灌水量及减氮模式对冬小麦产量及水氮利用的影响

章 杰,胡田田,何 琼,李鸿祥

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100； 2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

陕西省是我国粮食主产区之一，关中平原是陕西省最大的粮食产地，该区小麦产量占全省总产量的64%[1]。施肥是保障现代农业生产的主要措施之一，其中氮肥起关键作用[2]。目前农户已养成“高产就必须多施肥”的施肥习惯，关中平原小麦季过量施氮约55 kg·hm-2[3-4]。这与该区小麦生产中主要采用传统氮肥，且存在前期投入偏多、后期偏少的问题有关[5-6]。传统氮肥养分释放快，持续时间短，肥料利用效率不高[7]，而且需要多次施用才能与作物需肥特征相匹配，增加了肥料和劳动力投入。缓/控释氮肥养分释放缓慢，肥效持续时间长，能够协调养分供应与作物吸收之间的矛盾，可在作物全生育期一次性基施[8-9]。与传统氮肥相比，缓/控释氮肥的合理减量施用不会影响作物生长及产量，还能解决肥料利用效率低和农田环境破坏等问题，是一种高效与环境友好型肥料[10-12]。目前缓/控释氮肥主要有物理型包膜控释肥、添加化学物的缓释肥以及化学与物理包膜相结合的控释肥[13]，关于缓/控释肥在玉米和水稻上的应用研究较多，对于生育期更长的冬小麦的研究尚少[14]。

水分和氮素是调控作物生长的两大要素[15]。程宪国等[16]对不同水分水平下氮素对冬小麦生长及产量影响的研究表明，水分缺乏会抑制作物养分吸收与利用，最终导致营养不良；养分不足时冬小麦生长缓慢，水分利用效率低。也有研究表明，当灌水和施氮达到作物需求的阈值后，增加灌水或施氮会显著降低冬小麦产量和水肥利用效率[17-18]。而且，灌水和施氮量间存在明显的相互作用，显著影响作物生长及产量水平[19-20]。因而，协调冬小麦氮肥与水分管理具有重要的理论及实践意义。

基于以上考虑，本文选用硝化抑制剂、树脂包膜尿素、控释复合肥3种氮肥缓/控释措施，形成不同的减氮模式，设置不同灌水量，对关中平原冬小麦开展裂区试验，对比习惯施氮与减氮模式，研究灌水量及减氮模式对冬小麦产量及其构成因素、土壤硝态氮残留和水肥利用效率的影响，为探索关中平原冬小麦水氮高效管理模式提供依据，为缓/控释氮肥的推广应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验站概况

试验于2017年10月—2018年6月在西北农林科技大学节水灌溉试验站进行。该区位于108°24′ E、34°20′ N，海拔524.7 m，全年无霜期221 d，年平均温度为12.9 ℃，年平均降水量580 mm(集中在7、8、9 月)，年平均蒸发量1 500 mm，属于暖温带季风半湿润气候区。土壤质地为中壤土，2 m土层内平均土壤容重为1.38 g·cm-3，0～1 m土层的平均田间持水量为24%。供试土壤基本理化性状为：有机质12.02 g·kg-1，速效磷8.18 mg·kg-1，碱解氮54.3 mg·kg-1，全氮0.91 g·kg-1。气象资料由杨凌气象站提供，试验期间冬小麦全生育期内降雨总量185.5 mm，逐月降雨量见表1。

表1 冬小麦生育期降雨量及其分布

1.2 试验方案与实施

试验采用裂区设计，以灌水量为主处理，氮肥用量为副处理，共10个处理，重复3次。灌水量设置90 mm和150 mm。减氮模式设3种：(1)树脂包膜尿素处理(PCU)，按基施树脂包膜尿素(产自山东金正大生态工程股份有限公司，含N为43%，释放期60 d)∶拔节期追施普通尿素=6∶4施入；(2)普通尿素+硝化抑制剂处理(DMPP)，氮肥和硝化抑制剂(按施氮量的2%)混合均匀后一次性基施；(3)控释复合肥处理(SF)，氮、磷、钾含量分别为23-15-8的控释复合肥(产自安徽六国化工股份有限公司)一次性基施。另设习惯施氮肥(CO)和不施氮肥处理(N0)为对照，习惯施氮处理用普通尿素，按基施∶冬灌追施∶拔节追施=6∶2∶2分3次施入。其中，习惯施氮肥的施氮量为210 kg·hm-2，减量施用各处理的施氮量均为150 kg·hm-2。磷、钾肥全部基施，各处理用量相同。

供试冬小麦品种为西农979，小麦行距20 cm，播种量300 kg·hm-2，副处理试验小区面积为26.25 m2(3.5 m×7.5 m)，试验区周围布设2 m宽保护带。全生育期灌水2次，其他管理同当地大田。2017年10月29日播种，2018年1月22日冬灌，2018年3月27日灌拔节水，6月6日人工收割。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量与干物质量 冬小麦成熟期各小区随机收取1 m2长势均匀的小麦，晾晒后称重，记录干物质量，人工脱粒测产。

1.3.2 作物耗水量及水分利用效率 分别于小麦播前和收获期分层采集0～200 cm土样(20 cm为一层)，采用烘干法测定土壤含水率。采用水量平衡法计算作物耗水量(ET)。

计算公式为：

ET=Pr+I+U-R-D-ΔW

(1)

式中，Pr为有效降雨量(mm)；I为灌溉量(mm)；R为径流量(mm)；D为深层渗漏量(mm)；ΔW为试验初期和末期0～200 cm土层水分变化量(mm)。R，D可以忽略不计，地下水位在50 m以下，故U也可以忽略不计，上式可以简化为

ET=Pr+I-ΔW

(2)

作物水分利用效率(WUE,kg·km-2·mm-1)计算公式为：

(3)

式中，Y为作物产量(kg·hm-2)。

1.3.3 土壤硝态氮含量的测定 于冬小麦成熟期分层取0～200 cm土层土样(20 cm为一层)，混合均匀，自然风干，研磨后过1 mm筛，称取5 g土，采用2 mol·L-1KCl溶液浸提，采用流动分析仪测定土壤中硝态氮(NO-3-N)含量。

1.4 数据处理与统计分析

土壤硝态氮累积量(kg·hm-2)=土层厚度×土壤容重×土壤硝态氮含量

氮肥农学利用率(AE, kg·kg-1) = (施氮区籽粒产量-对照籽粒产量)/施氮量

氮肥偏生产力(PFP, kg·kg-1) = 施氮区产量/施氮量

利用Microsoft Excel 2010进行数据处理，利用DPS 7.05软件进行显著性分析，Sigma Plot 12.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 灌水量及减氮模式对冬小麦产量及其构成因素的影响

由表2可知，灌水量对冬小麦有效穗数有极显著性影响，对千粒重和籽粒产量影响显著；减氮模式对冬小麦有效穗数、穗粒数、千粒重、籽粒产量和干物质均有极显著性影响。两者的交互作用对千粒重和籽粒产量有极显著影响，对有效穗数有显著性影响，对其他产量性状无显著性影响。

表2表明，90 mm和150 mm两个灌水量下，各施氮处理冬小麦产量及其构成要素均较不施氮处理(N0)增大，其中以普通尿素+硝化抑制剂处理(DMPP150)增幅最大。与习惯施氮肥处理(CO210)和N0相比，DMPP150处理冬小麦产量及其构成因素均显著提高；灌水量90 mm时，其籽粒产量较CO210和N0处理分别增加17.4%和45.8%，灌水量150 mm时增加20.2%和26.3%。树脂包膜尿素处理(PCU150)较CO210处理有效穗数、籽粒产量和干物质量有所增加但不显著；在灌水量90 mm和150 mm时，与N0处理相比其籽粒产量分别增产40.6%和11.6%。当施氮量一致即150 kg·hm-2时，灌水90 mm的DMPP150处理较PCU150处理冬小麦产量性状有所提高，但不显著；灌水150 mm时,DMPP150处理较PCU150处理千粒重和籽粒产量显著增加。与控释复合肥(SF150)相比，在灌水90 mm和150 mm时DMPP150处理有效穗数、穗粒数、籽粒产量和干物质量均显著增加，籽粒产量分别增产33.2%和24.0%；PCU150处理籽粒产量显著高于SF150处理，灌水90 mm和150 mm下分别增产28.4%和9.5%，其他产量性状差异不显著。

灌水量90 mm时，CO210、PCU150处理和DMPP150处理冬小麦有效穗数、穗粒数、千粒重、籽粒产量及干物质量均大于灌水150 mm，且籽粒产量分别增产7.4%、14.4%和4.8%。SF150处理在灌水150 mm时冬小麦千粒重比灌水90 mm显著增加，其他产量性状略有增加。N0处理在灌水150 mm时冬小麦产量及其构成因素比灌水90 mm有所增加，其中仅籽粒产量增长显著，增产10.1%。综上，可以得出冬小麦产量及其构成因素与灌水量和施氮模式均有关。

表2 不同处理对冬小麦产量及其构成因素的影响

注：不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)；*表示差异显著(P<0.05)，**表示差异极显著(P<0.01)。下同。

Note：Different letters indicate significant difference (P<0.05) among treatments; *:P<0.05，**:P<0.01.The same below.

2.2 灌水量及减氮模式对冬小麦水分利用效率的影响

方差分析得出，灌水量和减氮模式及其交互作用对冬小麦水分利用效率均有极显著性影响。图1表明，灌水量90 mm时，各施氮处理冬小麦水分利用效率(WUE)均较不施氮显著增大，其中DMPP150处理增幅最大；灌水150 mm时，PCU150和DMPP150处理冬小麦WUE较不施氮处理显著增大，CO210和SF150处理冬小麦WUE与不施氮处理相近。与CO210处理和N0处理相比，DMPP150处理WUE显著提高，灌水量90 mm时，WUE较CO210和N0处理分别增加17.5%和45.6%，灌水量150 mm时增加20.0%和25.9%。与CO210处理相比，PCU150处理在灌水90 mm时冬小麦WUE增加13.5%，灌水150 mm时二者相近；与N0处理相比，在灌水量90 mm和150 mm时，其WUE分别提高40.6%和11.1%。当二者施氮量一致即150 kg·hm-2时，DMPP150处理与PCU150处理冬小麦WUE相近，二者均显著高于SF150处理，灌水90 mm时二者WUE分别增加33.0%和28.4%，灌水150 mm时分别增加23.6%和9.1%。可见，减氮模式对冬小麦水分利用效率的影响与灌水量有关。

图1 不同灌水量及减氮模式下冬小麦水分利用效率Fig.1 Winter wheat water use efficiency under different irrigation and nitrogen fertilizer-reduction pattern

灌水90 mm时，各处理冬小麦水分利用效率均显著高于灌水150 mm。其中PCU150处理冬小麦WUE增长最多，增长率达40.6%；习惯施氮CO210处理次之，增长31.2%；不施氮处理增长最少，增长11.1%。说明关中平原冬小麦灌水量从90 mm增加到150 mm使作物水分利用效率下降。

2.3 灌水量及减氮模式对冬小麦氮肥利用效率的影响

由表3可知，灌水定额和减氮模式二因素对氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力均有极显著性影响，两者的交互作用对氮肥偏生产力影响极显著，对氮肥农学利用效率影响不显著。

DMPP150处理冬小麦氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力均高于其他施氮处理，且在灌水150 mm时显著增高，在灌水90 mm时，DMPP150处理氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力与PCU150处理差异不显著。与CO210处理相比，灌水90 mm时DMPP150处理和PCU150处理氮肥偏生产力分别增加64.3%和58.4%；灌水150 mm时，分别增加68.3%和48.6%。 SF150处理氮肥农学利用效率略低于CO210处理，氮肥偏生产力在灌水90 mm和150 mm时比CO210处理分别增加23.4%和35.7%。

灌水90 mm时，各处理冬小麦氮肥农学利用效率均高于灌水150 mm。灌水量为90 mm时，CO210处理、PCU150处理和DMPP150处理氮肥偏生产力均大于灌水150 mm处理，分别增加7.4%、14.4%和4.8%。SF150处理灌水150 mm时冬小麦氮肥偏生产力比灌水90 mm时略增加。

2.4 灌水量及减氮模式对土壤硝态氮空间分布及残留量的影响

2.4.1 灌水量及减氮模式对冬小麦成熟期土壤硝态氮空间分布的影响 由图2可知，在两个灌水量下， 0～200 cm各土层N0处理土壤硝态氮含量最低， CO210处理最高。0～40 cm土层土壤硝态氮含量随着土层深度的增加逐渐降低。40～120 cm土层内灌水90 mm时，随着深度的增加土壤硝态氮含量变化不大；灌水150mm时，随着土层深度的增加硝态氮含量逐渐降低。120～200 cm土层，土壤硝态氮含量随着土层深度的增加逐渐增加，其中灌水150 mm的处理硝态氮含量增幅较大。

冬小麦灌水90 mm时，0～40 cm土层内减氮模式PCU150处理土壤硝态氮含量高于SF150处理和DMPP150处理；40～120 cm土层内各减氮模式土壤硝态氮含量差异不大；120～200 cm土层内SF150处理硝态氮含量略高于DMPP150处理和PCU150处理。灌水150 mm时，0～120 cm土层内PCU150处理硝态氮含量高于DMPP150和SF150处理。140～200 cm土层内SF150处理硝态氮含量明显较高，PCU150处理次之，DMPP150处理含量最低。从图2可以看出，在灌水90 mm和150 mm时，0～40 cm土层，CO210处理硝态氮含量与三种减氮模式差异不明显，40～200 cm土层内CO210处理土壤硝态氮含量明显高于各减氮模式。

表3 不同灌水量及减氮模式下冬小麦氮肥利用效率

图2 不同灌水量及减氮模式下冬小麦成熟期0～200 cm土层硝态氮含量的分布Fig.2 NO-3-N distribution in 0～200 cm soil layer at the mature stage of winter wheat under different irrigation and nitrogen fertilizer-reduction pattern

2.4.2 灌水量及减氮模式对冬小麦成熟期土壤硝态氮残留量的影响 方差分析得出，灌水量和减氮模式及其交互作用对冬小麦成熟期0～200 cm土层土壤硝态氮残留量均有极显著影响。由图3可知，灌水90 mm和150 mm时，各施氮处理冬小麦成熟期0～200 cm土层土壤硝态氮残留量均显著高于不施氮处理，其中CO210处理最大。在灌水90 mm和150 mm时，DMPP150处理较CO210处理分别减少57.8%和62.4%，PCU150处理分别减少45.6%和41.8%，SF150处理分别减少43.9%和40.2%。当施氮量为150 kg·hm-2时，SF150处理土壤硝态氮残留量最大，PCU150处理与之相近；DMPP150处理硝态氮残留量最小，较SF150处理在灌水90 mm和150 mm时分别减小24.8%和37.1%。灌水150 mm时，各处理冬小麦0～200 cm土层土壤硝态氮残留量明显高于灌水90 mm，以PCU150处理增幅最大，SF150处理次之，分别增大36.2%和35.9%，DMPP150处理最小，为23.3%，这说明土壤硝态氮残留对灌水的响应与施氮模式有关。

3 讨 论

本研究表明，增大灌水量导致氮肥利用效率下降。灌水W1(90 mm)时，减氮模式PCU150和DMPP150处理氮肥偏生产力和农学利用效率均高于灌水W2(150 mm)，这与灌水量增大导致产量降低及氮素淋失有关。本试验中，与灌水W2相比，PCU150和DMPP150处理灌水W1时籽粒产量分别增产14.4%和4.8%。这可能由于冬小麦生长后期自然降雨量大，导致灌水150 mm处理作物产量下降。刘小飞等[21]研究得出过量补充灌水会降低冬小麦产量，适度水分亏缺可增加营养器官花前贮藏物质向籽粒转运。另一方面，本试验中，与灌水量90 mm相比，灌水量为150 mm时冬小麦成熟期0～200 cm土层土壤硝态氮残留量明显增大，尤其是深层土壤(120～200 cm)硝态氮含量及残留量显著增大，过量灌水会增加硝态氮向土壤深层迁移，超出作物主要根系分布层，最终使氮肥利用效率降低[22]。

本研究发现，硝化抑制剂和树脂包膜尿素两种减氮模式能够增加或维持冬小麦产量。这可能与这两种减氮模式下养分供应与作物吸收需求吻合较好有关。本研究中，冬小麦播种期基施尿素加硝化抑制剂这一减氮模式冬小麦产量及其构成因素均高于其他处理，较习惯施氮和不施氮处理分别增产18.8%和35.6%。Pasda等[23]研究也表明氮肥中添加DMPP可使冬小麦增产0.24 t·hm-2。这可能由于硝化抑制剂DMPP能有效地抑制铵态氮转化为硝态氮，尿素中添加DMPP可使养分有效期长达180 d[24]，满足冬小麦全生育期养分需求。本研究还表明，树脂包膜尿素基施60% +尿素拔节期追施40%这一减氮模式，冬小麦产量与构成因素较习惯施氮CO210差异不大，但较不施氮处理产量显著增加，增产25.4%，可达到减肥增效的作用。这与前人研究结果[25-27]类似，孙云保[26]等连续4年小麦-玉米轮作试验表明减氮30%施用控释氮肥较常量尿素相比，冬小麦籽粒产量均未出现显著下降情况。原因可能在于普通尿素养分释放速度较快，无法满足作物全生育期的养分需求，尤其是冬小麦这类生育期长且需较多氮素的作物，控释氮肥通过改变内核粒子与外界环境中的扩散通量来调控氮素释放速度，而且该模式在拔节期追施了一定量氮肥，可协调养分供应与作物吸收之间的矛盾，减少氮素损失，从而提高作物产量及氮肥利用效率[28-29]。

图3 不同灌水量及减氮模式下冬小麦成熟期0～200 cm土层硝态氮残留量Fig.3 Nitrate N residues in soil layer 0～200 cm at the mature stage of winter wheat under different irrigation and nitrogen fertilizer-reduction pattern

本研究发现，硝化抑制剂和树脂包膜尿素两种减氮模式能够增加冬小麦氮肥利用效率。原因可能在于，一方面，这两种模式可维持或增加作物产量；另一方面，氮肥的气态损失随着施氮量的增加而增加[30-31]，而且，随着施氮量增加土壤硝态氮含量也随之增加，且向下淋失的趋势明显[29, 32]，导致可供作物吸收利用的有效氮量减少。本研究中，冬小麦成熟期0～40 cm土层各处理硝态氮含量差异不大，40～200 cm土层习惯施氮处理土壤硝态氮含量明显高于减氮模式PCU150和DMPP150处理，进一步证明了这一点。

4 结 论

1)灌水量和减氮模式两因素对冬小麦有效穗数、千粒重、籽粒产量、土壤硝态氮残留量及水分和氮肥利用效率均有显著影响，二者间也存在明显的交互作用。

2)与习惯施氮和不施氮相比，减氮模式普通尿素+硝化抑制剂冬小麦产量及水氮利用效率明显增加。与CO210处理相比，DMPP150处理在灌水90 mm和150 mm时，产量分别增加17.4%和20.2%，水分利用效率提高17.5%和20.0%，土壤硝态氮残留量减少57.8%和62.4%，氮肥利用效率提高64.3%和68.4%。

3)减氮模式树脂包膜尿素处理冬小麦产量及水氮利用效率较习惯施氮处理略有增加，灌水90 mm和150 mm时较CO210处理土壤硝态氮残留量减少45.6%和41.8%，氮肥利用效率提高58.4%和48.6%。

4)综合考虑产量、水氮利用效率和土壤硝态氮残留量，试验区冬小麦可采用150 kg·hm-2施氮量，播种时一次性施用尿素加硝化抑制剂或者以树脂包膜尿素基施60%+拔节期追施普通尿素40%这两种减氮模式，在苗期和拔节期灌水两次，灌水量共90 mm，使产量提高或维持稳定，土壤硝态氮残留减少，水氮利用效率提高。