水氮互作对旱地春小麦氮肥利用效率和经济产量的影响

姜小凤，郭建国，董 博，郭天文，王淑英

(1.甘肃省农业科学院旱地农业研究所，甘肃兰州 730070； 2.甘肃旱作区水资源高效利用重点实验室，甘肃兰州730070； 3.甘肃省农业科学院植物保护研究所，甘肃兰州 730070； 4.甘肃省农业科学院，甘肃兰州 730070)

水肥是影响小麦产量和品质的重要因子。然而，中国西北内陆水资源匮乏，干旱缺水严重限制了小麦生产[1-2]，开展水氮互作研究对提高旱地春小麦氮肥利用效率和经济产量具有重要实践意义。早期研究发现，正常水分条件下增施氮肥有助于提高冬小麦水氮运转效率[3-7]；水分胁迫条件下，增施氮肥既有可能促进冬小麦对土壤深层水分的吸收利用[8]、提高经济产量[9]，又有可能加剧水分胁迫、降低经济产量[10-11]；作物遭受水分胁迫时，增加灌水量的增产潜力大于增施氮肥[12]；播前灌底墒水与返青后灌拔节水和灌浆水各60 mm并施纯氮150～240 kg·hm-2是提高旱地冬小麦水氮利用效率及增加经济产量的理想水氮管理模式[13-14]。然而，有关水氮互作影响旱地春小麦氮肥吸收利用和经济产量的报道较少，仅有研究显示，全生育期灌水270 mm与施氮168 kg·hm-2是石羊河流域春小麦的最优水氮模式[15]；施氮180 kg·hm-2时灌水343.9 mm是甘肃河西地区春小麦田的最佳土壤水分下限[16]；全生育期滴灌水3 000～4 500 m3·hm-2并施氮225 kg·hm-2是石羊河流域滴灌春小麦的最佳水肥管理模式[17-19]，全生育期灌水2 400 m3·hm-2与施氮180 kg·hm-2是河西固定道垄作春小麦的最佳水氮耦合模式[20-21]。由此看出，不同生境春小麦对水肥的需求具有明显的地理尺度差异性。因此，本研究通过盆栽试验系统模拟旱地春小麦对水肥需求的普遍规律，以期对提高旱地春小麦水肥利用效率提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验在甘肃省农业科学研究院旱地农业研究所抗旱棚内进行。棚内土壤为灌淤土，田间最大持水量23%(质量百分比)，有机质含量15.4 g·kg-1，全氮含量1.37 g·kg-1、全磷含量0.74 g·kg-1，全钾含量19.42 g·kg-1，速效氮含量83.79 mg·kg-1，有效磷含量25.06 mg·kg-1，速效钾含量135.08 mg·kg-1，pH 8.2。土壤过30目筛网后装入陶瓷花盆(上内径×下内径×高=30 cm×24 cm×50 cm)，每盆装8 kg土样，定苗22株。

春小麦品种为陇春27号(♀陇春8号×♂8858-2)，该品种分蘖力强，抗倒伏，抗旱。采用2×3随机区组设计，共设A1B1(HNW)、A1B2(MNW)、A1B3(CK)，A2B1(HND)、A2B2(MND)和A2B3(CK)6个处理。其中，A因素为土壤持水量，B因素为施氮水平；A1代表全生育期土壤持水量保持在最大持水量的75%～85%(正常水平)，A2代表全生育期土壤持水量保持在最大持水量的35%～45%(胁迫水平)；B1、B2和B3分别代表高氮、中氮和不施氮肥，高氮和中氮处理分别为每公斤土施纯氮0.25 g和0.15 g，不施氮肥为对照。通过称重法控制土壤水分和氮肥用量。每处理10次重复，共60盆。供施肥料为尿素(含N量46%)和过磷酸钙(P2O5含量12%)，不施钾肥，过磷酸钙用量为每公斤土0.5 g(折合0.06 g P2O5)。

1.2 测定指标与方法

分别在小麦拔节期、抽穗期、扬花期、灌浆期和成熟期，于每盆中取长势一致的小麦3株，清洗干净根部土壤，晾至无水滴时，将茎秆、叶片、麦穗(不含籽粒)、籽粒分别装入牛皮纸袋，60 ℃恒温烘干，用植物粉碎机分别粉碎后装袋备用。参照FOSS全自动凯氏定氮仪Kjeltec 8400测定植株和籽粒的氮含量，计算氮肥利用率、氮肥农学效率、氮肥收获指数和氮肥生产效率。计算公式：

氮肥利用率=(施氮区籽粒氮素积累量-未施氮区籽粒氮素积累量)/施氮量×100%

氮肥农学效率=(施氮区籽粒产量-未施氮区籽粒产量)/施氮量

氮肥收获指数=籽粒氮素积累量/植株氮素积累量

氮肥生产效率=籽粒产量/施氮量

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2007和DPS 6.5软件处理数据，用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 相同水分不同氮肥水平下春小麦各器官全氮含量的变化

2.1.1 春小麦茎秆中全氮含量的变化

由表1可知，春小麦茎秆全氮含量随生长发育进程推进而逐渐下降。正常水分条件下，春小麦全生育期茎秆的全氮含量表现为中氮处理>高氮处理>空白对照，拔节期中氮处理的全氮含量分别较高氮处理和空白对照高17.62%和22.89%(P<0.05)，抽穗期中氮处理的全氮含量分别较高氮处理和空白对照高12.7%和20.33%(P<0.05)，扬花期中氮处理的全氮含量较空白对照高20.00%(P<0.05)；水分胁迫条件下，春小麦全生育期茎秆的全氮含量表现为高氮处理>中氮处理>空白对照，且拔节期高氮处理的全氮含量分别较中氮处理和空白对照高10.91%和12.21%(P<0.05)，灌浆期高氮处理和中氮处理的全氮含量分别较空白对照高44.07%和40.68%(P<0.05)。水氮二因素交互效应方差分析(固定模型)显示，拔节期、抽穗期、扬花期和灌浆期水分、氮肥、水分与氮肥互作效应的差异均极显著(P<0.01)，成熟期水分效应差异极显著(P<0.01)、氮肥效应差异显著(P<0.05)、水分和氮肥互作效应差异不显著(P>0.05)。

2.1.2 春小麦叶片中全氮含量的变化

由表2可知，春小麦叶片全氮含量随生长发育进程的推进而逐渐下降。正常水分条件下，全生育期叶片全氮含量表现为中氮处理>高氮处理>空白对照，且拔节期中氮处理的全氮含量分别较高氮处理和空白对照高10.98%和14.29%(P<0.05)，扬花期和灌浆期中氮处理的全氮含量分别较空白对照高23.83%和20.90%(P<0.05)；水分胁迫条件下，全生育期叶片全氮含量表现为高氮处理>中氮处理>空白对照，且拔节期、抽穗期、扬花期、灌浆期和成熟期高氮处理的全氮含量分别较空白对照高12.91%、15.83%、21.89%、27.27%和37.68%(P<0.05)，但全生育期内高氮处理与中氮处理间差异均不显著(P>0.05)。水氮二因素交互效应方差分析(固定模型)显示，拔节期、扬花期、灌浆期和成熟期水分、氮肥、水分和氮肥互作效应差异极显著(P<0.01)，抽穗期水分、氮肥效应差异极显著(P<0.01)，水分与氮肥互作效应差异显著(P<0.05)。

2.1.3 春小麦麦穗(不含籽粒)中全氮含量的变化

由表3可知，春小麦麦穗(不含籽粒)的全氮含量也随生长发育进程的推进而呈下降趋势。正常水分条件下，抽穗期至成熟期春小麦麦穗(不含籽粒)的全氮含量表现为中氮处理>高氮处理>空白对照，且成熟期中氮处理的全氮含量分别较高氮处理和空白对照高19.59%和39.76%(P<0.05)，扬花期高氮处理和中氮处理的全氮含量分别较空白对照高2.20%和5.49%(P<0.05)；水分胁迫条件下，抽穗期至成熟期春小麦麦穗(不含籽粒)的全氮含量表现为高氮处理>中氮处理>空白对照，且灌浆期和成熟期高氮处理的全氮含量分别较空白对照高11.39%和19.72%(P<0.05)，但全生育期内高氮处理与中氮处理间的差异均不显著(P>0.05)。水氮二因素交互效应方差分析(固定模型)显示，抽穗期和灌浆期水分、氮肥、水分和氮肥互作效应的差异极显著(P<0.01)；扬花期水分、氮肥效应差异显著(P<0.05)，而水分与氮肥互作效应差异不显著(P>0.05)；成熟期水分与氮肥互作效应差异极显著(P<0.01)，而水分、氮肥效应差异不显著(P>0.05)。

表1 不同水分和氮肥水平下春小麦茎秆的全氮含量Table 1 Total nitrogen content of spring wheat stalks under different nitrogen at the same water level %

表2 不同水分和施氮水平下春小麦叶片的全氮含量Table 2 Total nitrogen content of spring wheat leaves under different nitrogen and water levels %

表3 不同水分和施氮水平下春小麦麦穗(不含籽粒)的全氮含量Table 3 Total nitrogen content of spring wheat ears under different nitrogen and water levels %

2.1.4 春小麦籽粒中全氮含量的变化

由表4可知，正常水分条件下，春小麦籽粒的全氮含量表现为中氮处理>高氮处理>空白对照，但中氮处理和高氮处理的全氮含量差异不显著，二者分别较空白对照高10.75%和6.45%(P<0.05)；水分胁迫条件下，春小麦籽粒的全氮含量表现为高氮处理>中氮处理>空白对照，高氮处理的全氮含量较空白对照高13.82%(P<0.05)，但与中氮处理的差异不显著(P>0.05)。水氮二因素交互效应方差分析(固定模型)显示，水分、氮肥、水分与氮肥互作效应差异极显著(P<0.01)。

2.2 2种水分3种氮肥水平下春小麦氮肥利用效率的变化

由表5可知，正常水分条件下，中氮处理的氮肥利用率、农学效率和生产效率分别较高氮处理高37.17%、45.88%和26.79%(P<0.05)，氮肥收获指数较高氮处理低8.00%(P<0.05)；水分胁迫条件下，中氮处理的氮肥利用效率、农学效率和生产效率分别较高氮处理高11.68%、21.81%和19.23%(P<0.05)，氮肥收获指数与高氮处理差异不显著(P>0.05)。

表4 不同水分和施氮水平下春小麦籽粒的全氮含量Table 4 Total nitrogen content of spring wheat seeds under different nitrogen and water levels

表5 不同水分和氮肥水平下春小麦氮肥利用效率的变化Table 5 Variation for nitrogen use efficiency of spring wheat at three nitrogen levels under two water conditions

2.3 不同水分和氮肥水平下旱地春小麦农艺性状的变化

由表6可知看出，正常水分条件下，高氮处理春小麦的千粒重虽然较中氮处理低11.15%(P<0.05)，但穗长和经济产量分别较中氮处理长5.83%和高25.00%(P<0.05)；而中氮处理春小麦的千粒重虽然较高氮处理高12.55%(P<0.05)，但穗长和经济产量分别较高氮处理低5.51%和20.00%(P<0.05)，其他性状与空白对照间无显著性差异(P>0.05)。水分胁迫条件下，中氮处理春小麦的穗粒数、千粒重和经济产量分别较高氮处理高33.87%、15.27%和17.31%(P<0.05)，其他性状与高氮处理间无显著性差异(P>0.05)；中氮处理春小麦的生物量、千粒重和经济产量分别较空白对照高36.07%、33.36%和45.24%(P<0.05)，株高较空白对照低11.26%(P<0.05)，其他性状与空白对照间无显著性差异(P>0.05)。

表6 不同水分和氮肥水平下春小麦生物性状的变化Table 6 Variation of agronomic traits of spring wheat at three nitrogen levels under two water levels

3 讨 论

本研究发现，正常水分或水分胁迫条件下，每公斤土壤施纯氮0.15 g均有利于显著提高旱地春小麦氮肥利用效率、农学效率和生产效率；但正常水分条件下，每公斤土施纯氮0.15 g后春小麦的穗长缩短、千粒重增加，氮肥收获指数和经济产量均显著低于高氮处理(每公斤土壤施纯氮0.25 g)；水分胁迫条件下，每公斤土壤施纯氮0.15 g后春小麦的千粒重和经济产量均显著高于高氮处理(P<0.05)。说明正常水分条件下增施氮肥有利于提高旱地春小麦的经济产量；相反，水分胁迫条件下减少氮肥用量更有利于增加旱地春小麦的经济产量。这一结果与王秀波等[22]对旱地小麦的研究结果基本一致。其原因可能是：正常水分条件下，氮肥供应充足时有利于增强春小麦叶片的光合效能，从而增加经济产量；而水分胁迫条件下，减施氮肥有利于降低春小麦根系对叶片光合产物的竞争，增强春小麦的抗旱应激能力[23]，尽可能保证地上部植株对土壤水分的正常生理需求，提高叶片的瞬时水分利用效率，从而增加经济产量，若作物遭受水分胁迫下增施过量氮肥会加剧春小麦根系对叶片光合产物的竞争，降低春小麦的抗旱防御性能，致使地上部植株必需土壤水分不能得到有效供给，叶片瞬时水分利用效率下降，必然导致大部分光合产物积累于根系，加之根系氮肥供应充分，容易促使根系旺盛生长，根冠比增大，最终造成茎秆和叶片的光合产物向穗部的运输受阻，致使经济产量受到损失[24]。