不同水氮處理對冬播春小麥產量和水氮利用效率的影響

王 歡，蘇文平，趙鑫琳，艾木拉姑麗·庫爾班，孫詩仁，薛麗華，章建新

(1.新疆農業大學農學院，新疆烏魯木齊 830052；2. 新疆農業科學院糧食作物研究所，新疆烏魯木齊 830091)

春麥冬播以一葉期(或發芽、萌動、干籽粒)狀態在積雪覆蓋下越冬后，翌年早春雪融后恢復生長，其出苗、成熟早于春小麥[1]。北疆冬季降雪量大、積雪厚，春季融雪期長，土壤含水量高，致使春小麥晚播、晚熟，后期遇干熱風風險大。春麥冬播適用于棉花、玉米和復播作物晚收后倒茬小麥[2]。近年，春麥冬播技術受到重視[3-5],與冬小麥冬前生長達到齊苗、壯苗和安全越冬、需灌足底墑水和越冬水[6]相比，北疆春麥冬播利用積雪融水早春出苗，可節約出苗水和越冬水。目前，有關春麥冬播的研究僅限于播期[7]、高產生育特性[8]等方面。灌水和施肥是調控小麥生長和產量的重要技術措施，且對小麥生長存在明顯的互作效應[9]，干旱脅迫和過量灌溉均不利于小麥植株對氮素的積累[10]，適量灌溉可促進作物氮素吸收和提高氮肥利用率[11]，適量施氮可促進作物根系和植株生長，增強作物吸收水分和養分能力，提高水分利用效率[12]。以上均是有關冬小麥和春小麥的研究結果，若將其應用于春麥冬播具有盲目性。春麥冬播的耗水規律及水、氮運籌技術不完善，嚴重影響春麥冬播技術的應用。本試驗擬研究不同水、氮處理組合對冬播春麥干物質積累、產量、水氮利用效率的影響，為北疆春麥冬播節水高產栽培技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試點概況

試驗于2019-2021年在新疆農業科學院奇臺麥類試驗站進行。該試驗站位于東經89°13′～91°22′，北緯42°45′～45°29′，屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫5.5 ℃，全年無霜期153 d，降雨量176 mm，蒸發量2 141 mm，最高氣溫39 ℃，最低氣溫-37.3 ℃。

1.2 試驗設計

供試春小麥品種為新春48號。采用雙因素裂區設計，總灌水量為主區，設3 150 m3·hm-2(W1)、3 600 m3·hm-2(W2)、4 200 m3·hm-2(W3)3個水平；施氮量為副區，設施純氮0 kg·hm-2(N0)、135 kg·hm-2(N1)、210 kg·hm-2(N2)3個水平。隨機區組排列，小區面積為20 m2(5 m×4 m)，3次重復。2019-2020年度前茬作物為玉米，2020-2021年度前茬作物為小麥，秸稈均不還田。兩年供試土壤0～40 cm土層基礎肥力見表1，前茬作物收獲后不灌水。兩年小麥生長季的降水量見表2。10月下旬翻地前施重過磷酸鈣300 kg·hm-2，翻地后旋耕耙地、播種。播種時間分別為2019年11月1日、2020年10月21日，行距15 cm，播種量為400 kg·hm-2；基本苗分別為422×104株·hm-2、 453.33×104株·hm-2。采用滴灌，1管4行布置毛管，毛管間距60 cm。為防止小區間串水，處理間設置2 m寬隔離帶。在拔節期、孕穗期分別隨水按設計量施用尿素，具體灌水量、施氮量和時期見表3，水表控制滴灌量。冬前不灌水，病蟲害防治等其他管理同當地一般高產麥田。

表1 試驗地0～20 cm土層基礎理化性狀Table 1 Basic physicochemical properties of the experimental soil(0-20 cm)

表2 小麥生長季降水量Table 2 Precipitation during wheat growth period mm

表3 各處理滴灌量和施氮量Table 3 Water and nitrogen amount under different treatments

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水量測定

從三葉期開始每10 d左右測定1次土壤含水量，至成熟期結束。在毛管間距1/2處用土鉆分層采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土層土樣，重復3次，用烘干法測定土樣含水量。在每次灌水前、后12 h各加測1次。土壤含水量=(濕土重-干土重)÷干土重×100%

1.3.2 葉面積指數、干物質積累量和光合勢測定

分別于拔節期、孕穗期、開花期、花后10 d、花后20 d及成熟期，從每小區隨機選取生長一致有代表性植株連續30莖，采用長寬系數法測定葉面積，計算單莖綠葉面積、葉面積指數和光合勢。將所取植株樣品放入烘箱中105 ℃下殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，計算干物質積累量。

葉面積指數(LAI)= 總莖數 × 單莖綠葉面積 ÷ 土地面積

干物質積累量=總莖數×單莖質量

光合勢= 1/2(L1+L2)× (t2-t1)

其中，L1和L2為前后2次測定的葉面積，t1和t2為前、后2次的取樣時間。

1.3.3 產量和水、氮利用效率的測定

小麥成熟期，各小區選取具代表性的連續 1 m長樣段，調查有效穗數、穗粒數和千粒重，重復3次。各小區去除邊行，收獲4 m2(2 m× 2 m)，風干后測產。

總耗水量=土壤貯水消耗量+小麥生育期總降水量+總灌水量；

土壤貯水消耗量=播種前100 cm土層貯水量-成熟時100 cm土層貯水量；

灌溉水利用效率(IWUE)=小麥籽粒產量/總灌水量；

水分利用效率(WUE)=小麥籽粒產量/總耗水量；

氮肥農學利用率=(施氮區籽粒產量-未施氮區籽粒產量)/施氮量；

氮肥偏生產力=籽粒產量/施氮量。

1.4 數據分析

用 Excel 2013進行數據處理，由于2019-2020年和2020-2021年測定指標趨勢一致，故大多數據分析采用兩年平均值進行。用SPSS 19.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同水氮處理對冬播春小麥田土壤含水量的影響

從表4可知，2019-2020年度，不同水氮處理對冬播春小麥0～100 cm土壤含水量有顯著影響。4月25日(分蘗期)后，各處理0～40 cm土壤含水量在灌水前、后呈明顯的“谷”和“峰”。隨滴灌量的增加，土壤含水量峰值顯著增高，表現為W3>W2>W1，0～20 cm土層含水量峰值變幅明顯大于20～40 cm；40～100 cm土層含水量無“谷”和“峰”變化，隨著滴灌量的增加而增加，40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm均表現為W3>W2>W1，并隨土層變深，同一土層不同灌水處理間差異減小。在相同滴灌量處理下，不同施氮量間0～100 cm土層的含水量差異不顯著。說明增加滴灌量可增加0～40 cm土層含水量和生育中后期40～100 cm土層含水量；施氮肥量對0～100 cm土層含水量影響不顯著。

表4 不同處理下冬播春小麥0～100 cm土壤含水量(2019-2020年)Table 4 Soil water content in 0-100 cm soil layer of spring wheat sown in winter under different treatments in 2019-2020 %

2.2 不同水氮處理對冬播春小麥葉面積指數和光合勢的影響

滴灌量和施氮量均對冬播春小麥葉面積指數和光合勢有顯著影響(P<0.05)。由圖1可知，隨著生育進程推移，小麥葉面積指數呈先增加后降低的趨勢，孕穗期達到峰值。同一施氮處理下，隨著滴灌量增加，葉面積指數顯著增高；在同一滴灌量處理下，隨施氮量增加，葉面積指數整體表現為N2>N1>N0。

J：拔節期；B：孕穗期；A：開花期；A10：花后10 d；A20：花后20 d。相同時期折點上不同字母表示不同水氮處理間差異在0.05水平顯著。圖3同。

由圖2可知，小麥光合勢在整個生育期呈先增加后下降變化趨勢，峰值出現在孕穗至開花期。在孕穗至開花階段，W2N2、W3N1、W3N2處理的光合勢較高，分別為49.74、49.55、53.35 m2·d·m-2，均顯著高于W1N0(41.13 m2·d·m-2)。同一滴灌量處理下，增加施氮量則總光合勢提高，W3處理下總光合勢由N0處理的178.17 m2·d·m-2增加至N2處理的 220.14 m2·d·m-2，增幅23.56%；同一施氮量處理下，增加滴灌量則總光合勢提高，N2處理下總光合勢由W1處理的195.45 m2·d·m-2增加至W3的220.14 m2·d·m-2，增幅12.63%。W3N2總光合勢(220.14 m2·d·m-2)較W1N0(168.76 m2·d·m-2)增加 30.44%。增加滴灌量和施氮量，提高了冬播春小麥拔節至成熟期間各生育階段的光合勢，從而大幅度增加總光合勢；同時增加滴灌量和施氮量，較僅增加滴灌量或施氮量處理的光合勢增加幅度大，以W2N2和W3N2處理的光合勢較高。

E-J：出苗-拔節；J-B：拔節-孕穗；B-A：孕穗-開花；A-A10：開花-花后10 d；A10-A20：花后10 d-20 d; T：總合。相同時期折點上不同字母表示不同水氮處理間差異在0.05水平顯著。

2.3 不同水氮處理對冬播春小麥干物質積累的影響

2.3.1 對干物質積累量的影響

由圖3可見，灌水量與施氮處理均對冬播春小麥干物質積累量有顯著影響。在同一施氮量處理下，增加滴灌量則干物質積累量顯著增加，W3N2處理 (14 468.59 kg·hm-2)干物質積累量較W1N2(12 373.83 kg·hm-2)和W2N2(13 775.89 kg·hm-2)分別增加了16.92%和 5.03%；同一滴灌量處理下，增加施氮量則干物質積累量顯著增加，W3N2處理的干物質積累量較W3N0和W3N1分別增加了21.21%和4.16%；W3N2處理干物質積累量較W1N0(10 546.11 kg·hm-2)增加37.19%。說明增加滴灌量和施氮量均可增加總干物質積累量，以W2N2和W3N2處理的干物質積累量較高。

圖3 不同水氮處理下冬播春小麥的干物質積累動態

2.3.2 對干物質最大增長速率及其持續天數的影響

利用 Logistic 方程對不同處理冬播春小麥的干物質積累量和出苗后天數進行擬合(表5)，發現其曲線擬合度的R2均高于0.97，達到極顯著水平。干物質快速增長期t1和t2在出苗后 45.13～48.67 d和72.20～81.63 d，持續時間為 25.28～32.88 d，干物質積累最大增長速率Vm變化范圍為296.21～399.47 kg·hm-2·d-1。在相同滴灌量處理下，增加施氮量干物質積累最大增長速率顯著增加，Vm由W3N0處理的 296.21 kg·hm-2·d-1增加至W3N2處理的378.13 kg·hm-2·d-1，增幅 27.66%；同一施氮量處理下，增加滴灌量干物質積累最大增長速率增加，Vm由W1N2處理的353.56 kg·hm-2·d-1增加至W3N2處理的378.13 kg·hm-2·d-1，增幅6.95%。水氮同時增加W3N2處理的Vm(378.13 kg·hm-2·d-1)較W1N0(329.13 kg·hm-2·d-1)增加14.89%。說明增加滴灌量和施氮肥量可提高干物質積累最大速率，延長干物質快速積累持續天數。

2.4 不同水氮處理對冬播春小麥產量及構成的影響

由表6可知，灌水量和施氮水平對冬播春小麥產量及產量構成影響顯著。相同滴灌量處理下，增加施氮量則產量顯著增加，W3N2的產量 (6 945.59 kg·hm-2)較W3N0(5 095.42 kg·hm-2)增產36.31%；同一施氮量處理下，增加灌水量則產量顯著增加，W3N2的產量 (6 945.59 kg·hm-2)較W1N2(5 808.66 kg·hm-2)增產19.57%；同時增加滴灌量和氮肥產量顯著增加，W3N2的產量(6 945.59 kg·hm-2)較W1N0(5 032.52 kg·hm-2)增產 27.54%。增加滴灌量和施氮量顯著增加穗數、穗粒數。W3N2的穗數、穗粒數分別較W1N0增加20.85%、21.62%。千粒重則以W3N1(45.24 g)最高。在W1處理下，千粒重隨著施氮量的增加而略微降低，但處理間無顯著差異；在W2和W3處理下，千粒重隨著施氮量的增加表現出先增加后降低的趨勢。說明增加滴灌量和施氮量主要通過增加穗數和穗粒數增加產量；水氮協同增產幅度遠大于僅增加滴灌量或施氮量處理；以W3N1、W3N2、W2N2的產量較高。

表5 不同水氮處理下冬播春小麥的群體干物質積累速率Logistic方程Table 5 Logistic equation of dry matter accumulation rate of wheat population under different water and nitrogen treatments

表6 不同水氮處理對冬播春小麥產量及構成因素的影響Table 6 Effects of different water and nitrogen treatments on yield and its components of spring wheat sown in winter

2.5 不同水氮處理對冬播春小麥水氮利用效率的影響

灌水量和施氮量均對水氮利用效率指標影響顯著(表7)。隨著滴灌量增加，土壤耗水量減少，而總耗水量增加；同一滴灌量下，不同施氮處理間兩指標差異不顯著。隨著滴灌量增加，0～100 cm土層儲水消耗量減少，總耗水量增加，灌溉水利用效率、水分利用效率多呈先增加后下降的趨勢，灌溉水利用效率以W1N2(1.84 kg·m-3)、W2N2(1.86 kg·m-3)較高，水分利用效率以W2N2(1.23 kg·m-3)、W3N2(1.19 kg·m-3)處理較高，可見增施氮肥能同時提高小麥的灌溉水和水分利用效率。在3種滴灌量下，氮肥的農學利用效率、氮肥偏生產力均隨施氮量的增加而下降。在N1處理下，W1的氮肥農學效率(3.56 kg·kg-1)顯著低于W3處理(11.17 kg·kg-1)，兩者的氮肥偏生產力差異顯著，為40.84和 48.42 kg·kg-1。在同一施氮量處理下，增加滴灌量可提高氮肥利用效率，顯著提高氮肥偏生產力。滴灌量和施氮量同時增加，氮肥農學利用效率增加。

表7 不同水氮處理下冬播春小麥的水氮利用效率的影響Table 7 Effects of different water and nitrogen treatments on water and nitrogen use efficiency of spring wheat sown in winter

3 討 論

提高小麥產量和水、氮利用效率是小麥生產的重要目標。適宜的水氮運籌是提高小麥產量和水氮利用效率的關鍵。增加滴灌量和施氮量對作物增產作用是水、氮單因素及其互作效應共同作用的結果[13]。隨著灌水次數增加，冬小麥總耗水量增加，降低土壤耗水量和降水量占總耗水量的比例[14-16]，增加灌水量降低水分利用效率[15-17]。張 娜等[18]研究表明，滴灌冬小麥總施氮量在0～242 kg·hm-2范圍內，產量與施氮量呈正相關。滴灌冬小麥產量9 000 kg·hm-2水氮運籌模式是總灌水量3 900 m3·hm-2，總施氮量270 kg·hm-2[19]。北疆滴灌高產春小麥需灌水 3 700～4 575 m3·hm-3[20-21]。北疆滴灌小麥施氮量約為300～315 kg·hm-2，產量為5 772.45～ 6 689.72 kg·hm-2[22]。黃藝華等[23]提出，適宜施氮量為250 kg·hm-2。本研究冬播春小麥田間滴灌量下，只增加0～40 cm土層含水量，對小麥生育中后期40～100 cm土層水分含量影響較小。這是由于滴灌量主要補充0～40 cm土層水分，也可能是冬播春麥根系分布隨土層變深而劇降，相應耗水也大幅度降低，導致灌水處理間在80～100 cm土層含水量差異明顯小于40～60 cm土層。施氮量對土層含水量影響不顯著，與在冬小麥上的研究結果[24-25]一致。可能是增施氮肥增大了葉面積指數，增大群體葉片互相遮陰程度，減少中下層葉片蒸騰和土壤蒸發耗水，抵消了因群體葉面積指數增大、上部葉片蒸騰量的緣故。增加滴灌量和施氮量，提高了冬播春小麥生育期間的最大葉面積指數、總光合勢和群體干物質積累的最大速度，并延長最大速度的持續時間，增加干物質積累總量和最終產量，并提高了水氮利用效率。以W3N1、W3N2、W2N2處理的產量較高，水分利用效率和農學利用效率以W3N1較高，兼顧產量和水分利用效率，北疆冬播春麥適宜總滴灌量為 3 600～4 200 m3·hm-2，總施氮量為 135～210 kg·hm-2，可以獲得產量6 200.33～ 6 945.59 kg·hm-2。其水分利用效率和氮肥農學利用效率分別為1.12～1.23 kg·m-3、7.58～11.17 kg·kg-1。春麥冬播氮肥用量少于冬小麥、春小麥，產量低于冬小麥和春小麥。春麥冬播的播期晚于冬小麥，早于春小麥，在生育進程、群體結構、耗水吸肥規律等方面與傳統的冬、春小麥差異較大，相關研究很少。其高產高效水氮運籌技術還有待進一步研究。