不同產(chǎn)量水平下冬小麥水肥利用特性研究

武志斌，黃 超，雷 媛，敬 峰，劉戰(zhàn)東

（1中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)田灌溉研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物需水與調(diào)控重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002；2新鄉(xiāng)市土壤肥料工作站，河南 新鄉(xiāng) 453002；3中國農(nóng)業(yè)科學院研究生院，北京 100081）

0 引言

黃淮海地區(qū)是國內(nèi)主要糧食產(chǎn)區(qū)之一，其中河南冬小麥產(chǎn)量最高，達到12.32 t/hm2以上，占全國總產(chǎn)量的1/4，在糧食生產(chǎn)中占據(jù)重要地位[1-2]。然而中國耕地面積在不斷減少，為獲得較高的產(chǎn)量需要較高的水肥資源的投入，導致資源利用率降低[3-4]。土壤水分和養(yǎng)分的不足是限制作物產(chǎn)量的兩大因子，且水分也是影響植物對養(yǎng)分吸收的重要因素[5]。氮肥對小麥具有顯著的增產(chǎn)效果，而磷和鉀也是小麥生長發(fā)育過程中所必需的營養(yǎng)元素，研究表明，隨施氮量的增加，小麥單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量均增加，磷肥能夠保證小麥的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和高效，而隨產(chǎn)量的增加，土壤中鉀量逐漸減少[6-8]。氮肥的施用對小麥產(chǎn)量的提高程度最大[9]，研究發(fā)現(xiàn)，適量的氮肥可以增產(chǎn)，施用300 kg/hm2氮肥較225 kg/hm2氮肥產(chǎn)量沒有增加，甚至降低[10]。吳大付等[11]研究表明，施氮量達到337.5 kg/hm2時，小麥產(chǎn)量達到最大，且隨施氮量增加產(chǎn)量降低。隨施氮量的增加，土壤氮積累也呈遞增趨勢[12-13]。施磷可以促進作物根系生長，減少水分不足造成的產(chǎn)量損失[14]，研究表明，施磷量能提高小麥成熟期穗數(shù)，增加花后籽粒灌漿速率，提高產(chǎn)量[15]，但隨施磷量的增加，偏生產(chǎn)力和產(chǎn)投比顯著下降[16]。增施鉀肥可以提高土壤磷鉀的供應，促進小麥對磷的吸收，提高作物產(chǎn)量和經(jīng)濟效益[17]。尹煥麗等[18]的研究中，氮磷鉀肥配施，小麥產(chǎn)量以及養(yǎng)分吸收利用效率最好，李紹飛等[19]研究中，施肥增加可以降低小麥耗水量，水肥耦合下效益較好。前人對于氮磷鉀肥對小麥生長發(fā)育的影響，對于氮磷鉀肥配施對于小麥增產(chǎn)效益[18]以及水肥耦合下水肥利用[19]等方面的研究已經(jīng)較為深入，但對于不同產(chǎn)量水平下冬小麥水肥消耗及利用效率等方面的研究較少。本試驗根據(jù)黃淮海地區(qū)小麥多年施肥、灌水及土壤特性與產(chǎn)量之間的關(guān)系進行氮磷鉀配方施肥，使冬小麥產(chǎn)量達到預計產(chǎn)量水平，進而探究不同產(chǎn)量水平下冬小麥生長發(fā)育及水肥利用效率，為田間水肥管理和高效用水及合理施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018—2019年在中國農(nóng)業(yè)科學院新鄉(xiāng)綜合試驗基地（35°19′N、113°53′E，海拔高度73.2 m）進行定位試驗。試驗點多年平均氣溫14.1℃，無霜期210天，日照時間2398.8 h，多年平均降雨量588.8 mm，多年平均蒸發(fā)量2 000 mm。試驗用地土壤類型為潮土，質(zhì)地為輕砂壤土，pH 8.8，基礎養(yǎng)分含量為：有機質(zhì)18.85g/kg，全氮1.10 g/kg，全磷2.22 g/kg，全鉀19.80 g/kg，堿解氮15.61 mg/kg，速效磷72.00 mg/kg，速效鉀101 mg/kg。0 ～100 cm土壤體積質(zhì)量為1.45 g/cm3，田間持水率為25.6%（質(zhì)量含水率），地下水埋深大于5 m，2018—2019年冬小麥全生育期降雨92.5 mm，具體如圖1所示。

圖1 冬小麥全生育期降雨量

1.2 試驗設計

試驗品種：冬小麥‘周麥22’。試驗設置4個處理水平，3次重復，4個產(chǎn)量處理和對照(CK)分別設置一個大小區(qū)，然后劃分為3個子區(qū)，作為3個重復使用。每個小區(qū)面積30 m×10 m=300 m2，各處理中間設置保護帶，試驗區(qū)域總面積約4000 m2。根據(jù)黃淮海地區(qū)多年施肥、產(chǎn)量特征及對播前土壤基礎養(yǎng)分測定結(jié)果，結(jié)合目標產(chǎn)量水平進行土壤配方施肥，產(chǎn)量水平分別設為 7.50 t/hm2(C0)、8.25 t/hm2(C5)、9.00 t/hm2(C10)、9.75 t/hm2(C15)，具體N，P，K配比用量見表1，施用肥料為緩控尿素、復合肥和硫酸鉀，以不施肥為對照(CK)，播種時一次性施肥作底肥，生育期不追肥。灌溉按計劃濕潤層（計劃濕潤層1 m）下限控制，計劃濕潤層內(nèi)的有效含水率(AWC)不低于60%，到達灌溉下限后每次按900 m3/hm2進行灌溉，確保作物始終處于最適土壤含水量條件下。其他農(nóng)業(yè)管理措施一致。

表1 不同目標產(chǎn)量的施肥配比kg/hm2

1.3 測定項目與方法

葉綠素相對含量測定：在冬小麥生育后期，采用便攜式葉綠素儀（SPAD-502，日本）對冬小麥旗葉進行葉綠素相對含量的測定，每個處理3個重復，每個重復測3株。

株高的測定：在冬小麥收獲前取10株測定冬小麥株高，每個處理3個重復。

土壤含水率：0 ～100 cm的土壤體積含水率采用智墑（東方智感產(chǎn)）土壤水分測定系統(tǒng)測定。通過水量平衡方程，計算生育階段和全生育期耗水量、水分利用效率，見公式(1) ～(3)。

式中，ET為耗水量，mm；P0為生長季降水量，mm；I為灌溉量，mm；ΔW為生長階段土壤水分消耗量，mm；W1為播前土壤體積含水量，cm3/cm3；W2為收獲后土壤含水量，cm3/cm3；H為土壤深度，cm；R為地表徑流，為0；D為0 ～100 cm地下水補給，為0；WUE為作物水分利用效率，kg/m3；Y為作物產(chǎn)量，kg。

土壤全氮、全磷儲量：播種之前和收獲之后對各處理進行取土，土樣為0 ～20 cm土層土壤，分別測定土壤的全氮和全磷含量，計算土壤全氮、全磷儲量，見公式(4)和(5)。全氮含量的測定采用全自動凱氏定氮法，全磷采用濃硫酸-高氯酸消煮法測定[20]。

式中，SONs為土壤全氮儲量，t/hm2；SOPs為土壤全磷儲量，t/hm2；N為0 ～20 cm土層全氮含量，g/kg；P為0 ～20 cm土層全磷含量，g/kg；ρ為0 ～20 cm土層土壤容重，g/cm3；T為0 ～20 cm土層厚度，cm。

考種測產(chǎn)：冬小麥成熟后取1 m2進行測產(chǎn)、生物量和千粒重，每個處理3個重復；取10株進行考種，每個處理3個重復，分別測量穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)、有效小穗數(shù)和無效小穗數(shù)，計算收獲指數(shù)，見公式(6) ～(9)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel對試驗所取得的數(shù)據(jù)進行分析和作圖，用SPSS軟件對不同處理間的差異在0.05水平上進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同產(chǎn)量水平下冬小麥株高和葉綠素相對含量

不同產(chǎn)量處理條件下冬小麥株高和葉綠素相對含量(SPAD)變化如圖2所示。不同產(chǎn)量處理冬小麥株高隨產(chǎn)量的增加整體呈上升趨勢（圖2A），C0處理株高沒有顯著增加，C5處理較CK增加10.3%(P＜0.05)，C15處理增幅最高，達到了17.8%(P＜0.05)，但從C5到C15，株高增加并不顯著。不同產(chǎn)量處理下冬小麥葉綠素相對含量存在顯著性差異（圖2B），冬小麥旗葉SPAD隨產(chǎn)量的提升整體呈上升趨勢，較CK處理相比，C0處理SPAD增加32.0%(P＜0.05)，C5處理SPAD值和C0相比沒有顯著變化，C10處理SPAD增加47.9%(P＜0.05)，C15處理SPAD值較CK增加了69.1%(P＜0.05)。說明冬小麥高產(chǎn)時，株高較低產(chǎn)是增加的，同時自身旗葉葉綠素含量也相對較高，進而促進冬小麥光合作用的進行，最終達到高產(chǎn)。

圖2 不同產(chǎn)量水平下冬小麥株高和葉綠素相對含量差異

2.2 冬小麥全生育期土壤水分動態(tài)變化和耗水量

冬小麥不同生育階段耗水量存在差異，播種-出苗期-分蘗期-越冬期（2月中旬），土壤水分減少緩慢，不同產(chǎn)量處理耗水狀況基本相同，返青期-拔節(jié)期前（2月中旬—3月中下旬），不同產(chǎn)量處理土壤水分減少幅度開始增大，C15處理土壤水分降低幅度最大；自拔節(jié)期開始（3月中下旬），土壤含水量減少幅度開始逐漸增大，不同產(chǎn)量處理耗水量出現(xiàn)差異，C15處理土壤水分減少最快；開花期（4月下旬）至成熟期（6月上旬），土壤含水量減少幅度為全生育期最快，不同產(chǎn)量處理耗水量差異最為明顯，說明冬小麥開花到灌漿期耗水量最大，其次為拔節(jié)期，且高產(chǎn)區(qū)小麥耗水最快。因此，不同產(chǎn)量處理冬小麥全生育期耗水總量出現(xiàn)差異（圖4），較CK處理相比，C0，C5，C10，C15處理耗水量分別增加7.5%，17.8%，22.8%，35.8%(P＜0.05)?？梢?，隨冬小麥產(chǎn)量的增加，耗水量逐漸增加，且拔節(jié)期和灌漿期為耗水的主要時期，同時也是增產(chǎn)的關(guān)鍵時期。

圖3 冬小麥全生育期土壤水分動態(tài)變化

圖4 不同產(chǎn)量水平冬小麥耗水量差異

2.3 冬小麥播前收后土壤氮磷儲量

冬小麥播種前和收獲后土壤氮磷儲量變化如圖5所示，較播種前相比，CK處理收獲后的土壤氮、磷儲量分別減少了27.4%，35.0%(P＜0.05)；C0處理播前和收后土壤氮儲量沒有顯著變化，磷儲量較播前增加40.1%(P＜0.05)；C5處理土壤氮儲量播前和收后相比有較小增加，土壤磷儲量沒有顯著變化；C10處理收后土壤氮、磷儲量較播前分別增加23.2%，41.6%；C15處理收后土壤氮、磷儲量較播前分別減少12.3%，5.2%。可見，C0、C5、C15處理肥料消耗較為充分，而C10處理肥料未完全消耗，同時說明了從C10增產(chǎn)至C15需要更多的肥料才能實現(xiàn)。

圖5 不同產(chǎn)量水平冬小麥播前和收后土壤氮磷儲量變化

2.4 不同產(chǎn)量水平下冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素

不同產(chǎn)量水平下冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素如表2所示。結(jié)果表明，不同產(chǎn)量處理下冬小麥穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)和千粒重均有不同程度的增加，無效小穗數(shù)有所降低，且隨產(chǎn)量的增加，穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)和千粒重呈上升趨勢，無效小穗數(shù)呈下降趨勢。較CK相比，C5、C10、C15穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均顯著增加，C0、C5、C10、C15穗長顯著增加，C15處理無效小穗數(shù)減少32.1%(P＜0.05)。因此，高產(chǎn)區(qū)冬小麥有較高的穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)和千粒重，為冬小麥高產(chǎn)提供前提。

表2 不同產(chǎn)量水平下冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素差異

2.5 不同產(chǎn)量水平下冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率

不同產(chǎn)量水平下冬小麥生物量、產(chǎn)量、收獲指數(shù)和水分利用效率(WUE)結(jié)果如表3所示。不同產(chǎn)量處理生物量、收獲指數(shù)和WUE均有不同程度的增加，且隨產(chǎn)量水平的增加，生物量、收獲指數(shù)和WUE呈上升趨勢。較CK相比，C0、C5、C10、C15處理生物量分別增加12.6%，18.6%，28.7%，34.9%(P＜0.05)，且各處理產(chǎn)量基本達到目標產(chǎn)量水平，而產(chǎn)量達到C5處理后收獲指數(shù)才有顯著增加(P＜0.05)，C10處理WUE較CK顯著增加9.8%?？梢?，高產(chǎn)區(qū)冬小麥對應的生物量和收獲指數(shù)也相對較高，且水分利用效率也有所增加。

表3 不同產(chǎn)量水平下冬小麥生物量、產(chǎn)量、收獲指數(shù)和水分利用效率差異

2.6 不同產(chǎn)量水平下冬小麥肥料利用效率

不同產(chǎn)量處理冬小麥的肥料貢獻率、肥料農(nóng)學利用率和肥料偏生產(chǎn)力出現(xiàn)差異（圖6）。結(jié)果顯示，隨產(chǎn)量的增加，冬小麥肥料貢獻率和肥料農(nóng)學利用率呈上升趨勢，且肥料貢獻率處理間差異顯著(P＜0.05)，肥料偏生產(chǎn)力呈下降趨勢，處理間差顯著(P＜0.05)。C5處理肥料貢獻率比C0多5.9個百分點，C10處理比C5多7.3個百分點，C15處理比C10多5.0個百分點，肥料貢獻率的增加幅度隨產(chǎn)量的增加呈減小趨勢（圖6A）；C5到C10處理 N、P、K農(nóng)學利用率分別增加了 1.13、2.45、1.13 kg/kg，C15處理N、P、K農(nóng)學利用率與C10處理差異不顯著（圖6B）；而隨產(chǎn)量的增加，肥料偏生產(chǎn)力減少幅度逐漸降低。說明隨產(chǎn)量和肥料投入量的增加，肥料對產(chǎn)量的增益效果變差。

圖6 不同產(chǎn)量水平下肥料貢獻率、NPK農(nóng)學利用率和NPK偏生產(chǎn)力差異

3 討論

3.1 不同產(chǎn)量水平對冬小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響

作物的生長狀況的差異首先表現(xiàn)在株型上，研究表明，氮磷鉀供給不足時導致植株矮小，小麥減產(chǎn)，肥料供給后顯著提高小麥產(chǎn)量及株高[21]。本試驗中，隨冬小麥產(chǎn)量的增加，株高和SPAD呈上升趨勢，C15處理株高和SPAD顯著增加17.8%和69.1%，而葉片較高的葉綠素含量有利于光合產(chǎn)物的積累，促進產(chǎn)量形成，顯然，施肥增加可以促進株高的生長和葉綠素含量的增加，與董偉欣等[22]研究結(jié)果相似。葉綠素含量的高低直接影響光合作用的大小，而小麥干物質(zhì)積累主要來自于光合作用，進而影響小麥產(chǎn)量，因此，干物質(zhì)積累越多，籽粒產(chǎn)量越高[23-25]。本試驗冬小麥生物量隨產(chǎn)量的增加而增加，C15處理生物量增加了34.9%，且收獲指數(shù)也呈上升趨勢。杜宇笑等[26]也認為，收獲指數(shù)隨產(chǎn)量水平的提高而逐漸提高。小麥產(chǎn)量主要由產(chǎn)量性狀所決定，千粒重、穗粒數(shù)及穗部性狀的變化將直接影響小麥產(chǎn)量。高產(chǎn)小麥穗粒數(shù)較低產(chǎn)顯著提高，小麥達到9.0 t/hm2產(chǎn)量水平時需要適宜的穗數(shù)，同時協(xié)調(diào)增加穗粒數(shù)和千粒重[27]。本試驗冬小麥穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)和千粒重隨產(chǎn)量增加而呈上升趨勢，C15處理穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重分別增加68.6%，16.5%，17.3%。與黃明[28]研究基本相似，即高產(chǎn)區(qū)小麥千粒重、穗數(shù)、穗粒數(shù)顯著高于中、低產(chǎn)區(qū)。

3.2 不同產(chǎn)量水平對冬小麥水肥利用效率的影響

在小麥生產(chǎn)實踐過程中，實現(xiàn)高產(chǎn)需要較高的水分和養(yǎng)分的投入，然而當下水資源匱乏，且肥料利用率低，大量的肥料投入可能造成環(huán)境污染[29]，因此，提高冬小麥水肥利用效率才符合當前的生產(chǎn)實際。研究表明，小麥獲得高產(chǎn)需要較高的肥料施用，同時耗水量增加，導致土壤含水量較低[30]。本試驗隨冬小麥產(chǎn)量的增加，耗水量顯著增加，且高產(chǎn)冬小麥拔節(jié)期后土壤水分含量下降最大，水分利用效率也呈上升趨勢。C10和C15耗水量分別增加22.8%，35.8%，水分利用效率分別增加9.9%，6.6%。劉亞男[31]和李紹飛等[19]研究認為高肥處理產(chǎn)量較高，耗水量增大，同時也有較大的水分利用的優(yōu)勢，但產(chǎn)量過高水分利用優(yōu)勢開始降低，與本試驗結(jié)果相似，高產(chǎn)處理C15相比C10處理在水分利用效率上優(yōu)勢降低。研究表明[32-35]，施磷可以促進小麥根系生長發(fā)育，促進水分和養(yǎng)分的吸收施磷量120 ～240 kg/hm2可促進植株穗數(shù)形成，增加產(chǎn)量，進而提高水肥利用效率。本試驗冬小麥收獲后C10處理土壤氮磷較播種前顯著提高，而C15處理顯著下降，隨冬小麥產(chǎn)量的增加，肥料貢獻率顯著上升，N、P、K肥偏生產(chǎn)力顯著下降，N、P、K肥農(nóng)學利用率呈上升趨勢，但C10和C15沒有差異，與李瑩瑩[21]和劉德祥[36]的試驗結(jié)果相似，即隨施肥梯度的增加，能顯著提高冬小麥的肥料農(nóng)學利用率，而肥料偏生產(chǎn)力降低。因此，適宜的施肥可以促進小麥施肥利用，本試驗C10和C15處理水分利用效率和肥料農(nóng)學利用率均沒有顯著差異，綜合偏生產(chǎn)力和土壤養(yǎng)分變化，C10處理具有較大的效益。

4 結(jié)論

高產(chǎn)處理冬小麥具有較高的株高、SPAD、穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)、千粒重和生物量，且高產(chǎn)的形成主要是有較高的穗數(shù)和生物量；產(chǎn)量增加，耗水量增加，而產(chǎn)量達到8.98 t/hm2時耗水量為443.9 mm，水分利用效率顯著提高9.9%，隨產(chǎn)量的增加，肥料貢獻率顯著增加，偏生產(chǎn)力顯著減小，產(chǎn)量達到8.98和9.63 t/hm2時肥料農(nóng)學利用率基本相同，在經(jīng)濟效益上，C10處理最優(yōu)。