種植密度和灌溉、施氮模式對(duì)冬小麥土壤水分狀況、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

王曉森，呂謀超*，王森，蔡九茂,李迎，秦京濤，范習(xí)超，王和洲

種植密度和灌溉、施氮模式對(duì)冬小麥土壤水分狀況、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

王曉森1,2，呂謀超1,2*，王森1,2，蔡九茂1,2,李迎1,2，秦京濤1,2，范習(xí)超1,2，王和洲1,3

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部節(jié)水灌溉工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002 3.河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，河南 商丘 476000）

【】探索農(nóng)業(yè)節(jié)水、減肥背景下豫北地區(qū)冬小麥高產(chǎn)高效種植模式。采用測(cè)坑試驗(yàn)設(shè)置了密度、灌溉和追氮3因素，其中密度因素設(shè)置2個(gè)水平（D1：500萬(wàn)株/hm2基本苗；D2：300 萬(wàn)株/hm2基本苗），灌溉因素設(shè)置3個(gè)水平（W1：返青和灌漿初期灌水；W2：返青、拔節(jié)和灌漿初期灌水；W3：返青、拔節(jié)、抽穗和灌漿初期灌水；各生育期灌水定額均相同），追氮因素設(shè)置2個(gè)水平（N1：氮肥返青期一次性追施；N2：氮肥在返青期和抽穗期分2次追施）對(duì)冬小麥土壤水分狀況、葉片生理指標(biāo)、產(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)行研究。小麥春季灌返青水、拔節(jié)水和灌漿水處理（W2）可在1 m深度土層內(nèi)形成由淺至深逐漸增加的土壤水分梯度，即能形成適宜冬小麥生長(zhǎng)的土壤水分環(huán)境又提高了不同土層土壤水的利用。灌水生育期越多冬小麥灌漿期旗葉光合速率（n）、蒸騰速率越高，但葉片水分利用效率則隨灌水生育期的增多而降低；D2處理n高于D1處理n；N2處理n高于N1處理n。種植密度地增加能極顯著的提高單位面積小麥穗數(shù)（＜0.01），但導(dǎo)致穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量極顯著下降；灌溉因素對(duì)穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量和灌溉水利用效率（）的影響均達(dá)顯著水平（＜0.05），其中千粒質(zhì)量隨灌水生育期的增加而增加，隨灌水生育期的增加而降低，而穗粒數(shù)和產(chǎn)量的最大值均出現(xiàn)在W2處理，其次才是W3處理和W1處理；在氮肥追施總量相同的情況下，N2處理的千粒質(zhì)量和產(chǎn)量均值比N1處理均值有顯著增加。此外，小麥籽粒中的氨基酸和蛋白質(zhì)隨灌水生育期的增加而減少；N1處理氨基酸和蛋白質(zhì)均值比N2處理的稍高。通過(guò)回歸分析發(fā)現(xiàn)，氨基酸和蛋白質(zhì)量隨產(chǎn)量的增加而線性下降。豫北地區(qū)大穗型冬小麥節(jié)水減肥推薦種植模式為：種植密度為300萬(wàn)株/hm2基本苗，足墑播種條件下春季灌返青水、拔節(jié)水和灌漿水，每次灌水定額為75 mm；基施復(fù)合肥養(yǎng)分量N、P2O5和K2O均為90 kg/hm2，返青期和抽穗期各追氮肥1次，每次施純氮60 kg/hm2。

密度；灌水；追氮；冬小麥；產(chǎn)量；品質(zhì)

0 引言

【研究意義】我國(guó)水資源短缺，人均水資源總量不及世界的1/4，農(nóng)業(yè)用水占到全社會(huì)總用水量的近60%，提高水分利用效率是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題[1]。要提高小麥水分利用效率，就需要優(yōu)化小麥返青后的灌水次數(shù)和灌水時(shí)機(jī)，達(dá)到提高水分利用效率與豐產(chǎn)有機(jī)結(jié)合的目的[2-3]?！狙芯窟M(jìn)展】小麥前期灌溉次數(shù)的增加會(huì)推遲抽穗期，縮短灌漿時(shí)間，而氮肥則以促進(jìn)莖蘗成穗為主，籽粒中的蛋白質(zhì)和氨基酸隨灌水量的增加而降低，隨施氮量的增加而增加[3]。傳統(tǒng)上，氮肥大部分基施，其余在小麥返青期一次性追施，但這樣做會(huì)使氮素隨后續(xù)灌水次數(shù)的增加深層滲漏和揮發(fā)，引起氮素使用效率下降和環(huán)境惡化[4-6]；過(guò)量追施氮肥還會(huì)導(dǎo)致小麥莖稈陡長(zhǎng)，引起倒伏[7]。如何在氮肥施用總量不增的情況下，通過(guò)優(yōu)化氮肥田間管理達(dá)到小麥豐產(chǎn)的目的是今后研究的重點(diǎn)。有專家指出追氮時(shí)機(jī)后移可有效提高小麥莖稈力學(xué)性能，促進(jìn)冬小麥各營(yíng)養(yǎng)器官花前貯藏干物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)與分配，增加粒數(shù)和粒質(zhì)量，提高產(chǎn)量[8-9]。合理的種植密度是小麥豐產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一，過(guò)高的種植密度容易導(dǎo)致小麥光合作用下降，籽粒生長(zhǎng)速率降低，千粒質(zhì)量下降等一系列問(wèn)題[10]。密度及追氮時(shí)期對(duì)產(chǎn)量性狀有明顯的互作效應(yīng)，增加種植密度可使單位面積成穗數(shù)有所提高，但密度過(guò)高穗數(shù)的增益難以抵償穗粒數(shù)和粒質(zhì)量下降的損失，適當(dāng)增加密度，配合后期追氮是小麥實(shí)現(xiàn)超高產(chǎn)的有效途徑[11]。密度對(duì)產(chǎn)量影響較大，對(duì)品質(zhì)影響較小，施氮處理對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)均有重要影響，適當(dāng)增施氮肥可以使籽粒產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和加工品質(zhì)同步提高[12]。因此，小麥種植密度要與科學(xué)的水肥管理措施相結(jié)合才能發(fā)揮其最大效能[11-15]。

【切入點(diǎn)】前人對(duì)于單一要素研究較多，而對(duì)于水氮密耦合對(duì)于冬小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響研究較少，尤其缺少在節(jié)水減氮背景下冬小麥高產(chǎn)高效種植模式研究?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】針對(duì)冬小麥生產(chǎn)中存在的上述問(wèn)題，本次研究選取豫北地區(qū)典型冬小麥新品種為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)種植密度、灌溉模式和追氮模式三因素組合試驗(yàn)研究，分析其對(duì)冬小麥返青后土壤水分狀況、葉片生理指標(biāo)、產(chǎn)量和品質(zhì)影響，以期為冬小麥科學(xué)種植和田間管理提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地基本情況

試驗(yàn)于2017年10月—2018年6月在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)七里營(yíng)綜合實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行（東經(jīng)113.80o，北緯35.15o），試驗(yàn)地點(diǎn)為大型移動(dòng)式防雨棚測(cè)坑，試驗(yàn)過(guò)程不受降雨影響。本次試驗(yàn)測(cè)坑共有24組，東西雙排排列，每排12組，分層填裝當(dāng)?shù)氐湫屯寥?。單個(gè)測(cè)坑面積6.67 m2，深3 m，有底。測(cè)坑內(nèi)土質(zhì)為壤土，體積質(zhì)量為1.56 g/cm3，田間持水率為25%（質(zhì)量含水率），pH值8.3，土壤中堿解氮量58.68 mg/kg，速效磷量25.14 mg/kg，速效鉀量93.47 mg/kg，有機(jī)質(zhì)量1.34 g/kg。試驗(yàn)用冬小麥品種為大穗型新品種‘百農(nóng)207’，于2017年10月15日播種，播種時(shí)40 cm土層的平均含水率為田持的85%，11月中旬定苗，每坑?xùn)|西向種植小麥各10行，行距10 cm。播種前每坑施復(fù)合肥作為底肥，其中N、P2O5和K2O均為90 kg/hm2。

1.2 試驗(yàn)地氣象條件

2018年1月1日—5月31日冬小麥主要生長(zhǎng)季日平均溫濕度如圖1所示。日平均溫度最大值為31.2 ℃，最小值為-1.7 ℃，平均值為12.2 ℃；日平均濕度最大值為98%，最小值為17%，平均值為54.4%。

圖1 試驗(yàn)地空氣溫濕度

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 試驗(yàn)各處理組合編號(hào)

注 總灌水量包含小麥播種前75 mm的灌水。

1.4 測(cè)試項(xiàng)目與方法

1）旗葉光合速率（n）、蒸騰速率（r）：采用Li-6400光合儀于2018年5月8日測(cè)定，測(cè)定葉片為小麥旗葉，測(cè)定時(shí)間為上午10:00—11:00，活體測(cè)定，每處理3次重復(fù)。

2）葉片水分利用效率（）：n/r，n和r單位均為μmol/（cm2·s）。

3）產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量：在小麥成熟期，從測(cè)坑中隨機(jī)選取1 m2小麥穗，經(jīng)過(guò)風(fēng)干脫粒后秤測(cè)籽粒質(zhì)量，然后換算成單位面積產(chǎn)量，單位為kg/hm2；穗數(shù)由人工數(shù)測(cè)；穗粒數(shù)由測(cè)產(chǎn)后1 m2小麥粒數(shù)除以穗數(shù)計(jì)算取得；千粒質(zhì)量由全自動(dòng)數(shù)粒機(jī)數(shù)測(cè)小麥籽粒1 000粒，然后用精度0.01 g的天平秤測(cè)質(zhì)量。產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量測(cè)定均為每處理3次重復(fù)。

4）土壤水分：本次試驗(yàn)土壤水分變化由安裝在測(cè)坑內(nèi)土壤三參數(shù)傳感器（5TE，美國(guó)Decon公司）測(cè)定，傳感器安裝共5個(gè)土層，深度分別為20、40、60、80 cm和100 cm，每層安裝傳感器1個(gè)。傳感器與CR1000采集器相連，采樣頻率設(shè)為10 min，通過(guò)定期下載采集器內(nèi)的數(shù)據(jù)可以觀測(cè)到測(cè)坑內(nèi)土壤水分的動(dòng)態(tài)變化。

5）灌溉水利用效率（）：，為產(chǎn)量（kg）；為灌水量（m3）。

6）冬小麥品質(zhì)指標(biāo)：氨基酸和蛋白質(zhì)，均委托農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心測(cè)定，其中蛋白質(zhì)含量由凱氏定氮法測(cè)定（GB5009.5—2016）、氨基酸量由茚三酮顯色法測(cè)定（GB5009.124—2016）。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

本次試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析采用SAS8.1完成，程序選擇GLM，各試驗(yàn)因子的主效應(yīng)采用Duncan變量多重比較法完成，處理間的差異采用LSD法。圖表由Excel 2013制作。

米閥電路如圖4所示，米閥電路的使能信號(hào)和開(kāi)關(guān)位置信號(hào)由單片機(jī)進(jìn)行控制。圖4中開(kāi)關(guān)K1所在位置4接+24V高電位，1接地低電位，米閥開(kāi)關(guān)位置在閉合處。R2為上拉電阻，默認(rèn)是PNP三極管高電平不導(dǎo)通。與傳送帶控制電路原理相同，三極管導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)吸合改變位置，開(kāi)關(guān)K1所在位置4接地低電位，1接+24V高電位，開(kāi)關(guān)位置在開(kāi)合處。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分動(dòng)態(tài)變化

圖2為2018年2月6日—5月26日返青至成熟期不同灌溉模式下低密度冬小麥土壤水分動(dòng)態(tài)變化。2月23日灌返青水前各土層土壤含水率較為一致，均呈由淺至深逐漸增加的趨勢(shì)，灌水后各土層傳感器數(shù)值均直線上升，然后隨著小麥耗水逐漸下降。圖2（a）為返青期和灌漿初期灌水處理（W1），灌水時(shí)間分別為2月23日和5月5日。從圖2（a）可以看出，返青至灌漿由于是冬小麥營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)及生殖生長(zhǎng)旺盛期，需水較多，騰發(fā)耗水較大，20～100 cm各土層含水率均快速下降，至灌漿水前，20～80 cm土層土壤含水率均下降至小于灌返青水前土壤含水率，且雖經(jīng)灌漿水但后期各土層土壤含水率仍下降至較低的水平，各土層土壤水分差異不大。圖2（b）為返青期、拔節(jié)期和灌漿初期灌水處理（W2），與W1處理相比增加了3月26日拔節(jié)水。灌拔節(jié)水有效補(bǔ)充了各土層拔節(jié)期至灌漿期的土壤含水率，但40 cm以上淺層土壤含水率仍下降較快，至灌漿前下降至小于返青前的水平，而60～100 cm土層的土壤含水率較高且則隨土層深度的增加而增加，土壤含水率有明顯的“梯度效應(yīng)”。圖2（c）為返青期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿初期灌水處理（W3），與W2處理相比又增加了4月13日抽穗水。從圖中可以看出返青至灌漿初期增灌拔節(jié)和抽穗水使冬小麥各土層土壤含水率均維持在高于返青前的水平。增灌抽穗水使抽穗至灌漿后期土壤水分出現(xiàn)明顯的“兩極分化”，其中40 cm以上土層土壤水分較低，下降較快，而60 cm以下土層土壤水分較高且差異不大。此外，從圖2可以看出，相比其他生育期，抽穗以后不同土層土壤水分曲線下降斜率有明顯增加的趨勢(shì)。

2.2 冬小麥旗葉生理指標(biāo)

表2為冬小麥灌漿水后不同處理旗葉光合速率（n）、蒸騰速率（r）及葉片水分利用效率（），測(cè)定時(shí)期W1、W2和W3處理1 m土層內(nèi)平均相對(duì)含水率為60%、70%和80%。從表2可以得出，冬小麥低密度處理比高密度處理的n、r高；而灌溉模式中的不同生育期灌溉次數(shù)越多則旗n、r越大；追2次氮肥處理比追1次氮肥n、r高。至于則恰好相反，不同生育期灌溉次數(shù)越多則越低，而種植密度和追氮次數(shù)對(duì)的影響不大。

表2 不同處理?xiàng)l件下冬小麥旗葉Pn、Tr和LWUE

注 同一列數(shù)據(jù)不同字母表示在＜0.05水平下差異顯著，下同。

2.3 冬小麥產(chǎn)量、品質(zhì)和灌溉水利用效率

表3為不同處理冬小麥產(chǎn)量、品質(zhì)及灌溉水利用效率。冬小麥單位面積穗數(shù)隨種植密度、灌水生育期和追氮次數(shù)的增加而增加，其中種植密度對(duì)穗數(shù)影響的主效應(yīng)達(dá)極顯著水平（＜0.01），而灌溉模式和追氮模式對(duì)穗數(shù)影響的主效應(yīng)并不顯著，三因素對(duì)穗數(shù)影響的交互效應(yīng)亦不顯著。本次試驗(yàn)穗數(shù)最多的處理為D1W1N2處理，而最少的則為D1W1N1處理。冬小麥穗粒數(shù)隨種植密度增加而極顯著減少；灌溉模式對(duì)穗粒數(shù)影響的主效應(yīng)亦達(dá)顯著水平（＜0.05），穗粒數(shù)最大值出現(xiàn)在W2處理，其次是W3、W1處理；而追氮模式對(duì)穗粒數(shù)影響的主效應(yīng)不顯著。本次試驗(yàn)穗粒數(shù)最高的處理為D2W2N2處理，而最低的處理則為D1W3N2處理。對(duì)于千粒質(zhì)量，種植密度、灌溉模式和追氮模式對(duì)千粒質(zhì)量影響的主效應(yīng)均達(dá)顯著或極顯著水平，冬小麥千粒質(zhì)量隨種植密度的增加而減少，隨灌水生育期和追氮次數(shù)的增加而增加；此外，種植密度和追氮模式二因素的交互效應(yīng)及種植密度、灌溉模式和追氮模式三因素的交互效應(yīng)對(duì)千粒質(zhì)量影響均達(dá)顯著水平。本次試驗(yàn)千粒質(zhì)量最高的仍為D2W2N2處理，最低的為D1W1N1處理。對(duì)于產(chǎn)量，灌溉模式和追氮模式對(duì)產(chǎn)量影響的主效應(yīng)達(dá)顯著水平，其中灌溉模式最高的處理出現(xiàn)在W2處理，其次是W3處理和W1處理；而追氮模式中的N2處理均值比N1處理均值有顯著增加。此外，種植密度和追氮次數(shù)的交互效應(yīng)以及種植密度、灌水模式和追氮模式三因素的交互效應(yīng)對(duì)產(chǎn)量影響亦達(dá)顯著水平。本次試驗(yàn)理論產(chǎn)量最高的處理為D2W2N2處理，而最低的處理為D1W1N1處理。

表3 不同處理冬小麥產(chǎn)量、品質(zhì)構(gòu)成因子及灌溉水利用效率

注 *表示因子作用在＜0.05水平下達(dá)顯著水平；**表示因子作用在＜0.01水平下達(dá)極顯著水平，下同；表示因子作用不顯著。氨基酸和蛋白質(zhì)量每處理只測(cè)定1次，無(wú)方差分析。

對(duì)于灌溉水利用效率（），灌溉模式對(duì)影響的主效應(yīng)達(dá)顯著水平，隨灌水生育期的減少而極顯著提高（＜0.01），其中W1處理均值最高，其次是W2處理均值和W3處理均值；D2處理均值高于D1處理均值，N2處理均值高于N1處理均值，但種植密度和追氮模式二因素對(duì)影響的主效應(yīng)不顯著。此外，灌溉模式和追氮模式二因素的交互作用以及種植密度、灌溉模式和追氮模式三因素間的交互作用對(duì)的影響亦達(dá)顯著水平。本次試驗(yàn)灌溉水利用效率最高的處理為D2W1N1處理，最小的為D1W3N2處理和D1W1N1處理。

本次試驗(yàn)測(cè)定的冬小麥籽粒15種氨基酸總和與含蛋白質(zhì)量如表3所示。本次試驗(yàn)氨基酸和蛋白質(zhì)量最高的處理為D1W1N1處理，最小的為D2W2N2處理。

2.4 冬小麥產(chǎn)量、品質(zhì)構(gòu)成因子及灌溉水利用效率間相關(guān)性分析

表4為冬小麥產(chǎn)量、品質(zhì)構(gòu)成因子及灌溉水利用效率相關(guān)系數(shù)。產(chǎn)量與千粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)（＜0.01）與灌溉水利用效率（）顯著正相關(guān)（＜0.05）。此外，穗粒數(shù)與穗數(shù)顯著負(fù)相關(guān)。而品質(zhì)指標(biāo)與產(chǎn)量指標(biāo)和灌溉水利用效率間的相關(guān)性均為負(fù)相關(guān)，其中氨基酸和蛋白質(zhì)與產(chǎn)量間的相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，與千粒質(zhì)量間的相關(guān)性達(dá)顯著水平，氨基酸與間的相關(guān)性亦達(dá)顯著水平。此外，氨基酸和蛋白質(zhì)間的相關(guān)性達(dá)到極顯著正相關(guān)水平。

從相關(guān)分析可以知道冬小麥品質(zhì)中的氨基酸和蛋白質(zhì)隨產(chǎn)量的增加而線性下降，為描述品質(zhì)指標(biāo)與產(chǎn)量詳細(xì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)它們進(jìn)行了回歸分析，具體如圖3示。產(chǎn)量與氨基酸回歸關(guān)系式的決定系數(shù)要好于與蛋白質(zhì)回歸關(guān)系式的決定系數(shù)，通過(guò)此回歸關(guān)系式，輸入產(chǎn)量水平可估算本試驗(yàn)條件下的冬小麥籽粒中氨基酸和蛋白質(zhì)量大致水平。

表4 冬小麥產(chǎn)量、品質(zhì)構(gòu)成因子及灌溉水利用效率間的相關(guān)系數(shù)

圖3 冬小麥產(chǎn)量與氨基酸、蛋白質(zhì)關(guān)系

3 討論

3.1 冬小麥春季適宜灌溉模式

冬小麥返青后灌溉模式關(guān)系到能否取得小麥豐產(chǎn)及水資源高效利用，一直是業(yè)界研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。本次通過(guò)土壤水分動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（圖2所示）發(fā)現(xiàn)，僅灌返青水和灌漿水，其間72 d無(wú)灌水，將使1 m土層土壤水分大幅下降，各土層土壤水差異減小，雖提高了土壤水利用效率，但會(huì)導(dǎo)致灌漿前各土層土壤水分均低于返青前的水平。有研究表明，小麥拔節(jié)后的生長(zhǎng)應(yīng)在適宜的土壤水分中進(jìn)行，過(guò)低的土壤水分不利于小麥拔節(jié)、抽穗的生長(zhǎng)，最終影響小麥產(chǎn)量和干物質(zhì)形成[16-17]。而在返青、灌漿間增灌拔節(jié)水，則在1 m不同土層內(nèi)形成了由淺至深土壤水分逐漸增加的梯度，提高了土壤水的利用，優(yōu)化了小麥不同深度根系吸水環(huán)境。而如在拔節(jié)和灌漿間繼續(xù)增灌抽穗水，將導(dǎo)致抽穗后小麥耗水主要以40 cm以上土層為主，而60 cm以下各土層土壤水分雖有消耗但降幅不大，不利于小麥對(duì)不同土層土壤水分的吸收與利用，也不利于麥后深層土壤對(duì)夏季降雨的儲(chǔ)蓄與利用。對(duì)此有專家指出，小麥總耗水量與灌水量成正相關(guān)，與土壤水消耗量呈負(fù)相關(guān)，春季灌水次數(shù)越多則淺層土壤水占總耗水的比例越高[2]。此外，灌漿后期土壤水分過(guò)高還會(huì)導(dǎo)致小麥貪青晚熟，不利于小麥獲得高產(chǎn)。

相比其他生育期，冬小麥抽穗后不同土層土壤水分曲線下降斜率有明顯增大的趨勢(shì)，這表明此生育期為冬小麥耗水強(qiáng)度最大生育期；而返青至拔節(jié)初期土壤水分曲線變化較為平緩，冬小麥耗水強(qiáng)度并不大。因此，冬小麥春季灌溉應(yīng)是分別安排在返青期、拔節(jié)中期和揚(yáng)花或灌漿初期灌溉。此研究結(jié)論與已有的研究結(jié)論相似[18]，但也與一些專家提出的冬小麥返青后不灌返青水，只灌拔節(jié)和揚(yáng)花2水的研究結(jié)論有所差異[2,19]。究其原因可能是試驗(yàn)所處的底墑環(huán)境的差異造成的，底墑高低是決定冬小麥?zhǔn)欠窆喾登嗨年P(guān)鍵因素。此外，在水資源匱乏地區(qū)若春灌只能灌2水，則針對(duì)冬小麥返青后不同墑情條件的灌水時(shí)機(jī)研究也是今后研究的方向。

3.2 試驗(yàn)因素對(duì)冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

灌溉模式中的灌水生育期越多則灌水量越大，1 m土層平均土壤含水率越高，冬小麥灌漿期旗葉光合、蒸騰速率越高，但葉片水分利用效率則隨灌溉次數(shù)增多而降低；低種植密度小麥旗葉光合速率高于高種植密度小麥旗葉光合速率。對(duì)此前人有研究發(fā)現(xiàn)土壤相對(duì)含水率超過(guò)80%時(shí)，冬小麥光合速率會(huì)降低而蒸騰速率會(huì)增加，從而導(dǎo)致葉片水分利用效率的下降[20]；過(guò)高的種植密度會(huì)導(dǎo)致小麥旗葉光合作用下降[10]，但也有研究表明旗葉光合速率隨著種植密度的增加沒(méi)有顯著變化，而是倒3葉和倒5葉呈顯著下降，多穗型品種下降幅度大于大穗型品種[21]。在總的施氮量相同的條件下，返青期、抽穗初期分2次追施氮肥處理的光合速率要高于返青期1次追施全部氮肥處理的光合速率。

種植密度的增加能極顯著的提高單位面積小麥穗數(shù)，但會(huì)使穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量極顯著下降（表3）。這表明一定范圍內(nèi)種植密度的提高對(duì)于穗數(shù)增加的作用可以彌補(bǔ)其對(duì)小麥穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量下降的影響，使小麥的產(chǎn)量不至于下降，但由于過(guò)量播種導(dǎo)致的生產(chǎn)成本的增加在生產(chǎn)實(shí)際中顯然是不經(jīng)濟(jì)的，相似的研究結(jié)論在前人的研究中也有體現(xiàn)[11-15]。灌溉模式對(duì)穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量和灌溉水利用效率（）的影響均達(dá)顯著水平。穗粒數(shù)和產(chǎn)量的最大值均出現(xiàn)在W2處理，其次才是W3處理和W1處理。有專家指出小麥拔節(jié)至灌漿期的土壤水分要適宜，過(guò)低的土壤水分不利于后期小麥干物質(zhì)形成；而土壤水分過(guò)高會(huì)推遲抽穗期，從而縮短了灌漿時(shí)間[21-23]。在氮肥追施總量相同的情況下，N2處理的千粒質(zhì)量和產(chǎn)量均值比N1處理均值有顯著增加，這與前人得出的氮肥后移可增加冬小麥粒數(shù)和粒質(zhì)量的研究結(jié)論是一致的[8-9]。此外，種植密度和追氮模式二因素的交互作用及種植密度、灌溉模式和追氮模式三因素的交互作用對(duì)小麥千粒質(zhì)量和產(chǎn)量的影響達(dá)顯著水平，而灌溉模式和追氮模式二因素對(duì)千粒質(zhì)量和產(chǎn)量的交互作用未達(dá)顯著水平，這與以往水氮耦合能夠?qū)π←湲a(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響研究結(jié)論不同[3,18]，原因是以往研究結(jié)論的得出是在不同的灌水量和不同施氮量組合試驗(yàn)條件下得出的，而本次試驗(yàn)各處理施氮總量均相同，只是追氮模式存在區(qū)別。本次研究通過(guò)相關(guān)分析（表4所示）發(fā)現(xiàn)，冬小麥產(chǎn)量與千粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)，而小麥千粒質(zhì)量會(huì)隨平均灌漿速率的增加而增加[24-28]，因此生產(chǎn)實(shí)際中要協(xié)調(diào)好水、肥、密三者的關(guān)系，在控制好小麥群體密度的前提下通過(guò)提高灌漿速率、延長(zhǎng)灌漿時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)。通過(guò)以上分析并結(jié)合本次試驗(yàn)結(jié)果，產(chǎn)量最高的D2W2N2處理正是集中了適宜的種植密度，合理的灌溉和追氮模式得出的，最主要的驅(qū)動(dòng)因素為穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量的增加；而產(chǎn)量最低的D1W1N1處理則恰好相反，種植密度過(guò)大，返青后的不同生育期灌溉次數(shù)偏少，追氮采取返青期一次追施全部氮肥，未發(fā)揮氮肥適度后移對(duì)小麥干物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)與分配的促進(jìn)作用等。因此，D2W2N2處理?xiàng)l件可以作為本地區(qū)大穗型冬小麥節(jié)水減肥種植模式推廣。

3.3 試驗(yàn)因素對(duì)冬小麥籽粒品質(zhì)指標(biāo)的影響

通過(guò)對(duì)冬小麥籽粒中的氨基酸和蛋白質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)（表3所示），氨基酸和蛋白質(zhì)隨灌水生育期的增加而減少，這與前人的研究結(jié)論也基本一致[18]；返青期1次性追施全部氮肥的處理比在返青期和抽穗期分2次追施氮肥處理的氨基酸和蛋白質(zhì)量稍高；而種植密度對(duì)小麥氨基酸和蛋白質(zhì)量影響不大。對(duì)此有專家指出密度對(duì)產(chǎn)量影響較大，對(duì)品質(zhì)影響較小[12,29]，但也有研究表明小麥籽粒蛋白質(zhì)量會(huì)隨密度的增加而降低[30]。通過(guò)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，氨基酸和蛋白質(zhì)與產(chǎn)量構(gòu)成因子均呈負(fù)相關(guān)，其中與產(chǎn)量的相關(guān)性達(dá)極顯著水平，相似的研究結(jié)果在以往的研究[31]中也有發(fā)現(xiàn)。這表明在總氮源一定的情況下，小麥雖能通過(guò)灌水、追氮的優(yōu)化組合提高產(chǎn)量，但也會(huì)帶來(lái)籽粒氨基酸和蛋白質(zhì)量下降的問(wèn)題（圖3），這就要求今后試驗(yàn)工作要圍繞如何通過(guò)科學(xué)水氮管理達(dá)到小麥增產(chǎn)和調(diào)質(zhì)的統(tǒng)一，產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的定向調(diào)控的方向而努力。

最后，以上研究結(jié)論的得出是在防雨棚測(cè)坑條件下取得的，其農(nóng)田生態(tài)條件與大田還是有區(qū)別的，得出的研究結(jié)論仍需大田試驗(yàn)的佐證。

4 結(jié)論

1）冬小麥春季灌返青、拔節(jié)和灌漿水可以在1 m不同土層內(nèi)形成了由淺至深逐漸增加的土壤水分梯度。

2）種植密度的增加能極顯著的提高冬小麥單位面積穗數(shù)，但會(huì)使穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量極顯著下降。灌溉模式對(duì)穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量和灌溉水利用效率的影響均達(dá)顯著水平，其中千粒質(zhì)量隨灌水生育期的增加而增加；灌溉水利用效率隨灌水生育期的增加而降低；而穗粒數(shù)和產(chǎn)量的最大值均出現(xiàn)在灌返青水、拔節(jié)水和灌漿水的處理。此外，返青期和抽穗期分2次追施氮肥處理的千粒質(zhì)量和產(chǎn)量比在返青期1次追施全部氮肥的處理有顯著增加。

3）在氮肥施用水平一致的條件下，小麥產(chǎn)量的提高會(huì)伴隨籽粒蛋白質(zhì)和氨基酸的下降。

冬小麥本研究中節(jié)水減肥種植模式為：小麥播種量187.5 kg/hm2（約合基本苗300萬(wàn)株/hm2）；足墑播種的條件下春季灌溉模式為返青水、拔節(jié)水和灌漿水（期間如有降雨則視墑情而定），每次灌水75 mm；基施復(fù)合肥養(yǎng)分量N、P2O5和K2O均為90 kg/hm2，返青期和抽穗期各追氮肥1次，每次施純氮60 kg/hm2。

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Optimizing Planting Densities, Irrigation and Nitrogen Topdressing to Improve Bioavailable Soil Water and Yield and Quality of Winter Wheat

WANG Xiaosen1,2, LYU Mouchao1,2*, WANG Sen1,2, CAI Jiumao1,2, LI Ying1,2, QIN Jingtao1,2, LIU Jieyun1,2, FAN Xichao1,2, WANG Hezhou1,3

(1.Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China; 2. Key Laboratory of Water-saving Engineering, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Xinxiang 453002, China;3. National Agro-ecological System Observation and Research Station of Shangqiu, Shangqiu 476000, China)

【】Water and fertilizer use efficiency of crops depends on many factors, and the objective of this paper is to investigate experimentally how to achieve this through optimizing planting density, irrigation and nitrogen topdressing.【】The experiment was conducted in lysimeters with winter wheat used as the model plant. It compared two planting densities: 5×106plant/hm2(D1) and 3×106plant/hm2(D2). For each planting density, there were three irrigation treatments: irrigating at the turning-green stage and the grain-filling stage (W1), irrigating at the turning-green stage, jointing stage and grain-filling stage (W2), irrigating at the turning-green stage, jointing stage, heading stage and grain-filling stage (W3), and two nitrogen topdressing treatments: topdressing all nitrogen at the turning-green stage, topdressing a half at the turning-green stage and the other half at the jointing stage. In each treatment, we measured the changes in soil water contents.【】Irrigating scheduling W2made soil water in 0～100 cm more suitable for the crop to grow and increased its water use efficiency. Increasing irrigation frequency enhanced photosynthetic and transpiration rates, but it reduced leaf water use efficiency and the content of amino acid and protein in the grain. Increasing planting density or nitrogen topdressing frequency can improve photosynthetic rate even when the total amount of nitrogen application was the same. Increasing planting density increased spike numbers, but reduced grain numbers per spike and kernel weight, all at significant level (<0.001). Irrigation scheduling affected grain numbers per spike, kernel weight, crop yield, and irrigation water use efficiency () at significant level (<0.05); increasing irrigation frequency at different growing stages increased the kernel weight but reduced. Irrigation scheduling W2gave the highest grain numbers per spike and yield, followed by W3, with W1being the least. When the amount of nitrogen used in the topdressing was the same, increasing topdressing frequency increased the kernel weight and yield significantly, but reduced the content of amino acid and protein in the grain. Planting density did not show significant effects on amino acids and protein in the grains. Regression analysis revealed that the content of amino acid and protein in the grains decreased linearly as the crop yield increased. 【】The optimal agronomic practices for winter wheat in our studied regions were: Planting density 3×106plant/hm2; three irrigations, each with 75 mm of water, at the turning-green stage, jointing stage and grain filling stage respectively; base fertilization N, P2O5and K2O, each at the rate of 90 kg/hm2; topdressing nitrogen at the turning green stage and jointing stage, each with 60 kg/hm2.

planting density; irrigation scheduling; topdressing nitrogen; winter wheat; yield; grain quality

王曉森, 呂謀超, 王森, 等.種植密度和灌溉?施氮模式對(duì)冬小麥土壤水分狀況?產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(9): 48-56.

WANG Xiaosen, LYU Mouchao, WANG Sen, et al. Optimizing Planting Densities, Irrigation and Nitrogen Topdressing to Improve Bioavailable Soil Water and Yield and Quality of Winter Wheat[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(9): 48-56.

S274

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020353

1672 – 3317（2021）09 - 0048 - 09

2020-06-30

科技創(chuàng)新工程所級(jí)重點(diǎn)任務(wù)（CX0001-0401）；NSFC-河南人才培養(yǎng)聯(lián)合基金項(xiàng)目（U1504530）；2020年度新鄉(xiāng)市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（23）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0800605）

王曉森（1975-），男。副研究員，碩士，主要從事節(jié)水灌溉基礎(chǔ)理論研究。E-mail: ngswxss@126.com

呂謀超（1968-），男。研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail:lvmouchao@caas.cn

責(zé)任編輯：韓洋