黃土塬區(qū)冬小麥補施氮磷對水分利用效率的影響

黃土塬區(qū)冬小麥補施氮磷對水分利用效率的影響

在缺水地區(qū)，水和土壤養(yǎng)分是作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的兩個主要限制因素。長武所在的黃土塬區(qū)是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū),年潛在蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠降水,水資源非常有限;另一方面,土壤肥力不足以及不合理施肥均嚴(yán)重限制了本地區(qū)小麥產(chǎn)量及水肥利用效率的提高。因而,合理調(diào)控水肥,提高有限水資源的利用效率以及肥料利用效率,實現(xiàn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),一直是本地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中的關(guān)鍵問題。前人圍繞不同水肥條件下作物生長(程憲國等,1996;林琪等,2004),產(chǎn)量形成(古巧珍等,2004;郝明德等,2004),及作物的水分利用(張仁陟等,1999;曹靖和胡恒覺,2000;許振柱和周廣勝,2003)和氮素吸收特性(王月福等,2003;許振柱等,2004a;張永麗和于振文,2008)等,進(jìn)行了大量研究。研究表明,適量灌溉促進(jìn)小麥根系更多地吸取土壤水分,能顯著提高籽粒產(chǎn)量和水分利用效率(Oweisetal.,2000);缺氮或缺磷處理小麥產(chǎn)量低而不穩(wěn)(古巧珍等,2004),而氮磷配施有明顯的增產(chǎn)作用(郝明德等,2004;王旭剛等,2007),增產(chǎn)率可達(dá)140.6%;同時,氮磷化肥配施可明顯促進(jìn)冬小麥根系生長,擴(kuò)大覓水空間,增加蒸騰量,減少蒸發(fā)量,提高作物水分利用效率(許振柱和周廣勝,2003;楊文和周濤,2008);在高產(chǎn)范圍內(nèi)適當(dāng)減少供水量,可保證作物產(chǎn)量和水分利用效率同時穩(wěn)定在較高的水平上,并獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益(林琪等,2004)。施肥水平及灌溉措施均顯著影響作物對氮素的吸收及利用效率;隨土壤肥力的提高,植株吸收的總氮和土壤氮量顯著增加(張永麗和于振文,2008);適量灌溉促進(jìn)氮素吸收,是提高氮肥利用率的基礎(chǔ)(Plautetal.,2004;Xuetal.,2005);增加灌水量在不同土壤肥力條件下均可促進(jìn)作物對總氮的吸收量(劉國偉等,2003),促進(jìn)氮素自營養(yǎng)器官向籽粒的轉(zhuǎn)移(王月福等,2003)。適宜水、肥條件對作物產(chǎn)量形成及水分利用等具有明顯正交互作用,提高旱地作物水肥利用效率的最佳途徑是水肥的高效耦合(翟丙年和李生秀,2005)。前人有關(guān)不同水分條件或不同施肥水平下冬小麥的水氮利用研究較多,而大田條件下,補充灌溉及不同氮磷配施對小麥水分及氮素利用效率影響的相關(guān)研究較少。本研究根據(jù)黃土塬區(qū)降水少,且季節(jié)分配不均;土壤嚴(yán)重缺氮、磷的特點,以雨養(yǎng)不施肥處理為對照,在冬小麥關(guān)鍵生育期補充灌溉,配合不同氮磷配施水平,研究補充灌溉及不同氮磷配施對冬小麥的產(chǎn)量,水分利用及氮素吸收的影響,為本地區(qū)麥田限量灌溉條件下合理施肥及高產(chǎn)栽培提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1王東南角降水概況試驗于2007年9月—2008年7月在中國科學(xué)院長武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站作物水肥效應(yīng)試驗場進(jìn)行。試驗場位于黃土高原中南部陜甘交界處陜西省長武縣王東村(35°12′N,107°40′E),海拔1200m。屬暖溫帶半濕潤易旱氣候區(qū),年均降水584mm,降水季節(jié)分配不勻,7—9月降水占全年降水的54%,2007—2008年冬小麥生育期內(nèi)降水量為388.4mm,略高于歷年同期平均降水量(370.7mm),其中2007年冬小麥休閑期及苗期(7—10月)降水較多(圖1)。試驗地土壤為中壤質(zhì)黑壚土,土壤基本理化指標(biāo)見表1。1.2冬小麥品質(zhì)測定指標(biāo)試驗采用裂區(qū)設(shè)計,水分為主處理,設(shè)不灌溉(雨養(yǎng)W0)和補充灌溉(W1)2個水平;肥料為副處理,設(shè)置對照(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個水平,試驗共10個處理,每處理3次重復(fù)(表2)。小區(qū)長3m,寬4.5m,四周用水泥砌墻1.5m深,以阻斷土壤水分養(yǎng)分交換,小區(qū)間留有0.5m寬的保護(hù)行。供試材料為冬小麥(長武89-134),2007年9月20日播種,播量150kghm-2,2008年6月24日收獲。從返青期開始每隔20d左右測定一次株高和生物量,同時使用LI-3000葉面積儀測定冬小麥單個分蘗的葉面積,根據(jù)葉面積及分蘗數(shù)計算葉面積指數(shù);割去地上部分后,緊貼主根用根鉆法取0～20cm根系,過0.5mm篩,使土根分離,再用水沖洗干凈,植株分為莖、葉、籽粒和穎殼等幾部分,與根樣一起經(jīng)風(fēng)干、粉碎、混勻后取樣保存,采用開氏定氮法測定各部分含氮量。每小區(qū)收獲中間3行測定籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量,籽粒產(chǎn)量為收獲時小區(qū)籽粒風(fēng)干質(zhì)量;生物量用加熱干燥法測定,于105℃殺青0.5h,60℃～70℃烘至恒量。每個小區(qū)中部均安裝有中子管,使用中子儀逐月測定0～3m土層土壤含水量,其中0～100cm每10cm測定1次,100～300cm每20cm測定1次。土壤儲水量、冬小麥耗水量、水分利用效率及氮素利用效率等指標(biāo)分別按下式計算:土壤儲水量(張北贏等,2009):W=h×ρ×θ×10/100冬小麥耗水量(李開元,1995):ET=P+I-ΔW水分利用效率(曹靖和胡恒覺,2000):WUE=Y/ET氮素積累量(霍中洋,2004)=地上部植株干質(zhì)量×地上部植株含氮量氮素利用效率(許振柱,2004a)=(施肥區(qū)地上植株氮積累量-不施肥區(qū)地上植株氮積累量)/施氮量×100%式中:W為土壤儲水量(mm);h為土層深度(cm);ρ為土壤容重(g·cm-3);θ為土壤重量含水量(%);冬小麥耗水量采用農(nóng)田水量平衡法計算(李開元,1995),其中ET為蒸散量(mm),P為降水量(mm),I為灌水量(mm),ΔW為土壤儲水變化量(mm);WUE為水分利用效率(kg·mm-1·m-2),Y為作物籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)。本文中土壤儲水量及作物耗水量均以3m土層含水量計算。1.3處理數(shù)據(jù)采用SPSS16.0軟件進(jìn)行多因素方差分析(LSD法)及相關(guān)性分析;使用SigmaPlot10.0軟件作圖。2結(jié)果與分析2.1不同的肥料和水處理來處理冬小麥生長動態(tài)2.1.1不同生育期中氮磷防治lai由圖2可見,從返青期到灌漿期冬小麥葉面積指數(shù)(LAI)先增加后減小,呈拋物線形變化,返青期葉面積指數(shù)最低,孕穗期最高。相同施肥水平下,不同生育期各處理LAI均為補充灌溉處理>雨養(yǎng)處理;相同水分條件下,除返青期各處理間差異較小外,其他生育期LAI均隨氮磷配施水平提高而增大,其中不施肥處理LAI最低;低氮低磷處理和低氮高磷處理基本無差異,均顯著高于不施肥處理;雨養(yǎng)條件下高氮高磷處理顯著高于高氮低磷處理,而補充灌溉后二者差異不顯著。說明高氮條件下氮磷互作顯著,促進(jìn)小麥群體生長;補充灌溉與氮磷配施有一定交互作用,促進(jìn)作物生長。2.1.2育期冬小麥生物量隨著生長發(fā)育推進(jìn)冬小麥生物量逐漸增加,其中,拔節(jié)期至揚花期生物量增長較快,揚花期后增長較慢或稍有降低,呈近“S”型曲線變化(圖3)。不同生育期冬小麥生物量:補充灌溉處理高于雨養(yǎng)處理,但未達(dá)到顯著水平;無論雨養(yǎng)處理或補充灌水處理,生物量均隨氮磷配施水平提高而增加,氮磷配施處理生物量顯著高于不施肥處理(P<0.05),高氮高磷處理生物量最高,且與其他處理差異顯著,其他氮磷配施處理間無顯著差異,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),磷肥的作用不顯著(P>0.05),水氮磷各因子間無顯著的交互作用(P>0.05)。2.2不同施肥處理對冬小麥管理中高氮重施的影響補充灌水及氮磷配施對冬小麥的產(chǎn)量構(gòu)成要素影響顯著(表3)。冬小麥成穗數(shù)基本隨氮磷配施水平提高而增加,與對照(W0N0P0)相比較,氮磷配施處理成穗數(shù)增加167.9×104～280.5×104,氮磷配施處理成穗數(shù)顯著高于不施肥處理,不同氮磷配施處理間差異不顯著;補充灌水能夠提高冬小麥成穗數(shù),補充灌水處理成穗數(shù)較雨養(yǎng)處理提高22.4×104～72.7×104,除高氮高磷處理顯著高于雨養(yǎng)處理外,其他處理均不顯著。不同處理冬小麥千粒重以低氮低磷處理最高,其次為低氮高磷和高氮低磷和高氮高磷,而不施肥處理最低,僅不施肥處理和低氮低磷處理有顯著差異;補充灌水能增加小麥千粒重,但與雨養(yǎng)處理間差異不顯著。穗粒數(shù)高氮低磷>高氮高磷>低氮低磷>低氮高磷>不施肥處理,其中高氮低磷處理顯著高于低氮高磷,低氮高磷處理顯著高于不施肥處理;補充灌水對穗粒數(shù)的促進(jìn)作用不明顯。補充灌溉和不同氮磷配施均能增加冬小麥籽粒產(chǎn)量(表3)。與相同施肥水平的雨養(yǎng)處理相比較,補充灌溉后籽粒產(chǎn)量提高3～1188kg·hm-2,除W1N2P1顯著高于W0N2P1處理外,其他處理均無顯著差異。與不施肥處理相比較,雨養(yǎng)條件下,氮磷配施增產(chǎn)2530～3717kg·hm-2,補充灌溉條件下,氮磷配施增產(chǎn)2528～4533kg·hm-2。雨養(yǎng)處理和補充灌溉處理籽粒產(chǎn)量均為:N180>N90>N0(高氮>低氮>不施氮),而相同氮水平不同施磷處理間差異不顯著。其中雨養(yǎng)高氮和雨養(yǎng)低氮處理籽粒產(chǎn)量均顯著高于不施肥處理(P<0.05),補充灌溉高氮,低氮和不施肥處理間均有顯著差異,說明施氮是作物產(chǎn)量提高的主要因素。方差分析表明,不同施氮水平的籽粒產(chǎn)量均有極顯著差異(FN=65.94,P<0.01),補充灌水與施磷的增產(chǎn)作用不顯著(P>0.05),補充灌溉與施氮及氮磷間均有顯著的交互作用(FNP=7.89,FWN=4.21,P<0.05)。2.3冬小麥的水利用2.3.1不同氮磷配施對耗水量的影響補充灌溉及不同施氮水平對冬小麥全生育期耗水量影響顯著(表4);與雨養(yǎng)處理相比較,補充灌溉后冬小麥總耗水量增加51.7～143.5mm,不同氮磷配施處理耗水量均顯著高于相應(yīng)的雨養(yǎng)處理(P<0.05);雨養(yǎng)條件下,不同氮磷配施處理較不施肥處理耗水量增加61.9～112.5mm,耗水量隨氮磷配施水平提高而增加,雨養(yǎng)不施肥處理最低,與其他處理差異顯著;補充灌溉條件下,不同氮磷配施處理較不施肥處理耗水量增加112.1～183.8mm,其中高氮處理顯著高于低氮處理及不施肥處理,而相同施氮水平,不同施磷水平(P60和P120)間差異不顯著。方差分析表明,補充灌水與施氮均極顯著增加冬小麥耗水量(FN=10.28,FW=64.96,P<0.01),施磷的作用不顯著(P>0.05),補充灌溉與施氮,施磷間均有顯著的交互作用(FWN=5.05,FWP=4.68,P<0.05)。不同處理冬小麥耗水量組成,其中降水占總耗水量的比例最高,達(dá)57.3%～91.5%,其次為灌水量占總耗水量的比例,為0～26.2%,土壤儲水變化量占總耗水量的比例最低,僅為6.8%～20.3%。在本試驗條件下,各處理土壤儲水變化量(△W)均為正值,表明生長季內(nèi)自然降水不能滿足小麥的水分需求,各處理對土壤儲水量均有不同程度的消耗。補充灌溉后明顯降低小麥土壤儲水變化量,但與雨養(yǎng)處理間差異不顯著;△W隨施肥水平提高而增加,其中W0N2P2最高,為138.8mm,占總耗水量的33%,對照(W0N0P0)最低,僅為28.4mm。氮磷配施處理△W顯著高于不施肥處理。表明在本試驗?zāi)陾l件下,補充灌溉能夠降低冬小麥對土壤儲水的消耗,但作用不顯著,而氮磷配施顯著增加冬小麥對土壤水分的消耗。2.3.2氮磷配施對w0np0和w02p1的影響補充灌溉及氮磷配施對冬小麥水分利用效率(WUE)影響有明顯差異(表4)。與相同施肥水平的雨養(yǎng)處理相比較,補充灌溉后冬小麥水分利用效率降低0.2～2.3kg·mm-1·hm-2,但差異不顯著;雨養(yǎng)條件下,氮磷配施處理WUE較不施肥處理(N0P0)提高4.0～7.2kg·mm-1·hm-2,W0N2P1處理WUE最高,與W0N2P2和W0N1P2處理三者差異不顯著,但顯著高于W0N1P1和對照,對照處理WUE最低,與其他處理均有顯著性差異。補充灌溉條件,水分利用效率隨施氮水平提高而增加,表現(xiàn)為N2>N1>N0,其中各施氮處理與不施肥處理差異顯著(P<0.05),而不同施氮水平間差異不顯著,不同施磷水平間WUE差異不顯著。方差分析表明,說明施氮水平極顯著影響冬小麥水分利用效率(FN=28.69,P<0.01),補充灌溉與施磷水平影響不顯著(P>0.05),各因子間無顯著的交互效應(yīng)(P>0.05)。2.4補充灌溉對各器官含氮量的影響冬小麥?zhǔn)斋@后不同器官含氮量及氮素積累量如表5所示,不同器官含氮量高低表現(xiàn)為籽粒>根>穎+軸>葉片>莖,以籽粒含氮量最高,為其他器官含氮量的3.5～6.4倍,莖含氮量最低,平均值僅為2.96g·kg-1。不同處理含氮量均隨施氮量增加而增加(N2>N1>N0);高氮與低氮處理不同器官含氮量均有顯著差異(P<0.05),但與磷肥施用量間無顯著相關(guān);補充灌溉處理各器官含氮量稍高于雨養(yǎng)處理,但未達(dá)到顯著水平。補充灌溉及氮磷配施對冬小麥氮素積累量及氮素利用效率均有顯著影響(表5)。與對照(W0N0P0)相比較,氮磷配施顯著提高了冬小麥地上部氮素積累量,冬小麥地上部氮素積累量隨施氮量增加而增加,氮素積累量與施氮水平間具有顯著的相關(guān)性,各施氮處理氮素積累量較對照增加83.2%～204.3%,其中低氮處理氮素積累量為60kg·hm-2左右,高氮處理氮素積累量為90～120kg·hm-2;補充灌溉能夠促進(jìn)氮肥的吸收,較雨養(yǎng)處理增加1.3%～12.1%,其中高氮高磷處理促進(jìn)作用達(dá)到顯著性水平。不同處理冬小麥氮素利用效率與氮素積累量趨勢一致,除W0N1P2處理外,各處理均隨施氮水平提高而增加,其中W1N2P2最高,為48.9%,對照最低,僅為30.1%。3討論3.1對小麥產(chǎn)量的影響前人研究表明,在一定土壤含水量范圍內(nèi),小麥的株高、分蘗數(shù)、葉面積指數(shù)、成穗數(shù)以及小麥的籽粒產(chǎn)量與生物產(chǎn)量均隨土壤含水量和施肥量增加而增加(張淑香等,2003)。本試驗條件下,補充灌溉增加了冬小麥葉面積指數(shù),生物量及籽粒產(chǎn)量,但均未達(dá)到顯著水平,由于試驗中灌水量相對較少,以及試驗?zāi)隇槠剿甑讐勢^為充足,因而補充灌水效果有限,此結(jié)果與李玉山等(李玉山等,1991)研究結(jié)果相同。氮、磷養(yǎng)分能增大葉面積,顯著提高小麥生物量、籽粒產(chǎn)量等指標(biāo)(Goosetal.,1999;李裕元等,2000)。本試驗有相同的結(jié)果,與對照(W0N0P0)相比較,氮磷配施提高冬小麥產(chǎn)量2530～3717kg·hm-2,不同施氮水平間小麥產(chǎn)量均有顯著差異,方差分析表明,施氮肥是產(chǎn)量提高的主要因素,施磷作用不顯著,氮磷及水氮的交互作用顯著。梁銀麗(1996)研究表明,不同水分條件下,氮磷對小麥生長及水分利用的調(diào)控作用不同。水分脅迫越嚴(yán)重,施磷的調(diào)控效果越好;氮素與磷素恰好相反,在土壤水分良好條件下,具有顯著的正向調(diào)節(jié)效果。本試驗?zāi)觌m然為平水年,但冬小麥休閑期及苗期降水充足,充足的底墑保證了氮肥的正向調(diào)節(jié)效果,而磷素的作用效果不顯著。3.2補充灌溉對冬小麥水分利用效率的影響在本試驗條件下,各處理對土壤儲水量均有不同程度的消耗,說明冬小麥生長季內(nèi)降水不能滿足小麥的水分需求,這主要與本地區(qū)降水少且分布不均,以及小麥根系較深,生育期長等有關(guān)。補充灌溉后明顯降低小麥土壤儲水變化量,雖然與雨養(yǎng)處理間差異不顯著,但能夠在一定程度上緩解土壤干旱。在冬小麥需水關(guān)鍵時期,補充灌溉可促進(jìn)植株干物質(zhì)積累,提高冬小麥水分利用效率,以達(dá)增產(chǎn)的目的(周永田等,2008);但也有試驗認(rèn)為,補充灌溉能夠降低冬小麥水分利用效率(張仁陟等,1999)。不同的研究結(jié)果主要是因為灌溉方式以及氣候條件(主要是降水)等不同。本試驗中,水分利用效率隨氮磷配施水平提高而