黄土塬区冬小麦补施氮磷对水分利用效率的影响

黄土塬区冬小麦补施氮磷对水分利用效率的影响

在缺水地区，水和土壤养分是作物生长发育和产量形成的两个主要限制因素。长武所在的黄土塬区是典型的旱作农业区,年潜在蒸发量远大于降水量,农业生产主要依靠降水,水资源非常有限;另一方面,土壤肥力不足以及不合理施肥均严重限制了本地区小麦产量及水肥利用效率的提高。因而,合理调控水肥,提高有限水资源的利用效率以及肥料利用效率,实现作物高产稳产,一直是本地区农业生产实践中的关键问题。前人围绕不同水肥条件下作物生长(程宪国等,1996;林琪等,2004),产量形成(古巧珍等,2004;郝明德等,2004),及作物的水分利用(张仁陟等,1999;曹靖和胡恒觉,2000;许振柱和周广胜,2003)和氮素吸收特性(王月福等,2003;许振柱等,2004a;张永丽和于振文,2008)等,进行了大量研究。研究表明,适量灌溉促进小麦根系更多地吸取土壤水分,能显著提高籽粒产量和水分利用效率(Oweisetal.,2000);缺氮或缺磷处理小麦产量低而不稳(古巧珍等,2004),而氮磷配施有明显的增产作用(郝明德等,2004;王旭刚等,2007),增产率可达140.6%;同时,氮磷化肥配施可明显促进冬小麦根系生长,扩大觅水空间,增加蒸腾量,减少蒸发量,提高作物水分利用效率(许振柱和周广胜,2003;杨文和周涛,2008);在高产范围内适当减少供水量,可保证作物产量和水分利用效率同时稳定在较高的水平上,并获得最佳的经济效益(林琪等,2004)。施肥水平及灌溉措施均显著影响作物对氮素的吸收及利用效率;随土壤肥力的提高,植株吸收的总氮和土壤氮量显著增加(张永丽和于振文,2008);适量灌溉促进氮素吸收,是提高氮肥利用率的基础(Plautetal.,2004;Xuetal.,2005);增加灌水量在不同土壤肥力条件下均可促进作物对总氮的吸收量(刘国伟等,2003),促进氮素自营养器官向籽粒的转移(王月福等,2003)。适宜水、肥条件对作物产量形成及水分利用等具有明显正交互作用,提高旱地作物水肥利用效率的最佳途径是水肥的高效耦合(翟丙年和李生秀,2005)。前人有关不同水分条件或不同施肥水平下冬小麦的水氮利用研究较多,而大田条件下,补充灌溉及不同氮磷配施对小麦水分及氮素利用效率影响的相关研究较少。本研究根据黄土塬区降水少,且季节分配不均;土壤严重缺氮、磷的特点,以雨养不施肥处理为对照,在冬小麦关键生育期补充灌溉,配合不同氮磷配施水平,研究补充灌溉及不同氮磷配施对冬小麦的产量,水分利用及氮素吸收的影响,为本地区麦田限量灌溉条件下合理施肥及高产栽培提供科学依据。1材料和方法1.1王东南角降水概况试验于2007年9月—2008年7月在中国科学院长武农业生态试验站作物水肥效应试验场进行。试验场位于黄土高原中南部陕甘交界处陕西省长武县王东村(35°12′N,107°40′E),海拔1200m。属暖温带半湿润易旱气候区,年均降水584mm,降水季节分配不匀,7—9月降水占全年降水的54%,2007—2008年冬小麦生育期内降水量为388.4mm,略高于历年同期平均降水量(370.7mm),其中2007年冬小麦休闲期及苗期(7—10月)降水较多(图1)。试验地土壤为中壤质黑垆土,土壤基本理化指标见表1。1.2冬小麦品质测定指标试验采用裂区设计,水分为主处理,设不灌溉(雨养W0)和补充灌溉(W1)2个水平;肥料为副处理,设置对照(N0P0,不施肥)、低氮低磷(N1P1)、低氮高磷(N1P2)、高氮低磷(N2P1)和高氮高磷(N2P2)5个水平,试验共10个处理,每处理3次重复(表2)。小区长3m,宽4.5m,四周用水泥砌墙1.5m深,以阻断土壤水分养分交换,小区间留有0.5m宽的保护行。供试材料为冬小麦(长武89-134),2007年9月20日播种,播量150kghm-2,2008年6月24日收获。从返青期开始每隔20d左右测定一次株高和生物量,同时使用LI-3000叶面积仪测定冬小麦单个分蘖的叶面积,根据叶面积及分蘖数计算叶面积指数;割去地上部分后,紧贴主根用根钻法取0～20cm根系,过0.5mm筛,使土根分离,再用水冲洗干净,植株分为茎、叶、籽粒和颖壳等几部分,与根样一起经风干、粉碎、混匀后取样保存,采用开氏定氮法测定各部分含氮量。每小区收获中间3行测定籽粒产量和生物产量,籽粒产量为收获时小区籽粒风干质量;生物量用加热干燥法测定,于105℃杀青0.5h,60℃～70℃烘至恒量。每个小区中部均安装有中子管,使用中子仪逐月测定0～3m土层土壤含水量,其中0～100cm每10cm测定1次,100～300cm每20cm测定1次。土壤储水量、冬小麦耗水量、水分利用效率及氮素利用效率等指标分别按下式计算:土壤储水量(张北赢等,2009):W=h×ρ×θ×10/100冬小麦耗水量(李开元,1995):ET=P+I-ΔW水分利用效率(曹靖和胡恒觉,2000):WUE=Y/ET氮素积累量(霍中洋,2004)=地上部植株干质量×地上部植株含氮量氮素利用效率(许振柱,2004a)=(施肥区地上植株氮积累量-不施肥区地上植株氮积累量)/施氮量×100%式中:W为土壤储水量(mm);h为土层深度(cm);ρ为土壤容重(g·cm-3);θ为土壤重量含水量(%);冬小麦耗水量采用农田水量平衡法计算(李开元,1995),其中ET为蒸散量(mm),P为降水量(mm),I为灌水量(mm),ΔW为土壤储水变化量(mm);WUE为水分利用效率(kg·mm-1·m-2),Y为作物籽粒产量(kg·hm-2)。本文中土壤储水量及作物耗水量均以3m土层含水量计算。1.3处理数据采用SPSS16.0软件进行多因素方差分析(LSD法)及相关性分析;使用SigmaPlot10.0软件作图。2结果与分析2.1不同的肥料和水处理来处理冬小麦生长动态2.1.1不同生育期中氮磷防治lai由图2可见,从返青期到灌浆期冬小麦叶面积指数(LAI)先增加后减小,呈抛物线形变化,返青期叶面积指数最低,孕穗期最高。相同施肥水平下,不同生育期各处理LAI均为补充灌溉处理>雨养处理;相同水分条件下,除返青期各处理间差异较小外,其他生育期LAI均随氮磷配施水平提高而增大,其中不施肥处理LAI最低;低氮低磷处理和低氮高磷处理基本无差异,均显著高于不施肥处理;雨养条件下高氮高磷处理显著高于高氮低磷处理,而补充灌溉后二者差异不显著。说明高氮条件下氮磷互作显著,促进小麦群体生长;补充灌溉与氮磷配施有一定交互作用,促进作物生长。2.1.2育期冬小麦生物量随着生长发育推进冬小麦生物量逐渐增加,其中,拔节期至扬花期生物量增长较快,扬花期后增长较慢或稍有降低,呈近“S”型曲线变化(图3)。不同生育期冬小麦生物量:补充灌溉处理高于雨养处理,但未达到显著水平;无论雨养处理或补充灌水处理,生物量均随氮磷配施水平提高而增加,氮磷配施处理生物量显著高于不施肥处理(P<0.05),高氮高磷处理生物量最高,且与其他处理差异显著,其他氮磷配施处理间无显著差异,方差分析表明,施氮水平是生物量提高的主要因素(FN=6.72,P<0.05),磷肥的作用不显著(P>0.05),水氮磷各因子间无显著的交互作用(P>0.05)。2.2不同施肥处理对冬小麦管理中高氮重施的影响补充灌水及氮磷配施对冬小麦的产量构成要素影响显著(表3)。冬小麦成穗数基本随氮磷配施水平提高而增加,与对照(W0N0P0)相比较,氮磷配施处理成穗数增加167.9×104～280.5×104,氮磷配施处理成穗数显著高于不施肥处理,不同氮磷配施处理间差异不显著;补充灌水能够提高冬小麦成穗数,补充灌水处理成穗数较雨养处理提高22.4×104～72.7×104,除高氮高磷处理显著高于雨养处理外,其他处理均不显著。不同处理冬小麦千粒重以低氮低磷处理最高,其次为低氮高磷和高氮低磷和高氮高磷,而不施肥处理最低,仅不施肥处理和低氮低磷处理有显著差异;补充灌水能增加小麦千粒重,但与雨养处理间差异不显著。穗粒数高氮低磷>高氮高磷>低氮低磷>低氮高磷>不施肥处理,其中高氮低磷处理显著高于低氮高磷,低氮高磷处理显著高于不施肥处理;补充灌水对穗粒数的促进作用不明显。补充灌溉和不同氮磷配施均能增加冬小麦籽粒产量(表3)。与相同施肥水平的雨养处理相比较,补充灌溉后籽粒产量提高3～1188kg·hm-2,除W1N2P1显著高于W0N2P1处理外,其他处理均无显著差异。与不施肥处理相比较,雨养条件下,氮磷配施增产2530～3717kg·hm-2,补充灌溉条件下,氮磷配施增产2528～4533kg·hm-2。雨养处理和补充灌溉处理籽粒产量均为:N180>N90>N0(高氮>低氮>不施氮),而相同氮水平不同施磷处理间差异不显著。其中雨养高氮和雨养低氮处理籽粒产量均显著高于不施肥处理(P<0.05),补充灌溉高氮,低氮和不施肥处理间均有显著差异,说明施氮是作物产量提高的主要因素。方差分析表明,不同施氮水平的籽粒产量均有极显著差异(FN=65.94,P<0.01),补充灌水与施磷的增产作用不显著(P>0.05),补充灌溉与施氮及氮磷间均有显著的交互作用(FNP=7.89,FWN=4.21,P<0.05)。2.3冬小麦的水利用2.3.1不同氮磷配施对耗水量的影响补充灌溉及不同施氮水平对冬小麦全生育期耗水量影响显著(表4);与雨养处理相比较,补充灌溉后冬小麦总耗水量增加51.7～143.5mm,不同氮磷配施处理耗水量均显著高于相应的雨养处理(P<0.05);雨养条件下,不同氮磷配施处理较不施肥处理耗水量增加61.9～112.5mm,耗水量随氮磷配施水平提高而增加,雨养不施肥处理最低,与其他处理差异显著;补充灌溉条件下,不同氮磷配施处理较不施肥处理耗水量增加112.1～183.8mm,其中高氮处理显著高于低氮处理及不施肥处理,而相同施氮水平,不同施磷水平(P60和P120)间差异不显著。方差分析表明,补充灌水与施氮均极显著增加冬小麦耗水量(FN=10.28,FW=64.96,P<0.01),施磷的作用不显著(P>0.05),补充灌溉与施氮,施磷间均有显著的交互作用(FWN=5.05,FWP=4.68,P<0.05)。不同处理冬小麦耗水量组成,其中降水占总耗水量的比例最高,达57.3%～91.5%,其次为灌水量占总耗水量的比例,为0～26.2%,土壤储水变化量占总耗水量的比例最低,仅为6.8%～20.3%。在本试验条件下,各处理土壤储水变化量(△W)均为正值,表明生长季内自然降水不能满足小麦的水分需求,各处理对土壤储水量均有不同程度的消耗。补充灌溉后明显降低小麦土壤储水变化量,但与雨养处理间差异不显著;△W随施肥水平提高而增加,其中W0N2P2最高,为138.8mm,占总耗水量的33%,对照(W0N0P0)最低,仅为28.4mm。氮磷配施处理△W显著高于不施肥处理。表明在本试验年条件下,补充灌溉能够降低冬小麦对土壤储水的消耗,但作用不显著,而氮磷配施显著增加冬小麦对土壤水分的消耗。2.3.2氮磷配施对w0np0和w02p1的影响补充灌溉及氮磷配施对冬小麦水分利用效率(WUE)影响有明显差异(表4)。与相同施肥水平的雨养处理相比较,补充灌溉后冬小麦水分利用效率降低0.2～2.3kg·mm-1·hm-2,但差异不显著;雨养条件下,氮磷配施处理WUE较不施肥处理(N0P0)提高4.0～7.2kg·mm-1·hm-2,W0N2P1处理WUE最高,与W0N2P2和W0N1P2处理三者差异不显著,但显著高于W0N1P1和对照,对照处理WUE最低,与其他处理均有显著性差异。补充灌溉条件,水分利用效率随施氮水平提高而增加,表现为N2>N1>N0,其中各施氮处理与不施肥处理差异显著(P<0.05),而不同施氮水平间差异不显著,不同施磷水平间WUE差异不显著。方差分析表明,说明施氮水平极显著影响冬小麦水分利用效率(FN=28.69,P<0.01),补充灌溉与施磷水平影响不显著(P>0.05),各因子间无显著的交互效应(P>0.05)。2.4补充灌溉对各器官含氮量的影响冬小麦收获后不同器官含氮量及氮素积累量如表5所示,不同器官含氮量高低表现为籽粒>根>颖+轴>叶片>茎,以籽粒含氮量最高,为其他器官含氮量的3.5～6.4倍,茎含氮量最低,平均值仅为2.96g·kg-1。不同处理含氮量均随施氮量增加而增加(N2>N1>N0);高氮与低氮处理不同器官含氮量均有显著差异(P<0.05),但与磷肥施用量间无显著相关;补充灌溉处理各器官含氮量稍高于雨养处理,但未达到显著水平。补充灌溉及氮磷配施对冬小麦氮素积累量及氮素利用效率均有显著影响(表5)。与对照(W0N0P0)相比较,氮磷配施显著提高了冬小麦地上部氮素积累量,冬小麦地上部氮素积累量随施氮量增加而增加,氮素积累量与施氮水平间具有显著的相关性,各施氮处理氮素积累量较对照增加83.2%～204.3%,其中低氮处理氮素积累量为60kg·hm-2左右,高氮处理氮素积累量为90～120kg·hm-2;补充灌溉能够促进氮肥的吸收,较雨养处理增加1.3%～12.1%,其中高氮高磷处理促进作用达到显著性水平。不同处理冬小麦氮素利用效率与氮素积累量趋势一致,除W0N1P2处理外,各处理均随施氮水平提高而增加,其中W1N2P2最高,为48.9%,对照最低,仅为30.1%。3讨论3.1对小麦产量的影响前人研究表明,在一定土壤含水量范围内,小麦的株高、分蘖数、叶面积指数、成穗数以及小麦的籽粒产量与生物产量均随土壤含水量和施肥量增加而增加(张淑香等,2003)。本试验条件下,补充灌溉增加了冬小麦叶面积指数,生物量及籽粒产量,但均未达到显著水平,由于试验中灌水量相对较少,以及试验年为平水年但底墒较为充足,因而补充灌水效果有限,此结果与李玉山等(李玉山等,1991)研究结果相同。氮、磷养分能增大叶面积,显著提高小麦生物量、籽粒产量等指标(Goosetal.,1999;李裕元等,2000)。本试验有相同的结果,与对照(W0N0P0)相比较,氮磷配施提高冬小麦产量2530～3717kg·hm-2,不同施氮水平间小麦产量均有显著差异,方差分析表明,施氮肥是产量提高的主要因素,施磷作用不显著,氮磷及水氮的交互作用显著。梁银丽(1996)研究表明,不同水分条件下,氮磷对小麦生长及水分利用的调控作用不同。水分胁迫越严重,施磷的调控效果越好;氮素与磷素恰好相反,在土壤水分良好条件下,具有显著的正向调节效果。本试验年虽然为平水年,但冬小麦休闲期及苗期降水充足,充足的底墒保证了氮肥的正向调节效果,而磷素的作用效果不显著。3.2补充灌溉对冬小麦水分利用效率的影响在本试验条件下,各处理对土壤储水量均有不同程度的消耗,说明冬小麦生长季内降水不能满足小麦的水分需求,这主要与本地区降水少且分布不均,以及小麦根系较深,生育期长等有关。补充灌溉后明显降低小麦土壤储水变化量,虽然与雨养处理间差异不显著,但能够在一定程度上缓解土壤干旱。在冬小麦需水关键时期,补充灌溉可促进植株干物质积累,提高冬小麦水分利用效率,以达增产的目的(周永田等,2008);但也有试验认为,补充灌溉能够降低冬小麦水分利用效率(张仁陟等,1999)。不同的研究结果主要是因为灌溉方式以及气候条件(主要是降水)等不同。本试验中,水分利用效率随氮磷配施水平提高而