节水减氮对土壤硝态氮分布和冬小麦水氮利用效率的影响

2020-05-21 00:53雒文鹤师祖姣王旭敏

作物学报 2020年6期

雒文鹤师祖姣王旭敏李军王瑞

雒文鹤师祖姣王旭敏李军*王瑞

西北农林科技大学农学院 / 农业部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室, 陕西杨凌 712100

针对当前关中平原冬小麦生产中氮肥投入过量、灌溉水资源不足的问题, 研究节水减氮栽培模式下冬小麦籽粒产量、水氮利用及硝态氮淋失情况, 能为确定冬小麦节水减肥环保增效的生产模式提供理论依据。于2017—2019年在陕西杨凌开展冬小麦节水减氮田间栽培试验, 采用二因素裂区设计, 施氮量为主处理, 灌水量为副处理, 设施氮量处理N300 (300 kg hm–2)、N225 (225 kg hm–2)、N150 (150 kg hm–2)、N75 (75 kg hm–2)、N0 (不施氮)和灌水量处理W2 (1200 m3hm–2)、W1 (600 m3hm–2)、W0 (0), 分析小麦产量、水氮利用效率及土壤硝态氮淋失情况。结果表明, 2017—2018年和2018—2019年小麦季灌水处理较不灌水处理分别增产14.88%~15.01%和4.11~4.16倍, 但处理间差异不显著, 而越冬期灌水600 m3hm–2土壤硝态氮淋失风险显著降低。在越冬期灌水600 m3hm–2处理下, 2017—2018年施氮量150 kg hm–2处理产量最高, 2018—2019年则是施氮量225 kg hm–2处理产量最高, 但2018—2019年施氮量150 kg hm–2处理在较高产量基础上获得较高的氮肥利用效率, 土壤硝态氮淋失量也较施氮量225 kg hm–2处理2个年度分别降低了15.87%和10.20%。因此, 施氮量150 kg hm–2配合越冬期灌水600 m3hm–2, 能够在保障产量的基础上, 提高水氮利用效率, 降低硝态氮淋失风险, 实现关中平原冬小麦生产节水减肥环保增效的目标。

冬小麦; 节水减氮; 产量; 水分利用效率; 氮肥利用效率; 硝态氮淋失量

施氮和灌水是作物增产的重要手段, 但我国农业生产中却普遍存在肥料利用效率低和灌溉水资源匮乏的问题, 主要农作物对氮肥的利用率平均只有28%~41%, 远低于世界40%~60%的平均利用率[1-2]。我国冬小麦推荐施氮量为150~250 kg hm–2 [3], 而关中平原实际生产中普遍存在施氮过量现象, 目前农户麦田常规施氮量约为225 kg hm–2 [4-6]。过量氮肥投入远超作物生长需求, 使作物增产效果、氮肥利用效率降低, 造成氮肥资源浪费, 生产成本增高, 同时超出作物吸收范围的氮素累积在土壤中, 易引起土壤板结和环境污染等不良影响[7-8]。陕西关中地区降雨主要集中在每年的7月至9月, 冬小麦生育期降雨量仅为全年的37%[9], 降水不足且时空分布不均, 小麦需水关键期水分不足, 补水灌溉是保证作物高产稳产的重要措施。但关中平原属于水资源严重缺乏区, 普遍存在水资源短缺和灌溉方式不合理等问题[10-11], 大水大肥的小麦生产模式, 不仅降低了水肥利用率, 更加剧了水资源短缺问题[12]。研究关中平原节水减氮栽培条件下冬小麦产量、水氮利用效率以及硝态氮淋失量, 有助于实施节本增效和绿色环保农业生产方式。前人研究表明, 合理的水氮配置对小麦产量形成和水氮利用都至关重要, 二者在一定范围内对产量有明显正效应, 且二者耦合效应显著[13-14], 超过最佳施氮量范围产量增加不显著甚至降低[15-16], 过量氮肥不仅对作物增产无益, 还会降低氮肥利用率, 造成资源浪费环境污染[17-19]。水分不足会限制氮肥肥效发挥, 水分过多则增加了氮肥淋溶风险[20-22], 过量施氮与灌水已经导致大量氮素以硝态氮形式随水分淋溶至作物根层之下的深层土壤, 并且硝态氮积累峰已有逐年下移趋势[23-25]。优化麦田氮肥管理, 提高氮素利用率, 减少水资源浪费, 提高水分利用率, 发展高效节水减肥生产, 是实现农业绿色发展, 保障粮食安全和生态安全的重要举措, 尽管前人已经对施氮或灌水与小麦产量、水肥利用效率和硝态氮积累关系进行了探索研究, 但对水氮共同作用下的产量效应与环境效应仍需进一步研究与探讨。本研究在关中平原冬小麦高水高肥的生产基础上, 通过适当减少施氮量和灌水量, 研究冬小麦对水氮吸收利用效率和土壤硝态氮分布以及淋失情况, 在低环境成本和高水氮利用效率条件下最大化小麦产量, 缓解生产中过量施肥与水资源短缺的矛盾, 为关中平原节水减肥条件下实现小麦高产稳产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

陕西省杨凌示范区西北农林科技大学曹新庄试验农场(108°07′E, 34°20′N), 年均气温12.9℃, 年均降水量635.1 mm, 无霜期211 d, 属于大陆性季风暖温带半湿润气候, 供试土壤为塿土, 0~30 cm土壤质地为壤质黏土, 30~100 cm为粉沙质黏土, 100 cm之下为重壤土, 试验开始前土壤养分含量见表1。0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm土层土壤容重分别为1.20 g cm–3、1.38 g cm–3、1.49 g cm–3, 60 cm以下土层以1.49 g cm–3计算。该地区常年每月降雨量见图1, 试验期间, 2017年10月至2018年9月全年降雨量690.4 mm, 小麦2017年10月19日播种, 2018年6月5日收获, 生育期降水185.4 mm, 2018年10至2019年9月全年降雨量716.8 mm, 小麦2018年10月10日播种, 2019年6月4日收获, 生育期降水189.1 mm, 小麦生育期日降雨量见图2。

图1 近10年月均降雨量

1.2 试验设计

在冬小麦-夏玉米一年二熟制下实施小区连续定位试验, 采用二因素裂区设计, 氮肥为主处理, 灌水为副处理, 3次重复, 小区面积6.5 m × 14.0 m = 91.0 m2。设置5个施氮量梯度, 以关中平原的高施氮量N300 (300 kg hm–2)为对照, 在此基础上依次按比例减少施氮量, 减25%为N225 (225 kg hm–2), 减50%为N150 (150 kg hm–2), 减75%为N75 (75 kg hm–2), 全减为N0 (不施氮肥), 氮肥以基追比7∶3施入, 基肥在小麦播种前人工均匀撒入, 追肥以同样方式在拔节期施入。磷肥(P2O5) 100%基施, 施肥量为120 kg hm–2, 本试验不施钾肥。设置3个灌水量水平, 即W2 (1200 m3hm–2)、W1 (600 m3hm–2)、W0 (0), W2于越冬期和拔节期分2次灌入, 每次灌水600 m3hm–2, W1在越冬期灌溉, W0不灌溉。供试小麦品种为西农979, 病虫草害防治等田间管理措施遵照当地农民生产习惯。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生物量测定在小麦成熟期取植株样品测定生物量, 105℃杀青半小时, 85℃烘至恒重, 称取植株干物质量, 最后测烘干后的植株氮素含量。

植株氮素积累量=植株含氮量(%)×干物质的量

1.3.2 产量测定冬小麦收获时, 选择每个处理3个1 m × 1 m样方估产, 取平均值, 室内考种, 调查穗数、穗粒数和千粒重, 每个处理取3个重复。

氮肥农学效率(NAE, kg kg–1) = (施氮区产量– 不施氮区产量)/施氮量

氮素利用效率(NUE, kg kg–1) = 籽粒产量/氮素积累量

百千克籽粒吸氮量(kg hm–2) = 植株地上部氮素积累量/籽粒产量×100

1.3.3 土壤水分测定小麦播种前、收获后以及各主要生育时期, 用土钻取0~200 cm土壤, 每20 cm土样, 装入铝盒, 在105℃烘干8 h至恒重, 计算土壤含水量。

水分利用效率(WUE, kg hm–2mm–1) = Y/ET, Y为小麦籽粒产量(kg hm–2), ET为农田耗水量(mm)。

ET = P+I+ΔW, 其中P代表生育期降雨量(mm); I为田间灌水量(mm), ΔW为作物播种前与收获后土壤蓄水变化量(mm)。

ΔW (mm) = 播前土壤贮水量–收获后土壤贮水量

1.3.4 土壤养分测定冬小麦播种前和收获后, 测定0~60 cm土层土壤有机质、全氮含量以及0~200 cm土层土壤硝态氮含量, 每20 cm土层取样。采用重铬酸钾外加热法测有机质, 全自动半微量凯氏定氮法测全氮, KCl浸提法测硝态氮, 用AA3型流动分析仪测定浸提液。本研究中硝态氮淋失量是80~200 cm土层内硝态氮积累量。

土壤硝态氮积累量=土层厚度×土壤容重×土壤硝态氮含量/10

1.4 数据统计与分析

使用SPSS 19.0分析试验数据, 采用Duncan’s法多重比较, 差异显著性水平= 0.05, 使用Origin 2015制图。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理对冬小麦产量的影响

表2表明, 在2年试验中, 施氮量和灌水量处理对小麦产量的影响均达到了极显著水平, 2017— 2018年施氮主要通过影响单位面积穗数影响产量, 单位面积穗数随着施氮量增加而增加; 灌水主要影响单位面积穗数和千粒重, 随着灌水量增加单位面积穗数增加, 而千粒重反之。2017—2018年小麦产量在N150处理达到最大, 继续增施氮肥产量反而降低, 灌水增产效果显著, 较不灌水增产14.88%~ 15.01%。2018—2019年施氮量和灌水量对小麦构成因素均有显著影响, 随施氮量增加小麦单位面积穗数增加, 但是穗粒数和千粒重均呈减小趋势, 随灌水量增加单位面积穗数递增, 但穗粒数和千粒重均在W1处理下达到最大, 继续灌水反而减小。W0处理小麦产量极低甚至濒临绝产, 虽随着施氮量增加产量呈现增加趋势, 但是增产幅度并不大, 说明干旱条件下水分会限制氮肥肥效的发挥, 增施氮肥并不能达到理想增产效果。2018—2019年籽粒产量在N225处理达到最大, 但仅比N150增产8.68%, 灌水处理对小麦产量影响极其显著, 灌水较不灌水处理增产4.11~4.16倍。

表2 施氮和灌水处理对冬小麦产量及其构成因素的影响

N0: 不施氮; N75: 施氮量为75 kg hm–2; N150: 施氮量为150 kg hm–2; N225: 施氮量为225 kg hm–2; N300: 施氮量为300 kg hm–2; W0: 不灌水; W1: 越冬期灌水600 m3hm–2; W2: 越冬期和拔节期共灌水1200 m3hm–2。SN: 穗数; GNS: 穗粒数; TGW: 千粒重; GY: 籽粒产量。同列标以不同小写字母的值在同一因素不同处理间差异显著(<0.05)。NS表示无显著差异,*表示0.05水平显著,**表示0.01水平显著,***表示0.001水平显著。

N0: no nitrogen application; N75: N application rate was 75 kg hm–2; N150: N application rate was 150 kg hm–2; N225: N application rate was 225 kg hm–2; N300: N application rate was 300 kg hm–2; W0: no irrigation; W1: irrigated 600 m3hm–2in overwintering period; W2: irrigated 1200 m3hm–2in overwintering period and jointing stage. SN: spike number; GNS: grain number per spike; TGW: 1000-grain weight; GY: grain yield. Values followed by different small letters in the same column are significant by different between treatments of the same factor (< 0.05).NSmeans no significant difference;*indicates significant at the 0.05 probability level;**indicates significant at the 0.01 probability level;***indicates significant at the 0.001 probability level.

在同一灌水处理下, 2017—2018和2018—2019年小麦产量与施氮量均呈二次曲线关系(图3)。在W0处理下小麦产量已表现出严重减产, 此处暂不做分析。2017—2018年W1处理下施氮量205 kg hm–2时最高产量可达8606 kg hm–2, W2处理下施氮量168 kg hm–2时最高产量可达8532 kg hm–2; 2018— 2019年W1处理下施氮量235 kg hm–2时最高产量可达9492 kg hm–2, W2处理下施氮量231 kg hm–2时最高产量可达9686 kg hm–2。2017—2018年即使在最理想的施氮条件下, 增加灌水反而会使产量略微降低, 2018—2019年在理想施氮条件下, 增加一次灌水小麦产量虽然增加, 但增产效果不显著, 仅增产2.05%, 说明该地区灌一次水即可满足小麦生长的需求。

图3 相同灌水条件下施氮量与小麦产量的关系

W0: 不灌水; W1: 越冬期灌水600 m3hm–2; W2: 越冬期和拔节期共灌水1200 m3hm–2。

W0: no irrigation; W1: irrigated 600 m3hm–2in overwintering period; W2: irrigated 1200 m3hm–2in overwintering period and jointing stage.

2.2 不同水氮处理对冬小麦水氮利用效率的影响

随着小麦生育期的推进, 不同灌水处理下的土壤水分差异逐渐显现, 同一土层中土壤含水量差异显著, 整体趋势表现为W2>W1>W0 (图4)。随着试验时期延长, W0处理土壤含水量显著降低, 特别是2018年自小麦播种至孕穗期土壤含水量始终处于低水平, 远不能满足小麦生长所需, 使得2018年小麦严重减产。表3表明, 2017—2018年施氮量和灌水量均对冬小麦百千克籽粒吸氮量影响显著, 在同一灌水水平下, 随施氮量增加, 百千克籽粒吸氮量呈递增趋势, 且W2>W0>W1, 说明同一施氮水平下, W2处理小麦需要更多的氮肥供应; 2018— 2019年施氮量对冬小麦百千克籽粒吸氮量影响不显著, W0和W2处理下各施氮水平之间无显著差异, W1处理下冬小麦百千克籽粒吸氮量随施氮量变化趋势与2017—2018年一致, 灌水量对百千克籽粒吸氮量的影响达到极显著水平, 表现为W0>W2> W1。

(图4)

W0: 不灌水; W1: 越冬期灌水600 m3hm–2; W2: 越冬期和拔节期共灌水1200 m3hm–2。

W0: no irrigation; W1: irrigated 600 m3hm–2in overwintering period; W2: irrigated 1200 m3hm–2in overwintering period and jointing stage.

表3 不同水氮处理下冬小麦百千克籽粒吸氮量

N0: 不施氮; N75: 施氮量为75 kg hm–2; N150: 施氮量为150 kg hm–2; N225: 施氮量为225 kg hm–2; N300: 施氮量为300 kg hm–2; W0: 不灌水; W1: 越冬期灌水600 m3hm–2; W2: 越冬期和拔节期共灌水1200 m3hm–2。标以不同小写字母的值在同一灌水条件下施氮量之间的差异显著(<0.05), 平均值后不同字母表示同一因素不同处理间差异显著(< 0.05)。NS表示无显著差异,*表示0.05水平显著,**表示0.01水平显著,***表示0.001水平显著。

N0: no nitrogen application; N75: N application rate was 75 kg hm–2; N150: N application rate was 150 kg hm–2; N225: N application rate was 225 kg hm–2; N300: N application rate was 300 kg hm–2; W0: no irrigation; W1: irrigated 600 m3hm–2in overwintering period; W2: irrigated 1200 m3hm–2in overwintering period and jointing stage. Values followed by different lowercase letters are significantly different between nitrogen application rates under the same irrigation conditions (< 0.05), means followed by different letters are significantly different between different treatments of the same factor (< 0.05).NSmeans no significant difference;*indicates significant at the 0.05 probability level;**indicates significant at the 0.01 probability level;***indicates significant at the 0.001 probability level.

表4表明, 在同一灌水处理下, 随着施氮量增加, 氮肥农学效率逐渐降低, W0、W1和W2条件下表现出相同的趋势, 但同一施氮水平下2017—2018年氮肥农学效率表现为W1>W2>W0且差异显著, W1条件下N75和N150显著优于其他处理, 2018— 2019年表现为W2>W1>W0, 且W2处理下的氮肥农学效率显著优于W1; 氮素利用效率随施氮量变化规律与氮肥农学效率类似, 即同一灌水处理下随着施氮量的增加而减小, 2017—2018年氮肥利用效率则是N0、N75条件下W0处理较高, 而N150、N225、N300条件下W1处理较高, 2018—2019年在W1处理下更显优势。水分利用效率随着施氮量的增加呈现先增加后减小的趋势, 2017—2018年3种灌水水平下均在N150处理下水分利用效率最大, 且三者之间差异不显著; 2018—2019年则是在N225处理下水分利用效率最大, 与N150处理下无显著差异, 但W2和W1处理下水分利用显著优于W0处理, 表现为W1>W2>W0。2年试验结果表明, W1处理既可满足小麦生长需求, 获得较好的氮肥利用效率, 又可以在不浪费水资源的基础上高效利用水分。

表4 不同水氮处理对小麦水氮利用效率的影响

N0: 不施氮; N75: 施氮量为75 kg hm–2; N150: 施氮量为150 kg hm–2; N225: 施氮量为225 kg hm–2; N300: 施氮量为300 kg hm–2; W0: 不灌水; W1: 越冬期灌水600 m3hm–2; W2: 越冬期和拔节期共灌水1200 m3hm–2, NAE: 氮肥农学效率; NUE: 氮肥利用效率; WUE: 水分利用效率。同列标以不同字母的值不同处理间在0.05水平上显著差异(< 0.05)。NS表示无显著差异,*表示0.05水平显著,**表示0.01水平显著,***表示0.001水平显著。

N0: no nitrogen application; N75: N application rate was 75 kg hm–2; N150: N application rate was 150 kg hm–2; N225: N application rate was 225 kg hm–2; N300: N application rate was 300 kg hm–2; W0: no irrigation; W1: irrigated 600 m3hm–2in overwintering period; W2: irrigated 1200 m3hm–2in overwintering period and jointing stage; NAE: nitrogen agronomic efficiency; NUE: nitrogen use efficiency; WUE: water use efficiency. Values followed by different letters in the same column are significantly different at< 0.05 between different treatments.NSmeans no significant difference;*indicates significant at the 0.05 probability level;**indicates significant at the 0.01 probability level;***indicates significant at the 0.001 probability level.

2.3 不同水氮处理对土壤硝态氮含量及其淋失的影响

图5表明, 相同灌水处理下, 麦田0~200 cm土层土壤硝态氮含量随施氮量增加呈递增趋势, 并且施氮处理土壤硝态氮含量显著高于不施氮处理, 表明施氮显著增加了土壤硝态氮含量, 氮肥施用量越高则土壤中硝态氮含量越高。从灌水处理看, 在W0处理下随着土层加深, 硝态氮含量逐渐减少, 而在W1和W2处理下, 随着土层加深硝态氮含量逐渐增大, W0处理0~60 cm土层硝态氮含量显著高于W1、W2处理, 而W1和W2处理60~200 cm土层的硝态氮含量显著高于W0处理, 说明随着灌水量增加, 土壤剖面中硝态氮会随着水分向下层土壤迁移。在W1处理下, N0、N75和N150处理土壤剖面硝态氮含量始终处在一个相对较低的水平, 而当施氮量大于150 kg hm–2后深层土壤硝态氮含量显著增高; 在W2处理下, 2017—2018年60 cm以下土层硝态氮含量均处于较高水平, 并且随着土层加深硝态氮含量增大, 深层土壤中硝态氮大量累积, 2018—2019年虽然60~160 cm土层的硝态氮含量处在较低水平, 但160 cm以下硝态氮含量骤增, 这可能是由于灌水使硝态氮往更深层土壤中迁移。说明施氮量和灌水量显著影响硝态氮在土壤的累积和迁移, 在相同灌水处理下, 施氮量增加, 土壤中硝态氮含量随之增加, 而随着灌水增多, 硝态氮向下迁移加快。

图5 2017‒2019年小麦收获后0~200 cm土层土壤硝态氮含量剖面图

W0: 不灌水; W1: 越冬期灌水600 m3hm–2; W2: 越冬期和拔节期共灌水1200 m3hm–2。*表示0.05水平显著; **表示0.01水平显著; ***表示0.001水平显著。

W0: no irrigation; W1: irrigated 600 m3hm–2in overwintering period; W2: irrigated 1200 m3hm–2in overwintering period and jointing stage. * indicates significant at the 0.05 probability level; ** indicates significant at the 0.01 probability level; *** indicates significant at the 0.001 probability level.

由图6可知, 随着施氮量增加, 2017—2018年和2018—2019年麦田土壤硝态氮淋失量均增大, 这说明增加施氮会加剧硝态氮淋溶风险; 而随着灌水量增加, 2017—2018年除N300+W2处理外, 其他均是W2>W1>W0, 2018—2019年麦田土壤硝态氮淋失量表现为W1>W2>W0, 但是从各土层中硝态氮含量分析, 2018—2019年W2处理在160 cm以下土层土壤硝态氮含量骤增, 可能是灌水的作用使硝态氮积累峰下移。在相同施氮量, 且60 cm土层之下的硝态氮不易被作物吸收利用条件下, 2018—2019年W2处理下土壤硝态氮淋失量反而显著低于2017—2018年, 从侧面印证了这个观点。

图6 不同水氮处理下麦田土壤硝态氮淋失量

N0: 不施氮; N75: 施氮量为75 kg hm–2; N150: 施氮量为150 kg hm–2; N225: 施氮量为225 kg hm–2; N300: 施氮量为300 kg hm–2; W0: 不灌水; W1: 越冬期灌水600 m3hm–2; W2: 越冬期和拔节期共灌水1200 m3hm–2。柱上不同小写字母表示在同一水分条件下在0.05水平上有显著性差异(< 0.05)。

2.4 水氮处理下冬小麦产量、氮肥利用效率和硝态淋失量的关系

为了寻求协调作物高产和环境保护的氮肥投入阈值, 本研究以冬小麦产量作为产出指标, 以氮肥利用效率和硝态氮淋失量作为环境指标进行多曲线分析。前文分析得出, 在W1处理下产量、水分利用和施氮对环境效应可以得到一个相对满意的结果, 此处只对W1处理下小麦产量、氮肥利用效率和硝态氮淋失情况进行分析。根据图7呈现的结果, 综合考虑小麦产量、氮肥利用效率以及硝态氮淋失量, 2017—2018年施氮量150 kg hm–2最为合适, 根据公式拟合出施氮205 kg hm–2时产量最大8605 kg hm–2, 但实际生产中施氮150 kg hm–2便可以达到这个产量,同时氮肥能得到高效利用, 硝态氮淋失量也较施氮205 kg hm–2时减少29.6%; 2018—2019年施氮量150 kg hm–2时产量为8922 kg hm–2, 比实际生产中施氮225 kg hm–2条件下的产量仅降低了7.4%, 比拟合中最大产量低6.0%, 氮肥利用程度却有提升, 且比拟合条件下硝态氮淋失量减少了42%左右。两年试验中施氮150 kg hm–2处理下硝态氮淋失量较施氮225 kg hm–2分别降低了15.87%和10.20%。因此, 综合考虑小麦产量、肥料利用和环境效应, 推荐麦田施氮量为150 kg hm–2。

3 讨论

3.1 水氮处理下冬小麦产量及水氮利用情况

前人研究指出, 氮素和水分是影响作物生长的重要因素, 小麦对氮素的吸收必须以水为媒介, 而干旱条件下增施氮肥, 能增强植物抗旱性, 缓解水分胁迫对植株生长和产量的不利影响[26-27]。本试验W0处理下, 2017—2018年时施氮75 kg hm–2产量最高, 增施氮肥产量反而降低, 2018—2019年产量随施氮增加虽有增长但相比第一年严重下降, 且当施氮量大于225 kg hm–2后产量降低。这与前人结果不一致, 可能是因为干旱程度不一致, 本试验2017—2018年小麦播前土壤贮水量为563.48 mm, 2018—2019年小麦播前不灌水处理下由于经历过小麦和玉米的生长且作物整个生长过程中没有人工补充水分, 土壤贮水量仅为436.29 mm, 且小麦需水关键期(越冬期至孕穗期)降水不足, 造成土壤干旱。轻度干旱条件下增施氮肥可以缓解水分不足的影响, 但当干旱相对严重时, 过量施氮反而加剧了干旱程度, 导致小麦产量降低, 虽然小麦生育后期降雨增多, 部分小麦解除干旱抑制, 重新抽穗, 但时间过晚来不及灌浆, 属于无效穗数, 并不能增加产量, 反而使百千克籽粒吸氮量骤增, 不利于氮肥高效利用。因此该地区应该在小麦生育期灌水, 避免严重减产。在W1与W2处理下小麦产量差别并不显著, 但W1处理下的百千克籽粒吸氮量显著低于W2处理, 两年间分别降低0.27~ 0.63 kg、0.81~2.02 kg。W2处理虽然增加了小麦单位面积穗数, 但由于小麦群体过大, 穗粒数和千粒重显著降低, 甚至N225和N300处理部分区域发生小麦倒伏现象, 使得最终的产量并没有显著提升, 且拟合方程显示, 在理想施氮条件下, 灌两水处理的产量并没有表现出显著优势, 即该地区小麦季灌一水已基本满足作物生长的水分需求, 可获得较高的产量, 增加灌水, 产量没有大幅提升, 反而降低了水分利用率, 浪费水资源。

图7 不同施氮量处理下小麦产量与氮肥利用和硝态氮淋失的关系

NAE: 氮肥农学效率; NUE: 氮肥利用效率。

NAE: nitrogen agronomic efficiency; NUE: nitrogen use efficiency.

1978—2006 年间化肥投入对粮食产量增长的贡献率达56.81%, 氮肥是主要因素, 对粮食增产的贡献率高达40%[28-29], 农业生产中多通过增大施氮量来提高产量, 然而实际生产中, 作物产量并非随施氮量的增加成比例增加, 反而呈现出报酬递减规律[30]。徐凤娇研究表明, 施氮量控制在180~270 kg hm–2范围内, 可以有效提高产量, 超过270 kg hm–2时产量开始下降[31]; 本试验结果与此一致, 2017— 2018年W1处理下施氮量150 kg hm-2即可获得最大产量, 百千克籽粒吸氮量较施氮量225 kg hm–2降低0.22 kg, NAE和NUE分别比施氮225 kg hm–2处理提高5.87 kg kg–1、4.38 kg kg–1, 2018—2019年施氮量225 kg hm–2即可获得最大产量, 在此基础上增加施氮量时, 产量反而有降低趋势。但2018—2019年W1处理施氮量225 kg hm–2仅比施氮量150 kg hm–2处理增产7.9%, 产量之间并无显著差异, 施氮150 kg hm–2不仅百千克籽粒吸氮量较低, NAE和NUE也比施氮225 kg hm–2处理分别提高0.66 kg kg–1、4.43 kg kg–1, 从降低成本角度考虑, 施氮150 kg hm–2既可以获得高产, 也使氮肥利用效率处在较高的水平。

3.2 水氮处理下土壤硝态氮含量及淋失情况

灌水与施氮也是影响土壤剖面氮素积累与淋溶的关键因素。硝态氮在土壤剖面中的含量及其空间分布是硝态氮淋失风险的重要指标, 淋洗峰越深则深层土壤硝态氮积累量越高[32]。前人大量研究表明, 施氮量增加, 土层中硝态氮残留量随之增加, 而随着灌水量增加, 土壤中氮素会向下移动[26,33-34]。土壤剖面不同层次累积硝态氮随土层加深对后茬作物的有效性显著降低, 75 cm处已很难被作物利用, 淋溶风险较高[35]。因此, 本试验将80~200 cm土层的硝态氮积累量定义为硝态氮淋失量。结果表明, W0 (不灌水)处理下高施氮区表层土壤硝态氮含量显著高于低施氮区, 硝态氮积累峰在60 cm土层之上, 而灌水处理深层土壤硝态氮含量远远高于表层土壤, 并且随着施氮量的增多, 深层土壤的硝态氮含量增大, W1处理下硝态氮积累峰在土层160 cm上下波动, 而W2处理下的硝态氮积累峰已经下移到200 cm之下, 表明随着灌水增多, 硝态氮向土壤深层迁移加剧。两季小麦收获后, 灌水处理下80~200 cm的硝态氮大量积累, 根据拟合方程2017—2018年= 89.42+1.72+0.0052,2= 0.965; 2018—2019年= 92.14+1.056+0.0092,2=0.981, 说明施氮量越高硝态氮在深层土壤中的累积量越大, 即硝态氮淋失量越大。本试验中0~20 cm土层硝态氮较其他研究偏低, 一方面可能是作物吸收利用表层土壤硝态氮, 另一方面可能是硝态氮随雨水及灌溉向下迁移到深层土壤中。根据产量效应与环境效应综合分析, 本试验中越冬期灌水600 m3hm–2, 减量施氮50% 即施氮150 kg hm–2, 可以在保证产量的基础上降低深层土壤硝态氮含量, 也降低了硝态氮随灌水淋溶到深层土壤的风险, 避免了氮肥浪费。

4 结论

2017—2019年试验小麦越冬期灌水600 m3hm–2就可以满足小麦生长需求获得高产。在此条件下, 氮肥利用效率均以施氮150 kg hm–2处理更高, 并且土壤硝态氮含量和硝态氮淋失量保持在一个相对较低的水平。因此综合考虑不同水氮处理下冬小麦的产量水平、水肥利用效率以及环境效应, 关中平原节水灌溉农业生产在越冬期灌水600 m3hm–2, 减量施氮50%即施氮150 kg hm–2条件下, 可获得较高的籽粒产量, 提高氮肥利用率, 可以作为关中平原兼顾作物产量与生态效益的节水减氮生产模式的参考指标。

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Effects of water saving and nitrogen reduction on soil nitrate nitrogen distribution, water and nitrogen use efficiencies of winter wheat

LUO Wen-He, SHI Zu-Jiao, WANG Xu-Min, LI Jun*, and WANG Rui

College of Agronomy, Northwest A&F University / Key Laboratory of Crop Physiology and Tillage Science in Northwestern Loess Plateau, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, Shaanxi, China

In order to solve the problems of excessive nitrogen input and irrigation water resources scarcity in current winter wheat production in Guanzhong Plain, winter wheat grain yield, water and nitrogen use efficiency, and nitrate nitrogen leaching were investigated to hopefully provide a theoretical basis for determining water-saving and nitrogen-reducing cultivation model. The two-factor split-plot field experiment (2017‒2019) was conducted in Yangling, Shaanxi province, China, where the nitrogen application rates of N300 (300 kg hm–2), N225 (225 kg hm–2), N150 (150 kg hm–2), N75 (75 kg hm–2), N0 (0 kg hm–2, no nitrogen application) were assigned to the main plots, and the irrigation amount of W2 (1200 m3hm–2), W1 (600 m3hm–2), W0 (0, no irrigation) were assigned to the subplots. The amount of irrigation and nitrogen application had significant effects on wheat yield, water and nitrogen use efficiency, soil nitrate nitrogen content as well as its leaching loss. In the 2017–2018 and 2018–2019 wheat seasons, the irrigation treatments (W1 and W2) significantly increased the wheat yield by 14.88%–15.01% and 4.11–4.16 times, respectively, but the difference between them was not significant, while the risk of soil nitrate nitrogen leaching under irrigation of 600 m3hm–2in overwintering period was significantly reduced. Under the irrigation of 600 m3hm–2in overwintering period, the yield was the highest in N150 treatment in 2017–2018, and in N225 treatment in 2018–2019, the N150 treatment had higher nitrogen use efficiency, and soil nitrate nitrogen leaching was also reduced by 15.87% and 10.20% compared with that of N225 treatmentin 2017–2019. Therefore, N150 treatment (with nitrogen application rate of 150 kg hm–2) combined with W1 treatment (irrigated 600 m3hm–2in overwintering period) can improve the water and nitrogen utilization efficiencies and reduce the risk of nitrate nitrogen leaching, realizing the water-saving and nitrogen reduction production of winter wheat in Guanzhong Plain.

winter wheat; water saving and nitrogen reduction; grain yield; water use efficiency; nitrogen use efficiency; nitrate nitrogen leaching

10.3724/SP.J.1006.2020.91060

本研究由国家科技支撑计划项目(2015BAD22B02)和国家自然科学基金项目(31801300)资助。

The study was supported by the National Science and Technology Support Program of China (2015BAD22B02) and the National Natural Science Foundation of China (31801300).

李军, E-mail: junli@nwsuaf.edu.cn

E-mail: luowh09@foxmail.com

2019-10-06;

2020-01-15;

2020-01-23.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20200123.1311.006.html