微喷补灌水肥一体化对冬小麦产量及水分和氮素利用效率的影响

王 雪 谷淑波 林 祥 王威雁 张保军 朱俊科 王 东,*

微喷补灌水肥一体化对冬小麦产量及水分和氮素利用效率的影响

王 雪1谷淑波1林 祥2王威雁2张保军2朱俊科3王 东2,*

1山东农业大学 / 作物生物学国家重点实验室, 山东泰安 271018;2西北农林科技大学农学院, 陕西杨凌 712100;3淄博禾丰种业科技股份有限公司, 山东临淄 255000

为探明微喷补灌水肥一体化对冬小麦产量及水分和氮素利用效率的影响, 于2019—2021年冬小麦生长季进行不同水肥管理模式试验。以山农29为试验材料, 采用裂区设计, 设置畦灌(W1)、微喷补灌(W2)两个主区, 设置拔节期随水追施均匀供氮(T1)和开沟条施局部供氮(T2)两个副区。结果表明, 与W1处理相比, W2处理全生育期灌水量两年度分别减少53.3 mm和45.9 mm, 节约用水35.5%和30.6%。同一灌溉模式下, T2处理施肥行在开花期0～80 cm土层和成熟期0～120 cm土层土壤硝态氮含量均显著高于T1处理。W1模式下, T1处理开花期和成熟期0～30 cm土层土壤硝态氮含量显著高于T2处理非施肥行相应土层, 开花期和成熟期0～100 cm土层根长密度、根表面积密度显著高于T2处理的施肥行和非施肥行, 开花后0～20 cm土层根系活力、开花后氮素同化量和营养器官氮素向籽粒转运量、氮肥偏生产力、氮素利用效率、水分利用效率和籽粒产量与T2处理均无显著差异。W2模式下, T1处理开花期和成熟期0～60 cm土层土壤硝态氮含量显著高于T2处理非施肥行相应土层, 开花期和成熟期0～100 cm土层根长密度和根表面积密度显著高于T2处理的施肥行和非施肥行, 开花后0～20 cm土层根系活力、开花后氮素同化量和营养器官氮素向籽粒转运量、氮素吸收效率、氮素利用效率、氮肥偏生产力、水分利用效率和籽粒产量均显著高于T2处理。以上结果说明, 在传统畦灌条件下, 拔节期随水追肥均匀供氮与开沟条施局部供氮相比, 小麦籽粒产量和水分与氮素利用效率无显著差异; 在微喷补灌节水条件下, 拔节期随水追肥均匀供氮明显优于开沟条施局部供氮; 微喷补灌水肥一体化(微喷补灌+拔节期随水追肥均匀供氮)优化了土壤硝态氮的空间分布, 能够在小麦生育中后期保持较高的供氮水平, 显著提高根系吸收面积和吸收强度, 增加开花后氮素同化量和营养器官向籽粒氮素转运量, 与局部供氮处理相比, 实现了籽粒产量和水分与氮素利用效率的同步提高。

冬小麦; 水肥一体化; 硝态氮; 根系; 氮素再分配

水分是影响小麦产量的重要因素。地面灌溉是目前小麦生产中的主要灌溉方式, 其中以畦灌使用最为广泛[1], 但其存在灌水过多、灌水不均等问题, 使得土壤容重和紧实度增大[2], 造成水资源浪费; 微喷按需补灌是根据小麦关键生育时期高产高效需水量与自然供水量的差值确定补灌水量[3], 并利用微喷带将灌溉水均匀喷洒在田间的新型灌溉方式, 与畦灌相比, 微喷补灌能够降低灌水量, 提高灌水均匀度, 同时可降低表层土壤容重, 改善作物生长环境, 实现增产和水分高效利用[4-6]。

氮素是影响小麦产量和品质的主要因素, 施氮方式可以调控根系生长与分布。植株根系在面对养分异质性时其生理和形态会表现出可塑性[7]。有研究表明在玉米行两侧均匀施氮可增加玉米根量, 使根系水平分布更均匀[8]; 局部适量增加硝态氮浓度, 可以促进侧根生长, 增大根系吸收面积, 而外界供应硝态氮过高会抑制侧根发育[9], 但是关于土壤氮素养分异质性对小麦根系构型及氮素吸收影响的研究还鲜有报道。

水分和氮肥之间存在明显的交互作用[10-11], 合理的水氮管理方式是实现作物高产高效的必要途径。前人关于灌水与施氮量互作效应的研究比较多, 但是在不同灌水方式和灌水量条件下, 氮素养分在土壤中分布的差异对小麦产量和氮素利用效率调控效果的研究尚少。本试验在畦灌和微喷补灌模式下, 设置拔节期均匀供氮和局部供氮处理, 探索不同水氮供应方式对土壤硝态氮空间分布、冬小麦根系构型和根系活力、氮素吸收积累和分配及籽粒产量和水氮利用效率的影响, 以期为小麦绿色高产高效生产提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019—2021年冬小麦生长季在山东省泰安市道朗镇玄庄村进行, 该地区属温带大陆性季风气候, 年均气温为13.0～13.6℃, 年均降水量为621.2～688.0 mm, 地下水位为15～25 m。播前0～20 cm土层土壤养分含量如表1所示。

1.2 试验设计

供试品种为山农29, 试验采用裂区设计, 以灌溉方式为主区, 设置畦灌(W1)和微喷补灌(W2)两种灌溉方式; 以拔节期追氮方式为副区, 设置随水追施均匀供氮(T1)和开沟条施局部供氮(T2)两种追氮方式。随水追施均匀供氮采用冬小麦水肥一体化技术[12], 微喷补灌条件下使用注肥器将溶解后的尿素溶液注入到微喷带中, 随灌溉水均匀喷洒在试验小区内; 畦灌条件下在畦田进水口处使用注肥器将溶解后的尿素溶液注入到灌溉水中, 使溶液与灌溉水充分混合, 并沿畦长方向随水流向前移动、边流边渗, 施入作物根部土壤。局部供氮在两种灌溉方式条件下操作规程一致: 灌溉前先施肥, 每隔2行小麦开沟条施, 施肥深度5～8 cm。灌溉水源为井水。微喷补灌灌水时期和灌水量依据《小麦微喷补灌节水技术规程》(DB37/T3174-2018)[13]确定, 2019— 2020年度于播种期灌水46 mm, 拔节期灌水50.6 mm, 2020—2021年度于播种期灌水50.1 mm, 拔节期灌水54 mm; 畦灌灌水时期与微喷补灌处理一致, 每次灌水量为75 mm。微喷带和畦田输水管进水口处装有水表和闸阀, 用以计量和控制水量。每处理重复3次, 小区面积为2 m×23 m=46 m2, 小区边缘起垄, 相邻两小区之间设置1 m隔离带, 避免水分侧渗对彼此的影响。氮、磷、钾肥分别选用尿素(含N 46%)、磷酸二铵(含P2O546%)和氯化钾(含K2O 60%), 播前底施P2O5和K2O肥各120 kg hm–2, 全生育期总施氮量192 kg hm–2, 其中50%底施, 50%拔节期追施。其他管理同一般高产田。

表1 播前0～20 cm土层土壤养分含量

表2 冬小麦不同生育阶段降水量

S–W: Sowing–Wintering; W–J: Wintering–Jointing; J–A: Jointing–Anthesis; A–M: Anthesis–Maturity.

1.3 测定指标

1.3.1 土壤硝态氮含量测定 如图1所示, 于开花期和成熟期取局部供氮处理的施肥行、非施肥行及均匀供氮处理相应行间的0～200 cm土层土样, 用KCL溶液浸提, 使用AA3流动分析仪测定土壤硝态氮含量, 每处理重复3次。

1.3.2 根系形态特征测定 于开花期和成熟期采用剖面法采集0～100 cm土层的小麦根系样品, 如图1所示, 在局部供氮处理的施肥行、非施肥行及均匀供氮处理相应行间分别采集两侧0～20 cm、20～40 cm、40～80 cm、80～100 cm土层20 cm × 20 cm × 20 cm体积的土块, 装入70目筛网袋中, 流水冲洗, 挑出杂质, 利用Epson V700扫描仪扫描, WinRHIZO2013根系分析软件计算出根长密度、根表面积密度等, 计算公式如下:

RLD=RL/V

RSAD=RSA/V

式中, RLD为根长密度(mm cm–3), RL为根长(mm), V为土体体积(cm–3), RSAD为根表面积密度 (mm2cm–3), RSA为根表面积(mm2)。

图1 不同处理施肥和取样示意图

灰色散点指示追施氮肥分布区域, 黑色条带代表微喷带, 红色箭头所指示行间为土壤样品和根系样品的取样行。W1: 畦灌; W2: 微喷补灌; T1: 均匀供氮; T2: 局部供氮。

Gray scatter points indicate the distribution area of topdressing nitrogen fertilizer, the black strips represent the micro-spray hoses, and the rows indicated by the red arrows are the sampling rows for soil samples and root samples. W1: border irrigation; W2: supplemental irrigation with micro-sprinkling hoses; T1: uniform nitrogen supply; T2: local nitrogen supply.

1.3.3 根系活力测定 于开花后0、10、20和 30 d, 采用剖面法采集0～20 cm土层的小麦根系样品, 在局部供氮处理的施肥行、非施肥行及均匀供氮处理相应行间分别取小麦两侧20 cm × 20 cm × 20 cm 体积的土体, 装入70目筛网袋中, 流水冲洗挑出根系, 用TTC法测定根系活力。

1.3.4 植株全氮含量测定 于开花期和成熟期, 在每个试验小区内随机取30个单茎, 按器官分样后,放入烘箱于105℃下杀青30 min, 之后在75℃下烘干至恒重, 称干重、磨粉、浓硫酸消煮, 采用半微量凯氏定氮法, 使用凯式定氮仪(Kjeltec 8200自动蒸馏装置, Foss公司, 丹麦)测定全氮含量。各器官干重与其全氮含量的乘积即为其氮素积累量。相关计算公式[14]如下:

花前营养器官贮藏氮素转运量(kg hm–2)=开花期营养器官氮素积累量−成熟期营养器官氮素积累量;

花前营养器官贮藏氮素对籽粒的贡献率(%)=花前营养器官贮藏氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100;

花后同化氮素在籽粒中的分配量(kg hm–2)=成熟期籽粒氮素积累量−花前营养器官贮藏氮素转运量;

花后同化氮素对籽粒的贡献率(%)=花后同化氮素在籽粒中的分配量/成熟期籽粒氮素积累量×100;

氮素收获指数(%)=籽粒氮素积累量(kg kg–1)/地上部氮素积累量(kg kg–1);

供氮量(kg hm–2)=施氮量(kg hm–2)+播前0～100 cm土层土壤无机态氮积累量(kg hm–2);

氮素利用率(nitrogen use efficiency, NUE)(kg kg–1)=籽粒产量(kg hm–2)/供氮量(kg hm–2);

氮素吸收效率(nitrogen uptake efficiency, NUpE)(%)=成熟期地上部氮素积累量(kg kg–1)/供氮量(kg kg–1)×100;

氮肥偏生产力(nitrogen partial factor producti­vity, PFPn)=籽粒产量(kg hm–2)/施氮量(kg hm–2)

1.3.5 水分利用效率

水分利用效率(water use efficiency, WUE)=籽粒产量(kg hm–2)/农田耗水量(mm);

农田耗水量(mm)=生育期降水量(mm)+生育期灌水量(mm)+土壤贮水消耗量(mm)

1.3.6 籽粒产量测定 成熟期在每试验小区内随机选取0.5 m2调查单位面积穗数, 选取50穗调查穗粒数, 收获2 m2脱粒, 自然风干至籽粒含水率达到12.5%左右时称重, 计算单位面积籽粒产量, 同时调查千粒重。每个处理3次重复。

1.4 统计分析

用Microsoft Excel 2010记录整理数据, 用SPSS 22.0统计软件进行方差分析, 检验显著性(LSD法)。利用SigmaPlot 12.5绘图。

2 结果分析

2.1 土壤硝态氮含量

由图2可知, 同一灌溉模式下, T2处理施肥行在开花期0～80 cm土层和成熟期0～120 cm土层土壤硝态氮含量均显著高于T1处理。W1模式下, T1处理开花期和成熟期0～30 cm土层土壤硝态氮含量显著高于T2处理非施肥行相应土层; W2模式下, T1处理开花期0～60 cm土层和成熟期0～80 cm土层土壤硝态氮含量显著高于T2处理非施肥行相应土层。以上结果说明, 与拔节期均匀供氮相比, 局部供氮处理土壤硝态氮主要集中在施肥行, 导致麦行两侧土壤硝态氮分布不均匀; 与畦灌处理相比较, 微喷补灌显著减少了硝态氮向1 m土体以下土层淋失。

2.2 根长密度

图3显示, 冬小麦开花期和成熟期0～100 cm土层根长密度随土层深度的增加而降低, 0～40 cm土层根长密度占70%以上。拔节期局部供氮显著影响了麦行两侧0～40 cm土层根长密度, 在同一灌溉模式下, T2处理开花期和成熟期施肥行0～40 cm土层根长密度显著高于非施肥行。W1模式下, T1处理开花期0～100 cm土层根长密度两侧平均比T2处理高9.4%～10.2%, 成熟期比T2处理高9.8%～11.6%; W2模式下, T1处理开花期0～100 cm土层根长密度两侧平均比T2处理高20.8%～25.1%, 成熟期比T2处理高18.9%～20.4%。以上结果说明, 拔节期均匀供氮有利于提高0～100 cm土层冬小麦根长密度, 且在微喷补灌节水模式下冬小麦根长密度比在传统畦灌条件下提高的幅度更大。

2.3 根表面积密度

由图4可知, 冬小麦开花期和成熟期0～100 cm土层根表面积密度随土层深度的增加而降低。拔节期局部供氮显著影响麦行两侧0～40 cm土层根表面积密度, 在同一灌溉模式下, T2处理开花期和成熟期施肥行0～40 cm土层根表面积密度显著高于非施肥行。W1模式下, T1处理开花期0～100 cm土层根表面积密度平均比T2处理高9.2%～11.0%, 成熟期比T2处理高3.5%～8.0%; W2模式下, T1处理开花期0～100 cm土层根表面积密度平均比T2处理高21.3%～ 28.7%, 成熟期比T2处理高9.2%～17.7%。表明, 拔节期均匀供氮可以显著提高0～100 cm土层冬小麦根表面积密度, 增大根系吸收面积。

图2 不同处理对开花期和成熟期0～200 cm土层土壤硝态氮含量的影响

R: 施肥侧; L: 非施肥侧。R: fertilization side; L: unfertilization side.

图3 不同处理对开花期和成熟期0～100 cm土层根长密度的影响

R: 施肥侧; L: 非施肥侧。不同的小写字母表示在0.05水平差异显著。

R: fertilization side; L: unfertilization side. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

图4 不同处理对开花期和成熟期0～100 cm土层根表面积密度的影响

R: 施肥侧; L: 非施肥侧。不同的小写字母表示在0.05水平差异显著。

R: fertilization side; L: unfertilization side. Bars superscripted by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

2.4 根系活力

由图5可知, 冬小麦开花后0～20 cm土层根系活力随生育时期推进呈现先升高后降低的变化趋势, 在开花后10 d达到最大值。在同一灌溉模式下, T1处理根系活力和T2处理施肥行根系活力均高于T2处理非施肥行根系活力。W1模式下, T1处理根系活力与T2处理施肥行根系活力无显著差异; W2模式下, T1处理根系活力显著高于T2处理施肥行根系活力。说明畦灌条件下, 两种追氮方式对植株根系活力的影响未达显著水平; 微喷补灌条件下, 拔节期均匀供氮能够显著提高冬小麦开花后根系活力, 延缓根系衰老。

图5 不同处理对开花后0～20 cm土层根系活力的影响

R: 施肥侧; L: 非施肥侧。R: fertilization side; L: unfertilization side.

2.5 开花后氮素同化及营养器官贮藏氮素向籽粒中的再分配

表3显示, 在同一灌溉模式, T1处理开花后同化氮素输入籽粒量显著高于T2处理。其中, W1模式下T1处理开花后同化氮素输入籽粒量比T2处理高8.6%～9.6%, W2模式下比T2处理高41.1%～56.4%。W1模式下, T1处理花前营养器官贮藏氮素向籽粒转运量和成熟期籽粒氮素积累量与T2处理无显著差异; W2模式下, T1处理花前营养器官贮藏氮素向籽粒转运量和成熟期籽粒氮素积累量显著高于T2处理。以上结果表明, 拔节期随水追氮方式主要影响花后同化氮素输入籽粒量; 拔节期随水追肥均匀供氮处理显著提高开花后同化氮素输入籽粒量; 在微喷补灌模式下拔节期随水追肥均匀供氮显著提高花前氮素向籽粒转运量和花后同化氮素输入籽粒量, 最终提高了成熟期籽粒氮素积累量和收获指数; 畦灌模式下两种追氮方式对籽粒氮素积累的影响则未达显著水平。

表3 不同处理对开花后营养器官贮藏氮素再分配的影响

数据后不同字母表示同一年度的不同处理之间差异显著(< 0.05)。*和**分别表示0.05和0.01水平差异显著, NS表示不显著。

Different letters followed by data indicate significant difference among treatments in each growing season at< 0.05. * and ** stand for significant differences of correlation coefficient at the 0.05 and 0.01 probability levels, while NS means insignificant.

2.6 产量及其构成因素和水氮利用效率

由表4可知, W1处理穗数和穗粒数显著高于W2处理, 但千粒重显著低于W2处理; 在T1条件下, 二者产量无显著差异, 在T2条件下, W1处理产量显著高于W2处理。同一灌溉方式不同追氮方式比较, T1处理产量在W1模式下与T2处理无显著差异, 在W2模式下两年度平均比T2处理高6.0%～ 8.4%; T1处理穗数和穗粒数在W1模式下与T2处理无显著差异, 在W2模式下穗粒数和千粒重均显著高于T2处理。以上结果说明, 在传统畦灌模式下随水追肥均匀供氮与开沟条施局部供氮对冬小麦产量无显著影响; 在微喷补灌节水模式下, 随水追肥均匀供氮能显著提高冬小麦穗粒数、千粒重和产量。

由表5可知, 在T1条件下, W2处理氮素吸收效率和水分利用效率均显著高于W1处理; 在T2条件下, W1处理氮素吸收效率、氮素利用率和氮肥偏生产力均显著高于W2处理。说明冬小麦拔节期采用随水追肥均匀供氮方式, 微喷补灌处理能够显著提高氮素吸收效率和水分利用效率; 拔节期采用开沟条施局部供氮方式, 传统畦灌处理能够提高氮素吸收和利用效率及氮肥生产力。W1模式下, T1处理氮素吸收效率显著高于T2处理, 二者的氮素利用率、氮肥偏生产力和水分利用效率无显著差异; W2模式下, T1处理氮素吸收效率、氮素利用率、氮肥偏生产力和水分利用效率均显著高于T2处理。说明在传统畦灌模式下, 拔节期随水追肥均匀供氮与开沟条施局部供氮对籽粒产量及水分和氮素利用效率无显著影响; 在微喷补灌节水模式下, 随水追肥均匀供氮能够显著提高籽粒产量及水分和氮素利用效率。

表4 不同处理对冬小麦产量及其构成因素的影响

数据后不同字母表示同一年度的不同处理之间差异显著(< 0.05)。*和**分别表示0.05和0.01水平上显著, NS表示不显著。

Different letters followed by data indicate significant difference among treatments in each growing season at< 0.05. * and ** stand for significant differences of correlation coefficient at 0.05 and 0.01 probability levels, while NS means insignificant.

表5 不同处理对水氮利用效率的影响

NUpE: 氮素吸收效率; NUE: 氮素利用率; PFPn: 氮肥偏生产力; WUE: 水分利用效率。数据后不同字母表示同一年度的不同处理之间差异显著(< 0.05)。*和**分别表示0.05和0.01水平差异显著, NS表示不显著。

NUpE: nitrogen uptake efficiency; NUE: nitrogen use efficiency; PFPn: nitrogen partial factor productivity; WUE: water use efficiency. Different letters followed by data indicate significant difference among treatments in each growing season at< 0.05. * and ** stand for significant differences of correlation coefficient at the 0.05 and 0.01 probability levels, while NS means insignificant.

3 讨论

硝态氮是冬小麦吸收土壤氮素的主要形式, 主要集中在0～40 cm土层, 且含量随着小麦生育进程的推进, 呈下降趋势[10]。灌水和施氮不仅影响小麦对氮素的吸收和利用, 还会影响硝态氮在土壤剖面的积累和淋溶[15], 随着施氮量增加, 各土层土壤硝态氮含量升高; 施氮量过高则促进硝态氮向下层移动并在深层中累积, 高施氮量后的过量灌溉则加剧硝态氮的淋失[16]。本研究发现, 畦灌模式下拔节期局部供氮处理施肥行0～40 cm土层土壤硝态氮含量平均比非施肥行高25.0%～84.5%, 比均匀供氮处理高16.8%～28.1%; 微喷补灌模式下局部供氮处理施肥行0～40 cm土层土壤硝态氮含量平均比非施肥行高35.5%～112.7%, 比均匀供氮处理高14.9%～31.5%; 传统畦灌处理100～200 cm土层土壤硝态氮含量在均匀供氮条件下比微喷补灌处理高19.0%～25.4%, 在非均匀供氮条件下比微喷补灌处理高17.6%～19.5%。说明采用微喷补灌水肥一体化技术(微喷补灌+拔节期随水追肥均匀供氮)能够显著减少土壤硝态氮向深层土壤的运移, 这可能与微喷补灌明显减少了灌水量, 且拔节期随水追肥均匀供氮相比于开沟条施局部供氮处理的施肥行显著降低了0～40 cm土层土壤硝态氮含量有关。

植物根系对硝态氮浓度高低具有不同的响应。局部施用氮肥可促进营养物质供应区的根系生长、增强供应区的氮吸收, 抑制其他区域的根系生长[17-18]; 但也有研究认为植株在面对局部氮素供应时表现为: 适宜浓度硝态氮供应可促进侧根伸长, 过低或过高浓度硝态氮供应则抑制侧根发育[19-20]、降低根系的生理活性[21]。本研究结果表明, 畦灌模式下, 均匀供氮处理成熟期0～100 cm土层根长密度和根表面积密度两年度平均比施肥行高0.6%和0.2%, 比非施肥行高15.3%和12.5%; 微喷补灌模式下, 均匀供氮处理成熟期0～100 cm土层根长密度和根表面积密度两年度平均比施肥行高6.0%和4.8%, 比非施肥行高28.9%和19.9%。说明局部供氮处理的施肥行相对于非施肥行, 虽然明显提高了0～100 cm土层冬小麦根长密度和根表面积密度, 但是与均匀供氮处理相比并没有优势, 这可能与施肥行土壤硝态氮浓度过高有关(开花期0～20 cm 土层土壤硝态氮含量平均为28.9 mg kg–1)。本研究结果还表明, 在微喷补灌模式下, 均匀供氮较局部供氮提高了开花后0～20 cm土层根系活力, 增强了根系吸收能力, 这可能是由于局部供氮处理0～20 cm土层土壤硝态氮含量过高或过低, 抑制了根系活力。上述结果说明微喷补灌水肥一体化(微喷补灌+拔节期随水追肥均匀供氮)可显著提高根系吸收面积和吸收强度, 这与该处理冬小麦拔节期追肥后土壤硝态氮水平分布较均匀、浓度适宜(开花期0～20 cm土层土壤硝态氮含量平均为22.2 mg kg–1)有关。

在一定供氮条件下, 增加灌水量可提高成穗数和穗粒数, 但千粒重会有所下降, 水分利用效率显著降低[22-23]。本试验中微喷补灌处理与传统畦灌处理相比, 节约用水30.6%～35.5%, 但冬小麦穗数和穗粒数均显著降低, 千粒重则明显提高, 尤其是微喷补灌水肥一体化(微喷补灌+拔节期随水追肥均匀供氮)处理的千粒重增幅最大, 在一定程度上弥补了穗数和穗粒数降低对产量的负面影响, 产量没有明显变化, 但灌溉水投入显著减少, 水分利用效率明显提高。说明微喷补灌节水技术与水肥一体化(拔节期随水追肥均匀供氮)组合, 能够优化冬小麦群体结构、提高成穗质量, 在确保一定穗数和穗粒数的基础上, 通过显著提高粒重达到高产高效的目的。有研究表明, 小麦的氮素收获指数与籽粒产量呈显著正相关, 提高氮素收获指数亦能获得较高的氮素利用效率[24-25]。影响小麦氮素利用率的因素包括施氮量、施氮方式等。前人研究表明在土壤碱解氮含量为102.78 mg kg–1, 施氮量为105～150 kg hm–2时可获得较高的产量和氮素利用率[26]。适宜的水肥配施可提高小麦开花前氮素积累量并促进氮素向籽粒的分配, 进而提高氮素收获指数[27-28]。还有研究认为, 氮肥随水追施可通过提高开花后同化氮素对籽粒的贡献提高小麦籽粒产量和氮素收获指数[29-30]。本研究表明拔节期随水追氮方式可显著提高小麦开花后同化氮素输入籽粒量。灌溉方式与拔节期追氮方式对小麦开花后营养器官中贮存氮素向籽粒再分配的调节存在明显的交互效应, 微喷补灌水肥一体化(微喷补灌+拔节期随水追肥均匀供氮)不仅能显著提高开花后同化氮素输入籽粒量, 而且明显增加开花前营养器官积累的氮素向籽粒再分配量, 这是其氮素吸收效率和氮素利用效率均较高的原因。

4 结论

微喷补灌与畦灌相比, 全生育期灌水量两年度分别减少53.3 mm和45.9 mm, 节约用水35.5%和30.6%。传统畦灌条件下, 拔节期随水追肥均匀供氮与开沟条施局部供氮相比, 小麦籽粒产量和水分与氮素利用效率无显著差异; 在微喷补灌节水条件下, 拔节期随水追肥均匀供氮明显优于开沟条施局部供氮。微喷补灌水肥一体化(微喷补灌+拔节期随水追肥均匀供氮)优化了土壤硝态氮的空间分布, 能够在小麦生育中后期保持较高的供氮水平, 显著提高根系吸收面积和吸收强度, 增加开花后氮素同化量和营养器官向籽粒转运氮素量, 实现了籽粒产量和水分与氮素利用效率的同步提高, 并显著减少土壤硝态氮向1 m土体以下土层淋失。

[1] 郑和祥, 史海滨, 郭克贞, 郝万龙. 不同灌水参数组合时田面坡度对灌水质量的影响研究. 干旱地区农业研究, 2011, 29(6): 43–48.

Zheng H X, Shi H B, Guo K Z, Hao W L. Study on influence of field surface slope on irrigation efficacy in combination with different irrigation parameters.,2011, 29(6): 43–48 (in Chinese with English abstract).

[2] 何昕楠, 林祥, 谷淑波, 王东. 微喷补灌对麦田土壤物理性状及冬小麦耗水和产量的影响. 作物学报, 2019, 45: 879–892.

He X N, Lin X, Gu S B, Wang D. Effects of supplemental irrigation with micro-sprinkling hoses on soil physical properties, water and grain yield of water wheat., 2019, 45: 879–892 (in Chinese with English abstract).

[3] 王东. 黄淮流域冬小麦按需补灌方法及其应用. 水土保持学报, 2017, 31(6): 220–228.

Wang D. A Method of supplement irrigation on-demand for winter wheat and application in the Huang-Huai Plain., 2017, 31(6): 220–228 (in Chinese with English abstract).

[4] 徐学欣, 王东, 谷淑波. 微喷带补灌对冬小麦耗水特性和产量的影响. 麦类作物学报, 2016, 36: 472–482.

Xu X X, Wang D, Gu S B. Effect of supplement irrigation with mico-sprinkling hoses on water consumption characteristics and grain yield of winter wheat., 2016, 36: 472–482 (in Chinese with English abstract).

[5] 徐学欣, 王东. 微喷补灌对冬小麦旗叶衰老和光合特性及产量和水分利用效率的影响. 中国农业科学, 2016, 49: 2675–2686.

Xu X X, Wang D. Effects of supplemental irrigation with micro-sprinkling hoses on flag leaves senescence and photosynthetic characteristics, grain yield and water use efficiency in winter wheat., 2016, 49: 2675–2686 (in Chinese with English abstract).

[6] Wang D. Water use efficiency and optimal supplemental irrigation in a high yield wheat field., 2017, 213: 213–220.

[7] Ma L S, Li Y J, Wu P T, Zhao X N, Chen X L, Gao X D. Effects of varied water regimes on root development and its relations with soil water under wheat/maize intercropping system., 2019, 439: 1–2.

[8] 尹飞, 王俊忠, 孙笑梅, 李洪岐, 付国占, 裴瑞杰, 焦念元. 夏玉米根系与土壤硝态氮空间分布吻合度对水氮处理的响应. 中国农业科学, 2017, 50: 2166–2178.

Yin F, Wang J Z, Sun X M, Li H Q, Fu G Z, Pei R J, Jiao N Y. Response of spatial concordance index between maize root and soil nitrate distribution to water and nitrogen treatments., 2017, 50: 2166–2178 (in Chinese with English abstract).

[9] Robinson D. Root proliferation, nitrate inflow and their carbon costs during nitrogen capture by competing plants in patchy soil., 2001, 232: 41–50.

[10] 张嫚, 周苏玫, 杨习文, 周燕, 杨蕊, 张珂珂, 贺德先, 尹钧. 减氮适墒对冬小麦土壤硝态氮分布和氮素吸收利用的影响. 中国农业科学, 2017, 50: 3885–3897.

Zhang M, Zhou S M, Yang X W, Zhou Y, Yang R, Zhang K K, He D X, Yin J. Effects of nitrogen-reducing and suitable soil moisture on nitrate nitrogen distribution in soil, nitrogen absorption and utilization of winter wheat., 2017, 50: 3885–3897 (in Chinese with English abstract).

[11] 黄玲, 杨文平, 胡喜巧, 陶烨, 姚素梅, 欧行奇. 水氮互作对冬小麦耗水特性和氮素利用的影响. 水土保持学报, 2016, 30(2): 168–174.

Huang L, Yang W P, Hu X Q, Tao Y, Yao S M, Ou X Q. Effects of Irrigation and nitrogen interaction on water consumption characteristic and nitrogen utilization of winter wheat., 2016, 30(2): 168–174 (in Chinese with English abstract).

[12] 王东, 苑进. 小麦玉米周年生产变量肥水一体化灌溉系统. 中国专利号: 201410499375.7. 2014-09-25.

Wang D, Yuan J. Annual Production of Wheat and Maize Ferti­lizer Water Integrated Irrigation System. China Patent, No. 201410499375.7. 2014-09-25 (in Chinese).

[13] 山东省质量技术监督局. 小麦微喷补灌节水技术规程, DB37/T3174–2018.

Shandong Provincial Bureau of Quality and Technical Supervision. The water-saving technical regulation of supplemental irrigation with mico-sprinkling facilities for wheat. DB37/ T3174–2018 (in Chinese).

[14] 郑飞娜, 初金鹏, 张秀, 费立伟, 代兴龙, 贺明荣. 播种方式与种植密度互作对大穗型小麦品种产量和氮素利用率的调控效应. 作物学报, 2020, 46: 423–431.

Zheng F N, Chu J P, Zhang X, Fei L W, Dai X L, He M R. Interactive effects of sowing pattern and planting density on grain yield and nitrogen use efficiency in large spike wheat cultivar., 2020, 46: 423–431 (in Chinese with English abstract).

[15] 栗丽, 洪坚平, 王宏庭, 谢英荷. 水氮互作对冬小麦氮素吸收分配及土壤硝态氮积累的影响. 水土保持学报, 2013, 27(3): 138–142.

Su L, Hong J P, Wang H T, Xie Y H. Effects of nitrogen and irrigation interaction on nitrogen uptake and distribution in winter wheat and nitrate accumulation in soil., 2013, 27(3): 138–142 (in Chinese with English abstract).

[16] Van der Werf A, Nagel O W. Carbon allocation to shoots and roots in regulation to nitrogen supply is mediated by cytokinins and sucrose opinion., 1996, 185: 21–32.

[17] 高翔, 陈磊, 云鹏, 王盛锋, 刘荣乐, 汪洪. 土壤剖面硝态氮非均匀分布条件下小麦根系生长和氮素吸收特征. 麦类作物学报, 2012, 32: 270–279.

Gao X, Chen L, Yun P, Wang S F, Liu R L, Wang H. Effects of nitrogen heterogeneous supply in different soil layers on root growth and plant nitrogen uptake of wheat., 2012, 32: 270–279 (in Chinese with English abstract).

[18] 王绍辉, 张福墁. 局部施肥对植株生长及根系形态的影响. 土壤通报, 2002, (2): 153–155.

Wang S H, Zhang F M. Effect of localized supply of fertilizer on growth and morphological of crops., 2002, (2): 153–155 (in Chinese with English abstract).

[19] Gao K, Chen F J, Yuan L X, Zhang F S, Mi G H. A comprehensive analysis of root morphological changes and nitrogen allocation in maize in response to low nitrogen stress., 2015, 38: 740–750.

[20] Zhang H, Rong H L, Pilbeam D. Signalling mechanisms underlying the morphological responses of the root system to nitrogen in., 2007, 58: 2329–2338.

[21] 郭曾辉, 雒文鹤, 刘朋召, 师祖姣, 王瑞, 李军. 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. 麦类作物学报, 2021, 41: 1256–1265.

Guo Z H, Luo W H, Liu P Z, Shi Z J, Wang R, Li J. Effect of different irrigation and nitrogen treatments on water and nitrogen efficiency and yield of winter wheat under micro-sprinkler irrigation., 2021, 41: 1256–1265 (in Chinese with English abstract) .

[22] 张笑培, 周新国, 王和洲, 杨慎骄, 陈金平, 刘安能. 拔节期水氮处理对冬小麦植株生长及氮肥吸收利用的影响. 灌溉排水学报, 2021, 40(10): 64–70.

Zhang X P, Zhou X G, Wang H Z, Yang S J, Chen J P, Liu A N. The combined impact of irrigation and fertigation on nitrogen uptake of winter wheat at jointing stage., 2021, 40(10): 64–70 (in Chinese with English abstract).

[23] 张帆, 周加森, 马阳, 吴敏, 张世卿, 绳莉丽, 王贵霞, 王艳群,彭正萍. 水氮调控对冬小麦光合特性和产量的影响. 中国土壤与肥料, 2021, (1): 70–74.

Zhang F, Zhou J S, Ma Y, Wu M, Zhang S Q, Sheng L L, Wang G X, Wang Y Q, Peng Z P. Effects of water and nitrogen regulation on photosynthetic characteristics and yield of winter wheat., 2021, (1): 70–74 (in Chinese with English abstract).

[24] 郭曾辉, 刘朋召, 雒文鹤, 王瑞, 李军. 限水减氮对关中平原冬小麦氮素利用和氮素表观平衡的影响. 应用生态学报, 2021, 32: 4359–4369.

Guo Z H, Liu P Z, Luo W H, Wang R, Li J. Effects of water limiting and nitrogen reduction on nitrogen use and apparent balance of winter wheat in the Guanzhong Plain, northwest China., 2021, 32: 4359–4369 (in Chinese with English abstract).

[25] 赵俊晔, 于振文. 不同土壤肥力条件下施氮量对小麦氮肥利用和土壤硝态氮含量的影响. 生态学报, 2006, 26: 815–822. Zhao J Y, Yu Z W. Effects of nitrogen rate on nitrogen fertilizer use of winter wheat and content of soli nitrate-N under different fertility condition., 2006, 26: 815–822 (in Chinese with English abstract).

[26] 杨磊, 夏炎, 韩自强, 王军, 宋贺, 董召荣, 车钊. 氮素调控措施对小麦植株氮素同化过程和产量的影响. 麦类作物学报, 2019, 39: 1195–1201.

Yang L, Xia Y, Han Z Q, Wang J, Song H, Dong Z R, Che Z. Effects of nitrogen regulation on nitrogen assimilation and yield of wheat., 2019, 39: 1195–1201 (in Chinese with English abstract).

[27] Bushong J T, Mullock J L, Miller E C, Raun W R, Arnall D B. Evaluation of mid-season sensor based nitrogen fertilizer recommendations for winter wheat using different estimates of yield potential., 2016, 17: 470–487.

[28] Grahmann K, Govaerts B, Fonteyne S, Guzman C, Soto A P G, Buerkert A, Verhulst N. Nitrogen fertilizer placement and timing affects bread wheat () quality and yield in an irrigated bed planting system., 2016, 106: 185–199.

[29] 马伯威, 王红光, 李东晓, 李瑞奇, 李雁鸣. 水氮运筹模式对冬小麦产量和水氮生产效率的影响. 麦类作物学报, 2015, 35: 1141–1147.

Ma B W, Wang H G, Li D X, Li R Q, Li Y M. Influence of water-nitrogen patterns on yield and productive efficiency of water and nitrogen of winter wheat., 2015, 35: 1141–1147 (in Chinese with English abstract).

[30] 李金鹏, 王志敏, 张琪, 徐学欣, 王云奇, 刘洋, 周顺利, 张英华. 微喷灌和氮肥用量对冬小麦籽粒灌浆和氮素吸收利用的影响. 华北农学报, 2016, 31(增刊1): 1–10.

Li J P, Wang Z M, Zhang Q, Xu X X, Wang Y Q, Liu Y, Zhou S L, Zhang Y H. Effect of micro-sprinkling irrigation and nitrogen application rate on grain.-, 2016, 31(S1): 1–10 (in Chinese with English abstract).

Effects of supplemental irrigation with micro-sprinkling hoses and water and fertilizer integration on yield and water and nitrogen use efficiency in winter wheat

WANG Xue1, GU Shu-Bo1, LIN Xiang2, WANG Wei-Yan2, ZHANG Bao-Jun2, ZHU Jun-Ke3, and WANG Dong2,*

1Shandong Agricultural University, State Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an 271018, Shandong, China;2College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi, China;3Zibo Hefeng Seed Technology Co., Ltd., Linzi 255000, Shandong, China

In order to explore the effects of supplemental irrigation with micro-sprinkling hoses and water and fertilizer integration on yield and water and nitrogen use efficiency in winter wheat, different water and fertilizer management models were tested in winter wheat growing season from 2019 to 2021. Taking Shannong 29 as the experimental material and adopting the split zone design, two main areas of border irrigation (W1) and supplemental irrigation with micro-sprinkling hoses (W2), and two sub areas of uniform nitrogen supply with water during jointing (T1) and local nitrogen supply with furrow and strip application (T2) were set. The results showed that compared with W1 treatment, the irrigation amount during the whole growth period of W2 treatment decreased by 53.3 mm and 45.9 mm, saving water by 35.5% and 30.6% in two years, respectively. Under the same irrigation mode, the content of soil nitrate nitrogen in 0–80 cm soil layer at flowering stage and 0–120 cm soil layer at maturity stage in T2 treatment was significantly higher than that in T1 treatment. In W1 mode, the content of soil nitrate nitrogen in 0–30 cm soil layer of T1 treatment at flowering and maturity stages was significantly higher than that in non-fertilization row of T2 treatment, the root length density and root surface area density in 0–100 cm soil layer at flowering and maturity stages were significantly higher than those in fertilization row and non-fertilization row of T2 treatment, the root activity, nitrogen assimilation, and nitrogen transport from vegetative organs to seeds in 0–20 cm soil layer after flowering. There were no significant differences in nitrogen partial productivity, nitrogen use efficiency, water use efficiency, and grain yield between T2 treatment and T2 treatment. Under W2 mode, the soil nitrate nitrogen content of 0–60 cm soil layer in T1 treatment at flowering and maturity stages was significantly higher than that of non-fertilization row in T2 treatment. The root length density and root surface area density of 0–100 cm soil layer at flowering and maturity stages were significantly higher than that of fertilization row and non-fertilization row in T2 treatment. The root activity, nitrogen assimilation, nitrogen transport from vegetative organs to seeds in 0–20 cm soil layer after flowering, nitrogen uptake efficiency, nitrogen use efficiency, nitrogen partial productivity, water use efficiency, and grain yield were significantly higher than those of T2 treatment. In conclusion, the above results showed that under the condition of traditional border irrigation, there was no significant difference in grain yield, water and nitrogen use efficiency between uniform nitrogen supply with water and topdressing at jointing stage and local nitrogen supply with furrow and strip application. Under the condition of micro spray supplementary irrigation and water saving, the uniform nitrogen supply with water and topdressing at jointing stage was significantly better than the local nitrogen supply of furrow and strip application. The integration of supplemental irrigation with micro–sprinkling hoses and topdressing of fertilizer (supplemental irrigation with micro-sprinkling hoses + uniform topdressing nitrogen with irrigation water at jointing stage) optimized the spatial distribution of soil nitrate nitrogen, which could maintain a high nitrogen supply level in the middle and late growth stage of wheat, significantly improve the absorption area and intensity of roots, and increase the amount of nitrogen assimilation and nitrogen transport from vegetative organs to grains after flowering, thus grain yield, water and nitrogen use efficiency were improved simultaneously.

winter wheat; water and fertilizer integration; nitrate nitrogen; root; nitrogen redistribution

10.3724/SP.J.1006.2023.21009

本研究由山东省重点研发计划项目(LJNY202010)和陕西省重点研发计划项目(2021ZDLNY01-05)资助。

This study was supported by the Key Research & Development Program Project of Shandong Province (LJNY202010) and the Key Research & Development Program Project of Shaanxi Province (2021ZDLNY01-05).

通信作者(Corresponding author):王东, E-mail: wangd@nwafu.edu.cn

E-mail: 1643354122@qq.com

2022-01-29;

2022-06-07;

2022-07-07.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220706.1825.012.html

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).