董偉欣 張月辰

（1河北開放大學(xué)，050080，河北石家莊；2河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/華北作物改良與調(diào)控國家重點實驗室，071001，河北保定）

水資源短缺是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸，不僅影響作物生長發(fā)育，也限制了產(chǎn)量提高，甚至影響作物的擴(kuò)區(qū)分布。北方地區(qū)作為占全國糧食總產(chǎn)1/3的主產(chǎn)區(qū)，小麥作為第一糧食作物，其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對國家糧食安全至關(guān)重要[1]。目前，北方人口總量達(dá)全國人口總量的41%，而水資源總量僅占全國的19.8%[2]。人們通過增加施氮量來提高產(chǎn)量，但氮肥利用率僅為20%～40%[3]，造成氮素嚴(yán)重?fù)p失，所以適量減少水氮量不但不會影響小麥產(chǎn)量，反而可提高水氮利用效率[4]，所以如何協(xié)調(diào)水肥間矛盾是目前亟待解決的問題。

水肥互作不僅能促進(jìn)小麥生長發(fā)育和干物質(zhì)積累，還對旗葉生理參數(shù)和產(chǎn)量有明顯的影響。丁繼君等[5]對小麥水氮耦合的研究發(fā)現(xiàn)，株高和地上部干物質(zhì)積累隨水氮量增加而逐漸升高，葉面積指數(shù)呈先升高后降低的變化趨勢。王磊等[6]研究表明，小麥生育期在供水量500mm和有機(jī)氮肥180kg/hm2處理下，小麥葉面積和干物質(zhì)積累量最大，葉綠素含量較高。而呂廣德等[7]研究表明，灌水量450m3/hm2和施肥量180kg/hm2處理可提高小麥地上部干物質(zhì)積累，顯著提高了旗葉光合作用和產(chǎn)量，產(chǎn)量最高可達(dá)9400kg/hm2。此外，2次水肥較1次水肥可增加生長后期的可溶性糖和可溶性蛋白含量，超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）活性升高，而細(xì)胞的活性氧（reactive oxygen species，ROS）和丙二醛（MDA）含量卻降低[8]。冉文星[9]對3個灌水量和4個施肥量互作的研究也發(fā)現(xiàn)，隨著水肥量的增加，小麥旗葉SOD、POD和CAT活性升高，而MDA含量降低，灌水量減少氮素增加卻呈現(xiàn)相反的酶變化趨勢，說明水氮越多細(xì)胞受損程度越小，并可延緩后期葉片衰老。對產(chǎn)量的研究[4]發(fā)現(xiàn)，春季中水（總滴灌量2250m3/hm2）和高氮（總施氮量270kg/hm2）互作模式下的產(chǎn)量最高，為9189.6kg/hm2，是冬小麥最適宜的水氮運籌模式。董博等[10]研究也得到了相似的結(jié)果，千粒重、穗粒數(shù)和穗粒重均以中水處理（維持田間持水量的60%）和高氮處理（盆施純氮0.23g/kg）最大。而曹勇等[11]研究卻證明，高水（越冬水40m3+拔節(jié)水60m3+孕穗水60m3）和高氮（氮肥50%基肥+40%拔節(jié)肥+10%孕穗肥）處理下的小麥品種臨Y7287產(chǎn)量最高，為10 124.48kg/hm2。

以上可見，前人圍繞不同地區(qū)水氮互作對小麥光合、水氮利用效率和產(chǎn)量的影響進(jìn)行了研究，但目前關(guān)于河北省山前平原區(qū)卻沒有對小麥水氮互作方式進(jìn)行深入研究。基于此，本研究選用2個抗旱性不同的小麥品種，分別設(shè)置3個灌水量和3個施氮水平，研究水氮互作對小麥不同時期植株生長、地上部干物質(zhì)積累量、葉片生理參數(shù)、氮肥生產(chǎn)效率、水分利用效率和產(chǎn)量的影響，為河北小麥超高產(chǎn)栽培管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

播種前0～20cm的土壤有機(jī)質(zhì)18.3g/kg、全氮1.3g/kg、堿解氮89.5mg/kg、有效磷25.8mg/kg、速效鉀89.4mg/kg。

小麥整個生育期（2019年10月-2020年4月）的月降雨量分別為28.3、7.4、1.3、6.4、3.6、15.4和10.8mm，2020年5月和6月降雨量較大，分別為87.3和121.8mm。

1.2 試驗設(shè)計

以耐旱品種藁優(yōu)2018（GY-2018）和濟(jì)麥22（JM-22）為試驗材料，于2019-2020年在河北省新樂市木村鄉(xiāng)中同村試驗田進(jìn)行，結(jié)果以2020年數(shù)據(jù)為主，分別設(shè)置高氮（GD）270、中氮（ZD）210和低氮（DD）150kg/hm23個施氮水平，播種前撒施底肥為氮肥90kg/hm2和全部磷鉀肥（磷鉀肥均為90kg/hm2），剩余氮肥用尿素（含氮46%）在拔節(jié)期施入，分別追氮180、120和60kg/hm2。在拔節(jié)期和開花期分別設(shè)置高水（GS，1200m3/hm2）、中水（ZS，1050m3/hm2）和低水（DS，900m3/hm2）3個水分處理（水分處理用JD745X隔膜式多功能水泵控制閥控制），每個小區(qū)小麥一生的需水量分別為高水30.62、中水29.12和低水27.62m3。高氮、中氮、低氮與高水、中水、低水互作共9個處理，分別表示為GD/GS、ZD/GS、DD/GS、GD/ZS、ZD/ZS、DD/ZS、GD/DS、ZD/DS和DD/DS，每個處理重復(fù)3次，每個品種27個小區(qū)，共54個小區(qū)，試驗采用裂區(qū)設(shè)計，品種為主區(qū)，灌水量為副區(qū)，追氮量為副副區(qū)。

玉米收獲后將秸稈粉碎還田，于10月11日播種小麥，基本苗為375萬株/hm2，試驗小區(qū)面積為50m2（10m×5m），12月3日灌凍水（灌水量900m3/hm2），為防止水分相互滲漏，不同灌水量處理之間留1m保護(hù)行，其余按照大田生產(chǎn)進(jìn)行管理。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 干物質(zhì)積累量 在開花期、灌漿期和成熟期，每個處理選取小麥3株，每個處理重復(fù)3次，分別測定株高（地上部至頂端）、旗葉面積（旗葉長×旗葉寬×0.83）和地上部干重（105℃殺青后，80℃烘干至恒重，烘箱型號YD881-3）。

1.3.2 旗葉SPAD值 在晴天無云上午9:30-11:00時，每個處理選取生長一致的小麥3株，使用便攜式葉綠素含量測定儀（SPAD-502）在開花期、灌漿期和成熟期分別測定旗葉葉綠素相對含量（SPAD值），每個處理重復(fù)3次，取平均值。

1.3.3 旗葉可溶性蛋白和可溶性糖含量 參照Read等[12]的方法測定小麥旗葉可溶性蛋白含量，參照白寶璋等[13]的方法測定可溶性糖含量。

1.3.4 旗葉SOD和POD活性 參照韓勝芳等[14]的方法測定旗葉SOD活性。采用愈創(chuàng)木酚法[15]測定POD活性。

1.3.5 旗葉MDA和ROS含量 參照Cakmak等[16]的方法測定旗葉MDA含量。參照鄒琦[15]的方法測定ROS含量。

1.3.6 小麥水氮利用效率 氮肥生產(chǎn)效率（kg/kg）=小麥籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）/施氮區(qū)施氮量（kg/hm2）；水分利用效率[kg/(hm2·mm)]=小麥籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）/總耗水量（mm）

1.3.7 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 在成熟期選取1m雙行測定小麥的穗數(shù)，麥穗經(jīng)晾曬充分干燥后考種，分別測定穗粒數(shù)、穗粒重、千粒重和小區(qū)產(chǎn)量（折算成公頃產(chǎn)量），每個處理重復(fù)3次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019整理數(shù)據(jù)，使用SPSS 19.0和SAS 9.4軟件進(jìn)行方差分析及多重比較（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮互作對不同小麥品種植株生長和干物質(zhì)積累的影響

由表1可見，株高從開花期至成熟期不斷升高，水氮互作條件下，植株隨水氮增多而升高，且同一灌水量下氮肥越多，植株越高，GY-2018較JM-22植株升高較多。2個品種的旗葉面積表現(xiàn)出與株高相似的變化趨勢，但在成熟期，旗葉面積在ZD處理下最大，且GS＞ZS＞DS，其中，GY-2018的旗葉面積較大。GY-2018較JM-22地上部的干物質(zhì)積累量較多，各處理之間均表現(xiàn)為同一灌水量下，GD＞ZD＞DD，且GS＞ZS＞DS，JM-22的各個處理在開花期、灌漿期和成熟期的差異不顯著，而GY-2018在開花期和灌漿期隨水氮減少而降低，但在成熟期的差異未達(dá)到顯著水平。

表1 水氮互作對小麥株高、旗葉面積和地上部干重的影響Table 1 Effects of water-nitrogen interaction on plant height,flag leaf area and dry weight of aboveground of wheat

2.2 水氮互作對不同小麥品種旗葉SPAD值的影響

由圖1可知，2個小麥品種旗葉SPAD值隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)而逐漸降低，水氮越多，小麥旗葉SPAD值越高，水氮互作條件下，各個處理呈現(xiàn)出GD/GS＞ZD/GS＞DD/GS，GD/ZS＞ZD/ZS＞DD/ZS，GD/DS＞ZD/DS＞DD/DS的變化趨勢，GS、ZS和DS在不同時期的浮動程度稍有差異，JM-22較GY-2018的SPAD值高，且每個時期的降低幅度較大。這表明JM-22的旗葉光合能力較強(qiáng)，水氮可以促使小麥植株生長旺盛，小麥旗葉SPAD值較高，有利于提高葉片的光合能力，延緩后期葉片衰老，對于增加粒重具有重要作用。

圖1 水氮互作對小麥旗葉SPAD值的影響Fig.1 Effects of water-nitrogen interaction on SPAD of wheat flag leaf

2.3 水氮互作對不同小麥品種旗葉可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響

由圖2可知，2個品種的可溶性蛋白含量從開花期至成熟期不斷降低，開花期和灌漿期不同灌水量條件下，可溶性蛋白含量隨著施氮量的增加而增加，但開花期ZS處理下的可溶性蛋白含量最高，而灌漿期DS處理下最高，在成熟期卻呈現(xiàn)出ZD處理下的可溶性蛋白含量最高，且GS＞ZS＞DS（圖2a和b）。2個品種的可溶性糖含量隨生育進(jìn)程推進(jìn)而逐漸升高，尤其在成熟期迅速升高，開花期呈現(xiàn)出 GD/GS＞ZD/GS＞DD/GS，GD/ZS＞ZD/ZS＞DD/ZS，GD/DS＞ZD/DS＞DD/DS的變化趨勢，但在灌漿期和成熟期ZD處理下的可溶性糖含量最高，且GS＞ZS＞DS（圖2c和d）。GY-2018的可溶性蛋白和可溶性糖含量略高于JM-22，說明小麥生長后期ZD/GS處理最有利于小麥碳水化合物的積累，且GY-2018的籽粒品質(zhì)優(yōu)于JM-22。

圖2 水氮互作對小麥旗葉可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響Fig.2 Effects of water-nitrogen interaction on the contents of soluble protein and soluble sugar of wheat flag leaf

2.4 水氮互作對不同小麥品種旗葉SOD和POD活性的影響

由圖3可知，2個品種的SOD活性從開花期至成熟期逐漸下降，說明隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，葉片細(xì)胞不斷衰老，細(xì)胞清除活性氧的能力降低，水氮互作各處理之間均表現(xiàn)為GD/GS＞ZD/GS＞DD/GS，GD/ZS＞ZD/ZS＞DD/ZS，GD/DS＞ZD/DS＞DD/DS的變化趨勢（圖3a和b）。而POD與SOD活性的變化趨勢不同，GY-2018的POD活性從開花期至灌漿期降低，到成熟期又迅速升高，各處理均表現(xiàn)出與SOD活性相似的變化趨勢。但JM-22在相同灌水量處理下，在開花期、灌漿期和成熟期變化規(guī)律均為GD＞ZD＞DD，而GY-2018無明顯的變化規(guī)律（圖3c和d），可以看出，水氮越多，葉片的SOD和POD活性越高，可以延緩后期上位葉片衰老，隨著水氮量的減少，酶活性逐漸降低，植株提前成熟，GY-2018較JM-22酶活性高，后期葉片可提高光合效率，成熟較晚。

圖3 水氮互作對小麥旗葉SOD和POD活性的影響Fig.3 Effects of water-nitrogen interaction on activities of SOD and POD of wheat flag leaf

2.5 水氮互作對不同小麥品種旗葉MDA和ROS含量的影響

MDA和ROS含量表現(xiàn)出與SOD活性相反的變化趨勢，從開花期至灌漿期稍有升高，到成熟期迅速升高（圖4），各處理之間均表現(xiàn)出GD/GS＜ZD/GS＜DD/GS，GD/ZS＜ZD/ZS＜DD/ZS，GD/DS＜ZD/DS＜DD/DS的變化趨勢，GS、ZS和DS在開花期、灌漿期和成熟期無明顯的變化規(guī)律，JM-22的MDA含量在開花期和成熟期DD/GS較GD/GS處理顯著升高13.48%和11.99%，DD/ZS較GD/ZS處理顯著升高25.42%和23.99%，灌漿期只有DD/ZS較GD/ZS處理顯著升高13.47%，其余處理間差異性未達(dá)到顯著水平，GY-2018的各個處理升高幅度不明顯。JM-22的ROS含量只有成熟期的DD/ZS較GD/ZS處理顯著升高13.19%，其余處理升高不明顯，GY-2018 3個時期的DD/ZS較GD/ZS處理，DD/DS較GD/DS處理的升高幅度均達(dá)到顯著性差異。表明水氮越少，小麥旗葉MDA和ROS含量越高，葉片細(xì)胞膜脂過氧化程度越大，JM-22升高幅度略高于GY-2018，說明JM-22葉片衰老速度更快。

圖4 水氮互作對小麥旗葉MDA和ROS含量的影響Fig.4 Effects of water-nitrogen interaction on contents of MDAand ROS of wheat flag leaf

2.6 水氮互作及不同因素互作效應(yīng)對小麥產(chǎn)量的影響

由表2可知，2個品種在ZD處理下的穗數(shù)最多，JM-22表現(xiàn)為DS＞ZS＞GS，而GY-2018卻表現(xiàn)為GS＞ZS＞DS，穗粒數(shù)、穗粒重和千粒重均表現(xiàn)為ZD/GS＞GD/GS＞DD/GS，ZD/ZS＞GD/ZS＞DD/ZS，ZD/DS＞GD/DS＞DD/DS且GS＞ZS＞DS，產(chǎn)量表現(xiàn)為ZD＞GD＞DD和GS＞ZS＞DS的變化趨勢，GS和ZS處理下的差異性不太大，但明顯高于DS，2個品種均在ZD/GS處理下的產(chǎn)量最高，分別為9927.78和8927.78kg/hm2，JM-22較GY-2018產(chǎn)量提高10.07%。說明2個品種產(chǎn)量提高與其構(gòu)成因素密切相關(guān)，其中與粒數(shù)和粒重的關(guān)系最大。從不同因素的互作效應(yīng)來看，品種之間的產(chǎn)量差異性除千粒重外均達(dá)到極顯著差異水平，水分處理除了對穗數(shù)無明顯影響外，對其他指標(biāo)的影響均達(dá)到極顯著差異水平，氮素處理對穗粒重?zé)o明顯影響，對穗粒數(shù)的影響達(dá)到顯著水平，其余指標(biāo)均表現(xiàn)極顯著差異水平，品種×氮互作和品種×水×氮互作對產(chǎn)量無明顯的影響，互作效應(yīng)不明顯，而水×氮互作卻發(fā)揮了重要作用，水×氮互作對穗數(shù)沒有明顯的影響，對千粒重的影響達(dá)到顯著水平，而對穗粒數(shù)、穗粒重和產(chǎn)量的影響均達(dá)到極顯著水平。由此可見，品種、水、氮和水×氮對產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響較大，其中水×氮互作發(fā)揮了重要的效應(yīng)，可知ZD/GS是最優(yōu)的水氮互作組合。

表2 水氮互作及不同因素互作效應(yīng)對產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 2 Effects of water-nitrogen interaction and mutual action effect of different factors on yield and its components in wheat

2.7 水氮互作對不同小麥品種氮肥生產(chǎn)效率和水分利用效率的影響

從圖5可知，2個小麥品種在同一灌水量處理下，氮肥生產(chǎn)效率呈現(xiàn)出ZD＞GD＞DD的變化趨勢，JM-22在GS處理下，ZD較GD和DD處理分別顯著升高22.61%和32.15%，ZS和DS處理下，ZD較DD處理分別顯著升高30.27%和23.53%，但與GD處理之間的差異不明顯。GY-2018在3個灌水量處理下，ZD較GD和DD處理均顯著升高。而2個小麥品種水分利用效率卻與氮肥生產(chǎn)效率不同，同一施氮量處理下，水分利用效率卻呈現(xiàn)出GS＞ZS＞DS的變化趨勢，但各處理之間卻未達(dá)到顯著水平，2個品種相比較，JM-22的氮肥生產(chǎn)效率和水分利用效率略高于GY-2018。

圖5 水氮互作對小麥氮肥生產(chǎn)效率和水分利用效率的影響Fig.5 Effects of water-nitrogen interaction on nitrogen fertilizer production efficiency and water use efficiency of wheat

3 討論

小麥植株生長和干物質(zhì)積累是產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，水氮互作通過影響小麥生長和干物質(zhì)積累最終影響產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)，2個小麥品種的株高和地上部干物質(zhì)積累隨著水氮量的增加而升高，而旗葉面積在開花期和灌漿期與株高和干物重的變化趨勢相似，但在成熟期，同一灌水量下，中氮處理下的旗葉面積最大，且GY-2018＞JM-22。研究[17]表明，隨著灌水量增加，小麥株高從拔節(jié)至灌漿期逐漸升高，中氮和高氮處理下，株高隨灌水量的增加而升高，地上部干物質(zhì)積累在高水和中氮處理下最大。金修寬等[18]研究也發(fā)現(xiàn)，不同氮素水平處理下，小麥株高和葉面積均表現(xiàn)為N255＞N195＞N0，不同灌水量處理下表現(xiàn)為W3（873.45m3/hm2）＞W(wǎng)2（569.4m3/hm2）＞W(wǎng)1（265.2m3/hm2），水氮互作模式，N195/W2（569.4m3/hm2）處理下的株高和葉面積最佳，水氮過多呈現(xiàn)降低趨勢。這與前人研究[19]所得趨勢一致，隨著水氮量增加而升高，但并非越高越好，水氮量過高會導(dǎo)致光合產(chǎn)物分配格局發(fā)生改變，影響小麥生長和干物質(zhì)積累，唯一不同的是本研究的株高和地上部干物質(zhì)積累量在高氮高水處理下的數(shù)值最大，分析原因可能是不同地域的土質(zhì)不同，品種的耐旱吸肥能力不同，或是不同年份天氣原因造成的差異，只有水氮相互協(xié)調(diào)才能達(dá)到最佳效果。

生理參數(shù)可以反映小麥植株的生長發(fā)育狀況。本研究表明，SPAD值隨水氮量的增加而升高，可溶性糖和可溶性蛋白含量表現(xiàn)出與SPAD值相似的變化趨勢，但在后期表現(xiàn)出ZD/GS處理下的含量最高，酶活性隨水氮量的增加而升高，不同灌水量之間無明顯變化趨勢。其他研究[20-21]表明，高水氮處理使小麥的葉綠素含量和酶活性升高，產(chǎn)量最大。而周萍等[22]研究發(fā)現(xiàn)，中水（3200m3/hm2）/高氮（750kg/hm2）處理下，其葉綠素、可溶性糖、脯氨酸和可溶性蛋白質(zhì)含量均不斷提高。另有研究[23]也得到了相似的結(jié)果，水氮含量少，抑制小麥旗葉可溶性糖的合成，在中水和高氮處理下，小麥旗葉的可溶性糖含量顯著增加。這說明高水氮含量可以促進(jìn)小麥生理參數(shù)和酶活性的升高，高水氮可以增強(qiáng)光合作用，促進(jìn)碳水化合物的積累，且高水氮含量使酶活性增強(qiáng)，提高清除自由基的能力，降低因過氧化作用引起的質(zhì)膜傷害，延緩植株衰老，本研究與前人研究均認(rèn)為高水氮含量可提高葉片生理參數(shù)和酶活性，但并非越高越好，不同之處在于本研究認(rèn)為中氮/高水達(dá)到的效果最好，而前人大多數(shù)認(rèn)為高氮/中水達(dá)到的效果最好，原因是設(shè)置的相對水氮含量不同，達(dá)到的效果會不同。水氮互作是調(diào)控小麥產(chǎn)量的重要措施，通過研究可以發(fā)現(xiàn)最適宜的水氮互作方式，對于產(chǎn)量提高具有重要意義。Pan等[24]對產(chǎn)量的研究發(fā)現(xiàn)，中水（拔節(jié)期為70%）和中氮（195kg/hm2）處理下，小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)、產(chǎn)量和植株氮素積累量增加。黃玲等[25]設(shè)置W0（返青后不灌水）、W1（返青后灌拔節(jié)水）和W2（返青后灌拔節(jié)水和灌漿水）3個灌水量和N0（不施氮）、N1（150kg/hm2）和 N2（225kg/hm2）3個施肥量互作試驗進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，W2/N1互作下的籽粒產(chǎn)量最高，水氮利用效率也最高。本研究發(fā)現(xiàn)，在ZD/GS處理下的水氮利用效率最大，產(chǎn)量最高，其中JM-22為9927.78kg/hm2，較GY-2018高10.07%。這與前人研究結(jié)果相一致，均認(rèn)為中氮/高水處理下可提高產(chǎn)量，有所差異的是不同試驗設(shè)置的水氮含量不同，這與地域的差異性和品種都有關(guān)系。本研究還發(fā)現(xiàn)，水氮互作與穗數(shù)呈負(fù)相關(guān)，是通過增加粒數(shù)和粒重來提高產(chǎn)量，ZD/GS處理（210kg/hm2，1200m3/hm2）是最適宜的水氮互作方式，可為當(dāng)?shù)匦←湼弋a(chǎn)栽培提供參考。

4 結(jié)論

2個小麥品種的株高、旗葉面積和地上部干重隨著水氮量的增加而變大，且GY-2018總體略高于JM-22，同樣，生理參數(shù)也隨水氮量的增加而增加，并表現(xiàn)出高氮＞中氮＞低氮的變化趨勢，2個品種相比較，GY-2018高于JM-22，施氮量越大，酶活性越高，且高水＞中水＞低水，高水氮量雖然可以促進(jìn)小麥生長和延緩植株衰老，但并非越高越好，2個小麥品種在中氮/高水處理（210kg/hm2，1200m3/hm2）下的氮肥生產(chǎn)效率和水分利用效率最高，產(chǎn)量也最高，JM-22和GY-2018產(chǎn)量分別為9927.78和8927.78kg/hm2，是最理想的水氮互作方式。