华北地区宽垄沟灌下水氮耦合...麦产量及水氮利用效率的影响_杨成宇.pdf

南方农业South China Agriculture第16卷第23期Vol.16 No.232022年12月Dec.2022我国是世界上人口最多的国家，保证粮食安全在我国农业发展中具有领先指导地位1。河南省是我国粮食大省，2019年粮食播种面积达到1.07107hm2，粮食产量达到6.701010kg2。据文献报道，粮食灌溉水量占河南省灌溉水量比值高达70%3，化肥施用量高达623 kghm-2，化肥过量施用程度十分严重4。水、肥作为作物高产的两大要素，因地制宜地制定水肥方案一直是国内专家学者研究的重点。刘见等认为喷灌条件下灌水定额为 2635 mm、施氮量为193204 kghm-2时，水氮耦合能通过优化灌浆过程提高冬小麦产量5。张荣亭等认为滴灌条件下采取返青拔节期2次追肥可以有效提高小麦产量6。章杰等探明在关中平原冬小麦灌水量为90 mm，并采用尿素加硝化抑制剂时，冬小麦可维持较高产量和水肥利用效率7。华北地区土地广阔且多为平原，灌溉方式以隔沟灌溉和小畦灌溉的地面灌为主8。汪顺生等通过对比传统平作畦灌和宽垄沟灌发现后者具有增加土壤透气性，减少灌溉用水量等优点9。本试验参考前人对水流特性10与灌水技术要素11的研究，设置宽垄沟灌灌水方式，在测定对比不同水氮处理下冬小麦产量及水氮利用效率指标的变化差异的基础上，运用主成分分析法构建水氮耦合下的冬小麦产量及水氮利用效率的综合评价指标，确定宽垄沟灌下冬小麦的最优水氮组合，旨在为华北地区宽垄沟灌下冬小麦的田间水氮优化管理提供科学依据。1材料与方法1.1试验区概况及试验材料试验于2020年10月在河南省郑州市节水农业重点实验室进行，试验地为粉砂质壤土，土壤0100 cm土层内平均容重为 1.35 gcm-3，田间持水率为 34%（体积含水率），土壤有机质含量 870 mgkg-1，全氮539 mgkg-1，碱解氮55 mgkg-1。收稿日期：2022-07-26作者简介：杨成宇（1997），女，重庆忠县人，在读硕士，主要研究方向为农业水土与环境。E-mail：。杨成宇.华北地区宽垄沟灌下水氮耦合对冬小麦产量及水氮利用效率的影响J.南方农业，2022，16（23）：1-5，11.华北地区宽垄沟灌下水氮耦合对冬小麦产量及水氮利用效率的影响杨成宇（华北水利水电大学水利学院，河南郑州 450046）摘要为了探明华北地区冬小麦在宽垄沟灌下的适宜灌水量和施氮量，设计了3个灌水水平，灌水量分别为120 mm（W1）、210 mm（W2）和360 mm（W3）；3个施氮水平，施氮量分别为120 kghm-2（N1）、220 kghm-2（N2）和320 kghm-2（N3），测定各处理的产量及产量因子、耗水量和全氮量。结果表明：冬小麦产量和产量因子、全氮量和水分利用效率均随灌水量或施氮量的增加表现出先增大后减小的趋势，耗水量随灌水量的增加而增加，氮肥生产效率和氮素吸收效率随施氮量的增加而减小；通过主成分法分析水氮耦合对冬小麦产量及产量因子和水氮利用效率的影响发现，最优水氮综合评价指标由3个主成分组成，综合得分最高处理为W2N2（0.90）、次高处理为W2N1（0.88）。综合考虑冬小麦产量及产量因子和水氮利用效率，华北地区宽垄沟灌灌溉方式下的最优灌水量为210 mm，优选施氮量为120 kghm-2、220 kghm-2。关键词冬小麦；水氮耦合；水氮利用效率；灌水量；施氮量；产量中图分类号：S275.3文献标志码：ADOI：10.19415/ki.1673-890 x.2022.23.0011南方农业South China Agriculture第16卷第23期Vol.16 No.232022年12月Dec.20221.2试验设计试验按照文献9设置如图1所示垄田规格参数的宽垄沟灌溉方式。采用密植小麦品种济麦 22，设计120 mm（W1）、210 mm（W2）、360 mm（W3）3个灌水水平；120 kghm-2（N1）、220 kghm-2（N2）和320 kghm-2（N3）3个施氮水平。处理组按灌水量和施氮量从低到高排列，相邻处理间设置1.5 m宽保护行，小区面积948 m2（23.7 m40 m），每个处理重复3次。图1垄作沟灌布置示意图1.3测定项目与方法1.3.1产量测定作物成熟后，每个试验组收获1 m2的植株样品测定产量，并在各小区随机选取10株小麦测定穗长、穗重、穗粒数、千粒重等指标。1.3.2土壤水分测定在作物播种前、收获后及全生育期内每隔7 d，用土钻取样烘干法测定土壤含水率，测深1.0 m，分5层（层深20 cm），选取沟、垄作为观测点。1.3.3植株全氮测定作物成熟后，将植株样本在烘箱内于105 杀青45 min 然后放入 80 烘箱烘干至恒重，粉碎研磨过0.5 mm筛后各取0.5 g，经H2SO4-H2O2消煮，用凯氏定氮仪测定样品全氮含量。1.3.4指标计算水分利用效率：WUE=Qya/hET（1）氮素吸收效率：NUPE=mUN/mTN（2）氮肥生产效率：NPFP=Qya/mTN（3）耗水量：hET=hI+hP0+（hW0-hWt）（4）（1）（2）（3）（4）式中，Qya为冬小麦产量，kghm-2；hET为全生育期内冬小麦耗水量，mm；mUN为作物全氮量，kghm-2；mTN为施氮量，kghm-2；hI为灌水量，mm；hP0为有效降水量，根据气象资料全生育期内有效降水量为139.9 mm；hW0、hWt分别为冬小麦生育初期、生育末期的土壤储水量。1.4数据处理采用 Microsoft Excel 2016进行数据基本运算与制图，SPSS 23进行主成分分析。2结果与分析2.1水氮耦合对冬小麦产量及产量因子的影响2.1.1水氮耦合对冬小麦产量及产量因子影响的方差分析对冬小麦产量、穗长、穗重、千粒重进行方差分析，检验结果如表1所示，可以看出冬小麦产量及构成因子在不同灌水水平下均达到极显著差异水平，穗长、穗重在不同施氮水平下也达到极显著差异水平。灌水水平对产量及构成因子的影响比施氮水平更大，水氮耦合虽然也对其产生影响，却还没有达到显著水平。可见灌水水平主要通过影响穗长、穗重、千粒重影响产量，施氮水平主要通过影响穗长、穗重影响产量。表1水氮耦合对冬小麦产量及产量因子影响的方差分析因素水平WNWN产量39.519*2.3090.03穗长41.792*14.843*0.673穗重69.621*29.618*1.424千粒重9.903*2.2810.027注：W为灌水水平，N为施氮水平；*为差异显著（P0.05），*为差异极显著（P0.01），下同。2.1.2水氮耦合对冬小麦产量及产量因子的影响从图 2可以看出，随着灌水量和施氮量的增加，冬小麦的产量及产量因子明显增大。经过组间差异显著性分析，穗重被分为7个等级，是受影响最大的指标，除此之外产量与千粒重等级重合较多，如当灌水施肥处理为 W2N1时，同时增加灌水量和施肥量到W3N3已经不能够显著提高产量，当灌水施肥处理为W2N2时，同时增加灌水量或施肥量不仅不能提高冬小麦产量及产量因子，反而会造成冬小麦减产。冬小麦产量增幅达3.28%28.47%，穗长增幅达8.35%52.20%，穗重增幅达 24.86%68.55%，千粒重增幅达4.13%19.07%。以W1产量最低组平均产量为对照组，冬小麦产量、穗长、穗重、千粒重在 W2分别增长 21.61%、28.25%、31.93%、12.15%，在 W3分别增长18.43%、16.86%、24.32%、7.61%，可以看出中水处理比高水处理更有利于作物产量累积，灌水水平对穗重影响更大。以N1产量最低组平均产量为对照组，冬小麦产量、穗长、穗重、千粒重在N2分别增长 5.10%、15.72%、20.13%、5.68%，在 N3分别增长2.83%、6.41%、12.40%、3.01%，可以看出中肥处理比高肥处理对产量更有积极影响，且施肥对产量及产量因子的影响弱于灌水。2南方农业South China Agriculture第16卷第23期Vol.16 No.232022年12月Dec.20222.2水氮耦合对冬小麦水氮利用效率的影响2.2.1水氮耦合对冬小麦水氮利用效率影响的方差分析对冬小麦耗水量hET、全氮量mUN、水分利用效率WUE、氮肥生产效率NPFP、氮素吸收效率NUPE进行方差分析，检验结果如表2所示，可以看出冬小麦水氮利用效率指标在不同灌水水平下均达到极显著差异水平，全氮量、水分利用效率、氮肥生产效率、氮素吸收效率在不同施氮水平下也达到极显著差异水平，除此之外水氮耦合对水分利用效率、氮肥生产效率、氮素吸收效率也产生了较大影响。灌水水平对耗水量、全氮量、水分利用效率的影响比施氮水平更大，施氮水平对氮肥生产效率、氮素吸收效率的影响比灌水水平更大。表2水氮耦合对冬小麦水氮利用效率影响的方差分析因素水平WNWNhET59.646*0.9010.149mUN113.412*16.546*1.539WUE124 618.425*8036.133*789.645*NPFP38.467*828.926*3.499*NUPE97.458*501.869*4.239*2.2.2水氮耦合对冬小麦水氮利用效率的影响从表 3可以看出，随着灌水量和施氮量的增加，冬小麦的水氮利用情况明显不同。经过组间差异显著性分析，当灌水施肥处理为W3N3时，减少灌水量或施氮量都会使耗水量减小；当灌水施肥处理为W2N1时，同时增加或减少灌水量和施氮量都不会使全氮量增加。注：不同小写字母表示差异显著（P0.05），下同。图2不同水氮处理下冬小麦的产量和产量因子表3水氮耦合对冬小麦水氮利用效率的影响处理W1N1W1N2W1N3W2N1W2N2W2N3W3N1W3N2W3N3hET/mm351.2713.14 d369.1711.12 d360.9726.76 d421.6620.05 c426.3327.27 cd432.5726.15 abc455.3722.39 abc463.739.97 ab469.8315.11 amUN/kghm-287.394.47 d99.297.23 d87.275.04 d124.483.53 bc152.396.30 a136.1112.7 b117.819.41 c132.773.37 b127.41.94 bcWUE/kgm-31.730.57 f1.750.56 d1.732.14 e1.760.37 c1.830.29 a1.770.43 b1.60.39 h1.630.16 g1.580.14 iNPFP/kgkg-150.51.89 b29.410.89 d19.561.43 f61.852.93 a35.392.27 c23.891.44 e60.562.97 a34.320.74 c23.230.75 eNUPE/kgkg-10.730.04 b0.450.03 d0.270.02 e1.040.03 a0.690.03 b0.430.04 d0.980.08 a0.60.02 c0.40.01 d注：WUE标准差的数量级为10-3。3南方农业South China Agriculture第16卷第23期Vol.16 No.232022年12月Dec.2022冬小麦水氮利用效率受不同水氮处理的影响较大，增加不同额度的灌水量都会造成耗水量的增加。以产量最低处理 W1N1为对照组，耗水量增幅为0.30%1.96%；全氮量增幅为-0.14%74.38%，其中最大增幅发生在 W2N2，最小增幅为负增长发生在W1N3；水分利用效率增幅为-8.67%5.78%，其中W1N3的水分利用效率与W1N1相当，最大增幅发生在W2N2，最小增幅为负增长发生在 W3N3；氮肥生产效率增幅为-61.27%22.48%，其中只有 W2N1与 W3N1为正增长，最大增幅发生在W2N1，最大负增长发生在W1N3；氮素吸收效率增幅为-63.01%42.47%，其中最 大 增 幅 发 生 在 W2N