黄淮海平原是我国重要的冬小麦生产基地，冬小麦种植过程中长期存在的“大水大肥”现象不仅带来了土壤酸化、大气污染、水污染和水体富营养化等环境问题，也加剧了农业灌溉需水供水不协调的矛盾，严重制约了冬小麦产业的可持续发展^[1-2]。制定节水减肥增效的水氮管理模式，是黄淮海平原冬小麦可持续生产的必然选择。

冬小麦产量的形成主要取决于植株干物质的积累与转移特性。通过调控土壤水分、氮素供应来提高冬小麦干物质生产能力，协调同化物向籽粒的转移能力是提高冬小麦产量的有效途径^[3-4]。控释氮肥因具有氮素释放特征与作物氮素吸收规律基本一致的优点被认为是实现肥料提质增效的有效途径之一^[5]。大量研究表明，控释氮肥一次性基施可以有效提高氮素利用率，在降低劳动力成本的同时实现作物的高产稳产^[6]。然而，控释氮肥在土壤中的养分释放状况主要与土壤水分状况、温度等因素有关，水分不足会抑制控释氮肥养分释放，从而影响其肥效，水分过多则加剧土壤硝态氮的淋溶风险，降低土壤有效氮残留量^[7-8]。合理利用水分与控释氮肥的协同效应来优化水分和氮素管理措施，在提高氮素利用效率的同时减少水资源消耗，对保障冬小麦粮食生产与环境安全至关重要^[9-11]。针对水氮耦合对作物水氮利用和产量的影响已有部分研究，但有关控释氮素与水分减量协同调控冬小麦干物质积累动态、氮素转运影响还有待深入研究。因此，本研究通过连续两年的田间试验，研究水分与控释氮素耦合对冬小麦干物质积累及花前、花后氮素转运的影响，为黄淮海平原冬小麦高效水氮管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于 2019—2021 年在聊城大学环境土壤学教学科研基地（36°26′N，116°01′E）进行，前茬作物为夏玉米，各小区水肥处理一致。供试地点属于温带大陆性季风气候，年均温为 15.6℃，年均降水量为 584 mm。供试土壤为石灰性潮土，0~20 cm 土壤基本化学性质如下：有机质 12.5 g·kg^-1，全氮 0.7 g·kg^-1，硝态氮 24.5 mg·kg^-1，铵态氮 6.5mg·kg-1，有效磷 17.2 mg·kg^-1，速效钾 143.5 mg·kg^-1，pH 7.9（土水比 1∶2.5）。2019 年冬小麦 10 月 15 日播种，2020 年 5 月 27 日收获，生育期内降水 152.2 mm；2020 年 10 月 15 日播种，2021 年 6 月 3 日收获，生育期内降水 173.9 mm（图1）。

供试冬小麦品种为济麦 22。供试控释氮肥为山东农业大学肥业科技有限公司生产的树脂包膜尿素（N 43.3%），控释期为 3 个月，其余肥料包括大颗粒尿素（N 46%）、过磷酸钙（P₂O₅ 12%）、硫酸钾（K₂O 50%），均为市场购买。

1.2 试验设计

田间试验采用二因素裂区设计，氮肥类型为主区，灌水量为副区。氮肥类型设置普通尿素（U） 和包膜尿素（PCU）两种，灌水量设置传统灌水量 （累积灌水量 540 mm，I540）、减量 15%（累积灌水量 460 mm，I460）和减量 30%（累积灌水量 380 mm，I380）3 个水平，以累积灌水量 380 mm 的不施氮肥处理为对照（CK）。试验共 7 个处理，每个处理 3 次重复。试验小区面积 12 m²（长4 m，宽 3 m），小区与小区之间有 50 cm 隔离带。根据降水情况分别控制返青期、拔节期、灌浆期的灌水量分别占总灌水量的 30%、30% 和 40%。灌溉时通过水表控制灌水量，各小区用小型喷灌带单独浇水。除 CK 处理不施氮肥外，其余各处理氮肥（N 180 kg·hm^-2）、磷肥（P₂O₅ 125 kg·hm^-2） 和钾肥（K₂O 90 kg·hm^-2） 施用量一致。冬小麦生长过程中各处理除草、除虫等田间管理措施同当地生产习惯一致。

1.3 测定项目与方法

分别于返青期（3 月上旬）、拔节期（4 月上旬），孕穗期（4 月中旬）、开花期（4 月下旬）和成熟期（5 月下旬）在各小区取长势均匀的连续植株 50 株，其中返青期、拔节期和孕穗期取整株样品；开花期将植株分为叶片、茎秆 + 叶鞘、穗轴 + 颖壳三部分；成熟期将植株分为叶片、茎秆 + 叶鞘、穗轴 + 颖壳、籽粒四部分。将植株样品在 105℃下杀青 30 min，在 70℃下烘干至恒重，称重。收获时每个小区选取长势均匀的 1 m² 样方，计数穗数并人工收割脱粒，自然晾晒后以含水率 13% 折算小麦产量。将植株样品采用 H₂O₂-H₂SO₄ 消煮，半微量凯氏定氮法测定全氮含量^[12]。

1.4 数据处理与分析

采用 Excel 2010 进行数据统计与处理，SPSS 23.0 进行显著性差异分析（P<0.05），使用 Excel 2010 进行作图。

植株干物质和氮素转运计算公式如下^[13-15]：

营养器官花前贮藏干物质转运量（kg·hm^-2）= 开花期干物质累积量－成熟期干物质累积量；

营养器官花前贮藏干物质转运率（%）= 营养器官花前贮藏干物质转运量 / 开花期干重 ×100；

花前贮藏干物质转运量对籽粒的贡献率（%）= 花前干物质转运量 / 成熟期籽粒干重 ×100；

花后干物质对籽粒的贡献率（%）= 花后同化物输入籽粒量 / 成熟期籽粒干重 ×100；

营养器官氮素转运贡献率（%）= 营养器官氮素转运量 / 成熟期籽粒氮素累积量 ×100。

2 结果与分析

2.1 冬小麦各生育期干物质累积量

随着生育期的推移，各处理冬小麦干物质累积量不断增加（图2）。拔节期之后各施氮处理冬小麦干物质累积量均显著高于 CK 处理。在拔节期、开花期和成熟期，相同氮肥类型处理的冬小麦干物质量均表现出 I380<I460<I540 的趋势。同一灌溉水平下，成熟期 PCU 处理较 U 处理冬小麦地上部干物质累积量增加了 3.7%~12.9%。U×I540 处理与 PCU×I460 处理成熟期干物质累积量无显著差异，但均显著高于 U×I460 处理，表明在适量减少灌水量时施用控释氮肥不会显著影响冬小麦干物质累积。

注：柱上小写字母不同表示同一生育期处理间差异显著（P<0.05）。

2.2 开花期和成熟期干物质积累

灌溉和施氮以及二者互作均显著影响冬小麦花前和花后干物质积累与分配比例（表1）。施氮显著提高了开花期和成熟期冬小麦各营养器官干物质累积量，且均呈现茎秆 + 叶鞘 >叶片 >穗轴 + 颖壳的趋势（表1）。相同水分管理措施下，开花期 PCU 处理较 U 处理茎秆 + 叶鞘、叶片和穗轴 + 颖壳分别增加 8.23%~10.41%、9.48%~29.86% 和-5.16%~12.21%，成熟期则分别增加-1.96%~6.79%、-0.83%~22.52% 和 11.63%~20.97%，表明在相同水分管理措施下，施用控释氮肥有助于提高开花期冬小麦茎秆 + 叶鞘和叶片中的干物质分配量，而成熟期则提高了穗轴 + 颖壳中的干物质分配量。在开花期，两种氮肥下的 I540 处理叶片干物质量均显著高于 I380 处理，分别增加 33.31% 和 30.76%，穗分别增加 10.93% 和 28.29%，但茎秆 + 叶鞘干物质量无显著差异。在成熟期，I540 处理较 I380 处理的茎秆 + 叶鞘、叶片、穗轴 + 颖壳分别显著增加 23.25% 和 14.10%、 29.85% 和 8.88%、28.42% 和 35.43%。在各水氮组合中，各部位干物质量均以 PCU×I540 处理最高，但与 PCU×I460 和 U×I540（成熟期叶片干物质量除外）处理无显著差异，说明在减量灌溉条件下，施用包膜尿素仍能够使冬小麦维持较高的干物质积累量。

注：同列数据后小写字母不同表示处理间差异显著（P<0.05），*、** 分别表示 0.05、0.01 水平上差异显著、极显著，下同。

2.3 冬小麦干物质和氮素转运

开花后干物质输入是籽粒干物质的主要来源（图3a）。与各施氮处理相比，CK 处理冬小麦花前干物质转运率和干物质转运对籽粒的贡献率均明显提高，但花后干物质累积对籽粒的贡献率则显著降低。相同水分管理下，PCU 处理较 U 处理冬小麦花后干物质累积量增加了 15.49%~29.97%。相同氮肥类型下，冬小麦花前干物质转运率和花前干物质转运对籽粒贡献率均随灌水量的增加而逐渐降低，但花后干物质积累量对籽粒贡献率则呈现相反的趋势（图3b）。

水分与控释氮肥耦合对冬小麦氮素转运的影响与干物质转运类似（图3c，d）。施氮显著增加了冬小麦花后氮素积累量，但降低了花后氮素积累向籽粒的转运量。相同灌溉水平下，PCU 处理与 U 处理花前氮素积累量基本一致，但 PCU 处理花后氮素累积量较 U 处理增加了 4.57%~35.52%。相同氮肥管理措施下，随着灌水量的减少，U 处理营养器官转移的花前贮藏氮素量呈降低趋势。施用普通尿素时，I460 处理较 I540 处理花后氮素累积量降低了 21.22%；施用包膜尿素时，I460 处理冬小麦花后氮素累积量与 I540 处理无显著差异，但均显著高于 I380 处理。

注：图3a 为干物质积累量。图3b 为冬小麦花前干物质转运率、花前干物质对籽粒贡献率和花后干物质对籽粒贡献率。图3c 为冬小麦营养器官花前氮素转运量与花后氮素积累量。图3d 为冬小麦花前氮素转运量对籽粒的贡献率和花后氮素累积量对籽粒贡献率。柱上小写字母不同表示同一项目处理间差异显著（P<0.05）。

2.4 冬小麦氮素偏生产力与经济效益

施氮显著增加了冬小麦产量（表2），与 CK 处理相比，各施氮处理冬小麦产量显著增加 18.90%~87.64%。相同水分管理措施下，2019 和 2020 年PCU 处理较 U 处理分别增产-2.90%~9.38% 和 9.73%~20.96%。相同氮素管理措施下，两年间冬小麦产量均随灌水量的增加而增加，产量体现为 I540>I460>I380，表明增加灌水量有助于冬小麦籽粒产量的提升。2019 和 2020 年 PCU×I460 处理冬小麦籽粒产量较 U×I460 处理分别显著增加 7.57% 和 20.96%，同时 PCU×I460 与 PCU×I540、U×I540 处理籽粒产量均无显著差异。与其他处理相比， PCU×I460 处理以更少的水分投入维持了冬小麦高产稳产，经济效益较 U×I540 处理提高了 19.43%。

注：冬小麦价格均按照市场价 2000 元·t^-1 计算，肥料中尿素按 1624 元·t^-1，包膜尿素按 2369 元·t^-1，其他费用包括田间管理、农药及种子等，两年间相同。

3 讨论

3.1 水氮耦合对冬小麦干物质积累和氮素转运的影响

水分和氮素管理措施作为影响冬小麦干物质积累的重要因素，适宜的水氮供应对冬小麦干物质积累和产量形成具有显著的正耦合效应^[16-17]。冬小麦干物质积累和转运是决定其籽粒产量高低的主要因素，而花后干物质积累转运量是冬小麦籽粒产量形成的主要物质来源。本研究结果表明，相同水分管理措施下，施用控释氮肥可以提高花后干物质积累量与转运效率，促进植株营养器官的积累的干物质向籽粒转移，进而实现增产（表1）。前期研究表明，返青-灌浆关键期土壤中适宜的氮素供应是维持冬小麦花后较强的氮素同化作用和产量提高的关键，而控释氮肥养分缓慢有序释放的特点使其一次基施就能够较好地满足冬小麦产量形成关键期的氮素需求，从而有助于冬小麦产量的提升，这与前人的研究结果相一致^[18]。于振文等^[19]研究表明，高产小麦从出苗至拔节期、拔节至抽穗期、抽穗至成熟期吸收积累的氮量分别占植株全氮量的 20%、 60%、20%，其分别在冬前分蘖期和拔节至孕穗期出现 2 个氮素吸收高峰。控释氮肥养分的缓慢释放在减少劳动力投入的前提下可以达到氮素分期施用的效果，从而保证冬小麦生育中后期的氮素供应水平，提高植株氮素吸收和干物质的积累。满建国等^[20]的研究结果也表明，控释氮肥释放的氮素对冬小麦干物质积累分配和产量的调节作用与速效氮素分期施用的效果一致。

除氮素外，水分是影响冬小麦干物质积累和产量影响的另一重要因素^[21]。本研究结果表明，冬小麦花后干物质积累量和花后干物质累积对籽粒的贡献率则表现 I540>I460>I380，说明水分亏缺是限制冬小麦干物质积累的主要原因之一。但是，也有研究表明，过量的水分投入会导致冬小麦生育后期营养生长过旺，所积累的营养物质不能及时转移到籽粒中而导致减产，此外过高的灌溉量还可能加剧肥料随水淋失，造成不必要的水资源投入的同时增加地下水污染的风险^[22]。冬小麦籽粒产量的形成主要来源于花前营养器官的干物质转运和花后的功能叶片光合同化物的累积。黄彩霞等^[23]认为，适量减少水分投入会促进干物质的转运，提高干物质转运率，对因缺水导致的光合作用降低造成的花后干物质累积减少起到一定的补偿作用。赵财等^[24] 的研究结果也表明，适当减少冬小麦生育后期供水，能够为作物建立良好的冠层结构提高保障，降低冠层温度、增大湿度，有利于小麦后期干物质积累。

合理的水氮运筹可以促进植株对氮素的吸收和转运，增加籽粒的氮素累积量。冬小麦籽粒中的氮素有 62.1%~81.7% 来源于花前营养器官贮存氮素的输入^[25]。本研究中 I540 处理较 I380 处理籽粒氮素累积量和氮素转运量分别增加了 53.7% 和 17.9%，氮素转运率和氮素转运对籽粒的贡献率较 I380 处理分别降低了 1.2% 和 29.9%。这可能是由于水分胁迫导致冬小麦提前进入灌浆期，营养器官尤其是叶片的氮素向籽粒转运使得叶片含氮量降低，影响了冬小麦光合作用对光同化物的累积，导致植株对外源氮素的吸收能力下降，最终造成了花前转运率高而籽粒氮素含量较低的结果^[26]。当灌水量增加时，冬小麦贪青晚熟，一方面延长了叶片的持绿时间，促进了植株对氮素的吸收，增加了植株和籽粒的氮素积累量；另一方面，灌水增加推迟了冬小麦的灌浆时间，导致冬小麦收获时有大量氮素残留在营养器官中，形成存而不转的现象，降低了氮素转运效率^[27]。因此，控释氮肥与适量减少灌水并利用两者的协同效应既对小麦生长速率和干物质累积产生了显著的促进作用，也为实现高产奠定了基础。

3.2 水氮耦合对冬小麦产量影响

水分和氮素是冬小麦生长过程中两个重要的限制因子，前人研究表明，冬小麦的产量随着灌水量的增加而增加；相同灌水定额下，施用包膜尿素可以显著增加冬小麦的产量，这与本试验的研究结果基本一致。两年间 PCU×I540 处理冬小麦产量最高，较其他处理分别增加了 3.6%~39.0% 和 4.4%~87.6%。这可能是由于充足的水氮供给增加了冬小麦的有效分蘖，提高了叶片光合作用，促进了光同化物的产生，增加了花前干物质转运和花后干物质累积，从而达到增产效果。然而值得注意的是，本研究中 2019 年 PCU×I380 处理冬小麦产量低于 U×I380，是由于包膜尿素的养分释放受到土壤水分条件的影响，2019 年在冬小麦的拔节期降水量为 7 mm，较 2020 年减少了 35.8 mm，较低的水分含量限制了包膜尿素的养分释放，导致氮肥脱靶，最终降低了冬小麦的产量。冬小麦的产量受到土壤水分条件的限制，与 I540 处理相比，两年间 I460 处理冬小麦的产量分别降低了 2.7% 和 9.1%。但是我们也发现 PCU×I480 处理与 PCU×I540 处理并没有显著性差异^[28]，这可能是由于与普通尿素一次性施肥相比，包膜尿素保障了冬小麦生育后期土壤氮素供应，延缓了叶绿素的分解速度，从而缓解了因土壤水分降低对冬小麦籽粒建成的副作用，最终提高了冬小麦的产量^[29]。因此，综合水分利用效率以及种植成本看，灌水 460 m³ ·hm^-2 配施包膜尿素是最适宜本地冬小麦种植的水氮处理。该处理在减水 15% 条件下的可保证冬小麦的高产稳产，同时减少因灌溉施用导致的地下水氮淋溶污染的风险，兼顾了冬小麦生产的经济效益和生态效益，实现了冬小麦绿色丰产增效。

4 结论

冬小麦的氮素花前氮素转运量和花后氮素累积量均随着灌水量的增加而增加，高量灌水处理籽粒氮素累积量最大。PCU 处理显著增加了冬小麦的干物质累积量和累积速率，促进了花后干物质累积。足量灌水（I540）配施包膜尿素延长了冬小麦的灌浆时间，增大了花前干物质转运量和花后干物质累积量，从而获得最大产量，但其与灌水 460 m³ ·hm^-2 配施包膜尿素所得到的产量差距并不显著，所以综合考虑灌水 460 m³ ·hm^-2 左右配施包膜尿素为本地区最适宜推广的水氮处理组合。

参考文献