張 勇,吳 兵,高玉紅,張巧霞 ,王一帆,景 娜,高珍妮

(1.甘肅省干旱生境作物學國家重點實驗室/甘肅農業(yè)大學 農學院,蘭州 730070； 2.甘肅農業(yè)大學 生命科學技術學院，蘭州 730070；3.甘肅農業(yè)大學 信息科學技術學院,蘭州 730070)

水和肥已成為當今世界影響糧食安全生產的兩大主要因素[1]，二者協(xié)調利用對提高作物產量及綜合利用價值意義重大[2]。氮肥的合理施用是作物高產、穩(wěn)產的重要農藝措施之一，但氮肥施用過量，不但對增加作物經濟效益無益，反而會使氮肥偏生產率和利用效率降低[3-5]。研究表明，適宜的氮肥運籌可以顯著提高玉米[6-8]、小麥[9]的干物質積累量、氮素積累量，增加作物花后干物質對籽粒的貢獻率，提高作物產量、水分利用效率(WUE)和氮肥利用率[10]；但施氮量過高會降低氮肥利用效率和氮素收獲指數(shù)[7-8，10]。生產中不合理的氮肥基追比會影響作物籽粒產量和水分利用效率的降低，研究發(fā)現(xiàn)，小麥拔節(jié)、孕穗、開花期追肥均有利于促進地上部干物質積累與提高水分利用效率[11]和籽粒產量，且基追比為3∶7產量較高[12]。因此，合理的氮肥運籌模式可顯著提高作物干物質積累、產量以及水分利用效率。

胡麻(LinumusitatissimumL.) ，又稱油用亞麻，其生育期短、適應性廣，廣泛分布于中國甘肅、河北、內蒙、新疆等地，是中國北方地區(qū)一種重要的經濟作物[13-14]。近年來，部分學者在施氮水平對胡麻水分利用特征和耗水特性的影響方面做了大量研究，但在與施肥時期互作方向對水分利用效率方面研究較少，研究發(fā)現(xiàn)施氮150kg·hm-2結合灌水2次或3次均有利于提高胡麻產量以及氮收獲指數(shù)，合理的氮肥運籌可顯著提高胡麻籽粒產量[15]，施氮90kg·hm-2可減少其苗期至盛花期時長，增加籽粒灌漿時間，顯著增產27.35%，提高水分利用效率和氮肥偏生產力[16]。此外，增施氮肥還可改變不同土層土壤貯水量，增加作物對深層土壤水分的利用，但高氮肥不利于胡麻產量的增加以及農藝性狀的改善[17]。目前，隨著對胡麻需求量日益增大，高效的栽培措施至關重要，但關于氮肥運籌研究主要集中在玉米[18]、小麥[19-20]等大宗作物上，且對作物生長發(fā)育及產量形成過程的研究較多，針對半干旱氣候條件下氮肥運籌對胡麻耗水特性及水分利用效率的研究報道較少。因此，在西北半干旱區(qū)研究不同施氮水平及施肥時期對旱地胡麻水分利用特征及其產量形成的影響，從而達到降低土壤耗水，提高水分利用效率，篩選出胡麻高產高效的氮運籌方式，對于提高旱地胡麻籽粒產量和水資源利用效率具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年4月17日至9月21日在定西市油料研究所試驗地進行，海拔約2 040 m，年平均降水量413.8 mm，年平均氣溫6.3 ℃，極端高溫30.6 ℃，極端低溫-27.1 ℃，年日照時數(shù) 2 453 h，年無霜期213.3 d，蒸發(fā)量約1 500 mm。試驗地土壤為黃綿土，土壤速效磷含量為26.43 mg·kg-1、速效鉀108.30 mg·kg-1、全氮1.00 g·kg-1、全磷0.85 g·kg-1、有機質17.51 g·kg-1，pH 8.13，上茬作物為小麥。試驗期間當?shù)貧夂驐l件見圖1。

1.2 試驗設計

通過田間試驗，采用二因素裂區(qū)試驗設計，以當?shù)爻Ｒ?guī)施氮量180 kg·hm-2[w(N)=46%]為對照(J3)，設置2個水平減量施氮：減量2/3(J1:60 kg·hm-2)、減量1/3 (J2:120 kg·hm-2)，5個施肥時期：氮全部基施(N1)、氮肥2/3基肥+1/3追肥(現(xiàn)蕾初期)(N2)、氮肥 1/2基肥+1/2追肥(現(xiàn)蕾初期)(N3)、氮肥1/3基肥+2/3追肥(現(xiàn)蕾初期)(N4)和氮肥1/3基 肥+1/3追肥(分莖初期)+1/3追肥(現(xiàn)蕾初期)(N5)，共15個處理。小區(qū)面積5 m×4 m，小區(qū)間間隔30 cm，區(qū)組間隔40 cm，四周設1 m寬保護行。品種選用‘隴亞13號’，種植密度為750 萬株·hm-2，條播，播深3 cm，行距20 cm，過磷酸鈣[w(P2O5)=16%)]62.5 kg·hm-2，硫酸鉀[w(K2O)=52%]52.5 kg·hm-2條施，磷、鉀肥均作為基肥。其他管理方式同一般大田。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水量 分別于胡麻播前、苗期、現(xiàn)蕾期、盛花期、青果期、成熟期分土層(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm、100～120 cm、120～140 cm、140～160 cm)測定土壤含水量及土壤體積質量。按照下式計算：

土壤含水量 =(M1-M2)/M2-鋁盒×100%

式中，M1為土壤鮮質量(g) ；M2為土壤干質量(g)。

土壤貯水量：Sw=d×r×w×0.1

式中，Sw為土壤貯水量(mm) ，d為土層厚度(cm) ，r為土壤體積質量(g·cm-3) ， 本試驗區(qū)的土壤體積質量為1.21 g·cm-3；w為土壤含水量(%) 。

耗水量：ET=BFW-HAW+P

式中，ET為胡麻生育期耗水量(mm)；BFW為播前土壤貯水量；HAW為收獲后土壤貯水量；P為生育期降雨量(mm) 。

水分利用效率(WUE)=Y/ET

式中，Y為不同處理的經濟產量，ET為處理的總耗水量。

ET=(播前土壤貯水量 - 收獲后土壤貯水量) + 降水量

降水利用效率=籽粒產量/降水量

1.3.2 產量及其構成因素 胡麻收獲前每小區(qū)取樣12株進行室內考種，包括分枝數(shù)、分莖數(shù)、單株蒴果數(shù)、每果粒數(shù)、有效蒴果、無效蒴果數(shù)、千粒質量。按小區(qū)單收單打，曬干后測定小區(qū)產量。

氮肥偏生產力(PFP)=籽粒產量/施氮量

1.4 數(shù)據(jù)處理

對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Excel 2018和SPSS 21.0，多重比較使用LSD法，Duncan’s法進行差異顯著性檢測，軟件作圖采用Excel 2018。

2.1 氮肥運籌下旱地胡麻土壤含水量時空動態(tài)變化

2.1.1 不同施氮量對旱地胡麻土壤水分時空動態(tài)變化的調控效應 不同施氮水平下旱地胡麻土壤含水量隨著胡麻生育進程的推進在100 cm土層以內變幅較大(圖2)。從不同土層來看，0～20 cm土層土壤含水量在胡麻全生育期呈先降(苗 期-青果期)后增(青果期-盛花期)趨勢；20～60 cm土層除青果期外均隨土層深度的增加而逐漸降低。青果期呈先增(20～40 cm)后降(40～60 cm)的變化趨勢。60～160 m土層在盛花期、青果期、成熟期土壤含水量呈上升趨勢。

從不同生育時期來看，苗期，各施氮水平下 0～20 cm土層土壤含水量隨土層深度增加而逐漸降低。其中，0～40 cm土層土壤含水量表現(xiàn)為J3>J2>J1，40～160 cm土層為J2>J3>J1。 20～40 cm土層J3施氮水平下土壤含水量較J1水平顯著高出8.07%；在40～60 cm土層和60～80 cm土層，J3、J2水平下土壤含水量分別較J1水平顯著高出5.56%、5.81%和5.89%、7.10%；80～100 cm土層J2處理較J1處理顯著高出 8.07%。說明高施氮水平顯著提高胡麻苗期 20～40 cm土層土壤含水量，中等施氮水平顯著提高40～100 cm土層土壤含水量?，F(xiàn)蕾期，隨著生殖器官的產生，胡麻需水量逐漸增加，0～60 cm土層土壤含水量急劇降低。在0～120 cm土層各施氮處理土壤含水量之間無顯著差異；120～140 cm土層和140～160 cm土層土壤含水量表現(xiàn)為J2處理較J1、J3處理分別顯著高出7.30%、8.18%和 10.40%、9.54%。胡麻盛花期，植株生長旺盛，較前期相比土壤含水量大幅度降低。其中，20～40 cm土層土壤含水量表現(xiàn)為J2處理最高，較J3處理顯著高出20.23%；100～120 cm土層則為J3處理顯著高于J1處理(3.32%)；120～140 cm土層土壤含水量J2和J3處理分別較J1處理顯著高出7.94%和6.05%。青果期，隨著生育進程繼續(xù)推進，0～60 cm土層土壤含水量表現(xiàn)為J2> J1>J3，在80～160 cm土壤含水量表現(xiàn)為J3>J2>J1，20～40 cm土層土壤含水量J2處理較J3處理顯著高出9.98%，60～80 cm土層土壤含水量J2處理較J1處理顯著高出14.82%，80～100 cm土層土壤含水量J3處理較J1處理顯著高出 10.77%。成熟期，營養(yǎng)物質向籽粒轉運，加劇了對深層土壤水分的利用，60～80 cm、80～100 cm、100～120 cm土層土壤含水量J3處理較J1處理分別顯著高出27.43%、27.67%、 16.84%，120～140 cm土層土壤含水量J2、J3處理較J1處理分別顯著高出7.08%、9.27%。說明中施氮水平顯著增加生育前期淺層土壤含水量，在成熟期顯著增加深層土壤含水量，中等施氮量顯著增加現(xiàn)蕾期深層土壤含水量，且顯著增加盛花期、青果期淺層土壤含水量。

2.1.2 不同施肥時期對旱地胡麻土壤水分時空動態(tài)變化的調控效應 隨著胡麻生育期的推進不同施肥時期處理下各土層土壤含水量變化趨勢與不同施氮水平趨于一致(圖3)。苗期、現(xiàn)蕾期和成熟期各施肥時期處理下不同土層土壤含水量之間無顯著差異；盛花期，0～20 cm土層土壤含水量表現(xiàn)為N2和N4處理較N1、N3、N5處理分別顯著高出23.78%、22.73%、28.10%和19.07%、 17.65%、22.79%，其他土層無顯著差異；青果期，除20～40 cm土層土壤含水量在N2處理下較N5處理顯著高出16.10%外，其他各土層均無顯著差異。說明N2施肥方式可顯著提高胡麻盛花期和青果期0～40 cm土層土壤含水量。

2.1.3 氮肥運籌與旱地胡麻各土層土壤含水量的互作效應分析 由表1可以看出，施氮量(J)對旱地胡麻20～40cm、40～60cm、60～80cm和80～100 cm土層土壤含水量影響均達極顯著水平(P<0.01)，對140～160 cm土層含水量影響顯著(P<0.05)，0～20 cm和100～140 cm土層土壤含水量無顯著差異。不同施肥時期(N)處理對各土層土壤含水量均無顯著影響。施氮水平和施肥時期對各土層土壤含水量的交互效應均不顯著。

表1 氮肥運籌與旱地胡麻土壤含水量互作效應Table 1 Interaction effect between nitrogen fertilizer operation and soil moisture content of flax in dry land

2.2 氮肥運籌下旱地胡麻全生育期土壤貯水量的動態(tài)變化

在整個胡麻生育期土壤貯水量呈先降(苗期-現(xiàn)蕾期)后升(現(xiàn)蕾期-盛花期)再降(盛花期-成熟期)的變化趨勢(表2)。同一施肥時期不同施氮條件下，施氮量對胡麻苗期和成熟期貯水量影響達極顯著水平(P<0.01)，施肥時期對現(xiàn)蕾期貯水量影響顯著(P<0.05)，對盛花期和青果期貯水量無顯著影響。從胡麻不同生育時期來看，苗期，在不同施氮量下J2處理土壤貯水量較J1、J3處理顯著高出7.29%和1.02%，說明在苗期中等施氮水平顯著增加了土壤貯水量；現(xiàn)蕾期，J3處理較J1、J2處理顯著高出2.58%和1.01%；成熟期，J3處理較J1、J2處理顯著高出9.06%和 4.71%。由此可見，高施氮處理在胡麻現(xiàn)蕾期和成熟期顯著提高了土壤貯水量。從同一施氮水平不同施肥時期來看，施肥時期對現(xiàn)蕾期貯水量影響顯著(P<0.05)，對其他生育時期無顯著影響。施氮水平和施肥時期綜合運籌下表現(xiàn)為J2N4處理下胡麻現(xiàn)蕾期土壤貯水量較同一施氮量下N3和N5處理顯著高出8.45%和9.42%。兩因素間交互作用(J×N)對現(xiàn)蕾期貯水量影響顯著 (P<0.01)，現(xiàn)蕾期J2N4處理較J1N4、J1N5、J2N3、J2N5、J3N1、J3N3處理顯著高出2.88%～ 5.25%，J2N2處理較J1N1、J1N2、J1N3顯著高出6.17%～8.62%，J1施氮量下N4、N5處理顯著較低于其他處理?？傮w來看,不同施氮水平處理下，苗期中等施氮水平顯著增加了土壤貯水量，現(xiàn)蕾期、成熟期高施氮水平顯著增加了土壤貯水量，同一施氮量下不同施肥時期，現(xiàn)蕾期J2N4、J2N2處理顯著提高土壤貯水量。

表2 氮肥運籌胡麻全生育期土壤貯水量Table 2 Soil water storage of flax under nitrogen fertilizer operation during whole growth period

2.3 氮肥運籌對旱地胡麻產量性狀的影響

由表3可以看出，施氮量對胡麻植株分莖數(shù)影響顯著(P<0.05)，對分枝數(shù)、有效蒴果、無效蒴果、千粒質量無顯著影響，施肥時期對有效蒴果影響顯著(P<0.05)，二因素互作不顯著。不同施氮水平下，分莖數(shù)表現(xiàn)為J3水平顯著高于J1和J2處理15.15%和16.03%；有效果數(shù)J3N1處理較J1N4、J2N2、J2N4和J3N4處理分別顯著高出76.43%、73.87%、71.29%和64.65%，J2N5處理較J1N4、J2N2、J2N4處理分別顯著高出 74.91%、72.37%和69.82%。不同施氮水平下J3處理的胡麻無效蒴果數(shù)較J1和J2處理高出 14.30%和14.76%,差異不顯著。表明不同施氮水平下J3施氮處理能顯著增加胡麻分莖數(shù)和有效效蒴果數(shù)，為胡麻高產奠定基礎。

表3 氮肥運籌旱地胡麻產量性狀Table 3 Yield character of flax in dry land under nitrogen fertilizer operation

2.4 氮肥運籌對旱地胡麻階段耗水量的影響

由表4可以看出，在不同施氮水平處理下胡麻田間土壤耗水量表現(xiàn)為苗期和盛花期最高。青果期-成熟期階段耗水量間差異顯著(P<0.05)。二因素互作效應不顯著。不同施氮水平處理下青果期-成熟期階段耗水量表現(xiàn)為J1處理較J2和J3處理分別顯著高出1.10%和28.13%。表明J1施氮水平顯著增加胡麻青果期-成熟期階段耗水量。

表4 氮肥運籌旱地胡麻生育階段耗水量Table 4 Water consumption of flax in dry land at growth period under nitrogen fertilizer operation

2.5 氮運籌對胡麻籽粒產量及水分利用效率的影響

由表5可知，施氮量對旱地胡麻耗水量、水分利用效率、氮肥偏生產力和降水利用效率影響達極顯著水平(P<0.01)，對胡麻籽粒產量影響顯著(P<0.05)，對盛花期和青果期貯水量無顯著影響，施肥時期處理對胡麻耗水量的影響達顯著水平(P<0.05)，對籽粒產量、水分利用效率、氮肥偏生產力和降水利用效率的影響達極顯著水平(P<0.01)，兩因素間交互作用(J×N)對氮肥偏生產力影響極顯著，對耗水量、產量、水分利用效率無顯著影響。

表5 氮肥運籌胡麻籽粒產量及水分利用效率Table 5 Grain yield and water use efficiency of flax under nitrogen operation

隨施氮量的增加胡麻耗水量呈降低趨勢(表4)，在不同施氮水平下，J1處理較J2和J3處理分別顯著高出3.59%和10.34%，在J1、J2和J3氮肥水平下N1、N2和N3施肥時期的胡麻耗水量分別較同一施氮水平其余分別顯著降低 1.00%～9.01%、0.85%～4.24%和1.41%～ 7.25%。

不同施氮水平下胡麻籽粒產量表現(xiàn)為J2>J3>J1，J2處理較J3和J1處理分別顯著高出 5.38%和8.32%。不同施氮水平下N2施肥時期處理籽粒產量均達到最大。在J1施氮水平下， N1、N2處理分別較N3、N5處理顯著高出 19.67%、12.30%和21.79%、15.00%；J2水平下N2處理較其他處理處理顯著高出1.22%～ 10.55%；不同氮肥綜合運籌下，J2N2處理籽粒產量最高，較J3N3、J3N4和J3N5處理分別顯著高出11.29%～16.97%。

不同施氮水平下水分利用效率表現(xiàn)為J3>J2>J1，J3處理較J2和J1處理分別顯著高出 7.47%和18.79%，3個施氮水平下各處理間N1、N2、N1水分利用效率分別最大，處理N3、N4、N4水分利用效率最小，不同氮肥綜合運籌下，J3N1處理的水分利用效率最高，較J1N3、J1N4、J1N5、J2N3、J3N4處理顯著高出15.82%～33.26%；其次為J2N2處理，較J1N3、J1N4、J1N5、J2N3和J3N4處理顯著高出15.09%～32.43%。

降水利用效率在不同施氮水平下表現(xiàn)為 J2>J3>J1，J2處理較J3和J1處理分別顯著高出7.07%和5.37%，同一施氮水平下，J1N2處理較J1N3和J1N5處理分別顯著高出22.03%和 15.20%，J2N2處理較J2N3處理顯著高出 10.45%，J3N2處理較J3N4處理顯著高出 11.58%。

綜上所述，隨施氮量增加耗水量降低，水分利用效率增加，在不同施氮水平下產量和降水利用效率表現(xiàn)為J2>J3>J1；在同一施氮量下不同施肥時期均表示為N2處理產量、降水利用效率、氮肥偏生產力分別達到最大，且在不同處理間J2N2處理水分利用效率顯著高于其他處理。

3 討 論

在黃土高原半干旱地區(qū)，水分是制約作物生長的關鍵因素[21]，土壤含水量時空動態(tài)變化不僅受降水、灌溉的影響，氮運籌方式也是制約農田氮素吸收及水分利用效率的重要因素[22-23]。白翔斌等[24]研究發(fā)現(xiàn)，不同施氮水平在生育前、中期能夠增加淺層土壤水分利用效率，而且增加深層土壤水分上移。馮福學等[25]研究發(fā)現(xiàn)，一定施氮條件下有利于燕麥對增加深層土壤貯水的利用。本研究表明，J2施氮水平可顯著提高胡麻苗期40～100 cm土層和現(xiàn)蕾期120～160 cm土層土壤含水量，增加土壤貯水量；盛花期和青果期20～40 cm土層土壤含水量較J3處理顯著增加20.23%和9.98%。J3處理可使胡麻現(xiàn)蕾期和成熟期的土壤貯水量較J1、J2處理顯著增加2.58%、 1.01%和9.06%、4.71%。說明在胡麻生育前期植株生長較緩慢，所需水分較少，高施氮處理顯著提高了土壤含水量。現(xiàn)蕾期隨著生殖器官的產生，胡麻需水量逐漸增加，J2施氮水平顯著加大了對淺層土壤水分的消耗。段文學等[20]在小麥中研究也表明，當施氮量由90 kg ·hm-2增加到150 kg ·hm-2時，可顯著增加對深層土壤貯水利用能力,但施氮量繼續(xù)增加，土壤貯水消耗量未顯著增加。在盛花期、青果期伴隨著降雨量的增加，J2施氮水平蓄水保墑水平更加突出，顯著增加淺層土壤含水量，說明J2施氮水平不僅在生育前期顯著增加淺層土壤水分消耗，在盛花期、青果期還可增加蓄水能力。栗麗等[26]和楊永輝等[27]也指出，不同氮肥追施比例對各時期土壤貯水量影響顯著。本研究表明，在J2施氮水平下N4、N2處理較顯著提高土壤貯水量，顯著增加表層土壤蓄水能力，提高土壤含水量。因此，在作物生長旺盛階段通過控制施氮量以及施肥時期有利于改善不同土層土壤貯水量。

前人研究發(fā)現(xiàn)，施氮量與耗水量之間有明顯的線性相關關系，不同氮運籌可顯著提高提高籽粒產量和水分利用效率，且兩者間存在明顯的互作效應[28-30]。本研究發(fā)現(xiàn)，在整個生育時期J1處理耗水量較J2、J3處理顯著高出3.59%和 10.34%，水分利用效率J3顯著較J2、J1顯著高出 7.47%、18.79%，說明低施氮水平較高施氮水平顯著增加耗水量，水分利用效率降低，高施氮處理較低施氮處理耗水高峰顯著前移，且顯著增加作物對深層土壤水分的消耗[31-32]。此外，不同氮肥基追比對作物耗水量及水分利用效率影響顯著[33]。前人研究表明，在不同種植模式下小麥氮肥基追比處理比例為5∶5、3∶7是最合理的水氮運籌模式[8,34]。本研究結果表明，在不同施氮水平處理下N1、N2水分利用效率最大，表明在胡麻生育前期保持極高的肥力可顯著提高水分利用率，高施氮處理全部基施與氮肥2/3基肥和1/3現(xiàn)蕾初期追肥水分利用效率均較大，從經濟效益角度看，不同施氮水平各處理間N2處理氮肥偏生產力分別達到最大值，降水利用效率J2N2處理較其他處理高2.78%～30.97%，表明J2N2處理是符合當?shù)氐蔬\籌的合理施肥方式，可顯著提高胡麻產量及水分利用效率，起到“以肥調水”的作用。

施用氮肥在產量構成因子中的貢獻率顯著大于其他肥料，一定范圍內增施氮肥可顯著增加胡麻有效果數(shù)和每果實粒數(shù)[17]，能顯著提高籽粒產量和氮素農學利用率[35]，隨施氮量增加，其對產量相對貢獻率顯著提高[36]。王進斌等[37]研究發(fā)現(xiàn)，按照1/3基肥+2/3拔節(jié)期配施下可顯著提高玉米干物質積累和籽粒分配量，提高籽粒產量。本研究發(fā)現(xiàn)，不同施氮水平產量J2處理顯著較J3、J1處理高5.38%、8.32%，同一施氮量不同施肥時期J2N2處理較J2N1、J2N3、J2N4、J2N5處理顯著高出1.22%～10.55%。在一定范圍增施氮肥可顯著增加作物產量，不同則表現(xiàn)最為生物量的變化與籽粒產量變化相反，增施氮肥氮肥可顯著提高作物營養(yǎng)生長，未表明提高生殖生長，可見，氮肥2/3基肥和1/3追肥(現(xiàn)蕾初期)施肥方式是該區(qū)增產的較佳的胡麻氮運籌管理模式。

4 結 論

施氮水平和施肥時期對胡麻水分利用效率及產量具有顯著互作效應，合理氮運籌方式可有效改善各土層土壤含水量、貯水量，提高降水利用率，在不同施氮水平隨著施氮量增加耗水量呈降低趨勢，水分利用效率呈增大趨勢，不同施氮水平各處理間氮肥2/3基肥和1/3追肥(現(xiàn)蕾初期)施肥方式氮肥偏生產力分別達到最大值。本試驗選取施氮水平150 kg·hm-2，施肥時期為氮肥2/3基肥和1/3追肥(現(xiàn)蕾初期)時為最佳氮運籌方式，既能有效提高產量，又能顯著提高土壤水分利用效率，是該試區(qū)較佳的胡麻氮運籌管理模式。