不同灌溉方式下氮磷钾缺施对冬小麦及水肥利用效率影响

黄志僖，施运锋，宋世浩，赵 营，暴钊辰，刘 亮，马保国

（1.河北工程大学水利水电学院，河北 邯郸 056002；2.河北省智慧水利重点实验室，河北 邯郸 056002；3.邯郸市永年区农业农村局，河北 邯郸 057150）

0 引 言

我国农业用水占全国总用水量的70%左右，其中灌溉用水量3 600～3 800 亿m3，占农业用水量的90%左右[1]，水资源短缺是我国农业可持续生产面临的重大挑战，尤其是我国北方地区缺水严重[2,3]。冬小麦传统的灌溉方式为漫灌和喷灌，水地多采用漫灌，不仅造成水分流失，还会使土壤板结，也会导致氮素淋失，造成面源污染[4,5]。漫灌对水资源的利用效率低，用水浪费严重，开展农业节水灌溉技术研究，通过合理的灌溉方式、灌水时间，提高小麦的水分利用率，实现小麦的高产、稳产和节水是目前所需解决的关键性问题[6,7]。

小麦是我国最为重要的粮食作物之一，其产量受土壤肥力和所处的气候条件及人为管理措施等因素综合影响[8,9]，其中施肥是提高产量的主要人为手段，受到广泛关注[10-12]。氮肥可使小麦根冠发育良好，提高根系活力，增强作物吸水能力，从而增加籽粒的产量，提高水分利用率[13]。磷肥可以提高小麦的光合速率，增加灌浆，还可提高根系比表面积，降低根系呼吸速率，促进根系对营养物质和水分的利用，提高抗旱性[14]。钾肥在小麦的叶绿素合成，光合产物运输和相关酶活性等方面发挥重要作用[15]。国内外许多研究[16,17]表明，化肥对于提高作物产量具有显著作用，但由于肥料的种类，肥料的配比等技术问题导致了化肥利用率低，造成了一定程度的浪费，更为严重的是化肥过量施用还会造成土壤污染和水环境污染[18,19]。在保证冬小麦优质，高产的前提下，降低肥料的施用量，提高肥料的吸收利用效率，实现农业的可持续发展是亟待解决的问题[20-22]。李莹莹[23]研究了氮磷钾不同配施比例对冬小麦的影响；辛琪[24]研究了不同灌溉方式对冬小麦的影响；闫世程[25]研究了冬小麦滴灌施肥高效利用机制；张帆[26]研究了不同灌溉施肥模式对麦田水肥利用的影响。前人研究大多基于施肥或者灌溉方式单一因素对冬小麦生长发育及水肥利用效率的影响，施肥方式多为氮、磷和钾肥配施比例不同，本研究将不施肥、缺氮肥、缺磷肥、缺钾肥和氮磷钾配施5个施肥处理与灌溉方式结合，采用大田试验，研究滴灌水肥耦合与漫灌下不同肥料缺施对冬小麦的生长、产量以及水分和养分效率的影响，研究结果为冬小麦种植实现高产稳产、节水及提高水肥利用效率提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020年10月至2021年6月在河北省邯郸市永年区前六星村（北纬36°44′9″，东经114°36′0″）试验田内进行，试验区如图1所示，位于半湿润半干旱地区，属于暖温带大陆性季风气候。冬天寒冷干燥，春天多风多雨，秋天天高气爽，夏天高温多雨。多年来的年平均降雨量为527.8 mm，年平均气温14 ℃，最冷月（1月）平均气温-2.5 ℃，最低气温-20 ℃，最热月（7月）平均气温27 ℃，最高气温42.5 ℃，年无霜期200 d，年日照时间2 557 h。试验地播种前耕层土壤为褐土，土壤质地为轻壤土，理化性质见表1。试验期间冬小麦生育期内总降雨量为110.4 mm。

图1 研究区域Fig.1 Study area

表1 供试土壤理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of the tested soil

1.2 试验设计

试验小区分块布置，每个小区面积为8 m×7.5 m，小区布置图如图2所示。试验设有两种灌溉方式，滴灌（1）和漫灌（2）；5 个不同施肥处理：I、空白对照(CK）；II、配方无N 施肥（PK）；III、配方无P 施肥（NK)；IV、配方无K 施肥（NP）；V、配方施肥（NPK）；每个处理重复3 次试验，各试验小区施肥方案见表2。试验小麦品种为龙麦6 号，播种日期为2020年10月22日，播种量为225 kg/hm2，行距为25 cm，播种方式为撒播，收获日期为2021年6月16日。整个生育期内只在小麦拔节后期灌一次水结合追施氮肥，滴灌采用浅埋式滴灌，水肥耦合，滴灌带行距为60 cm，针口间距为10 cm，滴灌灌水量为630 m3/hm2，漫灌灌水量为980 m3/hm2。

图2 试验布置图Fig.2 Test layout

表2 不同处理施肥方案Tab.2 Different fertilization schemes

1.3 测定项目与方法

（1）株高：用卷尺测量茎基部至顶端的长度。

（2）叶绿素：用SPAD-502叶绿素仪测定。

（3）产量及其构成因素：在成熟期，在每个试验小区避开边界，随机选取3 个1 m 长样段内的全部植株，选取穗粒数大于5粒的麦穗后调查有效成穗数与每穗粒数，取平均值分别作为成穗数和每穗粒数；各处理选调查取样之外的3个1 m2的样方，风干后脱粒称取籽粒质量，籽粒产量为3次称量的平均值；每小区数1000粒称质量，重复3次取平均值作为千粒重。

（4）田间总耗水量（mm）=播种时土壤贮水量+生育期灌水量+有效降水量-收获期土壤贮水量。

（5）水分利用率（kg/(hm2·mm)）=籽粒产量/作物耗水量。

（6）肥料偏生产力计算公式为：

式中：PFP为肥料偏生产力，kg/kg；Y为施用某一特定肥料的籽粒产量，kg/hm2；F为特定肥料的折纯施用量，kg/hm2。

（7）N（P、K）肥表观利用率（%）=（施N（P、K）区地上部吸N（P、K）量-不施N（P、K）区地上部吸N（P、K）量）/N（P、K）折纯施用量×100%。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2016 进行数据处理，SPSS 26.0 数据分析并进行差异显著性检验，Origin 2018软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉下氮磷钾缺施对冬小麦株高和叶绿素的影响

如图3所示，在冬小麦拔节期，滴灌处理的株高整体高于漫灌。滴灌下不同施肥处理的株高生长差异不显著，NPK1 最大，CK1 最小。漫灌下PK2、NP2 与NPK2 之间差异不显著，但CK2 和NK2 较NPK2 显著降低，分别降低了12.47% 和7.92%。在开花期，PK1、NK1和NP1的株高较NPK1降低，但差异不显著，CK1较NPK1降低了14.12%，且二者具有显著差异。漫灌下CK2、PK2、NK2 和NP2 株高较NPK2 降低，但差异不显著。在成熟期，滴灌处理的冬小麦株高整体高于漫灌处理。CK1 和NK1 的株高显著低于NPK1 处理，较NPK1 分别降低了9.36%和7.11%。漫灌下，PK2、NK2和NP2较NPK2降低，但差异不显著，CK2较NPK2显著降低了7.07%。

图3 不同处理株高和叶绿素含量变化Fig.3 Changes in plant height and chlorophyll content of different treatments

在拔节期，CK1、NK1 和NP1 叶绿素含量较NPK1 显著降低，分别降低了9.15%、12.59%和7.80%，PK1 小于NPK1，但二者差异不显著。漫灌下NPK2 的叶绿素含量最高，PK2、NK2 和NP2 较NPK2 降低，但无显著差异，CK2 较NPK2 降低了12.70%，且差异性显著。在开花期，漫灌各处理的叶绿素含量整体高于滴灌处理。滴灌下不同施肥处理叶绿素含量无显著差异，CK2、NK2、NP2 和NPK2 间叶绿素含量差异不显著。总体来看，相对于NPK 配施，缺氮、缺磷和缺钾的冬小麦株高和叶绿素含量有所降低，但差异不显著，不施肥株高和叶绿素含量显著降低。

2.2 不同灌溉下氮磷钾缺施对冬小麦产量的影响

不同灌溉与施肥对冬小麦产量的影响见表3，相同施肥条件下，滴灌的成穗数大于漫灌处理。在滴灌和漫灌下，PK、NK 和NP 的成穗数均较NPK 降低，但无显著差异，CK 较NPK显著降低，滴灌下降低了25.78%，漫灌下降低了28.72%。滴灌不同施肥处理下穗粒数差异不显著，漫灌下PK2、NK2、NP2 和NPK2 穗粒数无显著差异，CK2 较NPK2 降低了6.96%，二者差异显著。相比于NPK1，CK1、PK1、NK1 和NP1 的千粒重显著降低，分别降低了8.31%、7.58%、9.31%和3.11%。CK2、PK2、NK2 和NP2 的千粒重较NPK2 显著降低，分别降低了2.08%、2.22%、3.04%和2.51%。不同灌溉与施肥处理对冬小麦的籽粒产量影响差异显著，在CK、PK和NPK施肥条件下，滴灌的籽粒产量较漫灌显著增加，分别增加了12.40%、6.49%和5.12%。滴灌下籽粒产量大小为NPK1＞PK1＞NP1＞NK1＞CK1，CK1、PK1、NK1 和NP1 较NPK1 降低，分别降低了30.71%、3.75%、16.74%和10.66%，CK1、NK1、NP1 和NPK1 有显著差异。漫灌下籽粒产量大小为NPK2＞PK2＞NP2＞NK2＞CK2，CK2、PK2、NK2 和NP2 较NPK2 显著降低，分别降低了35.20%、4.99%、10.28%和8.28%。总体来看，相对于NPK 配施，缺氮、缺磷和缺钾的成穗数和穗粒数差异不显著，不施肥成穗数和穗粒数显著降低。缺氮、缺磷和缺钾以及不施肥冬小麦千粒重显著降低。缺氮、缺磷和缺钾以及不施肥冬小麦籽粒产量显著降低，降幅为不施肥＞缺磷＞缺钾＞缺氮。

表3 不同处理对冬小麦产量及产量构成因素的影响Tab.3 Effects of different treatments on yield and yield components of winter wheat

2.3 不同灌溉下氮磷钾缺施对水分利用效率的影响

不同处理对水分利用效率的影响见图4，在冬小麦生育期，灌溉方式相同时，各处理间的总耗水量并无显著差异，施肥方式相同时滴灌与漫灌的总耗水量也无显著差异。虽然不同处理间的耗水量差异不大，但是水分利用效率却有显著差异，主要因为不同施肥处理的籽粒产量差异性显著。滴灌条件下，不同施肥处理的水分利用效率大小为NPK1＞PK1＞NP1＞NK1＞CK1，相较于NPK1，PK1、NP1、NK1 和CK1 的水分利用效率分别显著降低了7.67%、13.44%、21.54%和36.67%。漫灌下，水分利用效率大小为NPK2＞PK2＞NP2＞NK2＞CK2，相比于NPK2，PK2、NP2、NK2 和CK2 显著降低，分别降低了9.59%、12.02%、12.98%和39.97%。施肥方式相同时，滴灌的水分利用效率高于漫灌，较漫灌提升0.78%～17.92%。总体来看，相比于NPK 配施，缺氮、缺磷和缺钾以及不施肥水分利用效率显著降低，降幅为不施肥＞缺磷＞缺钾＞缺氮。

图4 不同处理对总耗水量和WUE的影响Fig.4 Effect of different treatments on total water consumption and WUE

2.4 不同灌溉下氮磷钾缺施对肥料利用率的影响

由表4可知，养分的吸收量表现为N＞K2O＞P2O5，且均以NPK 处理最大。滴灌和漫灌下，氮素吸收量大小为NPK＞NP＞NK＞PK＞CK，磷素吸收量大小为NPK＞NP＞PK＞NK＞CK，钾素吸收量大小为NPK＞NK＞PK＞NP＞CK。滴灌条件下，NPK1 的氮表观利用率最高，为32.53%，NK1 和NP1 较NPK1分别显著降低51.21%和36.06%；PK1和NP1的磷表观利用率较NPK1 分别显著降低24.17%和14.51%；PK1 和NK1 的钾表观利用率较NPK1 分别显著降低74.53%和31.35%。漫灌条件下，NK2 和NP2 的氮表观利用率较NPK2 分别降低了45.47%和23.18%，NK2 与NPK2 差异显著，NP2 与NPK2 无显著差异；PK2 和NP2 的磷表观利用率较NPK2 分别降低了19.36%和12.21%；PK2 和NK2 的钾表观利用率较NPK2 分别降低了27.81%和15.89%。

表4 不同处理对肥料利用效率的影响Tab.4 Effects of different treatments on fertilizer use efficiency

滴灌条件下，NK1 和NP1 的氮偏生产力较NPK1 分别显著降低16.74%和10.66%；PK1 和NP1 的磷偏生产力较NPK1 分别降低了3.75%和10.66%，PK1 与NPK1 差异不显著，NP1 与NPK1 有显著差异；PK1 和NK1 的钾偏生产力较NPK1 分别降低了3.75%和16.74%。漫灌条件下，NK2 和NP2 的氮偏生产力较NPK2 显著降低，分别降低了10.27%和9.09%；PK2 和NP2 的磷偏生产力较NPK1 显著降低，分别降低了4.99%和8.28%；PK2 和NK2 的钾偏生产力较NPK2 分别降低了4.99%和10.29%，PK2 与NPK2 差异不显著，NK2 与NPK2 有显著差异。总体来看，氮、磷、钾肥其中一种的缺施都会降低其他两种肥料的表观利用率和偏生产力。

3 讨 论

目前已有的施肥处理对冬小麦及肥料利用率影响的研究大多是氮、磷和钾肥配施比例不同，本次试验的施肥方式为不施肥、缺氮肥、缺磷肥、缺钾肥和氮磷钾肥配施，在滴灌水肥耦合和漫灌下，分析氮磷钾缺施对冬小麦生长、产量及水肥利用效率的影响，得出优质高效的灌溉施肥制度。结果显示不同灌溉下氮、磷、钾肥缺施对冬小麦的成穗数和穗粒数没有显著影响，但是会显著降低冬小麦的千粒重与籽粒产量，这与李永腾等[27]的研究结果一致。缺氮肥的产量仅次于NPK配施，大于缺磷和缺钾肥处理，这与前人研究[28]氮肥缺施导致作物减产幅度大于磷肥和钾肥缺施结论不一致，这可能是因为在土壤水分不足时，施氮肥使作物初期耗水量增加，引起后期更严重的缺水，导致作物减产幅度大于不施氮肥处理，而NPK 配施合理的施肥却不会造成冬小麦减产，也可能与氮磷钾施肥量及土壤氮磷钾的丰缺程度有关。周顺利[29]的研究结果也表明，在高产地块，氮肥对冬小麦的增产增效作用减弱。在不施氮肥的情况下，不同品种的冬小麦产量依然较高；品种间对氮肥的响应有差异，大多品种在施氮量为180 kg/hm2时获得最高产量，进一步追施氮肥用量，产量增加作用下降。在相同的施肥处理下，滴灌的水分利用效率要高于漫灌，而在灌溉方式一样时，缺氮、磷和钾肥与氮磷钾配施相比水分利用效率均降低，这与冉圆圆等[30]的研究结论一致。此次试验，滴灌比漫灌节水35.71%，这与陈静[31]研究显示华北地区采用滴灌比漫灌节水40%结果相近，在保证产量不减的同时，有效节约了水资源，缓解了用水紧张压力。

植物体内的养分浓度、收获产品中养分在籽粒和秸秆中的分配比等参数不同程度地受施肥或植株生长状况的影响[32]。试验结果表明，N 的养分吸收量要大于P2O5和K2O，施肥时氮肥的施用量最多，这与李莹莹[23]的研究结论基本一致。滴灌与漫灌NPK 配施处理下，肥料表观利用率大小均表现为钾肥＞氮肥＞磷肥，这与尹焕丽等[33]研究氮磷钾肥优化配施对冬小麦肥料利用率的结果一致。滴灌下缺施氮肥会降低磷和钾素的表观利用率，对磷和钾素的偏生产力影响不显著；缺施磷肥会降低氮和钾素的表观利用率与偏生产力；缺施钾肥会降低氮和磷素的表观利用率与偏生产力。漫灌下缺施氮肥会降低磷和钾素的表观利用率与氮素的偏生产力，对磷素的偏生产力影响不显著；缺施磷肥会降低氮素的表观利用率，对钾素的表观利用率影响不大，会降低氮素和钾素的偏生产力；缺施钾肥对氮和磷素的表观利用率影响不显著，会降低氮和磷素的偏生产力。这与韩冰等[34]的研究结果基本一致。本试验研究了不同灌溉方式下氮磷钾缺施对冬小麦一个生育周期的影响，对于多年的影响还有待研究，进一步优化施肥配方。

4 结 论

（1）相对于NPK 配施，缺氮、缺磷和缺钾的冬小麦株高和叶绿素含量有所降低，但差异不显著，不施肥株高和叶绿素含量显著降低。

（2）滴灌条件下不施肥、缺氮、缺磷和缺钾的冬小麦产量较NPK配施分别降低了30.71%、3.75%、16.74%和10.66%，漫灌条件下不施肥、缺氮、缺磷和缺钾处理冬小麦产量较NPK配施分别降低了35.20%、4.99%、10.28%和8.28%。

（3）滴灌条件下，相比于NPK 配施，缺氮、缺磷、缺钾和不施肥处理水分利用效率分别降低了7.67%、13.44%、21.54%和36.67%，漫灌条件下缺氮、缺磷、缺钾和不施肥处理较NPK配施分别降低了9.59%、12.02%、12.98%和39.97%。

（4）氮、磷、钾肥其中一种的缺施都会降低其他两种肥料的表观利用率和偏生产力。