微噴灌條件下不同水氮處理對(duì)冬小麥水氮利用和產(chǎn)量的影響

郭曾輝，雒文鶴，劉朋召，師祖姣，王 瑞，李 軍

(西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100)

冬小麥?zhǔn)侵袊?guó)主要的糧食作物，在全國(guó)農(nóng)作物種植面積中位居第三，是我國(guó)重要的商品糧和戰(zhàn)略性儲(chǔ)備糧食作物，其高產(chǎn)高效種植有著重要的社會(huì)和現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。氮素是作物生長(zhǎng)必需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素之一，施用氮肥對(duì)作物增產(chǎn)具有重要的作用[4-7]。氮素在不同生育期對(duì)小麥有不同的影響[8]，前期可以增加小麥的分蘗數(shù)、有效分蘗和分蘗成穗率[9-10]，中后期會(huì)影響小麥的葉面積指數(shù)，從而影響小麥的葉片光合作用[11-12]。小麥籽粒產(chǎn)量的 60%～80%來(lái)自于抽穗后的光合產(chǎn)物，后期氮素供應(yīng)不足會(huì)降低小麥的光合作用，導(dǎo)致小麥產(chǎn)量降低[13]。水分是影響小麥生長(zhǎng)的重要因素，在冬小麥水分虧缺敏感期進(jìn)行灌溉，有助于小麥各個(gè)器官干物質(zhì)形成，并促進(jìn)干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移、分配，提高籽粒干物質(zhì)積累量，從而提高冬小麥產(chǎn)量[14]。我國(guó)北方地區(qū)水資源普遍短缺，且水資源區(qū)域性和季節(jié)性較強(qiáng)，成為限制我國(guó)小麥生產(chǎn)的重要因素[15-17]。冬小麥正常生長(zhǎng)情況下，生育期耗水量超過(guò)400 mm[18]，而我國(guó)北方地區(qū)同期降水遠(yuǎn)不能滿足其生長(zhǎng)水分需求。20世紀(jì)90年代以來(lái)，為了節(jié)約用水量和提高灌水效率，噴灌、滴灌、滲灌技術(shù)在部分旱作區(qū)域已有適量應(yīng)用，但在關(guān)中平原廣大地區(qū)，仍然沿用著傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)和方式。傳統(tǒng)灌溉方式的水利用率較低，耗水量極大，加劇了地區(qū)水資源的短缺，且容易造成土壤板結(jié)，不利于根系的呼吸和土壤中養(yǎng)分的運(yùn)輸，還可能造成土壤次生鹽堿化[19]。為了節(jié)省灌溉用水并提高水、氮利用效率，關(guān)中平原地區(qū)冬小麥生產(chǎn)逐漸采取微噴灌，但是微噴灌條件下冬小麥的適宜灌溉量和施氮量仍然不清楚。本試驗(yàn)在微噴灌條件下設(shè)置3個(gè)灌溉量及5個(gè)施氮量處理，研究微噴灌條件下不同水、氮組合對(duì)水、氮利用效率和小麥產(chǎn)量及其經(jīng)濟(jì)效益的影響，選出微噴灌條件下適宜的灌水、施氮組合，為關(guān)中平原地區(qū)冬小麥高產(chǎn)高效水氮運(yùn)籌管理提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2017年10月-2019年6月在陜西省咸陽(yáng)市楊凌區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)曹新莊實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)(108°07′E，34°20′N)進(jìn)行，該地區(qū)年平均氣溫12.9 ℃，極端最高氣溫42 ℃，極端最低溫度 -19.4 ℃。年均降水量635.1 mm，無(wú)霜期211 d，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)。土壤為塿土，土壤養(yǎng)分含量見(jiàn)表1。0～20 cm、20～40 cm、40 cm以下土層土壤容重分為1.20 g·cm-3、1.38 g·cm-3、1.49 g·cm-3。本試驗(yàn)期間，2017-2018年全年降水量為690.4 mm，2018年-2019年全年降水量為716.8 mm。冬小麥2017年10月19日、2018年10月10日播種，2018年6月5日、2019年6月4日收獲。小麥生育期降水量見(jiàn)圖1。

圖1 2017-2019年冬小麥生長(zhǎng)季逐月降水量及近十年月均降水量Fig.1 Monthly precipitation of winter wheat in growing seasons from 2017 to 2019 and monthly average precipitation in the past 10 years

表1 試驗(yàn)地0～60 cm土層基礎(chǔ)理化性狀Table 1 Basic physicochemical properties of the experimental soil(0-60 cm)

本試驗(yàn)在冬小麥-夏玉米一年二熟制下實(shí)施小區(qū)連續(xù)定位試驗(yàn)，玉米和小麥?zhǔn)斋@后，秸稈全部還田。試驗(yàn)采用二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為灌水處理，設(shè)三個(gè)水平：W0(0 m3·hm-2)不灌溉，W1(600 m3·hm-2)于越冬期進(jìn)行灌溉，W2于越冬期、拔節(jié)期分兩次進(jìn)行灌溉，每次灌溉量600 m3·hm-2，灌溉方式為噴灌，每個(gè)小區(qū)鋪設(shè)兩條噴灌帶。副區(qū)為施肥量處理，設(shè)置N0(0 kg·hm-2)、N1(75 kg·hm-2)、N2(150 kg·hm-2)、N3(225 kg·hm-2)、N4(300 kg·hm-2)5個(gè)施氮量處理；播前施基肥，拔節(jié)期追肥，基追比7∶3；磷肥(P2O5)全部基施，施肥量為120 kg·hm-2。因本試驗(yàn)區(qū)供試土壤富鉀且實(shí)行秸稈還田，不施鉀肥。共15個(gè)處理，3次重復(fù)，小區(qū)面積91 m2(6.5 m ×14.0 m)，同一灌水量處理設(shè)置在同一區(qū)域，便于進(jìn)行灌水處理，不同灌水量處理之間進(jìn)行挖溝，防止串肥串水。供試小麥品種為普冰151，病蟲(chóng)草害防治等田間管理措施同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 土壤含水量測(cè)定

于小麥播前和成熟期，用土鉆采集0～20、 20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180、180～200 cm共10個(gè)土層土樣，采用烘干法測(cè)定土壤含水量，并計(jì)算土壤相對(duì)含水量。每小區(qū)取3個(gè)點(diǎn)，每個(gè)處理2次重復(fù)。

1.2.2 土壤貯水量與耗水量的計(jì)算

土壤貯水量=0.1×土壤容重×土層厚度×土壤含水量(%)[20]；參照Lv等[21]描述的方法計(jì)算耗水量(ET)，ET = P+I+ΔW，其中，P代表生育期降雨量(mm)；I為田間灌水量(mm)，ΔW為作物播種前與收獲后土壤蓄水變化量(mm)。

ΔW=播前土壤蓄水量-收獲后土壤蓄水量

1.2.3 產(chǎn)量測(cè)定

在小麥成熟期，每個(gè)小區(qū)選取1 m2調(diào)查穗數(shù)；隨機(jī)取10穗，數(shù)穗粒數(shù)；脫粒后自然風(fēng)干至含水量為13.0%測(cè)定千粒重。3次重復(fù)。

1.2.4 水分和氮利用效率相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算

水分利用效率=籽粒產(chǎn)量/耗水量；

灌溉水利用效率=籽粒產(chǎn)量/灌溉量；

氮肥偏生產(chǎn)力=籽粒產(chǎn)量/施氮量[22]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

用Excel 2019和SPSS 20軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖；采用ANOVA和LSD法進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水氮處理對(duì)土壤蓄水量的影響

由圖2可知，2017-2018年度，小麥播前土壤蓄水量均為563.5 mm，成熟期W2N3處理土壤蓄水量最高(470.0 mm)，W2、W1和W0處理平均蓄水量為452.2、385.7和 398.8 mm。2018-2019年度，小麥播前W2、W1和W0處理平均蓄水量為524.0、479.2和371.8 mm，收獲期平均蓄水量為396.3、343.1和371.8 mm，W2N0處理蓄水量最高(438.4 mm)。2017-2019年度，成熟期灌溉處理間土壤蓄水量趨勢(shì)均為W2>W0>W1，W2處理較W1和W0處理顯著提高成熟期土壤蓄水量。不同施氮處理對(duì)土壤蓄水量的影響不盡相同，灌溉處理對(duì)土壤蓄水量的影響大于施氮處理。

W0:不灌水; W1:越冬期灌水600 m3·hm-2; W2:越冬期和拔節(jié)期各灌水600 m3·hm-2。圖柱上不同小寫(xiě)字母表示相同時(shí)期不同施氮量處理間差異顯著(P<0.05)。W0:No irrigation; W1:Irrigation of 600 m3·hm-2at overwintering stage; W2:Irrigation of 600 m3·hm-2at over-wintering and jointing stages,respectively.Different small letters above columns within same stage indicate significant difference among different nitrogen application rates(P<0.05).圖2 不同水氮處理下小麥播前和成熟期土壤蓄水量Fig.2 Soil water storage before sowing and at maturity of winter wheat under different irrigation and nitrogen treatments

2.2 不同水氮處理對(duì)水平衡的影響

由表2可知，灌溉顯著影響耗水量和土壤蓄水量變化(ΔW)。2017-2018年度，耗水量在W2N0處理下達(dá)到最大值，為442.0 mm，耗水量隨著灌溉次數(shù)增加先增加后降低；2018-2019年度，在W2N4處理下達(dá)到最大值，為456.3 mm，耗水量隨著灌溉次數(shù)增加而增加。2017-2018年，土壤蓄水量變化(ΔW)范圍為93.5～115.7 mm，在W2N3處理下最低，W1N1處理下最高，不同灌溉處理呈W1>W0>W2；2018-2019年度，ΔW范圍為 43.8～194.9 mm，在W0N1處理下最低，W1N1處理下最高，不同灌溉處理呈W1>W2>W0。

表2 不同水氮處理冬小麥生育期耗水量和土壤蓄水量變化Table 2 Actual evapotranspiration and change of soil water storage under different irrigation and nitrogen treatments

2.3 不同水氮處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表3可知，灌溉和施氮對(duì)冬小麥穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量影響均達(dá)到顯著水平。2017-2018年度，施氮對(duì)穗數(shù)影響不顯著；2018-2019年度，灌溉對(duì)穗數(shù)影響不顯著。2017-2018年度，W2N2處理產(chǎn)量最高，為7 465.2 kg·hm-2，與W1N2處理無(wú)顯著差異。穗粒數(shù)、穗數(shù)和千粒重分別在W2N4、W2N2和W0N4處理下達(dá)到最高值，分別為45.1粒、715.0×104·hm-2和39.9 g。 2018-2019年度，W2N3處理產(chǎn)量最高，為8 560.8 kg·hm-2，穗粒數(shù)、穗數(shù)和千粒重分別在W2N0、W1N3和W2N3處理下達(dá)到最高值，分別為53.8粒、469.7×104·hm-2和43.6 g。 2017-2018年度，水氮互作效應(yīng)對(duì)產(chǎn)量和千粒重影響顯著，2018-2019年度，對(duì)穗粒數(shù)和千粒重影響顯著。同一灌溉條件下，施氮量150 kg·hm-2基礎(chǔ)上增加施氮量，冬小麥產(chǎn)量未顯著增加。

表3 不同水氮處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 3 Effects of different water and nitrogen treatments on winter wheat yield and its components

2.4 不同水氮處理對(duì)冬小麥經(jīng)濟(jì)效益的影響

由表4可知，生產(chǎn)總成本隨著灌水量和施氮量的增加而增加。2017-2018年度，冬小麥總利潤(rùn)為11 991～15 826元·hm-2，2018-2019年度，總利潤(rùn)為4 493～18 148元·hm-2。2017-2018年凈利潤(rùn)為5 522～9 362元·hm-2，在W1N2處理下達(dá)到最高值，較W2N0處理下最低利潤(rùn)增加3 840元·hm-2；2018-2019年度，凈利潤(rùn)為-941～10 854元·hm-2，在W1N3處理下達(dá)到最高值，較W0N4處理下最低凈利潤(rùn)增加11 795元·hm-2。凈利潤(rùn)隨著肥料用量和灌水量的增加呈先增加后減少趨勢(shì)，說(shuō)明過(guò)量的灌溉和施氮不僅增加生產(chǎn)總成本，還降低經(jīng)濟(jì)效益。

表4 不同水氮處理下冬小麥生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益分析Table 4 Analysis of economic benefits of winter wheat production under different irrigation and nitrogen treatments

2.5 不同水氮處理對(duì)水分利用效率、灌溉水利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力的影響

由表5可知，灌溉和施氮處理對(duì)水分利用效率和灌溉水利用效率影響顯著。2017-2018年度，水分利用效率隨著灌溉量增加先降低后增加，表現(xiàn)為W0>W2>W1；2018-2019年度，呈先增加后降低趨勢(shì)，表現(xiàn)為W1>W2>W0。同一施氮處理下，灌溉水利用效率隨著灌溉量增加而降低。同一灌溉處理下，氮肥偏生產(chǎn)力隨著施氮量增加而降低。2017-2018年度，不同水氮處理的水分利用效率值為12.8～19.3 kg·m-3；灌溉水利用效率值為4.7～12.4 kg·m-3;氮肥偏生產(chǎn)力值為8.6～106.2 kg·kg-1，施氮對(duì)氮肥偏生產(chǎn)力影響顯著。2018-2019年度，水分利用效率值為8.5～26.8 kg·m-3，氮肥偏生產(chǎn)力值為15.6～90.4 kg·kg-1，水氮處理及其互作效應(yīng)對(duì)二者影響顯著；灌溉水利用效率值為5.3～13.9 kg·m-3，灌溉和施氮對(duì)灌水利用效率影響顯著。

表5 不同水氮處理對(duì)冬小麥水分利用效率、灌溉水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力的影響Table 5 Effect of different irrigation and nitrogen treatments on water use efficiency, irrigation water use efficiency and nitrogen partial productivity of winter wheat

2.6 施氮量、灌溉量、耗水量和產(chǎn)量之間的關(guān)系

利用皮爾森相關(guān)系數(shù)得出小麥產(chǎn)量與施氮量、灌溉量、耗水量之間的關(guān)系(圖3)。通過(guò)擬合回歸方程計(jì)算出2017-2018、2018-2019年度分別在189和192 kg·hm-2施氮量下產(chǎn)量最高，平均施氮量為190.5 kg·hm-2；在816和930 m3·hm-2灌溉量下產(chǎn)量最高，平均灌溉量為873 m3·hm-2；耗水量分別在406和433 mm下小麥產(chǎn)量最高，平均耗水量為419.5 mm。小麥產(chǎn)量隨著施氮量、灌溉量和耗水量的增加呈先增加后降低趨勢(shì)。

圖3 小麥籽粒產(chǎn)量對(duì)施氮、灌溉和耗水量的響應(yīng)Fig.3 Wheat grain yield responding to nitrogen,irrigation and ET

3 討 論

3.1 不同水氮處理對(duì)土壤蓄水量和耗水量的影響

小麥對(duì)土壤水的利用狀況取決于不同深度土層中根系的分布、吸水速率及土壤有效水含量[23]。王海霞[24]研究表明，灌水能夠減少土壤水的消耗，增加土壤蓄水量。本研究表明，灌溉處理對(duì)土壤蓄水量影響顯著，2017-2019年冬小麥成熟期土壤蓄水量均表現(xiàn)為W2>W0>W1，且W1處理下冬小麥成熟期土壤蓄水量顯著低于W0處理。2017-2018年度，W1處理下各施氮處理間土壤蓄水量無(wú)顯著差異，W0和W2各施氮處理間存在顯著差異；2018-2019年度，W0處理下各施氮處理間土壤蓄水量無(wú)顯著差異，W1和W2處理下各施氮處理間存在顯著差異，兩年度間施氮處理對(duì)土壤蓄水量的影響有所差異，這與殷修帥[25]研究結(jié)論不同。增加灌溉量顯著影響土壤蓄水量變化和耗水量[26]。本研究中，土壤蓄水量變化隨著灌溉量的增加呈先增加后降低，2017-2018年度，灌溉處理間差異顯著，2018-2019年度，灌溉處理與不灌溉處理差異顯著；灌溉能增加耗水量，2017-2018年度，灌溉處理與不灌溉差異顯著，W1處理下耗水量最高，2018-2019年度，灌溉處理間差異顯著，在W2處理下耗水量最高。說(shuō)明合理的灌溉量能夠在一定程度上減少耗水量，維持土壤含水量，節(jié)約水資源。

3.2 不同水氮處理對(duì)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響

施氮與灌水作為小麥生產(chǎn)中兩項(xiàng)重要栽培措施，對(duì)小麥的產(chǎn)量具有明顯的調(diào)控作用[27-30]，適宜施氮量和灌溉量可協(xié)調(diào)小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重，獲得較高的籽粒產(chǎn)量。本研究表明，2017-2019年度，灌溉和施氮處理對(duì)冬小麥穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量影響均達(dá)到顯著水平。同一灌溉條件下，施氮150 kg·hm-2基礎(chǔ)上再增加施氮量，冬小麥產(chǎn)量不會(huì)顯著增加。2017-2018年度，W1處理下平均產(chǎn)量為7 114 kg·hm-2，W2處理下平均產(chǎn)量為6 732 kg·hm-2，較W1處理降低 5.4%；2018-2019年度，W2處理下平均產(chǎn)量為7 825 kg·hm-2，W1處理下平均產(chǎn)量為7 537 kg·hm-2，較W2處理降低了3.7%。徐家鵬等[31]研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)藥和化肥投入較高是造成小麥生產(chǎn)成本過(guò)高的原因之一。小麥的凈利潤(rùn)受小麥產(chǎn)量和種植成本的影響，2017-2018年度，雖然總利潤(rùn)在W2N2處理下達(dá)到最高值18 402 元·hm-2，但凈利潤(rùn)在W1N2處理下達(dá)到最高值11 933 元·hm-2；2018-2019年度，總利潤(rùn)在W2N3處理下達(dá)到最高值21 102元·hm-2，凈利潤(rùn)在W1N3處理下達(dá)到最高值13 727 元·hm-2。說(shuō)明增加成本會(huì)造成資源浪費(fèi)。

3.3 不同水氮處理對(duì)水氮利用效率的影響

提高水和氮的利用效率有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)化發(fā)展。前人研究表明，過(guò)量施氮并不會(huì)增加水分利用效率[32-33]。2017-2019年冬小麥水分利用效率隨著施氮量增加呈先增加后降低趨勢(shì)。同一灌溉處理下，施氮150 kg·hm-2的基礎(chǔ)上再增加施氮量，水分利用效率不會(huì)顯著增加。周加森[34]研究表明，隨著施氮量增加，氮肥偏生產(chǎn)力與施氮量呈負(fù)相關(guān)。本研究中，氮肥偏生產(chǎn)力隨著施氮量增加而降低。灌溉能夠提高氮肥偏生產(chǎn)力，但水分利用效率和灌溉水利用效率與灌溉量呈負(fù)相關(guān)[35]。在本研究中，灌溉能夠提高氮肥偏生產(chǎn)力，2017-2018年可持續(xù)化發(fā)展趨勢(shì)為W1>W2>W0，2018-2019年可持續(xù)化發(fā)展趨勢(shì)為W2>W1>W0，灌溉處理間差異不顯著，與不灌溉處理差異顯著。2017-2018年可持續(xù)化發(fā)展灌溉對(duì)灌溉水利用效率影響不顯著，隨著灌溉量的增加而降低。2017-2019年灌溉對(duì)水分利用效率影響顯著，2017-2018年水分利用效率隨著灌溉量增加呈先降低后增加，為W0>W2>W1，2018-2019年呈先增加后降低，為W1>W2>W0，這與前人結(jié)果研究不同。本研究結(jié)果表明，一定范圍內(nèi)增加施氮肥量和灌溉量能夠提高水氮利用效率。

水分利用效率受作物及品種的制約，同時(shí)也受農(nóng)業(yè)土壤因素、降雨、土壤水分等多種因素共同影響。本試驗(yàn)研究中，2017-2019年兩季小麥生育期內(nèi)降雨僅差3.7 mm，但是2017-2018年播前土壤貯水量高于2018-2019年，這可能是造成兩年水氮利用效率規(guī)律和產(chǎn)量出現(xiàn)差異的原因。

4 結(jié) 論

2017-2019年降水條件下，小麥越冬期噴灌600 m3·hm-2就可以滿足小麥獲高產(chǎn)的水分需求。在此灌溉條件下，施氮150 kg·hm-2處理具有較高的冬小麥產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益和氮肥偏生產(chǎn)力，為關(guān)中平原灌溉和施氮模式的最佳組合。