微喷水肥一体化对冬小麦产量和水分利用效率的影响

李金鹏 宋文越 姚春生 周晓楠 张 震 王志敏 张英华

(中国农业大学 农学院，北京 100193)

微喷带灌溉是近几年来国内外在结合滴灌和喷灌优点的基础上逐渐发展起来并应用于大田作物生产的灌溉新技术[1-2]。微喷灌作为微灌的一种，可利用微喷带输水，有效地减少灌溉用水损失和土壤无效蒸发耗水，并且微喷设备成本低廉、抗堵性强、易于收放，也可实现按需定量、少量均匀灌溉[3-4]。满建国等[5-6]通过对微喷带铺设长度、喷射角度的优化使得微喷灌大大提高喷洒的均匀性，从而显著地提高冬小麦的产量和水分利用效率。

水肥一体化技术可以将可溶性肥料溶于水中与灌溉水同时作用于作物冠层，且少量多次微喷效果较好。尽管已经发现微喷灌具有较高的节水潜力[7-9]，目前适宜于华北地区的微喷灌水肥施用模式尚未优化，使得其节水潜力难以发挥，也影响了该技术的大面积推广和应用。张英华等[7]、李金鹏等[8]、徐学欣等[9]以及Li等[10]研究表明，适宜的微喷频次和施氮量通过增加花后物质生产和水氮吸收利用显著提高了冬小麦产量和水分利用效率。并且，与传统漫灌相比，减量增次微喷水肥一体化使得每次的水肥集中供给主要的根系分布区域(0～60 cm)，每次较少的灌溉量也促进了根系下扎，提高了作物对深层土壤水肥的吸收和利用，减少了土壤硝态氮的淋洗，最终实现了冬小麦对水氮资源的高效利用[11]。也有研究发现，微喷水肥一体化条件下，通过优化施氮量可以显著地提高小麦旗叶Fv/Fm，增加花后14～28 d旗叶叶片中的叶绿素含量，提高籽粒平均灌浆速率，延长籽粒灌浆时间，从而提高产量和氮肥生产效率[8,12]。

微喷灌水肥一体化少量多次水肥施用对小麦产量和水分利用效率有益效应方面的研究鲜有报道。本试验通过在不同施氮量下设置拔节期一次性追施氮肥和水肥一体化多次追施氮肥处理，分析微喷灌下不同氮肥运筹对冬小麦籽粒产量、群体叶面积指数、花后旗叶叶绿素含量、干物质积累和水分利用效率的影响，旨在探明微喷水肥一体化少量多次水肥施用对小麦产量和水分利用效率的效应，以期为小麦微喷水肥一体化应用于大田生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015—2016年在中国农业大学吴桥实验站(37°41′02″ N、116°37′23″ E)进行。试验区属海河平原黑龙港流域中部，暖温带季风气候，海拔 14～22 m，地下水位7～9 m，年降水量历年平均562 mm，主要分布在6—8月份，冬小麦生长季内降雨量历年平均120 mm。本试验中小麦生育期内有效降水量为127.7 mm，为平水年份。试验地前茬为夏玉米，土壤为壤质底黏潮土。0～40 cm土壤中有机质含量为11.7 g/kg，全氮0.95 g/kg，速效钾104.4 mg/kg，速效磷29.2 mg/kg。灌溉用井水，井深40 m，井离试验地25 m。2015—2016年冬小麦生长季内具体的降雨分布和气温，见图1。

图1 2015—2016年冬小麦生育期内降雨分布和温度变化Fig.1 Precipitation and temperature during the 2015-2016 growing season in winter wheat

1.2 试验设计

供试冬小麦品种为‘济麦22’，于2015年10月15日足墒播种，15 cm等行距种植，2016年6月10日收获。2016年春季采用山东农业大学研发的小麦专用微喷带(ZL20122 0356553.7)进行灌水。灌水时期为：拔节期、孕穗期、开花期和灌浆期，每次30 mm，水源为井水，灌水量定额可控，微喷带水压0.02 MPa，每隔6行放置1个微喷带，带长30 m，出水量6.0 m3/h，喷射角80°。播前底施纯氮105 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，追肥采用尿素，设置3个追氮量(N1、N2、N3分别为45、90和135 kg/hm2)和2个追氮方式(JS,拔节期一次性追施；4T，水肥一体化氮肥随灌水等量分次施用)，氮肥先在施肥罐中溶解，之后随灌水一同施入田间，具体的灌溉及氮肥施用时期和用量，见表1。各处理小区面积120 m2(4 m×30 m)，3次重复，采取裂区设计，以氮肥用量为主区，以每次追施氮肥方式为副区。

表1 灌溉和施肥时期及用量Table 1 Irrigation schedule and nitrogen application in this study

1.3 测定项目及方法

1)群体叶面积指数(Leaf area index，LAI)：于开花期和灌浆期(花后20 d)用叶面积分析仪测定群体叶面积，换算成LAI。

2)旗叶叶绿素含量：于花后每隔5 d在每个试验小区随机取20片旗叶叶片，剪碎混匀称取0.20 g,用50 mL 95%乙醇避光48 h浸提，提取液分别在665和649 nm波长下测定吸光度(OD)，重复3次，计算出相应的叶绿素(a+b)含量。

3)群体干物质积累：分别于开花期和成熟期测定干物质。各试验小区取相邻两行50 cm代表性样段，按照茎、叶、穗进行分样。105 ℃杀青20 min后75 ℃烘干至恒重，称量，计算阶段干物质；花后干物质积累对籽粒贡献率为花后干物质积累量与成熟期籽粒干重的比值。

4)土壤水分：于播种前和成熟期测定土壤水分含量。测定时，用土钻在各小区取0～200 cm土层的土壤，每20 cm为1层，取样后立即装入铝盒中，称取新鲜土质量，然后105 ℃烘干至恒重，称量干土重，计算土壤质量含水率。

5)全生育期水分蒸散总量(Evapotranspiration，ET)：

ET=ΔSW+P+I-D+Wg-R

式中：ΔSW为生育期0～200 cm土壤水分变化量，mm；P为降雨量，mm；I为灌溉量，mm；D为灌溉后土壤水向下层流动量，Wg为深层地下水利用量，R为地表径流。本试验地地下水位9 m，且无地表径流，D、Wg和R均可忽略。水分利用效率(Water use efficiency)为籽粒产量与ET的比值，kg/(hm2·mm)。

6)测产及考种：在收获前，每小区选取1 m 6行样段测量穗数，每小区随机选取60个穗测量穗粒数。在成熟期，每小区取3 m2面积测量实际产量。籽粒产量含水量折算为13%。从每个样品中称量 1 000 粒籽粒重量作为千粒重，3次重复。

1.4 数据处理

用Excel 2010软件对试验数据进行处理和作图，用SPSS 19.0统计分析软件进行方差分析与多重比较。

2 结果与分析

2.1 微喷灌氮肥运筹对冬小麦产量和产量构成的影响

表2可知，微喷灌2种氮肥施用方式下增施氮肥对冬小麦产量均有显著影响，以N2处理产量最高；相同施氮量下，N1、N2和N3采用分次施氮(4T)相比于拔节期一次性施氮(JS)产量分别增加5.56%、6.35%和6.20%。从产量构成因素来看，除N1处理外，增加施氮量对穗数和穗粒数无显著影响，施氮量及施氮方式主要显著影响千粒重。从施氮量来看，N2处理千粒重显著高于N3和N1处理，N1显著低于N3处理；相同施氮量下，氮肥分次施用处理(4T)千粒重显著高于拔节期一次性施氮(JS)。总之，微喷灌适宜的施氮量和分次施氮处理(N2-4T)下取得的冬小麦的产量最高，主要是该处理下取得了最高的千粒重。

表2 微喷灌氮肥运筹对冬小麦产量和产量构成的影响Table 2 Effects of micro-sprinkling with different nitrogen fertilizer application treatments on grain yield and yield components in winter wheat

2.2 微喷灌氮肥运筹对冬小麦群体叶面积指数的影响

图2可知，微喷灌2种施氮模式下增施氮肥均有利于提高开花期的群体叶面积指数(LAI)，主要表现为N2和N3处理显著高于N1处理，但前两者之间无显著性差异；而相同施氮量下，相比于氮肥分次施用处理(4T)，拔节期一次性施氮处理(JS)显著提高开花期LAI，这可能由于拔节期是冬小麦叶片快速生长的重要时期，一次性的施氮促进叶片的生长，从而提高了LAI。灌浆期时，增施氮肥提高了LAI，但N2-4T、N3-4T和N3-JS之间无显著性差异；N1和N2处理下，氮肥分次施用(4T)显著提高LAI，而N3下，2种施氮方式对LAI无显著影响。以上结果表明，微喷灌适宜施氮量条件下，氮肥分次施用可取得较高的灌浆期群体叶面积指数，对保证灌浆期的物质生产有重要的作用。

相同颜色柱子上的不同字母表示不同处理同一生育时期在P<0.05水平下差异显著。下同。The different letters on the same color column indicate that there are significant differences among different treatments in the same growing stage at 0.05 level. The same below.图2 微喷灌氮肥运筹对冬小麦开花期和灌浆期群体叶面积指数的影响Fig.2 Effects of micro-sprinkling with different nitrogen fertilizer application treatments on population leaf area index at the anthesis and filling stage of winter wheat

2.3 微喷灌氮肥运筹对冬小麦旗叶叶绿素含量的影响

图3可知，微喷灌条件下冬小麦花后旗叶的叶绿素含量总体上呈现出随施氮量的增加而增加的趋势。花后5 d，相同施氮量下，旗叶叶绿素含量以拔节期一次性施氮处理(JS)高于氮肥分次施用处理(4T)，花后10 d二者差异不显著，而花后15～30 d，氮肥分次施用(4T)相比于拔节期一次性施氮处理(JS)旗叶叶绿素含量显著提高，说明氮肥分次施用有利于延缓灌浆中后期旗叶的衰老，这对灌浆期粒重的提高有重要影响。总之，微喷灌条件下，增加施氮量能延缓旗叶衰老，且氮肥分次施用处理(4T)在灌浆中后期延缓叶片衰老的效果好于拔节期一次性施氮处理(JS)。此外，N3处理下，灌浆后期(花后25和30 d)叶片中叶绿素含量仍然较高，显著高于N2和N1处理，这可能会导致冬小麦贪青晚熟、粒重下降。

图3 微喷灌氮肥运筹对冬小麦花后旗叶叶绿素含量的影响Fig.3 Effects of micro-sprinkling with different nitrogen fertilizer application treatments on flag leaf chlorophyll content after anthesis in winter wheat

2.4 微喷灌氮肥运筹对冬小麦干物质积累及收获指数的影响

表3可知，开花期群体干物质积累量随施氮量的增加而显著增加；N1条件，2种施氮模式群体干物质积累无显著差异，而N2和N3处理下拔节期一次性施氮(JS)均显著提高开花期群体干物质积累量。成熟期和花后干物质积累量均表现为随施氮量的增加先升高后降低，以N2处理最高，且N2处理下分次施氮(4T)显著高于拔节期一次性施氮(JS)，而N1和N3处理下施氮方式对成熟期和花后干物质积累量无显著影响。与拔节期一次性施氮(JS)相比，分次施氮(4T)提高花后干物质积累对籽粒产量的贡献率，N1、N2和N3处理下贡献率分别提高2.1%、2.3%和1.5%。此外，N2处理收获指数显著高于N1和N3，并且N2和N3处理下微喷分次施氮处理(4T)收获指数显著高于拔节期一次性施氮处理(JS)。

表3 微喷灌氮肥运筹对冬小麦干物质积累及收获指数的影响Table 3 Effects of different micro-sprinkling nitrogen fertilizer application treatments on the dry matter accumulation (DM) and harvest index of winter wheat

2.5 微喷灌氮肥运筹对冬小麦生育期内总耗水和水分利用效率的影响

图4可知，生育期总耗水量(ET)表现为随施氮量的增加先增加后降低，但N2与N3处理间差异不显著；N2处理下，微喷分次施肥(4T)ET与拔节期一次性施氮(JS)无显著差异，而N1和N3下分次施肥处理(4T)则显著低于拔节期一次性施肥处理(JS)，说明分次施氮处理(4T)有利于降低冬小麦生育期内的总耗水量。

图4 微喷灌氮肥运筹对冬小麦生长季内总耗水量(ET)的影响Fig.4 Effects of micro-sprinkling with different nitrogen fertilizer application treatments on the seasonal ET during winter wheat development

图5可知，水分利用效率(WUE)在相同施氮方式下均表现为随施氮量的增加而先升高后降低，以N2处理下最高；相同施氮量下均表现为分次施氮处理(4T)WUE显著高于拔节期一次性施氮处理(JS)。所有处理中，以N2-4T处理WUE最高，主要由于N2下分次施氮处理的籽粒产量最高(表2)。总之，适宜施氮量条件下，采用微喷灌氮肥分次施用有利于冬小麦籽粒产量和WUE的同步提高。

图5 微喷灌氮肥运筹对冬小麦水分利用效率的影响Fig.5 Effects of micro-sprinkling with different nitrogen fertilizer application treatments on the water use efficiency of winter wheat

3 讨 论

灌溉方式、施氮量及施肥方式对冬小麦产量和水分利用效率有很大的影响[7,13-14]。张英华等[7]研究发现，相同灌溉量条件下，采用水肥一体化减量增次微喷相对于传统漫灌能显著提高灌浆期群体绿色叶面积指数，延缓叶片衰老，提高生育后期干物质积累，增加千粒重，提高产量；多次微喷还能降低总耗水量和开花前耗水比例，提高开花后耗水比例，从而提高水分利用效率。可见，水肥一体化水氮耦合减量增次施用的增产增效作用明显好于传统漫灌处理。那么微喷水肥一体化条件下，这种增产增效作用的发挥是水分分次施用的影响还是水氮二者耦合的结果还不清楚。本研究发现，相同施氮量条件下，微喷灌分次施氮处理(4T)籽粒产量和水分利用效率显著高于拔节期一次性施氮处理(JS)，并且产量的增加主要由于显著提高了千粒重，穗数和粒数无显著变化(表2)，可见，微喷水肥一体化氮肥分次施用的效应好于拔节期一次性施氮。

开花后是籽粒灌浆的重要时期，提高灌浆期的群体叶面积指数，保证灌浆期叶片的光合性能，延缓花后叶片衰老对确保花后物质生产、提高籽粒灌浆速率和增加粒重有重要作用[8,15-16]。小麦叶片叶绿素含量与施氮量密切相关，缺氮会导致叶绿素含量降低，因而降低叶片的光合速率[17]；但施氮过多容易导致植株贪青晚熟，不利于提高籽粒灌浆速率，结果粒重下降，产量降低[10,13,18-19]。本研究发现，适当增施氮肥(N2)，有利于提高灌浆期群体LAI，延缓旗叶衰老，增加花后物质积累，而继续增加氮肥(N3)，群体LAI增加不明显，尽管灌浆后期旗叶叶绿素含量仍然保持较高水平，但千粒重表现为下降，产量和水分利用效率也降低。相同施氮量下，拔节期一次性施氮处理(JS)能增加开花期群体叶面积指数和花后5 d旗叶叶绿素含量，但灌浆期叶面积指数以及花后15 d旗叶叶绿素含量以水肥一体化分次施氮处理(4T)较高。说明，微喷灌水氮耦合和氮肥后移更有利于延缓花后叶片衰老，维持花后物质生产。研究发现，花后的干物质生产及其对籽粒产量的贡献率与产量关系密切，提高花后干物质积累是提高产量的重要途径[20-21]。本研究中，与拔节期一次性施氮(JS)相比，微喷灌分次施氮处理(4T)提高了花后干物质积累对籽粒产量的贡献率，N1、N2和N3分别提高2.1%、2.3%和1.5%。此外，较高施氮量N3处理籽粒产量和花后干物质积累显著低于N2处理(表3)，尤其是拔节期一次性施氮处理(JS)干物质积累量大幅度降低，这可能是过多施肥导致了植株贪青晚熟，降低灌浆期籽粒灌浆速率，因而降低粒重和成熟期干物质积累量及收获指数(表2)。

有研究表明，施氮量较高的情况下，氮肥分施产量和水分利用效率显著高于一次性底施[22]。通过氮肥后移可以协调花前花后的氮素吸收和利用，从而大大地提高氮肥和水分利用效率[23]。Li等[10-11]研究发现，相比于传统的灌溉模式，减量增次微喷灌处理通过水氮后移实现根水肥同位,改变了冬小麦群体干物质和氮素积累特征，主要表现为水肥一体多次施氮可保证上层主要根系分布区域土壤的水氮供应，显著提高了花后的氮素吸收量，增加了花后氮素积累对籽粒氮素积累的贡献率，最终提高了产量和氮肥利用效率。并且，花后的叶面施肥还能在显著提高产量的同时改善籽粒品质[24]。本研究中，微喷条件下，分次施氮处理(4T)耗水量低于拔节期一次性施氮处理(JS)，并且由于氮肥分次施用处理(4T)产量较高，最终WUE在N1、N2和N3水平下分别提高8.24%、8.21%和9.34%(表4)。拔节期一次性施氮处理(JS)ET增加，可能是由于拔节期一次性施肥促进了群体叶面积的扩大，导致耗水量增加，而灌浆后期叶片衰老加快，影响了花后物质生产，导致产量下降，最终水分利用效率降低。微喷下水肥一体化氮肥后移可能也起到叶面施肥的作用，关于此方面的作用还需进一步的研究。

4 结 论

微喷灌条件下，相同施氮模式下冬小麦产量均随施氮量的增加先升高后降低，以N2(追施90 kg/hm2)处理下产量和水分利用效率最高。相同施氮量时，相比于拔节期一次性施氮处理(JS)，氮肥分次施用(4T，拔节+孕穗+开花+灌浆)显著提高了冬小麦产量和水分利用效率。分次施氮延缓了灌浆期叶片衰老，增加了花后物质积累，提高了粒重，进而提高了籽粒产量；分次施氮还减少了总耗水，因而显著提高了水分利用效率。施氮过多则可能导致贪青晚熟，降低花后物质积累和收获指数，最终产量降低。总之，微喷水肥一体化条件下，采用适宜的施氮量和氮肥分次施用(N2-4T)可以实现华北地区冬小麦的高产和水肥高效利用。