喷灌水肥与种植密度互作对水氮利用效率和冬小麦产量的影响

邹露阳，陈震，段福义，马春芽，范永申*

(1.中国农业科学院农田灌溉研究所/河南省节水农业重点实验室，河南 新乡 453002；2.中国农业科学院研究生院，北京 100081)

豫北麦区年降水集中在7—9月，冬小麦生育期降水不足，需要在关键生育期通过灌溉来提高产量.农业生产中普遍采用的地面灌溉和过量施肥引发了一系列生态环境问题[1-3]，同时不合理的追肥时间和施肥措施降低了该地区的氮素利用效率[4].因此，在保证豫北地区冬小麦产量的前提下优化灌溉和施氮制度，实现资源可持续利用是当前亟待解决的问题.喷灌水肥一体化技术具有节水、节肥、省工、省时等优点，已成为现代农业生产中一项重要的管理技术措施[5-6].针对这项技术，以往研究主要集中在种植密度或水氮耦合对作物籽粒产量和氮素吸收利用的影响[7-9]，而针对种植密度、施氮制度及两者互作与小麦水氮利用和产量的关系等方面研究较少.文中基于喷灌水肥一体化条件，通过田间试验探讨不同的种植密度和施氮频次对冬小麦产量、土壤硝态氮积累量及水分利用效率的影响研究，以期为实现豫北地区小麦产量和水氮利用效率同步提高提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018年10月至翌年6月在河南省新乡市七里营镇中国农业科学院农田灌溉研究所新乡综合试验基地进行.试验地位于113°54′E，35°18′N，海拔73.2 m，属于温带大陆性季风气候，气候条件适宜冬小麦生长发育，耕作制度为一年两熟.多年平均气温14.1 ℃，全年日照时数2 398.8 h，无霜期210 d，多年平均雨量582 mm，其中7—9月占全年降雨量的65%～75%，年均蒸发量为1 909.8 mm.土壤质地为轻壤土，0～100 cm土层的平均田间质量持水率为22%.喷灌引用水源为地下水，地下水埋深超过5 m.

1.2 试验设计

试验选取追肥次数和种植密度作为试验因素.种植密度设置2个水平：D1(187 kg/hm2)和D2(262 kg/hm2)，施肥频次设置3个水平：F1(返青后追肥1次)、F2(返青后追肥2次)和F3(返青后追肥3次).完全区组设计，共6个处理，用D1F1，D1F2，D1F3，D2F1，D2F2，D2F3表示，每个处理重复3次，共18个小区，各小区面积为120 m2(10 m×12 m).冬小麦越冬期采用地面灌，灌溉定额为50 mm；拔节期开始采用喷灌水肥一体化灌溉，灌溉定额为45 mm，全生育期累计灌水量为185 mm.供试品种选用“矮秆207”，小麦于10月14日播种，6月1日收获，常规平作.试验采用底肥和追肥的施肥方案.播种前一次性施入750 kg/ hm2磷酸二铵作为底肥，追肥肥料选用尿素[ω(N)≥46%].采用轻小型喷灌机组水肥一体化模式进行灌溉施肥.具体施氮处理如表1所示，表中D，N，NT分别为种植密度、施氮量和累积施氮量.

表1 冬小麦不同生育期的施氮处理Tab.1 Nitrogen amount applied for winter wheat at different growth stages kg/hm2

1.3 测定项目及方法

土壤硝态氮含量：在小麦播种前和收获后，用土钻取样深度为20,40,60,80,100 cm的土样.每个小区设3个取样点.测定方法为紫外分光光度计法.

土壤含水量：播前至收获每个关键生育期均测定土壤含水量.每小区随机设置3个取样点，用土钻取0～100 cm土层土样，混匀后装入铝盒，用烘干法进行测定.

农田耗水量计算公式为

ETa=P+I+ΔW,

式中：ETa为作物耗水量，mm，主要由植株蒸腾量与棵间蒸发量组成；P为降水量，mm；I为灌溉量，mm；ΔW为计算时段初与计算时段末土壤贮水量的变化量.

土壤贮水量计算公式为

W=0.1rvh，

式中：W为土壤贮水量，mm；r为土壤质量含水量，%；v为土壤平均干容重，g/cm3；h为土层深度，cm.

产量及构成因素：在成熟期测产，测产小区面积为1 m2，脱粒风干后调查穗数、穗粒数和千粒质量，籽粒质量含水率计为13%，最后折算成单位面积籽粒产量.

水分利用效率计算公式为

WUE=Y/ET，

式中：Y为冬小麦籽粒产量，kg；ET为冬小麦生育期耗水量，mm.

1.4 数据统计分析

采用Microsoft Excel 2013和SPSS 15.0软件进行数据处理与统计分析，用LSD法进行差异显著性检验(α=0.05).

2 结果与分析

2.1 不同处理下冬小麦生育期土壤贮水量

图1为冬小麦生育期0～100 cm土层土壤贮水量，其中W，BS，JS，BOS，FS，MS分别代表贮水量、播前、拔节期、孕穗期、灌浆期、成熟期.由图可知，播前0～100 cm的土壤贮水量差异较小，拔节期以后冬小麦进入耗水高峰期，随着气温升高，冬小麦生长进程加快，生长耗水量增多，使土壤贮水量持续降低，其中D1F1，D1F2，D1F3这3个处理较为明显；孕穗期至成熟期各处理的土壤贮水量差异具有统计学意义.各处理在冬小麦主要生育期的贮水量均表现为D2F3处理显著高于其他处理，在拔节期、孕穗期、灌浆期和成熟期分别提高2.06%～10.15%，2.85%～21.07%，7.96%～22.81%，2.17%～23.78%，表明增大种植密度和增加追肥次数可显著提高0～100 cm的土壤贮水量.

图1 冬小麦生育期0～100 cm土层土壤贮水量Fig.1 Average soil water storage in 0-100 cm soil layer at different growth stages of winter wheat

2.2 不同处理下冬小麦总耗水量和水分利用效率

冬小麦生育期耗水量和水分利用效率见表2，表中WBS，WMS，P，I，ET，WUE分别为播前贮水量、成熟期贮水量、降雨量、灌水量、总耗水量和水分利用效率，eP,eI分别为P,I比例.由表可知，播种前0～100 cm的土壤贮水量基本一致，种植密度和施氮次数对成熟期贮水量、生育期总耗水量影响均具有统计学意义.与处理D1相比，处理D2明显增大了水分利用效率，相同的施氮频次下分别提高了32.63%，41.01%和48.59%.相同种植密度处理下，处理F1，F2和F3对总耗水量和水分利用效率影响不具有统计学意义.

生育期总耗水量以D1F2和D1F3最多，与其他处理差异均具有统计学意义.补灌量占总耗水量的比例从大到小依次为D2F3，D2F1，D1F1，D2F2，D1F2，D1F3，处理间差异程度不同；相同种植密度条件下随着施氮次数减少，降雨量占总耗水量的比例降低，其中处理D1F2和D1F3的占比明显低于其他处理.

表2 冬小麦生育期耗水量和水分利用效率Tab.2 Water consumption and water use efficiency of winter wheat

注：不同小写字母表示处理间差异具有统计学意义 (P<0.05)，下同

2.3 不同处理下冬小麦产量及其构成因素

表3 为不同处理对冬小麦产量及其构成因素的影响，表中S，G，Wg，Y分别为穗数、穗粒数、千粒质量、籽粒产量.由表可知，不同处理下冬小麦籽粒产量以处理D2F1最高，为9 129.66 kg/hm2.相同施肥频次处理下，在2种种植密度处理间D2籽粒产量均大于D1.相同种植密度处理下，不同施氮次数处理间比较，在D2下，籽粒产量从大到小依次为F1，F2，F3，且F1和F2间差异不具有统计学意义，处理F3冬小麦产量较处理F1和F2分别减少3.10%和0.60%；在处理D1下，籽粒产量从大到小依次为F2，F1，F3，处理F3冬小麦产量较处理F1和F2分别减少2.02%和3.20%.2种种植密度处理下均为F3籽粒产量最小，且与F1和F2差异具有统计学意义，说明施肥频次超过2次后籽粒产量会减小.

根据方差分析结果，对冬小麦籽粒产量而言，种植密度、施氮频次、密度和频次互作对其影响效应均达到显著水平.对于穗数和穗粒数而言，种植密度、施氮频次和两者互作对其影响效应都不显著.只有密度对千粒质量产生显著影响，根据产量构成因素，增大种植密度能增加冬小麦的千粒质量，说明产量增加主要是因为千粒质量增加.

表3 不同处理对冬小麦产量及其构成因素的影响Tab.3 Effects of different treatments on grain yield and its components of winter wheat

注：**代表在P<0.01水平下差异具有统计学意义

2.4 不同处理下土壤硝态氮积累量

图3为不同处理对成熟期冬小麦0～100 cm各土层硝态氮积累量的影响，图中H,ω(NO3-)分别为土层深度和硝态氮含量.由图可看出，成熟期各处理均表现为0～20 cm土层硝态氮积累量最高，随土层的加深，土壤硝态氮积累量逐渐减少的变化趋势.同一种植密度处理下，处理F2各土层的硝态氮积累量及0～100 cm土层的总积累量均低于处理F1和F3.同一施氮频次处理下，随种植密度增加，各土层硝态氮积累量有降低的变化趋势，0～100 cm土壤硝态氮总积累量影响达到显著水平.处理D1下，60～100 cm土层的硝态氮分布比例分别为25.30%，21.50%和20.08%，处理D2下为14.27%，13.3%，16.78%.与播种前相比，处理D2下40～100 cm土层硝态氮积累量均显著降低；处理D1下40～60 cm土层硝态氮积累量与播前相差不大，80～100 cm土层积累量显著低于播种前.

以上结果表明，在相同的施氮总量条件下，施氮频次为F2时各土层的硝态氮积累量及0～100 cm土层的总积累量最低；增加种植密度可显著降低硝态氮总积累量，同时能降低60～100 cm土层的分布比例，可能与硝态氮向深层土壤淋溶有关.

氮肥和种植密度是影响小麦生长发育与产量的关键因素，且二者之间存在显著的互作效应[10].前人研究发现，增加种植密度是提高籽粒产量的重要栽培措施[11]，同时合理的追肥制度能达到提高氮素利用率、促进干物质积累和提高作物产量的效果.

3 结 论

文中得出的主要结论如下：

1) 种植密度对冬小麦全生育期水分利用效率的影响效应大于施氮频次.相同的施氮频次下，水分利用效率随种植密度增加而增加；相同的种植密度下，水分利用效率随施氮频次的增加而减小.

2) 采用喷灌水肥一体化技术对冬小麦进行灌水施肥，增加种植密度可减少40～100 cm土层土壤硝态氮积累量.处理D2F2下土壤总硝态氮积累量最低，且60～100 cm土层分布量小，降低了硝态氮向土壤深层渗漏的比例，有利于根系吸收氮肥，从而提高作物对氮素的吸收利用效率.

3) 产量受种植密度的影响更明显，各处理下冬小麦籽粒产量以处理D2最高，分别为9 129.66，8 908.37，8 855.21 kg/hm2，表明冬小麦生育期保持相同灌水施肥量的前提下，提高种植密度可显著增大千粒质量，进而提高籽粒产量.