張 帆，周加森，馬 陽，2，吳 敏，2，張世卿，2，繩莉麗，王貴霞，王艷群，2*，彭正萍，2*

（1.河北農(nóng)業(yè)大學/河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北 保定 071001；2.國家華北作物改良與調(diào)控重點實驗室，河北 保定 071001；3.安平縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北 衡水 053600）

河北省是冬小麥主產(chǎn)區(qū)，保證該省小麥穩(wěn)產(chǎn)對全國糧食安全有重要作用。小麥產(chǎn)量的90%～95%由光合作用提供，尤其在生育后期光合產(chǎn)物對小麥籽粒有80%的貢獻［1］。而小麥葉片光合作用受灌水影響顯著［2］，灌水對葉片也有明顯保綠防衰作用［3］。合理灌水可增加旗葉光合功能，延長光合作用持續(xù)期［4］。山侖等［5］認為，輕度水分虧缺降低氣孔導度，抑制蒸騰強度，而光合作用不下降，復水后光合作用出現(xiàn)超補償現(xiàn)象。氮是植物生長必需元素之一，氮肥施用量多少直接影響小麥的氮素吸收、同化和轉(zhuǎn)運，進而影響光合特性和產(chǎn)量形成［6］。施氮增加小麥旗葉光合作用，延緩葉片衰老，過量施氮抑制光合強度，影響作物養(yǎng)分利用。氮肥合理施用量的確定具有區(qū)域針對性，如豫西黃土丘陵旱區(qū)小麥生育期降水220 mm，施氮量138 kg/hm2最適宜；黃土高原旱塬區(qū)小麥生育期同樣降水220 mm，但施氮量225 kg/hm2有利于小麥高產(chǎn)；黃土高原南部旱地年降水量568 mm，冬小麥施氮量80 kg/hm2最佳［7］。有報道，冬小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量受品種特性、區(qū)域土壤肥力及光熱資源等影響，且水氮存在互作效應，施氮對不同小麥生育期耗水指標有調(diào)控作用，適宜施氮量降低小麥對自然降水和灌水的依賴，增加土壤貯水利用能力［8］。

針對河北省黑龍港地區(qū)水資源緊缺且降水主要集中在夏季，小麥生長過程中灌水量大，嚴重超采地下水等問題，課題組依據(jù)研究區(qū)域土壤養(yǎng)分供應情況和灌水條件，采用田間試驗方法，設傳統(tǒng)畦灌和微噴灌兩種灌溉方式；同時，在傳統(tǒng)畦灌下設置農(nóng)民習慣施氮肥、推薦施氮肥、推薦施氮肥減氮20%；在微噴灌溉下設置推薦施氮肥、推薦施氮肥減氮20%和底肥+水溶肥追施共6個處理。前期分析了不同水氮調(diào)控措施下的冬小麥植株水氮利用和生物效應，明確了微噴灌組配合理氮肥用量，提高了冬小麥水氮利用效率，穩(wěn)定了產(chǎn)量［9］，在此基礎上本文繼續(xù)探究不同水氮調(diào)控措施對冬小麥光合生理特性的影響，揭示穩(wěn)定小麥高產(chǎn)水平的最佳水氮組合模式的光合生理特性，為冬小麥節(jié)水節(jié)肥安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試地點

本研究于2017～2018年在河北省邢臺市寧晉縣鳳凰鎮(zhèn)孟村進行，年均氣溫12.8℃，無霜期198 d，年均日照2538.1 h，年均降水量449.1 mm，小麥生育期間有效降水138.8 mm。供試冬小麥為“農(nóng)大399”，土壤基本理化性狀為：潮褐土、pH值8.43、全氮0.78 g/kg、有效磷15.51 mg/kg、速效鉀96 mg/kg。

1.2 試驗設計

本試驗設傳統(tǒng)畦灌和微噴灌兩種灌溉。在傳統(tǒng)畦灌下，設農(nóng)民習慣施氮肥（FN）、推薦施氮肥（RN）、推薦施氮肥減氮20%（80%RN）3個處理；微噴灌溉下，設推薦施氮肥（MRN）、推薦施氮肥減氮20%（M80%RN）和底肥+水溶肥追施（WSF）3個處理，各處理的灌溉方式、灌水量和施肥量見表1。WSF的磷肥（P2O5）、鉀肥（K2O）用量分別為90、75 kg/hm2，其他各處理磷、鉀肥用量均為135、105 kg/hm2。為方便灌溉，微噴灌采用大區(qū)設計，面積3.6 m×50 m=180 m2，取樣時重復3次。傳統(tǒng)畦灌采用小區(qū)設計，重復3次，隨機排列，面積7.2 m×7 m=50.4 m2。FN處理的氮肥基追比為5∶5，其他處理氮肥基追比均為4∶6。各處理追肥均在小麥拔節(jié)期，灌水分別在拔節(jié)和開花期2次，傳統(tǒng)灌水量按當?shù)毓嗨看_定，微噴灌水量為當?shù)毓嗨康?0%，兩種灌水方式下兩個時期的灌水量各占總灌水量的1/2。2017年10月23日采用15 cm等行距播種，播量262.5 kg/hm2，各處理除水肥措施不同外，其余措施均按高產(chǎn)農(nóng)田管理方式進行，于2018年6月13日收獲。

表1 各處理的灌水和施肥量

1.3 測定項目與方法

1.3.1 旗葉光合特性

在小麥灌漿期，選晴朗無風天氣，9：00～11：00用便攜式光合測定儀（LI-COR6400，美國）測定旗葉光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Cs）和胞間CO2濃度（Ci）。每小區(qū)測5次重復，取平均值。同時，用SPAD-502葉綠素儀測定每個小區(qū)連續(xù)5片旗葉的SPAD值。

1.3.2 小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

在小麥成熟期，每個處理取3次重復，每重復割1 m 2行小麥植株，測定總有效穗數(shù)，從中選取20穗，測定總穗粒數(shù)，計算出平均穗粒數(shù)；每組另割2 m 6行麥穗，用脫粒機將其全部脫粒，測定總籽粒重，計算千粒重。采用谷物水分測定儀（PM-8188）測定籽粒中的實際含水量，折為12.5%含水量的籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理、繪圖；采用SPSS 17.0軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮調(diào)控對小麥旗葉光合特性的影響

2.1.1 水氮調(diào)控對小麥旗葉光合速率的影響

由圖1可以看出，相同灌溉模式下不同施氮間，隨施氮量減少Pn呈上升趨勢。微噴灌下，WSF的Pn較MRN和M80%RN分別顯著提高21.2%和9.8%，且M80%RN的Pn較MRN顯著增加10.4%，表明限水條件下，合理減氮或施用水溶肥均促進小麥旗葉光合作用。傳統(tǒng)畦灌下，80%RN的Pn分別較FN和RN顯著增加18.0%和13.7%，其中RN的Pn較FN顯著提高3.8%，表明灌水充足下合理減氮對小麥旗葉光合作用有促進作用。

2.1.2 水氮調(diào)控對小麥旗葉蒸騰速率的影響

圖2表明，微噴灌下，WSF的Tr值較MRN和M80%RN分別顯著提升14.0%和12.9%，而MRN和M80%RN間的Tr無顯著差異，表明限水條件下施用水溶肥顯著促進小麥旗葉蒸騰速率。傳統(tǒng)畦灌下，F(xiàn)N的Tr較RN和80%RN分別顯著提高13.7%和12.3%，而RN與80%RN間Tr無顯著差異，表明灌水充足合理減氮顯著降低小麥旗葉蒸騰速率。同一施氮水平不同灌水量下，MRN的Tr較RN提升9.7%，M80%RN的Tr較80%RN提高9.5%，表明適宜水分脅迫增加小麥關(guān)鍵期旗葉蒸騰速率。

2.1.3 水氮調(diào)控對小麥旗葉氣孔導度的影響

氣孔作為水分和CO2進出通道顯著影響光合作用。由圖3可知，微噴灌下，M80%RN的Cs較MRN顯著提升34.1%，且WSF處理的Cs較MRN顯著提高38.7%，而M80%RN和WSF間的Cs無顯著差異，表明限水適宜減氮或減氮配施水溶肥可顯著提高小麥氣孔導度。傳統(tǒng)畦灌下，80%RN的Cs分別較FN和RN顯著增加79.7%和25.2%，且RN的Cs較FN顯著提高43.5%，表明充足灌水低氮可顯著提高小麥旗葉氣孔導度。相同施氮不同灌水下，MRN較RN處理的Cs提高74.2%，M80%RN較80%RN的Cs提高86.5%，表明水分脅迫適宜減氮能夠提高小麥旗葉氣孔導度。

2.1.4 水氮調(diào)控對小麥旗葉胞間CO2濃度的影響

圖4表明，微噴灌下，M80%RN的Ci值較MRN、WSF顯著降低6.0%、3.6%，且WSF的Ci較MRN顯著降低2.5%，表明限水適宜減氮或減氮配施水溶肥均能降低小麥旗葉胞間CO2濃度。傳統(tǒng)畦灌下，RN的Ci值較80%RN顯著降低13.8%，較FN顯著降低7.8%，且80%RN的Ci值較FN顯著提高7.1%，表明灌水充足適量減氮可降低小麥旗葉胞間CO2濃度，過量減氮則相反。相同施氮不同灌水處理間，MRN較RN的Ci增加24.2%，M80%RN較80%RN的Ci增加0.6%，表明限水對Ci有負效應，對低氮水平響應的負效應較小。

2.2 水氮調(diào)控對小麥旗葉SPAD值的影響

由圖5可知，微噴灌下，WSF的SPAD值較M80%RN、MRN分別顯著降低13.7%、11.8%，而M80%RN和MRN間無顯著差異，表明適宜減氮對小麥旗葉SPAD值無顯著影響，而過量減氮配施水溶肥降低小麥旗葉SPAD值。傳統(tǒng)畦灌下，80%RN的SPAD值較FN、RN分別降低6.3%、11.6%，且80%RN和RN間差異達顯著水平，而FN和RN間無顯著差異，表明灌水充足過量減氮會降低小麥旗葉SPAD值，而適量減氮對小麥旗葉SPAD值無顯著影響。相同施氮不同灌水間，RN較MRN的SPAD值 提 高33.9%，80%RN較MRN的SPAD值增加15.8%，說明在推薦施氮和低氮條件下，SPAD值隨灌水量增加而增加。

2.3 水氮調(diào)控對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表2可知，微噴灌下，WSF的產(chǎn)量較MRN和M80%RN分別增加6.3%和5.4%，有效穗數(shù)分別提高3.0%和1.2%，WSF的穗粒數(shù)較MRN提升3.4%、與M80%RN比無顯著差異，說明水溶肥有利于有效穗數(shù)和穗粒數(shù)提高，進而增加產(chǎn)量；M80%RN與MRN產(chǎn)量接近。傳統(tǒng)畦灌下，與FN相比，RN和80%RN增產(chǎn)4.5%左右，說明傳統(tǒng)畦灌高灌水量下，適當減少氮素施用量可促進小麥產(chǎn)量形成。MRN較RN、M80%RN較80%RN的小麥產(chǎn)量均增減小于1%，說明適當限水低氮有利于穩(wěn)定小麥產(chǎn)量。

表2 不同處理對冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

3 討論

水氮運籌對小麥光合特性具有調(diào)控作用，葉片光合作用強弱對籽粒產(chǎn)量影響很大。本研究中，當灌水量相同時，在農(nóng)民習慣施氮肥基礎上合理減氮可促進冬小麥旗葉光合作用，可能是由于低氮增加了旗葉氣孔導度，加快了地上部光合速率。馬靜麗等［10］發(fā)現(xiàn)，適量減氮可改善冠層下部葉片受光狀況，提高冠層下部光合速率。也有報道，光合作用隨氮肥施用量持續(xù)增加而不斷提高，但當?shù)睾砍鲆欢ㄩ撝禃r光合速率下降［11-12］。本試驗中WSF處理的光合作用最佳，主要因為合理減氮配施水溶肥優(yōu)化了氮磷鉀肥配比，可提高小麥旗葉光合特性（圖1）和冬小麥SPAD值，促進旗葉氣孔開啟，加快植物蒸騰作用（圖2），降低胞間CO2濃度（圖4），來提高小麥光合性能和干物質(zhì)積累，增加小麥產(chǎn)量（表2）。合理水氮措施促進小麥增產(chǎn)，也有利于增加水分和氮肥利用效率［9］，過量施氮阻止同化物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)移，這也是高氮處理產(chǎn)量低的主要原因［13-14］。同一灌水條件下，合理減氮可增加有效穗數(shù)，進而提高籽粒產(chǎn)量。

水分因子主要通過影響小麥光合速率、蒸騰速率，進而影響光合生理特性［15］。大量研究表明，供水不足導致小麥葉綠素含量降低，減少旗葉功能期，降低光合速率［16-17］。本研究中，傳統(tǒng)畦灌下小麥旗葉光合作用均高于相應的微噴灌溉（圖1）。CO2主要是通過葉片氣孔進入葉子進行光合作用，可能因為SPAD值增加提高了小麥旗葉功能期，且胞間CO2濃度被有效用于光合產(chǎn)物的制造。同一減氮水平和氮肥基追比下，高灌水量提高小麥葉綠素SPAD值，延長旗葉光合功能期，改善光合能力，該結(jié)果與張向前等［18］的研究結(jié)果近似，但卻降低了旗葉的蒸騰速率、氣孔導度和胞間CO2濃度（圖2～圖4），降低水分利用效率和灌溉水利用效率，有效穗數(shù)也減少，進而降低小麥籽粒產(chǎn)量（表2）。

與FN處理相比，微噴灌下的WSF處理小麥產(chǎn)量增加622.8 kg/hm2，總收入增加1681.5元/hm2，純收益提高2122.4元/hm2；同時減少灌水量75 mm，減少氮、磷、鉀施用量分別為150、45和30 kg/hm2，提高水分利用效率6.45 kg/（hm2·mm），氮肥生產(chǎn)效率增加23.86 kg/kg［9］，說明微噴灌不僅可以節(jié)水節(jié)肥，合理組配肥料后還可以提高作物產(chǎn)量，增加農(nóng)民收入，減少環(huán)境污染，但是在小麥田灌溉管道的維護、保養(yǎng)和合理水溶肥的配套研究需要進一步解決。

4 結(jié)論

相同氮水平下，與微噴灌溉相比，傳統(tǒng)畦灌的小麥旗葉光合速率增加，但旗葉的蒸騰速率、氣孔導度和胞間CO2濃度卻降低，有效穗數(shù)減少，小麥籽粒產(chǎn)量也較低。

同一灌水條件下，隨施氮量減少，兩種灌溉方式的小麥旗葉光合速率和氣孔導度均增加，胞間CO2濃度先降后增。

傳統(tǒng)畦灌下適當減少氮肥施用量可增加光合速率、氣孔導度和胞間CO2濃度。微噴下以配施水溶肥的WSF處理來提高小麥旗葉光合速率，增加旗葉氣孔導度和蒸騰速率，同時增加有效穗數(shù)，進而小麥籽粒產(chǎn)量最高。

因此，本試驗條件下，綜合比較以微噴灌追施水溶肥處理小麥光合性能最好，水氮利用效率較高，有效穗數(shù)較多，小麥籽粒產(chǎn)量最佳，是研究區(qū)域值得推薦的水氮調(diào)控措施。