王兴亚，周勋波，钟雯雯，陈雨海，韩坤

（1.中国农业大学农学院，北京100094；2.广西大学农学院，广西南宁530004；3.山东农业大学农学院，山东泰安271018）

种植方式和施氮量对冬小麦产量和农田小气候的影响

王兴亚1，3，周勋波2，钟雯雯3，陈雨海3，韩坤3

（1.中国农业大学农学院，北京100094；2.广西大学农学院，广西南宁530004；3.山东农业大学农学院，山东泰安271018）

分析了不同种植方式和施氮量对农田小生境的影响，研究提高小麦产量的优化组合。采取随机区组设计，设置两种种植方式：30 cm等行距平作（U）、20 cm＋40 cm沟播（F）；三种氮素处理：生育期不施氮（N0）、生育期总施氮量为112.5 kg·hm－2（N1）、生育期总施氮量为225 kg·hm－2（N2），3次重复。结果表明，沟播0～15 cm土壤温度比平作降低0.4℃，5、50 cm的空气温度分别降低了0.3℃、0.5℃，空气湿度分别增加了2.8%、3.1%，进而土壤棵间蒸发强度降低了9.9%；在灌浆期，沟播比平作冠层光合有效辐射截获率的日均值提高了13.5%；在N1条件下，沟播的产量显著高于平作（P＜0.05）。随着施氮量的增加，小气候的各项指标有所改善，但是幅度在逐渐减少；在沟播条件下，N1产量显著高于N0（P＜0.05），N2和N1之间没有显著性的差异（P＞0.05）。综合考虑到产量和施肥量，20 cm＋40 cm沟播和施氮量112.5 kg·hm－2是较好的种植方式。

土壤温度；空气温度；相对湿度；土壤蒸发强度；冬小麦；产量

冬小麦是我国重要的粮食作物之一，播种面积占我国农作物总播种面积的20%，产量占到粮食总产量的20%～25%［1］。在过去的几十年里，为了提高小麦的单产，增加粮食产量，化肥使用量逐年增加，其中，氮肥占到60%。大量氮肥的投入尽管获得了较高的籽粒产量，但是过多的氮肥施用不但会造成农业生产成本的提高和氮肥利用率的降低，还会导致一系列环境问题的产生［2－4］。因此，提高冬小麦的产量和氮肥利用率，实现粮食的高产高效，是我国农业研究的关键所在［5］。

作物的种植方式影响群体结构的建成和生长动态，在高产种植条件下效果更明显［6］，进而导致群体内部农田环境发生变化，造成作物蒸腾蒸发和光截获的不同［7－9］。因此，通过调整种植方式来构建一个合理的小气候对作物生长发育和产量提高十分重要。与传统种植方式相比，小麦垄作可降低田间湿度、改善群体内部的通风透光条件和提高作物的产量［10－11］。孙淑娟［12］等研究发现，行株距分布较均匀的处理能够明显降低近地面空气温度和0～5 cm土壤温度，增加空气湿度，减少了棵间蒸发，提高了作物产量。刘忠堂［13］、Board等［14］研究表明，大豆适当增加株距、缩小行距能够有效地截获光能。

不同的种植方式对农田小气候的影响前人已做了不少研究，但是不同的种植方式和施氮量相结合对其影响的研究较少。本文针对目前的状况，将种植方式和施氮量相结合，研究其对农田小气候和产量的影响，探讨最佳的种植方式和施氮量的组合，以期为山东省小麦的稳产增产，降低肥料使用量提供一定的理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

1.1.1 试验地概况试验于2013—2014年在山东农业大学农学实验站（36°09′N，117°09′N）水分池进行，水分池面积为9 m2（3 m×3 m）。池壁高出地面20 cm，壁厚15 cm，地下2 m，四周用水泥抹面，以防止水分侧渗。该地为半湿润暖温带大陆性季风气候，全年太阳辐射总量为4.66×106kJ·m－2，全年平均日照时数2 627 h，年际变化在2 342～3 413 h，年平均降水量为688.3 mm，主要集中在7、8月份。年平均气温为12.9℃，以七月份最高，平均为26.4℃，一月份最低，平均为－2.6℃。全年平均≥0℃的积温4 731℃，≥10℃的积温4 213℃，无霜期平均为196 d。表1为冬小麦生长季月降雨量，总降雨量为158.4mm，降雨主要集中在5月份。试验地土壤类型为沙壤土，土壤耕层（0～20 cm）有机质含量为18.9 g·kg－1，碱解氮123.2 mg·kg－1，速效磷40.6 mg·kg－1，速效钾124.5 mg·kg－1；pH值为6.9，容重为1.50 g·cm－3，田间土壤含水量为25.3%（V%）。

表1 冬小麦生长季节的月降雨量／mmTable 1 Monthly rainfall in the winterwheat growing season

1.1.2 试验设计供试品种为济麦22号，于2013年10月10日按4×106株·hm－2进行人工点播，播种深度为2～3 cm，间苗保证基本苗为2×106株·hm－2。分别在拔节、抽穗和灌浆期灌溉50 mm，水表控制灌溉量。

冬小麦生育期内施磷肥（P2O5）120.0 kg·hm－2，钾肥（K2O）105.0 kg·hm－2，均作底肥一次性施入。所施氮肥为尿素，分两次等量施用，一次作底肥，一次拔节期追肥。平作氮肥采用普通撒施方法，沟播将氮肥集中施到沟里。

冬小麦群体在同一密度下设30 cm等行距平作（U）、20 cm＋40 cm沟播（F）两种种植方式。沟播处理，沟深10 cm，沟顶宽40 cm、底宽20 cm，垄顶宽20 cm，底宽40 cm，行距为20 cm的小麦种在沟内（图1）。

图1 种植方式示意图Fig.1 A schematic diagram showing

3种种植方式下分别设置3个氮肥（纯氮）梯度，即N0：0 kg·hm－2，N1：112.5 kg·hm－2，N2：225 kg ·hm－2。本试验共6个处理，3次重复，采用完全随机区组设计。

1.2 测定项目和方法

1.2.1 农田小生境测定土壤温度：冬小麦生育期间，选取除边行外长势均匀的一行，在等行距的行中间，沟播的沟中间，提前安好测定0、5、10、15 cm深度土壤温度的地温表，从3月26日开始，每6天在上午8∶00和14∶00分别测定一次，平均值作为日温度。

空气温度和相对湿度：冬小麦在拔节期（GS35）、挑旗期（GS44）、抽穗期（GS49）、灌浆期（GS71）、成熟期（GS80），用便携式气象监测仪NK4000（Nielsen－Kellerman Co.，Boothwyn，USA）测定距地面5、50 cm的温度和相对湿度。测定时，选取除边行外长势均匀的一行，在等行距的行中间，沟播的沟中间，将仪器分别放在距离地面5、50 cm处进行测定。每个处理3次重复。

蒸发强度：在冬小麦的拔节期、灌浆期，在每个小区内选取除边行外长势均匀的一行，在等行距的行中间，沟播的沟中间，用自制的小型蒸渗装置（内径50mm、壁厚2mm、高50mm的环刀）和1／1000天平测定棵间蒸发，3次重复，连续测定5天，遇降雨需要重新测定。

光合有效辐射（PAR）截获的测定：在小麦的灌浆期，在每个小区内选取除边行外长势均匀的一行，在等行距的行中间，沟播的沟中间，8∶00—16∶00，用冠层分析仪每2 h测定1次冠层顶部入射和反射的光合有效辐射，计算PAR截获率。

1.2.2 产量测定每个小区取1 m2小麦进行测产。

1.2.3 气象指标监测及试验数据统计农业气象站（距离试验地点500 m）的ET106监测作物生育期间的自然降雨量和太阳辐射量。试验数据用SigmaPlot10.0软件制图，用DPS软件进行统计分析（LSD法）。

2 结果与分析

2.1 种植方式和施氮量对土壤温度的影响

从2014年3月26日—5月25日，每6 d测定1次土壤温度，结果见图2。从图中可以看出，生育期内土壤温度大致呈现上升的趋势，但是会有一定的波动，这主要是和大气温度和降雨有关。在30 cm等行距平作和20 cm＋40 cm沟播种植方式下，0～15 cm土层平均温度分别为18.6℃、17.8℃；不同土壤层次，U和F的种植方式下土壤温度分别为22.6℃、20.8℃（0 cm），18.3℃、17.6℃（5 cm），17.0℃、16.5℃（10 cm），16.4℃、16.1℃（15 cm），随土层加深土壤温度呈下降趋势。在0、5、10、15 cm处，F比U的土壤温度分别降低了8.0%、3.8%、2.9%、1.8%；0～15 cm，F比U降低了4.3%。

不同土壤层次，N0、N1、N2处理的土壤温度分别为22.5℃、21.7℃、20.9℃（0 cm），18.5℃、17.8℃、17.6℃（5 cm），17.2℃、16.6℃、16.5℃（10 cm），16.5℃、16.1℃、16.2℃（15 cm）；0～15 cm土壤温度的平均值分别为18.6℃、18.0℃、17.8℃。N2的土壤温度最低，分别比N0、N1降低了4.3%、1.1%。随着施氮量的增加，土壤温度逐渐降低，但是降低的幅度逐渐减小。

2.2 种植方式和施氮量对空气温度的影响

从图3中可以看出，F处理的空气温度明显低于U。在U和F种植方式下，地上5 cm和50 cm的空气温度分别为23.5℃、23.2℃和22.7℃、22.2℃，F比U降低0.4℃。地上5 cm和50 cm的空气温度的平均值为23.1℃、22.7℃，地上5 cm的空气温度要高于50 cm的空气温度。地上5 cm的空气温度，N0和N1处理下，在成熟期，F显著低于U（P＜0.05）；N2处理下，在拔节期，F显著低于U（P＜0.05）。地上50 cm的空气温度，N0处理下，在成熟期，F显著低于U（P＜0.05）；N1处理下，在抽穗期和成熟期下，F显著低于U（P＜0.05）；N2处理下，在挑旗期，F显著低于U（P＜0.05）。

N0、N1、N2的空气温度分别为23.5℃、23.4℃、23.3℃（地上5 cm）和22.7℃、22.4℃、22.2℃（地上50 cm），两个层次的平均值N0、N1、N2分别为23.1℃、22.9℃、22.8℃。N1比N0降低了0.2℃，N2比N1降低了0.1℃，随着施氮量增加，降低的幅度逐渐减小。

2.3 种植方式和施氮量对相对湿度的影响

相对湿度是空气中的绝对湿度与同温度下的饱和绝对湿度的比值，能够反映农田作物生长层次的温度、风速及土壤水分状况，是农田小气候的一个重要指标。U和F的相对湿度分别为54.1%、57.3%（地上5 cm）和48.8%、51.9%（地上50 cm），平均值为51.5%和54.6%。地上50 cm处的相对湿度明显低于地上5 cm处，F比U高6.0%。N0条件下，在抽穗期，F显著高于U（P＜0.05），在挑旗期和灌浆期，50 cm的相对湿度，F显著高于U（P＜0.05）；N1条件下，在抽穗期，F显著高于U（P＜0.05）；N2条件下，在抽穗期，5 cm的相对湿度，F显著高于U（P＜0.05）。

图2 冬小麦生育期间土壤温度变化Fig.2 Soil temperature during winter wheat growth stage

N0、N1、N2的相对湿度分别为52.2%、56.8%、58.3%（地上5 cm）和49.6%、50.7%、50.8%（地上50 cm），50 cm的相对湿度整体低于5 cm。5 cm和50 cm的平均值N0、N1、N2分别为50.9%、53.8%、54.6%。N1比N0高5.7%，N2比N1高1.5%，表明随着施氮量的增加，空气相对湿度趋于一致，但是仍高于N0处理（图4）。

2.4 种植方式和施氮量对土壤逐日蒸发强度的影响

在小麦的拔节期和灌浆期，连续测定6 d土壤棵间蒸发强度。从图5中可以看出，在灌浆期土壤逐日蒸发强度是呈递减的趋势，拔节期可能是受天气状况的影响，呈现波动的状态。U和F的日蒸发强度分别为1.40、1.25 mm（拔节期）和1.72、1.56 mm（灌浆期），拔节期的蒸发强度小于灌浆期，F比U低10.7%（拔节期）和9.3%（灌浆期）。

N0、N1、N2的日蒸发强度分别为1.53、1.31、1.13mm（拔节期）和1.83、1.61、1.49 mm（灌浆期），两个时期的平均值N0、N1、N2分别为1.68、1.46、1.31mm。N1比N0低0.22 mm，降低了13.1%，N2比N1低0.15mm，降低了10.3%。在灌浆期，N1比N0降低了12.0%，N2比N1降低了7.4%。随施氮量增加土壤蒸发强度呈现下降的趋势，但是下降的幅度在减小。

2.5 种植方式和施氮量对冠层光合有效辐射截获率的影响

在一天中，灌浆期的PAR截获率呈现先降低后增高的趋势，在中午12∶00截获率最低。U和F的PAR截获率分别为57.2%和66.2%（N0），67.2%和80.1%（N1）、66.7%和85.2%（N2）。在N0时，在8∶00、12∶00、14∶00、16∶00时，F的截获率显著大于U（P＜0.05）；在N1时，在10∶00、12∶00、14∶00、16∶00时，F的截获率显著大于U（P＜0.05）；在N2时，F显著高于U（P＜0.05）。在8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00，F比U分别高6.1%、24.4%、67.1%、12.4%、16.7%，F在12∶00时优势最明显。

N0、N1、N2的PAR截获率分别为61.7%、73.7%、76.0%，趋势为N2＞N1＞N0，N1比N0增加19.4%，N2比N1增加3.1%，N2和N1之间没有显著性的差异（P＞0.05）。表明随着施氮量的增加，PAR截获率逐渐增加，但是增加的幅度在逐渐减小。在8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00，N1比N0分别提高了10.1%、26.4%、41.5%、17.4%、12.2%，N2比N1分别提高了2.4%、0.8%、7.2%、4.0%、3.1%，施氮量对PAR的影响在中午12∶00达到最显著（图6）。

图3 不同种植方式和氮素处理下空气温度Fig.3 Air temperature under different planting patterns and nitrogen treatments

图4 不同种植方式和氮素处理下空气相对湿度Fig.4 Relative humidity of air under different planting patterns and nitrogen treatments

图5 不同种植方式和氮素处理下土壤日蒸发强度变化Fig.5 Changes of soil evaporation under different planting patterns and nitrogen treatments

图6 不同种植方式和施氮量对PAR截获率日变化的影响。Fig.6 Effects of planting pattern and nitrogen treatments on the daily PAR capture ratio ofwinterwheat.

2.6 农田小气候和小麦产量的相关性分析

U和F处理的产量分别为5 443 kg·hm－2和5 119 kg·hm－2（N0）、6 185 kg·hm－2和7 074 kg·hm－2（N1）、7 027 kg·hm－2和7 194 kg·hm－2（N2），U和F的平均值为6 218、6 462 kg·hm－2。N0时F的产量低于U，但是两者之间没有显著性差异（P＞0.05）；N1时F的产量显著高于U（P＜0.05）；N2时F的产量高于U，但是两者之间差异性不显著（P＞0.05）。

在U和F下，N0、N1、N2的产量分别为5 443、6 185、7 073 kg·hm－2和5 119、7 074、7 194 kg·hm－2。U处理产量的顺序为：N2＞N1＞N0，氮素处理间没有显著差异（P＞0.05）；F处理，N1的产量显著高于N0（P＜0.05），但是N2和N1间没有显著差异（P＞ 0.05）。

从表2中可以看出，产量和土壤温度、土壤蒸发强度呈极显著负相关（P＜0.01），与空气相对湿度、PAR截获率呈极显著正相关（P＜0.01），与空气温度呈显著负相关（P＜0.05）；土壤温度与空气温度、土壤蒸发强度呈极显著正相关（P＜0.01），与相对湿度、PAR截获率呈极显著负相关（P＜0.01）；空气温度与土壤蒸发强度呈极显著正相关（P＜0.01），与相对湿度、PAR截获率呈极显著负相关（P＜0.01）；相对湿度与土壤蒸发强度呈极显著负相关（P＜0.01），与PAR截获率呈极显著正相关（P＜0.01）；土壤蒸发强度与PAR截获率呈极显著负相关（P＜0.01）。

图7 不同种植方式和施氮量对产量的影响Fig.7 Effects of planting pattern and nitrogen treatments on the yield ofwinter wheat

3 讨论

农田小气候包括从地面到2.0m内贴地气层的气候条件和浅层土壤的气候条件［15］，组成要素包括温度、湿度、光照、水分、风速等。农田小气候对作物的生长、发育和产量的形成有很大的影响。因此，构建一个合理的农田小气候十分重要。

在本试验中，沟播在距离地面5 cm和50 cm处降低了空气温度和土壤棵间蒸发强度，空气温度的降低能够减少对资源的消耗，能够更有利于同化物的转移，有利于作物的生长发育，而温度升高会降低作物的产量和品质［16］。土壤温度和空气温度呈现极显著的正相关，空气温度的降低会使得土壤温度降低，在0～15 cm层次，沟播较平作降低了土壤温度，研究表明，较高的土壤温度会导致能量的浪费、营养的散失和作物产量的降低［17］。相对湿度和土壤温度、空气温度呈现极显著负相关，沟播提高了空气相对湿度，这样会进一步降低土壤棵间蒸发强度，土壤水分散失较少。土壤蒸发强度和产量呈现极显著负相关，有研究表明，沟播能够将大水漫灌变为局部漫灌，且具有集雨效应，将无效降雨变为有效降雨，能够帮助减少土壤蒸发量，控制无效的蒸发，从而提高作物的产量和水分利用率［18－22］。在本试验中，沟播较平作明显增加了光截获率，进而减少了透射率，棵间蒸发所消耗的能量主要来自透射到地面的太阳辐射能，透射率的降低必然使得用于棵间蒸发的能量减少，从而降低了棵间蒸发，减少了土壤水分的无效消耗，也可能提高灌溉水、降水和土壤水的利用效率。沟播较平作能够增加光合有效辐射截获率，明显降低土壤温度和空气温度，增加空气湿度，减少土壤的棵间蒸发强度，改善农田生态环境，为作物的高产奠定了良好的基础。

表2 冬小麦农田小气候和产量的相关性Table 2 Correlation coefficients between farmlandmicroclimate and wheat grain yield

在本研究中，随着施氮量的增加，光合有效辐射截获率提高，空气温度、土壤温度降低，空气相对湿度提高，土壤棵间蒸发强度降低，有效改善了农田小气候，但是这些指标的改善幅度在逐渐变小，尤其是在沟播处理中，N1处理的产量显著高于N0处理，但是与N2处理之间没有显著性的差异，这充分说明小麦沟播集中施肥较平播撒施肥料对提高肥料利用率和改善农田生态条件等有明显的作用，有利于提高播种质量和培育壮苗［23］。

4 结论

本试验通过调整冬小麦的种植方式，构建不同的群体结构，研究不同种植方式和施氮量对农田小气候的影响。试验表明沟播种植方式能够明显降低土壤温度、空气温度，增加空气湿度，减少了土壤棵间蒸发强度，增加了光合有效辐射截获率，有效改善了农田小气候，减少了土壤水分的无效蒸发，为作物的高产创造了条件。随着施氮量的增加，农田小气候的各项指标都有所改善，但是幅度在逐渐缩小。考虑到产量和施肥量，我们认为20 cm＋40 cm沟播和施氮量为112.5 kg·hm－2是较合理的种植方式。

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Planting pattern and nitrogen rate on farm land m icroclimate and yield of w inter wheat

WANG Xing-ya1，3，ZHOU Xun-bo2，ZHONGWen-wen3，CHEN Yu-hai3，HAN Kun3
（1.College of Agronomyɑnd Biotechnology，ChinɑAgriculturɑl University，Beijing 100094，Chinɑ；2.Agriculturɑl College of GuɑngxiUniversity，Nɑnning，Guɑngxi 530004，Chinɑ；3.Shɑndong Agriculturɑl University，Tɑi’ɑn，Shɑndong 271018，Chinɑ）

This study aims to study the effects of planting pattern and nitrogen rate on the farmland microclimate，and indentify possibleways to improve the yield ofwinterwheat.The field experimentwas conducted with a randomized complete block design with three replicates.The two planting patterns were：（1）30 cm uniform row planting pattern（U），and（2）20 cm＋40 cm furrow planting pattern（F）.Three nitrogen rate treatments applied as N0（0 kg·hm－2），N1（112.5 kg·hm－2），and N2（225 kg·hm－2）during the whole growth period.Results showed that F decreased the soil temperature（0～15 cm）by 0.4℃and air temperature（5，50 cm）by 0.3℃and 0.5℃respectively，and increasedthe air humidity by 2.8%and 3.1%respectively，thus reducing the soil evaporation intensity by 9.9%.In the filling stage，Fevidently increased the diurnal photosynthetic active radiation capture ratio by 13.5%in the upper layer.The grain yield of Fwas significantly higher than that of U under N1（P＜0.05）.The farmlandmicroclimate has been improved with the increase ofnitrogen rate，but the extentgradually decreased.Under the condition of F，the yield of N1 was significantly higher than that of N0（P＜0.05），butwith no significant difference between N1 and N2（P＞0.05）.Therefore，combination of F and 112.5 kg·hm－2nitrogen rate was the optimum practices for winter wheat production from perspective of grain yield and fertilizer application amount.

soil temperature；air temperature；relative humidity；soil water content；soil evaporation；winter wheat；yield

S143.1；S512.1

：A

1000-7601（2017）01-0014-08

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.01.03

2016-01-25

国家高技术研究发展计划（863计划）（2013AA102903）

王兴亚（1990—），女，山东聊城人，硕士研究生，研究方向为农田生态与水肥资源高效利用。E-mail：wangyaya2013＠163.com。

周勋波（1972—），男，黑龙江富锦人，副教授，研究方向为农田生态与水肥资源高效利用。E-mail：xunbozhou＠163.com。