·hm-2時(shí)灌1水低于灌2水；冀麥7在施氮量為60～300 kg·hm-2時(shí)表現(xiàn)為灌1水高于灌2水。這與上述研究結(jié)論存在一定差異，可能是小麥生育期降水量、供試品種或測(cè)定時(shí)期不同導(dǎo)致的。

增施氮肥可減輕水分脅迫對(duì)小麥光合生理特性的不利影響[17]。Wu等[36]指出，在干旱脅迫下，適量施用氮肥可以通過(guò)增加葉面積指數(shù)和光合色素含量來(lái)提高植物葉片的光合性能，減輕干旱脅迫對(duì)PSⅡ造成的光損傷，促進(jìn)植株的生長(zhǎng)發(fā)育，減輕水分虧缺對(duì)植物產(chǎn)量的不利影響。王志強(qiáng)等[24]研究表明，限制灌溉條件下，與不施氮肥相比，增施氮肥能明顯改善小麥旗葉光合性能。本研究中，限制灌溉條件(僅灌拔節(jié)水)下，冬小麥開(kāi)花期旗葉光合速率隨施氮量增加表現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，冀麥325旗葉光合速率最大值對(duì)應(yīng)的施氮量為120 kg·hm-2，冀麥7為180 kg·hm-2，這與上述研究結(jié)論基本一致?？梢?jiàn)，合理的水氮運(yùn)籌能提高小麥開(kāi)花期旗葉光合速率，提高光合能力，為增加產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

豐水年(2017-2018年度)，灌1水、灌2水時(shí)冀麥325開(kāi)花期旗葉光合速率最大值對(duì)應(yīng)的施氮量均為120 kg·hm-2，冀麥7均為180 kg·hm-2；冀麥325產(chǎn)量在施氮量為120 kg·hm-2時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定值，再多施氮時(shí)灌1水有減產(chǎn)趨勢(shì)，灌2水產(chǎn)量增加緩慢，冀麥7產(chǎn)量隨施氮量增加而先增后減，灌1水的產(chǎn)量在施氮量為120 kg·hm-2時(shí)達(dá)到較大值，灌2水產(chǎn)量最大值對(duì)應(yīng)的施氮量為120 kg·hm-2?？菟?2018-2019年度)，相同灌溉水平下小麥產(chǎn)量隨施氮量增加先增加后減少，灌1水產(chǎn)量最大值對(duì)應(yīng)的施氮量為180 kg·hm-2，灌2水為120 kg·hm-2。