滴灌水氮运筹对春小麦根冠生长及产量的影响

邹升 王冀川 陈慧

摘要：采用管栽模拟试验，以新春6号（管径20 cm、高100 cm）为材料研究不同滴灌水量（W1：6.597 3 kg/管、W2：10.367 3 kg/管、W3：14.137 2 kg/管）和施氮量（纯氮施用量N0：0 g/管、N1：0.433 5 g/管、N2：0.650 3 g/管、N3：0.867 1 g/管）对春小麦根冠生长及产量的响应特征。结果表明，水、氮具有显著的根冠双向调节功能，在根系方面，随着水、氮供应量增加，根系干质量、总根长及表面积增加，少水中氮处理的根系变粗。水氮对根系生长特征的影响大小为根干质量>根长>根系表面积>根系直径。在冠部方面，增施水氮显著促进冠部器官生长，利于高产的产量构成因子的形成，且对产量构成因子的影响大小为穗粒数>小穗数>千粒质量，但过高的水氮对有效蘖的形成不利，N3W3处理的穗粒数和千粒质量不及N3W2处理，最终产量以N3W2处理最高，达1.656 g/株。水氮在根系干质量及表面积、单株成穗数和穗粒数等方面具有显著的耦合效应，并且以水分对根冠生长及产量形成的促进效应大于氮素。根冠比随供氮量增加而下降，随供水量增加而增加，且其与WUE呈负相关，与产量呈二次多项式关系。通过分析，在灌水量为10.37～14.14 kg/管（折合3 300～4 500 m3/hm2）、施氮量0.65～0.87 g/管（折合207～276 kg/hm2）的范围内均能获得1.37～1.66 g/株（折合7 230.2～8 715.2 kg/hm2）的较高产量。

关键词：春小麦;滴灌;水氮运筹;根冠比;水分利用效率;产量

中图分类号： S512.1+20.7;S512.1+20.6;S311  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）12-0129-05

滴灌水肥一体化技术是目前新疆重点推广的一项增产增效的新技术，且在小麦上开始广泛应用。由于实现了水肥同步，其利用效率和产量得到较大提升，但滴灌小麦出现的长势旺、根系分布浅、后期易倒伏和早衰[1]的现象逐渐凸显，制约了滴灌技术的应用和产量潜力的发挥，开展滴灌水氮运筹的根冠生长调控效应研究，制定科学的水肥措施是当前亟待解决的问题。

作物的根冠生长是一个动态平衡系统，存在互相依赖、互相竞争的关系[2]，当生长条件有利时，表现为依赖关系，反之则表现为竞争关系。在实际生产中，作物根、冠的这种关系主要受到水肥调控而表现出不同，水分显著影响小麦的干物质生产总量及其在根、冠间的分配比例[3]，从而对小麦根、冠生长关系和产量形成产生重要影响;氮肥能促进根系和地上部分生长，但氮肥过多会显著降低根冠比，根体积、根容重和根系含水量随氮素水平提高均表现出先升后降的趋势[4];也有人研究认为水氮在小麦干物质积累[5]、氮素吸收及水分利用效率上存在耦合效应[6]，但关于水氮对滴灌小麦根冠协调生长及产量形成方面的研究较少[7]。本试验通过不同水氮耦合的管栽模拟试验，开展不同滴灌供水供氮条件下根冠生长的响应关系的研究，为进一步探索滴灌小麦水氮高效利用及高产形成机制打下基础。

1 材料与方法

1.1 试验条件

试验于2016年在塔里木大学试验站网室中进行。采用管径20 cm、高100 cm的硬质聚氯乙烯（PVC）进行管栽，培养土为农田沙壤土，有机质含量1.025%，碱解氮含量 49.27 mg/kg，速效磷含量52 mg/kg，速效钾含量 214.1 mg/kg。过筛后按1 t土混施三料磷肥80 g、硫酸钾 40 g 装土入管，然后埋入深度为1 m的坑中，管上端口与地表齐平。3月8日播种，品种为新春6号。每管均匀播种20粒，播深3 cm，随后统一灌水1.5 kg/管以保证出苗，出苗后拔除多余麦苗（弱株）保证每管15株。

1.2 试验设计

采用水氮雙因素试验，施氮量（纯氮）设0（N0）、0.433 5（N1）、0.650 3（N2）、0.867 1 g/管（N3）4个水平，灌水量设 6.597 3（W1）、10.367 3（W2）、14.137 2 kg/管（W3）3个水平，按面积折算为施纯氮0、138、207、276 kg/hm2，滴水2 100、3 300、4 500 m3/hm2。试验共12个处理，每处理重复6次，共计72根管。为模拟田间滴灌模式，每根管采用医用输液管连接挂瓶进行滴灌施肥，以输液管上的开关调节滴水速度。氮素换算成尿素溶水后滴施。水、氮滴施按照小麦肥水需求规律进行生育期间的分配，详见表1。

1.3 观测项目与统计方法

出苗后每隔7 d观察春小麦生育进程，记录株高、分蘖数、各叶片面积（单叶面积=长×宽×0.82[8]）等。在小麦的乳熟期（6月3日）每处理取3管进行破坏性试验，割取地上部分放入105 ℃烘箱中杀青15 min后，80 ℃烘至恒质量后称干质量，取出完整的根系在80目网袋中冲去泥土后用镊子仔细把根排放在玻璃板上，用扫描仪在300 dpi像素下扫描成黑白的TIF图像，用DT-SCAN图像分析软件（英国Delta公司，1.0版）计算根长、平均直径和根表面积等形态特征指标，用π·（R/2）2·L（L为根系长度，R为根系平均直径）计算根系表面积。最后将根系烘干至恒质量后称质量。6月19日成熟时割取地上部分，脱粒考种计产。灌溉水利用效率（WUE）按产量除以滴灌水量计算。

试验结果采用DPS 7.5统计分析软件Duncans新复极差法对数据进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 水、氮对滴灌春小麦根系性状的影响

根系的形态特征反映了根系发育及功能发挥的好坏[9]，从表2可以看出，随着施氮量或灌水量的增加，根系干质量、总根长及根系表面积增加，在不同施氮条件下，W2和W3处理的根系干质量、总根长及根系表面积的均值分别比W1处理增加了36.36%和102.30%、22.88%和30.37%、13.96%和19.74%;N1、N2、N3施氮处理根系干质量、总根长及根系表面积的均值较N0处理增加了 1.70%～8.39%、8.60%～34.20%和8.88%～28.35%。平均直径随供水量增加呈先下降后增加趋势，随施氮量增加呈先增加后下降的趋势，在N2或W1处理时为最高，N3或W1处理时最小。

从水、氮对春小麦根系生长性状的影响效应上看（F值），除氨素对根系干质量性状影响不显著外，其他单因素效应均达显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）水平，其中水分处理的根干质量、平均直径、总根长和根系表面积的变异系数（CV）分别为35.47%、4.42%、13.44%和9.12%，而氮素处理的分别为3.59%、2.33%、12.80%和11.10%，说明在根干质量、根系平均直径和根长方面供水效应大于供氮效应，而对于根系表面积供氮效应略大于供水效应。从水、氮对根系性状的影响程度（CV大小）上看，对根干质量影响最大，其次是根长和根系表面积，对根系直径的影响最小。根长和根系表面积的水氮耦合效应达显著（P<0.05）水平，说明在保证供水的基础上，适当施用氮肥更能发挥其促进根系生长的作用。另外，在组合处理中，N3W3处理的根系干质量和根长最大，分别达122.78 mg/株和13 860.46 mm/株，而N3W2处理的根系表面积最大，达11 672.90 mm2/株，N2W1处理的根系平均直径最大，达0.331 mm，说明各根系性状受水氮供应的影响侧重点不同，须要有一个适宜的水氮组合来保证根系性状的协调生长。

2.2 水、氮对滴灌春小麦地上部分生长特性的影响

从表3可以看出，随着灌水量或施氮量的增加，地上部各器官生长，干质量随之增加，在不同施氮条件下，W2和W3处理的株高、茎粗、单株有效成穗数、地上部总干质量和单株叶面积的均值分别较W1处理增加了15.75%和28.31%、13.31%和31.90%、14.31%和15.90%、51.16%和77.16%、17.65%和47.36%;N1、N2、N3施氮处理的均值较N0处理分别增加了 8.05%～18.02%、6.66%～34.20%、2.06%～10.74%、8.45%～37.73%、7.30%～15.89%，说明水氮对地上器官的生长具有明显的促进作用。

从单因素对植株生长影响程度（F值）上看，除茎粗的供氮素效应不显著外，其他处理的水、氮效应均达极显著（P<0.01）水平，说明干旱区滴灌麦田保证水氮供应是促进麦株生长的基础，而水氮供应仅对单株成穗数性状具有显著（P<0.05）的耦合效应，也说明了水氮供应对收获群体大小调控的重要性。从水氮供应对地上部器官生长的影响程度（CV）上看，水分处理的株高、茎粗、成穗数、地上部干质量及单株叶面积的CV分别为12.37%、13.92%、7.96%、27.50%和 19.67%，而氮素处理的分别为6.81%、13.13%、5.28%、14.04% 和6.32%，均小于水分处理，说明水分较氮素更能促进地上部生长。从水氮对地上部各性状的影响（CV）大小上看，水氮对地上部总干质量影响最大，株高、茎粗和单株叶面积次之，单株成穗数最小，说明水、氮影响主要表现在个体生产性能方面，这可能也是不同水氮处理最终形成不同产量的原因所在。

2.3 水、氮对滴灌春小麦产量结构及产量的影响

不同水、氮处理对小穗数、穗粒数及产量的影响均达极显著（P<0.01）水平。同一灌水或同一施氮量条件下，随施氮量或灌水量增加，小穗数、穗粒数、千粒质量增加，单株产量（包括分蘖成穗）也随之增加（表4）;在不同施氮条件下，W2和W3处理的小穗数、穗粒数、千粒质量及单株产量的均值分别较W1处理增加了12.06%和24.33%、30.80%和42.26%、9.18%和13.56%、64.47%和86.95%;N1、N2、N3施氮处理的均值较N0处理产量分别增加了12.90%～22.71%、3.14%～37.89%、3.05%～7.66%和8.21%～63.23%。

水氮对产量构成因素的影响侧重点不同，氮素对小穗数、穗粒数和单株产量具有极显著的影响，但对千粒质量影响不显著，而水分对产量及其构成因素均有极显著的影响。从水氮对产量构成的影响程度（CV）上看，水分处理的小穗数、穗粒数、千粒质量和单株产量的CV分别为10.85%、17.57%、6.43%和29.99%，而氮素处理的分别为8.37%、15.17%、3.47% 和22.57%，均小于水分处理，说明在干旱度条件下，水分对产量形成及根冠生长的影响更大。另外从CV大小可以看出，水氮对产量构成的影响大小为穗粒数>小穗数>千粒质量，水氮对穗粒数及单株产量具有极显著的耦合效应，说明穗粒数是干旱区滴灌春小麦易于通过水氮调控而实现增产的首要因素。从水氮组合处理上看，N3W2产量最高，达 1.656 g/株，显著高于其他处理，N3W3和N2W3处理的产量次之，分别达1.429 g/株和1.374 g/株，N1W3、N2W2、N0W3處理产量也达到了1.126、1.084、1.012 g/株，而N0W1及N1W1处理最小，仅为0.555 g/株和0.620 g/株。

2.4 水氮对滴灌春小麦水分利用效率及根冠比的影响

从表5可以看出，水氮供应对根冠比及水分利用效率（WUE）具有极显著影响。由图1可知，同一灌水条件下，随着施氮量增加，根冠比下降而WUE增加，说明增施氮肥不利于提高根冠比，但能促进灌溉水的有效利用;在N0、N1条件下，随着灌水量增加，根冠比增加，N2、N3条件下，根冠比大小为W3>W1>W2。随着施氮量增加，WUE增加，且在中、高氮（N2、N3处理）条件下适量水分处理（W2）时最大，高水条件（W3）的WUE反而下降。从组合处理上看，N0W3的根冠比最大，达6.58%，N1W3、N0W2、N2W3、N3W3、N2W1、N1W2处理次之，N3W2最小，仅为3.44%;N3W2的WUE最大，达 2.64 kg/m3，显著高于其他处理，其次为N3W1、N2W2、N3W3和N2W3，N0W3最小，仅为1.18 kg/m3。从水、氮的影响程度上看，根冠比的CV分别为11.22%和 9.45%，而WUE的分别为9.26%和22.31%，说明水分重点影响根冠比而氮素重点影响WUE。

3 讨论与结论

水、氮能有效促进作物根冠生长[10]，对于根系，主要体现在促进根干质量和根长方面，且水分效应大于氮肥效应，这与陈娟等的研究结果[11]一致。根长和根系表面积的水氮耦合效应达极显著水平，说明水氮一体化供应能有效发挥水、氮对根系生长的促进效应，但过多水氮（N3W3处理）易造成根系产生生长冗余[12]，只有高氮中水（N3W2）处理的根系表面积最大，利于增进根系的吸收功能。对于冠部，水氮的促进作用主要体现在株高、有效分蘖数、地上部干质量及叶面积等方面，水氮耦合能有效促进有效茎蘖形成，增加个体生长质量和生产性能[13]。

适当增施氮肥或增加灌水量均能促进产量构成因子的增加，但以水分效应为主，水氮对各产量因子的影响大小顺序为穗粒数>小穗数>千粒质量，且穗粒数的水氮耦合效应达极显著水平，说明在干旱灌区，保证水分是促进小麦根冠生长的关键，通过水肥一体化技术，适当增施氮肥，主抓穗粒数和收获穗数，是南疆滴灌春小麦高产的关键。

试验表明，增施氮肥，根冠比下降，这种现象在少水条件下尤其明显，这与王艳哲等认为施氮量增加，根量减少的研究结果[14]一致，而与陈娟等认为的灌水量增加根冠比下降[11]不同的是，虽然增加灌水量能有效促进地上地下部分生长，但对根系的正效应要大于地上部分，导致高水处理的根冠比较大，这可能是滴灌过多水分会促进形成庞大的根系[15]，从而消耗较多的同化产物，使根质量增加、冠质量减少，这点与杨贵羽等的研究结论[3-4]较一致。

根冠比与水分利用效率及产量密切相关，多数研究认为较低的根冠比有利于WUE和产量的提高[16-18]，本研究发现，根冠比（x）与WUE（y）呈显著线性负相关，其关系方程为 y1=-0.435 2x+3.951 8（r2=0.769 1*），与产量呈现较弱二次多项式关系，其关系方程为y2=0.221 4x2-2.343 7x+7.064（r2=0.406 9），即随根冠比增加，产量呈先下降后增加的趋势（图2），说明提高根冠比并不利于水分的有效利用，但在某种程度上能促进高产的形成，生产中应注意适当增加氮肥及合理的水分供应，协调好根冠生长及水分高效利用的关系，才能实现节水高产。

滴施水氮对春小麦根冠具有显著的双向耦合调节效应，并且水分对根冠生长及产量形成的促进效应大于氮素，少氮高水利于根系生长而高氮少水利于冠部生长，追求较高的根冠比虽不利于WUE的提高，但能获得较好的产量，故在生产中保证充足灌溉量的基础上，适当增施氮肥，提高根冠比，避免滴灌小麦地上部生长过旺、根系长势不足的缺点[19]，促进高产潜力的发挥。试验得出，N3W2产量显著高于其他处理，达1.656 g/株，其次是N3W3和N2W3处理，分别达1.429 g/株和1.374 g/株，说明在灌水量10.37～14.14 kg/管（折合 3 300～4 500 m3/hm2）、施氮量0.65～0.87 g/管（折合207～276 kg/hm2）的范围内均能获得1.37～1.66 g/株（折合 7 230.2～8 715.2 kg/hm2）的较高产量。

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