不同降水年型水氮運(yùn)籌對(duì)冬小麥耗水和產(chǎn)量的影響

李正鵬，宋明丹，馮 浩

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不同降水年型水氮運(yùn)籌對(duì)冬小麥耗水和產(chǎn)量的影響

李正鵬1,2，宋明丹1,2，馮 浩3,4※

（1. 青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810016；2. 青海省農(nóng)林科學(xué)院，西寧 810016； 3. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100； 4. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，楊凌 712100）

灌水和施氮是影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)糧食生產(chǎn)的2個(gè)主要因素，但其增產(chǎn)效應(yīng)和資源利用效率會(huì)受降水年型的影響。該研究基于2011—2014在陜西關(guān)中平原進(jìn)行的3 a冬小麥水氮耦合試驗(yàn)，分析了不同降水年型下水氮管理對(duì)土壤含水率、籽粒產(chǎn)量、耗水量（water consumption，ETa）及產(chǎn)量與耗水量關(guān)系的影響。結(jié)果表明：7—9月總降水量每增加1 mm，小麥播前0~180 cm土壤底墑增加0.47 mm。隨著灌水量增加，產(chǎn)量和ETa均增加，但僅在降水較少的2012—2013年增產(chǎn)顯著，對(duì)水分利用效率（water use efficiency，WUE）的影響不顯著；隨著施氮量增加，ETa變化不顯著，但其增產(chǎn)效果顯著，使WUE顯著提高，表明施氮增加了作物蒸騰占農(nóng)田耗水量的比例。根據(jù)3 a各處理冬小麥產(chǎn)量和ETa數(shù)據(jù)，進(jìn)一步探討了在一定水分消耗下能達(dá)到的最大（邊界）產(chǎn)量和WUE，建立了關(guān)中平原冬小麥的產(chǎn)量-耗水量邊界方程；當(dāng)ETa超過(guò)388 mm時(shí)，產(chǎn)量穩(wěn)定在8 184 kg/hm2，WUE的最大值為2.52 kg/m3。研究可為制訂合理的冬小麥水肥管理措施提供科學(xué)依據(jù)。

灌水；施氮；降水；耗水量；底墑；WUE；邊界方程；

0 引 言

水是植物進(jìn)行生命活動(dòng)的重要環(huán)境條件，降水、灌溉等水分補(bǔ)給均需要先轉(zhuǎn)化為土壤水才能被植物吸收利用，作物蒸騰與株間土壤蒸發(fā)（農(nóng)田蒸散量）均直接來(lái)自于土壤水，農(nóng)田耗水量與作物生長(zhǎng)狀況密切相關(guān)，其大小受氣候、土壤、作物、水分供應(yīng)等多方面因素的影響[1]。中國(guó)水資源總量豐富但人均不足，而且降水分布的時(shí)空變異較大。農(nóng)業(yè)是消耗水資源最大的部門(mén)，目前中國(guó)農(nóng)業(yè)用水量占到總用水量的64%，其中農(nóng)田灌溉用水又占了農(nóng)業(yè)用水量的90%[2]。中國(guó)水資源短缺問(wèn)題嚴(yán)峻，提高水資源利用效率對(duì)于保證糧食生產(chǎn)和水資源安全至關(guān)重要。

關(guān)中地區(qū)是陜西省主要的糧食生產(chǎn)區(qū)域，該區(qū)小麥產(chǎn)量占全省的80%以上[3]。關(guān)中地區(qū)是典型的大陸性季風(fēng)氣候，冬小麥生長(zhǎng)的10月—次年5月降水少，僅占全年降水量的37%，易受干旱的影響。同時(shí)該區(qū)過(guò)量施氮現(xiàn)象嚴(yán)重，小麥平均施氮量為211 kg/hm2[4]，比推薦施氮量高71 kg/hm2，過(guò)量施氮不僅造成資源浪費(fèi)，而且極易增加溫室氣體排放和引起地下水污染。水氮是影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)的2個(gè)主要影響因素，適時(shí)適量的灌溉施氮能緩解干旱和養(yǎng)分脅迫，增大光合面積和光合速率，增加產(chǎn)量，進(jìn)而提高水分利用效率[5]。

關(guān)于水氮對(duì)作物耗水特征、產(chǎn)量和水分利用效率的影響方面均有不少研究[6-7]，較明確地揭示了水氮耦合的作用機(jī)理，但關(guān)于在不同水文年對(duì)水氮管理下的產(chǎn)量、耗水關(guān)系的影響研究關(guān)注較少。此外，灌水施氮對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)的影響具有明顯的區(qū)域特征、年際變化和累積效應(yīng)[8]，因此有必要在多點(diǎn)多年進(jìn)行系統(tǒng)觀(guān)測(cè)。本文基本2011—2014年連續(xù)3 a的小麥試驗(yàn)分析在不同水文年下水氮管理的播前和收獲后土壤含水率、耗水特征、水分利用效率以及產(chǎn)量與耗水關(guān)系的影響，為制訂合理的水肥管理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)教育部旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程重點(diǎn)試驗(yàn)室灌溉試驗(yàn)站（108°05′E，34°24′N(xiāo)，海拔506 m）內(nèi)進(jìn)行，于2011年10月開(kāi)始布設(shè)，實(shí)行冬小麥-夏玉米輪作制度，至2014年6月結(jié)束，小麥生長(zhǎng)期間各月降水量見(jiàn)圖1。該區(qū)地帶性土壤為粉砂質(zhì)黏壤土，俗稱(chēng)塿土，試驗(yàn)前0~20 cm耕層土壤有機(jī)質(zhì)11.17 g/kg、全氮0.95 g/kg、速效磷13.67 mg/kg和速效鉀183.20 mg/kg，硝態(tài)氮23.10 mg/kg。1 m土層的平均田間持水率為 23%～25%，凋萎含水率為 8.5%（以質(zhì)量含水率計(jì)）。本試驗(yàn)采用灌水為主區(qū)、施氮量為副區(qū)的兩因素裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。灌水設(shè)3個(gè)水平，分別為不灌水（I0）、僅灌拔節(jié)水46 mm（I1）、灌越冬水和拔節(jié)水各46 mm（I2），施氮設(shè)4個(gè)水平，分別為0（N0）、105（N1）、210（N2）和315（N3）kg /hm2（以N計(jì)），共12個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。各小區(qū)長(zhǎng)6 m、寬3 m，各主區(qū)和各重復(fù)間預(yù)留1 m寬的緩沖區(qū)，試驗(yàn)區(qū)周?chē)O(shè)2 m寬的作物保護(hù)帶。

供試冬小麥品種為“小偃22”，分別于2011年10月19日、2012年10月13日和2013年10月12日播種，采用人工條播種植方式，播種深度5 cm，行距25 cm，播種量為112.5 kg/hm2。于2012年6月7日、2013年6月1日和2014年6月7日收獲，3 a全生育期平均235 d。越冬水分別于2012年1月14日、2013年1月6日和2013年12月29日進(jìn)行，拔節(jié)水分別于2012年4月22日、2013年4月12日和2014年4月4日進(jìn)行，灌水方式為畦灌，灌水量用水表控制。所有小區(qū)于小麥播種前結(jié)合耕地施入足量的磷肥和鉀肥，分別為255 kg /hm2（以P2O5計(jì)）和90 kg /hm2（以K2O計(jì)）。所有氮肥均按基追比7:3施入土壤，追肥為尿素，N1、N2和N3處理分別追施68、137和205 kg /hm2，在小麥拔節(jié)－孕穗期結(jié)合灌水或降雨施入。在作物生長(zhǎng)季控制雜草和病蟲(chóng)害，其他管理措施同當(dāng)?shù)剞r(nóng)民栽培習(xí)慣一致。

圖1 2011—2014年小麥生長(zhǎng)季各月降水量

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 土壤含水率和儲(chǔ)水量測(cè)定

在冬小麥播種前和收獲后于小區(qū)中間用直徑5 cm的土鉆采集0~180 cm深度土樣測(cè)定土壤含水率，0~40 cm深每10 cm為一層，40 cm以下每20 cm為一層。土壤含水率測(cè)定采用烘干法，在105℃下烘干至質(zhì)量不變，稱(chēng)質(zhì)量。土壤體積含水率（cm3/cm3）計(jì)算如下：

式中為土壤容重，本研究中0~180 cm土層為1.1~1.4 g/cm3；1和2分別為濕土和干土質(zhì)量，g。

土壤剖面儲(chǔ)水量（soil water storage SWS，mm）計(jì)算如下

式中為土壤層次；θ為第層土壤的體積含水率，cm3/cm3；Z為第層土壤的厚度，mm。

1.2.2 作物耗水量和水分利用效率

作物實(shí)際耗水量采用通用的水量平衡公式計(jì)算。

根據(jù)小麥產(chǎn)量和作物實(shí)際耗水量計(jì)算水分利用效率，公式如下

式中WUE為水分利用效率，kg/m3；為冬小麥籽粒產(chǎn)量，kg/hm2。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本研究中灌水施氮對(duì)土壤含水率、耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率的方差分析（ANOVA）和多重比較均在SPSS 20.0軟件中完成，多重比較采用LSD法進(jìn)行。所有計(jì)算過(guò)程的繪圖均在EXCEL 2010軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥管理和降水對(duì)小麥播前底墑的影響

2011—2014年冬小麥播前底墑對(duì)不同水氮管理的響應(yīng)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 2011—2014年小麥播種前不同土層土壤儲(chǔ)水量及其方差分析

注：I0、I1、I2分別表不灌水、僅灌拔節(jié)水46 mm、灌越冬和拔節(jié)水各46 mm；N0、N1、N2和N3分別表示施氮0、105、210、315 kg·hm-2； **表示在0.01水平上顯著，NS表示沒(méi)有顯著影響；同一列中不同字母表示在0.05水平下有顯著差異；下同。

Note: I0, I1 and I2 arerainfed, irrigation at jointing stage (46 mm), irrigation at wintering and jointing stages, respectively (each 46 mm); N0, N1, N2, N3 represents applied nitrogen rate 0, 105, 210 and 315 kg·hm-2; NS indicates no significant difference, ** represents significant difference at 0.01 level; Different letters within a column indicate significant differences at 0.05 level; same as below.

試驗(yàn)開(kāi)始前（2011年10月），各處理間底墑無(wú)顯著差異，表明試驗(yàn)田土壤含水率均一。2012年播種時(shí)，不同灌水處理的0~180 cm儲(chǔ)水量存在顯著差異，其中灌2水處理比不灌水處理高40 mm（<0.05）。到2013年播種時(shí)，灌水施氮對(duì)0~100 cm和0~180 cm儲(chǔ)水量均有顯著影響。隨著灌水量增加，底墑呈增加趨勢(shì)，0~100 cm和0~180 cm儲(chǔ)水量分別由不灌水下的204和375 mm增加到灌2水條件下的236和445 mm；隨著施氮量增加，0~100 cm和0~180 cm底墑呈減小趨勢(shì)，由不施氮下的241和453 mm減小到施氮315 kg/hm2條件下的209和387 mm。水氮交互作用對(duì)3 a小麥播前底墑均無(wú)顯著影響。

小麥播前底墑的大小除受灌水施氮處理的影響外，還受播前降水量的影響。隨著7—9月降水量的增多，底墑增加。2011—2013年該時(shí)段降水量分別為554、 388和209 mm，相應(yīng)的0~180 cm底墑為578、505和415 mm。7—9月總降水量與0~180 cm底墑回歸關(guān)系顯著，表明降水每增加1 mm，底墑增加0.47 mm（圖2）。而0~100 cm底墑則隨7—9月降水量的增加呈“線(xiàn)性加平臺(tái)”效應(yīng)，當(dāng)降水量達(dá)到或超過(guò)400 mm左右時(shí)，底墑不再明顯增加（圖2）。這表明7—9月降水量低于400 mm左右時(shí)，主要補(bǔ)充1 m內(nèi)土壤儲(chǔ)水量，多于400 mm降水時(shí)可以補(bǔ)給深層土壤。

圖2 7—9月總降水與小麥播前底墑的關(guān)系

2.2 水肥管理和生育期降水對(duì)小麥?zhǔn)斋@后儲(chǔ)水量的影響

灌水均對(duì)3 a小麥?zhǔn)斋@時(shí)0~100 cm和0~180 cm儲(chǔ)水量有顯著影響， I0、I1和I2處理3 a平均0~100 cm的儲(chǔ)水量分別為212、223和229 mm，0~180 cm的儲(chǔ)水量分別為398、428和439 mm，隨著灌水量增加，收獲時(shí)土壤儲(chǔ)水量增加。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果（表2）顯示I0與I2處理有顯著差異，I1和I2處理差別不大，這表明拔節(jié)期灌水顯著減少了對(duì)土壤儲(chǔ)水的消耗，而越冬灌水對(duì)減小土壤儲(chǔ)水消耗的作用不大。施氮對(duì)收獲時(shí)儲(chǔ)水量的影響在第3年達(dá)到顯著水平，N0、N1、N2和N3處理的0~100 cm儲(chǔ)水量分別為231、196、190和194 mm，0~180 cm儲(chǔ)水量分別為460、404、388和391 mm，隨施氮量的增加，土壤儲(chǔ)水量先減小后不變。方差分析結(jié)果（表2）顯示2014年N0與N1、N2和N3均有顯著差異，而施氮處理間差異不顯著，表明施氮≥105 kg/hm2，收獲時(shí)儲(chǔ)水量基本不變。水氮交互作用對(duì)3 a小麥?zhǔn)斋@時(shí)的儲(chǔ)水量無(wú)顯著影響。

2011—2014年小麥?zhǔn)斋@時(shí)土壤儲(chǔ)水量的差異較大，0~100 cm的平均儲(chǔ)水量分別為183、279和205 mm，0~180 cm的平均儲(chǔ)水量分別為359、497和415 mm。小麥?zhǔn)斋@前2個(gè)月的降水量越多，收獲時(shí)的土壤儲(chǔ)水量越高（圖3）。2013年小麥?zhǔn)斋@時(shí)儲(chǔ)水量最高，這是由于5月降水174 mm，遠(yuǎn)高于其他年份同期降水量。

表2 2011－2014年小麥?zhǔn)斋@時(shí)不同土層土壤儲(chǔ)水量的方差分析

圖3 4－5月總降水與小麥?zhǔn)斋@后土壤儲(chǔ)水量的關(guān)系

2.3 水肥管理和降水年型對(duì)冬小麥耗水量的影響

農(nóng)田耗水量表征了作物生長(zhǎng)階段作物和土壤對(duì)水分的消耗情況，2011—2014年小麥生育期的總耗水量對(duì)水氮管理的響應(yīng)見(jiàn)表3。在3 a中，灌水處理對(duì)農(nóng)田總耗水量ETa有極顯著影響（< 0.01），隨著灌水量或灌水次數(shù)的增加，耗水量逐漸增大，不同水分處理的平均耗水量分別為320、362和414 mm，表明越冬水和拔節(jié)水均能顯著增加農(nóng)田的耗水量。小麥在2011—2014年的平均耗水量分別為449、293和353 mm，存在明顯的年際差異，表明農(nóng)田耗水量不僅受水分管理的影響，還受到水文年的影響。

土壤儲(chǔ)水消耗量受不同灌水處理的影響顯著（< 0.05），隨著灌水量或灌水次數(shù)的增加，土壤儲(chǔ)水消耗量在不同年份表現(xiàn)不同，不同灌水處理間最大相差29 mm。小麥在2011—2014年的平均土壤儲(chǔ)水消耗量分別為217、9和-2 mm，不同年份間最大相差219 mm，表明土壤儲(chǔ)水消耗量的年際間差異要明顯大于灌水處理間的差異。施氮和水氮交互作用均對(duì)農(nóng)田耗水量和土壤儲(chǔ)水消耗量無(wú)顯著影響。

小麥生育階段的水分輸入與農(nóng)田耗水量呈線(xiàn)性相關(guān)，但具體的關(guān)系式受當(dāng)年的初始底墑的影響。由圖4可以看出在2011—2014年生育期降水加灌水每增加100 mm，3 a農(nóng)田耗水量分別增加70、95和127 mm，相應(yīng)的3 a的播前底墑分別為578、505和415 mm（表1），可以看出隨播前底墑的增加，生育階段單位水分投入增加的農(nóng)田耗水量減少。

表3 2011—2014年小麥耗水量ETa和土壤儲(chǔ)水消耗量DSWS的方差分析

圖4 小麥生育階段水分輸入（降水和灌溉）與農(nóng)田耗水量的關(guān)系

2.4 水肥管理和降水年型對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

灌水的增產(chǎn)作用受年際降水的影響較大，本研究中灌水僅在2012—2013年對(duì)產(chǎn)量的影響達(dá)到極顯著水平（表4），對(duì)WUE的影響不顯著。施氮的增產(chǎn)作用受初始地力的影響，本研究中2011－2012年各施氮處理的產(chǎn)量和WUE的差異不顯著，可能是由于試驗(yàn)第1年初始肥力較高；后2 a施氮對(duì)產(chǎn)量和WUE均達(dá)到顯著水平（< 0.01）。2012—2014年隨著施氮量的增加，產(chǎn)量先增加后基本不變，而相應(yīng)的總耗水量變化較小，從而導(dǎo)致WUE隨施氮量先增大后基本不變，N0、N1、N2和N3處理的3 a平均WUE分別為1.43、 1.88、1.95和1.98 kg/m3。這表明施氮對(duì)WUE的提高并不是增加了作物耗水量，而是施氮處理下小麥長(zhǎng)勢(shì)較好，冠層覆蓋率高，增加了作物蒸騰占農(nóng)田耗水量的比例。水氮交互作用對(duì)3 a小麥產(chǎn)量和WUE無(wú)顯著影響。

小麥產(chǎn)量不僅受水分供應(yīng)的影響，還受養(yǎng)分供應(yīng)、溫度等的制約，因此利用小麥總耗水量（ETa）與產(chǎn)量數(shù)據(jù)所做的線(xiàn)性回歸方程，并不能反映某耗水量條件下的最大可獲得產(chǎn)量。French等[9-10]通過(guò)在不同ETa條件下找到最高的產(chǎn)量，通過(guò)這些點(diǎn)確定了潛在產(chǎn)量的邊界方程。Lin等[11]通過(guò)收集耗水量和產(chǎn)量數(shù)據(jù)，建立了黃土高原春玉米的邊界方程。本研究參考Lin等[11]一文中的方法，首先確定邊界點(diǎn)，然后利用線(xiàn)性加平臺(tái)模型擬合與ETa的邊界方程（圖5）。本研究得到的陜西關(guān)中平原冬小麥的與ETa的邊界方程為=25.2×（ETa-63），當(dāng)ETa超過(guò)388 mm時(shí)，平臺(tái)產(chǎn)量達(dá)到8 184 kg/hm2，作物耗水量的最小值為63 mm，WUE的邊界值為2.52 kg/m3。

表4 2011—2014年冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的方差分析

圖5 不同ETa水平下的冬小麥產(chǎn)量的邊界方程

3 討 論

3.1 播前底墑對(duì)水肥管理和年際降水的響應(yīng)

孟曉瑜等[12-13]在渭北旱塬進(jìn)行了5 a不同施氮和施磷的試驗(yàn)，結(jié)果表明夏季休閑期7—9月的降水與播前小麥0~200 cm底墑呈顯著的線(xiàn)性相關(guān)，其中降水每增加1 mm，播前底墑增加0.5或是0.6 mm。本研究中關(guān)中灌區(qū)7—9月降水每增加1 mm，小麥播前底墑增加0.47 mm，2研究所得結(jié)論略有差別，這可能是由于2地點(diǎn)的氣候略有差異，而且土壤取樣深度不同（本研究為180 cm）。本研究中施氮對(duì)播前底墑的影響在第3年達(dá)到顯著水平，隨施氮量的增加，播前底墑減小。這可能是由于施氮導(dǎo)致作物生長(zhǎng)旺盛，消耗土壤水分較多，由于施氮的累積作用，到第3年不同氮處理的播前底墑達(dá)到顯著差異，也可能是由于第3年夏季降水較少，難以彌補(bǔ)施氮導(dǎo)致的土壤水分下降，關(guān)于施氮造成播前底墑降低的原因還有待于進(jìn)一步在多點(diǎn)多年進(jìn)行解釋驗(yàn)證。

3.2 農(nóng)田耗水對(duì)水肥管理和年際降水的響應(yīng)

本研究中3 a冬小麥農(nóng)田耗水量變化趨勢(shì)一致，均隨著灌水次數(shù)的增加，耗水量增加，主要是增加了灌溉水的消耗。這與褚鵬飛等[14-16]的研究結(jié)果相同。關(guān)于施氮對(duì)農(nóng)田耗水量的影響，不同學(xué)者得到的結(jié)論不一致。段文學(xué)等[17-19]的試驗(yàn)均表明施氮處理的農(nóng)田耗水量要顯著高于不施氮處理。而張彥群等[20-21]的試驗(yàn)結(jié)果表明不同氮處理間的農(nóng)田耗水量差異不顯著，本研究與其結(jié)論相同。之所以產(chǎn)生分歧的原因可能是由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)本身造成的，水肥兩因素的試驗(yàn)中水分對(duì)農(nóng)田耗水量的影響要遠(yuǎn)大于施肥，水分效應(yīng)掩蓋了施肥效應(yīng)，從而導(dǎo)致施氮對(duì)農(nóng)田耗水量的效果不明顯。

當(dāng)季農(nóng)田耗水量主要受到灌溉的影響，而年際農(nóng)田耗水量主要受到生長(zhǎng)季降水和播前底墑的影響。黃玲等[15]指出降雨量的差異對(duì)冬小麥耗水影響較大。Gao等[22]的研究表明具有較高的參考作物蒸發(fā)蒸騰量和降水量的年份通常農(nóng)田耗水量也會(huì)比較高，農(nóng)田耗水量的年際變異主要是由于氣象不同導(dǎo)致的。Zhao等[23-24]表明生育期的降水主要與土壤蒸發(fā)相關(guān)性較大，而與作物蒸騰相關(guān)性較小。李超等[25-26]的研究結(jié)果表明隨播前底墑提高，冬小麥的耗水量增加，高底墑條件下，作物主要消耗土壤水，對(duì)降水的依賴(lài)減小。本研究中3 a的農(nóng)田耗水量差異較大，但由于試驗(yàn)處理和年限的限制，不能區(qū)分出生長(zhǎng)季降水和播前底墑對(duì)農(nóng)田耗水量的貢獻(xiàn)，需要在多年多點(diǎn)做進(jìn)一步的研究。

3.3 產(chǎn)量與耗水量的關(guān)系

通過(guò)探究產(chǎn)量與耗水量的關(guān)系，可以分析水分利用效率，尋求水分消耗與產(chǎn)量的最佳搭配，達(dá)到水資源的最大化利用[25]。在農(nóng)田中，通常消耗等量的水分，由于養(yǎng)分供給、耕作方式等的不同形成的產(chǎn)量不同，那么一定的水分消耗條件下，潛在的最大產(chǎn)量是多少呢？為解決這一問(wèn)題，F(xiàn)rench等[9-10]提出了/ET邊界方程的概念，并介紹了邊界方程的建立過(guò)程。Sadras等[27-28]建立了黃土高原旱作冬小麥的產(chǎn)量和耗水量的邊界方程，結(jié)果表明其平均水分利用效率只有0.98~1.21 kg/m3，而邊界水分利用效率可以達(dá)到2.2 kg/m3。Lin等[11]建立了黃土高原春玉米的Y/ET的邊界方程，得到覆膜和不覆膜的邊界水分利用效率分別為4.75 和6.05 kg/m3，表明覆膜處理可以顯著提高水分利用效率。本研究根據(jù)產(chǎn)量和耗水量數(shù)據(jù)得到關(guān)中灌區(qū)冬小麥的邊界水分利用效率可以達(dá)到2.52 kg/m3，明顯高于旱作冬小麥的2.2 kg/m3。但本研究?jī)H用了3 a的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要收集更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.4 不同降水年型下的水肥管理

本研究3 a試驗(yàn)條件下，不同灌水處理均顯著增加了ETa，但僅在較干旱的2012—2013年灌拔節(jié)水顯著增加了產(chǎn)量，而在底墑充足的2011—2012年和降水較多的2013—2014年，灌水的增產(chǎn)效果不顯著，表明灌水的增產(chǎn)效應(yīng)受土壤底墑和生育期內(nèi)降水量和降水分布的影響較大[29-30]。有研究表明小麥的水分敏感期為拔節(jié)-開(kāi)花期間[31-32]，當(dāng)?shù)讐勢(shì)^充足時(shí)，可以提高小麥花前土壤水分，減小水分脅迫，促進(jìn)穗數(shù)形成，提高產(chǎn)量[33]。本研究中2012—2013年4月份（拔節(jié)-開(kāi)花期）降水僅13 mm，因此灌拔節(jié)水的增產(chǎn)效果顯著，而2013—2014年同期降水達(dá)到142 mm，導(dǎo)致灌水的增產(chǎn)效果不顯著。綜上所述，在陜西關(guān)中平原當(dāng)小麥播前底墑充足時(shí)，可以不灌水；當(dāng)播前底墑中等或不足，同時(shí)4月份降水較少時(shí)，需要在拔節(jié)期補(bǔ)灌一水。

氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)受土壤初始肥力的影響，當(dāng)土壤初始肥力較低時(shí)，增產(chǎn)效果較強(qiáng)。Abad等[34]研究表明，當(dāng)土壤初始硝態(tài)氮低于157 kg/hm2時(shí)，施氮0~100 kg/hm2顯著增產(chǎn)。本研究中，2011—2012年初始土壤肥力較高，各施氮處理的小麥產(chǎn)量差異不顯著（變化范圍7 200~8 050 kg/hm2），而2012—2013、2013—2014施氮高于210 和105 kg/hm2后，產(chǎn)量不再顯著提高，表明在陜西關(guān)中平原適宜的施氮量介于105~210 kg/hm2之間。張明等[35]和楊憲龍等[36]的研究結(jié)果表明關(guān)中適宜施氮量為150~180 kg/hm2。

4 結(jié) 論

本研究主要分析了不同降水年型下水氮管理對(duì)土壤含水率、籽粒產(chǎn)量、耗水量（ETa，water consumption）及產(chǎn)量與耗水量關(guān)系的影響，結(jié)論如下：

1）隨著灌水量增加，小麥播前底墑增加；隨著施氮量的增加，播前底墑減少。7—9月的總降水每增加1mm，播前0~180 cm底墑增加0.47 mm，當(dāng)7—9月總降水低于400 mm時(shí)，主要補(bǔ)充0~100 cm的土壤含水率。

2）隨著灌水量增加，收獲時(shí)土壤儲(chǔ)水量增加，隨施氮量的增加，收獲時(shí)土壤儲(chǔ)水量先減小后不變。小麥?zhǔn)斋@時(shí)的土壤儲(chǔ)水量與收獲前2個(gè)月的降水量密切相關(guān)。

3）隨灌水量增加，農(nóng)田總耗水量增加，而施氮和水氮交互作用對(duì)農(nóng)田耗水量影響不顯著。農(nóng)田耗水量與小麥生育階段的水分輸入呈線(xiàn)性相關(guān)，但系數(shù)受當(dāng)年的初始底墑的影響，播前底墑越高，單位水分投入增加的農(nóng)田耗水量越少。

4）灌水僅在2012—2013年對(duì)產(chǎn)量的影響顯著，施氮在2012—2013、2013—2014年對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率（water use efficiency，WUE）的影響極顯著。施氮對(duì)WUE的提高作用主要是通過(guò)增加產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)的，表明施氮增加了作物蒸騰占農(nóng)田耗水量的比例。

5）根據(jù)3 a小麥的產(chǎn)量和農(nóng)田耗水量數(shù)據(jù)，本研究建立了陜西關(guān)中平原冬小麥的/ETa的邊界方程，并得出當(dāng)ETa超過(guò)388 mm時(shí)，平臺(tái)產(chǎn)量達(dá)到8 184 kg/hm2，WUE的上邊界值為2.52 kg/m3。

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Effects of irrigation and nitrogen application on water consumption and yield of winter wheat in different precipitation years

Li Zhengpeng1,2, Song Mingdan1,2, Feng Hao3,4※

(1.,,810016,; 2.,810016,; 3.,,712100,; 4.,,712100,)

Irrigation and nitrogen fertilization are two major factors influencing the grain yield production in agroecosystem, and appropriate irrigation and nitrogen fertilizer application can improve grain yield and water use efficiency by alleviating the stress of drought and nutrient deficiency, enhancing photosynthetic area and photosynthetic rate. In this study, we investigated the impact of precipitation year patterns on crop yield, water consumption and their relationship under different water and nitrogen management practices. A field experiment during 2011-2014 was conducted with 3 irrigation levels and 4 nitrogen input levels in Guanzhong Plain of Shaanxi Province. Irrigation levels included no irrigation, irrigation 46 mm at the jointing stage, and irrigation 46 mm at the jointing and wintering stages, respectively. The nitrogen input levels included nitrogen application rate of 0, 105, 210 and 315 kg/hm2. The fertilizer was urea. The other field management followed local traditional methods. The experiment was carried out by completely randomized design. Soil water content and grain yield were measured and the water use efficiency was calculated as the ratio of yield to ETaunder various water and nitrogen management in different year patterns. Meanwhile, soil water storage was calculated based on the volumetric water content. Water consumption (ETa) was calculated by the field water balance equation. The results showed that soil water content before sowing was affected by irrigation, nitrogen fertilizer application rate and precipitation. The soil water storage before sowing increased as more irrigation and less nitrogen application rate were applied. The 0-100 cm soil water storage before sowing would be supplemented majorly when the total precipitation from July to September was below 400 mm, and the 0-180 cm soil water storage before sowing increased by 0.47 mm as the total precipitation from July to September increased 1 mm. The 0-180 cm soil water storage at harvest improved with more irrigation but decreased first and then leveled at a certain value as more nitrogen was used, and it was greatly influenced by the precipitation of 2 months before harvest. Water consumption increased with more irrigation while the effect of nitrogen and interactive effect of irrigation and nitrogen on water consumption was not significant, and it has a linear relationship with water input during the growing period with the coefficients being influenced by initial soil water conditions, i.e. less water would be consumed led by unit water input when the soil water storage before planting was higher. Irrigation enhanced both the yield and actual water consumption, while the yield was only improved significantly in relatively dry year 2012-2013 and the water use efficiency were not boosted in all years; Nitrogen fertilization had no significant effect on water consumption but improved yield and water use efficiency significantly, which showed that nitrogen application rate increased the proportion of crop transpiration to total water consumption. Additionally, the maximum (boundary) yield and water use efficiency were explored by developing a boundary function of winter wheat yield and evapotranspiration in Guanzhong Plain. From the function, we found that when the water consumption exceeded 388 mm, the grain yield would level at 8 184 kg/hm2and the maximum water use efficiency was 2.52 kg/m3. In this research, the interactive effects of water, nitrogen and precipitation year patterns on yield and field water consumption were analyzed, aiming at providing valuable information for developing reasonable water and fertilizer management practices in winter wheat production.

irrigation; nitrogen; precipitation; water consumption; soil water content before sowing; WUE; boundary function

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.020

S274.1; S157.4+1

A

1002-6819(2018)-18-0160-08

2018-06-13

2018-08-10

青海省基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2018-ZJ-962Q）；青海省農(nóng)林科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目（2017-NKY-05）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863 計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2013AA102904）

李正鵬，山東聊城人，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土資源高效利用。Email：lipengzheng131@163.com

馮 浩，陜西延安人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樗临Y源高效利用。Email：nercwsi@vip.sina.com

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