地下水埋深和施氮量对冬小麦灌浆及水氮利用的影响

白芳芳，李平，乔冬梅，齐学斌,3,4*，郭魏，马灿灿，杜臻杰

(1. 中国农业科学院农田灌溉研究所，河南 新乡 453002；2. 中国农业科学院研究生院，北京 100081； 3. 农业农村部农产品质量安全水环境因子风险评估实验室，河南 新乡 453002； 4. 中国农业科学院河南新乡农业水土环境野外科学观测试验站，河南 新乡 453002)

华北地区是中国重要粮食生产基地，2020年冬小麦产量占全国小麦产量的80.7%[1].农业生产中片面追求高产，过量施肥现象普遍存在[2].减氮是提高氮肥利用效率、降低地下水硝酸盐污染和农田土壤温室气体排放的有效措施[3].地下水埋深影响氮素在土壤中的迁移和转换[4]，决定了土壤中有氧/无氧边界的深度和氧化还原水平[5].灌浆是小麦产量形成的关键生育阶段，灌浆速率和灌浆时间影响籽粒库容的充实程度[6].华北地区山前平原地下水埋深较深，部分地区达30～50 m，但是在豫东、鲁西南、山东滨州、河北沿海地区粮食主产区地下水埋深小于6 m[7].在华北地区，对应双向水量交换临界面的地下水埋深一般为4 m[8].从盐渍化控制角度，地下水埋深控制在2.0 m左右为宜[9].因此，文中针对华北地区2～4 m地下水埋深开展田间小区试验，研究施氮量和地下水埋深对小麦灌浆特性及水氮利用效率的影响对保障国家粮食安全意义重大.

适宜的施氮量可延长小麦灌浆活跃期，提高籽粒灌浆速率，对小麦千粒质量形成有利[10].水氮耦合可通过优化灌浆过程提高冬小麦产量[11].适度水分亏缺改善籽粒灌浆过程，增加了籽粒质量[12].限水减氮可提高氮素利用效率，减少土壤硝态氮的淋失，维持表观氮素平衡[13].灌溉水分利用效率与地下水埋深相关.不同地下水埋深，土壤水与地下水的交换量差异较大，地下水埋深3.0 m时，小麦蒸散发以消耗土壤水为主[14].武朝宝[15]研究表明，地下水埋深影响小麦的水分生产率，0.5～3.0 m地下水埋深范围内，随着地下水埋深增加，小麦产量增加，水分生产效率也持续增加.地下水埋深过浅，小麦叶片中叶绿素量减少，导致叶绿素吸收辐射能进行光合作用的能力下降，严重影响小麦产量[16-17].因此，地下水埋深和施氮量是影响小麦生长发育的重要环境因素，关于地下水埋深和施氮量单因素对小麦生长、产量影响的研究较多，关于地下水埋深与施氮量交互作用对小麦灌浆过程及水氮利用效率的研究罕见.为此，在大型地中渗透仪观测场开展田间小区试验，评估地下水埋深和施氮量对冬小麦籽粒灌浆参数、产量形成及水氮利用效率影响，基于结构方程模型，分析地下水埋深和施氮量对小麦产量影响的具体路径，拟为确定小麦高效生产模式提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在中国农业科学院河南新乡农业水土环境野外科学观测试验站大型地中渗透仪观测场(113°53′E，35°19′N，海拔73.2 m)长期监测测坑进行，种植模式为冬小麦-夏玉米一年两熟轮作制，设置试验因素常年为地下水埋深和施氮量.试验地多年平均气温14.1 ℃，无霜期210 d，日照时间2 398.8 h，多年平均降雨量588.8 mm，降水量年际变化较大，丰水年与枯水年可相差3～4倍，7—9月降水量占全年降水量的70%左右，多年平均蒸发量2 000 mm.试验土壤为粉砂壤土，0～20 cm土层土壤容重为1.42 g/cm3，有机质含量为14.30 g/kg，全氮量为0.32 g/kg，全磷量为0.66 g/kg，速效钾量为0.19 g/kg，电导率为568.90 μS/cm，土壤pH值为9.13.

1.2 试验设计

供试冬小麦(TriticumaestivumL.)品种为百农4199.2020年10月20日播种，2021年5月28日收获，播种量为165 kg/hm2.试验采用完全随机设计，设置地下水埋深和施氮量2个因素，地下水埋深设3个水平，分别为2 m(GW2)，3 m(GW3)，4 m(GW4)；施氮量设2个水平，分别为减氮20%(纯氮240 kg/hm2，N240)、农民常规(纯氮300 kg/hm2，N300)，共计6个处理为N240GW2，N240GW3，N240GW4，N300GW2，N300GW3，N300GW4，每个处理4个重复，共计24个小区，小区面积为1.5×3.0 m2.采用马氏瓶人工控制地下水位，根据2次水位差值计算历次地下水补给量.用井水灌溉，灌溉方式为地面灌；用济南仁硕电子科技有限公司生产的土壤温湿度传感器在线监测20 cm土层土壤含水率；结合20 cm土层土壤含水率、小区实际情况、作物缺水情况进行灌水.试验用肥为含氮量为46%的尿素、含P2O5量为12%的过磷酸钙、含K2O量为50%硫酸钾，磷钾肥均一次性施入土壤，P2O5施入量为150 kg/hm2，K2O施入量为120 kg/hm2；冬小麦氮肥以底肥和追肥6∶4的形式施入，底肥于小麦播种时施入，追肥于返青拔节期撒施，其他田间管理措施与当地大田相同.

1.3 测定项目与方法

1.3.1 灌浆速率

在小麦开花期，每个小区选择200个花期相同、长势一致、高度整齐、无病虫害发生的主茎穗进行挂牌标记.自2021年4月23日(花后第7天)开始取样，每7 d取样1次，直至成熟.每个小区取10穗挂牌标记小麦穗.剥去全部籽粒测定鲜质量，在105 ℃杀青15 min，杀青后于75 ℃烘干至恒质量，称其干质量，计算灌浆速率，计算公式为

(1)

以开花至观测时的天数t为自变量，观测时小麦籽粒千粒质量y为因变量，用Logistic方程拟合小麦籽粒灌浆过程.Logistic方程计算式为

y=a/(1+be-ct).

(2)

将实测数据代入Logistic方程可求出参数a，b，c，其中a为最大千粒质量，b为初始值，c为灌浆速率参数.据此可以计算小麦灌浆特征参数，计算式为

(3)

(4)

Δt=t2-t1,

(5)

Wmax=a/2,

(6)

Gmax=cWmax/2,

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：t1为灌浆渐增期时间拐点，d；t2为灌浆快速增长期时间拐点，d；Δt为快速灌浆期持续时间，d；Gmean为小麦平均灌浆速率，mg/(粒·d)；Gmax为小麦籽粒最大灌浆速率，mg/(粒·d)；Wmax为小麦最大灌浆速率时籽粒质量，mg/粒；Dmax为小麦灌浆速率达到最大的时间，d；Pd为小麦灌浆持续时间，d.

1.3.2 考种

成熟期收获1 m双行小麦用于考种(穗数、穗长、穗粒数、单株生物量、单株籽粒质量、千粒质量)，每个小区单独收获测产.用谷物测定仪测定各小区小麦籽粒含水率，根据13%的标准含水率进行折算后计算产量.收获指数计算公式为

HI=Y/B，

(11)

式中：Y为籽粒产量，kg/hm2；B为地上部生物量，kg/hm2.

1.3.3 水分利用效率

水分利用效率计算公式为

WUE=Y/ET，

(12)

式中ET计算式为

ET=I+Pr+G-D-R±ΔW，

(13)

其中：ET为生育期内总耗水量，mm；I为灌水量，mm；Pr为田间有效降水量，mm；G为地下水补给量，mm；D为深层渗漏量，mm；R为径流量，mm.由于本试验在防雨棚下进行，且每个小区为单独测坑，故Pr，R忽略不计；每次灌水量较少，约450 m3/hm2，不易产生深层渗漏，故D忽略不计；ΔW为播前土壤贮水量与收获后土壤贮水量的差值，mm，单位面积土壤贮水量计算式为

W=θm·ρb·h·0.1，

(14)

式中：θm为土壤质量含水率，%；ρb为土壤体积质量，g/cm3；h为土层厚度，cm，通常按200 cm计算；0.1为换算系数.

1.3.4 氮肥偏生产力

氮肥偏生产力计算公式为

NPP=Y/N，

(15)

式中：N为施氮量，kg/hm2.

2 试验结果与分析

2.1 籽粒千粒质量变化

图1为各处理小麦千粒质量Kw随开花后时间t变化情况，图中同一时间不同小写字母表示处理间在P<0.05水平差异具有统计学意义，下同.由图1可知，各处理小麦千粒质量随开花后时间变化趋势呈“S”形曲线.开花后7 d，相同地下水埋深下处理N300小麦千粒质量高于处理N240，其中处理N300GW4显著高于处理N240GW2，其他处理之间差异均不具有统计学意义；相同施氮量下，小麦千粒质量随地下水埋深的增加而增加，N300施氮水平下，处理GW4分别比处理GW3，GW2高9.67%，19.54%.N240施氮水平下，处理GW4分别比处理GW3，GW2高15.56%，18.48%.开花后14 d，各处理小麦千粒质量趋势同开花后7 d一致，但各处理增长速度不一，其中相同地下水埋深下N240施氮水平的增长速度分别大于N300施氮水平，虽然N240施氮水平进入灌浆时间较晚，但其灌浆速度较快.开花后21 d，各处理小麦千粒质量大小趋势发生变化，其中在GW2地下水埋深下，N240施氮水平小麦千粒质量高于N300施氮水平；GW3，GW4地下水埋深下均为N300施氮水平小麦千粒质量高于N240施氮水平，说明在GW2地下水埋深下，此生育阶段高施氮量并未促进小麦灌浆.

图1 各处理小麦千粒质量随开花后时间变化

开花后28 d，相同地下水埋深下，N300施氮水平小麦千粒质量均大于N240施氮水平；N300施氮水平下，小麦千粒质量均随地下水埋深的增加而减小；N240施氮水平下，小麦千粒质量在处理GW3下最低.开花后35 d，小麦千粒质量同开花后28 d一致，其中处理N300GW2与N300GW3之间差异不具有统计学意义，但与其他处理差异均具有统计学意义；N240施氮水平下，处理GW2和GW4小麦千粒质量显著高于GW3.综上可知，高施氮量可提高小麦千粒质量；施氮量不同，小麦千粒质量随地下水埋深变化不一致，整体上地下水埋深越小，小麦千粒质量越大.

2.2 灌浆速率变化

图2为各处理小麦灌浆速率G随开花后时间t变化情况.由图可知，各处理小麦籽粒灌浆速率表现为“慢-快-慢”的变化趋势.花后0—7 d，不同施氮量下各处理小麦灌浆速率均表现为随地下水埋深的增加而增加，其中处理N300GW4显著高于N240GW2，其他各处理之间差异不具有统计学意义；相同地下水埋深下，N300施氮水平小麦灌浆速率均高于N240施氮水平，但差异均不具有统计学意义.花后7—14 d，在GW2，GW3地下水埋深下，N240施氮水平小麦的灌浆速率均大于N300施氮水平；GW4地下水埋深下，N300施氮水平小麦的灌浆速率大于N240施氮水平；2个施氮量下，小麦灌浆速率均表现为随地下水埋深的增加而增加.花后14—21 d，各处理小麦灌浆速率达到最大值，其中处理N240GW2冬小麦灌浆速率最高，显著高于N300GW4，但其他各处理之间差异均不具有统计学意义.

图2 各处理小麦灌浆速率随开花后时间变化

开花后21—28 d，N300施氮水平下处理GW2，GW3，GW4小麦灌浆速率分别比N240施氮水平下对应处理高11.97%，22.54%，4.37%；N300施氮水平下，小麦灌浆速率随地下水埋深的增加而降低；N240施氮水平下，处理GW2灌浆速率最高，处理GW3最低，但处理GW2，GW3，GW4之间差异均不具有统计学意义.花后28—35 d，不同地下水埋深下，各处理小麦灌浆速率均表现为N300施氮水平高于N240施氮水平；N300施氮量下，各处理小麦灌浆速率表现为随地下水埋深的增加而降低；N240施氮水平下，处理GW3小麦灌浆速率最低.

2.3 籽粒灌浆参数变化

表1为各处理小麦籽粒灌浆特征参数.由表可知，Logistic方程能很好地拟合小麦籽粒灌浆过程，决定系数R2为0.999 6～0.999 9.不同施氮量下，灌浆渐增期时间拐点t1均表现为随地下水埋深的增加而降低，地下水埋深相同时，N300施氮水平快速增长期时间拐点t2均大于N240施氮水平.不同施氮量下，快速灌浆期持续时间Δt随地下水埋深变化趋势一致，从大到小依次为处理GW4，GW2，GW3；地下水埋深相同时，N300施氮水平Δt均大于N240施氮水平，说明高施氮量延长了小麦快速灌浆时间.处理GW3和GW4下，N300施氮水平平均灌浆速率Gmean均大于N240施氮水平；处理GW2下，N240施氮水平Gmean比N300施氮水平高1.42%.不同施氮量下，小麦籽粒最大灌浆速率Gmax均表现为随地下水埋深的增加而降低；处理GW2和GW4下，N240施氮水平Gmax均大于N300施氮水平；但是在GW3下，N300施氮水平Gmax比N240施氮水平高4.97%.不同施氮量下，最大灌浆速率时籽粒质量Wmax随地下水埋深变化趋势一致，从大到小依次为GW2，GW4，GW3；N300施氮水平下，处理GW2，GW3，GW4的Wmax分别比N240施氮水平高4.35%，1.35%，2.42%.N300施氮水平下，灌浆速率达到最大的时间Dmax随地下水埋深的增加而降低；N240施氮水平下，小麦Dmax从大到小依次为GW2，GW4，GW3.N300施氮水平下，小麦灌浆持续时间Pd从大到小依次为GW2，GW4，GW3；N240施氮水平下，小麦Pd从大到小依次为GW4，GW2，GW3.

表1 各处理小麦籽粒灌浆特征参数

2.4 产量、产量构成要素相关分析

表2为各处理小麦产量及产量构成要素，其中L为穗长，Ks为穗粒数，Es为有效小穗数，Sn为穗数，Bp为单株生物量，Gp为单株籽粒质量，Kw为千粒质量，HI为收获指数，Y为产量.由表2可知，施氮量和地下水埋深对小麦产量的影响在0.01水平下具有统计学意义，但二者交互作用对小麦产量影响不具有统计学意义.

表2 各处理小麦产量及产量构成要素

在N300施氮水平下，产量随地下水埋深的增加而降低，其中处理N300GW2显著大于N300GW3，N300GW4，但是处理N300GW3，N300GW4之间差异不具有统计学意义；在N240施氮水平，产量随地下水埋深变化从大到小依次为处理GW2，处理GW4，处理GW3，其中处理GW2显著大于GW3，GW4，但处理GW3，GW4之间差异不具有统计学意义.相同地下水埋深下，N300施氮水平处理GW2，GW3，GW4小麦产量分别比N240施氮水平相应地下水埋深处理高2%，7%，3%.

施氮量和地下水埋深对小麦穗长均具有极显著影响，但是二者交互作用对其无显著影响.相同地下水埋深下，N300施氮水平小麦穗长均高于N240施氮水平；2种施氮水平下，均表现为在处理GW2下最高.施氮量对小麦穗粒数无显著影响，但地下水埋深对小麦穗粒数影响极显著，N300施氮水平下，穗粒数随地下水埋深的增加而降低，但差异均不具有统计学意义；N240施氮水平下，处理GW2显著高于GW3，且处理GW2小麦穗粒数最大.地下水埋深和施氮量及二者交互作用对小麦千粒质量和单株生物量影响极显著，且二者大小趋势相同.地下水埋深和施氮量极显著影响小麦穗数和单株籽粒质量，但二者交互作用对其影响不具有统计学意义.地下水埋深显著影响小麦收获指数，N300施氮水平下，处理GW2小麦收获指数最高，且从大到小依次为处理GW2，GW3，GW4，但三者之间差异均不具有统计学意义；N240施氮水平下，处理GW4小麦收获指数最低，三者之间差异均不具有统计学意义.

图3为产量构成要素对产量影响的结构方程模型分析.由图3可知，单株籽粒质量、穗数和穗粒数对产量均具有直接的正向效应，其中穗数对产量的正向效应最大；地下水埋深主要是通过影响小麦单株籽粒质量、穗数、穗粒数来影响产量的，地下水埋深对产量影响的直接标准化路径系数为0.334(P<0.05)，施氮量主要是通过影响单株籽粒质量和穗数来间接影响产量.

图3 产量构成要素对产量影响的结构方程模型分析(Pd=0.469, χ2/df=0.956，GFI=0.973，CFI=1.004，RMSEA=0)

表3为各处理小麦产量Y、千粒质量与灌浆参数的相关分析结果.由表可知，小麦产量与快速增长期时间拐点t2、灌浆速率达到最大的时间Dmax极显著正相关，与千粒质量、最大灌浆速率时籽粒质量Wmax显著正相关.故小麦快速灌浆结束时间决定了小麦产量.小麦千粒质量与最大灌浆速率时籽粒质量Wmax极显著正相关，这主要由最大灌浆速率时籽粒质量Wmax计算公式决定的；与快速增长期时间拐点t2、平均灌浆速率Gmean、灌浆持续时间Pd呈显著正相关，故可通过提高平均灌浆速率和灌浆持续时间来提高小麦千粒质量，进而达到丰产目的.

表3 各处理小麦产量、千粒质量与灌浆参数的相关分析

2.5 冬小麦水氮利用效率

表4为各处理冬小麦水氮利用效率，其中Wt为总灌水量，Wg为地下水利用量，ΔW为播前土壤贮水量与收获后土壤贮水量的差值，Ws为总耗水量，NPP为氮肥偏生产力，WUE为水分利用效率.由表4可知，地下水埋深和施氮量对小麦地下水利用量和总耗水量影响极具有统计学意义；地下水利用量占小麦生育期耗水量的3.70%～10.38%；随着地下水埋深增加，地下水利用量逐渐减少，且不同地下水埋深之间差异具有统计学意义；处理GW2，GW3下，N300施氮水平地下水利用量均显著高于N240施氮水平.地下水埋深和施氮量及二者交互作用均对小麦ΔW影响极具有统计学意义；ΔW均随地下水埋深的增加而增加，处理N240GW2与N240GW3之间差异不具有统计学意义，其余各处理之间差异均具有统计学意义.地下水埋深相同时，N300施氮水平总耗水量高于N240施氮水平.施氮量和地下水埋深对小麦氮肥偏生产力和WUE影响极具有统计学意义，但二者交互作用均不具有统计学意义；其中N240施氮水平处理GW2，GW3，GW4小麦氮肥偏生产力分别比N300施氮水平小麦显著高21.79%，17.29%，21.62%；2个施氮水平下，处理GW2氮肥偏生产力均显著高于GW3，GW4，但是处理GW3，GW4之间差异不具有统计学意义.小麦WUE均表现为随地下水埋深的增加而降低；地下水埋深相同时，N240施氮水平WUE均显著高于N300施氮水平.故N240施氮量在保持较高的产量下，水氮利用率均最高.

表4 各处理冬小麦水氮利用效率

3 讨 论

3.1 对小麦灌浆特性及产量影响

土壤肥力和土壤水分是影响小麦生长和灌浆的重要环境因子.本研究表明，高施氮量可提高小麦千粒质量，这与吴金枝等[18]研究结果一致，这主要是因为充足的氮素供应延长了快速灌浆期持续时间Δt和灌浆持续时间Pd.施氮量不同时，小麦千粒质量随地下水埋深变化不一致，整体上地下水埋深越小，小麦千粒质量越大，这是因为地下水埋深越小，地下水向上补给量越多，土壤含水率越高，小麦生长水分更加充足，灌浆速率较高.小麦籽粒灌浆过程主要分为渐增期、快速增长期、稳定增长期，而小麦灌浆籽粒干物质积累主要集中在快速增长期[19].本研究表明，地下水埋深越大，小麦灌浆渐增期时间拐点t1越小，说明快速灌浆开始的越早，这可能是因为作物利用地下水量较少，小麦受干旱胁迫，提前进入快速灌浆期.较高的平均灌浆速率是获得高千粒质量的关键，适宜的施氮量能延长小麦灌浆快速增长期，提高籽粒灌浆速率，对最终高的千粒质量形成有利.本研究表明，千粒质量与快速增长期时间拐点t2、平均灌浆速率Gmean、灌浆持续时间Pd呈显著正相关，故可通过提高小麦平均灌浆速率和灌浆持续时间Pd来提高小麦千粒质量，进而达到丰产目的.适宜灌水量下，小麦产量随地下水埋深的增加而减少[20].本研究表明，常规施氮量下小麦产量随地下水埋深的增加而降低，这与齐学斌等[20]的研究一致.如图4所示的路径分析表明，地下水埋深和施氮量主要是通过影响pH值和全氮、土壤硝态氮来间接影响产量；在N240施氮水平下，小麦产量从大到小依次为处理GW2，GW4，GW3，这主要是因为处理GW3的pH值显著高于GW3，GW4，pH值影响作物对水分和养分吸收.

图4 土壤性状对产量影响的结构方程模型分析(Pd=0.463, χ2/df=0.9439，GFI=0.999，CFI=1.002，RMSEA=0)

小麦产量随施氮量的增加呈先增加后减少的趋势，适宜施氮量有益于调控作物营养生长与生殖生长，防止贪青晚熟，实现优质高产[21].研究表明，N300施氮水平小麦产量均高于N240施氮水平，但是仅在处理GW2下小麦产量差异具有统计学意义，其他2个地下水埋深下差异均不具有统计学意义；这可能是因为当施氮量超过275 kg/hm2时，小麦籽粒氮代谢酶活性降低[1]，故此时增加施氮量并未显著提高小麦产量.

3.2 对冬小麦水氮利用效率影响

水分和施氮量是影响作物水氮利用效率的重要环境因素.当地下水埋深位于0.4～1.5 m时，地下水对作物日需水量的贡献率超过65%[22].研究表明，2.0～4.0 m地下水埋深范围内，地下水利用量占小麦生育期耗水量的3.73%～10.49%；随着地下水埋深增加，地下水利用量逐渐减少.2个施氮量下，小麦WUE随地下水埋深的增加而降低；地下水埋深相同时，N240施氮水平小麦WUE均高于N300施氮水平.过多的氮肥用量会导致作物肥料利用效率降低，多余的氮素残留在土壤当中，会造成地下水硝酸盐污染等风险[13]，因此，适当减少氮肥施用，同时配合适宜的灌水量，会产生协同水肥耦合效应，小麦会达到高产优质高效的生产模式，减氮、控水是最直接提高水氮利用效率的方式.本研究表明，N240施氮水平小麦氮肥偏生产力均显著高于N300施氮水平，这与郭曾辉等[13]研究一致.这主要是因为氮肥报酬递减效应，即随着施氮量的增加，每单位纯氮投入带来的产量增加量(报酬)会逐步降低.因N240施氮水平小麦水氮利用效率较高，且地下水埋深大于4.0 m时，地下水对作物生长影响可忽略，故在地下水埋深大于2.0 m地区施纯氮240 kg/hm2可行.受试验条件限制，本研究仅设置了施氮量和地下水埋深2个因素，未考虑灌水量对小麦生长及水肥利用效率的影响，今后试验中应添加灌水量试验因素，优化不同地下水埋深小麦种植区灌水量和施肥量，保障小麦优质高产安全生产.

4 结 论

1) 小麦千粒质量与快速增长期时间拐点、平均灌浆速率、灌浆持续时间显著正相关.

2) 地下水埋深主要是通过影响小麦单株籽粒质量、穗数、穗粒数来影响产量的，地下水埋深对产量影响的直接标准化路径系数为0.334(P<0.05)，而施氮量主要是通过影响单株籽粒质量和穗数来间接影响产量形成.

3) 地下水利用量占小麦生育期耗水量的3.70%～10.38%；地下水埋深相同时，N240施氮水平氮肥偏生产力NPP和水分利用效率WUE均显著高于N300施氮水平.

综上可知，在农民常规施氮量基础上减氮20%可行，在地下水埋深大于2.0 m地区小麦高产和农业绿色可持续发展的施氮量为240 kg/hm2.