返青后补灌与氮肥用量对旱地小麦产量及水氮利用效率的影响

赵凯男，吴金芝，黄明，李友军，汪洪涛，黄修利，吴姗薇，张军，赵志明，赵雯馨，李淑靖，李爽，李文娜

返青后补灌与氮肥用量对旱地小麦产量及水氮利用效率的影响

赵凯男，吴金芝，黄明，李友军，汪洪涛，黄修利，吴姗薇，张军，赵志明，赵雯馨，李淑靖，李爽，李文娜

河南科技大学农学院，河南洛阳 471023

【目的】基于高标准农田建设改善了旱地麦田灌溉条件，但小麦季通常仅能进行一次灌溉的生产实际，探索返青后补灌与氮肥互作对旱地小麦生产力、水氮利用以及土壤硝态氮残留的影响，为旱地小麦高产高效和环境友好生产提供理论依据和技术支撑。【方法】于2019—2022年，在黄土高原与黄淮海平原交汇处的典型旱地小麦种植区，设置两因素裂区试验，灌溉水平为主处理，分别为全生育期不灌溉（I0）和返青后补灌（I1，小麦返青后0—40 cm土层首次出现土壤含水量低于田间持水量的60%时，补灌至田间持水量的85%，全生育期仅灌溉一次）。施氮量为副处理，分别为0（N0）、120（N120）、180（N180）和240 kg N·hm-2（N240）。分析小麦产量及其构成因素、水分利用效率、氮素吸收利用特征以及0—200 cm土层硝态氮残留量。【结果】与I0相比，I1优化了小麦产量构成要素，增加了氮素吸收能力，籽粒产量和水分利用效率3年平均分别显著提高55.8%和34.7%，0—200 cm土层硝态氮残留显著降低11.6%。随着施氮量增加，I0水平下小麦产量、穗数、穗粒数和水分利用效率均呈现先升高后下降的趋势，以N180处理最高；而I1水平下表现为先增加后保持稳定，N180和N240处理均保持较高水平。两种灌溉水平下，增加施氮量均显著降低了氮素利用效率、氮肥吸收效率和氮肥偏生产力，但N180处理下氮肥农学效率和氮肥表观利用率与N120相比无显著降低（2021—2022年度I1除外）。无论灌溉与否，增加施氮量均提高了成熟期麦田土壤硝态氮残留量，I0水平下各施氮处理硝态氮主要富集在0—60 cm土层，且N180和N240处理在0—200 cm土层出现逐年累积效应；而I1较I0显著降低了0—60 cm土层硝态氮残留量，0—200 cm土层仅在N240处理下出现硝态氮累积。从互作效应看，3年试验中，I1N180和I1N240组合均具有较高的籽粒产量和水分利用效率，但I1N180较I1N240降低了生育期耗水量和土壤硝态氮残留量，并提高了氮效率。【结论】小麦返青后补灌配施氮肥180 kg N·hm-2可以优化产量构成要素，提高植株氮素积累量及积累强度，不仅在提高小麦产量的同时获得最优氮效率，还能降低0—200 cm土层硝态氮残留量，是旱地小麦在灌溉条件改善后兼顾小麦高产高效和环境友好生产的水肥组合。

返青后补灌；氮肥用量；旱地；小麦；产量；水分利用效率；硝态氮残留

0 引言

【研究意义】干旱胁迫和氮肥过量是我国旱地小麦高产高效生产的主要限制因素。因水资源短缺，旱地小麦多采用“雨养”种植，其生长发育过程中面临的干旱胁迫，易造成小麦产量低而不稳，氮肥利用效率降低，土壤硝态氮高量残留等多种不利影响[1]。近年来，我国加快推进高标准农田进程，强化农田水利建设，很大程度上改善了旱地“靠天吃饭”的状况。因此，立足于旱地灌溉条件有所改善的生产实际，研究旱地小麦灌溉与氮肥互作的产量效应及水氮利用能力，对粮食高产、资源高效以及环境保护均有重要意义[2]。【前人研究进展】水分和氮肥是调控作物生长的重要因素，合理灌溉和科学施氮可以大幅度提高作物产量，而水、氮过量和长期干旱胁迫则会降低肥料利用效率，加重资源浪费和环境污染[3]。关中平原地区，小麦季灌溉600和1200 m3·hm-2较不灌溉增产14.9%—300.1%，但灌溉处理间差异不显著，且600 m3·hm-2处理利于提高水分和氮素利用效率，降低土壤硝态氮深层淋失风险[1]。华北平原地区，小麦季0—40 cm土层测墒补灌较定量灌溉（120 mm）减少用水26.9—46.9 mm，水分利用效率提高16.2%—16.7%，灌溉效益增加34.0%—68.1%[4]。关于阶段性干旱的研究表明，小麦拔节后0—5 d 保持土壤相对含水量65%—70%时，籽粒产量与全生育期充分供水（75%— 80%）无显著差异，而持续干旱则会大幅度降低分蘖成穗率、小穗数、穗粒数，最终导致小麦减产[5]。科学施氮是提高小麦产量的有效途径，我国小麦推荐施氮量为150—225 kg N·hm-2[6]，但实际生产中氮肥投入量远超作物生长需求，导致小麦氮肥利用效率低下，不仅造成氮肥资源浪费，而且过多氮素积累在土壤中易引起土壤硝态氮深层淋溶等环境问题[7]。已有研究表明，合理施氮能够促进作物健壮生长，改善水肥吸收能力，增强植株抗旱性，从而降低干旱胁迫造成的不利影响[8-9]。然而，不同土壤水分条件下，氮素对作物的影响存在差异[9-13]。CLAY等[10]研究表明，适宜水分和干旱胁迫下氮肥对小麦生长分别表现为正向和负向调节效应，而适度干旱则无显著影响。河北小麦节水稳产研究表明，拔节期灌溉75 mm配施氮肥120 kg N·hm-2，可在维持较高产量的前提下，降低生育期耗水量，提高水分利用效率，实现稳产与节水协同[11]。山东灌溉试验表明，干旱胁迫降低了氮肥增产效果，而播前和拔节期各灌水60 mm，能够促进小麦对20—140 cm土层水肥的吸收，减少硝态氮向100 cm以下土层淋溶，利于提高籽粒产量[12]。豫北水氮互作研究也表明，不灌溉或生育期灌一次水时，小麦最佳氮肥用量为180—240 kg N·hm-2，而灌两次水时则为240 kg N·hm-2，且水氮互作显著影响植株氮素的积累与转运[13]。【本研究切入点】目前，关于灌溉和氮肥对小麦产量和氮肥吸收利用的研究主要集中于灌溉条件较好或沿河流分布的农业区，而在灌溉条件较差的旱作区，灌溉以及灌溉与氮肥互作对旱地小麦产量、水氮吸收利用以及土壤硝态氮残留的影响尚缺乏研究，特别是在小麦返青后耗水量迅速增加的关键时期，通过测定土壤墒情适时补灌以缓解持续干旱造成不利影响的研究较少。随着我国高标准农田建设的推进，旱区灌溉条件得到改善，小麦生育期内可以实现一次灌溉，如何利用好有限的水资源并配套适宜的施氮量尚有待深入探索。【拟解决的关键问题】因此，本研究在黄土高原与黄淮海平原交汇处的典型旱地小麦种植区，设置了连续3年的田间试验，研究旱地小麦返青后补灌与氮肥互作对产量、水氮利用效率以及0—200 cm土层硝态氮残留的影响，以明确与返青后补灌配施的氮肥用量，为实现旱地小麦高产高效和环境友好生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况和降水分布特征

试验地位于黄土高原与黄淮海平原交汇处的河南省洛阳市孟津区小浪底镇明达村，为典型旱地小麦种植区。该区属于半湿润易旱区，海拔120—481 m，年均气温13.7 ℃，日照时数2 270.1 h，无霜期235 d，20年平均降雨量为577.7 mm，其中约66.3%的降水集中在6—9月，且春旱发生频率高，1—3月多年平均降雨量为36.3 mm。冬小麦-夏玉米轮作是当地主要的种植制度。试验开始前0—20 cm耕层有机质含量14.7 g·kg-1、全氮1.11 g·kg-1、速效磷9.04 mg·kg-1、速效钾139.6 mg·kg-1、土壤pH 7.57，0—40 cm土层田间持水量为27.4%，0—200 cm土层硝态氮残留量438.2 kg·hm-2。试验期间逐月降雨量和近20年月均降雨量见图1，其中2020年5月10日前后，伴有一次强降雨，且雨后温度骤升，14：00时相对湿度＜40%，属于雨后青枯型干热风灾害；2021年5月14—16日连续3 d降水达到42.6 mm，但未形成干热风农业气象灾害；2021年6—10月出现连续高量降雨，降水量达1031.9 mm，约为常规年份的2.5倍。

图1 2019年6月至2022年5月逐月降雨量及近20年月均降雨量

1.2 试验设计与田间管理

试验于2019年9月至2022年6月进行，采用两因素裂区设计，主区为全生育期不灌溉（I0）和返青后补灌（I1）两种灌溉水平，副区为0（N0）、120（N120）、180（N180）和240 kg N·hm-2（N240），4个氮肥用量。返青后补灌处理，在小麦生育期仅灌溉一次，即返青后0—40 cm土层土壤含水量首次出现低于田间持水量的60%时，补灌至田间持水量的85%；小麦返青后每3天测定一次土壤含水量；补灌量计算采用水分平衡法，补灌量（mm）=10×ρb×H×（βi-βj）[14]。H为计划湿润土层深度（cm)；βi为0—40 cm土层目标土壤含水量的平均值（%，田间持水量乘以目标土壤相对含水量）；βj为补灌前0—40 cm土层土壤含水量的平均值；ρb为计划湿润层内土壤平均容重（g·cm-3）。灌水量用水表计量，返青后0—40 cm土层土壤水分动态变化及补灌量分别见图2和表1。每个处理3次重复，小区面积为24.5 m2（3.5 m×7 m）。供试化肥分别为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含 P2O512%）和硫酸钾（含 K2O 50%）。不灌溉处理，全部氮、磷（90 kg P2O5·hm-2）、钾（60 kg K2O·hm-2）肥在小麦播种前3 d 人工均匀撒入相应小区，然后旋耕（15 cm）将肥料混入土壤；返青后补灌处理，50%氮肥以及全部磷钾肥基施，50%氮肥于返青后随补水追施。供试小麦品种为洛旱22，播量为187.5 kg·hm-2，于10月中下旬播种，6月初收获。病虫草害防治等田间管理措施按照当地农民生产习惯进行。

图2 返青后麦田0—40 cm土层土壤含水量动态变化

表1 试验期间麦田补灌前土壤含水量、目标含水量及灌水量

1.3 测定项目与方法

1.3.1 小麦生育期耗水量及水分利用效率的测定 于小麦播前和收获后3—5 d，使用直径4.0 cm土钻，分别从各小区采集0—200 cm土层土样，每20 cm为一层。将土样带至实验室内，在铝盒内装入（50±5）g 鲜土，于105 ℃烘至恒重，计算土壤含水量。土壤贮水量、生育期耗水量及水分利用效率参照LI等[15]描述的方法计算。

土壤贮水量SWS（mm）= 10×D×H×W

式中，SWS为0—200 cm土层土壤贮水量（mm）；

D为土壤容重（g·cm-3）；H为土层厚度（cm）；W为土壤含水量（%）。

生育期耗水量ET（mm）= R+U-S-F-ΔW

式中，R为小麦生育期降水量（mm）；U为地下水补给量（mm）；S为径流量（mm）；F为深层渗漏量（mm）；ΔW为小麦播前与收获后0—200 cm土层土壤贮水量之差（mm）。当地下水埋深大于2.5 m，多年份降雨入渗深度不超过2 m时，U、S、F值可以忽略不计，本试验地下水埋深5 m，且多年份降雨入渗深度不超过2 m，故U、S和F均为0。

水分利用效率WUE（kg·hm-2·mm-1）= Y/ET

式中，Y为籽粒产量（kg·hm-2），ET为生育期耗水量（mm）。

1.3.2 小麦植株氮素积累的测定 分别于小麦拔节、开花和成熟期，在各小区随机取50株小麦，剪去根系后进一步处理，开花期分成茎叶鞘和穗，成熟期分成茎叶鞘、穗轴+颖壳（简称颖壳）和籽粒。70 ℃烘至恒重，测定干重后将样品粉碎，用以测定植株全氮含量。全氮含量采用H2SO4-H2O2方法进行消解，采用AA3高通量连续流动分析仪（SEAL公司，德国）测定消解液中全氮含量（mg·L-1）[16]。各器官氮素积累量为该器官干物质量与其全氮含量的乘积，植株氮素积累量为各器官氮素积累量之和[17]。

1.3.3 籽粒产量及其构成要素的测定 于小麦4叶期，在各小区选择具有代表性的1 m双行进行定苗，全生育期不进行采样等操作，用以统计茎蘖数。小麦收获期，在各小区随机选择4个1 m×1 m样方，混合后脱粒并称重，取籽粒（50±5）g，70 ℃烘至恒重，测定籽粒含水量，籽粒产量以12.5%的含水量折算产量（kg·hm-2）。同时各小区随机取50株小麦测定穗粒数和千粒重，穗粒数和千粒重使用自动考种分析仪（万深SC-G）测定。

1.3.4 土壤硝态氮残留量的测定 于小麦收获期，从各小区采集0—200 cm土层土样（取样方法同1.3.1）。用1 mol·L-1KCl溶液50 mL浸提，在25—28 ℃下振荡浸提1 h并过滤至透明塑料瓶，使用AA3高通量连续流动分析仪（SEAL公司，德国）测定浸提液中硝态氮含量（mg·L-1）。硝态氮残留量（NA，kg·hm-2）采用DAI等[18]的计算方法，NR=Hi×Di×Ci×0.1，Hi为土层厚度（cm），Di为该土层土壤容重（g·cm-3），Ci为相应土层土壤硝态氮含量（mg·kg-1），0.1为转换系数。

1.3.5 相关参数计算

植株氮素积累强度（kg·hm-2·d-1）=（当前生育时期地上部氮素积累量-前一生育时期地上部氮素积累量）/间隔天数[19]；

氮素利用效率（kg·kg-1）=籽粒产量/成熟期地上部氮素积累量[1, 17]；

氮肥吸收效率（kg·kg-1）=成熟期地上部氮素积累量/施氮量[2,17]；

氮肥农学效率（kg·kg-1）=（施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量）/施氮量[1, 20]；

氮肥偏生产力（kg·kg-1）=籽粒产量/施氮量[2,17]；

氮肥表观利用率（%）=（施氮区地上部氮素积累量-不施氮区地上部氮素积累量）/施氮量×100[20]。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2019软件计算各处理的平均数、标准差，利用SPSS 23软件进行处理间差异显著性分析（新复极差法，Duncan)，＜0.05为显著差异。图表采用Microsoft Excel 2019制作。

2 结果

2.1 补灌与施氮对小麦产量及其构成要素的影响

由表2可知，灌溉与氮肥对旱地小麦籽粒产量及其构成要素具有显著的调节作用。3年试验结果表明，I1较I0显著增加了籽粒产量，在2019—2020、2020—2021、2021—2022年度以及3年均值分别显著提高75.7%、76.2%、26.3%和55.8%。增加施氮量对籽粒产量的影响因灌溉水平的不同存在差异。I0水平下，籽粒产量均在N180处理下达到最大值，其中，2019—2020和2020—2021年度较N0、N120、N240处理分别显著提高33.7%、14.4%、7.0%和39.4%、9.1%、6.0%，2021—2022年度较N0和N120处理分别显著提高29.7%和17.9%；I1水平下，籽粒产量均在N240处理下达到最大值，显著高于N0和N120处理，但与N180处理差异不显著。穗数和穗粒数变化规律与籽粒产量基本一致，I1水平下N180和N240处理均可达到较高水平。返青后补灌和增加施氮量均降低了千粒重，其中2019—2020和2020—2021年度，I1较I0分别显著降低11.4%和12.5%；2019—2020、2020—2021和2021—2022年度，N240较N0分别显著降低7.1%、8.7%和10.2%。综上，返青后补灌主要是通过显著提高穗数和穗粒数来增加籽粒产量。

2.2 补灌与施氮对小麦生育期耗水量及水分利用效率的影响

灌溉与氮肥对小麦生育期耗水量及水分利用效率具有显著的调控作用（表3）。与I0相比，I1生育期耗水量在2019—2020、2020—2021、2021—2022年度以及3年均值分别显著提高55.6、54.9、46.2和52.2 mm，水分利用效率分别显著提高51.5%、50.4%、10.8%和34.7%。两种灌溉水平下，小麦生育期耗水量均随施氮量的增加而增加，在N240处理下达到最大值（除2020—2021年度I0外），其中，I0水平下，较N0、N120和N180处理，3年均值分别显著增加34.0、26.2和14.0 mm，I1水平下显著增加34.1、13.8和13.3 mm。施氮量对水分利用效率的影响因灌溉水平的不同存在差异，I0水平下，水分利用效率均为N180处理达到最大值，在2019—2020、2020—2021和2021—2022年度较其他氮肥处理分别提高5.4%—24.5%、4.9%— 33.9%和10.9%—20.4%，3年均值提高9.5%—26.1%；I1水平下，水分利用效率在 N180和N240处理下均保持较高水平，其中，2019—2020和2020—2021年度较其他氮肥处理分别提高3.1%—15.5%和4.9%—17.4%，而2021—2022年度在N120、N180和N240处理间无显著差异。小麦生育期耗水量在不同生产年度间差异显著，其中2020—2021年度生育期耗水量较2019—2020和2021—2022年度分别显著降低36.5 和12.9 mm；水分利用效率在2020—2021和2021—2022年度间无显著差异，但较2019—2020年度分别显著提高26.1%和29.1%。

表2 不同处理对旱地小麦籽粒产量及其构成因素的影响

同一列数据后的不同小写字母，表示同一年度处理间差异显著（＜0.05）；*和**分别表示方差在＜0.05和＜0.01水平显著

Different lowercase letters in the same column indicate significant difference among treatments in same year at＜0.05. * and ** indicate statistical significance of variance at＜0.05和＜0.01, respectively

表3 不同处理对旱地小麦生育期耗水量及水分利用效率的影响

数据后不同小写字母表示同一年度处理间差异显著，不同大写字母表示不同年度间差异显著（＜0.05）；*和**分别表示方差在＜0.05和＜0.01水平显著

Different lowercase letters in the same column indicate significant difference among treatments in same year, and different capital letters indicate significant difference among each year (＜0.05). * and ** indicate statistical significance of variance at＜0.05和＜0.01, respectively

2.3 补灌与施氮对小麦不同生育时期植株氮素积累的影响

由图3可知，旱地小麦植株氮素积累量随生育进程的推进呈现增加趋势，且两年变化规律相同，但不同灌溉水平下，施氮量对植株氮素积累量的影响存在差异。I0水平下，2020—2021年度拔节期植株氮素积累量在N180处理下达到最大值，较N0、N120和N240分别显著提高117.4%、29.5%和10.0%，而开花和成熟期以及2021—2022年度各生育时期均表现为N240≈N180＞N120＞N0。I1水平下，各生育时期植株氮素积累量均随施氮量增加显著提高，且均以N240处理最高，其中，拔节期两年均值较N0、N120和N180处理分别显著提高112.3%、25.4%和7.8%，开花期显著提高108.1%、25.5%和7.0%，成熟期显著提高95.7%、24.7%和7.4%。相同施氮量下，I1水平氮素积累量均显著高于I0，其中，拔节、开花和成熟期两年均值分别提高21.5%—39.2%、40.8%—54.2%和30.6%—50.6%。说明，返青后补灌能提高植株氮素积累量，且提高幅度表现为开花期＞成熟期＞拔节期。

误差线为标准差，图中不同小写字母表示同一生育时期处理间在P＜0.05水平差异显著

2.4 补灌与施氮对小麦不同生育阶段植株氮素积累强度的影响

由图4可知，两种灌溉水平下，旱地小麦植株氮素积累强度均随生育进程的推进呈现先升高后下降的变化趋势，以拔节至开花阶段达到最高，开花至成熟阶段次之。不同灌溉水平下，各生育阶段植株氮素积强度对施氮量的响应存在差异。I0水平下，拔节至开花阶段植株氮素积累强度随施氮量增加显著提高，在N240 处理下达到最高值，两年均值较N0、N120和N180处理分别显著提高79.7%、28.0%和14.0%，而播种-拔节和开花-成熟阶段均在N180处理下达到最高值，两年均值较N0、N120、N240处理分别显著提高115.2%、28.2%、6.4%和30.3%、16.7%、19.9%。I1水平下，除2020—2021年度开花-成熟阶段较N180处理略有下降外，其他各生育阶段植株氮素积累强度均以N240处理最高，其中，播种-拔节阶段两年均值较N0、N120和N180处理分别显著提高112.4%、25.4%和7.7%，拔节—开花期提高109.2%、25.6%和5.8%（＞0.05），开花至成熟期显著提高43.7%、20.9%和11.6%。相同施氮量下（N0除外），在播种-拔节和拔节-开花阶段，I1水平植株氮素积累强度均显著高于I0，两年均值分别显著提高21.3%—39.0%和55.8%—67.9%，而开花-成熟阶段仅N240处理在2021—2022年度显著提高30.9%。可见，返青后补灌可改善不同生育阶段植株氮素积累强度，且在播种—拔节和拔节—开花阶段表现最佳。

误差线为标准差，图中不同小写字母表示同一阶段处理间在P＜0.05水平差异显著

2.5 补灌与施氮对小麦氮素吸收与利用的影响

由表4可知，与I0相比，I1可提高氮素利用效率、氮肥吸收效率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力以及氮肥表观利用率，3年均值分别显著提高10.6%、43.8%、42.0%、55.4%和 58.1%。增加施氮量显著降低了氮素利用效率、氮肥吸收效率和氮肥偏生产力，但I1水平下各指标均高于I0，其中N120处理下3年均值分别显著提高12.1%、42.9%和59.3%，N180处理下分别显著提高5.4%、40.4%和47.9%，N240处理下分别显著提高6.3%、50.0%和59.0%。施氮量对氮肥农学效率和氮肥表观利用率的影响在不同生产年度间略有差异，除2021—2022年度I1外，N180的氮肥农学效率和氮肥表观利用率较N120处理未显著降低甚至显著增加。相同施氮量下，I1较I0氮肥农学效率和氮肥表观利用率3年均值分别显著提高16.2%—62.1%和49.1%—72.%，表明，适量增加施氮量能够稳定或提高旱地小麦氮肥农学效率和氮肥表观利用率，且返青后补灌下具有较高的氮效率。

表4 不同处理对小麦氮素吸收和利用的影响

同一列数据后的不同小写字母，表示同一年度处理间差异显著（＜0.05)；*和**分别表示处理间差异在＜0.05和＜0.01水平显著

Different lowercase letters in the same column indicate significant difference among treatments in same year at＜0.05. * and ** indicate statistical significance of variance at＜0.05 and＜0.01, respectively

2.6 补灌与施氮对旱地麦田土壤硝态氮残留的影响

由图5可知，灌溉方式显著影响着0—200 cm土层硝态氮的空间分布，I0水平下，随着土层深度的增加，土壤硝态氮残留量呈下降趋势，而I1水平下，2019—2020和2020—2021年度呈现先降低（60 cm）后升高（160 cm）再降低的“S”形变化趋势，2021—2022年度，因受播种前和生育期内降水的影响，除N240处理土壤硝态氮残留量在80—200 cm土层出现小幅度上升趋势外，其他处理变化规律与I0水平下相似。相同施氮量下（N0除外），I1较I0降低了0—60 cm土层硝态氮残留量，在2019—2020、2020—2021和2021—2022年度分别显著降低33.3%—48.5%、59.0%—63.9%、49.4%—55.0%，而60—200 cm土层硝态氮残留量分别显著提高13.3%—17.0%、18.3%— 28.4%、41.8%—88.3%，就0—200 cm土层硝态氮残留量来看，3年均值I1较I0显著降低8.9%—19.9%。

两种灌溉水平下，增加施氮量均提高了成熟期麦田0—200 cm土层硝态氮残留量。在2019—2020、2020—2021和2021—2022年度，I0水平下，N240较其他氮肥处理分别显著提高15.0%—115.5%、16.1%— 439.6%和54.6%—312.4%，I1水平下，分别显著提高18.8%—127.3%、19.2%—709.4%和84.5%—344.9%。与试验起始时（2019—2020播前，438.2 kg·hm-2）相比，2020—2021年成熟期，I1水平下N0和N120处理0—200 cm土层硝态氮残留量分别显著降低77.3%和28.4%，而N180和N240处理分别显著提高5.8%和22.7%；I1水平下，N0、N120和N180 处理分别显著降低85.8%、32.8%和3.7%，在N240 时显著提高14.8%。2021—2022年成熟期，各处理0—200 cm土层硝态氮残留量较2019—2020和2020—2021年度均有所降低，且主要富集在0—60 cm土层，其中，I0水平下各氮肥处理0—60 cm土层硝态氮残留量占0—200 cm土层硝态氮总量的55.5%—82.5%，I1水平下占39.7%—59.8%。

误差线为标准差。*和**分别表示差异在P＜0.05和P＜0.01水平显著

3 讨论

3.1 补灌与氮肥互作提高小麦产量和水分利用效率

灌水和施氮是优化产量构成要素，实现小麦高产的重要措施[21-22]，小麦返青后需水量快速增加，尤其拔节-开花期作为需水生理临界期，需（耗）水量最多，该时期适宜的土壤水分有利于提高群体数量，协调产量构成要素，对保障小麦稳产高产具有重要意义[23-24]。本研究表明，与I0相比，I1水平下小麦生育期耗水量3年均值提高52.2 mm，但穗数、穗粒数、籽粒产量和水分利用效率分别显著提高29.4%、28.9%、55.8%和34.7%，说明返青后适时补灌可实现旱地小麦高产和水分高效。增产增效的主要原因在于，通过连续测定小麦根系主要分布土层（0—40 cm）的土壤水分含量，当其降至轻度至中度干旱范围时，及时补灌至适宜水分状态[14, 25]，既能够改善耕层土壤水分状况以促进分蘖和幼穗分化，保障田间群体数量，又能够达到节约水资源的目的，最终实现旱地小麦高产高效生产[26]；而不灌溉条件下，因该地区小麦生育期降雨量仅为81.6—252.8 mm（图1），尤其在返青-开花期有效降水量仅为11.1—88.3 mm（图1），难以满足植株正常生长需要，导致分蘖大量消亡，最终造成小麦减产[27]。豫中节水灌溉研究结果也表明，与自然降水相比，拔节后土壤相对含水量保持在70%±5%时，穗数、穗粒数和千粒重分别提高19.2%、11.3%和7.8%，产量提高13.8%[2]。山东测墒补灌研究表明，与补灌深度0—20 和0—140 cm相比，补灌深度为0—40 cm时，穗数、穗粒数和千粒重分别提高5.9%—9.1%、6.3%—10.7%和3.1%—7.8%，产量和水分利用效率提高7.0%—26.5%和-1.8%—7.7%[28]。本研究中，2019—2020和2020—2021年度，千粒重I1较I0处理分别显著降低11.4%和12.5%，可能是由于返青后补灌显著提高了群体数量和穗粒数（表2），但在生育期仅灌溉一次的情况下，较大的群体使籽粒灌浆能力有所降低，因此无法同水资源充足的灌区一样实现产量三要素的同步提高。此外，田间调查发现，返青后补灌小麦生育进程较不灌溉推迟3 d左右，2019—2020年度灌浆期干热风造成籽粒灌浆时间减少，而2020—2021年度灌浆中期连续3 d 较高的降雨量（共42.6 mm）也降低了处理间的差异，最终在多种因素共同作用下，导致返青后补灌的千粒重较不灌溉有所下降。

本研究中，增加施氮量，I0水平下穗数、穗粒数、籽粒产量以及水分利用效率均呈现先增后降的变化趋势，3年中均以N180处理最高，而I1处理改善了土壤水分状况，因此上述指标表现为先增加后稳定，在N180和N240处理下均保持较高水平，说明不灌溉条件下增加施氮量，虽然能够提高小麦生产力，但施氮量超过180 kg N·hm-2后增产能力会显著降低，而返青后补灌改善了土壤水分状况，促进了小麦生长发育，对氮素的需求随之提高[13]，因此在240 kg N·hm-2施氮量下依然可以保持较高的生产能力。此外，虽然2021—2022年度生育期降雨量仅为81.6 mm，但播种前夏季降雨量高达1 031.9 mm，因此I0水平下小麦产量显著高于2019—2020和2020—2021年度，说明充足的底墒有利于增加旱地小麦产量；同时本年度I1较I0增产26.3%，表明返青后补灌在底墒较好年份依然具有增产作用。

3.2 补灌与氮肥互作提高小麦氮素积累量及积累强度

水分亏缺会导致氮素积累量以及吸收强度的显著降低[29]，优化土壤水分供应可改善植株氮素积累特性，且水氮之间具有显著的交互作用[21, 30]。张丽霞等[21]研究表明，春旱频发情况下及时灌溉有利于提高植株氮素积累量，在生育期灌水量1 350 m3·hm-2条件下，施氮量为240 kg N·hm-2时达到最大值，而施氮量（270 kg N·hm-2）过大则会显著降低植株氮素积累量。韩占江等[30]展开的测墒补灌试验表明，与生育期灌溉量0、83.0、103.4 mm相比，灌溉量为43.8 mm时，开花和成熟期植株氮素积累量分别显著提高15.5%、18.0%、13.3%和23.7%、26.0%、7.1%。史桂清等[19]也发现，节水条件下，施氮量225 kg N·hm-2与112.5 kg N·hm-2相比，小麦在拔节、孕穗、开花、成熟期植株氮素积累量分别提高3.2%、15.1%、19.4%、31.7%，拔节-孕穗、孕穗-开花、开花-成熟阶段植株氮素积累强度分别提高56.3%、63.2%、74.1%。本研究表明，与I0相比，I1水平下拔节、开花和成熟期植株氮素积累量两年均值分别显著提高31.1%、50.3%和42.3%，播种-拔节和拔节-开花阶段积累强度分别显著提高29.7%、56.5%，说明，返青后补灌可促进旱地小麦对氮素的吸收积累，这与返青后适时灌溉能够提高土壤酶活性[31]、促进土壤养分活化[32]，优化根系生长特征，延缓根系衰老速度[33-34]有重要关系。

增加施氮量可以在一定程度上减轻水分胁迫对植株生长造成的不利影响[22]，但严重干旱条件下会限制氮肥肥效发挥，降低小麦植株氮素吸收和积累，造成氮肥资源浪费和环境污染等严重问题[8-10,35]。本研究中，I0水平下，除拔节-开花阶段植株氮素积累强度外，其余各生育时期植株氮素积累量及积累强度均在N180处理下达到最大值，继续增加施氮量无显著促进作用，这与前人报道的干旱降低氮素吸收能力的研究结果相近[29, 35]；而I1水平下，增加施氮量各生育时期植株氮素积累量及积累强度均表现为显著增加（除2020—2021年开花-成熟阶段植株氮素积累强度外），说明返青后补灌能够提高植株氮素积累能力，其适宜的施氮量也相应增加。前人的研究也表明，适宜的土壤水分能够促进小麦植株对土壤养分的吸收同化，有利于植株氮素的积累以及氮素向籽粒中的转移[36]，但自然降水条件下，施氮量从195 kg N·hm-2增加至270 kg N·hm-2，开花和成熟期氮素积累量分别下降5.7%和10.6%[2]。

3.3 补灌与氮肥互作提高小麦氮素吸收与利用效率

提高氮效率是衡量灌溉、施肥科学性的重要指标。前人研究表明，与不灌溉相比，华北平原小麦季灌溉43.8 mm，氮肥吸收效率和氮肥生产效率分别提高23.8%和24.7%[30]；关中平原小麦季灌溉600 m3·hm-2，氮肥农学效率和氮素利用效率分别提高263.5%和54.7%[1]。本研究条件下，I1较I0 氮素利用效率、氮素吸收效率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力和氮肥表观利用率，3年均值分别显著提高10.6%、43.8%、42.0%、55.4%和 58.1%，同时I1还能够减缓增加施氮量引起的氮效率降低现象，对旱地小麦高产高效生产具有重要意义。在灌溉与氮肥互作调控小麦氮效率方面，关中平原小麦越冬期灌溉600 m3·hm-2并配施氮肥150 kg N·hm-2能够提高氮素利用效率、氮肥表观利用率和氮肥农学效率[37]；华北平原地区，相同施氮量下，小麦拔节和开花期各灌溉75 mm，较不灌溉氮素利用效率和氮素吸收效率分别提高23.7%—84.8%和8.9%—74.0%[38]。本研究中，两种灌溉水平下，增加施氮量，氮素利用效率、氮肥吸收效率和氮肥偏生产力均显著降低，而N180处理下氮肥农学效率和氮肥表观利用率较N120处理无显著降低（除2021—2022年度适时补灌外），甚至显著增加，且I1水平下各指标均高于I0。同时，3年试验中，在高产处理（I1N180）下氮肥偏生产力和氮肥表观利用率分别为38.4—44.9 kg·kg-1和31.9%—64.5%，分别高于全国平均水平29.5 kg·kg-1[39]和31.2%[40]，有利于小麦产量和氮素吸收利用的协同提高。

3.4 补灌与氮肥互作降低麦田土壤硝态氮残留

土壤硝态氮是作物吸收氮素的主要形式，其在土壤剖面中的分布受灌溉和施肥的影响较大[2,10]。西北地区节水灌溉研究表明，土壤硝态氮残留量随施氮量的增加显著提高，且灌溉加速了硝态氮向深层迁移[1]。华北平原高产麦田研究也表明，在210—300 kg·hm-2施氮范围内，随着灌溉量的增加，土壤硝态氮逐渐迁移至100 cm以下土层，且施氮量越高深层积累越多[12]。本研究中，与I0相比，I1水平下0—200 cm土层硝态氮残留量，3年均值显著降低8.9%—19.9%，但影响效果因土层而异，其中0—60 cm土层3年均值显著降低47.8%—54.9%，而60—200 cm土层显著提高16.1%—23.3%，可见，I0水平下土壤硝态氮主要富集在0—60 cm土层，而I1水平下，由于灌溉使土壤硝态氮随水分向深层运移，从而土壤硝态氮呈现浅层降低深层增加的趋势。究其原因，一方面是小麦根系90%以上分布在0—60 cm土层[41]，返青后补灌有利于各生育时期植株对该土层氮素的吸收；另一方面，灌溉处理由于上层土壤水分增加，作物根系对深层土壤水分和硝态氮的吸收减少，进而使深层土壤硝态氮残留量增加[42]；还有可能是土壤硝态氮容易随水分迁移，灌溉后水分下渗易造成的硝态氮淋洗，但其真正原因及其作用大小还有待进一步探究。

本研究条件下，两种灌溉方式中，增加施氮量均显著提高了0—200 cm土层硝态氮残留量，说明增施氮肥会提高土壤硝态氮残留量，这与前人研究结果一致[1,7,12]。本研究还发现，与试验起始时（2019—2020年播种期）0—200 cm土层硝态氮残留量相比，2020—2021年度成熟期，I0水平下N180和N240处理硝态氮表现出累积效应，硝态氮残留量显著提高5.8%—22.7%，而I1水平下在施氮0—180 kg N·hm-2范围内降低3.7%—85.8%，表明返青后补灌条件下，0—180 kg N·hm-2施氮范围内不会造成0—200 cm土层硝态氮逐年积累，这可能是由于返青后补灌下具有较高的群体数量，增加了氮素库容量，促进了植株对氮素的吸收能力[43-44]，这对保障旱地小麦高产的同时，减少土壤硝态氮残留量具有重要意义。本研究还发现，土壤硝态氮残留状况还与降水有关，2021年夏季降水量大（1 031.9 mm），对0—200 cm土层硝态氮的空间分布产生重要影响，尤其对易发生硝态氮逐年积累效应的N180和N240处理影响更大，致使本年度小麦成熟期0—200 cm土层硝态氮空间分布与2019—2020和2020—2021年度明显不同。因此在生产中应考虑降水对土壤硝态氮的影响，探索不同降水量下土壤硝态氮分布特点以及小麦生育期土壤硝态氮变化规律，对高效利用土壤硝态氮残留并降低其向深层淋溶具有重要意义。

4 结论

返青后补灌和氮肥互作对旱地小麦产量、水氮吸收利用和土壤硝态氮残留均有显著影响。返青后补灌较不灌溉可改善小麦氮素吸收能力，提高水氮利用效率，最终显著增加了籽粒产量，降低土壤硝态氮残留量。增加施氮量能够提高植株氮素积累量，但降低了小麦氮效率，增加了土壤硝态氮残留量，但在施氮0—180 kg N·hm-2范围内返青后补灌土壤硝态氮残留未出现逐年累积效应。返青后补灌配施氮肥180或240 kg N·hm-2均可获得较高的籽粒产量和水分利用效率，但配施氮肥180 kg N·hm-2具有较高的氮效率，且降低了生育期耗水量和0—200 cm土层硝态氮残留量，整体效应优于配施氮肥240 kg N·hm-2处理。因此，返青后补灌配施氮肥180 kg N·hm-2是基于旱地麦田灌溉条件改善后实现小麦高产高效和环境友好生产的肥水组合。

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Effects of Supplemental Irrigation After Regreening and Nitrogen Fertilizer Application Rates on Wheat Yield, Water and Nitrogen Use Efficiency in Dryland

ZHAO KaiNan, WU JinZhi, HUANG Ming, LI YouJun, WANG HongTao, HUANG XiuLi, WU ShanWei, ZHANG Jun, ZHAO ZhiMing, ZHAO WenXin, LI ShuJing, LI Shuang, LI WenNa

College of Agriculture, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, Henan

【Objective】The project of high standard farmland construction in China has improved the irrigation conditions in dryland, however, there is usually only once limited irrigation that could be carried out in wheat growing season. In this study, the effects of supplemental irrigation after regreening and nitrogen (N) fertilizer rates on productivity, water and N utilization in dryland wheat and nitrate residue in soil were investigated, so as to provide the theoretical basis and technical support for high-yield, high-efficiency and environment-friendly production in dryland wheat.【Method】The two-factor split-plot field experiment was conducted in the typical dryland of the intersection between Loess Plateau and Huang-Huai-Hai Plain from 2019 to 2022, where the irrigation conditions of no-irrigation during whole growth period (I0) and supplemental irrigation after regreening (I1, supplemental irrigation to 85% of field capacity when the soil water content in the 0-40 cm soil layer after wheat regreening was lower than 60% of field capacity at the first time) were assigned to the main plots, and the nitrogen application rates of 0 (N0), 120 kg N·hm-2(N120), 180 kg N·hm-2(N180) and 240 kg N·hm-2(N240) were assigned to the subplots. The grain yield and yield components, water use efficiency, N absorption and utilization in wheat were tested, as well as the nitrate residue in the 0-200 cm soil layer in dryland.【Result】Compared with I0, I1 could optimize wheat yield components and increase N absorption capacity, for the 3-year average grain yield and water use efficiency significantly increased by 55.8% and 34.7%, respectively, however, it decreased soil nitrate residue by 11.6% in the 0-200 cm soil layer.With the increase of N application rate, the grain yield, spike number, kernels per spike and water use efficiency initially increased and then decreased, and reached the maximum under the N180 treatment with I0 level, but there were initially increased and then remained stable, and reached the higher level both in the N180 and N240 treatments under I1 level. With the increase of N application rate, the N use efficiency, N uptake efficiency and N partial factor productivity were significantly decreased under the both two irrigation conditions, but the N agronomy efficiency and N apparent efficiency under N180 treatment was not significantly decreased compared with N120 treatment (except I1 level in 2021-2022). Regardless of irrigation, with the increase of N application rate, the soil nitrate residue at harvest were significantly increased. Soil nitrate accumulated largely in the 0-60 cm soil layer under each N application rates with I0 level, and the obvious accumulated effects of soil nitrate residue in the 0-200 cm soil layer were found under N180 and N240 treatments; meanwhile, the soil nitrate residue under I1 level in the 0-60 cm soil layer was significantly lower than that under I0, and there were only accumulated effects of soil nitrate residue was found in the 0-200 cm soil layer under N240 treatment.In general, both the I1N180 and I1N240 could obtain the higher grain yield and water use efficiency. I1N180 treatment reduced water consumption during growth period and soil nitrate residue in the 0–200 cm soil layer, and improved the N efficiency, compared with I1N240 treatment.【Conclusion】Supplemental irrigation after regreeningcombined with 180 kg N·hm-2N fertilizer could optimize the yield components, shoot N accumulation and N accumulative rate, thus it could not only improve the grain yield and N absorption and utilization efficiency in wheat, but also reduce the soil nitrate residue in 0-200 cm soil layer. Therefore, I1N180 treatment was an optimal model for realizing the collaborative target of high-yield, high-efficiency and environment-friendly in dryland wheat production system.

supplemental irrigation after regreening; N fertilizer application rate; dryland; wheat; yield; water use efficiency; nitrate residue

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.17.012

2022-08-30；

2022-10-10

国家重点研发计划（2016YFD0300404，2018YFD0300700）、河南科技大学博士科研启动基金（13480082）

赵凯男，E-mail：575611817@qq.com。通信作者黄明，E-mail：huangming_2003@126.com。通信作者李友军，E-mail：lyj@haust.edu.cn

（责任编辑 李云霞）