水氮措施对强筋冬小麦品种藁优2018干物质积累量及产量的影响

李浩然，贾 彬，王红光，李东晓，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）

小麦高产对保障我国粮食安全具有重要意义。小麦产量和品质受多种因素的影响，其中水分和氮素是两大主要因素，二者在小麦生长过程中既相互促进又相互制约[1～3]，历来受到人们的高度关注。我国的水资源匮乏，拥有量仅占全球的6%，却承担了全球22%的人口和近10%的经济增长率[4]，而且农业用水的需求量十分巨大。近年来，受全球气候变化的影响，我国部分地区的降水量与过去相比发生了明显变化。2001～2009年全国年平均降水量和水资源总量分别较1956～2000年减少了2.8%和3.6%[5]，因此，发展节水农业已成为农业生产的必然选择。在小麦生产中，过量施用氮肥同样会影响产量，并造成氮肥资源浪费和农业环境的潜在污染。目前，水资源匮乏和氮肥施用过量导致的农业生态环境污染已经成为限制华北地区农业生产可持续发展的主要因素之一[6]。因此，合理施用氮肥，提高水分利用率是小麦生产中的必要措施。

前人研究表明，在一定的灌水量范围内，小麦产量随着灌水次数的增加而增加，小麦全生育期内灌水2～3次较为适宜，过量灌溉会导致产量降低[7]。小麦产量与其整个生育期内的灌水量并不是呈简单的线性关系，而是呈二次抛物线关系，即：随着灌水量的增加，小麦产量呈先增加后降低的变化趋势[8]。小麦生长前期受到轻微干旱胁迫有利于根系的生长，可以增强吸收水分和养分的能力；而开花期后水分充足则有助于小麦进行光合作用，从而提高灌浆速率和产量[9，10]。适量施氮可以促进小麦生长发育和分蘖，增加千粒重，从而提高产量，并可改善品质[11]。但是，施氮量超过210 kg/hm2后，再增施氮肥，小麦增产趋势会变得趋于平缓，甚至有所下降[12～14]。研究表明，在一定阈值内，水氮互作效应明显，当供水量充足或轻度缺水时，适量追施氮肥可以提高小麦产量[15]。小麦产量与干物质的积累量密切相关，增加干物质积累量是提高产量的基础。在生育后期适量增施氮肥，可有效提高开花后小麦干物质的生产能力，并增加花后干物质对小麦产量的贡献率[16]。开花前营养器官贮藏物质向籽粒中的转运量和开花后同化物的积累量对小麦籽粒产量起着决定性的作用[17，18]。水分充足时，小麦干物质积累速度较快，开花后的干物质积累量也较大，总产量较高[19]。在小麦起身期和拔节期适量增加灌水，对提高植株各器官的干物质积累量有一定的积极作用；而在生育后期适量减少灌水，则有助于干物质由营养器官向生殖器官的转移[7，20]。孔东等[21]研究表明，增施氮肥对于减缓小麦生育后期旗叶光合性能的衰退作用明显，可以显著延长叶片功能期，提高小麦光合产物的积累量。

目前，在河北平原水资源限制不断加剧、普通小麦种植面积压缩的形势下，发展在生育中后期供水较少条件下更有利于产量和品质形成[22]的强筋小麦生产具有重要意义。藁优2018是兼顾高产与优质的强筋小麦品种，但是，截至目前，关于灌水和施氮量等关键技术措施对其产量形成特性的影响尚未见报道。以强筋冬小麦品种藁优2018为试材，研究不同水氮措施对小麦干物质积累量和产量的影响，旨为明确强筋小麦高产水肥管理技术提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2015～2016年在河北农业大学清苑试验站和辛集试验站同时进行。2个试点均属于暖温带半湿润大陆性季风气候，其中，清苑试验站地处北纬 38°47′、东经 115°34′，海拔 13 m，土壤类型为黏壤质潮土，无霜期155 d，小麦生长期内冬前积温为388.2 ℃；辛集试验站地处北纬 37°50′、东经 115°17′，海拔37 m，土壤类型为壤质潮土，无霜期159 d，小麦生长期内冬前积温为384.8℃。2个试点0～20 cm耕层土壤的基础养分含量和含水量（表1）以及小麦生育期间的降水量（表2）不尽相同，其中，清苑试点的土壤含水量和降水量略高，土壤养分含量除碱解氮较高外其他指标均低于辛集试点。

1.2 试验材料

试验强筋冬小麦品种为藁优2018（藁城市农业科学研究所选育）；氮肥种类为尿素（N含量46.4%，内蒙古博大实地化学有限公司生产）。

表1 2个试点耕层土壤的基础养分含量和含水量Table 1 Soil nutrient content and water content in two sites

表2 2个试点冬小麦生育期的降水量 (mm)Table 2 Precipitation during the growth period of winter wheat in two sites

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 2个试点均采用二因素裂区试验设计，其中，主区为灌水措施（W），设全生育期不灌溉（W0）、灌拔节水（W1，灌水量60 mm）、灌拔节水＋扬花水（W2，每个时期的灌水量均为60 mm） 3个水平；副区为施氮量（N），设0（N0）、120（N120）和240 kg/hm2（N240）3个水平，氮肥施用方式因灌水措施的不同而有所差异，其中，W0主区全部底施，其他主区均50%底施、50%在拔节期灌水前追施。小区面积58.8 m2（4.2 m×14.0 m），3次重复。

前茬夏玉米收获后，立即将秸秆粉碎2遍并铺匀还田。小麦播种前，各小区均底施P2O5（三料过磷酸钙，P2O5含量46%，内蒙古博大实地化学有限公司生产）135 kg/hm2和K2O（氯化钾，K2O含量60%，内蒙古博大实地化学有限公司生产） 225 kg/hm2。清苑试点10月12日播种，辛集试点10月15日播种，均采用15 cm等行距种植，播种量150 kg/hm2。播后镇压，并做畦。其他管理措施同常规。

1.3.2 测定项目与方法

1.3.2.1 干物质积累与转移指标。清苑试点分别在起身期、拔节期、孕穗期、开花期和成熟期取样调查，辛集试点分别在起身期、开花期和成熟期取样调查。参考李雁鸣[23]的方法，每小区取样50株，置烘箱内先105℃杀青30 min，而后再80℃烘干至恒重，晾凉后称量干物质重。根据田间总茎数，计算干物质积累量。然后根据公式，计算有关指标：

经济系数=产量/成熟期干物质积累量

开花前干物质转移量=开花期干物质积累量-成熟期干物质积累量（籽粒除外）

开花前干物质转移率=开花前干物质转移量/开花期干物质积累量×100%

开花前干物质对籽粒的贡献率=开花前干物质转移量/成熟期籽粒干重×100%

开花后干物质积累量=成熟期籽粒干重-开花前干物质转移量

开花后干物质对籽粒的贡献率=开花后干物质积累量/成熟期籽粒干重×100%

1.3.2.2 产量和产量构成因素。参考李雁鸣[23]的方法进行。

1.3.3 数据处理 利用Microsoft Excel 2003和SPSS version 19.0软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 灌水措施和施氮量对小麦主要生育期干物质积累量的影响

2个试点的小麦干物质积累量均随生育期的推进而持续增加，且均于成熟期达到最大值，但不同水氮措施的小麦各主要生育期干物质积累量和经济系数不同（表3）。方差分析结果（表4） 显示，灌水措施对清苑试点小麦孕穗期、开花期和成熟期的干物质积累量有极显著影响，对辛集试点小麦成熟期的干物质积累量和经济系数有极显著影响；施氮量对清苑试点小麦起身期和孕穗期的干物质积累量有极显著影响、拔节期的干物质积累量有显著影响，对辛集试点小麦起身期的干物质积累量有极显著影响、成熟期的干物质积累量有显著影响；水氮交互作用仅对清苑试点小麦孕穗期的干物质积累量有极显著影响，而对辛集试点小麦各生育期的干物质积累量以及经济系数影响均不显著。

从灌水措施的主效应分析结果（表5） 看，2个试点的小麦干物质积累量变化趋势一致，均表现为同一时期的小麦干物质积累量随灌水措施水平的提高而增加，其中，孕穗期之前不同灌水措施的小麦干物质积累量均无显著差异；之后，不同灌水措施的小麦干物质积累量差异逐渐增大，成熟期3个不同灌水措施水平的小麦干物质积累量差异均达到了显著水平。可以看出，灌水措施对小麦生育前中期干物质积累量的影响相对较小，而对成熟期的干物质积累量影响显著，且成熟期的干物质积累量随灌水措施水平的提高而明显增加。2个试点不同灌水措施的经济系数顺序均为 W1＞W0＞W2，其中，W1与 W0处理差异不显著，但均与W2处理差异达到了显著水平。

从施氮量的主效应分析结果看，2个试点的小麦干物质积累量变化趋势并不一致，但均表现为成熟期施氮处理的小麦干物质积累量＞不施氮处理，且不同施氮量水平的干物质积累量差异达到了显著水平。小麦成熟期，清苑试点的小麦干物质积累量顺序为N240处理＞N120处理＞N0处理，其中，N240与N0处理差异达到了显著水平，但二者均与N120处理差异不显著；辛集试点的小麦干物质积累量顺序为N120处理＞N240处理＞N0处理，其中，N240与N120处理差异不显著，但均与N0处理差异达到了显著水平。可以看出，施用氮肥能够提高小麦成熟期的干物质积累量，但2个试点N120与N240处理差异均不显著，而N240与N0处理差异均达到了显著水平，其中辛集试点的施氮效应更为明显。2个试点的经济系数均随施氮量的增加而降低，其中，清苑试点差异不显著，辛集试点N240与N0处理差异达到了显著水平但均与N120处理无显著差异。

综上分析可以看出，较高的灌水措施水平可以获得更高的干物质积累量，而施氮量对小麦干物质积累量的影响不及灌水措施的影响明显。本研究结果显示，灌2水（拔节水和扬花水）可以获得较高的干物质积累量，而施氮量120与240 kg/hm2处理的成熟期干物质积累量和经济系数差异均不显著。因此，仅从干物质积累量角度考虑时，认为较合理的水氮组合是灌2水（拔节水和扬花水）、施氮量120～240 kg/hm2。

表3 不同灌水措施与施氮量处理的小麦各生育期干物质积累量和经济系数Table 3 Dry matter accumulation and harvest index of wheat in different treatments of irrigation frequency and nitrogen rate at different growth stages

表4 小麦干物质积累量和经济系数的方差分析（F值）Table 4 F values in variance analysis of dry matter accumulation and harvest index of wheat

表5 灌水措施和施氮量对小麦干物质积累量及经济系数的主效应分析Table 5 The main effect of irrigation frequency and nitrogen rate on dry matter accumulation and harvest index of wheat

2.2 灌水措施和施氮量对小麦干物质转移与积累的影响

不同水氮措施的小麦开花前干物质转移量、转移率和对籽粒的贡献率，以及开花后干物质的积累量和对籽粒的贡献率不同（表6）。方差分析结果（表7）显示，灌水措施对清苑试点小麦开花前干物质的转移率及对籽粒的贡献率分别有显著和极显著影响，对该试点开花后干物质的积累量及对籽粒的贡献率有极显著影响，而在辛集试点仅对小麦开花后干物质的积累量有极显著影响；施氮量对清苑试点小麦开花后干物质的积累量有显著影响，对辛集试点小麦转移与积累指标的影响均不显著；水氮交互作用对2个试点的小麦转移与积累指标均无显著影响。

从灌水措施的主效应分析结果（表8）看，清苑试点不同灌水措施的小麦开花前干物质转移量差别不大，但干物质转移率和对籽粒的贡献率均随灌水措施水平的提高而逐渐降低，其中，干物质转移率差异仅W2与W0处理之间达到了显著水平，而干物质对籽粒的贡献率差异在不同灌水措施水平之间均达到了显著水平；开花后干物质的积累量和对籽粒的贡献率均随灌水措施水平的提高而逐渐显著增加，且花后所积累的干物质对籽粒产量的贡献高于花前干物质转移对籽粒产量的贡献。辛集试点不同灌水措施的小麦开花前干物质的转移量、转移率和对籽粒的贡献率均无显著差异，其中，转移量和转移率均以W1处理最高，对籽粒的贡献率随灌水措施水平的提高而逐渐降低；开花后所积累的干物质对籽粒产量的贡献高于花前干物质转移对籽粒产量的贡献，花后干物质的积累量和对籽粒的贡献率均随灌水措施水平的提高而逐渐增加，其中，W1与W2处理的干物质积累量差异不显著但二者均显著高于W0处理，而不同灌水措施水平的干物质对籽粒贡献率差异均不显著。可以看出，灌水措施对小麦开花前干物质的转移量无显著影响；提高灌水措施水平后，虽然导致小麦开花前干物质转移对籽粒的贡献率逐渐降低，但会提高花后干物质的积累量和对籽粒的贡献率，且这种花后干物质的积累效应高于花前干物质转移对籽粒贡献率的降低效应。

表6 不同灌水措施与施氮量处理的小麦干物质转移量和积累量以及对籽粒的贡献率Table 6 Dry matter transportation,accumulation and contribution to wheat grain in different treatments of irrigation frequency and nitrogen rate

表7 小麦干物质转移量和积累量以及对籽粒贡献率的方差分析（F值）Table 7 F values in variance analysis of dry matter transportation，accumulation and contribution to wheat grain

从施氮量的主效应分析结果看，不同施氮量处理的小麦积累与转移指标，除清苑试点N240处理开花后干物质的积累量显著＞N120和N0处理外，其他指标差异均不显著，但是，2个试点施氮处理的花后干物质积累量均高于不施氮处理。

综上分析可以看出，提高灌水措施水平可以促进开花后干物质的积累并提高对籽粒的贡献率；增加施氮量对开花后干物质的积累有一定的促进作用，但对于花后干物质对籽粒的贡献率影响并不大。

表8 灌水措施和施氮量对小麦干物质积累与转移的主效应分析Table 8 The main effect of irrigation frequency and nitrogen rate on dry matter accumulation and transportation of wheat

2.3 灌水措施和施氮量对小麦产量及产量构成因素的影响

不同水氮措施的小麦产量构成因素以及产量不同（表9）。方差分析结果（表10） 显示，灌水措施对2个试点的产量及其构成因素均有显著影响，且除对辛集试点小麦穗粒数的影响为显著外，对其他指标的影响均达到了极显著水平；施氮量仅对清苑试点的小麦千粒重有显著影响，对辛集试点小麦单位面积穗数、千粒重和产量有极显著影响；水氮交互作用对清苑试点小麦产量构成因素和产量均无显著影响，对辛集试点小麦单位面积穗数和千粒重影响显著。

表9 不同灌水措施与施氮量处理的小麦产量和产量构成因素Table 9 Yield and yield components of wheat in different treatments of irrigation frequency and nitrogen rate

表10 小麦产量和产量构成因素的方差分析（F值）Table 10 F values in variance analysis of yield and yield components of wheat

从灌水措施的主效应分析结果（表11）看，随着灌水措施水平的提高，2个试点的小麦产量构成因素和产量均逐渐增加，虽然2个灌水处理的产量构成因素差异水平有所不同，但W2处理的产量构成因素均显著高于W0处理，最终，产量随着灌水措施水平的提高而逐渐显著增加。进一步对2个试点同一灌水措施的小麦产量进行比较后发现，不灌水处理下清苑试点的小麦产量较高（4.91%），可能与清苑试点的降水量和碱解氮含量较辛集试点高有关；而灌水处理下辛集试点的小麦产量较高，灌1水和2水处理的产量分别较清苑试点高7.76%和10.60%，说明当水分比较充足时综合肥力水平高更有利于产量潜力的发挥。

表11 灌水措施和施氮量对小麦产量及产量构成因素的主效应分析Table 11 The main effect of irrigation frequency and nitrogen rate on yield and yield components of wheat

从施氮量的主效应分析结果看，2个试点不同施氮量处理的产量构成因素差别无明显规律，但施氮处理的小麦产量均高于不施氮处理。其中，清苑试点产量以N240处理最高，但与其他处理差异均不显著；辛集试点产量以N120处理最高、N240处理次之，二者差异不显著，但均与N0处理差异达到了显著水平。进一步对2个试点同一施氮量的小麦产量进行比较后发现，无论施氮与否，均以辛集试点的小麦产量较高，不施氮、施氮120 kg/hm2、施氮240 kg/hm2处理的产量分别较清苑试点高4.62%、9.30%和4.57%。

由于水氮交互作用对2个试点的小麦产量影响均不显著，因此，如果仅从高产角度考虑，认为取得最高产量的灌水措施与取得最高产量的施氮量组合即为产量最高的处理组合，即：在拔节期和扬花期灌溉2次，全生育期施氮120～240 kg/hm2可以获得较高产量。但在此施氮量范围内，较少施氮更能同步实现高产高效。实际测产结果显示，2个试点均以W2N120处理产量最高、W2N240处理次之，其中，清苑试点二者差异不显著，而辛集试点二者差异达到了显著水平。可以看出，推断的小麦高产水氮组合与实际测产结果相吻合。

3 结论与讨论

3.1 灌水措施和施氮量对小麦干物质积累与分配的影响

干物质积累是籽粒产量形成的物质基础，提高干物质积累量并合理分配是提高作物产量的关键。任巍等[24]研究表明，水分对小麦干物质积累有显著影响，在水分适宜条件下小麦干物质积累迅速且生物量较大，而水分过多或过少均会对小麦干物质积累产生不利影响。本研究条件下，2个试点均表现灌水措施对小麦生育前中期干物质积累量影响相对较小，而对成熟期的干物质积累量影响显著，且成熟期的干物质积累量随着灌水措施水平的提高而明显增加；施氮量对2个试点小麦干物质积累量的影响规律虽然不一致，但均表现为成熟期施氮处理的小麦干物质积累量高于不施氮处理，其中，施氮量240 kg/hm2处理与不施氮处理差异达到了显著水平，而施氮量120与240 kg/hm2处理差异不显著。表明在目前土壤氮素水平相对较高的情况下，施氮量对小麦干物质积累量的影响不及灌水措施的影响明显，施氮120 kg/hm2即可以获得施氮240 kg/hm2的干物质生产水平，这为进一步实施节肥栽培提供了依据。该结果与赵雪飞等[25]的研究结果相似。本研究中，2个试点小麦开花后所产干物质对籽粒的贡献率均随灌水措施水平的提高而逐渐增加，而开花前贮存干物质的运转对籽粒的贡献率则随灌水措施水平的提高而逐渐降低，且这种趋势在清苑试点表现得更加明显。原因是小麦生育后期降水量较少时，灌水较少的处理（尤其是不灌水处理）小麦开花后叶片衰老较早、叶面积指数下降较快，干物质生产量不足的情况下，开花前储存在营养器官中的同化物向籽粒的转移增加[26]，以补偿籽粒灌浆物质的不足所致。

3.2 灌水措施和施氮量对小麦产量的影响

水分和养分是影响作物产量的两大主要因素[27，28]。研究表明，在一定范围内，随着灌水次数的增加，小麦单位面积穗数、穗粒数、千粒重和产量均逐渐增加[22，29]；随着施氮量的增加，小麦单位面积穗数和穗粒数逐渐增加，但千粒重下降[30]。而过量施氮后，会引起单位面积穗数和千粒重同时下降，并最终导致小麦减产[31]。

本研究条件下，灌水措施对清苑和辛集2个试点的小麦产量及其构成因素均有显著影响，且指标值均随灌水措施水平的提高而增加。说明在小麦生育后期降水较少的情况下，增加灌水次数和定额对提高小麦产量效果明显。施氮量在清苑试点仅对小麦千粒重有显著影响，在辛集试点对小麦单位面积穗数、千粒重和产量3个指标均有显著影响；但是，水氮交互作用对2个试点小麦产量的影响均不显著。相同灌水措施情况下，随着施氮量的增加，千粒重逐渐降低，这与曹倩等[30]的研究结果一致；但是，产量却呈上升趋势，这与产量提高是产量构成因素共同作用的结果有关。清苑试点不灌水处理的小麦产量略高于辛集试点，主要原因可能是清苑试点的降水量和碱解氮含量较辛集试点高；而辛集试点灌1水和2水的产量明显高于清苑试点，说明当可利用水量比较充足时综合肥力水平对产量的影响更为明显，而辛集试点土壤除碱解氮含量外其他养分含量均高于清苑试点，所以产量更高。

综合以上结果，鉴于2个试点灌水措施与施氮量的交互作用对产量影响均不显著，因此，如果仅从当年高产的角度考虑，认为获得最高产量的灌水措施与获得最高产量的施氮量组合即为产量最高的处理组合，即：一般情况下，在拔节期和扬花期灌溉2次，全生育期施用氮肥（N） 120～240 kg/hm2均可以获得较高产量。在本试验的不同水氮组合中，清苑和辛集试点均以春季灌2水、施氮量120 kg/hm2处理产量最高。表明在施N量120～240 kg/hm2范围内，较低的施肥水平更能同步实现高产高效。然而，我们也应该考虑到，尽管2个试点全生育期施N量120与240 kg/hm2处理的小麦产量差异均不显著，即施N量120 kg/hm2的方案可行，但是120 kg/hm2的施氮量明显低于取得7 500～9 000 kg/hm2及以上产量所吸收的氮量[32]，故长期如此下去，将导致小麦生产的不可持续，而且还不利于强筋小麦品质的保持。因此，在今后的研究中，应该在施N量120～240 kg/km2范围内，继续研究最优的氮素施用量与水分的协调运筹措施。

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