滴灌水肥一体化对小麦产量和品质及水肥利用的影响

张丽霞，尹钧，武继承，杨永辉，潘晓莹

(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.河南农业大学国家小麦工程技术研究中心，河南 郑州 450046；3．河南财经政法大学，河南 郑州450046；4.农业农村部作物高效用水原阳科学观测实验站，河南 原阳 453514；5.河南省黄河流域节水农业野外科学观测研究站，河南 原阳 453514)

小麦是中国重要的粮食作物，提高小麦产量、资源利用率，改善小麦品质，有利于保障中国小麦可持续生产和国家粮食安全。但目前农业灌溉方式仍存在大面积大水漫灌和畦灌，导致水资源严重浪费，灌溉水有效利用效率偏低。同时，为片面追求农作物产量，也经常存在施氮量过多，造成肥效及利用率偏低及农业环境污染等问题[1-3]。比较各类灌溉方式，滴灌具有节水、提高肥料利用效率和增效等优势，对于水资源缺乏地区的农业高产和可持续发展具有不可忽视的重要作用[4-5]。因此，研究氮肥和水分的合理配施，发挥滴灌水肥一体化节水、高效的优势，进一步提高小麦产量和品质，有利于实现河南省粮食主产区增产增收和节水节肥等社会经济效益。

关于水肥对作物小麦的研究主要集中于增产提质、节水节肥和光合生理特性等方面。研究发现，除了自然环境和品种基因影响外，合理的氮肥和水分配合不仅能够促进小麦氮肥肥效，而且能提高水分利用效率，具有明显的增产效果[6]，但是水肥过多会造成小麦茎叶生长过旺，使无效分蘖增多，因每穗小穗数和穗粒数减少而减产[7]。研究发现，节水灌溉条件下，小麦产量、水分利用效率和氮素利用效率随施氮量增加呈现先升高后降低的趋势，过量施氮会导致小麦产量和水肥利用率降低[8-10]。适宜的水氮组合能够提高小麦干物质和氮素积累量，并促进干物质和氮素向子粒运输，有效提高水分利用效率和氮素利用效率，有利于增强小麦旗叶的光合能力，产生更多的碳水化合物，增加子粒产量[11]。不同的灌水时期、灌水量和次数可提高小麦光合生理特性、产量和水分利用效率，但灌水量和次数增加过多会导致小麦产量和子粒蛋白质含量下降[12-14]。滴灌水肥一体化有利于实现小麦的节水、省肥和增产，氮肥适当的后移效果更明显。已有的研究表明，滴灌施肥能显著增加冬小麦的有效穗数，有利于小麦产量和水分利用效率的提高[15-16]。在当地施肥量基础上小麦生长季减少40%施氮量，同时进行2次灌水是较适宜的节水节肥措施，能够提高小麦耗水量、产量和水肥利用效率[17-18]。另外研究发现，在滴灌条件下，拔节期和开花期追肥有利于小麦光合性能和产量的提高[19]。合理的水氮运筹有利于小麦获得合理的群体数量和质量，促进植株光合产物的生产与积累及转运，促进穗数、穗粒数的增加，进而提高小麦产量[20]。鉴于滴灌条件下，水肥一体化对小麦产量和品质及水肥利用的综合研究较少，本试验在前期分期灌溉与施肥相结合、灌溉方式与灌水量及水肥互作对小麦-玉米周年产量和水分利用影响的研究基础上[4,12]，利用滴灌水肥一体化技术研究小麦产量和品质及水肥利用的影响，旨在为评价和筛选小麦高产优质的最优水肥组合模式，从而为小麦高产、优质和高效提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2016—2018年在河南省通许县节水农业试验示范基地进行(114.47°E,34.48°N，海拔62 m)。该地区气候类型为暖温带大陆性季风气候，多年平均降水量为657.9 mm，且主要集中在6—9月，年均气温14.6 ℃，全年无霜期222 d。该试验地土壤为壤质潮土，土壤耕层有机质为11.4 g·kg-1，全氮为0.81 g·kg-1，全磷为0.72 g·kg-1，碱解氮为74.31 mg·kg-1，速效磷为19.8 mg·kg-1，速效钾为90.3 mg·kg-1；土壤容重为1.32 g·cm-3；土壤机械组成主要为沙粒(2～0.020 mm)占83%，其次为粉粒(0.020～0.002 mm)占8.3%和黏粒(<0.002 mm)占8.7%。

1.2 试验设计

本试验采用随机区组设计，灌溉方式为滴灌，滴头流量为2～3 L· h-1，滴头间距为30 cm，滴灌带间隔宽度为40～50 cm，每次灌水量为450 m3· hm-2。该试验设置3个氮 (N) 肥水平：N1(180 kg ·hm-2)，N2(240 kg·hm-2)，N3(270 kg·hm-2)，氮肥按照基追比进行底施，并与磷(P2O5，105 kg·hm-2) 、钾( K2O，105 kg·hm-2)肥一同底施。追肥与灌溉同步，氮肥基追比例为60%和40%，追肥比分别为25%和15%，2次追肥时期分别为小麦拔节期和灌浆期。水分(W)设置3个水平：W1(生育期不灌水)，W2(生育期灌2次水)，W3(生育期灌3次水)，2次水在小麦拔节期和灌浆期各进行1次灌溉，3次水分别在小麦拔节期、开花期和灌浆期各进行1次灌溉。在小麦播种前灌底墒水，灌溉量为450 m3·hm-2，其他时期均按试验处理进行水肥管理。试验共设置9个处理，分别为W1N1，W1N2，W1N3，W2N1，W2N2，W2N3，W3N1，W3N2，W3N3，每个处理重复3次，共27个小区，每个小区面积为22.4 m2。在本试验中，W1为生育期不灌水，在追施氮肥时采用沟施的方式进行施肥，W2，W3为生育期灌水，实施滴灌水肥一体化时氮肥随水一同施入。供试冬小麦为矮抗58，于10月中下旬播种，播种量为150 kg· hm-2，行距20 cm，次年6月上旬收获。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 小麦产量和子粒品质 小麦收获时，以每小区收获4 m2记产量，将其折合成每公顷的产量，同时对每小区进行考种，考察小麦株高、穗长、小穗数、穗粒数和千粒质量及地上部的干物质质量等。小麦子粒用粉碎机粉碎后测定可溶性糖、蛋白质和淀粉含量：小麦子粒可溶性糖含量用蒽酮比色法[21]进行测定；小麦子粒全氮含量采用凯氏定氮法[22]测定，全氮含量乘以指数5.7作为蛋白质含量；小麦子粒直链淀粉和支链淀粉含量用双波长法[23]测定，两者之和为总淀粉含量。

1.3.2 小麦全生育期耗水量与水分利用效率 土壤水分测定采用质量烘干法，在小麦越冬期、拔节期、抽穗期、开花期、灌浆期和收获期,不同处理随机取3点，采用土钻分别采集0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm 共5层土壤，放入烘箱中105 ℃烘8～9 h，测定含水量，进而得知0～100 cm土层土壤储水量，并计算小麦生育期耗水量、水分利用效率。

0～100 cm土层土壤储水量为0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm土层土壤含水量之和。

小麦全生育期耗水量计算公式：小麦全生育期耗水量=播种前0～100 cm土层土壤含水量+小麦生育期内降雨量+小麦生育期内灌水量-收获时0～100 cm土层土壤含水量。

水分利用效率=小麦子粒产量/小麦全生育期耗水量。

1.3.3 小麦植株氮积累量和氮利用效率 小麦植株用粉碎机粉碎后测定植株氮素含量。

氮积累量和氮效率计算公式如下：

氮积累量=植株氮含量×植株干物质质量。

氮利用效率/(kg·kg-1) =子粒产量/氮积累量。

氮生产效率/(kg·kg-1) =子粒产量/施氮量。

2 结果与分析

2.1 小麦生育期内降雨量分析

由图1可以看出，在2016—2018年连续2 a中，小麦生育期内降雨量主要集中在10月和5月，其他月份相对较少。小麦播种后降雨量逐渐增多，但从分蘖期开始到返青期前降水量较少，从抽穗期开始降雨量逐渐增多，一直到灌浆期。在2016—2017年，小麦生育期内降雨10次，总降雨量为258.3 mm；在2017—2018年，小麦生育期内降雨11次，总降雨量为279.2 mm。

图1 小麦生育期内逐月降雨量Fig.1 Monthly rainfall in growth stage of wheat

2.2 滴灌水肥一体化对小麦生长发育、产量及产量构成因素的影响

从表1可知，连续2 a，在低氮(N1)、中氮(N2)处理下，小麦产量和产量构成指标随灌水量增加而升高，在高氮(N3)处理下，小麦产量和产量构成指标随灌水量增加而降低，均以W3N2处理下增加最多。与W1N1处理相比，W3N2处理下小麦平均株高、穗长、千粒质量增长最大，分别提高14.61%,13.24%和12.19%；W3N2和W3N3处理下小麦平均产量变化明显，分别增加31.88%和15.28%。在2016—2017年，与W1N1处理相比，W3N2处理下小麦株高、穗长和千粒质量分别增加16.21%,11.67%和9.63%，W3N2和W3N3处理下小麦产量分别提高26.41%和10.90%。在2017—2018年，与W1N1处理相比，W3N2处理下小麦株高、穗长和千粒质量分别增加13.02%，14.81%和14.76%，W3N2和W3N3处理下小麦产量分别提高37.35%和19.66%。其中小麦产量在2017—2018年较2016—2017年提高显著，这可能与2017—2018年小麦生长季降雨量高于2016—2017年有关。充足的降雨量有利于小麦对水分的吸收和利用，从而促进小麦的生长发育，提高小麦的产量。

表1 滴灌水肥一体化对小麦株高、产量及产量构成因素的影响Table 1 Effects of drip fertigation on plant hight,yield and yield composition of wheat

2.3 滴灌水肥一体化对小麦品质的影响

2.3.1 滴灌水肥一体化对小麦子粒可溶性糖和蛋白质含量的影响 从表2可以看出，连续2 a，在低氮、中氮处理下，小麦子粒可溶性糖含量均呈现随灌水量增加而升高，在高氮处理下，小麦子粒可溶性糖有随灌水量增加而降低的趋势，且均以W3N2处理下最高。与W1N1处理相比，小麦子粒平均可溶性糖含量增加29.69%。在2016—2017年，与W1N1处理相比，不同处理下小麦子粒可溶性糖含量变幅为10.99%～30.81%，其中W1N3，W2N3，W3N2，W3N3处理下增长显著，以W3N2处理下变化幅度最大，小麦子粒可溶性糖含量提高30.81%。在2017—2018年，与W1N1处理相比，不同处理下小麦子粒可溶性糖含量变幅为10.88%～28.57%，其中W2N3，W3N2，W3N3处理下提高明显，以W3N2处理下变化幅度最大，小麦子粒可溶性糖含量提高28.57 %，其他处理差异不显著。

表2 滴灌水肥一体化对小麦子粒可溶性糖和蛋白质含量的影响Table 2 Effects of drip fertigation on soluble sugar and protein content of wheat grain

连续2 a，在不同氮肥水平下，小麦子粒蛋白质含量随灌水量增加而增加，且均以W3N2和W3N3处理下变化显著。与W1N1处理相比，W3N2和W3N3处理下小麦子粒平均蛋白质含量分别提高47.03%和40.99%。在2016—2017年，与W1N1处理相比，小麦子粒蛋白质含量变幅为7.51%～47.25%，其中W3N2和W3N3处理下小麦子粒蛋白质含量分别增加47.25 %和39.74%。在2017—2018年，与W1N1处理相比，小麦子粒蛋白质含量变幅为4.76%～46.81%，其中W3N2和W3N3处理下小麦子粒蛋白质含量分别增加46.81%和42.24%。

2.3.2 滴灌水肥一体化对小麦子粒淀粉含量的影响 从表3可以看出，连续2 a，小麦子粒直链淀粉、支链淀粉、总淀粉含量和直支比在年际间变化均不明显。小麦子粒平均直链淀粉含量以W2N3和W3N2处理下最高，与W1N1处理相比，分别增加30.47%和34.57%；W3N2和W3N3处理下小麦子粒平均支链淀粉含量分别提高18.66%和16.19%，小麦子粒平均总淀粉含量分别增加22.81%和18.03%；小麦子粒平均淀粉直支比在不同处理间变化不显著。在2016—2017年，与W1N1处理相比，W2N3和W3N2处理下小麦子粒直链淀粉含量分别增加30.04%和34.72%；W3N2和W3N3处理下小麦子粒支链淀粉含量分别提高19.24%和15.64%，小麦子粒总淀粉含量分别增加23.28%和17.92%；在2017—2018年，与W1N1处理相比，W2N3和W3N2处理下小麦子粒直链淀粉含量分别增加30.89%和34.42%；W3N2和W3N3处理下小麦子粒支链淀粉含量分别提高18.08%和16.74%，小麦子粒总淀粉含量分别增加22.33%和18.13%。

表3 滴灌水肥一体化对小麦子粒淀粉及组分含量的影响Table 3 Effects of drip fertigationon starch content and its components in wheat grains

2.4 滴灌水肥一体化对小麦水肥利用的影响

由表4可以看出，2016—2017年小麦全生育期耗水量高于2017—2018年，连续2 a均以W3N2处理下小麦全生育期耗水量最低，与W1N1处理相比，小麦全生育期平均耗水量减少21.40%。连续2 a小麦水分利用效率的变化趋势均一致。与W1N1处理相比，W3N2和W3N3处理下小麦平均水分利用效率分别增加11.70%和8.60%。在2016—2017年与W1N1处理相比，W3N2和W3N3处理下小麦水分利用效率分别增加10.19%和7.51%；在2017—2018年与W1N1处理相比，W3N2和W3N3处理下小麦水分利用效率分别增加13.19%和9.68%。2017—2018年小麦水分利用效率在W3N2和W3N3处理下高于2016—2017年，这可能由于2017—2018年小麦生长期间降雨量和灌水量高于2016—2017年，导致小麦生育期内耗水量减少和产量增加，从而有利于小麦水分利用效率的提高。

表4 滴灌水肥一体化对小麦水肥利用的影响Table 4 Effects of drip fertigationon on water-fertilizer use efficiency of wheat

连续2 a，在小麦成熟期，与W1N1处理相比，W2N2，W2N3，W3N2和W3N3处理下植株平均氮积累量变化均明显，分别增加11.15%，15.82%，20.30%和18.15%，其中以W3N2处理下小麦植株氮积累量最高。连续2 a小麦氮利用效率均以W2N2和W3N2处理下变化幅度大，与W1N1相比，小麦平均氮利用效率分别提高10.18%和12.34%。在2016—2017年，与W1N1处理相比，W2N2和W3N2处理下小麦氮利用效率分别增加7.06%和10.82%；在2017—2018年，与W1N1处理相比，W2N2和W3N2处理下小麦氮利用效率分别提高13.30%和13.86%。小麦氮生产效率在连续2 a内均以W2N1和W3N1处理下变化幅度大，其他处理变化不显著。

3 结论与讨论

水与肥能够相互促进，但两者又互相制约。在不同追肥时期采用不同氮肥追施比例并与灌水量相结合，可有效发挥肥效，有利于作物对肥料的吸收与利用，达到以水调肥、用肥促水的双重作用，从而提高小麦的产量[11]。武继承等[4]研究发现，在滴灌水肥一体化条件下，施氮量180 kg·hm-2(底施50%纯氮，拔节期追施30%纯氮和灌浆期追施20%纯氮)的水肥组合能够使小麦获得高产。杨永辉等[12]研究表明，施氮量240 kg·hm-2，底施纯氮60%，拔节期追施纯氮20%(灌水450 m3·次-1·hm-2)和灌浆期追施纯氮20% (灌水450 m3·次-1·hm-2)的水氮运筹模式最佳，有利于小麦穗粒数、千粒质量和产量的提高。本研究与前人试验结果一致。本研究表明，小麦生育期施纯氮240 kg·hm-2(底施60%，拔节期追施25%和灌浆期追施15%)，同时进行3次灌水的滴灌水肥一体化处理更有利于提高小麦的穗长、千粒质量和产量。这说明，在一定范围内，氮肥分期施用和灌水相结合的水肥一体化处理能够优化小麦植株的群体生长特性，促进小麦穗长和千粒质量，进而使小麦获得高产。

施氮与灌水是小麦生长过程中重要的栽培措施，对小麦品质的形成具有明显的调控作用[7-9]。本研究表明，在连续2 a的试验中，小麦子粒可溶性糖和淀粉含量在低氮、中氮处理下随灌水量增加而升高，在高氮处理下随灌水量增加而降低的趋势，小麦子粒可溶性糖、淀粉和蛋白质含量均在W3N2处理下表现最佳，与W1N1处理相比，分别增加29.69%，19.87%和47.03%。这与已有研究结果[7-10]略有差异。可能是由于不同农田小麦施氮水平、施肥时间、灌溉方式、灌水次数和灌水量等综合因素引起小麦光合特性、光合产物和氮积累及转运的差异，从而造成小麦品质性状的不同。在以后的试验中，应考虑适量加大氮肥水平梯度和灌水次数，找到所需氮肥和灌水的最佳结合点，进行长期试验进行验证，从而达到小麦高产、高效、优质的协调统一。

衡量小麦高产性、优质性和高效性的主要指标是小麦产量、品质和水肥利用效率，适宜的水氮运筹能促进植株的生长，提高小麦对水分和养分的有效利用，减少无效消耗，提高作物产量和品质[7-8,24-26]。已有研究表明，在施氮量195 kg·hm-2，拔节期至成熟期土壤相对含水量65%～70%是小麦获得较高水肥利用效率及产量的最优组合[9]。滴灌水肥一体化处理有利于实现节水增产，小麦生育期施氮量210 kg·hm-2(底施50%纯氮，拔节期追施30%纯氮和灌浆期追施20%纯氮)处理使小麦产量增加14.29%～18.96%，灌溉水利用效率提高1.93～2.79 kg·m-3[4]。另外研究也发现，小麦产量在N120，N240和N360处理下显著高于不施氮处理，氮肥农学效率、氮肥当季回收率、氮肥利用效率和氮肥生产效率均表现为随施氮量的增加呈下降的趋势[1]。同样，在一定的灌溉水平下，0～240 kg·hm-2施氮量范围内，小麦总吸氮量、氮肥吸收量与施氮水平呈现正相关性，氮肥利用效率与施氮水平呈现负相关性[27]。本试验结果与前人研究有差异。本试验发现，小麦水肥利用效率呈现在同一低氮、中氮处理下随灌水量增加而升高，在同一高氮处理下随灌水量增加而降低的趋势，并以W3N2处理下(施纯氮240 kg·hm-2)水分利用效率和氮肥利用效率最高。这说明适宜的施氮量和灌水量相结合能够促进小麦对水分和氮肥的吸收和利用，促进小麦植株的生长发育，从而有利于实现小麦的高产和优质。

综上所述，连续2 a，从小麦产量来看，与W1N1处理相比，W3N2和W3N3处理分别使小麦平均产量增加31.88%和15.28%。从小麦品质来看，与W1N1处理相比，W3N2处理下小麦子粒平均可溶性糖、直链淀粉和支链淀粉含量分别提高29.69%,34.57%和18.66%；小麦子粒平均蛋白质含量在W3N2和W3N3处理下分别增加47.03%和40.99%。从小麦水肥利用效率来看，与W1N1处理相比，W3N2处理下小麦平均水分利用效率和氮利用效率分别提高11.70%和12.34%。综合考虑，滴灌水肥一体化下W3N2处理，即小麦施纯氮240 kg·hm-2(底施60%，拔节期追施25%和灌浆期追施15%)，且在小麦拔节期、开花期和灌浆期进行3次灌水的模式可作为研究地区小麦农田获得高产、高效和优质的优化水肥组合模式。