聞 磊，張富倉(cāng)，鄒海洋, 陸軍勝，郭金金，薛占琪

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西楊凌 712100)

甘肅河西內(nèi)陸河灌區(qū)是甘肅省主要產(chǎn)糧區(qū)，該地區(qū)大部分處于干旱或極度干旱區(qū)，多年平均降雨量(139.2 mm)遠(yuǎn)小于多年平均蒸發(fā)量(1 614.6 mm)，水資源短缺是制約該地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。目前在河西地區(qū)，春小麥農(nóng)田灌水施肥方式仍以大水漫灌和土壤撒施肥料為主，這種灌溉和施肥方式導(dǎo)致農(nóng)田水肥流失嚴(yán)重和水肥利用效率低下，使農(nóng)田生態(tài)環(huán)境日益惡化，嚴(yán)重影響了綠洲農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。改善灌溉、施肥方式，提高作物的水肥綜合利用效率是解決該地區(qū)作物高效生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。滴灌是目前干旱缺水地區(qū)最有效節(jié)水的灌溉方式之一，具有節(jié)水節(jié)肥、保持土壤結(jié)構(gòu)、改善作物品質(zhì)、大幅提高作物產(chǎn)量等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在水分虧缺對(duì)春小麥的生長(zhǎng)和水肥利用影響方面進(jìn)行了大量研究。研究表明，在作物的某些生育時(shí)期實(shí)施虧缺灌溉既能滿足作物生理代謝需水要求，又能提高作物的抗逆性，誘導(dǎo)作物產(chǎn)生吸水補(bǔ)償效應(yīng)，顯著增加作物的水分利用效率[2-3]；并且生育期適宜的土壤水分虧缺和施氮量有利于春小麥生長(zhǎng)、干物質(zhì)積累及其向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而提高產(chǎn)量[4-5]；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥對(duì)水分虧缺的敏感期為拔節(jié)期，其次為開(kāi)花期、灌漿期和苗期；而水分虧缺對(duì)冬小麥灌漿期的影響主要表現(xiàn)為縮短了灌漿總持續(xù)期以及漸增期、快增期、慢增期3個(gè)階段灌漿持續(xù)期[6-7]，隨著虧水程度的加重，小麥灌漿持續(xù)期的縮短程度加重，因而水分虧缺不僅影響灌漿過(guò)程，還影響產(chǎn)量因子，進(jìn)而影響最終產(chǎn)量。也有學(xué)者認(rèn)為，水分虧缺條件下，氮肥對(duì)冬小麥植株生長(zhǎng)和干物質(zhì)積累具有明顯的調(diào)節(jié)效應(yīng)[5]。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中必須將水分調(diào)虧與合理施肥相結(jié)合，首先要確定合適的虧水階段和適宜的虧水程度，其次要確定調(diào)虧灌溉條件下適宜的施氮水平和施氮方式，以達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)協(xié)調(diào)統(tǒng)一的目的。這也說(shuō)明研究不同施氮水平下不同生育時(shí)期的水分虧缺對(duì)春小麥的生長(zhǎng)、產(chǎn)量和水肥利用的影響，探索適于春小麥生長(zhǎng)適宜的施氮水平和灌溉制度，對(duì)春小麥節(jié)水節(jié)肥高效生產(chǎn)具有重大意義。

以往對(duì)于虧缺灌溉和施肥的研究，較多集中在盆栽條件下或某一生育時(shí)期虧缺灌溉、施肥等單因素對(duì)于作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，而對(duì)不同生育時(shí)期水分虧缺及與氮肥的互作對(duì)大田作物的生長(zhǎng)、產(chǎn)量和水肥利用的影響鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)采用滴灌施肥技術(shù)，研究了不同生育時(shí)期水分虧缺和施氮對(duì)河西地區(qū)大田春小麥的生長(zhǎng)、產(chǎn)量、水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力的影響，以期為優(yōu)化灌溉決策及實(shí)現(xiàn)河西地區(qū)春小麥的節(jié)水節(jié)肥、高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本概況

試驗(yàn)于2017年在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)石羊河流域農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水試驗(yàn)站(37°50′N(xiāo)、102°51′E)進(jìn)行。試驗(yàn)站位于甘肅省武威市，地處騰格里沙漠邊緣，屬于典型的大陸性溫帶干旱氣候，具有豐富的光熱資源。該地區(qū)年平均氣溫8 ℃，年平均積溫3 550 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)3 000 h左右，年均降水量不足200 mm，年平均蒸發(fā)量2 000 mm。試驗(yàn)地土質(zhì)為灰鈣質(zhì)輕砂壤土，田間持水率30.6%(體積含水率)，土壤容重1.50 g·cm-3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

以當(dāng)?shù)卮盒←溨髟云贩N永良4號(hào)為試驗(yàn)材料，于2017年3月27日人工15 cm等行距播種，2017年7月25日收獲。試驗(yàn)設(shè)置水分和施氮量?jī)蓚€(gè)因素，其中水分設(shè)4個(gè)水平[苗期-拔節(jié)期虧水(W1:土壤含水率下限為55%的田間持水率)、孕穗期-開(kāi)花期虧水(W2：土壤含水率下限為60%的田間持水率)、灌漿期-成熟期虧水(W3：土壤含水率下限為55%的田間持水率)、全生育期不虧水處理(W4：三個(gè)生育階段土壤含水率下限分別為70%、70%和65%的田間持水率，對(duì)照)]，苗期-拔節(jié)期、孕穗期-成熟期的計(jì)劃濕潤(rùn)層深度分別為40和60 cm，當(dāng)土壤含水率達(dá)到控制下限開(kāi)始灌水，灌至上限，所有灌水處理的上限均為100%的田間持水率，不同處理的土壤含水率控制下限具體見(jiàn)表1；施氮量設(shè)120、180和240 kg·hm-2三個(gè)水平，分別用N1、N2和N3表示。試驗(yàn)共12個(gè)處理，設(shè)3個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積25 m2(5 m×5 m)，采用隨機(jī)區(qū)組排列。

苗期、孕穗期、開(kāi)花期和灌漿期的施氮量分別占總施氮量的20%、30%、30%和20%。試驗(yàn)中氮肥選用尿素(N：46%)，鉀肥選用硫酸鉀鎂(K2O：52%)，磷肥選用磷酸二銨(P2O5：46%)，磷肥和鉀肥在播前一次性施入土壤中，施用量均為90 kg·hm-2。滴灌帶配置采用“一管四行”，即一條滴灌帶控制4行小麥，在第2行和第3行中間鋪設(shè)滴灌帶，滴灌帶的滴頭流量為3 L·h-1，并使用水表精確控制每次灌溉量，整個(gè)生育期施肥4次，其他各項(xiàng)管理與大田生產(chǎn)相同。

表1 河西地區(qū)春小麥灌溉和施氮處理的試驗(yàn)方案Table 1 Treatment of irrigation and nitrogen rate for spring wheat in Hexi region

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 灌水量的計(jì)算

土壤含水率采用土鉆取土烘干法測(cè)定，灌水量計(jì)算公式如下：

M=10×γ×H×(100%[θi-θj)]

(1)

式中，M為灌水量(mm)，γ為土壤容重(g·cm-3)，H為計(jì)劃濕潤(rùn)層深度(cm)，θi為田間持水率，θj為測(cè)定土壤含水率。

1.3.2 生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定

株高：在苗期、拔節(jié)期、孕穗期、開(kāi)花期、灌漿期、成熟期6個(gè)生育時(shí)期，每個(gè)小區(qū)連續(xù)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的5株小麥，用卷尺測(cè)定株高。

葉面積指數(shù)：在苗期、拔節(jié)期、孕穗期、開(kāi)花期、灌漿期、成熟期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，利用SUNSCAN冠層分析儀測(cè)定葉面積指數(shù)。

干物質(zhì)積累：在苗期、拔節(jié)期、孕穗期、開(kāi)花期、灌漿期、成熟期，每個(gè)小區(qū)連續(xù)選取20株能夠代表該小區(qū)平均長(zhǎng)勢(shì)的完整植株，置于105 ℃的烘箱中殺青30 min，75 ℃條件下烘干至恒重，冷卻至常溫稱(chēng)重，計(jì)算每公頃干物積累量。

1.3.3 產(chǎn)量測(cè)定

在成熟期每個(gè)小區(qū)選取1 m2代表性樣點(diǎn)，脫粒考種測(cè)產(chǎn)，然后烘干重，折算成公頃產(chǎn)量。

水分利用效率(WUE)、灌溉水利用效率(IWUE)和氮肥偏生產(chǎn)力(NFP)計(jì)算式分別為：

WUE=Y/ET

(2)

IWUE=Y/I

(3)

NFP=Y/T

(4)

式中，Y為作物產(chǎn)量(kg·hm-2)，ET為全生育期耗水量(mm)，I為全生育期總灌水量(mm)，T為全生育期總施氮量(kg·hm-2)。

1.3.4 土壤貯水量和農(nóng)田耗水量[10]的計(jì)算

土壤貯水量：在不同生育期采用取土烘干法測(cè)定0～100 cm土層的土壤含水率，每20 cm 為一層，降水后及灌溉前后加測(cè)一次，計(jì)算土壤貯水量的變化ΔW：

(5)

式中，i為土層編號(hào)，n為總土層數(shù)，γi為土壤干容重(g·cm-3)，Hi為土層厚度(cm)；θi1和θi2分別為階段初和階段末的土壤質(zhì)量含水率。

農(nóng)田耗水量：試驗(yàn)區(qū)地下水埋深40～50 m，由于滴灌條件下每次灌水量較少，滲漏量可以忽略；該地區(qū)屬溫帶大陸性干旱區(qū)，常年高溫少雨，地表徑流量也可以忽略，因此農(nóng)田水量平衡方程為：

ET=Pr+I+ΔW

(6)

式中，ET為農(nóng)田耗水量(mm)，Pr為降雨量(mm)，I為灌溉量(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用SPSS 20對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，并用Origin 9.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分虧缺和施氮對(duì)春小麥生長(zhǎng)的影響

2.1.1 水分虧缺和施氮對(duì)春小麥株高的影響

灌水量和施氮量對(duì)春小麥株高和葉面積指數(shù)均有極顯著影響(P<0.01)。不同水氮條件下，春小麥的株高隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)逐漸增加(表2)。從水分效應(yīng)看，在苗期-拔節(jié)期，小麥株高增加最快，平均增長(zhǎng)量為24.4 cm，且W1與其他水分條件間有顯著差異，W1的株高較W4降低了5.0%～19.8%；苗期-拔節(jié)期小麥對(duì)水分要求較大，增加灌水量有利于植株的生長(zhǎng)；在孕穗期-開(kāi)花期，株高增長(zhǎng)減緩，W1和W2的株高較W4分別降低了4.6%～8.5%和3.7%～5.5%；在灌漿-成熟期，W4的株高最大，分別比W1和W2提高了6.7%～10.0%和2.0%～5.1%，W3與W4間沒(méi)有顯著差異。這說(shuō)明苗期-拔節(jié)期水分虧缺對(duì)于春小麥的株高有顯著的抑制作用，灌漿期-成熟期水分虧缺對(duì)株高的影響與充分供水的W4沒(méi)有顯著差異。在灌水量相同時(shí)，N2的平均株高比N1和N3高14.8%和5.3%，說(shuō)明少量施氮不利于春小麥株高的增長(zhǎng)，過(guò)量施氮也會(huì)抑制株高的增長(zhǎng)。

表2 水分虧缺和施氮對(duì)春小麥株高的影響Table 2 Effect of water deficit and nitrogen rate on plant height of spring wheat cm

同列不同字母表示處理間存在顯著性差異。表3和表4同。

Different letters in the same column indicate significant differences among the treatments at 0.05 level. The same in tables 3 and 4.

2.1.2 水分虧缺和施氮對(duì)春小麥葉面積指數(shù)的影響

春小麥的葉面積指數(shù)隨著生育期的推進(jìn)，呈先升后降的趨勢(shì)，在孕穗期達(dá)到最大值(表3)。在相同水分條件下，春小麥的葉面積指數(shù)隨著施氮量的增加呈先增后減的趨勢(shì)，N1、N2和N3條件下春小麥的平均葉面積指數(shù)分別為1.15、2.33和1.80。在相同施氮水平下，在苗期-拔節(jié)期，W1的葉面積指數(shù)增長(zhǎng)較慢，復(fù)水后一直低于W4，W1的葉面積指數(shù)較W4降低了25.55%～43.82%。抽穗期-開(kāi)花期的水分虧缺對(duì)葉面積指數(shù)也產(chǎn)生了一定影響，復(fù)水后葉面積指數(shù)逐漸升高，W2較W4增長(zhǎng)了16.58%～27.13%。在灌漿期-成熟期，W1、W2、W3、W4的葉面積指數(shù)分別下降了34.5%、24.6%、28.8%、25.3%，說(shuō)明該階段的虧水處理會(huì)加劇葉片的衰老。

2.2 水分虧缺和施氮對(duì)春小麥干物質(zhì)積累的影響

從圖1可以看出，春小麥干物質(zhì)積累隨著施氮量的增加呈先增后減的趨勢(shì)。施氮120～180 kg·hm-2能夠促進(jìn)小麥的生長(zhǎng)，施氮240 kg·hm-2則抑制春小麥的生長(zhǎng)，導(dǎo)致干物質(zhì)積累量下降；N2的干物質(zhì)積累量最高，可達(dá)18 994 kg·hm-2，比N1和N3的最大干物質(zhì)積累量分別高17.7%和30.1%。在拔節(jié)后期，W1的干物質(zhì)積累量較W4降低了4.9%～31.9%，復(fù)水后一直低于其他處理；在孕穗-開(kāi)花期和灌漿-成熟期W1的干物質(zhì)積累量較W4分別降低12.6%～18.4%和12.3%～22.9%；在灌漿-成熟期，W3的干物質(zhì)積累量較W4降低了17.5%～43.6%。總體上干物質(zhì)積累量表現(xiàn)為N2>N3>N1，W2>W4>W3>W1；在所有處理中N2W2處理最有利于春小麥的干物質(zhì)積累。

表3 水分虧缺和施氮對(duì)春小麥葉面積指數(shù)的影響 Table 3 Effect of water deficit and nitrogen rate on LAI of spring wheat

2.3 水分虧缺和施氮對(duì)春小麥產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力的影響

2.3.1 水分虧缺和施氮對(duì)春小麥的產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力的影響

在所有處理中，N2W2處理的產(chǎn)量最高,其次為N2W4處理，N3W1處理產(chǎn)量最小(圖2)。從水氮主效應(yīng)看，春小麥產(chǎn)量表現(xiàn)為W2>W4>W3>W1，其中W2比W4、W3和W1分別增產(chǎn)2.3%、8.7%和11.6%；隨著施肥量的增加，春小麥產(chǎn)量先增后降，N2比N3和N1分別增產(chǎn)11.3%和24.0%。經(jīng)方差分析，灌溉和施氮對(duì)春小麥的產(chǎn)量均有極顯著影響(P<0.01)，水氮交互效應(yīng)顯著(P<0.05)。春小麥氮肥偏生產(chǎn)力(NFP)隨著施氮量的增加而下降，N1的NFP最大，平均為45.50 kg·kg-1；N3的NFP最小，平均為26.82 kg·kg-1。當(dāng)施肥量相同時(shí)，W2的NFP與W4無(wú)顯著性差異，較W1和W3分別提高了9.9%和8.7%。

圖柱上的字母不同表示處理間差異顯著(P<0.05)。下圖同。

圖2 水分虧缺和施氮對(duì)春小麥產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力的影響

表4 不同生育期水分虧缺和施氮對(duì)春小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Table 4 Effect of water deficiency and nitrogen application on yield of spring wheat at different growth stages

2.3.2 水分虧缺和施氮對(duì)春小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

在同一水分條件下，隨施氮量的增加，有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均呈先升后降的趨勢(shì)，N2的有效穗數(shù)最大，較N1和N3提高了33.7%和16.6%；N2W2處理的千粒重最大，達(dá)到53.49 g。在同一施氮水平下，W2的穗粒數(shù)和千粒重與W4沒(méi)有顯著差異，二者均顯著高于W1和W3；有效穗數(shù)則表現(xiàn)為W4>W2>W3>W1(表4)。因此，苗期-拔節(jié)期和灌漿期-成熟期的水分虧缺會(huì)顯著降低春小麥的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。

2.4 水分虧缺和施氮對(duì)春小麥水分利用效率的影響

在相同施氮量下，虧缺灌溉顯著提高春小麥的WUE，與W4相比，W1和W2的WUE分別降低了5.2%和13.6%；W3和W4間沒(méi)有顯著性差異。虧缺灌溉也提高春小麥的IWUE，與W4相比，W1、W2和W3的IWUE分別提高了14.3%、19.0%和6.3%。在同一水分條件下，N1和N2間WUE和IWUE沒(méi)有顯著性差異，N1和N2間WUE和IWUE較N3分別提高17.9%、16.8%和8.0%、8.7%(圖3)。

圖3 水分虧缺和施氮對(duì)春小麥水分利用效率的影響

3 討 論

作物在不同的生育階段對(duì)土壤養(yǎng)分和水分有不同的要求，土壤水分嚴(yán)重虧缺將會(huì)影響小麥的生長(zhǎng)，使小麥的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)受到抑制，降低株高和葉面積指數(shù)[8]。本研究發(fā)現(xiàn)，苗期-拔節(jié)期的水分虧缺不利于春小麥株高和葉面積指數(shù)的增長(zhǎng)，而且苗期-拔節(jié)期水分虧缺條件下株高和葉面積指數(shù)始終最小，這可能是由于拔節(jié)期是莖稈快速生長(zhǎng)期，所以與其他生育階段水分虧缺相比，拔節(jié)期的水分虧缺對(duì)株高影響最嚴(yán)重[9]。灌漿-成熟期的水分虧缺和全生育期不虧水對(duì)春小麥的株高沒(méi)有顯著影響，但是灌漿期-成熟期的水分虧缺會(huì)加快植株葉片的衰老，葉面積指數(shù)下降較快；全生育期不虧水的葉面積指數(shù)下降較慢，這說(shuō)明高水分及灌水量可使小麥在生育后期保持更大的綠葉面積，有利于光能的截獲，并向籽粒提供更多的同化物[10]。

植物對(duì)干旱最明顯的適應(yīng)特征是干物質(zhì)的積累。有研究表明，水分虧缺通過(guò)影響作物氣孔的變化和根系生長(zhǎng)，進(jìn)而影響作物干物質(zhì)的形成和分配[11,12]；本研究發(fā)現(xiàn)，在孕穗-開(kāi)花期進(jìn)行適度水分虧缺，對(duì)春小麥干物質(zhì)積累影響不顯著，這可能是由于分蘗期和拔節(jié)期進(jìn)行適量灌溉，有利于小麥葉片早發(fā)、早分蘗、早生根，促進(jìn)植株對(duì)水分的吸收利用，同時(shí)提高光合能力，有利于光合產(chǎn)物積累和轉(zhuǎn)運(yùn)[13]。本研究中，苗期-拔節(jié)期水分虧缺對(duì)春小麥的干物質(zhì)積累影響最大，其次為灌漿期-成熟期的水分虧缺，可能是由于苗期-拔節(jié)期的水分虧缺導(dǎo)致小麥分蘗減少，使群體數(shù)量不夠，最終影響產(chǎn)量[14]。本研究中，適量施氮肥能夠促進(jìn)春小麥干物質(zhì)的積累，這與郭 棟等[15]研究結(jié)果一致。

一定時(shí)期的適度水分虧缺對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率的提高有利[16-17]。同時(shí)，水肥存在明顯的互作效應(yīng)。有學(xué)者認(rèn)為，在冬小麥的抽穗期給予一定程度的水分虧缺，可以去除無(wú)效分蘗，優(yōu)化營(yíng)養(yǎng)分配格局，提高籽粒產(chǎn)量[18]。在本研究中，孕穗期-開(kāi)花期水分虧缺時(shí)春小麥獲得較高產(chǎn)量，但是在苗期-拔節(jié)期水分虧缺時(shí)產(chǎn)量較低，這可能是由于苗期-拔節(jié)期的水分虧缺減少了分蘗的形成，導(dǎo)致群體數(shù)量不夠，影響最終產(chǎn)量[19]。有研究認(rèn)為，適量施氮可促進(jìn)水分高效利用[20,21]。本研究也得到相似的結(jié)果。生育期內(nèi)的水分虧缺會(huì)顯著提高春小麥的水分利用效率，其中W1和W2的水分利用效率較高。王 偉等[22]研究表明，生育期適度虧水有利于提高小麥產(chǎn)量和WUE。

綜合來(lái)看，本試驗(yàn)條件下，最優(yōu)的水肥調(diào)控模式為施氮量180 kg·hm-2和孕穗期-開(kāi)花期的水分虧缺(灌水下限為60%的田間持水率)，其他生育時(shí)期充分供水(苗期-拔節(jié)期土壤含水率下限為70%的田間持水率，灌漿-成熟期土壤含水率下限為65%的田間持水率)。本試驗(yàn)僅從生長(zhǎng)產(chǎn)量方面研究了不同生育時(shí)期水分虧缺和施氮的水肥耦合對(duì)春小麥的生長(zhǎng)、產(chǎn)量和水分利用效率的影響，而對(duì)于水分虧缺和施氮在小麥每個(gè)生育期影響的生理機(jī)制還需要進(jìn)一步的研究。