冬小麦西农979高产高效水氮组合研究及其效应分析

姜玉梅， 李 磊， 程铭正， 宋晓婷， 卢张艳， 孙 倩， 尹 钧

(河南农业大学国家小麦工程技术研究中心，河南 郑州 450002)

西农979系西北农林科技大学育成的冬性早熟高产优质强筋小麦新品种，于2005年同时通过陕西省及国家农作物品种审定委员会审定，是农业部推荐的全国重点推广的优质强筋小麦品种之一，现已在黄淮麦区大面积推广[1].因此，探讨西农979高产和高效两种生产模式下水肥形成规律，对客观评价该品种及明确其高产高效栽培措施和增产潜力具有重要意义.小麦高产形成过程会受到水、肥、热、风等多种因素的影响，而在诸多因素中，水和肥的影响显得尤为重要[2，3].灌溉量和施氮量对小麦子粒产量的影响已有大量研究、杨晓亚等[4]研究表明，随灌水量的增加，总耗水量逐渐增加，土壤耗水量和降水量占总耗水量的比例降低.适当灌溉提高了小麦对降水的利用比例.马兴华等[5]研究表明，小麦开花后总耗水量、耗水模系数和日耗水量随灌水量的增加而提高，但产量随灌水量的增加先升高后降低.相关分析表明，子粒产量与开花后日耗水量呈显著二次曲线关系，说明花后日耗水量并非越高越好.严重水分亏缺影响了植株对氮素的吸收，降低了营养器官(功能期)的含氮量，进而影响到一系列的生理功能，使氮“源”减少，运输能力降低.同时，在小麦生育后期，随着土壤水分胁迫的进一步加剧，子粒中的氮“库”受到一定影响，变弱变小，从而对“源”的拉力减弱，最后势必导致各营养器官氮素转移量和转移率的减少[6].而土壤水分过多则降低了水分利用率，并且降低小麦旗叶光合速率和叶绿素含量，加速小麦叶片衰老，从而影响小麦干物质积累，降低子粒产量和淀粉含量[7].水氮对子粒产量的调控中存在互补作用，良好的氮素供应可提高小麦抗旱性，增加产量，只有在水分适宜的条件下，氮肥的作用才能充分发挥，水分是影响土壤养分转化及作物吸收养分的重要因素[8，9].目前，关于早熟、强筋小麦品种的水肥的高效利用方面研究尚少.本研究选取早熟、强筋冬小麦品种西农979为试验材料，在小麦生长花后不同时期对叶绿素含量、光合速率以及不同水氮处理下产量和产量三要素进行比较研究，以期充分利用本地区降雨和土壤水，提高其水分和氮肥的利用效率，旨在为西农979优质高产高效标准化栽培提供理论参考.

1 材料与方法

1.1材料与设计

试验于2012—2013年在河南省鹤壁市农科院试验田进行.该区地理位置坐标位于东经113°59′～114°45′，北纬35°26′～36°02′.属暖温带半湿润型季风气候 ，年平均气温为14.2～15.5 ℃，年降雨量349.2～970.1 mm，年日照时数1 787.2～2 566.7 h.全年0 ℃以上积温大于5 000 ℃.对于小麦玉米一年两季作物生产十分有利.试验田土壤为黏质潮土，前茬作物为玉米，小麦播种前试验田0～20 m土层土壤有机质含量为1.74 mg·kg-1,全氮含量0.16 mg·kg-1，速效钾含量163 mg·kg-1，速效磷含量16.65 mg·kg-1，碱解氮含量65.54 mg·kg-1.在小麦全生育期间(2012-10-10—2013-06-01)降雨量为188.5 mm，尤其在开花至成熟期间(05-01—05-29)降水量只有15.1 mm，而且零星多次，几乎全部为无效降雨，符合易旱麦区的生态条件.

本试验以冬性品种西农979作为试验材料.在小麦全生育期采用水肥二因素裂区试验设计，灌水和施氮处理方案见表1，主处理为灌水量(W)，副处理为施氮量(N).灌水处理设3个水平，分别为自然降水(W1)；灌溉量保持为田间最大持水量的60%(W2)；灌溉量保持为田间最大持水量的80%(W3).氮肥处理设3个水平分别为：不施氮(N1)、纯氮150 kg·hm-2(N2)、纯氮300 kg·hm-2(N3)，每个氮处理设3次重复.小区长6 m×6 m.以上各处理的基追比按5∶5进行，具体为氮肥50%用作基肥，50%在拔节期结合浇水追施；磷肥(P2O5)150 kg·hm-2,钾肥(K2O)135 kg·hm-2,氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氧化钾.磷、钾肥全部底施.基本苗180×104株·hm-2，2012-10-10播种，其他栽培管理措施同一般高产麦田.灌水量用水表计量.

表1 水肥处理方案

1.2测定内容与方法

1.2.1 旗叶叶绿素含量和光合速率测定 用日本农林水产省设计的第1代叶绿素仪(SPAD 501)在开花期、花后7 d、花后14 d、花后21 d和花后28 d，在每个小区随机选取10片长势相同的小麦旗叶，测定其SPAD值.同时选择同时期晴天少风的上午，于9:00—11:00随机选取每个小区长势相似的旗叶10片，用美国Li-COR公司生产的Li-6400光合测定系统测定叶片净光合速率.

光合速率测定：在小麦生育期内，选取开花期，花后7 d，花后14 d，花后21d和花后28 d于晴天少风的上午于9：00—11：00用美国Li-COR公司生产的Li-6400光合测定系统在每个小区随机选取10片长势相同的小麦旗叶进行测定并记录.

1.2.2 水分利用率和氮肥利用率测定 参照文献[10]的方法计算耗水量(ET)[10]，计算公式：ET1-2=10∑γiHi(θi1-θi2)+M+P0+K(i=1，2…n)

式中：ET1-2为阶段耗水量(mm)；i为土层编号；n为总土层数；γi为第i层土壤干容重(g·cm-3)；Hi为第i层土壤厚度(cm)；θi1和θi2分别为第i层土壤时段初和时段末的含水量，以占干土质量的百分数计；M为时段内的灌水量(mm)；P0为有效降水量(mm)；K为时段内的地下水补给量(mm)，当地下水埋深大于2.5 m时，K值可以不计.

水分利用效率(WUE)：WUE=Y/ET.

式中：Y为子粒产量；ET为农田耗水量.

氮肥农学效率=(施氮区子粒产量-不施氮区子粒产量)/施氮量.

灌水生产效率=(浇水处理子粒产量-不浇水处理子粒产量)/浇水量

1.2.3 生物量及其产量的测定 测产：收获期在小区中间位置划出2 m2的面积，点清其穗头数并记录，然后剪下全部穗头装入网袋晒干后读其穗粒数、千粒重，最后脱粒称质量.

生物量测定：收获前取出每个小区的1 m双行，连根拔回，洗净根茎上的泥土，剪掉根系，地上全部生物量放入烘箱进行105 ℃ 30 min杀青，然后降到85 ℃烘干24 h至质量衡定，取出后称其干物质量.

1.3数据处理

试验数据采用DPS和 Excel 2003数据分析系统进行方差及相关分析.

2 结果与分析

2.1水氮耦合对冬小麦西农979旗叶叶绿素含量的影响

由图1可以看出，不同水肥条件下西农979旗叶叶绿素含量的变化，在小麦开花期，各个水肥处理条件下该小麦旗叶叶绿素含量相差不大，小麦开花以后，旗叶内叶绿素含量均随着时间的推移而逐渐下降.缺水和缺氮的处理下旗叶叶绿素含量明显下降较快，而不施氮的3个处理(W1N1/ W2N1/ W3N1)的旗叶叶绿素含量下降尤为迅速，基本上在花后14 d以后植株就进入到迅速衰退期.

2.2水氮耦合对冬小麦西农979花后光合速率的影响

表2为花后小麦旗叶光合速率的变化.灌浆初期的光合速率最大，之后随着灌浆进程的推移逐渐下降.随着氮肥施用量的增加，旗叶光合速率也随之增大，且处理间差异达到显著水平，表明增加施肥量可以提高旗叶光合速率.在干旱(W1N)和缺氮(WN1)的处理下，小麦光合速率在花后14 d以后下降迅速，其光合速率值与水氮适足的4个处理相比较，差异性达到显著水平，这表明在灌浆中后期适足的水氮供应有利于小麦长时间维持较高光合速率，从而为灌浆积累更多的干物质.干旱相较于缺氮处理，干旱对小麦光合速率的影响更为显著，干旱的3个处理在花后28 d其光合速率值几乎为零，与缺氮处理的差异性达到了显著水平.由此可见，干旱胁迫对小麦光合速造成的影响更为严重，植株不能有效积累更多光合产物，这也是收获时干旱处理下植株生物量较少的原因之一.

图1 水氮耦合对冬小麦SPAD值的影响

表2 水氮耦合对冬小麦西农979花后光合速率的影响

2.3水氮耦合对冬小麦西农979水分和氮肥利用率的影响

由表3可见，随着灌水量的增加，水分利用率逐渐降低，但W1处理的子粒产量显著低于灌水处理，表明全生育期不灌水显著抑制了冬小麦产量增加；从灌水生产效率来看，W2N2，W2N3处理的灌水生产效率显著高于其他处理，W2N3处理的灌水生产效率最高，灌水量过高反而会降低灌水生产效率，表明灌水量保持在W2水平(田间持水量的60%左右)最有利于小麦的高产和高效生产；从氮肥农学效率来看，相同的灌水量下，N2处理的氮肥农学效率显著高于N3处理，其中W2N2处理的氮肥农学效率(11.57)显著高于其他处理，比产量最高的W2N3组合氮肥农学效率(8.16)高出近41.79%，说明施肥量在N2水平(150 kg·hm-2)更有利于小麦的高效生产.

2.4水氮耦合对冬小麦西农979产量及产量构成要素的影响

不同处理对西农979产量影响见表4，由表4可以看出，各处理之间产量差异显著.首先，在同一灌水条件下，产量随着施肥量的增加而增加，高氮处理的产量最高为8 648.49 kg·hm-2(W2N3)，比相同水条件下不施氮处理(W2N1)增产39.5%，差异达到显著性水平；比相同水条件下中氮处理(W2N2)增产8.9%，差异未达到显著性水平，说明施肥可以大幅度提高产量，同时也反映对氮肥地力基础较高的农田继续施氮增产效应不显著.

表3 不同水氮处理对水、氮肥利用率的影响

表4 氮耦合对冬小麦西农979产量及产量构成要素的影响

其次，在同一施氮条件下，产量表现分为2种情况：第1种是在不施氮的条件下，产量随着灌水量的增加而增加，高水处理(W3N1)和中水处理(W2N1)比低水处理(W1N1)分别增产4.8%和1.3%，两两之间的差异性均未达到显著水平，说明在缺氮的条件下增加灌水可以在一定程度上弥补缺氮对产量造成的损失，对增产效应十分有限；第2种是在中氮和高氮的条件下，产量随着灌水量的增加而先增加后降低，W2N2比W1N2增产7.5%，W2N3比W1N3增产16.6%，说明小麦干旱状态下适当灌水增产效果显著，而相同的施氮量下，W3N2比W2N2减产8.7%，W3N3比W2N3减产9.0%，说明水量过大并不利于小麦产量的增加，由此可见，中水条件下更有利于小麦的高效高产.

最后，从产量构成因素看，在灌水量相同的条件下，单位面积的穗数均随着施氮量的增加而增加，且处理间的差异达到显著性水平，而在施氮量相同的条件下，穗数与水分的关系并没有表现出相应的递增趋势，可见小麦穗数受氮因素的影响大于水的因素；穗粒数对施氮量的反应也呈现出随施氮量的增加而增加的趋势，最高穗粒数W2N2比最低穗粒数W1N1增加19.1%，增势明显，但处理间的差异不显著，说明增施氮肥有利于增加小麦穗粒数，但增加效果不明显；小麦千粒重方面，千粒重随施氮量的增加而降低，在中水和高水条件下，N1处理与N2和N3处理下的子粒千粒重之间的差异性均达到显著水平，说明施氮会显著影响小麦的千粒重.而在干旱条件下，由于水分的制约，3个氮水平处理间的小麦千粒重虽呈递减顺序，但彼此间的差异并未达到显著性水平.干旱条件下，水分会制约氮肥效果的发挥.

3 结语与讨论

施氮能促进植物叶片叶绿素的合成[11].增施氮肥可明显增小麦旗叶叶绿素含量和叶面积，延长旗叶功能期，提高其光合速率[12].姚艳荣等[13]研究表明，适宜的土壤水分(60%

水分和养分利用效率是衡量小麦高产性和高效性的主要指标，通过灌水、施肥生产效率可以直接反映出小麦生产投入产出比.关于氮肥与水分对小麦水分生产效率的影响有不同的观点和结论.张仁陟等[14]研究了施肥对冬小麦水分利用效率的效果和机理，结果表明，施肥明显促进了冬小麦根系生长，扩大了觅水空间，同时也促进了冬小麦冠层发育，增加了蒸腾量，减少了蒸发量，使水分利用效率及水分生产力大幅度提高.冯波等[15]认为，无论是平作还是垄作种植方式下，氮肥利用率都随着施氮量的增加而降低，在施氮量为0～165 kg·hm-2时都能获得较高的氮收获指数；当施氮量高于264 kg·hm-2时，氮素收获指数不仅不再升高而且还下降.本试验结果表明，在同一施氮水平下，随着灌水量的增加，水分利用效率随着灌水量的增加而降低，而灌水生产效率则随着灌水量的增加而先升高后降低；在灌水量相同的条件下，本试验0～300 kg·hm-2的施氮量范围内，氮肥农学效率表现出先增加后降低的趋势，W2N2处理组合的氮肥农学效率和灌水生产效率均为最高，说明在保持田间持水量60%左右灌溉量和150 kg·hm-2施肥量的条件下最有利于水、肥的高效利用.所以在田间管理中应注意水肥的合理利用，现行的大水漫灌方式和“一炮轰”的粗放型施肥方式均不利于小麦的生产.

从水、氮对产量及产量构成要素的影响来看，李风民等[16]研究表明，上层土壤适度干旱可以提高小麦产量和水分利用效率.生育后期过多灌水或土壤严重缺水均显著影响冬小麦对土壤水分的利用效率[17].本研究认为，灌水量应达到在土壤持水量的60%左右为最佳，灌水过多或过少都不利于小麦产量的提高；王月福等[18，19]认为，适当增施氮肥，可促进小麦的分蘖能力和穗的发育，使单位面积穗数和穗粒数增加，也可提高叶片叶绿素含量和光合效率，维持较高的气孔导度，有利于CO2的同化，促进蔗糖的合成，提高子粒淀粉合成相关酶的活性，促进子粒淀粉的积累，从而提高子粒淀粉含量，提高粒重，提高小麦最终产量.孙旭生等[20]认为，施氮量在0～300 kg·hm-2范围内，子粒产量随施氮量的增加而增加，施氮量在300～375 kg·hm-2范围内，子粒产量随施氮量增加而降低.在本试验的施氮量范围内，在相同灌水量的条件下，西农979产量随着施氮量的增加而增加，最高产量为中水高肥(W2N3)条件下的8 648.49 kg·hm-2，而随着施氮量的增加，氮肥农学效率逐渐下降，氮肥农学效率最高为W2N2组合，其产量为7 944.14 kg·hm-2，与最高产相比减少8.87%，差异不显著，但其农学效率却从11.57下降到最高产的8.16，降幅为41.79%，差异达到显著性水平.因此，结合考虑到经济、土壤酸化和生态污染等因素，本试验认为,以灌水量保持在田间持水量的60%左右，配合以150 kg·hm-2的施肥量，更有利于西农979的高效生产；而以灌水量为田间持水量的60%，配合300 kg·hm-2的施肥量，更有利于达到高产的效果.

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