灌水量及減氮模式對冬小麥產(chǎn)量及水氮利用的影響

章 杰,胡田田,何 瓊,李鴻祥

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

陜西省是我國糧食主產(chǎn)區(qū)之一，關(guān)中平原是陜西省最大的糧食產(chǎn)地，該區(qū)小麥產(chǎn)量占全省總產(chǎn)量的64%[1]。施肥是保障現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要措施之一，其中氮肥起關(guān)鍵作用[2]。目前農(nóng)戶已養(yǎng)成“高產(chǎn)就必須多施肥”的施肥習(xí)慣，關(guān)中平原小麥季過量施氮約55 kg·hm-2[3-4]。這與該區(qū)小麥生產(chǎn)中主要采用傳統(tǒng)氮肥，且存在前期投入偏多、后期偏少的問題有關(guān)[5-6]。傳統(tǒng)氮肥養(yǎng)分釋放快，持續(xù)時間短，肥料利用效率不高[7]，而且需要多次施用才能與作物需肥特征相匹配，增加了肥料和勞動力投入。緩/控釋氮肥養(yǎng)分釋放緩慢，肥效持續(xù)時間長，能夠協(xié)調(diào)養(yǎng)分供應(yīng)與作物吸收之間的矛盾，可在作物全生育期一次性基施[8-9]。與傳統(tǒng)氮肥相比，緩/控釋氮肥的合理減量施用不會影響作物生長及產(chǎn)量，還能解決肥料利用效率低和農(nóng)田環(huán)境破壞等問題，是一種高效與環(huán)境友好型肥料[10-12]。目前緩/控釋氮肥主要有物理型包膜控釋肥、添加化學(xué)物的緩釋肥以及化學(xué)與物理包膜相結(jié)合的控釋肥[13]，關(guān)于緩/控釋肥在玉米和水稻上的應(yīng)用研究較多，對于生育期更長的冬小麥的研究尚少[14]。

水分和氮素是調(diào)控作物生長的兩大要素[15]。程憲國等[16]對不同水分水平下氮素對冬小麥生長及產(chǎn)量影響的研究表明，水分缺乏會抑制作物養(yǎng)分吸收與利用，最終導(dǎo)致營養(yǎng)不良；養(yǎng)分不足時冬小麥生長緩慢，水分利用效率低。也有研究表明，當灌水和施氮達到作物需求的閾值后，增加灌水或施氮會顯著降低冬小麥產(chǎn)量和水肥利用效率[17-18]。而且，灌水和施氮量間存在明顯的相互作用，顯著影響作物生長及產(chǎn)量水平[19-20]。因而，協(xié)調(diào)冬小麥氮肥與水分管理具有重要的理論及實踐意義。

基于以上考慮，本文選用硝化抑制劑、樹脂包膜尿素、控釋復(fù)合肥3種氮肥緩/控釋措施，形成不同的減氮模式，設(shè)置不同灌水量，對關(guān)中平原冬小麥開展裂區(qū)試驗，對比習(xí)慣施氮與減氮模式，研究灌水量及減氮模式對冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素、土壤硝態(tài)氮殘留和水肥利用效率的影響，為探索關(guān)中平原冬小麥水氮高效管理模式提供依據(jù)，為緩/控釋氮肥的推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗站概況

試驗于2017年10月—2018年6月在西北農(nóng)林科技大學(xué)節(jié)水灌溉試驗站進行。該區(qū)位于108°24′ E、34°20′ N，海拔524.7 m，全年無霜期221 d，年平均溫度為12.9 ℃，年平均降水量580 mm(集中在7、8、9 月)，年平均蒸發(fā)量1 500 mm，屬于暖溫帶季風(fēng)半濕潤氣候區(qū)。土壤質(zhì)地為中壤土，2 m土層內(nèi)平均土壤容重為1.38 g·cm-3，0～1 m土層的平均田間持水量為24%。供試土壤基本理化性狀為：有機質(zhì)12.02 g·kg-1，速效磷8.18 mg·kg-1，堿解氮54.3 mg·kg-1，全氮0.91 g·kg-1。氣象資料由楊凌氣象站提供，試驗期間冬小麥全生育期內(nèi)降雨總量185.5 mm，逐月降雨量見表1。

表1 冬小麥生育期降雨量及其分布

1.2 試驗方案與實施

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，以灌水量為主處理，氮肥用量為副處理，共10個處理，重復(fù)3次。灌水量設(shè)置90 mm和150 mm。減氮模式設(shè)3種：(1)樹脂包膜尿素處理(PCU)，按基施樹脂包膜尿素(產(chǎn)自山東金正大生態(tài)工程股份有限公司，含N為43%，釋放期60 d)∶拔節(jié)期追施普通尿素=6∶4施入；(2)普通尿素+硝化抑制劑處理(DMPP)，氮肥和硝化抑制劑(按施氮量的2%)混合均勻后一次性基施；(3)控釋復(fù)合肥處理(SF)，氮、磷、鉀含量分別為23-15-8的控釋復(fù)合肥(產(chǎn)自安徽六國化工股份有限公司)一次性基施。另設(shè)習(xí)慣施氮肥(CO)和不施氮肥處理(N0)為對照，習(xí)慣施氮處理用普通尿素，按基施∶冬灌追施∶拔節(jié)追施=6∶2∶2分3次施入。其中，習(xí)慣施氮肥的施氮量為210 kg·hm-2，減量施用各處理的施氮量均為150 kg·hm-2。磷、鉀肥全部基施，各處理用量相同。

供試冬小麥品種為西農(nóng)979，小麥行距20 cm，播種量300 kg·hm-2，副處理試驗小區(qū)面積為26.25 m2(3.5 m×7.5 m)，試驗區(qū)周圍布設(shè)2 m寬保護帶。全生育期灌水2次，其他管理同當?shù)卮筇铩?017年10月29日播種，2018年1月22日冬灌，2018年3月27日灌拔節(jié)水，6月6日人工收割。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產(chǎn)量與干物質(zhì)量 冬小麥成熟期各小區(qū)隨機收取1 m2長勢均勻的小麥，晾曬后稱重，記錄干物質(zhì)量，人工脫粒測產(chǎn)。

1.3.2 作物耗水量及水分利用效率 分別于小麥播前和收獲期分層采集0～200 cm土樣(20 cm為一層)，采用烘干法測定土壤含水率。采用水量平衡法計算作物耗水量(ET)。

計算公式為：

ET=Pr+I+U-R-D-ΔW

(1)

式中，Pr為有效降雨量(mm)；I為灌溉量(mm)；R為徑流量(mm)；D為深層滲漏量(mm)；ΔW為試驗初期和末期0～200 cm土層水分變化量(mm)。R，D可以忽略不計，地下水位在50 m以下，故U也可以忽略不計，上式可以簡化為

ET=Pr+I-ΔW

(2)

作物水分利用效率(WUE,kg·km-2·mm-1)計算公式為：

(3)

式中，Y為作物產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.3.3 土壤硝態(tài)氮含量的測定 于冬小麥成熟期分層取0～200 cm土層土樣(20 cm為一層)，混合均勻，自然風(fēng)干，研磨后過1 mm篩，稱取5 g土，采用2 mol·L-1KCl溶液浸提，采用流動分析儀測定土壤中硝態(tài)氮(NO-3-N)含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

土壤硝態(tài)氮累積量(kg·hm-2)=土層厚度×土壤容重×土壤硝態(tài)氮含量

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(AE, kg·kg-1) = (施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-對照籽粒產(chǎn)量)/施氮量

氮肥偏生產(chǎn)力(PFP, kg·kg-1) = 施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量

利用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理，利用DPS 7.05軟件進行顯著性分析，Sigma Plot 12.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌水量及減氮模式對冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表2可知，灌水量對冬小麥有效穗數(shù)有極顯著性影響，對千粒重和籽粒產(chǎn)量影響顯著；減氮模式對冬小麥有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、籽粒產(chǎn)量和干物質(zhì)均有極顯著性影響。兩者的交互作用對千粒重和籽粒產(chǎn)量有極顯著影響，對有效穗數(shù)有顯著性影響，對其他產(chǎn)量性狀無顯著性影響。

表2表明，90 mm和150 mm兩個灌水量下，各施氮處理冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素均較不施氮處理(N0)增大，其中以普通尿素+硝化抑制劑處理(DMPP150)增幅最大。與習(xí)慣施氮肥處理(CO210)和N0相比，DMPP150處理冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均顯著提高；灌水量90 mm時，其籽粒產(chǎn)量較CO210和N0處理分別增加17.4%和45.8%，灌水量150 mm時增加20.2%和26.3%。樹脂包膜尿素處理(PCU150)較CO210處理有效穗數(shù)、籽粒產(chǎn)量和干物質(zhì)量有所增加但不顯著；在灌水量90 mm和150 mm時，與N0處理相比其籽粒產(chǎn)量分別增產(chǎn)40.6%和11.6%。當施氮量一致即150 kg·hm-2時，灌水90 mm的DMPP150處理較PCU150處理冬小麥產(chǎn)量性狀有所提高，但不顯著；灌水150 mm時,DMPP150處理較PCU150處理千粒重和籽粒產(chǎn)量顯著增加。與控釋復(fù)合肥(SF150)相比，在灌水90 mm和150 mm時DMPP150處理有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、籽粒產(chǎn)量和干物質(zhì)量均顯著增加，籽粒產(chǎn)量分別增產(chǎn)33.2%和24.0%；PCU150處理籽粒產(chǎn)量顯著高于SF150處理，灌水90 mm和150 mm下分別增產(chǎn)28.4%和9.5%，其他產(chǎn)量性狀差異不顯著。

灌水量90 mm時，CO210、PCU150處理和DMPP150處理冬小麥有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、籽粒產(chǎn)量及干物質(zhì)量均大于灌水150 mm，且籽粒產(chǎn)量分別增產(chǎn)7.4%、14.4%和4.8%。SF150處理在灌水150 mm時冬小麥千粒重比灌水90 mm顯著增加，其他產(chǎn)量性狀略有增加。N0處理在灌水150 mm時冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素比灌水90 mm有所增加，其中僅籽粒產(chǎn)量增長顯著，增產(chǎn)10.1%。綜上，可以得出冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素與灌水量和施氮模式均有關(guān)。

表2 不同處理對冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

注：不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)；*表示差異顯著(P<0.05)，**表示差異極顯著(P<0.01)。下同。

Note：Different letters indicate significant difference (P<0.05) among treatments; *:P<0.05，**:P<0.01.The same below.

2.2 灌水量及減氮模式對冬小麥水分利用效率的影響

方差分析得出，灌水量和減氮模式及其交互作用對冬小麥水分利用效率均有極顯著性影響。圖1表明，灌水量90 mm時，各施氮處理冬小麥水分利用效率(WUE)均較不施氮顯著增大，其中DMPP150處理增幅最大；灌水150 mm時，PCU150和DMPP150處理冬小麥WUE較不施氮處理顯著增大，CO210和SF150處理冬小麥WUE與不施氮處理相近。與CO210處理和N0處理相比，DMPP150處理WUE顯著提高，灌水量90 mm時，WUE較CO210和N0處理分別增加17.5%和45.6%，灌水量150 mm時增加20.0%和25.9%。與CO210處理相比，PCU150處理在灌水90 mm時冬小麥WUE增加13.5%，灌水150 mm時二者相近；與N0處理相比，在灌水量90 mm和150 mm時，其WUE分別提高40.6%和11.1%。當二者施氮量一致即150 kg·hm-2時，DMPP150處理與PCU150處理冬小麥WUE相近，二者均顯著高于SF150處理，灌水90 mm時二者WUE分別增加33.0%和28.4%，灌水150 mm時分別增加23.6%和9.1%?？梢?，減氮模式對冬小麥水分利用效率的影響與灌水量有關(guān)。

圖1 不同灌水量及減氮模式下冬小麥水分利用效率Fig.1 Winter wheat water use efficiency under different irrigation and nitrogen fertilizer-reduction pattern

灌水90 mm時，各處理冬小麥水分利用效率均顯著高于灌水150 mm。其中PCU150處理冬小麥WUE增長最多，增長率達40.6%；習(xí)慣施氮CO210處理次之，增長31.2%；不施氮處理增長最少，增長11.1%。說明關(guān)中平原冬小麥灌水量從90 mm增加到150 mm使作物水分利用效率下降。

2.3 灌水量及減氮模式對冬小麥氮肥利用效率的影響

由表3可知，灌水定額和減氮模式二因素對氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力均有極顯著性影響，兩者的交互作用對氮肥偏生產(chǎn)力影響極顯著，對氮肥農(nóng)學(xué)利用效率影響不顯著。

DMPP150處理冬小麥氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力均高于其他施氮處理，且在灌水150 mm時顯著增高，在灌水90 mm時，DMPP150處理氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力與PCU150處理差異不顯著。與CO210處理相比，灌水90 mm時DMPP150處理和PCU150處理氮肥偏生產(chǎn)力分別增加64.3%和58.4%；灌水150 mm時，分別增加68.3%和48.6%。 SF150處理氮肥農(nóng)學(xué)利用效率略低于CO210處理，氮肥偏生產(chǎn)力在灌水90 mm和150 mm時比CO210處理分別增加23.4%和35.7%。

灌水90 mm時，各處理冬小麥氮肥農(nóng)學(xué)利用效率均高于灌水150 mm。灌水量為90 mm時，CO210處理、PCU150處理和DMPP150處理氮肥偏生產(chǎn)力均大于灌水150 mm處理，分別增加7.4%、14.4%和4.8%。SF150處理灌水150 mm時冬小麥氮肥偏生產(chǎn)力比灌水90 mm時略增加。

2.4 灌水量及減氮模式對土壤硝態(tài)氮空間分布及殘留量的影響

2.4.1 灌水量及減氮模式對冬小麥成熟期土壤硝態(tài)氮空間分布的影響 由圖2可知，在兩個灌水量下， 0～200 cm各土層N0處理土壤硝態(tài)氮含量最低， CO210處理最高。0～40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量隨著土層深度的增加逐漸降低。40～120 cm土層內(nèi)灌水90 mm時，隨著深度的增加土壤硝態(tài)氮含量變化不大；灌水150mm時，隨著土層深度的增加硝態(tài)氮含量逐漸降低。120～200 cm土層，土壤硝態(tài)氮含量隨著土層深度的增加逐漸增加，其中灌水150 mm的處理硝態(tài)氮含量增幅較大。

冬小麥灌水90 mm時，0～40 cm土層內(nèi)減氮模式PCU150處理土壤硝態(tài)氮含量高于SF150處理和DMPP150處理；40～120 cm土層內(nèi)各減氮模式土壤硝態(tài)氮含量差異不大；120～200 cm土層內(nèi)SF150處理硝態(tài)氮含量略高于DMPP150處理和PCU150處理。灌水150 mm時，0～120 cm土層內(nèi)PCU150處理硝態(tài)氮含量高于DMPP150和SF150處理。140～200 cm土層內(nèi)SF150處理硝態(tài)氮含量明顯較高，PCU150處理次之，DMPP150處理含量最低。從圖2可以看出，在灌水90 mm和150 mm時，0～40 cm土層，CO210處理硝態(tài)氮含量與三種減氮模式差異不明顯，40～200 cm土層內(nèi)CO210處理土壤硝態(tài)氮含量明顯高于各減氮模式。

表3 不同灌水量及減氮模式下冬小麥氮肥利用效率

圖2 不同灌水量及減氮模式下冬小麥成熟期0～200 cm土層硝態(tài)氮含量的分布Fig.2 NO-3-N distribution in 0～200 cm soil layer at the mature stage of winter wheat under different irrigation and nitrogen fertilizer-reduction pattern

2.4.2 灌水量及減氮模式對冬小麥成熟期土壤硝態(tài)氮殘留量的影響 方差分析得出，灌水量和減氮模式及其交互作用對冬小麥成熟期0～200 cm土層土壤硝態(tài)氮殘留量均有極顯著影響。由圖3可知，灌水90 mm和150 mm時，各施氮處理冬小麥成熟期0～200 cm土層土壤硝態(tài)氮殘留量均顯著高于不施氮處理，其中CO210處理最大。在灌水90 mm和150 mm時，DMPP150處理較CO210處理分別減少57.8%和62.4%，PCU150處理分別減少45.6%和41.8%，SF150處理分別減少43.9%和40.2%。當施氮量為150 kg·hm-2時，SF150處理土壤硝態(tài)氮殘留量最大，PCU150處理與之相近；DMPP150處理硝態(tài)氮殘留量最小，較SF150處理在灌水90 mm和150 mm時分別減小24.8%和37.1%。灌水150 mm時，各處理冬小麥0～200 cm土層土壤硝態(tài)氮殘留量明顯高于灌水90 mm，以PCU150處理增幅最大，SF150處理次之，分別增大36.2%和35.9%，DMPP150處理最小，為23.3%，這說明土壤硝態(tài)氮殘留對灌水的響應(yīng)與施氮模式有關(guān)。

3 討 論

本研究表明，增大灌水量導(dǎo)致氮肥利用效率下降。灌水W1(90 mm)時，減氮模式PCU150和DMPP150處理氮肥偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)利用效率均高于灌水W2(150 mm)，這與灌水量增大導(dǎo)致產(chǎn)量降低及氮素淋失有關(guān)。本試驗中，與灌水W2相比，PCU150和DMPP150處理灌水W1時籽粒產(chǎn)量分別增產(chǎn)14.4%和4.8%。這可能由于冬小麥生長后期自然降雨量大，導(dǎo)致灌水150 mm處理作物產(chǎn)量下降。劉小飛等[21]研究得出過量補充灌水會降低冬小麥產(chǎn)量，適度水分虧缺可增加營養(yǎng)器官花前貯藏物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)運。另一方面，本試驗中，與灌水量90 mm相比，灌水量為150 mm時冬小麥成熟期0～200 cm土層土壤硝態(tài)氮殘留量明顯增大，尤其是深層土壤(120～200 cm)硝態(tài)氮含量及殘留量顯著增大，過量灌水會增加硝態(tài)氮向土壤深層遷移，超出作物主要根系分布層，最終使氮肥利用效率降低[22]。

本研究發(fā)現(xiàn)，硝化抑制劑和樹脂包膜尿素兩種減氮模式能夠增加或維持冬小麥產(chǎn)量。這可能與這兩種減氮模式下養(yǎng)分供應(yīng)與作物吸收需求吻合較好有關(guān)。本研究中，冬小麥播種期基施尿素加硝化抑制劑這一減氮模式冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均高于其他處理，較習(xí)慣施氮和不施氮處理分別增產(chǎn)18.8%和35.6%。Pasda等[23]研究也表明氮肥中添加DMPP可使冬小麥增產(chǎn)0.24 t·hm-2。這可能由于硝化抑制劑DMPP能有效地抑制銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，尿素中添加DMPP可使養(yǎng)分有效期長達180 d[24]，滿足冬小麥全生育期養(yǎng)分需求。本研究還表明，樹脂包膜尿素基施60% +尿素拔節(jié)期追施40%這一減氮模式，冬小麥產(chǎn)量與構(gòu)成因素較習(xí)慣施氮CO210差異不大，但較不施氮處理產(chǎn)量顯著增加，增產(chǎn)25.4%，可達到減肥增效的作用。這與前人研究結(jié)果[25-27]類似，孫云保[26]等連續(xù)4年小麥-玉米輪作試驗表明減氮30%施用控釋氮肥較常量尿素相比，冬小麥籽粒產(chǎn)量均未出現(xiàn)顯著下降情況。原因可能在于普通尿素養(yǎng)分釋放速度較快，無法滿足作物全生育期的養(yǎng)分需求，尤其是冬小麥這類生育期長且需較多氮素的作物，控釋氮肥通過改變內(nèi)核粒子與外界環(huán)境中的擴散通量來調(diào)控氮素釋放速度，而且該模式在拔節(jié)期追施了一定量氮肥，可協(xié)調(diào)養(yǎng)分供應(yīng)與作物吸收之間的矛盾，減少氮素損失，從而提高作物產(chǎn)量及氮肥利用效率[28-29]。

圖3 不同灌水量及減氮模式下冬小麥成熟期0～200 cm土層硝態(tài)氮殘留量Fig.3 Nitrate N residues in soil layer 0～200 cm at the mature stage of winter wheat under different irrigation and nitrogen fertilizer-reduction pattern

本研究發(fā)現(xiàn)，硝化抑制劑和樹脂包膜尿素兩種減氮模式能夠增加冬小麥氮肥利用效率。原因可能在于，一方面，這兩種模式可維持或增加作物產(chǎn)量；另一方面，氮肥的氣態(tài)損失隨著施氮量的增加而增加[30-31]，而且，隨著施氮量增加土壤硝態(tài)氮含量也隨之增加，且向下淋失的趨勢明顯[29, 32]，導(dǎo)致可供作物吸收利用的有效氮量減少。本研究中，冬小麥成熟期0～40 cm土層各處理硝態(tài)氮含量差異不大，40～200 cm土層習(xí)慣施氮處理土壤硝態(tài)氮含量明顯高于減氮模式PCU150和DMPP150處理，進一步證明了這一點。

4 結(jié) 論

1)灌水量和減氮模式兩因素對冬小麥有效穗數(shù)、千粒重、籽粒產(chǎn)量、土壤硝態(tài)氮殘留量及水分和氮肥利用效率均有顯著影響，二者間也存在明顯的交互作用。

2)與習(xí)慣施氮和不施氮相比，減氮模式普通尿素+硝化抑制劑冬小麥產(chǎn)量及水氮利用效率明顯增加。與CO210處理相比，DMPP150處理在灌水90 mm和150 mm時，產(chǎn)量分別增加17.4%和20.2%，水分利用效率提高17.5%和20.0%，土壤硝態(tài)氮殘留量減少57.8%和62.4%，氮肥利用效率提高64.3%和68.4%。

3)減氮模式樹脂包膜尿素處理冬小麥產(chǎn)量及水氮利用效率較習(xí)慣施氮處理略有增加，灌水90 mm和150 mm時較CO210處理土壤硝態(tài)氮殘留量減少45.6%和41.8%，氮肥利用效率提高58.4%和48.6%。

4)綜合考慮產(chǎn)量、水氮利用效率和土壤硝態(tài)氮殘留量，試驗區(qū)冬小麥可采用150 kg·hm-2施氮量，播種時一次性施用尿素加硝化抑制劑或者以樹脂包膜尿素基施60%+拔節(jié)期追施普通尿素40%這兩種減氮模式，在苗期和拔節(jié)期灌水兩次，灌水量共90 mm，使產(chǎn)量提高或維持穩(wěn)定，土壤硝態(tài)氮殘留減少，水氮利用效率提高。