滴灌水氮耦合对不同类型土壤冬小麦产量构成及水肥利用的影响

谷强远，刘义国，冯木彩，李军，李玲燕，万雪洁，刘树堂，师长海

（1.青岛农业大学/山东省旱作农业技术重点实验室，山东 青岛 266109；2.诸城市农业技术推广中心，山东 诸城 262200）

冬小麦产量受多种因素的影响，其中以水肥的影响最为突出［1，2］。但是，目前冬小麦生产存在着灌溉水短缺、肥料利用率低等问题，这在缺水严重的胶东地区尤为严峻［3］。因此提高水肥利用效率对胶东地区的冬小麦生产具有重要意义。滴灌水肥一体化技术可显著节约灌溉水，是缓解农业水资源紧缺、提高水肥利用效率的重要技术措施。在传统灌溉施肥条件下，冬小麦产量和水肥利用效率与灌溉量和施肥量往往不呈线性关系［4-6］。李廷亮等［7］在石灰性褐土上的研究表明，施氮量超过180 kg/hm2时，氮素营养对籽粒产量不再有显著贡献。Bai等［8］在壤土上的研究发现，滴灌条件下，不同施肥量对冬小麦株高、最大叶面积指数、干物质、产量、肥料偏生产率和灌溉水生产效率有显著影响，45%～70%的当地施肥量基本维持了土壤速效氮的平衡，70%的施肥量可以很好地平衡土壤速效磷。Dar等［9］在印度西北部研究发现，滴灌量为田间持水量的15%时获得的小麦产量显著高于其他滴灌量。雷钧杰等［10］在灌溉灰漠土上的研究发现，随着滴灌量的增加，籽粒产量均表现为先升高后降低趋势，滴灌量4 650 m3/hm2时产量最高。滴灌可以显著提高冬小麦的水分和氮素利用效率［11］。Si等［12］在壤土上（河南新乡市）进行冬小麦栽培时提出，在华北平原区可采用施氮量240 kg/hm2和每次灌溉40 mm的滴灌水肥建议。由此可见，在不同区域、不同类型土壤上，小麦适宜的水肥条件不同。区域水热条件和土壤类型对滴灌水肥的运移及作物对水肥的利用有着显著影响［13-15］。胶东地区冬小麦滴灌发展迅速，该地区麦田土壤类型以潮土和砂姜黑土为主。本试验在这两种土壤类型上设置不同灌水和施氮处理组合，研究滴灌水肥模式对冬小麦产量和水肥利用效率的影响，以探索该地区冬小麦在两种类型土壤上适宜的滴灌水肥管理制度，从而为冬小麦水肥高效栽培提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及材料

试验于2018年10月—2019年6月在山东省青岛市胶州洋河镇（潮土，36.144°N，119.919°E）和青岛市平度蓼兰镇（砂姜黑土，37.117°N，120.483°E）进行。试验点地势平坦，肥力均匀，潮土有机质含量1.35%、全氮9.8 g/kg、碱解氮98.4 mg/kg、速效磷26.2 mg/kg、速效钾126.8 mg/kg；砂姜黑土有机质含量1.79%、全氮9.8 g/kg、碱解氮131.3 mg/kg、速效磷47.2 mg/kg、速效钾136.8 mg/kg。

供试冬小麦品种济麦22，播种量为165 kg/hm2，宽幅精播，平均行距27.5 cm，幅宽7 cm。一条滴灌带管两行小麦。

1.2 试验设计

试验设低水低肥、低水中肥、低水高肥、中水低肥、中水中肥、中水高肥、传统模式共7个灌溉施肥处理，分别记作T1、T2、T3、T4、T5、T6、CK。其中，低肥为每公顷施N 131.4 kg、P2O590 kg、K2O 90 kg，播前基施复合肥（15-15-15，下同）600 kg，拔节期随滴灌水肥一体化追施尿素90 kg；中肥（传统施肥量）为每公顷施N 164.25 kg、P2O5112.5 kg、K2O 112.5 kg，播前基施复合肥750 kg，拔节期随滴灌追施尿素112.5 kg（传统模式灌溉前人工撒施）；高肥为每公顷施N 197.1 kg、P2O5135 kg、K2O 135 kg，播前基施复合肥900 kg，拔节期随滴灌追施尿素135 kg。

采用测墒补充滴灌，使0～40 cm土层低水处理拔节到抽穗期土壤目标相对含水量为75%，开花至灌浆中期土壤目标相对含水量为65%；中水处理拔节到抽穗期土壤目标相对含水量为80%，开花至灌浆中期土壤目标相对含水量为75%。灌溉前，分别测定0～20 cm和20～40 cm土层土壤容重、田间持水量和土壤含水量，两个土层的目标含水量相同（表1），根据目标含水量计算补灌量。传统模式采用漫灌，灌水定额为60 mm。

表1 试验处理方案

测墒补灌计算公式：

补灌水量（m3/hm2）=20/3×aH（B1-B2）×15。式中a为测墒土层平均土壤容重（g/cm3），H为测墒土层深度（cm），B1为土壤目标质量含水量，B2为灌溉前土壤目标质量含水量，20/3为换算系数。

试验采用裂区设计，主区为灌溉量，副区为施肥量。小区面积为50 m×2.75 m=137.5 m2。随机区组排列，重复3次。于2018年10月14日播种，根据实际降水（图1）和墒情，胶州试验点灌溉2次（4月25日、5月15日），平度试验点灌溉3次（4月11日、5月13日和5月27日），其他管理措施相同，2019年6月16日收获。

图1 冬小麦生育期间降水量

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤含水量 在小麦播种期、收获期、灌溉前和灌溉后用土钻取0～140 cm土样，并称重，记作M，105℃烘至恒重，称重，记作Ms。土壤质量含水量（%）=（M-Ms）/（Ms-空铝盒重）×100；土壤相对含水量（%）=土壤质量含水量/田间持水量×100。

1.3.2 产量及其构成因素 成熟期随机取1 m双行（0.5 m2）小麦，晒干后考种，测公顷穗数、穗粒数、每株小穗数及不孕小穗数，脱粒后测定实际产量，同时测千粒重。

1.3.3 水分利用效率 全生育期水分利用效率［kg/（hm2·mm）］=籽粒产量（kg/hm2）/全生育期总耗水量（mm）；全生育期总耗水量（mm）=降雨量（mm）+灌溉量（mm）+土壤水消耗量（mm）。两试验点地势平坦，地下水较深，忽略径流渗漏。

灌溉水生产效率［kg/（hm2·mm）］=籽粒产量（kg/hm2）/全生育期灌水量（mm）；土壤水利用效率［kg/（hm2·mm）］=籽粒产量（kg/hm2）/全生育期土壤水利用量（mm）；降水利用效率［kg/（hm2·mm）］=籽粒产量（kg/hm2）/全生育期降水量（mm）。

1.3.4 氮肥偏生产力 PFPN（kg/kg）=Y/F，Y为施氮后的籽粒产量，F为氮肥投入量。

1.3.5 花后旗叶生理指标测定 采集开花后的旗叶，取1.5 g样品剪碎，加入3 mL磷酸缓冲液，冰浴研磨，15 000 r/min低温离心5 min，上清液即为酶粗提取液；采用氮蓝四唑（NBT）光还原法测定超氧化物歧化酶（SOD）活性；采用赵世杰等［16］改进的方法测定丙二醛（MDA）含量；采用酸性茚三酮法测定脯氨酸含量；采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量［17］。

1.4 数据处理

试验数据用Microsoft Excel 2010软件进行整理及作图，采用SPSS25.0软件统计分析，Duncan’s新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同水肥模式对不同类型土壤上冬小麦产量及其构成因素的影响

由表2看出，潮土条件下，传统模式处理（CK）的公顷穗数最多，其次是T3处理，二者差异不显著，CK分别较T2、T4、T5处理显著提高17.6%、15.6%、15.7%，各滴灌处理间无显著差异。穗粒数表现为T2处理最多，分别较T1和T4处理显著提高25.9%、28.9%，但各滴灌处理与CK无显著差异。T3处理千粒重最高，但各滴灌处理间无显著差异，CK千粒重最低，且与各滴灌处理间差异显著。各处理的不孕小穗数无显著差异。小穗数T2处理最多，分别较T4、T5、CK处理高29.9%、19.9%、16.9%，且差异显著，但与T1、T3、T6处理差异不显著。各滴灌处理产量与传统模式间无显著差异，以T2和T3处理产量较高，分别较CK提高4.0%、4.8%。

表2 不同水肥模式对不同类型土壤冬小麦产量及产量构成因素的影响

砂姜黑土条件下，T6处理公顷穗数最多，分别显著高于T1、T3、T4处理14.2%、14.5%、16.1%，其他处理间无显著差异。穗粒数表现为CK、T1、T4、T6处理较高，四者间无显著差异，T2、T3、T5处理显著低于对照，各滴灌处理间无显著差异。T1、T4、T5处理千粒重较高，三者间无显著差异，CK千粒重最低，与各滴灌处理差异显著。CK不孕小穗数最多，分别显著高于T1、T3、T4处理50.0%、26.3%、33.3%，但与T2、T5、T6处理无显著差异。各处理小穗数无显著差异。T5处理产量最高，达9 523.2 kg/hm2，其次是T6处理，为9 401.9 kg/hm2，分别较CK显著提高25.7%、24.1%，T1、T4、T2处理产量略低，分别较CK显著提高22.5%、20.9%、17.6%，除T3处理外各滴灌处理间产量差异均不显著。

2.2 不同水肥模式对冬小麦水分利用效率的影响

由图2看出，潮土条件下，T2、T3处理全生育期水分利用效率较高，与T4及CK差异显著，与其它处理差异不显著。灌溉水生产效率T1、T2、T3处理间无显著差异，但均显著高于其它处理，CK最低。T5和CK的土壤水利用效率较高，分别高于T4处理35.7%、40.7%，且差异显著，各低水处理与其它处理无显著差异。T2和T3处理的降水利用效率较高，分别显著高于T4处理26.9%、27.9%，除T4外，其它处理间无显著差异。

图2 不同水肥模式对潮土冬小麦水分利用效率的影响

由图3看出，砂姜黑土条件下，各滴灌处理全生育期水分利用效率无显著差异，但均显著高于CK。T1、T2处理的灌溉水生产效率相近，二者显著高于其它处理，CK最低，且与各滴灌处理差异显著。T6处理土壤水利用效率最高，显著高于其它处理；低水处理与CK无显著差异，但显著低于其它处理。T1、T2、T4、T5、T6处理降水利用效率较高且处理间无显著差异，CK与T3无显著差异，但显著低于其它各滴灌处理。

图3 不同水肥模式对砂姜黑土冬小麦水分利用效率的影响

2.3 不同水肥模式对冬小麦氮肥偏生产力的影响

由图4看出，潮土条件下，T1处理氮肥偏生产力最高，其次是T4，但二者差异未达显著水平；T3和T6处理氮肥偏生产力较低，显著低于其它滴灌处理，但T6与CK无显著差异。

由图4看出，砂姜黑土条件下，T1、T4处理氮肥偏生产力无显著差异，但二者显著高于其它处理；T3、CK处理较低，与T6差异不显著但显著低于其它滴灌处理。

图4 不同水肥模式对不同土壤冬小麦氮肥偏生产力的影响

2.4 不同水肥模式对冬小麦花后旗叶生理指标的影响

由图5看出，潮土条件下，各处理可溶性糖、脯氨酸及MDA含量均无显著差异。漫灌对照与各滴灌处理SOD活性无显著差异，滴灌处理仅T4的SOD活性比T5处理显著高出181.0%，其它处理间无显著差异。

图5 不同水肥模式对潮土冬小麦花后旗叶衰老生理指标的影响

由图6看出，砂姜黑土条件下，各处理可溶性糖、脯氨酸及MDA含量无显著差异。T4处理SOD活性最高，分别显著高于T1、T2、T3、T5、T6、CK处理420.1%、320.0%、112.9%、283.4%、30.8%、609.8%；其次是T6处理，分别显著高于T1、T2、T3、T5、CK处理297.6%、221.1%、62.8%、193.1%、442.2%，而T1、T2、T5与CK较低，各处理间无显著差异。

3 讨论

水分和氮素是调控冬小麦籽粒产量的关键因素，在一定范围内增加灌水量和施氮量能显著增加产量，但超过此范围产量则不再增加［18］。姜丽娜等［19］研究表明，适当增施氮肥能提高冬小麦干物质积累速率和转运速率，从而实现高产。Si等［12］研究认为，适当增加灌溉和施氮量能显著提高冬小麦的地上生物量、籽粒产量和水分利用效率，然而超过一定的范围则会抑制小麦生长。本研究表明，潮土条件下不同滴灌处理对冬小麦公顷穗数和穗粒数影响不大，而各滴灌处理的千粒重显著高于传统模式；高肥水平下砂姜黑土增加滴灌量公顷穗数显著增加，各滴灌处理的千粒重显著高于传统模式，滴灌处理间则无显著差异，而公顷穗数与传统模式无显著差异。潮土条件下CK产量和各滴灌处理无显著差异，砂姜黑土条件下CK产量显著低于滴灌处理（T3除外）。从产量方面可以看出，潮土条件下两种灌溉方式区别不大；砂姜黑土条件下采用滴灌方式不仅能节约灌水量，还能获得较高的经济效益。这可能是因为潮土本身含水量较高，即使低水条件也达到小麦需水上限；砂姜黑土含水量较少，所以水量变化也会造成较明显的产量变化。

陈金等［20］研究发现，在胶东地区的冬小麦生产中，施氮量225 kg/hm2可获得较高氮素利用率。姜丽娜等［21］研究认为，增施氮肥能显著提高营养器官和籽粒氮含量和积累量，促进下部叶片和茎节氮素积累，有利于延缓衰老。蒿宝珍等［22］研究认为，适宜的施氮量（180～210 kg/hm2）能够促进冬小麦冠层叶片氮素有序转运，提高叶片氮素转运量、转运率和对籽粒贡献率。本研究发现，潮土在高肥水平下氮肥偏生产力显著低于低肥与中肥水平；砂姜黑土在同一滴灌量水平下，氮肥偏生产力随着施氮量的增加呈下降趋势，两试验点的氮肥偏生产力均随着施氮量的增加而降低。这与Bai等［8］在滴灌条件下的研究结果一致，说明超过一定范围，随着施氮量的增加，并不能提高冬小麦的氮肥利用率。

水分利用效率不仅能表现出作物能量转化的效率，还能够表现出作物生长的适宜程度。冬小麦水分利用效率受灌水量的影响，灌溉次数对冬小麦产量及水分利用效率有较大影响。传统栽培模式下，一般灌溉3～4次，并且随着灌溉次数的增加，水分利用效率呈先增加后降低的趋势［23］；也有研究表明，在漫灌条件下，随着灌水量的增加，冬小麦水分利用效率、降水利用效率和土壤水利用效率逐渐增加，而灌溉水利用效率降低［24-26］；全生育期仅拔节期灌1次水（75 mm左右）时，既能维持较高产量，又能降低耗水、提高水分利用效率［27］。在测墒补灌条件下，漫灌至田间持水量60%时，冬小麦水分利用效率能达到最高，为14.7 kg/（hm2·mm）［28］。本研究表明，两种土壤条件均是滴灌低水处理的灌溉水生产效率显著高于滴灌中水处理，传统模式灌溉水利用效率最低。这与聂紫瑾等［29］在滴灌条件下研究结果一致，可能是由于漫灌水分大量蒸发，只有少部分水能被冬小麦吸收，而滴灌能显著改善无效蒸发。由此看出，采用测墒滴灌补灌方式不仅能节约灌水量，还能获得较好的水分利用效率。同时也说明冬小麦灌溉水量与灌溉方法不同，耗水特性也不同，滴灌低水处理能获得较高的生产效益。

逆境胁迫下，SOD是主要的氧自由基清除剂之一，其活性越高，清除能力越强，植物的抗逆性就越强；脯氨酸和可溶性糖是植物有效的有机渗透调节物质，渗透胁迫时迅速积累，维持细胞膨压；MDA是细胞膜脂过氧化作用的产物之一，它的产生能加剧膜的损伤［30，31］。闫恒辉等［32］研究表明，缺水会导致冬小麦叶片中SOD活性降低，从而加速衰老。赵长星等［33］研究发现，不同土壤含水量对冬小麦SOD活性表现为花后土壤含水量60%～70%处理＞80%～90%处理＞40%～50%处理，MDA含量表现为花后土壤含水量40%～50%处理＞80%～90%处理＞60%～70%处理。刘义国等［34］研究表明，冬小麦全生育期灌水量90～150 mm能够显著提高SOD活性，降低MDA含量，而30～60 mm却不能显著提高保护酶活性。本研究表明，砂姜黑土T4水肥条件下SOD活性显著高于其它处理，说明中水处理可提高SOD活性，从而延缓冬小麦衰老，而其它抗逆性指标却无显著变化。潮土T4水肥条件下SOD活性显著高于T5，其它抗逆性指标无显著变化。说明砂姜黑土和潮土上T4水肥条件为冬小麦适宜的水分条件，可提高冬小麦抗逆性。

4 结论

本研究中，潮土条件下，将0～40 cm土层土壤含水量补灌至拔节期75%、灌浆期65%，全生育期每公顷施N 197.1 kg、P2O5135 kg、K2O 135 kg（T3处理）能获得较高的产量和水氮利用率；砂姜黑土条件下，将0～40 cm土层土壤相对含水量补灌至拔节期80%、灌浆期75%，全生育期每公顷施N 164.25 kg、P2O5112.5 kg、K2O 112.5 kg（T5处理）能获得较高的产量和水氮利用率。