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滴灌和施肥频率对强筋小麦产量及水分和氮素利用效率的影响

花匠小妙招
2024-10-03 13:40

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文|长歌史说

编辑|长歌史说

前言

中国小麦产量从1961年的557 kg·ha-1增加到2021年的5810 kg·ha-1，这主要得益于氮肥施用量的增加。

虽然这提高了产量，但也造成了环境破坏。水和肥料的供应决定了产量的进一步增加，但过度使用它们可能导致高碳排放。

合理施氮提供了调控小麦生理发育的途径。以往研究表明，小麦的氮素利用效率（NUE）可以用每单位产量消耗的氮肥（PFPN）来评估。需要确定适度的施氮量，以进一步挖掘产量和氮利用效率的潜力。

一、试验区域与目的

黄淮海地区年平均降水量为500~600毫米，年平均气温为14.5°C。黄淮海平原降水较少，水资源有限，至少80%的地表水和地下水用于农业灌溉。灌溉实践和基础设施投资较低，迫切需要采取耕作措施提高农业用水效率（WUE），以较少的水产出更多的粮食。

作物籽粒产量与干物质的积累和分配、光合特性以及水氮利用效率密切相关。谷物干物质主要来自营养器官。合理利用水肥可以促进茎叶等营养器官生长，维持植物光合作用和养分运输，促进籽粒对氮素的吸收，提高蛋白质含量。

平衡供氮和产量需求是提高NUE的关键。光合特性受土壤含水量和氮肥水平的显着影响。缺水会缩短光合作用时间，加速旗叶衰老，但可能促进植物体内储存物质的降解，增强花前积累的干物质再转移。

保持适当的土壤水分和较高的氮肥水平可以提高净光合速率（Pn），增强籽粒灌浆能力并增加籽粒重量。

关于最佳施氮量、滴灌和灌溉频率已有大量报道，但鲜有关于滴灌施肥频率的报道。本研究选择不同中强筋小麦品种，在适宜的施氮量下，通过滴灌设备设置不同施肥频率。

目的是：（1）确定滴灌追肥频率对产量、蛋白质含量、干物质分布和积累以及氮素分布和吸收的影响；（2）研究分次追肥对中强筋小麦光合特性和水氮利用效率的影响；（3）优化黄淮海麦区中强筋小麦的追肥频次。

二、材料和方法

我们在青岛农业大学现代农业科技示范园开展了两个小麦生育季的田间试验。该地区属温带季风气候，主要种植小麦玉米轮作制，土壤为砂灰质黑土。

我们选育了中筋（济麦22）和强筋（济麦20、石鸾02-1）混播，基础种植密度约220万株/公顷，施用90公斤/公顷的P2O5和K2O肥料。

每个试验地面积200平方米，小麦行距20厘米。本试验采用带滴头的滴灌系统。三行小麦分别安装一根间距60厘米的微管。每个微管发射器之间的距离为300毫米，流量为2升/小时，管径为16毫米。

3个品种为我们选育的产量高、品质好的中筋和强筋小麦品种。在总施氮量210千克/公顷、基肥90千克/公顷的条件下，灌溉量采用水表计量。

在分蘖期，我们喷施常规的地面灌溉（边灌）（120千克/公顷氮肥）。分蘖期和开花期分别灌溉75毫米。滴灌施氮是将尿素溶化在水中，通过滴灌设施喷施入田。

滴灌处理设置三个施肥频率：整个生育期滴灌追肥两次（DF2：分蘖期施60千克/公顷氮肥，灌溉60毫米；开花期同上）；

整个生育期滴灌追肥三次（DF3：拔节期40千克/公顷氮肥，40毫米；开花期和灌浆期同上）；整个生育期滴灌追肥四次（DF4：拔节期30千克/公顷氮肥，30毫米；孕穗期、开花期和灌浆期同上）。

三、光合特性

结果显示， DF3的光合净速率（Pn）、气孔导度（Gs）和蒸腾速率（Tr）受开花前追肥的影响较大。

开花期，DF3的Pn、Gs和Tr较高，DF4较低。但在花期和灌浆期（花后14天），增加追肥次数后有所改善。灌浆后期，与边灌CK相比，追肥次数更多的处理仍能保持较高的光合特性。

四、干物质和氮的分布和积累

品种、处理和年份对其他叶片干物质分配比例（DMDP）和氮分配量（NDA）影响极显著。此外，对各器官干物质和氮素的分配量和比例影响不显著。小麦上部三叶DMDP与籽粒呈负相关，其他叶、茎、颖穗轴与籽粒呈正相关。

这表明成熟期，上部三叶更多养分输送至穗部，使籽粒更饱满，而更多养分留在其他叶、茎和颖片穗轴。籽粒DMDP与茎叶DMDP呈显著负相关。同一株植物，它们与叶片产生的光合产物存在竞争关系。

叶和茎NDA与籽粒呈负相关，而颖片穗轴NDA与籽粒呈显著正相关，表明穗部NDA较多的植物其他部位NDA较少。籽粒、茎、叶NDP呈显著负相关，同一株植物中，更多氮集中在籽粒而不是其他器官。

两年间，品种对成熟期茎叶分配量和比例影响极显著，对籽粒分配量影响显著。品种和处理对叶片氮素分配量和比例影响显著。

随着水肥次数增加，茎叶DMA增加，籽粒DMA增加。但同一株小麦，济麦22茎、叶、籽粒DMDP升高，济麦20和石鸾02-1籽粒DMDP降低；茎叶DMDP则相反。

随着施肥次数增加，济麦22叶片、茎NDA增加，籽粒NDA增加，而颖片穗轴NDA减少。济麦20和石鸾02-1叶、茎NDA降低，籽粒NDA升高。同一株小麦，在较高水肥频率下，叶、茎、颖穗轴NDP降低，籽粒NDP升高。

品种和处理对上部叶片、籽粒、茎秆和总生物量DMA（干物质积累，每公顷小麦器官重量）和NA（氮素吸收，每公顷小麦器官氮重量）影响极显著，年*品种*处理对所有器官DMA和NA影响不显著。

济麦22总DMA和NA以DF4最高，DF3次之，随施肥次数增加而增加。济麦20和石鸾02-1CK低于DF2。

较高施肥频率（DF3和DF4）使济麦22茎干DMA和NA较高，而济麦20和石鸾02-1则相反；三个品种的相似之处是，随着施肥频率增加，籽粒总DMA和NA较高（DF4>DF3>DF2>CK）。

五、粮食产量

过去两年多的试验表明，品种和处理措施（品种与处理措施的相互作用）对小麦产量有显著影响。品种和处理措施对产量的三个要素：

穗数、单穗粒数和千粒重都有显著影响。在适量施氮和灌溉的条件下，随着滴灌和追肥次数的增加，中筋小麦济麦22的产量增加，而强筋小麦济麦20和石鸾02-1的产量下降。

增加水肥频率导致穗数减少，单穗粒数增加，千粒重增加。济麦22的收获指数和粒穗比随着施肥次数的增加而增加，而济麦20和石鸾02-1则相反。与边灌相比，滴灌两次追肥产量略有增加，单穗粒数和千粒重较高，收获指数较低。

六、蛋白质含量和蛋白质产量

随着施肥次数的增加，3个小麦品种的蛋白含量逐渐增加。第一年，济麦22、济麦20和石鸾02-1的蛋白质含量分别较少施肥处理显著增加8.6%、6.4%和4.9%。第二年，不同施肥频率之间蛋白质含量差异不大。

两年来，济麦22的蛋白产量较少施肥处理分别显著提高22.8%和13.5%。而济麦20的蛋白产量分别显著下降6.7%和11%。石鸾02-1的蛋白产量第一年明显下降18%，第二年差异不大。

七、水氮利用效率

通过增加施肥频率，三个小麦品种的氮素收获指数（NHI）均呈上升趋势。最近两年，随着施氮量的增加，济麦22的氮肥偏生产力（PFPN）有所提高。

第一年差异不显著，而第二年DF4处理较DF2处理提高了11.3%。水分利用效率（WUE）也呈上升趋势，但不同追肥处理之间无显著差异。

济麦20和石鸾02-1的氮肥偏生产力（PFPN）和水分利用效率（WUE）随着施肥次数增加而提高。第二年，济麦20 DF4处理的PFPN和WUE分别较DF2处理显著降低19.5%和22.2%。第一年，与DF2处理相比，石鸾02-1 DF4处理的PFPN和WUE分别显著降低27.9%和34.5%。

八、光合作用贡献产量的因素

光合作用对产量的贡献受多种因素影响，较难定量评价。以往研究表明，在氮素影响下，旗叶光合作用对产量的贡献较小，并不总是呈正相关，易受天气影响较大。

但也有研究表明，适度补氮可延长高水平光合时间，缓解叶片衰老，提高光合速率、气孔导度和蒸腾速率，利于籽粒积累增产。籽粒灌浆与千粒重密切相关。

本研究中，增加滴灌施肥频率延缓了旗叶衰老，延长了高水平光合作用时间，增加了千粒重和籽粒对氮素的吸收，从而提高了氮素收获指数和蛋白质含量。

中筋小麦济麦22籽粒干物质分配比例升高，导致收获指数较高，而强筋小麦济麦20和石鸾02-1籽粒干物质分配比例降低，导致收获指数较低。

不同小麦品种干物质分配比例的变化并不完全相同。以往研究表明，干物质积累量与产量和收获指数具有显著正相关关系。产量受开花前干物质运输和开花后干物质积累量以及水肥和天气条件的显著影响，尤其受施肥期影响较大。

不同施肥时期影响产量和干物质积累量，不同品种对施肥期的响应也不同，导致成熟期产量和氮素积累量差异。增加滴灌频率可增加成熟茎、叶和谷物的干物质积累量。本研究中，通过增加滴灌施肥频率，观察到茎、叶和谷物的干物质积累量增加。

济麦22在中筋小麦中的总干物质积累量和氮素积累量随着施肥次数的增加而增加，而强筋小麦济麦20和石栾02-1表现出相反作用，这可能与耳数有关。滴灌有利于小麦节水节肥。我们前期研究表明，最佳施氮量为210 kg·ha -1 。

对分阶段灌溉或施肥进行了大量研究。产量由三个因素决定（粒数、千粒重、穗数）。拔节期灌水和施肥有利于增加穗数。千粒重随着施氮期的延长而增加，中筋小麦比强筋小麦更依赖晚施肥。

结果表明，随着滴灌次数的增加，千粒重增加，单穗粒数增加，穗数减少；两次滴灌追肥（拔节期和开花期）的强筋小麦产量和收获指数最高。随着施肥频率的增加，籽粒产量、蛋白质产量和收获指数均呈下降趋势。4个滴灌处理的中筋小麦产量和收获指数最高。

在这项研究中，更高的产量也对应更高的产量与施氮量之比。以往研究表明，强筋小麦的水分利用效率两次灌溉最高。本研究表明，中筋小麦的水分利用效率随着施肥次数的增加而增加，而强筋小麦则相反。

结论

在灌浆中后期，DF4的光合速率、气孔导度和蒸腾速率均高于df2，千粒重和干物质累积量也较高。增加滴灌施肥次数后，光合作用持续时间延长，茎和叶的干物质累积量增加，千粒重也增加。

这增加了济麦22茎、叶和籽粒的干物质累积量和氮累积量，导致收获指数和氮收获指数增加。

济麦20和石鸾02-1籽粒的干物质累积量和氮累积量降低，收获指数值较小，氮收获指数值较高；增加滴灌施肥次数可提高蛋白质含量；随着滴灌施肥次数的增加，中筋小麦单穗粒数增加，中筋小麦穗数减少。

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