張笑培，周新國(guó)*，王和洲，楊慎驕，陳金平，劉安能

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng)453002；2.河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站，河南 商丘476000）

0 引 言

【研究意義】黃淮麥區(qū)適宜的光溫條件為冬小麥的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供了得天獨(dú)厚的生長(zhǎng)環(huán)境，目前已發(fā)展成中國(guó)重要的冬小麥生產(chǎn)基地，冬小麥產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的70%以上[1-2]。該地區(qū)常年降水量在520～900 mm 之間，主要集中在7—9月，冬小麥生育期降水僅150～300 mm，而且降水與冬小麥需水過(guò)程不同步，不能滿(mǎn)足冬小麥正常生長(zhǎng)發(fā)育需求，為獲得較高的產(chǎn)量冬小麥生產(chǎn)必須依靠灌溉[3-4]。目前不科學(xué)的水肥管理不僅影響水肥利用效率，還會(huì)引起氮素淋洗污染地下水，造成農(nóng)田生態(tài)環(huán)境及地下水安全問(wèn)題[5-6]。因此，采取適宜的水氮管理模式，提高冬小麥產(chǎn)量及氮肥利用效率，對(duì)于實(shí)現(xiàn)黃淮地區(qū)冬小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境安全具有重要意義。

【研究進(jìn)展】冬小麥優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)除了受基因遺傳特性直接影響，還與生長(zhǎng)環(huán)境及栽培管理措施密切相關(guān)。水肥管理直接影響植株生長(zhǎng)、產(chǎn)量及水氮利用效率[7-9]。冬小麥的生長(zhǎng)及產(chǎn)量形成受水分和氮素的單因素效應(yīng)及互作效應(yīng)共同影響[10-12]。在一定的范圍內(nèi)，冬小麥籽粒產(chǎn)量隨著施氮量和土壤含水率的增加而提高，但當(dāng)灌水施氮超過(guò)閾值范圍，籽粒增產(chǎn)效果會(huì)下降[13-14]。冬小麥的氮素吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)和利用受土壤水分影響；適宜的施氮量可以緩解土壤水分脅迫對(duì)作物造成的傷害[15-17]。

【切入點(diǎn)】在黃淮地區(qū)有關(guān)冬小麥灌溉制度、優(yōu)化氮肥施用等方面進(jìn)行了相關(guān)研究[18-20]；但基于氮肥利用效率的最佳水氮管理模式及作物生長(zhǎng)狀況、籽粒產(chǎn)量及構(gòu)成因素的變化規(guī)律需要進(jìn)行更多的研究探索?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以冬小麥為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究拔節(jié)期水氮調(diào)控對(duì)冬小麥株高、葉面積、地上部干物質(zhì)量、產(chǎn)量和氮肥吸收利用率的影響，確定拔節(jié)期最佳的水氮組合模式。以期為實(shí)現(xiàn)黃淮地區(qū)冬小麥可持續(xù)生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2012年10月—2013年6月在河南商丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站（E 115°34′，N 34°35′，海拔51 m）進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)屬暖溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候，多年平均降水量為708 mm（其中7—9月降水量約占全年降水量的65%～75%）。試驗(yàn)期間冬小麥生長(zhǎng)季降水量282.3 mm，平均最高氣溫和最低氣溫分別為13.70 ℃和4.41 ℃。試驗(yàn)期間的有效降水量和氣溫如圖1 所示。

圖1 冬小麥生育期內(nèi)降水量、最高溫度和最低溫度Fig.1 Daily rainfall,maximum temperature and minimum temperature during the whole growth period of winter wheat

試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為輕黏質(zhì)土質(zhì)，0～100 cm 平均土壤體積質(zhì)量為1.46 g/cm3，田間持水率為36.72%（體積含水率），耕層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮量分別為9.8 g/kg和0.73 g/kg，堿解氮、速效磷和速效鉀量分別為91.8、3.46 和55.2 mg/kg。試驗(yàn)期間地下水埋深大于3.0 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用二因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，在拔節(jié)期進(jìn)行灌水和追施氮肥處理。灌水量設(shè)置3 個(gè)水平，0 mm（W1），60 mm（W2）和90 mm（W3）。拔節(jié)期追氮量（純氮）分別為0 kg/hm2（N1）、75 kg/hm2（N2）和150 kg/hm2（N3）。播種前基施氮肥（純氮）150 kg/hm2。施用氮肥為尿素（含N 46%）?；㏄2O5112.5 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2。磷肥為過(guò)磷酸鈣（含P2O546%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%）。試驗(yàn)共9 個(gè)處理，各處理重復(fù)3 次，共27 個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積為36 m2（3.6 m×10 m），相鄰小區(qū)之間設(shè)置1.2 m 寬的保護(hù)行。小麥品種為“矮抗58”，于2012年10月15日播種，2013年6月1日收獲。

前茬玉米收獲后，秸稈全部粉碎還田。各處理播種前土壤墑情和肥力處于同一水平，于2013年3月2日進(jìn)行拔節(jié)期灌水追肥處理，灌水前按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)施入氮肥（W1 處理通過(guò)開(kāi)小溝將氮肥施入麥田耕層土壤，W2、W3 處理灌水前撒施）。灌溉水源為地下水，利用涂塑軟管將井水引入試驗(yàn)小區(qū)，各處理灌水量用精度0.001 m3的水表計(jì)量。各處理除拔節(jié)期外，其他生育期均未進(jìn)行灌溉[18]。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1 冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育

在冬小麥拔節(jié)期（2012年3月10日）、孕穗期（2012年4月10日）、揚(yáng)花期（4月24日）及成熟期（2012年5月29日）進(jìn)行群體動(dòng)態(tài)調(diào)查和取樣。各小區(qū)隨機(jī)選取代表性植株10 株測(cè)量冬小麥株高、葉面積和地上部干物質(zhì)量。株高、葉面積均采用精度為0.1 cm 的直尺測(cè)量，測(cè)量葉片最大長(zhǎng)度和寬度，用0.75 的系數(shù)乘以葉片的長(zhǎng)和寬，計(jì)算單片葉面積和單株葉面積，結(jié)合田間調(diào)查株數(shù)計(jì)算葉面積指數(shù)[18]。將樣品減掉地下部分，于105 ℃烘箱中殺青30 min，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱(chēng)干質(zhì)量。根據(jù)取樣株數(shù)換算地上部干物質(zhì)量。

1.3.2 考種、測(cè)產(chǎn)及植株含氮量測(cè)定

冬小麥成熟期，取1 m 雙行調(diào)查穗粒數(shù)、成穗數(shù)等指標(biāo)。各小區(qū)選取3 個(gè)1 m2實(shí)收計(jì)產(chǎn)，籽粒晾曬干后稱(chēng)質(zhì)量，折算成單位面積產(chǎn)量；從各小區(qū)測(cè)產(chǎn)的籽粒中隨機(jī)取1 000 粒，計(jì)算千粒質(zhì)量[17-18]。

另取10 株植株，按不同器官分開(kāi)，于105 ℃烘箱中殺青30min，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱(chēng)干質(zhì)量，樣品粉碎后H2SO4-H2O2消煮，參照鮑士旦的方法，采用半微量凱氏定氮法測(cè)定植株各器官全氮量[21]。根據(jù)取樣數(shù)計(jì)算干物質(zhì)量和氮素積累量。

1.3.3 氮肥吸收利用率和水分利用效率計(jì)算[18-20]

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010、SAS6.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。差異顯著性采用LSD 法進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥葉面積、株高和地上部干物質(zhì)量

LAI、株高、地上部干物質(zhì)量均隨著作物生育期的推進(jìn)逐漸增加。灌水和施氮對(duì)拔節(jié)期、孕穗期、揚(yáng)花期3 個(gè)時(shí)期LAI均具有顯著影響（表1）。灌水對(duì)拔節(jié)期、孕穗期、揚(yáng)花期和成熟期株高均具有極顯著影響；施氮量對(duì)揚(yáng)花期和成熟期株高均具有極顯著影響。灌水和施氮對(duì)揚(yáng)花期、成熟期地上部干物質(zhì)量影響顯著，對(duì)拔節(jié)期地上部干物質(zhì)量影響不顯著；孕穗期僅灌水量對(duì)地上部干物質(zhì)量影響顯著（表1）。

where p=2πLIECF/Λ is the phase difference between the odd and even modes. The local helicity of the interference can be expressed as13

表1 冬小麥LAI、株高、地上部干物質(zhì)量方差分析結(jié)果Table 1 Variance analysis of LAI,plant height,and dry matter accumulation of winter wheat

LAI、株高和地上部干物質(zhì)量隨追氮量的增加而增加。相同施氮量處理下，LAI、株高、地上部干物質(zhì)量隨灌水量的增加呈增高趨勢(shì)，表現(xiàn)為：W1 處理

圖2 冬小麥葉面積指數(shù)、株高、地上部干物質(zhì)量Fig.2 Leaf area index(LAI),plant high and dry matter accumulation of winter wheat

2.2 冬小麥籽粒產(chǎn)量

灌水和施氮通過(guò)影響千粒質(zhì)量、穗粒數(shù)、成穗數(shù)影響冬小麥籽粒產(chǎn)量。灌水量和施氮量對(duì)冬小麥千粒質(zhì)量、穗粒數(shù)、成穗數(shù)影響均達(dá)到極顯著水平（P<0.01）（表2）。灌水和施氮的交互作用對(duì)千粒質(zhì)量影響達(dá)到極顯著水平（P<0.01），對(duì)成穗數(shù)影響達(dá)到顯著水平（P<0.05）。同一施氮條件下，成穗數(shù)、穗粒數(shù)隨灌水量的增加而增加，千粒質(zhì)量則呈降低趨勢(shì)。同一灌水條件下，成穗數(shù)和穗粒數(shù)隨著施氮量的增加而增加，在W1 處理?xiàng)l件下，N2、N3 處理顯著高于N1處理（P<0.05）；在W2、W3 處理?xiàng)l件下，N2、N3處理差異不顯著（P>0.05）。同一灌水處理下N2、N3處理千粒質(zhì)量顯著低于N1 處理，且在W3 處理?xiàng)l件下，N2、N3 處理間差異也達(dá)到顯著水平（P<0.05）。

表2 冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成方差分析結(jié)果Table 2 Variance analysis of yield and its components of winter wheat

拔節(jié)期灌水和施氮及二者的交互作用對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響達(dá)到極顯著水平（P<0.01）。冬小麥產(chǎn)量隨灌水量和施氮量增加呈增加趨勢(shì)。同一灌水條件下，N2、N3 處理產(chǎn)量顯著高于N1 處理。在W1、W2 處理?xiàng)l件下，N3 處理產(chǎn)量顯著高于N2 處理；在W3處理?xiàng)l件下，N2、N3 處理無(wú)顯著差異。說(shuō)明在W3灌水條件下，N2 處理氮肥施用量較為適宜，繼續(xù)增加施氮量增產(chǎn)效果不顯著。同一施氮水平下，冬小麥產(chǎn)量隨灌水量的增加而增加。在N1、N2 處理?xiàng)l件下，W3、W2 處理產(chǎn)量顯著高于W1 處理，分別比W1 處理增產(chǎn)31.33%、23.70%和38.53%、17.82%；N3 處理?xiàng)l件下，W3、W2 處理產(chǎn)量分別比W1 處理增產(chǎn)9.34%、3.50%，但W3、W2 處理二者間差異不顯著。

2.3 冬小麥產(chǎn)量與生長(zhǎng)性狀及產(chǎn)量構(gòu)成相關(guān)性分析

對(duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量與生長(zhǎng)性狀、產(chǎn)量構(gòu)成進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3 所示。

表3 籽粒產(chǎn)量、生長(zhǎng)性狀及產(chǎn)量構(gòu)成間相關(guān)系數(shù)Table 3 The correlation coefficient of grain yield,growth characters and yield composition

冬小麥生長(zhǎng)性狀與籽粒產(chǎn)量均顯著正相關(guān)，說(shuō)明提高冬小麥LAI、株高、地上部干物質(zhì)量均有利于提高冬小麥籽粒產(chǎn)量。籽粒產(chǎn)量與成穗數(shù)和穗粒數(shù)極顯著正相關(guān)，千粒質(zhì)量與籽粒產(chǎn)量極顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明在本試驗(yàn)條件下，產(chǎn)量的增加主要是由穗粒數(shù)和成穗數(shù)增加促成的。除千粒質(zhì)量與其他性狀極顯著負(fù)相關(guān)外，其他各指標(biāo)間均顯著或極顯著正相關(guān)。說(shuō)明各個(gè)因子間存在相關(guān)性和制約性，在進(jìn)行農(nóng)田管理措施時(shí)，應(yīng)使各個(gè)性狀指標(biāo)協(xié)調(diào)發(fā)展，充分發(fā)揮冬小麥的產(chǎn)量潛力。

2.4 冬小麥氮肥吸收利用和水分利用效率

籽粒吸氮量、地上部氮素積累量均隨灌水量和施氮量的增加而顯著增加。同一灌水水平，籽粒吸氮量和地上部氮素積累量隨施氮量的增加而增加（圖3），在W1 處理?xiàng)l件下，N3 處理顯著高于N2、N1 處理，3 個(gè)氮肥梯度差異顯著；在W2、W3 處理?xiàng)l件下，N2、N3 處理顯著高于N1 處理，但二者間差異不顯著（P>0.05）。

圖3 冬小麥籽粒吸氮量及地上氮總量Fig.3 N amounts of grain and aboveground of wheat

圖4 冬小麥氮肥生產(chǎn)效率Fig.4 Nitrogen fertilizer production efficiency of wheat

圖5 籽粒氮肥吸收利用率Fig.5 Nitrogen fertilizer use efficiency of grain

圖6 冬小麥水分利用效率Fig.6 Water use efficiency of wheat

3 討論

3.1 水氮處理下冬小麥生長(zhǎng)狀況

水氮是影響作物生長(zhǎng)的重要環(huán)境因子，二者在作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中存在明顯的耦合效應(yīng)[15]。在冬小麥生長(zhǎng)前期水分充足條件下，適宜的施氮可以促進(jìn)冬小麥葉面積、株高和干物質(zhì)量增長(zhǎng)[27]。施用氮肥對(duì)作物的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)具有閾值效應(yīng)，即過(guò)量的施氮可能不利于作物的生長(zhǎng)[24-27]。拔節(jié)期是冬小麥需水敏感期[22-23]，拔節(jié)期缺水對(duì)冬小麥生長(zhǎng)有明顯的抑制作用，導(dǎo)致株高、葉面積減小，干物質(zhì)積累量降低[28]。本試驗(yàn)冬小麥拔節(jié)期的降水量?jī)H為8.1 mm，該時(shí)期灌溉、追肥措施為冬小麥高產(chǎn)創(chuàng)造了較為適宜的水肥條件。本研究表明，LAI、株高和地上干物質(zhì)量隨拔節(jié)期灌水量和追氮量的增加呈增加趨勢(shì)。LAI、株高和地上干物質(zhì)量最高值均出現(xiàn)在W3 處理?xiàng)l件下，但與同生育期W2N2、W2N3 處理間無(wú)顯著差異。說(shuō)明拔節(jié)期灌水和施氮，提高了LAI、株高，改善冬小麥冠層結(jié)構(gòu)，截獲更多的光能，進(jìn)行更多的光合作用，最終提高冬小麥干物質(zhì)量[22-23]，但超過(guò)一定的灌水量和施氮量，增加效果減弱。

3.2 水氮處理下冬小麥產(chǎn)量及構(gòu)成

水氮是影響作物產(chǎn)量的重要的可調(diào)控因子，采取適宜的水氮管理模式對(duì)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。適當(dāng)?shù)卦黾庸嗨褪┑靠梢蕴岣咦魑锂a(chǎn)量，但存在一定的臨界值，超過(guò)臨界值冬小麥產(chǎn)量無(wú)顯著變化[11-13]。本試驗(yàn)表明，隨拔節(jié)期灌水量和施氮量的增加，冬小麥籽粒數(shù)和成穗數(shù)增加，產(chǎn)量逐漸增加。在拔節(jié)期灌水量為90 mm，追氮量為75 kg/hm2時(shí)獲得最高產(chǎn)量，繼續(xù)增加施氮量，產(chǎn)量增加不顯著。說(shuō)明灌水和追氮對(duì)冬小麥增產(chǎn)作用存在一定的臨界值，與前人的研究結(jié)果[15-17]相似。本研究中，冬小麥籽粒產(chǎn)量和穗粒數(shù)、成穗數(shù)正相關(guān)，表明拔節(jié)期灌水、追氮有利于增加冬小麥成穗數(shù)和穗粒數(shù)，最終促進(jìn)產(chǎn)量的提高。

3.3 水氮處理下冬小麥氮肥吸收利用

作物對(duì)氮肥的吸收利用受水氮的共同影響。在一定的灌水范圍內(nèi)，隨施氮量增加植株氮素積累量增加，但施氮量達(dá)到一定程度后增加效果減弱，甚至呈下降趨勢(shì)[19-20]。本研究中W3N2 處理冬小麥植株氮素積累量和籽粒含氮量最高，但與W3N3 處理差異不顯著，說(shuō)明拔節(jié)期灌水、追施氮肥促進(jìn)了小麥植株對(duì)氮素的吸收利用，但在N2 基礎(chǔ)上繼續(xù)增加施氮量，不利于植株氮素積累量增加及氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移。

在一定的施氮量和灌水量范圍內(nèi)，灌水有助于氮肥生產(chǎn)效率提高，施氮有助于水分利用效率提高。本研究中W3N2 處理比W3N3 處理氮肥生產(chǎn)效率提高35.10%，水分利用效率提高4.08%。說(shuō)明拔節(jié)期灌水和追施氮肥可以顯著提高冬小麥的水氮利用效率，但追氮量超過(guò)一定量會(huì)降低水氮利用效率，這一結(jié)論得到了相關(guān)研究[15-16]的支持。

拔節(jié)期追肥籽粒氮肥吸收利用率反映追施氮肥對(duì)籽粒氮積累量的影響。本研究W3N2 處理籽粒氮肥吸收利用率最高為0.53 kg/kg，顯著高于其他處理。說(shuō)明拔節(jié)期灌水促進(jìn)了籽粒對(duì)氮肥的吸收利用。綜合考慮作物氮素積累量和水氮利用效率，W3N2 處理是最佳的拔節(jié)期水肥管理模式。本研究中最大氮素積累量和籽粒含氮量均出現(xiàn)在最高灌水量處理中，與雒文鶴等[25]關(guān)于節(jié)水條件下作物氮素吸收利用的研究結(jié)果略有差異，造成結(jié)果不同的原因可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)?zāi)甓冉邓考捌浞植?、土壤基礎(chǔ)肥力、施氮方式等差異所致。

本試驗(yàn)僅對(duì)拔節(jié)期灌溉、追氮條件下冬小麥生長(zhǎng)性狀和氮肥吸收利用進(jìn)行了初步的研究探討，以上結(jié)論還有待于進(jìn)一步研究驗(yàn)證，以期為不同降水年型條件下水氮高效管理模式提供更為精準(zhǔn)的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)論

拔節(jié)期灌水和追施氮肥對(duì)冬小麥葉面積、株高、地上部干物質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量均有顯著影響。W3N2 處理冬小麥葉面積指數(shù)、株高、地上部干物質(zhì)量獲得較大值，籽粒產(chǎn)量達(dá)到最高為6 919.02 kg/hm2。

拔節(jié)期灌水和追施氮肥促進(jìn)了冬小麥對(duì)氮素的吸收利用，W3N2 處理冬小麥植株氮素積累量和籽粒含氮量最高，并獲得較高的氮肥生產(chǎn)效率和水分利用率。拔節(jié)期追施氮肥籽粒氮肥吸收利用率也獲得最大值。

綜合考慮冬小麥生長(zhǎng)狀況、植株氮素積累量及水氮利用效率，本試驗(yàn)條件下，基施氮肥150 kg/hm2，拔節(jié)期灌水90 mm，追施氮肥75 kg/hm2的水氮投入模式可作為當(dāng)?shù)剡m宜的冬小麥生產(chǎn)水氮高效利用模式。