不同灌溉方式下氮磷鉀缺施對冬小麥及水肥利用效率影響

黃志僖，施運鋒，宋世浩，趙 營，暴釗辰，劉 亮，馬保國

（1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056002；2.河北省智慧水利重點實驗室，河北 邯鄲 056002；3.邯鄲市永年區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北 邯鄲 057150）

0 引 言

我國農(nóng)業(yè)用水占全國總用水量的70%左右，其中灌溉用水量3 600～3 800 億m3，占農(nóng)業(yè)用水量的90%左右[1]，水資源短缺是我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)面臨的重大挑戰(zhàn)，尤其是我國北方地區(qū)缺水嚴重[2,3]。冬小麥傳統(tǒng)的灌溉方式為漫灌和噴灌，水地多采用漫灌，不僅造成水分流失，還會使土壤板結(jié)，也會導(dǎo)致氮素淋失，造成面源污染[4,5]。漫灌對水資源的利用效率低，用水浪費嚴重，開展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)研究，通過合理的灌溉方式、灌水時間，提高小麥的水分利用率，實現(xiàn)小麥的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和節(jié)水是目前所需解決的關(guān)鍵性問題[6,7]。

小麥是我國最為重要的糧食作物之一，其產(chǎn)量受土壤肥力和所處的氣候條件及人為管理措施等因素綜合影響[8,9]，其中施肥是提高產(chǎn)量的主要人為手段，受到廣泛關(guān)注[10-12]。氮肥可使小麥根冠發(fā)育良好，提高根系活力，增強作物吸水能力，從而增加籽粒的產(chǎn)量，提高水分利用率[13]。磷肥可以提高小麥的光合速率，增加灌漿，還可提高根系比表面積，降低根系呼吸速率，促進根系對營養(yǎng)物質(zhì)和水分的利用，提高抗旱性[14]。鉀肥在小麥的葉綠素合成，光合產(chǎn)物運輸和相關(guān)酶活性等方面發(fā)揮重要作用[15]。國內(nèi)外許多研究[16,17]表明，化肥對于提高作物產(chǎn)量具有顯著作用，但由于肥料的種類，肥料的配比等技術(shù)問題導(dǎo)致了化肥利用率低，造成了一定程度的浪費，更為嚴重的是化肥過量施用還會造成土壤污染和水環(huán)境污染[18,19]。在保證冬小麥優(yōu)質(zhì)，高產(chǎn)的前提下，降低肥料的施用量，提高肥料的吸收利用效率，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展是亟待解決的問題[20-22]。李瑩瑩[23]研究了氮磷鉀不同配施比例對冬小麥的影響；辛琪[24]研究了不同灌溉方式對冬小麥的影響；閆世程[25]研究了冬小麥滴灌施肥高效利用機制；張帆[26]研究了不同灌溉施肥模式對麥田水肥利用的影響。前人研究大多基于施肥或者灌溉方式單一因素對冬小麥生長發(fā)育及水肥利用效率的影響，施肥方式多為氮、磷和鉀肥配施比例不同，本研究將不施肥、缺氮肥、缺磷肥、缺鉀肥和氮磷鉀配施5個施肥處理與灌溉方式結(jié)合，采用大田試驗，研究滴灌水肥耦合與漫灌下不同肥料缺施對冬小麥的生長、產(chǎn)量以及水分和養(yǎng)分效率的影響，研究結(jié)果為冬小麥種植實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、節(jié)水及提高水肥利用效率提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2020年10月至2021年6月在河北省邯鄲市永年區(qū)前六星村（北緯36°44′9″，東經(jīng)114°36′0″）試驗田內(nèi)進行，試驗區(qū)如圖1所示，位于半濕潤半干旱地區(qū)，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。冬天寒冷干燥，春天多風(fēng)多雨，秋天天高氣爽，夏天高溫多雨。多年來的年平均降雨量為527.8 mm，年平均氣溫14 ℃，最冷月（1月）平均氣溫-2.5 ℃，最低氣溫-20 ℃，最熱月（7月）平均氣溫27 ℃，最高氣溫42.5 ℃，年無霜期200 d，年日照時間2 557 h。試驗地播種前耕層土壤為褐土，土壤質(zhì)地為輕壤土，理化性質(zhì)見表1。試驗期間冬小麥生育期內(nèi)總降雨量為110.4 mm。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

表1 供試土壤理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of the tested soil

1.2 試驗設(shè)計

試驗小區(qū)分塊布置，每個小區(qū)面積為8 m×7.5 m，小區(qū)布置圖如圖2所示。試驗設(shè)有兩種灌溉方式，滴灌（1）和漫灌（2）；5 個不同施肥處理：I、空白對照(CK）；II、配方無N 施肥（PK）；III、配方無P 施肥（NK)；IV、配方無K 施肥（NP）；V、配方施肥（NPK）；每個處理重復(fù)3 次試驗，各試驗小區(qū)施肥方案見表2。試驗小麥品種為龍麥6 號，播種日期為2020年10月22日，播種量為225 kg/hm2，行距為25 cm，播種方式為撒播，收獲日期為2021年6月16日。整個生育期內(nèi)只在小麥拔節(jié)后期灌一次水結(jié)合追施氮肥，滴灌采用淺埋式滴灌，水肥耦合，滴灌帶行距為60 cm，針口間距為10 cm，滴灌灌水量為630 m3/hm2，漫灌灌水量為980 m3/hm2。

圖2 試驗布置圖Fig.2 Test layout

表2 不同處理施肥方案Tab.2 Different fertilization schemes

1.3 測定項目與方法

（1）株高：用卷尺測量莖基部至頂端的長度。

（2）葉綠素：用SPAD-502葉綠素儀測定。

（3）產(chǎn)量及其構(gòu)成因素：在成熟期，在每個試驗小區(qū)避開邊界，隨機選取3 個1 m 長樣段內(nèi)的全部植株，選取穗粒數(shù)大于5粒的麥穗后調(diào)查有效成穗數(shù)與每穗粒數(shù)，取平均值分別作為成穗數(shù)和每穗粒數(shù)；各處理選調(diào)查取樣之外的3個1 m2的樣方，風(fēng)干后脫粒稱取籽粒質(zhì)量，籽粒產(chǎn)量為3次稱量的平均值；每小區(qū)數(shù)1000粒稱質(zhì)量，重復(fù)3次取平均值作為千粒重。

（4）田間總耗水量（mm）=播種時土壤貯水量+生育期灌水量+有效降水量-收獲期土壤貯水量。

（5）水分利用率（kg/(hm2·mm)）=籽粒產(chǎn)量/作物耗水量。

（6）肥料偏生產(chǎn)力計算公式為：

式中：PFP為肥料偏生產(chǎn)力，kg/kg；Y為施用某一特定肥料的籽粒產(chǎn)量，kg/hm2；F為特定肥料的折純施用量，kg/hm2。

（7）N（P、K）肥表觀利用率（%）=（施N（P、K）區(qū)地上部吸N（P、K）量-不施N（P、K）區(qū)地上部吸N（P、K）量）/N（P、K）折純施用量×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016 進行數(shù)據(jù)處理，SPSS 26.0 數(shù)據(jù)分析并進行差異顯著性檢驗，Origin 2018軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉下氮磷鉀缺施對冬小麥株高和葉綠素的影響

如圖3所示，在冬小麥拔節(jié)期，滴灌處理的株高整體高于漫灌。滴灌下不同施肥處理的株高生長差異不顯著，NPK1 最大，CK1 最小。漫灌下PK2、NP2 與NPK2 之間差異不顯著，但CK2 和NK2 較NPK2 顯著降低，分別降低了12.47% 和7.92%。在開花期，PK1、NK1和NP1的株高較NPK1降低，但差異不顯著，CK1較NPK1降低了14.12%，且二者具有顯著差異。漫灌下CK2、PK2、NK2 和NP2 株高較NPK2 降低，但差異不顯著。在成熟期，滴灌處理的冬小麥株高整體高于漫灌處理。CK1 和NK1 的株高顯著低于NPK1 處理，較NPK1 分別降低了9.36%和7.11%。漫灌下，PK2、NK2和NP2較NPK2降低，但差異不顯著，CK2較NPK2顯著降低了7.07%。

圖3 不同處理株高和葉綠素含量變化Fig.3 Changes in plant height and chlorophyll content of different treatments

在拔節(jié)期，CK1、NK1 和NP1 葉綠素含量較NPK1 顯著降低，分別降低了9.15%、12.59%和7.80%，PK1 小于NPK1，但二者差異不顯著。漫灌下NPK2 的葉綠素含量最高，PK2、NK2 和NP2 較NPK2 降低，但無顯著差異，CK2 較NPK2 降低了12.70%，且差異性顯著。在開花期，漫灌各處理的葉綠素含量整體高于滴灌處理。滴灌下不同施肥處理葉綠素含量無顯著差異，CK2、NK2、NP2 和NPK2 間葉綠素含量差異不顯著?？傮w來看，相對于NPK 配施，缺氮、缺磷和缺鉀的冬小麥株高和葉綠素含量有所降低，但差異不顯著，不施肥株高和葉綠素含量顯著降低。

2.2 不同灌溉下氮磷鉀缺施對冬小麥產(chǎn)量的影響

不同灌溉與施肥對冬小麥產(chǎn)量的影響見表3，相同施肥條件下，滴灌的成穗數(shù)大于漫灌處理。在滴灌和漫灌下，PK、NK 和NP 的成穗數(shù)均較NPK 降低，但無顯著差異，CK 較NPK顯著降低，滴灌下降低了25.78%，漫灌下降低了28.72%。滴灌不同施肥處理下穗粒數(shù)差異不顯著，漫灌下PK2、NK2、NP2 和NPK2 穗粒數(shù)無顯著差異，CK2 較NPK2 降低了6.96%，二者差異顯著。相比于NPK1，CK1、PK1、NK1 和NP1 的千粒重顯著降低，分別降低了8.31%、7.58%、9.31%和3.11%。CK2、PK2、NK2 和NP2 的千粒重較NPK2 顯著降低，分別降低了2.08%、2.22%、3.04%和2.51%。不同灌溉與施肥處理對冬小麥的籽粒產(chǎn)量影響差異顯著，在CK、PK和NPK施肥條件下，滴灌的籽粒產(chǎn)量較漫灌顯著增加，分別增加了12.40%、6.49%和5.12%。滴灌下籽粒產(chǎn)量大小為NPK1＞PK1＞NP1＞NK1＞CK1，CK1、PK1、NK1 和NP1 較NPK1 降低，分別降低了30.71%、3.75%、16.74%和10.66%，CK1、NK1、NP1 和NPK1 有顯著差異。漫灌下籽粒產(chǎn)量大小為NPK2＞PK2＞NP2＞NK2＞CK2，CK2、PK2、NK2 和NP2 較NPK2 顯著降低，分別降低了35.20%、4.99%、10.28%和8.28%?？傮w來看，相對于NPK 配施，缺氮、缺磷和缺鉀的成穗數(shù)和穗粒數(shù)差異不顯著，不施肥成穗數(shù)和穗粒數(shù)顯著降低。缺氮、缺磷和缺鉀以及不施肥冬小麥千粒重顯著降低。缺氮、缺磷和缺鉀以及不施肥冬小麥籽粒產(chǎn)量顯著降低，降幅為不施肥＞缺磷＞缺鉀＞缺氮。

表3 不同處理對冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Tab.3 Effects of different treatments on yield and yield components of winter wheat

2.3 不同灌溉下氮磷鉀缺施對水分利用效率的影響

不同處理對水分利用效率的影響見圖4，在冬小麥生育期，灌溉方式相同時，各處理間的總耗水量并無顯著差異，施肥方式相同時滴灌與漫灌的總耗水量也無顯著差異。雖然不同處理間的耗水量差異不大，但是水分利用效率卻有顯著差異，主要因為不同施肥處理的籽粒產(chǎn)量差異性顯著。滴灌條件下，不同施肥處理的水分利用效率大小為NPK1＞PK1＞NP1＞NK1＞CK1，相較于NPK1，PK1、NP1、NK1 和CK1 的水分利用效率分別顯著降低了7.67%、13.44%、21.54%和36.67%。漫灌下，水分利用效率大小為NPK2＞PK2＞NP2＞NK2＞CK2，相比于NPK2，PK2、NP2、NK2 和CK2 顯著降低，分別降低了9.59%、12.02%、12.98%和39.97%。施肥方式相同時，滴灌的水分利用效率高于漫灌，較漫灌提升0.78%～17.92%。總體來看，相比于NPK 配施，缺氮、缺磷和缺鉀以及不施肥水分利用效率顯著降低，降幅為不施肥＞缺磷＞缺鉀＞缺氮。

圖4 不同處理對總耗水量和WUE的影響Fig.4 Effect of different treatments on total water consumption and WUE

2.4 不同灌溉下氮磷鉀缺施對肥料利用率的影響

由表4可知，養(yǎng)分的吸收量表現(xiàn)為N＞K2O＞P2O5，且均以NPK 處理最大。滴灌和漫灌下，氮素吸收量大小為NPK＞NP＞NK＞PK＞CK，磷素吸收量大小為NPK＞NP＞PK＞NK＞CK，鉀素吸收量大小為NPK＞NK＞PK＞NP＞CK。滴灌條件下，NPK1 的氮表觀利用率最高，為32.53%，NK1 和NP1 較NPK1分別顯著降低51.21%和36.06%；PK1和NP1的磷表觀利用率較NPK1 分別顯著降低24.17%和14.51%；PK1 和NK1 的鉀表觀利用率較NPK1 分別顯著降低74.53%和31.35%。漫灌條件下，NK2 和NP2 的氮表觀利用率較NPK2 分別降低了45.47%和23.18%，NK2 與NPK2 差異顯著，NP2 與NPK2 無顯著差異；PK2 和NP2 的磷表觀利用率較NPK2 分別降低了19.36%和12.21%；PK2 和NK2 的鉀表觀利用率較NPK2 分別降低了27.81%和15.89%。

表4 不同處理對肥料利用效率的影響Tab.4 Effects of different treatments on fertilizer use efficiency

滴灌條件下，NK1 和NP1 的氮偏生產(chǎn)力較NPK1 分別顯著降低16.74%和10.66%；PK1 和NP1 的磷偏生產(chǎn)力較NPK1 分別降低了3.75%和10.66%，PK1 與NPK1 差異不顯著，NP1 與NPK1 有顯著差異；PK1 和NK1 的鉀偏生產(chǎn)力較NPK1 分別降低了3.75%和16.74%。漫灌條件下，NK2 和NP2 的氮偏生產(chǎn)力較NPK2 顯著降低，分別降低了10.27%和9.09%；PK2 和NP2 的磷偏生產(chǎn)力較NPK1 顯著降低，分別降低了4.99%和8.28%；PK2 和NK2 的鉀偏生產(chǎn)力較NPK2 分別降低了4.99%和10.29%，PK2 與NPK2 差異不顯著，NK2 與NPK2 有顯著差異。總體來看，氮、磷、鉀肥其中一種的缺施都會降低其他兩種肥料的表觀利用率和偏生產(chǎn)力。

3 討 論

目前已有的施肥處理對冬小麥及肥料利用率影響的研究大多是氮、磷和鉀肥配施比例不同，本次試驗的施肥方式為不施肥、缺氮肥、缺磷肥、缺鉀肥和氮磷鉀肥配施，在滴灌水肥耦合和漫灌下，分析氮磷鉀缺施對冬小麥生長、產(chǎn)量及水肥利用效率的影響，得出優(yōu)質(zhì)高效的灌溉施肥制度。結(jié)果顯示不同灌溉下氮、磷、鉀肥缺施對冬小麥的成穗數(shù)和穗粒數(shù)沒有顯著影響，但是會顯著降低冬小麥的千粒重與籽粒產(chǎn)量，這與李永騰等[27]的研究結(jié)果一致。缺氮肥的產(chǎn)量僅次于NPK配施，大于缺磷和缺鉀肥處理，這與前人研究[28]氮肥缺施導(dǎo)致作物減產(chǎn)幅度大于磷肥和鉀肥缺施結(jié)論不一致，這可能是因為在土壤水分不足時，施氮肥使作物初期耗水量增加，引起后期更嚴重的缺水，導(dǎo)致作物減產(chǎn)幅度大于不施氮肥處理，而NPK 配施合理的施肥卻不會造成冬小麥減產(chǎn)，也可能與氮磷鉀施肥量及土壤氮磷鉀的豐缺程度有關(guān)。周順利[29]的研究結(jié)果也表明，在高產(chǎn)地塊，氮肥對冬小麥的增產(chǎn)增效作用減弱。在不施氮肥的情況下，不同品種的冬小麥產(chǎn)量依然較高；品種間對氮肥的響應(yīng)有差異，大多品種在施氮量為180 kg/hm2時獲得最高產(chǎn)量，進一步追施氮肥用量，產(chǎn)量增加作用下降。在相同的施肥處理下，滴灌的水分利用效率要高于漫灌，而在灌溉方式一樣時，缺氮、磷和鉀肥與氮磷鉀配施相比水分利用效率均降低，這與冉圓圓等[30]的研究結(jié)論一致。此次試驗，滴灌比漫灌節(jié)水35.71%，這與陳靜[31]研究顯示華北地區(qū)采用滴灌比漫灌節(jié)水40%結(jié)果相近，在保證產(chǎn)量不減的同時，有效節(jié)約了水資源，緩解了用水緊張壓力。

植物體內(nèi)的養(yǎng)分濃度、收獲產(chǎn)品中養(yǎng)分在籽粒和秸稈中的分配比等參數(shù)不同程度地受施肥或植株生長狀況的影響[32]。試驗結(jié)果表明，N 的養(yǎng)分吸收量要大于P2O5和K2O，施肥時氮肥的施用量最多，這與李瑩瑩[23]的研究結(jié)論基本一致。滴灌與漫灌NPK 配施處理下，肥料表觀利用率大小均表現(xiàn)為鉀肥＞氮肥＞磷肥，這與尹煥麗等[33]研究氮磷鉀肥優(yōu)化配施對冬小麥肥料利用率的結(jié)果一致。滴灌下缺施氮肥會降低磷和鉀素的表觀利用率，對磷和鉀素的偏生產(chǎn)力影響不顯著；缺施磷肥會降低氮和鉀素的表觀利用率與偏生產(chǎn)力；缺施鉀肥會降低氮和磷素的表觀利用率與偏生產(chǎn)力。漫灌下缺施氮肥會降低磷和鉀素的表觀利用率與氮素的偏生產(chǎn)力，對磷素的偏生產(chǎn)力影響不顯著；缺施磷肥會降低氮素的表觀利用率，對鉀素的表觀利用率影響不大，會降低氮素和鉀素的偏生產(chǎn)力；缺施鉀肥對氮和磷素的表觀利用率影響不顯著，會降低氮和磷素的偏生產(chǎn)力。這與韓冰等[34]的研究結(jié)果基本一致。本試驗研究了不同灌溉方式下氮磷鉀缺施對冬小麥一個生育周期的影響，對于多年的影響還有待研究，進一步優(yōu)化施肥配方。

4 結(jié) 論

（1）相對于NPK 配施，缺氮、缺磷和缺鉀的冬小麥株高和葉綠素含量有所降低，但差異不顯著，不施肥株高和葉綠素含量顯著降低。

（2）滴灌條件下不施肥、缺氮、缺磷和缺鉀的冬小麥產(chǎn)量較NPK配施分別降低了30.71%、3.75%、16.74%和10.66%，漫灌條件下不施肥、缺氮、缺磷和缺鉀處理冬小麥產(chǎn)量較NPK配施分別降低了35.20%、4.99%、10.28%和8.28%。

（3）滴灌條件下，相比于NPK 配施，缺氮、缺磷、缺鉀和不施肥處理水分利用效率分別降低了7.67%、13.44%、21.54%和36.67%，漫灌條件下缺氮、缺磷、缺鉀和不施肥處理較NPK配施分別降低了9.59%、12.02%、12.98%和39.97%。

（4）氮、磷、鉀肥其中一種的缺施都會降低其他兩種肥料的表觀利用率和偏生產(chǎn)力。