引用本文
冯福学, 慕平, 赵桂琴, 柴继宽, 刘欢, 陈国栋. 西北绿洲灌区饲用燕麦耗水特性及产量变化对水氮耦合的响应.草业学报, 2015,26(8): 74-84
FENG Fu-Xue, MU Ping, ZHAO Gui-Qin, CHAI Ji-Kuan, LIU Huan, CHEN Guo-Dong. Water consumption characteristics and yields of fodder oat under different irrigation and nitrogen fertilization regimes in the northwest oasis irrigation area.ACTA PRATACULTUAE SINICA, 2015,26(8): 74-84  
Permissions
Copyright©2017, 草业学报编辑部
本文属于开放获取期刊。
西北绿洲灌区饲用燕麦耗水特性及产量变化对水氮耦合的响应
冯福学1,2, 慕平3, 赵桂琴1,*, 柴继宽1, 刘欢1, 陈国栋4
1.甘肃农业大学草业学院,甘肃 兰州 730070
2.甘肃农业大学水利水电工程学院,甘肃 兰州 730070
3.甘肃农业大学农学院,甘肃 兰州 730070
4.塔里木大学植物科学学院,新疆 阿拉尔 843300
*通信作者Corresponding author. E-mail:zhaogq@gsau.edu.cn

作者简介:冯福学(1978-),男,甘肃武威人,讲师,博士。E-mail:fengfuxue@163.com

收稿日期: 2017-03-02
基金: 现代农业产业技术体系项目(CARS-8-C1)和中国博士后科学基金(2014M552557XB)资助
摘要

灌水和施肥是调控作物生长和产量形成的两大重要技术措施,研究水氮互作对燕麦耗水特性及产量的影响,对于优化燕麦高产高效栽培理论和技术具有重要意义。2014-2015年连续两个生长季,在甘肃河西绿洲灌区,田间试验设置3个定额灌溉和3个施氮(纯N)水平,研究水氮耦合对陇燕3号农田0~150 cm土层耗水量、棵间蒸发、产量及水分利用效率的影响。3个灌溉处理的灌水量分别为270.0 mm (I1)、337.5 mm (I2)和405.0 mm (I3),3个施N水平分别为90 kg/hm2 (N1)、120 kg/hm2 (N2)和150 kg/hm2 (N3)。在全生育期内,棵间蒸发量(E)及E/ET(总蒸散量)的比例表现先降后升趋势,且相同施氮量下,拔节至灌浆期随灌水量的增大而增大,而灌浆至成熟期则随灌水量的增大而减小。相同施氮量下,燕麦耗水量与籽粒产量随着灌水量的增加而显著增加,水分利用效率却随着灌水量的增加而降低。所有处理中,N3I3产量最高(5466.0~5727.5 kg/hm2),N3I2次之(5428.5~5678.5 kg/hm2),N1I1最小(4504.5~4804.3 kg/hm2),而N3I2的水分利用效率最大[12.11~12.82 kg/(mm·hm2)],N3I1次之[12.04~12.63 kg/(mm·hm2)],N1I3最小[9.79~10.58 kg/(mm·hm2)]。由此表明,水氮耦合对燕麦水分利用及产量具有显著互作效应,施氮量150 kg/hm2、灌溉定额337.5 mm是西北绿洲灌区燕麦种植较佳的节水、高产水氮管理模式。

关键词: 燕麦; 耗水特性; 水氮耦合; 水分利用效率
doi: 10.11686/cyxb2017074
Water consumption characteristics and yields of fodder oat under different irrigation and nitrogen fertilization regimes in the northwest oasis irrigation area
FENG Fu-Xue1,2, MU Ping3, ZHAO Gui-Qin1,*, CHAI Ji-Kuan1, LIU Huan1, CHEN Guo-Dong4
1.College of Grassland Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China
2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China
3.College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China
4.College of Plant Science, Tarim University, Alear 843300, China
Abstract

Irrigation and fertilization are the two most important methods to increase crop growth and yield. Understanding the water consumption characteristics and grain yield of oat ( Avena sativa) under different water-nitrogen (N) regimes is useful to optimize oat cultivation. In the 2014-2015 oat growing seasons, field experiments were conducted with three irrigation levels and three N application rates to study the effects of the water-N interaction on soil water consumption in the 0-150 mm layer, soil evaporation, grain yield, and water use efficiency (WUE) of the oat variety ‘Longyan 3’. The three irrigation amounts were 270 (I1), 337.5 (I2), and 405 mm (I3) and the three N application rates were 90 (N1), 120 (N2), and 150 kg/ha (N3). The soil evaporation and the proportion of soil evaporation (E) to evapotranspiration (E/ET) decreased and then increased during the growing period. Under the same N application rate, E and its proportion of E/ET increased with increasing amounts of irrigation from the jointing to the filling stage, but decreased from the filling to the harvest stage. The oat water consumption and grain yield under a fixed N application rate were positively related to the amount of irrigation, whereas WUE was negatively related to the amount of irrigation. The highest grain yield of oat was in N3I3 (5466.0-5727.5 kg/ha), followed by N3I2 (5428.5-5678.5 kg/ha), and then N1I1 (4504.5-4804.3 kg/ha). The highest WUE was in N3I2 [(12.11-12.82 kg/(mm·ha)], followed by N3I1 [12.04-12.63 kg/(mm·ha)], and then N1I3 [9.79-10.58 kg/(mm·ha)]. The water-nitrogen interaction had significant effects on WUE and oat yield. Our results suggest that N application at 150 kg/ha combined with irrigation at 337.5 mm is a water-saving method to cultivate oat with high-yields in the Northwest Oasis area.

Keyword: oat; water consumption characteristic; water and nitrogen coupling; water use efficiency (WUE)

燕麦是禾本科燕麦族燕麦属(Avena)一年生草本植物, 主要有裸燕麦(A. muda)、皮燕麦(A. sativa)和野燕麦(A. fatva)等种, 具有耐瘠薄、耐盐碱、耐寒、耐旱等特点。燕麦起源于我国, 距今有5000多年的种植历史, 现主要分布在全世界五大洲40多个国家, 年种植面积250万h m21。我国燕麦年均播种面积仅次于小麦(Triticum aestivum)、水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea mays)等, 居第六位, 主要分布在华北、西北、东北和青藏高原等地的16个省(区)。燕麦含有丰富的粗蛋白、脂肪和碳水化合物, 并富含钙、磷等矿物质和维生素, 其青体、干草和青贮有较高的营养价值, 是畜牧业发展的优质青饲料[2, 3], 同时, 其籽粒产品在营养和医疗保健方面也有很高的价值[4, 5], 因此, 是一种重要的粮饲兼用型作物。但长期以来, 由于小麦、水稻等粮食作物在世界粮食安全方面具有突出贡献, 从而使燕麦资源的开发和利用一直未得到人们应有的重视。因此, 导致燕麦产量较低、专用品种选育滞后、栽培技术力量薄弱。但近年来随着人们对燕麦食用与饲用价值认识的提高, 需求的逐年增大, 燕麦栽培技术研究已受到人们的极大关注[6, 7]。

水分和氮素是影响作物生产紧密相连的因子[8, 9], 两因子对作物协同发生作用的效应已被众多研究成果证实[10, 11, 12]。水、氮之间存在着明显的交互作用, 水分不足会限制氮肥肥效的正常发挥, 水分过多则易导致氮肥的淋溶损失和作物减产; 施氮过量或不足也将影响水分利用率的提高, 并将影响作物产量。为此, 探索最佳水氮组合模式是研究作物高产、优质、节水栽培的重要技术之一。

目前, 已有关于燕麦栽培技术的研究发现, 水、氮各单项因子对其产量、品质等方面的影响具有丰富的研究成果, 但关于水、氮两因子协同调控燕麦生产方面的研究鲜见报道, 且已有相关研究也主要集中在阴湿寒旱区[13, 14]。降雨是高寒山区燕麦赖以生产的主要水资源, 而其季节、年际间分配不均等因素直接导致燕麦在需水关键期得不到充足水分, 进而使所施氮肥的肥效也不能充分发挥[15]。本研究采用大田试验, 以皮燕麦陇燕3号为对象, 在西北干旱内陆河灌区进行不同灌溉量及施氮水平对燕麦农田耗水特性、产量及水分利用效率等方面的影响研究, 量化各处理燕麦农田水分消耗、水分利用效率及产量等差异, 并深入探讨与水、氮因子间的相关关系, 分析水分与氮肥两单项增产因子集成在燕麦生产中的综合应用特性, 解析水氮耦合效应对燕麦生长性能、产量、水分利用等方面的影响机制, 以期为内陆绿洲灌区燕麦丰产优质栽培水氮管理技术提供科学理论和实践依据。

1 材料与方法
1.1 试验区概况

于2014年3月-2015年7月连续两个生长季, 在甘肃省武威市凉州区黄羊镇(37° 30' N, 103° 5' E)甘肃农业大学教学实验场进行田间试验。该区位于甘肃河西走廊东端, 属冷温带干旱区, 日照充足, 春季多风沙, 夏季有干热风。降水年际变化不大, 但季节变化较大, 多年平均降水量160 mm, 主要集中在7-9月, 冬春季干旱, 降水无法满足作物生长需要。蒸发量2400 mm, 干燥度5.85, 年平均气温7.2 ℃, 1月最低平均气温-27.7 ℃, 7月最高平均气温34.0 ℃。≥ 0 ℃年积温为3513.4 ℃, ≥ 10 ℃年积温为2985.4 ℃。全年无霜期156 d, 绝对无霜期118 d, 年日照时数2945 h。土壤以荒漠灌淤土为主, 粉沙壤质, 土层深厚。试验田土壤基础肥力和容重见表1。

表1 试验地土壤基本状况 Table 1 The basic soil condition of experimental site
1.2 试验设计

试验设灌水量和施氮(纯N)量两个参试因子, 每个因子3个水平, 3次重复, 共27个小区, 田间随机排列。小区长8 m, 宽5 m, 小区间均设置50 cm通道。全生育期灌溉定额设270.0 mm (I1)、337.5 mm (I2)和405.0 mm (I3) 3个水平, 在拔节、抽穗和灌浆期分3次等量灌水, 采用带有水表的控制系统精量灌溉。施氮量设90 kg/hm2 (N1)、120 kg/hm2 (N2)和150 kg/hm2 (N3), 播期前、拔节初期和抽穗期按5∶ 3∶ 2比例施用。磷肥(纯P2O5)施用量为90 kg/hm2, 全部作基肥一次性施入。

供试品种为皮燕麦陇燕3号, 2014年3月25日和2015年3月26日播种, 2014年7月15日和2015年7月10日收获。播种量为225 kg/hm2, 行距15 cm, 播深6 cm。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤水分测定 土壤水分在播前和收获后分别用烘干法测定, 测深为150 cm, 其中0~30 cm每10 cm为一个层次, 30~90 cm每20 cm为一个层次, 90~150 cm每30 cm为一个层次。从燕麦苗期到成熟期每隔15 d测定1次, 浇水前后各加测一次, 其中0~10 cm、10~20 cm与20~30 cm三个层次用烘干法测定, 30 cm以下每10 cm用503DR(Campbell Pacific Nuclear, Martinez, CA)型中子水分仪测定水分, 每小区随机安装2个中子水分仪管。中子仪的读数最后矫正成体积含水量, 再用土壤容积含水量换算为土壤贮水量。

矫正曲线:V%=[0.2969× (R/R0)-0.1555]× 100 R2=0.9173

式中:V为土壤容积含水量(V/V); R为中子仪实际读数; R0为中子仪基本读数。

土壤贮水量W(mm)=10 ∑i=1nvi/vi× di

式中:i为土层编号; n为总土层数; vi/vi为第i层土壤的体积含水量; di为第i层土层厚度(mm)。

1.3.2 农田耗水量计算 农田耗水量计算公式为:

ET1-2=Si+M+P0+K

式中: ET1-2为阶段耗水量(mm); M为阶段内灌水量(mm); P0为阶段内有效降水量(mm); K为阶段内地下水补给量(mm), 当地下水埋深大于2.5 m 时, K值可以忽略不计, 本试验的地下水埋深在10 m以下, 故地下水补给量可视为0; Si为阶段土壤贮水消耗量, 其计算公式为:

Si=W1-W2

式中:W1和W2分别为阶段初和阶段末土壤贮水量。

1.3.3 水分利用效率的计算 计算公式为:

WUE=Y/ETa

式中:WUE为籽粒产量水分利用效率[kg/(mm· hm2)]; Y为籽粒产量(kg/hm2); ETa为全生育期总耗水量(mm)。

1.3.4 棵间蒸发测定 采用自制微型蒸渗仪(Micro-lysimeter, 简称MLS)法测定棵间蒸发量。每小区均随机安置两套微型蒸渗仪。根据孙宏勇等[16]研究, 微型蒸渗仪用PVC管做成, 内径10 cm、壁厚5 mm、高15 cm。每次取土时将其垂直压入作物行间土壤内, 使其顶面与地面齐平, 取原状土, 然后用塑料胶带封底, 另用内径为12 cm PVC管作成外套, 固定于行间, 使其表面与附近土壤持平, 操作时不至破坏周围土体结构。土壤蒸发用称重法测定, 2次称量之间的重量差值为其蒸发量。为保证微型蒸渗仪内部的土壤水分剖面与周围土壤相一致[17], 作物生长早期需要每天更换微型蒸渗仪内的原状土, 叶面积指数增大后, 每3~5 d更换1次, 降雨和灌溉后立即更换土体。

1.3.5 产量测定 成熟期按小区收获测产。

1.4 数据分析

将各小区取样点的数据进行平均, 计算各小区的农田耗水量、棵间蒸发量、耗水量、产量及水分利用效率。各处理均有3个试验小区(重复) , 采用SPSS 10.0 统计分析软件进行方差分析, 用Duncan法进行处理间差异显著性检验(α =0.05), 用Microsoft Excel 2003软件作图。

2 结果与分析
2.1 试验区年降水变化

试验区2014、2015年及多年平均(30年)降水量分别为297.9、184.2和186.9 mm(图1)。2014年度降水比多年平均降水高59.43%, 为丰水年; 2015年度比多年平均降水低1.38%, 为干旱年[18]。2014、2015年及多年平均(30年)燕麦生育期(3月下旬-7月上旬)降水量分别为64.5、76.2和85.4 mm, 2015年较多年平均(30年)降水量下降10.77%, 而2014年却显著下降24.47%, 属于干旱季度。

图1 试验站2014-2015年月降雨量及30年月平均降雨量分布Fig.1 Distribution of monthly rainfall in 2014-2015 compared to long-term average of 30 years in experiment station

2.2 不同水氮处理0~150 cm土壤水分的水平动态变化

随着燕麦生育时期的推进, 降水、蒸散、蒸腾、灌水等因素显著影响农田土壤水分, 变化剧烈(图2)。燕麦拔节期前, 植株小, 地面裸露面积大, 土壤耗水主要以土壤蒸发为主, 处理间差异不显著(P< 0.05)。拔节至灌浆期, 受降水、灌水及农田蒸腾蒸散的影响, 处理间差异逐渐变大, 但两年变化趋势一致, 均表现为高灌水(I3)> 中灌水(I2)> 低灌水(I1), 而相同灌水梯度下, 3种氮肥处理间差异不显著(P> 0.05)。灌浆期后, 土壤水分变化主要受降水及作物蒸腾的影响, 由于水氮互作显著影响燕麦生长发育, 各处理地上冠层差异大, 处理间作物蒸腾变化大, 进而农田土壤贮水量变化显著。

2.3 不同水氮处理棵间蒸发的动态变化

农田土壤水分蒸散是土壤耗水的重要组成部分, 不同水氮条件下燕麦棵间蒸发量动态变化如图3所示。由图可以看出, 播种到拔节期, 降水、气温等气象因子是影响土壤水分变化的主要因素, 且此期燕麦植株矮小, 地上冠层对地面的覆盖度亦小, 土壤水分消耗以土壤蒸发为主, 变化较平缓, 处理间差异不显著(P> 0.05)。随着生育期的推进, 灌水后, 不同水氮处理显著影响土壤水分蒸发, 棵间蒸发波动较大, 处理间差异显著(P< 0.05)。拔节至抽穗, 同一施氮水平, 随着灌水梯度的增大, 农田棵间蒸发随之增大, 而同一灌水水平下, 不同氮肥处理间差异不显著。低氮水平下(N1), I2、I3灌水处理较I1处理分别显著提高棵间蒸发7.4%~16.4%、32.1%~39.3%; 中氮水平下(N2), I2、I3灌水处理较I1处理分别显著提高20.3%~27.7%、45.2%~48.7%; 高氮水平下(N3), I2、I3灌水处理较I1处理分别显著提高9.1%~15.9%、17.0%~43.7%。与拔节至抽穗期的变化趋势相似, 抽穗至灌浆期同一施氮水平下, 随着灌水梯度的增大, 棵间蒸发均随之显著增大, 但与拔节至抽穗期的变化趋势不一样的是同一灌水水平下, 随着施氮水平的增大农田棵间蒸发均随之也显著增大。灌浆至成熟期, 不同处理的农田棵间蒸发较前生育时期均显著增大, 且处理间差异显著。由此表明, 拔节前, 土壤水分消耗以土壤蒸发为主, 氮肥对农田水分蒸发影响不显著; 随着燕麦植株的发育, 地上冠层逐渐增大, 光合增强, 农田水分消耗逐渐由土壤蒸发耗水向作物蒸腾耗水转变, 且水氮互作效应使燕麦生态与生理需水处理间差异显著。

图2 2014与2015年不同处理0~150 cm土壤贮水量动态变化
N1I1:施氮量90 kg/hm2, 灌溉定额270 mm; N1I2:施氮量90 kg/hm2, 灌溉定额337.5 mm; N1I3:施氮量90 kg/hm2, 灌溉定额405 mm; N2I1:施氮量120 kg/hm2, 灌溉定额270 mm; N2I2:施氮量120 kg/hm2, 灌溉定额337.5 mm; N2I3:施氮量120 kg/hm2, 灌溉定额405 mm; N3I1:施氮量150 kg/hm2, 灌溉定额270 mm; N3I2:施氮量150 kg/hm2, 灌溉定额337.5 mm; N3I3:施氮量150 kg/hm2, 灌溉定额405 mm; 下同。Fig.2 The seasonal change of soil water storage in 0-150 cm under different treatments in 2014 and 2015
N1I1: 90 kg/hm2 for N application rate, 270 mm for irrigation amount; N1I2: 90 kg/hm2 for N application rate, 337.5 mm for irrigation amount; N1I3: 90 kg/hm2 for N application rate, 405 mm for irrigation amount; N2I1: 120 kg/hm2 for N application rate, 270 mm for irrigation amount; N2I2: 120 kg/hm2 for N application rate, 337.5 mm for irrigation amount; N2I3: 120 kg/hm2 for N application rate, 405 mm for irrigation amount; N3I1: 150 kg/hm2 for N application rate, 270 mm for irrigation amount; N3I2: 150 kg/hm2 for N application rate, 337.5 mm for irrigation amount; N3I3: 150 kg/hm2 for N application rate, 405 mm for irrigation amount.The same below.

2.4 不同水氮处理E/ET动态变化

灌水与施氮显著影响燕麦各生育时期棵间蒸发量与相应阶段总蒸散量的比例动态变化(表2)。燕麦全生育期, E/ET变化的总趋势是先降后升, 特定生育阶段, 土壤水分蒸发处理间差异显著。播种到拔节期, 降水、气温等气象因子是影响土壤水分变化的主要因素, 土壤水分蒸发大, 各处理E/ET均达44.00%以上, 处理间差异不显著。拔节至抽穗, 同一施氮水平, 随着灌水梯度的增大, E/ET值随之增大, 而同一灌水水平下, 不同氮肥处理间差异不显著。抽穗至灌浆期E/ET值的变化趋势与拔节至抽穗期相似, 即同一施氮水平下, 随着灌水梯度的增大而显著增大, 但与拔节至抽穗期的变化趋势不一样的是, 同一灌水水平下, 随着施氮水平的增大, E/ET均亦随之显著增大。灌浆至成熟, 同一施氮水平下, 随着灌水梯度的增大, E/ET值均随之显著减小, 且低、高灌水处理差异显著, 而中灌水处理与低、高处理差异不显著。由此表明, 随着燕麦植株的发育, 地上冠层逐渐增大, 光合增强, 农田水分消耗逐渐由土壤蒸发耗水向作物蒸腾耗水转变; 至灌浆初期, 土壤棵间蒸发达最小, 且水氮互作效应使燕麦生态与生理需水处理间差异显著。从灌浆开始, 燕麦冠层蒸腾耗水逐渐减小, 土壤蒸散耗水逐渐增大。

图3 2014与2015年不同处理棵间蒸发量动态变化Fig.3 The seasonal change of soil water evaporation under different treatments in 2014 and 2015

表2 不同处理燕麦各生育时期农田棵间蒸发量/阶段总蒸散量的变化 Table 2 Variation of the proportion of soil evaporation (E)to evapotranspiration (ET) of oat at different growing stages under different treatments
2.5 不同水氮条件下不同来源水分占总耗水量比例的变化

如表3所示, 灌水和施氮对燕麦灌水消耗量、降雨消耗量及土壤贮水消耗量均有显著影响, 且相同施氮水平下, 燕麦灌水消耗量随着灌水水平的增加而增加, 降雨消耗量及土壤贮水消耗量均随着灌水水平的增加而减小。同时, 由表还可以看出, 在低灌水(I1)水平下, 燕麦农田贮水消耗量随着施氮量的增加而增加, 而在中(I2)、高(I3)灌水水平下, 土壤贮水消耗随着施氮量的增加而减小。低灌水(I1)水平下, N2I1处理较N1I1处理显著提高土壤贮水消耗量与总耗水量比例37.91%~38.52%, N3I1较N2I1处理显著提高-3.06%~6.05%。由此表明, 一定施氮条件下增加灌水量并不利于燕麦对天然降雨及土壤贮水的利用, 一定程度的干旱和灌溉条件下, 施氮会促进土壤贮水的利用。

表3 不同处理农田耗水量的水分来源及其占总耗水量的比例(2014-2015) Table 3 Source of water consumed during oat growth and its proportion to total water consumption in different treatments in 2014-2015
2.6 不同处理对燕麦产量及水分利用效率的影响

灌水与施肥显著影响燕麦籽粒产量及水分利用效率(表4)。同一施氮水平下, 燕麦产量随着灌水量的增大而显著增加。与I1处理相比, 低氮水平下(N1)I2、I3灌水处理分别显著提高籽粒产量8.39%~11.05%、11.13%~13.53%, 中氮水平下(N2)分别显著提高12.19%~13.22%、13.59%~13.77%, 高氮水平下(N3)分别显著提高12.22%~12.90%、13.00%~13.88%。由表4还可以看出, 同一灌溉量下, 产量随施氮量的增加而增加, 但低灌量(I1)下处理间差异不显著, 而中灌量(I2)与高灌量(I3)下中氮(N2)与高氮(N3)处理产量均显著高于低氮(N1)处理, 而中氮(N2)与高氮(N3)处理间差异不显著。与N1处理相比, N2与N3处理在中灌(I2)水平下分别显著提高籽粒产量4.98%~8.75%、6.43%~11.17%, 高灌(I3)水平下分别显著提高3.18%~7.38%、5.01%~9.19%。所有处理中N3I3籽粒产量最高(5466.0~5727.5 kg/hm2), N3I2次之(5428.5~5678.5 kg/hm2), N1I1最小, 仅为4504.3~4804.5 kg/hm2。

同一施氮水平下, 随着灌水量的增加燕麦水分利用效率逐渐降低, 且低氮(N1)水平下处理间差异显著, 中(N2)、高氮(N3)水平下, 低(I1)、中(I2)灌水处理显著高于高灌(I3)处理, 而低(I1)、中(I2)灌水处理间差异不显著。与I1和I2处理相比, I3处理在低氮(N1)水平下分别降低水分利用效率14.91%~16.27%、6.71%~9.16%, 中氮(N2)水平下分别显著降低10.62%~13.93%、7.53%~10.23%, 高氮(N3)水平下分别显著降低7.77%~9.27%、8.32%~10.58%。由表4还可以看出, 同一灌水水平下, 随着施氮量的增加燕麦水分利用效率亦逐渐增加, 但低灌量(I1)下处理间差异不显著, 而中(I2)、高(I3)灌溉量下差异显著。与低氮(N1)处理相比, 中氮(N2)和高氮(N3)处理在中(I2)灌量下分别显著提高水分利用效率1.86%~9.33%、10.01 %~15.41%, 高(I3)灌量下分别显著提高0.66%~8.38%、8.28%~13.43%。所有处理中, N3I2的水分利用效率最高[12.11~12.82 kg/(mm· hm2)], N3I1次之[12.04~12.63 kg/(mm· hm2)], N1I3最小, 仅为9.79~10.58 kg/(mm· hm2)。

表4 不同处理对燕麦产量及水分利用效率的影响(2014-2015) Table 4 The effect of different treatment on yield and water use efficiency (WUE) of oat in 2014 and 2015

由此表明, 灌水与氮肥对燕麦产量和水分利用效率具有显著互作效应, N3I2处理既能获得高产, 又能显著提高其水分利用效率。

3 讨论

本研究表明水氮存在互作效应, 灌水和施氮显著影响燕麦的耗水特性、产量及水分利用效率。相同施氮水平下, 燕麦总耗水量与灌水消耗量随着灌水水平的增加而增加, 降雨消耗量及土壤贮水消耗量均随着灌水水平的增加而减小, 这与马兴华等[19]的研究结果基本一致。本研究还发现, 在低灌水(I1)水平下, 燕麦耗水量随着施氮量的增加而增加, 而在中(I2)、高(I3)灌水水平下, 土壤贮水消耗随着施氮量的增加而减小。说明一定施氮条件下增加灌水量并不利于燕麦对天然降雨及土壤贮水的利用, 一定程度的干旱和灌溉条件下, 施氮会促进燕麦对土壤贮水的利用, 减小对灌水及天然降水的依赖。

在农田水分深层渗漏忽略不计的条件下, 土壤耗水主要途径是农田土壤水分蒸散生态耗水及作物光合、蒸腾生理耗水。在限量灌溉条件, 进一步研究土壤水分蒸散对研究作物耗水特性有重要意义。从播种到成熟总体来看, 燕麦农田棵间蒸发量(E)及其在相应阶段总蒸散量(ET)中所占比率的变化总趋势是先降后升, 但就具体的生育时期而论, 其变化趋势不一致。播种到拔节期, 降水、气温等气象因子是影响土壤水分变化的主要因素, 且此期燕麦植株矮小, 地上冠层对地面的覆盖度亦小, 土壤水分消耗以土壤蒸发为主, 各处理E/ET均达44.00%以上, 施氮并未对E/ET有显著影响。随着生育期的推进, 灌水后, 水氮互作效应显著影响土壤棵间蒸发及E/ET比例。拔节至灌浆, 水氮量的增加, 均增大农田棵间蒸发及E/ET, 但灌浆至成熟, 与前期不一样的是同一施氮水平下, 随着灌水梯度的增大, E/ET均随之显著减小。究其可能原因是, 灌浆开始, 低灌水处理土壤水分匮乏, 加速了燕麦生育进程, 生理耗水急剧减小, 同时相对较小的冠层对地面的覆盖度小, 太阳对地面的辐射度大, 从而增大了棵间蒸发, 而高灌水处理土壤水分充沛, 能供充足的水肥让地上组织利用, 冠层茂密, 庞大的冠层有效减弱了太阳对地面的辐射, 棵间蒸发小, 同时较强的光合及蒸腾生理耗水大, 从而造成高水分处理E/ET变小。已有研究表明, 水氮耦合效应能显著增强作物的光合生产性能, 提高作物对土壤水分的利用[20, 21]。

水氮运筹不仅影响作物耗水特性, 而且也显著影响作物产量及水分利用效率。尹光华等[22]对春小麦的水肥耦合效应研究表明, 在半干旱区水对产量的影响大于肥。本研究中, 在低、中、高3个施肥水平下, 燕麦产量均随着灌水量的增大而增加, 与已有研究结果相似。同时本研究发现, 低灌量(I1)下增施氮肥并不能显著增加燕麦产量, 而中灌量(I2)与高灌量(I3)下中氮(N2)与高氮(N3)产量均显著高于低氮(N1)处理。中灌(I2)水平, 与N1I2处理相比, N2I2与N3I2处理分别显著提高产量4.98%~8.75%、6.43%~11.17%, 高灌(I3)水平, N2I3与N3I3处理分别较N1I3处理显著提高3.18%~7.38%、5.01%~9.19%。这与已有的研究结果相似, 水氮对作物籽粒产量的调控存在互补效应, 增施氮肥可补偿因灌水不足导致的籽粒产量降低[23, 24]。

研究表明, 小麦水分利用效率随灌溉水量的增加而降低, 但当灌溉水平较低时, 水分利用效率随施氮量的增加呈上升趋势[25]。本研究中, 同一施氮水平下, 随着灌水量的增加燕麦水分利用效率逐渐降低; 同一灌水水平下, 随着施氮量的增加燕麦水分利用效率亦逐渐增加, 这一结果与小麦方面的研究相似[26, 27]。所有处理中, N3I3产量最高(5466.0~5727.5 kg/hm2), N3I2次之(5428.5~5678.5 kg/hm2), 而N3I2的水分利用效率最高[12.11~12.82 kg/(mm· hm2)], N3I1次之。N3I3处理是以消耗较大的水分为代价来获得高产, 而N3I1处理是以显著降低耗水与产量的途径来提高水分利用效率, 两者均不切合生产实践。因此, 在灌水有限的绿洲灌区, 可通过适量增施氮肥的方式来弥补水分不足而造成的作物减产, N3I2是试区较佳的燕麦生产水氮管理模式。已有研究表明。适量水肥组合的效应大于高水高肥和低水低肥组合, 水肥互作效应最大的为氮与水的耦合[22]。

本研究中, 仅限于讨论不同水氮条件对燕麦耗水特性及产量的影响, 未对氮素利用进行研究。而已有研究表明, 作物水氮利用效率峰值与作物产量峰值并非完全吻合[28, 29]。氮肥利用率随灌水量递增而提高, 随施氮量递增而降低[30, 31, 32, 33]。可见, 农业生产中既满足氮肥利用率和水分利用效率双赢, 又满足作物高产和资源环境安全是矛盾的, 有待进一步深入研究水氮影响作物生长的耦合效应及其机制, 寻求实现水氮资源、环境与产量可持续目标的协调和统一。

4 结论

水分和氮肥对燕麦水分利用及产量具有显著互作效应。适宜的灌水量不仅受降水多少的影响, 而且与氮素施用量存在耦合效应, 一定施氮条件下增加灌水量并不利于燕麦对天然降雨及土壤贮水的利用, 一定程度的干旱和灌溉条件下, 适量施氮提高了燕麦对土壤贮水的利用能力, 减小对灌水及自然降水的依赖。燕麦产量随着灌水量及施氮量的增大而提高, 但高水与高氮条件下燕麦增产幅度受限, 而水分利用效率随着灌水量的增大而减小, 随着施氮量的增大而提高。在灌水有限的西北绿洲灌区, 可通过适量增施氮肥的方式来弥补水分不足而造成的燕麦减产, 燕麦施氮量为150 kg/hm2、灌溉定额为337.5 mm时既能获得高产, 又能显著提高水分利用效率, 是试区较佳的燕麦生产水氮管理模式。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] Chai J K, Mu P, Zhao G Q. Study on yield stability and test site representaiveness of eight oat varieties in Gansu province. Acta Agrestia Sinia, 2016, 24(5): 1100-1107.
柴继宽, 慕平, 赵桂琴. 8个燕麦品种在甘肃的产量稳定性及试点代表性研究. 草地学报, 2016, 24(5): 1100-1107. [本文引用:1]
[2] May William E, Mohr Ramona M, Lafond Guy P, et al. Effect of nitrogen, seeding date and cultivar on oat quality and yield in the eastern Canadian prairies. Canadian Journal of Plant Science, 2004, 84(4): 1025-1036. [本文引用:1]
[3] Güler M. Nitrogen and irrigation effects on grain [Beta]-glucan content of oats (Avena sativa L. ). Australian Journal of Crop Science, 2011, 5: 242-247. [本文引用:1]
[4] Wang T, Xu C L, Jiang W Q, et al. The comprehensive evaluation of nutrition value of different oat varieties in meadow region of alpine. Chinese Journal of Grassland , 2010, 32(3): 68-75.
王桃, 徐长林, 姜文清, 等. 高寒草甸区饲用燕麦品种营养价值综合评价研究. 中国草地学报, 2010, 32(3): 68-75. [本文引用:1]
[5] Zhao G Q, Mu P, Wei L M. Research progress in Avena sativa. Acta Prataculturae Sinica, 2007, 16(4): 116-125.
赵桂琴, 慕平, 魏黎明. 饲用燕麦研究进展. 草业学报, 2007, 16(4): 116-125. [本文引用:1]
[6] Wu N, Zhao B P, Zeng Z H, et al. Effects of super absorbent polymer application rate on yield and quality of naked oat (Avenue nuda L. ) in two irrigation systems. Acta Agronomica Sinica, 2009, 35(8): 1552-1557.
吴娜, 赵宝平, 曾昭海, 等. 两种灌溉方式下保水剂用量对裸燕麦产量和品质的影响. 作物学报, 2009, 35(8): 1552-1557. [本文引用:1]
[7] Zhao B P, Pang Y, Zeng Z H, et al. Effect of limited irrigation on yield and water use efficiency of oats. Agricultural Research in the Arid Areas, 2007, 25(1): 105-115.
赵宝平, 庞云, 曾昭海, 等. 有限灌溉对燕麦产量和水分利用效率的影响. 干旱地区农业研究, 2007, 25(1): 105-115. [本文引用:1]
[8] Dang T H, Cai G X, Guo S L, et al. Effect of nitrogen management on yield and water use efficiency of rainfed wheat and maize in Northwest China. Pedosphere, 2006, 16(4): 495-504. [本文引用:1]
[9] Christos A D, Christos S. Safflower yield, chlorophyll content, photosynthesis, and water use efficiency response to nitrogen fertilization under rainfed conditions. Industrial Crops and Products, 2008, 27(1): 75-85. [本文引用:1]
[10] Wang X B, Dai K, Zhao Q S, et al. Opinions on water-nitrogen relations and their synergic management. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(24): 7001-7015.
王小彬, 代快, 赵全胜, 等. 农田水氮关系及其协同管理. 生态学报, 2010, 30(24): 7001-7015. [本文引用:1]
[11] Schahram B, Sharyar B, Peter W, et al. Improvement of water use and N fertilizer efficiency by subsoil irrigation of winter wheat. European Journal of Agronomy, 2008, 28(1): 1-7. [本文引用:1]
[12] Felzer Benjamin S, Cronin Timothy W, Melillo Jerry M, et al. Nitrogen effect on carbon-water coupling in forests, grassland s, and shrubland s in the arid western United States. Journal of Geophysical Research, 2011, 116: 3023-3045. [本文引用:1]
[13] Hu H Y, Ning T Y, Li Z J, et al. Coupling effects of urea types and subsoiling on nitrogen-water use and yield of different varieties of maize in northern China. Field Crops Research, 2013, 142: 85-94. [本文引用:1]
[14] Wang X Y. Effect of different water and nitrogen condition on nitrogen absorption, translocation and accumulation of oat. Journal of Southwest China Normal University: Natural Science Edition, 2014, 39(11): 101-107.
王秀英. 不同水氮条件对燕麦氮素吸收转运和积累的影响. 西南师范大学学报: 自然科学版, 2014, 39(11): 101-107. [本文引用:1]
[15] Yang M H, Liu S Y, Li L J, et al. Influence of photosynthetic characteristics and yield in oats on coupling of fertilizer and irrigation. Acta Agriculturae Boreali Sinica, 2011, 26(6): 158-163.
杨满红, 刘锁云, 李立军, 等. 水肥耦合对燕麦光合特性和产量的影响. 华北农学报, 2011, 26(6): 158-163. [本文引用:1]
[16] Sun H Y, Liu C M, Zhang X Y, et al. Effects of the different length micro-lysimeters on the evaporation. Journal of Northwest Agriculture and Forestry Unversity: Natural Science Edition, 2003, 31(4): 167-170.
孙宏勇, 刘昌明, 张喜英, 等. 不同长度Micro-lysimeters对测定土壤蒸发的影响. 西北农林科技大学学报: 自然科学版, 2003, 31(4): 167-170. [本文引用:1]
[17] Xu D, Schmid R, Mermoud A. Effects of tillage practices on the variation of soil moisture and the yield of summer maize. Transactions of the CSAE, 1999, 15(3): 101-106.
许迪, Schmid R, Mermoud A. 耕作方式对土壤水动态变化及夏玉米产量的影响. 农业工程学报, 1999, 15(3): 101-106. [本文引用:1]
[18] Huang G B, Guo Q Y, Zhang R Z, et al. Effects of conservation tillage on soil moisture and crop yield in a phased rotation system with spring wheat and field pea in dryland . Acta Ecologica Sinica, 2006, 26(4): 1176-1185.
黄高宝, 郭清毅, 张仁陟, 等. 保护性耕作条件下旱地农田麦-豆双序列轮作体系的水分动态及产量效应. 生态学报, 2006, 26(4): 1176-1185. [本文引用:1]
[19] Ma X H, Wang D, Yu Z W, et al. Effect of irrigation regimes on water consumption characteristics and nitrogen distribution in wheat at different nitrogen applications. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(8): 1955-1965.
马兴华, 王东, 于振文, 等. 不同施氮量下灌水量对小麦耗水特性和氮素分配的影响. 生态学报, 2010, 30(8): 1955-1965. [本文引用:1]
[20] Liu S Y, Chen L Q, Hu T H, et al. Effects of water-nitrogen coupling on photosynthetic characteristics of oat. Acta Agriculturae Boreali-occidentalis Sinica, 2013, 22(1): 60-67.
刘锁云, 陈磊庆, 胡廷会, 等. 水氮耦合对燕麦光合特性的影响. 西北农业学报, 2013, 22(1): 60-67. [本文引用:1]
[21] Li G H, Zhao B, Dong S T, et al. Effects of coupling controlled release urea with water on yield and photosynthetic characteristics in summer maize. Acta Agronomica Sinica, 2015, 41(9): 1406-1415.
李广浩, 赵斌, 董树亭, 等. 控释尿素水氮耦合对夏玉米产量和光合特性的影响. 作物学报, 2015, 41(9): 1406-1415. [本文引用:1]
[22] Yin G H, Liu Z X, Li G F, et al. Effect of nitrogen, phosphorus and water coupling on spring wheat yield in semi-arid areas of western Liaoning Province. Transactions of the CSAE, 2005, 21(1): 41-45.
尹光华, 刘作新, 李桂芳, 等. 辽西半干旱区春小麦氮磷水耦合产量效应研究. 农业工程学报, 2005, 21(1): 41-45. [本文引用:2]
[23] Guo T C, Yao Z J, Wang C Y, et al. Effects of irrigation and fertilizer application regimes on photosynthetic characteristics of flag leaves and yield traits of wheat. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2004, 24(10): 1786-1791.
郭天财, 姚战军, 王晨阳, 等. 水肥运筹对小麦旗叶光合特性及产量的影响. 西北植物学报, 2004, 24(10): 1786-1791. [本文引用:1]
[24] Zhai B N, Li S X. Study on the key and sensitive stage of winter wheat responses to water and nitrogen coordination. Scientia Agricultura Sinica, 2005, 38(6): 1188-1195.
翟丙年, 李生秀. 冬小麦水氮配合关键期和亏缺敏感期的确定. 中国农业科学, 2005, 38(6): 1188-1195. [本文引用:1]
[25] Li L, Hong J P, Wang H T, et al. Effects of watering and nitrogen fertilization on the growth, grain yield, and water- and nitrogen use efficiency of winter wheat. Chinese Journal of Applied Ecology, 2013, 24(5): 1367-1373.
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. 应用生态学报, 2013, 24(5): 1367-1373. [本文引用:1]
[26] Ning D F, Li Z J, Sun W Y, et al. Effects of water-saving irrigation on water consumption and photosynthetic characteristics of winter wheat in Huang-Huai-Hai area of China. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2010, 16(4): 852-858.
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. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(4): 852-858. [本文引用:1]
[27] Sun H Y, Liu C M, Zhang X Y, et al. Effects of irrigation on water balance, yield and WUE of winter wheat in North China Plain. Agricultural Water Management, 2006, 85(4): 211-218. [本文引用:1]
[28] Halford N G, Hey S, Jhurreea D. Highly conserved protein kinases involved in the regulation of carbon and amino acid metabolism. Journal of Experimental Botany, 2004, 55: 35-42. [本文引用:1]
[29] Good A G, Shrawat A K, Muench D G. Can less yield more is reducing nutrient input into the environment compatible with maintaining crop production. Trends in Plant Science, 2004, 9(12): 597-605. [本文引用:1]
[30] Xie Z L, Tian C Y. Coupling effects of water and nitrogen on dry matter accumulation, nitrogen uptake and water-nitrogen use efficiency of cotton under mulched drip irrigation. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2011, 17(1): 160-165.
谢志良, 田长彦. 膜下滴灌水氮耦合对棉花干物质积累和氮素吸收及水氮利用效率的影响. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(1): 160-165. [本文引用:1]
[31] Gonzalez E M, Gordon A J, James C, et al. The role of sucrose synthase in the response of soybean nodules to drought. Journal of Experimental Botany, 1995, 46: 1515-1523. [本文引用:1]
[32] Xu Z Z, Zhou G S. Nitrogen metabolism and photosynthesis in Leymus chinensis in response to long- term soil drought. Journal of Plant Growth Regulation, 2006, 25(3): 252-266. [本文引用:1]
[33] Zeng X B, Li J M. Fertilizer application and its effect on grain production in different counties of China. Scientia Agricultura Sinica, 2004, 37(3): 387-392.
曾希柏, 李菊梅. 中国不同地区化肥施用及其对粮食生产的影响. 中国农业科学, 2004, 37(3): 387-392. [本文引用:1]