水氮互作對旱地春小麥氮肥利用效率和經濟產量的影響

姜小鳳，郭建國，董 博，郭天文，王淑英

(1.甘肅省農業科學院旱地農業研究所，甘肅蘭州 730070； 2.甘肅旱作區水資源高效利用重點實驗室，甘肅蘭州730070； 3.甘肅省農業科學院植物保護研究所，甘肅蘭州 730070； 4.甘肅省農業科學院，甘肅蘭州 730070)

水肥是影響小麥產量和品質的重要因子。然而，中國西北內陸水資源匱乏，干旱缺水嚴重限制了小麥生產[1-2]，開展水氮互作研究對提高旱地春小麥氮肥利用效率和經濟產量具有重要實踐意義。早期研究發現，正常水分條件下增施氮肥有助于提高冬小麥水氮運轉效率[3-7]；水分脅迫條件下，增施氮肥既有可能促進冬小麥對土壤深層水分的吸收利用[8]、提高經濟產量[9]，又有可能加劇水分脅迫、降低經濟產量[10-11]；作物遭受水分脅迫時，增加灌水量的增產潛力大于增施氮肥[12]；播前灌底墑水與返青后灌拔節水和灌漿水各60 mm并施純氮150～240 kg·hm-2是提高旱地冬小麥水氮利用效率及增加經濟產量的理想水氮管理模式[13-14]。然而，有關水氮互作影響旱地春小麥氮肥吸收利用和經濟產量的報道較少，僅有研究顯示，全生育期灌水270 mm與施氮168 kg·hm-2是石羊河流域春小麥的最優水氮模式[15]；施氮180 kg·hm-2時灌水343.9 mm是甘肅河西地區春小麥田的最佳土壤水分下限[16]；全生育期滴灌水3 000～4 500 m3·hm-2并施氮225 kg·hm-2是石羊河流域滴灌春小麥的最佳水肥管理模式[17-19]，全生育期灌水2 400 m3·hm-2與施氮180 kg·hm-2是河西固定道壟作春小麥的最佳水氮耦合模式[20-21]。由此看出，不同生境春小麥對水肥的需求具有明顯的地理尺度差異性。因此，本研究通過盆栽試驗系統模擬旱地春小麥對水肥需求的普遍規律，以期對提高旱地春小麥水肥利用效率提供一定的參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗在甘肅省農業科學研究院旱地農業研究所抗旱棚內進行。棚內土壤為灌淤土，田間最大持水量23%(質量百分比)，有機質含量15.4 g·kg-1，全氮含量1.37 g·kg-1、全磷含量0.74 g·kg-1，全鉀含量19.42 g·kg-1，速效氮含量83.79 mg·kg-1，有效磷含量25.06 mg·kg-1，速效鉀含量135.08 mg·kg-1，pH 8.2。土壤過30目篩網后裝入陶瓷花盆(上內徑×下內徑×高=30 cm×24 cm×50 cm)，每盆裝8 kg土樣，定苗22株。

春小麥品種為隴春27號(♀隴春8號×♂8858-2)，該品種分蘗力強，抗倒伏，抗旱。采用2×3隨機區組設計，共設A1B1(HNW)、A1B2(MNW)、A1B3(CK)，A2B1(HND)、A2B2(MND)和A2B3(CK)6個處理。其中，A因素為土壤持水量，B因素為施氮水平；A1代表全生育期土壤持水量保持在最大持水量的75%～85%(正常水平)，A2代表全生育期土壤持水量保持在最大持水量的35%～45%(脅迫水平)；B1、B2和B3分別代表高氮、中氮和不施氮肥，高氮和中氮處理分別為每公斤土施純氮0.25 g和0.15 g，不施氮肥為對照。通過稱重法控制土壤水分和氮肥用量。每處理10次重復，共60盆。供施肥料為尿素(含N量46%)和過磷酸鈣(P2O5含量12%)，不施鉀肥，過磷酸鈣用量為每公斤土0.5 g(折合0.06 g P2O5)。

1.2 測定指標與方法

分別在小麥拔節期、抽穗期、揚花期、灌漿期和成熟期，于每盆中取長勢一致的小麥3株，清洗干凈根部土壤，晾至無水滴時，將莖稈、葉片、麥穗(不含籽粒)、籽粒分別裝入牛皮紙袋，60 ℃恒溫烘干，用植物粉碎機分別粉碎后裝袋備用。參照FOSS全自動凱氏定氮儀Kjeltec 8400測定植株和籽粒的氮含量，計算氮肥利用率、氮肥農學效率、氮肥收獲指數和氮肥生產效率。計算公式：

氮肥利用率=(施氮區籽粒氮素積累量-未施氮區籽粒氮素積累量)/施氮量×100%

氮肥農學效率=(施氮區籽粒產量-未施氮區籽粒產量)/施氮量

氮肥收獲指數=籽粒氮素積累量/植株氮素積累量

氮肥生產效率=籽粒產量/施氮量

1.3 數據分析

采用Microsoft Excel 2007和DPS 6.5軟件處理數據，用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 相同水分不同氮肥水平下春小麥各器官全氮含量的變化

2.1.1 春小麥莖稈中全氮含量的變化

由表1可知，春小麥莖稈全氮含量隨生長發育進程推進而逐漸下降。正常水分條件下，春小麥全生育期莖稈的全氮含量表現為中氮處理>高氮處理>空白對照，拔節期中氮處理的全氮含量分別較高氮處理和空白對照高17.62%和22.89%(P<0.05)，抽穗期中氮處理的全氮含量分別較高氮處理和空白對照高12.7%和20.33%(P<0.05)，揚花期中氮處理的全氮含量較空白對照高20.00%(P<0.05)；水分脅迫條件下，春小麥全生育期莖稈的全氮含量表現為高氮處理>中氮處理>空白對照，且拔節期高氮處理的全氮含量分別較中氮處理和空白對照高10.91%和12.21%(P<0.05)，灌漿期高氮處理和中氮處理的全氮含量分別較空白對照高44.07%和40.68%(P<0.05)。水氮二因素交互效應方差分析(固定模型)顯示，拔節期、抽穗期、揚花期和灌漿期水分、氮肥、水分與氮肥互作效應的差異均極顯著(P<0.01)，成熟期水分效應差異極顯著(P<0.01)、氮肥效應差異顯著(P<0.05)、水分和氮肥互作效應差異不顯著(P>0.05)。

2.1.2 春小麥葉片中全氮含量的變化

由表2可知，春小麥葉片全氮含量隨生長發育進程的推進而逐漸下降。正常水分條件下，全生育期葉片全氮含量表現為中氮處理>高氮處理>空白對照，且拔節期中氮處理的全氮含量分別較高氮處理和空白對照高10.98%和14.29%(P<0.05)，揚花期和灌漿期中氮處理的全氮含量分別較空白對照高23.83%和20.90%(P<0.05)；水分脅迫條件下，全生育期葉片全氮含量表現為高氮處理>中氮處理>空白對照，且拔節期、抽穗期、揚花期、灌漿期和成熟期高氮處理的全氮含量分別較空白對照高12.91%、15.83%、21.89%、27.27%和37.68%(P<0.05)，但全生育期內高氮處理與中氮處理間差異均不顯著(P>0.05)。水氮二因素交互效應方差分析(固定模型)顯示，拔節期、揚花期、灌漿期和成熟期水分、氮肥、水分和氮肥互作效應差異極顯著(P<0.01)，抽穗期水分、氮肥效應差異極顯著(P<0.01)，水分與氮肥互作效應差異顯著(P<0.05)。

2.1.3 春小麥麥穗(不含籽粒)中全氮含量的變化

由表3可知，春小麥麥穗(不含籽粒)的全氮含量也隨生長發育進程的推進而呈下降趨勢。正常水分條件下，抽穗期至成熟期春小麥麥穗(不含籽粒)的全氮含量表現為中氮處理>高氮處理>空白對照，且成熟期中氮處理的全氮含量分別較高氮處理和空白對照高19.59%和39.76%(P<0.05)，揚花期高氮處理和中氮處理的全氮含量分別較空白對照高2.20%和5.49%(P<0.05)；水分脅迫條件下，抽穗期至成熟期春小麥麥穗(不含籽粒)的全氮含量表現為高氮處理>中氮處理>空白對照，且灌漿期和成熟期高氮處理的全氮含量分別較空白對照高11.39%和19.72%(P<0.05)，但全生育期內高氮處理與中氮處理間的差異均不顯著(P>0.05)。水氮二因素交互效應方差分析(固定模型)顯示，抽穗期和灌漿期水分、氮肥、水分和氮肥互作效應的差異極顯著(P<0.01)；揚花期水分、氮肥效應差異顯著(P<0.05)，而水分與氮肥互作效應差異不顯著(P>0.05)；成熟期水分與氮肥互作效應差異極顯著(P<0.01)，而水分、氮肥效應差異不顯著(P>0.05)。

表1 不同水分和氮肥水平下春小麥莖稈的全氮含量Table 1 Total nitrogen content of spring wheat stalks under different nitrogen at the same water level %

表2 不同水分和施氮水平下春小麥葉片的全氮含量Table 2 Total nitrogen content of spring wheat leaves under different nitrogen and water levels %

表3 不同水分和施氮水平下春小麥麥穗(不含籽粒)的全氮含量Table 3 Total nitrogen content of spring wheat ears under different nitrogen and water levels %

2.1.4 春小麥籽粒中全氮含量的變化

由表4可知，正常水分條件下，春小麥籽粒的全氮含量表現為中氮處理>高氮處理>空白對照，但中氮處理和高氮處理的全氮含量差異不顯著，二者分別較空白對照高10.75%和6.45%(P<0.05)；水分脅迫條件下，春小麥籽粒的全氮含量表現為高氮處理>中氮處理>空白對照，高氮處理的全氮含量較空白對照高13.82%(P<0.05)，但與中氮處理的差異不顯著(P>0.05)。水氮二因素交互效應方差分析(固定模型)顯示，水分、氮肥、水分與氮肥互作效應差異極顯著(P<0.01)。

2.2 2種水分3種氮肥水平下春小麥氮肥利用效率的變化

由表5可知，正常水分條件下，中氮處理的氮肥利用率、農學效率和生產效率分別較高氮處理高37.17%、45.88%和26.79%(P<0.05)，氮肥收獲指數較高氮處理低8.00%(P<0.05)；水分脅迫條件下，中氮處理的氮肥利用效率、農學效率和生產效率分別較高氮處理高11.68%、21.81%和19.23%(P<0.05)，氮肥收獲指數與高氮處理差異不顯著(P>0.05)。

表4 不同水分和施氮水平下春小麥籽粒的全氮含量Table 4 Total nitrogen content of spring wheat seeds under different nitrogen and water levels

表5 不同水分和氮肥水平下春小麥氮肥利用效率的變化Table 5 Variation for nitrogen use efficiency of spring wheat at three nitrogen levels under two water conditions

2.3 不同水分和氮肥水平下旱地春小麥農藝性狀的變化

由表6可知看出，正常水分條件下，高氮處理春小麥的千粒重雖然較中氮處理低11.15%(P<0.05)，但穗長和經濟產量分別較中氮處理長5.83%和高25.00%(P<0.05)；而中氮處理春小麥的千粒重雖然較高氮處理高12.55%(P<0.05)，但穗長和經濟產量分別較高氮處理低5.51%和20.00%(P<0.05)，其他性狀與空白對照間無顯著性差異(P>0.05)。水分脅迫條件下，中氮處理春小麥的穗粒數、千粒重和經濟產量分別較高氮處理高33.87%、15.27%和17.31%(P<0.05)，其他性狀與高氮處理間無顯著性差異(P>0.05)；中氮處理春小麥的生物量、千粒重和經濟產量分別較空白對照高36.07%、33.36%和45.24%(P<0.05)，株高較空白對照低11.26%(P<0.05)，其他性狀與空白對照間無顯著性差異(P>0.05)。

表6 不同水分和氮肥水平下春小麥生物性狀的變化Table 6 Variation of agronomic traits of spring wheat at three nitrogen levels under two water levels

3 討 論

本研究發現，正常水分或水分脅迫條件下，每公斤土壤施純氮0.15 g均有利于顯著提高旱地春小麥氮肥利用效率、農學效率和生產效率；但正常水分條件下，每公斤土施純氮0.15 g后春小麥的穗長縮短、千粒重增加，氮肥收獲指數和經濟產量均顯著低于高氮處理(每公斤土壤施純氮0.25 g)；水分脅迫條件下，每公斤土壤施純氮0.15 g后春小麥的千粒重和經濟產量均顯著高于高氮處理(P<0.05)。說明正常水分條件下增施氮肥有利于提高旱地春小麥的經濟產量；相反，水分脅迫條件下減少氮肥用量更有利于增加旱地春小麥的經濟產量。這一結果與王秀波等[22]對旱地小麥的研究結果基本一致。其原因可能是：正常水分條件下，氮肥供應充足時有利于增強春小麥葉片的光合效能，從而增加經濟產量；而水分脅迫條件下，減施氮肥有利于降低春小麥根系對葉片光合產物的競爭，增強春小麥的抗旱應激能力[23]，盡可能保證地上部植株對土壤水分的正常生理需求，提高葉片的瞬時水分利用效率，從而增加經濟產量，若作物遭受水分脅迫下增施過量氮肥會加劇春小麥根系對葉片光合產物的競爭，降低春小麥的抗旱防御性能，致使地上部植株必需土壤水分不能得到有效供給，葉片瞬時水分利用效率下降，必然導致大部分光合產物積累于根系，加之根系氮肥供應充分，容易促使根系旺盛生長，根冠比增大，最終造成莖稈和葉片的光合產物向穗部的運輸受阻，致使經濟產量受到損失[24]。