噴灌水肥與種植密度互作對(duì)水氮利用效率和冬小麥產(chǎn)量的影響

鄒露陽(yáng)，陳震，段福義，馬春芽，范永申*

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081)

豫北麥區(qū)年降水集中在7—9月，冬小麥生育期降水不足，需要在關(guān)鍵生育期通過(guò)灌溉來(lái)提高產(chǎn)量.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的地面灌溉和過(guò)量施肥引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1-3]，同時(shí)不合理的追肥時(shí)間和施肥措施降低了該地區(qū)的氮素利用效率[4].因此，在保證豫北地區(qū)冬小麥產(chǎn)量的前提下優(yōu)化灌溉和施氮制度，實(shí)現(xiàn)資源可持續(xù)利用是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題.噴灌水肥一體化技術(shù)具有節(jié)水、節(jié)肥、省工、省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一項(xiàng)重要的管理技術(shù)措施[5-6].針對(duì)這項(xiàng)技術(shù)，以往研究主要集中在種植密度或水氮耦合對(duì)作物籽粒產(chǎn)量和氮素吸收利用的影響[7-9]，而針對(duì)種植密度、施氮制度及兩者互作與小麥水氮利用和產(chǎn)量的關(guān)系等方面研究較少.文中基于噴灌水肥一體化條件，通過(guò)田間試驗(yàn)探討不同的種植密度和施氮頻次對(duì)冬小麥產(chǎn)量、土壤硝態(tài)氮積累量及水分利用效率的影響研究，以期為實(shí)現(xiàn)豫北地區(qū)小麥產(chǎn)量和水氮利用效率同步提高提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年10月至翌年6月在河南省新鄉(xiāng)市七里營(yíng)鎮(zhèn)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所新鄉(xiāng)綜合試驗(yàn)基地進(jìn)行.試驗(yàn)地位于113°54′E，35°18′N，海拔73.2 m，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，氣候條件適宜冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育，耕作制度為一年兩熟.多年平均氣溫14.1 ℃，全年日照時(shí)數(shù)2 398.8 h，無(wú)霜期210 d，多年平均雨量582 mm，其中7—9月占全年降雨量的65%～75%，年均蒸發(fā)量為1 909.8 mm.土壤質(zhì)地為輕壤土，0～100 cm土層的平均田間質(zhì)量持水率為22%.噴灌引用水源為地下水，地下水埋深超過(guò)5 m.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取追肥次數(shù)和種植密度作為試驗(yàn)因素.種植密度設(shè)置2個(gè)水平：D1(187 kg/hm2)和D2(262 kg/hm2)，施肥頻次設(shè)置3個(gè)水平：F1(返青后追肥1次)、F2(返青后追肥2次)和F3(返青后追肥3次).完全區(qū)組設(shè)計(jì)，共6個(gè)處理，用D1F1，D1F2，D1F3，D2F1，D2F2，D2F3表示，每個(gè)處理重復(fù)3次，共18個(gè)小區(qū)，各小區(qū)面積為120 m2(10 m×12 m).冬小麥越冬期采用地面灌，灌溉定額為50 mm；拔節(jié)期開(kāi)始采用噴灌水肥一體化灌溉，灌溉定額為45 mm，全生育期累計(jì)灌水量為185 mm.供試品種選用“矮稈207”，小麥于10月14日播種，6月1日收獲，常規(guī)平作.試驗(yàn)采用底肥和追肥的施肥方案.播種前一次性施入750 kg/ hm2磷酸二銨作為底肥，追肥肥料選用尿素[ω(N)≥46%].采用輕小型噴灌機(jī)組水肥一體化模式進(jìn)行灌溉施肥.具體施氮處理如表1所示，表中D，N，NT分別為種植密度、施氮量和累積施氮量.

表1 冬小麥不同生育期的施氮處理Tab.1 Nitrogen amount applied for winter wheat at different growth stages kg/hm2

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

土壤硝態(tài)氮含量：在小麥播種前和收獲后，用土鉆取樣深度為20,40,60,80,100 cm的土樣.每個(gè)小區(qū)設(shè)3個(gè)取樣點(diǎn).測(cè)定方法為紫外分光光度計(jì)法.

土壤含水量：播前至收獲每個(gè)關(guān)鍵生育期均測(cè)定土壤含水量.每小區(qū)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)取樣點(diǎn)，用土鉆取0～100 cm土層土樣，混勻后裝入鋁盒，用烘干法進(jìn)行測(cè)定.

農(nóng)田耗水量計(jì)算公式為

ETa=P+I+ΔW,

式中：ETa為作物耗水量，mm，主要由植株蒸騰量與棵間蒸發(fā)量組成；P為降水量，mm；I為灌溉量，mm；ΔW為計(jì)算時(shí)段初與計(jì)算時(shí)段末土壤貯水量的變化量.

土壤貯水量計(jì)算公式為

W=0.1rvh，

式中：W為土壤貯水量，mm；r為土壤質(zhì)量含水量，%；v為土壤平均干容重，g/cm3；h為土層深度，cm.

產(chǎn)量及構(gòu)成因素：在成熟期測(cè)產(chǎn)，測(cè)產(chǎn)小區(qū)面積為1 m2，脫粒風(fēng)干后調(diào)查穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，籽粒質(zhì)量含水率計(jì)為13%，最后折算成單位面積籽粒產(chǎn)量.

水分利用效率計(jì)算公式為

WUE=Y/ET，

式中：Y為冬小麥籽粒產(chǎn)量，kg；ET為冬小麥生育期耗水量，mm.

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 15.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析，用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05).

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下冬小麥生育期土壤貯水量

圖1為冬小麥生育期0～100 cm土層土壤貯水量，其中W，BS，JS，BOS，F(xiàn)S，MS分別代表貯水量、播前、拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期、成熟期.由圖可知，播前0～100 cm的土壤貯水量差異較小，拔節(jié)期以后冬小麥進(jìn)入耗水高峰期，隨著氣溫升高，冬小麥生長(zhǎng)進(jìn)程加快，生長(zhǎng)耗水量增多，使土壤貯水量持續(xù)降低，其中D1F1，D1F2，D1F3這3個(gè)處理較為明顯；孕穗期至成熟期各處理的土壤貯水量差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.各處理在冬小麥主要生育期的貯水量均表現(xiàn)為D2F3處理顯著高于其他處理，在拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期和成熟期分別提高2.06%～10.15%，2.85%～21.07%，7.96%～22.81%，2.17%～23.78%，表明增大種植密度和增加追肥次數(shù)可顯著提高0～100 cm的土壤貯水量.

圖1 冬小麥生育期0～100 cm土層土壤貯水量Fig.1 Average soil water storage in 0-100 cm soil layer at different growth stages of winter wheat

2.2 不同處理下冬小麥總耗水量和水分利用效率

冬小麥生育期耗水量和水分利用效率見(jiàn)表2，表中WBS，WMS，P，I，ET，WUE分別為播前貯水量、成熟期貯水量、降雨量、灌水量、總耗水量和水分利用效率，eP,eI分別為P,I比例.由表可知，播種前0～100 cm的土壤貯水量基本一致，種植密度和施氮次數(shù)對(duì)成熟期貯水量、生育期總耗水量影響均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.與處理D1相比，處理D2明顯增大了水分利用效率，相同的施氮頻次下分別提高了32.63%，41.01%和48.59%.相同種植密度處理下，處理F1，F(xiàn)2和F3對(duì)總耗水量和水分利用效率影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

生育期總耗水量以D1F2和D1F3最多，與其他處理差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.補(bǔ)灌量占總耗水量的比例從大到小依次為D2F3，D2F1，D1F1，D2F2，D1F2，D1F3，處理間差異程度不同；相同種植密度條件下隨著施氮次數(shù)減少，降雨量占總耗水量的比例降低，其中處理D1F2和D1F3的占比明顯低于其他處理.

表2 冬小麥生育期耗水量和水分利用效率Tab.2 Water consumption and water use efficiency of winter wheat

注：不同小寫(xiě)字母表示處理間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P<0.05)，下同

2.3 不同處理下冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

表3 為不同處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響，表中S，G，Wg，Y分別為穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量.由表可知，不同處理下冬小麥籽粒產(chǎn)量以處理D2F1最高，為9 129.66 kg/hm2.相同施肥頻次處理下，在2種種植密度處理間D2籽粒產(chǎn)量均大于D1.相同種植密度處理下，不同施氮次數(shù)處理間比較，在D2下，籽粒產(chǎn)量從大到小依次為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，且F1和F2間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，處理F3冬小麥產(chǎn)量較處理F1和F2分別減少3.10%和0.60%；在處理D1下，籽粒產(chǎn)量從大到小依次為F2，F(xiàn)1，F(xiàn)3，處理F3冬小麥產(chǎn)量較處理F1和F2分別減少2.02%和3.20%.2種種植密度處理下均為F3籽粒產(chǎn)量最小，且與F1和F2差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說(shuō)明施肥頻次超過(guò)2次后籽粒產(chǎn)量會(huì)減小.

根據(jù)方差分析結(jié)果，對(duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量而言，種植密度、施氮頻次、密度和頻次互作對(duì)其影響效應(yīng)均達(dá)到顯著水平.對(duì)于穗數(shù)和穗粒數(shù)而言，種植密度、施氮頻次和兩者互作對(duì)其影響效應(yīng)都不顯著.只有密度對(duì)千粒質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響，根據(jù)產(chǎn)量構(gòu)成因素，增大種植密度能增加冬小麥的千粒質(zhì)量，說(shuō)明產(chǎn)量增加主要是因?yàn)榍ЯＹ|(zhì)量增加.

表3 不同處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Tab.3 Effects of different treatments on grain yield and its components of winter wheat

注：**代表在P<0.01水平下差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義

2.4 不同處理下土壤硝態(tài)氮積累量

圖3為不同處理對(duì)成熟期冬小麥0～100 cm各土層硝態(tài)氮積累量的影響，圖中H,ω(NO3-)分別為土層深度和硝態(tài)氮含量.由圖可看出，成熟期各處理均表現(xiàn)為0～20 cm土層硝態(tài)氮積累量最高，隨土層的加深，土壤硝態(tài)氮積累量逐漸減少的變化趨勢(shì).同一種植密度處理下，處理F2各土層的硝態(tài)氮積累量及0～100 cm土層的總積累量均低于處理F1和F3.同一施氮頻次處理下，隨種植密度增加，各土層硝態(tài)氮積累量有降低的變化趨勢(shì)，0～100 cm土壤硝態(tài)氮總積累量影響達(dá)到顯著水平.處理D1下，60～100 cm土層的硝態(tài)氮分布比例分別為25.30%，21.50%和20.08%，處理D2下為14.27%，13.3%，16.78%.與播種前相比，處理D2下40～100 cm土層硝態(tài)氮積累量均顯著降低；處理D1下40～60 cm土層硝態(tài)氮積累量與播前相差不大，80～100 cm土層積累量顯著低于播種前.

以上結(jié)果表明，在相同的施氮總量條件下，施氮頻次為F2時(shí)各土層的硝態(tài)氮積累量及0～100 cm土層的總積累量最低；增加種植密度可顯著降低硝態(tài)氮總積累量，同時(shí)能降低60～100 cm土層的分布比例，可能與硝態(tài)氮向深層土壤淋溶有關(guān).

氮肥和種植密度是影響小麥生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，且二者之間存在顯著的互作效應(yīng)[10].前人研究發(fā)現(xiàn)，增加種植密度是提高籽粒產(chǎn)量的重要栽培措施[11]，同時(shí)合理的追肥制度能達(dá)到提高氮素利用率、促進(jìn)干物質(zhì)積累和提高作物產(chǎn)量的效果.

3 結(jié) 論

文中得出的主要結(jié)論如下：

1) 種植密度對(duì)冬小麥全生育期水分利用效率的影響效應(yīng)大于施氮頻次.相同的施氮頻次下，水分利用效率隨種植密度增加而增加；相同的種植密度下，水分利用效率隨施氮頻次的增加而減小.

2) 采用噴灌水肥一體化技術(shù)對(duì)冬小麥進(jìn)行灌水施肥，增加種植密度可減少40～100 cm土層土壤硝態(tài)氮積累量.處理D2F2下土壤總硝態(tài)氮積累量最低，且60～100 cm土層分布量小，降低了硝態(tài)氮向土壤深層滲漏的比例，有利于根系吸收氮肥，從而提高作物對(duì)氮素的吸收利用效率.

3) 產(chǎn)量受種植密度的影響更明顯，各處理下冬小麥籽粒產(chǎn)量以處理D2最高，分別為9 129.66，8 908.37，8 855.21 kg/hm2，表明冬小麥生育期保持相同灌水施肥量的前提下，提高種植密度可顯著增大千粒質(zhì)量，進(jìn)而提高籽粒產(chǎn)量.