圆形喷灌机条件下不同灌水施肥量对冬小麦产量的影响

薛 彬，李 雪，严海军(中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083)

0 引 言

冬小麦是一种重要的粮食作物，提高小麦的产量和品质是关系到国家粮食安全的大事件。水、肥、热、气、光是农作物生活的五大要素[1]，土壤中的水分状况直接影响着肥、热、气的状况。从1980年起到2010年间，我国化肥施用量以年均5%的速度增长，每公顷耕地面积上化肥施用量约是世界平均化肥用量的4倍，田间施用化肥过量，现已成为农业点源污染的主要来源[2]。因此采取合理的措施来提高化肥的利用率, 减少化肥的施用量势在必行。近几年，水肥一体化技术已经成为灌溉施肥模式的新趋势，例如，以色列农业灌溉面积的90%以上采用水肥一体化技术，液体肥料占肥料中的80%以上，并且绝大多数灌溉采用计算机智能控制系统[3]。水肥耦合有利于提高肥料利用率[4]，当水分与肥料供应协调时能显示出明显的协同效应。研究表明，水肥耦合存在阈值反应[5]，明确这一阈值有利于作物增产。传统的地面灌水条件下农田蒸发能力明显高于喷灌条件，并且前者的冬小麦产量和水分利用效率明显低于后者[6]。由于冬小麦的全生育期通常是从当年10月份到次年6月份，该时段自然降水少，通常从播种至成熟需灌水4～5次，耗水量较大，因此采取先进的节水灌溉设备进行灌溉显得尤为重要。圆形喷灌机具有自动化程度高、单机控制面积大、适应性强等优点，在农业规模化、集约化、规范化生产的政策下得到了广阔的发展空间[7]。圆形喷灌机可以通过控制水和肥的量来实现精准高效的水肥一体化灌溉，提高水肥利用率。

目前，国内关于圆形喷灌机条件下冬小麦灌溉施肥模式的研究还比较少，本文利用圆形喷灌机技术对水肥耦合条件下冬小麦的生长指标及产量进行研究，为制定高效节水的冬小麦灌溉施肥模式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本次试验在北京市顺义区赵全营镇万亩方冬小麦示范基地进行，该地位于北纬40°18′，东经116°28′，海拔约35 m，试验时间为2013年10月-2014年6月。该试验区的气候属于暖温带半湿润大陆性季风性气候，年平均气温约为11.5 ℃，年日照小时数约为2 750 h，年均相对湿度50%，多年平均降雨量约为585 mm，夏季集中了全年降雨量的75%。该试验区土壤质地为砂质壤土，测得0～80 cm土层的平均田间持水量(FC)为30.01%，干密度为1.55 g/cm3。

1.2 试验设计

试验的冬小麦品种为农大212，在2013年9月28-29日进行播种，行距为20 cm，基本苗325.5万株/hm2。冬小麦的返青为2014年3月10日，拔节为4月4日，抽穗为5月3日，灌浆为5月15日，收获为6月15日。采用圆形喷灌机进行冬小麦的水肥一体化作业，试验设置了3个灌水处理S1、S2、S3，对S3又设置两个施肥处理F1、F2，即S3F1，S3F2。S1F1、S2F1处理设置2个重复，S3F1、S3F2处理设置4个重复处理，主要是考察同一低水处理下，不同施肥处理对冬小麦产量的影响,另外由于受试验地面积的限制，因此采取上述处理方案(表1，图1)。根据冬小麦不同生育期需水特点，以土壤含水率占FC的百分率确定灌水时间，在返青期、拔节期、灌浆期的灌水下限依次设定为75%FC、80%FC、65%FC(表2)。在每个试验小区随机选2个点采用土钻取20、50、80 cm处的土，采用烘干法测土壤含水率，当含水率接近灌水下限时开始灌水。返青期并无水处理差异，从拔节期开始进行水处理的差异化。底肥施用复合肥262.5 kg/hm2(16-21-8)，二铵150 kg/hm2，折合N-69 kg/hm2、P2O5-124.5 kg/hm2、K2O-21 kg/hm2，施有机肥15 000 kg/hm2(表3)。

表1 冬小麦水肥耦合试验处理Tab.1 Experiment treatments of water-fertilizer coupling on winter wheat

图1 圆形喷灌机及试验小区布置图Fig.1 Center pivot system and experimental plot

表2 冬小麦不同生育期灌水定额水平 m3/hm2Tab.2 Table of irrigation quota for winter wheat at different growth stages

1.3 监测项目

(1)气象数据。利用安装在试验田间的自动气象站对气象参数进行采集，主要参数包括降水量，风速、风向、大气温度、相对湿度、太阳辐射等。

(2)土壤含水率。在每个试验小区内均随机选择3个点取土，土样深度均为20，50，80 cm，用烘干法测量其含水率并且结合土壤水分传感器测得水分数据进行校核。

(3)冬小麦生长指标。在每个生育期，测量冬小麦的株高，叶面积及叶面积指数(用比叶重法测量)，干物质等生长指标。在每个试验小区随机选3个观测点，每个观测点取33.3 cm(长)×20 cm(宽)，及时记录下各生育期的总茎数、有效茎数，测产时记录每公顷穗数。

(4)测产。产量由每公顷穗数、千粒重、穗粒数三者共同构成，穗粒数可由在试验小区内随机选取得1 m2内的20株冬小麦进行测定穗粒数，并数出该样方内的全部穗数，折算成每公顷穗数。待小麦自然风干后进行脱粒称重，测定千粒重。

表3 冬小麦不同施肥处理水平 kg/hm2Tab.3 Treatment levels of different fertilization in winter wheat

1.4 数据分析

运用Excel 2007与SPSS2.0软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同灌水施肥处理对冬小麦耗水量的影响

分析表4得：当施肥量一定时，累积耗水量随着灌水量的增加而升高，两者呈现正相关趋势。各处理累积耗水量增长速度是先变大后变小，可能是从拔节期到灌浆期气温升高，冬小麦蒸腾量大，再加上作物生命活动旺盛，需要消耗大量的水；由S3F1及S3F2 处理的累积耗水量变化趋势及总量可得出肥料的变化对冬小麦的累积耗水量的变化影响不大，虽然F2肥料量大于F1的，但反映在积耗水量上变化不明显。当肥量和水量共同作用于冬小麦时，水量对累积耗水量起主导作用。

表4 冬小麦灌水施肥处理累积耗水量 mmTab.4 Total water consumption of irrigation and fertilization in winter wheat

分析表5可知：当施肥量一定时，随着灌水量的增加，日均耗水量从返青期到灌浆期一直是增加的，在灌浆期到成熟期日均耗水量是一直下降的。分析S3F1、S3F2可看出日均耗水量从返青期到拔节期增加的比较缓慢，从拔节期到灌浆期增加的速度超过了S1F1与S2F1的增长速度。由于此时期作物对肥的利用率提高，此外气温升高，作物蒸腾量变大使得作物生命活动增强，故日均耗水量增长迅速；当灌水量一定时，日均耗水量与施肥量的多少变化关系不明显。可见，灌水量是影响作物耗水量的主要因素，在相同施肥制度下，高水量处理的作物耗水量显著高于中水和低水量处理，说明合理的灌水能有效促进冬小麦对土壤水分的利用，增强作物的生命活动，有助于有机物质积累，进而有利于小麦高产。

表5 冬小麦不同灌水施肥处理日均耗水量 mm/dTab.5 Daily average water consumption of winter wheat under different irrigation and fertilization treatments

2.2 不同灌水施肥处理对冬小麦主要生长指标的影响

2.2.1不同灌水施肥处理对冬小麦茎数的影响

分析表6得：应用圆形喷灌机水肥一体化灌溉下的冬小麦在拔节期总茎数、有效茎数、抽穗期有效茎数都比半固定式喷灌控制下的对应数目多。尤其在拔节期总茎数方面，前者平均要比后者每公顷大约多出248万株。在拔节期和抽穗期有效茎数方面，前者平均要比后者每公顷大约多出67.5万株，可以预测前者比后者高产很多。从返青期过后开始出现了水量的不同处理，从表6中可知：当施肥量一定时，拔节期及抽穗期有效茎数与灌水量呈现出正相关趋势，拔节期有效茎数S1F1比S2F1多34.5万株/hm2，抽穗期有效茎数S1F1比S2F1多24万株/hm2；当灌水量一定时，拔节期及抽穗期有效茎数与施肥量呈现出正相关趋势，拔节期有效茎数S3F2比S3F1大约多出52.5万株/hm2，抽穗期有效茎数S3F2比S3F1大约多出72万株/hm2。可知，在返青-拔节，拔节-抽穗期合理增加水肥的量有利于获得较高的有效茎数，进而促进高产。

表6 冬小麦不同灌水施肥处理下主要生育期的总茎数及有效茎数 万株/hm2Tab.6 Total stem number and effective number of the main growth stages of winter wheat under different irrigation and fertilization treatments

2.2.2不同灌水施肥处理对冬小麦叶面积指数的影响

分析表7得:S1F1处理下冬小麦在抽穗期与灌浆期的叶面积指数都是最大的。对照组的半固定式喷灌由于灌水与施肥是分开进行的，并且灌水排管需要大量人力，导致灌水不及时，从而影响叶片的生长，使叶面积指数偏小。抽穗期各处理的叶面积指数要大于相应处理的灌浆期的叶面积指数。从表7得：当灌水量一定时，叶面积指数与施肥量呈正相关趋势。S3F2比S3F1施用的氮素高，可得氮素对冬小麦叶片的发育有促进作用;当施肥量一定时，叶面积指数与灌水量呈正相关趋势。这说明灌水量大促进了小麦叶片的生长，增强了小麦的光合作用，促进了有机物的积累。灌水量不能过量，是由于当灌水过多时叶片会变宽大，叶片会相互重叠遮荫，使光合效率，蒸腾作用和气体交换作用变弱，这样会影响冬小麦干物质的形成，进而影响其产量和品质。小麦群体存在适宜的叶面积指数范围，在这范围内，小麦产量与叶面积指数呈现出正相关性[8]。因此要制定合理的灌水施肥制度，使得叶面积指数在适宜的范围内，进而提高冬小麦的产量和品质。

表7 不同灌水施肥处理下冬小麦叶面积指数Tab.7 The leaf area index of winter wheat under different irrigation and fertilization treatments

2.2.3不同灌水施肥处理对冬小麦产量的影响

分析表8得：对于每公顷穗数而言，灌水量的多少对每公顷穗数没有产生显著性差异,每公顷穗数随着灌水量的增加而增加,由前面的分析知灌水量的增加使得冬小麦的有效茎数增加，进而使得公顷穗数增加;对于千粒重而言，灌水S1下的千粒重与灌水S2、S3下的千粒重有显著性差异，灌水S1下的千粒重为56.35 g比S2、S3大约多出11 g。灌水S2与S3下的千粒重没有显著性差异，两水处理下的千粒重差距很小。综合可得灌水S2水平以下对千粒重的影响不大，灌水S1处理有助于千粒重。千粒重与籽粒的饱满程度有关系，灌水S1处理下籽粒较S2与S3处理的籽粒饱满，故其千粒重高于S2与S3的千粒重；3个灌水处理S1、S2、S3下的穗粒数没有产生显著性差异。3个水处理的平均穗粒数差距较小，在误差允许的范围内。说明不同水处理对平均穗粒数影响不大。表中S1处理下千粒重较S2、S3大，但是平均穗粒数几乎一样，说明S1处理下冬小麦籽粒较饱满;对于产量而言，S1灌水量下的产量与S3灌水量下的产量有显著性差异。S2灌水量下的产量与S1、S3没有显著性差异。

表8 不同灌水处理对冬小麦公顷穗数、千粒重、穗粒数、产量的显著性分析Tab.8 The significance of different irrigation treatments on the ear, thousand-grain weight, grain number and yield of winter wheat

注：其中小写字母为0.05显著性水平，表8的数据都是在施肥量一定的情况下得到的。

分析图2得：当施肥量一定时，产量与灌水量呈现正相关趋势；当灌水量一定时，S3F1与S3F2处理的产量几乎一样，可见在本试验中施肥量对产量的影响不大，水肥耦合作用下，灌水量对产量起到主导作用。F1处理施用纯N为286.20 kg/hm2，F2处理施用纯N为336.30 kg/hm2，设置的肥料水平处理对冬小麦的产量影响不大。从表9中可看出利用圆形喷灌机水肥一体化的最大产量为9 975 kg/hm2，比对照组采用半固定式喷灌机灌溉冬小麦的增产35%。

表9 不同灌水施肥处理下冬小麦的平均产量Tab.9 Average yields of winter wheat under different irrigation and fertilization treatments.

注：对照组为半固定式喷灌。

图2 不同灌水施肥处理下冬小麦平均产量对比图Fig.2 Comparison of average yields of Winter Wheat under different irrigation and fertilization treatments

3 讨 论

相同的施氮量下，在一定的灌水范围内，增加灌水量能有效地促进冬小麦对土壤水分的吸收，提高冬小麦的耗水量，这和马兴华等人[9]得出的在同一施氮水平下，小麦的总耗水量随着灌水量的增加而升高的结论相符合。在相同的灌水量下，该试验增加施氮量后总耗水量几乎不变，这和候翠翠等人[10]得出的随着施氮量的增加，小麦耗水量先升高后降低的结论不符。原因可能是设置的氮肥处理较少，下一步增加氮肥的处理来进一步研究。在相同的施肥量下，在一定的灌水范围内，冬小麦产量随着灌水量的增加而升高，这与栗丽等人[11]研究得出的冬小麦的籽粒产量随灌水量的增加而升高的结论相符合。在灌水量一定时，拔节期总茎数随着施肥量的增加几乎不变，这与赵雪飞等人[12]在2006-2007年研究的各生育期的总茎数随着施氮量增加而升高这一结论不符。原因可能是该试验的施氮量梯度不够大以及设置的氮肥处理较少，导致试验结果不明显。在施氮量一定时，叶片的叶面积指数随着灌水量的增加而增大，这与张忠学等人[13]研究的结论相符。由于叶面积指数能很好地反映出冬小麦生长态势，因此针对叶面积指数与产量等指标的关系值得进一步深入研究。

4 结 语

(1)冬小麦的各生育期中，从拔节期到灌浆期，其累计及日均耗水增加量都最大，因此，确保从拔节期到灌浆期的灌水量，有助于冬小麦的高产，并且适当的增加氮肥量对促进小麦对土壤水分的吸收有一定的促进作用，有利于冬小麦干物质的积累。

(2)从水肥耦合的数据来看，试验中施肥量的改变较水量的改变对有效茎数的影响大。在冬小麦的抽穗期，S3F2处理的有效茎数几乎与S1F1处理的有效茎数一样。因此可以适当提高小麦施肥量来提高小麦的有效茎数。

(3)试验中冬小麦叶面积指数与灌水量、施肥量都呈现出正相关趋势。产量的构成由多种因素共同作用，从试验结果来看，圆形喷灌机水肥耦合下的冬小麦最高产量是S1F1处理，水肥耦合对冬小麦产量的影响效应中灌水量起主导作用。建议本地区冬小麦可以采用高水低肥的灌溉施肥模式。

[1] 陈珍平.水：农作物的命根子[J].治淮, 1987,(4):37-38.

[2] 栾 江,仇焕广,井 月,等.我国化肥施用量持续增长的原因分解及趋势预测[J].自然资源学报,2013,28(11):1 869-1 878.

[3] Ogg J, Alex G. Applying herbicides in irrigation water-a review[J].Crop Prod, 1986,1(5):53-65.

[4] 杨 丽.水肥梯度耦合对冬小麦生长的协同效应分析[D].陕西杨凌:西北农林科技大学,2014.

[5] 肖自添,蒋卫杰,余宏军.作物水肥耦合效应研究进展[J].作物杂志,2007,(6):18-22.

[6] 刘海军,康跃虎,刘士平.喷灌对冬小麦生长环境的调节及其对水分利用效率影响的研究[J]. 农业工程学报,2003,19(6):46-51.

[7] 严海军,朱 勇,白 更. 对内蒙古推广使用大型喷灌机的思考[J].节水灌溉,2009,(1):18-21.

[8] 杨文平.行距和密度对冬小麦冠层结构、微环境及碳氮代谢的影响[D].郑州:河南农业大学,2008.

[9] 马兴华,王 东,于振文,等.不同施氮量下灌水量对小麦耗水特性和氮素分配的影响[J].生态学报,2010,30(8):1 955-1 965.

[10] 侯翠翠,冯 伟,李世莹,等.不同水氮处理对小麦耗水特性及产量的影响[J].麦类作物学报,2013,33(4):699-704.

[11] 栗 丽,洪坚平,王宏庭,等.水氮处理对冬小麦生长、产量和水氮利用效率的影响[J].应用生态学报,2013,24(5):1 367-1 373.

[12] 赵雪飞,王丽金,李瑞奇,等.不同灌水次数和施氮量对冬小麦群体动态和产量的影响[J].麦类作物学报,2009,29(6):1 004-1 009.

[13] 张忠学,于贵瑞.不同灌水处理对冬小麦生长及水分利用效率的影响[J].灌溉排水学报,2003,22(2):1-4.