不同微灌溉施肥模式對冬小麥產量和效益的影響

邢素麗，楊文方，楊軍芳，聶浩亮，楊慧敏，張靜，任藝，王敬霞，張潔，黃少輝，賈良良，楊云馬

（1.河北省農林科學院農業資源環境研究所，河北 石家莊 050051；2.河南心連心化學工業集團有限公司，河南 新鄉 453000）

傳統灌溉和施肥方法水肥利用率低，且浪費資源[1]。微灌溉施肥技術是當今世界公認的高效節水保肥、低污染、綠色與可持續發展技術，通常是預先按比例將水與水溶性固體或液體肥料混合，生成含有作物所需養分的灌溉水，通過壓力灌溉系統直接輸運到作物根區，快速、穩定、精準地完成灌溉施肥的全過程，達到節水、節肥、高產的目的。微灌溉施肥是滴灌施肥和微噴灌施肥的統稱，其中，滴灌技術是將一定低壓的灌溉水，通過低壓輸、配水管道，輸送到設施內最末級管道滴頭，以較小的流量一滴滴均勻滴入作物根區附近的土壤表面或作物根系所在土壤層的灌水方法和技術，屬于一種局部灌溉法；微噴灌技術是用微小的噴頭，借助于由輸、配水管道輸送到末級管道微噴頭，將壓力水均勻噴灑到植物枝葉或植物根系周圍的土壤表面的灌水方法和技術，可以進行局部灌溉，也可以進行全面灌溉。總之，微灌施肥能提高水肥均勻性[2～4]，節水保墑[5]，增強冬小麥光合作用[6]，顯著促進氮素吸收和肥料利用，明顯提高小麥產量[7，8]。但在實際應用中，關于冬小麥相同地塊2 種微灌溉施肥模式的比較研究卻鮮有報道。借助于自行研制的自動化施肥系統，通過小區試驗，研究滴灌施肥和微噴灌施肥2 種模式對冬小麥產量、養分吸收以及經濟效益的影響，旨為相似生態類型區冬小麥微灌溉施肥模式及養分合理運籌提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016 年10 月～2018 年6 月在石家莊市藁城區西關鎮豐上村農戶承包田進行。試驗地位于北緯38°13′21.6″、東經114°46′48″，屬暖溫帶半濕潤氣候，年平均氣溫12.6 ℃，≥10 ℃積溫4 863 ℃，年降水量498 mm，無霜期209 d；土壤類型為壤質洪沖擊潮褐土，基礎地力中等，耕層（0～20cm）土壤pH 值8.1，養分含量為有機質17.4 g/kg、全氮1.22 g/kg、有效磷26.8 mg/kg、速效鉀142.3 mg/kg。

1.2 試驗材料

冬小麥品種為藁優2018，由藁城市農業科學研究所提供。該品種為半冬性小麥品種，生育期240 d 左右。常規單位面積穗數720 萬個/hm2，穗粒數31.9個，千粒重38.6 g。

所施肥料均為化肥。氮肥選用尿素（N 含量46%，河南心連心化肥工業集團有限公司生產）。磷肥和鉀肥選用種類因用途不同而異，其中，磷肥的底肥選用過磷酸鈣（P2O5含量18%，河北省礬山磷肥廠生產），追肥選用磷酸二氫銨（N 含量12%、P2O5含量61%，冀衡賽瑞化工有限公司生產）；鉀肥的底肥選用氯化鉀（K2O 含量60%，俄羅斯鉀肥公司生產），追肥選用硫酸鉀（K2O 含量50%，冀衡賽瑞化工有限公司生產） 和磷酸二氫鉀（P2O5含量52%、K2O 含量34%，河北萌幫水溶肥料有限公司生產）。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 試驗期為2 個冬小麥生長季，采用15 cm 等行距種植小麥，其中，第1 季2016 年10 月16 日播種，2017 年6 月12 日收獲，以下簡稱為“2017 年小麥”；第2 季2017 年10 月15 日播種，2018 年6 月13 日收獲，以下簡稱為“2018 年小麥”。

采用裂區試驗設計，以灌溉施肥模式（W）為主區，設微噴灌施肥（W1）和滴灌施肥（W2）2 種；以施肥量（F）為副區，設7 個水平（表1），K2O 施用量均為90 kg/hm2。各處理隨機排列，3 次重復，小區面積43.2 m2。施用底肥、起身肥、穗肥，其中N 的施用比例為40%、50%和10%，P2O5的施用比例為60%、30%和10%，K2O 的施用比例為60%、30%和10%。W1模式采用微噴帶（直徑40 mm，壁厚0.4 mm）進行灌溉，每組出水孔7 個，噴幅2 m，微噴出水量30 m3/h，鋪設間距1.8 m，標準工作壓力0.08 Mpa；W2模式采用內鑲貼片式滴灌帶（直徑15 mm）進行灌溉，鋪設間距30 cm，滴頭間距15 cm，滴頭出水量3.0 m3/h，壓力0.02 MPa。灌水時間結合作物生育期并參考土壤基質勢下限決定，一般在關鍵生育期當土表下20 cm 處的土壤基質勢下限降到-25 kPa 時進行灌溉[9～11]，采用自研首部系統自動進行水肥控制。2017年小麥各處理均灌水5 次，其中底墑水1 次、越冬水1次、春季水3 次；2018 年小麥各處理均灌水3 次，其中越冬水1 次、春季水2 次。

1.3.2 測定項目與方法

1.3.2.1 基礎土壤養分含量。冬小麥播種前，每小區均采用五點取樣方法采集耕層土壤，測定基礎土壤的pH 值以及有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量。其中，有機質含量測定采用重鉻酸鉀容量法；全氮含量測定采用凱氏法；有效磷含量測定采用Alson 法；速效鉀含量測定采用火焰光度法[12]。

1.3.2.2 灌溉水總用量。冬小麥生長季，采用水表測定并記錄每次的灌溉水用量，統計每個生長期的灌溉水總用量。

1.3.2.3 冬小麥指標。冬小麥收獲前，每小區均隨機選擇1 m 雙行小麥植株，收獲地上部分，采用凱氏定氮法測定植株的全N 含量，采用釩鉬黃比色法測定植株的含磷量[12]。全小區實收測產。根據公式，計算氮（磷）肥料表觀利用率[13]：

氮肥表觀利用率=（一定時期內施氮區植株地上部吸氮量之和-未施氮區植株地上部吸氮量之和）/施氮量×100%

磷肥表觀利用率=（一定時期內施磷區植株地上部吸磷量之和-未施磷區植株地上部吸磷量之和）/施磷量×100%

根據指標的2 a 平均值和市場價格，計算冬小麥的經濟效益（產值-成本）。

1.3.3 數據統計分析 利用Excel 2007 軟件進行數據的初處理，采用SPSS（Version26） 軟件進行Duncan多重比較分析檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同灌溉模式對冬小麥灌溉量的影響

2017 年小麥季（2016 年10 月16 日～2017 年6 月12 日）降水量為93.6 mm，屬降水量偏少年份；2018年小麥季（2017 年10 月15 日～2018 年6 月13 日）降水量為264.5 mm，屬典型豐水年份，且較多的降水量集中在播種期、孕穗—抽穗期和揚花—灌漿期，其中，播期雨量充沛（10 月1～22 日降水量達200 mm）、底墑充足，4 月13～22 日（孕穗—抽穗期）降水量達82.6 mm、5 月1～23 日（揚花—灌漿期）降水量達72.3 mm（圖1），豐沛的降水對冬小麥生長十分有利。

圖1 冬小麥生長季的日降水量Fig.1 Daily precipitation in growing season of winter wheat

2017 年小麥共灌水5 次，W1、W2模式的總灌水量分別為2 550 和2 325 m3/hm2，W2模式較W1模式節水225 m3/hm2，節水率8.82%；2018 年小麥共灌水3 次，W1、W2模式的總灌水量分別為1 500 和1 350 m3/hm2，W2模式較W1模式節水150 m3/hm2，節水率10.00%。試驗的2 個小麥生長季，W2模式較W1模式平均節水187.5m3/hm2，平均節水率為9.26%。表明相同灌溉次數條件下，滴灌施肥模式較微噴灌施肥模式節省用水。

2.2 不同灌溉施肥模式和施肥水平對冬小麥產量的影響

2.2.1 灌溉施肥模式對冬小麥產量的影響 灌溉施肥模式對冬小麥產量具有顯著影響，其中W1模式的小麥產量顯著＞W2模式，2017 年、2018 年分別增產8.22%和8.27%，平均增產8.24%（表2）。表明相同養分用量條件下，微噴灌施肥模式較滴灌施肥模式顯著提高冬小麥產量。

表2 不同灌溉施肥模式對冬小麥產量的影響Table 2 Effects of different fertigation modes on the yield of winter wheat（kg/hm2）

2.2.2 施肥水平對冬小麥產量的影響 施肥水平對冬小麥產量具有顯著影響，雖然不同年度各施肥水平的小麥產量順序有所差異，但均以F4處理產量最高（表3）。2017 年小麥產量順序為F4＞F3＞F5＞F6＞F7＞F2＞F1，其中F4與F3處理差異不顯著，但較其他處理差異均達到了顯著水平；2018 年小麥產量順序為F4＞F5＞F6＞F3＞F7＞F2＞F1，其中F4與F3、F5和F6處理差異不顯著，但較其他3 個處理差異均達到了顯著水平；2 a 平均小麥產量順序為F4＞F3＞F5＞F6＞F7＞F2＞F1，其中F4與F3和F5處理差異不顯著，但較其他處理差異均達到了顯著水平。表明氮磷配施有助于冬小麥獲得高產，其中F4處理產量最高，2 a 平均為8 968.06 kg/hm2。

表3 不同施肥水平對冬小麥產量的影響Table 3 Effects of different fertilization treatments on the yield of winter wheat（kg/hm2）

2.2.3 同一灌溉施肥模式下不同施肥水平對冬小麥產量的影響 相同灌溉施肥模式下，不同施肥水平的冬小麥產量順序有所差異，但均以F4處理產量最高，其中，W1模式下2017 年、2018 年產量分別為9 518.02 和9 292.06 kg/hm2，2 a 平均為9 405.04 kg/hm2；W2模式下2017 年、2018 年產量分別為8657.96 和8 404.20 kg/hm2，2 a 平均為8 531.08 kg/hm2（表4）。

表4 不同灌溉施肥模式與施肥水平對冬小麥產量的影響Table 4 Effects of different fertigation modes and fertilization treatments on the yield of winter wheat

W1模式下，不同施肥水平的2017 年小麥產量順序為F4＞F5＞F3＞F7＞F6＞F2＞F1，其中F4、F5和F3處理差異不顯著，但三者均與其他處理差異達到了顯著水平；2018 年小麥產量順序為F4＞F5＞F7＞F6＞F3＞F2＞F1，其中F4與F2和F1處理差異達到了顯著水平；2 a 平均小麥產量順序為F4＞F5＞F3＞F7＞F6＞F2＞F1，其中F4與其他處理差異均達到了顯著水平。表明微噴灌施肥條件下F4處理產量最高，增產效果最好。

W2模式下，不同施肥水平的2017 年小麥產量順序為F4＞F3＞F5＞F6＞F7＞F2＞F1，其中F4與F7、F2和F1處理差異達到了顯著水平；2018 年小麥產量順序為F4＞F5＞F3＞F6＞F7＞F2＞F1，其中F4與F5、F3和F6處理差異不顯著，但較其他3 個處理差異均達到了顯著水平；2 a平均小麥產量順序為F4＞F3＞F5＞F6＞F7＞F2＞F1，其中F4與F3和F5處理差異不顯著，但較其他處理差異均達到了顯著水平。表明滴灌施肥條件下F4處理產量最高，增產效果最好。

綜上分析可以看出，相同施肥水平下，微噴灌施肥模式的小麥產量水平高于滴灌施肥模式；相同灌溉施肥模式下，F4處理的產量最高，增產效果最好。

2.3 不同灌溉施肥模式和施肥水平對冬小麥氮磷吸收利用的影響

2.3.1 灌溉施肥模式對冬小麥氮和磷吸收利用的影響 灌溉施肥模式對冬小麥N 吸收利用具有顯著影響，其中W1模式的小麥N 吸收量和氮肥利用率均顯著＞W2模式，2 a 平均增幅分別為9.29%和9.74%（表5）。表明相同養分用量條件下，微噴灌施肥模式較滴灌施肥模式顯著提高冬小麥吸氮量和氮肥利用率。

表5 不同灌溉施肥模式對冬小麥氮吸收利用的影響Table 5 Effects of different fertigation modes on N absorption and utilization of winter wheat

灌溉施肥模式對冬小麥P2O5吸收利用影響不顯著，但W1模式的小麥P2O5吸收量和磷肥利用率均＞W2模式，2a 平均增幅分別為6.41%和10.53%（表6）。表明相同養分用量條件下，微噴灌施肥模式較滴灌施肥模式具有提高冬小麥吸磷量和磷肥利用率的趨勢，但效果不顯著。

表6 不同灌溉施肥模式對冬小麥磷吸收利用的影響Table 6 Effects of different fertigation modes on P2O5 absorption and utilization of winter wheat

2.3.2 施肥水平對冬小麥氮和磷吸收利用的影響 施肥水平對冬小麥N 和P2O5吸收利用具有顯著影響，但不同年度各施肥水平的小麥N 和P2O5吸收量順序有所差異，但均以F4處理最高，2 a 平均N、P2O5吸收量分別達到了232.59 和95.25 kg/hm2（表7 和8）。

表7 不同施肥處理對冬小麥氮吸收利用的影響Table 7 Effects of different fertilization treatments on N absorption and utilization of winter wheat

表8 不同施肥處理對冬小麥磷吸收利用的影響Table 8 Effects of different fertilization treatments on P2O5 absorption and utilization of winter wheat

2017 年N 吸收量順序為F4＞F5＞F3＞F6＞F7＞F2＞F1，其中F4與F5處理差異不顯著，但較其他處理差異均達到了顯著水平；2018 年N 吸收量順序為F4＞F5＞F6＞F3＞F7＞F2＞F1，且F4與其他處理差異均達到了顯著水平；2 a 平均N 吸收量順序為F4＞F5＞F6＞F3＞F7＞F2＞F1，其中F4與F5處理差異不顯著，但較其他處理差異均達到了顯著水平。對相同施磷量不同施氮量3 個處理（F3、F4和F5） 的氮肥利用率進行分析，結果顯示，2017 年F4處理的氮肥利用率最高，為37.81%，與F3處理（36.71%）差異不顯著，但二者均顯著＞F5處理；2018 年F3處理的氮肥利用率最高，為37.11%，與F4處理（36.43%）差異不顯著，但二者均顯著＞F5處理；2 a 氮肥利用率平均值以F4處理最高，為37.12%，與F3處理（36.92%）差異不顯著，但二者均顯著＞F5處理。表明氮磷配施有助于冬小麥對氮素的吸收和利用，其中F4處理效果最高，該處理下吸氮量和氮肥利用率均為最高，2 a 指標平均值分別為232.59 kg/hm2和37.12%。

2017 年P2O5吸收量順序為F4＞F5＞F7＞F3＞F6＞F2＞F1，其中F4與F5和F7處理差異不顯著，但較其他處理差異均達到了顯著水平；2018 年P2O5吸收量順序為F4＞F5＞F6＞F7＞F3＞F2＞F1，其中前5 個處理差異不顯著，但均與其他2 個處理差異達到了顯著水平，而F1與F2處理差異不顯著；2 a 平均P2O5吸收量順序為F4＞F5＞F7＞F6＞F3＞F2＞F1，其中前5 個處理差異不顯著，但均與其他2 個處理差異達到了顯著水平，而F1與F2處理差異不顯著。對相同施氮量不同施磷量3 個處理（F4、F6、F7）的磷肥利用率進行分析，結果顯示，F6處理最高，2017 年和2018 年磷肥利用率分別為24.75%和27.00%，2 a 平均為25.87%；F4處理次之，2018 年和2018 年磷肥利用率分別為20.52%和17.00%，2 a 平均為18.76%，但均顯著＞F7處理，其中2017 年指標值與F6處理差異不顯著。表明氮磷配施有助于冬小麥對磷素的吸收和利用，總體來看F4處理效果較好，該處理下吸磷量最高、氮肥利用率較高，2 a 指標平均值分別為95.25 kg/hm2和18.76%。

2.4 不同灌溉施肥模式與施肥水平處理對冬小麥經濟效益的影響

不同灌溉施肥模式下，均以F4處理的冬小麥經濟效益最高，W1F4和W2F4處理的效益分別達到14 918.08 和12 995.37 元/hm2；相同施肥水平條件下，W1模式處理的冬小麥經濟效益均＞W2模式，增幅為8.37%～15.51%，平均提高12.00%（表9）。表明微噴灌施肥模式較滴灌施肥模式具有更高的經濟效益。

表9 不同灌溉施肥模式與施肥水平處理對冬小麥經濟效益的影響（2 a 平均值）Table 9 Effects of different treatments on the economic benefit of winter wheat

3 結論與討論

3.1 討論

水分和養分對作物的影響是相互的，水分可以促進作物根系對養分的吸收和作物體內養分的轉化，而養分通過影響根系形態、結構和功能等調控作物的吸水性能[14]。研究表明，水分對小麥干物質積累的影響大于肥料的影響，合理范圍內較高的土壤貯水量有利于提高小麥干物質的積累速度[15]，充足灌溉可使小麥在開花后保持更大的有效綠葉面積，提高光能截獲率，從而向子粒提供更多的同化光合產物，以達到增產的目標[16]。本研究條件下，W1模式的氮吸收量和氮肥利用效率均顯著＞W2模式，說明充足水分對氮素在小麥植株中的積累以及調配和運轉起到重要作用，是實現小麥高產優質的重要環境因素。同時，有研究表明，合理施氮對提高土壤儲水量具有促進作用，可以通過間接提高水分利用率來提高作物產量[17～19]；氮肥能促進小麥根系利用深層土壤的水分，從而達到以肥調水、提高產量的效果[20]；水分與氮肥科學配合施用可以達到以肥調水、以水促肥的效果[21]，同時充分發揮水氮互作耦合效應，可以使小麥產量和水氮利用率最大化。因此，灌溉和施氮是決定小麥生長和子粒產量的重要因子，二者存在密切的耦合互作[22]。灌水和施氮對作物產量以及作物對氮素的吸收具有促進作用，但是在作物生長發育中水肥耦合存在1 個臨界閾值，低于此臨界閾值時可通過增加水肥投入以促進增長，但高于此臨界閾值時繼續增大水肥投入后增產效果不明顯或有可能減產[23]。磷利用效率與土壤水分條件關系極為密切，在某種程度上，土壤磷素缺乏是由于水分虧缺所引起。干旱時，土壤溶液中可溶性磷的絕對量很低，遠不能滿足作物生長之需，從而出現缺磷癥狀[24]。本研究條件下，微噴灌施肥模式的氮肥和磷肥利用率均＞滴灌施肥模式，是微噴灌施肥模式冬小麥產量高于滴灌施肥模式的根本原因之一。

氮素是葉綠素分子和色素蛋白復合體的主要組成成分，在一定范圍內，氮含量與葉片葉綠素含量和光合速率呈正相關，氮素精準管理可在降低氮肥投入量的同時，顯著提高小麥的氮素吸收利用效率[25]，從而增加產量。供氮水平對作物葉片葉綠素含量和光合速率均有顯著影響，氮素供應不足會導致作物光合能力下降，產量降低。施氮還可以提高生育后期葉片的光合能力，延長高光合持續期[26]，適量增加氮肥能顯著促進小麥營養器官氮素向子粒轉運和花后氮同化[27]，對產量和品質均具有促進作用[28]。本研究中F4處理優化施氮條件下，氮肥利用效率較高是產量增加的主要原因。

磷是植物生長發育所必需的17 種礦質元素之一，在植物的能量代謝、糖分代謝、酶促反應、光合作用等過程中具有重要作用[29]。土壤中可被作物利用的磷主要以磷酸根的形式存在，而磷酸根易與土壤中的Ca2+、Fe3+、Mn2+等金屬離子結合形成沉淀，即使施用磷肥，80%以上的磷素也會被土壤固定下來，不能被作物利用。優化磷肥施用可以維持土壤微生物群落動態平衡，促進土壤磷素活化與釋放，提高磷素吸收利用率[30]。本研究中F4處理的磷素吸收量最高，也是該處理高產的主要原因之一。

3.2 結論

2 a 試驗結果表明，滴灌施肥模式較微噴灌施肥模式平均節水187.5 m3/hm2，節水率9.26%；在同等養分條件下，微噴灌施肥模式較滴灌施肥模式顯著提高冬小麥產量和經濟效益，增幅分別為8.24%和12.00%。微噴灌施肥模式的冬小麥增產增收效果優于滴灌施肥模式，當N、P2O5、K2O 施肥量分別為180、120 和90 kg/hm2時產量達到最高。