测墒补灌条件下施氮量对冬小麦耗水特性和水氮利用效率的影响

郑雪娇，张永丽，吴复学，于振文，石 玉

(1.山东农业大学农业部作物生理生态与耕作重点实验室，山东泰安 271018；2.山东省鄄城县农业技术推广站，山东鄄城 274700)

测墒补灌条件下施氮量对冬小麦耗水特性和水氮利用效率的影响

郑雪娇1，张永丽1，吴复学2，于振文1，石 玉1

(1.山东农业大学农业部作物生理生态与耕作重点实验室，山东泰安 271018；2.山东省鄄城县农业技术推广站，山东鄄城 274700)

为明确黄淮麦区冬小麦高产节水条件下的适宜施氮量，以小麦品种山农23为材料，在大田拔节期和开花期0～40 cm土壤含水量分别补灌至田间持水量的70%和65%条件下，设置每公顷施纯氮0 kg (N0)、180 kg (N1)、240 kg (N2)、300 kg (N3) 4个施氮水平，研究小麦耗水特性和水氮利用效率对施氮量的响应。结果表明，N2处理较N0和N1处理显著提高了20～160 cm土层土壤贮水消耗量，但与N3处理无显著差异。N2处理灌水量较N0和N1处理分别降低7.35%和9.51%，显著提高土壤贮水消耗量、开花至成熟阶段的耗水量和耗水模系数；N3处理的灌水量较N2处理增加9.59%，两个处理间土壤贮水消耗量、开花至成熟阶段的耗水量和耗水模系数均无显著差异。 N2处理的籽粒产量、降水利用效率和灌水利用效率比N1处理分别高9.53%、9.54%和21.04%，施氮量增加至300 kg·hm-2时，籽粒产量无显著变化，灌水利用效率和氮肥偏生产力分别降低7.55%和18.94%。因此，在本试验条件下，施氮240 kg·hm-2的增产、水氮高效利用效果最佳。

冬小麦；施氮量；耗水特性；产量

黄淮冬麦区小麦产量约占全国小麦总产量的50%[1]，但人均水资源占有量为474 m3，是我国水资源相对贫乏地区之一[2]。该地区冬小麦生长季降水量为125～250 mm，仅能满足其需要的25%～40%[3-4]。目前，黄淮冬麦区过度灌溉和使用氮肥的现象普遍存在，造成水资源浪费和土壤氮素深层积累，严重影响生态环境[5-6]。因此，合理灌溉、优化氮肥管理具有现实意义。

测墒补灌是在小麦关键生育时期根据土壤墒情适量补灌的一种节水灌溉技术[7]。Pan等[8]研究指出，拔节期土壤含水量通过测墒补灌分别达到田间持水量的60%、70%和80%时，195 kg·hm-2施氮量处理的小麦成熟期穗数、穗粒数和籽粒产量均高于255 kg·hm-2施氮量处理。拔节后土壤含水量维持在田间持水量的70%±5%条件下，195 kg·hm-2施氮量处理的籽粒产量最高，较270 kg·hm-2施氮量处理高6.53%[9]。张黛静等[10]研究表明，小麦播前、拔节期和开花期土壤相对含水量测墒补灌至75%时，240 kg·hm-2施氮量处理的籽粒产量最高，水分利用效率达到31.5 kg·hm-2·mm-1。目前，测墒补灌条件下，前人对小麦施氮效应的研究多集中在籽粒产量和水分利用效率方面，对小麦耗水特性的施氮效应还鲜见报道。本研究在测墒补灌条件下，分析了施氮量对冬小麦耗水特性和水氮利用效率的影响，以期为黄淮麦区小麦节水高产的氮肥管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015-2016冬小麦生长季，在山东农业大学试验农场进行，试验地点位于117 ° 9 ′ E，36 ° 9′ N，属于暖温带半湿润大陆性气候区。播种前试验田0～20 cm土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别为15 g·kg-1、1.5 g·kg-1、117.69 mg·kg-1、41.58 mg·kg-1和133.86 mg·kg-1。小麦生育期降水184.2 mm，其中播种至拔节、拔节至开花、开花至成熟阶段分别降水137.5、9.3和37.4 mm。0～140 cm土层田间持水量和土壤容重见表1。

表1 播前试验田各土层田间持水量和土壤容重Table 1 Field water holding capacity and soil bulk density in different soil layers of experimental field before sowing

1.2 试验设计

以小麦品种山农23为供试材料，设0、180、240和300 kg·hm-2四个施氮水平，分别用N0、N1、N2、N3表示。各处理于播种前每公顷基施P2O5150 kg、K2O 112.5 kg及一半氮肥，剩余氮肥在拔节期开沟追施。每处理于拔节期和开花期进行测墒补灌，0～40 cm土层平均土壤含水量分别补灌至田间持水量的70%和65%。

试验小区面积20 m2(2 m×10 m)，3次重复，随机区组排列，小区间设1 m宽保护行，试验田四周设2 m宽隔离区。2015年10月13日播种，2016年6月10日收获。4叶期定苗，留苗密度为225株·m-2。其他管理措施同一般高产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水量测定

于播种前和成熟期用土钻取0～200 cm土层的土壤，每20 cm为一层取样，取土后立即装入铝盒，称鲜重，105 ℃烘干至恒重，称干重，计算土壤含水量。田间持水量用环刀法测定。

土壤质量含水量= (土壤鲜重-土壤干重)/土壤干重×100%

土壤相对含水量=土壤质量含水量/田间持水量×100%

1.3.2 补灌水量的计算和补灌方法

灌水前用土钻取0～40 cm土层的土壤，每20 cm为一层，计算土壤质量含水量和土壤相对含水量。根据灌水定额公式计算补灌水量M[11]。

M=10×ρb×H×(βi-βj)

式中，H为该时段土壤计划湿润层的深度，本试验中为40 cm；ρb为计划湿润层的土壤容重；βi为目标含水量(田间持水量乘以目标相对含水量)；βj为灌溉前土壤含水量。采用输水带在试验小区均匀灌溉，用水表计量灌水量。

1.3.3 土壤贮水消耗量的计算

采用刘增进等[12]方法计算土壤贮水消耗量Si。

Si=10×∑γiHi(θi1-θi2)

式中，i为土层编号，n为总土层数，γi为第i层土壤容重，Hi为第i层土壤厚度，θi1和θi2分别为第i层土壤时段初和时段末的土壤质量含水量。

1.3.4 农田耗水量的计算

依据水分平衡法计算小麦生育阶段和全生育期总耗水量[13]。

ET1-2=Si+M+Pr+K。

式中，ET1-2为生育阶段耗水量；Si为小麦生育阶段土壤贮水消耗量；M为阶段内灌水量；Pr为阶段内有效降水量；K为阶段内地下水补给量。当地下水埋深大于2.5 m时，K值可以不计，本试验的地下水深在5 m以下，因此无地下补水。

耗水模系数=各生育阶段麦田耗水量/麦田总耗水量

1.3.5 籽粒产量测定及水分利用效率和氮素利用效率的计算

小麦成熟后按小区收获后脱粒，籽粒自然风干后称量(含水量12.5%)，折算成公顷产量。

水分利用效率=籽粒产量/小麦生育期总耗水量

降水利用效率=籽粒产量/降水量

灌水利用效率=籽粒产量/灌水量

氮肥偏生产力=籽粒产量/施氮量

1.3.6 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2007软件进行数据处理，SigmaPlot 12.5软件进行绘图，采用SPSS13.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1施氮对小麦全生育期0～200cm土层土壤贮水消耗量的影响

由图1可以看出，在小麦整个生育期内，0～20 cm土层土壤贮水消耗量随施氮水平的提高而增加，处理间差异显著；20～160 cm土层土壤贮水消耗量表现为N2处理显著高于N1和N0处理，但与N3处理差异不显著；160～180 cm土层土壤贮水消耗量表现为N3>N2>N1、N0；180～200 cm土层土壤贮水消耗量表现为N3>N2、N1>N0。总体来看，N3处理0～200 cm各土层土壤贮水消耗量均较高，N2处理主要促进了小麦对20～160 cm土层土壤贮水的吸收。

图1 不同处理小麦全生育期0～200 cm土层土壤贮水的消耗量

2.2施氮对麦田不同来源耗水量及其占总耗水量比例的影响

与N0处理相比，施氮处理提高了小麦总耗水量及土壤贮水消耗量，但降低了灌水量及降水量占总耗水量的比例(表2)。在施氮处理间，N2处理灌水量及其占总耗水量的比例显著低于N1和N3处理，其中较N1处理降低9.51%和14.16%，较N3处理降低8.75%和6.09%。N2处理的总耗水量、土壤贮水消耗量及其占总耗水量的比例较N1处理分别高5.43%、24.18%和17.79%，降水量占总耗水量的比例较N1处理低5.15%，与N3处理无显著差异。表明N2处理减少了灌水量，并促进了对土壤贮水和降水的利用。

2.3施氮对小麦生育阶段耗水量和耗水模系数的影响

不施氮处理下小麦各生育阶段的耗水量均低于各施氮处理(表3)。在施氮处理间，播种至拔节阶段耗水量差异不显著，耗水模系数表现为N1、N2>N3；拔节至开花阶段耗水量表现为N3>N2、N1，不同处理间耗水模系数差异不显著；开花至成熟期N2处理的阶段耗水量和耗水模系数较N1处理分别高13.21%和7.39%，与N3处理差异不显著。这表明N2处理促进了开花至成熟期的水分消耗，有利于小麦籽粒充实和粒重增加。

表2 不同处理的小麦总耗水量及不同来源耗水的数量和比例Table 2 Total water consumption amount and the amount and ratio of different water resources under different treatments

同列不同字母表示处理间差异达5%显著水平。下表同。

Values with different letters in the same column are significant among the treatments at 5% level. The same in other tables.

表3 小麦生育阶段耗水量和耗水模系数Table 3 Water consumption amount and water consumption percentage at different growth stages of wheat

CA:water consumption amount of growth stage; CP:water consumption percentage.

2.4施氮对小麦籽粒产量、水分和氮素利用效率的影响

N0处理籽粒产量、水分利用效率、降水利用效率和灌水利用效率均显著低于施氮处理(表4)。在施氮处理间，N2处理的籽粒产量和降水利用效率显著高于N1处理，与N3处理无显著差异；N2处理的灌水利用效率较N1和N3处理分别高21.04%和8.17%。氮肥偏生产力表现为N1>N2>N3。这表明N2处理最有利于小麦高产和水氮有效利用。

3 讨 论

表4 小麦的籽粒产量、水分利用效率及氮肥偏生产力Table 4 Grain yield,water use efficiency and nitrogen partial productivity of wheat

前人研究表明，黄土高原旱塬区小麦返青至成熟期0～50 cm土层耗水率达54.6%[14]。Qiao等[15]研究发现，小麦越冬、返青、拔节、开花和灌浆期各灌溉60 mm，与越冬和拔节期各灌溉60mm处理比较，0～200 cm土层土壤贮水消耗量降低77.9 mm。在生育期不灌水条件下，增加施氮可促进0～160 cm土层土壤贮水消耗量[16]。Rasmussen等[17]也研究表明，施氮量由20 kg·hm-2增加至150 kg·hm-2，促进50 cm以下土层小麦根系的生长，增加植株对土壤贮水的吸收。前人对小麦不同深度土层土壤贮水消耗的研究多采用定量灌溉的方法，忽略了土壤墒情。本研究中，在拔节期和开花期0～40 cm土层土壤含水量分别补灌至田间持水量的70%和65%条件下，240 kg·hm-2施氮处理的20～160 cm土层土壤贮水消耗量较180 kg·hm-2施氮处理提高28.29%，促进了小麦对土壤贮水的利用，有利于节约灌水；施氮量增加至300 kg·hm-2时，20～160 cm土层土壤贮水消耗量无显著变化。

有研究发现，拔节期、灌浆期分别灌水60 mm时，在0～270 kg·hm-2施氮量范围内冬小麦生长季土壤供水占总耗水的比例为20.71%～27.44%，施氮处理下降水量和灌水量占总耗水量的比例较不施氮处理分别降低1.45%～10.01%和2.81%～8.36%[16]。小麦全生育期灌水150 mm时，随施氮量的增加，总耗水量和土壤贮水消耗量呈单峰曲线，其中240 kg·hm-2施氮处理均最高，分别为535.6和149.5 mm[18]。施氮120和240 kg·hm-2条件下，小麦收获后的土壤贮水量较不施氮处理分别低56和51 mm[19]。本研究中，在拔节期和开花期0～40 cm土层土壤含水量分别补灌至田间持水量的70%和65%条件下，240 kg·hm-2施氮处理的土壤贮水消耗量较180 kg·hm-2施氮处理提高24.18%，显著增加小麦对土壤贮水的消耗，提高开花至成熟期阶段耗水量和耗水模系数，有利于满足小麦籽粒灌浆时期的水分需求，施氮量再增加后，土壤贮水消耗量、开花至成熟期阶段耗水量和耗水模系数无显著变化。

前人研究得出，施氮量与籽粒产量、水分利用效率和氮素利用效率的偏相关系数分别为0.774、0.226和0.729[20]。Zhang等[21]研究认为，施氮190和290 kg·hm-2下，与110 kg·hm-2施氮处理比较，小麦籽粒产量分别增加8.47%和14.39%，水分利用效率分别提高9.43%和16.95%。亦有研究认为，小麦全生育期灌水225 mm时，270 kg·hm-2施氮处理灌水利用效率较180 kg·hm-2施氮处理提高12.08%，水分利用效率无显著差异[22]。在0～360 kg·hm-2范围内施氮，随施氮量的增加，小麦籽粒产量先增后减，以施氮240 kg·hm-2的产量最高，氮肥偏生产力达到27.56 kg·kg-1[23]。本研究中，在测墒补灌条件下，240 kg·hm-2施氮处理比180 kg·hm-2施氮处理增产9.53%，降水利用效率和灌水利用效率分别提高9.54%和21.04%，施氮量再增加后籽粒产量无显著变化，灌水利用效率和氮肥偏生产力分别降低7.55%和18.94%。因此，在本试验条件下，240 kg·hm-2施氮处理是冬小麦高产栽培节水、节氮的最优处理。

本研究仅选用了山农23作为供试品种，由于不同小麦品种耗水特性和水分利用效率存在较大差异，因此有关测墒补灌节水栽培条件下施氮量对不同小麦品种耗水特性的影响需要进一步研究。

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EffectofNitrogenApplicationonWaterUseConsumptionCharacteristicsandtheWaterandNitrogenUseofWinterWheatunderSupplementalIrrigationBasedonMeasuringSoilMoisture

ZHENGXuejiao1,ZHANGYongli1,WUFuxue2,YUZhenwen1,SHIYu1

(1.Ministry of Agriculture Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System,Shandong Agricultural University,Tai’an,Shandong 271018,China; 2.Agricultural Technology Extension Station of Juancheng County,Juancheng,Shandong 274700,China)

To clarify the appropriate nitrogen application rate for high-yielding and water-saving of winter wheat production in Huang-Huai winter wheat region,field experiment was conducted under the condition of the relative soil moisture content at jointing and anthesis stages being 70% and 65%. Wheat cultivar Shannong 23 was supplied with nitrogen fertilizer at 0 (N0),180 (N1),240 (N2),and 300 (N3) kg N·hm-2. We explored the water consumption characteristics and water and nitrogen use efficiencies in response to different nitrogen application rate. The results showed that the consumption amount of soil water in 20-160 cm soil layers for treatment N2 was significantly higher than that of treatment N0 and N1,but no significant difference was found when compared with N3. Compared to treatment N0 and N1,N2 decreased the irrigation water amount by 7.35% and 9.51%,respectively,and significantly increased the soil water consumption,water consumption and water consumption percentage from jointing to anthesis. When the N application rate reached to 300 kg·hm-2,irrigation water amount was increased by 9.59%,and no significant difference was found under N2 treatment in soil water consumption,water consumption and water consumption percentage from jointing to anthesis. Compared to N1 treatment,N2 increased the grain yield,water use efficiency of precipitation and irrigation water productivity by 9.53%,9.54% and 21.04% respectively. While N application rate reached to 300 kg·hm-2,there was no significant difference under N2 treatment in grain yield. Irrigation water use efficiency and nitrogen partial productivity were decreased by 7.55% and 18.94%,respectively. Therefore,the optimal N application rate was 240 kg·hm-2(N2) under the present experimental conditions.

Winter wheat; Nitrogen application; Water consumption characteristics; Yield

时间：2017-10-11

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20171011.1602.022.html

2017-03-02

2017-04-25

农业部现代小麦产业技术体系项目(CARS-3-1-19)； 山东省自然科学基金项目(ZR2016CM34)

E-mail：Zhengxj1021@163.com

张永丽(E-mail：zhangyl@sdau.edu.cn)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)10-1358-06