地下水埋深和施氮量對冬小麥灌漿及水氮利用的影響

白芳芳，李平，喬冬梅，齊學(xué)斌,3,4*，郭魏，馬燦燦，杜臻杰

(1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081； 3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全水環(huán)境因子風(fēng)險(xiǎn)評估實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002； 4. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站，河南 新鄉(xiāng) 453002)

華北地區(qū)是中國重要糧食生產(chǎn)基地，2020年冬小麥產(chǎn)量占全國小麥產(chǎn)量的80.7%[1].農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中片面追求高產(chǎn)，過量施肥現(xiàn)象普遍存在[2].減氮是提高氮肥利用效率、降低地下水硝酸鹽污染和農(nóng)田土壤溫室氣體排放的有效措施[3].地下水埋深影響氮素在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)換[4]，決定了土壤中有氧/無氧邊界的深度和氧化還原水平[5].灌漿是小麥產(chǎn)量形成的關(guān)鍵生育階段，灌漿速率和灌漿時(shí)間影響籽粒庫容的充實(shí)程度[6].華北地區(qū)山前平原地下水埋深較深，部分地區(qū)達(dá)30～50 m，但是在豫東、魯西南、山東濱州、河北沿海地區(qū)糧食主產(chǎn)區(qū)地下水埋深小于6 m[7].在華北地區(qū)，對應(yīng)雙向水量交換臨界面的地下水埋深一般為4 m[8].從鹽漬化控制角度，地下水埋深控制在2.0 m左右為宜[9].因此，文中針對華北地區(qū)2～4 m地下水埋深開展田間小區(qū)試驗(yàn)，研究施氮量和地下水埋深對小麥灌漿特性及水氮利用效率的影響對保障國家糧食安全意義重大.

適宜的施氮量可延長小麥灌漿活躍期，提高籽粒灌漿速率，對小麥千粒質(zhì)量形成有利[10].水氮耦合可通過優(yōu)化灌漿過程提高冬小麥產(chǎn)量[11].適度水分虧缺改善籽粒灌漿過程，增加了籽粒質(zhì)量[12].限水減氮可提高氮素利用效率，減少土壤硝態(tài)氮的淋失，維持表觀氮素平衡[13].灌溉水分利用效率與地下水埋深相關(guān).不同地下水埋深，土壤水與地下水的交換量差異較大，地下水埋深3.0 m時(shí)，小麥蒸散發(fā)以消耗土壤水為主[14].武朝寶[15]研究表明，地下水埋深影響小麥的水分生產(chǎn)率，0.5～3.0 m地下水埋深范圍內(nèi)，隨著地下水埋深增加，小麥產(chǎn)量增加，水分生產(chǎn)效率也持續(xù)增加.地下水埋深過淺，小麥葉片中葉綠素量減少，導(dǎo)致葉綠素吸收輻射能進(jìn)行光合作用的能力下降，嚴(yán)重影響小麥產(chǎn)量[16-17].因此，地下水埋深和施氮量是影響小麥生長發(fā)育的重要環(huán)境因素，關(guān)于地下水埋深和施氮量單因素對小麥生長、產(chǎn)量影響的研究較多，關(guān)于地下水埋深與施氮量交互作用對小麥灌漿過程及水氮利用效率的研究罕見.為此，在大型地中滲透儀觀測場開展田間小區(qū)試驗(yàn)，評估地下水埋深和施氮量對冬小麥籽粒灌漿參數(shù)、產(chǎn)量形成及水氮利用效率影響，基于結(jié)構(gòu)方程模型，分析地下水埋深和施氮量對小麥產(chǎn)量影響的具體路徑，擬為確定小麥高效生產(chǎn)模式提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院河南新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站大型地中滲透儀觀測場(113°53′E，35°19′N，海拔73.2 m)長期監(jiān)測測坑進(jìn)行，種植模式為冬小麥-夏玉米一年兩熟輪作制，設(shè)置試驗(yàn)因素常年為地下水埋深和施氮量.試驗(yàn)地多年平均氣溫14.1 ℃，無霜期210 d，日照時(shí)間2 398.8 h，多年平均降雨量588.8 mm，降水量年際變化較大，豐水年與枯水年可相差3～4倍，7—9月降水量占全年降水量的70%左右，多年平均蒸發(fā)量2 000 mm.試驗(yàn)土壤為粉砂壤土，0～20 cm土層土壤容重為1.42 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量為14.30 g/kg，全氮量為0.32 g/kg，全磷量為0.66 g/kg，速效鉀量為0.19 g/kg，電導(dǎo)率為568.90 μS/cm，土壤pH值為9.13.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試冬小麥(TriticumaestivumL.)品種為百農(nóng)4199.2020年10月20日播種，2021年5月28日收獲，播種量為165 kg/hm2.試驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，設(shè)置地下水埋深和施氮量2個(gè)因素，地下水埋深設(shè)3個(gè)水平，分別為2 m(GW2)，3 m(GW3)，4 m(GW4)；施氮量設(shè)2個(gè)水平，分別為減氮20%(純氮240 kg/hm2，N240)、農(nóng)民常規(guī)(純氮300 kg/hm2，N300)，共計(jì)6個(gè)處理為N240GW2，N240GW3，N240GW4，N300GW2，N300GW3，N300GW4，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)，共計(jì)24個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為1.5×3.0 m2.采用馬氏瓶人工控制地下水位，根據(jù)2次水位差值計(jì)算歷次地下水補(bǔ)給量.用井水灌溉，灌溉方式為地面灌；用濟(jì)南仁碩電子科技有限公司生產(chǎn)的土壤溫濕度傳感器在線監(jiān)測20 cm土層土壤含水率；結(jié)合20 cm土層土壤含水率、小區(qū)實(shí)際情況、作物缺水情況進(jìn)行灌水.試驗(yàn)用肥為含氮量為46%的尿素、含P2O5量為12%的過磷酸鈣、含K2O量為50%硫酸鉀，磷鉀肥均一次性施入土壤，P2O5施入量為150 kg/hm2，K2O施入量為120 kg/hm2；冬小麥氮肥以底肥和追肥6∶4的形式施入，底肥于小麥播種時(shí)施入，追肥于返青拔節(jié)期撒施，其他田間管理措施與當(dāng)?shù)卮筇锵嗤?

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 灌漿速率

在小麥開花期，每個(gè)小區(qū)選擇200個(gè)花期相同、長勢一致、高度整齊、無病蟲害發(fā)生的主莖穗進(jìn)行掛牌標(biāo)記.自2021年4月23日(花后第7天)開始取樣，每7 d取樣1次，直至成熟.每個(gè)小區(qū)取10穗掛牌標(biāo)記小麥穗.剝?nèi)ト孔蚜y定鮮質(zhì)量，在105 ℃殺青15 min，殺青后于75 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱其干質(zhì)量，計(jì)算灌漿速率，計(jì)算公式為

(1)

以開花至觀測時(shí)的天數(shù)t為自變量，觀測時(shí)小麥籽粒千粒質(zhì)量y為因變量，用Logistic方程擬合小麥籽粒灌漿過程.Logistic方程計(jì)算式為

y=a/(1+be-ct).

(2)

將實(shí)測數(shù)據(jù)代入Logistic方程可求出參數(shù)a，b，c，其中a為最大千粒質(zhì)量，b為初始值，c為灌漿速率參數(shù).據(jù)此可以計(jì)算小麥灌漿特征參數(shù)，計(jì)算式為

(3)

(4)

Δt=t2-t1,

(5)

Wmax=a/2,

(6)

Gmax=cWmax/2,

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：t1為灌漿漸增期時(shí)間拐點(diǎn)，d；t2為灌漿快速增長期時(shí)間拐點(diǎn)，d；Δt為快速灌漿期持續(xù)時(shí)間，d；Gmean為小麥平均灌漿速率，mg/(?！)；Gmax為小麥籽粒最大灌漿速率，mg/(?！)；Wmax為小麥最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量，mg/粒；Dmax為小麥灌漿速率達(dá)到最大的時(shí)間，d；Pd為小麥灌漿持續(xù)時(shí)間，d.

1.3.2 考種

成熟期收獲1 m雙行小麥用于考種(穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)、單株生物量、單株籽粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量)，每個(gè)小區(qū)單獨(dú)收獲測產(chǎn).用谷物測定儀測定各小區(qū)小麥籽粒含水率，根據(jù)13%的標(biāo)準(zhǔn)含水率進(jìn)行折算后計(jì)算產(chǎn)量.收獲指數(shù)計(jì)算公式為

HI=Y/B，

(11)

式中：Y為籽粒產(chǎn)量，kg/hm2；B為地上部生物量，kg/hm2.

1.3.3 水分利用效率

水分利用效率計(jì)算公式為

WUE=Y/ET，

(12)

式中ET計(jì)算式為

ET=I+Pr+G-D-R±ΔW，

(13)

其中：ET為生育期內(nèi)總耗水量，mm；I為灌水量，mm；Pr為田間有效降水量，mm；G為地下水補(bǔ)給量，mm；D為深層滲漏量，mm；R為徑流量，mm.由于本試驗(yàn)在防雨棚下進(jìn)行，且每個(gè)小區(qū)為單獨(dú)測坑，故Pr，R忽略不計(jì)；每次灌水量較少，約450 m3/hm2，不易產(chǎn)生深層滲漏，故D忽略不計(jì)；ΔW為播前土壤貯水量與收獲后土壤貯水量的差值，mm，單位面積土壤貯水量計(jì)算式為

W=θm·ρb·h·0.1，

(14)

式中：θm為土壤質(zhì)量含水率，%；ρb為土壤體積質(zhì)量，g/cm3；h為土層厚度，cm，通常按200 cm計(jì)算；0.1為換算系數(shù).

1.3.4 氮肥偏生產(chǎn)力

氮肥偏生產(chǎn)力計(jì)算公式為

NPP=Y/N，

(15)

式中：N為施氮量，kg/hm2.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 籽粒千粒質(zhì)量變化

圖1為各處理小麥千粒質(zhì)量Kw隨開花后時(shí)間t變化情況，圖中同一時(shí)間不同小寫字母表示處理間在P<0.05水平差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，下同.由圖1可知，各處理小麥千粒質(zhì)量隨開花后時(shí)間變化趨勢呈“S”形曲線.開花后7 d，相同地下水埋深下處理N300小麥千粒質(zhì)量高于處理N240，其中處理N300GW4顯著高于處理N240GW2，其他處理之間差異均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；相同施氮量下，小麥千粒質(zhì)量隨地下水埋深的增加而增加，N300施氮水平下，處理GW4分別比處理GW3，GW2高9.67%，19.54%.N240施氮水平下，處理GW4分別比處理GW3，GW2高15.56%，18.48%.開花后14 d，各處理小麥千粒質(zhì)量趨勢同開花后7 d一致，但各處理增長速度不一，其中相同地下水埋深下N240施氮水平的增長速度分別大于N300施氮水平，雖然N240施氮水平進(jìn)入灌漿時(shí)間較晚，但其灌漿速度較快.開花后21 d，各處理小麥千粒質(zhì)量大小趨勢發(fā)生變化，其中在GW2地下水埋深下，N240施氮水平小麥千粒質(zhì)量高于N300施氮水平；GW3，GW4地下水埋深下均為N300施氮水平小麥千粒質(zhì)量高于N240施氮水平，說明在GW2地下水埋深下，此生育階段高施氮量并未促進(jìn)小麥灌漿.

圖1 各處理小麥千粒質(zhì)量隨開花后時(shí)間變化

開花后28 d，相同地下水埋深下，N300施氮水平小麥千粒質(zhì)量均大于N240施氮水平；N300施氮水平下，小麥千粒質(zhì)量均隨地下水埋深的增加而減?。籒240施氮水平下，小麥千粒質(zhì)量在處理GW3下最低.開花后35 d，小麥千粒質(zhì)量同開花后28 d一致，其中處理N300GW2與N300GW3之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但與其他處理差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；N240施氮水平下，處理GW2和GW4小麥千粒質(zhì)量顯著高于GW3.綜上可知，高施氮量可提高小麥千粒質(zhì)量；施氮量不同，小麥千粒質(zhì)量隨地下水埋深變化不一致，整體上地下水埋深越小，小麥千粒質(zhì)量越大.

2.2 灌漿速率變化

圖2為各處理小麥灌漿速率G隨開花后時(shí)間t變化情況.由圖可知，各處理小麥籽粒灌漿速率表現(xiàn)為“慢-快-慢”的變化趨勢.花后0—7 d，不同施氮量下各處理小麥灌漿速率均表現(xiàn)為隨地下水埋深的增加而增加，其中處理N300GW4顯著高于N240GW2，其他各處理之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；相同地下水埋深下，N300施氮水平小麥灌漿速率均高于N240施氮水平，但差異均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.花后7—14 d，在GW2，GW3地下水埋深下，N240施氮水平小麥的灌漿速率均大于N300施氮水平；GW4地下水埋深下，N300施氮水平小麥的灌漿速率大于N240施氮水平；2個(gè)施氮量下，小麥灌漿速率均表現(xiàn)為隨地下水埋深的增加而增加.花后14—21 d，各處理小麥灌漿速率達(dá)到最大值，其中處理N240GW2冬小麥灌漿速率最高，顯著高于N300GW4，但其他各處理之間差異均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

圖2 各處理小麥灌漿速率隨開花后時(shí)間變化

開花后21—28 d，N300施氮水平下處理GW2，GW3，GW4小麥灌漿速率分別比N240施氮水平下對應(yīng)處理高11.97%，22.54%，4.37%；N300施氮水平下，小麥灌漿速率隨地下水埋深的增加而降低；N240施氮水平下，處理GW2灌漿速率最高，處理GW3最低，但處理GW2，GW3，GW4之間差異均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.花后28—35 d，不同地下水埋深下，各處理小麥灌漿速率均表現(xiàn)為N300施氮水平高于N240施氮水平；N300施氮量下，各處理小麥灌漿速率表現(xiàn)為隨地下水埋深的增加而降低；N240施氮水平下，處理GW3小麥灌漿速率最低.

2.3 籽粒灌漿參數(shù)變化

表1為各處理小麥籽粒灌漿特征參數(shù).由表可知，Logistic方程能很好地?cái)M合小麥籽粒灌漿過程，決定系數(shù)R2為0.999 6～0.999 9.不同施氮量下，灌漿漸增期時(shí)間拐點(diǎn)t1均表現(xiàn)為隨地下水埋深的增加而降低，地下水埋深相同時(shí)，N300施氮水平快速增長期時(shí)間拐點(diǎn)t2均大于N240施氮水平.不同施氮量下，快速灌漿期持續(xù)時(shí)間Δt隨地下水埋深變化趨勢一致，從大到小依次為處理GW4，GW2，GW3；地下水埋深相同時(shí)，N300施氮水平Δt均大于N240施氮水平，說明高施氮量延長了小麥快速灌漿時(shí)間.處理GW3和GW4下，N300施氮水平平均灌漿速率Gmean均大于N240施氮水平；處理GW2下，N240施氮水平Gmean比N300施氮水平高1.42%.不同施氮量下，小麥籽粒最大灌漿速率Gmax均表現(xiàn)為隨地下水埋深的增加而降低；處理GW2和GW4下，N240施氮水平Gmax均大于N300施氮水平；但是在GW3下，N300施氮水平Gmax比N240施氮水平高4.97%.不同施氮量下，最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量Wmax隨地下水埋深變化趨勢一致，從大到小依次為GW2，GW4，GW3；N300施氮水平下，處理GW2，GW3，GW4的Wmax分別比N240施氮水平高4.35%，1.35%，2.42%.N300施氮水平下，灌漿速率達(dá)到最大的時(shí)間Dmax隨地下水埋深的增加而降低；N240施氮水平下，小麥Dmax從大到小依次為GW2，GW4，GW3.N300施氮水平下，小麥灌漿持續(xù)時(shí)間Pd從大到小依次為GW2，GW4，GW3；N240施氮水平下，小麥Pd從大到小依次為GW4，GW2，GW3.

表1 各處理小麥籽粒灌漿特征參數(shù)

2.4 產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成要素相關(guān)分析

表2為各處理小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素，其中L為穗長，Ks為穗粒數(shù)，Es為有效小穗數(shù)，Sn為穗數(shù)，Bp為單株生物量，Gp為單株籽粒質(zhì)量，Kw為千粒質(zhì)量，HI為收獲指數(shù)，Y為產(chǎn)量.由表2可知，施氮量和地下水埋深對小麥產(chǎn)量的影響在0.01水平下具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但二者交互作用對小麥產(chǎn)量影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

表2 各處理小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素

在N300施氮水平下，產(chǎn)量隨地下水埋深的增加而降低，其中處理N300GW2顯著大于N300GW3，N300GW4，但是處理N300GW3，N300GW4之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；在N240施氮水平，產(chǎn)量隨地下水埋深變化從大到小依次為處理GW2，處理GW4，處理GW3，其中處理GW2顯著大于GW3，GW4，但處理GW3，GW4之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.相同地下水埋深下，N300施氮水平處理GW2，GW3，GW4小麥產(chǎn)量分別比N240施氮水平相應(yīng)地下水埋深處理高2%，7%，3%.

施氮量和地下水埋深對小麥穗長均具有極顯著影響，但是二者交互作用對其無顯著影響.相同地下水埋深下，N300施氮水平小麥穗長均高于N240施氮水平；2種施氮水平下，均表現(xiàn)為在處理GW2下最高.施氮量對小麥穗粒數(shù)無顯著影響，但地下水埋深對小麥穗粒數(shù)影響極顯著，N300施氮水平下，穗粒數(shù)隨地下水埋深的增加而降低，但差異均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；N240施氮水平下，處理GW2顯著高于GW3，且處理GW2小麥穗粒數(shù)最大.地下水埋深和施氮量及二者交互作用對小麥千粒質(zhì)量和單株生物量影響極顯著，且二者大小趨勢相同.地下水埋深和施氮量極顯著影響小麥穗數(shù)和單株籽粒質(zhì)量，但二者交互作用對其影響不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.地下水埋深顯著影響小麥?zhǔn)斋@指數(shù)，N300施氮水平下，處理GW2小麥?zhǔn)斋@指數(shù)最高，且從大到小依次為處理GW2，GW3，GW4，但三者之間差異均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；N240施氮水平下，處理GW4小麥?zhǔn)斋@指數(shù)最低，三者之間差異均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

圖3為產(chǎn)量構(gòu)成要素對產(chǎn)量影響的結(jié)構(gòu)方程模型分析.由圖3可知，單株籽粒質(zhì)量、穗數(shù)和穗粒數(shù)對產(chǎn)量均具有直接的正向效應(yīng)，其中穗數(shù)對產(chǎn)量的正向效應(yīng)最大；地下水埋深主要是通過影響小麥單株籽粒質(zhì)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)來影響產(chǎn)量的，地下水埋深對產(chǎn)量影響的直接標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)為0.334(P<0.05)，施氮量主要是通過影響單株籽粒質(zhì)量和穗數(shù)來間接影響產(chǎn)量.

圖3 產(chǎn)量構(gòu)成要素對產(chǎn)量影響的結(jié)構(gòu)方程模型分析(Pd=0.469, χ2/df=0.956，GFI=0.973，CFI=1.004，RMSEA=0)

表3為各處理小麥產(chǎn)量Y、千粒質(zhì)量與灌漿參數(shù)的相關(guān)分析結(jié)果.由表可知，小麥產(chǎn)量與快速增長期時(shí)間拐點(diǎn)t2、灌漿速率達(dá)到最大的時(shí)間Dmax極顯著正相關(guān)，與千粒質(zhì)量、最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量Wmax顯著正相關(guān).故小麥快速灌漿結(jié)束時(shí)間決定了小麥產(chǎn)量.小麥千粒質(zhì)量與最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量Wmax極顯著正相關(guān)，這主要由最大灌漿速率時(shí)籽粒質(zhì)量Wmax計(jì)算公式?jīng)Q定的；與快速增長期時(shí)間拐點(diǎn)t2、平均灌漿速率Gmean、灌漿持續(xù)時(shí)間Pd呈顯著正相關(guān)，故可通過提高平均灌漿速率和灌漿持續(xù)時(shí)間來提高小麥千粒質(zhì)量，進(jìn)而達(dá)到豐產(chǎn)目的.

表3 各處理小麥產(chǎn)量、千粒質(zhì)量與灌漿參數(shù)的相關(guān)分析

2.5 冬小麥水氮利用效率

表4為各處理冬小麥水氮利用效率，其中Wt為總灌水量，Wg為地下水利用量，ΔW為播前土壤貯水量與收獲后土壤貯水量的差值，Ws為總耗水量，NPP為氮肥偏生產(chǎn)力，WUE為水分利用效率.由表4可知，地下水埋深和施氮量對小麥地下水利用量和總耗水量影響極具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；地下水利用量占小麥生育期耗水量的3.70%～10.38%；隨著地下水埋深增加，地下水利用量逐漸減少，且不同地下水埋深之間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；處理GW2，GW3下，N300施氮水平地下水利用量均顯著高于N240施氮水平.地下水埋深和施氮量及二者交互作用均對小麥ΔW影響極具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；ΔW均隨地下水埋深的增加而增加，處理N240GW2與N240GW3之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其余各處理之間差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.地下水埋深相同時(shí)，N300施氮水平總耗水量高于N240施氮水平.施氮量和地下水埋深對小麥氮肥偏生產(chǎn)力和WUE影響極具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但二者交互作用均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；其中N240施氮水平處理GW2，GW3，GW4小麥氮肥偏生產(chǎn)力分別比N300施氮水平小麥顯著高21.79%，17.29%，21.62%；2個(gè)施氮水平下，處理GW2氮肥偏生產(chǎn)力均顯著高于GW3，GW4，但是處理GW3，GW4之間差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.小麥WUE均表現(xiàn)為隨地下水埋深的增加而降低；地下水埋深相同時(shí)，N240施氮水平WUE均顯著高于N300施氮水平.故N240施氮量在保持較高的產(chǎn)量下，水氮利用率均最高.

表4 各處理冬小麥水氮利用效率

3 討 論

3.1 對小麥灌漿特性及產(chǎn)量影響

土壤肥力和土壤水分是影響小麥生長和灌漿的重要環(huán)境因子.本研究表明，高施氮量可提高小麥千粒質(zhì)量，這與吳金枝等[18]研究結(jié)果一致，這主要是因?yàn)槌渥愕牡毓?yīng)延長了快速灌漿期持續(xù)時(shí)間Δt和灌漿持續(xù)時(shí)間Pd.施氮量不同時(shí)，小麥千粒質(zhì)量隨地下水埋深變化不一致，整體上地下水埋深越小，小麥千粒質(zhì)量越大，這是因?yàn)榈叵滤裆钤叫?，地下水向上補(bǔ)給量越多，土壤含水率越高，小麥生長水分更加充足，灌漿速率較高.小麥籽粒灌漿過程主要分為漸增期、快速增長期、穩(wěn)定增長期，而小麥灌漿籽粒干物質(zhì)積累主要集中在快速增長期[19].本研究表明，地下水埋深越大，小麥灌漿漸增期時(shí)間拐點(diǎn)t1越小，說明快速灌漿開始的越早，這可能是因?yàn)樽魑锢玫叵滤枯^少，小麥?zhǔn)芨珊得{迫，提前進(jìn)入快速灌漿期.較高的平均灌漿速率是獲得高千粒質(zhì)量的關(guān)鍵，適宜的施氮量能延長小麥灌漿快速增長期，提高籽粒灌漿速率，對最終高的千粒質(zhì)量形成有利.本研究表明，千粒質(zhì)量與快速增長期時(shí)間拐點(diǎn)t2、平均灌漿速率Gmean、灌漿持續(xù)時(shí)間Pd呈顯著正相關(guān)，故可通過提高小麥平均灌漿速率和灌漿持續(xù)時(shí)間Pd來提高小麥千粒質(zhì)量，進(jìn)而達(dá)到豐產(chǎn)目的.適宜灌水量下，小麥產(chǎn)量隨地下水埋深的增加而減少[20].本研究表明，常規(guī)施氮量下小麥產(chǎn)量隨地下水埋深的增加而降低，這與齊學(xué)斌等[20]的研究一致.如圖4所示的路徑分析表明，地下水埋深和施氮量主要是通過影響pH值和全氮、土壤硝態(tài)氮來間接影響產(chǎn)量；在N240施氮水平下，小麥產(chǎn)量從大到小依次為處理GW2，GW4，GW3，這主要是因?yàn)樘幚鞧W3的pH值顯著高于GW3，GW4，pH值影響作物對水分和養(yǎng)分吸收.

圖4 土壤性狀對產(chǎn)量影響的結(jié)構(gòu)方程模型分析(Pd=0.463, χ2/df=0.9439，GFI=0.999，CFI=1.002，RMSEA=0)

小麥產(chǎn)量隨施氮量的增加呈先增加后減少的趨勢，適宜施氮量有益于調(diào)控作物營養(yǎng)生長與生殖生長，防止貪青晚熟，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[21].研究表明，N300施氮水平小麥產(chǎn)量均高于N240施氮水平，但是僅在處理GW2下小麥產(chǎn)量差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其他2個(gè)地下水埋深下差異均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；這可能是因?yàn)楫?dāng)施氮量超過275 kg/hm2時(shí)，小麥籽粒氮代謝酶活性降低[1]，故此時(shí)增加施氮量并未顯著提高小麥產(chǎn)量.

3.2 對冬小麥水氮利用效率影響

水分和施氮量是影響作物水氮利用效率的重要環(huán)境因素.當(dāng)?shù)叵滤裆钗挥?.4～1.5 m時(shí)，地下水對作物日需水量的貢獻(xiàn)率超過65%[22].研究表明，2.0～4.0 m地下水埋深范圍內(nèi)，地下水利用量占小麥生育期耗水量的3.73%～10.49%；隨著地下水埋深增加，地下水利用量逐漸減少.2個(gè)施氮量下，小麥WUE隨地下水埋深的增加而降低；地下水埋深相同時(shí)，N240施氮水平小麥WUE均高于N300施氮水平.過多的氮肥用量會(huì)導(dǎo)致作物肥料利用效率降低，多余的氮素殘留在土壤當(dāng)中，會(huì)造成地下水硝酸鹽污染等風(fēng)險(xiǎn)[13]，因此，適當(dāng)減少氮肥施用，同時(shí)配合適宜的灌水量，會(huì)產(chǎn)生協(xié)同水肥耦合效應(yīng)，小麥會(huì)達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效的生產(chǎn)模式，減氮、控水是最直接提高水氮利用效率的方式.本研究表明，N240施氮水平小麥氮肥偏生產(chǎn)力均顯著高于N300施氮水平，這與郭曾輝等[13]研究一致.這主要是因?yàn)榈蕡?bào)酬遞減效應(yīng)，即隨著施氮量的增加，每單位純氮投入帶來的產(chǎn)量增加量(報(bào)酬)會(huì)逐步降低.因N240施氮水平小麥水氮利用效率較高，且地下水埋深大于4.0 m時(shí)，地下水對作物生長影響可忽略，故在地下水埋深大于2.0 m地區(qū)施純氮240 kg/hm2可行.受試驗(yàn)條件限制，本研究僅設(shè)置了施氮量和地下水埋深2個(gè)因素，未考慮灌水量對小麥生長及水肥利用效率的影響，今后試驗(yàn)中應(yīng)添加灌水量試驗(yàn)因素，優(yōu)化不同地下水埋深小麥種植區(qū)灌水量和施肥量，保障小麥優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)安全生產(chǎn).

4 結(jié) 論

1) 小麥千粒質(zhì)量與快速增長期時(shí)間拐點(diǎn)、平均灌漿速率、灌漿持續(xù)時(shí)間顯著正相關(guān).

2) 地下水埋深主要是通過影響小麥單株籽粒質(zhì)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)來影響產(chǎn)量的，地下水埋深對產(chǎn)量影響的直接標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)為0.334(P<0.05)，而施氮量主要是通過影響單株籽粒質(zhì)量和穗數(shù)來間接影響產(chǎn)量形成.

3) 地下水利用量占小麥生育期耗水量的3.70%～10.38%；地下水埋深相同時(shí)，N240施氮水平氮肥偏生產(chǎn)力NPP和水分利用效率WUE均顯著高于N300施氮水平.

綜上可知，在農(nóng)民常規(guī)施氮量基礎(chǔ)上減氮20%可行，在地下水埋深大于2.0 m地區(qū)小麥高產(chǎn)和農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展的施氮量為240 kg/hm2.