微喷灌条件下不同水氮处理对冬小麦水氮利用和产量的影响

郭曾辉，雒文鹤，刘朋召，师祖姣，王 瑞，李 军

(西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100)

冬小麦是中国主要的粮食作物，在全国农作物种植面积中位居第三，是我国重要的商品粮和战略性储备粮食作物，其高产高效种植有着重要的社会和现实意义[1-3]。氮素是作物生长必需的矿质营养元素之一，施用氮肥对作物增产具有重要的作用[4-7]。氮素在不同生育期对小麦有不同的影响[8]，前期可以增加小麦的分蘖数、有效分蘖和分蘖成穗率[9-10]，中后期会影响小麦的叶面积指数，从而影响小麦的叶片光合作用[11-12]。小麦籽粒产量的 60%～80%来自于抽穗后的光合产物，后期氮素供应不足会降低小麦的光合作用，导致小麦产量降低[13]。水分是影响小麦生长的重要因素，在冬小麦水分亏缺敏感期进行灌溉，有助于小麦各个器官干物质形成，并促进干物质向籽粒转移、分配，提高籽粒干物质积累量，从而提高冬小麦产量[14]。我国北方地区水资源普遍短缺，且水资源区域性和季节性较强，成为限制我国小麦生产的重要因素[15-17]。冬小麦正常生长情况下，生育期耗水量超过400 mm[18]，而我国北方地区同期降水远不能满足其生长水分需求。20世纪90年代以来，为了节约用水量和提高灌水效率，喷灌、滴灌、渗灌技术在部分旱作区域已有适量应用，但在关中平原广大地区，仍然沿用着传统的灌溉技术和方式。传统灌溉方式的水利用率较低，耗水量极大，加剧了地区水资源的短缺，且容易造成土壤板结，不利于根系的呼吸和土壤中养分的运输，还可能造成土壤次生盐碱化[19]。为了节省灌溉用水并提高水、氮利用效率，关中平原地区冬小麦生产逐渐采取微喷灌，但是微喷灌条件下冬小麦的适宜灌溉量和施氮量仍然不清楚。本试验在微喷灌条件下设置3个灌溉量及5个施氮量处理，研究微喷灌条件下不同水、氮组合对水、氮利用效率和小麦产量及其经济效益的影响，选出微喷灌条件下适宜的灌水、施氮组合，为关中平原地区冬小麦高产高效水氮运筹管理提供依据。

1 研究方法

1.1 试验区概况和试验设计

本试验于2017年10月-2019年6月在陕西省咸阳市杨凌区西北农林科技大学曹新庄实验农场(108°07′E，34°20′N)进行，该地区年平均气温12.9 ℃，极端最高气温42 ℃，极端最低温度 -19.4 ℃。年均降水量635.1 mm，无霜期211 d，属于暖温带半湿润季风区。土壤为塿土，土壤养分含量见表1。0～20 cm、20～40 cm、40 cm以下土层土壤容重分为1.20 g·cm-3、1.38 g·cm-3、1.49 g·cm-3。本试验期间，2017-2018年全年降水量为690.4 mm，2018年-2019年全年降水量为716.8 mm。冬小麦2017年10月19日、2018年10月10日播种，2018年6月5日、2019年6月4日收获。小麦生育期降水量见图1。

图1 2017-2019年冬小麦生长季逐月降水量及近十年月均降水量Fig.1 Monthly precipitation of winter wheat in growing seasons from 2017 to 2019 and monthly average precipitation in the past 10 years

表1 试验地0～60 cm土层基础理化性状Table 1 Basic physicochemical properties of the experimental soil(0-60 cm)

本试验在冬小麦-夏玉米一年二熟制下实施小区连续定位试验，玉米和小麦收获后，秸秆全部还田。试验采用二因素裂区设计，主区为灌水处理，设三个水平：W0(0 m3·hm-2)不灌溉，W1(600 m3·hm-2)于越冬期进行灌溉，W2于越冬期、拔节期分两次进行灌溉，每次灌溉量600 m3·hm-2，灌溉方式为喷灌，每个小区铺设两条喷灌带。副区为施肥量处理，设置N0(0 kg·hm-2)、N1(75 kg·hm-2)、N2(150 kg·hm-2)、N3(225 kg·hm-2)、N4(300 kg·hm-2)5个施氮量处理；播前施基肥，拔节期追肥，基追比7∶3；磷肥(P2O5)全部基施，施肥量为120 kg·hm-2。因本试验区供试土壤富钾且实行秸秆还田，不施钾肥。共15个处理，3次重复，小区面积91 m2(6.5 m ×14.0 m)，同一灌水量处理设置在同一区域，便于进行灌水处理，不同灌水量处理之间进行挖沟，防止串肥串水。供试小麦品种为普冰151，病虫草害防治等田间管理措施同当地大田。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 土壤含水量测定

于小麦播前和成熟期，用土钻采集0～20、 20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160、160～180、180～200 cm共10个土层土样，采用烘干法测定土壤含水量，并计算土壤相对含水量。每小区取3个点，每个处理2次重复。

1.2.2 土壤贮水量与耗水量的计算

土壤贮水量=0.1×土壤容重×土层厚度×土壤含水量(%)[20]；参照Lv等[21]描述的方法计算耗水量(ET)，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=播前土壤蓄水量-收获后土壤蓄水量

1.2.3 产量测定

在小麦成熟期，每个小区选取1 m2调查穗数；随机取10穗，数穗粒数；脱粒后自然风干至含水量为13.0%测定千粒重。3次重复。

1.2.4 水分和氮利用效率相关指标的计算

水分利用效率=籽粒产量/耗水量；

灌溉水利用效率=籽粒产量/灌溉量；

氮肥偏生产力=籽粒产量/施氮量[22]。

1.3 数据统计与分析

用Excel 2019和SPSS 20软件对数据进行统计分析和作图；采用ANOVA和LSD法进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理对土壤蓄水量的影响

由图2可知，2017-2018年度，小麦播前土壤蓄水量均为563.5 mm，成熟期W2N3处理土壤蓄水量最高(470.0 mm)，W2、W1和W0处理平均蓄水量为452.2、385.7和 398.8 mm。2018-2019年度，小麦播前W2、W1和W0处理平均蓄水量为524.0、479.2和371.8 mm，收获期平均蓄水量为396.3、343.1和371.8 mm，W2N0处理蓄水量最高(438.4 mm)。2017-2019年度，成熟期灌溉处理间土壤蓄水量趋势均为W2>W0>W1，W2处理较W1和W0处理显著提高成熟期土壤蓄水量。不同施氮处理对土壤蓄水量的影响不尽相同，灌溉处理对土壤蓄水量的影响大于施氮处理。

W0:不灌水; W1:越冬期灌水600 m3·hm-2; W2:越冬期和拔节期各灌水600 m3·hm-2。图柱上不同小写字母表示相同时期不同施氮量处理间差异显著(P<0.05)。W0:No irrigation; W1:Irrigation of 600 m3·hm-2at overwintering stage; W2:Irrigation of 600 m3·hm-2at over-wintering and jointing stages,respectively.Different small letters above columns within same stage indicate significant difference among different nitrogen application rates(P<0.05).图2 不同水氮处理下小麦播前和成熟期土壤蓄水量Fig.2 Soil water storage before sowing and at maturity of winter wheat under different irrigation and nitrogen treatments

2.2 不同水氮处理对水平衡的影响

由表2可知，灌溉显著影响耗水量和土壤蓄水量变化(ΔW)。2017-2018年度，耗水量在W2N0处理下达到最大值，为442.0 mm，耗水量随着灌溉次数增加先增加后降低；2018-2019年度，在W2N4处理下达到最大值，为456.3 mm，耗水量随着灌溉次数增加而增加。2017-2018年，土壤蓄水量变化(ΔW)范围为93.5～115.7 mm，在W2N3处理下最低，W1N1处理下最高，不同灌溉处理呈W1>W0>W2；2018-2019年度，ΔW范围为 43.8～194.9 mm，在W0N1处理下最低，W1N1处理下最高，不同灌溉处理呈W1>W2>W0。

表2 不同水氮处理冬小麦生育期耗水量和土壤蓄水量变化Table 2 Actual evapotranspiration and change of soil water storage under different irrigation and nitrogen treatments

2.3 不同水氮处理对冬小麦产量及其构成因素的影响

由表3可知，灌溉和施氮对冬小麦穗粒数、千粒重和产量影响均达到显著水平。2017-2018年度，施氮对穗数影响不显著；2018-2019年度，灌溉对穗数影响不显著。2017-2018年度，W2N2处理产量最高，为7 465.2 kg·hm-2，与W1N2处理无显著差异。穗粒数、穗数和千粒重分别在W2N4、W2N2和W0N4处理下达到最高值，分别为45.1粒、715.0×104·hm-2和39.9 g。 2018-2019年度，W2N3处理产量最高，为8 560.8 kg·hm-2，穗粒数、穗数和千粒重分别在W2N0、W1N3和W2N3处理下达到最高值，分别为53.8粒、469.7×104·hm-2和43.6 g。 2017-2018年度，水氮互作效应对产量和千粒重影响显著，2018-2019年度，对穗粒数和千粒重影响显著。同一灌溉条件下，施氮量150 kg·hm-2基础上增加施氮量，冬小麦产量未显著增加。

表3 不同水氮处理对冬小麦产量及其构成因素的影响Table 3 Effects of different water and nitrogen treatments on winter wheat yield and its components

2.4 不同水氮处理对冬小麦经济效益的影响

由表4可知，生产总成本随着灌水量和施氮量的增加而增加。2017-2018年度，冬小麦总利润为11 991～15 826元·hm-2，2018-2019年度，总利润为4 493～18 148元·hm-2。2017-2018年净利润为5 522～9 362元·hm-2，在W1N2处理下达到最高值，较W2N0处理下最低利润增加3 840元·hm-2；2018-2019年度，净利润为-941～10 854元·hm-2，在W1N3处理下达到最高值，较W0N4处理下最低净利润增加11 795元·hm-2。净利润随着肥料用量和灌水量的增加呈先增加后减少趋势，说明过量的灌溉和施氮不仅增加生产总成本，还降低经济效益。

表4 不同水氮处理下冬小麦生产经济效益分析Table 4 Analysis of economic benefits of winter wheat production under different irrigation and nitrogen treatments

2.5 不同水氮处理对水分利用效率、灌溉水利用效率和氮肥偏生产力的影响

由表5可知，灌溉和施氮处理对水分利用效率和灌溉水利用效率影响显著。2017-2018年度，水分利用效率随着灌溉量增加先降低后增加，表现为W0>W2>W1；2018-2019年度，呈先增加后降低趋势，表现为W1>W2>W0。同一施氮处理下，灌溉水利用效率随着灌溉量增加而降低。同一灌溉处理下，氮肥偏生产力随着施氮量增加而降低。2017-2018年度，不同水氮处理的水分利用效率值为12.8～19.3 kg·m-3；灌溉水利用效率值为4.7～12.4 kg·m-3;氮肥偏生产力值为8.6～106.2 kg·kg-1，施氮对氮肥偏生产力影响显著。2018-2019年度，水分利用效率值为8.5～26.8 kg·m-3，氮肥偏生产力值为15.6～90.4 kg·kg-1，水氮处理及其互作效应对二者影响显著；灌溉水利用效率值为5.3～13.9 kg·m-3，灌溉和施氮对灌水利用效率影响显著。

表5 不同水氮处理对冬小麦水分利用效率、灌溉水分利用效率和氮肥偏生产力的影响Table 5 Effect of different irrigation and nitrogen treatments on water use efficiency, irrigation water use efficiency and nitrogen partial productivity of winter wheat

2.6 施氮量、灌溉量、耗水量和产量之间的关系

利用皮尔森相关系数得出小麦产量与施氮量、灌溉量、耗水量之间的关系(图3)。通过拟合回归方程计算出2017-2018、2018-2019年度分别在189和192 kg·hm-2施氮量下产量最高，平均施氮量为190.5 kg·hm-2；在816和930 m3·hm-2灌溉量下产量最高，平均灌溉量为873 m3·hm-2；耗水量分别在406和433 mm下小麦产量最高，平均耗水量为419.5 mm。小麦产量随着施氮量、灌溉量和耗水量的增加呈先增加后降低趋势。

图3 小麦籽粒产量对施氮、灌溉和耗水量的响应Fig.3 Wheat grain yield responding to nitrogen,irrigation and ET

3 讨 论

3.1 不同水氮处理对土壤蓄水量和耗水量的影响

小麦对土壤水的利用状况取决于不同深度土层中根系的分布、吸水速率及土壤有效水含量[23]。王海霞[24]研究表明，灌水能够减少土壤水的消耗，增加土壤蓄水量。本研究表明，灌溉处理对土壤蓄水量影响显著，2017-2019年冬小麦成熟期土壤蓄水量均表现为W2>W0>W1，且W1处理下冬小麦成熟期土壤蓄水量显著低于W0处理。2017-2018年度，W1处理下各施氮处理间土壤蓄水量无显著差异，W0和W2各施氮处理间存在显著差异；2018-2019年度，W0处理下各施氮处理间土壤蓄水量无显著差异，W1和W2处理下各施氮处理间存在显著差异，两年度间施氮处理对土壤蓄水量的影响有所差异，这与殷修帅[25]研究结论不同。增加灌溉量显著影响土壤蓄水量变化和耗水量[26]。本研究中，土壤蓄水量变化随着灌溉量的增加呈先增加后降低，2017-2018年度，灌溉处理间差异显著，2018-2019年度，灌溉处理与不灌溉处理差异显著；灌溉能增加耗水量，2017-2018年度，灌溉处理与不灌溉差异显著，W1处理下耗水量最高，2018-2019年度，灌溉处理间差异显著，在W2处理下耗水量最高。说明合理的灌溉量能够在一定程度上减少耗水量，维持土壤含水量，节约水资源。

3.2 不同水氮处理对产量和经济效益的影响

施氮与灌水作为小麦生产中两项重要栽培措施，对小麦的产量具有明显的调控作用[27-30]，适宜施氮量和灌溉量可协调小麦的穗数、穗粒数、千粒重，获得较高的籽粒产量。本研究表明，2017-2019年度，灌溉和施氮处理对冬小麦穗粒数、千粒重和产量影响均达到显著水平。同一灌溉条件下，施氮150 kg·hm-2基础上再增加施氮量，冬小麦产量不会显著增加。2017-2018年度，W1处理下平均产量为7 114 kg·hm-2，W2处理下平均产量为6 732 kg·hm-2，较W1处理降低 5.4%；2018-2019年度，W2处理下平均产量为7 825 kg·hm-2，W1处理下平均产量为7 537 kg·hm-2，较W2处理降低了3.7%。徐家鹏等[31]研究发现，农药和化肥投入较高是造成小麦生产成本过高的原因之一。小麦的净利润受小麦产量和种植成本的影响，2017-2018年度，虽然总利润在W2N2处理下达到最高值18 402 元·hm-2，但净利润在W1N2处理下达到最高值11 933 元·hm-2；2018-2019年度，总利润在W2N3处理下达到最高值21 102元·hm-2，净利润在W1N3处理下达到最高值13 727 元·hm-2。说明增加成本会造成资源浪费。

3.3 不同水氮处理对水氮利用效率的影响

提高水和氮的利用效率有利于农业可持续化发展。前人研究表明，过量施氮并不会增加水分利用效率[32-33]。2017-2019年冬小麦水分利用效率随着施氮量增加呈先增加后降低趋势。同一灌溉处理下，施氮150 kg·hm-2的基础上再增加施氮量，水分利用效率不会显著增加。周加森[34]研究表明，随着施氮量增加，氮肥偏生产力与施氮量呈负相关。本研究中，氮肥偏生产力随着施氮量增加而降低。灌溉能够提高氮肥偏生产力，但水分利用效率和灌溉水利用效率与灌溉量呈负相关[35]。在本研究中，灌溉能够提高氮肥偏生产力，2017-2018年可持续化发展趋势为W1>W2>W0，2018-2019年可持续化发展趋势为W2>W1>W0，灌溉处理间差异不显著，与不灌溉处理差异显著。2017-2018年可持续化发展灌溉对灌溉水利用效率影响不显著，随着灌溉量的增加而降低。2017-2019年灌溉对水分利用效率影响显著，2017-2018年水分利用效率随着灌溉量增加呈先降低后增加，为W0>W2>W1，2018-2019年呈先增加后降低，为W1>W2>W0，这与前人结果研究不同。本研究结果表明，一定范围内增加施氮肥量和灌溉量能够提高水氮利用效率。

水分利用效率受作物及品种的制约，同时也受农业土壤因素、降雨、土壤水分等多种因素共同影响。本试验研究中，2017-2019年两季小麦生育期内降雨仅差3.7 mm，但是2017-2018年播前土壤贮水量高于2018-2019年，这可能是造成两年水氮利用效率规律和产量出现差异的原因。

4 结 论

2017-2019年降水条件下，小麦越冬期喷灌600 m3·hm-2就可以满足小麦获高产的水分需求。在此灌溉条件下，施氮150 kg·hm-2处理具有较高的冬小麦产量、经济效益和氮肥偏生产力，为关中平原灌溉和施氮模式的最佳组合。