董偉欣 張月辰

（1河北開放大學，050080，河北石家莊；2河北農業(yè)大學農學院/華北作物改良與調控國家重點實驗室，071001，河北保定）

水資源短缺是制約農業(yè)發(fā)展的瓶頸，不僅影響作物生長發(fā)育，也限制了產(chǎn)量提高，甚至影響作物的擴區(qū)分布。北方地區(qū)作為占全國糧食總產(chǎn)1/3的主產(chǎn)區(qū)，小麥作為第一糧食作物，其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對國家糧食安全至關重要[1]。目前，北方人口總量達全國人口總量的41%，而水資源總量僅占全國的19.8%[2]。人們通過增加施氮量來提高產(chǎn)量，但氮肥利用率僅為20%～40%[3]，造成氮素嚴重損失，所以適量減少水氮量不但不會影響小麥產(chǎn)量，反而可提高水氮利用效率[4]，所以如何協(xié)調水肥間矛盾是目前亟待解決的問題。

水肥互作不僅能促進小麥生長發(fā)育和干物質積累，還對旗葉生理參數(shù)和產(chǎn)量有明顯的影響。丁繼君等[5]對小麥水氮耦合的研究發(fā)現(xiàn)，株高和地上部干物質積累隨水氮量增加而逐漸升高，葉面積指數(shù)呈先升高后降低的變化趨勢。王磊等[6]研究表明，小麥生育期在供水量500mm和有機氮肥180kg/hm2處理下，小麥葉面積和干物質積累量最大，葉綠素含量較高。而呂廣德等[7]研究表明，灌水量450m3/hm2和施肥量180kg/hm2處理可提高小麥地上部干物質積累，顯著提高了旗葉光合作用和產(chǎn)量，產(chǎn)量最高可達9400kg/hm2。此外，2次水肥較1次水肥可增加生長后期的可溶性糖和可溶性蛋白含量，超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）活性升高，而細胞的活性氧（reactive oxygen species，ROS）和丙二醛（MDA）含量卻降低[8]。冉文星[9]對3個灌水量和4個施肥量互作的研究也發(fā)現(xiàn)，隨著水肥量的增加，小麥旗葉SOD、POD和CAT活性升高，而MDA含量降低，灌水量減少氮素增加卻呈現(xiàn)相反的酶變化趨勢，說明水氮越多細胞受損程度越小，并可延緩后期葉片衰老。對產(chǎn)量的研究[4]發(fā)現(xiàn)，春季中水（總滴灌量2250m3/hm2）和高氮（總施氮量270kg/hm2）互作模式下的產(chǎn)量最高，為9189.6kg/hm2，是冬小麥最適宜的水氮運籌模式。董博等[10]研究也得到了相似的結果，千粒重、穗粒數(shù)和穗粒重均以中水處理（維持田間持水量的60%）和高氮處理（盆施純氮0.23g/kg）最大。而曹勇等[11]研究卻證明，高水（越冬水40m3+拔節(jié)水60m3+孕穗水60m3）和高氮（氮肥50%基肥+40%拔節(jié)肥+10%孕穗肥）處理下的小麥品種臨Y7287產(chǎn)量最高，為10 124.48kg/hm2。

以上可見，前人圍繞不同地區(qū)水氮互作對小麥光合、水氮利用效率和產(chǎn)量的影響進行了研究，但目前關于河北省山前平原區(qū)卻沒有對小麥水氮互作方式進行深入研究?；诖耍狙芯窟x用2個抗旱性不同的小麥品種，分別設置3個灌水量和3個施氮水平，研究水氮互作對小麥不同時期植株生長、地上部干物質積累量、葉片生理參數(shù)、氮肥生產(chǎn)效率、水分利用效率和產(chǎn)量的影響，為河北小麥超高產(chǎn)栽培管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

播種前0～20cm的土壤有機質18.3g/kg、全氮1.3g/kg、堿解氮89.5mg/kg、有效磷25.8mg/kg、速效鉀89.4mg/kg。

小麥整個生育期（2019年10月-2020年4月）的月降雨量分別為28.3、7.4、1.3、6.4、3.6、15.4和10.8mm，2020年5月和6月降雨量較大，分別為87.3和121.8mm。

1.2 試驗設計

以耐旱品種藁優(yōu)2018（GY-2018）和濟麥22（JM-22）為試驗材料，于2019-2020年在河北省新樂市木村鄉(xiāng)中同村試驗田進行，結果以2020年數(shù)據(jù)為主，分別設置高氮（GD）270、中氮（ZD）210和低氮（DD）150kg/hm23個施氮水平，播種前撒施底肥為氮肥90kg/hm2和全部磷鉀肥（磷鉀肥均為90kg/hm2），剩余氮肥用尿素（含氮46%）在拔節(jié)期施入，分別追氮180、120和60kg/hm2。在拔節(jié)期和開花期分別設置高水（GS，1200m3/hm2）、中水（ZS，1050m3/hm2）和低水（DS，900m3/hm2）3個水分處理（水分處理用JD745X隔膜式多功能水泵控制閥控制），每個小區(qū)小麥一生的需水量分別為高水30.62、中水29.12和低水27.62m3。高氮、中氮、低氮與高水、中水、低水互作共9個處理，分別表示為GD/GS、ZD/GS、DD/GS、GD/ZS、ZD/ZS、DD/ZS、GD/DS、ZD/DS和DD/DS，每個處理重復3次，每個品種27個小區(qū)，共54個小區(qū)，試驗采用裂區(qū)設計，品種為主區(qū)，灌水量為副區(qū)，追氮量為副副區(qū)。

玉米收獲后將秸稈粉碎還田，于10月11日播種小麥，基本苗為375萬株/hm2，試驗小區(qū)面積為50m2（10m×5m），12月3日灌凍水（灌水量900m3/hm2），為防止水分相互滲漏，不同灌水量處理之間留1m保護行，其余按照大田生產(chǎn)進行管理。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 干物質積累量 在開花期、灌漿期和成熟期，每個處理選取小麥3株，每個處理重復3次，分別測定株高（地上部至頂端）、旗葉面積（旗葉長×旗葉寬×0.83）和地上部干重（105℃殺青后，80℃烘干至恒重，烘箱型號YD881-3）。

1.3.2 旗葉SPAD值 在晴天無云上午9:30-11:00時，每個處理選取生長一致的小麥3株，使用便攜式葉綠素含量測定儀（SPAD-502）在開花期、灌漿期和成熟期分別測定旗葉葉綠素相對含量（SPAD值），每個處理重復3次，取平均值。

1.3.3 旗葉可溶性蛋白和可溶性糖含量 參照Read等[12]的方法測定小麥旗葉可溶性蛋白含量，參照白寶璋等[13]的方法測定可溶性糖含量。

1.3.4 旗葉SOD和POD活性 參照韓勝芳等[14]的方法測定旗葉SOD活性。采用愈創(chuàng)木酚法[15]測定POD活性。

1.3.5 旗葉MDA和ROS含量 參照Cakmak等[16]的方法測定旗葉MDA含量。參照鄒琦[15]的方法測定ROS含量。

1.3.6 小麥水氮利用效率 氮肥生產(chǎn)效率（kg/kg）=小麥籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）/施氮區(qū)施氮量（kg/hm2）；水分利用效率[kg/(hm2·mm)]=小麥籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）/總耗水量（mm）

1.3.7 產(chǎn)量及其構成因素 在成熟期選取1m雙行測定小麥的穗數(shù)，麥穗經(jīng)晾曬充分干燥后考種，分別測定穗粒數(shù)、穗粒重、千粒重和小區(qū)產(chǎn)量（折算成公頃產(chǎn)量），每個處理重復3次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019整理數(shù)據(jù)，使用SPSS 19.0和SAS 9.4軟件進行方差分析及多重比較（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 水氮互作對不同小麥品種植株生長和干物質積累的影響

由表1可見，株高從開花期至成熟期不斷升高，水氮互作條件下，植株隨水氮增多而升高，且同一灌水量下氮肥越多，植株越高，GY-2018較JM-22植株升高較多。2個品種的旗葉面積表現(xiàn)出與株高相似的變化趨勢，但在成熟期，旗葉面積在ZD處理下最大，且GS＞ZS＞DS，其中，GY-2018的旗葉面積較大。GY-2018較JM-22地上部的干物質積累量較多，各處理之間均表現(xiàn)為同一灌水量下，GD＞ZD＞DD，且GS＞ZS＞DS，JM-22的各個處理在開花期、灌漿期和成熟期的差異不顯著，而GY-2018在開花期和灌漿期隨水氮減少而降低，但在成熟期的差異未達到顯著水平。

表1 水氮互作對小麥株高、旗葉面積和地上部干重的影響Table 1 Effects of water-nitrogen interaction on plant height,flag leaf area and dry weight of aboveground of wheat

2.2 水氮互作對不同小麥品種旗葉SPAD值的影響

由圖1可知，2個小麥品種旗葉SPAD值隨著生育進程的推進而逐漸降低，水氮越多，小麥旗葉SPAD值越高，水氮互作條件下，各個處理呈現(xiàn)出GD/GS＞ZD/GS＞DD/GS，GD/ZS＞ZD/ZS＞DD/ZS，GD/DS＞ZD/DS＞DD/DS的變化趨勢，GS、ZS和DS在不同時期的浮動程度稍有差異，JM-22較GY-2018的SPAD值高，且每個時期的降低幅度較大。這表明JM-22的旗葉光合能力較強，水氮可以促使小麥植株生長旺盛，小麥旗葉SPAD值較高，有利于提高葉片的光合能力，延緩后期葉片衰老，對于增加粒重具有重要作用。

圖1 水氮互作對小麥旗葉SPAD值的影響Fig.1 Effects of water-nitrogen interaction on SPAD of wheat flag leaf

2.3 水氮互作對不同小麥品種旗葉可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響

由圖2可知，2個品種的可溶性蛋白含量從開花期至成熟期不斷降低，開花期和灌漿期不同灌水量條件下，可溶性蛋白含量隨著施氮量的增加而增加，但開花期ZS處理下的可溶性蛋白含量最高，而灌漿期DS處理下最高，在成熟期卻呈現(xiàn)出ZD處理下的可溶性蛋白含量最高，且GS＞ZS＞DS（圖2a和b）。2個品種的可溶性糖含量隨生育進程推進而逐漸升高，尤其在成熟期迅速升高，開花期呈現(xiàn)出 GD/GS＞ZD/GS＞DD/GS，GD/ZS＞ZD/ZS＞DD/ZS，GD/DS＞ZD/DS＞DD/DS的變化趨勢，但在灌漿期和成熟期ZD處理下的可溶性糖含量最高，且GS＞ZS＞DS（圖2c和d）。GY-2018的可溶性蛋白和可溶性糖含量略高于JM-22，說明小麥生長后期ZD/GS處理最有利于小麥碳水化合物的積累，且GY-2018的籽粒品質優(yōu)于JM-22。

圖2 水氮互作對小麥旗葉可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響Fig.2 Effects of water-nitrogen interaction on the contents of soluble protein and soluble sugar of wheat flag leaf

2.4 水氮互作對不同小麥品種旗葉SOD和POD活性的影響

由圖3可知，2個品種的SOD活性從開花期至成熟期逐漸下降，說明隨著生育進程的推進，葉片細胞不斷衰老，細胞清除活性氧的能力降低，水氮互作各處理之間均表現(xiàn)為GD/GS＞ZD/GS＞DD/GS，GD/ZS＞ZD/ZS＞DD/ZS，GD/DS＞ZD/DS＞DD/DS的變化趨勢（圖3a和b）。而POD與SOD活性的變化趨勢不同，GY-2018的POD活性從開花期至灌漿期降低，到成熟期又迅速升高，各處理均表現(xiàn)出與SOD活性相似的變化趨勢。但JM-22在相同灌水量處理下，在開花期、灌漿期和成熟期變化規(guī)律均為GD＞ZD＞DD，而GY-2018無明顯的變化規(guī)律（圖3c和d），可以看出，水氮越多，葉片的SOD和POD活性越高，可以延緩后期上位葉片衰老，隨著水氮量的減少，酶活性逐漸降低，植株提前成熟，GY-2018較JM-22酶活性高，后期葉片可提高光合效率，成熟較晚。

圖3 水氮互作對小麥旗葉SOD和POD活性的影響Fig.3 Effects of water-nitrogen interaction on activities of SOD and POD of wheat flag leaf

2.5 水氮互作對不同小麥品種旗葉MDA和ROS含量的影響

MDA和ROS含量表現(xiàn)出與SOD活性相反的變化趨勢，從開花期至灌漿期稍有升高，到成熟期迅速升高（圖4），各處理之間均表現(xiàn)出GD/GS＜ZD/GS＜DD/GS，GD/ZS＜ZD/ZS＜DD/ZS，GD/DS＜ZD/DS＜DD/DS的變化趨勢，GS、ZS和DS在開花期、灌漿期和成熟期無明顯的變化規(guī)律，JM-22的MDA含量在開花期和成熟期DD/GS較GD/GS處理顯著升高13.48%和11.99%，DD/ZS較GD/ZS處理顯著升高25.42%和23.99%，灌漿期只有DD/ZS較GD/ZS處理顯著升高13.47%，其余處理間差異性未達到顯著水平，GY-2018的各個處理升高幅度不明顯。JM-22的ROS含量只有成熟期的DD/ZS較GD/ZS處理顯著升高13.19%，其余處理升高不明顯，GY-2018 3個時期的DD/ZS較GD/ZS處理，DD/DS較GD/DS處理的升高幅度均達到顯著性差異。表明水氮越少，小麥旗葉MDA和ROS含量越高，葉片細胞膜脂過氧化程度越大，JM-22升高幅度略高于GY-2018，說明JM-22葉片衰老速度更快。

圖4 水氮互作對小麥旗葉MDA和ROS含量的影響Fig.4 Effects of water-nitrogen interaction on contents of MDAand ROS of wheat flag leaf

2.6 水氮互作及不同因素互作效應對小麥產(chǎn)量的影響

由表2可知，2個品種在ZD處理下的穗數(shù)最多，JM-22表現(xiàn)為DS＞ZS＞GS，而GY-2018卻表現(xiàn)為GS＞ZS＞DS，穗粒數(shù)、穗粒重和千粒重均表現(xiàn)為ZD/GS＞GD/GS＞DD/GS，ZD/ZS＞GD/ZS＞DD/ZS，ZD/DS＞GD/DS＞DD/DS且GS＞ZS＞DS，產(chǎn)量表現(xiàn)為ZD＞GD＞DD和GS＞ZS＞DS的變化趨勢，GS和ZS處理下的差異性不太大，但明顯高于DS，2個品種均在ZD/GS處理下的產(chǎn)量最高，分別為9927.78和8927.78kg/hm2，JM-22較GY-2018產(chǎn)量提高10.07%。說明2個品種產(chǎn)量提高與其構成因素密切相關，其中與粒數(shù)和粒重的關系最大。從不同因素的互作效應來看，品種之間的產(chǎn)量差異性除千粒重外均達到極顯著差異水平，水分處理除了對穗數(shù)無明顯影響外，對其他指標的影響均達到極顯著差異水平，氮素處理對穗粒重無明顯影響，對穗粒數(shù)的影響達到顯著水平，其余指標均表現(xiàn)極顯著差異水平，品種×氮互作和品種×水×氮互作對產(chǎn)量無明顯的影響，互作效應不明顯，而水×氮互作卻發(fā)揮了重要作用，水×氮互作對穗數(shù)沒有明顯的影響，對千粒重的影響達到顯著水平，而對穗粒數(shù)、穗粒重和產(chǎn)量的影響均達到極顯著水平。由此可見，品種、水、氮和水×氮對產(chǎn)量及其構成因素的影響較大，其中水×氮互作發(fā)揮了重要的效應，可知ZD/GS是最優(yōu)的水氮互作組合。

表2 水氮互作及不同因素互作效應對產(chǎn)量及其構成因素的影響Table 2 Effects of water-nitrogen interaction and mutual action effect of different factors on yield and its components in wheat

2.7 水氮互作對不同小麥品種氮肥生產(chǎn)效率和水分利用效率的影響

從圖5可知，2個小麥品種在同一灌水量處理下，氮肥生產(chǎn)效率呈現(xiàn)出ZD＞GD＞DD的變化趨勢，JM-22在GS處理下，ZD較GD和DD處理分別顯著升高22.61%和32.15%，ZS和DS處理下，ZD較DD處理分別顯著升高30.27%和23.53%，但與GD處理之間的差異不明顯。GY-2018在3個灌水量處理下，ZD較GD和DD處理均顯著升高。而2個小麥品種水分利用效率卻與氮肥生產(chǎn)效率不同，同一施氮量處理下，水分利用效率卻呈現(xiàn)出GS＞ZS＞DS的變化趨勢，但各處理之間卻未達到顯著水平，2個品種相比較，JM-22的氮肥生產(chǎn)效率和水分利用效率略高于GY-2018。

圖5 水氮互作對小麥氮肥生產(chǎn)效率和水分利用效率的影響Fig.5 Effects of water-nitrogen interaction on nitrogen fertilizer production efficiency and water use efficiency of wheat

3 討論

小麥植株生長和干物質積累是產(chǎn)量形成的物質基礎，水氮互作通過影響小麥生長和干物質積累最終影響產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)，2個小麥品種的株高和地上部干物質積累隨著水氮量的增加而升高，而旗葉面積在開花期和灌漿期與株高和干物重的變化趨勢相似，但在成熟期，同一灌水量下，中氮處理下的旗葉面積最大，且GY-2018＞JM-22。研究[17]表明，隨著灌水量增加，小麥株高從拔節(jié)至灌漿期逐漸升高，中氮和高氮處理下，株高隨灌水量的增加而升高，地上部干物質積累在高水和中氮處理下最大。金修寬等[18]研究也發(fā)現(xiàn)，不同氮素水平處理下，小麥株高和葉面積均表現(xiàn)為N255＞N195＞N0，不同灌水量處理下表現(xiàn)為W3（873.45m3/hm2）＞W(wǎng)2（569.4m3/hm2）＞W(wǎng)1（265.2m3/hm2），水氮互作模式，N195/W2（569.4m3/hm2）處理下的株高和葉面積最佳，水氮過多呈現(xiàn)降低趨勢。這與前人研究[19]所得趨勢一致，隨著水氮量增加而升高，但并非越高越好，水氮量過高會導致光合產(chǎn)物分配格局發(fā)生改變，影響小麥生長和干物質積累，唯一不同的是本研究的株高和地上部干物質積累量在高氮高水處理下的數(shù)值最大，分析原因可能是不同地域的土質不同，品種的耐旱吸肥能力不同，或是不同年份天氣原因造成的差異，只有水氮相互協(xié)調才能達到最佳效果。

生理參數(shù)可以反映小麥植株的生長發(fā)育狀況。本研究表明，SPAD值隨水氮量的增加而升高，可溶性糖和可溶性蛋白含量表現(xiàn)出與SPAD值相似的變化趨勢，但在后期表現(xiàn)出ZD/GS處理下的含量最高，酶活性隨水氮量的增加而升高，不同灌水量之間無明顯變化趨勢。其他研究[20-21]表明，高水氮處理使小麥的葉綠素含量和酶活性升高，產(chǎn)量最大。而周萍等[22]研究發(fā)現(xiàn)，中水（3200m3/hm2）/高氮（750kg/hm2）處理下，其葉綠素、可溶性糖、脯氨酸和可溶性蛋白質含量均不斷提高。另有研究[23]也得到了相似的結果，水氮含量少，抑制小麥旗葉可溶性糖的合成，在中水和高氮處理下，小麥旗葉的可溶性糖含量顯著增加。這說明高水氮含量可以促進小麥生理參數(shù)和酶活性的升高，高水氮可以增強光合作用，促進碳水化合物的積累，且高水氮含量使酶活性增強，提高清除自由基的能力，降低因過氧化作用引起的質膜傷害，延緩植株衰老，本研究與前人研究均認為高水氮含量可提高葉片生理參數(shù)和酶活性，但并非越高越好，不同之處在于本研究認為中氮/高水達到的效果最好，而前人大多數(shù)認為高氮/中水達到的效果最好，原因是設置的相對水氮含量不同，達到的效果會不同。水氮互作是調控小麥產(chǎn)量的重要措施，通過研究可以發(fā)現(xiàn)最適宜的水氮互作方式，對于產(chǎn)量提高具有重要意義。Pan等[24]對產(chǎn)量的研究發(fā)現(xiàn)，中水（拔節(jié)期為70%）和中氮（195kg/hm2）處理下，小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)、產(chǎn)量和植株氮素積累量增加。黃玲等[25]設置W0（返青后不灌水）、W1（返青后灌拔節(jié)水）和W2（返青后灌拔節(jié)水和灌漿水）3個灌水量和N0（不施氮）、N1（150kg/hm2）和 N2（225kg/hm2）3個施肥量互作試驗進行研究后發(fā)現(xiàn)，W2/N1互作下的籽粒產(chǎn)量最高，水氮利用效率也最高。本研究發(fā)現(xiàn)，在ZD/GS處理下的水氮利用效率最大，產(chǎn)量最高，其中JM-22為9927.78kg/hm2，較GY-2018高10.07%。這與前人研究結果相一致，均認為中氮/高水處理下可提高產(chǎn)量，有所差異的是不同試驗設置的水氮含量不同，這與地域的差異性和品種都有關系。本研究還發(fā)現(xiàn)，水氮互作與穗數(shù)呈負相關，是通過增加粒數(shù)和粒重來提高產(chǎn)量，ZD/GS處理（210kg/hm2，1200m3/hm2）是最適宜的水氮互作方式，可為當?shù)匦←湼弋a(chǎn)栽培提供參考。

4 結論

2個小麥品種的株高、旗葉面積和地上部干重隨著水氮量的增加而變大，且GY-2018總體略高于JM-22，同樣，生理參數(shù)也隨水氮量的增加而增加，并表現(xiàn)出高氮＞中氮＞低氮的變化趨勢，2個品種相比較，GY-2018高于JM-22，施氮量越大，酶活性越高，且高水＞中水＞低水，高水氮量雖然可以促進小麥生長和延緩植株衰老，但并非越高越好，2個小麥品種在中氮/高水處理（210kg/hm2，1200m3/hm2）下的氮肥生產(chǎn)效率和水分利用效率最高，產(chǎn)量也最高，JM-22和GY-2018產(chǎn)量分別為9927.78和8927.78kg/hm2，是最理想的水氮互作方式。