长期水氮互作下不同年代冬小麦的产量和光合特性

董志强，吕丽华，张丽华，姚艳荣，张经廷，申海平，郑孟静，姚海坡，贾秀领

(河北省农林科学院粮油作物研究所/农业部华北地区作物栽培科学观测实验站，河北石家庄 050035)

合理运筹水肥(尤其是氮肥)对小麦叶片光合具有明显的调控作用，是实现小麦优质、高效的重要措施[1-4]。黄淮海平原是我国粮食的主产区，其粮食产量占全国粮食总产的三分之一。冬小麦是该地区的主要粮食作物，其高产稳产对我国粮食安全具有重要意义[5]。我国水资源不仅缺乏，时空分布不均匀，而且农田灌水方式不合理，资源浪费严重，目前我国的农业用水效率仍远低于发达国家水平，灌溉水有效利用系数约为0.5，1 m3灌溉水粮食产量为1.1 kg，而先进国家灌溉水有效利用系数为0.7～0.8，1 m3灌溉水粮食产量为2.5～3.0 kg[6-7]。黄淮海平原区水资源严重匮乏，水资源总量仅占全国的五分之一[8]，且该区冬小麦-夏玉米轮作施氮量普遍存在过量的问题，平均为530 kg·hm-2，远超过农作物的吸收量，生产中小麦季氮肥利用率只有28%～41%[9]。过量施氮会增加土壤氮素盈余，导致氮肥利用率降低、NO3-N淋失，环境污染等问题发生[10-11]。

土壤水肥变化会显著影响大田作物的光合特性及产量[12-15]。生产中合理的水氮运筹对作物光合和产量会产生明显的正向互作效应[16-18]。张珂珂等[19]研究表明，适量补水条件下，减氮、高氮处理小麦旗叶叶绿素含量和光合速率均显著高于不施氮处理，但减氮与高氮处理之间差异不显著。黄淮海区冬小麦高产条件下施纯氮195 kg·hm-2、拔节后土壤相对含水量维持在70%±5%时，小麦植株生长的水氮需求能够得到满足，籽粒产量可达到9 000～10 000 kg·hm-2，水肥利用效率得到提高。适当减少灌水量和施肥量不仅不会影响作物产量，而且能显著提高水分和氮素利用效率[20-22]。

目前，尽管有关水氮互作对小麦产量及光合特性等的影响已有很多报道[17,19,22-24]，但关于长期水氮互作对不同年代推广的小麦产量及光合特性的影响尚缺乏深入研究。本试验在太行山前平原区定位十年的水氮互作试验田重点研究了水氮互作对不同年代推广的冬小麦产量及旗叶光合特性的影响，以期得到不同灌溉水平下的最佳施氮量，为黄淮海平原区冬小麦节水减氮栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2017-2019年度在河北省农林科学院粮油作物研究所藁城堤上试验站(38°41′N,116°85′E,海拔51.2 m)进行，为自2006年开始的冬小麦-夏玉米一年两熟水氮耦合定位试验一部分。试验区属于河北太行山山前平原区。试验田土质为壤土，耕层土壤有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效钾含量分别为 14.4 g·kg-1、 0.94 g·kg-1、1.82 g·kg-1、 59.14 mg·kg-1、16.9 mg·kg-1、92 mg·kg-1。2017年10月15日播种，收获日期为2018年6月9日；2018年10月10日播种，收获日期为2019年6月8日。前茬玉米收获后秸秆全部还田。

本试验采用灌水、施肥和品种3因子裂裂区设计，小区面积37.8 m2(5.4 m×7.0 m)，3次重复。主区为灌水，设灌1水(W1，拔节水，限水处理)和灌2水(W2，拔节水+开花水，适水处理)两个灌溉水平，每次灌水量750 m3·hm-2。副区为施肥，设0(N0)、60(N1)、120(N2)、180(N3)、240(N4)和300(N5) kg·hm-26个施氮水平，以尿素(含氮46%)为氮源，小麦播种前基施和拔节期追施各占50%，小麦季各处理均于播种前旋地时施入P2O5150 kg·hm-2(过磷酸钙，含P2O515%)和K2O 105 kg·hm-2(颗粒氯化钾，含K2O 60%)。副副区为小麦品种，供试品种为现代品种冀麦325和20世纪70年代品种冀麦7，播量均为360 kg·hm-2。其他田间管理与当地生产习惯相同，小麦生育期内无严重病虫害。

2017-2018年度小麦生育期降水量183.2 mm，属于丰水年，播种前降水量大，足墒播种(2017年10月7至10日连续4 d降雨，总降水量高达179.8 mm)，但自10月22日至翌年4月11日，连续171 d干旱少雨，降水量仅为16.5 mm，发生严重冬春干旱。2018-2019年度降水量113.2 mm，由于2019年6月5-7日降水量35.4 mm，实际小麦生育期有效降水量仅77.8 mm，属于枯水年。和上年度相同，自10月17日至翌年4月8日，连续173 d干旱少雨，降水量仅为9.2 mm，发生严重冬春干旱。有两次降水发生在小麦关键生理需水期，一次是拔节后(4月9日14.8 mm)，另一次是开花前(4月25-27日30.2 mm)。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 光合速率测定

于小麦开花期晴天无风或微风的上午10:00-12:00，每小区选取长势一致的5株小麦，采用Li-6400 型光合测定仪测定其旗叶光合速率和蒸腾速率。

1.2.2 产量测定

用小区收获机单独收获脱粒，每小区收获面积33.6 m2，待籽粒自然风干后分别称重，采用谷物水分测定仪测定籽粒含水量，再折算出含水量13%的标准产量。

1.3 数据计算与统计分析

用Microsoft Excel 2007处理数据和作图，采用SPSS 22.0软件进行统计分析，最小极差(LSD)法检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 水氮互作对小麦产量及产量构成的影响

在相同灌水条件下，施氮对冀麦325产量的影响在不同降水年型间存在一定差异。2017-2018年度(丰水年)，灌1水、灌2水时，冀麦325的产量随施氮量的增加总体上均呈逐渐增加趋势(表1)，以N5处理最高；2018-2019年度(枯水年)，灌1水、灌2水时产量均随施氮量的增加呈先增后减趋势，产量分别在N3和N2处理下最高(表2)。冀麦7的产量在相同灌水条件下总体上均随施氮量的增加表现为先增后减(表3和表4)。灌1水和灌2水时其产量在丰水年分别以N5和N2处理最高，在枯水年分别以N3和N2处理最高。这表明，在适水、限水条件下冀麦325和冀麦7产量均在施氮量120～180 kg·hm-2时达到或接近最高值，再增施氮肥时产量减少或缓慢增加。

在相同施氮量下，丰水年，冀麦325除W2N2处理低于W1N2处理外，其他灌2水处理均高于灌1水处理；冀麦7的表现与冀麦325正好相反，除W2N1处理高于W1N1处理外，其他灌2水处理均低于灌1水处理。枯水年，冀麦325和冀麦7均表现为灌2水处理高于灌1水处理，且随施氮量的增加，二者差值有逐渐增大的趋势，冀麦325和冀麦7灌2水的产量平均值较灌1水分别增加28.7%和33.9%。可见，施氮量0～300 kg·hm-2时小麦生育期降水量对产量的影响较大，丰水年限水处理和适水处理差异很小，而枯水年适水处理显著高于限水处理。

相同灌溉水平和施氮量条件下，丰水年、枯水年冀麦325产量均高于冀麦7(表1～表4)。丰水年在氮肥和水分充足条件下，冀麦325产量提升的空间大于冀麦7，枯水年冀麦325受水分胁迫的影响小于冀麦7。相同施氮量下，灌2水时冀麦325、冀麦7的枯水年产量均高于丰水年，冀麦325枯水年产量较丰水年增加13.0%，冀麦7增加11.7%；灌1水时冀麦325、冀麦7丰水年的产量比枯水年分别增加11.8%和21.8%。这表明，丰水年灌1水、枯水年灌2水能更好地与氮肥产生水氮耦合效应，有利于小麦产量的提高。

从产量构成来看，相同灌溉水平下，丰水年，冀麦325、冀麦7的收获穗数随施氮量增加的变化趋势和籽粒产量基本相同，均表现为先增后减(表1和表3)。灌1水时两个品种的收获穗数分别以N2和N3处理最大，灌2水时分别以N4和N2处理最大。冀麦325 灌2水的平均收获穗数较灌1水增加7.9%，平均穗粒数较灌1水减少5.5%。相同灌水条件下，两个品种N0、N1处理的收获穗数和穗粒数均显著低于其他施氮处理，千粒重显著高于其他施氮处理。两个品种灌1水的N0处理收获指数均显著低于其他施氮处理。枯水年，两个品种灌1水的收获穗数均随施氮量增加表现为先增后减，且均以N2处理最大；灌2水收获穗数均随施氮量增加而逐渐增加(表2和表4)。以上结果表明，在施氮量0～300 kg·hm-2时，丰水年小麦产量的主控因子为单位面积收获粒数(收获穗数×穗粒数)，而枯水年为千粒重。

表1 2017-2018年度不同水氮处理下小麦品种冀麦325的产量及其构成

表2 2018-2019年度不同水氮处理下小麦品种冀麦325的产量及其构成

表3 2017-2018年度不同水氮处理下小麦品种冀麦7的产量及其构成

表4 2018-2019年度不同水氮处理下小麦品种冀麦7的产量及其构成

2.2 年型、灌水、氮肥、品种对小麦产量的联合方差分析

小麦籽粒产量受降水年型、灌水、施氮、品种及其互作效应的影响(表5)。单因素对产量的影响均达到极显著水平，其中以品种效应最大，降水年型效应最小。降水年型与灌水互作对小麦产量的影响亦达到极显著水平，降水年型与氮肥互作和降水年型、灌水与氮肥三者互作对小麦产量的影响达到显著水平。

表5 降水年型、灌水、施氮和品种对小麦产量的联合方差分析

2.3 水氮互作对小麦开花期旗叶净光合速率(Pn)的影响

相同灌水情况下，两年度小麦开花期旗叶Pn随施氮量增加的变化趋势基本相同。以2017-2018年度为例，两个灌溉水平下随施氮量的增加，小麦开花期旗叶Pn均先增后减。冀麦325旗叶Pn在灌1水和灌2水时均以N2处理最大，冀麦7旗叶Pn最大值均出现在N3处理中。总体来看， 灌1水和灌2水条件下小麦开花期旗叶Pn分别在施氮量为120～240 kg·hm-2和60～300 kg·hm-2时较高且稳定。

相同施氮量情况下，灌1水和灌2水相比较，两个小麦品种开花期旗叶Pn的差异较小(图1)。在不施氮条件下，灌1水较灌2水大幅度降低了旗叶Pn，在施氮时表现相反。

数据为2018年5月4日和9日两次测定结果的平均值，相同灌水次数的柱形图上不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。同图2。

2.4 水氮互作对小麦开花期旗叶蒸腾速率(Tr)的影响

灌1水、灌2水条件下小麦开花期旗叶Tr随施氮量增加的变化趋势和Pn相同，也表现为先增后减趋势(图2)。两种水分条件下冀麦325旗叶Tr最大值对应的施氮量均为N2处理。冀麦7对应的施氮量均为N3处理。不施氮时增加灌水提高了旗叶Tr，而施氮时增加灌水会产生负 效应。

图2 同一品种不同水氮处理间旗叶蒸腾速率的比较

3 讨 论

3.1 水氮互作对小麦产量的影响

有关水氮互作对小麦籽粒产量的影响，前人做了大量研究。Gu等[25]研究表明，在土壤干旱条件下增施氮肥或在肥力水平较低的土壤条件下增加灌溉次数均可显著提高小麦干物质积累量，进而增加产量。本研究中，丰水年限水条件下，冀麦325和冀麦7产量均表现为N5>N2>N4>N3>N1>N0；枯水年限水条件下，冀麦325产量表现为N3>N5>N2>N4>N1>N0，冀麦7产量表现为N3>N5>N4>N2>N1>N0，这与上述结论存在一定差异。连续十年土壤不施氮肥的情况下增加灌溉次数后，丰水年现代小麦品种冀麦325产量显著增加，而20世纪70年代小麦品种冀麦7产量略有减少；枯水年冀麦325和冀麦7产量均显著增加，这与上述结论基本一致。

灌溉量和施氮量对小麦籽粒产量产生调控和互补效应，其中灌溉起主导作用，灌水处理籽粒产量均高于不灌水处理，施氮量对灌溉量有一定的补偿效应，小麦拔节期灌水结合240 kg·hm-2施氮处理能获得较高的单位面积穗数和穗粒数，使最终籽粒产量达到最高[26]。有研究表明，在一定阈值范围内小麦产量随施氮量的增加而增加，超过一定阈值后随施氮量增加，小麦产量增加不显著甚至降低[27-30]。王小燕等[31]指出，在相同水分条件下，不施氮和施氮240 kg·hm-2时小麦籽粒产量均显著低于施氮180 kg·hm-2处理。马伯威等[32]研究表明，河北太行山山前平原区高产冬小麦生产中，施氮量为195 kg·hm-2、春季总灌水量为105 mm(拔节期45 mm、开花期30 mm、灌浆期30 mm)的限水限氮喷灌模式是同步实现高产及水氮高效利用的最佳运筹模式。本试验结果表明，2017-2018年度，在灌1水、灌2水条件下，冀麦325籽粒产量随施氮量的增加总体上呈逐渐增加的趋势，冀麦7籽粒产量随施氮量的增加表现为先增后减，灌1水时冀麦325和冀麦7籽粒产量达到稳定值时对应的施氮量均为120 kg·hm-2；灌2水时冀麦7产量最大值对应的施氮量亦为120 kg·hm-2，这与前人的研究结果[27-32]基本一致。冀麦325两个灌溉水平下产量最大值对应的施氮量均为300 kg·hm-2，且灌2水时随施氮量的增加，籽粒产量逐渐增加，这与李娜娜等[26]和王小燕等[31]的结论存在较大差异，可能是地力基础、生育期气候条件及所选小麦品种等不同造成的。2018-2019年度， 灌1水、灌2水两个灌溉条件下，冀麦325和冀麦7籽粒产量随施氮量的增加均表现为先增后减。灌1水时两个品种籽粒产量均以180 kg·hm-2施氮处理最高，灌2水时均以120 kg·hm-2施氮处理 最高。

本课题组九年(2006-2015)的冬小麦-夏玉米一年两熟水氮长期定位试验结果表明[33]，从试验的第4年开始，两种灌溉水平(灌1水、灌2水)下施氮0～120 kg·hm-2时，当时主推的小麦品种籽粒产量随施氮量的增加而快速增加，施氮量超过120 kg·hm-2后产量不再随施氮量的增加而持续增加，基本保持稳定。本试验中丰水年和枯水年不同降水年型情况下，当代主推品种冀麦325和20世纪70年代主推品种冀麦7籽粒产量随施氮量增加的变化趋势与上述结论基本一致。

3.2 水氮互作对小麦旗叶光合特性的影响

旗叶光合能力的强弱直接决定着小麦生产力的高低。小麦籽粒灌浆期间70%左右的籽粒灌浆物质来自抽穗至成熟阶段的光合同化产物，其中旗叶供给占所需光合产物的33%以上[34-35]。减少供水量会导致冬小麦旗叶光合速率、蒸腾速率明显下降[23]。王 磊等[17]研究表明，供水量500 mm处理的旗叶光合速率、蒸腾速率显著高于供水量250 mm处理，低供水量导致小麦叶片的净光合速率、蒸腾速率为适应水分供应不足而显著下降，从而提高了单叶水分利用效率。本试验结果表明，丰水年不施氮肥情况下，灌1水较灌2水大幅降低小麦开花期旗叶光合速率。在施氮量为60～240 kg·hm-2时，冀麦325灌1水的开花期光合速率高于灌2水，施氮量300 kg·hm-2时灌1水低于灌2水；冀麦7在施氮量为60～300 kg·hm-2时表现为灌1水高于灌2水。这与上述研究结论存在一定差异，可能是小麦生育期降水量、供试品种或测定时期不同导致的。

增施氮肥可减轻水分胁迫对小麦光合生理特性的不利影响[17]。Wu等[36]指出，在干旱胁迫下，适量施用氮肥可以通过增加叶面积指数和光合色素含量来提高植物叶片的光合性能，减轻干旱胁迫对PSⅡ造成的光损伤，促进植株的生长发育，减轻水分亏缺对植物产量的不利影响。王志强等[24]研究表明，限制灌溉条件下，与不施氮肥相比，增施氮肥能明显改善小麦旗叶光合性能。本研究中，限制灌溉条件(仅灌拔节水)下，冬小麦开花期旗叶光合速率随施氮量增加表现出先增后减的趋势，冀麦325旗叶光合速率最大值对应的施氮量为120 kg·hm-2，冀麦7为180 kg·hm-2，这与上述研究结论基本一致。可见，合理的水氮运筹能提高小麦开花期旗叶光合速率，提高光合能力，为增加产量奠定基础。

4 结 论

丰水年(2017-2018年度)，灌1水、灌2水时冀麦325开花期旗叶光合速率最大值对应的施氮量均为120 kg·hm-2，冀麦7均为180 kg·hm-2；冀麦325产量在施氮量为120 kg·hm-2时基本达到稳定值，再多施氮时灌1水有减产趋势，灌2水产量增加缓慢，冀麦7产量随施氮量增加而先增后减，灌1水的产量在施氮量为120 kg·hm-2时达到较大值，灌2水产量最大值对应的施氮量为120 kg·hm-2。枯水年(2018-2019年度)，相同灌溉水平下小麦产量随施氮量增加先增加后减少，灌1水产量最大值对应的施氮量为180 kg·hm-2，灌2水为120 kg·hm-2。