殷修帥,王仕穩(wěn),鄧西平,4,李雨霖,楊文稼,孫海妮

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,陜西 楊凌 712100; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100; 4.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100)

黃土高原作為我國典型雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，水、氮是影響該地區(qū)小麥產(chǎn)量的兩個(gè)主要因素?？蒲泄ぷ髡咦隽舜罅康乃蜀詈显囼?yàn)[1-6]，但因地力、種植模式、氣候因子等因素影響，不同地區(qū)的研究結(jié)果也不盡相同。對于底墑較好的地區(qū)氮肥效應(yīng)要大于水分效應(yīng)[7-10]，但有限的灌溉下，配合適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)分，將使得水分效應(yīng)大于養(yǎng)分效應(yīng)[11-12]。在20世紀(jì)80年代，有研究認(rèn)為限制小麥產(chǎn)量的主要因子是肥[13]，主要通過增施氮肥提高小麥產(chǎn)量。但隨著氮肥的持續(xù)高量投入，土壤已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的污染[14-15]，長期過量的肥料施用還會(huì)加速土壤水庫的耗竭，加劇水分匱乏，影響作物的生長。而目前針對黃土塬區(qū)的研究往往采取多次補(bǔ)灌等方式補(bǔ)充土壤水分，總補(bǔ)灌量甚至大于100 mm[16-19]，實(shí)際生產(chǎn)中并不利于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)。為此，針對黃土高原水分緊缺的情況，通過需水關(guān)鍵期少量灌溉研究對小麥的生產(chǎn)則更具有現(xiàn)實(shí)意義。有研究指出黃土旱塬區(qū)冬小麥最佳施氮量為140～180 kg/hm2，相應(yīng)的產(chǎn)量是4 157～4 527 kg/hm2[20-21]。以渭北施氮140 kg/hm2，上下浮動(dòng)20 kg/hm2為適中范圍，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，渭北約有64%調(diào)查點(diǎn)施肥過量，施氮合理的僅占30%。施肥過量造成地下水硝酸鹽含量升高、氮肥農(nóng)學(xué)效率顯著下降等問題[22-23]。有研究表明渭北旱塬有著較大的減肥潛力，基于目前產(chǎn)量可減少約37%的氮肥施用量[24]。因此，試驗(yàn)設(shè)想能否通過需水關(guān)鍵期少量灌溉，在保證產(chǎn)量不降的情況下減少氮肥施用。試驗(yàn)通過設(shè)置水氮二因素，采用低灌水量配合減氮處理，研究限量水氮條件下小麥的群體、產(chǎn)量和耗水特性的變化，以期為小麥栽培中節(jié)水減氮提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)采用大田試驗(yàn)方法，于2015—2017年在陜西省長武縣中科院水利部水土保持研究所長武試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)站位于黃土高原中南部，陜西省長武縣洪家鄉(xiāng)。海拔1 200 m，年日照時(shí)數(shù)2 226.5 h，年均氣溫9.1℃，年均降水578.5 mm，7—9月降水量約占全年降水總量的54%，地下水深埋50～80 m，無霜期171 d，氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，地區(qū)是典型旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。2016年度降雨是413.2 mm，屬干旱年。2017年度降雨602.0 mm，屬豐水年[25]。兩年的逐月降水量如圖1所示。

試驗(yàn)地土壤屬黑壚土，播前土壤基本養(yǎng)分含量如下：0—20 cm有機(jī)質(zhì)10.5 g/kg，全氮0.8 g/kg，礦質(zhì)態(tài)氮[26-27]4.5 mg/kg(德國AA3流動(dòng)分析儀測定)，速效磷14.0 mg/kg，速效鉀140.0 mg/kg，容重1.3 g/cm3。

圖1 2015-2017年逐月降水量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)小區(qū)采取裂區(qū)設(shè)計(jì)。水分處理為主區(qū)，氮肥處理為副區(qū)。小區(qū)面積60 m2(5 m×12 m)。試驗(yàn)在施磷(以純磷計(jì)算)120 kg/hm2的基礎(chǔ)上，共設(shè)置4個(gè)氮水平，施氮量(以純氮計(jì)算)分別是0 kg/hm2、60 kg/hm2、120 kg/hm2、180 kg/hm2。每個(gè)氮水平重復(fù)三次。水分處理設(shè)置2個(gè)，分為全生育期不灌溉(N0，N60，N120，N180)和拔節(jié)期灌溉30 mm水(N0W，N60W，N120W，N180W)兩種處理，每處理重復(fù)三次。灌溉采用噴灌方法，通過水表讀數(shù)和時(shí)間控制灌水量和均勻度。

供試品種選用“長旱58”，每年9月30日播種，次年6月30日收獲。小麥播種采用人工播種方式，常規(guī)平作。播種量為150 kg/hm2，行距22 cm。試驗(yàn)肥料：氮肥是尿素(46%N)，2/3作為基肥施入，1/3作為拔節(jié)期追肥。磷肥是過磷酸鈣(12%P2O5)，作為基肥一次性施入，其他管理措施同當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣管理模式。

1.3 測定指標(biāo)

1.3.1 群體調(diào)查 在各小區(qū)選取長勢均勻的1 m雙行樣段，在小麥返青、拔節(jié)、灌漿、成熟期定點(diǎn)調(diào)查群體莖蘗數(shù)。

1.3.2 地上生物量 在小麥返青、拔節(jié)、灌漿、成熟期每小區(qū)不同行選取兩個(gè)30 cm長勢均勻樣段，連根拔出，記錄株數(shù)后去根，80℃烘干稱地上生物量。

1.3.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素 小麥成熟時(shí)每小區(qū)收割代表性測產(chǎn)區(qū)塊6 m2，記錄穗數(shù)，風(fēng)干后稱重測產(chǎn)，從測產(chǎn)籽粒中取樣測定千粒重。各小區(qū)選取30個(gè)麥穗進(jìn)行考種。

1.3.4 土壤儲(chǔ)水及耗水量 采用土鉆法測定土壤含水率。分別在播前、返青、拔節(jié)、灌漿、灌漿末期、成熟期采集0～2 m土樣，采集方法是0～1 m深度土樣每10 cm取一樣本，1～2 m深度土樣每20 cm取一樣本，采用烘干法計(jì)算土壤含水量。土壤含水量、土壤儲(chǔ)水量、生育期耗水量、水分利用效率及變異系數(shù)計(jì)算公式如下：

土壤質(zhì)量含水量=(土壤鮮重-土壤干重)/土壤干重×100%

土壤儲(chǔ)水量E=C×ρ×H×10，其中E是儲(chǔ)水量(mm)；C是土壤水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g/g)；ρ是土壤容重(g/cm3)；H是土層深度(mm)。

生育期耗水量ET=P+U-R-F-ΔW，式中：ET是耗水量(mm)；P為降水量(mm)；R為徑流量(mm)；U為地下水補(bǔ)給量(mm)；F為深層滲漏量(mm)；ΔW為生育時(shí)期末土壤貯水量與生育時(shí)期初土壤貯水量之差(mm)。試驗(yàn)地區(qū)為黑壚土，疏松多孔，再加上試驗(yàn)地平整，地表徑流小，地下水深埋在40 m以下，不易上移補(bǔ)給。在有作物生長的農(nóng)田，多雨年份降水入滲深度不超過2 m，所以F，U，R可忽略不計(jì)[28]。因此該公式可化簡為：ET=P-ΔW。

水分利用效率WUE=Y/ET，其中WUE是土壤水分利用效率[kg/(hm2·mm)]；Y是籽粒產(chǎn)量(kg)；ET是農(nóng)田耗水量(mm)[29]。

變異系數(shù)C.V=(SD/MN)×100%，其中C.V是變異系數(shù)，SD是標(biāo)準(zhǔn)差，MN是平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)中所得數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2007和IBM SPSS Statistics 20.0進(jìn)行處理，采用Duncan法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮水平下灌溉對小麥群體莖蘗動(dòng)態(tài)的影響

如圖2所示，全生育期群體莖蘗數(shù)隨施氮量增加呈增加趨勢，群體莖蘗數(shù)均在返青—拔節(jié)期達(dá)到最大，此后逐漸下降。2015—2017年分別是干旱年和豐水年，相較于N120處理，成熟期N120W的群體莖蘗數(shù)分別增加了9.8%和13.0%。同時(shí)，補(bǔ)灌降低了0 kg/hm2氮水平下的群體莖蘗數(shù)，兩年度成熟期群體莖蘗數(shù)分別下降20.2%和4.6%。表明合適氮水平下拔節(jié)補(bǔ)灌能夠顯著提高小麥的群體莖蘗數(shù)，而在不施氮情況下，補(bǔ)灌則顯著降低了群體莖蘗數(shù)。而且干旱年拔節(jié)補(bǔ)灌對群體莖蘗數(shù)的影響要大于豐水年補(bǔ)灌效果。

注：小寫字母代表各生育期內(nèi)不同氮水平之間的差異(p<0.05)。橫坐標(biāo)軸1,2,3,4分別代表返青期—拔節(jié)期，拔節(jié)期—開花期，開花期—灌漿期，灌漿期—成熟期。

圖2不同處理下冬小麥各生育期群體莖蘗動(dòng)態(tài)

2.2 不同施氮水平下小麥莖蘗成穗率

不同處理下兩年平均成穗率如表1所示，各處理的莖蘗數(shù)均是隨著施氮量的增加而增加。在返青—拔節(jié)期N120和N180莖蘗數(shù)最大且無顯著差異。成穗率N60，N120和N180間無差異但均顯著大于N0。補(bǔ)灌處理成熟期莖蘗數(shù)隨施氮量增加而增加，N120W和N180W無顯著差異。相較于N120處理，補(bǔ)灌顯著提高了N120W成熟期有效穗數(shù)和成穗率。同時(shí)，相較于N0處理，補(bǔ)灌降低了N0W成熟期莖蘗數(shù)和成穗率，但N0W和N0差異不顯著。說明拔節(jié)期補(bǔ)灌能夠增加120 kg/hm2氮水平下的成熟期莖蘗數(shù)和成穗率，因N120W和N180W無顯著差異，所以補(bǔ)灌可以在保證產(chǎn)量的同時(shí)減少氮肥施用量。

表1 不同處理下2015-2017冬小麥莖蘗成穗率

注：表中小寫字母代表各生育期內(nèi)不同氮水平之間的差異(p<0.05)；大寫字母代表同一氮梯度下澆水與不澆水間差異(p<0.05)。

2.3 不同施氮水平下灌溉對小麥地上部生物量的影響

干物質(zhì)積累是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，干物質(zhì)積累量的多少及轉(zhuǎn)運(yùn)效率的高低直接影響產(chǎn)量的形成。如圖3所示，各處理地上部生物量均呈緩慢、迅速、再緩慢增加的趨勢。返青期—拔節(jié)期是緩慢增加階段，各氮處理間差異不大，但均顯著大于0 kg/hm2氮水平處理。拔節(jié)期—灌漿期是迅速增加階段，地上部生物量除0 kg/hm2氮水平處理，其他各氮水平間無顯著差異。灌漿期—成熟期是緩慢增長階段，2015—2016年成熟期地上生物量隨施氮量的增加而增加。拔節(jié)期灌溉的各施氮水平下，成熟期N120W地上生物量最大，較N120處理提高了13.0%；N0W地上生物量最小，較N0處理下降了35.6%。2016—2017年因?yàn)槌墒炱诮涤贻^集中等原因，成熟期各處理地上生物量較灌漿期略有減小。不灌溉各處理從返青到灌漿期與上一年度相同，成熟期N120與N180地上生物量無顯著差異。拔節(jié)期補(bǔ)灌的各氮水平下，成熟期N120W地上生物量最大，較N120提高了14.6%，N0W地上生物量較N0減少了14.1%。說明拔節(jié)期少量補(bǔ)灌一定程度上增加了120 kg/hm2氮水平下的地上生物量，施氮量繼續(xù)增加至180 kg/hm2時(shí)，補(bǔ)灌對地上生物量的增加幅度不顯著。

2.4 不同施氮水平下灌溉對冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量三要素的影響

如表2所示，從產(chǎn)量及其三要素分析，除2016—2017年因?yàn)槌墒炱诮涤贻^多，導(dǎo)致120 kg/hm2和180 kg/hm2氮水平的千粒重下降之外，各處理隨施氮量的增加，產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重均呈增加趨勢。灌溉提高了120 kg/hm2氮水平下的產(chǎn)量，同時(shí)降低了0 kg/hm2氮水平的產(chǎn)量。比較N120W和N120及N0W和N0處理發(fā)現(xiàn)，灌溉主要通過影響成熟期穗數(shù)進(jìn)而影響產(chǎn)量。從不同年份分析，2015—2017兩年分別是干旱年和豐水年，灌溉處理N120W較N120產(chǎn)量分別提高了18.9%和17.6%，N0W較N0產(chǎn)量分別降低了42.4%和25.9%。結(jié)果表明在干旱年拔節(jié)補(bǔ)灌對產(chǎn)量的影響大于豐水年份。從施氮和灌水單因素方面分析，在同一灌溉條件下產(chǎn)量隨施氮量增加而增加，當(dāng)施氮量大于120 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量不再增加。在同一施氮不同灌水處理下，施氮120 kg/hm2時(shí)增產(chǎn)幅度最大，產(chǎn)量與施氮180 kg/hm2時(shí)無顯著差異。綜合水氮單因子和交互作用分析，施氮120 kg/hm2水平下拔節(jié)補(bǔ)灌30 mm水是最優(yōu)處理。

2.5 不同施氮水平下灌溉對土壤儲(chǔ)水量的影響

小麥各生育期土壤儲(chǔ)水的變化如圖4所示。從播前到成熟土壤儲(chǔ)水呈下降趨勢，成熟期土壤儲(chǔ)水量最低。2015—2016年播前到返青階段降雨較為集中，各處理土壤儲(chǔ)水量略有增加且無顯著差異。返青到灌漿期是作物需水關(guān)鍵期，土壤儲(chǔ)水量隨施氮量增加下降幅度增大，土壤儲(chǔ)水N180=N120

注：小寫字母代表各生育期內(nèi)不同氮水平之間的差異(p<0.05)。橫坐標(biāo)軸1,2,3,4分別代表返青期—拔節(jié)期，拔節(jié)期—開花期，開花期—灌漿期，灌漿期—成熟期。

圖3 不同處理下冬小麥各生育期地上部生物量

注：表中小寫字母代表各生育期內(nèi)不同氮水平之間的差異(p<0.05)；大寫字母代表同一氮梯度下澆水與不澆水間差異(p<0.05)；NS表示在0.05水平下差異不顯著；**表示在0.01水平上差異顯著。

注：橫坐標(biāo)軸1,2,3,4,5,6分別代表播前，返青期，拔節(jié)期，灌漿期，灌漿末期，成熟期。

圖4不同處理下冬小麥各生育期0～2m土壤儲(chǔ)水量

2.6 不同施氮水平灌溉對冬小麥耗水量與水分利用效率的影響

小麥生育期內(nèi)的總耗水量和水分利用效率如圖5所示。兩年度總耗水量隨施氮量的增加而增加，同一氮水平下補(bǔ)灌處理耗水量增加不顯著，而水分利用效率呈先增加后降低的趨勢。比較2015—2016年干旱年和2016—2017年豐水年總耗水量和水分利用效率發(fā)現(xiàn)，豐水年各氮水平的耗水量顯著增加，而水分利用效率顯著減小。說明施氮量和總供水量的增加促進(jìn)了耗水量的增加。水分利用效率隨總供水量的增加而減小，隨施氮量的增加先增加后降低。一定范圍內(nèi)增施氮肥，能夠提高水分利用效率。

注：表中小寫字母代表各生育期內(nèi)不同氮水平之間的差異(p<0.05)；大寫字母代表同一氮梯度下澆水與不澆水間差異(p<0.05)；WC1，WC2，WUE1，WUE2分別代表不灌溉處理的耗水量、灌溉處理的耗水量、不灌溉處理的水分利用效率、灌溉處理的水分利用效率。

圖5冬小麥耗水量與水分利用效率

3 討 論

小麥分蘗數(shù)是決定產(chǎn)量的重要因素，在生育前期(越冬—返青)保持較優(yōu)的群體莖蘗數(shù)量，生育中期(拔節(jié)—孕穗)保持較高的成穗率，是高產(chǎn)的重要基礎(chǔ)之一[30]。在小麥需水敏感期缺水將顯著影響群體莖蘗數(shù)、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重等。拔節(jié)期是小麥需水的高峰期，拔節(jié)期灌溉是小麥獲得較高穗數(shù)的基礎(chǔ)[31]。有研究指出拔節(jié)不灌水處理比灌水處理穗數(shù)降低14.6%[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，各處理的群體莖蘗數(shù)在返青—拔節(jié)期后逐漸下降，拔節(jié)期以后迅速降低。灌溉的各處理群體莖蘗數(shù)也隨施氮量的增加而增加。灌溉對不同的氮水平下群體莖蘗數(shù)影響不同，兩年試驗(yàn)結(jié)果均表明灌溉能夠顯著增加N120W的群體莖蘗數(shù)，提高了N120W在成熟期的有效穗數(shù)，兩年度分別增加了9.8%和13.0%。同時(shí)，灌溉會(huì)顯著降低成熟期N0W的群體莖蘗數(shù)，降低幅度達(dá)到20.2%。說明在黃土高原旱區(qū)拔節(jié)灌溉30 mm的前提下，施氮120 kg/hm2更有助于小麥高產(chǎn)。

關(guān)于施氮水平對小麥地上部形態(tài)構(gòu)建，干物質(zhì)積累和產(chǎn)量構(gòu)成的影響前人已經(jīng)做了大量研究[33-35]。增施氮肥能夠促進(jìn)植株對氮素的吸收，保持較高的成穗率，從而保證產(chǎn)量的提高。小麥地上部生物量隨著施氮量的增加而增加。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，地上生物量隨著施氮水平的增加而增加，當(dāng)施氮大于120 kg/hm2時(shí)地上生物量增加不顯著。拔節(jié)灌溉對不同的施氮處理影響不同，本試驗(yàn)拔節(jié)期灌溉顯著增加了N120W的地上生物量，但降低了N0W的地上生物量。這可能是由于N0W養(yǎng)分供應(yīng)不足，根系下扎深度較小，拔節(jié)后根系衰退較多，灌溉對表層根系有抑制作用，導(dǎo)致地上生物量降低[36-37]。施氮量大于120 kg/hm2時(shí)，繼續(xù)施氮對小麥增產(chǎn)幅度變小，造成資源的浪費(fèi)，本試驗(yàn)中施氮120 kg/hm2，拔節(jié)灌溉30 mm水時(shí)顯著增加了地上生物量，提高了水氮利用效率，說明這一灌溉施肥方案具有可持續(xù)性。

通過對兩年的小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量三要素的分析發(fā)現(xiàn)，小麥籽粒產(chǎn)量及穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重等隨著施氮量的增加而增加，施氮量大于120 kg/hm2時(shí)產(chǎn)量增加不顯著。研究發(fā)現(xiàn)，拔節(jié)灌溉主要促進(jìn)了穗數(shù)和千粒重的增加，從而促進(jìn)籽粒產(chǎn)量的增加，尤其在干旱年份灌溉導(dǎo)致的差異更顯著。2016—2017年小麥千粒重沒有隨施氮量增加，甚至隨施氮量增加而減小，可能是因?yàn)樵诠酀{末期到籽粒成熟期階段，降雨過多及光強(qiáng)減弱導(dǎo)致已衰老的小麥根系在氧氣稀少的土壤中根系活力迅速下降，小麥提前成熟，加之氣溫較高，灌漿期縮短，導(dǎo)致千粒重和產(chǎn)量下降[38-39]。

黃土高原地區(qū)地下水深埋40 m以下，0～2 m的土壤儲(chǔ)水變化一定程度反映作物的水分消耗情況。本研究結(jié)果表明，土壤儲(chǔ)水量隨施氮水平增加下降幅度增大，超過120 kg/hm2時(shí)，土壤儲(chǔ)水下降不明顯，同時(shí)，通過對各處理耗水量和水分利用效率分析發(fā)現(xiàn)，灌溉后N120W的耗水量沒有顯著增加，但顯著提高了其水分利用效率，同時(shí)灌溉導(dǎo)致了N0W的水分利用效率顯著下降。以上結(jié)果表明，在合適的氮水平下拔節(jié)補(bǔ)灌才能夠提高水分利用效率，合適的氮水平更有利于對水分的利用，這與前人的研究結(jié)論是一致的[40]。本試驗(yàn)研究認(rèn)為在施氮120 kg/hm2時(shí)拔節(jié)期補(bǔ)充灌溉為最優(yōu)處理。因此，在黃土高原少量的補(bǔ)灌條件下，配合適當(dāng)?shù)牡昧?，呈現(xiàn)水分效應(yīng)大于氮肥效應(yīng)，能夠達(dá)到通過少量補(bǔ)灌減少氮肥投入，以提高小麥產(chǎn)量的目的。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)在不同施氮水平下分析了拔節(jié)期少量補(bǔ)灌對小麥群體動(dòng)態(tài)、地上生物量、產(chǎn)量及水分利用效率的影響。施氮120 kg/hm2條件下拔節(jié)期補(bǔ)灌30 mm水群體莖蘗數(shù)增幅最大，N120W處理的群體莖蘗數(shù)與N180、N180W處理無顯著差異且顯著大于N120處理。在不施氮條件下補(bǔ)灌則會(huì)顯著降低群體莖蘗數(shù)。補(bǔ)灌效果在干旱年對群體莖蘗數(shù)的影響大于豐水年。

各處理地上生物量隨生育期的推進(jìn)逐漸增大，成熟期N120W處理地上生物量最大。繼續(xù)增加施氮量，補(bǔ)灌對生物量的增加不顯著。同時(shí)，補(bǔ)灌會(huì)導(dǎo)致不施氮處理的地上生物量顯著降低。從產(chǎn)量方面分析，干旱年拔節(jié)補(bǔ)灌對產(chǎn)量的影響大于豐水年份。在補(bǔ)灌條件下當(dāng)施氮量大于120 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量不再增加。在同一施氮水平下，N120W增產(chǎn)幅度最大，產(chǎn)量與N180和N180W處理無顯著差異。兩年耗水量和水分利用效率表明，耗水量隨施氮量增加略有增加，補(bǔ)灌對生育期總耗水量影響不顯著，但豐水年各處理的耗水量顯著增加。兩年水分利用效率均是隨施氮量增大先增加后減小，N120W水分效率最大。綜合水氮單因子和交互作用以及黃土高原地區(qū)產(chǎn)量形成和土壤水利用情況，本試驗(yàn)在保持產(chǎn)量的條件下N120W是最佳的減氮節(jié)水處理。