灌溉和施氮對(duì)小麥產(chǎn)量形成及土壤肥力影響的研究進(jìn)展

李浩然，李雁鳴，李瑞奇

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/省部共建華北作物改良與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省作物生長(zhǎng)調(diào)控實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071000)

小麥?zhǔn)侨蜃钪匾霓r(nóng)作物之一，也是目前我國(guó)種植面積和總產(chǎn)量均居第三的重要作物。因此，保障小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對(duì)國(guó)家糧食安全具有重要的戰(zhàn)略意義。由于部分地區(qū)小麥生長(zhǎng)季不合理的施肥和濫用地下水灌溉，導(dǎo)致這些地區(qū)地下水位持續(xù)下降，并存在地下水污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)。水資源短缺和潛在環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問(wèn)題。灌溉和施氮是決定小麥生長(zhǎng)和籽粒產(chǎn)量的重要因子，二者存在耦合互作。在農(nóng)業(yè)水資源匱乏的情況下，合理灌溉是發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵，也是保證作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效的重要措施之一。氮肥在小麥的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成中至關(guān)重要，是各種耕地和土壤類型較為缺乏的營(yíng)養(yǎng)元素。水分和氮肥科學(xué)配合施用，可以達(dá)到“以肥調(diào)水，以水促肥”的效果，充分發(fā)揮水氮互作耦合效應(yīng)，使小麥產(chǎn)量和水氮利用率最大化。本文將就水氮處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量、水氮利用率、土壤理化性質(zhì)、土壤微生物群落、土壤酶活性和土壤NO排放的影響等方面的研究成果進(jìn)行綜述，以期為制定適宜小麥生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的合理灌溉和施氮技術(shù)措施提供依據(jù)。

1 水氮處理對(duì)小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

在小麥生產(chǎn)發(fā)展的不同階段，研究灌溉和施氮措施對(duì)小麥產(chǎn)量影響的著眼點(diǎn)不同。在早期生產(chǎn)水平較低時(shí)，一般著眼于增加灌溉和施氮量對(duì)小麥的增產(chǎn)效應(yīng)。在生產(chǎn)水平較高的情況下，更多研究著眼于能否通過(guò)適當(dāng)減少灌溉和施氮量而保持產(chǎn)量基本穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)本增效。

水分對(duì)氮素在小麥植株中的積累量及調(diào)配和運(yùn)轉(zhuǎn)起重要作用，是實(shí)現(xiàn)其高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的重要環(huán)境因素。趙 財(cái)?shù)妊芯勘砻?，水分?duì)干物質(zhì)積累的影響大于肥料的影響，合理范圍內(nèi)較高的土壤貯水量有利于增加干物質(zhì)積累速度，從而提高小麥產(chǎn)量。適量灌溉可以有效降低土壤水的蒸發(fā)，有助于作物對(duì)土壤水分的利用，增加作物后期蒸騰，提升小麥灌漿速率。王國(guó)棟等研究表明，充足灌溉可使小麥在開(kāi)花后保持更大的有效綠葉面積，提高光能截獲率，從而向籽粒提供更多的同化光合產(chǎn)物以達(dá)到增產(chǎn)的目標(biāo)。白海波等的研究也得到類似結(jié)果，在分蘗期或拔節(jié)期適量灌溉，有利于小麥葉片早發(fā)，提前分蘗和生根，促進(jìn)植株吸收利用水分，并提高光合能力。

在小麥的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，拔節(jié)期到孕穗期是水分敏感期，在這段時(shí)間內(nèi)合理灌溉，對(duì)于提高小麥的分蘗成穗率和穗粒數(shù)有明顯的促進(jìn)作用，而此時(shí)段不同程度的干旱最終都會(huì)降低分蘗成穗率和結(jié)實(shí)率，并且隨著干旱程度的增加，不孕小穗數(shù)也隨之增加。開(kāi)花期如遭遇重度干旱會(huì)嚴(yán)重降低小麥產(chǎn)量，Sharma等認(rèn)為，干旱會(huì)誘導(dǎo)小麥產(chǎn)生脫落酸，導(dǎo)致花粉不育、敗育，甚至死亡。栗 麗等研究表明，灌漿期合理灌溉可提高小麥開(kāi)花后的耗水模系數(shù)和水分利用效率，為籽粒灌漿和產(chǎn)量提高奠定基礎(chǔ)。灌漿期干旱則會(huì)減少同化物生產(chǎn)，使粒重顯著降低，導(dǎo)致產(chǎn)量降低?？梢?jiàn)，不同生育時(shí)期的水分供應(yīng)狀況對(duì)小麥產(chǎn)量形成有重要作用，不同時(shí)期水分供應(yīng)不足所影響的產(chǎn)量構(gòu)成因素也有所不同。

除了不同時(shí)期灌溉的影響外，適量灌溉對(duì)小麥的產(chǎn)量形成也非常重要。有研究指出，適量減少灌溉對(duì)穗數(shù)和穗粒數(shù)沒(méi)有影響，并且可以促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)器官向生殖器官轉(zhuǎn)移干物質(zhì)，從而增加粒重。胡夢(mèng)蕓等也有類似研究結(jié)果，認(rèn)為適度干旱可以誘導(dǎo)開(kāi)花前營(yíng)養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)移到籽粒中，提高收獲指數(shù)和產(chǎn)量。銀敏華等研究表明，在抽穗期合理控水能夠去除無(wú)效分蘗，合理分配營(yíng)養(yǎng)，促進(jìn)產(chǎn)量提高。王 維等的研究也表明，從抽穗期開(kāi)始合理控制水分，可以促進(jìn)小麥莖鞘貯藏性糖向籽粒的運(yùn)轉(zhuǎn)和籽粒充實(shí)，尤其是在由于前期施氮過(guò)多造成貪青的情況下更為明顯。相反，過(guò)量灌溉則會(huì)使前期營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)盛的小麥貪青晚熟而造成減產(chǎn)。

氮肥對(duì)小麥光合作用具有調(diào)節(jié)作用，也是促進(jìn)小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)。李升東等研究表明，黃淮海主要麥區(qū)的施氮量低于207 kg·hm時(shí)，隨著施氮量增加，小麥的產(chǎn)量構(gòu)成因素均相應(yīng)增加，株高、葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量均隨著施氮量的增加而呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。過(guò)量施氮?jiǎng)t會(huì)降低產(chǎn)量，這可能是由于分配到生殖器官的同化產(chǎn)物減少所致。且過(guò)量施氮會(huì)造成群體過(guò)大，影響穗部發(fā)育，限制穗粒數(shù)增加，降低粒重。說(shuō)明大量施氮造成群體過(guò)大的情況下，雖然小麥分蘗數(shù)和成穗數(shù)增加，但往往不足以補(bǔ)償其他產(chǎn)量構(gòu)成因素尤其是粒重降低造成的產(chǎn)量損失，從而造成減產(chǎn)。粒重之所以降低，可能因?yàn)槭┑^(guò)多造成小麥灌漿期間出現(xiàn)“貪青”熟相，葉片等營(yíng)養(yǎng)器官非正常衰亡，營(yíng)養(yǎng)器官物質(zhì)輸出過(guò)程落后于籽粒灌漿和物質(zhì)積累過(guò)程，導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向籽粒的運(yùn)轉(zhuǎn)緩慢，造成粒重增長(zhǎng)緩慢。

上述產(chǎn)量不隨施氮量成比例增加的現(xiàn)象類似報(bào)酬遞減規(guī)律，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較為普遍。所以合理科學(xué)施氮至關(guān)重要。研究表明，適量增氮可提升高產(chǎn)小麥灌漿期光合效率，促進(jìn)開(kāi)花后氮素累積和運(yùn)轉(zhuǎn)，增加開(kāi)花后干物質(zhì)積累量并向籽粒轉(zhuǎn)移，從而提高粒重和籽粒產(chǎn)量。宋明丹等研究表明，適量減氮至180 kg·hm可以增強(qiáng)小麥根系生產(chǎn)力，延長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)器官的功能期，通過(guò)葉面積指數(shù)和葉綠素含量的增加提升光合能力，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。不同生育時(shí)期施氮有增加小麥產(chǎn)量的效果，以拔節(jié)期施氮的增產(chǎn)效果最為顯著。Liu等研究表明，合理施氮對(duì)提高土壤的儲(chǔ)水量有促進(jìn)作用，可以通過(guò)間接提高水分利用率來(lái)提升產(chǎn)量。栗 麗等的研究也有類似結(jié)果，在一定干旱條件下施氮可以提高作物的抗旱性，緩解水分虧缺造成的產(chǎn)量降低。史力超等也認(rèn)為，干旱條件下施氮對(duì)小麥生長(zhǎng)以及干物質(zhì)積累表現(xiàn)出明顯的促進(jìn)作用。氮肥還能促進(jìn)小麥根系利用土壤深層水分，達(dá)到“以肥調(diào)水”，提高產(chǎn)量的效果。

綜上所述，水分和氮肥的合理配置對(duì)于小麥產(chǎn)量形成至關(guān)重要。在一定范圍內(nèi)，水氮處理對(duì)產(chǎn)量的正效應(yīng)十分顯著，且二者有明顯的耦合效應(yīng)。但是水分或施氮量超過(guò)一定范圍后，小麥產(chǎn)量不再增加甚至降低。灌溉對(duì)因施氮量不足造成的籽粒產(chǎn)量降低有一定的補(bǔ)償作用，但增加氮肥施用量對(duì)水分不足的補(bǔ)償效應(yīng)并不顯著。張 娜等研究表明，在適宜范圍內(nèi)的水氮合理運(yùn)籌能有效提高小麥庫(kù)容量，使源庫(kù)間的物質(zhì)運(yùn)輸暢通，但水氮過(guò)量會(huì)造成源庫(kù)關(guān)系失調(diào)和產(chǎn)量降低。呂廣德等研究表明，全生育期灌溉1 800 m·hm、施氮180 kg·hm能夠有效提高小麥干物質(zhì)積累量，并促進(jìn)干物質(zhì)和氮素向籽粒運(yùn)輸，可獲得比傳統(tǒng)措施更高的水氮利用效率，增加籽粒產(chǎn)量。可見(jiàn)，確定適宜的灌水量和施氮量，充分利用其正向耦合效應(yīng)，才能取得高產(chǎn)。如在河北平原小麥全生育期降水100 mm左右和中等肥力條件下，全生育期灌溉3次，施N 112.5～225 kg·hm；豐水年份和較高肥力下灌溉1或2次，相應(yīng)地施N 225或112.5 kg·hm，均可以取得較理想的產(chǎn)量。

2 水氮處理對(duì)小麥水氮利用的影響

大田作物耗水主要由自然降水、灌溉水和土壤貯水組成。隨著灌溉量的增加，小麥總耗水量中來(lái)自降水和土壤貯水的比例逐漸減少，而灌溉水占總量的比例則逐漸增加。不合理的水氮管理即使能獲得較高的產(chǎn)量，但往往造成水氮利用效率低下，威脅農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和地下水安全。控制灌溉水量是水分高效利用的基礎(chǔ)，是提高農(nóng)田生產(chǎn)力水平的關(guān)鍵。適度干旱脅迫有利于減少耗水量，提高水分利用效率。Eapen等認(rèn)為，水分利用效率的提高是由于干旱誘導(dǎo)出的作物吸水補(bǔ)償效應(yīng)在起作用。研究發(fā)現(xiàn)，在適量減灌的條件下增施氮肥可以提高水分利用效率，增強(qiáng)小麥利用土壤貯水的能力。Rasmussen等認(rèn)為，這是因?yàn)樵鍪┑蚀龠M(jìn)了深層土壤中小麥根系的生長(zhǎng)，增加了小麥對(duì)土壤深層水分的吸收。但也有研究表明，在干旱的情況下增施氮肥會(huì)加重對(duì)小麥的不利影響。張笑培等研究表明，在較低灌溉量下，低氮肥處理的水分利用效率、降水利用效率和灌溉水利用效率均高于高氮肥處理；而在較高灌溉量下，水分利用效率、降水利用效率和灌溉水利用效率隨施氮量的增加逐漸增加，而土壤水利用效率逐漸減小或者沒(méi)有顯著差異。另有多項(xiàng)研究也得到了類似結(jié)果。

氮肥利用效率低的問(wèn)題普遍存在于我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，大田主要作物的氮肥利用率只有33%，遠(yuǎn)低于世界平均水平。適量減少水分供應(yīng)可以提高作物累積氮素的能力，增加氮素利用效率，過(guò)度干旱和過(guò)量灌溉均不利于小麥對(duì)氮素的吸收利用。當(dāng)灌溉量和灌溉次數(shù)增加時(shí)，營(yíng)養(yǎng)器官開(kāi)花前貯存的氮素運(yùn)轉(zhuǎn)量減少，導(dǎo)致小麥吸收利用氮素的能力下降，氮素利用效率隨之降低。張 凱等研究表明，伴隨著施氮量的增加，小麥的氮素累積量呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，但是氮肥利用效率和偏生產(chǎn)力均顯著降低。小麥吸收氮素增多后會(huì)出現(xiàn)一定程度的浪費(fèi)，因?yàn)榈叵蜃蚜＾D(zhuǎn)運(yùn)的效率降低。李瑞奇等研究表明，在黃淮海平原的限水灌溉條件下，240 kg·hm的施氮量可以保持較高的氮素利用效率。鄭雪嬌等的研究結(jié)果也表明，240 kg·hm施氮量的增產(chǎn)效果和水氮利用效率最高。周加森等研究表明，在河北省水肥一體化微噴灌的條件下，192 kg·hm氮肥施用量的水氮利用效率最高。

綜上所述，在目前黃淮海平原限水灌溉條件下，拔節(jié)期和抽穗揚(yáng)花期灌溉2次，192～240 kg·hm的施氮量，可以實(shí)現(xiàn)較高的水分和氮素利用效率。但在高產(chǎn)麥田，不同降水年型條件下拔節(jié)期1次灌溉，可以獲得相當(dāng)于2次灌溉處理86%～91%的籽粒產(chǎn)量，而且水分利用效率最高。

3 水氮處理對(duì)農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的影響

土壤中的氮素85%～90%為有機(jī)氮，只有通過(guò)礦化作用才能轉(zhuǎn)化為能被作物吸收利用的無(wú)機(jī)氮。適量施用氮肥可以有效提高農(nóng)田有機(jī)氮礦化能力。張 璐等研究表明，少量氮肥促進(jìn)有機(jī)氮礦化，而過(guò)量氮肥則抑制礦化。作物吸收利用的主要無(wú)機(jī)氮是硝態(tài)氮，而硝態(tài)氮也是氮素淋失的主要形式。過(guò)量灌溉造成的硝態(tài)氮淋溶比過(guò)量施氮的作用更高。陳淑峰等研究表明，華北平原典型高產(chǎn)糧區(qū)山東桓臺(tái)縣地下水的硝態(tài)氮含量在2008年就達(dá)到了7.17 mg·L，對(duì)飲用水的安全構(gòu)成威脅。灌溉量和土壤中硝態(tài)氮的淋溶顯著相關(guān)，當(dāng)灌溉量減少30%的時(shí)候，淋溶的硝態(tài)氮量可以減少60%左右。因?yàn)橄鯌B(tài)氮在土壤中是水溶性離子，水分會(huì)顯著影響土壤中氮素的有效性，所以硝態(tài)氮受灌溉的影響較大。雖然有研究表明，土壤表層的硝態(tài)氮含量最多，且隨著土層深度的增加而降低，但是淋溶作用導(dǎo)致硝態(tài)氮向根下深層土壤積聚，且在灌溉和施氮的作用下有逐年下探的趨勢(shì)。栗 麗等研究表明，隨著灌溉量的增加，土壤中氮素會(huì)以硝態(tài)氮的形式向下加速移動(dòng)。其它研究也有類似結(jié)果。由于深層氮素被作物利用的效率明顯降低，75 cm以下已很難被利用，所以淋溶作用造成氮素大量流失。過(guò)量灌溉或者高降雨量相對(duì)于少量灌溉或者低降雨量并沒(méi)有顯著的增產(chǎn)，主要原因可能就是大量水分帶走了氮素，即淋溶作用所致。淋溶作用的發(fā)生與作物根系的吸收能力也有一定關(guān)系，當(dāng)土壤中氮素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于作物的需求時(shí)，硝態(tài)氮的淋溶現(xiàn)象就必然出現(xiàn)。適量減灌可以減少小麥表層土壤根系生長(zhǎng)，促進(jìn)根系向深層分布并利用土壤深層的水分和氮素，減少淋溶作用的發(fā)生。并且一定程度的限量灌溉可以減少水分對(duì)表層土壤硝態(tài)氮的淋溶，有利于作物的吸收利用。

土壤微生物量碳、氮形態(tài)易變，可以與土壤中碳、氮互相轉(zhuǎn)化，是反映土壤肥力的重要指標(biāo)。仇少君等研究表明，適量施氮能夠有效增加土壤微生物氮，但過(guò)量則會(huì)降低微生物氮含量。氮肥施用后主要對(duì)深度0～1 m的土層硝態(tài)氮影響顯著。安志超等研究表明，長(zhǎng)期施氮處理顯著影響土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮含量、碳氮比和容重，但對(duì)pH的作用并不顯著。Zhong等研究也表明，不同氮肥處理的0～20 cm表層土壤pH值沒(méi)有顯著差異。然而Malhi等研究表明，氮肥施用會(huì)顯著影響土壤pH值，造成土壤酸化和板結(jié)。灌溉也有降低土壤pH的作用，可能是因?yàn)樗秩芙饬舜罅肯跛猁}。而Zhang等的研究認(rèn)為，灌溉降低了土壤的氧含量，從而促進(jìn)了反硝化過(guò)程，最終增加了土壤的pH。由此看來(lái)，水氮措施對(duì)土壤pH的影響在不同報(bào)道中有較大差異，可能與土壤原來(lái)的pH、施用氮素的形態(tài)和灌溉水質(zhì)等因素有關(guān)。

較長(zhǎng)期的不同施氮措施對(duì)土壤理化特性的影響及就此帶來(lái)的對(duì)小麥產(chǎn)量的影響，與當(dāng)年施氮的影響相似。彭正萍等在農(nóng)民習(xí)慣施N 285 kg·hm的基礎(chǔ)上分別減施N到225 kg·hm和180 kg·hm，2年之后小麥產(chǎn)量仍高于農(nóng)民習(xí)慣施肥，但氮素的表觀損失大幅度降低，利用效率提高。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)近30年長(zhǎng)期定位施肥小麥的研究表明，小麥的光合特性、旗葉衰老特性、根系衰老特性和產(chǎn)量表現(xiàn)都是施氮優(yōu)于不施氮，有機(jī)肥或有機(jī)肥與無(wú)機(jī)氮配施處理優(yōu)于單施無(wú)機(jī)氮肥，與當(dāng)年施肥處理的結(jié)果相同。李雁鳴等在30余年長(zhǎng)期定位施肥的小麥研究中發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施肥措施對(duì)小麥籽粒品質(zhì)的影響不如對(duì)籽粒產(chǎn)量的影響明顯，也不如當(dāng)季施肥的影響明顯。這些長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)的共同結(jié)論是，長(zhǎng)期單施氮肥雖然比不施肥產(chǎn)量高，但增產(chǎn)不明顯。Peng等在河北省7個(gè)小麥主產(chǎn)市的28個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，與中低產(chǎn)區(qū)比，高產(chǎn)麥區(qū)土壤pH低0.02～0.05，不同層次土壤有機(jī)質(zhì)高8.85%～21.97%，主要有效養(yǎng)分也不同程度提高，但平均施氮量反而低31.5 kg·hm，說(shuō)明僅靠長(zhǎng)期提高施氮量不能提高土壤肥力，也不能保證持續(xù)高產(chǎn)，而要結(jié)合其他必需養(yǎng)分的施用及其他農(nóng)藝措施。

4 水氮處理對(duì)農(nóng)田土壤微生物群落的影響

由于小麥對(duì)氮素和水分的高吸收能力，集約化種植可能會(huì)影響土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和組成，并進(jìn)一步影響土壤肥力和小麥生產(chǎn)力。因此，研究施氮和灌溉對(duì)土壤微生物數(shù)量、多樣性和群落結(jié)構(gòu)的影響具有重要意義。微生物群落是土壤的重要組成部分，直接參與土壤營(yíng)養(yǎng)循環(huán)、能量流動(dòng)和有機(jī)物降解，在維持土壤生態(tài)功能方面發(fā)揮著重要作用，是評(píng)價(jià)土壤健康和質(zhì)量的重要指標(biāo)。土壤微生物群落對(duì)土壤變化非常敏感，土地耕作和灌溉等措施都對(duì)其有一定的干擾作用。保持土壤微生物群落的復(fù)雜性和多樣性對(duì)于維持土壤肥力至關(guān)重要，因?yàn)橥寥牢⑸锝閷?dǎo)碳和氮的生物化學(xué)循環(huán)，同時(shí)也是植物養(yǎng)分的重要儲(chǔ)存庫(kù)。施肥和灌溉作為主要農(nóng)業(yè)管理措施，也會(huì)影響土壤微生物群落。He等報(bào)道，長(zhǎng)期施肥改變了土壤pH值、總碳、總氮和有效磷，這可能導(dǎo)致微生物群落發(fā)生顯著變化。然而，楊亞冬等發(fā)現(xiàn)，施肥對(duì)改變土壤細(xì)菌群落的組成和結(jié)構(gòu)并沒(méi)有顯著的作用，對(duì)細(xì)菌多樣性的影響也不顯著，因?yàn)槭┓手辉黾恿擞袡C(jī)碳的含量，并不影響土壤的pH值。

研究發(fā)現(xiàn)，施氮可以緩解植物對(duì)土壤的負(fù)效應(yīng)，氮的利用率在很大程度上影響微生物群落。Zeng等研究發(fā)現(xiàn)，施氮后土壤群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，細(xì)菌多樣性下降。Fierer等發(fā)現(xiàn)，施氮直接或間接導(dǎo)致土壤主要微生物生長(zhǎng)方式發(fā)生改變，這有利于形成更活躍和共生營(yíng)養(yǎng)的微生物群落。灌溉措施也影響土壤微生物的數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)和多樣性。Yuan等發(fā)現(xiàn)，灌溉水類型對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響大于氮肥處理。土壤含水量通過(guò)影響土壤養(yǎng)分的運(yùn)輸、基質(zhì)有效性和土壤性質(zhì)來(lái)改變土壤微生物群落的組成和活性。當(dāng)干旱發(fā)生時(shí)，土壤有機(jī)碳的含量減少，從而改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)。Bai等發(fā)現(xiàn)，適度灌溉，特別是在抽穗期、開(kāi)花期和成熟期灌溉，可以促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，并提高相關(guān)根際微生物的多樣性和活性，細(xì)菌群落的豐富度和均勻度隨土壤相對(duì)含水量的增加而增加。土壤氮素的有效性對(duì)微生物非常重要，土壤微生物主導(dǎo)的土壤有機(jī)質(zhì)分解、礦化和生物固氮等生理過(guò)程都受到氮素和水分有效性的影響。綜上所述，水氮有效性對(duì)土壤微生物群落和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響具有明顯的互作效應(yīng)。這與水氮處理對(duì)小麥產(chǎn)量的效應(yīng)在某種程度上是一致的。黃媛媛等分析了生物有機(jī)肥與不同比例減施化肥的多個(gè)處理的麥田土壤，發(fā)現(xiàn)其較常規(guī)化肥處理的麥田土壤微生物多樣性增加，可培養(yǎng)微生物總量、細(xì)菌和真菌數(shù)量都升高，同時(shí)小麥顯著增產(chǎn)。土壤微生物對(duì)小麥生產(chǎn)有積極的促進(jìn)作用，主要是因?yàn)槠溆杏绊懲寥鲤B(yǎng)分循環(huán)的重要代謝功能，通過(guò)礦化有機(jī)質(zhì)可以為小麥生長(zhǎng)提供養(yǎng)分。

土壤細(xì)菌在自然生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的分布已被廣泛研究，因?yàn)榧?xì)菌的多樣性和活性被認(rèn)為比其他微生物群落對(duì)土壤環(huán)境變化(如pH值、有機(jī)碳和全氮)更敏感，可以反映土壤肥力的高低。近些年，分子測(cè)序技術(shù)發(fā)展迅速，高通量測(cè)序技術(shù)在土壤微生物多樣性研究中的應(yīng)用越發(fā)廣泛，由于深度測(cè)序和數(shù)據(jù)量大的優(yōu)點(diǎn)，使其成為研究微生物群落多樣性的主要技術(shù)手段。在今后的研究中，應(yīng)將高通量測(cè)序技術(shù)和傳統(tǒng)栽培學(xué)相結(jié)合，綜合發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)以開(kāi)展相關(guān)研究。

5 水氮處理對(duì)農(nóng)田土壤酶活性的影響

土壤酶是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的成分之一，是土壤中各種生化反應(yīng)的催化劑，主要參與養(yǎng)分的循環(huán)與轉(zhuǎn)化，其活性高低決定土壤肥力的好壞。受不同地理位置的生態(tài)環(huán)境、作物種類、氣候條件和土壤類型的巨大差異的影響，不同地區(qū)的土壤酶對(duì)灌水和施氮的響應(yīng)存在顯著差異。施氮可通過(guò)改善土壤理化性質(zhì)、微生物活性和作物根系環(huán)境而影響土壤酶活性。鄭斯尹等研究發(fā)現(xiàn)，施氮可以顯著增加土壤酶活性，且土壤酶活性在玉米的生育時(shí)期內(nèi)呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。水分對(duì)土壤酶活性的影響主要通過(guò)2個(gè)方面起作用，第一是對(duì)微生物的調(diào)節(jié)，第二就是水分造成的土壤厭氧環(huán)境，酶活性的變化是二者相互作用的結(jié)果。田幼華等研究表明，土壤酶活性隨水分的增加而提高。但周芙蓉等研究發(fā)現(xiàn)，一定程度的干旱可以提高酶活性。有多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，不同施氮處理的土壤酶活性隨著土層的加深而下降，這可能是因?yàn)樯顚油寥乐凶魑锔禍p少，有機(jī)質(zhì)含量、動(dòng)物和微生物數(shù)量同樣減少，所以酶的合成量也隨之降低。

過(guò)氧化氫酶受土壤水肥條件和過(guò)氧化氫含量影響，其活性越高說(shuō)明土壤氧化能力越強(qiáng)。Hussain等研究表明，過(guò)氧化氫酶是參與土壤干旱脅迫的重要酶，當(dāng)土壤水分匱乏時(shí)，其活性會(huì)應(yīng)激升高。蛋白酶對(duì)土壤中作物可以吸收利用的有效氮的含量起決定作用，其活性可以反映土壤供氮能力。研究表明，隨著灌溉量的降低，土壤蛋白酶的活性隨之下降。但閆鐘清等研究發(fā)現(xiàn)，草地土壤蛋白酶的活性隨著灌溉量的增加而下降。小麥田土壤脲酶的作用主要是促進(jìn)土壤有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為有效氮和土壤無(wú)機(jī)氮。在小麥拔節(jié)期土壤脲酶活性最高，主要原因是土壤中尿素水平較高，且春季回暖后促進(jìn)了根系分泌物增多；從小麥開(kāi)花期到成熟期，土壤脲酶活性逐漸下降。土壤硝酸還原酶和亞硝酸還原酶的主要作用是將土壤中的硝態(tài)氮還原為氨，其活性高低決定了土壤氮素轉(zhuǎn)化作用的強(qiáng)弱。閆鐘清等研究發(fā)現(xiàn)，施氮會(huì)降低土壤亞硝酸還原酶的活性。謝英荷等研究表明，在施氮0～195 kg·hm的范圍內(nèi)，小麥田土壤脲酶的活性隨施氮量的增加而提高，而不同施氮量之間的過(guò)氧化氫酶和堿性磷酸酶活性差異不顯著，施氮處理的3種酶活性均高于不施氮處理。郭天財(cái)?shù)妊芯勘砻?，施氮量?～180 kg·hm的范圍內(nèi)，小麥田土壤脲酶和過(guò)氧化氫酶的活性較高。過(guò)量灌溉會(huì)使土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶和堿性磷酸酶的活性降低。但灌溉顯著增強(qiáng)了草原表層土壤的N-乙酰氨基酶、亮氨酸酶和堿性磷酸酶的活性。Henry等研究發(fā)現(xiàn)，灌溉增加了酚氧化酶和過(guò)氧化物酶的活性，但是水解酶活性下降，并認(rèn)為由灌溉引起的植物根生物量減少是水解酶活性下降的原因。Yang等研究表明，增加施氮量會(huì)引起與碳循環(huán)有關(guān)的水解酶活性的提高。水氮處理對(duì)土壤酶活性的影響與其對(duì)小麥產(chǎn)量的影響有某種程度的一致性。黃媛媛等分析了生物有機(jī)肥與不同比例減施化肥的多個(gè)處理的麥田土壤，發(fā)現(xiàn)其比常規(guī)化肥處理的麥田土壤堿性磷酸酶、脲酶和纖維素酶活性顯著提高，小麥顯著增產(chǎn)。樊 軍等研究表明，長(zhǎng)期施肥使耕作層土壤的幾種酶活性明顯增強(qiáng)，改變了養(yǎng)分的形態(tài)，使小麥提高了對(duì)肥料外的土壤氮素等養(yǎng)分的利用效率。

綜上所述，關(guān)于土壤酶活性的變化規(guī)律及其對(duì)水分和施氮的響應(yīng)已經(jīng)有較多研究，但有關(guān)水氮措施對(duì)小麥田土壤酶活性的影響規(guī)律研究尚不夠深入。今后應(yīng)加強(qiáng)麥田土壤酶活性對(duì)水氮措施的響應(yīng)規(guī)律及其與小麥生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成關(guān)系的研究。

6 水氮處理對(duì)農(nóng)田土壤N2O排放的影響

NO是主要溫室氣體之一。自18世紀(jì)中葉以來(lái)，大氣中的NO質(zhì)量濃度增加了將近20%。最近20年研究結(jié)果顯示，全球NO平均排放量已經(jīng)達(dá)到了17 Tg N·a。由于氮肥大量施入，農(nóng)田已成為NO的主要排放源，占總排放量的80%左右。土壤的NO排放受氣候條件、作物生長(zhǎng)、土壤性質(zhì)和農(nóng)田管理措施等因素影響，由一系列復(fù)雜的生化過(guò)程共同完成。NO的產(chǎn)生主要依靠微生物介導(dǎo)的硝化和反硝化過(guò)程，并且受土壤氮含量、溫濕度、含氧量和pH的影響。但是較多研究表明，農(nóng)田NO的排放以反硝化作用為主。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的管理措施，如灌溉和施肥，是產(chǎn)生NO污染的重要來(lái)源之一。

通過(guò)調(diào)控灌溉可以緩解NO的排放，是重要的減排管理措施。水分主要通過(guò)改變土壤的通氣性、養(yǎng)分的運(yùn)輸和微生物的活性來(lái)改變產(chǎn)生NO的硝化和反硝化過(guò)程。王泳斌等研究表明，NO通量與土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)。隨著水分含量的提高，土壤中硝化過(guò)程會(huì)受到抑制，反硝化過(guò)程占主導(dǎo)，且以生成N為主，阻礙了NO的擴(kuò)散和排放。而王改玲等研究表明，NO的排放通量與土壤含水量的關(guān)系在不同土壤含水量時(shí)有所不同，當(dāng)水分含量由20%充水孔隙度增加到40%時(shí)，NO排放最快；水分含量增加到60%充水孔隙度時(shí)，硝化反應(yīng)速度略有降低，NO排放減緩。Smith等研究表明，NO在土壤孔隙含水率45%～75%的范圍內(nèi)排放能力最強(qiáng)。王冠欽等在青藏高原的研究也表明，NO排放與土壤水分含量呈正相關(guān)。土壤含水量在90%～100%的范圍內(nèi)時(shí)，NO有最大的排放量。土壤排放NO通量的改變對(duì)水分增加的響應(yīng)十分迅速，數(shù)小時(shí)內(nèi)可以升高到最大排放量，且這一排放高峰可能會(huì)持續(xù)數(shù)天。土壤環(huán)境以厭氧為主時(shí)，反硝化速率顯著增強(qiáng)。Yan等研究表明，施肥后如果沒(méi)有及時(shí)灌溉，農(nóng)田NO排放量不會(huì)顯著增強(qiáng)。綜上所述，土壤水分含量顯著影響NO的排放量，且對(duì)施肥的效應(yīng)起到調(diào)控作用。

7 展 望

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在灌溉和施氮對(duì)小麥產(chǎn)量形成和土壤肥力的影響方面取得了很多重要成果。所有結(jié)果基本都可以證明合理運(yùn)籌水分和氮肥的重要性。作為小麥生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵要素，全方面多角度深入分析水氮互作對(duì)小麥水氮運(yùn)轉(zhuǎn)利用和產(chǎn)量形成的作用并加以合理利用，可有效提高小麥的水氮利用效率，維持較高的土壤微生物和土壤酶活性，在保證高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效的前提下，將NO排放及其它環(huán)境污染降至最低。水資源短缺將是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長(zhǎng)期存在的重要限制因素，減少氮素投入是實(shí)現(xiàn)作物高效生產(chǎn)和減少對(duì)環(huán)境負(fù)面影響的最大技術(shù)需求。目前，相關(guān)研究仍主要集中在水氮在小麥植株和土壤中的轉(zhuǎn)移代謝利用、小麥農(nóng)藝性狀和土壤肥力形成的影響等方面，而關(guān)于其內(nèi)在的基本機(jī)制研究仍然較少。在今后的研究中應(yīng)注重以下幾個(gè)方面：(1)運(yùn)用分子生物學(xué)的方法，從微觀層面對(duì)水氮運(yùn)用的生理機(jī)制進(jìn)行分析，與傳統(tǒng)栽培學(xué)方法相結(jié)合，以獲得更加詳實(shí)的信息。(2)發(fā)揮智慧農(nóng)業(yè)的作用，依托遙感影像和監(jiān)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)小麥生長(zhǎng)各項(xiàng)生理指標(biāo)動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)無(wú)損監(jiān)測(cè)，為水氮合理運(yùn)籌提供數(shù)據(jù)支持。(3)開(kāi)展水氮作用對(duì)環(huán)境持續(xù)影響方面的研究，以長(zhǎng)期水氮定位試驗(yàn)為基礎(chǔ)，深入分析農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境在數(shù)十年中的變化過(guò)程及其機(jī)理，科學(xué)量化長(zhǎng)期的水氮策略，為小麥生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。