基于不同底墑的最優(yōu)水肥調控方案研究

許衛(wèi)娜 楊寶平 丁瑞霞 聶俊峰 韓清芳 賈志寬

(1.西北農林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農業(yè)研究院， 陜西楊凌 712100；2.農業(yè)農村部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

水資源短缺已成為制約我國北方地區(qū)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。干旱半干旱區(qū)是典型的旱作農業(yè)區(qū)，該地區(qū)自然降水少、年際變率大，且季節(jié)分布不均勻，60%的降水主要分布在7—9月。而冬小麥生育期正逢少雨季節(jié)，土壤表層經常處于干旱狀態(tài)，降水不能滿足植物生長需要，須靠播種前土層豐富的蓄水量維持較高的產量，這嚴重限制了肥料的吸收利用。大量的肥料投入促進了作物產量的提高，但由于利用率低下帶來了嚴重的環(huán)境問題[1-2]。如何利用播前土壤蓄水量確定肥料的投入是確保該區(qū)域糧食穩(wěn)產、高效的主要措施。

肥和水是作物生長不可缺少的兩個主要因素，其相互促進、相互制約[3-4]。研究發(fā)現(xiàn)，施肥的增產效果與土壤水分狀況密切相關，不同供水條件下的施肥效果有很大差別[3,5-9]。在水分適宜范圍內，高濕度土壤形成的產量高、氮素利用率高[10]；在干旱條件下，小麥對施肥的效應高度依賴于生育期土壤的有效水含量[11]。

在旱地農業(yè)中，如何有效地提高降水-土壤水-作物水-光合作用-干物質積累-經濟產量間的轉化效率，并創(chuàng)建有利于農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的農田生態(tài)環(huán)境，是我國農業(yè)生產長期需要研究解決的問題。作物水分利用效率與產量是作物生產追求的兩大目標。以兼顧這兩大指標為目標確定作物水肥優(yōu)化耦合區(qū)域，學者們進行了大量的研究[12-18]。LIU等[19]和FU等[20]利用彈性系數(shù)得出作物獲得最大產量和水分利用效率的水肥投入量。對兩個或兩個以上指標進行綜合評價，在理論上可以通過對各指標的多元回歸聯(lián)合求解獲得兼顧各指標的最優(yōu)水肥組合，但是由于指標間的相互制約作用，該極值往往難以求出，而且由于試驗處理有限，潛在最優(yōu)處理有可能在所設處理之外，因此得出的最優(yōu)處理的代表性較差。然而，利用空間分析方法[21]對各指標多元回歸方程所得三維曲面進行水平投影，尋找各指標可接受區(qū)域(例如，大于等于0.95最大值)的重疊區(qū)，即可得到兼顧各指標的最優(yōu)組合范圍。在干旱半干旱區(qū)，應有效利用播前0～200 cm土層的土壤水分含量(底墑)進行肥水運籌，以推動水資源嚴重短缺區(qū)域發(fā)展提質增效的適水農業(yè)[22]。

本研究在大型防雨池栽條件下，播前精準設置不同底墑、生育期補水量、施氮量，運用多元回歸分析不同水肥條件與產量、水分利用效率的關系，并結合空間分析方法對小麥各指標進行綜合評價，以期確定兼顧作物產量和水分利用效率的最優(yōu)水肥方案，為優(yōu)化該地區(qū)冬小麥綠色高效生產的水肥精準投入提供理論依據(jù)與技術支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料和設計

試驗于2013—2015年在西北農林科技大學旱區(qū)節(jié)水農業(yè)研究院大型作物控水監(jiān)測試驗場啟閉式防雨棚下進行。該試驗場位于陜西省楊凌區(qū)(北緯34°18′，東經108°4′，海拔466.7 m)，屬暖溫帶半濕潤易旱氣候區(qū)，試驗年的氣候變化見表1。試驗小區(qū)為面積6.7 m2(3.15 m×2.13 m)的水泥池，池深3 m，每池四周為17 cm厚水泥墻，用以防止水分水平交換。池中土壤為深2.5 m壚土原狀土柱(原位土)，分層填入。池底部設有濾層(0.5 m厚沙子和石子)和排水管，以防池底積水。遇雨雪蓋棚，全年防雨水進入。0～60 cm土層土壤基礎養(yǎng)分見表2。

表1 2013—2015年的氣候變化Tab.1 Weather data change during 2013—2015

表2 供試土壤基礎養(yǎng)分Tab.2 Basic nutrient of tested soil

試驗采用裂-裂-區(qū)設計，2次重復。土壤底墑(WB)為主區(qū)處理，3個土壤底墑分別為 350、 450、650 mm，即在每年八月和九月灌溉100、200、350 mm，進行人工造墑，播種前再測墑補灌調整至試驗設計底墑。施氮量(N)為副區(qū)處理，4個施氮量，即0 kg/hm2(N0)、105 kg/hm2(N105)、210 kg/hm2(N210)、315 kg/hm2(N315)。播種前基施純磷126 kg/hm2和純鉀31 kg/hm2。所有肥料于播前整地時一次性均勻撒施于地表然后深翻土壤(20～25 cm)，氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O516%)，鉀肥為硫酸鉀(含K2O 45%)。生育期間補水量(R)為副副區(qū)處理，4個補水量，即0 mm(R0)、56.3 mm(R1)、78.1 mm(R2)、100 mm (R3)，具體補水量見表3，用水表計量，池內每小區(qū)又分成4個微區(qū)進行均勻微滴灌補水，以減少側滲(漏)，確保入滲率。

表3 補水量方案Tab.3 Supplemental water scheme mm

底墑依據(jù)中國北方半濕潤偏旱區(qū)30年冬小麥播種期的0～200 cm土壤蓄水量變化狀況進行設置；補水量按照中國北方旱作麥區(qū)30年小麥返青后(2月—成熟)不同降雨年型分別模擬控制；施氮量依據(jù)唐拴虎等[23]的研究，施氮量與降水量呈二次函數(shù)關系，降水偏少地區(qū)施純氮量為75 kg/hm2最佳，降水較多的地區(qū)要獲得小麥最高產量，應以高肥純氮(112.5～150 kg/hm2)最佳。參照以上研究結果并結合當?shù)貙嶋H情況，確定試驗方案。

以冬小麥長旱58(半冬性旱地國審品種)為供試材料，于每年10月中旬播種，播種量135 kg/hm2，行距25 cm，人工開溝點播，株距1.5 cm，深度5～7 cm，播后用水平尺測平，以利于后期均勻補水。出苗三葉期后定苗，于每年6月上旬收獲。

1.2 測定指標和方法

冬小麥播種前、收獲后各處理小區(qū)測定土層0～200 cm的土壤含水率。0～30 cm用常規(guī)土鉆取土烘干法測定，40～200 cm用TDR時域反射計(TRIME-FM型，德國IMKO公司)測定，間隔10 cm。

成熟時分區(qū)測產，每處理選取無明顯缺苗斷壟的3個1 m2進行收獲，同時每小區(qū)選取有代表性的30 株冬小麥按常規(guī)法進行室內單株考種分析。土壤蓄水量計算式為

W=∑WiDiHi×10/100

式中W——土壤蓄水量，mm

Wi——第i層土壤質量含水率，%

Di——第i層土壤容重，g/cm3

Hi——第i層土層厚度，cm

作物耗水量計算式為

ET=R+ΔW

式中ET——作物生育期內耗水量，mm

R——生育期內補水量，mm

ΔW——播前期與收獲期0～200 cm土壤蓄水量差值，mm

水分利用效率計算式為

式中WUE——水分利用效率，kg/(hm2·mm)

Y——冬小麥產量，kg/hm2

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件進行方差(ANOVA)分析，采用LSD法進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 水肥對產量和水分利用效率的影響

根據(jù)各處理產量、水分利用效率結果進行回歸模擬，建立兩年產量、水分利用效率與底墑、施氮量和補水量的模型。

2013—2014年模型為

(1)

(2)

2014—2015年模型為

(3)

(4)

式中WB——底墑,mmN——施氮量,kg/hm2

t0～t9——各方程回歸系數(shù)t檢驗值

其中，*表示差異顯著，**表示差異極顯著。經檢驗：2013—2014年度，方差檢驗量F分別為514.932 7**、57.261 1**，擬合優(yōu)度分別為0.985 8**、0.901 9**；2014—2015年度，方差檢驗量F分別為227.179 5**、56.869 4**，擬合優(yōu)度分別為0.968 8**、0.908 9**。模型系數(shù)差異極顯著，該模型能反映產量、水分利用效率的變化過程。

通過優(yōu)化設計，剔除不顯著項后，只有常數(shù)項、底墑、施氮量和補水量的系數(shù)有變化，而且變化很小。所以，本研究選用剔除不顯著項后的模型。

2013—2014年模型為

(5)

(6)

2014—2015年模型為

(7)

(8)

2.1.1底墑、施氮量、補水量的主因子效應

根據(jù)式(5)～(8)回歸系數(shù)和t值可知，各試驗因素均有明顯的增產作用，對產量影響由大到小依次為底墑、施氮量、補水量，對水分利用效率影響由大到小依次為底墑、補水量、施氮量。底墑和施氮量的交互項系數(shù)為正值，說明底墑和施氮量間存在相互促進作用，底墑和補水量的交互項系數(shù)為負值，說明底墑與補水量間存在互相替代作用。底墑、施氮量二次項系數(shù)均為負值，可知在設計范圍內產量、水分利用效率隨著底墑和施氮量的增加而增加，最后將呈逐漸降低的趨勢，過多水肥投入，不僅增加生產成本，而且會使產量和水分利用效率降低。

2.1.2底墑、施氮量、補水量的單因子效應

由圖1a、1b(圖中試驗因子水平為各實驗值與最大實際值之比，下同)可看出，產量隨施氮量的增加呈拋物線變化，存在產量最高點，繼續(xù)增加施氮量產量降低；隨著土壤底墑和補水量的增加，產量顯著增加。由圖1c、1d可知，水分利用效率隨土壤底墑、施氮量的增加呈拋物線變化，存在水分利用效率最大點，繼續(xù)增加底墑、施氮量水分利用效率降低。隨著補水量的增加，水分利用效率提高。

2.1.3底墑、施氮量、補水量的單因子邊際效應

圖2表明，底墑、施氮量兩因子的邊際產量、邊際水分利用效率效應隨投入量的增加呈遞減趨勢，且施氮量邊際產量效應的遞減大于底墑，底墑邊際水分利用效率的遞減大于施氮量；而補水量因子的邊際產量、邊際水分利用效率效應隨著補水量的增大幾乎不變，說明補水量對邊際產量、邊際水分利用效率幾乎無影響。邊際效應曲線分別與x軸相交之處為最適宜投入量。在最適宜投入量之前，邊際產量、邊際水分利用效率為正效應，亦說明隨著投入量的增加，邊際產量、邊際水分利用效率的累加值增大。超過最適宜投入量后，邊際產量、邊際水分利用效率為負效應，進一步表明再增加投入量，邊際產量、邊際水分利用效率的累加值減小。

2.1.4底墑、施氮量、補水量的交互效應

根據(jù)式(1)～(4)回歸系數(shù)和t值可知，兩兩因子間都表現(xiàn)出交互作用，其對產量影響由大到小依次為底墑與施氮量的交互作用、底墑與補水量的交互作用、施氮量與補水量的交互作用；其對水分利用效率影響由大到小依次為底墑與補水量的交互作用、底墑與施氮量的交互作用、施氮量與補水量的交互作用。其中，底墑和施氮量的交互項系數(shù)為正值，說明底墑與施氮量具有明顯的相互促進作用。

(1)施氮量和補水量的交互效應

由圖3可看出，當補水量固定，產量、水分利用效率隨著施氮量的增加有提高的趨勢，但超過一定施氮量后產量、水分利用效率有所降低，產量、水分利用效率具有最高點。同理，施氮量固定時，產量隨補水量的增加而增加；而水分利用效率隨著補水量的增加有提高的趨勢，但超過一定補水量后水分利用效率降低。但是，隨著補水量的增加，產量、水分利用效率達到最高點的施氮量有所不同。在補水量較低時，較高的施氮量才可以使產量、水分利用效率達到最高點。繼續(xù)增加施氮量，則產量、水分利用效率下降。

由圖3也可看出，補水量與施氮量兩因子同時變化對產量、水分利用效率的影響比單因子影響更為敏感和劇烈。如2013—2014年，在不補水不施肥的條件下(R=0 mm,N=0 kg/hm2)，產量、水分利用效率最低，產量僅為1 343.0 kg/hm2，水分利用效率為19.4 kg/(hm2·mm)，隨著補水量和施氮量的同時增加，產量、水分利用效率提高較快，當補水量和施氮量增加到R=100 mm、N=151.2 kg/hm2時，產量達到最高點，為2 833.3 kg/hm2；當補水量和施氮量增加到R=100 mm、N=186.5 kg/hm2時，水分利用效率達到最高點，為25.2 kg/(hm2·mm)。

(2)底墑與施氮量的交互效應

由圖4可看出，當?shù)讐劰潭?，產量、水分利用效率隨著施氮量的增加有提高的趨勢，但超過一定施氮量后產量、水分利用效率有所降低，產量、水分利用效率具有最高點。同樣，施氮量固定時，產量隨底墑的增加而增加，水分利用效率隨著底墑的增加有提高的趨勢，但超過一定底墑水平后水分利用效率有所降低，有水分利用效率最高點。但是，隨著底墑的增加，產量、水分利用效率達到最高點的施氮量不同。底墑較低時，產量隨施氮量的增加幅度較大，水分利用效率隨施氮量的增加幅度較小。當?shù)讐勛畹?WB=350 mm)時，施氮量N由0 kg/hm2增加至144.7 kg/hm2，產量增幅為213.0%；施氮量N由0 kg/hm2增加至86.5 kg/hm2，水分利用效率增幅為6.5%。當?shù)讐刉B=650 mm時，施氮量N由0 kg/hm2增加至170.2 kg/hm2，產量增幅為18.9%；施氮量N由0 kg/hm2增加至131.5 kg/hm2，水分利用效率增幅為22.4%。當施氮量較低時，較高的底墑可以達到產量、水分利用效率最高點。

由圖4也可看出，底墑與施氮量兩因子同時變化對產量、水分利用效率的影響比單因子影響更為敏感和劇烈。在低底墑不施肥的條件下(WB=350 mm，N=0 kg/hm2)，產量最低，僅為294.9 kg/hm2，水分利用效率僅為11.6 kg/(hm2·mm)，隨著底墑和施氮量的同時增加，產量、水分利用效率迅速提高，當?shù)讐労褪┑吭黾拥絎B=650 mm、N=170.2 kg/hm2時，產量達到最高點，為5 458.1 kg/hm2；當?shù)讐労褪┑吭黾拥絎B=550 mm、N=202.5 kg/hm2時，水分利用效率達到最高點，為30.1 kg/(hm2·mm)。

(3)底墑與補水量的交互效應

由圖5可看出，無論底墑如何，產量均隨補水量的增加而增加。當?shù)讐劰潭ㄔ谳^低水平，水分利用效率隨著補水量的增加而增加，當?shù)讐劰潭ㄔ谳^高水平，水分利用效率隨著補水量的增加而減少。同理，無論補水多少，產量均隨底墑的增加而增加。當補水量固定時，水分利用效率隨底墑的增加有提高的趨勢，但超過一定底墑水平后水分利用效率有所降低，有水分利用效率最高點。但是，隨著底墑的增加，水分利用效率達到最高點的補水量不同。

隨著底墑和補水量的同時增加，產量迅速提高，且在補水量和底墑最高時，產量可達最高。在補水量較低時，較高的底墑條件才可以達到水分利用效率最高點。如2013—2014年，當補水量最低(R=0 mm)時，達到水分利用效率最高點的底墑為WB=572.5 mm，最大水分利用效率為29.9 kg/(hm2·mm)，底墑繼續(xù)增加，則水分利用效率開始下降，當?shù)讐勥_到最大值，即WB=650 mm時，水分利用效率下降到27.4 kg/(hm2·mm)。當補水量提高時，在較低的底墑條件下水分利用效率就能達到最高點，如R=56.3 mm時，WB=558.5 mm，水分利用效率就能達到最高點，為29.5 kg/(hm2·mm)。同理，當?shù)讐勢^低時，較多的補水可以達到水分利用效率最高點。由圖5也可看出，底墑與補水量兩因子同時變化對水分利用效率的影響比單因子影響更為敏感和劇烈。在低底墑不補水的條件下(WB=350 mm，R=0 mm)，水分利用效率為10.0 kg/(hm2·mm)，隨著底墑和補水量的同時增加，水分利用效率迅速增大，當?shù)讐労脱a水量為WB=585 mm、R=0 mm時，水分利用效率達到最高點，為29.8 kg/(hm2·mm)。

上述分析也說明，在旱區(qū)冬小麥生產管理中，肥料的施用量應依據(jù)土壤底墑和補水量而定，同樣，補水量應依據(jù)施氮量來確定。底墑、施氮量、補水量不足達不到高產，底墑、施氮量、補水量過多不僅浪費水肥資源，而且會降低產量。只有合理的肥、水配合，才能發(fā)揮出最佳交互耦合作用，獲得最高產量的同時，實現(xiàn)水肥資源高效利用。

2.2 水肥耦合區(qū)域

通過空間分析方法對各指標多元回歸方程所得三維曲面進行水平投影，尋找各指標可接受區(qū)域(大于等于0.95最大值)的重疊區(qū)，即可得到兼顧各指標的最優(yōu)組合范圍。將產量、水分利用效率兩項指標95%最大值的等值線投影后得到綜合分析圖(圖6中陰影區(qū)域表示產量和水分利用效率同時大于等于0.95最大值的可接受區(qū)域)，由圖6可知，產量、WUE同時達到大于等于0.95最大值的補水施肥區(qū)間，在底墑為650 mm時，兩種因素的可接受區(qū)域沒有重疊區(qū)(圖6a、6b)。在底墑為450 mm時，重疊區(qū)域為補水量90～100 mm和施氮量104.5～224.5 kg/hm2(圖6c、6d)。在底墑為350 mm時，重疊區(qū)域為補水量94.3～100 mm和施氮量105.8～186.4 kg/hm2(圖6e、6f)。在底墑為650 mm，產量達到大于等于0.95最大值，水分利用效率大于等于0.85最大值所對應的水氮范圍分別為71～100 mm和141.2～264.8 kg/hm2。

3 討論

產量與水分利用效率是決定冬小麥經濟效益的首要指標，提高產量與水分利用效率是實現(xiàn)高產高效的基礎。水肥是影響冬小麥產量及水分利用效率的重要因素，“以肥調水”對提高作物的產量及水分利用效率有極其重要的作用[24-25]。研究表明，底墑是影響冬小麥產量和水分利用效率的主要因素[26]，這與本研究結果一致。已有研究亦表明，施肥對提高冬小麥產量的影響大于灌溉[27]。適量施肥明顯提高產量和水分利用效率，而施肥過量則會降低產量和水分利用效率[12,28-30]。施肥促進了作物的根系發(fā)育，增加了對土壤水分的吸收利用，形成了更多的經濟產量[31]，這與本試驗結果相一致。多數(shù)研究指出，改善水分條件可以協(xié)調產量構成因素，提高產量[32-33]；在高濕度條件下水分利用效率隨著灌溉量的增加而降低[34]，在干旱條件下，水分利用效率隨著灌溉量的增加而增加[35]，這也與本試驗條件下中低底墑的研究結果相一致。

研究認為灌水量與施氮量的交互作用顯著，而且以高水高肥對作物增產作用明顯[12,36]。本研究結果表明，水肥耦合尤其底墑與施肥交互作用對旱作冬小麥產量的影響達到了顯著水平。無論何種底墑，施肥均能增加作物的產量和水分利用效率，但當施氮量超過一定量時，產量和水分利用效率降低。隨著底墑的增加，產量和水分利用效率達到最大時所用的施氮量不同，這與文獻[37]研究結果一致。本試驗結果亦表明，當補水量一定時，產量和水分利用效率隨施氮量的增加呈開口向下的拋物線狀，可能是過低或過高的肥料均不利于植株對水分的吸收和利用，從而造成減產；當施氮量一定時，隨著補水量的增加，產量增加，底墑較高時水分利用效率降低，底墑較低時水分利用效率增加。

肥料的合理用量在很大程度上取決于土壤水分供應。LEGGETT等[38]提出根據(jù)作物生長期間降雨量確定施氮量的建議，黨建忠等[39]提出根據(jù)土壤底墑和地力配方施肥技術。上述研究將施氮量與降雨量或播前土壤儲水聯(lián)系起來，但未將降雨量和播前土壤儲水結合，而且未考慮降雨的入滲率。李生秀等[31]提出要較為準確地估計施氮量，可以有效水量(播前土壤儲水量加上作物生長期間降雨的入滲水量)的利用效率、土壤養(yǎng)分豐缺程度或當前產量水平為依據(jù)，計算達到預定產量時的施氮量，但都是大田試驗，沒有明確播前底墑狀況，無法準確計算、控制生育期降雨量(補水量)，有些雖考慮底墑，但不包含3種年型的底墑設置。本研究模擬更為接近大田環(huán)境條件，在中低肥力土壤上，依據(jù)播前土壤有效底墑，通過設置能夠充分代表整個旱區(qū)的底墑水平，由移動式大棚嚴格控制生育期降雨量(依據(jù)30年生育期平均降雨量保證率的60%采用精準補灌的方式補入，即補水量)，結果表明，根據(jù)底墑狀況和生育期降雨對旱地小麥進行量水配方施肥，能使降水與施肥有機結合，以肥調水，以水促肥，肥水相濟，充分發(fā)揮降水的生產潛力和施肥的經濟效益，實現(xiàn)綠色發(fā)展。

運用空間分析方法確定的水肥耦合優(yōu)化區(qū)域是兼顧最大產量和最高水分利用效率兩大目標而確定的，直接反映了最優(yōu)的水肥投入量，推動農業(yè)適水發(fā)展與綠色高效節(jié)水，為旱區(qū)實際生產中的以水生產、量水施肥以及旱區(qū)冬小麥水肥調控提供了參考。

4 結論

(1)分別建立了旱區(qū)冬小麥產量、水分利用效率與底墑、施氮量和補水量的三元二次回歸模型，并進行了系數(shù)檢驗，通過系數(shù)檢驗排除不顯著項，重新建立的回歸模型達到極顯著水平。

(2)對產量、水分利用效率回歸模型分別進行單因素效應分析、單因素邊際效應分析以及各因素耦合效應分析，得到3個因素對產量影響順序由大到小依次為底墑、施氮量、補水量，對水分利用效率影響順序由大到小依次為底墑、補水量、施氮量。隨施氮量的增加，產量、水分利用效率呈拋物線變化，存在產量最高點，繼續(xù)增加施氮量則產量降低；產量隨土壤底墑增加而增加，水分利用效率呈拋物線變化，存在水分利用效率最大點，繼續(xù)增加底墑則水分利用效率降低。產量、水分利用效率隨補水量的增加而提高。各耦合效應對產量的影響順序由大到小依次為底墑與施氮量的交互作用、底墑與補水量的交互作用、施氮量與補水量的交互作用，對水分利用效率影響順序由大到小依次為底墑與補水量的交互作用、底墑與施氮量的交互作用、施氮量與補水量的交互作用。其中，底墑和施氮量的交互項系數(shù)為正值，說明底墑與施氮量具有明顯的相互促進作用。

(3)在旱作區(qū)冬小麥生產管理中，測定播前底墑，根據(jù)氣象資料預測計算而設置補水量，通過水肥優(yōu)化區(qū)域確定合理的施氮量、補水量優(yōu)化方案為：在底墑為650 mm時，兩種因素可接受區(qū)域沒有重疊區(qū)；在底墑為450 mm時，補水量90～100 mm和施氮量104.5～224.5 kg/hm2。在底墑為350 mm時，補水量94.3～100 mm和施氮量105.8～186.4 kg/hm2較為科學。在底墑為650 mm時，產量達到大于等于0.95最大值，水分利用效率大于等于0.85最大值所對應的水氮范圍分別為71～100 mm和141.2～264.8 kg/hm2。