李武超，李 磊，王 煒，李晶晶，尹 鈞

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)家小麥工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450046；2.河南省科技戰(zhàn)略研究所，河南 鄭州 450000)

我國(guó)是世界上缺水嚴(yán)重的國(guó)家，農(nóng)業(yè)灌溉水的利用效率極其低下。伴隨著全球缺水程度的不斷加深，灌溉成本也不斷上升[1-4]。由于作物生產(chǎn)中肥料投入數(shù)量不斷增加，造成作物的水肥投入成本也越來(lái)越高。提高水肥利用效率，在保證高產(chǎn)水平下減少水肥投入，是實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)高效的主要途徑。前人研究表明，合理的水氮運(yùn)籌可以提高小麥旗葉的凈光合速率和光合功能持續(xù)期[5-6]，增大穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量顯著增加作物產(chǎn)量[7]，提高水分利用效率，小麥的需水關(guān)鍵期分布在小麥的生育中后期，通過適宜的水氮運(yùn)籌可以提高產(chǎn)量及水分利用效率[8-13]。

在一定范圍內(nèi)增加灌水量具有增產(chǎn)效應(yīng)，但過多灌水會(huì)使水分利用率顯著降低[14]。返青期進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃诌\(yùn)籌能夠兼顧冬小麥產(chǎn)量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量[15-17]。適量施氮可以提高水分利用效率[18]，節(jié)水灌溉模式下，水氮間存在顯著的互作效應(yīng)[19]。在一定范圍內(nèi)，隨著施氮量的增加，小麥拔節(jié)后株間蒸發(fā)量顯著降低，開花后旗葉水分利用效率顯著提高，但是繼續(xù)增大施氮量，小麥株間蒸發(fā)量不再降低，開花后旗葉水分利用效率甚至降低[20-21]。盡管目前有關(guān)水氮效應(yīng)的研究在小麥上已有很多，但是關(guān)于水氮合理運(yùn)籌及對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響尚有待進(jìn)一步研究。

本試驗(yàn)通過盆栽試驗(yàn)，嚴(yán)格控制小麥各生育時(shí)期的土壤含水量，區(qū)別于傳統(tǒng)灌溉次數(shù)與灌水量研究，同時(shí)利用水氮運(yùn)籌技術(shù)，研究不同水氮條件對(duì)小麥光合特性、水分利用效率和產(chǎn)量等的影響，旨在為科學(xué)管理小麥水肥提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015-2016年在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教示范園區(qū)(113°39′E，34°43′N)進(jìn)行。試驗(yàn)處理設(shè)置：在返青至拔節(jié)期土壤相對(duì)含水量55%的基礎(chǔ)上，設(shè)置拔節(jié)至成熟期土壤相對(duì)含水量的55%(H1)、65%(H2)、70%(H3)、75%(H4)、85%(H5)5個(gè)水分水平；不施氮(施純氮0 kg/hm2，N0)、施中氮(施純氮195 kg/hm2，N1)和施高氮(施純氮270 kg/hm2，N2)3個(gè)氮素處理。于10月6日施基肥，磷肥(過磷酸鈣)為P2O5180 kg/hm2，鉀肥(硫酸鉀)為K2O 150 kg/hm2，同時(shí)基追比2∶3施尿素，土壤類型為潮土。土壤含有機(jī)質(zhì)14.7 g/kg、全氮0.79 g/kg、堿解氮72.00 mg/kg、速效磷27.80 mg/kg、速效鉀130.0 mg/kg。土壤容重為1.53 g/cm3，田間平均最大持水量為21.14%。

將子母盆放置在各小區(qū)內(nèi)坑中，裝土13 kg/盆，點(diǎn)播15粒/盆，冬前于三葉期定株，每盆定植長(zhǎng)勢(shì)一致的麥苗5棵；冬后自返青期開始按組合進(jìn)行水分處理，返青至拔節(jié)期隔3 d補(bǔ)水，拔節(jié)期至成熟期隔1 d補(bǔ)水，用秤估量，量筒補(bǔ)水使各處理達(dá)到目標(biāo)質(zhì)量。小麥生長(zhǎng)季返青期之前的降水量為155 mm。5月29日完全成熟，分處理收獲考種。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1 各處理目標(biāo)質(zhì)量 采用烘干法測(cè)各處理灌水前的土壤含水量及干土質(zhì)量。目標(biāo)質(zhì)量=干土質(zhì)量×(1+田間持水量×相對(duì)含水量)。

1.2.2 耗水量計(jì)算 目標(biāo)質(zhì)量與當(dāng)次稱得質(zhì)量之差為耗水量。為方便記錄，用耗水量與盆栽表面積之商，即毫米數(shù)表示。

1.2.3 灌漿速率計(jì)算 自花后15 d開始，每7 d取一次籽粒，取主莖穗子，每個(gè)處理3次重復(fù)，共進(jìn)行4次，用烘干法測(cè)籽粒干質(zhì)量。灌漿速率=(Mj-Mi)/a，其中，Mj為當(dāng)次測(cè)量的籽粒質(zhì)量，Mi為前一次測(cè)量的籽粒質(zhì)量，a為2次取樣間隔天數(shù)。

1.2.4 光合參數(shù)測(cè)定 于花后10 d開始，使用美國(guó)產(chǎn)Li-6400光合儀測(cè)旗葉凈光合速率。Pn(μmol/(m2·s))、蒸騰速率Tr mmol/(m2·s))和氣孔導(dǎo)度Gs(mmol/(m2·s))，7 d一次，取整盆的主莖旗葉中部，每個(gè)處理3次重復(fù)，共進(jìn)行3次。

1.2.5 籽粒產(chǎn)量測(cè)定 每盆小麥全收，考種；自然風(fēng)干至籽粒含水率為12.5%，計(jì)算籽粒產(chǎn)量。

耗水系數(shù)=耗水量/產(chǎn)量；水分利用效率=干物質(zhì)量/蒸騰量；氮肥偏生產(chǎn)力=產(chǎn)量/施氮量；氮肥農(nóng)學(xué)利用率=(施氮處理的產(chǎn)量-不施氮處理的產(chǎn)量)/施氮量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 整理數(shù)據(jù)，用SPSS 17進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮運(yùn)籌對(duì)小麥水肥利用效率的影響

研究結(jié)果表明(表1)，在5個(gè)水分處理中，H2處理的水分利用效率、氮肥農(nóng)學(xué)利用率最高，顯著高于H1、H4、H5，耗水系數(shù)最低；H3處理的產(chǎn)量最高，顯著高于H1、H2處理，與H4和H5處理之間差異不顯著。說(shuō)明在土壤相對(duì)含水量70%時(shí)的小麥產(chǎn)量最高，而65%條件下水肥利用效率最高。

在施中氮條件下，產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率均最高，且顯著高于其他2個(gè)處理，耗水系數(shù)顯著低于不施氮和施高氮處理，水分利用效率最高，顯著高于施高氮處理，與不施氮處理間差異不顯著。說(shuō)明施純氮195 kg/hm2可顯著提高小麥的產(chǎn)量和水肥利用效率。

表1 不同處理小麥產(chǎn)量和水肥利用效率比較Tab.1 Comparison of wheat yield and water-fertilizer utilization efficiency under different treatment

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)；大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。表2-4、圖1-3同。

Note：Different small letters are significant difference(P<0.05)；Capital letters are extremely significant difference(P<0.01).The same as Tab.2-4，F(xiàn)ig.1-3.

進(jìn)一步分析水氮耦合的組合效應(yīng)表明(表2)，在所有15個(gè)處理組合中，H2N1和H3N1組合的產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率最高，且顯著高于其他組合；H2N1組合的水分利用效率最高，為1.90 g/kg，H3N1組合為1.71 g/kg，2個(gè)組合的耗水系數(shù)均低于1 580 kg/kg，氮肥偏生產(chǎn)力均高于15.10 kg/kg，氮肥農(nóng)學(xué)利用率均高于7.50 kg/kg，且彼此間差異不顯著，其中，氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率顯著高于其他處理。說(shuō)明土壤相對(duì)含水量65%～70%與純氮195 kg/hm2的組合是高產(chǎn)高效水氮組合。同時(shí)表明水氮兩因素之間存在交互效應(yīng)，且交互效應(yīng)對(duì)產(chǎn)量、水分利用效率、耗水系數(shù)、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的影響達(dá)到極顯著水平。

表2 不同處理組合小麥產(chǎn)量和水肥利用效率比較Tab.2 Comparison of wheat yield and water-fertilizer use efficiency under different treatment combinations

注：W×N代表水氮兩因素交互作用。

Note: W×N stands for the interaction effect between water and nitrogen.

2.2 水氮運(yùn)籌對(duì)小麥灌漿速率的影響

圖1結(jié)果表明，N1處理的小麥灌漿速率在整個(gè)灌漿過程中總體高于N0和N2處理；平均灌漿速率以H2 和H3較高，比其他處理高出15%～64%。N1處理?xiàng)l件下，H2 和H3處理在花后29 d以前的灌漿速率均高于其他3個(gè)處理，15，22，29 d灌漿速率分別達(dá)到2.8，2.1，1.2 g/d，而其他3個(gè)處理分別低于2.3，1.7，1.0 g/d。H2和H3的灌漿速率顯著高于其他處理，說(shuō)明H2N1和H3N1處理能有效提高小麥灌漿速率，有效佐證了H2N1和H3N1是小麥獲得高產(chǎn)高效的最佳組合。

圖1 不同處理組合小麥灌漿速率比較Fig.1 Comparison of wheat grain filling rate under different treatment combinations

2.3 水氮運(yùn)籌對(duì)小麥灌漿期旗葉凈光合速率的影響

進(jìn)一步分析小麥灌漿期旗葉的凈光合速率結(jié)果表明(圖2)，N0處理在花后24 d喪失光合能力。N1處理的小麥灌漿期旗葉凈光合速率總體高于N0和N2處理，其中花后10 d和17 d，H2和H3的旗葉凈光合速率最高，分別達(dá)到24.5，22.2 μmol/(m2·s)以上，顯著高于其他水分處理；花后24 d旗葉凈光合速率明顯降低，但H2和H3凈光合速率仍在5.0 μmol/(m2·s)以上。結(jié)果說(shuō)明，N1處理能明顯提高小麥灌漿期旗葉凈光合速率，H2N1和H3N1是提高小麥灌漿期旗葉凈光合速率優(yōu)化組合，也是提高灌漿速率和產(chǎn)量的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖2 不同處理組合小麥灌漿期旗葉凈光合速率比較Fig.2 Comparison of wheat flag leaf net photosynthetic rate under different treatment combinations at grain filling stage

2.4 不同處理下小麥各時(shí)期耗水量變化

為明確不同處理下小麥耗水的動(dòng)態(tài)變化，分析了不同處理下小麥各時(shí)期耗水量。結(jié)果表明(表3)，小麥耗水量隨著土壤含水量的增加而增大，階段耗水百分比也隨之加大。在拔節(jié)至開花期耗水量及耗水比順序?yàn)镠1

表3結(jié)果還表明，耗水量隨著施氮量的增加而增大。在拔節(jié)至開花期，N2顯著高于N0；開花至成熟期和總耗水量N2和N1顯著高于N0。

表3 不同處理小麥耗水量及耗水比差異Tab.3 Difference between wheat water consumption and percentage under different treatment

進(jìn)一步分析不同水氮組合的耗水量變化表明(表4)，耗水量有隨土壤含水量和施氮量的增加而增大的趨勢(shì)。在拔節(jié)至開花期，H1和H2條件下各處理(H2N2除外)耗水量均顯著低于H4和H5的各處理組合，H3N1和H3N2的耗水量與H4和H5條件下各處理之間差異不顯著；在開花至成熟期，施氮條件下H1和H2各處理組合(H2N2除外)的耗水量均顯著低于H4和H5各處理組合。表明減少灌溉與氮素施用能有效降低水分消耗，提高水分利用效率。

表4 不同處理組合小麥耗水量及耗水比差異Tab.4 Difference between wheat water consumption and percentage under different treatment combinations

2.5 不同水肥處理對(duì)小麥灌漿期旗葉蒸騰速率的影響

麥田水分消耗包括地面蒸發(fā)與葉面蒸騰，葉面蒸騰速率是水分有效利用的重要指標(biāo)，進(jìn)一步分析小麥灌漿期旗葉的蒸騰速率表明(圖3)，N0處理在花后24 d不再進(jìn)行蒸騰作用，N1處理的小麥灌漿期旗葉蒸騰速率總體高于N0和N2處理，其中，在花后10 d和24 d顯著高于N0和N2處理；N1處理?xiàng)l件下，花后10 d H2的旗葉蒸騰速率最高，達(dá)到11.85 mmol/(m2·s)，H3次之，為11.14 mmol/(m2·s)，二者間差異不顯著；花后17 d和24 d H2和H3的旗葉蒸騰速率均高于其他處理，達(dá)到顯著水平。結(jié)果說(shuō)明N1處理能明顯提高小麥灌漿期旗葉蒸騰速率，H2N1和H3N1組合是提高小麥灌漿期旗葉蒸騰速率優(yōu)化組合。蒸騰速率代表小麥的有效耗水狀況，蒸騰速率越高表示小麥總耗水量中的有效耗水越多。因此，H2N1和H3N1組合的旗葉蒸騰速率高，是H2N1和H3N1組合獲得較高水肥利用效率和產(chǎn)量的有效佐證。

圖3 不同處理組合小麥灌漿期旗葉蒸騰速率比較Fig.3 Comparison of wheat flag leaf transpiration rate under different treatment combinations at grain filling stage

3 結(jié)論與討論

小麥產(chǎn)量和水分、養(yǎng)分利用效率是衡量小麥高產(chǎn)性和高效性的主要指標(biāo)，適宜的水氮運(yùn)籌能抑制地上部生長(zhǎng)和促進(jìn)地下部生長(zhǎng)，提升根系水分利用潛力，同時(shí)有利于群體冠層的發(fā)育，為后期籽粒灌漿提供物質(zhì)基礎(chǔ)，增加有效利用，減少無(wú)效消耗，提高水分、養(yǎng)分利用效率，增加產(chǎn)量[18，22-25]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，氮肥對(duì)產(chǎn)量、耗水系數(shù)和肥料利用效率的影響極顯著，水氮之間的交互效應(yīng)達(dá)到極顯著水平。適宜的水分調(diào)控與合理施氮都能夠改善旗葉的光合能力。增施氮肥能夠延長(zhǎng)旗葉凈光合速率的上升時(shí)間，在整個(gè)灌漿時(shí)期內(nèi)，凈光合速率以施中氮和土壤相對(duì)含水量為65%～70%較高，這與灌漿速率相一致，也是H2N1和H3N1取得較高產(chǎn)量的重要基礎(chǔ)。

小麥的有效耗水狀況可以用蒸騰速率來(lái)表征，一般認(rèn)為，蒸騰速率越高則小麥的有效耗水在總耗水量中的量和比例越大，同時(shí)也代表著較大的光合強(qiáng)度。本研究結(jié)果表明，盡管小麥耗水量隨著土壤含水量和施氮量的增大而增大，但是中氮條件下小麥灌漿期旗葉蒸騰速率高于不施氮和施高氮處理，花后15 d H2和花后22 d H3處理的旗葉蒸騰速率顯著高于其他3個(gè)處理，這也說(shuō)明H2N1和H3N1組合是小麥獲得較高的水肥利用效率和產(chǎn)量的優(yōu)勢(shì)組合。

植物水分利用效率一直是研究中比較關(guān)注的問題，了解植物的水分利用效率可以掌握植物生存策略，最終可以控制有限的水資源來(lái)獲得最高的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。而在小麥的生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中，重視水和氮的合理利用，實(shí)現(xiàn)水與肥的高效與節(jié)約始終是重要目標(biāo)。H2N1和H3N1處理組合的水分利用效率、產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)利用高于其他處理，達(dá)到顯著水平，H2N1高于H3N1，但是差異不顯著。因此認(rèn)為，田間相對(duì)含水量控制在65%～70%，配合195 kg/hm2的施肥量是小麥取得高產(chǎn)和高水肥利用效率的最優(yōu)組合。

本研究結(jié)果表明，在小麥中后期控制田間相對(duì)含水量在65%～70%，是實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)高效的最適土壤相對(duì)含水量指標(biāo)。在土壤全氮0.79 g/kg、堿解氮72.00 mg/kg條件下，氮肥施用量195 kg/hm2，或根據(jù)土壤養(yǎng)分狀況變化，適當(dāng)調(diào)整氮肥使用量，可達(dá)到水氮耦合的最佳效果，實(shí)現(xiàn)小麥生產(chǎn)的高產(chǎn)高效。