水肥配施對冬小麥產(chǎn)量、干物質(zhì)量及養(yǎng)分 利用效率的影響

劉德祥，李淑文，張寶東，張宇航，文宏達

（1.河北農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境科學學院/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北 保定 071001；2.河北省唐山市玉田縣自然資源和規(guī)劃局，河北 玉田 064100）

小麥是我國重要的糧食作物，產(chǎn)量和消費量穩(wěn)居世界第一［1］。1978 年以來，我國小麥產(chǎn)量持續(xù)高速增長，但有研究顯示，我國糧食增長率在2000到2003 年低至-4%［2］，說明增長表現(xiàn)出不可持續(xù)。我國農(nóng)業(yè)在長期追求增產(chǎn)下灌水施肥出現(xiàn)不合理增加，導致水肥利用效率低、環(huán)境壓力大等系列問題［3-6］。我國小麥氮肥偏生產(chǎn)力僅為28 kg/kg，而國際水平在40 kg/kg 以上，差距明顯［7］。張福鎖等研究發(fā)現(xiàn)我國小麥的氮肥農(nóng)學效率為8.0 kg/kg，氮肥利用率為28.2%，遠低于國際水平，與20 世紀80 年代相比呈下降趨勢［8］。我國糧食作物的氮、磷、鉀肥利用率分別為30% ～35%、20% 左右、40%～50%［9-10］，植物缺磷會抑制氮素或其它營養(yǎng)元素的吸收，還會抑制植物根系的生長［11-12］。王海藝等［13］研究表明，土壤含水量下降會抑制植物根系的生長，降低根系的吸收面積和吸收能力，影響作物對氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的吸收和運輸。河北省冬小麥的種植面積目前為240 萬hm2，占全國土地總面積的9.7%［1］。施肥過量、地下水超采問題嚴重制約該地區(qū)農(nóng)業(yè)轉型和發(fā)展?；蕦颖笔《←湲a(chǎn)量的平均貢獻率為39.3%，氮肥、磷肥、鉀肥的平均貢獻率分別為25.7%、18.8%、13.1%，河北冬小麥肥料利用效率總體處于中等偏低水平［5,14］，羅建美等［15］研究顯示，河北省大部分地區(qū)生產(chǎn)力水平的增產(chǎn)比率低于10%。

針對河北省水資源緊缺和養(yǎng)分利用率較低的現(xiàn)狀，前人研究中有關施肥對小麥產(chǎn)量、氮素利用效率等的研究較多，但不同區(qū)域生產(chǎn)用品種較多，各品種對水肥要素的響應程度不同，為此，研究不同小麥品種在不同灌水、施肥水平下冬小麥產(chǎn)量、干物質(zhì)累積量及其對養(yǎng)分利用效率的影響，以期為河北省小麥水肥高效高產(chǎn)優(yōu)化方案的制定和保障糧食安全提供理論依據(jù)和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

表1 小麥播種前耕層土壤養(yǎng)分含量Table 1 Soil nutrient content in the plough layer before cultivation

1.2 供試材料

供試作物：選用‘石麥22’ 和‘濟麥22’（通過前期調(diào)查，2 個品種在區(qū)域內(nèi)均大面積種植，具有抗旱抗寒、抗病性強的特點，‘石麥22’對低水下肥效反映好，‘濟麥22’對高水高肥表現(xiàn)良好）2 個品種作為研究對象。供試肥料：氮肥、磷肥、鉀肥分別施以尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）、氯化鉀（K2O 60%）、復合肥（N-P2O5-K2O 15-15-15）。

1.3 試驗設計

2 年度試驗均采用裂區(qū)設計，以春季灌水次數(shù)為主區(qū)，施肥量為副區(qū)，品種處理為副副區(qū)。設置2 個灌水處理：拔節(jié)期灌1 水（W1）、拔節(jié)期和孕穗期各灌1 水（W2），灌水量為每次75 mm （50 m3/667 m2）；施肥處理設不施肥（F0）、低肥（F1，N、P2O5、K2O 施用量分別為75、75、105 kg/hm2）、中肥（F2，N、P2O5、K2O 施用量分別為112.5、112.5、157.5 kg/hm2）、高肥（F3，N、P2O5、K2O 施用量分別為150、150、210 kg/hm2）4個水平，其中，磷、鉀肥全部底施，氮肥按純氮底追比為1∶1 施用。在拔節(jié)期追肥結合灌水實施。小麥品種2 個（‘石麥22’ 和‘濟麥22’）。試驗小區(qū)面積為396 m2（33 m×12 m），每個處理設置3 個重復。采用常規(guī)窄行密植（15 cm 等行距），播種量15 kg/667 m2（基本苗23 萬～25 萬）。2018年6 月8 號小麥收獲后，按小麥處理小區(qū)，種植玉米‘鄭單958’，所有處理均底施化肥（N-P2O5-K2O= 112.5-112.5- 157.5 kg/hm2），大喇叭口期追施氮肥112.5 kg/hm2。生長季田間管理與其他大田管理相同。

1.4 測定項目與方法

在2 年度小麥播種前、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期分別采集0 ～20 cm、20 ～40 cm、40 ～60 cm 土層的土壤樣本，常規(guī)方法測定土壤速效養(yǎng)分（堿解氮—堿解擴散法、有效磷—0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提法和速效鉀—火焰光度計法）含量、土壤含水量（烘干法），小麥收獲后測定土壤容重（環(huán)刀法）；在小麥拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期取10 株植株樣品帶回實驗室測定地上部生物量、株高，用葉面積儀測其葉面積，成熟期每小區(qū)取兩個1 m2小麥穗測得籽粒產(chǎn)量；降雨量數(shù)據(jù)由辛集河北農(nóng)大試驗基地氣象站提供。結合測得與收集的數(shù)據(jù)計算以下指標［14-16］：

氮吸收量（kg/hm2）=籽粒氮含量×籽粒產(chǎn)量+秸稈氮含量×秸稈產(chǎn)量；

氮素表觀利用率（%）=（施氮區(qū)地上部植株吸氮量- 不施氮地上部植株吸氮量）/ 施氮量×100%；

氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）=施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量/施氮量；

氮素農(nóng)學利用率（kg/kg）=（施氮肥區(qū)產(chǎn)量-無氮肥區(qū)產(chǎn)量）/施氮量；

動物學家發(fā)現(xiàn)，在自然界中，很多動物都非常重情誼，會對死亡的同類進行悼念，其“葬禮”五花八門，有些“葬禮”還非常隆重呢！

磷、鉀計算方法與氮素相同；

階段養(yǎng)分干物質(zhì)利用效率（kg/kg）=階段干物質(zhì)量/養(yǎng)分吸收量（N+P2O5+K2O）。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運用 Microsoft Excel 2010 軟件處理試驗數(shù)據(jù)和制作圖表，用 SPSS20.0 軟件進行數(shù)據(jù)方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同水肥處理下冬小麥各生育時期干物質(zhì)量變化

不同水肥用量下冬小麥各生育時期干物質(zhì)量的變化（表2）表明，不同品種冬小麥的干物質(zhì)量隨著生育進程而逐漸增加。

表2 不同水肥用量下冬小麥各生育時期干物質(zhì)量變化Table 2 Dry matter mass of winter wheat in different periods under different water and fertilizer applications kg/hm2

2018 和 2019 年小麥成熟期的干物質(zhì)累積量均以W2F2（‘石麥22’ ）和W2F3（‘濟麥22’）為 最 高， 分 別 為22 805.5、23 014.5 kg/hm2和 22 198.3、22 378.5 kg/hm2。灌水相同條件下，與不施肥（F0）處理相比，不同施肥處理冬小麥各生育時期干物質(zhì)量分別增長拔節(jié)期-0.14%～ 44.44%、 -0.26% ～ 45.98%、 抽 穗 期6.65% ～56.70%、3.77% ～ 58.59%、 灌 漿 期0.23% ～54.78%、-1.55%～ 50.15%和成熟期1.43%～21.80%、0.20%～ 21.07%。在成熟期，與F0 處理相比，2 年度‘石麥22’ 的平均干物質(zhì)增長率在W1F2 下最高為9.20%，‘濟麥22’在W1F3 下最高為21.44%，可見‘濟麥22’品種的干物質(zhì)累積對施肥的響應度顯著高于‘石麥22’。2 年度‘石麥22’ 不同生育時期的干物質(zhì)量均以中肥F2 處理為最高，‘濟麥22’則在高肥F3 時達最高。2018 和2019 年，小麥成熟期干物質(zhì)量均以中高肥F2 和F3 處理顯著高于F1 和F0處理（除‘濟麥22’的W1 處理外）。施肥量相同時，2 品種在各生育期的干物質(zhì)量均表現(xiàn)為W2＞W(wǎng)1，表明春灌兩水冬小麥積累的干物質(zhì)更高。

2.2 不同水肥處理冬小麥各生育期養(yǎng)分吸收量變化

綜合2018 和2019 年冬小麥生育期內(nèi)的全氮吸收量變化（圖1）可以看出，‘石麥22’ 在拔節(jié)期吸氮量在W1 下施肥明顯高于不施肥，W2 下F2 與F0 差距不大；在抽穗期不同施肥量下公頃吸收量排序為H0＜H1＜H2＜H3，但W1 差距很小，最大與最小吸氮量差值僅為26.1 kg/hm2，在W2 下最大與最小吸氮量差值為105.5 kg/hm2，但F1 與F2 之間差距未達顯著差異，說明灌水次數(shù)對‘石麥22’抽穗期氮素吸收有積極影響，W1 處理由于灌水不足而影響了氮肥肥效發(fā)揮；在灌漿期W1F2、W2F2 處理吸氮量分別為176.80 kg/hm2、219.57 kg/hm2，數(shù)值差為42.77 kg/hm2，其它施肥水平下W1、W2 數(shù)值差距不大，說明在F2 下灌水次數(shù)對‘石麥22’在灌漿期的氮素吸收有較大影響?！疂?2’在抽穗期W2F2＞W(wǎng)1F2、W2F3＞W(wǎng)1F3，差值分別為38.32 kg/hm2和8.58 kg/hm2，而W2F0、W2F1 分別低于W1F0、W1F1，差值分別為10.15 kg/hm2、7.49 kg/hm2，表明在抽穗期灌水次數(shù)對‘濟麥22’在F2、F3 下的吸氮量影響較大，在F0 和F1 下影響不大；

圖1 不同水肥用量下冬小麥各生育期吸氮量（2018 和2019 平均值）Fig. 1 Nitrogen uptake of winter wheat at different growth stages under different amounts of water and fertilizer application (Note: GF represents grain filling, the same below)

灌漿期的吸氮量在F0、F1、F2、F3 4 個施肥量下W2 比W1 分別高出16.61%、50.30%、35.09%、18.79%，可以看出F2、F3 下灌水次數(shù)對‘濟麥22’灌漿期的吸氮量影響較大。綜合2 個品種氮素吸收表現(xiàn)來看，除‘石麥22’‘濟麥22’的W1 處理外，其它處理成熟期吸氮量均表現(xiàn)出F3＞F2＞F1＞F0 的規(guī)律。

冬小麥全生育期的磷素吸收變化如圖2 所示，在灌漿期，‘石麥22’的吸磷量W2F2 比W1F2 高53.71%，W2F3 比W1F3 高59.97%,F0、F1 下 吸 磷量W1＞W(wǎng)2；‘濟麥22’在F0、F2、F3 下的吸磷量W1＞W(wǎng)2，在L 下W1＜W2，呈現(xiàn)出一定的水肥互作關系。

從成熟期吸磷量來看，2 個品種在W2 下吸磷量排序均為F3＞F2＞F1＞F0，‘石麥22’ 相鄰兩者之間差值較大，‘濟麥22’的F2 和F3 之間、F0 和F1 之間差異未達顯著水平；最大吸磷量‘石麥22’ 為92.49 kg/hm2，‘濟麥22’為86.29 kg/hm2，‘石麥22’ 優(yōu)于‘濟麥22’。

圖2 不同水肥用量下冬小麥各生育期吸磷量Fig. 2 Phosphorus uptake of winter wheat at different growth stages under different water and fertilizer applications

冬小麥全生育期鉀素吸收規(guī)律如圖3 所示，明顯可以看出不同施肥量下抽穗期和拔節(jié)期的吸鉀量W2 與W1 相比更加分散。以‘石麥22’為例，抽穗期吸鉀量在W1 和W2 下的最大值與最小值數(shù)值差分別為36.29 和101.2，表明灌水次數(shù)會對不同施肥量下小麥鉀素吸收造成不同的影響。在成熟期，‘石麥22’和‘濟麥22’吸鉀量最大值分別127.10和133.73 kg/hm2，可見不同灌水施肥水平下全鉀吸收量差別較小，表明灌水施肥對冬小麥成熟期吸鉀量沒有顯著影響。

圖3 不同水肥用量下冬小麥各生育期吸鉀量Fig. 3 Potassium uptake of winter wheat at different growth stages under different water and fertilizer applications

2.3 不同水肥用量下冬小麥階段養(yǎng)分干物質(zhì)利用效率

從圖4 中（2018 和2019 年平均值）可以看出，冬小麥拔節(jié)期—灌漿期的階段養(yǎng)分干物質(zhì)利用效率均較低，范圍為15.11 ～30.08 kg/kg；到成熟期小麥干物質(zhì)利用效率明顯高于其它生育階段，均值為66.19 kg/kg；2 個品種的養(yǎng)分干物質(zhì)利用效率均以F0 處理為最高值，‘石麥22’表現(xiàn)為W2＞W(wǎng)1 處理，春2 水比春1 水處理高出8.10%，‘濟麥22’則為W1＞W(wǎng)2，春1 水處理比春2 水處理高13.93%；在成熟期除F0 處理外，其它施肥處理W1、W2 下的養(yǎng)分干物質(zhì)利用效率數(shù)值差異較小。

圖4 不同水肥用量下冬小麥階段養(yǎng)分干物質(zhì)利用效率Fig. 4 Dry matter utilization efficiency of winter wheat with different water and fertilizer applications

2.4 水肥用量對冬小麥產(chǎn)量的影響

如圖5 所示，小麥產(chǎn)量在2018 和2019 年度的表現(xiàn)趨勢較為一致。2 年度‘石麥22’均以W2F2 處理產(chǎn)量最高，分別比F0 處理高出27.07%和40.67%；‘濟麥22’則均以W2F3 處理最高為8 863.5 kg/hm2和8 991.8 kg/hm2， 分 別 比F0高42.27% 和42.99%。2 年 度 春2 水（W2） 處理‘石麥22’比春1 水處理（W1）產(chǎn)量增加了0.80% ～24.16%（W2F1 除外），‘濟麥22’W2比W1 處理產(chǎn)量提高幅度-3.99%～4.56%；說明‘石麥22’的水分增產(chǎn)效果顯著，‘濟麥22’的水分增產(chǎn)效應不明顯。2 個品種相比，2018 和2019 年，‘濟麥22’和‘石麥22’產(chǎn)量分別增加1.35%～33.14%和1.38% ～29.10%；春1 水條件下，‘濟麥22’比‘石麥22’的增產(chǎn)幅度為166.61% ～33.14%和15.62%～29.10%，比春2 水條件下表現(xiàn)突出?！?2’在同灌水次數(shù)下W2F2＞W(wǎng)2F3，水肥互作效應明顯；‘濟麥22’則以W2F3＞W(wǎng)2F2、W1F3＞W(wǎng)1F2（差異未達顯著水平），說明當水肥條件滿足時‘濟麥22’可進一步提高產(chǎn)量。

2.5 不同水肥用量下冬小麥籽粒肥料利用效率的對比分析

由表3 可知，‘石麥22’在不同施肥量下氮肥表觀利用率在W1 下表現(xiàn)為F2＞F1＞F3，差異達顯著水平；在W2 下F1 與F2 處理氮肥表觀利用率差異未達顯著水平；說明水分不滿足條件下，水分限制了肥料的吸收利用?！疂?2’在2 種灌水處理下，其氮肥表觀利用率均表現(xiàn)為F3＞F2＞F1，春1 水處理＞春2 水處理，處理間差異達顯著水平，與‘石麥22’的氮肥利用趨勢明顯不同?！?2’和‘濟麥22’2 個品種的磷肥表觀利用率，在春1 水處理下均以F1 低肥處理最高，F(xiàn)2 中肥處理最低，差異達顯著水平；春2 水處理下，‘石麥22’磷肥表觀利用率表現(xiàn)為F3＞F2＞F1，‘濟麥22’為F2＞F3＞F1，處理間差異達顯著水平。不同水肥處理下2 個品種小麥的鉀肥表觀利用率變化于8.66% ～14.87% 和10.65% ～15.73% 之 間，均 以W2F1 處理的利用率最高，為14.87%和14.73%。2個品種的肥料表觀利用率對比可知，春1 水處理下‘石麥22’的氮鉀肥表觀利用率低于‘濟麥22’，‘石麥22’的磷肥表觀利用率高于‘濟麥22’。

由各處理的小麥肥料偏生產(chǎn)力（表3）可知，‘石麥22’和‘濟麥22’2 個品種在W1、W2 2 種灌水處理下，其氮、磷、鉀肥偏生產(chǎn)力均表現(xiàn)出F1＞F2＞F3 的趨勢，且處理間差異均達顯著水平；相同施肥水平下W1、W2 處理的小麥肥料偏生產(chǎn)力差異未達顯著水平。相同施肥灌水下，2 個品種偏生產(chǎn)力均以‘濟麥22’明顯高于‘石麥22’，‘濟麥22’的氮肥偏生產(chǎn)力分別比‘石麥22’高18.31%、31.10%、18.76%和20.31%、2.19%、20.42%。

由表3 可知，‘石麥22’在W1 下的肥料（N、P2O5、K2O）農(nóng)學利用率以F3、F1 處理較高，但二者差異未達顯著水平；W2 處理下的小麥肥料農(nóng)學利用率則以F2 處理最高，顯著高于F3 和F1 處理。‘濟麥22’的農(nóng)學利用率在W1 下以F2 最高，顯著高于F3、F1 處理；W2 下的農(nóng)學利用率以F3 處理最高，顯著高于F2、F1 處理差異；‘濟麥22’在W1F2 處理取得最高的氮磷鉀肥農(nóng)學利用率?！疂?2’品種在高水條件下肥料利用率有望繼續(xù)增加，可為糧食安全提供后備高產(chǎn)高效品種。

3 討論

3.1 施肥與小麥產(chǎn)量和干物質(zhì)量的關系

施用化肥可顯著提高小麥產(chǎn)量和干物質(zhì)累積量［4,8］，作物對肥料投入的反應因作物品種、土壤條件、氣候和其它因素的影響而差別很大，小麥氮、磷、鉀肥配施的增產(chǎn)幅度53.2%,肥料貢獻率也提高了l2.5%，高產(chǎn)作物品種對肥料的依賴性更強，化肥在當前的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)中發(fā)揮了更加重要的作用［14］。本研究中‘石麥22’在中肥下、‘濟麥22’在高肥下的產(chǎn)量和干物質(zhì)積累量高于其它施肥處理；在成熟期‘濟麥22’受施肥影響程度大于‘石麥22’；施肥量相同時，2 個品種在各生育期的干物質(zhì)量均表現(xiàn)為W2＞W(wǎng)1，表明灌水次數(shù)增加可提高冬小麥干物質(zhì)量；隨施肥量增加，冬小麥產(chǎn)量變化于干物質(zhì)量有所不同，2個品種也表現(xiàn)差異。這與Zhang M、吳強的研究結果（中肥高產(chǎn)）有一定差異［6,17］，Zhang M 在華北平原研究以W2N1 處理（100 kgN/hm2+120 mm 灌水）獲得顯著高于對照的產(chǎn)量，但N1 與N2、N3 處理間產(chǎn)量差異未達顯著水平。吳強在內(nèi)蒙古的研究表明N4（166.5 kgN/hm2，中高水平）下小麥產(chǎn)量最高。說明不同區(qū)域不同品種和不同氮肥用量下，小麥對氮素養(yǎng)分的響應不同，最高產(chǎn)量點不同。

3.2 水肥處理對小麥肥料利用率的影響

隨灌水量和合施肥量增加，小麥的肥料農(nóng)學利用效率一般呈降低趨勢，中水低肥（100 kgN/hm2+ 120 mm 灌水）的農(nóng)學效率最高［6］。小麥氮素生理效率和偏生產(chǎn)力均隨施氮量增加而降低［18］。本研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥吸氮量均表現(xiàn)出高肥＞中肥＞低肥＞不施肥的特征；兩品種小麥的氮肥表觀利用率在低水（春灌1 水50 m3）下均隨施肥量增加而降低，而增加灌水量，氮素表觀利用率對施肥量的響應差異未達顯著水平。冬小麥的偏生產(chǎn)力均隨施肥水平的提高而降低且差異達顯著水平；同灌水施肥下肥料偏生產(chǎn)力‘濟麥22’明顯高于‘石麥22’；施肥量相同時‘石麥22’在春1 水下的肥料農(nóng)學利用效率高于春2 水處理，差異達顯著水平，‘濟麥22’則相反，但差異未達顯著水平。與他人研究相比，本研究2 個品種的最優(yōu)推薦施肥量（225 kg/hm2）高于Zhang［6］（華北平原小麥，100 kgN/hm2）、崔帥等［19］（河北藁城120 kgN/hm2）推薦用量、吳強［17］（內(nèi)蒙古，166.5 kgN/hm2）和李亞靜［18］（冀東平原，180 kgN/hm2）的推薦量，與呂敏娟等［20］在河北正定冬小麥‘衡4399’‘藁優(yōu)2018’品種的推薦用量相當，說明在不同區(qū)域氣候條件下，不同品種小麥對水肥的響應度不同，還需深入研究區(qū)域適應度高的小麥品種的節(jié)水節(jié)肥效應，為化肥減施增效、水資源節(jié)約高效利用和保障糧食安全提供理論依據(jù)和技術支撐。

4 結論

不同冬小麥品種受灌水和施肥的影響表現(xiàn)不同，‘石麥22’干物質(zhì)累積量在中肥下為最優(yōu)，‘濟麥22’在高肥下為最優(yōu)，春2 水優(yōu)于春1 水處理。除‘石麥22’的春1 水處理外，其它處理吸氮量均隨施肥量增加而提高。相同灌水施肥下‘濟麥22’肥料偏生產(chǎn)力明顯高于‘石麥22’；‘石麥22’肥料農(nóng)學效率春1 水處理顯著高于春2 水處理，‘濟麥22’差異未達顯著水平；‘濟麥22’在高肥下產(chǎn)量最高，‘石麥22’則在中肥下產(chǎn)量最高。綜合考慮區(qū)域水資源狀況，‘濟麥22’表現(xiàn)出更好的水肥利用特性，春1 水高肥（N 300 kg/hm2，P2O5150 kg/hm2，K2O 210 kg/hm2，50 m3/667m2）為推薦方案；‘石麥22’則以春2 水中肥（N 225 kg/hm2，P2O5112.5 kg/hm2，K2O 157.5 kg/hm2，100 m3/667m2）為推薦水肥方案。