不同灌溉技術(shù)下水氮耦合對小麥光合特性、灌水利用特性及產(chǎn)量的影響

高翠民，楊永輝，何 方，韓偉峰，王小非，武繼承

(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)

我國是缺水農(nóng)業(yè)大國，現(xiàn)有耕地1.3億 hm2，農(nóng)田灌溉面積占耕地總面積的52%，年用水量4 000億 m3，占全國總用水量的61.4%。到2030年預(yù)計我國人口將達到16億，按照現(xiàn)有生活水平預(yù)測，需要將糧食增長到6.4～7.2億 t，年用水量也將從現(xiàn)在的4 000億 m3增長到6 650億 m3[1]。而且，我國小麥生產(chǎn)主要還是采用傳統(tǒng)的漫灌和溝灌的灌溉方式，水肥利用率僅為30%～40%，造成了水肥資源的浪費。過量施用肥料，尤其是氮肥，不僅直接導(dǎo)致氮肥利用率和農(nóng)學(xué)效率降低，而且對環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展造成了潛在危害。氮肥施入土壤后，通過淋溶、揮發(fā)、反硝化和地表徑流等途徑嚴重損失掉[2-4]，導(dǎo)致了一系列的環(huán)境污染問題[5]，如大氣污染[6]、湖泊水體富營養(yǎng)化、赤潮現(xiàn)象[7]、土壤酸化[8-9]、地下水污染[10-11]等，進而嚴重影響農(nóng)業(yè)、社會和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。歐美發(fā)達國家采用滴灌、噴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)，水肥分利用率可以提高1倍，達到70%～80%。因此，具有節(jié)水、節(jié)肥、省工等特點的水肥一體化技術(shù)的推廣和應(yīng)用勢在必行[12]。

水肥一體化是利用管道灌溉系統(tǒng)，根據(jù)作物對水分和養(yǎng)分的需求規(guī)律，將肥料和灌溉水一起適時適量、準確地輸送到作物的根部土壤，供作物吸收，實現(xiàn)水肥同步管理和高效利用的節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)，提高了水肥利用效率，減少了以前粗獷的農(nóng)業(yè)種植模式對環(huán)境、大氣、水體造成的污染及其對人類造成的潛在危害。我國水肥一體化技術(shù)的研究從1975年開始，當時引進了墨西哥的滴灌設(shè)備，建立了3個試驗點，面積5.3 hm2，取得了顯著的增產(chǎn)和節(jié)水效果。此后的幾十年，我國灌溉施肥的理論及應(yīng)用技術(shù)日益成熟和完善，但主要運用于設(shè)施栽培、無土栽培、果樹栽培等多種栽培模式[13]，在小麥生產(chǎn)應(yīng)用較少。隨著土地流轉(zhuǎn)，規(guī)模經(jīng)營的農(nóng)戶會更加愿意接受新型、經(jīng)濟、高效的水溶肥。新技術(shù)、新肥料對于提升種植戶收入的作用越來越明顯。

河南省是我國重要糧食生產(chǎn)省份之一，若不解決水肥資源的高效利用問題，河南省糧食持續(xù)高效生產(chǎn)將難以為繼。因此，本研究通過測定不同灌溉技術(shù)下水氮耦合各處理小麥SPAD值、凈光合速率、蒸騰速率、灌水利用效率，灌水效益和產(chǎn)量，分析了灌水、氮肥及其互作對產(chǎn)量的影響和SPAD、凈光合速率、蒸騰速率與產(chǎn)量的相關(guān)性。簡要闡述不同節(jié)水灌溉技術(shù)提高小麥產(chǎn)量的機制，為水肥一體化技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供理論支撐，對促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要和長遠的戰(zhàn)略意義。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況及供試材料

試驗于2018-2019年在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院河南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究開發(fā)基地(原陽，經(jīng)度：E 113.97°、緯度：N 35.05°)開展。該地區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)型氣候，年平均日照時間為 1 925.1 h，光能資源充足；年平均溫度為 14.5 ℃；年平均降水量約為 573.3 mm，主要集中在6-8月份，占全年降水量的 58.4%，具有雨熱同季的優(yōu)點，但是降雨時空分布不均衡。試驗地土壤類型為沙壤土，土壤基本理化性質(zhì)： pH值7.68，有機質(zhì)含量7.69 g/kg，全氮、全磷、全鉀含量分別為0.49，0.63，2.31 g/kg，速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為 60.93，18.76，122.13 mg/kg。供試品種：鄭麥103，于2018年10月中旬播種，播種量180 kg/hm2，行距18 cm。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)為灌溉技術(shù)(A)，設(shè)置普通灌溉(A1)、噴灌(PG)(A2)和滴灌(DG)(A3)3種灌溉技術(shù)；副區(qū)為灌水量(B)，設(shè)置不灌水(B1)、600 m3/hm2(B2)、450 m3/hm2(B3)和300 m3/hm2(B4)4個灌水量；副裂區(qū)為施氮量(C)，設(shè)置純氮240 kg/hm2(C1)和210 kg/hm2(C2)2個氮水平。3種灌溉技術(shù)設(shè)置共同不灌水對照處理，共20個處理，分別為B1C1、B1C2、A1B2C1、A1B2C2、A1B3C1、A1B3C2、A1B4C1、A1B4C2、A2B2C1、A2B2C2、A2B3C1、A2B3C2、A2B4C1、A2B4C2、A3B2C1、A3B2C2、A3B3C1、A3B3C2、A3B4C1、A3B4C2，每個處理3次重復(fù)。氮肥分3次施入，底肥施60%，與普通過磷酸鈣(P2O590 kg/hm2)和鉀肥(K2O 90 kg/hm2)一起翻耕入土。追肥分2次施入，其中拔節(jié)期施入25%和灌漿期施入15%。不同灌溉技術(shù)的追肥方式不一樣，在PG和DG灌溉技術(shù)條件下，氮肥與水通過水肥一體化設(shè)施施入，而普通灌溉采用撒施的方式。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 SPAD值 測定光合特性的同時，使用SPAD-502(日本美能達公司)葉綠素儀測定小麥旗葉SPAD值，每個處理選取10片具有代表性的葉片。

1.3.2 光合特性的測定 在小麥抽穗期-揚花期，選擇晴朗天氣9:00-11:30使用美國Li-Cor公司生產(chǎn)的Li-6400XT型便攜式光合儀，在開放氣路系統(tǒng)自然光照下測定小麥旗葉的凈光合速率和蒸騰速率。每個處理選取5片具有代表性的葉片，為了排除太陽輻射對不同處理造成的影響，采用交叉測量的方法。

1.3.3 產(chǎn)量 小麥成熟期每小區(qū)收獲3個 6 m2，曬干后稱其質(zhì)量，再將其折合成每公頃產(chǎn)量。

1.3.4 灌水利用特性 灌水利用效率和灌水效益的計算方法如下[14]：灌水利用效率=籽粒產(chǎn)量/灌水量；灌水效益=(灌水處理籽粒產(chǎn)量-不灌水處理籽粒產(chǎn)量)/灌水量。

1. 4 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2013 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和作圖，并應(yīng)用 SPSS 22.0進行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉技術(shù)下水肥耦合對小麥SPAD值的影響

方差分析表明，灌水量和施氮量對小麥SPAD值的影響均極顯著，而灌溉技術(shù)對小麥葉片SPAD值沒有顯著影響。灌水量極顯著提高了小麥葉片SPAD值，而且隨著灌水量的增加而增加，其中以B2處理最高，達到了51.4。灌水量相等條件下，C1處理的小麥葉片SPAD值顯著高于C2處理(表1)。灌水各處理的小麥葉片SPAD值顯著高于B1處理，其中，普通灌溉和PG灌溉技術(shù)下均以B2C2處理的最高，分別為51.1和52.1；而DG灌溉技術(shù)下以B2C1處理的最高，為51.8(圖1)。在灌水量相對充足(B2和B3)的條件下，節(jié)水灌溉技術(shù)下(PG和DG)各處理小麥SPAD值高于對應(yīng)普通灌溉處理(個別處理除外)；而在低灌水量(B4)條件下，只有>施氮量為C2時PG和DG的小麥SPAD值高于對應(yīng)普通灌溉處理。

表1 SPAD值的方差分析與多重比較結(jié)果Tab.1 Results of variance analysis and multiple comparisons of SPAD value

圖1 不同灌溉技術(shù)下水肥耦合各處理SPAD值Fig.1 The SPAD value of water-nitrogen coupling treatments under different irrigation technologies

2.2 不同灌溉技術(shù)下水肥耦合對小麥光合特性的影響

由表2可知，灌溉技術(shù)、灌水量、施氮量及A×B交互作用對小麥凈光合速率和蒸騰速率的影響均極顯著；A×C、B×C 和A×B×C交互作用對小麥蒸騰速率的影響極顯著或者顯著，而對小麥凈光合速率沒有顯著影響。節(jié)水灌溉技術(shù)下(PG和DG)小麥凈光合速率和蒸騰速率均顯著高于普通灌溉處理。就不同灌水量而言，灌水顯著提高了小麥凈光合速率和蒸騰速率，其中均以B2處理最高，小麥凈光合速率和蒸騰速率分別達到了13.76 μmol/(m2·s)和4.08 mmol/(m2·s)。研究結(jié)果還表明，C1處理的小麥凈光合速率和蒸騰速率顯著高于C2處理。

多重比較表明，與對照相比，灌水顯著提高了小麥凈光合速率，3種灌溉技術(shù)下均以B2C1處理的小麥凈光合速率最高，普通灌溉、PG、DG小麥凈光合速率分別達到了13.84，14.44，14.22 μmol/(m2·s)(圖2)。在灌水量相對充足(B2和B3)的條件下，3種灌溉技術(shù)下相同處理凈光合速率間沒有顯著差異；而B4灌水量條件下，節(jié)水灌溉技術(shù)下(PG和DG)小麥的凈光合速率顯著高于對應(yīng)普通灌溉處理。

與對照相比，灌水各處理的蒸騰速率均顯著增加。相同灌水量和施氮量條件下，各處理小麥葉片蒸騰速率均以DG灌溉技術(shù)下最大，其中以B2C1處理最高，達到了6.07 mmol/(m2·s)(圖2)。灌水量由B3降至B4時，節(jié)水灌溉技術(shù)下(PG和DG)小麥蒸騰速率的降幅小于對應(yīng)普通灌溉處理。

表2 小麥光合特性的方差分析和多重比較結(jié)果Tab.2 Results of variance analysis and multiple comparisons of wheat photosynthetic characteristics

圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖3-4同。 Different lowercase letters in figure indicate significant difference among different treatments (P<0.05). The same as Fig.3-4.

2.3 不同灌溉技術(shù)下水肥耦合對小麥產(chǎn)量的影響

方差分析表明，灌溉技術(shù)對小麥產(chǎn)量的影響顯著，灌水量、施氮量及A×B交互作用對小麥產(chǎn)量的影響均極顯著。從整體上來看，節(jié)水灌溉技術(shù)下(PG和DG)小麥的產(chǎn)量顯著高于普通灌溉處理，而且C1處理的小麥產(chǎn)量顯著高于C2處理(表3)。3種灌溉技術(shù)下灌水各處理的小麥產(chǎn)量均顯著高于不灌水處理，而且隨著灌水量的增加而增加，其中以灌水量B2處理的產(chǎn)量最高。3種灌溉技術(shù)下不同水肥耦合各處理均以B2C1處理的小麥產(chǎn)量最高，普通灌溉、PG、DG分別達到了10 802，10 559，10 641 kg/hm2(圖3)。在灌水量相對充足(B2和B3)的條件下，3種灌溉技術(shù)下相同各處理的小麥產(chǎn)量間沒有顯著差異；但是在B4灌水量條件下，節(jié)水灌溉技術(shù)下(PG和DG)小麥產(chǎn)量顯著高于對應(yīng)普通灌溉處理，施氮量為C2時尤為突出。

表3 小麥產(chǎn)量的方差分析和多重比較結(jié)果Tab.3 Results of variance analysis and multiple comparisons of wheat yield

圖3 不同灌溉技術(shù)下水肥耦合各處理小麥產(chǎn)量Fig.3 Wheat yield of water-nitrogen coupling treatments under different irrigation technologies

2.4 不同灌溉技術(shù)下水肥耦合對小麥灌水利用的影響

方差分析表明，灌溉技術(shù)對小麥灌水利用效率和灌水效益的影響均顯著，灌水量、施氮量及A×B交互作用對小麥灌水利用效率和灌水效益的影響均極顯著。B×C交互作用對小麥灌水利用效率的影響顯著，而對小麥灌水效益沒有顯著影響(表4)。節(jié)水灌溉技術(shù)下(PG和DG)小麥的灌水利用效率和灌水效益均顯著高于普通灌溉處理。從整體來看，3種灌溉技術(shù)下小麥灌水利用效率和灌水效益均隨著灌水量的減少而顯著增加。灌水利用效率隨著施氮量的增加而增加，而灌水效益隨著施氮量的增加而降低。

3種灌溉技術(shù)下水肥耦合各處理均以B4C1處理的灌水利用效率最高，普通灌溉、PG和DG分別達到了227.8，247.4，249.7 kg/m3。在灌水量相對充足(B2和B3)的條件下，3種灌溉技術(shù)下相同各處理的灌水利用效率沒有顯著差異；但是在B4灌水量條件下，節(jié)水灌溉技術(shù)下(PG和DG)小麥灌水利用效率顯著高于對應(yīng)普通灌溉處理(圖4)。對于灌水效益，3種灌溉技術(shù)下小麥灌水效益呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，節(jié)水灌溉技術(shù)下(PG和DG)小麥灌水效益隨著灌水量的減少而增加，而普通灌溉技術(shù)下小麥灌水效益隨著灌水量的減少呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。節(jié)水灌溉技術(shù)下(PG和DG)小麥灌水效益均以B4C2處理的最高，分別為66.3，69.0 kg/m3，而普通灌溉技術(shù)下以B3C2處理最高，為47.5 kg/m3。在灌水量相對充足(B2和B3)的條件下，節(jié)水灌溉技術(shù)下(PG和DG)各處理小麥灌水效益與對應(yīng)普通灌溉處理間沒有顯著差異；但是B4灌水量條件下節(jié)水灌溉技術(shù)(PG和DG)小麥灌水效益顯著高于對應(yīng)普通灌溉處理。

表4 小麥灌水利用特性的方差分析和多重比較結(jié)果Tab.4 Results of variance analysis and multiple comparisons of irrigation water use characteristics

圖4 不同灌溉技術(shù)下水肥耦合各處理小麥灌水利用效率和灌水效益Fig.4 The wheat irrigation water use efficiency and irrigation benefit of water-nitrogen coupling treatments under different irrigation technologies

2.5 小麥葉片SPAD值、光合特性與產(chǎn)量相關(guān)性分析

由表5可知，小麥葉片SPAD值、凈光合速率、蒸騰速率和產(chǎn)量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。小麥葉片SPAD值和凈光合速率、蒸騰速率也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。凈光合速率和蒸騰速率也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

表5 小麥葉片SPAD值、光合特性與產(chǎn)量相關(guān)性分析Tab.5 Correlation coefficients among SPAD value, photosynthetic characteristics and yield of winter wheat leaves

3 結(jié)論與討論

光合作用所產(chǎn)生的有機物是植物自身生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)物質(zhì)，也是產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，有研究表明，小麥產(chǎn)量70%以上是通過穗和葉片光合作用合成的有機物形成的[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，灌水顯著提高了小麥SPAD值、凈光合速率和蒸騰速率，而且隨著灌水量的增加呈現(xiàn)遞增的趨勢。從整體上來看，灌水量相等條件下，節(jié)水灌溉技術(shù)(PG和DG)處理的小麥凈光合速率和蒸騰速率大于對應(yīng)普通灌溉處理(個別處理除外)，而且灌水量越少，節(jié)水灌溉技術(shù)處理的小麥凈光合速率和蒸騰速率與普通灌溉處理(個別處理除外)之間的差異越大。說明節(jié)水灌溉能夠提高小麥凈光合速率和蒸騰速率，與前人研究結(jié)果一致[16-20]。相關(guān)性分析表明，小麥葉片SPAD值、凈光合速率、蒸騰速率與產(chǎn)量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；小麥葉片SPAD值與凈光合速率也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；凈光合速率與蒸騰速率也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。因此，節(jié)水灌溉技術(shù)通過提高小麥凈光合速率和蒸騰速率，從而增加小麥產(chǎn)量。

黃淮海地區(qū)降雨較少，而且降雨時空分布不均衡，在整個小麥生長季的降雨只能滿足其水分需求量的 25%～40%，小麥產(chǎn)量形成主要依賴于灌溉[21]，而且在充分灌溉界限下，小麥產(chǎn)量隨著灌水量的增大而增加[22]。本研究結(jié)果表明，3種灌溉技術(shù)下灌水各處理的小麥產(chǎn)量均顯著高于對照，而且隨著灌水量的增加而增加。有研究表明，灌溉技術(shù)對小麥產(chǎn)量有顯著影響[23]，這一結(jié)論在本研究中也得到了證實，在灌水量相對充足(B2和B3)的條件下，3種灌溉技術(shù)下小麥產(chǎn)量沒有顯著差異；但是在B4灌水量條件下，節(jié)水灌溉技術(shù)下(PG和DG)小麥產(chǎn)量顯著高于普通灌溉處理，施氮量為C2時尤為突出。水分和氮肥管理對小麥生長發(fā)育的調(diào)控存在互補效應(yīng)[24]。通過分析表明，灌溉技術(shù)對小麥產(chǎn)量的影響顯著，灌水量、施氮量及A×B交互作用對小麥產(chǎn)量的影響均極顯著。同樣，灌溉技術(shù)對小麥灌水利用效率和灌水效益也有顯著影響，節(jié)水灌溉技術(shù)能夠提高小麥水分利用效率[16]。本研究表明，在灌水量相對充足(B2和B3)的條件下，節(jié)水灌溉技術(shù)下(PG和DG)小麥灌水利用效率及其灌水效益與相應(yīng)普通灌溉處理間沒有顯著差異；但是低灌水量(B4)節(jié)水灌溉技術(shù)下(PG和DG)小麥灌水利用效率及其灌水效益顯著高于對應(yīng)普通灌溉處理。同時，方差分析表明，灌溉技術(shù)對小麥灌水利用效率和灌水效益的影響均顯著，灌水量、施氮量及A×B交互作用對小麥灌水利用效率和灌水效益的影響均極顯著。因此，節(jié)水灌溉技術(shù)與追施氮肥相結(jié)合的水肥一體化不僅能夠提高小麥產(chǎn)量[16-19]，還能夠提高灌水和氮肥利用率[23, 25-26]，進而減少過量施用氮肥對環(huán)境造成的污染。

灌溉技術(shù)、灌水量和施氮量對小麥光合特性、灌水利用特性和產(chǎn)量的影響均顯著。小麥SPAD值、凈光合速率、蒸騰速率和產(chǎn)量隨著灌水量或者施氮量的增加而增加；而灌水利用效率和灌水效益則隨著灌水量的減少而增加。灌水量相對充足(B2和B3)條件下，3種灌溉技術(shù)下小麥SPAD值、凈光合速率、蒸騰速率、灌水利用效率、灌水效益和產(chǎn)量均沒有顯著差異，但是在低灌水量(B4)條件下，節(jié)水灌溉技術(shù)下(PG和DG)小麥凈光合速率、蒸騰速率、灌水利用效率、灌水效益和產(chǎn)量顯著高于對應(yīng)普通灌溉處理。綜合考慮小麥產(chǎn)量和灌水利用特性，節(jié)水灌溉技術(shù)下(PG和DG)+ B4C1為最佳節(jié)水增效模式。