雨养和灌水条件下种植密度对冬小麦产量、氮素利用率和水分利用效率的影响

朱文美　费立伟 代兴龙　张秀　董述鑫　初金鹏　钤太峰　贺明荣

摘要：于2015—2016、2016—2017年連续两个小麦生长季，选用大穗型品种泰农18（T18）和中穗型品种山农22（S22）为试验材料，设置雨养（全生育期不灌水）和灌水（每次灌水60 mm） 2个灌溉水平，泰农18选用135、270、405、540株·m-2 4个种植密度（分别用T135、T270、T405、T540表示），山农22选用90、180、270、360株·m-2 4个种植密度（分别用S90、S180、S270、S360表示），研究了雨养与灌水条件下种植密度对冬小麦籽粒产量、氮素利用率及农田耗水特性、水分利用效率的影响。结果表明，在雨养和灌水条件下，随种植密度增加，两品种籽粒产量、氮素利用率、总耗水量和水分利用效率均呈先上升后降低趋势，泰农18和山农22种植密度分别为405、270株·m-2时上述各指标达到最大值，并且种植密度的增产增效效应在雨养和灌水条件下存在显著差异，雨养条件下增加种植密度的增产效应及其对氮素利用率、水分利用效率的提升效应显著高于灌水条件，这与其在雨养条件下干物质提升幅度大（雨养和灌水条件下分别为29.78%和20.42%）、氮素利用效率下降幅度小（雨养和灌水条件下分别为12.90%和17.65%）和耗水增量低（雨养和灌水条件下分别为4.95%和6.74%）有关。两品种冬小麦在雨养条件下基于氮素积累增量、水分消耗增量的密度增产效应亦优于灌水条件，生产中将有限的肥水投入到雨养或节水栽培条件下其增产效应可能更为显著。

关键词：冬小麦；种植密度；雨养与灌水；产量；水氮利用效率

中图分类号：S512.1+10.1 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2018）08-0035-07

Effects of Planting Density on Grain Yield， Nitrogen and Water Use

Efficiency of Winter Wheat in Rainfed and Irrigation Regimes

Zhu Wenmei， Fei Liwei*， Dai Xinglong， Zhang Xiu，

Dong Shuxin， Chu Jinpeng， Qian Taifeng， He Mingrong

（College of Agronomy， Shandong Agricultural University/State Key Laboratory of Crop Biology/

Key Laboratory of Crop Physiological Ecology and Cultivation， Ministry of Agriculture， Taian 271018， China）

Abstract During 2015-2016 and 2016-2017 wheat growing seasons， using the big-spike cultivar Tainong 18 and medium-spike cultivar Shannong 22 as experimental materials， two irrigation regimes including no irrigation （W0） and irrigation with 60 mm （W60） each time were set to study the effects of plant density on grain yield， nitrogen and water use efficiency in rainfed and irrigation regimes. Tainong 18 was planted with four densities of 135 （T135）， 270 （T270）， 405 （T405） and 540 （T540） plants per square meter； Shannong 22 was planted with four densities of 90 （S90）， 180 （S180）， 270 （S270） and 360 （S360） plants per square meter. The results showed that under the rainfed and irrigation conditions， the grain yield， nitrogen use efficiency （NUE）， total evapotranspiration （ET） and water use efficiency （WUE） of the two cultivars showed increasing firstly and then decreasing with the increase of planting density. When the plant density was 405 plants per square meter for Tainong 18 and 270 plants per square meter for Shannong 22， the above indexes reached the maximum. Furthermore， compared to the irrigation treatment， significantly higher increase effects in yield， NUE， ET and WUE were observed under rainfed regimes as the plant density increased. These were related to the higher increment in dry matter accumulation （29.78% and 20.42% under rainfed and irrigation respectively）， lower reduction in N use efficiency （12.90% and 17.65% under rainfed and irrigation respectively）， and lower increment in ET （4.95% and 6.74% under rainfed and irrigation respectively）. The yield-increasing effect based on the increment of N accumulation and ET was better under rainfed than that under irrigation， so more significant improvement of yield， NUE and WUE could be obtained if the N and water were invested to the rainfed or water-saving wheat production under the optimum plant density.

Keywords Winter wheat； Plant density； Rainfed and irrigaiton； Grain yield； Nitrogen and water use efficiency

水分是影响小麦生长发育和产量形成的重要因素。水资源短缺限制农业发展[1]，严重威胁粮食安全[2]。华北平原是我国重要的小麦产区，但随着各行业用水量的激增及水资源的消耗，华北农业区水资源日益匮乏[3，4]。而农业灌溉用水效率低下、水资源浪费严重亦成为限制区域产业发展的重要因素[5]，发展节水农业在未来的生产实践中具有重要意义。

种植密度是影响冬小麦产量的重要因素之一[6]。适当增加种植密度可以提高冬小麦籽粒产量[7，8]，有效提高小麦根长密度，促进各土层根长密度的增加[9，10]，并促进冬小麦氮素利用率的增加[11] 和水分利用效率的提高[12]。然而，在雨养和灌水条件下增加种植密度对冬小麦籽粒产量、氮素利用率、总耗水量及水分利用效率的影响是否存在差异尚不清楚，这亦限制了小麦节水栽培理论与技术的发展。

因此，本试验选择泰农18和山农22两个小麦品种，设置雨养和常规灌水2个灌溉水平和4个种植密度，研究灌水量和种植密度互作对小麦籽粒产量、氮素利用率、耗水与水分利用效率等方面的影响，以期明确雨养和灌水条件下增加种植密度对冬小麦籽粒产量、氮素利用率、总耗水量及水分利用效率的影响差异，为冬小麦节水高产高效栽培提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015—2016年和2016—2017年两个小麦生长季在山东省泰安市岱岳区大汶口镇东武村（35°57′N，117°03′E） 大田进行。前茬作物为玉米，多年秸秆还田。试验田土壤为壤土。播前0～20 cm土层土壤养分情况见表1，小麦生长季降水量情况见图1。

1.2 试验设计

以大穗型品种泰农18 和中穗型品种山农22为供试材料，设置雨养（全生育期不灌水）、常规灌水（时期为越冬期、拔节期和开花期，每次灌水60 mm）2个处理；泰农18设置135、270、405、540株·m-2 4个种植密度，分别用T135、T270、T405、T540表示，山农22设置90、180、270、360株·m-2 4个种植密度，分别用S90、S180、S270、S360表示。试验布局中两品种分别单独进行，每个品种均采用裂区设计，以灌水处理为主区，种植密度为副区，重复3次。小区面积为16.0 m×3.0 m = 48.0 m2。

播前施入基肥纯N、P2O5、K2O均为120 kg·hm-2，拔节前施入纯N 120 kg·hm-2。氮、磷、钾肥分别为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O5 12%）和氯化钾（K2O 60%）。

2015—2016年生长季因播种至越冬期间降水较多（图1），各处理均未浇越冬水，仅在拔节期和开花期灌水。2016—2017年生长季各处理均在越冬期、拔节期和开花期灌水。灌水时用水龙带从机井口引水至小区首端，水龙带出水口安装水表计量灌水量。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤养分的测定 播前取0～1 m土层土样，20 cm为一层，每层分成三份。一份在烘干箱烘干测定土壤含水量；一份在通风避阴的地方自然风干粉碎后测定土壤有机质（水合热重铬酸钾氧化-比色法）、全氮（凯氏定氮法）、碱解氮（碱解扩散法）、速效磷（碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法）、速效钾（醋酸铵浸提-火焰光度法）；一份-30℃以下低温保存用于测定土壤硝态氮和铵态氮含量，测定时将土样解冻、混匀，称12 g，加入1 mol·L-1 KCl溶液50 mL，振荡30 min，过滤取浸提液，用连续流动分析仪测定。

1.3.2 产量及其构成因素的测定 每个小区收获3 m2，重复3次，脱粒晒干后测定籽粒产量；同时收获长势均匀的30株单茎，进行考种获得产量构成因素数据。

1.3.3 植株干物质和氮含量的测定 成熟期各小區选取长势均匀的区域，随机取50个植株单茎，分为茎+叶鞘、叶、颖壳+穗轴、籽粒四个器官，于烘箱105℃下杀青30 min后，在80℃下烘干至恒重，称重。

茎+叶鞘、叶和颖壳+穗轴采用FZ102型微型植物粉碎机进行粉碎，籽粒采用3100型实验磨进行磨制。粉碎后的植物样品采用K8200凯氏定氮仪进行氮含量的测定。根据各器官干重、含氮量计算地上部氮素积累量。各相关指标计算公式如下：

供氮量=施氮量+播前0～1 m 土层土壤硝态氮和铵态氮积累量

氮素利用率（NUE，kg·kg-1）=籽粒产量/总供氮量

氮素吸收效率（UPE，%）=地上部器官氮素积累量/总供氮量×100

氮素利用效率（UTE，kg·kg-1）=籽粒产量/地上部器官氮素积累量

1.3.4 土壤耗水量的测定 播前至成熟期每个关键时期均测定土壤含水量。以每20 cm为一层用土钻取0～200 cm土层土样，混匀后装入铝盒称鲜重，然后在110℃下烘干至恒重，称干重。土壤含水量计算公式为：土壤含水量（%）=（土壤鲜重-土壤干重）/土壤干重×100。

1.3.5 小麦生育期耗水量 采用农田水分平衡法[13]计算小麦生育期间的水分蒸发蒸腾消耗总量（ET），公式为：ET=P+I+U-R-Dw-△s。式中，ET为水分蒸发蒸腾消耗总量（mm）；P为小麦生育期内有效降雨量（mm）；I为小麦生育期内定额灌水量（mm）；U为向上流根区的毛管流（mm）；R为径流（mm）；Dw为向下流根区的毛管流（mm）；△s为小麦生育期内0～200 cm土层土壤贮水消耗量（mm）。然后根据公式W=0.1rvh计算土壤储水量（mm），r为土壤含水量（%），v为土壤容重（g·cm3），h为不同深度土壤储水量（cm），0.1为换算常数。U和Dw在试验中可以忽略不计。在小麦生长季中径流（R）也可以忽略不计。

1.3.6 水分利用效率 水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）=籽粒产量（kg·hm-2）/小麦生育期耗水量（mm）

1.3.7 其它相关指标的计算 基于氮素积累增量的密度增產效应=产量差/地上部氮素积累量差；基于水分消耗增量的密度增产效应=产量差/土壤耗水量差。

1.4 数据统计分析

采用Microsoft Excel 2007软件进行数据统计与做图，于DPS 7.05软件中用LSD法进行差异显著性比较。

2 结果与分析

2.1 雨养与灌水条件下种植密度对籽粒产量的影响

如表2所示，在雨养和灌水条件下，当种植密度由T135（S90）增加至T405（S270）时，泰农18和山农22两品种的产量均呈增加趋势，但在雨养条件下这种增产效应高于灌水条件下。其中，泰农18两生长季产量在雨养条件下平均增加1.13 t·hm-2 （17.23%）、灌水条件下平均增加1.03 t·hm-2（13.05%）；山农22在雨养条件下平均增加1.18 t·hm-2 （17.40%）、灌水条件下平均增加1.02 t·hm-2 （13.37%）。当种植密度进一步由T405（S270）提高至T540（S360）时，两品种的产量均表现为降低趋势。

如表2所示，在雨养和灌水条件下，随种植密度增加，两品种冬小麦干物质积累量变化规律与产量一致，当种植密度由T135（S90）增加至T405（S270）时，泰农18两生长季干物质积累量在雨养条件下平均增加4.36 t·hm-2 （29.92%）、灌水条件下平均增加3.64 t·hm-2 （19.87%）；山农22在雨养条件下平均增加4.24 t·hm-2 （29.63%）、灌水条件下平均增加3.75 t·hm-2 （20.96%）。但当种植密度进一步由T405（S270）提高至T540（S360）时，两品种干物质均表现为降低趋势。而在雨养和灌水条件下，两品种冬小麦收获指数随种植密度的增加呈降低趋势。

2.2 雨养与灌水条件下种植密度对冬小麦地上部氮素积累量和氮素吸收效率的影响

2015—2016年生长季总供氮量为435.09kg·hm-2，2016—2017年生长季总供氮量为426.24 kg·hm-2。由表3可知，在雨养和灌水条件下，当种植密度由T135（S90）增加至T405（S270）时，两品种地上部氮素积累量均呈增加趋势，且其增加效应在灌水条件下高于雨养条件。泰农18两生长季地上部氮素积累量在雨养条件下平均增加66.75 kg·hm-2（35.13%）、在灌水条件下平均增加88.04 kg·hm-2（38.23%）；山农22两生长季在雨养条件下平均增加62.85 kg·hm-2（34.25%）、在灌水条件下平均增加83.55 kg·hm-2（37.04%）。当种植密度进一步由T405（S270）提高至T540（S360）时，两品种地上部氮素积累量均有所降低。因本试验中各处理间总供氮量无差异，所以在雨养和灌水条件下，氮素吸收效率的变化趋势与地上部氮素积累量一致。

当由最低密度提高至产量最高的种植密度时，泰农18、山农22两生长季基于氮素积累增量的密度增产效应雨养条件下（16.87、19.07 kg·hm-2）均显著高于灌水条件（11.72、12.19 kg·hm-2）。

2.3 雨养与灌水条件下种植密度对冬小麦氮素利用效率的影响

由表3可知，在雨养和灌水条件下，随种植密度增加，两品种氮素利用效率均呈现降低趋势，且当种植密度由T135（S90）增加至T405（S270）时其降低幅度在雨养条件下低于灌水条件下。泰农18两生育季氮素利用效率在雨养条件下平均降低4.61 kg·kg-1（13.30%），在灌水条件下平均降低6.15 kg·kg-1（17.91%）；山农22在雨养条件下平均降低4.67 kg·kg-1（12.49%），在灌水条件下平均降低5.88 kg·kg-1（17.33%）。当种植密度继续增加时，两品种的氮素利用效率呈降低趋势。

2.4 雨养与灌水条件下种植密度对氮素利用率的影响

由表3可知，在雨养和灌水条件下，当种植密度由T135（S90）增加至T405（S270）时，两品种氮素利用率均呈增加趋势，且其增加效应在雨养条件下高于灌水条件下。泰农18两生育季氮素利用率在雨养条件下平均增加2.61 kg·kg-1 （17.30%），在灌水条件下平均增加2.39 kg·kg-1 （13.03%）；山农22在雨养条件下平均增加2.72 kg·kg-1 （17.37%），在灌水条件下平均增加2.39 kg·kg-1 （13.03%）。但当种植密度进一步由T405（S270）提高至T540（S360）时，两品种氮素利用率均有所下降。

2.5 雨养与灌水条件下种植密度对总耗水量和水分利用效率的影响

表4显示，在各种植密度条件下，灌水处理的总耗水量显著高于雨养处理，而灌水处理的水分利用效率显著低于雨养处理（T135处理除外）。在雨养和灌水条件下，当种植密度由T135（S90）增加至T405（S270）时，两品种的总耗水量呈增加趋势，且在灌水条件下这种增加效应高于雨养条件。泰农18两生长季总耗水量在雨养条件下平均增加19.12 mm （5.24%）、灌水条件下平均增加31.69 mm（7.05%）；山农22在雨养条件下平均增加16.14 mm （4.66%）、灌水条件下平均增加26.15 mm（6.36%）。当种植密度由T405（S270）提高至T540（S360）时，两品种的总耗水量呈降低趋势。

表4显示，在雨养和灌水条件下，当种植密度由T135（S90）增加至T405（S270）时，两品种的水分利用效率也呈增加趋势，但在雨养条件下提高幅度高于灌水条件下。泰农18水分利用效率两生长季在雨养条件下平均提高2.02 kg·hm-2·mm-1（11.21%）、灌水条件下平均提高0.97 kg·hm-2·mm-1 （5.49%）；山农22在雨养条件下平均提高2.39 kg·hm-2·mm-1 （12.18%）、灌水条件下平均提高1.21 kg·hm-2·mm-1 （6.48%）。当种植密度由T405（S270）提高至T540（S360）时，两品种的水分利用效率均呈降低趋势。

泰农18、山农22两生长季基于水分消耗增量的密度增产效应在雨养条件下（58.90、73.56 kg·hm-2·mm-1）优于灌水条件下（32.48、38.66 kg·hm-2·mm-1）。

3 讨论与结论

种植密度是影响冬小麦生长发育与产量形成的关键因素[14]。国内外研究表明，产量随种植密度的增加皆呈二次抛物线的变化趋势[7，15-17]。本试验结果表明，在雨养和灌水条件下，随种植密度增加，两品种冬小麦的产量同样呈现先上升后降低的趋势，泰农18种植密度为405株·m-2、山农22种植密度为270株·m-2时产量达到最高，这与前人的研究结果基本一致。但雨养和灌水条件下，适当增加种植密度的增产效应存在显著差异，雨养条件下密度的增产效应更为显著。

产量的形成来源于干物质的积累及其向籽粒的分配[18]，较高的干物质积累或较高的收获指数及两者的有效协同是提高小麦产量的关键[19]。本试验条件下，虽然随着种植密度的增加收获指数略有下降，但主要是由于干物质的大幅提升促进了产量的提高，而雨养条件下增密的增产效应高于灌水条件亦主要是源于其较高的干物质增加幅度。

氮素利用率是籽粒产量和总供氮量的商值，也是氮素吸收效率和氮素利用效率的乘积，因此氮素利用率的提升源于氮素吸收和利用效率的协同[20]。适当增加种植密度可有效提高各土层小麦根长密度，促进其对供应氮素的吸收，提高地上部氮素的积累量和氮素吸收效率，弥补并超过氮素利用效率下降所致损失，进而提高冬小麦氮素利用率[10，21]。本试验中，在雨养和灌水条件下适当增加种植密度亦是通过提高氮素积累量和氮素吸收效率提高氮素利用率，但对于氮素利用率的提升效应在雨养和灌溉条件下存在显著差异。相对于灌水条件，雨养条件下适当增加种植密度对氮素利用率的提升效应更高，这是由于虽然雨养条件下增密对氮素吸收的促进效应较低，但适当增密在雨养条件下氮素利用效率的降低幅度小，而灌水条件下氮素利用效率的降低幅度偏高。

从基于氮素积累增量的密度增产效应来看，两品种冬小麦在雨养条件下基于地上部氮素积累增量的密度增产效应优于灌溉条件下，表明在生产中将氮素资源投入到雨养条件下，其增产效应可能更为显著。

小麦的全生育季耗水多少和产量高低是决定其水分利用效率的主要因素[22]，充分、有效利用總耗水是提高小麦水分利用效率的主要途径[23-25]。前人在旱作条件下研究发现，适当增加种植密度，水分利用效率呈先上升后降低的趋势[7]。本试验中，在雨养和灌水条件下，随种植密度增加，总耗水量和水分利用效率亦呈现出先上升后降低的趋势，但其耗水增量及其对于水分利用率的提升效应在雨养和灌水条件下存在显著差异。相对于灌溉条件，雨养条件下适当增加种植密度对水分利用效率的提升效应更高，这是由雨养条件下产量的增幅高而总耗水量的增幅低导致的。

从基于水分消耗增量的密度增产效应来看，两品种冬小麦在雨养条件下基于水分消耗增量的密度增产效应远远优于灌水条件下，亦说明生产中将水分投入到雨养或节水栽培条件下其增产效应可能更为显著。

在雨养和灌水条件下，适当增加种植密度均可以协同提高小麦产量、氮素利用率和水分利用效率。但其增产增效效应在两水分条件下存在显著差异，雨养条件下，适当增加种植密度的增产效应及其对氮素利用率、水分利用效率的提升效应更高，这与其在雨养条件下干物质提升幅度高、氮素利用效率下降幅度小和耗水增量低有关。冬小麦在雨养条件下基于氮素积累增量、水分消耗增量的密度增产效应优于灌水条件，生产中将有限的肥水投入到雨养或节水栽培条件下其增产效应可能更为显著。

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