李金鵬 宋文越 姚春生 周曉楠 張 震 王志敏 張英華

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，北京 100193)

微噴帶灌溉是近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外在結(jié)合滴灌和噴灌優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來(lái)并應(yīng)用于大田作物生產(chǎn)的灌溉新技術(shù)[1-2]。微噴灌作為微灌的一種，可利用微噴帶輸水，有效地減少灌溉用水損失和土壤無(wú)效蒸發(fā)耗水，并且微噴設(shè)備成本低廉、抗堵性強(qiáng)、易于收放，也可實(shí)現(xiàn)按需定量、少量均勻灌溉[3-4]。滿建國(guó)等[5-6]通過(guò)對(duì)微噴帶鋪設(shè)長(zhǎng)度、噴射角度的優(yōu)化使得微噴灌大大提高噴灑的均勻性，從而顯著地提高冬小麥的產(chǎn)量和水分利用效率。

水肥一體化技術(shù)可以將可溶性肥料溶于水中與灌溉水同時(shí)作用于作物冠層，且少量多次微噴效果較好。盡管已經(jīng)發(fā)現(xiàn)微噴灌具有較高的節(jié)水潛力[7-9]，目前適宜于華北地區(qū)的微噴灌水肥施用模式尚未優(yōu)化，使得其節(jié)水潛力難以發(fā)揮，也影響了該技術(shù)的大面積推廣和應(yīng)用。張英華等[7]、李金鵬等[8]、徐學(xué)欣等[9]以及Li等[10]研究表明，適宜的微噴頻次和施氮量通過(guò)增加花后物質(zhì)生產(chǎn)和水氮吸收利用顯著提高了冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率。并且，與傳統(tǒng)漫灌相比，減量增次微噴水肥一體化使得每次的水肥集中供給主要的根系分布區(qū)域(0～60 cm)，每次較少的灌溉量也促進(jìn)了根系下扎，提高了作物對(duì)深層土壤水肥的吸收和利用，減少了土壤硝態(tài)氮的淋洗，最終實(shí)現(xiàn)了冬小麥對(duì)水氮資源的高效利用[11]。也有研究發(fā)現(xiàn)，微噴水肥一體化條件下，通過(guò)優(yōu)化施氮量可以顯著地提高小麥旗葉Fv/Fm，增加花后14～28 d旗葉葉片中的葉綠素含量，提高籽粒平均灌漿速率，延長(zhǎng)籽粒灌漿時(shí)間，從而提高產(chǎn)量和氮肥生產(chǎn)效率[8,12]。

微噴灌水肥一體化少量多次水肥施用對(duì)小麥產(chǎn)量和水分利用效率有益效應(yīng)方面的研究鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)通過(guò)在不同施氮量下設(shè)置拔節(jié)期一次性追施氮肥和水肥一體化多次追施氮肥處理，分析微噴灌下不同氮肥運(yùn)籌對(duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量、群體葉面積指數(shù)、花后旗葉葉綠素含量、干物質(zhì)積累和水分利用效率的影響，旨在探明微噴水肥一體化少量多次水肥施用對(duì)小麥產(chǎn)量和水分利用效率的效應(yīng)，以期為小麥微噴水肥一體化應(yīng)用于大田生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015—2016年在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋?qū)嶒?yàn)站(37°41′02″ N、116°37′23″ E)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)屬海河平原黑龍港流域中部，暖溫帶季風(fēng)氣候，海拔 14～22 m，地下水位7～9 m，年降水量歷年平均562 mm，主要分布在6—8月份，冬小麥生長(zhǎng)季內(nèi)降雨量歷年平均120 mm。本試驗(yàn)中小麥生育期內(nèi)有效降水量為127.7 mm，為平水年份。試驗(yàn)地前茬為夏玉米，土壤為壤質(zhì)底黏潮土。0～40 cm土壤中有機(jī)質(zhì)含量為11.7 g/kg，全氮0.95 g/kg，速效鉀104.4 mg/kg，速效磷29.2 mg/kg。灌溉用井水，井深40 m，井離試驗(yàn)地25 m。2015—2016年冬小麥生長(zhǎng)季內(nèi)具體的降雨分布和氣溫，見(jiàn)圖1。

圖1 2015—2016年冬小麥生育期內(nèi)降雨分布和溫度變化Fig.1 Precipitation and temperature during the 2015-2016 growing season in winter wheat

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試冬小麥品種為‘濟(jì)麥22’，于2015年10月15日足墑播種，15 cm等行距種植，2016年6月10日收獲。2016年春季采用山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的小麥專(zhuān)用微噴帶(ZL20122 0356553.7)進(jìn)行灌水。灌水時(shí)期為：拔節(jié)期、孕穗期、開(kāi)花期和灌漿期，每次30 mm，水源為井水，灌水量定額可控，微噴帶水壓0.02 MPa，每隔6行放置1個(gè)微噴帶，帶長(zhǎng)30 m，出水量6.0 m3/h，噴射角80°。播前底施純氮105 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，追肥采用尿素，設(shè)置3個(gè)追氮量(N1、N2、N3分別為45、90和135 kg/hm2)和2個(gè)追氮方式(JS,拔節(jié)期一次性追施；4T，水肥一體化氮肥隨灌水等量分次施用)，氮肥先在施肥罐中溶解，之后隨灌水一同施入田間，具體的灌溉及氮肥施用時(shí)期和用量，見(jiàn)表1。各處理小區(qū)面積120 m2(4 m×30 m)，3次重復(fù)，采取裂區(qū)設(shè)計(jì)，以氮肥用量為主區(qū)，以每次追施氮肥方式為副區(qū)。

表1 灌溉和施肥時(shí)期及用量Table 1 Irrigation schedule and nitrogen application in this study

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1)群體葉面積指數(shù)(Leaf area index，LAI)：于開(kāi)花期和灌漿期(花后20 d)用葉面積分析儀測(cè)定群體葉面積，換算成LAI。

2)旗葉葉綠素含量：于花后每隔5 d在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)取20片旗葉葉片，剪碎混勻稱取0.20 g,用50 mL 95%乙醇避光48 h浸提，提取液分別在665和649 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度(OD)，重復(fù)3次，計(jì)算出相應(yīng)的葉綠素(a+b)含量。

3)群體干物質(zhì)積累：分別于開(kāi)花期和成熟期測(cè)定干物質(zhì)。各試驗(yàn)小區(qū)取相鄰兩行50 cm代表性樣段，按照莖、葉、穗進(jìn)行分樣。105 ℃殺青20 min后75 ℃烘干至恒重，稱量，計(jì)算階段干物質(zhì)；花后干物質(zhì)積累對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率為花后干物質(zhì)積累量與成熟期籽粒干重的比值。

4)土壤水分：于播種前和成熟期測(cè)定土壤水分含量。測(cè)定時(shí)，用土鉆在各小區(qū)取0～200 cm土層的土壤，每20 cm為1層，取樣后立即裝入鋁盒中，稱取新鮮土質(zhì)量，然后105 ℃烘干至恒重，稱量干土重，計(jì)算土壤質(zhì)量含水率。

5)全生育期水分蒸散總量(Evapotranspiration，ET)：

ET=ΔSW+P+I-D+Wg-R

式中：ΔSW為生育期0～200 cm土壤水分變化量，mm；P為降雨量，mm；I為灌溉量，mm；D為灌溉后土壤水向下層流動(dòng)量，Wg為深層地下水利用量，R為地表徑流。本試驗(yàn)地地下水位9 m，且無(wú)地表徑流，D、Wg和R均可忽略。水分利用效率(Water use efficiency)為籽粒產(chǎn)量與ET的比值，kg/(hm2·mm)。

6)測(cè)產(chǎn)及考種：在收獲前，每小區(qū)選取1 m 6行樣段測(cè)量穗數(shù)，每小區(qū)隨機(jī)選取60個(gè)穗測(cè)量穗粒數(shù)。在成熟期，每小區(qū)取3 m2面積測(cè)量實(shí)際產(chǎn)量。籽粒產(chǎn)量含水量折算為13%。從每個(gè)樣品中稱量 1 000 粒籽粒重量作為千粒重，3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行方差分析與多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 微噴灌氮肥運(yùn)籌對(duì)冬小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響

表2可知，微噴灌2種氮肥施用方式下增施氮肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量均有顯著影響，以N2處理產(chǎn)量最高；相同施氮量下，N1、N2和N3采用分次施氮(4T)相比于拔節(jié)期一次性施氮(JS)產(chǎn)量分別增加5.56%、6.35%和6.20%。從產(chǎn)量構(gòu)成因素來(lái)看，除N1處理外，增加施氮量對(duì)穗數(shù)和穗粒數(shù)無(wú)顯著影響，施氮量及施氮方式主要顯著影響千粒重。從施氮量來(lái)看，N2處理千粒重顯著高于N3和N1處理，N1顯著低于N3處理；相同施氮量下，氮肥分次施用處理(4T)千粒重顯著高于拔節(jié)期一次性施氮(JS)?？傊姽噙m宜的施氮量和分次施氮處理(N2-4T)下取得的冬小麥的產(chǎn)量最高，主要是該處理下取得了最高的千粒重。

表2 微噴灌氮肥運(yùn)籌對(duì)冬小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響Table 2 Effects of micro-sprinkling with different nitrogen fertilizer application treatments on grain yield and yield components in winter wheat

2.2 微噴灌氮肥運(yùn)籌對(duì)冬小麥群體葉面積指數(shù)的影響

圖2可知，微噴灌2種施氮模式下增施氮肥均有利于提高開(kāi)花期的群體葉面積指數(shù)(LAI)，主要表現(xiàn)為N2和N3處理顯著高于N1處理，但前兩者之間無(wú)顯著性差異；而相同施氮量下，相比于氮肥分次施用處理(4T)，拔節(jié)期一次性施氮處理(JS)顯著提高開(kāi)花期LAI，這可能由于拔節(jié)期是冬小麥葉片快速生長(zhǎng)的重要時(shí)期，一次性的施氮促進(jìn)葉片的生長(zhǎng)，從而提高了LAI。灌漿期時(shí)，增施氮肥提高了LAI，但N2-4T、N3-4T和N3-JS之間無(wú)顯著性差異；N1和N2處理下，氮肥分次施用(4T)顯著提高LAI，而N3下，2種施氮方式對(duì)LAI無(wú)顯著影響。以上結(jié)果表明，微噴灌適宜施氮量條件下，氮肥分次施用可取得較高的灌漿期群體葉面積指數(shù)，對(duì)保證灌漿期的物質(zhì)生產(chǎn)有重要的作用。

相同顏色柱子上的不同字母表示不同處理同一生育時(shí)期在P<0.05水平下差異顯著。下同。The different letters on the same color column indicate that there are significant differences among different treatments in the same growing stage at 0.05 level. The same below.圖2 微噴灌氮肥運(yùn)籌對(duì)冬小麥開(kāi)花期和灌漿期群體葉面積指數(shù)的影響Fig.2 Effects of micro-sprinkling with different nitrogen fertilizer application treatments on population leaf area index at the anthesis and filling stage of winter wheat

2.3 微噴灌氮肥運(yùn)籌對(duì)冬小麥旗葉葉綠素含量的影響

圖3可知，微噴灌條件下冬小麥花后旗葉的葉綠素含量總體上呈現(xiàn)出隨施氮量的增加而增加的趨勢(shì)。花后5 d，相同施氮量下，旗葉葉綠素含量以拔節(jié)期一次性施氮處理(JS)高于氮肥分次施用處理(4T)，花后10 d二者差異不顯著，而花后15～30 d，氮肥分次施用(4T)相比于拔節(jié)期一次性施氮處理(JS)旗葉葉綠素含量顯著提高，說(shuō)明氮肥分次施用有利于延緩灌漿中后期旗葉的衰老，這對(duì)灌漿期粒重的提高有重要影響。總之，微噴灌條件下，增加施氮量能延緩旗葉衰老，且氮肥分次施用處理(4T)在灌漿中后期延緩葉片衰老的效果好于拔節(jié)期一次性施氮處理(JS)。此外，N3處理下，灌漿后期(花后25和30 d)葉片中葉綠素含量仍然較高，顯著高于N2和N1處理，這可能會(huì)導(dǎo)致冬小麥貪青晚熟、粒重下降。

圖3 微噴灌氮肥運(yùn)籌對(duì)冬小麥花后旗葉葉綠素含量的影響Fig.3 Effects of micro-sprinkling with different nitrogen fertilizer application treatments on flag leaf chlorophyll content after anthesis in winter wheat

2.4 微噴灌氮肥運(yùn)籌對(duì)冬小麥干物質(zhì)積累及收獲指數(shù)的影響

表3可知，開(kāi)花期群體干物質(zhì)積累量隨施氮量的增加而顯著增加；N1條件，2種施氮模式群體干物質(zhì)積累無(wú)顯著差異，而N2和N3處理下拔節(jié)期一次性施氮(JS)均顯著提高開(kāi)花期群體干物質(zhì)積累量。成熟期和花后干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)為隨施氮量的增加先升高后降低，以N2處理最高，且N2處理下分次施氮(4T)顯著高于拔節(jié)期一次性施氮(JS)，而N1和N3處理下施氮方式對(duì)成熟期和花后干物質(zhì)積累量無(wú)顯著影響。與拔節(jié)期一次性施氮(JS)相比，分次施氮(4T)提高花后干物質(zhì)積累對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率，N1、N2和N3處理下貢獻(xiàn)率分別提高2.1%、2.3%和1.5%。此外，N2處理收獲指數(shù)顯著高于N1和N3，并且N2和N3處理下微噴分次施氮處理(4T)收獲指數(shù)顯著高于拔節(jié)期一次性施氮處理(JS)。

表3 微噴灌氮肥運(yùn)籌對(duì)冬小麥干物質(zhì)積累及收獲指數(shù)的影響Table 3 Effects of different micro-sprinkling nitrogen fertilizer application treatments on the dry matter accumulation (DM) and harvest index of winter wheat

2.5 微噴灌氮肥運(yùn)籌對(duì)冬小麥生育期內(nèi)總耗水和水分利用效率的影響

圖4可知，生育期總耗水量(ET)表現(xiàn)為隨施氮量的增加先增加后降低，但N2與N3處理間差異不顯著；N2處理下，微噴分次施肥(4T)ET與拔節(jié)期一次性施氮(JS)無(wú)顯著差異，而N1和N3下分次施肥處理(4T)則顯著低于拔節(jié)期一次性施肥處理(JS)，說(shuō)明分次施氮處理(4T)有利于降低冬小麥生育期內(nèi)的總耗水量。

圖4 微噴灌氮肥運(yùn)籌對(duì)冬小麥生長(zhǎng)季內(nèi)總耗水量(ET)的影響Fig.4 Effects of micro-sprinkling with different nitrogen fertilizer application treatments on the seasonal ET during winter wheat development

圖5可知，水分利用效率(WUE)在相同施氮方式下均表現(xiàn)為隨施氮量的增加而先升高后降低，以N2處理下最高；相同施氮量下均表現(xiàn)為分次施氮處理(4T)WUE顯著高于拔節(jié)期一次性施氮處理(JS)。所有處理中，以N2-4T處理WUE最高，主要由于N2下分次施氮處理的籽粒產(chǎn)量最高(表2)。總之，適宜施氮量條件下，采用微噴灌氮肥分次施用有利于冬小麥籽粒產(chǎn)量和WUE的同步提高。

圖5 微噴灌氮肥運(yùn)籌對(duì)冬小麥水分利用效率的影響Fig.5 Effects of micro-sprinkling with different nitrogen fertilizer application treatments on the water use efficiency of winter wheat

3 討 論

灌溉方式、施氮量及施肥方式對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率有很大的影響[7,13-14]。張英華等[7]研究發(fā)現(xiàn)，相同灌溉量條件下，采用水肥一體化減量增次微噴相對(duì)于傳統(tǒng)漫灌能顯著提高灌漿期群體綠色葉面積指數(shù)，延緩葉片衰老，提高生育后期干物質(zhì)積累，增加千粒重，提高產(chǎn)量；多次微噴還能降低總耗水量和開(kāi)花前耗水比例，提高開(kāi)花后耗水比例，從而提高水分利用效率?？梢?jiàn)，水肥一體化水氮耦合減量增次施用的增產(chǎn)增效作用明顯好于傳統(tǒng)漫灌處理。那么微噴水肥一體化條件下，這種增產(chǎn)增效作用的發(fā)揮是水分分次施用的影響還是水氮二者耦合的結(jié)果還不清楚。本研究發(fā)現(xiàn)，相同施氮量條件下，微噴灌分次施氮處理(4T)籽粒產(chǎn)量和水分利用效率顯著高于拔節(jié)期一次性施氮處理(JS)，并且產(chǎn)量的增加主要由于顯著提高了千粒重，穗數(shù)和粒數(shù)無(wú)顯著變化(表2)，可見(jiàn)，微噴水肥一體化氮肥分次施用的效應(yīng)好于拔節(jié)期一次性施氮。

開(kāi)花后是籽粒灌漿的重要時(shí)期，提高灌漿期的群體葉面積指數(shù)，保證灌漿期葉片的光合性能，延緩花后葉片衰老對(duì)確?；ê笪镔|(zhì)生產(chǎn)、提高籽粒灌漿速率和增加粒重有重要作用[8,15-16]。小麥葉片葉綠素含量與施氮量密切相關(guān)，缺氮會(huì)導(dǎo)致葉綠素含量降低，因而降低葉片的光合速率[17]；但施氮過(guò)多容易導(dǎo)致植株貪青晚熟，不利于提高籽粒灌漿速率，結(jié)果粒重下降，產(chǎn)量降低[10,13,18-19]。本研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增施氮肥(N2)，有利于提高灌漿期群體LAI，延緩旗葉衰老，增加花后物質(zhì)積累，而繼續(xù)增加氮肥(N3)，群體LAI增加不明顯，盡管灌漿后期旗葉葉綠素含量仍然保持較高水平，但千粒重表現(xiàn)為下降，產(chǎn)量和水分利用效率也降低。相同施氮量下，拔節(jié)期一次性施氮處理(JS)能增加開(kāi)花期群體葉面積指數(shù)和花后5 d旗葉葉綠素含量，但灌漿期葉面積指數(shù)以及花后15 d旗葉葉綠素含量以水肥一體化分次施氮處理(4T)較高。說(shuō)明，微噴灌水氮耦合和氮肥后移更有利于延緩花后葉片衰老，維持花后物質(zhì)生產(chǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，花后的干物質(zhì)生產(chǎn)及其對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率與產(chǎn)量關(guān)系密切，提高花后干物質(zhì)積累是提高產(chǎn)量的重要途徑[20-21]。本研究中，與拔節(jié)期一次性施氮(JS)相比，微噴灌分次施氮處理(4T)提高了花后干物質(zhì)積累對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率，N1、N2和N3分別提高2.1%、2.3%和1.5%。此外，較高施氮量N3處理籽粒產(chǎn)量和花后干物質(zhì)積累顯著低于N2處理(表3)，尤其是拔節(jié)期一次性施氮處理(JS)干物質(zhì)積累量大幅度降低，這可能是過(guò)多施肥導(dǎo)致了植株貪青晚熟，降低灌漿期籽粒灌漿速率，因而降低粒重和成熟期干物質(zhì)積累量及收獲指數(shù)(表2)。

有研究表明，施氮量較高的情況下，氮肥分施產(chǎn)量和水分利用效率顯著高于一次性底施[22]。通過(guò)氮肥后移可以協(xié)調(diào)花前花后的氮素吸收和利用，從而大大地提高氮肥和水分利用效率[23]。Li等[10-11]研究發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)的灌溉模式，減量增次微噴灌處理通過(guò)水氮后移實(shí)現(xiàn)根水肥同位,改變了冬小麥群體干物質(zhì)和氮素積累特征，主要表現(xiàn)為水肥一體多次施氮可保證上層主要根系分布區(qū)域土壤的水氮供應(yīng)，顯著提高了花后的氮素吸收量，增加了花后氮素積累對(duì)籽粒氮素積累的貢獻(xiàn)率，最終提高了產(chǎn)量和氮肥利用效率。并且，花后的葉面施肥還能在顯著提高產(chǎn)量的同時(shí)改善籽粒品質(zhì)[24]。本研究中，微噴條件下，分次施氮處理(4T)耗水量低于拔節(jié)期一次性施氮處理(JS)，并且由于氮肥分次施用處理(4T)產(chǎn)量較高，最終WUE在N1、N2和N3水平下分別提高8.24%、8.21%和9.34%(表4)。拔節(jié)期一次性施氮處理(JS)ET增加，可能是由于拔節(jié)期一次性施肥促進(jìn)了群體葉面積的擴(kuò)大，導(dǎo)致耗水量增加，而灌漿后期葉片衰老加快，影響了花后物質(zhì)生產(chǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)量下降，最終水分利用效率降低。微噴下水肥一體化氮肥后移可能也起到葉面施肥的作用，關(guān)于此方面的作用還需進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 論

微噴灌條件下，相同施氮模式下冬小麥產(chǎn)量均隨施氮量的增加先升高后降低，以N2(追施90 kg/hm2)處理下產(chǎn)量和水分利用效率最高。相同施氮量時(shí)，相比于拔節(jié)期一次性施氮處理(JS)，氮肥分次施用(4T，拔節(jié)+孕穗+開(kāi)花+灌漿)顯著提高了冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率。分次施氮延緩了灌漿期葉片衰老，增加了花后物質(zhì)積累，提高了粒重，進(jìn)而提高了籽粒產(chǎn)量；分次施氮還減少了總耗水，因而顯著提高了水分利用效率。施氮過(guò)多則可能導(dǎo)致貪青晚熟，降低花后物質(zhì)積累和收獲指數(shù)，最終產(chǎn)量降低?？傊?，微噴水肥一體化條件下，采用適宜的施氮量和氮肥分次施用(N2-4T)可以實(shí)現(xiàn)華北地區(qū)冬小麥的高產(chǎn)和水肥高效利用。