分期施肥补灌对小麦产量和水分利用效率的影响

潘晓莹，武继承，张森森，杨永辉，王 越，李敏杰，4，高翠民，何 方

(1.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所， 河南 郑州 450002；2.农业部作物高效用水原阳科学观测实验站， 河南 原阳 453514；3.河南省有色金属地质勘查总院， 河南 郑州 450002； 4.郑州大学 生命科学学院， 河南 郑州 450052 )

豫中地区是河南省小麦生产的主产区，水资源短缺和化肥过量施用(肥料消耗量达4 500 kg/hm2)[1]制约着该区域农业的绿色可持续发展。如何合理灌溉、优化水肥管理模式是豫中补灌区小麦高产高效生产亟待解决的关键问题。

水分和氮肥作为农业生产的重要因素和主要调控手段，两者对农作物生长调控具有互补效应，正所谓“有收无收在于水，收多收少在于肥”[2-3]。对于小麦而言，充足的水分是其生长的基础和成产三要素(亩穗数、穗粒数和千粒质量)的调控因子，干旱则是最具威胁力的逆境[4]。补充灌溉对水分利用效率影响显著,平水年拔节期补灌、枯水年拔节期和抽穗期补灌是提高黄海地区冬小麦产量的最佳灌溉模式[5]，拔节期和开花期灌水显著提高拔节期至成熟期小麦的耗水量[6]，补灌处理较不补灌处理可显著提高山农23籽粒产量和水分利用效率[7]，总灌水量和籽粒产量均呈现随补灌次数增加而增加的趋势[8]。氮肥不同基追比对小麦耗水量、水分利用效率影响显著,与不追肥相比，分期追肥有利于提高小麦水分利用效率和产量[9],基肥∶拔节肥∶孕穗肥为6∶3∶1处理开花至成熟期籽粒产量最高[10]。

与此同时，为片面追求高产，盲目、过量施用化肥的农业种植技术，不仅增加农业生产投入，还造成肥料利用率低、土壤氮素深层积累、农业生态环境受到破坏等系列问题[11]。有机肥可显著增强土壤肥力，是一种肥力持久的重要肥源。化肥与有机肥的配施，可降低耕层土壤的污染，改善土壤物理结构和生态环境[12-13]。

本试验在前人研究的基础上，结合豫中补灌区栽培种植模式，基于“分期施肥补灌有可能提高小麦产量和水分利用效率”的假设，采取分期施肥和补充灌溉手段，于2018年—2019年以郑麦369为试验材料，研究分期施肥补灌对小麦SPAD、光合特性、群体动态、生长发育指标、产量和水分利用效率的影响机理，以期为豫中补灌区小麦高产高效种植技术提供技术支撑和理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况及试验材料

试验于2018年—2019年在河南省开封市通许县厉庄乡司马庄村进行(东经E 114.46°，北纬N 34.43°)。试验土壤为壤质潮土，土壤耕层含有机质13.9 g/kg、水解氮71.6 mg/kg、速效磷14.6 mg/kg、速效钾90.6 mg/kg，pH值为8.26。

供试小麦品种为郑麦369。试验用肥料分别为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%)、氯化钾(含K2O 60%)、有机肥料(有机质≥50%，N+P2O5+K2O总养分≧5%)。

1.2 试验设计

试验设3种灌水模式：不灌溉(W0)，补灌一次(W1)(拔节期)、补灌二次(W2)(拔节期，抽穗—扬花期)。灌水450 m3/(hm2·次)，采用地面灌，水表计量。设5种施肥模式：不施肥(N0)、纯氮210 kg/hm2(N1)、纯氮300 kg/hm2(N2)、纯氮210 kg/hm2+有机肥1 500 kg/hm2(N3)、纯氮300 kg/hm2+有机肥1 500 kg/hm2(N4)。灌水施肥同步进行。不灌水条件下氮肥一次性底施，拔节期补灌一次条件下，氮肥底追比为底施∶拔节肥=7∶3；拔节期、抽穗—扬花期补灌二次，氮肥底追比为底肥∶拔节肥∶穗肥=6∶3∶1。磷肥135 kg/hm2、钾肥90 kg/hm2和有机肥料一次性底施。试验共15个处理，试验处理详见表1。小区面积4.0 m×5.6 m，随机区组排列，重复3次，共45个小区。小麦于10月16日等行距(22 cm)播种，播种量为210 kg/hm2；于次年6月4日收获。其他管理同常规大田一致。

表1 不同分期施肥补灌处理

1.3 测定指标及方法

1.3.1 小麦SPAD

利用SPAD-502(日本美能达公司)叶绿素仪测定小麦扬花—灌浆期旗叶SPAD值，每个处理随机测定5片小麦旗叶SPAD值。

1.3.2 小麦光合特性

利用Li-6400XT(美国Li-Cor公司)便携式光合仪测定小麦扬花—灌浆期旗叶净光合速率和蒸腾速率每个处理随机测定3片小麦净光合速率和蒸腾速率。

1.3.3 小麦考种及产量测定

于收获期，随机选5株小麦，对其进行考种，测定其株高、穗长、不孕小穗数、小穗数、穗粒数、千粒质量。每小区收取3行，用小型谷物脱粒机进行脱粒，风干后称其籽粒重量并计算其产量。

1.3.4 水分利用效率

水分利用效率采用如下公式计算：

WUE=Y/ET[14]

(1)

式中：WUE为水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y为小麦籽粒产量，kg/hm2；ET为冬小麦生育期内耗水量,mm。

农田耗水量(Field water consumption，)的计算采用水分平衡法[15]，耗水量的计算公式为

(2)

式中：ET为整个生育期作物的耗水量,mm；i为土层编号；n为总土层数；γi为第i层土壤干密度，g/cm3；Hi为第i层土壤厚度，cm；θi1和θi2分别为第i层土壤播种前和收获后土壤含水量；M为灌水量，mm；P0为生育期内降水量，mm，冬小麦生育期间的降雨资料有当地气象部门提供；K为时段内的地下水补给量，mm，当地下水埋深大于2.5 m时，K值可以忽略不计，本试验的地下水埋深在5 m以下，故地下水补给量可视为0。

采用土钻取0～100 cm土层土样，每20 cm为一层，立即装入铝盒中，烘干法测定土壤含水率，同时采用环刀法测定土壤密度。2018年—2019年度冬小麦生育期内降雨量见表2。

表2 2018年—2019年度冬小麦生育期内降雨量

1.4 数据处理

试验数据利用WPS Office 2019和IBM SPSS Statistics 19软件进行数据处理及差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 分期施肥补灌对小麦SPAD值的影响

由图1 可知，三种灌水水平条件下，各施肥处理的小麦SPAD显著高于不施肥处理，且随施氮量增加而增加，N4处理最高，各处理小麦SPAD较对照N0处理分别提高6.94%～25.59%、2.21%～15.14%和16.86%～24.67%；同时，增施有机肥处理(N3和N4)的SPAD值均高于不施有机肥处理(N1和N2)。不灌水条件下，N4处理小麦SPAD值为50.07，N2、N3、N4小麦SPAD值显著高于N0、N1处理；补灌一次条件下，N4处理小麦SPAD值最高，为53.73，N2、N3、N4处理小麦SPAD显著高于N0和N1处理，N4处理显著高于N2处理；补灌两次条件下，N4处理小麦SPAD值为55.93，且显著高于N0和N1处理处理。同肥条件下，补灌一次和补灌二次的小麦SPAD均高于不灌水相应处理小麦SPAD值，分别提高7.32%～17.06%和11.72%～22.99%，与补灌一次相比，补灌二次的N0处理的小麦SPAD值较相应处理降低了3.86%，其他处理则分别提高了9.92%、5.90%、3.28%和4.09%。

注：图中不同小写字母表示同一灌水水平下不同处理间的差异显著水平(P<0.05)

2.2 分期施肥补灌对小麦光合特性的影响

由图2可知，三种灌水水平条件下，各施肥处理的小麦净光合速率高于或显著高于不施肥(N0)处理，且增施有机肥处理(N3和N4)小麦的净光合速率均高于不施有机肥处理(N1和N2)。不灌水条件下，N4处理小麦净光合速率最高，为22.37 μmol CO2/( m2·s)，显著高于N1处理；补灌一次条件下，N4处理小麦净光合速率最高，为21.37 μmol CO2/( m2·s)；补灌二次条件下，N3处理小麦净光合速率最高，为22.50 μmol CO2/(m2·s)，显著高于N2处理。补灌一次条件下N0和N1处理的小麦净光合速率较不灌溉相应处理分别增加1.80%和15.17%，其他处理较不灌溉相应处理则是有所减少；补灌二次条件下N2和N4处理的小麦净光合速率较不灌溉相应处理分别减少3.21%%和1.62%，其他处理增加；补灌二次条件下N0处理的小麦净光合速率较补灌一次条件下相应处理降低0.45%，其他处理增加。

注：图中不同小写字母表示同一灌水水平下不同处理间的差异显著水平(P<0.05)

由图3可知，不灌水条件下，N3处理小麦蒸腾速率最高，为5.16 mmol H2O/( m2·s)，显著高于N0处理；补灌一次条件下，N3处理小麦蒸腾速率最高，为4.40 mmol H2O/(m2·s)，各处理间差异不显著；补灌二次条件下，N3处理小麦蒸腾速率最高，为4.66 mmol H2O/(m2·s)，显著高于N0、N1、N2处理。补灌一次条件下N0处理的蒸腾速率较不灌溉条件下相应处理增加1.89%，其他处理较不灌溉相应处理则是有所降低；补灌二次条件下各处理小麦蒸腾速率较不灌溉相应处理减少5.53%～10.91%；补灌二次条件下N0处理的小麦蒸腾速率较补灌二次条件下相应处理减少7.29%，其他处理较补灌一次相应处理则是有所增加。

注：图中不同小写字母表示同一灌水水平下不同处理间的差异显著水平(P<0.05)

2.3 分期施肥补灌对小麦群体动态的影响

对不同生育期小麦群体数动态的调查表明(见图4)，各处理小麦全生育期的群体数变化均呈现先上升后降低的趋势，在拔节期达到最大。三种灌水条件下，小麦群体数均以N0处理最低，且不灌水处理小麦群体数低于灌溉处理，不灌水不施肥不利于提高小麦群体数。除苗期W0N0与W0N4处理、返青期W2N0与W2N4及收获期W1NO与W1N3处理间差异不显著外，其他同灌水水平下各处理苗期和越冬期、返青期、拔节期、抽穗期、收获期的小麦群体数均显著高于N0处理，整体上，以拔节期提高幅度最大。与不灌水相应处理相比，补灌一次各处理在苗期和越冬期、返青期、拔节期、抽穗期、收获期的小麦群体数分别提高1.61%～19.05%、8.09%～32.80%、3.64%～33.33%、13.38%～21.81%、10.83%～53.47%、1.67%～34.48%,补灌二次各处理小麦群体数分别提高4.23%～25.40%、5.13%～44.62%、12.08%～38.22%、16.14%～43.43%、2.78%～34.87%、1.92%～32.76%。补灌二次与补灌一次相应处理小麦群体数相比增减不一。

注：图中不同小写字母表示同一灌水水平下不同处理间的差异显著水平(P<0.05)

2.4 分期施肥补灌对小麦生物性状及产量的影响

由表3可知，与不灌水处理相比，补灌一次和补灌二次各处理的穗粒数、株高、穗长和千粒质量均有所提高，不孕小穗有所降低。三个灌水水平条件下，各处理不孕小穗较相应对照N0处理显著降低，分别降低了24.42%～41.86%、32.89%～44.98%和22.65%～41.18%，株高、穗长、小穗数、穗粒数、千粒质量较相应N0处理均有所提高或显著提高，其中不灌水条件下株高和穗粒数增加幅度较大，分别为12.08%～18.39%和11.91%～15.20%，补灌一次条件下，穗粒数和千粒质量增加幅度较大，分别为8.03%～18.31%和9.09%～13.64%，补灌二次条件下，株高和小穗数增加幅度较大，分别为5.60%～15.79%和9.86%～18.3%。

表3 分期施肥补灌对小麦生长发育和产量的影响

三种灌水平条件下，N0处理产量最低，显著低于其他处理，且W1N0>W2N0>W0N0；不灌水条件下，N2处理的产量最高，达10 990.53 kg/hm2，N3处理次之，N2、N3处理产量显著高于N1、N4处理；补灌一次条件下，N4处理产量最高，为11 865.53 kg/hm2，N3处理次之，增施有机肥处理(N3、N4)的产量高于不施有机肥处理(N1、N2)，N2、N3和N4处理产量显著高于N1处理；补灌二次条件下，N3处理产量最高，为11 768.94 kg/hm2，N3处理产量显著高于N2处理，增施有机肥处理(N3、N4)的小麦产量高于不施有机肥处理(N1、N2)。补灌一次和补灌二次的小麦产量均高于不灌水相应处理的小麦产量，分别提高4.29%～22.34%和1.53%～23.27%，与补灌一次相比，补灌二次的N0、N2、N4处理的产量较相应处理分别减少了0.35%、2.64%和2.22%，N1和N3处理则分别增加14.41%和1.30%。

2.5 分期施肥补灌对小麦水分利用效率的影响

由表4可知，三种灌水平条件下，N0处理水分利用效率显著低于其他处理，且W1N0>W0N0>W2N0；不灌水条件下，N2处理水分利用效率最高，为28.30 kg/(hm2·mm)，N4处理次之，且显著高于其他处理；补灌一次条件下，N4处理水分利用效率最高，为27.88 kg/(hm2·mm)， N2处理次之，N2、N3、N4处理的水分利用效率显著高于N1处理；补灌二次条件下，N4处理水分利用效率最高，为26.79 kg/(hm2·mm)，且显著高于N1、N2和 N3处理。补灌一次的N1处理小麦水分利用效率低于不灌水相应处理，较之降低2.55%，其他处理的水分利用效率则高于不灌溉行营处理；补灌二次条件下各处理的水分利用效率较不灌水处理降低了1.71%～18.22%；补灌二次各处理的水分利用效率较补灌一次相应处理均有所降低。

表4 分期施肥补灌对小麦水分利用效率的影响

3 讨 论

光合作用是小麦产量形成的关键因素和物质基础，有研究表明，小麦产量70%以上是通过植株光合作用产生合成有机物形成的[16]。田间试验研究发现：三种灌水平条件下，各施肥处理的小麦SPAD和净光合速率高于或显著高于不施肥处理，增施有机肥的小麦SPAD和净光合速率均高于相应不施有机肥处理，且小麦的SPAD值随施氮量增加而增加，这与前人研究结果一致[17-18]。小麦穗粒数、株高、穗长和千粒质量在同灌水条件下均以N0处理最低，灌水处理高于不灌水相应处理。

由于季节性干旱和降雨时空分布不均衡，豫中地区小麦产量主要依靠补灌水量，生产实践和科学实验结果表明，合理的补灌[7-8]、分期施肥[9]、增施有机肥[12]有利于提高小麦产量和水分利用效率。文中研究结果表明：补灌一次和补灌二次的小麦产量均高于不灌水相应处理，补灌一次的小麦水分利用效率高于不灌水相应处理的小麦水分利用效率，较之提高3.13%～10.77%，这与王丽[7]研究结果一致。三种灌水水平下，N0处理产量显著低于其他处理，且W1N0>W2N0>W0N0；补灌一次和补灌二次的小麦产量均高于不灌水下的相应处理，且以W1N4水平产量最高，为11 865.53 kg/hm2，补灌一次条件下，增施有机肥处理(N3、N4)的小麦产量高于不施有机肥处理(N1、N2)。三种灌水条件下，N0处理水分利用效率最低，且W1N0>W0N0>W2N0；补灌条件下增施有机肥的小麦水分利用效率高于相应不施有机肥处理。针对不同降雨年型，有人小麦生育期内补灌频次：干旱年灌3水、平水年灌2水、丰水年灌1水[19-20]，与试验结果略有偏差(平水年补灌一次增产增效效果最佳)，这可能是由于降雨时空分布不均一起的。

4 结 论

补灌和追施氮肥对小麦SPAD、光合特性、产量及水分利用效率有着显著影响。三种灌水条件下，各施肥处理的小麦SPAD和净光合速率高于或显著高于不施肥处理，增施有机肥效果更佳；灌水处理的小麦穗粒数、株高、穗长和千粒质量高于不灌水相应处理，不孕小穗则与之相反；三种灌水条件下，N0处理水分利用效率和产量最低，补灌条件下增施有机肥的小麦水分利用效率高于相应不施有机肥处理。

基于节水、增产、增效综合考虑，结合豫中地区小麦种植模式和试验研究结果，平水年小麦拔节期补灌一次、施用纯氮300 kg/hm2+有机肥1 500 kg/hm2(氮肥底追比为底施∶拔节肥=7∶3)处理为豫中地区最佳推荐模式。