渭北旱塬不同水肥优化模式对冬小麦产量及水氮利用效率的影响

贾 亮，翟丙年(.西北农林科技大学 资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 7200；2.金正大生态工程集团股份有限公司，农业部植物营养与新型肥料创制重点实验室，山东临沭 276700)

渭北旱塬不同水肥优化模式对冬小麦产量及水氮利用效率的影响

贾 亮1,2，翟丙年1
(1.西北农林科技大学 资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100；2.金正大生态工程集团股份有限公司，农业部植物营养与新型肥料创制重点实验室，山东临沭 276700)

水分不足和养分亏缺是限制渭北旱塬冬小麦生产的主要因素。采用大田试验方法，研究有限灌溉条件下不同施肥灌溉处理对渭北旱塬冬小麦产量及水氮利用效率的影响，旨在为渭北旱塬冬小麦高产及资源高效利用提供理论依据。结果表明，秸秆覆盖、增施有机肥与拔节期追氮补灌相结合的优化模式3与传统施氮灌溉及其他优化处理相比，小麦产量最高，达4 500 kg/hm2，水分利用效率和氮素利用效率较传统施氮处理分别提高21.9% 和13.7%。优化水氮管理中，增加秸秆覆盖，冬小麦产量无显著增加，但水氮利用效率有所提高；而配施有机肥能显著提高小麦产量和水氮利用效率。总体看，优化水氮处理与传统施氮灌溉管理相比，在高产稳产前提下，能大幅降低灌水量并提高水氮利用效率。因此，在渭北旱塬水资源紧缺的背景下，优化施氮补灌、秸秆覆盖及配施有机肥相结合的优化水氮栽培管理模式可以大幅提高小麦产量及水氮利用效率，值得大力推广。

冬小麦；产量；水氮利用效率

中国是一个水资源缺乏且分布不均衡的国家，虽然水资源总量丰富，但是人均占有量仅占全世界平均水平的1/4，而粮食生产主要依赖于占国土面积 40% 的半干旱区。渭北旱塬为陕西省旱地农业生产的主要区域，曾经为区域粮食安全做出重要贡献，冬小麦是其主要的粮食作物，但因其干旱缺水、土壤养分不足限制粮食产量的进一步提高[1]。

随着综合生产能力的不断提高，农民对土地的投入逐渐增加，但目前农民传统施肥仍然存在施肥不足与过量并存，重化肥而轻视有机肥的现象[2]，并且，由于长期滥用化肥导致土壤质量下降及环境污染问题出现[3-4]。渭北旱塬当地冬小麦农民传统的施肥方式多为“一炮轰”；由于该地区气候干旱、降水分布不均，使得大部分麦田无灌水条件，只有极少数麦田能在返青时得到一次春灌，灌水量在130 mm左右。在这种传统的水肥投入条件下，不仅产量无法得到有效提高，而且水氮利用效率低、损失量大[5]。因此，如何采取有效措施来提高有限的水分和养分利用效率、提高作物产量，并对土壤进行培肥，已成为提高当地农田生产力水平的关键。

在旱作农业区开展优化施肥与节水灌溉相结合，可以使小麦在生育期内协调水肥并能均衡生长发育，从而获得高产和较高的水氮利用效率[6-8]。研究表明，拔节期追氮补灌及其与秸秆覆盖相结合可以显著提高冬小麦产量及水氮利用效率[9-12]，施用有机肥和秸秆覆盖对提高土壤有机质含量和含水量、改善土壤结构、培肥土壤、提高农作物产量及水氮利用有重要意义[13-18]。目前就有限灌溉、秸秆覆盖、优化施肥对冬小麦产量及水氮利用效率的影响方面的研究已有许多[9-18]，但多为单一或两种技术措施的结合，将栽培措施和水肥管理等多项技术集成的优化水肥模式研究则鲜见报道。本试验从渭北旱塬冬小麦生产实际出发，通过优化模式与农户模式对比，形成一套集有限灌溉、秸秆覆盖、有机肥施用及氮磷钾肥优化配比等于一体的技术集成模式，为实现该地区冬小麦的高产高效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于陕西澄城县，该县地处陕西渭北高原，东经109°56′30″，北纬35°13′14″，海拔653 m，属温带大陆性季风气候，多年平均降雨544.6 mm，年平均气温12.1 ℃，无霜期204 d，昼夜温差大，光照充足，年日照时数达2 616 h。

试验于2009年9月底布设，为期3 a，试验地区以前一直为大田传统耕作，通常为氮磷配施，施肥量均为90～120 kg/hm2，无有机肥投入。试验区地表平坦，土壤类型为黄绵土，黄土母质，基础肥力中等。0～20 cm土层有机质质量分数为14.36 g/kg、全氮0.77 g/kg、硝态氮10 mg/kg、铵态氮3 mg/kg、速效磷17.68 mg/kg、速效钾168 mg/kg、pH为8.19。

1.2 试验设计与实施

共设有对照(CK)、农户模式(FM)、优化模式(OM)等6 个处理(表1)，4 次重复，田间排列采用随机区组设计，小区面积为108 m2(18 m×6 m)。供试冬小麦品种为‘晋麦47’，播种量为150 kg/hm2。农户模式1为采用传统施氮“一炮轰”的施肥方式；农户模式2在农户模式1的基础上增加返青期漫灌；优化模式：在节水的前提下，采用以基追质量比为2∶1结合拔节期追氮补灌及秸秆覆盖和配施有机肥相结合的优化施氮灌溉方案。氮肥为尿素[w(N)=46%]，磷肥为过磷酸钙[w(P2O5)=12%]，钾肥为硫酸钾[w(K2O)=50%]，有机肥为土杂肥(有机质质量分数为18.78 g/kg，全氮为1.56 g/kg，有效磷为59.35 mg/kg，速效钾115.23 mg/kg)，覆盖物为小麦秸秆(覆盖量为4 500 kg/hm2)；基肥在冬小麦播种前撒施，翻入土中；追肥结合拔节期灌水人工撒施，其余田间管理与农户传统相同，当季整个小麦生育期降水约177.6 mm。

表1 冬小麦优化灌水及施肥试验方案Table 1 Experiment design of optimized water and fertilizer management in winter wheat

1.3 测定项目及方法

1.3.1 干物质取样与考种计产 于小麦成熟期从每个小区采集长势均匀的1 m植株样段带回实验室，按叶片、茎鞘、穗(或籽粒、颖壳)等分器官处理，105 ℃杀青后置70 ℃烘箱中烘干称量，样品粉碎后以备测试用。

于收获前，在已定的3行1 m长的长势均匀的小麦样段测定成穗数；选择有代表性的15株小麦，手工脱粒，测定每穗粒数；准确数出并称取1 000 粒小麦籽粒的质量，测定千粒质量(2 次的质量相差小于0.5 g)。小麦成熟时，在各试验小区选取3个1 m×2 m的代表性样方，单独收割、晾晒，脱粒计产。

1.3.2 土壤水分测定及水分利用效率 在小麦播种前及收获后，每隔20 cm土层用土钻取土，置105 ℃烘箱烘干，测定2 m土体内的土壤含水量，采用土壤水分平衡法计算不同处理的耗水状况，总耗水量按如下公式计算[19]：

ET=P+I+△W

其中，ET为作物生长季总耗水量(蒸发蒸腾量)，单位为mm；P为小麦生长季的降雨量，单位为mm；I为生长季灌溉量，单位为mm；△W为播种前土壤贮水量与收获后土壤贮水量之差。

水分利用效率(Water use efficiency)=作物籽粒产量/作物总耗水量[20]。

1.3.3 植物样品氮素测定和氮素利用效率(氮肥回收率) 小麦各器官植株样品用浓H2SO4-H2O2消煮，德国BRAN+LUEBBE AA3连续流动分析仪测定植物全氮质量分数。氮素利用效率按如下公式计算[21]：

氮肥农学效率(Agronomic nitrogen use efficiency)=(施氮区产量-不施氮区产量)/施氮量×100%

氮肥回收率(Nitrogen recovery efficiency)=(施氮区植株吸氮量-不施氮区植株吸氮量)/施氮量×100%

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05软件对试验数据进行统计分析，运用一元方差分析方法(one-way ANOVA)以LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同水肥优化模式对冬小麦产量及其构成因素的影响

由表 2 可知，农户模式1比对照不施氮的产量提高42.8%，而农户模式2相比对照提高98.7%，说明施氮和灌水可以大幅提高冬小麦产量。优化模式中，拔节期追氮补灌相比对照产量平均提高107.5%。其中，优化模式3最高，为4 500 kg/hm2，较对照处理提高127.8%。农户模式2产量显著高于不灌水的农户模式1，进一步说明水分亏缺是限制该区冬小麦产量的主要因子，返青期大水漫灌可以显著提高小麦产量。优化模式1与农户模式2的产量相比，差异未达到显著水平，但相对于农户模式1，产量却显著提高36.8%，说明在有限灌水的条件下，拔节期追氮、补充灌水可以显著提高小麦产量。优化模式3比农户模式2的产量显著提高14.6%，原因可能是有机无机肥配施能增强土壤酶活性，进而促进土壤中有机养分的转化和作物对土壤养分的吸收利用，提高作物产量[22]。在本试验的土壤肥力和降水条件下，虽然优化模式1、2与农户模式2的冬小麦产量无显著性差异，但优化模式可以大幅度降低灌水量，节约大量水资源。

从产量构成三要素看，各处理之间的穗粒数和千粒质量均无显著性差异，但不同水氮处理对小麦穗数有明显影响。结果显示，农户模式1较对照提高小麦穗数，却没有达到显著性差异；而农户模式2与对照相比，有效穗数显著提高47.1%。优化模式1、2的有效穗数显著高于农户模式1和对照，但与农户模式2相比，有效穗数虽然有所提高，但差异不显著，说明拔节期补灌追氮可以显著增加小麦穗数从而大幅提高小麦产量。优化模式3与对照、农户模式1和农户模式2相比，穗数分别显著提高87.2%、48.3%、27.2%。说明本试验条件下提高冬小麦的有效穗数是提高产量的关键，而追氮补灌与秸秆覆盖、有机肥结合可以显著提高小麦的成穗数，从而显著提高籽粒产量。

表2 不同优化模式下冬小麦产量及其构成因素Table 2 Effects of different optimized modes on grain yield and composition in winter wheat

注：同列数据后的不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

Note：Values followed by different letters in the same column are significantly difference(P<0.05).The same below.

2.2 不同水肥优化模式对冬小麦水分利用效率的影响

由表 3 可知，不施氮肥、不灌水的对照处理水分利用效率最低，为6.53 kg/(hm2·mm)，显著低于其他处理。农户模式2的生育期总耗水最高为436.2 mm，所有灌水处理的小麦生育期总耗水量以及水分利用效率高于不灌水处理，说明灌水是小麦生育期总耗水的主导因子；返青期漫灌或拔节期补灌均有利于提高水分利用效率。优化模式3的水分利用效率最高为12.18 kg/(hm2·mm)，较对照和农户模式1、2分别提高86.5%、33.0%、21.9%。

农户模式1的生育期总耗水与对照没有明显差异，但由于产量差异显著，使得农户模式1的水分利用效率显著高于对照，说明施用氮肥能显著提高小麦对水分的吸收和利用。优化模式1的水分利用效率较对照和农户模式2分别提高69.2%、10.6%，说明拔节期追氮补灌可大幅提高水分利用效率，并且提高幅度比返青期大水漫灌更加明显。优化模式2较优化模式1的冬小麦水分利用效率提高2.5%，说明秸秆覆盖降低土壤水分的蒸发，增加土壤含水率，有利于提高产量和作物水分利用效率。增施有机肥的优化模式3与其他优化模式相比，进一步提高冬小麦水分利用效率，原因可能是，有机质不仅能够改善土壤理化性状，提高土壤蓄水、保水、供水能力；而且可以减少养分淋失，提高供肥能力，及时满足作物生长需要，从而提高冬小麦产量和水分利用效率[23]。

同时，结果显示降水占各处理冬小麦生育期耗水量的40.7%～59.6%，进一步说明渭北旱塬境内农业用水主要靠天然降水；在有限的灌溉条件下，适时适量的灌水对冬小麦产量和水分利用效率有重要影响。

表3 不同优化模式下小麦的耗水组成及水分利用效率Table 3 Effect of different optimized mode on consuming composition and water use efficiency(WUE) in winter wheat

2.3 不同水肥优化模式对冬小麦氮素利用效率的影响

由表4可知，不同水氮管理模式的小麦氮素积累量有显著差异，表现为优化模式>农户模式>对照。农户模式1、2的小麦氮素积累量较对照分别显著提高95.4%、130.3%，说明施氮和灌水都可以提高小麦地上部的氮素积累量。优化模式1的小麦氮素积累量较对照和农户模式2分别提高173.8%、18.9%，说明拔节期追氮补灌有利于小麦的氮素转移，提高小麦氮素累积量。优化模式3的小麦氮素累积量最高，为119.07 kg/hm2，较优化模式1提高6.7%，差异显著。这是由于秸秆覆盖、增施有机肥进一步增加植株蒸腾，促进干物质累积，提高小麦的生物量和籽粒产量。

氮肥农学效率是单位施肥量对作物籽粒产量增加的反映，它的大小可以评价施用氮肥的增产效果，是农业生产中最关心的经济指标之一。结果分析表明(表4)，灌水处理的氮肥农学效率显著高于不灌水处理，其中农户模式2的氮素农学效率最高，较农户模式1显著提高184.2%，说明返青漫灌和拔节期补灌可以显著提高小麦施用氮肥的增产效果。优化模式处理中，优化模式3较优化模式1、2分别显著提高28.0%、29.5%，说明施用有机肥可以显著提高氮肥的增产效果。

氮肥回收率作为评价作物对氮素肥料吸收的一个重要指标，反映作物对土壤中肥料氮的回收利用效果。由表4可以看出，不同水氮管理模式可以显著影响氮肥回收率，表现为优化模式3>优化模式2>优化模式1>农户模式2>农户模式1。农户模式2与农户模式1相比，氮肥回收率提高36.6%，说明返青期灌水130 mm有利于提高氮肥利用效率。优化模式之间的氮肥回收率没有显著差异，但与农户模式1相比显著提高61.1%，比农户模式2提高18.0%，说明氮肥后移并结合拔节期的补充灌溉促进植株中来自土壤氮和肥料氮的积累，促进氮素向籽粒转运，从而提高氮肥利用率。优化模式3中氮肥回收率最高，为54.39%，与农户模式1、2相比差异显著。优化模式的结果表明，在拔节期追氮补灌的基础上，增加秸秆覆盖和增施有机肥都利于进一步提高氮肥利用效率。

表4 不同优化模式下冬小麦的植株吸氮量、氮肥农学效率和氮肥回收率Table 4 Effects of different optimized mode on plant nitrogen, agronomic nitrogen use efficiency and nitrogen recovery rate in winter wheat

3 讨论与结论

在灌溉条件有限的半干旱地区，利用自然降水和进行节水灌溉来提高小麦产量是旱区农业发展的主要途径之一[24]。大量研究表明，秸秆覆盖、灌水量、灌水时期和灌溉次数等水分调控模式对提高作物产量和水分利用效率有重要影响[25-27]。拔节期是冬小麦水氮配合效应的关键期和亏缺敏感期，拔节期供水供肥可以显著地提高冬小麦产量[10]；若拔节期灌水与秸秆覆盖相结合，不但可以增加小麦的氮素累积量，还可以提高冬小麦水分利用效率[12]。唐小明[14]研究表明，旱作土壤施用有机肥料能明显提高作物产量和水分利用率。本试验结果也表明，农户传统的返青期灌水和优化模式中拔节期追氮补灌都可以显著提高冬小麦的产量和水分利用效率。虽然优化模式1、2与传统灌溉施氮在产量上没有显著差异，但是优化的拔节期追氮补灌可以大幅度降低作物的总耗水量，节约大量水资源，而且显著提高水分利用效率。增加秸秆覆盖和配施有机肥的优化模式3产量最高，为4 500 kg/hm2，显著高于其他优化模式和农户模式；优化模式间的水分利用效率没有显著差异，但优化模式3显著高于农户传统模式，说明秸秆覆盖和增施有机肥均有进一步提高冬小麦产量和水分利用效率的趋势。

张福锁等[28]研究指出，中国小麦的氮肥农学效率和氮肥利用效率远低于国际水平，水肥综合管理技术是有效提高氮肥利用率的主要途径。在常规灌溉下，冬小麦氮素累积量随施氮量增加而显著增加，氮肥回收率随施氮量的增加而显著减少，损失量增加[29]。大量研究表明，拔节期追氮补灌可以显著地提高冬小麦产量及水氮利用效率[10-12]，而增加有机肥和秸秆覆盖有利于冬小麦产量和水氮利用效率的提高[15-17]。本研究结果也表明，拔节期追氮补灌可以显著增加冬小麦成熟后的地上部氮素累积量，提高氮肥回收率。各处理中以传统施肥灌溉的农户模式2氮肥农学效率较高，原因是优化施肥中增加施肥量，并且处于试验的第1年，土壤肥力水平仍然较低，增施的氮肥量没有大幅度提高产量。但从肥料利用效果上看，优化模式3氮肥回收率最高，并且显著高于农户模式2，说明优化模式采用的拔节期追氮补灌，不但显著降低水资源的消耗，而且明显提高氮肥的利用率。这说明施用有机肥和秸秆覆盖不但有利于提高土壤肥力和保水能力，提升土壤质量，而且有利于增加冬小麦地上部的吸氮量和产量，提高其氮素利用效率[23]。本研究氮肥回收率为29.81%～54.39%，比一般研究高，原因可能有两个方面: 一方面试验地区产量较低，而本次试验的优化模式添加钾肥、有机肥、拔节期追氮补灌、秸秆覆盖等措施较传统对照处理产量大幅提高；另一方面可能是在计算氮肥回收率时，产量和养分数据是以每个处理中采集的1 m样段植株测定，取样可能存在一定的误差，从而导致本研究的氮肥回收率偏高。

试验地地处黄土高原南端，该地区大部分农民有传统冬灌或春灌的习惯，灌水方式较为粗放，约为130 mm，水资源浪费巨大。据对试验田所在地区的32个农户小麦生产状况调查显示，当地冬小麦旱地的产量平均约2 700 kg/hm2，水浇地产量约为3 675 kg/hm2。而本试验采用优化的拔节期补充灌溉不但可以增加冬小麦产量，而且可以节约大量水资源；此外，为满足当地果园有机肥的需要，政府大力扶持畜禽养殖业的发展，为麦田有机肥的来源提供诸多方便。总之，采用“优化施氮灌水+秸秆覆盖+有机肥”集成栽培模式的节水灌溉农业，不仅节约大量水资源，还大幅提高小麦产量，促进旱地农业的可持续发展。从生态环境和经济效益上看，这种集成模式的节水灌溉农业有很大推广潜力。

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EffectsofDifferentOptimizedWaterandFertilizerModesonYield,Water-nitrogenUseEfficiencyofWinterWheatinWeibeiDryPlateauArea

JIA Liang1,2and ZHAI Bingnian1
(1.College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University/Key Laboratory of Plant Nutrition and Agri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture of P.R.China, Yangling Shaanxi 712100,China；2.Key Laboratory of Plant Nutrition and New Fertilizer R&D, Ministry of Agriculture, P.R. China,Kingenta Ecological Engineering Group Co., Ltd., Linshu Shangdong 276700,China)

Water shortage and nutrient deficiency are the key factors that restrict winter wheat production in Weibei dry plateau area.Field experiment was carried out to study the effect of different nitrogen application rates and water control patterns on grain yield, water, and nitrogen use efficiency and aimed to provide theoretical basis for cultivation measures of grains yield and resource use efficiency of winter wheat in Weibei dry Plateau Areas.The results showed that, compared with the conventional fertilizer application mode, under the condition of high and stable yield, the optimized mode treatments decreased the irrigation and improved the water and nitrogen use efficiency. The maximum yield in optimized modes of straw mulch manure application and topdressing nitrogen in jointing treatment was 4 500 kg/hm2,and significantly higher than other optimized modes treatments, and significantly higher than those of other optimized modes.The conventional fertilizer mode compared with the conventional fertigation mode,the water and nitrogen use efficiency in the optimized mode of straw mulching and manure application treatment increased by 21.9% and 13.7%, respectively. Among all the optimized modes treatments, there was no obvious increase on the yield of winter wheat in the straw mulch treatment, however, the water and nitrogen use efficiency was opposite. Otherwise, manure application could significantly improve wheat yield and water and nitrogen use efficiency. Above all, under the condition of water deficit in Weibei dryland Plateau, the optimized modes had prominent positive effects on yield of winter wheat and water and nitrogen use efficiency, and it was worth of extending to large area.

Winter wheat; Yield; Water and nitrogen use efficiency

2017-04-08

2017-05-11

Construction Project of Northwest A&F University Innovation Team(No.Z111021005);National Science and Technology Support Project(No.2008BADA4B09);New High Efficient Fertigation Technology of Shandong Provincial Agricultural Science and Technology Development Fund [No.Luke(2015)131].

JIA Liang, male, master student. Research area:water and fertilizer management in dryland. E-mail:jialiang624@foxmail.com

ZHAI Bingnian, male, Ph.D,professor. Research area:plant nutrition regulation and water and fertilizer management in dryland. E-mail: bingnianz@sohu.com

顾玉兰ResponsibleeditorGUYulan)

日期：2017-12-21

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20171221.1650.010.html

2017-04-08

2017-05-11

西北农林科技大学“创新团队建设计划”(Z111021005)；国家支撑计划(2008BADA4B09)；山东省农业科技发展资金(鲁科字[2015]131号)。

贾 亮，男，硕士研究生，研究方向为旱地水肥管理。E-mail:jialiang624@foxmail.com

翟丙年，男，博士，教授，研究方向为植物营养调控与旱地水肥管理。E-mail：bingnianz@sohu.com

S512.1；S143.1

A

1004-1389(2017)12-1768-08