赵经华，杨庭瑞，张 恒，虎胆·吐马尔白，马 亮，陈凯丽

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业科学院，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】新疆地处内陆干旱半干旱地区，高蒸发、少降水、干旱多风，灌溉方式也由漫灌等常规灌溉方式向滴灌等节水灌溉方式变化。阿勒泰地区的多砾石砂土由于其孔隙结构不同于其他类型土壤，保水保肥性较差，灌溉方式及灌水量不同时会明显影响其土壤中水肥的分布，且种植不同作物时其根系分布情况不同也会影响土壤中的水肥，共同影响着作物的生长发育。【前人研究进展】小麦是新疆的主要粮食作物[1]。新疆小麦的灌溉方式由漫灌等逐渐演变成现在的滴灌技术[2]。滴灌为局部灌溉，棵间蒸发和深层渗漏损失较常规灌溉明显降低，大幅减少输水过程中的渠系渗漏、蒸发等现象，并把水分精确集中地输送至作物根系土壤[3]。杨荣赞等[4]研究认为，20 cm左右耕作层垂向土壤水分差异较大，土壤水分随着继续深度加深趋于稳定。滴灌小麦根系主要分布在40 cm以上土层，合理的控制滴灌灌水策略可改变根系生长及分布，且利于小麦高产[5, 6]。肥料也是影响作物生长发育及最终产量的关键因素，而氮肥尤其重要。适宜的施氮量可以促进小麦的生长及增产[7, 8]；并且作物水肥有较明显的交互作用，在水分亏缺下增加施肥和肥料缺乏下增加灌水可以缓解亏水或缺肥下对作物产生的抑制效应[9-11]。【本研究切入点】合理的水肥施用会直接影响作物的干物质积累，继而影响作物产量，干物质积累量反映着作物生长状况的好坏[12]。需以尿素用量为主要施肥变化并结合不同灌水量对滴灌春小麦进行试验，研究不同水、肥条件下对春小麦的生长及发育的影响。【拟解决的关键问题】利用方差分析并结合响应面法优选水肥，分析该区多砾石砂土土质下适宜小麦灌水、施肥水平，为春小麦种植管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

春小麦选用新春37号。试验于2019年在阿勒泰地区福海县(87°35′56″E～87°36′01″E，47°00′56″N～47°01′56″N)进行。试区海拔平均高度445 m；极端最高气温为39.30℃，极端最低气温为-41.20℃，多年平均气温为4.20℃；多年平均降水量为121.90 mm，多年平均蒸发量为1 820.10 mm。试区土壤质地为多砾石砂土，土壤保水保肥性差。表层40 cm为土层，40 cm以下为砂砾石层，土壤渗透系数8.78 mm/d；土壤肥力较差，有机质和全氮含量为0.21%(2.1 g/kg)和0.027%(0.27 g/kg)，速效氮、速效磷和速效钾的含量分别为19.50、9.04和92.4 mg/kg，其中速效磷和速效钾的含量可以达到中等肥力土壤的水平。项目区土壤全盐含量(土水比1∶5)为0.161%(1.61 g/kg)，pH值8.52，呈弱碱性，总盐含量0.64 g/kg。表1

表1 土壤容重和田间持水量Table 1 Soil bulk density and field water holding capacity

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

播种量为420 kg/hm2。试验采用1管4行种植方式，小麦行距0.15 m。滴灌带间距0.6 m，滴头间距0.25 m，滴头流量2.6 L/h，额定工作压力0.1 MPa。小麦生育期划分：苗期4月22日～5月14日，分蘖期5月15日～5月27日，拔节期5月28日～6月4日，孕穗期6月5日～6月9日，抽穗扬花期6月10日～6月25日，灌浆期6月26日～7月5日，成熟期7月6日～7月22日。

灌水定额设置3个水平，分别为30 mm(W1)、45 mm(W2)、60 mm(W3)，在4月22日各处试验理灌出苗水45mm。施肥设置3个水平，低(N0)、中(N1)、高(N2)。N0处理不施底肥及氮肥，N1、N2处理底肥种类及用量均相同，仅尿素用量变化。通过施肥量可得N1处理下施氮量为179 kg/hm2、N2处理下施氮量为317 kg/hm2。水肥试验共设9个处理，即W1N0、W2N0、W3N0、W1N1、W2N1、W3N1、W1N2、W2N2、W3N2，3次重复，共27个处理。表2，表3

表2 春小麦灌溉制度Table 2 Irrigation system of spring wheat

1.2.2 测定指标

株高：各处理小区各生育期分别取5株小麦并标记后测量，取均值得株高，小麦株高在抽穗前为地表到最高叶尖的高度，抽穗后为从地表至麦穗的顶端，不连芒。

干物质：各处理小区各生育期内取25 cm行长样本，取地上部分，先在105℃ 烘干30 min，灭活样本使其停止呼吸消耗，后在80℃下烘干至恒重。

有效穗数[13]：每穗结实粒数在5粒以上的穗数(被病、虫危害造成的空穗亦作有效穗计算)。

每穗粒数[13]：从样点取20个麦穗混合脱粒，数清总粒数，然后用穗数除总粒数。

千粒重[13]：每千粒的重量，重复3次取平均值。

产量[13]：收获晒干扬净后的实际产量。

表3 春小麦各处理施肥Table 3 Fertilization status of each treatment for spring wheat

1.3 数据处理

采用Excel 2019数据处理、Design Expert10.0软件优化参数，Origin 2017绘图，SPSS 25.0统计学软件进行方差分析和LSD分析。通过Design Expert10.0软件进行响应曲面分析，利用Design Expert10.0响应面软件中Miscellaneous design(MD)模块对工艺参数进行优化[14]。

2 结果与分析

2.1 单因素及多因素方差

2.1.1 不同水肥处理对小麦株高的影响

研究表明，同一施氮水平下，随着灌水量的增加，小麦株高也随之增加；但同一灌水水平下，随着施肥量的增加，小麦株高大致表现为增长趋势，N0处理与N1、N2处理最后株高有较大差幅，N1、N2之间株高差距不明显。拔节孕穗期小麦的株高增长最快，抽穗扬花期以后株高增长趋于缓慢。在拔节孕穗期， N2施肥水平下株高均与N0施肥水平下株高差异显著(P<0.05)，与N1施肥水平下株高差异不显著(P>0.05)。抽穗扬花期W3N0、W2N1、W3N1、W1N2、W2N2、W3N2与W1N0、W2N0株高差异显著(P<0.05)。在抽穗扬花期至成熟期，N0、N1施肥水平下，W1的小麦株高较小，W1灌水水平不利于小麦的生长。在灌浆期与成熟期W3N1、W3N2的株高均高于其他处理下小麦株高，与W1N0、W2N0、W1N1的株高差异显著(P<0.05)，但两者之间差异不显著(P>0.05)。灌水量与施肥量对株高的影响显著，少灌水和低施肥处理阻碍了株高的生长，适宜的灌水量及施肥量可以有效地促进小麦株高的增长。表4

表4 各水肥处理下不同生育期春小麦的株高变化Table 4 Plant height of spring wheat at different growth stages under different water and fertilizer treatments(cm)

2.1.2 不同水肥处理对小麦干物质积累的影响

研究表明，在同一施肥水平下，小麦生育前期干物质积累随灌水的增加无明显规律，在生育后期表现为随着灌水量的增加，小麦干物质积累也增加；在同一灌水水平下，小麦生育前期干物质积累随施肥的增加也无明显规律，在生育后期表现为随施肥量的增加小麦干物质积累也增加。小麦全生育期在分蘖期与抽穗扬花期各处理干物质积累差异均不显著(P>0.05)，在灌浆期W3N1、W2N2、W3N2与W1N0、W2N0干物质积累差异显著(P<0.05)。在成熟期W2N2、W3N2与W1N0、W1N1干物质积累差异显著(P<0.05)。小麦的干物质积累情况在W1和N0处理下较差，灌水量与施肥量显著影响着小麦干物质积累，干物质积累会随着灌水量或施肥量的增加而增加。表5

表5 各水肥处理下不同生育期春小麦的干物质积累变化Table 5 Dry matter accumulation of spring wheat at different growth stages under different water and fertilizer treatments(kg/hm2)

2.1.3 不同水肥处理对小麦产量及产量构成的影响

研究表明，灌水对每穗粒数和产量有极显著影响(P<0.01)，对有效穗数有显著影响(P<0.05)，对千粒重无显著影响(P>0.05)。施肥对每穗粒数和产量有极显著影响(P<0.01)，对千粒重和有效穗数无显著影响(P>0.05)。水肥交互作用对产量有极显著影响(P<0.01)，对产量构成要素均无显著影响(P>0.05)。在N0、N1施肥水平下，千粒重大致表现为随灌水量增加而增加；在同一灌水水平下，千粒重随施肥量的增加表现为先增后降的趋势；W3N1与W1N0千粒重差异显著(P<0.05)，与其他处理差异不显著(P>0.05)。在同一施肥水平下，随灌水量增加每穗粒数也增加；在同一灌水水平下，随施肥量的增加每穗粒数也增加；W3N1、W3N2与W1N0、W2N0、W3N0、W1N1、W1N2的每穗粒数差异显著(P<0.05)。在同一施肥水平下，有效穗数随灌水量的增加而增加；在同一灌水水平下，有效穗数随施肥量的增大呈现先增后降的趋势；有效穗数除W3N0外其余处理间差异不显著(P>0.05)。在同一施肥水平下，产量随灌水量的增多而增长；在同一灌水水平下，产量随施肥量的增加呈先增后降的趋势；W3N1处理与其他处理间产量均差异显著(P<0.05)。W1N0、W2N0、W3N0处理之间产量两两差异显著，W1N1、W2N1、W3N1处理间两两差异显著， W1N2与W2N2、W3N2差异显著，在一定情况下灌水可以促进小麦增产。W2N0、W2N1、W2N2处理之间产量两两差异显著(P<0.05)，W3N0、W3N1、W3N2处理间两两差异也显著(P<0.05)，施肥量存在一个阈值，当施肥量超过该阈值时，不会促进小麦增产，甚至产生抑制的效果。在小麦种植过程中要控制灌水与施肥量。表6

表6 不同水肥水平对小麦的产量及产量构成方差变化Table 6 Variance analysis of different water and fertilizer levels on wheat yield and yield composition

2.2 响应面模型结果及方差

研究表明，处理9灌水定额为45 mm时，尿素施用300 kg/hm2，小麦产量为6 301.77 kg/hm2，相比高灌水施肥处理7，小麦产量更高；与处理8相比，在同一尿素施用水平下，小麦产量随灌水定额的增加有所增长，灌水定额为60 mm时，尿素施用300 kg/hm2，小麦产量最优为7 040.93 kg/hm2。表7

表7 模型参数的设计及运行数据Table 7 Design and operation data of model parameters

Y1为产量响应值，分析灌水量X1及施肥量X2对小麦产量的影响，以Y1产量为响应值建立的二次回归方程如式(1)所示：

Y1=6 289.37+875.28X1+469.75X2+195.34X1X2-339.25X12-1 131.97X22

(1)

响应面产量模型的P<0.05，该模型显著；但在拟合时，采样点有时会发生不全落在响应曲面上的情形，响应面模拟多元相关系数R2为0.954，调整相关系数R2为0.877，该模型的相关性良好，拟合效果较好；F(X1)>F(X2)，灌水量对小麦产量的影响较显著。表8

灌水量与施肥量的交互作是显著的。当灌水量一定时，小麦产量随着施肥量增加呈先增后降的趋势，并且在300～400 kg/hm2的施肥量产量达到最大，之后小麦产量有降低趋势。当施肥量一定时，随着灌水量的提高小麦产量也逐渐提高，在灌水量60 mm时产量表现较好，水分对小麦生长有较好的促进作用。灌水量与施肥量对小麦产量影响最优的为灌水量为60 mm，施肥量为388 kg/hm2，在此灌水施肥水平下，小麦产量为6 923.1 kg/hm2。图1，图2

表 8 产量响应值回归方程方差Table 8 Variance analysis of regression equation for yield response value

图1 灌水量与施氮量处理下小麦产量等高线分布Fig.1 Contour distribution of the effect of irrigation amount and urea amount on wheat yield

3 讨 论

小麦生长受到气候、土壤、水分、营养、管理等影响，其中水分和氮肥对小麦生长获产是极为重要的。小麦生长过程中会施用含氮、磷、钾的等多种肥料，其中氮素施用量与小麦生长发育、籽粒产量和品质紧密相关[15]。试验发现在同一灌水水平下，不施肥处理与施肥处理下的小麦株高、干物质积累、有效穗数、千粒重和每穗粒数均差幅较大，也与不施肥处理中未施底肥有关；2个施肥处理进行对比发现，施肥量对小麦株高的影响较小，2个施肥处理生育末期株高差异较小；N2施肥处理的小麦干物质积累量相比N1处理的要高；N2施肥处理的小麦千粒重、有效穗数和产量比N1处理的要低。施肥量影响春小麦的生长发育，且存在施肥量适宜的临界阈值。王玲玲等[16]研究认为氮素用量超过一定水平时，小麦氮素利用效率和氮肥生产效率均下降，小麦产量及品质也受到影响。丛鑫等[17]也认为小麦灌水与施氮需要适宜的水平，才可以达到较好的经济效益。响应面方法对试验结果进行模拟分析后，在灌水60 mm，施尿素388 kg/hm2的情况下可取得较好的小麦产量；对试验结果进行方差分析后发现在灌水60 mm，施尿素300 kg/hm2对小麦生长及获产有较好的影响；试验所得产量与响应面优选所得产量两者相差较小，产量仅只有1%差距，但在施尿素量有一定的变化幅度，可能是由于在小麦种植过程中的肥料施用的不均匀存在随机性，以及在模拟过程中存在采样点不全落在响应面上的误差。通常响应曲面模型评价结果的优劣是由多元相关系数R2来反映，R2是完全拟合的度量值，反映了响应面模拟符合给定数据的程度，通常要求R2值在0.9以上[18]。多元相关系数R2为0.954，模型拟合效果较好；调整相关系数R2为0.877，有87.7%的响应值的变化可以通过此试验方法建立的模型进行阐释[19]。响应面模型评价后模拟效果是较好的。较好的小麦种植效果需要适宜的灌水与施肥水平，并最终将反映在获产上。响应面法在灌溉制度、农田施肥等方面优化有较好的分析表现，模拟优选所得结论与试验结果相近，后续可利用响应面法进行试验设计优化并优选方案。

4 结 论

4.1不施肥处理相比较施肥处理，小麦生长、产量构成及产量状况较差；在试验设计的水肥处理下，千粒重和有效穗数随着施肥量的增加表现出了先增后降的趋势，每穗粒数为单增趋势；随灌水量的增加千粒重、每穗粒数、有效穗数也有所增加；仅在小麦生育后期，增加灌水量与施肥量小麦干物质积累随之增加，300 kg/hm2施肥水平、60 mm灌水水平下，春小麦生长发育状况较好。

4.2灌水量60 mm，施肥量300 kg/hm2下小麦的干物质积累、产量构成及产量表现较好，最终产量为7 040.93 kg/hm2；响应面法优化后的最佳水肥条件为灌水60 mm，施肥388 kg/hm2，该条件下，模拟小麦产量为6 923.1 kg/hm2，与试验较好水肥条件接近，产量变化仅有1%，该响应面模型与试验结果相吻合。选取W3N1为较好的水肥处理。