限水减氮对高产麦田群体动态和产量形成的影响

崔 帅，王红光，李东晓，马伯威，李瑞奇

(河北农业大学农学院/河北省作物生长调控重点实验室，河北保定 071000)



限水减氮对高产麦田群体动态和产量形成的影响

崔 帅，王红光，李东晓，马伯威，李瑞奇

(河北农业大学农学院/河北省作物生长调控重点实验室，河北保定 071000)

为解决河北省水资源匮乏和麦田施氮量偏多问题，于2013-2014和2014-2015年度，在河北省石家庄市藁城区分别设置限水灌溉的单因素试验和限水减氮的二因素裂区试验，研究了限水减氮对河北省高产麦田群体动态和产量的影响。结果表明，在2013-2014年度，限水灌溉处理(拔节期45 mm、开花期30 mm、灌浆期30 mm，春季总灌水量105 mm)与节水灌溉对照(拔节期60 mm、开花期60 mm，春季总灌水量120 mm)间小麦叶面积指数、光能截获率、生物产量、穗数和穗粒数差异均不显著；限水灌溉的千粒重显著增加，籽粒产量为10 081.08 kg·hm-2，水分利用效率为27.98 kg·hm-2·mm-1。在2014-2015年度，限水灌溉处理中W3处理(拔节期37.5 mm、开花期15 mm、灌浆期15 mm，春季总灌水量67.5mm)的叶面积指数、光能截获率与节水灌溉对照(拔节期67.5 mm、开花期67.5 mm，春季总灌水量135 mm)无显著差异，穗数和穗粒数有所降低，但千粒重显著增加，籽粒产量8 903.70 kg·hm-2，比节水灌溉对照减产7.95%，生物产量降低7.15%，但水分利用效率和灌水利用效率分别提高9.28%和84.10%，且未显著增加0～140 cm和0～200 cm土层贮水的消耗，是本试验条件下保证高产高效的最佳限水灌溉模式。120、180和240 kg·hm-2的3个施氮水平间各指标差异均不显著。综合节水高产和减氮增效的现状，以小麦拔节期灌水37.5 mm、开花期15 mm、灌浆期15 mm的灌溉模式结合生育期施N 120 kg·hm-2为本试验条件下的最优限水减氮组合。

高产麦田；限量灌水；施氮量；群体动态；产量；水分利用效率

小麦是我国重要的粮食作物之一。水、氮是影响小麦产量形成的两个主要因素。适当降低小麦的水氮投入，在保障植株物质正常生产的同时，可促进其向籽粒转运，是同步实现小麦高产和水氮高效利用的必然途径[1-4]。河北省是我国冬小麦主产省之一，但由于水资源匮乏，小麦生产潜力受到限制[5-6]。为了阻止地下水资源的持续减少，河北省从2014年开始在部分地区减少小麦种植面积，但却面临着更加严峻的粮食安全问题。故在保证高产的前提下，急需进一步减少河北省小麦的灌水量。前人研究表明，河北省高产麦区适宜的节水灌溉模式为在适墒播种条件下，小麦全生育期灌拔节水和抽穗扬花水两水，每次灌水量60～75 mm[7-9]。但小麦全生育期仅灌1水，灌水量为70 mm左右时，籽粒产量降幅可达3.85%～23.47%[10-11]。目前关于麦田灌浆水效应的研究结论不尽一致。王小燕等[12]和孟维伟等[13]研究认为，小麦灌浆期灌水60 mm的籽粒产量和水分利用效率显著降低。王晨阳等[14]研究发现，小麦花后14 d灌水45 mm，可显著提高籽粒产量和蛋白质产量。杨晓亚等[15]则认为，小麦灌浆水降至30 mm时，籽粒产量和蛋白质产量显著增加，水分利用效率亦显著提高；高于30 mm时，籽粒产量和水分利用效率显著降低。但上述研究试验多是在常规畦灌条件下进行的。微喷带灌溉能准确控制灌水定额，降低灌水量[16-17]，是实现低水量均匀灌溉的有效技术。满建国等[18]的研究结果显示，利用微喷带灌溉，灌水量为21.29 mm时，灌溉均匀系数可达91.28%。史宏志等[19]亦指出，微喷定额控制在24～36 mm，能有效补充土壤水分，使土壤湿润层保持在耕层范围内。

随着生态环境的日益恶化，关于农田减氮增效的研究愈发重要[20-21]。高产、超高产麦田的土壤全氮含量多在1.30 g·kg-1以上，碱解氮含量在130 mg·kg-1以上，小麦生育期施氮量一般不低于240 kg·hm-2，在保证小麦高产、超高产的前提下能否降低麦田施氮量，需要大量试验来探讨。面对河北省水资源日益紧缺和减氮增效需求日益强烈的现状，本试验利用微喷灌技术节水且灌溉均匀度好的优势，设置不同的超低水量限水灌溉和减氮处理，研究限量水氮供给条件下小麦产量形成规律和麦田土壤贮水量的变化特征，以期为小麦高产高效的可持续性生产提供理论依据和技术支撑。

1　材料与方法

1.1试验基本情况

试验分别于2013-2014和2014-2015年度在河北省石家庄市藁城区梅花镇刘家庄村大田进行，种植品种为石麦18。试验田为壤质褐土，土壤容重为1.4 g·cm-3，前茬作物均为夏玉米，收获后秸秆粉碎2遍还田。播种前0～20 cm土层基础养分含量见表1，0～200 cm各土层的土壤含水量见表2，播种至成熟降水情况见表3。

表1　试验地土壤基础养分含量

表2　试验地播种前0～200 cm土层土壤的质量含水量

表3　小麦生育期内降水量

1.2试验设计与实施

2013-2014年度试验采用单因素设计，设置两个灌水处理，分别为节水灌溉(WS：拔节期和开花期各灌水60 mm)和限水灌溉(WL：拔节期、开花期和花后12 d分别灌水45、30和30 mm)。全生育期施N 195 kg·hm-2。每处理3次重复，总计6个小区，小区面积160 m2。在2013-2014年度小麦生育期降水量仅为53.2 mm的欠水年型下，WL仍获得稍高于WS的产量。

为继续探索小麦限水灌溉的下限，2014-2015年度设置更低的灌水量。试验采用双因素裂区设计，灌水为主区，设3个限量灌溉水平(W1、W2、W3)和1个节水灌溉水平(WCK)，具体灌水时期和灌水量如表4；施氮量为副区，设全生育期施N 120、180和240 kg·hm-23个水平，分别用N120、N180、N240表示。每处理3次重复，总计36个小区，小区面积75 m2。

两年试验均采用微喷带灌溉，灌水量用水表计量。氮肥50%底施，50%拔节期追施。全生育期底施P2O5135 kg·hm-2和K2O 150 kg·hm-2。分别于10月8日和10月9日15 cm等行距播种，播种量150 kg·hm-2，播后镇压。实际基本苗分别为300万和317万株·hm-2。其他田间管理同一般高产麦田。

表4　2014-2015年度试验灌水处理方案

1.3测定项目和方法

1.3.1群体性状测定

在小麦3叶期按1 m双行定点调查基本苗数，并于定点处调查各时期的总茎数，计算成穗率。每个生育时期在各小区多点取样30株，选取3株代表植株测量绿叶面积，并按比叶重法计算叶面积指数。把测算叶面积后的植株根系剪掉，置于烘箱中105 ℃杀青30 min，于70 ℃烘干至恒重，称干重[22]。

1.3.2冠层光合有效辐射(PAR)测定

用英国产SUNSCAN冠层分析仪，于小麦开花后8、22 d的10:30-11:30测定冠层中部(上3叶位)和冠层顶部(穗部以上)的光合有效辐射。冠层光截获率=(I0-I)/I0[23]。式中，I0为冠层上方的辐射强度，I为通过一定叶层后的辐射强度。

1.3.3土壤水分测定

成熟期采用土钻烘干法取0～200 cm土样，每20 cm为一个土层，测定土壤含水量。

E=C×ρ×H×10[24]式中，E为贮水量，C为土壤水分质量分数，ρ为土壤容重，H为土层深度。

WUE=Y1/ET[25]和IWUE=Y2/I[26]式中，WUE为水分利用效率，IWUE为灌水利用效率，Y1为籽粒产量，Y2为生物产量或籽粒产量，ET为农田耗水量，I为实际灌水量。

1.3.4产量及其构成因素测定

成熟期于定点处调查单位面积穗数，选取代表性麦穗20个调查穗粒数。每小区实收3 m2脱粒，风干后称重计算实际产量。从测产籽粒中取样测定千粒重[9]。

1.4数据分析

采用Microsoft Excel 2003和IBM SPSS Statistics 19.0进行数据统计分析，用Duncan法进行多重比较。2014-2015年度由于灌水和施氮量对各指标的互作效应均未达到0.05显著水平，因而仅对这两个因素的主效应进行了分析。

2　结果与分析

2.1限水减氮对小麦茎蘖消长动态和穗数的影响

由表5可知，2个年度中各处理的群体总茎数均在起身期达到最大，之后随分蘖两极分化而下降。在2013-2014年度，2个处理的成穗数差异不显著。在2014-2015年度，不同灌水处理间孕穗期和开花期的总茎数差异不显著。成穗数表现为拔节期灌水37.5 mm的W2和W3处理显著低于节水对照WCK，拔节期灌水67.5 mm的W1处理与WCK差异不显著，但限水灌溉处理每公顷成穗数均达到了750万以上。2014-2015年度拔节期限水处理的成穗数和分蘖成穗率显著降低，这可能与本生长季小麦播前底墒较差(表2)，导致植株分蘖能力和抗旱能力较差有关。

表5　灌水和施氮量对小麦群体总茎数的主效应

同列数字后无相同的字母表示同一年度不同灌水处理间或不同施氮水平间差异显著(P<0.5)。下同。

The different small letters following the values in a column mean significant differences among different irrigation treatments or nitrogen levels at 0.05 level (P<0.5).The same as in the following tables.

拔节前N240总茎数显著高于N180和N120，拔节后不同施氮水平之间总茎数差异不显著，说明减少高产麦田施氮量不影响小麦成穗数。

2.2限水减氮对小麦叶面积指数(LAI)的影响

由表6可知，2个生长季各处理的LAI均在孕穗期达到最高，不同灌水处理间孕穗期和开花期的LAI差异不显著。在2013-2014年度，WL花后20 d的LAI略高于WS；在2014-2015年度，W3处理花后20 d的LAI略低于节水对照WCK，但显著高于W1和W2。这说明在限水灌溉条件下，灌浆期灌水量减少至15 mm仍具有延缓叶片衰老的作用，在灌浆中后期保持较高的LAI。

不同施氮水平间开花期的LAI差异不显著，其余时期均表现为N240显著高于N120，但花后20 d N120的LAI仅比N240低0.29，说明减少施氮量不会导致小麦灌浆后期的LAI大幅下降。

表6　灌水和施氮量对小麦LAI的主效应

2.3限水减氮对小麦群体上三叶光能截获率的影响

由于2013-2014年度2个处理间总灌水量仅差15 mm，冠层光能截获率的差异未达显著水平，故数据未列出。在2014-2015年度，在同一施氮水平下，小麦开花后8 d限水处理W1、W2和W3的冠层光能截获率与WCK无显著差异，3个限水处理之间差异亦很小(图1)，说明限水措施不影响小麦灌浆前期冠层的光能截获能力。花后22 d W3处理的截获率明显高于W1和W2，与WCK仅差0.56%～1.62%，未达显著水平，说明限水前提下喷灌少量灌浆水，有利于弥补总灌水量的不足，延缓功能叶片的衰老，在灌浆中后期能维持群体较高的光能截获量。

同一灌水处理下，不同施氮水平间在花后8 d、22 d均表现为N240>N180>N120。在花后22 d，同一限水处理下不同施氮水平间光能截获率的差值明显小于WCK，说明限水条件下减少施氮量对群体光能截获能力的负效应更小。

2.4限水减氮对小麦干物质积累的影响

2个生长季不同灌水处理间孕穗期和开花期的干物质积累量差异不显著(表7)。在2013-2014年度，2个处理间花后20 d和成熟期干物质积累量差异不显著；在2014-2015年度，限水处理W1、W2和W3显著低于WCK，说明总灌水量降至67.5 mm的限水处理抑制了小麦花后干物质的积累。但与WCK相比，3个限水处理的总灌水量减少50%，成熟期的干物质积累量仅下降7.15%～8.68%，生物产量灌水利用效率却提高了82.64%～85.69%。2个生长季不同灌水处理间经济系数均以增加灌浆水的处理最高，证明有限灌水量下增加灌浆水有利于干物质向籽粒分配。

不同施氮水平间冬前至孕穗期的干物质积累量差异显著，表现为N240>N180>N120，开花至成熟期3个施氮水平间差异不显著，说明减少高产麦田施氮量不会造成小麦生物产量显著变化。

图1　2014-2015年度不同水氮处理对小麦花后冠层光截获率的影响

年度Year因素水平Factorlevel干物质积累量 Drymatteraccumulation/(kg·hm-2)冬前Pre-winter起身期Erecting拔节期Jointing孕穗期Booting开花期Anthesis花后20d20dafteranthesis成熟期Maturity经济系数HarvestIndexIWUE1/(kg·hm-2·mm-1)2013-2014WS954a2151a5539a11634a16346a20864a22797a0.436b189.97aWL954a2151a5539a11346a15814a21225a22393a0.450a213.27a2014-2015W11269a1683a3158a8388a10798a16236b18382b0.477b272.33aW21269a1683a3158a8220a10692a15992b18143b0.484ab268.78aW31269a1683a3158a8220a10692a16027b18445b0.494a273.26aWCK1269a1683a3158a8388a10798a17556a19866a0.493a147.16bN1201241b1608c3098b8100b10638a16494a18822a0.491a243.33aN1801273ab1677b3162ab8324ab10756a16461a18417a0.486a237.73aN2401294a1765a3212a8488a10841a16403a18689a0.488a240.08a

IWUE1：生物产量灌溉水利用效率。IWUE1: IWUE of biological yield.

2.5限水减氮对小麦产量及其构成因素的影响

在2013-2014年度，2个处理间穗数和穗粒数无显著差异，WL的千粒重显著高于WS，籽粒产量差异不显著(表8)。在2014-2015年度，3个限水处理之间穗数和穗粒数表现为W1>W2>W3，千粒重和籽粒产量则表现为W3>W2>W1。与WCK相比，W3处理千粒重显著升高，穗数和穗粒数显著降低，籽粒产量比WCK降低7.95%，但仍接近9 000 kg·hm-2的超高产水平，说明在底墒较差的年型下拔节期限水对穗分化不利，但补充灌浆水后显著促进了籽粒灌浆，最终实现了较高的籽粒产量。

2个生长季限水处理的水分利用效率和灌水利用效率均显著提高，2013-2014年度WL处理比WS分别提高9.17%和16.00%，2014-2015年度W3处理比WCK分别提高9.28%和84.10%，说明在水资源日益紧缺的河北省高产麦区，实行限水灌溉可以保证小麦高产高效。限水处理成熟期0～140 cm和0～200 cm土层贮水量未显著降低，W3处理0～140 cm土层贮水量比WCK仅减少11.69 mm，0～200 cm土层贮水量与WCK差异更小，说明这一限水灌溉方案并不会大幅增加小麦根系主要吸收层的土壤贮水消耗量，土壤供水具有可持续性。

不同施氮水平之间穗数、穗粒数和籽粒产量的差异均不显著，说明减少高产麦田施氮量不会显著降低籽粒产量，但其可持续年限有待进一步研究。

表8　灌水和施氮量对小麦产量构成、水分利用效率及成熟期0～140 cm和0～200 cm土层贮水量的主效应

TWUE2：籽粒产量灌溉水利用效率；SWS1和SWS2分别代表0～140和0～200 cm土层贮水量。

TWUE2：IWUE of grain yield;SWS1 and SWS2 represent water storages of 0-140 and 0-200 cm soil layers,respectively.

3　讨 论

河北省冬小麦生产以种植多穗型品种为主。分蘖是影响小麦产量的重要因素，而穂数的多少直接受控于分蘖的发生量，对小麦的最终产量有很大影响。因此，合理的分蘖数及较高的成穗数是小麦高产的基础。河北省实现小麦9 000 kg·hm-2以上超高产田的理想群体为每公顷最高分蘖数1 300万～2 000万，每公顷成穗数720万～840万[27]。灌水时期和灌水量对成穗数的影响较显著，拔节期灌水是小麦获得较高穗数的基础[28]。赵雪飞等[10]研究指出拔节期不灌水比灌水处理的穗数降低14.60%。在本研究中，2个生长季限水处理和节水处理的最高总茎数、穗数分别超过和达到孙亚辉等[27]提出的范围。2013-2014年度2个处理间穗数差异不显著；2014-2015年度拔节期灌水67.5 mm的W1处理的穗数与WCK差异不显著，拔节期灌水37.5 mm的W2和W3处理穗数降低5.44%～7.26%，说明在底墒较差年型下减少拔节期灌水量会降低成穗数，但限水处理的最终成穗数均达到750万·hm-2以上。

适宜的LAI是小麦高产稳产的基础，后期维持较高的LAI可提高籽粒灌浆强度。王红光等[9]认为，小麦花后20 d的LAI以保持在4以上为优。本研究中，2013-2014年度2个处理花后20 d的LAI均在4以上，2014-2015年度W3处理花后20 d的LAI与WCK差异不显著，也在4以上。说明在限水灌溉条件下，灌浆水由30 mm降至15 mm仍能延缓叶片衰老，保持灌浆后期较高的LAI。前人研究表明，LAI的大小在一定程度上反映冠层对光的截获能力[29]，而干物质生产又与冠层光截获密切相关。刘丽平等[30]认为，增加灌水次数能通过增大叶面积来提高冠层光截获率。本研究中，在2013-2014年度，2个处理间光能截获率和干物质积累量无显著差异；在2014-2015年度，灌浆期灌溉的W3限水处理花后22 d 光能截获率明显高于W1和W2，与WCK仅差0.56%～1.62%，为其取得较高花后干物质积累量奠定了基础。限水处理的灌水量减少50%，成熟期干物质积累量仍达18 000 kg·hm-2，较大地提高了生物产量的灌水利用效率。

围绕降低麦田灌水次数和灌水量的研究已较多。Li等[2]研究指出，华北平原适宜的灌溉制度为灌水1～3次，每次灌水75 mm，最高产量可达7 423 kg·hm-2。董宝娣等[31]提出，采用高产高水分利用效率品种，在不降低产量和水分利用效率的情况下，可减少灌溉量60～120 mm。王红光等[32]通过测墒补灌研究发现，小麦生育期降水量141.7 mm条件下，补灌水量为56.3～106.9 mm，籽粒产量可达8 750.4～9 400.8 kg·hm-2，这就为限水条件下获得高产提供了可靠依据。在本研究中，2013-2014年生长季，有效降水量为53.2 mm，灌水量为105 mm的WL处理，籽粒产量达到10 081.08 kg·hm-2；2014-2015年生长季，有效降水量为102.2 mm，全生育期仅灌67.5 mm的W3处理籽粒产量为8 903.7 kg·hm-2，接近9 000 kg·hm-2的超高产水平，仅比灌水量多一倍的WCK降低7.95%，水分利用效率和灌水利用效率却分别提高9.28%和84.10%，说明在水资源日益紧缺的河北省高产麦区，实行限水灌溉可以实现高产高效。与WCK相比，限水处理W3成熟期0～140 cm和0～200 cm土层土壤贮水量均未显著降低，说明这一限水灌溉方案并不会大幅增加小麦根系主要吸收层的土壤贮水消耗量，土壤水分供应具有可持续性。

河北平原的高产冬小麦施氮量普遍为300 kg·hm-2左右，籽粒产量在550 kg·hm-2左右。本课题组前期研究结果表明，实现9 000 kg·hm-2以上籽粒产量水平的施氮量为240 kg·hm-2左右。本研究的120、180和240 kg·hm-2施氮水平间小麦成穗数、穗粒数、生物产量和籽粒产量差异都不显著，120 kg·hm2是本试验条件下减氮增效的最佳施氮量，但其长期可行性有待进一步研究。虽然通过对产量形成和土壤贮水的分析表明了河北省高产麦区实施限水灌溉的可行性，但对这一限水灌溉方案进行多年、多点的验证仍十分必要。

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Effect of Limited Irrigation and Reduced Nitrogen on Population Dynamics and Yield Formation in High-Yielding Wheat Field

CUI Shuai,WANG Hongguang,LI Dongxiao,MA Bowei,LI Ruiqi

(College of Agronomy,Agricultural University of Hebei/Key Laboratory of Crop Growth Regulation of Hebei Province,Baoding,Hebei 071000,China)

Because of serious water shortage and excessive nitrogen (N) applications in Hebei province,the effects of limited irrigation and reduced nitrogen on population dynamics and yield formation in high-yielding field have been studied to provide technical support for sustainable production,high yield and high water-nitrogen use efficiency of winter wheat.Field experiments were carried out during growing seasons in 2013-2014 and 2014-2015,at Gaocheng county in Hebei province,with a winter wheat variety Shimai 18 as material.In 2013-2014,single-factor experiment of limited water with two irrigation ways was designed,including water limited treatment(WL: irrigation of 45 mm at jointing stage,30 mm at anthesis stage,and 30 mm at grain filling stage) and water saving treatment(WS:irrigation of 60 mm at jointing stage,and 60 mm at anthesis stage).In 2014-2015,a split plot experiment with two factors was conducted including three water limited treatments (W1,W2,W3: total irrigation amount 67.5 mm),and one water saving treatment as control(WCK,irrigation 67.5 mm at jointing stage,and 67.5 mm at anthesis stage),and three nitrogen fertilization levels were 120 kg·hm-2,180 kg·hm-2and 240 kg·hm-2.The results showed that there were not significant difference in leaf area index,light energy interception rate,biological yield,spike number,and grain number per spike between WL and WS in 2013-2014.The 1 000-grain weight of WL increased significantly; the grain yield was 10 081.08 kg·hm-2;and the water use efficiency was 27.98 kg·hm-2·mm-1.In 2014-2015,there was not significant differences in leaf area index and light energy interception rate between W3 (50% reduction in irrigation amount) and WCK.The spike number and grain number of W3 were decreased,but the 1 000-grain weight was increased significantly.The grain yield of W3 was 8 903.70 kg·hm-2,which was 7.95% lower than that of WCK; meanwhile,the biological yield was 7.15% lower than that of WCK.However, the water use efficiency and irrigation use efficiency of W3 were increased by 9.28% and 84.10%,respectively; and this did not increase the consumption of soil water storage in 0-140 cm and 0-200 cm layers.Therefore,the best water limited irrigation model was W3,ensuring high yield and high efficiency under this experiment condition.There was not significant difference in all indices among three nitrogen application treatments.Above all,the optimal combination was the irrigation model(irrigation 37.5 mm at jointing stage,15 mm at anthesis stage,and 15 mm at grain filling stage) with 120 kg·hm-2N application during the whole wheat growth period.

Wheat field；Limited irrigation；Nitrogen application rate；Population dynamics；Grain yield；Water use efficiency

2016-03-10

2016-04-13

国家科技支撑计划项目(2013BAD07B05)

E-mail：cuishuai890@163.com(崔 帅)；jlwanghongguang@163.com(王红光，与第一作者同等贡献)

李瑞奇(E-mail:li-rq69@163.com)

S512.1；S318

A

1009-1041(2016)08-1060-09

网络出版时间：2016-08-01

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160801.1123.024.html