水氮耦合對滴灌小麥生理生長及產量的影響

劉國宏，付彥博,,3, 扁青永，魏亞媛，魏彥宏，張萬旭，朱錦泉

(1.新疆農業科學院吐魯番農業科學研究所，新疆吐魯番 838000；2.新疆農業科學院拜城農業試驗站/國家土壤質量阿克蘇觀測試驗站，新疆阿克蘇 843000；3.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091；4.新疆兵團農業推廣技術總站，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】小麥是新疆重要的糧食作物，占新疆糧食作物面積高達50%以上[1]，其中北疆主要以種植春小麥為主，南疆以冬小麥為主。南疆處于干旱區[2]。水肥因素是農業生產的兩大重要因子和主要調控措施。葉片光合特性是冬小麥光合能力重要體現，也直接決定了小麥生產能力高低。水肥作為小麥生產的重要生態保證，兩者存在顯著的耦合效應[3]，科學合理的水肥供應有助于小麥穩產增產，促進水肥資源的高效利用，對南疆農業高質量發展具有重要意義。【前人研究進展】近年來，在滴灌條件下小麥水氮灌溉制度取得了不少成果[4-12]。Wang[4]、Abdelgalil[5]等研究發現，合理水氮供應量有助于小麥作物生理生長、小麥根系特征及產量的提高優化。趙經華[6]、楊建平[7]等通過研究不同水氮組合對小麥土壤硝態氮運移、氮平衡及水氮利用效率的變化情況，研究結果表明，合理的水氮處理的氮素表觀損失較低,水氮利用效率較高。彭婷[8-9]等通過控制小麥根區灌水量和施氮量闡明滴灌小麥高產的群體結構特征及功能特點的關鍵調控過程，提出滴灌春小麥高產和超高產群體質量指標。【本研究切入點】崔月[10]、雷鈞杰[11]等研究認為，適量施氮能增加總根質量和深層土壤中的根質量；過量施氮會導致滴灌小麥根系保水能力下降，使小麥抗旱性降低。還有文獻研究了灌水或施肥單因素對小麥相關指標的影響[12]。集中在南疆地區的研究成果寥寥無幾。【擬解決的關鍵問題】試驗在新疆南疆干旱區條件下，以新冬52號為供試材料，比較分析不同水氮組合對冬小麥生理生長及產量的變化規律，研究南疆冬小麥最佳的水氮組合，為干旱區小麥節水省肥栽培提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2020年在新疆農業科學院拜城農業試驗站內進行，試驗點位于新疆拜城縣境內，屬溫帶大陸性干旱型氣候，冬季寒冷，夏季涼爽，年均氣溫7.8℃，極端最高氣溫38.3℃，極端最低氣溫-28℃，無霜期163 d，年均日照系數為2 780.1 h，其中4～9月日照為1 564.3 h，歷年年均氣溫7.6℃，年均降水量94 mm。土壤質地砂壤土，肥力中等。試驗地基礎肥力(0～40 cm)為土壤容重為1.36 g/cm3，有機質為23.59 g/kg，全氮為0.89 g/kg，堿解氮為34.93 mg/kg，速效磷為21.81 mg/kg，速效鉀為120.92 mg/kg，pH值為7.89。

1.2 方 法

以新冬52號為材料，試驗地前茬長期為冬小麥，播期為9月20～21日，播種方式為人工條播，采取滴灌水肥一體化技術，

1.2.1 試驗設計

采用1管4行布置毛管、間距60 cm，滴頭間距為30 cm，實際密度為500×104株/hm2。主要是采取兩因素裂區試驗設計，其中主區為灌水因素，副區為施肥因素。灌水施肥設置主要根據當地實際情況,其中灌水處理設置3個水平：W1(2 241m3/hm2)、W2(3 486 m3/hm2)、W3(4 731 m3/hm2)，施肥處理(氮素)設置四個水平：N0(0 kg/hm2)、N1(135 kg/hm2)、N2(195 kg/hm2)、N3(255 kg/hm2)，以46%純氮素量進行尿素施肥。每個處理重復3次，共計36小區，每個小區面積約40 m2(4 m×10 m)，隨機進行小區排列，每一個小區按照有獨立的小型施肥器和水表，用于精準控制灌水施肥量。播前犁地后旋耕前撒施基肥。各小區667m2施腐熟農家肥2 t或商品有機肥40 kg(有機質≥45%)；尿素5 kg(N≥46%)、磷酸二銨15 kg(N≥18%，P2O5≥46%)、大顆粒硫酸鉀3kg(KO2≥51%)，冬灌水900 m3/hm2，灌水施肥數據記錄從開春返青后的拔節期開始記錄數據，各小區農藝措施相同。表1

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 生長指標

株高：使用米尺于冬小麥各個不同生育期選取長勢均勻且具有代表性的10株樣品進行測定。

葉面積：主要采取長寬系數法對小麥葉面積進行測定，每個小區選取長勢均勻10株樣品，取平均值。即：葉面積=葉長×葉寬×系數，系數值為0.83[13]。

1.2.2.2 光合指標

于2020年5月15～17日10:00-20:00連續3日對各小區冬小麥光合指標進行測定(連續三日主要目的就是驗證測量)，使用Li-6400便攜式光合測定儀測定凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)的日變化，每兩個小時測定一次。每個處理選取3株冬小麥，測定前對葉片標注(定點測定)，取平均值。

1.2.2.3 產量及水氮利用效率指標

(1)產量

實收產量(kg/hm2)=小區產量(kg/m3) ×(1-含雜率)×(1-含水率) ×10 000。

含雜率(g/g)=樣品雜質/樣品鮮重。

含水率(g/g)=(樣品鮮重- 樣品烘干重) / 樣品鮮。

(2)水氮利用效率

氮肥農學利用率(kg/kg) = (施氮區籽粒產量-不施氮區籽粒產量) /施氮量。

氮肥偏生產力(kg/kg) =施氮區籽粒產量/施氮量。

灌溉水生產效率(kg/m3)=籽粒產量/ (冬灌水量+春季滴灌水量)。

1.3 數據處理

使用Excel(2016)和SPSS20.0進行數據統計分析，用origin軟件進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 水氮耦合對冬小麥株高、葉面積的影響

研究表明，隨著生育期推進，各處理冬小麥在拔節期至孕穗期株高生長速率較快，孕穗期至灌漿期株高生長速率有所緩慢，灌漿后株高趨于穩定。在同一灌水水平，株高隨著施氮量增加而增加；在同一施肥水平，株高隨著灌水量增加而增加。全生育期W3N3處理株高最高，W3N2次之。

隨著生育期推進，葉面積在孕穗至揚花期達到最大值，在灌漿期至成熟期達到最小值。在同一施肥水平，葉面積的變化規律與株高基本一致。W1和W2水平下，冬小麥各生育期葉面積表現為N3>N2>N1>N0，W3水平下，拔節中期、孕穗期、揚花期冬小麥葉面積同樣表現N3>N2>N1>N0，而在灌漿期與成熟期，N2施肥條件葉面積大于N3，由于冬小麥灌漿期生長形態基本形成，在成熟期會逐漸進入衰老階段，過高的氮肥施入會對葉面積產生“閾值”效應，導致葉面積減少。全生育期內，葉面積在拔節期至孕穗期W3N3處理最大，在灌漿期至成熟期W3N2處理最大。表2

2.2 水氮耦合對冬小麥光合特性的影響

研究表明，為不同水氮處理下冬小麥凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)全生育期變化趨勢。隨著灌水量的增加，或者N素供應的增加，冬小麥的凈光合速率(Pn)、蒸騰強度(Tr)氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci) 均呈增加趨勢。但在灌水量低水平處理W1，時這些特性的增長趨勢并不明顯，甚至在灌水量中等處理W2時，蒸騰速率和胞間CO2濃度也沒有隨施N量的增加而明顯提高。而當灌水量增加到W2和W3的中高水平時，凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間CO2濃度，隨著施N量的增加而出現明顯的增加趨勢。特別是氣孔導度，在灌水W2水平上，出現N肥增加而增加的趨勢。

在灌水和施N量的各種處理組合中，凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間CO2均在W3N2水平上出現最大值，分別為19.51、6.98、0.36 和283 μmol/(m2·s)。新冬52號冬小麥在W3N2處理中的光合性能最好，N2處理的N素供應量已經足夠。表3

表3 不同水氮處理下冬小麥葉片光合特性和水分利用效率變化

2.3 水氮耦合對產量及水氮利用效率的影響

研究表明，產量隨著灌水量的增加或N肥量的增加呈現增加趨勢，但在W2和W3水平下，N2氮素處理的產量最大，其中最大產量8 570 kg/hm2處于W3N2，次大產量8 465 kg/hm2處于W2N2，產量相差105 kg/hm2(相差1.2%)，按照當地市場價格2.4 元/kg，W3N2處理比W2N2提高經濟效益為252元。但W3N2和W2N2的灌水量分別為4 731和3 486 kg/hm2，灌水量相差1 245 kg/hm2(相差26.3%)，施肥量分別為195、255 kg/hm2(相差23.53%),按照當地尿素價格2 700元/t，水費0.3元/m3,W2N2比W3N2節肥成本352元、節水373.5元，W2N2的經濟效益較高。在所有處理中，W2N2的N肥農學利用率和灌溉水生產效率也最高(分別為16.69，灌溉水生產效率1.66)，雖氮肥偏生產力在W3N1處理達到最大值，但與W2N2處理差異不明顯。表4

表4 不同處理下冬小麥產量和肥水利用效率變化

2.4 產量與小麥生理生長指標的相關性

研究表明，冬小麥產量與精光合速率、蒸騰速率、株高、葉面積均呈現線性關系，決定系數R2分別為0.75、0.65、0.64、0.63，產量與光合指標、生長指標存在一定相關性，尤其是產量與凈光合速率的相關性較高，冬小麥凈光合速率一定程度上能反映產量，而其他指標雖具有相關性，但代表性不強。圖1

圖1 產量與小麥生理生長指標的相關性

3 討 論

農作物與水肥間長期處于拮抗和促進的動態平衡當中，同時與作物生理生長、產量相互影響，這也被稱為作物的水肥耦合效應[14]。在新疆干旱區圍繞著滴灌技術條件下小麥耦合效應的研究已有文獻報道[15-16]，只有水肥耦合效應達到最優時，才能起到節水省肥、增產效果。

通過合理水氮調控影響小麥生理生長指標進而影響產量。王磊[17]、李孟潔[18]等研究結果表明，減少灌水量會降低小麥光合特性，過高施氮量會降低葉片光合作用。試驗條件下，提高灌水量能提高Pn、Tr、Gs和Ci值，高施肥量會降低冬小麥葉片光合作用，與以上研究一致。同時，研究試驗表明水氮耦合對葉片光合特性的影響為顯著性差異，這與董志強等[19]研究結果一致。

株高是冬小麥生長速率最直接體現，葉面積是反映冬小麥光合能力的重要指標，一定程度上影響作物產量[20]。試驗條件下，灌水增加或N肥增加均會增加株高和葉面積，與陳凱麗等[21]結果一致。試驗條件下，增加灌水量有利于提高小麥產量，過高的氮素使用量反會減少小麥產量，這與雷鈞杰[11]研究結果一致。新冬52號產量最大的處理是W3N2，其光合特性最佳；產量次之的處理則是W2N2，其水分利用率和N肥利用率最高。與W3N2相比，W2N2的產量減少了105 kg/hm2，但灌水量節省了1 245 m3/hm2，W2N2具有更好的節本增效性，是節水節肥的最佳組合。

4 結 論

4.1在灌水4 731 m3/hm2和施氮255 kg/hm2組合下，葉面積、株高等生長效果最佳；在灌水4 731 m3/hm2和施氮195 kg/hm2組合下，光合性能最好。

4.2產量最大出現在灌水4 731 m3/hm2和施氮195 kg/hm2組合；灌水3 486 m3/hm2和施氮195 kg/hm2組合次之，但其水分利用率和N肥利用率最高。灌水3486 m3/hm2和施氮195 kg/hm2組合的產量減少了105 kg/hm2，但灌水量節省了1 245 m3/hm2，具有更好節本增效性。

4.3新疆南疆滴灌灌溉定額和施肥量分別控制在3 486 m3/hm2和195 kg/hm2左右，最大限度地確保新冬52號冬小麥產量。