我国是世界上缺水严重的国家，农业灌溉水的利用效率极其低下。伴随着全球缺水程度的不断加深，灌溉成本也不断上升[1-4] 。由于作物生产中肥料投入数量不断增加，造成作物的水肥投入成本也越来越高。提高水肥利用效率，在保证高产水平下减少水肥投入，是实现小麦高产高效的主要途径。前人研究表明，合理的水氮运筹可以提高小麦旗叶的净光合速率和光合功能持续期[5-6]，增大穗数、穗粒数和千粒质量显著增加作物产量[7]，提高水分利用效率，小麦的需水关键期分布在小麦的生育中后期，通过适宜的水氮运筹可以提高产量及水分利用效率[8-13]。

在一定范围内增加灌水量具有增产效应，但过多灌水会使水分利用率显著降低[14]。返青期进行适当的水分运筹能够兼顾冬小麦产量和蛋白质产量[15-17]。适量施氮可以提高水分利用效率[18]，节水灌溉模式下，水氮间存在显著的互作效应[19]。在一定范围内，随着施氮量的增加，小麦拔节后株间蒸发量显著降低，开花后旗叶水分利用效率显著提高，但是继续增大施氮量，小麦株间蒸发量不再降低，开花后旗叶水分利用效率甚至降低[20-21]。尽管目前有关水氮效应的研究在小麦上已有很多，但是关于水氮合理运筹及对小麦生长发育的影响尚有待进一步研究。

本试验通过盆栽试验，严格控制小麦各生育时期的土壤含水量，区别于传统灌溉次数与灌水量研究，同时利用水氮运筹技术，研究不同水氮条件对小麦光合特性、水分利用效率和产量等的影响，旨在为科学管理小麦水肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验于2015-2016年在河南农业大学科教示范园区(113°39′E，34°43′N)进行。试验处理设置：在返青至拔节期土壤相对含水量55%的基础上，设置拔节至成熟期土壤相对含水量的55%(H1)、65%(H2)、70%(H3)、75%(H4)、85%(H5)5个水分水平；不施氮(施纯氮0 kg/hm2，N0)、施中氮(施纯氮195 kg/hm2，N1)和施高氮(施纯氮270 kg/hm2，N2)3个氮素处理。于10月6日施基肥，磷肥(过磷酸钙)为P2O5 180 kg/hm2，钾肥(硫酸钾)为K2O 150 kg/hm2，同时基追比2∶3施尿素，土壤类型为潮土。土壤含有机质14.7 g/kg、全氮0.79 g/kg、碱解氮72.00 mg/kg、速效磷27.80 mg/kg、速效钾130.0 mg/kg。土壤容重为1.53 g/cm3，田间平均最大持水量为21.14%。

将子母盆放置在各小区内坑中，装土13 kg/盆，点播15粒/盆，冬前于三叶期定株，每盆定植长势一致的麦苗5棵；冬后自返青期开始按组合进行水分处理，返青至拔节期隔3 d补水，拔节期至成熟期隔1 d补水，用秤估量，量筒补水使各处理达到目标质量。小麦生长季返青期之前的降水量为155 mm。5月29日完全成熟，分处理收获考种。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 各处理目标质量 采用烘干法测各处理灌水前的土壤含水量及干土质量。目标质量=干土质量×(1+田间持水量×相对含水量)。

1.2.2 耗水量计算 目标质量与当次称得质量之差为耗水量。为方便记录，用耗水量与盆栽表面积之商，即毫米数表示。

1.2.3 灌浆速率计算 自花后15 d开始，每7 d取一次籽粒，取主茎穗子，每个处理3次重复，共进行4次，用烘干法测籽粒干质量。灌浆速率=(Mj-Mi)/a，其中，Mj为当次测量的籽粒质量，Mi为前一次测量的籽粒质量，a为2次取样间隔天数。

1.2.4 光合参数测定 于花后10 d开始，使用美国产Li-6400光合仪测旗叶净光合速率。Pn(μmol/(m2·s))、蒸腾速率Tr mmol/(m2·s))和气孔导度Gs(mmol/(m2·s))，7 d一次，取整盆的主茎旗叶中部，每个处理3次重复，共进行3次。

1.2.5 籽粒产量测定 每盆小麦全收，考种；自然风干至籽粒含水率为12.5%，计算籽粒产量。

耗水系数=耗水量/产量；水分利用效率=干物质量/蒸腾量；氮肥偏生产力=产量/施氮量；氮肥农学利用率=(施氮处理的产量-不施氮处理的产量)/施氮量。

1.3 数据分析

用Microsoft Excel 整理数据，用SPSS 17进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 水氮运筹对小麦水肥利用效率的影响

研究结果表明(表1)，在5个水分处理中，H2处理的水分利用效率、氮肥农学利用率最高，显著高于H1、H4、H5，耗水系数最低；H3处理的产量最高，显著高于H1、H2处理，与H4和H5处理之间差异不显著。说明在土壤相对含水量70%时的小麦产量最高，而65%条件下水肥利用效率最高。

在施中氮条件下，产量、氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率均最高，且显著高于其他2个处理，耗水系数显著低于不施氮和施高氮处理，水分利用效率最高，显著高于施高氮处理，与不施氮处理间差异不显著。说明施纯氮195 kg/hm2可显著提高小麦的产量和水肥利用效率。

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)；大写字母表示差异极显著(P<0.01)。表2-4、图1-3同。

Note：Different small letters are significant difference(P<0.05)；Capital letters are extremely significant difference(P<0.01).The same as Tab.2-4，Fig.1-3.

进一步分析水氮耦合的组合效应表明(表2)，在所有15个处理组合中，H2N1和H3N1组合的产量、氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率最高，且显著高于其他组合；H2N1组合的水分利用效率最高，为1.90 g/kg，H3N1组合为1.71 g/kg，2个组合的耗水系数均低于1 580 kg/kg，氮肥偏生产力均高于15.10 kg/kg，氮肥农学利用率均高于7.50 kg/kg，且彼此间差异不显著，其中，氮肥偏生产力和氮肥农学利用率显著高于其他处理。说明土壤相对含水量65%～70%与纯氮195 kg/hm2的组合是高产高效水氮组合。同时表明水氮两因素之间存在交互效应，且交互效应对产量、水分利用效率、耗水系数、氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率的影响达到极显著水平。

注：W×N代表水氮两因素交互作用。

Note: W×N stands for the interaction effect between water and nitrogen.

2.2 水氮运筹对小麦灌浆速率的影响

图1结果表明，N1处理的小麦灌浆速率在整个灌浆过程中总体高于N0和N2处理；平均灌浆速率以H2 和H3较高，比其他处理高出15%～64%。N1处理条件下，H2 和H3处理在花后29 d以前的灌浆速率均高于其他3个处理，15，22，29 d灌浆速率分别达到2.8，2.1，1.2 g/d，而其他3个处理分别低于2.3，1.7，1.0 g/d。H2和H3的灌浆速率显著高于其他处理，说明H2N1和H3N1处理能有效提高小麦灌浆速率，有效佐证了H2N1和H3N1是小麦获得高产高效的最佳组合。

2.3 水氮运筹对小麦灌浆期旗叶净光合速率的影响

进一步分析小麦灌浆期旗叶的净光合速率结果表明(图2)，N0处理在花后24 d丧失光合能力。N1处理的小麦灌浆期旗叶净光合速率总体高于N0和N2处理，其中花后10 d和17 d，H2和H3的旗叶净光合速率最高，分别达到24.5，22.2 μmol/(m2·s)以上，显著高于其他水分处理；花后24 d旗叶净光合速率明显降低，但H2和H3净光合速率仍在5.0 μmol/(m2·s)以上。结果说明，N1处理能明显提高小麦灌浆期旗叶净光合速率，H2N1和H3N1是提高小麦灌浆期旗叶净光合速率优化组合，也是提高灌浆速率和产量的物质基础。

2.4 不同处理下小麦各时期耗水量变化

为明确不同处理下小麦耗水的动态变化，分析了不同处理下小麦各时期耗水量。结果表明(表3)，小麦耗水量随着土壤含水量的增加而增大，阶段耗水百分比也随之加大。在拔节至开花期耗水量及耗水比顺序为H1

表3结果还表明，耗水量随着施氮量的增加而增大。在拔节至开花期，N2显著高于N0；开花至成熟期和总耗水量N2和N1显著高于N0。

进一步分析不同水氮组合的耗水量变化表明(表4)，耗水量有随土壤含水量和施氮量的增加而增大的趋势。在拔节至开花期，H1和H2条件下各处理(H2N2除外)耗水量均显著低于H4和H5的各处理组合，H3N1和H3N2的耗水量与H4和H5条件下各处理之间差异不显著；在开花至成熟期，施氮条件下H1和H2各处理组合(H2N2除外)的耗水量均显著低于H4和H5各处理组合。表明减少灌溉与氮素施用能有效降低水分消耗，提高水分利用效率。

2.5 不同水肥处理对小麦灌浆期旗叶蒸腾速率的影响

麦田水分消耗包括地面蒸发与叶面蒸腾，叶面蒸腾速率是水分有效利用的重要指标，进一步分析小麦灌浆期旗叶的蒸腾速率表明(图3)，N0处理在花后24 d不再进行蒸腾作用，N1处理的小麦灌浆期旗叶蒸腾速率总体高于N0和N2处理，其中，在花后10 d和24 d显著高于N0和N2处理；N1处理条件下，花后10 d H2的旗叶蒸腾速率最高，达到11.85 mmol/(m2·s)，H3次之，为11.14 mmol/(m2·s)，二者间差异不显著；花后17 d和24 d H2和H3的旗叶蒸腾速率均高于其他处理，达到显著水平。结果说明N1处理能明显提高小麦灌浆期旗叶蒸腾速率，H2N1和H3N1组合是提高小麦灌浆期旗叶蒸腾速率优化组合。蒸腾速率代表小麦的有效耗水状况，蒸腾速率越高表示小麦总耗水量中的有效耗水越多。因此，H2N1和H3N1组合的旗叶蒸腾速率高，是H2N1和H3N1组合获得较高水肥利用效率和产量的有效佐证。

3 结论与讨论

小麦产量和水分、养分利用效率是衡量小麦高产性和高效性的主要指标，适宜的水氮运筹能抑制地上部生长和促进地下部生长，提升根系水分利用潜力，同时有利于群体冠层的发育，为后期籽粒灌浆提供物质基础，增加有效利用，减少无效消耗，提高水分、养分利用效率，增加产量[18，22-25]。本试验结果表明，氮肥对产量、耗水系数和肥料利用效率的影响极显著，水氮之间的交互效应达到极显著水平。适宜的水分调控与合理施氮都能够改善旗叶的光合能力。增施氮肥能够延长旗叶净光合速率的上升时间，在整个灌浆时期内，净光合速率以施中氮和土壤相对含水量为65%～70%较高，这与灌浆速率相一致，也是H2N1和H3N1取得较高产量的重要基础。

小麦的有效耗水状况可以用蒸腾速率来表征，一般认为，蒸腾速率越高则小麦的有效耗水在总耗水量中的量和比例越大，同时也代表着较大的光合强度。本研究结果表明，尽管小麦耗水量随着土壤含水量和施氮量的增大而增大，但是中氮条件下小麦灌浆期旗叶蒸腾速率高于不施氮和施高氮处理，花后15 d H2和花后22 d H3处理的旗叶蒸腾速率显著高于其他3个处理，这也说明H2N1和H3N1组合是小麦获得较高的水肥利用效率和产量的优势组合。

植物水分利用效率一直是研究中比较关注的问题，了解植物的水分利用效率可以掌握植物生存策略，最终可以控制有限的水资源来获得最高的产量和经济效益。而在小麦的生产实践当中，重视水和氮的合理利用，实现水与肥的高效与节约始终是重要目标。H2N1和H3N1处理组合的水分利用效率、产量、氮肥偏生产力和农学利用高于其他处理，达到显著水平，H2N1高于H3N1，但是差异不显著。因此认为，田间相对含水量控制在65%～70%，配合195 kg/hm2的施肥量是小麦取得高产和高水肥利用效率的最优组合。

本研究结果表明，在小麦中后期控制田间相对含水量在65%～70%，是实现小麦高产高效的最适土壤相对含水量指标。在土壤全氮0.79 g/kg、碱解氮72.00 mg/kg条件下，氮肥施用量195 kg/hm2，或根据土壤养分状况变化，适当调整氮肥使用量，可达到水氮耦合的最佳效果，实现小麦生产的高产高效。

参考文献：

[1] 王洁萍,刘国勇,朱美玲.新疆农业水资源利用效率测度及其影响因素分析[J].节水灌溉,2016(1):63-67.

[2] Du T S，Kang S Z，Sun J S，et al. An improved water use efficiency of cereals under temporal and spatial deficit irrigation in North China[J]. Agricultural Water Management，2010，97(1)：66-74.

[3] 操信春,任 杰,王卫光,等. 基于水足迹的中国农业用水效果评价[J]. 农业工程学报,2018,34(5):1-8.

[4] 齐学斌,黄仲东,乔冬梅. 灌区水资源合理配置研究进展[J]. 水科学进展, 2015, 26(2): 287-295.

[5] 王 磊，董树亭，刘 鹏. 水氮互作对冬小麦光合生理特性和产量的影响[J]. 水土保持学报, 2018, 32(3): 301-308.

[6] 杨永辉，武继承，何 方，等. 水肥运筹对冬小麦光合特性、产量及水分利用的影响[J]. 河南农业科学，2015，44(5)：67-71.

[7] 郑志松，王建敏. 水肥耦合对冬小麦产量及其构成因素的影响[J]. 河南农业科学，2012，41(8)：26-33.

[8] 何晓雁，郝明德，李慧成，等. 黄土高原旱地小麦施肥对产量及水肥利用效率的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2010，16(6)：1333-1340.

[9] 紫 瑾，陈源泉，张建省，等. 黑龙巷流域不同滴灌制度下的冬小麦产量和水分利用效率[J]. 作物学报，2013，39(9)：1687-1692.

[10] 宁东峰，李志杰，孙文彦，等. 节水灌溉对黄淮海地区冬小麦水分消耗与光合特性的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2010，16(4)：852-858.

[11] Kumar A，Singh D P，Singh P. Influence of water stress on photosynthesis，transpiration，water-use efficiency and yield of Brassica juncea L.[J]. Field Crops Research，1994，37(2)：95-101.

[12] Li Q Q，Dong B D，Liu M Y，et al. Root growth，available soil water，and water-use efficiency of winter wheat under Different irrigation regimes applied at Different growth stages in North China[J]. Agricultural Water Management，2010，97(10)：1676-1682.

[13] 于振文. 小麦产量与品质生理及栽培技术[M]. 北京：中国农业出版社，2006：17-19.

[14] Sun H Y，Shen Y J，Yu Q，et al. Effect of precipitation change on water balance and WUE of the winter wheat-summer maize rotation in the North China Plain[J]. Agricultural Water Management，2010，97(8)：1139-1145.

[15] 杜太生，康绍忠，王振昌，等. 隔沟交替灌溉对棉花生长，产量和水分利用效率的调控效应[J]. 作物学报，2007，33(12)：1982-1990.

[16] 申孝军，孙景生，刘祖贵，等. 灌水控制下限对冬小麦产量和品质的影响[J]. 农业工程学报，2010，26(12)：58-63.

[17] 王书吉，康绍忠，李 涛. 基于节水高产优质目标的冬小麦适宜水分亏缺模式[J]. 农业工程学报，2015，31(12)：111-118.

[18] 栗 丽，洪坚平，王宏庭，等. 水氮处理对冬小麦生长，产量和水氮利用效率的影响[J]. 应用生态学报，2013，24(5)：1367-1373.

[19] 孙永健，孙园园，徐 徽，等. 水氮管理模式对不同氮效率水稻氮素利用特性及产量的影响[J]. 作物学报，2014，40(9)：1639-1649.

[20] 张英华,张 琪,王志敏,等. 适宜微喷灌灌水频率及氮肥量提高冬小麦产量和水分利用效率[J]. 农业工程学报, 2016, 32(5):88-95.

[21] 段文学，于振文，张永丽，等. 施氮量对旱地小麦耗水特性和产量的影响[J]. 作物学报，2012，38(9)：1657-1664.

[22] 孙克刚，杨焕焕，张 琨，等. 冬小麦，夏玉米高效施肥技术研究[J]. 河南农业科学，2017，46(10)：38-43.

[23] 李晶晶，尹 钧，李武超，等．不同水氮运筹对冬小麦光合特性和产量的影响[J]. 河南农业科学,2017, 46(5): 27-33.

[24] 吴光磊，郭立月，崔正勇，等. 氮肥运筹对晚播冬小麦氮素和干物质积累与转运的影响[J]. 生态学报，2012，32(16)：5128-5137.

[25] 冯素伟，胡铁柱，茹振钢，等. 百农矮抗58生育后期冠层结构动态变化及产量分析[J]. 河南农业科学，2013，42(9)：25-28.

Studies on the Efficient Utilization and Coupling Effect of Nitrogen-water in Wheat

LI Wuchao1，LI lei1，WANG Wei2，LI Jingjing1，YIN Jun1

(1.National Engineering Research Center for Wheat， Henan Agricultural University，Zhengzhou 450046，China；2.Henan Institute of Science and Technology Strategy，Zhengzhou 450000，China)

Abstract：Semiwinter wheat variety Zhoumai 22 was used as material to study the effects of Different water-nitrogen combinations on photosynthetic characteristics，water use efficiency，water consumption and yield during the grain filling period of wheat，in order to determine the optimal combination of high yield and high efficiency utilization of water-nitrogen for wheat.The experiment was carried out using pot cultivation under rain shelter，setting up five water level：the relative soil water content of 55% (H1)，65% (H2)，70% (H3)，75% (H4) and 85% (H5) from jointing to mature period on the basis of the relative soil water content of 55% from returning green stage to jointing stage，and 3 nitrogen level：no nitrogen (0 kg/ha,N0)，medium nitrogen (195 kg/ha,N1) and high nitrogen (270 kg/ha,N2). The results showed that nitrogen fertilizer had a extremely significant effect on yield，water consumption coefficient and fertilizer use efficiency，and the interaction between water and nitrogen was extremely significant. Under the conditions of 65%-70% soil relative water content and medium nitrogen，the net photosynthetic rate and transpiration rate of wheat were significantly higher than that of other treatments during the whole grain filling period，of which the transpiration rate of 10 d after flowering was over 11 mmol/(m2·s)，the grain filling rate increased 15%～64%，the water use efficiency was over 1.7 g/kg，while the partial productivity and the agricultural utilization of nitrogen fertilizer were over 15.1,7.5 kg/kg，respectively. It was the best combination for wheat to obtain high efficiency utilization of water-nitrogen，maximum grain filling rate and grain yield. Thus，it is concluded that the combination of 195 kg/ha nitrogen fertilizer and 65%-70% soil relative water content from jointing stage to maturity stage not only give the highest yields，but also have the highest WUE，nitrogen partial productivity(NPEP) and nitrogen agronomic use efficiency(NAUE).

Key words:Wheat；Water-nitrogen coupling； WUE； Yield

收稿日期：2018-05-20

基金项目：河南省基础与前沿技术研究项目(162300410167)

作者简介：李武超(1990-)，男，河南鲁山人，硕士，主要从事小麦生理生化研究。李武超、李磊为同等贡献作者。

通讯作者：尹 钧(1957-)，男，山西运城人，教授，博士，博士生导师，主要从事小麦栽培生理生态与生物技术研究。

中图分类号：S152.7;S143.1

文献标识码：A

文章编号：1000-7091(2018)05-0232-07

doi:10.7668/hbnxb.2018.05.032