唐興旺，石 玉，于振文，張永麗

（山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/作物生物學國家重點實驗室，山東泰安 271018）

黃淮海麥區(qū)是我國小麥主產(chǎn)區(qū)，水資源短缺是限制該區(qū)小麥生產(chǎn)的主要因素[1]。不合理的灌溉不僅無益于小麥高產(chǎn)，還會影響氮素的吸收利用以及土壤氮素的淋失[2-3]。氮素是小麥生長發(fā)育的主要元素，土壤中的氮素主要以有機氮的形態(tài)存在，有機氮通過礦化過程形成主要以硝態(tài)氮形式存在的無機氮，土壤硝態(tài)氮能被小麥直接吸收利用[4]，同時土壤硝態(tài)氮積累和運移亦受土壤水分含量的影響，土壤水分含量過高會導致硝態(tài)氮淋溶損失[5]。因此，合理利用灌溉水，提高水分和氮素利用效率[6-7]，對作物高產(chǎn)及水土資源保護具有重要意義。

前人研究表明，適當增加灌溉量可提高小麥籽粒產(chǎn)量[8-9]，與不灌水處理比較，灌水處理產(chǎn)量及其構成因素均增加，其中籽粒產(chǎn)量提高了27.03%[10]。與全生育期不灌水相比，拔節(jié)期和開花期灌溉處理的開花前營養(yǎng)器官氮素積累量增加了43.02%，莖鞘和葉片的氮素轉運量分別提高了70.45%和72.34%[11]。亦有研究指出，開花期補灌達到一定范圍時，籽粒產(chǎn)量不再增加[12]。小麥開花后漬水籽粒產(chǎn)量和氮素積累量均顯著降低[13]，開花期適量灌溉有利于提高營養(yǎng)器官貯存氮素向籽粒的轉移量及對籽粒的貢獻率[14]。硝態(tài)氮是氮素淋失的主要形態(tài)，土壤水分對硝態(tài)氮積累和運移的影響顯著高于其他環(huán)境因素[15]。土壤水分含量與耕層土壤硝態(tài)氮含量呈負相關[16]，如雒文鶴等[17]研究表明，越冬期灌600 m2/hm2處理硝態(tài)氮含量主要積累在160 cm土層處，而越冬期和拔節(jié)期各灌溉600 m2/hm2的處理硝態(tài)氮遷移至200 cm土層以下，說明灌水量越多，硝態(tài)氮越向深層淋溶。不同水分調控下植株的氮素吸收利用存在顯著差異[18]，適宜的土壤水分含量能提高小麥水分和氮素利用效率[19]，同等施肥條件下，拔節(jié)期和開花期均微噴定量灌溉37.5 mm，比同期均傳統(tǒng)畦灌75 mm處理的氮肥表觀利用效率和水分利用效率分別增加了6.75%和27.32%[20]。

前人研究大多集中在小麥主要生育時期的灌溉方式、灌溉頻次等方面，圍繞小麥開花期土壤含水量對植株氮素積累與轉移及土壤硝態(tài)氮含量的研究較少。本研究在黃淮海麥區(qū)高產(chǎn)栽培條件下，依據(jù)小麥開花期0—40 cm土層土壤相對含水量設置不同測墑補灌處理，探究開花期土壤水分含量對小麥氮素積累與轉移及土壤硝態(tài)氮含量的影響，以期為實現(xiàn)小麥高產(chǎn)、水氮資源高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2018—2019和2019—2020年兩個小麥生長季，在山東省濟寧市兗州區(qū)小孟鎮(zhèn)史家王子村進行大田試驗，試驗田土壤質地為壤土，試驗田地力均勻。該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫為13.6℃，年均降雨量621.2 mm。兩個小麥生長季播前試驗田0—20 cm土層土壤養(yǎng)分和0—40 cm土層田間持水量、土壤容重如表1和表2所示，小麥生育期各月降雨量如圖1所示。

表1 播前試驗田0—20 cm土層土壤養(yǎng)分Table 1 Soil nutrient contents in 0-20 cm soil layer in the experimental field before sowing

表2 播前試驗田0—40 cm土壤田間持水量和土壤容重Table 2 Field capacity and soil bulk density in 0-40 cm soil layer in the experimental field before sowing

圖1 小麥生育期各月降水量Fig. 1 Monthly precipitation during wheat growing season

1.2 供試品種與試驗設計

小麥供試品種為‘濟麥22’。在前期試驗的基礎上，本田間試驗設置3個開花期水分處理：不灌水 (W0)、0—40 cm土層土壤相對含水量補灌至70%(W1) 和85% (W2)，3次重復。于小麥拔節(jié)期和開花期灌水前測土壤含水量，依據(jù)0—40 cm土層目標土壤含水量利用公式計算灌水量[12]：

式中：M為灌水量 (mm)；γ為土壤平均容重 (g/cm3)；H為土層深度 (cm)；βi為土壤補灌目標含水量 (%)；βj為土壤灌前平均含水量 (%)。各處理拔節(jié)期0—40 cm土層土壤相對含水量均補灌至70%，兩個生長季小麥拔節(jié)期和開花期各處理灌水量如表3所示，利用微噴帶均勻灌溉，并用水表控制計量。

表3 2018-2019和2019-2020年小麥拔節(jié)期和開花期灌水量 (mm)Table 3 Irrigation quantity at jointing and anthesis stage of wheat in 2018-2019 and 2019-2020

試驗采用裂區(qū)設計，小區(qū)面積為40 m2(20 m ×2 m)，不同小區(qū)間設置2 m隔離區(qū)，以防水分滲漏。小麥全生育期施N 240 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2和K2O 150 kg/hm2，N 105 kg/hm2及全部磷、鉀肥播種前底施，N 135 kg/hm2于拔節(jié)期追施，所用肥料為尿素、磷酸二銨和硫酸鉀。分別于2018年10月9日和2019年10月18日播種，2019年6月14日和2020年6月15日收獲。在三葉期定苗，留苗密度為180株/m2，其他管理措施同高產(chǎn)田。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤含水量的計算 于小麥播種前和成熟期，采用烘干法測定并計算0—200 cm土層土壤含水量，用于計算耗水量；于拔節(jié)期和開花期灌水前，采用烘干法測定并計算0—40 cm土層土壤含水量，用于計算灌溉量。用土鉆取土，每20 cm分為一層，取后立即裝入鋁盒，稱鮮土質量，105℃烘干至恒重并稱干土質量，計算土壤質量含水量和土壤相對含水量[21]。

土壤質量含水量 = (鮮土質量 - 干土質量)/干土質量 × 100%

土壤相對含水量 = 土壤質量含水量/田間持水量 × 100%

1.3.2 植株全氮含量測定 于小麥開花期、開花后每隔7天至成熟期取植株樣品。開花期植株分為莖+葉鞘、葉和穗；開花后至成熟期，植株分為莖+葉鞘、葉、穗軸+穎殼和籽粒。每個處理取40個單莖，3次重復，烘干并稱取干物質重量。采用半微量凱氏定氮法測定植株各器官的含氮量[22]。

1.3.3 植株氮素積累轉移相關計算[23]各器官氮素積累量 (kg/hm2) = 氮素含量 × 干物質質量

各器官的氮素分配 = 各器官的氮素積累量/單莖氮素積累量 × 100%

營養(yǎng)器官氮素轉移量 (kg/hm2) = 開花期營養(yǎng)器官氮素積累量-成熟期營養(yǎng)器官氮素積累量

營養(yǎng)器官氮素轉移率 = 營養(yǎng)器官氮素轉移量/開花期營養(yǎng)器官氮素積累量 × 100%

營養(yǎng)器官氮素對籽粒貢獻率 = 營養(yǎng)器官氮素轉移量/成熟期籽粒氮素積累量 × 100%

1.3.4 氮素吸收利用相關計算[24]氮素吸收效率 =植株氮素積累量/施氮量 × 100%

氮素利用效率 = 籽粒產(chǎn)量/植株氮素積累量 ×100%

氮素收獲指數(shù) = 籽粒氮素積累量/植株氮素積累量

氮肥生產(chǎn)效率 = 施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量 × 100%

1.3.5 土壤無機氮含量測定 于小麥成熟期，取0—200 cm土層土壤樣品，每20 cm為一層。稱取5 g土壤樣品，加入25 mL KCl溶液 (0.01 mol/L) 浸提，振蕩30 min過濾，取待測液5 mL，使用AA3型流動分析儀測定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量[25]。

1.3.6 土壤氮素表觀盈虧量的計算[26]氮素表觀盈虧量 (kg/hm2) = 播前0—200 cm土層土壤無機氮積累量 (kg/hm2) + 施氮量 (kg/hm2) - 成熟期0—200 cm土層土壤無機氮殘留量 (kg/hm2) - 植株氮素吸收量(kg/hm2)

1.3.7 籽粒產(chǎn)量及其構成因素測定[27]于小麥成熟期取樣并收獲，每個處理取樣60穗，3次重復，測定穗粒數(shù)和千粒重；收獲前每個處理選定3 m2，調查并計算單位面積穗數(shù)，3次重復；收獲后籽粒自然風干后，測定籽粒產(chǎn)量。

1.3.8 水分利用效率的計算[27]水分利用效率[kg/(hm2·mm)] = 籽粒產(chǎn)量/農(nóng)田耗水量

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003和SigmaPlot 12.5軟件進行數(shù)據(jù)整理和圖表制作，采用SPSS 13.0軟件利用LSD法進行數(shù)據(jù)差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 開花期土壤水分含量對小麥植株氮素積累與轉移的影響

2.1.1 開花期營養(yǎng)器官貯存氮素轉移動態(tài)和籽粒氮素積累動態(tài) 由圖2可知，兩個小麥生長季，各水分處理營養(yǎng)器官氮素轉移動態(tài)和籽粒的氮素積累動態(tài)變化規(guī)律一致。開花后0～7天營養(yǎng)器官氮素轉移量以W0處理最高，7～14天表現(xiàn)為W0和W2處理顯著高于W1處理，籽粒氮素積累量在開花后0～14天均以W0處理最高；14～35天開花后營養(yǎng)器官氮素轉移量和籽粒的氮素積累量均表現(xiàn)為W1處理顯著高于其它處理。

圖2 開花期土壤水分含量對開花期營養(yǎng)器官貯存氮素轉移動態(tài)和籽粒氮素積累動態(tài)的影響Fig. 2 Effects of soil moisture content during anthesis on the dynamics of N transfer in vegetative organs and accumulation of grains during anthesis

2.1.2 成熟期各器官中氮素的分配 由表4可知，兩個小麥生長季，處理間成熟期各器官中氮素的分配規(guī)律一致。籽粒氮素分配量和分配比例均以W1處理最高，籽粒氮素分配量W1比W0和W2處理分別平均提高22.5%和12.9%。莖鞘分配量和分配比例均為W0處理顯著高于其他處理；葉片和穗軸+穎殼的分配量和分配比例均為W2處理顯著高于W0處理，W1處理最低。開花期適量灌溉有利于葉片和穗軸+穎殼中的氮素向籽粒中轉移，提高籽粒氮素積累量。

表4 開花期土壤水分含量對成熟期各器官中氮素分配的影響Table 4 Effects of soil moisture content during anthesis on N distribution in various organs of wheat at maturity

2.1.3 開花期營養(yǎng)器官貯存氮素向籽粒的轉移 由表5可知，在兩個生長季，成熟期營養(yǎng)器官氮素積累量均以W0處理最高；籽粒氮素積累量和營養(yǎng)器官貯存氮素轉移量均表現(xiàn)為W1處理顯著高于W2處理，以W0處理最低，氮素轉移量W1比W0和W2處理分別平均提高11.63%和7.27%；營養(yǎng)器官貯存氮素轉移率亦均表現(xiàn)為W1處理顯著高于W0、W2處理，氮素轉移率W1比W0和W2處理分別平均增加9.49%和6.11%；各處理間營養(yǎng)器官貯存氮素轉移量對籽粒氮素積累量的貢獻率無顯著差異。W1處理營養(yǎng)器官貯存氮素轉移量和轉移率較高，從而獲得較高的成熟期籽粒氮素積累量，而增加灌水量的W2處理不利于氮素向籽粒的轉移。

表5 開花期土壤水分含量對開花期營養(yǎng)器官貯存氮素向籽粒轉移的影響Table 5 Effects of soil moisture content during anthesis on the N transfer from vegetative organs to grains at anthesis stage in wheat

2.2 開花期土壤水分含量對成熟期0—200 cm土層土壤硝態(tài)氮含量的影響

由圖3可知，2018—2019年小麥生長季成熟期，W0處理0—40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量顯著高于W1和W2處理；40—60 cm土層土壤硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為W0和W2處理顯著高于W1處理；60—120 cm土層表現(xiàn)為W2處理最高，W1次之，W0最低；120—200 cm土層土壤硝態(tài)氮含量各處理無顯著差異。2019—2020年小麥生長季成熟期，0—20 cm土層土壤硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為W0處理最高，W2次之，W1最低；20—40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量各處理無顯著差異；40—60 cm土層W2處理顯著高于W0和W1處理；60—120 cm土層表現(xiàn)為W2處理最高，W1次之，W0最低；120—200 cm土層土壤硝態(tài)氮含量各處理無顯著差異。在成熟期，W1處理60—120 cm土層硝態(tài)氮含量顯著低于W2，開花期適量灌溉減少硝態(tài)氮向深層土壤淋溶的風險，有利于小麥根系的吸收。

圖3 開花期土壤水分含量對成熟期土壤硝態(tài)氮含量的影響Fig. 3 Effects of soil moisture content during anthesis on the nitrate-nitrogen content in the soil at maturity

2.3 開花期土壤水分含量對小麥成熟期0—200 cm土層土壤氮素表觀盈虧的影響

由表6可知，在兩個小麥生長季中，小麥整個生育期氮素均表觀為盈余，W0處理顯著高于W2處理，W1處理最低。開花期不灌水的W0處理植株吸收氮素量最少，土壤氮素表觀盈余量最高。適量灌溉的W1處理提高了小麥植株對氮素的吸收，W1比W0和W2處理氮素吸收量分別平均提高11.4%和6.5%，降低了0—200 cm土層土壤中無機氮的殘留量，土壤氮素表觀盈余量最低，W1比W0和W2處理土壤表觀盈余量平均分別降低51.0%和40.9%。而灌水較多的W2處理促進了硝態(tài)氮向深層土壤的淋溶，造成土壤深層硝態(tài)氮的積累，增加了淋溶的風險。

表6 開花期土壤水分含量對土壤氮素表觀盈虧的影響Table 6 Effects of soil moisture content during anthesis on apparent N surplus and deficiency in soil

2.4 開花期土壤水分含量對小麥籽粒產(chǎn)量及其構成因素和水分利用效率的影響

于W2處理，二者均顯著高于W0處理，W1比W0和W2處理小麥千粒重分別平均增加11.0%和5.4%；籽粒產(chǎn)量以W1處理最高，W2次之，W0最低，W1比W0和W2處理小麥籽粒產(chǎn)量分別平均提高25.9%和11.8%。W1處理較高的千粒重是其獲得高產(chǎn)的主要原因，且W1處理水分利用效率均顯著高于其他處理，W1比W0和W2處理水分利用效率分別平均提高17.0%和12.7%。兩個生長季處理間各指標變化規(guī)律基本一致，W1處理的籽粒產(chǎn)量和水分利用效率最高。

由表7可知，在兩個小麥生長季中，處理間單位面積穗數(shù)無顯著差異；W1、W2處理穗粒數(shù)無顯著差異，但均顯著高于W0；W1處理千粒重顯著高

表7 開花期土壤水分含量對小麥籽粒產(chǎn)量及其構成因素和水分利用效率的影響Table 7 Effects of soil moisture content during anthesis on wheat grain yield, yield components, and water use efficiency

2.5 開花期土壤水分含量對小麥氮素利用的影響

由表8可知，兩個小麥生長季，氮素吸收效率、氮素利用效率和氮肥生產(chǎn)效率均表現(xiàn)為W1處理顯著高于W2處理，二者均顯著高于W0處理。W1比W0和W2處理氮素吸收效率分別均平提高11.4%和6.5%，氮素利用效率分別平均提高了13.0%和4.9%；W1處理的氮素收獲指數(shù)最高，W0和W2無顯著差異。開花期0—40 cm土層土壤相對含水量補灌至70%處理既節(jié)約了水資源，又提高了氮素利用效率，同時獲得了最高的籽粒產(chǎn)量，因此該處理是本試驗條件下的小麥高產(chǎn)、水氮高效利用的灌溉措施。

表8 開花期土壤水分含量對小麥氮素利用的影響Table 8 Effects of soil moisture content during anthesis on N use efficiencies of wheat

3 討論

水分不僅影響土壤氮素的有效性，而且能夠調控作物對氮素的吸收和利用[28]。有研究表明，與不灌水相比，灌水顯著增加了植株氮素積累量和營養(yǎng)器官貯存氮素向籽粒的轉運量[14]，而隨灌水量的減少，莖鞘和穗的氮素積累量逐漸降低，氮素轉運量表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢[29]。在小麥營養(yǎng)生長階段水分正常供應的前提下，開花期土壤水分含量對小麥籽粒氮素積累和營養(yǎng)器官氮素向籽粒轉移的影響較大[30]。Si等[31]研究認為，開花后土壤水分含量過高，小麥開花后植株氮素積累量和成熟期籽粒氮素積累量均顯著降低，可見開花期適宜的土壤水分含量能夠加快小麥植株營養(yǎng)器官貯存氮素向籽粒的轉移，利于提高氮素轉移比例[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，開花期0—40 cm土層土壤相對含水量補灌至70%的W1處理在籽粒灌漿中后期加速了營養(yǎng)器官貯存氮素向籽粒的轉移，灌漿中后期籽粒氮素積累量亦顯著增加，且葉片和穗軸+穎殼中的氮素向籽粒轉移比例高，從而提高了開花后營養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉移量和轉移率，成熟期獲得了最高的籽粒氮素積累量；而開花期0—40 cm土層土壤相對含水量補灌至85%的W2處理，籽粒灌漿中后期營養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉移量和轉移率顯著低于W1處理，不利于籽粒氮素的積累，可見開花期適宜的土壤水分含量可通過提高籽粒灌漿中后期營養(yǎng)器官貯存氮素向籽粒的轉移量來提高籽粒氮素的積累量。

有研究表明，適宜的灌溉可以降低硝態(tài)氮向深層土壤淋溶的風險，有利于小麥對土壤硝態(tài)氮的吸收利用[2]。同時，耕層水分適度脅迫亦促進小麥中下層根系發(fā)育，提高小麥對土壤深層硝態(tài)氮的利用[33]。開花期灌溉降低耕層土壤中硝態(tài)氮含量，隨灌水量增加，土壤中的硝態(tài)氮由耕層向深層移動[34]?？梢?，適宜的土壤水分含量可以達到節(jié)水節(jié)氮的效果[35]。本研究結果表明，與開花期補灌水較多的W2處理相比，W1處理成熟期60—120 cm土層土壤硝態(tài)氮含量較低，且降低了土壤中無機氮的殘留量和表觀盈余量。說明開花期0—40 cm土層土壤相對含水量補灌至70%的W1處理能夠減少硝態(tài)氮向深層土壤淋溶，保持耕層土壤硝態(tài)氮含量穩(wěn)定，維持了土壤氮素的平衡，降低了淋溶的風險。

適宜的補充灌溉可提高小麥籽粒產(chǎn)量和氮素利用效率[36]，拔節(jié)+開花灌2水處理的籽粒產(chǎn)量較全生育期不灌水高26.0%，氮素利用效率和氮肥農(nóng)學利用效率分別高14.6%和9.1%[37]。但有研究表明，與定量灌溉相比，減少15%灌溉量的噴灌處理小麥籽粒產(chǎn)量和氮素利用效率分別提升了11.24%和6.23%[38]。可見，適宜的土壤水分含量顯著提高了小麥籽粒產(chǎn)量、氮素利用效率和氮素生產(chǎn)效率[39]，而且有利于提高水分利用效率，減少水分的流失[40]。本試驗表明，相較于開花期補灌較多的W2處理，節(jié)水灌溉的W1處理籽粒產(chǎn)量和水分利用效率均顯著提高，W1處理是獲得高產(chǎn)的節(jié)水灌溉量。適量灌溉提高籽粒灌漿中后期營養(yǎng)器官貯存氮素向籽粒的轉移量，且葉片和穗軸+穎殼中的貯存氮素向籽粒中轉移的比例較高，從而促進了營養(yǎng)器官氮素向籽粒中的轉移，提高了氮素利用效率和氮素收獲指數(shù)。綜上可知，開花期0—40 cm土層土壤相對含水量補灌至70%的W1處理不僅達到高產(chǎn)節(jié)水的目的，還能提高小麥對氮素的利用。

4 結論

開花期0—40 cm土層土壤相對含水量補灌至70%處理顯著提高了小麥成熟期營養(yǎng)器官貯存氮素向籽粒的轉移量和轉移率，促進了小麥籽粒氮素積累；提高了小麥成熟期籽粒氮素的分配量和分配比例，降低了葉片和穗軸+穎殼的分配量和分配比例；同時降低了60—120 cm土層土壤硝態(tài)氮含量和土壤氮素表觀盈余量，提高了小麥氮素吸收效率和氮素利用效率，小麥籽粒產(chǎn)量和水分利用效率亦最高。灌溉過多導致硝態(tài)氮過多向下移動，影響根系吸收，水分不足則降低氮素向籽粒的運轉。因此，開花期補灌0—40 cm土壤水分含量至70%可顯著提高小麥氮素和水分利用效率，又可降低土壤硝態(tài)氮的淋洗風險。