水氮互作對(duì)旱地春小麥氮肥利用效率和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的影響

姜小鳳，郭建國(guó)，董 博，郭天文，王淑英

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所，甘肅蘭州 730070； 2.甘肅旱作區(qū)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730070； 3.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，甘肅蘭州 730070； 4.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

水肥是影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因子。然而，中國(guó)西北內(nèi)陸水資源匱乏，干旱缺水嚴(yán)重限制了小麥生產(chǎn)[1-2]，開(kāi)展水氮互作研究對(duì)提高旱地春小麥氮肥利用效率和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量具有重要實(shí)踐意義。早期研究發(fā)現(xiàn)，正常水分條件下增施氮肥有助于提高冬小麥水氮運(yùn)轉(zhuǎn)效率[3-7]；水分脅迫條件下，增施氮肥既有可能促進(jìn)冬小麥對(duì)土壤深層水分的吸收利用[8]、提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[9]，又有可能加劇水分脅迫、降低經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[10-11]；作物遭受水分脅迫時(shí)，增加灌水量的增產(chǎn)潛力大于增施氮肥[12]；播前灌底墑水與返青后灌拔節(jié)水和灌漿水各60 mm并施純氮150～240 kg·hm-2是提高旱地冬小麥水氮利用效率及增加經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的理想水氮管理模式[13-14]。然而，有關(guān)水氮互作影響旱地春小麥氮肥吸收利用和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的報(bào)道較少，僅有研究顯示，全生育期灌水270 mm與施氮168 kg·hm-2是石羊河流域春小麥的最優(yōu)水氮模式[15]；施氮180 kg·hm-2時(shí)灌水343.9 mm是甘肅河西地區(qū)春小麥田的最佳土壤水分下限[16]；全生育期滴灌水3 000～4 500 m3·hm-2并施氮225 kg·hm-2是石羊河流域滴灌春小麥的最佳水肥管理模式[17-19]，全生育期灌水2 400 m3·hm-2與施氮180 kg·hm-2是河西固定道壟作春小麥的最佳水氮耦合模式[20-21]。由此看出，不同生境春小麥對(duì)水肥的需求具有明顯的地理尺度差異性。因此，本研究通過(guò)盆栽試驗(yàn)系統(tǒng)模擬旱地春小麥對(duì)水肥需求的普遍規(guī)律，以期對(duì)提高旱地春小麥水肥利用效率提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院旱地農(nóng)業(yè)研究所抗旱棚內(nèi)進(jìn)行。棚內(nèi)土壤為灌淤土，田間最大持水量23%(質(zhì)量百分比)，有機(jī)質(zhì)含量15.4 g·kg-1，全氮含量1.37 g·kg-1、全磷含量0.74 g·kg-1，全鉀含量19.42 g·kg-1，速效氮含量83.79 mg·kg-1，有效磷含量25.06 mg·kg-1，速效鉀含量135.08 mg·kg-1，pH 8.2。土壤過(guò)30目篩網(wǎng)后裝入陶瓷花盆(上內(nèi)徑×下內(nèi)徑×高=30 cm×24 cm×50 cm)，每盆裝8 kg土樣，定苗22株。

春小麥品種為隴春27號(hào)(♀隴春8號(hào)×♂8858-2)，該品種分蘗力強(qiáng)，抗倒伏，抗旱。采用2×3隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)A1B1(HNW)、A1B2(MNW)、A1B3(CK)，A2B1(HND)、A2B2(MND)和A2B3(CK)6個(gè)處理。其中，A因素為土壤持水量，B因素為施氮水平；A1代表全生育期土壤持水量保持在最大持水量的75%～85%(正常水平)，A2代表全生育期土壤持水量保持在最大持水量的35%～45%(脅迫水平)；B1、B2和B3分別代表高氮、中氮和不施氮肥，高氮和中氮處理分別為每公斤土施純氮0.25 g和0.15 g，不施氮肥為對(duì)照。通過(guò)稱重法控制土壤水分和氮肥用量。每處理10次重復(fù)，共60盆。供施肥料為尿素(含N量46%)和過(guò)磷酸鈣(P2O5含量12%)，不施鉀肥，過(guò)磷酸鈣用量為每公斤土0.5 g(折合0.06 g P2O5)。

1.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

分別在小麥拔節(jié)期、抽穗期、揚(yáng)花期、灌漿期和成熟期，于每盆中取長(zhǎng)勢(shì)一致的小麥3株，清洗干凈根部土壤，晾至無(wú)水滴時(shí)，將莖稈、葉片、麥穗(不含籽粒)、籽粒分別裝入牛皮紙袋，60 ℃恒溫烘干，用植物粉碎機(jī)分別粉碎后裝袋備用。參照FOSS全自動(dòng)凱氏定氮儀Kjeltec 8400測(cè)定植株和籽粒的氮含量，計(jì)算氮肥利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥收獲指數(shù)和氮肥生產(chǎn)效率。計(jì)算公式：

氮肥利用率=(施氮區(qū)籽粒氮素積累量-未施氮區(qū)籽粒氮素積累量)/施氮量×100%

氮肥農(nóng)學(xué)效率=(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-未施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施氮量

氮肥收獲指數(shù)=籽粒氮素積累量/植株氮素積累量

氮肥生產(chǎn)效率=籽粒產(chǎn)量/施氮量

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007和DPS 6.5軟件處理數(shù)據(jù)，用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 相同水分不同氮肥水平下春小麥各器官全氮含量的變化

2.1.1 春小麥莖稈中全氮含量的變化

由表1可知，春小麥莖稈全氮含量隨生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程推進(jìn)而逐漸下降。正常水分條件下，春小麥全生育期莖稈的全氮含量表現(xiàn)為中氮處理>高氮處理>空白對(duì)照，拔節(jié)期中氮處理的全氮含量分別較高氮處理和空白對(duì)照高17.62%和22.89%(P<0.05)，抽穗期中氮處理的全氮含量分別較高氮處理和空白對(duì)照高12.7%和20.33%(P<0.05)，揚(yáng)花期中氮處理的全氮含量較空白對(duì)照高20.00%(P<0.05)；水分脅迫條件下，春小麥全生育期莖稈的全氮含量表現(xiàn)為高氮處理>中氮處理>空白對(duì)照，且拔節(jié)期高氮處理的全氮含量分別較中氮處理和空白對(duì)照高10.91%和12.21%(P<0.05)，灌漿期高氮處理和中氮處理的全氮含量分別較空白對(duì)照高44.07%和40.68%(P<0.05)。水氮二因素交互效應(yīng)方差分析(固定模型)顯示，拔節(jié)期、抽穗期、揚(yáng)花期和灌漿期水分、氮肥、水分與氮肥互作效應(yīng)的差異均極顯著(P<0.01)，成熟期水分效應(yīng)差異極顯著(P<0.01)、氮肥效應(yīng)差異顯著(P<0.05)、水分和氮肥互作效應(yīng)差異不顯著(P>0.05)。

2.1.2 春小麥葉片中全氮含量的變化

由表2可知，春小麥葉片全氮含量隨生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程的推進(jìn)而逐漸下降。正常水分條件下，全生育期葉片全氮含量表現(xiàn)為中氮處理>高氮處理>空白對(duì)照，且拔節(jié)期中氮處理的全氮含量分別較高氮處理和空白對(duì)照高10.98%和14.29%(P<0.05)，揚(yáng)花期和灌漿期中氮處理的全氮含量分別較空白對(duì)照高23.83%和20.90%(P<0.05)；水分脅迫條件下，全生育期葉片全氮含量表現(xiàn)為高氮處理>中氮處理>空白對(duì)照，且拔節(jié)期、抽穗期、揚(yáng)花期、灌漿期和成熟期高氮處理的全氮含量分別較空白對(duì)照高12.91%、15.83%、21.89%、27.27%和37.68%(P<0.05)，但全生育期內(nèi)高氮處理與中氮處理間差異均不顯著(P>0.05)。水氮二因素交互效應(yīng)方差分析(固定模型)顯示，拔節(jié)期、揚(yáng)花期、灌漿期和成熟期水分、氮肥、水分和氮肥互作效應(yīng)差異極顯著(P<0.01)，抽穗期水分、氮肥效應(yīng)差異極顯著(P<0.01)，水分與氮肥互作效應(yīng)差異顯著(P<0.05)。

2.1.3 春小麥麥穗(不含籽粒)中全氮含量的變化

由表3可知，春小麥麥穗(不含籽粒)的全氮含量也隨生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程的推進(jìn)而呈下降趨勢(shì)。正常水分條件下，抽穗期至成熟期春小麥麥穗(不含籽粒)的全氮含量表現(xiàn)為中氮處理>高氮處理>空白對(duì)照，且成熟期中氮處理的全氮含量分別較高氮處理和空白對(duì)照高19.59%和39.76%(P<0.05)，揚(yáng)花期高氮處理和中氮處理的全氮含量分別較空白對(duì)照高2.20%和5.49%(P<0.05)；水分脅迫條件下，抽穗期至成熟期春小麥麥穗(不含籽粒)的全氮含量表現(xiàn)為高氮處理>中氮處理>空白對(duì)照，且灌漿期和成熟期高氮處理的全氮含量分別較空白對(duì)照高11.39%和19.72%(P<0.05)，但全生育期內(nèi)高氮處理與中氮處理間的差異均不顯著(P>0.05)。水氮二因素交互效應(yīng)方差分析(固定模型)顯示，抽穗期和灌漿期水分、氮肥、水分和氮肥互作效應(yīng)的差異極顯著(P<0.01)；揚(yáng)花期水分、氮肥效應(yīng)差異顯著(P<0.05)，而水分與氮肥互作效應(yīng)差異不顯著(P>0.05)；成熟期水分與氮肥互作效應(yīng)差異極顯著(P<0.01)，而水分、氮肥效應(yīng)差異不顯著(P>0.05)。

表1 不同水分和氮肥水平下春小麥莖稈的全氮含量Table 1 Total nitrogen content of spring wheat stalks under different nitrogen at the same water level %

表2 不同水分和施氮水平下春小麥葉片的全氮含量Table 2 Total nitrogen content of spring wheat leaves under different nitrogen and water levels %

表3 不同水分和施氮水平下春小麥麥穗(不含籽粒)的全氮含量Table 3 Total nitrogen content of spring wheat ears under different nitrogen and water levels %

2.1.4 春小麥籽粒中全氮含量的變化

由表4可知，正常水分條件下，春小麥籽粒的全氮含量表現(xiàn)為中氮處理>高氮處理>空白對(duì)照，但中氮處理和高氮處理的全氮含量差異不顯著，二者分別較空白對(duì)照高10.75%和6.45%(P<0.05)；水分脅迫條件下，春小麥籽粒的全氮含量表現(xiàn)為高氮處理>中氮處理>空白對(duì)照，高氮處理的全氮含量較空白對(duì)照高13.82%(P<0.05)，但與中氮處理的差異不顯著(P>0.05)。水氮二因素交互效應(yīng)方差分析(固定模型)顯示，水分、氮肥、水分與氮肥互作效應(yīng)差異極顯著(P<0.01)。

2.2 2種水分3種氮肥水平下春小麥氮肥利用效率的變化

由表5可知，正常水分條件下，中氮處理的氮肥利用率、農(nóng)學(xué)效率和生產(chǎn)效率分別較高氮處理高37.17%、45.88%和26.79%(P<0.05)，氮肥收獲指數(shù)較高氮處理低8.00%(P<0.05)；水分脅迫條件下，中氮處理的氮肥利用效率、農(nóng)學(xué)效率和生產(chǎn)效率分別較高氮處理高11.68%、21.81%和19.23%(P<0.05)，氮肥收獲指數(shù)與高氮處理差異不顯著(P>0.05)。

表4 不同水分和施氮水平下春小麥籽粒的全氮含量Table 4 Total nitrogen content of spring wheat seeds under different nitrogen and water levels

表5 不同水分和氮肥水平下春小麥氮肥利用效率的變化Table 5 Variation for nitrogen use efficiency of spring wheat at three nitrogen levels under two water conditions

2.3 不同水分和氮肥水平下旱地春小麥農(nóng)藝性狀的變化

由表6可知看出，正常水分條件下，高氮處理春小麥的千粒重雖然較中氮處理低11.15%(P<0.05)，但穗長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量分別較中氮處理長(zhǎng)5.83%和高25.00%(P<0.05)；而中氮處理春小麥的千粒重雖然較高氮處理高12.55%(P<0.05)，但穗長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量分別較高氮處理低5.51%和20.00%(P<0.05)，其他性狀與空白對(duì)照間無(wú)顯著性差異(P>0.05)。水分脅迫條件下，中氮處理春小麥的穗粒數(shù)、千粒重和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量分別較高氮處理高33.87%、15.27%和17.31%(P<0.05)，其他性狀與高氮處理間無(wú)顯著性差異(P>0.05)；中氮處理春小麥的生物量、千粒重和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量分別較空白對(duì)照高36.07%、33.36%和45.24%(P<0.05)，株高較空白對(duì)照低11.26%(P<0.05)，其他性狀與空白對(duì)照間無(wú)顯著性差異(P>0.05)。

表6 不同水分和氮肥水平下春小麥生物性狀的變化Table 6 Variation of agronomic traits of spring wheat at three nitrogen levels under two water levels

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)，正常水分或水分脅迫條件下，每公斤土壤施純氮0.15 g均有利于顯著提高旱地春小麥氮肥利用效率、農(nóng)學(xué)效率和生產(chǎn)效率；但正常水分條件下，每公斤土施純氮0.15 g后春小麥的穗長(zhǎng)縮短、千粒重增加，氮肥收獲指數(shù)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量均顯著低于高氮處理(每公斤土壤施純氮0.25 g)；水分脅迫條件下，每公斤土壤施純氮0.15 g后春小麥的千粒重和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量均顯著高于高氮處理(P<0.05)。說(shuō)明正常水分條件下增施氮肥有利于提高旱地春小麥的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；相反，水分脅迫條件下減少氮肥用量更有利于增加旱地春小麥的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。這一結(jié)果與王秀波等[22]對(duì)旱地小麥的研究結(jié)果基本一致。其原因可能是：正常水分條件下，氮肥供應(yīng)充足時(shí)有利于增強(qiáng)春小麥葉片的光合效能，從而增加經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；而水分脅迫條件下，減施氮肥有利于降低春小麥根系對(duì)葉片光合產(chǎn)物的競(jìng)爭(zhēng)，增強(qiáng)春小麥的抗旱應(yīng)激能力[23]，盡可能保證地上部植株對(duì)土壤水分的正常生理需求，提高葉片的瞬時(shí)水分利用效率，從而增加經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，若作物遭受水分脅迫下增施過(guò)量氮肥會(huì)加劇春小麥根系對(duì)葉片光合產(chǎn)物的競(jìng)爭(zhēng)，降低春小麥的抗旱防御性能，致使地上部植株必需土壤水分不能得到有效供給，葉片瞬時(shí)水分利用效率下降，必然導(dǎo)致大部分光合產(chǎn)物積累于根系，加之根系氮肥供應(yīng)充分，容易促使根系旺盛生長(zhǎng)，根冠比增大，最終造成莖稈和葉片的光合產(chǎn)物向穗部的運(yùn)輸受阻，致使經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量受到損失[24]。