不同水氮处理对冬播春小麦产量和水氮利用效率的影响

王 欢，苏文平，赵鑫琳，艾木拉姑丽·库尔班，孙诗仁，薛丽华，章建新

(1.新疆农业大学农学院，新疆乌鲁木齐 830052；2. 新疆农业科学院粮食作物研究所，新疆乌鲁木齐 830091)

春麦冬播以一叶期(或发芽、萌动、干籽粒)状态在积雪覆盖下越冬后，翌年早春雪融后恢复生长，其出苗、成熟早于春小麦[1]。北疆冬季降雪量大、积雪厚，春季融雪期长，土壤含水量高，致使春小麦晚播、晚熟，后期遇干热风风险大。春麦冬播适用于棉花、玉米和复播作物晚收后倒茬小麦[2]。近年，春麦冬播技术受到重视[3-5],与冬小麦冬前生长达到齐苗、壮苗和安全越冬、需灌足底墒水和越冬水[6]相比，北疆春麦冬播利用积雪融水早春出苗，可节约出苗水和越冬水。目前，有关春麦冬播的研究仅限于播期[7]、高产生育特性[8]等方面。灌水和施肥是调控小麦生长和产量的重要技术措施，且对小麦生长存在明显的互作效应[9]，干旱胁迫和过量灌溉均不利于小麦植株对氮素的积累[10]，适量灌溉可促进作物氮素吸收和提高氮肥利用率[11]，适量施氮可促进作物根系和植株生长，增强作物吸收水分和养分能力，提高水分利用效率[12]。以上均是有关冬小麦和春小麦的研究结果，若将其应用于春麦冬播具有盲目性。春麦冬播的耗水规律及水、氮运筹技术不完善，严重影响春麦冬播技术的应用。本试验拟研究不同水、氮处理组合对冬播春麦干物质积累、产量、水氮利用效率的影响，为北疆春麦冬播节水高产栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试点概况

试验于2019-2021年在新疆农业科学院奇台麦类试验站进行。该试验站位于东经89°13′～91°22′，北纬42°45′～45°29′，属温带大陆性气候，年平均气温5.5 ℃，全年无霜期153 d，降雨量176 mm，蒸发量2 141 mm，最高气温39 ℃，最低气温-37.3 ℃。

1.2 试验设计

供试春小麦品种为新春48号。采用双因素裂区设计，总灌水量为主区，设3 150 m3·hm-2(W1)、3 600 m3·hm-2(W2)、4 200 m3·hm-2(W3)3个水平；施氮量为副区，设施纯氮0 kg·hm-2(N0)、135 kg·hm-2(N1)、210 kg·hm-2(N2)3个水平。随机区组排列，小区面积为20 m2(5 m×4 m)，3次重复。2019-2020年度前茬作物为玉米，2020-2021年度前茬作物为小麦，秸秆均不还田。两年供试土壤0～40 cm土层基础肥力见表1，前茬作物收获后不灌水。两年小麦生长季的降水量见表2。10月下旬翻地前施重过磷酸钙300 kg·hm-2，翻地后旋耕耙地、播种。播种时间分别为2019年11月1日、2020年10月21日，行距15 cm，播种量为400 kg·hm-2；基本苗分别为422×104株·hm-2、 453.33×104株·hm-2。采用滴灌，1管4行布置毛管，毛管间距60 cm。为防止小区间串水，处理间设置2 m宽隔离带。在拔节期、孕穗期分别随水按设计量施用尿素，具体灌水量、施氮量和时期见表3，水表控制滴灌量。冬前不灌水，病虫害防治等其他管理同当地一般高产麦田。

表1 试验地0～20 cm土层基础理化性状Table 1 Basic physicochemical properties of the experimental soil(0-20 cm)

表2 小麦生长季降水量Table 2 Precipitation during wheat growth period mm

表3 各处理滴灌量和施氮量Table 3 Water and nitrogen amount under different treatments

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水量测定

从三叶期开始每10 d左右测定1次土壤含水量，至成熟期结束。在毛管间距1/2处用土钻分层采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土层土样，重复3次，用烘干法测定土样含水量。在每次灌水前、后12 h各加测1次。土壤含水量=(湿土重-干土重)÷干土重×100%

1.3.2 叶面积指数、干物质积累量和光合势测定

分别于拔节期、孕穗期、开花期、花后10 d、花后20 d及成熟期，从每小区随机选取生长一致有代表性植株连续30茎，采用长宽系数法测定叶面积，计算单茎绿叶面积、叶面积指数和光合势。将所取植株样品放入烘箱中105 ℃下杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，计算干物质积累量。

叶面积指数(LAI)= 总茎数 × 单茎绿叶面积 ÷ 土地面积

干物质积累量=总茎数×单茎质量

光合势= 1/2(L1+L2)× (t2-t1)

其中，L1和L2为前后2次测定的叶面积，t1和t2为前、后2次的取样时间。

1.3.3 产量和水、氮利用效率的测定

小麦成熟期，各小区选取具代表性的连续 1 m长样段，调查有效穗数、穗粒数和千粒重，重复3次。各小区去除边行，收获4 m2(2 m× 2 m)，风干后测产。

总耗水量=土壤贮水消耗量+小麦生育期总降水量+总灌水量；

土壤贮水消耗量=播种前100 cm土层贮水量-成熟时100 cm土层贮水量；

灌溉水利用效率(IWUE)=小麦籽粒产量/总灌水量；

水分利用效率(WUE)=小麦籽粒产量/总耗水量；

氮肥农学利用率=(施氮区籽粒产量-未施氮区籽粒产量)/施氮量；

氮肥偏生产力=籽粒产量/施氮量。

1.4 数据分析

用 Excel 2013进行数据处理，由于2019-2020年和2020-2021年测定指标趋势一致，故大多数据分析采用两年平均值进行。用SPSS 19.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理对冬播春小麦田土壤含水量的影响

从表4可知，2019-2020年度，不同水氮处理对冬播春小麦0～100 cm土壤含水量有显著影响。4月25日(分蘖期)后，各处理0～40 cm土壤含水量在灌水前、后呈明显的“谷”和“峰”。随滴灌量的增加，土壤含水量峰值显著增高，表现为W3>W2>W1，0～20 cm土层含水量峰值变幅明显大于20～40 cm；40～100 cm土层含水量无“谷”和“峰”变化，随着滴灌量的增加而增加，40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm均表现为W3>W2>W1，并随土层变深，同一土层不同灌水处理间差异减小。在相同滴灌量处理下，不同施氮量间0～100 cm土层的含水量差异不显著。说明增加滴灌量可增加0～40 cm土层含水量和生育中后期40～100 cm土层含水量；施氮肥量对0～100 cm土层含水量影响不显著。

表4 不同处理下冬播春小麦0～100 cm土壤含水量(2019-2020年)Table 4 Soil water content in 0-100 cm soil layer of spring wheat sown in winter under different treatments in 2019-2020 %

2.2 不同水氮处理对冬播春小麦叶面积指数和光合势的影响

滴灌量和施氮量均对冬播春小麦叶面积指数和光合势有显著影响(P<0.05)。由图1可知，随着生育进程推移，小麦叶面积指数呈先增加后降低的趋势，孕穗期达到峰值。同一施氮处理下，随着滴灌量增加，叶面积指数显著增高；在同一滴灌量处理下，随施氮量增加，叶面积指数整体表现为N2>N1>N0。

J：拔节期；B：孕穗期；A：开花期；A10：花后10 d；A20：花后20 d。相同时期折点上不同字母表示不同水氮处理间差异在0.05水平显著。图3同。

由图2可知，小麦光合势在整个生育期呈先增加后下降变化趋势，峰值出现在孕穗至开花期。在孕穗至开花阶段，W2N2、W3N1、W3N2处理的光合势较高，分别为49.74、49.55、53.35 m2·d·m-2，均显著高于W1N0(41.13 m2·d·m-2)。同一滴灌量处理下，增加施氮量则总光合势提高，W3处理下总光合势由N0处理的178.17 m2·d·m-2增加至N2处理的 220.14 m2·d·m-2，增幅23.56%；同一施氮量处理下，增加滴灌量则总光合势提高，N2处理下总光合势由W1处理的195.45 m2·d·m-2增加至W3的220.14 m2·d·m-2，增幅12.63%。W3N2总光合势(220.14 m2·d·m-2)较W1N0(168.76 m2·d·m-2)增加 30.44%。增加滴灌量和施氮量，提高了冬播春小麦拔节至成熟期间各生育阶段的光合势，从而大幅度增加总光合势；同时增加滴灌量和施氮量，较仅增加滴灌量或施氮量处理的光合势增加幅度大，以W2N2和W3N2处理的光合势较高。

E-J：出苗-拔节；J-B：拔节-孕穗；B-A：孕穗-开花；A-A10：开花-花后10 d；A10-A20：花后10 d-20 d; T：总合。相同时期折点上不同字母表示不同水氮处理间差异在0.05水平显著。

2.3 不同水氮处理对冬播春小麦干物质积累的影响

2.3.1 对干物质积累量的影响

由图3可见，灌水量与施氮处理均对冬播春小麦干物质积累量有显著影响。在同一施氮量处理下，增加滴灌量则干物质积累量显著增加，W3N2处理 (14 468.59 kg·hm-2)干物质积累量较W1N2(12 373.83 kg·hm-2)和W2N2(13 775.89 kg·hm-2)分别增加了16.92%和 5.03%；同一滴灌量处理下，增加施氮量则干物质积累量显著增加，W3N2处理的干物质积累量较W3N0和W3N1分别增加了21.21%和4.16%；W3N2处理干物质积累量较W1N0(10 546.11 kg·hm-2)增加37.19%。说明增加滴灌量和施氮量均可增加总干物质积累量，以W2N2和W3N2处理的干物质积累量较高。

图3 不同水氮处理下冬播春小麦的干物质积累动态

2.3.2 对干物质最大增长速率及其持续天数的影响

利用 Logistic 方程对不同处理冬播春小麦的干物质积累量和出苗后天数进行拟合(表5)，发现其曲线拟合度的R2均高于0.97，达到极显著水平。干物质快速增长期t1和t2在出苗后 45.13～48.67 d和72.20～81.63 d，持续时间为 25.28～32.88 d，干物质积累最大增长速率Vm变化范围为296.21～399.47 kg·hm-2·d-1。在相同滴灌量处理下，增加施氮量干物质积累最大增长速率显著增加，Vm由W3N0处理的 296.21 kg·hm-2·d-1增加至W3N2处理的378.13 kg·hm-2·d-1，增幅 27.66%；同一施氮量处理下，增加滴灌量干物质积累最大增长速率增加，Vm由W1N2处理的353.56 kg·hm-2·d-1增加至W3N2处理的378.13 kg·hm-2·d-1，增幅6.95%。水氮同时增加W3N2处理的Vm(378.13 kg·hm-2·d-1)较W1N0(329.13 kg·hm-2·d-1)增加14.89%。说明增加滴灌量和施氮肥量可提高干物质积累最大速率，延长干物质快速积累持续天数。

2.4 不同水氮处理对冬播春小麦产量及构成的影响

由表6可知，灌水量和施氮水平对冬播春小麦产量及产量构成影响显著。相同滴灌量处理下，增加施氮量则产量显著增加，W3N2的产量 (6 945.59 kg·hm-2)较W3N0(5 095.42 kg·hm-2)增产36.31%；同一施氮量处理下，增加灌水量则产量显著增加，W3N2的产量 (6 945.59 kg·hm-2)较W1N2(5 808.66 kg·hm-2)增产19.57%；同时增加滴灌量和氮肥产量显著增加，W3N2的产量(6 945.59 kg·hm-2)较W1N0(5 032.52 kg·hm-2)增产 27.54%。增加滴灌量和施氮量显著增加穗数、穗粒数。W3N2的穗数、穗粒数分别较W1N0增加20.85%、21.62%。千粒重则以W3N1(45.24 g)最高。在W1处理下，千粒重随着施氮量的增加而略微降低，但处理间无显著差异；在W2和W3处理下，千粒重随着施氮量的增加表现出先增加后降低的趋势。说明增加滴灌量和施氮量主要通过增加穗数和穗粒数增加产量；水氮协同增产幅度远大于仅增加滴灌量或施氮量处理；以W3N1、W3N2、W2N2的产量较高。

表5 不同水氮处理下冬播春小麦的群体干物质积累速率Logistic方程Table 5 Logistic equation of dry matter accumulation rate of wheat population under different water and nitrogen treatments

表6 不同水氮处理对冬播春小麦产量及构成因素的影响Table 6 Effects of different water and nitrogen treatments on yield and its components of spring wheat sown in winter

2.5 不同水氮处理对冬播春小麦水氮利用效率的影响

灌水量和施氮量均对水氮利用效率指标影响显著(表7)。随着滴灌量增加，土壤耗水量减少，而总耗水量增加；同一滴灌量下，不同施氮处理间两指标差异不显著。随着滴灌量增加，0～100 cm土层储水消耗量减少，总耗水量增加，灌溉水利用效率、水分利用效率多呈先增加后下降的趋势，灌溉水利用效率以W1N2(1.84 kg·m-3)、W2N2(1.86 kg·m-3)较高，水分利用效率以W2N2(1.23 kg·m-3)、W3N2(1.19 kg·m-3)处理较高，可见增施氮肥能同时提高小麦的灌溉水和水分利用效率。在3种滴灌量下，氮肥的农学利用效率、氮肥偏生产力均随施氮量的增加而下降。在N1处理下，W1的氮肥农学效率(3.56 kg·kg-1)显著低于W3处理(11.17 kg·kg-1)，两者的氮肥偏生产力差异显著，为40.84和 48.42 kg·kg-1。在同一施氮量处理下，增加滴灌量可提高氮肥利用效率，显著提高氮肥偏生产力。滴灌量和施氮量同时增加，氮肥农学利用效率增加。

表7 不同水氮处理下冬播春小麦的水氮利用效率的影响Table 7 Effects of different water and nitrogen treatments on water and nitrogen use efficiency of spring wheat sown in winter

3 讨 论

提高小麦产量和水、氮利用效率是小麦生产的重要目标。适宜的水氮运筹是提高小麦产量和水氮利用效率的关键。增加滴灌量和施氮量对作物增产作用是水、氮单因素及其互作效应共同作用的结果[13]。随着灌水次数增加，冬小麦总耗水量增加，降低土壤耗水量和降水量占总耗水量的比例[14-16]，增加灌水量降低水分利用效率[15-17]。张 娜等[18]研究表明，滴灌冬小麦总施氮量在0～242 kg·hm-2范围内，产量与施氮量呈正相关。滴灌冬小麦产量9 000 kg·hm-2水氮运筹模式是总灌水量3 900 m3·hm-2，总施氮量270 kg·hm-2[19]。北疆滴灌高产春小麦需灌水 3 700～4 575 m3·hm-3[20-21]。北疆滴灌小麦施氮量约为300～315 kg·hm-2，产量为5 772.45～ 6 689.72 kg·hm-2[22]。黄艺华等[23]提出，适宜施氮量为250 kg·hm-2。本研究冬播春小麦田间滴灌量下，只增加0～40 cm土层含水量，对小麦生育中后期40～100 cm土层水分含量影响较小。这是由于滴灌量主要补充0～40 cm土层水分，也可能是冬播春麦根系分布随土层变深而剧降，相应耗水也大幅度降低，导致灌水处理间在80～100 cm土层含水量差异明显小于40～60 cm土层。施氮量对土层含水量影响不显著，与在冬小麦上的研究结果[24-25]一致。可能是增施氮肥增大了叶面积指数，增大群体叶片互相遮阴程度，减少中下层叶片蒸腾和土壤蒸发耗水，抵消了因群体叶面积指数增大、上部叶片蒸腾量的缘故。增加滴灌量和施氮量，提高了冬播春小麦生育期间的最大叶面积指数、总光合势和群体干物质积累的最大速度，并延长最大速度的持续时间，增加干物质积累总量和最终产量，并提高了水氮利用效率。以W3N1、W3N2、W2N2处理的产量较高，水分利用效率和农学利用效率以W3N1较高，兼顾产量和水分利用效率，北疆冬播春麦适宜总滴灌量为 3 600～4 200 m3·hm-2，总施氮量为 135～210 kg·hm-2，可以获得产量6 200.33～ 6 945.59 kg·hm-2。其水分利用效率和氮肥农学利用效率分别为1.12～1.23 kg·m-3、7.58～11.17 kg·kg-1。春麦冬播氮肥用量少于冬小麦、春小麦，产量低于冬小麦和春小麦。春麦冬播的播期晚于冬小麦，早于春小麦，在生育进程、群体结构、耗水吸肥规律等方面与传统的冬、春小麦差异较大，相关研究很少。其高产高效水氮运筹技术还有待进一步研究。