施氮對黃土高原半濕潤區冬小麥產量和水分利用效率的影響

朱云鵬，王 霖，黨亞愛，王國棟

(1. 西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西楊凌 712100； 2. 西北農林科技大學理學院，陜西楊凌 712100)

水分和養分是作物良好生長的重要條件，土壤水分不足和肥力低下是制約農業發展的主要因素。黃土高原的旱作農業歷史悠久，其南部屬于半濕潤易旱地區，該地區土壤濕度適中，年均降水量在640 mm左右，主要集中在7-10月。研究表明，適量的降水量可滿足作物正常生長發育的需要，輕度干旱條件下追施氮肥能夠緩解水分脅迫對植物造成的不良影響[1-3]。在華北平原年降水量為515 mm、冬小麥生育期降水量為222 mm、施氮量為300 kg·hm-2時，小麥生長良好，產量能達到較高水平(4.6 t·hm-2)[4]。在黃土高原南部的關中平原區冬小麥生育期降水量為256 mm時，增施氮肥能顯著增加產量，當施氮量為262.5 kg·hm-2時，產量達到最高值8.4 t·hm-2[5]。在降水適量時，合理施肥對提高作物產量尤為重要[6]。黃土高原南部半濕潤區土壤肥力較低，土壤有機質含量平均為1%，改善土壤養分是該區提高有限降水生產能力的關鍵[1]。在秸稈還田條件下合理配施氮肥可顯著增大冬小麥根量，擴大水分、養分吸收的空間，提高水分利用效率[5,7]，能增加小麥產量、干物質轉運量和氮肥利用率，有利于小麥產量和品質形成[8-10]。秸稈配施氮肥能促進秸稈腐解，提高耕層土壤的有機質含量，增加土壤肥力，改善土壤結構和理化性質，增強土壤保水保肥能力，優化農田生態環境[11]。但是過量施氮不僅不會增加作物產量，而且還會導致土壤pH、有機質明顯下降；施氮量越大，土壤酸化越嚴重，破壞土壤環境，降低土壤質量[12]。本研究在前人研究的基礎上，在黃土高原南部楊凌地區，以冬小麥為研究對象，在秸稈全量還田條件下，進行了田間試驗，分析施氮對冬小麥產量及水分利用效率的影響，以期為冬小麥生產的合理施氮提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

田間定位試驗自2016年6月在陜西省楊凌區下川口村(北緯34°16′8″，東經108°04′25″，海拔460 m)進行。該區域屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區，年均氣溫為12.9 ℃，年均降水640 mm，約60%的降水集中在7-10月份。該區土壤類型為土墊旱耕人為土，主要耕作方式為冬小麥與夏玉米輪作。試驗地0～20 cm耕層土壤容重1.3 g·cm-3, pH 8.1，有機碳含量11.76 g·kg-1，總氮含量1.13 g·kg-1，總磷含量1.06 g·kg-1，總鉀含量19.66 g·kg-1。本研究數據來源于2016年10月-2018年5月冬小麥生長季測定結果。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，設置0 kg·hm-2、100 kg·hm-2、200 kg·hm-2、300 kg·hm-2和400 kg·hm-25個不同的施氮量處理，分別用N0、N100、N200、N300和N400表示。每個處理3個重復，共15個小區，小區面積125 m2(10 m×12.5 m)。冬小麥品種為西農979，播種量為300 kg·hm-2，播種前基施氮肥，每個處理施用P2O590 kg·hm-2和K2O 60 kg·hm-2，將作物殘茬切碎，混入土壤。尿素作為氮肥，Ca(H2PO4)2·H2O作為磷肥，K2SO4作為鉀肥。

1.3 測定項目和方法

在2017和2018年冬小麥返青期、拔節期、揚花期和成熟期四個生育時期取樣。每個小區隨機取0.1 m2樣品，用于測定干物質量；成熟期每個小區取3 m2(1 m×3 m)樣品，用于測定籽粒產量；小麥干物質量和籽粒產量均以75 ℃烘干后質量表示。同時在每個小區中使用直徑為 4 cm的螺旋鉆隨機鉆取0～200 cm土壤樣品，每20 cm一層，每個土壤樣品去除可見的植物殘體和礫石后，采用烘干法在105 ℃下烘 24 h用于測定土壤含水量。

1.4 數據計算

土壤質量含水量 = (烘干前鮮土質量 - 烘干后干土質量)/烘干后干土質量 × 100%。

土壤蓄水量 = ∑(ai×bi×ci)，式中i為土層，ai為土壤質量含水量(%)，bi為土層的土壤容重(g·cm-3)，ci為土層厚度。

土壤蓄水消耗量 = 播種前0～200 cm土層土壤蓄水量 - 收獲后0～200 cm土層土壤蓄 水量。

農田總耗水量(ET)利用水量平衡方程式計算(因試驗地平坦，未考慮地表徑流滲漏等)：

ET = 土壤蓄水消耗量 + 生長期有效降 雨量。

干物質量水分利用效率 = 干物質量/總耗水量。

籽粒產量水分利用效率 = 籽粒產量/總耗水量。

1.5 數據處理

所有的試驗數據均采用Origin 2017軟件作圖和SPSS 23.0數據處理系統進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 施氮對冬小麥干物質量、產量及收獲指數的影響

施氮對2017和2018年冬小麥不同生育時期的干物質量、籽粒產量和收獲指數均有顯著影響(表1)。施氮處理(N100～N400)的冬小麥在返青期、拔節期和揚花期的干物質量均顯著高于未施氮處理(N0)，但N200～N400處理間差異均不顯著；成熟期N200～N400 處理的干物質量和籽粒產量顯著高于N100處理，但是N200～N400處理間干物質量和籽粒產量均差異不顯著。這說明適量施氮可促進小麥干物質積累及高產，增進同化物向籽粒產量的轉化。

表1 施氮對冬小麥產量及收獲指數的影響Table 1 Effects of nitrogen fertilizer on winter wheat yield and harvest index

同一列相同年份數據后不同小寫字母表示處理間差異達到0.05顯著水平。下表同。

Different lower-case letters following data in the same columns in the same year indicate significant difference among the treatments at 0.05 level. The same in table 2.

2.2 施氮對麥田土壤含水量及蓄水量的影響

施氮明顯降低了麥田土壤含水量(圖1)。冬小麥在返青前主要利用50 cm以上土層水分，由于此時植株耗水較少及降水的補充，不同處理間土壤含水量差異不顯著。由于拔節前降水較多，拔節期各處理0～50 cm土層的含水量均升高，且冬小麥主要吸收水分的土層深度超過100 cm，施氮處理的0～100和100～200 cm土層含水量均低于N0處理。在揚花期，0～90 cm土層的含水量在不同處理間差異不顯著，施氮處理的90～170 cm土層含水量低于N0處理，尤其是90～150 cm土層含水量差異更明顯。在成熟期，0～90 cm土層含水量在不同處理間差異不顯著， 90～170 cm土層的含水量表現為施氮處理低于N0處理，說明冬小麥在成熟前主要利用90～170 cm土層水分。2017和2018年冬小麥成熟期，N0處理的 0～200 cm土層蓄水量顯著高于N100～N400處理，施氮處理間差異不顯著(圖2)，說明施氮可促進小麥對土壤水分的吸收，但過多施氮對小麥吸收水分的效應不明顯。

2.3 施氮對冬小麥水分利用效率的影響

由表2可以看出，2017和2018年冬小麥耗水量隨施氮量的增加呈先增后減趨勢，N100和N200處理顯著高于其他處理，但此二處理差異不顯著。籽粒產量水分利用效率和干物質量水分利用效率隨施氮量增加而增加，N400處理與N0～N200處理間差異均顯著，但與N300處理差異不顯著。這表明適量施氮可促進水分有效利用。

圖1 2017年不同施氮處理冬小麥生育期0～200 cm土層含水量變化Fig.1 Variation of soil water content in 0-200 cm soil layer during the growth stages of winter wheat under different nitrogen application treatments in 2017

3 討 論

施氮和秸稈還田是黃土高原南部半濕潤區常用的農田管理模式。合理施氮與秸稈還田相結合可為作物生長和養分吸收提供更好的條件[13]。秸稈還田條件下，施氮能夠促進冬小麥分蘗及其成穗，增加有效穗數和產量[14]，提高氮素利用效率，但當施肥量達到一定值時，籽粒產量不再顯著增加[15]。而在華北平原的研究表明，秸稈覆蓋顯著減少了小麥穗數，增加了穗粒數，對千粒重無明顯影響，導致產量下降[4]。本研究中，在秸稈全量還田條件下，與N0處理相比，N200處理能顯著提高小麥干物質量和籽粒產量，但進一步提高施氮量，二指標不再顯著增加。相比2017年，2018年冬小麥干物質量和籽粒產量減少，這可能歸因于播種期出現連續降雨，小麥播期延后，播種后又出現寒潮。這些因素均導致小麥苗少苗弱，群體、個體質量變差，從而不利于干物質積累和產量的形成。

圖柱上不同字母表示處理間差異顯著。

Different letters on the columns indicate significant differences among the treatments at 0.05 level.

圖2 施氮對冬小麥不同生育期0～200 cm土壤蓄水量的影響

施氮會促進作物生長及根系吸收水分和養分，增加作物耗水量，引起土壤蓄水量下降[16]。本研究中， 施氮處理的土壤蓄水量顯著低于N0處理，但相比N0處理，小麥耗水量在低氮處理(N100和N200)下增加，在高氮處理(N300和N400)下減少。這可能是由于在長期的定位試驗中，高氮處理下作物營養生長狀況較好，生物量和秸稈還田量均較大，增強了土壤蓄水和抑制棵間土壤水分蒸發的能力，從而減少了小麥耗水量[11,17](圖2)。冬小麥對土壤各層水分的吸收隨著生育時期的變化而變化[18]。分蘗、返青和拔節期冬小麥主要吸收利用表層土壤水，且對各層土壤水分的利用隨著深度的增加而減少；在孕穗期，冬小麥對80 cm處土壤水利用最多；開花期80～180 cm處土壤水是冬小麥的重要水源；乳熟期 40～80 cm土壤水分成為主要水源。本研究結果表明，在返青期以前，冬小麥主要利用土深50 cm以上的水分。拔節期前，冬小麥主要利用土深100 cm以上的水分。揚花期前，冬小麥主要利用 90～150 cm土層水分。成熟期前，冬小麥主要利用90～170 cm土層水分。

水分利用效率由作物產量和耗水量的比值決定。合理施氮結合秸稈還田可顯著提高作物產量和水分利用效率，但是過量施氮會增加耗水量、降低產量和水分利用效率[6,13,19]。本研究中2017和2018年N200處理的產量、耗水量、籽粒產量水分利用效率和顯著高于N0處理，N300和N400處理的籽粒產量水分利用效率雖有進一步增加，但變化已不明顯。綜合來看，在秸稈全量還田的條件下，在N200處理下冬小麥產量已經接近飽和值，過多施氮的增產效果不顯著，雖然可進一步提高水分利用效率，但會導致經濟效益下降，不利于小麥高產高效栽培，因此在黃土高原南部半濕潤區小麥以施氮200 kg·hm-2最佳。