王曉森，呂謀超*，王森，蔡九茂,李迎，秦京濤，范習超，王和洲

種植密度和灌溉、施氮模式對冬小麥土壤水分狀況、產量和品質的影響

王曉森1,2，呂謀超1,2*，王森1,2，蔡九茂1,2,李迎1,2，秦京濤1,2，范習超1,2，王和洲1,3

（1.中國農業(yè)科學院 農田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.農業(yè)農村部節(jié)水灌溉工程重點實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453002 3.河南商丘農田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，河南 商丘 476000）

【】探索農業(yè)節(jié)水、減肥背景下豫北地區(qū)冬小麥高產高效種植模式。采用測坑試驗設置了密度、灌溉和追氮3因素，其中密度因素設置2個水平（D1：500萬株/hm2基本苗；D2：300 萬株/hm2基本苗），灌溉因素設置3個水平（W1：返青和灌漿初期灌水；W2：返青、拔節(jié)和灌漿初期灌水；W3：返青、拔節(jié)、抽穗和灌漿初期灌水；各生育期灌水定額均相同），追氮因素設置2個水平（N1：氮肥返青期一次性追施；N2：氮肥在返青期和抽穗期分2次追施）對冬小麥土壤水分狀況、葉片生理指標、產量和品質進行研究。小麥春季灌返青水、拔節(jié)水和灌漿水處理（W2）可在1 m深度土層內形成由淺至深逐漸增加的土壤水分梯度，即能形成適宜冬小麥生長的土壤水分環(huán)境又提高了不同土層土壤水的利用。灌水生育期越多冬小麥灌漿期旗葉光合速率（n）、蒸騰速率越高，但葉片水分利用效率則隨灌水生育期的增多而降低；D2處理n高于D1處理n；N2處理n高于N1處理n。種植密度地增加能極顯著的提高單位面積小麥穗數(shù)（＜0.01），但導致穗粒數(shù)和千粒質量極顯著下降；灌溉因素對穗粒數(shù)、千粒質量、產量和灌溉水利用效率（）的影響均達顯著水平（＜0.05），其中千粒質量隨灌水生育期的增加而增加，隨灌水生育期的增加而降低，而穗粒數(shù)和產量的最大值均出現(xiàn)在W2處理，其次才是W3處理和W1處理；在氮肥追施總量相同的情況下，N2處理的千粒質量和產量均值比N1處理均值有顯著增加。此外，小麥籽粒中的氨基酸和蛋白質隨灌水生育期的增加而減少；N1處理氨基酸和蛋白質均值比N2處理的稍高。通過回歸分析發(fā)現(xiàn)，氨基酸和蛋白質量隨產量的增加而線性下降。豫北地區(qū)大穗型冬小麥節(jié)水減肥推薦種植模式為：種植密度為300萬株/hm2基本苗，足墑播種條件下春季灌返青水、拔節(jié)水和灌漿水，每次灌水定額為75 mm；基施復合肥養(yǎng)分量N、P2O5和K2O均為90 kg/hm2，返青期和抽穗期各追氮肥1次，每次施純氮60 kg/hm2。

密度；灌水；追氮；冬小麥；產量；品質

0 引言

【研究意義】我國水資源短缺，人均水資源總量不及世界的1/4，農業(yè)用水占到全社會總用水量的近60%，提高水分利用效率是農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵問題[1]。要提高小麥水分利用效率，就需要優(yōu)化小麥返青后的灌水次數(shù)和灌水時機，達到提高水分利用效率與豐產有機結合的目的[2-3]?！狙芯窟M展】小麥前期灌溉次數(shù)的增加會推遲抽穗期，縮短灌漿時間，而氮肥則以促進莖蘗成穗為主，籽粒中的蛋白質和氨基酸隨灌水量的增加而降低，隨施氮量的增加而增加[3]。傳統(tǒng)上，氮肥大部分基施，其余在小麥返青期一次性追施，但這樣做會使氮素隨后續(xù)灌水次數(shù)的增加深層滲漏和揮發(fā)，引起氮素使用效率下降和環(huán)境惡化[4-6]；過量追施氮肥還會導致小麥莖稈陡長，引起倒伏[7]。如何在氮肥施用總量不增的情況下，通過優(yōu)化氮肥田間管理達到小麥豐產的目的是今后研究的重點。有專家指出追氮時機后移可有效提高小麥莖稈力學性能，促進冬小麥各營養(yǎng)器官花前貯藏干物質向籽粒的轉運與分配，增加粒數(shù)和粒質量，提高產量[8-9]。合理的種植密度是小麥豐產的關鍵因素之一，過高的種植密度容易導致小麥光合作用下降，籽粒生長速率降低，千粒質量下降等一系列問題[10]。密度及追氮時期對產量性狀有明顯的互作效應，增加種植密度可使單位面積成穗數(shù)有所提高，但密度過高穗數(shù)的增益難以抵償穗粒數(shù)和粒質量下降的損失，適當增加密度，配合后期追氮是小麥實現(xiàn)超高產的有效途徑[11]。密度對產量影響較大，對品質影響較小，施氮處理對產量和品質均有重要影響，適當增施氮肥可以使籽粒產量、營養(yǎng)品質和加工品質同步提高[12]。因此，小麥種植密度要與科學的水肥管理措施相結合才能發(fā)揮其最大效能[11-15]。

【切入點】前人對于單一要素研究較多，而對于水氮密耦合對于冬小麥產量和品質的影響研究較少，尤其缺少在節(jié)水減氮背景下冬小麥高產高效種植模式研究?！緮M解決的關鍵問題】針對冬小麥生產中存在的上述問題，本次研究選取豫北地區(qū)典型冬小麥新品種為研究對象，通過對種植密度、灌溉模式和追氮模式三因素組合試驗研究，分析其對冬小麥返青后土壤水分狀況、葉片生理指標、產量和品質影響，以期為冬小麥科學種植和田間管理提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況

試驗于2017年10月—2018年6月在中國農業(yè)科學院新鄉(xiāng)七里營綜合實驗基地進行（東經113.80o，北緯35.15o），試驗地點為大型移動式防雨棚測坑，試驗過程不受降雨影響。本次試驗測坑共有24組，東西雙排排列，每排12組，分層填裝當?shù)氐湫屯寥?。單個測坑面積6.67 m2，深3 m，有底。測坑內土質為壤土，體積質量為1.56 g/cm3，田間持水率為25%（質量含水率），pH值8.3，土壤中堿解氮量58.68 mg/kg，速效磷量25.14 mg/kg，速效鉀量93.47 mg/kg，有機質量1.34 g/kg。試驗用冬小麥品種為大穗型新品種‘百農207’，于2017年10月15日播種，播種時40 cm土層的平均含水率為田持的85%，11月中旬定苗，每坑東西向種植小麥各10行，行距10 cm。播種前每坑施復合肥作為底肥，其中N、P2O5和K2O均為90 kg/hm2。

1.2 試驗地氣象條件

2018年1月1日—5月31日冬小麥主要生長季日平均溫濕度如圖1所示。日平均溫度最大值為31.2 ℃，最小值為-1.7 ℃，平均值為12.2 ℃；日平均濕度最大值為98%，最小值為17%，平均值為54.4%。

圖1 試驗地空氣溫濕度

1.3 試驗設計

表1 試驗各處理組合編號

注 總灌水量包含小麥播種前75 mm的灌水。

1.4 測試項目與方法

1）旗葉光合速率（n）、蒸騰速率（r）：采用Li-6400光合儀于2018年5月8日測定，測定葉片為小麥旗葉，測定時間為上午10:00—11:00，活體測定，每處理3次重復。

2）葉片水分利用效率（）：n/r，n和r單位均為μmol/（cm2·s）。

3）產量、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質量：在小麥成熟期，從測坑中隨機選取1 m2小麥穗，經過風干脫粒后秤測籽粒質量，然后換算成單位面積產量，單位為kg/hm2；穗數(shù)由人工數(shù)測；穗粒數(shù)由測產后1 m2小麥粒數(shù)除以穗數(shù)計算取得；千粒質量由全自動數(shù)粒機數(shù)測小麥籽粒1 000粒，然后用精度0.01 g的天平秤測質量。產量、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質量測定均為每處理3次重復。

4）土壤水分：本次試驗土壤水分變化由安裝在測坑內土壤三參數(shù)傳感器（5TE，美國Decon公司）測定，傳感器安裝共5個土層，深度分別為20、40、60、80 cm和100 cm，每層安裝傳感器1個。傳感器與CR1000采集器相連，采樣頻率設為10 min，通過定期下載采集器內的數(shù)據(jù)可以觀測到測坑內土壤水分的動態(tài)變化。

5）灌溉水利用效率（）：，為產量（kg）；為灌水量（m3）。

6）冬小麥品質指標：氨基酸和蛋白質，均委托農業(yè)農村部農產品質量監(jiān)督檢驗測試中心測定，其中蛋白質含量由凱氏定氮法測定（GB5009.5—2016）、氨基酸量由茚三酮顯色法測定（GB5009.124—2016）。

1.5 統(tǒng)計分析

本次試驗的統(tǒng)計分析采用SAS8.1完成，程序選擇GLM，各試驗因子的主效應采用Duncan變量多重比較法完成，處理間的差異采用LSD法。圖表由Excel 2013制作。

米閥電路如圖4所示，米閥電路的使能信號和開關位置信號由單片機進行控制。圖4中開關K1所在位置4接+24V高電位，1接地低電位，米閥開關位置在閉合處。R2為上拉電阻，默認是PNP三極管高電平不導通。與傳送帶控制電路原理相同，三極管導通，開關吸合改變位置，開關K1所在位置4接地低電位，1接+24V高電位，開關位置在開合處。

2 結果與分析

2.1 土壤水分動態(tài)變化

圖2為2018年2月6日—5月26日返青至成熟期不同灌溉模式下低密度冬小麥土壤水分動態(tài)變化。2月23日灌返青水前各土層土壤含水率較為一致，均呈由淺至深逐漸增加的趨勢，灌水后各土層傳感器數(shù)值均直線上升，然后隨著小麥耗水逐漸下降。圖2（a）為返青期和灌漿初期灌水處理（W1），灌水時間分別為2月23日和5月5日。從圖2（a）可以看出，返青至灌漿由于是冬小麥營養(yǎng)生長及生殖生長旺盛期，需水較多，騰發(fā)耗水較大，20～100 cm各土層含水率均快速下降，至灌漿水前，20～80 cm土層土壤含水率均下降至小于灌返青水前土壤含水率，且雖經灌漿水但后期各土層土壤含水率仍下降至較低的水平，各土層土壤水分差異不大。圖2（b）為返青期、拔節(jié)期和灌漿初期灌水處理（W2），與W1處理相比增加了3月26日拔節(jié)水。灌拔節(jié)水有效補充了各土層拔節(jié)期至灌漿期的土壤含水率，但40 cm以上淺層土壤含水率仍下降較快，至灌漿前下降至小于返青前的水平，而60～100 cm土層的土壤含水率較高且則隨土層深度的增加而增加，土壤含水率有明顯的“梯度效應”。圖2（c）為返青期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿初期灌水處理（W3），與W2處理相比又增加了4月13日抽穗水。從圖中可以看出返青至灌漿初期增灌拔節(jié)和抽穗水使冬小麥各土層土壤含水率均維持在高于返青前的水平。增灌抽穗水使抽穗至灌漿后期土壤水分出現(xiàn)明顯的“兩極分化”，其中40 cm以上土層土壤水分較低，下降較快，而60 cm以下土層土壤水分較高且差異不大。此外，從圖2可以看出，相比其他生育期，抽穗以后不同土層土壤水分曲線下降斜率有明顯增加的趨勢。

2.2 冬小麥旗葉生理指標

表2為冬小麥灌漿水后不同處理旗葉光合速率（n）、蒸騰速率（r）及葉片水分利用效率（），測定時期W1、W2和W3處理1 m土層內平均相對含水率為60%、70%和80%。從表2可以得出，冬小麥低密度處理比高密度處理的n、r高；而灌溉模式中的不同生育期灌溉次數(shù)越多則旗n、r越大；追2次氮肥處理比追1次氮肥n、r高。至于則恰好相反，不同生育期灌溉次數(shù)越多則越低，而種植密度和追氮次數(shù)對的影響不大。

表2 不同處理條件下冬小麥旗葉Pn、Tr和LWUE

注 同一列數(shù)據(jù)不同字母表示在＜0.05水平下差異顯著，下同。

2.3 冬小麥產量、品質和灌溉水利用效率

表3為不同處理冬小麥產量、品質及灌溉水利用效率。冬小麥單位面積穗數(shù)隨種植密度、灌水生育期和追氮次數(shù)的增加而增加，其中種植密度對穗數(shù)影響的主效應達極顯著水平（＜0.01），而灌溉模式和追氮模式對穗數(shù)影響的主效應并不顯著，三因素對穗數(shù)影響的交互效應亦不顯著。本次試驗穗數(shù)最多的處理為D1W1N2處理，而最少的則為D1W1N1處理。冬小麥穗粒數(shù)隨種植密度增加而極顯著減少；灌溉模式對穗粒數(shù)影響的主效應亦達顯著水平（＜0.05），穗粒數(shù)最大值出現(xiàn)在W2處理，其次是W3、W1處理；而追氮模式對穗粒數(shù)影響的主效應不顯著。本次試驗穗粒數(shù)最高的處理為D2W2N2處理，而最低的處理則為D1W3N2處理。對于千粒質量，種植密度、灌溉模式和追氮模式對千粒質量影響的主效應均達顯著或極顯著水平，冬小麥千粒質量隨種植密度的增加而減少，隨灌水生育期和追氮次數(shù)的增加而增加；此外，種植密度和追氮模式二因素的交互效應及種植密度、灌溉模式和追氮模式三因素的交互效應對千粒質量影響均達顯著水平。本次試驗千粒質量最高的仍為D2W2N2處理，最低的為D1W1N1處理。對于產量，灌溉模式和追氮模式對產量影響的主效應達顯著水平，其中灌溉模式最高的處理出現(xiàn)在W2處理，其次是W3處理和W1處理；而追氮模式中的N2處理均值比N1處理均值有顯著增加。此外，種植密度和追氮次數(shù)的交互效應以及種植密度、灌水模式和追氮模式三因素的交互效應對產量影響亦達顯著水平。本次試驗理論產量最高的處理為D2W2N2處理，而最低的處理為D1W1N1處理。

表3 不同處理冬小麥產量、品質構成因子及灌溉水利用效率

注 *表示因子作用在＜0.05水平下達顯著水平；**表示因子作用在＜0.01水平下達極顯著水平，下同；表示因子作用不顯著。氨基酸和蛋白質量每處理只測定1次，無方差分析。

對于灌溉水利用效率（），灌溉模式對影響的主效應達顯著水平，隨灌水生育期的減少而極顯著提高（＜0.01），其中W1處理均值最高，其次是W2處理均值和W3處理均值；D2處理均值高于D1處理均值，N2處理均值高于N1處理均值，但種植密度和追氮模式二因素對影響的主效應不顯著。此外，灌溉模式和追氮模式二因素的交互作用以及種植密度、灌溉模式和追氮模式三因素間的交互作用對的影響亦達顯著水平。本次試驗灌溉水利用效率最高的處理為D2W1N1處理，最小的為D1W3N2處理和D1W1N1處理。

本次試驗測定的冬小麥籽粒15種氨基酸總和與含蛋白質量如表3所示。本次試驗氨基酸和蛋白質量最高的處理為D1W1N1處理，最小的為D2W2N2處理。

2.4 冬小麥產量、品質構成因子及灌溉水利用效率間相關性分析

表4為冬小麥產量、品質構成因子及灌溉水利用效率相關系數(shù)。產量與千粒質量呈極顯著正相關（＜0.01）與灌溉水利用效率（）顯著正相關（＜0.05）。此外，穗粒數(shù)與穗數(shù)顯著負相關。而品質指標與產量指標和灌溉水利用效率間的相關性均為負相關，其中氨基酸和蛋白質與產量間的相關性達到極顯著水平，與千粒質量間的相關性達顯著水平，氨基酸與間的相關性亦達顯著水平。此外，氨基酸和蛋白質間的相關性達到極顯著正相關水平。

從相關分析可以知道冬小麥品質中的氨基酸和蛋白質隨產量的增加而線性下降，為描述品質指標與產量詳細的對應關系，對它們進行了回歸分析，具體如圖3示。產量與氨基酸回歸關系式的決定系數(shù)要好于與蛋白質回歸關系式的決定系數(shù)，通過此回歸關系式，輸入產量水平可估算本試驗條件下的冬小麥籽粒中氨基酸和蛋白質量大致水平。

表4 冬小麥產量、品質構成因子及灌溉水利用效率間的相關系數(shù)

圖3 冬小麥產量與氨基酸、蛋白質關系

3 討論

3.1 冬小麥春季適宜灌溉模式

冬小麥返青后灌溉模式關系到能否取得小麥豐產及水資源高效利用，一直是業(yè)界研究的重點和熱點。本次通過土壤水分動態(tài)監(jiān)測（圖2所示）發(fā)現(xiàn)，僅灌返青水和灌漿水，其間72 d無灌水，將使1 m土層土壤水分大幅下降，各土層土壤水差異減小，雖提高了土壤水利用效率，但會導致灌漿前各土層土壤水分均低于返青前的水平。有研究表明，小麥拔節(jié)后的生長應在適宜的土壤水分中進行，過低的土壤水分不利于小麥拔節(jié)、抽穗的生長，最終影響小麥產量和干物質形成[16-17]。而在返青、灌漿間增灌拔節(jié)水，則在1 m不同土層內形成了由淺至深土壤水分逐漸增加的梯度，提高了土壤水的利用，優(yōu)化了小麥不同深度根系吸水環(huán)境。而如在拔節(jié)和灌漿間繼續(xù)增灌抽穗水，將導致抽穗后小麥耗水主要以40 cm以上土層為主，而60 cm以下各土層土壤水分雖有消耗但降幅不大，不利于小麥對不同土層土壤水分的吸收與利用，也不利于麥后深層土壤對夏季降雨的儲蓄與利用。對此有專家指出，小麥總耗水量與灌水量成正相關，與土壤水消耗量呈負相關，春季灌水次數(shù)越多則淺層土壤水占總耗水的比例越高[2]。此外，灌漿后期土壤水分過高還會導致小麥貪青晚熟，不利于小麥獲得高產。

相比其他生育期，冬小麥抽穗后不同土層土壤水分曲線下降斜率有明顯增大的趨勢，這表明此生育期為冬小麥耗水強度最大生育期；而返青至拔節(jié)初期土壤水分曲線變化較為平緩，冬小麥耗水強度并不大。因此，冬小麥春季灌溉應是分別安排在返青期、拔節(jié)中期和揚花或灌漿初期灌溉。此研究結論與已有的研究結論相似[18]，但也與一些專家提出的冬小麥返青后不灌返青水，只灌拔節(jié)和揚花2水的研究結論有所差異[2,19]。究其原因可能是試驗所處的底墑環(huán)境的差異造成的，底墑高低是決定冬小麥是否灌返青水的關鍵因素。此外，在水資源匱乏地區(qū)若春灌只能灌2水，則針對冬小麥返青后不同墑情條件的灌水時機研究也是今后研究的方向。

3.2 試驗因素對冬小麥產量構成因子的影響

灌溉模式中的灌水生育期越多則灌水量越大，1 m土層平均土壤含水率越高，冬小麥灌漿期旗葉光合、蒸騰速率越高，但葉片水分利用效率則隨灌溉次數(shù)增多而降低；低種植密度小麥旗葉光合速率高于高種植密度小麥旗葉光合速率。對此前人有研究發(fā)現(xiàn)土壤相對含水率超過80%時，冬小麥光合速率會降低而蒸騰速率會增加，從而導致葉片水分利用效率的下降[20]；過高的種植密度會導致小麥旗葉光合作用下降[10]，但也有研究表明旗葉光合速率隨著種植密度的增加沒有顯著變化，而是倒3葉和倒5葉呈顯著下降，多穗型品種下降幅度大于大穗型品種[21]。在總的施氮量相同的條件下，返青期、抽穗初期分2次追施氮肥處理的光合速率要高于返青期1次追施全部氮肥處理的光合速率。

種植密度的增加能極顯著的提高單位面積小麥穗數(shù)，但會使穗粒數(shù)和千粒質量極顯著下降（表3）。這表明一定范圍內種植密度的提高對于穗數(shù)增加的作用可以彌補其對小麥穗粒數(shù)和千粒質量下降的影響，使小麥的產量不至于下降，但由于過量播種導致的生產成本的增加在生產實際中顯然是不經濟的，相似的研究結論在前人的研究中也有體現(xiàn)[11-15]。灌溉模式對穗粒數(shù)、千粒質量、產量和灌溉水利用效率（）的影響均達顯著水平。穗粒數(shù)和產量的最大值均出現(xiàn)在W2處理，其次才是W3處理和W1處理。有專家指出小麥拔節(jié)至灌漿期的土壤水分要適宜，過低的土壤水分不利于后期小麥干物質形成；而土壤水分過高會推遲抽穗期，從而縮短了灌漿時間[21-23]。在氮肥追施總量相同的情況下，N2處理的千粒質量和產量均值比N1處理均值有顯著增加，這與前人得出的氮肥后移可增加冬小麥粒數(shù)和粒質量的研究結論是一致的[8-9]。此外，種植密度和追氮模式二因素的交互作用及種植密度、灌溉模式和追氮模式三因素的交互作用對小麥千粒質量和產量的影響達顯著水平，而灌溉模式和追氮模式二因素對千粒質量和產量的交互作用未達顯著水平，這與以往水氮耦合能夠對小麥產量產生顯著影響研究結論不同[3,18]，原因是以往研究結論的得出是在不同的灌水量和不同施氮量組合試驗條件下得出的，而本次試驗各處理施氮總量均相同，只是追氮模式存在區(qū)別。本次研究通過相關分析（表4所示）發(fā)現(xiàn)，冬小麥產量與千粒質量呈極顯著正相關，而小麥千粒質量會隨平均灌漿速率的增加而增加[24-28]，因此生產實際中要協(xié)調好水、肥、密三者的關系，在控制好小麥群體密度的前提下通過提高灌漿速率、延長灌漿時間來實現(xiàn)小麥高產。通過以上分析并結合本次試驗結果，產量最高的D2W2N2處理正是集中了適宜的種植密度，合理的灌溉和追氮模式得出的，最主要的驅動因素為穗粒數(shù)和千粒質量的增加；而產量最低的D1W1N1處理則恰好相反，種植密度過大，返青后的不同生育期灌溉次數(shù)偏少，追氮采取返青期一次追施全部氮肥，未發(fā)揮氮肥適度后移對小麥干物質向籽粒的轉運與分配的促進作用等。因此，D2W2N2處理條件可以作為本地區(qū)大穗型冬小麥節(jié)水減肥種植模式推廣。

3.3 試驗因素對冬小麥籽粒品質指標的影響

通過對冬小麥籽粒中的氨基酸和蛋白質研究發(fā)現(xiàn)（表3所示），氨基酸和蛋白質隨灌水生育期的增加而減少，這與前人的研究結論也基本一致[18]；返青期1次性追施全部氮肥的處理比在返青期和抽穗期分2次追施氮肥處理的氨基酸和蛋白質量稍高；而種植密度對小麥氨基酸和蛋白質量影響不大。對此有專家指出密度對產量影響較大，對品質影響較小[12,29]，但也有研究表明小麥籽粒蛋白質量會隨密度的增加而降低[30]。通過相關性分析發(fā)現(xiàn)，氨基酸和蛋白質與產量構成因子均呈負相關，其中與產量的相關性達極顯著水平，相似的研究結果在以往的研究[31]中也有發(fā)現(xiàn)。這表明在總氮源一定的情況下，小麥雖能通過灌水、追氮的優(yōu)化組合提高產量，但也會帶來籽粒氨基酸和蛋白質量下降的問題（圖3），這就要求今后試驗工作要圍繞如何通過科學水氮管理達到小麥增產和調質的統(tǒng)一，產量和營養(yǎng)品質的定向調控的方向而努力。

最后，以上研究結論的得出是在防雨棚測坑條件下取得的，其農田生態(tài)條件與大田還是有區(qū)別的，得出的研究結論仍需大田試驗的佐證。

4 結論

1）冬小麥春季灌返青、拔節(jié)和灌漿水可以在1 m不同土層內形成了由淺至深逐漸增加的土壤水分梯度。

2）種植密度的增加能極顯著的提高冬小麥單位面積穗數(shù)，但會使穗粒數(shù)和千粒質量極顯著下降。灌溉模式對穗粒數(shù)、千粒質量、產量和灌溉水利用效率的影響均達顯著水平，其中千粒質量隨灌水生育期的增加而增加；灌溉水利用效率隨灌水生育期的增加而降低；而穗粒數(shù)和產量的最大值均出現(xiàn)在灌返青水、拔節(jié)水和灌漿水的處理。此外，返青期和抽穗期分2次追施氮肥處理的千粒質量和產量比在返青期1次追施全部氮肥的處理有顯著增加。

3）在氮肥施用水平一致的條件下，小麥產量的提高會伴隨籽粒蛋白質和氨基酸的下降。

冬小麥本研究中節(jié)水減肥種植模式為：小麥播種量187.5 kg/hm2（約合基本苗300萬株/hm2）；足墑播種的條件下春季灌溉模式為返青水、拔節(jié)水和灌漿水（期間如有降雨則視墑情而定），每次灌水75 mm；基施復合肥養(yǎng)分量N、P2O5和K2O均為90 kg/hm2，返青期和抽穗期各追氮肥1次，每次施純氮60 kg/hm2。

[1] 康紹忠. 貫徹落實國家節(jié)水行動方案推動農業(yè)適水發(fā)展與綠色高效節(jié)水[J]. 中國水利, 2019(13): 1-6.

KANG Shaozhong. National water conservation initiative for promoting water-adapted and green agriculture and highly-efficient water use [J]. China Water Resources, 2019(13): 1-6.

[2] 王志敏, 王璞, 李緒厚, 等. 冬小麥“四統(tǒng)一”技術體系——節(jié)水、省肥、高產、簡化栽培[C]//中國作物學會栽培研究委員會小麥學組、山東農業(yè)大學小麥研究所. 全國小麥栽培科學學術研討會論文集.泰安: 中國作物學會, 2006: 31-40.

WANG Zhimin, WANG Pu, LI Xuhou, et al."Four Unified" technology System of Winter Wheat -- Water saving, Fertilizer Saving, High yield, Simplified Cultivation [C]//Wheat Research Group, Cultivation Research Committee of Chinese Crop Society, Wheat Research Institute of Shandong Agricultural University. Proceedings of the National Symposium on Wheat Cultivation Science. Tai’an: Chinese Crop Society, 2006: 31-40.

[3] 李科江, 李保國, 胡克林, 等. 不同水肥管理對冬小麥灌漿影響的模擬研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2004, 10(5): 449-454.

LI Kejiang, LI Baoguo, HU Kelin, et al. Modeling kernel filling of winter wheat for optimum field management[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2004, 10(5): 449-454.

[4] 唐繼偉, 林治安, 李娟, 等. 潮土小麥–玉米輪作體系氮肥用量閾值及土壤硝態(tài)氮年際變化[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2020, 26(12): 2 246-2 252.

TANG Jiwei, LIN Zhi’an, LI Juan，et al. Optimal nitrogen rate and the down movement of soil nitrate nitrogen inwheat-maize rotation system in fluvo-aquic soil [J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers，2020, 26(12): 2 246-2 252.

[5] 劉海光, 羅振, 董合忠. 植物硝態(tài)氮吸收和轉運的調控研究進展[J]. 生物技術通報，2021, 37(6): 9-18.

LIU Haiguang, LUO Zhen, DONG Hezhong. Research Progress on the Regulation of NO3-Uptake and Transport in Plant [J]. Biotechnology Bulletin, 2021, 37(6): 9-18.

[6] 雒文鶴, 師祖姣, 王旭敏, 等. 節(jié)水減氮對土壤硝態(tài)氮分布和冬小麥水氮利用效率的影響[J]. 作物學報, 2020, 46(6): 924-936.

LUO Wenhe，SHI Zujiao，WANG Xunmin，et al. Effects of water saving and nitrogen reduction on soil nitrate nitrogen distribution,water and nitrogen use efficiencies of winter wheat[J]. Acta Pedologica Sinica, 2020, 46(6): 924-936.

[7] 郭翠花, 高志強, 苗果園. 不同產量水平下小麥倒伏與莖稈力學特性的關系[J]. 農業(yè)工程學報, 2010, 26(3): 151-155.

GUO Cuihua, GAO Zhiqiang, MIAO Guoyuan. Relationship between lodging and mechanical characteristics of winter wheat stemunder different yield levels[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(3): 151-155.

[8] 井長勤, 周忠, 張永. 氮肥運籌對小麥倒伏影響的研究[J]. 徐州師范大學學報, 2003, 21(4): 46-49.

JIN Changqin, ZHOU Zhong, ZHANG Yong. A study of the effect of nitrogen application on the lodging of wheat [J]. Journal of Xuzhou Normal University, 2003, 21(4): 46-49.

[9] 胡衛(wèi)麗, 王永華, 李劉霞, 等. 氮密調控對兩種穗型冬小麥品種莖蘗干物質積累與轉運的影響[J]. 麥類作物學報, 2014, 34(6): 808-815.

HU Weili, WANG Yonghua, LI Liuxia, et al. Effect of nitrogen and plant density on dry matter accumulation and translocation in main stem and tillers of two spike types of winter wheat varieties [J]. Journal of Triticeae Crops, 2014, 34(6): 808-815.

[10] 于振文, 岳壽松, 沈成國, 等. 不同密度對冬小麥開花后葉片衰老和粒重的影響[J]. 作物學報, 1995, 21(4): 412-418.

YU Zhenwen, YUE Shousong, SHEN Chengguo, et al. Effect of different density on leaf senescence after anthesis and kernel weight in winter wheat [J]. Acta Agronomica Sinica, 1995, 21(4): 412-418.

[11] 趙會杰, 薛延豐, 董中東, 等. 密度及追氮時期對大穗型小麥旗葉及子粒碳水化合物代謝的影響[J]. 河南農業(yè)大學學報, 2004, 38(1): 1-4.

ZHAO Huijie, XUE Yanfeng, DONG Zhongdong, et al. Influence of density and topdressing time of nitrogen fertilizer on carbohydrate metabolism in leaf and grain of large ear cultivar of high yielding winter wheat [J]. Journal of Henan Agricultural University, 2004, 38(1): 1-4.

[12] 趙廣才, 張艷, 劉利華, 等. 施肥和密度對小麥產量及加工品質的影響[J]. 麥類作物學報, 2005, 25(5): 56-59.

[12]ZHAO Guangcai, ZHANG Yan, LIU Lihua, et al. Effect of different fertilizing and plant density on grain yield and its processing quality of wheat[J]. Journal of Triticeae Crops, 2005, 25(5): 56-59.

[13] 郭天財, 王書麗, 王晨陽, 等. 種植密度對不同筋力型小麥品種熒光動力學參數(shù)及產量的影響[J]. 麥類作物學報, 2005, 25(3): 63-66.

GUO Tiancai, WANG Shuli, WANG Chenyang, et al. Effect of planting density on fluorescence induction kinetic parameters in different gluten wheat cultivars [J]. Journal of Triticeae Crops, 2005, 25(3): 63-66.

[14] 郭天財, 查菲娜, 馬冬云, 等. 種植密度對兩種穗型冬小麥品種籽粒糖含量和淀粉積累的影響[J]. 麥類作物學報, 2006, 26(4): 128-132.

GUO Tiancai, ZHA Feina, MA Dongyun, et al. Effect of plant density on sugar content and starch accumulation in grains of two winter wheat cultivars with different spike types [J]. Journal of Triticeae Crops, 2006, 26(4): 128-132.

[15] 劉萍, 郭文善, 徐月明, 等. 種植密度對中弱筋小麥籽粒產量和品質的影響[J]. 麥類作物學報, 2006, 26(5): 117-121.

LIU Ping, GUO Wenshan, XU Yueming, et al. Effect of planting density on grain yield and quality of weak-gluten and medium-gluten wheat [J]. Journal of Triticeae Crops,2006, 26(5): 117-121.

[16] 申孝軍, 孫景生, 劉祖貴, 等. 灌水控制下限對冬小麥產量和品質的影響[J]. 農業(yè)工程學報, 2010, 26(12): 58-65.

SHEN Xiaojun, SUN Jingsheng, LIU Zugui, et al. Effects of low irrigation limits on yield and grain quality of winter wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2010, 26(12): 58-65.

[17] 孟兆江, 賈大林, 劉安能, 等. 調虧灌溉對冬小麥生理機制及水分利用效率的影響[J]. 農業(yè)工程學報, 2003, 19(4): 66-69.

MENG Zhaojiang, JIA Dalin, LIU Anneng, et al. Effect of regulated deficit irrigation on physiological mechanism and water use efficiency of winter wheat [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2003, 19(4): 66-69.

[18] 趙廣才, 常旭虹, 陳新民, 等. 不同施肥灌水處理對不同小麥品種產量和品質的影響[J]. 植物遺傳資源學報, 2007, 8(4): 447-450.

ZHAO Guangcai，CHANG Xuhong，CHEN Xinmin，et al. Effect of the treatment of nitrogen and irrigation on grain yield and quality in different wheat varieties [J]. Journal of Plant Genetic Resources, 2007, 8(4): 447-450.

[19] 劉麗平, 歐陽竹, 武蘭芳, 等. 灌溉模式對不同密度小麥群體質量和產量的影響[J]. 麥類作物學報, 2011, 31(6): 1 116-1 122.

LIU Liping, OUYANG Zhu, WU Lanfang, et al. Effects of irrigation schedules on population quality and grain yield of winter wheat under different densities [J]. Journal of Triticeae Crops, 2011, 31(6): 1 116-1 122.

[20] 孫景生, 劉祖貴, 肖俊夫, 等. 冬小麥節(jié)水灌溉的適宜土壤水分上、下限指標研究[J]. 中國農村水利水電, 1998(9): 10-12.

SUN Jingsheng, LIU Zugui, XIAO Junfu, et al. Study on upper and lower limits of suitable soil moisture for water-saving irrigation of winter wheat[J]. China Rural Nater and Hydropower, 1998(9): 10-12.

[21] 武蘭芳, 歐陽竹. 不同種植密度下兩種穗型小麥葉片光合特性的變化[J]. 麥類作物學報, 2008, 28(4): 618-625.

WU Lanfang, OUYANG Zhu. Photosynthesis of Two Spike-Type Cultivars of Winter Wheat (Triticumaestivum L.)under Different Sowing Rates[J]. Journal of Triticeae Crops, 2008, 28(4): 618-625.

[22] 馬守臣, 張偉強, 段愛旺. 不同虧缺灌溉方式對冬小麥產量及水分利用效率的影響[J]. 灌溉排水學報, 2019, 38(8): 9-14.

MA Shouchen, ZHANG Weiqiang, DUAN Aiwang. Effects of different deficit irrigation modes on grain yield and water use efficiency of winter wheat [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(8): 9-14.

[23] CHOUDHURY P N, KUMAR V. The sensitivity of growth and yield of dwarf wheat to water stress at three growth stages [J]. Irrigation Science, 1997(1): 223- 227.

[24] LITHOURGIDIS A S, DHIMA K V, DAMALAS C A, et al. Tillage effects on wheat emergence and yield at varying seeding rates, and on labor and fuel consumption [J].Crop Science, 2006, 46(3):1 187-1 192.

[25] OZTURK A, CAGLAR O, BULUT S, et al. Growth and yield response of facultative wheat to winter sowing, freezing sowing and spring sowing at different seedling rates [J]. Journal of Agronomy and Crop Science, 2006, 192: 10-16.

[26] DORNBUSCH T, BACCAR R, WATT J, et al. Plasticity of winter wheat modulated by sowing date, plant population density, and nitrogen fertilization: Dimensions and size of leaf blades, sheaths and internodes in relation to their position on a stem[J]. Field Crops Research, 2011, 121(1): 116-124.

[27] 孟兆江, 孫景生, 段愛旺, 等. 調虧灌溉條件下冬小麥籽粒灌漿特征及其模擬模型[J]. 農業(yè)工程學報, 2010, 26(1): 18-23.

MENG Zhaojiang, SUN Jingsheng, DUAN Aiwang, et al. Grain filling characteristics of winter wheat with regulated deficit irrigation and its simulation models[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2010, 26(1): 18-23.

[28] 馬建輝, 張利霞, 姜麗娜, 等. 氮肥和密度對冬小麥光合生理和物質積累的影響[J]. 麥類作物學報, 2015, 35(5): 674-680.

MA Jianhui, ZHANG Lixia, JIANG Lina, et al. Effect of nitrogen on photosynthetic physiology and matter accumulation of winter wheat[J]. Journal of Triticeae Crops, 2015, 35(5): 674-680.

[29] 郭偉, 于立河, 薛盈文, 等. 不同種植密度下施肥對強筋春小麥品質形成的調控效應[J]. 麥類作物學報, 2008, 28(1): 102-106.

GUO Wei, YU Lihe, XUE Yingwen, et al. Regulatory effects of fertilizer application on quality formation of strong-Gluten spring wheat at different population densities[J]. Journal of Triticeae Crops, 2008, 28(1): 102-106.

[30] 李筠, 王龍, 任立凱, 等. 播期?密度和氮肥運籌對冬小麥連麥2號產量與品質的調控[J]. 麥類作物學報, 2010, 30(2): 303-308.

LI Jun, WANG Long, REN Likai, et al. Effect of sowing date, density and nitrogen management on grain yield and quality of winter wheat Lianmai 2[J]. Journal of Triticeae Crops, 2010, 30(2): 303-308.

[31] 余四平, 趙宏偉, 袁靈紅, 等. 灌水次數(shù)對強筋小麥品種產量及品質的效應研究[J]. 安徽農業(yè)科學, 2014,4 2(5): 1 335-1 337, 1 466.

YU Siping, ZHAO Hongwei, YUAN Linghong, et al. Study on Effects of Irrigation Times on Yield and Quality of the Strong Gluten Wheat Cultivars [J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2014, 42(5): 1 335-1 337, 1 466.

[32] 鄭志松, 王晨陽, 牛俊義, 等. 水肥耦合對冬小麥籽粒蛋白質及氨基酸含量的影響[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報, 2011, 19(4): 788-793.

ZHENG Zhisong, WANG Chenyang, NIU Junyi, et al. Effects of irrigation and fertilization coupling on protein and amino acids contents in grains of winter wheat[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2011, 19(4): 788-793.

Optimizing Planting Densities, Irrigation and Nitrogen Topdressing to Improve Bioavailable Soil Water and Yield and Quality of Winter Wheat

WANG Xiaosen1,2, LYU Mouchao1,2*, WANG Sen1,2, CAI Jiumao1,2, LI Ying1,2, QIN Jingtao1,2, LIU Jieyun1,2, FAN Xichao1,2, WANG Hezhou1,3

(1.Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China; 2. Key Laboratory of Water-saving Engineering, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Xinxiang 453002, China;3. National Agro-ecological System Observation and Research Station of Shangqiu, Shangqiu 476000, China)

【】Water and fertilizer use efficiency of crops depends on many factors, and the objective of this paper is to investigate experimentally how to achieve this through optimizing planting density, irrigation and nitrogen topdressing.【】The experiment was conducted in lysimeters with winter wheat used as the model plant. It compared two planting densities: 5×106plant/hm2(D1) and 3×106plant/hm2(D2). For each planting density, there were three irrigation treatments: irrigating at the turning-green stage and the grain-filling stage (W1), irrigating at the turning-green stage, jointing stage and grain-filling stage (W2), irrigating at the turning-green stage, jointing stage, heading stage and grain-filling stage (W3), and two nitrogen topdressing treatments: topdressing all nitrogen at the turning-green stage, topdressing a half at the turning-green stage and the other half at the jointing stage. In each treatment, we measured the changes in soil water contents.【】Irrigating scheduling W2made soil water in 0～100 cm more suitable for the crop to grow and increased its water use efficiency. Increasing irrigation frequency enhanced photosynthetic and transpiration rates, but it reduced leaf water use efficiency and the content of amino acid and protein in the grain. Increasing planting density or nitrogen topdressing frequency can improve photosynthetic rate even when the total amount of nitrogen application was the same. Increasing planting density increased spike numbers, but reduced grain numbers per spike and kernel weight, all at significant level (<0.001). Irrigation scheduling affected grain numbers per spike, kernel weight, crop yield, and irrigation water use efficiency () at significant level (<0.05); increasing irrigation frequency at different growing stages increased the kernel weight but reduced. Irrigation scheduling W2gave the highest grain numbers per spike and yield, followed by W3, with W1being the least. When the amount of nitrogen used in the topdressing was the same, increasing topdressing frequency increased the kernel weight and yield significantly, but reduced the content of amino acid and protein in the grain. Planting density did not show significant effects on amino acids and protein in the grains. Regression analysis revealed that the content of amino acid and protein in the grains decreased linearly as the crop yield increased. 【】The optimal agronomic practices for winter wheat in our studied regions were: Planting density 3×106plant/hm2; three irrigations, each with 75 mm of water, at the turning-green stage, jointing stage and grain filling stage respectively; base fertilization N, P2O5and K2O, each at the rate of 90 kg/hm2; topdressing nitrogen at the turning green stage and jointing stage, each with 60 kg/hm2.

planting density; irrigation scheduling; topdressing nitrogen; winter wheat; yield; grain quality

王曉森, 呂謀超, 王森, 等.種植密度和灌溉?施氮模式對冬小麥土壤水分狀況?產量和品質的影響[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(9): 48-56.

WANG Xiaosen, LYU Mouchao, WANG Sen, et al. Optimizing Planting Densities, Irrigation and Nitrogen Topdressing to Improve Bioavailable Soil Water and Yield and Quality of Winter Wheat[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(9): 48-56.

S274

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020353

1672 – 3317（2021）09 - 0048 - 09

2020-06-30

科技創(chuàng)新工程所級重點任務（CX0001-0401）；NSFC-河南人才培養(yǎng)聯(lián)合基金項目（U1504530）；2020年度新鄉(xiāng)市科技攻關計劃項目（23）；國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0800605）

王曉森（1975-），男。副研究員，碩士，主要從事節(jié)水灌溉基礎理論研究。E-mail: ngswxss@126.com

呂謀超（1968-），男。研究員，博士生導師，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術研究。E-mail:lvmouchao@caas.cn

責任編輯：韓洋