氮肥基追比對測墑補灌小麥耗水特性和籽粒產量的影響

張 振,于振文,張永麗,石 玉

(山東農業大學農業部作物生理生態與耕作重點實驗室，山東泰安 271018)

黃淮海地區水資源總量僅占全國水資源總量的7.7%[1-2]，小麥生長季降水量150～180 mm，僅能滿足小麥需水量的25%～40%，水資源短缺是該地區小麥生產的主要限制因素[3-5]。不同氮肥基追比能顯著影響小麥的耗水量及水分利用效率[6]，生產中不合理氮肥基追比會導致籽粒產量和水分利用效率較低[7]。因此，在該地區水資源匱乏的條件下探討適宜的氮肥基追比，對提高小麥籽粒產量和水分利用效率有重要意義。

研究表明，在小麥拔節期和灌漿期均灌水45 mm、總施氮量為180 kg·hm-2條件下，灌水利用效率及水分利用效率隨基肥比例的增加呈現先增后降的趨勢，基追比為6∶4的處理的水分利用效率最大[8]。在施氮量為225 kg·hm-2條件下，小麥開花至成熟期干物質積累量和籽粒產量均隨基肥比例的提高而逐漸增加，基肥∶拔節肥∶孕穗肥比例為6∶3∶1的處理開花至成熟期干物質積累量和籽粒產量最高[9]。小麥測墑補灌節水栽培技術是在小麥關鍵生育時期，根據土壤墑情補灌土壤相對含水量至適宜水平，可使小麥達到節水高產的目的[10]。目前，在測墑補灌條件下有關氮肥基追比對小麥耗水特性、干物質積累及籽粒產量的影響鮮見報道。本研究在拔節期和開花期0～40 cm土層土壤相對含水量均補灌至70%條件下，研究不同氮肥基追比對小麥耗水特性和干物質積累及籽粒產量的影響，為小麥的節水高產栽培提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2016-2017年在山東省兗州區小孟鎮史家王子村進行。該地區土壤類型為壤土。前茬玉米收獲后秸稈全部還田。播前0～20 cm土層全氮含量1.13 g·kg-1，有機質含量14.20 g·kg-1，堿解氮含量122.60 mg·kg-1，速效鉀含量129.44 mg·kg-1，速效磷含量38.11 mg·kg-1。0～40 cm土層土壤容重為1.538 g·cm-2，田間持水量26.235%，全生育期內有效降水量為265.80 mm。

供試小麥品種為濟麥22，設5個氮肥基追比，分別為0∶10(N1)、3∶7(N2)、5∶5(N3)、7∶3(N4)、10∶0(N5)，總施氮量均為240 kg·hm-2。基肥于播種前施入，追肥于拔節期開溝追施。于拔節期、開花期采用烘干法測定土壤含水量。灌水量計算公式[11]：M=10·γ·H·(βi-βj)。式中，M為灌水量(mm)；H為擬濕潤土層的深度，本試驗為40 cm；γ為擬濕潤土層的容重(g·cm-3)；βi為目標含水量(田間持水量乘以目標相對含水量，本試驗拔節期和開花期均為70%)；βj為澆前土壤含水量。輸水帶灌溉并用水表計量。磷、鉀肥全部底施，P2O5為150 kg·hm-2，K2O為112.5 kg·hm-2。小區面積為20 m2(4 m×5 m) ，三次重復，隨機區組排列。小區間設2 m保護行，2016年10月12號播種，3葉期基本苗為180萬株·hm-2，2017年6月8號收獲。其他管理措施同常規高產田。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 土壤含水量

分別于小麥播前、拔節、開花和成熟期，用土鉆每20 cm一層鉆取0～200 cm土層的土壤。用鋁盒盛放鮮土，稱重(m1)；105 ℃下烘至恒重，稱重(m2)；最后稱取鋁盒重(m3)。

土壤含水量=(m1-m2)/(m2-m3)×100%

土壤相對含水量=土壤含水量/田間持水量×100%

1.2.2 農田耗水量的計算

采用水分平衡法[12]計算耗水量：ET=△S+M+P+K

式中，ET為耗水量；△S為土壤貯水消耗量；M為灌水量；P為降水量；K為地下水補給量。本試驗中地下水埋深為5 m，K忽略不計。

1.2.3 土壤貯水消耗量的計算

參照趙亞麗等[13]方法計算，公式如下：

式中，Si為播前至成熟期土壤貯水消耗量；i為土層編號；n為總土層數；γi為第i層土層土壤容重；Hi為第i層土壤厚度；θi1和θi2分別為播種前和成熟期第i層土壤含水量。

1.2.4 干物質積累量的測定

于小麥開花期和成熟期每處理取20個單莖，開花期分為莖稈、葉片、穗3部分，成熟期分為莖稈、葉片、穎殼和穗軸、籽粒4部分。105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，3次重復。

1.2.5 水分利用效率的計算[14]

土壤水利用效率=籽粒干物質積累量/土壤貯水消耗量

降水利用效率=籽粒干物質積累量/降水量

灌溉水利用效率=籽粒干物質積累量/灌水量

水分利用效率=籽粒干物質量積累量/總耗水量

1.3 數據處理

采用Excel 2007進行數據處理，SPSS 13.0進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤貯水消耗量的影響

N3處理0～160 cm土層土壤貯水消耗量顯著低于其他處理；160～180 cm土層土壤貯水消耗量較N1、N2、N4和N5處理分別提高24.11%、9.57%、22.05%和12.93%；180～200 cm土層土壤貯水消耗量較N1、N2、N4和N5處理分別提高63.18%、98.41%、25.61%和17.97%，差異均顯著(表1)。表明氮肥基追比為5∶5可顯著提高小麥對160～200 cm土層土壤水的利用能力。

2.2 不同處理對耗水來源及其占總耗水量比例的影響

由表2可知，灌水量隨基肥比例提高而逐漸增加，處理間差異顯著；N1和N2處理的灌水量占總耗水的比例顯著低于其他處理，其他處理間無顯著差異。N3處理的土壤貯水消耗量較N1、N2、N4和N5處理分別低13.58%、10.83%、11.67%和24.35%，土壤貯水消耗量占總耗水的比例分別低13.14%、10.54%、6.37%和14.69%，差異均顯著。降水量占總耗水量比例在N1、N2、N3處理間無顯著差異，N4和N5處理顯著低于其他處理。N3處理的總耗水量最低，與N1和N2處理無顯著差異，較N4和N5處理分別低5.66%和11.34%。土壤貯水消耗量較低是N3處理總耗水量較低的主要原因。

表1 不同處理0～200 cm土層土壤貯水消耗量Table 1 Soil water consumption in 0-200 cm soil layers under different treatments mm

2.3 不同處理對小麥開花前耗水量與開花后耗水量及其比值的影響

由表3可知，N3處理的開花前耗水量最低，較N4、N5處理分別低10.93%和19.92%，與N1、N2處理無顯著差異。開花后耗水量隨基肥比例的增加呈先增后減的趨勢，以N3處理最高，較N1、N2、N4、N5處理分別高13.37%、5.70%、8.27%、15.66%；N3處理的開花前耗水量與開花后耗水量的比值最低，較N1、N2、N4和N5處理分別低16.79%、8.02%、17.74%和30.79%，差異顯著。相關分析表明，籽粒產量和開花前耗水量呈負相關，但未達到顯著水平(r=-0.808)；與開花后耗水量呈極顯著正相關，相關系數為0.980；和開花前耗水量與開花后耗水量的比值呈顯著負相關，相關系數為-0.919。表明小麥開花后耗水量是影響籽粒產量的主要因素，氮肥基追比為5∶5處理顯著提高了此階段的耗水量，是其籽粒產量最高的主要原因。

表2 耗水來源及其占總耗水量比例Table 2 Source of water consumption and its ratio to total water consumption

表3 小麥開花前耗水量與開花后耗水量以及比例Table 3 Water consumption and post anthesis water consumption and proportion of wheat before anthesis

2.4 不同處理對小麥干物質積累的影響

由表4可知，各處理的開花期干物質積累量間無顯著差異。成熟期植株總干物質積累量以N3處理最高，較N1、N2、N4和N5處理分別高9.92%、5.39%、7.75%和12.73%；開花至成熟期干物質積累速率隨基肥比例的增加表現為先增加后減小的趨勢，以N3處理最高，較N1、N2、N4和N5處理分別高20.97%、8.61%、10.37%和23.81%，差異顯著。表明氮肥基追比為5∶5的N3處理有利于小麥干物質積累量和產量提高。

表4 開花期、成熟期干物質積累量和積累強度Table 4 Dry matter accumulation and accumulation intensity at anthesis and maturity

2.5 不同處理對小麥成熟期干物質在各器官中分配的影響

由表5可知，成熟期葉片中干物質量隨基肥比例的增加呈先增后減趨勢，以N1、N5處理較低，N2、N3、N4處理間無顯著差異。N3處理干物質在莖稈、穎殼+穗軸中的積累量均顯著高于其他處理；成熟期干物質在籽粒中積累量以N3處理最高，較N1、N2、N4和N5處理分別高11.57%、5.29%、5.75%、16.19%，差異顯著。各處理成熟期干物質在葉片、莖稈和籽粒的分配比例無顯著差異；穎殼+穗軸中的分配比例在N1、N2、N3處理間無顯著差異，均顯著高于N4和N5處理。表明氮肥基追比為5∶5時小麥各器官的干物質積累量均最高(葉片除外)。

表5 成熟期干物質在各器官中積累量和分配比例Table 5 Accumulation and proportion of dry matter in various organs at mature stage

2.6 不同處理對水分利用效率的影響

由表6可知，各處理的土壤水利用效率、降水利用效率和總水分利用效率均隨基肥比例的增加呈先增后降的趨勢，均以N3處理最高。與N1、N2、N4和N5處理相比，N3處理的土壤水利用效率分別高29.10%、18.07%、19.72%和53.59%，降水利用效率高11.59%、5.31%、5.76%和16.21%，總水分利用效率高12.18%、5.65%、12.11%和31.02%，差異均顯著。灌水利用效率隨基肥比例的增加而逐漸降低。表明氮肥基追比為5∶5較其他處理能更充分地利用土壤水和降水，從而獲得了最高的水分利用效率。綜合考慮水分利用效率和籽粒產量，N3處理為本試驗條件下節水高產的最優處理。

表6 小麥土壤水、降水、灌水利用效率和水分利用效率Table 6 Water use efficiency(WUE) of soil water,precipitation,irrigation and total water kg·hm-2·mm-1

3 討 論

研究表明，小麥開花后干物質積累量與籽粒產量呈極顯著正相關，在同一灌水量條件下，總施氮量為180 kg·hm-2時，開花后干物質積累量和籽粒產量均隨基肥比例的增加而降低[15]。總施氮量為200 kg·hm-2時，基追比為10∶0處理的干物質積累量和籽粒產量較6∶4處理分別低7.10%和5.40%[16]。也有研究表明，總施氮量為270 kg·hm-2，基追比為6∶4處理的籽粒產量較4∶6處理高5.48%[17]。本試驗在拔節期和開花期將0～40 cm土層土壤相對含水量均補灌至70%，總施氮量為240 kg·hm-2條件下，發現氮肥基追比為5∶5的處理開花至成熟期干物質積累速率、成熟期植株總干物質積累量、籽粒產量均最高。與前人研究結果不盡相同，主要可能因為前人在灌水前未考慮土壤中原有的含水量，而本研究是根據土壤墑情進行補灌至土壤相對含水量達到同一水平，此外，總施氮量和其他生態條件的差異亦會影響結果。

有研究表明，在拔節期和開花期各灌水75 mm，總施氮量為226.5 kg·hm-2，基追施比對土壤水消耗量無顯著差異[18]。總施氮量為270 kg·hm-2，氮肥基追比為3∶7處理水分利用效率最大[19]。也有研究認為，施氮量為180 kg·hm-2，氮肥基追比為5∶5處理的耗水量顯著高于其他處理，水分利用效率較低[20]。本試驗在總施氮量為240 kg·hm-2條件下，氮肥基追比為5∶5的處理土壤水消耗量較低，但對深層土壤水的利用能力強，水分利用效率最高。究其原因，可能因為本研究是在土壤相對含水量均補灌至70%的條件下進行的，而前人多是在灌水量一致的條件下進行，由此造成土壤供水能力不同而導致水分利用的差異；此外土壤質地和地力水平等因素亦會影響水分利用效率。因此，不同土壤質地和地力水平條件下氮肥基追比例對測墑補灌小麥耗水特性和籽粒產量的影響需要更多研究去探索。