水氮耦合对藜麦产量、氮素吸收和水氮利用的影响

王 斌，聂 督，赵圆峰，霍晓兰，黄高鉴，张 强

（1.山西省农业科学院 农业环境与资源研究所，太原 030031；2.山西农业大学 资源环境学院， 山西 太谷 030801；3.山西大学 生物工程学院，太原 030006；4.山西农业大学，太原 030031）

0 引 言

【研究意义】藜麦又称南藜麦、藜谷、奎奴亚藜等，发源于南美洲安第斯山脉[1]，是1 年生的藜科双子叶植物。藜麦属于全营养功能食品，具有独特而丰富的营养价值[2]。从2013 年山西省静乐县开始规模化种植[3]，到目前全国已有超过10 个省份种植藜麦。虽然种植范围不断扩大，但由于不合理的灌溉和施肥，既对藜麦产量、土壤环境等产生了影响，又造成了资源浪费或不足[4]。因此，进一步探明水氮交互对藜麦产量和水氮利用效率的影响，优化水肥互作技术，对提高水氮利用效率，促进藜麦产业可持续发展具有重要意义[5]。

【研究进展】水、氮是作物获得高产的两大关键因素，通过水肥调控，可以显著影响作物的产量、质量和效益[6-7]。宁东锋等[8]对滴灌条件下夏玉米的水氮耦合效应研究表明，灌水、氮肥及其交互作用均显著影响其地上部生物量、籽粒产量和水氮利用效率；陈伟[9]对水稻水氮耦合模型的研究说明，足量灌溉和适宜的氮肥施用量可以提高肥料利用率和水分利用率；尚文彬等[10]对膜下滴灌玉米产量和水氮利用的研究指出，相同施氮量水平下，水分不足会抑制产量提高、影响干物质和氮素的累积；倪瑞军等[11]认为水氮交互作用对藜麦幼苗的叶面积、生物量、根系总体积和过氧化物酶活性等均有显著影响。Schulte 等[12]认为藜麦对施氮反应强烈，且氮肥利用率不随施氮量增加而降低。Basra 等[13]研究了藜麦5 个施氮水平对产量的影响，结果表明75 kg/hm2的氮肥水平能够基本满足藜麦的营养生长。Ahmadi 等[14]开展了藜麦在充分灌溉条件下水分生产力方面的研究，认为藜麦独特的生理系统决定了其水分利用率较高。【切入点】我国引入藜麦种植时间较短，对这一作物的研究尚处于起步阶段[11]，且主要集中于加工、栽培和育种[15-17]等方面，对藜麦水氮方面的研究尚少见报道。国外学者对藜麦氮肥用量、水氮单因子效应和水分生产力方面的研究已取得了一定程度的进展，但从各个生育期进行水氮耦合效应的研究却鲜有报道。

【拟解决的关键问题】为明确水氮耦合对藜麦生长、营养、产量等方面的影响，以藜麦主要生育期干物质累积量、氮素吸收累积量、产量、收获指数、土壤氮素表观盈亏量、氮肥农学效率、氮肥利用率、水分利用率等为主要分析指标，探明藜麦的水氮耦合效应，以期为藜麦生产过程中合理的水肥调控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于山西省忻州市静乐县辛村乡张家庄村，当地属北温带高原季风气候，北纬38o26'，东经111o56'，海拔1 440 m，年平均气温6～8 ℃，年降雨量300～500 mm，属干旱半干旱地区，无霜期120～125 d 左右。2018 年试验区藜麦生育期（5—9 月）月降雨量分别为49.9、43.5、131.5、161.4、44.8 mm。

试验地土壤为黄绵土，水土流失较为严重，土壤干旱且结构差，黏粒量较低，保肥性能弱。有机质缺乏，氮素中等，磷素极缺，钾素略缺。微量元素缺乏程度排序为：锌>锰>铁>铜。土壤质地为砂壤土，根层土壤体积质量为1.34 g/cm3，土壤田间持水率为0.28 cm3/cm3。表1 为播前土壤基本养分状况。

1.2 试验材料

供试品种为青藜2 号，由青海省农林科学院提供。供试肥料为尿素（含N 量为46%），过磷酸钙（含P2O5量为12%），硫酸钾（含K2O 量为50%）。采用滴灌系统，主要包括水表、PE 软管、贴片式滴灌带等，贴片式滴灌带直径16 mm，厚度0.2 mm，孔距30 cm，孔径2.2 mm。

1.3 试验设计

水肥方案见表2。试验共设置15 个处理，3 次重复，共45 个小区，每小区面积3 m×4 m=12 m2。设灌溉定额W 和施氮量N 2 个因素；其中，灌溉定额设3 个水平，分别为W0（自然降雨），W1（自然降雨量+有限灌溉量30 mm），W2（自然降雨量+充分灌溉量50 mm）；施氮量设5 个水平，分别为N0（0 kg/hm2）、N1（37.5 kg/hm2）、N2（75 kg/hm2）、N3（112.5 kg/hm2）、N4（150 kg/hm2）。有限灌溉量和充分灌溉量分别为田间持水率的55%～65%和80%～90%。各处理均施入等量的P2O5（120 kg/hm2）、K2O（90 kg/hm2）。

试验设3 个大区：自然降雨区（W0），含5 个处理，每个处理3 次重复，不铺设滴灌带；有限灌溉区（W1）和充分灌溉区（W2），各含5 个处理，每个处理3 次重复，每个小区按种植行铺设6 条滴灌带。各处理在大区内随机排列。采用环卫车储水罐供水，W1和W2区分别接水表进行灌溉计量。

播种日期2018 年5 月9 日，穴播，株距为30 cm，行距为45 cm，密度约为75 000株/hm2，播深为1～2 cm。氮肥采用播期雨前1 次性基施，施肥时间为2018 年5月9 日，按照试验设计进行1 次性补灌，灌溉时间为2018 年7 月23 日，收获日期为2018 年9 月20 日。

表2 水肥方案 Table 2 Irrigation and fertilizer treatments

1.4 测定项目及方法

1.4.1 农艺性状测定

各生育期植株干质量采用烘干法获得，产量由各小区单打单收并脱粒后晒干计产。

1.4.2 水分和养分测定

供试土壤田间持水率采用小区灌水法测定。土壤取样日期分别为：播前（5 月7 日）、显穗期（7 月3 日）、抽穗期（8 月16 日）、成熟期（9 月15 日）和收获后（9 月29 日），用土钻分别对滴头周边0～100 cm 土壤进行分层取样，每20 cm 为1 层，用烘干法测定土壤含水率，并测定土壤养分。植株取样日期为：显穗期（7 月3 日）、抽穗期（8 月16 日）和成熟期（9 月15 日），烘干粉碎后测定干物质量，并测定全氮量。样品全氮用凯氏定氮法测定，仪器为FOSS 8400 型全自动定氮仪；全磷采用钒钼黄比色法测定，仪器为普析通用TU-1901 型紫外分光光度计；全钾采用火焰光度法测定，仪器为 6400A 型火焰光度计；土壤有机质采用油浴加热重铬酸钾氧化容量法测定；土壤铁锰铜锌量均采用原子吸收分光光度法测定。

1.4.3 各指标计算公式

有限灌溉量（mm）=0.55×田间持水率（cm3/cm3）×计划湿润层深度（mm）；充分灌溉量（mm）=0.9×田间持水率（cm3/cm3）×计划湿润层深度（mm）；收获指数（%）=籽粒干质量/地上部分干质量×100%；氮素表观盈亏量（kg/hm2）=（土壤氮素起始总量+施氮量）-（土壤氮残留总量+作物吸氮量）；氮肥农学效率（kg/kg）=（施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量）/施氮量；氮肥利用率（%）=（施氮区植株氮素积累量-不施氮区植株氮素积累量）/施氮量×100%；耗水量（mm）=灌水量+土壤贮水量变化+有效降雨量+地下水补给量-渗漏量-径流量；水分利用效率（kg/hm3）=作物产量/作物耗水量。

1.5 数据统计分析

本试验数据采用Microsoft Excel 2007 和SPSS 18软件进行整理、统计和分析，采用LSD 法进行差异显著比较，SigmaPlot 12.5 作图。

2 结果与分析

2.1 水氮耦合对藜麦干物质累积量的影响

不同水氮处理对藜麦不同生育期地上部分干物质累积量的影响如表3 所示。灌溉定额、施氮量和水氮互作均对各生育期干物质累积量有显著影响，其中，灌溉定额对抽穗期和成熟期干物质积累量有极显著影响。在W0（自然降雨）和W1（有限灌溉）条件下，所有施氮处理较不施氮处理干物质累积量均有显著差异；在W2（充分灌溉）条件下，除抽穗期N0（0 kg/hm2）和N1（37.5 kg/hm2）之外，其他施氮处理较不施氮处理干物质累积量也均有显著差异，这表明施氮肥可以显著增加藜麦干物质累积量。对比3 个不同灌溉定额对干物质积累量的影响，成熟期W0所有处理干物质累积量平均为2 232.9 kg/hm2，W1为2 451.3 kg/hm2，W2为2 883.5 kg/hm2，这表明灌溉定额的增加，可以充分发挥氮肥的肥效，提高藜麦干物质累积量。

表3 不同水氮处理藜麦干物质累积量 Table 3 The quinoa dry matter accumulation with different water and nitrogen treatments kg/hm2

2.2 水氮耦合对藜麦氮素吸收累积量的影响

由表4、表5 可知，藜麦氮素累积量随着生育期的推进，呈不断增加趋势，到成熟期达到峰值。对于藜麦植株，灌溉定额、施氮量均对各生育期氮素累积量有显著影响，而二者的交互作用对其吸氮量无显著影响；对于藜麦籽粒，灌溉定额对成熟期氮素累积量有极显著影响，施氮量、二者的交互作用对其吸氮量有显著影响。不同的灌溉水平下，各施氮处理地上部分氮素累积量均比不施氮肥处理高，成熟期所有不施氮处理的平均氮素累积量为20.4 kg/hm2，而施氮处理的平均氮素累积量为48.9 kg/hm2，这表明施氮可以促进藜麦氮素累积量的增加，而低氮处理限制了藜麦氮素累积量的提高。对比3 个不同灌溉定额对藜麦氮素累积量的影响，W0成熟期氮素累积量平均为32.1 kg/hm2，W1为41.9 kg/hm2，W2为55.6 kg/hm2，这表明在自然降雨条件下，藜麦氮素积累量受到了水分胁迫，而随着灌溉定额的增加，藜麦氮素累积量也呈上升趋势。

表4 不同水氮处理藜麦植株氮素累积量 Table 4 The quinoa plant nitrogen accumulation with different water and nitrogen treatments kg/hm2

表5 不同水氮处理藜麦籽粒氮素累积量 Table 5 The quinoa grain nitrogen accumulation with differentwater and nitrogen treatments kg/hm2

2.3 水氮耦合对藜麦产量的影响

由表6 可知，在相同灌溉水平下，不同施氮处理的籽粒产量均与不施氮处理差异显著。籽粒产量以W2N4处理最高，说明高水肥条件下藜麦可以获得明显增产。藜麦籽粒产量以W0N0、W1N0、W2N0处理最低，这表明在当前试验条件下，缺氮对藜麦产量的影响比灌溉更大，这可能是因为试验当年的自然降水量未对藜麦生长造成胁迫。

在W0条件下，N2、N3、N4处理都与N1处理差异显著，但内部差异不显著；在W1和W2条件下，N3、N4处理都与N1、N2处理差异显著，N1、N2处理之间也差异显著，但N3、N4处理之间差异不显著。这表明随着灌溉定额的提高，施肥处理与水分产生交互作用，肥效得到了充分发挥。

将不同施肥量在3 种灌溉定额水平上进行回归拟合，可得回归方程为：Y0=-0.133 8x2+37.01x-40.989，R2=0.885；Y1=-0.097 7x2+35.458x+95.883，R2=0.982 5；Y2=-0.094 2x2+37.472x+188.54，R2=0.983 3。由拟合后的回归方程可知，当x=-b/2a 的时候Y 取得最大值，当灌溉水平为W0时，最佳施氮量为138.3 kg/hm2，对应最高产量为2 518.3 kg/hm2；当灌溉水平为W1时，最佳施氮量为181.5 kg/hm2，对应最高产量为3 313.1 kg/hm2；当灌溉水平为W2时，最佳施氮量为198.9 kg/hm2，对应最高产量为3 915.1 kg/hm2。

如表6 所示，不施氮处理结籽量很少，收获指数在21.2%～21.8%之间，其他施氮处理收获指数在32.2%～36.3%之间，这表明藜麦产量对氮素敏感。

表6 藜麦产量和收获指数 Table 6 The quinoa yield and harvest index

除不施氮处理外，藜麦收获指数均随施氮量增加而减少，各施氮处理之间无显著差异，其中N1处理最高；相同氮肥用量条件下，随着灌溉水平的提高，收获指数均有所提高，其中W2处理最高。

2.4 不同水氮条件下土壤氮素表观盈亏量的估算

表7 为0～100 cm 土体内氮素的表观盈亏量。由表7 可知，从全生育期土壤氮素的表观盈亏量来看，N0、N1、N2处理均为负值，且随着灌溉定额提高，土壤氮素亏缺值也增加。从不同生育期来看，3 个不施氮肥W0N0、W1N0、W2N0处理的土壤氮素在各个生育期内都为负值，为亏缺状态；而施氮肥为N4处理的土壤氮素在各生育期内都为正值，为盈余状态；在显穗期，N1处理的土壤氮素为亏缺状态，N2、N3处理为盈余状态；在抽穗期，由于生长旺盛对氮素需求较多，而降雨偏多又造成土壤氮素向土体深处淋洗，因此，N1、N2、N3处理的土壤氮素都处于亏缺的状态；在成熟期，尽管雨水有所减少，但籽粒生长的需求对土壤氮素造成了亏缺，因此，N1、N2、N3处理都为负值。随着灌溉量的增加，各施氮处理的土壤氮素均有所减少，这是由于供试土壤的质地较砂，保水性差，灌溉造成的淋洗带走了部分氮素。综合来看，施氮量在N2～N3处理之间，即75～112.5 kg/hm2之间较为合理，不会造成较大的氮素盈余。

表7 不同水氮条件下土壤氮素的表观盈亏量 Table 7 Soil apparent nitrogen budget with different water and nitrogen treatments kg/hm2

表8 不同处理藜麦水氮利用效率 Table 8 The quinoa water and nitrogen use efficiency with different treatments

2.5 水氮耦合对藜麦水氮利用效率的影响

由表8 可知，在不同的灌溉水平下，随着氮肥用量的增加，氮肥农学效率呈先升高后保持稳定的趋势，氮肥农学效率最高的施氮肥处理为75～112.5 kg/hm2，达到了最高24.77～28.25 kg/kg，而W1和W2处理的氮肥农学效率均值高于W0处理，分别提高了29.8%和24.4%，灌溉定额、施氮量和二者交互作用均对氮肥农学效率有显著影响，其中施氮量和二者交互作用对其有极显著影响。在W0和W1处理条件下，氮肥利用率较W2处理条件下低32.8%，这表明增加灌溉定额可以有效提高氮肥利用率，在W2N4处理的条件下达到了最高81.6%，灌溉定额、施氮量和二者交互作用均对氮肥利用率有显著影响。各处理耗水量均随着施氮量的增加而提高，也随着灌溉定额的增加而提高，灌溉量和施氮量对其有显著影响，但二者互作对耗水量无显著影响。水分利用率大体上随着施氮量的增加呈先高后低的趋势，水分利用率最高的施氮处理为112.5～150 kg/hm2，达到了0.555～0.730 kg/m3，灌溉定额、施氮量和二者交互作用均对水分利用率有显著影响。

3 讨 论

水氮耦合对作物生长有协同作用，合理的灌溉定额和适宜的施肥量可以促进作物生长[18-20]，灌溉定额的适度增加，可以促进土壤中氮素的流动及转换，适宜的氮肥施入土壤，能够补充水分亏缺对作物生长所产生的影响[21]。本研究表明，水氮耦合对藜麦的生长也具有显著的协同作用，适宜的灌溉量可以有效发挥氮肥的肥效，显著提高藜麦干物质累积量、氮素累积量和产量；而合理的氮肥用量可以提高藜麦水分利用率，从而提高藜麦产量。正常供肥情况下，藜麦的收获指数在30%～40%左右，施氮量超过一定水平对藜麦的收获指数无明显影响[12]。本研究验证了上述结论，在本试验条件下，施氮处理的收获指数为32.2%～36.3%，且各施氮处理之间无显著差异，施氮量为37.5 kg/hm2时表现最佳，平均收获指数为35.6%。而不施氮处理收获指数为21.2%～21.8%，这与Schulte 等[12]认为藜麦对氮素的响应特别敏感这一结论相符。本研究中，不施氮处理与施氮处理之间收获指数差异大与供试土壤贫瘠和保肥性能差有关。

水氮耦合存在阈值，灌溉量低于一定的阈值，对施氮肥有限制增产作用；施氮量低于一定的阈值，对灌溉量有限制增产作用，反之则降低养分利用率和水分利用率[22-23]。水氮只有在合理的范围之内，才能有效增加藜麦产量[24]。本研究表明，在相同的灌溉条件下，不同施氮肥处理的产量均与不施氮肥处理差异显著，藜麦产量在W2N4处理达到了最高。当灌溉水平为W0时，藜麦最佳施氮量为138.3 kg/hm2；当灌溉水平为W1时，最佳施氮量为181.5 kg/hm2；当灌溉水平为W2时，最佳施氮量为198.9 kg/hm2，不足则减产，过量则限产。本研究表明，氮肥农学效率和氮肥利用率都随灌溉量的充足而提高，达到最大值后形成平台。水分利用率随着施氮肥量的提高，呈先高后低的趋势。氮肥农学效率最高的施氮肥处理为75～112.5 kg/hm2，水分利用率最高的施氮肥处理为112.5～150 kg/hm2。

土壤氮素表观盈亏是衡量施氮量是否合理的重要指标。石维等[25]研究指出施肥、灌溉和二者的交互作用对土壤中氮素累积都有显著影响，殷晓燕等[26]认为研究各生育期土壤氮素表观盈亏可以为氮素的调控提供理论依据。本试验研究了不同水氮条件下藜麦不同生育期土壤氮素的表观盈亏量，结果显示，不施氮处理的土壤氮素在各个生育期都为亏缺状态，这是由于藜麦对氮素非常敏感所致，而施氮肥最高的处理150 kg/hm2在各个生育期的土壤氮素都为盈余状态，这表明尽管这一处理的氮肥利用率和水分利用率较高，但施肥量偏高，不宜推荐为最佳氮肥用量。显穗期藜麦生长所需氮素较抽穗期少，除低施氮肥N1处理外，其余施氮肥处理均为盈余状态，这表明应根据藜麦生长规律合理调控氮肥投入时间，避免前期氮肥的大量投入。

藜麦属于耐旱作物，对氮素敏感，在本试验条件下，藜麦生育期降雨量达431.1 mm，并未产生水分胁迫，因此从结果来看缺氮对藜麦生长的影响比灌溉影响更大，而这一结果受限于大田试验条件，有待于开展避雨试验进行进一步补充和完善。氮肥用量和灌溉量均能对藜麦产量产生显著影响，在生产中需根据实际资源条件和种植目标进行合理配置。

4 结 论

藜麦收获指数在施氮量37.5 kg/hm2、灌溉定额50 mm 时达到最高值，施氮量在75～112.5 kg/hm2之间较为合理，不会对土壤氮素造成较大盈余。氮肥农学效率在施氮量75 kg/hm2、灌溉定额为30 mm 时达到最高值，氮肥利用率和水分利用率在施氮量150 kg/hm2、灌溉定额为50 mm 时同时达到了最高值。本研究藜麦最佳水氮处理为施氮112.5 kg/hm2，灌溉定额50 mm。