冬小麦生长和产量对不同水钾处理的响应

赵 赫，陈任强，高惠嫣，张月辰，刘宏权

（1. 河北农业大学 城乡建设学院，河北 保定 071001，2. 河北农业大学 农学院，河北 保定 071001）

冬小麦是我国的主要粮食作物之一，保障其生产水平对我国的粮食安全有重要意义［1］。河北省作为冬小麦的主产区之一,粮食产量占全国总产量的6%，但河北省水资源严重匮乏，人均水资源占有量仅为全国水平的1/7［2-3］，所以大力发展农业节水成为当前小麦生产中重要的一环［4］。

水分和养分是冬小麦生长过程中两大可调控因素，合理的水肥模式通过对叶绿素荧光信号［5］、植株体内的酶［6］以及叶片气孔形态［7］等多种因素的调节，进而影响植株的光合作用［8］，以提高产量［9-10］、水肥利用效率［11-13］和品质［14-15］。现已有研究表明：供钾不足使小麦生育后期旗叶过氧化物酶的活性和丙二醛的含量增高,叶绿素含量和根系活力降低,旗叶光合速率下降,加速小麦衰老［16-17］，而合理施用钾肥可以增加湿面筋和蛋白质的含量［18］，改善加工品质［19］，当田间水分不足时，也可以通过施钾来促进植物生长以达到以肥促水的效果［20］。

关于冬小麦对水分和钾肥的响应已在河南［21］、山东［22］等多地进行了研究，赵国英［23］和王丽金等［24］在河北地区就不同灌水量和施钾量对冬小麦抗倒伏和冬小麦群体物质生产进行了研究，但是关于不同水钾组合对冬小麦生长、产量及耗水的系统研究较少，本试验基于太行山山前平原地区，系统性研究不同水钾组合对冬小麦生长、产量、耗水及水分利用效率的影响，为小麦节水和合理施用钾肥提供一定的理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在河北省辛集市河北农业大学试验站（37°47′N，115°17′E，海拔32 m）进行。试验站位于太行山山前平原，该地区属于暖温带半湿润半干旱季风气候区。多年平均气温13.7 ℃，年均日照时间2 737.8 h，无霜期190 d，年均降水量458.6 mm，70%的降雨主要集中在夏季。土壤基础理化性质见表1。气象数据由试验站内气象站提供，试验阶段气象数据见图1。

表1 播前土壤基础理化性质Table 1 Physical and chemical properties of soil foundation before sowing g/kg

图1 试验区气温和降水量Fig.1 Daily air temperature and precipitationin the study area

1.2 试验设计

试验设置了2 个因素：灌溉水量和施钾量。灌溉水量设置一水灌溉（拔节期灌溉60 mm，W1）和二水灌溉（拔节期和开花期分别灌溉60 mm，W2），每次灌溉的灌水定额为60 mm，用水表控制各小区的灌水量。施肥量设置3 个处理：K1（K2O 225 kg/hm2），K2（K2O 135 kg/hm2），K3（K2O 90 kg/hm2），试验施用的钾肥为氯化钾（K2O 含量为60%），施肥方式是作为基肥播种前一次施入。水肥处理方式见表2。每个处理设置3 个重复，共计18 个小区，每个小区大小为12 m×8 m，小区随机布置。各小区分为3 个子区，中间的子区用于测产，两侧子区分别用于测定土壤含水率等指标。每个小区四周均设置1 m 宽的保护区。试验前在各个小区之间垂直铺设防渗膜，铺设深度为40 cm。

表2 不同水肥处理方式Table 2 Different water and fertilizer treatment schemes

1.3 田间管理

试验品种为节水抗旱品种‘石麦22’，于2018 年10 月10 日播种，2019 年6 月12 日收获。采用7.5 cm等行距种植，播种量为277.5 kg/hm2，基本苗数为248万株/hm2。播前灌水量为105 mm，无越冬水，每个小区的灌水量由水表控制。施底肥N 90 kg/hm2，P2O590 kg/hm2，拔节期撒施追肥N 90 kg/hm2。除水肥处理方式不同之外，其余田间管理按当地成熟的做法进行。

1.4 观测项目

（1）叶绿素相对含量：测定开花后主要生育期旗叶的绿叶素含量，采用叶绿素仪测定（日本美能达公司生产的 SPAD-502 型）。每个小区随机取5 株。将叶绿素仪的透光孔置于叶缘和叶脉的中间部位，避开叶脉。

（2）干物质和各器官所占比例：将测完指标的小麦植株按器官分为：叶（绿叶和黄叶）、茎（包括叶鞘）和穗（穗轴、籽粒和颖壳）。将这些分离好的器官置于105 ℃的烘箱杀青30 min，然后80 ℃烘至恒重，称重测定干物质量，并计算地上部分单株干重和各器官占单株干重的比例。

（3）土壤含水率：采用烘干法测定。冬小麦生育期内每7 ～10 d 用土钻取样。且在灌水前后、降水后、生育期结束时加测。按0 ～20、20 ～40、40 ～60、60 ～80、80 ～100 cm 进行分层取样。

（4）作物耗水量：各个生育阶段及全生育期作物耗水量采用水量平衡方程计算［25］：

ET=P ＋I ＋S ＋△W―R―D

式中，ET 为作物耗水量（mm），P 为降水量（mm），I 为灌水量（mm），S 为地下水补给量（mm），△W 为土壤含水率的变化量（mm），R 为地表径流（mm），D 为深层渗漏（mm）。由于当地地下水埋深大于40 m，故不考虑地下水补给量。由于各小区之间有隔离，灌水量不足以形成地表径流，R ＝0。土壤水分的测定深度为1 m，一般情况可以忽略深层渗漏D。并且在试验期间没有暴雨或特大暴雨，故不考虑地表径流R 和深层渗漏D 的影响。

（5）籽粒产量：冬小麦收获时，每个小区随机选取3 个1 m×1 m 的样方，先数出每个样方中的有效穗数，再随机数20 个穗的穗粒数，计算平均穗粒数。然后将全部麦穗剪下后，置于预热至105 ℃的电热鼓风干燥箱中杀青30 min，之后调到80 ℃烘至恒重。人工脱粒后每个样方随机选取1 000 粒称重得到千粒重。为了使各处理产量差异具有可比性，统一由烘干籽粒重折算成含水率为13%时的产量，得到最终的冬小麦产量Y（kg/hm2）。

（6）水分利用效率：

式中WUE 为水分利用效率（kg/m3），ET 为作物耗水量（mm）。

2 结果与分析

2.1 不同水钾组合对冬小麦叶绿素含量（SPAD 值）的影响

表3 给出了冬小麦在不同水钾处理下开花后各生育期旗叶的叶绿素含量，其变化趋势呈先增大后减小。

表3 不同水钾处理下旗叶的叶绿素含量（SPAD 值）的变化Table 3 Changes of chlorophyll content (SPAD value) of flag leaves under different water and potassium treatments

各处理的叶绿素含量在灌浆期达到顶峰，此时各处理的叶绿素值W2K2 最大，W1K1 最小；乳熟期至成熟期叶绿素含量逐渐下降，成熟期各处理的叶绿素值W2K1 最大，W1K3 最小。

由表4 可知：灌浆期、乳熟期和成熟期灌水量和施钾量的主效应对旗叶叶绿素含量影响显著，但水钾交互作用的影响不显著。灌浆期时在相同灌水量下不同施钾处理的叶绿素表现为：K1＞K2＞K3，K1 比K2 增加了2.4%（W2 处理）和5.8%（W1 处理），K2 比K3 增加了7.8%（W2 处理）和9.8%（W1 处理）；在相同施钾量下叶绿素表现为：W2＞W1,W2 处理比W1 处理增加了7.9%（K1 处理）、4.0%（K2 处理）和6.0%（K3 处理）。说明灌水量和施钾量的增加都会增大叶片中叶绿素含量的上限值。冬小麦生育后期叶片变黄叶绿素含量逐渐下降，至成熟期时相同灌溉水量下叶绿素含量表现为K1＞K2＞K3，相同施钾量下叶绿素含量表现为W2＞W1。说明施钾量和灌溉水量的增加都会增大冬小麦生育后期叶绿素的下限值。

表4 叶绿素的水钾双因素方差分析结果Table 4 Results of two-factor analysis of variance for water and potassium

2.2 不同水钾组合对冬小麦干物质积累的影响

表5 为冬小麦各生育期的干物质积累量，其积累变化趋势呈S 型曲线，开花期和灌浆期是干物质快速积累的阶段。成熟期干物质积累量最大的是W2K1，最小的是W1K3，最大值和最小值分别为22 609.33 和20 873 kg/hm2。

表5 不同水钾处理下干物质积累量Table 5 Dry matter accumulation under different water and potassium treatments kg/hm2

由表6 可知，施钾量的主效应对冬小麦全生育期的干物质积累量影响显著，在开花期灌溉二水后，不同灌溉水量对干物质积累影响也显著，但水钾交互作用对干物质积累影响不显著。

表6 冬小麦干物质积累量的水钾双因素方差分析结果Table 6 Two-factor analysis of variance of water and potassium for winter wheat dry matter accumulation

成熟期时相同灌水量下不同施钾量的干物质积累量表现为：K1＞K2＞K3，K1 比K2 增加了2.2%（W1处理）和0.78%（W2 处理），K2 比K3 增加了4.3%（W1处理）和4.0%（W2 处理）；相同施钾量下不同灌水处理间差异显著，其干物质表现为：W2＞W1，W2 处理的干物质积累量比W1 处理提高了1.7%（K1处理）、3.2%（K2 处理）和3.4%（K3 处理）。

W1K1、W1K2 和W1K3 的干物质积累量之间差异显著，说明在灌溉一水的条件下，增大施钾量会显著提高冬小麦干物质的积累； W2K1 和W2K2差异不显著，W2K2 和W2K3 差异显著，说明在灌溉两水时，在一定范围内施钾量的增加会使干物质的积累量增加，但是当施钾量增加到225 kg/hm2时，施钾量的提升不能使干物质积累显著增加。

2.3 不同水钾组合对冬小麦各器官占干物质比例的影响

表7 为冬小麦各个生育期不同器官干物质占全株冬小麦干物质的比例。由表7 可知，叶片干物质占全株干物质的比例最大是在拔节期，所占比例范围在61.53%～66.69%之间，成熟期最小，所占比例范围在5.2%～6.88%之间；茎所占干物质的比例是先增大后减小，开花期达到最大，所占比例范围在63.67%～65.74%之间，随后所占比例逐渐下降，成熟期最小，所占比例范围为30.58%～33.56%；穗作为冬小麦的营养器官，自抽穗后所占比例就不断增加，至成熟期所占比例最大，范围在59.68%至63.66%之间。

表7 不同水钾组合下各器官占全株冬小麦干物质的比例Table 7 Dry matter distribution of winter wheat under different water and potassium combinations %

由表8 可知，各个器官的干物质所占比例受不同水钾组合的影响，在拔节期叶和茎的所占比例受到不同施钾量的影响；在灌浆期和成熟期茎的所占比例受到不同施钾量的影响；在灌浆期和成熟期不同灌水量、不同施钾量和水钾交互作用对穗的所占比例影响均显著，各影响因素的F 值大小为K＞W＞K*W，说明在成熟期，施钾量对穗占全株干物质比例影响最大，其次是灌水量，最后是水钾交互作用。

表8 各器官干物质占比的水钾双因素分析结果Table 8 Results of two-factor analysis of water and potassium for the proportion of dry matter in various organs

2.4 不同水钾组合对冬小麦全生育期耗水量的影响

由表9 可知，灌溉水量和施钾量对耗水量的影响均达到极显著水平，但水钾交互作用对其影响不显著，说明小麦全生育期的耗水量受到灌溉水量和施钾量的显著影响，而不受水钾交互作用的影响。因为W 处理的F 值大于K 处理，所以灌水次数对小麦全生育期耗水量的影响大于施钾量。

表9 冬小麦全生育期耗水量的水钾双因素方差分析结果Table 9 Two-factor analysis of variance of water and potassium for water consumption of winter wheat during the whole growth period

由表10 可知，各处理中W2K1 的耗水量最大，耗水量为399.33 mm；W1K3 的耗水量最小，耗水量为347.33 mm。相同灌水量下，K1 处理的耗水量相比K2 提高了0.7%（W2 处理）和3.6%（W1 处理），K2 处理的耗水量相比K3 提高了3.3%（W2 处理）和2.6%（W1），说明随着施钾量的增加，冬小麦全生育期耗水量会增大，但是W2K1 与W2K2 之间和W1K2 与W1K3 之间差异不显著，说明在W2 处理下，当施钾量从K2 增加到K1 时，耗水量的增加不显著，在W1 处理下，当施钾量从K3 增加到K2时，耗水量的增加也不显著；在相同施钾水平下，W2 处理的耗水量与W1 差异显著，且W2 处理的耗水量比W1 提高了8.2%（K1 处理）、11.3%（K2 处理）和10.5%（K3 处理）。说明灌溉水量的增加导致小麦全生育期耗水量增加。

表10 冬小麦全生育期耗水量Table 10 Water consumption during whole growth period

2.5 不同水钾组合对冬小麦产量及其构成要素的影响

表11 给出了不同水钾组合下各处理的实测产量，各处理中W2K1 的产量最高，产量为10 469.23 kg/hm2；W1K3 的产量最低，为8 727.1 kg/hm2。由表12 可知，灌溉水量、施钾量和水钾交互作用对理论产量的影响均达到极显著水平，其影响程度由大到小依次为：施钾量、灌水量、水钾交互作用。由各组间的方差对比可知，W1K1 与W1K2 无显著差异，说明在W1 处理下，当施钾量提高到225 kg/hm2时，过高的施钾量不会带来产量的显著提高。W1K1 与W2K1、W1K3 与W2K3 差异显著，说明在K1 和K3 处理下多灌溉1 次水，会显著提高理论产量；W1K2 与W2K2 的差异不显著，说明在K2 处理下，多灌溉1 次水所获得的产量提升效果不显著。

表11 不同水钾组合下冬小麦的产量及其构成要素Table 11 Winter wheat yield and its components under different water and potassium combinations

穗粒数受施钾量的影响达到极显著水平（P＜0.01）。在W2 处理下，随着施钾量的增加，穗粒数显著提高；但是在W1 处理下，K1 与K2 差异不显著，K2 与K3 差异显著，说明当施钾量从90 kg/hm2提高至135 kg/hm2时穗粒数会显著提高，但当施钾量从135 kg/hm2提升至225 kg/hm2时，穗粒数有提高，但是效果不显著。灌溉水量和水钾交互作用对穗数影响显著，在相同施钾量下，W2 比W1 提高了6.5%（K1 处理）、2.1%（K2 处理）和12.9%（K3处理）。千粒重受到施钾量和水钾交互作用的影响，W1 处理下K2 的千粒重最大，为37.44 g，W2 处理下K1 的千粒重最大，为37.14 g。

表12 产量及构成要素的水钾双因素分析结果Table 12 Results of two-factor analysis of water and potassium for yield and components

2.6 不同水钾组合对冬小麦水分利用效率的影响

表13 为不同水钾组合下冬小麦的水分利用效率，水分利用效率是指作物蒸腾消耗单位质量的水所制造干物质的质量。各处理中W1K2 的水分利用效率最大，其值为2.81 kg/m3；W2K3 的水分利用效率最小，其值为2.44 kg/m3。在W2 处理下，K1 可以获得较大的水分利用效率；在W1 处理下，K2 可以获得较大的水分利用效率。

表13 不同水钾组合的水分利用效率Table 13 Water use efficiency of different combinations of water and potassium

由表14 可知，灌溉水量、施钾量和水钾交互作用对水分利用效率的影响均达到极显著水平（P＜0.01）。各影响因素的F 值大小排序为：K＞K*W＞W，所以对水分利用效率影响最大的因素是施钾量，其次是水钾交互作用，最后是灌水量。

表14 水分利用效率的水钾双因素方差分析结果Table 14 Two-factor analysis of variance of water and potassium for water use efficiency

3 讨论

3.1 不同水钾处理对叶绿素、干物质积累和各器官占比的影响

叶绿素是植物体进行光合作用不可缺少的物质，有研究表明：适当的施钾量不仅可以促进生物量的积累，还可以增加旗叶的叶面积和旗叶衰老后期叶绿素的含量，延长旗叶的光合功能期,促进籽粒的灌浆［26］。在本研究中，冬小麦旗叶叶绿素含量在灌浆期达到最大，在成熟期时衰减至最小，整体呈先增大后减小的趋势。在同一灌水量下叶绿素含量的大小均表现为：K1＞K2＞K3，在同一施钾量处理下，W2 处理的叶绿素含量比W1 处理增加了4.0%～7.9%，这说明在不充分灌溉下，灌溉水量的减少会使旗叶叶绿素含量降低，与此同时提高钾肥的施用量会增加叶片的抗逆性，使叶片叶绿素含量增加，与李瑞［26］和张立新［27］等人的研究结果相似。

施钾肥可以提高干物质积累速率和最大干物质积累量［28］，本试验中各施钾处理的最大干物质积累量表现为：K1＞K2＞K3，这是由于随着施钾量的增加，旗叶叶绿素含量的上限值获得提高并且延缓了叶片的衰老，延长了植株光合作用的时间，使得在相同灌水处理下施钾量越高干物质积累量也就越大；在相同施钾量下，W2 的干物质积累量比W1 有显著增加，这可能是由于灌溉水量的增加使得土壤中可以被植株吸收的钾离子增多，使得植株干物质积累速率增加，获得正向反馈。施钾量的增加不仅可以提高干物质积累还可以促进干物质向籽粒的转运，李文娟等［29］的研究表明，在适当施钾量下籽粒占全株干物质的比例会增大。本实验中也有相似结论，在不同灌水量下均是K2 处理的穗占全株干物质比例最大，过高或者过低的施钾量均降低穗在全株干物质中的占比。

3.2 不同水钾处理对产量、耗水量和水分利用效率的影响

施钾可以改善冬小麦群体物质生产和产量要素［30］，并且可以促进小麦植株对土壤中氮的吸收，增加氮肥利用率，减少氮素的淋失［31］。本试验中，施钾量对穗粒数和穗数影响显著，随着施钾量的增加，穗粒数和穗数都有显著增加，此外灌水量的增加也会使穗数增加。千粒重除了受到施钾量的影响还受到灌水量的影响，灌溉两水的情况下，随着施钾量的增加，籽粒的千粒重也随之增加，而在灌一水时，K1 和K3均较K2 的千粒重有所降低，这说明在灌两水的情况下，施钾量的增加对小麦千粒重的增加有正向反馈作用，而在灌一水时，K2 处理的抗逆性有显著提高，过高或过低的施钾量均会使千粒重下降。从整体产量上看，对产量的影响因素从大到小依次是施钾量、灌水量和水钾交互作用。随着灌溉水量和施钾量的增加小麦产量均有所提高，这是由于施钾促进了小麦的根系发育，促进对其他营养元素的吸收［32］，叶绿素含量增大，延长灌浆时间，促进开花后营养器官贮存的光合产物向生殖器官的再分配，提高籽粒蛋白质和氨基酸的含量,增加产量［16］。

充足的水分是保证产量的基本要求，但不是灌溉的越多就越能获得高产，过多的灌水会使作物产生奢侈蒸腾，造成水分浪费，而适度的亏水可以显著抑制蒸腾速率，促进根系锻炼，且光合速率下降不明显，有利于光合产物向籽粒的转运以及积 累［33］。本试验中，随着灌溉水量和施钾量的增加小麦全生育期耗水量有显著增加，但是多灌溉1 次水会导致水分利用效率下降3.8%（K1）、13.3%(K2) 和2.9%(K3), 与此同时带来的增产效果为4.3%（K1）、-1.6%（K2）和 7.5%（K3），多灌溉1次水反而使得W2K2 的产量较W1K2 有略微下降，这是可能是由于在灌一水时中钾处理增强了小麦的抗逆性，提高了营养物质向籽粒的转运速度，使W1 处理的千粒重比W2 大。W1K2 相比于W2K1产量下降了4.3%，但是水分利用效率提高了7.3%。鉴于以上研究结果，W1K2 既能获得相对较高的产量又能获较高的水分利用效率，所以W1K2 为最佳的水钾处理方案。

4 结论

（1）施钾量和水钾交互作用对叶绿素含量和干物质积累量影响显著，施钾量越高，灌浆期旗叶叶绿素含量的上限值和成熟期旗叶衰减后叶绿素的下限值越高，干物质积累量也越大。

（2）冬小麦全生育期耗水量受灌溉水量和施钾量影响显著。各处理中耗水量最大的是W2K1，最小的是W1K3，最大值和最小值分别为399.33 mm和347.33 mm；K1 处理的耗水量相比K2 和K3 分别增加了0.7% ～3.6% 和4.1% ～6.3%，W2 处理的耗水量比W1 增加了8.2%～11.3%。

（3）产量和各器官干物质占全株干物质的比例受灌溉水量、施钾量和水钾交互作用的影响。各处理中产量的最大的是W2K1，最小的是W2K3，最大值和最小值分别为10 469.23 和8 727.1 kg/hm2；成熟期穗占全株干物质比例表现最好的是W1K2，穗占比达到了64.22%，且W1K2 的水分利用效率为2.81 kg/m3，比其他处理提高了3.3%～15.2%。故从提高水分利用效率和提高穗占全株干物质比例的角度考虑，W1K2 为最佳的水钾处理方式。