分期施肥補灌對小麥產量和水分利用效率的影響

潘曉瑩，武繼承，張森森，楊永輝，王 越，李敏杰，4，高翠民，何 方

(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.河南省有色金屬地質勘查總院， 河南 鄭州 450002； 4.鄭州大學 生命科學學院， 河南 鄭州 450052 )

豫中地區是河南省小麥生產的主產區，水資源短缺和化肥過量施用(肥料消耗量達4 500 kg/hm2)[1]制約著該區域農業的綠色可持續發展。如何合理灌溉、優化水肥管理模式是豫中補灌區小麥高產高效生產亟待解決的關鍵問題。

水分和氮肥作為農業生產的重要因素和主要調控手段，兩者對農作物生長調控具有互補效應，正所謂“有收無收在于水，收多收少在于肥”[2-3]。對于小麥而言，充足的水分是其生長的基礎和成產三要素(畝穗數、穗粒數和千粒質量)的調控因子，干旱則是最具威脅力的逆境[4]。補充灌溉對水分利用效率影響顯著,平水年拔節期補灌、枯水年拔節期和抽穗期補灌是提高黃海地區冬小麥產量的最佳灌溉模式[5]，拔節期和開花期灌水顯著提高拔節期至成熟期小麥的耗水量[6]，補灌處理較不補灌處理可顯著提高山農23籽粒產量和水分利用效率[7]，總灌水量和籽粒產量均呈現隨補灌次數增加而增加的趨勢[8]。氮肥不同基追比對小麥耗水量、水分利用效率影響顯著,與不追肥相比，分期追肥有利于提高小麥水分利用效率和產量[9],基肥∶拔節肥∶孕穗肥為6∶3∶1處理開花至成熟期籽粒產量最高[10]。

與此同時，為片面追求高產，盲目、過量施用化肥的農業種植技術，不僅增加農業生產投入，還造成肥料利用率低、土壤氮素深層積累、農業生態環境受到破壞等系列問題[11]。有機肥可顯著增強土壤肥力，是一種肥力持久的重要肥源。化肥與有機肥的配施，可降低耕層土壤的污染，改善土壤物理結構和生態環境[12-13]。

本試驗在前人研究的基礎上，結合豫中補灌區栽培種植模式，基于“分期施肥補灌有可能提高小麥產量和水分利用效率”的假設，采取分期施肥和補充灌溉手段，于2018年—2019年以鄭麥369為試驗材料，研究分期施肥補灌對小麥SPAD、光合特性、群體動態、生長發育指標、產量和水分利用效率的影響機理，以期為豫中補灌區小麥高產高效種植技術提供技術支撐和理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況及試驗材料

試驗于2018年—2019年在河南省開封市通許縣厲莊鄉司馬莊村進行(東經E 114.46°，北緯N 34.43°)。試驗土壤為壤質潮土，土壤耕層含有機質13.9 g/kg、水解氮71.6 mg/kg、速效磷14.6 mg/kg、速效鉀90.6 mg/kg，pH值為8.26。

供試小麥品種為鄭麥369。試驗用肥料分別為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)、氯化鉀(含K2O 60%)、有機肥料(有機質≥50%，N+P2O5+K2O總養分≧5%)。

1.2 試驗設計

試驗設3種灌水模式：不灌溉(W0)，補灌一次(W1)(拔節期)、補灌二次(W2)(拔節期，抽穗—揚花期)。灌水450 m3/(hm2·次)，采用地面灌，水表計量。設5種施肥模式：不施肥(N0)、純氮210 kg/hm2(N1)、純氮300 kg/hm2(N2)、純氮210 kg/hm2+有機肥1 500 kg/hm2(N3)、純氮300 kg/hm2+有機肥1 500 kg/hm2(N4)。灌水施肥同步進行。不灌水條件下氮肥一次性底施，拔節期補灌一次條件下，氮肥底追比為底施∶拔節肥=7∶3；拔節期、抽穗—揚花期補灌二次，氮肥底追比為底肥∶拔節肥∶穗肥=6∶3∶1。磷肥135 kg/hm2、鉀肥90 kg/hm2和有機肥料一次性底施。試驗共15個處理，試驗處理詳見表1。小區面積4.0 m×5.6 m，隨機區組排列，重復3次，共45個小區。小麥于10月16日等行距(22 cm)播種，播種量為210 kg/hm2；于次年6月4日收獲。其他管理同常規大田一致。

表1 不同分期施肥補灌處理

1.3 測定指標及方法

1.3.1 小麥SPAD

利用SPAD-502(日本美能達公司)葉綠素儀測定小麥揚花—灌漿期旗葉SPAD值，每個處理隨機測定5片小麥旗葉SPAD值。

1.3.2 小麥光合特性

利用Li-6400XT(美國Li-Cor公司)便攜式光合儀測定小麥揚花—灌漿期旗葉凈光合速率和蒸騰速率每個處理隨機測定3片小麥凈光合速率和蒸騰速率。

1.3.3 小麥考種及產量測定

于收獲期，隨機選5株小麥，對其進行考種，測定其株高、穗長、不孕小穗數、小穗數、穗粒數、千粒質量。每小區收取3行，用小型谷物脫粒機進行脫粒，風干后稱其籽粒重量并計算其產量。

1.3.4 水分利用效率

水分利用效率采用如下公式計算：

WUE=Y/ET[14]

(1)

式中：WUE為水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為小麥籽粒產量，kg/hm2；ET為冬小麥生育期內耗水量,mm。

農田耗水量(Field water consumption，)的計算采用水分平衡法[15]，耗水量的計算公式為

(2)

式中：ET為整個生育期作物的耗水量,mm；i為土層編號；n為總土層數；γi為第i層土壤干密度，g/cm3；Hi為第i層土壤厚度，cm；θi1和θi2分別為第i層土壤播種前和收獲后土壤含水量；M為灌水量，mm；P0為生育期內降水量，mm，冬小麥生育期間的降雨資料有當地氣象部門提供；K為時段內的地下水補給量，mm，當地下水埋深大于2.5 m時，K值可以忽略不計，本試驗的地下水埋深在5 m以下，故地下水補給量可視為0。

采用土鉆取0～100 cm土層土樣，每20 cm為一層，立即裝入鋁盒中，烘干法測定土壤含水率，同時采用環刀法測定土壤密度。2018年—2019年度冬小麥生育期內降雨量見表2。

表2 2018年—2019年度冬小麥生育期內降雨量

1.4 數據處理

試驗數據利用WPS Office 2019和IBM SPSS Statistics 19軟件進行數據處理及差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 分期施肥補灌對小麥SPAD值的影響

由圖1 可知，三種灌水水平條件下，各施肥處理的小麥SPAD顯著高于不施肥處理，且隨施氮量增加而增加，N4處理最高，各處理小麥SPAD較對照N0處理分別提高6.94%～25.59%、2.21%～15.14%和16.86%～24.67%；同時，增施有機肥處理(N3和N4)的SPAD值均高于不施有機肥處理(N1和N2)。不灌水條件下，N4處理小麥SPAD值為50.07，N2、N3、N4小麥SPAD值顯著高于N0、N1處理；補灌一次條件下，N4處理小麥SPAD值最高，為53.73，N2、N3、N4處理小麥SPAD顯著高于N0和N1處理，N4處理顯著高于N2處理；補灌兩次條件下，N4處理小麥SPAD值為55.93，且顯著高于N0和N1處理處理。同肥條件下，補灌一次和補灌二次的小麥SPAD均高于不灌水相應處理小麥SPAD值，分別提高7.32%～17.06%和11.72%～22.99%，與補灌一次相比，補灌二次的N0處理的小麥SPAD值較相應處理降低了3.86%，其他處理則分別提高了9.92%、5.90%、3.28%和4.09%。

注：圖中不同小寫字母表示同一灌水水平下不同處理間的差異顯著水平(P<0.05)

2.2 分期施肥補灌對小麥光合特性的影響

由圖2可知，三種灌水水平條件下，各施肥處理的小麥凈光合速率高于或顯著高于不施肥(N0)處理，且增施有機肥處理(N3和N4)小麥的凈光合速率均高于不施有機肥處理(N1和N2)。不灌水條件下，N4處理小麥凈光合速率最高，為22.37 μmol CO2/( m2·s)，顯著高于N1處理；補灌一次條件下，N4處理小麥凈光合速率最高，為21.37 μmol CO2/( m2·s)；補灌二次條件下，N3處理小麥凈光合速率最高，為22.50 μmol CO2/(m2·s)，顯著高于N2處理。補灌一次條件下N0和N1處理的小麥凈光合速率較不灌溉相應處理分別增加1.80%和15.17%，其他處理較不灌溉相應處理則是有所減少；補灌二次條件下N2和N4處理的小麥凈光合速率較不灌溉相應處理分別減少3.21%%和1.62%，其他處理增加；補灌二次條件下N0處理的小麥凈光合速率較補灌一次條件下相應處理降低0.45%，其他處理增加。

注：圖中不同小寫字母表示同一灌水水平下不同處理間的差異顯著水平(P<0.05)

由圖3可知，不灌水條件下，N3處理小麥蒸騰速率最高，為5.16 mmol H2O/( m2·s)，顯著高于N0處理；補灌一次條件下，N3處理小麥蒸騰速率最高，為4.40 mmol H2O/(m2·s)，各處理間差異不顯著；補灌二次條件下，N3處理小麥蒸騰速率最高，為4.66 mmol H2O/(m2·s)，顯著高于N0、N1、N2處理。補灌一次條件下N0處理的蒸騰速率較不灌溉條件下相應處理增加1.89%，其他處理較不灌溉相應處理則是有所降低；補灌二次條件下各處理小麥蒸騰速率較不灌溉相應處理減少5.53%～10.91%；補灌二次條件下N0處理的小麥蒸騰速率較補灌二次條件下相應處理減少7.29%，其他處理較補灌一次相應處理則是有所增加。

注：圖中不同小寫字母表示同一灌水水平下不同處理間的差異顯著水平(P<0.05)

2.3 分期施肥補灌對小麥群體動態的影響

對不同生育期小麥群體數動態的調查表明(見圖4)，各處理小麥全生育期的群體數變化均呈現先上升后降低的趨勢，在拔節期達到最大。三種灌水條件下，小麥群體數均以N0處理最低，且不灌水處理小麥群體數低于灌溉處理，不灌水不施肥不利于提高小麥群體數。除苗期W0N0與W0N4處理、返青期W2N0與W2N4及收獲期W1NO與W1N3處理間差異不顯著外，其他同灌水水平下各處理苗期和越冬期、返青期、拔節期、抽穗期、收獲期的小麥群體數均顯著高于N0處理，整體上，以拔節期提高幅度最大。與不灌水相應處理相比，補灌一次各處理在苗期和越冬期、返青期、拔節期、抽穗期、收獲期的小麥群體數分別提高1.61%～19.05%、8.09%～32.80%、3.64%～33.33%、13.38%～21.81%、10.83%～53.47%、1.67%～34.48%,補灌二次各處理小麥群體數分別提高4.23%～25.40%、5.13%～44.62%、12.08%～38.22%、16.14%～43.43%、2.78%～34.87%、1.92%～32.76%。補灌二次與補灌一次相應處理小麥群體數相比增減不一。

注：圖中不同小寫字母表示同一灌水水平下不同處理間的差異顯著水平(P<0.05)

2.4 分期施肥補灌對小麥生物性狀及產量的影響

由表3可知，與不灌水處理相比，補灌一次和補灌二次各處理的穗粒數、株高、穗長和千粒質量均有所提高，不孕小穗有所降低。三個灌水水平條件下，各處理不孕小穗較相應對照N0處理顯著降低，分別降低了24.42%～41.86%、32.89%～44.98%和22.65%～41.18%，株高、穗長、小穗數、穗粒數、千粒質量較相應N0處理均有所提高或顯著提高，其中不灌水條件下株高和穗粒數增加幅度較大，分別為12.08%～18.39%和11.91%～15.20%，補灌一次條件下，穗粒數和千粒質量增加幅度較大，分別為8.03%～18.31%和9.09%～13.64%，補灌二次條件下，株高和小穗數增加幅度較大，分別為5.60%～15.79%和9.86%～18.3%。

表3 分期施肥補灌對小麥生長發育和產量的影響

三種灌水平條件下，N0處理產量最低，顯著低于其他處理，且W1N0>W2N0>W0N0；不灌水條件下，N2處理的產量最高，達10 990.53 kg/hm2，N3處理次之，N2、N3處理產量顯著高于N1、N4處理；補灌一次條件下，N4處理產量最高，為11 865.53 kg/hm2，N3處理次之，增施有機肥處理(N3、N4)的產量高于不施有機肥處理(N1、N2)，N2、N3和N4處理產量顯著高于N1處理；補灌二次條件下，N3處理產量最高，為11 768.94 kg/hm2，N3處理產量顯著高于N2處理，增施有機肥處理(N3、N4)的小麥產量高于不施有機肥處理(N1、N2)。補灌一次和補灌二次的小麥產量均高于不灌水相應處理的小麥產量，分別提高4.29%～22.34%和1.53%～23.27%，與補灌一次相比，補灌二次的N0、N2、N4處理的產量較相應處理分別減少了0.35%、2.64%和2.22%，N1和N3處理則分別增加14.41%和1.30%。

2.5 分期施肥補灌對小麥水分利用效率的影響

由表4可知，三種灌水平條件下，N0處理水分利用效率顯著低于其他處理，且W1N0>W0N0>W2N0；不灌水條件下，N2處理水分利用效率最高，為28.30 kg/(hm2·mm)，N4處理次之，且顯著高于其他處理；補灌一次條件下，N4處理水分利用效率最高，為27.88 kg/(hm2·mm)， N2處理次之，N2、N3、N4處理的水分利用效率顯著高于N1處理；補灌二次條件下，N4處理水分利用效率最高，為26.79 kg/(hm2·mm)，且顯著高于N1、N2和 N3處理。補灌一次的N1處理小麥水分利用效率低于不灌水相應處理，較之降低2.55%，其他處理的水分利用效率則高于不灌溉行營處理；補灌二次條件下各處理的水分利用效率較不灌水處理降低了1.71%～18.22%；補灌二次各處理的水分利用效率較補灌一次相應處理均有所降低。

表4 分期施肥補灌對小麥水分利用效率的影響

3 討 論

光合作用是小麥產量形成的關鍵因素和物質基礎，有研究表明，小麥產量70%以上是通過植株光合作用產生合成有機物形成的[16]。田間試驗研究發現：三種灌水平條件下，各施肥處理的小麥SPAD和凈光合速率高于或顯著高于不施肥處理，增施有機肥的小麥SPAD和凈光合速率均高于相應不施有機肥處理，且小麥的SPAD值隨施氮量增加而增加，這與前人研究結果一致[17-18]。小麥穗粒數、株高、穗長和千粒質量在同灌水條件下均以N0處理最低，灌水處理高于不灌水相應處理。

由于季節性干旱和降雨時空分布不均衡，豫中地區小麥產量主要依靠補灌水量，生產實踐和科學實驗結果表明，合理的補灌[7-8]、分期施肥[9]、增施有機肥[12]有利于提高小麥產量和水分利用效率。文中研究結果表明：補灌一次和補灌二次的小麥產量均高于不灌水相應處理，補灌一次的小麥水分利用效率高于不灌水相應處理的小麥水分利用效率，較之提高3.13%～10.77%，這與王麗[7]研究結果一致。三種灌水水平下，N0處理產量顯著低于其他處理，且W1N0>W2N0>W0N0；補灌一次和補灌二次的小麥產量均高于不灌水下的相應處理，且以W1N4水平產量最高，為11 865.53 kg/hm2，補灌一次條件下，增施有機肥處理(N3、N4)的小麥產量高于不施有機肥處理(N1、N2)。三種灌水條件下，N0處理水分利用效率最低，且W1N0>W0N0>W2N0；補灌條件下增施有機肥的小麥水分利用效率高于相應不施有機肥處理。針對不同降雨年型，有人小麥生育期內補灌頻次：干旱年灌3水、平水年灌2水、豐水年灌1水[19-20]，與試驗結果略有偏差(平水年補灌一次增產增效效果最佳)，這可能是由于降雨時空分布不均一起的。

4 結 論

補灌和追施氮肥對小麥SPAD、光合特性、產量及水分利用效率有著顯著影響。三種灌水條件下，各施肥處理的小麥SPAD和凈光合速率高于或顯著高于不施肥處理，增施有機肥效果更佳；灌水處理的小麥穗粒數、株高、穗長和千粒質量高于不灌水相應處理，不孕小穗則與之相反；三種灌水條件下，N0處理水分利用效率和產量最低，補灌條件下增施有機肥的小麥水分利用效率高于相應不施有機肥處理。

基于節水、增產、增效綜合考慮，結合豫中地區小麥種植模式和試驗研究結果，平水年小麥拔節期補灌一次、施用純氮300 kg/hm2+有機肥1 500 kg/hm2(氮肥底追比為底施∶拔節肥=7∶3)處理為豫中地區最佳推薦模式。