水肥管理模式对小麦氮素吸收及转运的影响

曹彩云，党红凯，郑春莲，李 佳，刘学彤，李科江，马俊永,3

( 1.河北省农林科学院旱作农业研究所,河北衡水 053000；2.河北省作物抗旱研究重点实验室,河北衡水 053000；3.农业部衡水潮土生态环境重点野外科学观测试验站,河北衡水 053000; 4.河北省农林科学院，河北石家庄 050031)

随着耕地的减少和人口的不断增加，我国粮食安全与日益减少的水资源矛盾日益突出[1]。华北地区为我国小麦主产区之一，其小麦产量的高低对我国的粮食安全具有重要的战略意义[2]。华北平原主要的种植模式为冬小麦-夏玉米轮作[3-4]，小麦生长季降水吻合度仅为0.26，小麦生产用水主要依靠抽采地下水灌溉来满足，导致地下水位不断下降[5]和深层漏斗现象的出现，严重影响着整个社会经济的可持续发展[6]。与此同时，为了不断提高作物产量，过量施肥在农业生产上普遍存在[1]，不仅增加了生产成本、降低了肥料效率，而且加大了环境污染的风险。土壤的水分状况在很大程度上影响着肥料效率的发挥，并在一定程度上决定着肥料的合理用量[7]，因此农田水肥管理模式应根据不同地区农业生态条件和生产需求进行科学合理的规划[8-12]。灌水量与施肥量之间存在明显的交互效应[13-14]，其中灌水量起着主导作用[15]，肥料对小麦的增产作用只有在水分的配合下才能充分发挥[16]。小麦对肥料养分的吸收和利用受灌水量和灌水次数的影响[17-18]。灌水量和灌水次数一方面影响小麦产量，另一方面也影响花前积累的养分向籽粒的转运、分配过程[19-22]，进而对养分的吸收和利用效率造成影响[23-24]。品种是影响小麦籽粒产量、氮素吸收利用的重要因素[25-26]，因而小麦水肥管理模式的优化必须考虑品种的选择。前人就不同灌水量和灌水时期对小麦产量和水肥利用效率的研究较多[27-29]，但建立在多年定位水肥管理模式基础上的小麦产量效应和氮素吸收和转运等方面的研究鲜有报道。本研究在10余年定位水肥管理试验的基础上，分析不同水肥管理模式下小麦的产量、氮素吸收和转运及水肥利用效率等的差异，以期为该区节水高效水肥管理技术提供数据支撑。

1 材料及方法

1.1 试验概况

本试验以多年定位管理模式试验(2004年种麦开始)为基础，于2013-2016年在河北省农林科学院旱作农业研究所深州试验站进行(37°44′N,115°47′E)，供试土壤为黏质壤土。试验设置5个水肥管理模式(分别用M1、M2、M3、M4和M5表示)，2013年10月小麦播种前土壤基础养分见表1。小麦足墒播种，播种时间分别为2013年10月10日、2014年10月12日和2015年10月12日，播量210 kg·hm-2。试验田实行冬小麦-夏玉米轮作，每年总施肥量相同，小麦季底肥、追肥用量见表2，春季灌水时间和灌水量见表3，玉米水肥等管理同常规大田。小麦收获期三年分别为6月9日、6月10日和6月11日。小麦三个生长季降水量在苗期至分蘖期(10月至笠年3月)分别为24.6、42.2和106.6 mm，拔节期(4月1日至15日)分别为2.5、49.9和0.5 mm，开花至灌浆初期(5月1日至10日)分别为4.3、51.9和 5.6 mm，总降水量分别为134.8、143.9和138.0 mm(小麦季常年平均降水量109 mm)。小麦生育期降水量及温度变化如图1所示。

表1 试验前基础地力Table 1 Basic soil fertility of different management modes before sowing

表2 不同小麦生长季肥料施用量Table 2 Fertilization rates in different wheat seasons in 2013-2016 kg·hm-2

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，以5种春季水肥管理模式为主区，以当地主栽冬小麦品种衡观35和衡4399为裂区。5种管理模式分别为春季不灌溉+拔节期趁墒追肥(M0)、拔节水+拔节肥(M1)、拔节水+拔节肥+扬花或灌浆初期浇水(M2)、返青-拔节浇水(+追肥)+孕穗或扬花水+灌浆水(M3)和起身水(+1/2追肥)+拔节水(+1/2追肥)+扬花或灌浆初浇水+灌浆水(M4)。每次灌水量75 mm，小畦灌溉，小区之间设60 cm宽的隔离带，春季灌溉方案见表3。三次重复，小区面积67.5 m2(7 m×9.6 m)。

图1 2013-2016小麦季降雨量和平均气温变化

表3 小麦春季灌溉方案Table 3 Frequency and amount of spring irrigation for winter wheat

1.3 测定项目及方法

1.3.1 产量测定

每小区选有代表性的样方1 m 6行3个点，收获面积2.7 m2，脱粒后称重，折算公顷产量。

1.3.2 干物质测定

2016年分别在返青期、起身期、拔节期、扬花期、灌浆期取样，扬花前每区取有代表性的植株10株(按基本苗折算生物量)，扬花后每区取有代表性的植株40穗(按穗数折算生物量)，烘干后称重折算出生物量，样品留存测定全氮含量。

1.3.3 全氮含量测定

将扬花前10株样品整株粉碎，将扬花后的样品分成为叶片、茎秆+鞘、颖壳+穗轴和籽粒四部分粉碎，采用凯氏定氮法测定全氮含量。

1.3.4 土壤水分含量测定及耗水量计算

播种前和收获后取2 m土体测土壤水分，土钻取土，10 cm 1层，105 ℃烘箱烘干，计算土壤含水量(mm)。

土壤含水量=土层厚度×土壤容重×水重/干土重×10；

土壤水消耗量=阶段初土壤含水量-阶段末土壤含水量；

总耗水量=土壤贮水消耗量+生长期有效降水量+生长期总灌溉水量+地下水补给量-径流-渗漏；

试验地地势平坦，2 m土体容重平均1.4 g·cm-3，地下水位在8 m以下，降水和灌水不足以形成径流和渗漏，计算中地下水补给量、渗漏量和径流量按0 mm计算。

1.4 数据处理

试验数据用Microsoft Excel 2003进行计算; 用SAS 8.02数据处理系统进行显著性分析(LSD 法)。氮素转运和利用参数计算[30]如下：

氮素利用效率=籽粒产量/植株氮素积累量;

氮素吸收效率=植株氮素积累量/氮素施用量;

营养器官氮素转运量=开花期营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量;

氮素转运效率=营养器官氮素转运量/开花期营养器官氮素积累量×100%;

氮素贡献率=营养器官氮素转运量(或花后同化氮量)/成熟期籽粒氮素积累量×100%；

水分利用效率=籽粒产量/总耗水量。

2 结果与分析

2.1 春季不同水肥管理模式对小麦地上部干物质积累的影响

由于春季灌水和施肥时间的不同，不同管理模式对小麦地上部干物质积累的影响不同(图2)。在起身至拔节期，地上部干物质积累量平均以M0模式最高，以M4模式最低；从扬花期开始，地上部干物质积累量平均以M0模式最低，M1、M2、M3和M4模式的地上部干物质积累量在扬花期较M0模式分别高21.1%、16.3%、23.7%和14.2%，灌浆初期分别高22.7%、12.6%、 24.5%和30.5%，成熟期分别高15.9%、27.6%、 40.0%和39.5%，说明不同水肥管理模式对小麦不同阶段生长发育的作用存在差异，进而影响最终干物质的积累。收获期M3和M4模式间地上部干物质平均积累量差异不显著，但二者显著高于其他模式。2个品种不同管理模式地上干物质积累规律基本相同，收获期均以M3模式干物质积累量最多，品种与管理模式间的交互作用不显著。衡观35的地上部阶段干物质积累量均高于衡4399，但最终干物质积累总量在2个品种间差异不显著。

2.2 春季不同水肥管理模式对小麦不同生育时期氮素含量和阶段积累量的影响

2个小麦品种春季植株氮素含量变化规律基本一致，从起身期到收获期均呈下降趋势(图3)。返青期由于还未灌溉施肥，植株氮素含量在不同管理模式间差异不显著；起身期植株氮素含量最高，以M4模式最低，可能由于该模式刚进行了灌溉，植株氮素含量被稀释的缘故；拔节期，2个品种均以M3模式植株氮素含量最高，其次为M4模式；扬花期，衡观35以M4模式最高，而衡4399以M3模式最高；灌浆期，M2、M3、M4模式间差异不显著，均显著高于其他模式；收获期，M1、M2、M3、M4模式间差异不显著，2个品种均以M0模式最低，其中衡观35的M0模式与其他模式差异均显著，衡4399的M0模式仅与M1模式差异显著。这说明植株氮素含量受灌水时间、施肥时间、灌水次数、品种等因素影响。

同一时期图柱上不同小写字母表示不同处理间差异在0.05水平显著。下图同。

返青期由于小麦的生长相对较慢，对氮素的吸收相对较少，不同管理模式间2个品种地上部的氮素累积量均无显著差异(表4)。随着春季灌水量和灌水次数的差异及肥料的施入，不同管理模式间氮素的累积量开始出现明显的差异，其中M3和M4模式的氮素积累表现出较快的速度。在收获期M0模式地上部氮素的积累量最少，M1、M2、M3、M4模式的氮素积累量分别较M0模式平均高21.2%、36.3%、48.2%、48.1%，说明灌溉时间和灌溉量及追肥时间均影响植株氮素的阶段吸收和总积累量。

图3 春季不同管理模式对小麦不同生育时期植株氮素的影响

表4 春季不同管理模式对小麦氮素积累量的影响Table 4 Effect of different management modes in spring on nitrogen accumulation of winter wheat at different growth stages

2个品种收获期氮素积累总量差异不显著；衡观35以M3模式最高，但M2、M3和M4模式间差异不显著；衡4399以M4模式最高，M3、M4模式间差异不显著，但较其他模式间差异达显著水平。说明不同品种在不同水肥管理模式下对氮素的吸收是不同的，并不是灌溉越多对氮素的吸收越多。

2.3 春季不同水肥管理模式对小麦氮素吸收和利用效率的影响

水肥管理模式对小麦氮素吸收效率影响显著，但对氮素利用效率影响较小(表5)。M1～M4模式的氮素吸收效率均显著高于M0模式，其中M3和M4模式间差异不显著，但二者高于其他模式。M2模式的氮素利用效率虽然最高，但在衡观35上与其他模式间差异均不显著，而在衡4399上仅与M4模式差异显著。氮素的吸收和利用效率在品种间差异均不显著，衡4399氮素利用效率平均较衡观35仅高0.6%。品种与管理模式间的互作对氮素的吸收和利用效率影响也均不显著。这说明灌溉可促进氮素吸收，在氮素利用率较高的M2模式下，衡4399较衡观35的氮素利用效率高5.6%。

表5 不同管理模式处理下小麦的氮素吸收和氮素利用效率Table 5 Nitrogen absorption and utilization efficiency of winter wheat under different management modes in spring

2.4 春季不同水肥管理模式下小麦营养器官氮素的转运特征

小麦营养器官花前贮存氮素的转运量在不同水肥管理模式间存在明显差异(表6)。M1～M4模式的氮素转运量较M0模式平均提高23.0%，差异明显，但M1～M4模式间差异多不显著，其中M1和M3模式表现较好；衡观35和衡4399的氮素转运量平均分别为122.9和146.7 kg·hm-2，二者差异显著，说明合理水肥管理可促进小麦营养器官氮素在花后向籽粒的转运。

表6 春季不同管理模式下小麦籽粒氮素的组成Table 6 Components of nitrogen in wheat grains after anthesis under different management modes in spring

从花后氮吸收量看，灌溉促进了花后氮素的直接吸收，M0和M1模式间、M2和 M3模式间及M3和M4模式间差异均不显著，但M2、M3、M4模式与M0、M1模式差异均显著，灌水次数多、灌水量大的处理下花后养分吸收多；从品种间差异看，衡观35花后氮素的吸收量显著高于衡4399，衡观35以M2模式最高，衡4399以M4模式最高，说明灌溉促进了小麦植株生长发育和养分的吸收，同时还可在生育后期通过保持根系活力促进养分吸收，保持营养器官的功能期，并促进营养器官养分的充分转运。

从不同营养器官看，氮素向籽粒的转运效率表现为叶片>颖壳+穗轴>茎秆+叶鞘(表7)。随灌水量和灌水次数的增多，各器官氮素转运效率总体上呈现降低的趋势。衡4399叶片、颖壳+穗轴的氮素转运效率及总转运效率均高于衡观35，其中总转运效率平均较衡观35提高5.1个百分点，但其在品种间差异不显著，这可能与增加灌水促进了碳代谢，进而产生氮素积累和分配起到稀释效应，从而降低氮素向籽粒的转运效率。

表7 春季不同管理模式下小麦营养器官花后向籽粒的氮素转运效率Table 7 Nitrogen translocation efficiency from wheat vegetative organs to grains after anthesis under different management modes in spring %

衡4399营养器官氮素转运对籽粒氮素的贡献率平均较衡观35高12.2个百分点，差异达显著水平(表8)；M1、M2、M3和M4模式的平均贡献率较M0分别增加3.4、-9.0、-7.5和 -11.5个百分点，说明灌水量增加不利于营养器官氮素转运对籽粒氮素的贡献。

表8 春季不同管理模式下小麦营养器官氮素转运对籽粒氮素的贡献率Table 8 Contribution rate of nitrogen from wheat vegetative organs to grains after anthesis under different management modes in spring %

2.6 春季不同水肥管理模式对小麦产量的影响

小麦的产量受降水年型、管理模式和品种及其交互作用等多因素影响(表9)。M1、M2、M3和M4模式三年产量平均分别较M0模式提高 28.5%、36.7%、44.7%和45.7%。从品种看，衡观35的M1、M2、M3和M4模式产量三年平均值分别较M0模式提高28.1%、38.9%、44.3%和48.1%，衡4399分别提高 28.8%、34.7%、 45.0%和43.3%；M0模式下衡观35产量较衡4399三年平均低4.4%，说明衡4399较衡观35的产量潜力高。

2个品种对水肥管理模式的响应在不同年份表现不同，这可能与生育期降水的季节性分配有关(图1)。2013-2014年，2个品种间产量差异不显著，均以M4模式产量最高，且不同模式间差异均达显著水平，M1、M2、M3和M4模式相对于M0模式的增产幅度分别为16.3%、31.7%、 41.9%和49.6%。2014-2015年，衡观35以M2模式产量最高，M1、M2模式间产量差异不显著，但与其他模式间差异显著；而衡4399以M3模式产量最高，M3和M4模式间差异不显著，但与其他模式间差异达显著水平；M1、M2、M3和M4模式相对于M0模式的增产幅度分别为29.1%、 31.4%、31.3%和28.9%，M4模式的平均产量反而低于M2和M3模式，说明小麦的需水量是有一定限度的，并不是灌水量越大，产量越高，过量灌水反而会降低产量。2015-2016年，衡观35以M4模式产量最高，而衡4399以M3模式产量最高，M1、M2、M3和M4模式产量相对于M0模式分别提高了39.4%、48.1%、63.7%和62.4%。因此，水肥管理模式应根据品种的产量潜力、水肥反应特性及降水年型等多因素综合确立。

表9 春季不同管理模式对小麦产量的影响及各因素F值Table 9 Yield of winter wheat and F value of factors under different management modes in spring

2.7 春季不同水肥管理模式对小麦水分利用效率的影响

小麦水分利用效率因年份和水肥模式的不同而表现出差异(表10)。2013-2014年，2个品种水分利用效率随灌水量增加呈现先增后降的趋势，平均以M2模式水分利用效率最高；2014-2015年，随灌水量的增加水分利用效率呈现降低趋势；2015-2016年，衡观35的水分利用效率在M0和M4模式下相对较高，而衡4399以M0模式水分利用效率最高，其他模式间差异不显著。三年水分利用效率平均以M0模式最高，其次为M2模式。品种间水分利用效率差异不大。衡4399的水分利用效率三年平均值较衡观35高 3.1%，在M2模式下平均高1.1%。

表10 不同管理模式对小麦水分利用效率的影响

3 讨 论

3.1 水肥管理模式与作物产量

作物的产量受水肥管理模式的影响，但水肥管理模式的确立需要考虑多个因素，如降水量的多少和降水的季节分配。本研究中3个年度总的降水量相差不大，均为丰水年份，但年际间产量差异达极显著水平，年平均产量分别为7 278.5、8 975.1和8 458.2 kg·hm-2，在没有灌溉的M0模式下平均产量分别5 690.4、7 230.3和5 926.2 kg·hm-2，2014-2015年获得较高的产量，这可能与该年度降水的季节分配有很大关系。2014-2015年以M2模式平均产量最高，在4月上旬(拔节期)和5月上旬扬花期或灌浆初期分别有49.9和58.2 mm的降水，而且降水的时间与小麦需水的关键期较吻合。2015-2016年降水主要分配在冬前，使得小麦有很好的底墒，平均以M3模式产量最高，灌溉增产幅度较大。同2013-2014年比，虽然4月下旬(拔节后)有60.7 mm降水，但在播种至4月中旬仅有27.1 mm降水，错过了小麦拔节期需水的关键期，平均以M4模式产量最高，而且平均产量也最低，印证了前人关于小麦拔节水重要性的结论[31]，也说明并不是灌水量越大，产量越高，因为作物的产量与灌水量非线性关系[32]。在2012-2013年度(少雨年)以春灌3水产量最高[33]。不同年型下不同品种的产量表现也是不同的。本研究中，衡观35在2014-2015年以M1模式产量最高，而2013-2014年和2015-2016年以M4模式产量最高；衡4399 2013-2014年以M4模式产量最高，2014-2015年和2015-2016年以M3模式产量最高，说明品种的水分反应特性存在差异[34]。衡4399产量潜力较衡观35高，M0、M1、M2、M3、M4模式下衡4399产量较衡观35平均分别高4.6%、5.1%、 1.5%、5.1%、1.2%。因此小麦的水肥管理模式选择需要考虑降水年型、品种的水分反应特性及产量潜力等因素，这也是农业可持续发展的要求[35-38,4]。

3.2 水肥管理模式与氮素吸收和转运及水肥利用效率

水肥管理模式影响了小麦氮素的阶段积累和花后养分的吸收和转运，2个品种在返青至扬花阶段氮素积累量均以M3模式最高，这可能是M4模式第1水灌溉时间较早，导致地温降低，从而不利于植株生长发育和养分的吸收，也可能是M1、M2模式浇水施肥相对较晚所致；扬花至收获阶段氮素积累量均以M4模式最高，M1、M2、M3和M4模式氮素的花后吸收量较M0模式分别平均提高7.3%、73.4%、82.2%和93.7%，氮素的转运量分别平均提高26.7%、15.2%、30.1%和 20.2%，营养器官氮素转运对籽粒氮素的贡献率分别提高14.0%、8.3%、7.5%和2.3%。这说明灌水量和灌水次数越多，小麦从土壤中吸收的养分越多，花前和花后养分的吸收和转运量越大，但营养器官积累的养分对籽粒养分的贡献率却降低，这势必造成养分的“奢侈”吸收[39-40]和水肥资源的浪费。

作物对养分的吸收、转运和利用都依赖于土壤水分，土壤的水分状况在很大程度上决定着肥料的合理利用。本研究中，不同水肥管理模式氮素总积累量随灌水量和灌水次数的增加而增加，但氮素的吸收效率在M3、M4模式间差异不显著，氮素利用效率呈先增后降的趋势，平均以M2模式氮素利用效率最高，说明在总施肥量相同的情况下灌溉促进了氮素的吸收，但并非线性关系，这与Sinclair等[18]在一定范围内，随灌水量和灌水次数的增加，小麦植株总氮素积累量显著增加，而氮素利用效率全生育期灌水量在180～240 mm较好[19]结果一致。

作物节水的关键是充分利用自然降水和灌溉水，提高水分利用效率[41]。随灌水量的增大，作物水分生产效率降低[42]。Panda等[43]指出，小麦适度的水分胁迫可获得较高的水分利用效率。灌溉关键水[44]和采用节水高产灌溉模式[45]等措施在提高产量的同时，可提高水分利用效率。本研究中，2013-2014年以M2模式水分利用效率最高，2014-2015年水分利用效率随灌水量的增加而降低，2015-2016年灌溉模式间水分利用效率差异不显著，三年平均以M0模式最高，其次是M2模式，这与王德梅等[46]浇拔节水+扬花水模式及金欣欣等[47]灌溉拔节水+扬花水模式水氮利用效率较高的研究结果是一致的。

从品种看，衡4399的氮素利用效率高于衡观35，而且氮素转运效率较衡观35提高5.1个百分点，氮素转运对籽粒氮素的贡献率高12.2个百分点，水分利用效率三年平均高3.1%，在水肥利用效率较高的M2模式下，氮素的利用效率较衡观35高5.6%，水分利用效率平均高1.1%，说明不同品种对水氮的利用存在差异。

3.3 区域优化水肥管理模式与农业的可持续 发展

农业的可持续发展需要高产、高效与环境可持续等多目标并重，在我国北方冬小麦-夏玉米轮作体系中，由于施肥量大、灌溉不合理、雨季淋溶等因素影响，作物氮肥利用率低，氮损失严重[48-49]，使得通过灌溉和施肥实现高产的管理模式与因水肥管理造成的NO3-N淋溶[50-51]成为矛盾。本研究结果显示，小麦产量及水肥利用效率并非灌水量越大越好。研究表明，在冬小麦-夏玉米/春玉米轮作体系下，石灰性潮土对氮肥的环境承受力一年仅为203 kg·hm-2[52]；华北灌溉冬麦区(有灌溉条件，土壤肥力较高)小麦的推荐施氮量为184 kg·hm-2[53]。这说明小麦高产高效种植需要对水肥进行科学管理。从华北区域水资源短缺和氮肥施用量较多的现状看，小麦可在减少当前氮肥施用量1/3的情况下，推荐采用M2模式，用产量潜力高且营养器官氮素向籽粒的转运量、转运效率及对籽粒氮素贡献率高的衡4399，在兼顾产量的同时提高水氮利用效率[33,54]，减少土壤硝态氮的深层淋溶[55]。本研究是在多年定位灌溉的基础上开展试验，其结果具有典型的代表意义，但还需对多年定位水肥管理系统土壤养分动态及土壤氮素形态及分布特征等进行梳理总结，以便进行科学的水肥管理，保护生态环境促进区域农业的可持续发展。