滴灌水肥一體化對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)及水肥利用的影響

張麗霞，尹鈞，武繼承，楊永輝，潘曉瑩

(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.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)國家小麥工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450046；3．河南財經(jīng)政法大學(xué)，河南 鄭州450046；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物高效用水原陽科學(xué)觀測實驗站，河南 原陽 453514；5.河南省黃河流域節(jié)水農(nóng)業(yè)野外科學(xué)觀測研究站，河南 原陽 453514)

小麥?zhǔn)侵袊匾募Z食作物，提高小麥產(chǎn)量、資源利用率，改善小麥品質(zhì)，有利于保障中國小麥可持續(xù)生產(chǎn)和國家糧食安全。但目前農(nóng)業(yè)灌溉方式仍存在大面積大水漫灌和畦灌，導(dǎo)致水資源嚴(yán)重浪費，灌溉水有效利用效率偏低。同時，為片面追求農(nóng)作物產(chǎn)量，也經(jīng)常存在施氮量過多，造成肥效及利用率偏低及農(nóng)業(yè)環(huán)境污染等問題[1-3]。比較各類灌溉方式，滴灌具有節(jié)水、提高肥料利用效率和增效等優(yōu)勢，對于水資源缺乏地區(qū)的農(nóng)業(yè)高產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展具有不可忽視的重要作用[4-5]。因此，研究氮肥和水分的合理配施，發(fā)揮滴灌水肥一體化節(jié)水、高效的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高小麥產(chǎn)量和品質(zhì)，有利于實現(xiàn)河南省糧食主產(chǎn)區(qū)增產(chǎn)增收和節(jié)水節(jié)肥等社會經(jīng)濟效益。

關(guān)于水肥對作物小麥的研究主要集中于增產(chǎn)提質(zhì)、節(jié)水節(jié)肥和光合生理特性等方面。研究發(fā)現(xiàn)，除了自然環(huán)境和品種基因影響外，合理的氮肥和水分配合不僅能夠促進(jìn)小麥氮肥肥效，而且能提高水分利用效率，具有明顯的增產(chǎn)效果[6]，但是水肥過多會造成小麥莖葉生長過旺，使無效分蘗增多，因每穗小穗數(shù)和穗粒數(shù)減少而減產(chǎn)[7]。研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)水灌溉條件下，小麥產(chǎn)量、水分利用效率和氮素利用效率隨施氮量增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，過量施氮會導(dǎo)致小麥產(chǎn)量和水肥利用率降低[8-10]。適宜的水氮組合能夠提高小麥干物質(zhì)和氮素積累量，并促進(jìn)干物質(zhì)和氮素向子粒運輸，有效提高水分利用效率和氮素利用效率，有利于增強小麥旗葉的光合能力，產(chǎn)生更多的碳水化合物，增加子粒產(chǎn)量[11]。不同的灌水時期、灌水量和次數(shù)可提高小麥光合生理特性、產(chǎn)量和水分利用效率，但灌水量和次數(shù)增加過多會導(dǎo)致小麥產(chǎn)量和子粒蛋白質(zhì)含量下降[12-14]。滴灌水肥一體化有利于實現(xiàn)小麥的節(jié)水、省肥和增產(chǎn)，氮肥適當(dāng)?shù)暮笠菩Ч黠@。已有的研究表明，滴灌施肥能顯著增加冬小麥的有效穗數(shù)，有利于小麥產(chǎn)量和水分利用效率的提高[15-16]。在當(dāng)?shù)厥┓柿炕A(chǔ)上小麥生長季減少40%施氮量，同時進(jìn)行2次灌水是較適宜的節(jié)水節(jié)肥措施，能夠提高小麥耗水量、產(chǎn)量和水肥利用效率[17-18]。另外研究發(fā)現(xiàn)，在滴灌條件下，拔節(jié)期和開花期追肥有利于小麥光合性能和產(chǎn)量的提高[19]。合理的水氮運籌有利于小麥獲得合理的群體數(shù)量和質(zhì)量，促進(jìn)植株光合產(chǎn)物的生產(chǎn)與積累及轉(zhuǎn)運，促進(jìn)穗數(shù)、穗粒數(shù)的增加，進(jìn)而提高小麥產(chǎn)量[20]。鑒于滴灌條件下，水肥一體化對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)及水肥利用的綜合研究較少，本試驗在前期分期灌溉與施肥相結(jié)合、灌溉方式與灌水量及水肥互作對小麥-玉米周年產(chǎn)量和水分利用影響的研究基礎(chǔ)上[4,12]，利用滴灌水肥一體化技術(shù)研究小麥產(chǎn)量和品質(zhì)及水肥利用的影響，旨在為評價和篩選小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的最優(yōu)水肥組合模式，從而為小麥高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2016—2018年在河南省通許縣節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗示范基地進(jìn)行(114.47°E,34.48°N，海拔62 m)。該地區(qū)氣候類型為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量為657.9 mm，且主要集中在6—9月，年均氣溫14.6 ℃，全年無霜期222 d。該試驗地土壤為壤質(zhì)潮土，土壤耕層有機質(zhì)為11.4 g·kg-1，全氮為0.81 g·kg-1，全磷為0.72 g·kg-1，堿解氮為74.31 mg·kg-1，速效磷為19.8 mg·kg-1，速效鉀為90.3 mg·kg-1；土壤容重為1.32 g·cm-3；土壤機械組成主要為沙粒(2～0.020 mm)占83%，其次為粉粒(0.020～0.002 mm)占8.3%和黏粒(<0.002 mm)占8.7%。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，灌溉方式為滴灌，滴頭流量為2～3 L· h-1，滴頭間距為30 cm，滴灌帶間隔寬度為40～50 cm，每次灌水量為450 m3· hm-2。該試驗設(shè)置3個氮 (N) 肥水平：N1(180 kg ·hm-2)，N2(240 kg·hm-2)，N3(270 kg·hm-2)，氮肥按照基追比進(jìn)行底施，并與磷(P2O5，105 kg·hm-2) 、鉀( K2O，105 kg·hm-2)肥一同底施。追肥與灌溉同步，氮肥基追比例為60%和40%，追肥比分別為25%和15%，2次追肥時期分別為小麥拔節(jié)期和灌漿期。水分(W)設(shè)置3個水平：W1(生育期不灌水)，W2(生育期灌2次水)，W3(生育期灌3次水)，2次水在小麥拔節(jié)期和灌漿期各進(jìn)行1次灌溉，3次水分別在小麥拔節(jié)期、開花期和灌漿期各進(jìn)行1次灌溉。在小麥播種前灌底墑水，灌溉量為450 m3·hm-2，其他時期均按試驗處理進(jìn)行水肥管理。試驗共設(shè)置9個處理，分別為W1N1，W1N2，W1N3，W2N1，W2N2，W2N3，W3N1，W3N2，W3N3，每個處理重復(fù)3次，共27個小區(qū)，每個小區(qū)面積為22.4 m2。在本試驗中，W1為生育期不灌水，在追施氮肥時采用溝施的方式進(jìn)行施肥，W2，W3為生育期灌水，實施滴灌水肥一體化時氮肥隨水一同施入。供試冬小麥為矮抗58，于10月中下旬播種，播種量為150 kg· hm-2，行距20 cm，次年6月上旬收獲。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 小麥產(chǎn)量和子粒品質(zhì) 小麥?zhǔn)斋@時，以每小區(qū)收獲4 m2記產(chǎn)量，將其折合成每公頃的產(chǎn)量，同時對每小區(qū)進(jìn)行考種，考察小麥株高、穗長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量及地上部的干物質(zhì)質(zhì)量等。小麥子粒用粉碎機粉碎后測定可溶性糖、蛋白質(zhì)和淀粉含量：小麥子?？扇苄蕴呛坑幂焱壬╗21]進(jìn)行測定；小麥子粒全氮含量采用凱氏定氮法[22]測定，全氮含量乘以指數(shù)5.7作為蛋白質(zhì)含量；小麥子粒直鏈淀粉和支鏈淀粉含量用雙波長法[23]測定，兩者之和為總淀粉含量。

1.3.2 小麥全生育期耗水量與水分利用效率 土壤水分測定采用質(zhì)量烘干法，在小麥越冬期、拔節(jié)期、抽穗期、開花期、灌漿期和收獲期,不同處理隨機取3點，采用土鉆分別采集0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm 共5層土壤，放入烘箱中105 ℃烘8～9 h，測定含水量，進(jìn)而得知0～100 cm土層土壤儲水量，并計算小麥生育期耗水量、水分利用效率。

0～100 cm土層土壤儲水量為0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm土層土壤含水量之和。

小麥全生育期耗水量計算公式：小麥全生育期耗水量=播種前0～100 cm土層土壤含水量+小麥生育期內(nèi)降雨量+小麥生育期內(nèi)灌水量-收獲時0～100 cm土層土壤含水量。

水分利用效率=小麥子粒產(chǎn)量/小麥全生育期耗水量。

1.3.3 小麥植株氮積累量和氮利用效率 小麥植株用粉碎機粉碎后測定植株氮素含量。

氮積累量和氮效率計算公式如下：

氮積累量=植株氮含量×植株干物質(zhì)質(zhì)量。

氮利用效率/(kg·kg-1) =子粒產(chǎn)量/氮積累量。

氮生產(chǎn)效率/(kg·kg-1) =子粒產(chǎn)量/施氮量。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥生育期內(nèi)降雨量分析

由圖1可以看出，在2016—2018年連續(xù)2 a中，小麥生育期內(nèi)降雨量主要集中在10月和5月，其他月份相對較少。小麥播種后降雨量逐漸增多，但從分蘗期開始到返青期前降水量較少，從抽穗期開始降雨量逐漸增多，一直到灌漿期。在2016—2017年，小麥生育期內(nèi)降雨10次，總降雨量為258.3 mm；在2017—2018年，小麥生育期內(nèi)降雨11次，總降雨量為279.2 mm。

圖1 小麥生育期內(nèi)逐月降雨量Fig.1 Monthly rainfall in growth stage of wheat

2.2 滴灌水肥一體化對小麥生長發(fā)育、產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

從表1可知，連續(xù)2 a，在低氮(N1)、中氮(N2)處理下，小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)隨灌水量增加而升高，在高氮(N3)處理下，小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)隨灌水量增加而降低，均以W3N2處理下增加最多。與W1N1處理相比，W3N2處理下小麥平均株高、穗長、千粒質(zhì)量增長最大，分別提高14.61%,13.24%和12.19%；W3N2和W3N3處理下小麥平均產(chǎn)量變化明顯，分別增加31.88%和15.28%。在2016—2017年，與W1N1處理相比，W3N2處理下小麥株高、穗長和千粒質(zhì)量分別增加16.21%,11.67%和9.63%，W3N2和W3N3處理下小麥產(chǎn)量分別提高26.41%和10.90%。在2017—2018年，與W1N1處理相比，W3N2處理下小麥株高、穗長和千粒質(zhì)量分別增加13.02%，14.81%和14.76%，W3N2和W3N3處理下小麥產(chǎn)量分別提高37.35%和19.66%。其中小麥產(chǎn)量在2017—2018年較2016—2017年提高顯著，這可能與2017—2018年小麥生長季降雨量高于2016—2017年有關(guān)。充足的降雨量有利于小麥對水分的吸收和利用，從而促進(jìn)小麥的生長發(fā)育，提高小麥的產(chǎn)量。

表1 滴灌水肥一體化對小麥株高、產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 1 Effects of drip fertigation on plant hight,yield and yield composition of wheat

2.3 滴灌水肥一體化對小麥品質(zhì)的影響

2.3.1 滴灌水肥一體化對小麥子?？扇苄蕴呛偷鞍踪|(zhì)含量的影響 從表2可以看出，連續(xù)2 a，在低氮、中氮處理下，小麥子?？扇苄蕴呛烤尸F(xiàn)隨灌水量增加而升高，在高氮處理下，小麥子?？扇苄蕴怯须S灌水量增加而降低的趨勢，且均以W3N2處理下最高。與W1N1處理相比，小麥子粒平均可溶性糖含量增加29.69%。在2016—2017年，與W1N1處理相比，不同處理下小麥子粒可溶性糖含量變幅為10.99%～30.81%，其中W1N3，W2N3，W3N2，W3N3處理下增長顯著，以W3N2處理下變化幅度最大，小麥子粒可溶性糖含量提高30.81%。在2017—2018年，與W1N1處理相比，不同處理下小麥子?？扇苄蕴呛孔兎鶠?0.88%～28.57%，其中W2N3，W3N2，W3N3處理下提高明顯，以W3N2處理下變化幅度最大，小麥子粒可溶性糖含量提高28.57 %，其他處理差異不顯著。

表2 滴灌水肥一體化對小麥子粒可溶性糖和蛋白質(zhì)含量的影響Table 2 Effects of drip fertigation on soluble sugar and protein content of wheat grain

連續(xù)2 a，在不同氮肥水平下，小麥子粒蛋白質(zhì)含量隨灌水量增加而增加，且均以W3N2和W3N3處理下變化顯著。與W1N1處理相比，W3N2和W3N3處理下小麥子粒平均蛋白質(zhì)含量分別提高47.03%和40.99%。在2016—2017年，與W1N1處理相比，小麥子粒蛋白質(zhì)含量變幅為7.51%～47.25%，其中W3N2和W3N3處理下小麥子粒蛋白質(zhì)含量分別增加47.25 %和39.74%。在2017—2018年，與W1N1處理相比，小麥子粒蛋白質(zhì)含量變幅為4.76%～46.81%，其中W3N2和W3N3處理下小麥子粒蛋白質(zhì)含量分別增加46.81%和42.24%。

2.3.2 滴灌水肥一體化對小麥子粒淀粉含量的影響 從表3可以看出，連續(xù)2 a，小麥子粒直鏈淀粉、支鏈淀粉、總淀粉含量和直支比在年際間變化均不明顯。小麥子粒平均直鏈淀粉含量以W2N3和W3N2處理下最高，與W1N1處理相比，分別增加30.47%和34.57%；W3N2和W3N3處理下小麥子粒平均支鏈淀粉含量分別提高18.66%和16.19%，小麥子粒平均總淀粉含量分別增加22.81%和18.03%；小麥子粒平均淀粉直支比在不同處理間變化不顯著。在2016—2017年，與W1N1處理相比，W2N3和W3N2處理下小麥子粒直鏈淀粉含量分別增加30.04%和34.72%；W3N2和W3N3處理下小麥子粒支鏈淀粉含量分別提高19.24%和15.64%，小麥子粒總淀粉含量分別增加23.28%和17.92%；在2017—2018年，與W1N1處理相比，W2N3和W3N2處理下小麥子粒直鏈淀粉含量分別增加30.89%和34.42%；W3N2和W3N3處理下小麥子粒支鏈淀粉含量分別提高18.08%和16.74%，小麥子?？偟矸酆糠謩e增加22.33%和18.13%。

表3 滴灌水肥一體化對小麥子粒淀粉及組分含量的影響Table 3 Effects of drip fertigationon starch content and its components in wheat grains

2.4 滴灌水肥一體化對小麥水肥利用的影響

由表4可以看出，2016—2017年小麥全生育期耗水量高于2017—2018年，連續(xù)2 a均以W3N2處理下小麥全生育期耗水量最低，與W1N1處理相比，小麥全生育期平均耗水量減少21.40%。連續(xù)2 a小麥水分利用效率的變化趨勢均一致。與W1N1處理相比，W3N2和W3N3處理下小麥平均水分利用效率分別增加11.70%和8.60%。在2016—2017年與W1N1處理相比，W3N2和W3N3處理下小麥水分利用效率分別增加10.19%和7.51%；在2017—2018年與W1N1處理相比，W3N2和W3N3處理下小麥水分利用效率分別增加13.19%和9.68%。2017—2018年小麥水分利用效率在W3N2和W3N3處理下高于2016—2017年，這可能由于2017—2018年小麥生長期間降雨量和灌水量高于2016—2017年，導(dǎo)致小麥生育期內(nèi)耗水量減少和產(chǎn)量增加，從而有利于小麥水分利用效率的提高。

表4 滴灌水肥一體化對小麥水肥利用的影響Table 4 Effects of drip fertigationon on water-fertilizer use efficiency of wheat

連續(xù)2 a，在小麥成熟期，與W1N1處理相比，W2N2，W2N3，W3N2和W3N3處理下植株平均氮積累量變化均明顯，分別增加11.15%，15.82%，20.30%和18.15%，其中以W3N2處理下小麥植株氮積累量最高。連續(xù)2 a小麥氮利用效率均以W2N2和W3N2處理下變化幅度大，與W1N1相比，小麥平均氮利用效率分別提高10.18%和12.34%。在2016—2017年，與W1N1處理相比，W2N2和W3N2處理下小麥氮利用效率分別增加7.06%和10.82%；在2017—2018年，與W1N1處理相比，W2N2和W3N2處理下小麥氮利用效率分別提高13.30%和13.86%。小麥氮生產(chǎn)效率在連續(xù)2 a內(nèi)均以W2N1和W3N1處理下變化幅度大，其他處理變化不顯著。

3 結(jié)論與討論

水與肥能夠相互促進(jìn)，但兩者又互相制約。在不同追肥時期采用不同氮肥追施比例并與灌水量相結(jié)合，可有效發(fā)揮肥效，有利于作物對肥料的吸收與利用，達(dá)到以水調(diào)肥、用肥促水的雙重作用，從而提高小麥的產(chǎn)量[11]。武繼承等[4]研究發(fā)現(xiàn)，在滴灌水肥一體化條件下，施氮量180 kg·hm-2(底施50%純氮，拔節(jié)期追施30%純氮和灌漿期追施20%純氮)的水肥組合能夠使小麥獲得高產(chǎn)。楊永輝等[12]研究表明，施氮量240 kg·hm-2，底施純氮60%，拔節(jié)期追施純氮20%(灌水450 m3·次-1·hm-2)和灌漿期追施純氮20% (灌水450 m3·次-1·hm-2)的水氮運籌模式最佳，有利于小麥穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量的提高。本研究與前人試驗結(jié)果一致。本研究表明，小麥生育期施純氮240 kg·hm-2(底施60%，拔節(jié)期追施25%和灌漿期追施15%)，同時進(jìn)行3次灌水的滴灌水肥一體化處理更有利于提高小麥的穗長、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量。這說明，在一定范圍內(nèi)，氮肥分期施用和灌水相結(jié)合的水肥一體化處理能夠優(yōu)化小麥植株的群體生長特性，促進(jìn)小麥穗長和千粒質(zhì)量，進(jìn)而使小麥獲得高產(chǎn)。

施氮與灌水是小麥生長過程中重要的栽培措施，對小麥品質(zhì)的形成具有明顯的調(diào)控作用[7-9]。本研究表明，在連續(xù)2 a的試驗中，小麥子?？扇苄蕴呛偷矸酆吭诘偷⒅械幚硐码S灌水量增加而升高，在高氮處理下隨灌水量增加而降低的趨勢，小麥子?？扇苄蕴?、淀粉和蛋白質(zhì)含量均在W3N2處理下表現(xiàn)最佳，與W1N1處理相比，分別增加29.69%，19.87%和47.03%。這與已有研究結(jié)果[7-10]略有差異?？赡苁怯捎诓煌r(nóng)田小麥?zhǔn)┑?、施肥時間、灌溉方式、灌水次數(shù)和灌水量等綜合因素引起小麥光合特性、光合產(chǎn)物和氮積累及轉(zhuǎn)運的差異，從而造成小麥品質(zhì)性狀的不同。在以后的試驗中，應(yīng)考慮適量加大氮肥水平梯度和灌水次數(shù)，找到所需氮肥和灌水的最佳結(jié)合點，進(jìn)行長期試驗進(jìn)行驗證，從而達(dá)到小麥高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

衡量小麥高產(chǎn)性、優(yōu)質(zhì)性和高效性的主要指標(biāo)是小麥產(chǎn)量、品質(zhì)和水肥利用效率，適宜的水氮運籌能促進(jìn)植株的生長，提高小麥對水分和養(yǎng)分的有效利用，減少無效消耗，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[7-8,24-26]。已有研究表明，在施氮量195 kg·hm-2，拔節(jié)期至成熟期土壤相對含水量65%～70%是小麥獲得較高水肥利用效率及產(chǎn)量的最優(yōu)組合[9]。滴灌水肥一體化處理有利于實現(xiàn)節(jié)水增產(chǎn)，小麥生育期施氮量210 kg·hm-2(底施50%純氮，拔節(jié)期追施30%純氮和灌漿期追施20%純氮)處理使小麥產(chǎn)量增加14.29%～18.96%，灌溉水利用效率提高1.93～2.79 kg·m-3[4]。另外研究也發(fā)現(xiàn)，小麥產(chǎn)量在N120，N240和N360處理下顯著高于不施氮處理，氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥當(dāng)季回收率、氮肥利用效率和氮肥生產(chǎn)效率均表現(xiàn)為隨施氮量的增加呈下降的趨勢[1]。同樣，在一定的灌溉水平下，0～240 kg·hm-2施氮量范圍內(nèi)，小麥總吸氮量、氮肥吸收量與施氮水平呈現(xiàn)正相關(guān)性，氮肥利用效率與施氮水平呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性[27]。本試驗結(jié)果與前人研究有差異。本試驗發(fā)現(xiàn)，小麥水肥利用效率呈現(xiàn)在同一低氮、中氮處理下隨灌水量增加而升高，在同一高氮處理下隨灌水量增加而降低的趨勢，并以W3N2處理下(施純氮240 kg·hm-2)水分利用效率和氮肥利用效率最高。這說明適宜的施氮量和灌水量相結(jié)合能夠促進(jìn)小麥對水分和氮肥的吸收和利用，促進(jìn)小麥植株的生長發(fā)育，從而有利于實現(xiàn)小麥的高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)。

綜上所述，連續(xù)2 a，從小麥產(chǎn)量來看，與W1N1處理相比，W3N2和W3N3處理分別使小麥平均產(chǎn)量增加31.88%和15.28%。從小麥品質(zhì)來看，與W1N1處理相比，W3N2處理下小麥子粒平均可溶性糖、直鏈淀粉和支鏈淀粉含量分別提高29.69%,34.57%和18.66%；小麥子粒平均蛋白質(zhì)含量在W3N2和W3N3處理下分別增加47.03%和40.99%。從小麥水肥利用效率來看，與W1N1處理相比，W3N2處理下小麥平均水分利用效率和氮利用效率分別提高11.70%和12.34%。綜合考慮，滴灌水肥一體化下W3N2處理，即小麥?zhǔn)┘兊?40 kg·hm-2(底施60%，拔節(jié)期追施25%和灌漿期追施15%)，且在小麥拔節(jié)期、開花期和灌漿期進(jìn)行3次灌水的模式可作為研究地區(qū)小麥農(nóng)田獲得高產(chǎn)、高效和優(yōu)質(zhì)的優(yōu)化水肥組合模式。