分期施肥補灌對小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

潘曉瑩，武繼承，張森森，楊永輝，王 越，李敏杰，4，高翠民，何 方

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營養(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科學(xué)觀測實驗站， 河南 原陽 453514；3.河南省有色金屬地質(zhì)勘查總院， 河南 鄭州 450002； 4.鄭州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 河南 鄭州 450052 )

豫中地區(qū)是河南省小麥生產(chǎn)的主產(chǎn)區(qū)，水資源短缺和化肥過量施用(肥料消耗量達4 500 kg/hm2)[1]制約著該區(qū)域農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展。如何合理灌溉、優(yōu)化水肥管理模式是豫中補灌區(qū)小麥高產(chǎn)高效生產(chǎn)亟待解決的關(guān)鍵問題。

水分和氮肥作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素和主要調(diào)控手段，兩者對農(nóng)作物生長調(diào)控具有互補效應(yīng)，正所謂“有收無收在于水，收多收少在于肥”[2-3]。對于小麥而言，充足的水分是其生長的基礎(chǔ)和成產(chǎn)三要素(畝穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量)的調(diào)控因子，干旱則是最具威脅力的逆境[4]。補充灌溉對水分利用效率影響顯著,平水年拔節(jié)期補灌、枯水年拔節(jié)期和抽穗期補灌是提高黃海地區(qū)冬小麥產(chǎn)量的最佳灌溉模式[5]，拔節(jié)期和開花期灌水顯著提高拔節(jié)期至成熟期小麥的耗水量[6]，補灌處理較不補灌處理可顯著提高山農(nóng)23籽粒產(chǎn)量和水分利用效率[7]，總灌水量和籽粒產(chǎn)量均呈現(xiàn)隨補灌次數(shù)增加而增加的趨勢[8]。氮肥不同基追比對小麥耗水量、水分利用效率影響顯著,與不追肥相比，分期追肥有利于提高小麥水分利用效率和產(chǎn)量[9],基肥∶拔節(jié)肥∶孕穗肥為6∶3∶1處理開花至成熟期籽粒產(chǎn)量最高[10]。

與此同時，為片面追求高產(chǎn)，盲目、過量施用化肥的農(nóng)業(yè)種植技術(shù)，不僅增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入，還造成肥料利用率低、土壤氮素深層積累、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境受到破壞等系列問題[11]。有機肥可顯著增強土壤肥力，是一種肥力持久的重要肥源。化肥與有機肥的配施，可降低耕層土壤的污染，改善土壤物理結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境[12-13]。

本試驗在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合豫中補灌區(qū)栽培種植模式，基于“分期施肥補灌有可能提高小麥產(chǎn)量和水分利用效率”的假設(shè)，采取分期施肥和補充灌溉手段，于2018年—2019年以鄭麥369為試驗材料，研究分期施肥補灌對小麥SPAD、光合特性、群體動態(tài)、生長發(fā)育指標(biāo)、產(chǎn)量和水分利用效率的影響機理，以期為豫中補灌區(qū)小麥高產(chǎn)高效種植技術(shù)提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況及試驗材料

試驗于2018年—2019年在河南省開封市通許縣厲莊鄉(xiāng)司馬莊村進行(東經(jīng)E 114.46°，北緯N 34.43°)。試驗土壤為壤質(zhì)潮土，土壤耕層含有機質(zhì)13.9 g/kg、水解氮71.6 mg/kg、速效磷14.6 mg/kg、速效鉀90.6 mg/kg，pH值為8.26。

供試小麥品種為鄭麥369。試驗用肥料分別為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)、氯化鉀(含K2O 60%)、有機肥料(有機質(zhì)≥50%，N+P2O5+K2O總養(yǎng)分≧5%)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)3種灌水模式：不灌溉(W0)，補灌一次(W1)(拔節(jié)期)、補灌二次(W2)(拔節(jié)期，抽穗—揚花期)。灌水450 m3/(hm2·次)，采用地面灌，水表計量。設(shè)5種施肥模式：不施肥(N0)、純氮210 kg/hm2(N1)、純氮300 kg/hm2(N2)、純氮210 kg/hm2+有機肥1 500 kg/hm2(N3)、純氮300 kg/hm2+有機肥1 500 kg/hm2(N4)。灌水施肥同步進行。不灌水條件下氮肥一次性底施，拔節(jié)期補灌一次條件下，氮肥底追比為底施∶拔節(jié)肥=7∶3；拔節(jié)期、抽穗—揚花期補灌二次，氮肥底追比為底肥∶拔節(jié)肥∶穗肥=6∶3∶1。磷肥135 kg/hm2、鉀肥90 kg/hm2和有機肥料一次性底施。試驗共15個處理，試驗處理詳見表1。小區(qū)面積4.0 m×5.6 m，隨機區(qū)組排列，重復(fù)3次，共45個小區(qū)。小麥于10月16日等行距(22 cm)播種，播種量為210 kg/hm2；于次年6月4日收獲。其他管理同常規(guī)大田一致。

表1 不同分期施肥補灌處理

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 小麥SPAD

利用SPAD-502(日本美能達公司)葉綠素儀測定小麥揚花—灌漿期旗葉SPAD值，每個處理隨機測定5片小麥旗葉SPAD值。

1.3.2 小麥光合特性

利用Li-6400XT(美國Li-Cor公司)便攜式光合儀測定小麥揚花—灌漿期旗葉凈光合速率和蒸騰速率每個處理隨機測定3片小麥凈光合速率和蒸騰速率。

1.3.3 小麥考種及產(chǎn)量測定

于收獲期，隨機選5株小麥，對其進行考種，測定其株高、穗長、不孕小穗數(shù)、小穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量。每小區(qū)收取3行，用小型谷物脫粒機進行脫粒，風(fēng)干后稱其籽粒重量并計算其產(chǎn)量。

1.3.4 水分利用效率

水分利用效率采用如下公式計算：

WUE=Y/ET[14]

(1)

式中：WUE為水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為小麥籽粒產(chǎn)量，kg/hm2；ET為冬小麥生育期內(nèi)耗水量,mm。

農(nóng)田耗水量(Field water consumption，)的計算采用水分平衡法[15]，耗水量的計算公式為

(2)

式中：ET為整個生育期作物的耗水量,mm；i為土層編號；n為總土層數(shù)；γi為第i層土壤干密度，g/cm3；Hi為第i層土壤厚度，cm；θi1和θi2分別為第i層土壤播種前和收獲后土壤含水量；M為灌水量，mm；P0為生育期內(nèi)降水量，mm，冬小麥生育期間的降雨資料有當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供；K為時段內(nèi)的地下水補給量，mm，當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?.5 m時，K值可以忽略不計，本試驗的地下水埋深在5 m以下，故地下水補給量可視為0。

采用土鉆取0～100 cm土層土樣，每20 cm為一層，立即裝入鋁盒中，烘干法測定土壤含水率，同時采用環(huán)刀法測定土壤密度。2018年—2019年度冬小麥生育期內(nèi)降雨量見表2。

表2 2018年—2019年度冬小麥生育期內(nèi)降雨量

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)利用WPS Office 2019和IBM SPSS Statistics 19軟件進行數(shù)據(jù)處理及差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 分期施肥補灌對小麥SPAD值的影響

由圖1 可知，三種灌水水平條件下，各施肥處理的小麥SPAD顯著高于不施肥處理，且隨施氮量增加而增加，N4處理最高，各處理小麥SPAD較對照N0處理分別提高6.94%～25.59%、2.21%～15.14%和16.86%～24.67%；同時，增施有機肥處理(N3和N4)的SPAD值均高于不施有機肥處理(N1和N2)。不灌水條件下，N4處理小麥SPAD值為50.07，N2、N3、N4小麥SPAD值顯著高于N0、N1處理；補灌一次條件下，N4處理小麥SPAD值最高，為53.73，N2、N3、N4處理小麥SPAD顯著高于N0和N1處理，N4處理顯著高于N2處理；補灌兩次條件下，N4處理小麥SPAD值為55.93，且顯著高于N0和N1處理處理。同肥條件下，補灌一次和補灌二次的小麥SPAD均高于不灌水相應(yīng)處理小麥SPAD值，分別提高7.32%～17.06%和11.72%～22.99%，與補灌一次相比，補灌二次的N0處理的小麥SPAD值較相應(yīng)處理降低了3.86%，其他處理則分別提高了9.92%、5.90%、3.28%和4.09%。

注：圖中不同小寫字母表示同一灌水水平下不同處理間的差異顯著水平(P<0.05)

2.2 分期施肥補灌對小麥光合特性的影響

由圖2可知，三種灌水水平條件下，各施肥處理的小麥凈光合速率高于或顯著高于不施肥(N0)處理，且增施有機肥處理(N3和N4)小麥的凈光合速率均高于不施有機肥處理(N1和N2)。不灌水條件下，N4處理小麥凈光合速率最高，為22.37 μmol CO2/( m2·s)，顯著高于N1處理；補灌一次條件下，N4處理小麥凈光合速率最高，為21.37 μmol CO2/( m2·s)；補灌二次條件下，N3處理小麥凈光合速率最高，為22.50 μmol CO2/(m2·s)，顯著高于N2處理。補灌一次條件下N0和N1處理的小麥凈光合速率較不灌溉相應(yīng)處理分別增加1.80%和15.17%，其他處理較不灌溉相應(yīng)處理則是有所減少；補灌二次條件下N2和N4處理的小麥凈光合速率較不灌溉相應(yīng)處理分別減少3.21%%和1.62%，其他處理增加；補灌二次條件下N0處理的小麥凈光合速率較補灌一次條件下相應(yīng)處理降低0.45%，其他處理增加。

注：圖中不同小寫字母表示同一灌水水平下不同處理間的差異顯著水平(P<0.05)

由圖3可知，不灌水條件下，N3處理小麥蒸騰速率最高，為5.16 mmol H2O/( m2·s)，顯著高于N0處理；補灌一次條件下，N3處理小麥蒸騰速率最高，為4.40 mmol H2O/(m2·s)，各處理間差異不顯著；補灌二次條件下，N3處理小麥蒸騰速率最高，為4.66 mmol H2O/(m2·s)，顯著高于N0、N1、N2處理。補灌一次條件下N0處理的蒸騰速率較不灌溉條件下相應(yīng)處理增加1.89%，其他處理較不灌溉相應(yīng)處理則是有所降低；補灌二次條件下各處理小麥蒸騰速率較不灌溉相應(yīng)處理減少5.53%～10.91%；補灌二次條件下N0處理的小麥蒸騰速率較補灌二次條件下相應(yīng)處理減少7.29%，其他處理較補灌一次相應(yīng)處理則是有所增加。

注：圖中不同小寫字母表示同一灌水水平下不同處理間的差異顯著水平(P<0.05)

2.3 分期施肥補灌對小麥群體動態(tài)的影響

對不同生育期小麥群體數(shù)動態(tài)的調(diào)查表明(見圖4)，各處理小麥全生育期的群體數(shù)變化均呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢，在拔節(jié)期達到最大。三種灌水條件下，小麥群體數(shù)均以N0處理最低，且不灌水處理小麥群體數(shù)低于灌溉處理，不灌水不施肥不利于提高小麥群體數(shù)。除苗期W0N0與W0N4處理、返青期W2N0與W2N4及收獲期W1NO與W1N3處理間差異不顯著外，其他同灌水水平下各處理苗期和越冬期、返青期、拔節(jié)期、抽穗期、收獲期的小麥群體數(shù)均顯著高于N0處理，整體上，以拔節(jié)期提高幅度最大。與不灌水相應(yīng)處理相比，補灌一次各處理在苗期和越冬期、返青期、拔節(jié)期、抽穗期、收獲期的小麥群體數(shù)分別提高1.61%～19.05%、8.09%～32.80%、3.64%～33.33%、13.38%～21.81%、10.83%～53.47%、1.67%～34.48%,補灌二次各處理小麥群體數(shù)分別提高4.23%～25.40%、5.13%～44.62%、12.08%～38.22%、16.14%～43.43%、2.78%～34.87%、1.92%～32.76%。補灌二次與補灌一次相應(yīng)處理小麥群體數(shù)相比增減不一。

注：圖中不同小寫字母表示同一灌水水平下不同處理間的差異顯著水平(P<0.05)

2.4 分期施肥補灌對小麥生物性狀及產(chǎn)量的影響

由表3可知，與不灌水處理相比，補灌一次和補灌二次各處理的穗粒數(shù)、株高、穗長和千粒質(zhì)量均有所提高，不孕小穗有所降低。三個灌水水平條件下，各處理不孕小穗較相應(yīng)對照N0處理顯著降低，分別降低了24.42%～41.86%、32.89%～44.98%和22.65%～41.18%，株高、穗長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量較相應(yīng)N0處理均有所提高或顯著提高，其中不灌水條件下株高和穗粒數(shù)增加幅度較大，分別為12.08%～18.39%和11.91%～15.20%，補灌一次條件下，穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量增加幅度較大，分別為8.03%～18.31%和9.09%～13.64%，補灌二次條件下，株高和小穗數(shù)增加幅度較大，分別為5.60%～15.79%和9.86%～18.3%。

表3 分期施肥補灌對小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響

三種灌水平條件下，N0處理產(chǎn)量最低，顯著低于其他處理，且W1N0>W2N0>W0N0；不灌水條件下，N2處理的產(chǎn)量最高，達10 990.53 kg/hm2，N3處理次之，N2、N3處理產(chǎn)量顯著高于N1、N4處理；補灌一次條件下，N4處理產(chǎn)量最高，為11 865.53 kg/hm2，N3處理次之，增施有機肥處理(N3、N4)的產(chǎn)量高于不施有機肥處理(N1、N2)，N2、N3和N4處理產(chǎn)量顯著高于N1處理；補灌二次條件下，N3處理產(chǎn)量最高，為11 768.94 kg/hm2，N3處理產(chǎn)量顯著高于N2處理，增施有機肥處理(N3、N4)的小麥產(chǎn)量高于不施有機肥處理(N1、N2)。補灌一次和補灌二次的小麥產(chǎn)量均高于不灌水相應(yīng)處理的小麥產(chǎn)量，分別提高4.29%～22.34%和1.53%～23.27%，與補灌一次相比，補灌二次的N0、N2、N4處理的產(chǎn)量較相應(yīng)處理分別減少了0.35%、2.64%和2.22%，N1和N3處理則分別增加14.41%和1.30%。

2.5 分期施肥補灌對小麥水分利用效率的影響

由表4可知，三種灌水平條件下，N0處理水分利用效率顯著低于其他處理，且W1N0>W0N0>W2N0；不灌水條件下，N2處理水分利用效率最高，為28.30 kg/(hm2·mm)，N4處理次之，且顯著高于其他處理；補灌一次條件下，N4處理水分利用效率最高，為27.88 kg/(hm2·mm)， N2處理次之，N2、N3、N4處理的水分利用效率顯著高于N1處理；補灌二次條件下，N4處理水分利用效率最高，為26.79 kg/(hm2·mm)，且顯著高于N1、N2和 N3處理。補灌一次的N1處理小麥水分利用效率低于不灌水相應(yīng)處理，較之降低2.55%，其他處理的水分利用效率則高于不灌溉行營處理；補灌二次條件下各處理的水分利用效率較不灌水處理降低了1.71%～18.22%；補灌二次各處理的水分利用效率較補灌一次相應(yīng)處理均有所降低。

表4 分期施肥補灌對小麥水分利用效率的影響

3 討 論

光合作用是小麥產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素和物質(zhì)基礎(chǔ)，有研究表明，小麥產(chǎn)量70%以上是通過植株光合作用產(chǎn)生合成有機物形成的[16]。田間試驗研究發(fā)現(xiàn)：三種灌水平條件下，各施肥處理的小麥SPAD和凈光合速率高于或顯著高于不施肥處理，增施有機肥的小麥SPAD和凈光合速率均高于相應(yīng)不施有機肥處理，且小麥的SPAD值隨施氮量增加而增加，這與前人研究結(jié)果一致[17-18]。小麥穗粒數(shù)、株高、穗長和千粒質(zhì)量在同灌水條件下均以N0處理最低，灌水處理高于不灌水相應(yīng)處理。

由于季節(jié)性干旱和降雨時空分布不均衡，豫中地區(qū)小麥產(chǎn)量主要依靠補灌水量，生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗結(jié)果表明，合理的補灌[7-8]、分期施肥[9]、增施有機肥[12]有利于提高小麥產(chǎn)量和水分利用效率。文中研究結(jié)果表明：補灌一次和補灌二次的小麥產(chǎn)量均高于不灌水相應(yīng)處理，補灌一次的小麥水分利用效率高于不灌水相應(yīng)處理的小麥水分利用效率，較之提高3.13%～10.77%，這與王麗[7]研究結(jié)果一致。三種灌水水平下，N0處理產(chǎn)量顯著低于其他處理，且W1N0>W2N0>W0N0；補灌一次和補灌二次的小麥產(chǎn)量均高于不灌水下的相應(yīng)處理，且以W1N4水平產(chǎn)量最高，為11 865.53 kg/hm2，補灌一次條件下，增施有機肥處理(N3、N4)的小麥產(chǎn)量高于不施有機肥處理(N1、N2)。三種灌水條件下，N0處理水分利用效率最低，且W1N0>W0N0>W2N0；補灌條件下增施有機肥的小麥水分利用效率高于相應(yīng)不施有機肥處理。針對不同降雨年型，有人小麥生育期內(nèi)補灌頻次：干旱年灌3水、平水年灌2水、豐水年灌1水[19-20]，與試驗結(jié)果略有偏差(平水年補灌一次增產(chǎn)增效效果最佳)，這可能是由于降雨時空分布不均一起的。

4 結(jié) 論

補灌和追施氮肥對小麥SPAD、光合特性、產(chǎn)量及水分利用效率有著顯著影響。三種灌水條件下，各施肥處理的小麥SPAD和凈光合速率高于或顯著高于不施肥處理，增施有機肥效果更佳；灌水處理的小麥穗粒數(shù)、株高、穗長和千粒質(zhì)量高于不灌水相應(yīng)處理，不孕小穗則與之相反；三種灌水條件下，N0處理水分利用效率和產(chǎn)量最低，補灌條件下增施有機肥的小麥水分利用效率高于相應(yīng)不施有機肥處理。

基于節(jié)水、增產(chǎn)、增效綜合考慮，結(jié)合豫中地區(qū)小麥種植模式和試驗研究結(jié)果，平水年小麥拔節(jié)期補灌一次、施用純氮300 kg/hm2+有機肥1 500 kg/hm2(氮肥底追比為底施∶拔節(jié)肥=7∶3)處理為豫中地區(qū)最佳推薦模式。