水氮運籌對小麥、玉米周年產量及水分利用的影響

楊永輝，武繼承，徐為霞，潘曉瑩，張潔梅，高翠民，何 方，王 越

(1.河南省農業科學院 植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002; 2.農業部作物高效用水原陽科學觀測實驗站，河南 原陽 453514；3.鄭州市農產品質量檢測流通中心，河南 鄭州 450000)

作物生長過程中，尤其是小麥、玉米輪作過程中，水、肥、氣、熱等諸多因子會對其生長產生重要影響，其中，水肥兩因子起著決定性作用[1]。在水分和養分對作物生長影響的過程中，這2個因子相互促進又相互制約[2-3]。作物產量越高，消耗的養分和水分就越多，但并非水肥供應量越大產量就越高[4]。因此，合理的水肥供應與調控是作物高產的重要措施。

適量的灌水與施肥有利于提高作物的產量，而水肥過量則導致水肥資源浪費，降低資源利用率，并導致養分流失且污染環境[5]。相關研究表明，水氮運籌有利于促進作物高產和資源高效利用[6-7]。水分虧缺或過量均會降低氮肥利用率與作物產量，適量灌溉可以促進小麥氮素吸收，提高光合速率，促進干物質積累，提高產量與水肥利用率[8]。氮肥虧缺或過量均會降低水分利用效率，而適宜的施氮量有利于提高作物產量與水肥利用效率[9]。合理的水氮運籌對作物光合特性具有明顯的調控效應，作物開花后若水分虧缺會導致其光合能力迅速下降，致使作物產量降低[10]。適量氮肥可明顯提高葉片的光合速率，延緩因干旱導致的光合速率下降[11]。因此，可通過優化灌溉方式與制度[12-13]，采用合理的耕作與覆蓋方式[14-15]，同時因地制宜應用合理的施肥制度[16]，如水肥一體化[17-19]等技術，提高作物的水肥利用率，促進農業生產與生態環境良性發展。

溫縣是河南省著名的土壤地力較高的高產田地區，該地區雨水光照資源豐富。葉優良等[20]在2006年研究發現，溫縣小麥平均單產為7 960 kg/hm2，其中1/3左右農戶的氮肥用量低于120 kg/hm2，說明該區地力和土壤條件較佳。在該區適量控制氮肥用量的條件下，進行作物不同生育時期氮肥運籌與灌水耦合，能夠充分發揮肥效，促進養分吸收，起到以水調肥、以肥促水的作用。在該區關于小麥、玉米水氮運籌的研究已屢見不鮮[21-22]，但針對周年小麥、玉米水氮運籌方面的研究卻鮮見報道。因此，在合理控制氮肥用量的條件下，根據作物需肥特點進行氮肥基施與追施，并采用噴灌帶進行不同灌水量控制，研究水氮運籌對小麥、玉米周年生長、光合生理特性、產量及水分利用的影響，以期明確小麥、玉米合理的氮肥追施比例和灌水量。

1 材料和方法

1.1 研究區概況及試驗材料

試驗于2017—2018年在焦作市溫縣祥云鎮平安種業試驗基地進行，該地海拔102.3 m，北緯35.1°、東經113.05°，年平均氣溫14～15 ℃，年積溫4 500 ℃以上，年日照2 484 h，年降水量550～700 mm，無霜期210 d。土壤為潮土，含全氮 0.10 g/kg、速效磷 28.5 mg/kg、速效鉀 321.2 mg/kg、有機質14.3 g/kg，pH值為8.0。土壤機械組成為黏粒22.2%、粉粒66.4%、砂粒11.4%，田間持水量為33.1%。

供試小麥品種為平安11號，供試玉米品種為豫安3號。

1.2 試驗設計

試驗氮肥共設計2種基追組合：70%基施、30%追施，追肥分2次進行，分別為20%、10%(A1)；60%基施、40%追施，追肥分2次進行，分別為25%、15%(A2)。設計3種灌水量：0水(B1)、2水(B2)和3水(B3)。共6個處理，即A1B1、A2B1、A1B2、A2B2、A1B3、A2B3。小麥季施純氮240 kg/hm2，底施P2O5135 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2、有機肥750 kg/hm2，分別于拔節期、灌漿期追施氮肥。在小麥播種前統一灌水600 m3/hm2，0水處理為全生育期不灌水，2水處理為拔節期和抽穗期灌水，3水處理為拔節期、抽穗期、灌漿期灌水，每次的灌水量均為450 m3/hm2。玉米季施純氮270 kg/hm2，底施P2O5135 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，分別于小喇叭口期 、灌漿期追施氮肥。0水處理為全生育期均不灌水，2水處理為小喇叭口期和大喇叭口期灌水，3水處理為小喇叭口期、大喇叭口期、灌漿期灌水，每次的灌水量為450 m3/hm2。小麥、玉米均采用噴灌帶進行灌水，灌水的同時進行氮肥追施。小麥、玉米生育期降雨量如圖1所示。

圖1 小麥、玉米生育期內降雨量

1.3 測定項目及方法

1.3.1 光合生理特性 在小麥灌漿期(2018年5月15日)、玉米灌漿期(2018年8月25日)選擇晴朗無風的天氣于 9：30—11：00 采用美國 Li-Cor公司生產的 Li-6400光合儀測定凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)，并計算葉片水分利用效率 WUE[23-24]，WUE=Pn/Tr。

測定葉片:小麥為旗葉，玉米為穗位葉。

1.3.2 生物量 在小麥收獲時，每小區隨機取植株5株，剪掉小麥根系，將植株放入烘箱中50 ℃烘8 h以去除小麥植株中的水分，然后用天平稱取質量，即生物量。

1.3.3 小麥、玉米產量及其構成因素 在小麥和玉米收獲時，采用精確度為1 mm的卷尺測量小麥株高、穗長及玉米株高、莖粗、穗位、穗長、穗粗(周長)，并調查小麥的小穗數、不孕穗數、穗粒數及玉米行數、雙行粒數、葉片數。小麥，每小區收獲 4 m2記產；玉米每小區取3行記產。

1.3.4 水分利用效率與灌水利用率 在小麥播種前、分蘗期、越冬期、返青期、抽穗期、灌漿期、收獲期和玉米播種前、大喇叭口期、灌漿期、收獲期，采用土鉆獲取0～100 cm土層(0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm)土壤，放入烘箱中105 ℃烘24 h，測定含水量，進而得知0～100 cm 土層土壤儲水量，并計算全生育期耗水量、水分利用效率及灌水利用率。

全生育期耗水量=播種前0～100 cm土層土壤儲水量+生育期內降雨量+生育期內灌水量-收獲時0～100 cm 土層土壤儲水量；

水分利用效率=籽粒產量/全生育期耗水量；

灌水利用率=(灌水處理籽粒產量-對應未灌水處理籽粒產量)/灌水量。

1.4 數據處理

試驗光合生理特性指標值均為 9 次重復(每處理3個重復，每個重復分別測定 3 個樣品)的算術平均值，其他結果為 3 次重復的算術平均值，所有數據應用SPSS 19.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同水氮運籌處理對小麥、玉米關鍵生育時期土壤儲水量的影響

由圖2可知，在小麥分蘗期、越冬期和返青期，不同氮肥基施比例對土壤儲水量的影響總體上不顯著，說明小麥生長前期氮素底施用量對于土壤水分的影響并不顯著。但從抽穗期開始，不同處理間的土壤儲水量差異逐漸增大。且從抽穗期開始，隨灌水量的增加，土壤儲水量逐漸增加，直至灌漿期；到收獲期，隨灌水量的增加，土壤儲水量顯著降低，說明在小麥灌漿期后水分消耗較大，且灌水量大的處理更利于小麥的生長從而增加水分的蒸騰和棵間蒸發量。

由圖2可知，對于玉米而言，隨灌水量的增加，大喇叭口期A1處理間無顯著差異，A2處理土壤儲水量先降低后增加；灌漿期和收獲期，土壤儲水量呈逐漸增加趨勢，這可能與玉米生育期內降雨量較大有關。在灌漿期和收獲期，均以A1B3處理的土壤儲水量顯著高于其他處理，其次為A2B3處理。表明在玉米生長中后期，灌水量較大時氮肥60%基施、40%追施處理的耗水量相對較高。

相同生育時期不同處理間不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 不同水氮運籌處理對小麥生長發育、產量及水分利用的影響

2.2.1 群體數 不同水氮運籌管理對小麥群體產生重要影響。由圖3可知，隨生育進程的推進，小麥群體數表現為先增加后降低的趨勢，返青期達到最高，而后逐步形成有效分蘗并成穗。在返青期后，以A1B1處理群體數最低，說明前期的分蘗大都轉化為無效分蘗，成穗率降低；A1B2處理的群體數較其他處理高，特別是灌漿期。

圖3 不同水氮運籌處理對小麥群體的影響

2.2.2 光合生理特性 由表1可知，隨灌水量的增加，小麥的光合速率、氣孔導度及蒸騰速率均增加，光合速率、蒸騰速率均以A1B3處理最高，氣孔導度以A2B3處理最高，說明前期氮肥供應較多更利于小麥光合速率的提高，且降低了氣孔導度。隨灌水量的增加，小麥葉片水分利用效率呈顯著降低趨勢，其中A1處理的小麥葉片水分利用效率高于A2處理，但不顯著，說明適度干旱更利于葉片水分利用效率的提高。

表1 不同水氮運籌處理對小麥光合生理特性的影響

注: 同列數據后不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著(P<0.05)水平,下同。

Note: The different lowercase letters after data within a column mean significant differences among different treatments at 0.05 level, the same below.

2.2.3 產量及水分利用 由表2可知，隨灌水量的增加，小麥小穗數、穗粒數、穗長、產量、水分利用效率等均表現為先增加后降低的趨勢，而不孕穗數、生物量和千粒質量總體上均提高。小穗數、不孕穗數、水分利用效率均表現為A1處理高于A2處理，而穗長和耗水量均表現為A1處理低于A2處理。不同水氮運籌處理中，以A1B2處理的小穗數、穗粒數、產量、水分利用效率、灌水利用率最高，顯著高于其他處理，產量、水分利用效率、灌水利用率分別為8 207.8 kg/hm2、26.7 kg/(mm·hm2)和1.42 kg/m3。說明適宜的灌水和氮肥基追比更利于小麥經濟產量的提高，有利于節水增產。

2.3 不同水氮運籌處理對玉米生長發育、產量及水分利用的影響

2.3.1 光合生理特性 由表3可知，A1B3處理的玉米葉片光合速率、氣孔導度及蒸騰速率均顯著高于其他處理，總體上玉米葉片光合速率、氣孔導度及蒸騰速率均表現為A1處理高于A2處理。隨灌水量的增加，葉片氣孔導度、蒸騰速率均呈增加的趨勢，葉片水分利用效率表現為逐漸降低的趨勢。各處理中，以A2B1處理葉片水分利用效率最高，其次為A1B1處理，A2B3處理最低。說明適度干旱更利于玉米葉片水分利用率的提高。

表2 不同水氮運籌處理對小麥產量及其構成因素、水分利用的影響

表3 不同水氮運籌處理對玉米光合生理特性的影響

2.3.2 產量及水分利用 由表4可知，A2B2處理玉米的株高、穗位、穗長、穗粗及雙行粒數均較高；A2B2處理產量最高，其次為A1B3處理，說明在灌水量適中時，A2處理優于A1處理，灌水量較大時相反。水分利用效率和灌水利用率均以A1B3處理最高，A2B2處理次之。

表4 不同水氮運籌處理對玉米產量及其構成因素、水分利用的影響

2.4 不同水氮運籌處理對小麥、玉米周年產量及水分利用的影響

由表5可知，隨灌水量增加，小麥、玉米周年耗水量總體上逐漸增加；A1條件下，周年產量和水分利用效率均表現為逐漸增加；A2條件下，周年產量和水分利用效率均表現為先增加后降低。耗水量和產量均表現為A1

表5 不同水氮運籌處理對小麥、玉米周年產量及水分利用的影響

3 結論與討論

水氮是影響作物氮素吸收與轉運的最有效因子之一[25]。合理的水分供應、適量的氮肥施用與基追比有利于作物合理利用氮肥、以肥調水、以水促肥[26-28]，可促進作物對光合能力與氮素的有效利用，提高干物質積累與轉化，最終促進籽粒產量和水肥利用率的提高[29-30]。本研究發現，小麥前期氮肥供應較多更有利于光合速率的提高，而適度干旱更有利于葉片水分利用效率的提高。相關研究表明，隨著灌水量增加，總耗水量增多，水分利用效率和灌水利用效率有所下降[31-32]。但本研究發現，隨灌水量增加，小麥的水分利用效率先增加后降低，灌水利用率降低，各處理中以A1B2處理最高，顯著高于其他處理。而對于玉米來說，隨著灌水量增加，A1條件下，水分利用效率表現為逐漸增加；A2條件下，水分利用效率均表現為先增加后降低；A1處理的灌水利用率增加，水分利用效率和灌水利用率均以A1B3處理最高，顯著高于其他處理。這可能與C3植物與C4植物對水肥和光熱的需求不同有關。

不同氮肥基追模式與灌水量對小麥成產要素及水分利用等影響顯著[33]。隨灌水量增加，小麥小穗數、穗粒數、穗長、產量、水分利用效率等均表現為先增加后降低的趨勢，而生物量和千粒質量總體上均提高。不同水氮運籌處理中，以A1B2處理小麥產量、水分利用效率、灌水利用率最高，顯著高于其他處理，說明適宜的灌水和氮肥基追比更有利于小麥節水與增產增效。這與以往研究的前氮后移理論有所不同[33-34]，可能是因為地力差異的緣故。小麥季的水肥管理對后茬玉米也產生了重要影響，因為前茬小麥多余的水分與養分會供給下茬苗期玉米，從而促進其生長。本研究發現，在玉米生長季，不同水氮運籌處理中，A2B2處理玉米的株高、穗位、穗長、穗粗及雙行粒數均較高，且其產量最高，顯著高于其他處理，其次為A1B3處理。

在一定灌水量范圍內，作物耗水量與灌水量呈正相關。本研究發現，小麥、玉米周年耗水量總體上隨灌水量的增加呈增加趨勢，且A2處理較A1處理耗水量大。小麥、玉米周年產量以A2B2處理最高，而水分利用效率和灌水利用率均以A1B3處理最高，顯著高于其他處理。表明，在高產農田適當減少底施氮肥，而將其后移至作物關鍵生育時期更有利于周年小麥、玉米增產；而增加氮肥底施比例則更有利于提高小麥、玉米的周年水分利用效率和灌水利用率。