山西省南部麦区平均降水量478.2mm,主要集中在6—9月,而小麦生育期降水量为143.2mm,仅能满足冬小麦生育期耗水量的25%～30%[1]。目前农民普遍延用大水漫灌传统方法,水分有效利用率只有30%～40%[2]。滴灌、微喷灌水肥一体化技术是将灌溉与施肥相结合,可有效控制施肥、灌溉数量和时间,不仅控制水肥入渗深度,还能维持根区合理的养分供应浓度,使水肥供应与植株生长相协调,提高水肥利用效率,减少水肥损失[3,4,5]。有研究[6,7,8]表明,通过灌水量和灌水时期的调控形成适度水分胁迫,可提高小麦产量和水分利用效率,与传统漫灌相比,滴灌和喷灌可减少灌水量12.9%～41.5%,产量和水分利用效率分别提高11.3%～30.0%和3.1%～56.0%[9,10,11]。

在我国农业生产中,作物磷肥利用率偏低,大约为7.3%～20.1%[12,13,14]。施用适量的磷肥可以提高作物的产量和品质,施用过量则会造成磷素在土壤中的富集,且可通过地表径流、渗流等途径进入水体,造成环境污染[15,16,17]。邓九胜等[18]研究表明,适当减施磷肥并不会显著降低作物产量,反而可以提高磷的利用率和农学效率;史燕捷等[19]研究表明,秸秆还田基础上磷肥减量低于20%时,小麦产量差异不显著(P>0.05),且磷肥吸收利用效率较配方施肥分别提高16.7%,125.9%和1.9%;王秀娟等[20]也发现,磷肥减施20%结合秸秆还田可以提高土壤磷素利用率和产量。本研究针对山西省以石灰性土壤为主,成土母质中主要含钾矿物长石,具有较高或中等偏高供钾水平,在秸秆还田后旋耕播种冬小麦情况下,研究滴灌、微喷灌节水灌溉方式和磷钾肥减施对冬小麦产量、品质及水肥利用效率的影响,并对收获期0—40cm土壤养分含量进行测定,以期为冬小麦生产中节水节肥高产高效模式提供依据。

1、材料与方法

1.1试验区概况

试验于2017—2018年在山西省农业科学院小麦研究所韩村试验基地(36°06′24″N,111°30′55″E)进行。试验区为温带大陆性半干旱气候,属黄淮冬麦区北片,年平均气温13.1℃,年平均降水量453mm,年日照时间2400h左右,年蒸发量2150mm。试验地属中壤石灰性褐土,连续多年种植制度为小麦—玉米一年两熟轮作,2017年冬小麦播种前0—20cm土层含有机质13.35g/kg,碱解氮55.84mg/kg,速效磷14.01mg/kg,速效钾130mg/kg。

1.2试验设计

采取随机区组设计,11个处理,大区设计,大区面积为138m2(60m×2.3m),每个大区划分3个取样小区。设滴灌(W1)和微喷灌(W2)2种灌水方式,生育期灌水4次:越冬水+返青水+拔节水+灌浆水,灌水量分别为600,300,600,300m3/hm2,共计1800m3/hm2。磷钾肥设常量(P2O5135kg/hm2,K2O90kg/hm2)和减施20%,30%,40%,分别用RPK、RPK-20、RPK-30、RPK-40表示,磷钾肥施用方式均为底肥50%+返青期25%+拔节期25%;磷钾肥常量全部底施为相对对照(CK相);漫灌(越冬水+拔节水,灌水量:2025+1350=3375m3/hm2),且磷钾肥常量为对照(CK)。底施为播前撒施,追施采用文丘里施肥器水肥一体化施入,施氮量均为纯N225kg/hm2,底施70%+30%拔节期追施(表1)。滴灌采用内镶贴片式滴灌带,直径16mm,孔距150mm;微喷灌采用直径40mm斜5孔微喷带,灌水量用水表计数控制。机械条播,行距19.5～20.0cm,播种300kg/hm2。肥料为尿素(N46.4%)、磷酸二铵(N∶P2O5为18∶46)、氯化钾(K2O60%)。种植品种“品育8012”,2017年10月15日播种,2018年6月12日收获,其他管理措施同大田生产。

表1试验设计

1.3测定项目与方法

1.3.1土壤含水量

播种和收获当天每个划分小区各取2个点,测定0—100cm土层土壤含水量,每20cm为1层,共5层,用铝盒烘干法测定土壤质量含水量。按公式W=w×ρs×h×0.1计算土层贮水量。式中:W为土层贮水量(mm);w为土层含水量(%);ρs为土壤容重(g/cm3);h为土层厚度(cm);0.1为单位换算系数。生育期耗水(mm)=播前贮水量+生育期灌水量+降雨量-收获贮水量;产量水分利用效率=产量/田间耗水量。

1.3.2土壤养分含量

收获期在每个划分小区各取2个点的0—20,20—40cm土层测定土壤养分。土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定;碱解氮含量采用碱解扩散法测定;有效磷含量采用碳酸氢钠法测定;速效钾含量采用NH4OAc浸提,火焰光度计法测定[21]。

1.3.3产量测定

收获当天在每个划分小区随机挑选长势均匀的2行冬小麦,每行中间选取长20cm的区段作为样本,去除穗粒数<5粒穗数后,准确计数有效成穗数,并调查每穗粒数,求平均值为穗粒数;各处理收获2个未取样调查样方外,再随机取3个1.0m2,脱粒,风干后称重;数取500粒称重,换算成千粒重,2次重复(重复间相差≤0.5g),80℃下烘至恒重,计算籽粒风干含水率,按13%含水率计算千粒重和产量;氮(磷﹑钾)肥偏生产力=产量/氮(磷﹑钾)施用量。

1.3.4品质测试

采用瑞士波通DA7200型近红外分析仪测定小麦蛋白质、吸水率、沉降值和稳定时间。

1.4数据处理

采用Excel2003和DPS15.10软件进行数据处理与分析。

2、结果与分析

2.1滴灌、微喷灌与磷钾肥减施对产量及其构成要素的影响

由表2可知,2种节水灌溉方式下相同处理产量表现为滴灌(W1)>微喷灌(W2),产量随磷钾肥减施量增加而减少,其中滴灌磷钾肥减施20%和30%产量高于CK,减施20%时与CK差异显著;微喷灌磷钾肥减施及常量且分施产量与CK差异不显著。W1磷钾肥减施及常量且分施小麦成穗数、穗粒数千粒重差异不显著,产量以W1RPK-20最高,W1RPK-20较CK增产15.49%,增产与成穗数和穗粒数增加有关,其次是W1RPK,W1RPK-30与W1RPK-40差异不显著,滴灌磷钾肥分施产量高于全部底施,且差异显著。W2磷钾肥减施处理成穗数、穗粒数、千粒重及产量差异均不显著,磷钾肥减施及常量且分施产量差异不显著,但显著高于常量全部底施,W2磷钾肥减施较CK产量呈降低趋势,降低幅度0.87%～6.59%,减产与成穗数和穗粒数减少有关。

2.2滴灌、微喷灌与磷钾肥减施对加工品质的影响

由表3可知,滴灌、微喷灌各处理蛋白质、吸水率、沉降值及稳定时间较传统漫灌均有所提高,其中蛋白质、沉降值及稳定时间差异显著,2种节水灌溉方式下磷钾肥减施及常量且分施沉降值均表现为W1>W2。W1减施处理蛋白质、沉降值和稳定时间随磷钾肥减施量先升高后降低,W1RPK各项品质指标均较高,W1RPK-30蛋白质和稳定时间最高且与除W1RPK外其余处理差异显著,沉降值仅次于W1RPK,滴灌磷钾肥减施对吸水率影响较小,对蛋白质和稳定时间影响较大。W2减施处理吸水率、沉降值及稳定时间随磷钾肥减施量先降低后升高,W2RPK蛋白质和稳定时间较高且与其余处理差异显著,微喷灌磷钾肥减施对吸水率影响较大。

表2滴灌、微喷灌与磷钾肥减施处理下的小麦产量及其构成要素

CK    630.60ab 36.40a      39.93ab   6618.00cd

注:同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

2.3滴灌、微喷灌与磷钾肥减施对小麦水肥利用效率的影响

由表4可知,滴灌、微喷灌灌水量较传统大水漫灌减少46.67%,其生育期耗水量减少25.00%～38.30%,水分利用效率提高36.06%～105.24%,2种节水灌溉方式下相同处理水分利用效率均表现为W1>W2;磷钾肥分施水分利用效率高于全部底施,W1差异显著。W1生育期耗水量以W1RPK-30最高,其次是W1CK相;W1减施处理水分利用效率随磷钾肥减施量先降低后升高,W1RPK-20水分利用效率最高,其次是W1RPK。W2减施处理生育期耗水量随减施量增加而减少,水分利用效率则相反。滴灌、微喷灌各处理较传统大水漫灌氮磷钾肥偏生产力分别提高1.49%～29.81%,1.49%～83.49%,1.50%～83.52%,2种节水灌溉方式下减施处理氮磷钾肥偏生产力均表现为W1>W2,氮肥偏生产力随减施量增加而降低,磷钾肥偏生产力则相反。W1磷钾肥分施氮磷钾肥偏生产力显著高于全部底施,W1RPK-20氮肥偏生产力最高,且与其余处理差异显著;W1RPK-40磷钾肥偏生产力显著高于其余处理。

表3滴灌、微喷灌与磷钾肥减施处理下的小麦加工品质

表4滴灌、微喷灌与磷钾肥减施处理下的小麦水肥利用效率

注:NPFP为氮肥偏生产力;PPFP为磷肥偏生产力;KPFP为钾肥偏生产力。

2.4滴灌、微喷灌与磷钾肥减施对收获期土壤养分含量的影响

由表5可知,滴灌、微喷灌处理0—40cm有效磷含量表现为W1>W2;滴灌磷钾肥减施0—40cm土壤养分含量差异不显著,较CK有效磷含量提高;微喷灌磷钾肥减施0—40cm有效磷、速效钾、碱解氮及20—40cm有机质含量差异不显著。W1处理0—40cm土层有机质、速效钾含量及0—20cm碱解氮含量差异不显著;0—20cm有效磷含量以W1CK相最低,且与除W1RPK-20外的其余处理差异显著,20—40cm有效磷含量以W1RPK最高,且与其余处理差异显著,20—40cm碱解氮以W1CK相最高,且与W1RPK-40差异显著。W2处理0—20cm速效钾和碱解氮含量及20—40cm有机质含量无显著差异。0—20cmW2RPK-20处理有机质含量最高,与W2RPK-40处理差异显著,20—40cm有效磷含量以W2RPK处理最高,且与磷钾肥减施处理及CK差异显著,20—40cm速效钾和碱解氮含量均以W2RPK处理最高。

表5滴灌、微喷灌与磷钾肥减施处理下的收获期土壤养分含量

3、讨论

3.1节水灌溉方式与磷钾肥减施对小麦产量及其构成的影响

赵亚南等[22]研究表明,与习惯施肥相比,减量施肥对小麦产量没有显著影响,产量构成因子中穗数和穗粒数没有显著变化,千粒重呈增加趋势。本研究中与传统漫灌常量施肥相比,微喷灌磷钾肥减施与其产量差异不显著,而滴灌磷钾肥减施20%,30%产量提高,且当减施20%时产量显著提高,增产主要与成穗数和穗粒数增加有关。张磊等[23]通过对比滴灌随水施肥和滴灌正常施肥小麦产量,在等量施肥条件下,随水施肥可提高小麦产量。本研究结果表明,滴灌、微喷灌磷钾肥减量或常量50%底施+返青期和拔节期水肥一体化追施25%产量均显著高于全部底施。本研究进一步表明,相同处理滴灌产量高于微喷灌,增产幅度为1.50%～16.50%,2种灌溉方式产量均随磷钾肥减施量增加而减少。小麦—玉米一年两熟轮作是山西南部主要种植制度。玉米收获后秸秆还田播种小麦,整地质量差,土壤翘虚,导致小麦苗期发育不良,而滴灌灌溉均匀且水分主要聚集在土壤近表层,不会出现深层渗漏,大部分的水分正好处于小麦根系的主要分布区,易被吸收。本研究中,小麦生育期采用滴灌灌水4次且增量灌越冬水和拔节水,有利于提高成穗数和穗粒数,增加滴灌施肥次数可以维持生育后期叶片功能,提高干物质积累量,有利于籽粒灌浆和产量形成。

3.2节水灌溉方式和磷钾肥减施对小麦加工品质的影响

侯芳芳等[24]研究表明,微喷灌对小麦蛋白质含量没有显著促进作用,但提高籽粒硬度、面粉吸水率、面团最大拉伸阻力和最大拉伸面积。本研究中,滴灌、微喷灌较传统漫灌蛋白质、沉降值和稳定时间均显著提高,这与上述结论有所差异,这可能与品种特性以及小麦生育期灌水量和灌水次数不同有关。雷钧杰等[25]研究表明,适宜的滴灌量不仅可以获得高产,而且还可显著提高籽粒品质,与本研究结果一致。沉降值是测定小麦品质的综合指标,与小麦粉食品加工品质呈显著或极显著相关[26],本研究表明,磷钾肥减施及常量且分施相同处理滴灌沉降值均高于微喷灌。

3.3节水灌溉方式与磷钾肥减施对小麦水肥利用效率的影响

灌水量及灌水方式对冬小麦的生长、产量以及水分利用效率均有明显影响。本研究中采用滴灌灌水量1800m3/hm2,生育期灌水4次,磷钾肥减施20%且分施时水分利用效率最高,这与徐袁博等[27]研究不同,这可能与种植条件不同有关。本研究结果表明,与传统漫灌常量施肥相比,滴灌、微喷灌生育期耗水量降低,水分利用效率提高;而相同处理滴灌水分利用效率高于微喷灌,这可能是因为滴灌相比其他的灌溉方式具有良好的均匀性,有利于根系提高吸收利用水分的能力,从而减少水分的无谓蒸散和垂直渗漏。土壤水分是影响养分吸收利用的重要因素,而且存在着调控和互补效应[28]。本研究表明,滴灌、微喷灌常量或减量施肥较传统大水漫灌常量施肥氮磷钾肥偏生产力提高,滴灌磷钾肥减施20%且分施氮肥偏生产力最高,这可能是在滴灌条件下,随水施肥可以提高肥料利用率,氮磷钾彼此间养分协调,从而显著提高小麦对氮素的利用率。传统大水漫灌条件下,肥料撒施和过量施肥是化肥偏生产力低下的主要原因。因此,结合山西水资源缺乏现状,通过滴灌磷钾肥分次随水追施是达到小麦高产高效的有效途径。

3.4节水灌溉方式与磷钾肥减施对收获期土壤养分含量的影响

黄丽等[29]研究表明,磷钾肥随水分施入在一定程度上可以提高速效磷和速效钾在土壤耕层的含量,有利于作物吸收利用。而本研究发现,滴灌磷钾肥减施且追施时随水分施可以提高耕层有效磷和速效钾含量,而微喷灌则差异不显著。李亚莉等[30]研究表明,不同滴灌年限小麦土壤速效养分含量的最大值均在耕层,且随着土层深度的增加而逐渐降低,本研究结果与其一致。本研究中滴灌较微喷灌和漫灌提高土壤0—40cm有效磷含量,这与亓沛沛等[31]研究的速效磷质量浓度和分布受灌溉方式的影响均不明显结果不同,该研究结果有待进一步验证。

4、结论

山西省南部麦区,冬小麦采用滴灌浇水,灌水总量1800m3/hm2时,生育期灌水4次,越冬前和拔节期增量灌水,磷钾肥减施且采用50%底施+返青期和拔节期水肥一体化追施25%时,减施20%产量、水分利用效率和氮肥偏生产力最高,是高产高效水肥管理模式,减施30%虽产量次高,但品质性状最好,是稳产提质水肥管理模式。

参考文献：

[1]裴雪霞,党建友,张定一,等.近54年来晋南气候变化及其对旱地小麦产量的影响[J].麦类作物学报,2016,36(11):1502-1509.

[2]姚素梅,康跃虎,刘海军,等.喷灌与地面灌溉条件下冬小麦光合作用的日变化研究[J].农业工程学报,2005,21(11):16-19.

[3]郭丽,王丽英,张彦才,等.滴灌水肥一体化下施氮量对小麦氮素吸收及土壤硝态氮含量的影响[J].华北农学报,2017,32(3):207-213.

[4]姚素梅,康跃虎,茹振钢,等.喷灌对冬小麦植株氮素积累运转及籽粒蛋白质含量的影响[J].应用生态学报,2013,24(8):2205-2210.

[5]焦艳平,王福田,武剑,等.滴灌和微喷带灌溉对冬小麦生长及产量的影响[J].河北农业科学,2017,21(6):17-22.

[6]李法计,徐学欣,何中虎,等.三种限水灌溉水平下中麦175干物质积累与水分利用特性解析[J].中国农业科学,2018,51(2):374-385.

[7]曹彩云,党红凯,郑春莲,等.不同灌溉模式下小麦荧光特征及品种抗旱性研究[J].麦类作物学报,2017,37(11):1434-1444.

[8]许骥坤,石玉,赵俊晔,等.测墒补灌对小麦水分利用特征和产量的影响[J].水土保持学报,2015,29(3):277-281,329.

[9]姚素梅,康跃虎,吕国华,等.喷灌与地面灌溉条件下冬小麦籽粒灌浆过程特性分析[J].农业工程学报,2011,27(7):13-17.

[10]王建东,龚时宏,高占义,等.滴灌模式对农田土壤水氮空间分布及冬小麦产量的影响[J].农业工程学报,2009,25(11):68-73.

[15]盛海君,夏小燕,杨丽琴.施磷对土壤速效磷含量及径流磷组成的影响[J].生态学报,2004,24(12):2837-2840.

[18]邓九胜,张炜,朱荣松,等.基于土壤有效磷水稻磷肥施用推荐体系的探讨[J].西北农业学报,2011,20(2):81-84.

[19]史燕捷,金梦灿,朱远芃,等.水稻秸秆还田下磷肥减量对小麦产量及养分利用效率的影响[J].中国土壤与肥料,2020(1):1673-6257.

[20]王秀娟,解占军,何志刚,等.秸秆还田条件下减量施磷对玉米产量､磷素利用率及土壤磷质量分数的影响[J].河南农业科学,2018,47(8):39-44.

[21]鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京:中国农业科学技术出版社,2000:208-314.

[22]赵亚南,宿敏敏,吕阳,等.减量施肥下小麦产量､肥料利用率和土壤养分平衡[J].植物营养与肥料学报,2017,23(4):864-873.

[23]张磊,曾胜和,高志建,等.不同氮磷配比对滴灌小麦产量及养分利用效率的影响[J].西北农业学报,2012,21(5):79-83.

[24]侯芳芳,张睿,孙燕妮,等.不同生育期喷灌对渭北旱地小麦产量及品质的影响[J].麦类作物学报,2017,37(4):543-547.

[25]雷钧杰,张永强,陈兴武,等.新疆冬小麦籽粒灌浆和品质性状对滴灌用水量的响应[J].应用生态学报,2017,28(1):127-134.

[26]徐兆飞,张惠叶,张定一.小麦品质及其改良[M].北京:气象出版社,2000:51-54.

[27]徐袁博,李援农,银敏华,等.不同微喷灌灌水量对冬小麦生长､产量和水分利用效率的影响[J].干旱地区农业研究,2018,36(1):121-125.

[28]党建友,裴雪霞,王姣爱,等.灌水时间对冬小麦生长发育及水肥利用效率的影响[J].应用生态学报,2012,23(10):2745-2750.

[29]黄丽,范兴科.磷肥和钾肥不同配施方式对其养分在土壤中迁移的影响[J].水土保持学报,2018,32(2):184-190.

[30]李亚莉,赖宁,乔江飞,等.不同滴灌年限小麦土壤速效养分空间变异特征[J].新疆农业科学,2018,55(11):2069-2079.

[31]亓沛沛,冉圣宏,张凯,等.不同灌溉方式对干旱区耕地土壤养分及其分布的影响[J].灌溉排水学报,2013,32(2):33-36.

张晶,党建友,张定一,裴雪霞,王姣爱,程麦凤,闫翠萍.节水灌溉方式与磷钾肥减施对小麦产量､品质及水肥利用效率的影响[J].水土保持学报,2020,34(06):166-171.

基金:国家重点研发计划项目(2018YFD0200404-07);现代农业产业技术体系建设专项(CARS-3-2-7);山西省重点研发计划项目(201903D221022).