華北地區(qū)寬壟溝灌下水氮耦合對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水氮利用效率的影響

楊成宇

（華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南鄭州 450046）

我國(guó)是世界上人口最多的國(guó)家，保證糧食安全在我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有領(lǐng)先指導(dǎo)地位[1]。河南省是我國(guó)糧食大省，2019 年糧食播種面積達(dá)到1.07×107hm2，糧食產(chǎn)量達(dá)到6.70×1010kg[2]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，糧食灌溉水量占河南省灌溉水量比值高達(dá)70%[3]，化肥施用量高達(dá)623 kg·hm-2，化肥過(guò)量施用程度十分嚴(yán)重[4]。

水、肥作為作物高產(chǎn)的兩大要素，因地制宜地制定水肥方案一直是國(guó)內(nèi)專家學(xué)者研究的重點(diǎn)。劉見(jiàn)等認(rèn)為噴灌條件下灌水定額為26～35 mm、施氮量為193～204 kg·hm-2時(shí)，水氮耦合能通過(guò)優(yōu)化灌漿過(guò)程提高冬小麥產(chǎn)量[5]。張榮亭等認(rèn)為滴灌條件下采取返青拔節(jié)期2次追肥可以有效提高小麥產(chǎn)量[6]。章杰等探明在關(guān)中平原冬小麥灌水量為90 mm，并采用尿素加硝化抑制劑時(shí)，冬小麥可維持較高產(chǎn)量和水肥利用效率[7]。華北地區(qū)土地廣闊且多為平原，灌溉方式以隔溝灌溉和小畦灌溉的地面灌為主[8]。汪順生等通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)平作畦灌和寬壟溝灌發(fā)現(xiàn)后者具有增加土壤透氣性，減少灌溉用水量等優(yōu)點(diǎn)[9]。本試驗(yàn)參考前人對(duì)水流特性[10]與灌水技術(shù)要素[11]的研究，設(shè)置寬壟溝灌灌水方式，在測(cè)定對(duì)比不同水氮處理下冬小麥產(chǎn)量及水氮利用效率指標(biāo)的變化差異的基礎(chǔ)上，運(yùn)用主成分分析法構(gòu)建水氮耦合下的冬小麥產(chǎn)量及水氮利用效率的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定寬壟溝灌下冬小麥的最優(yōu)水氮組合，旨在為華北地區(qū)寬壟溝灌下冬小麥的田間水氮優(yōu)化管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020 年10 月在河南省鄭州市節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)地為粉砂質(zhì)壤土，土壤0～100 cm土層內(nèi)平均容重為1.35 g·cm-3，田間持水率為34%（體積含水率），土壤有機(jī)質(zhì)含量870 mg·kg-1，全氮539 mg·kg-1，堿解氮55 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)按照文獻(xiàn)[9]設(shè)置如圖1 所示壟田規(guī)格參數(shù)的寬壟溝灌溉方式。采用密植小麥品種濟(jì)麥22，設(shè)計(jì)120 mm（W1）、210 mm（W2）、360 mm（W3）3 個(gè)灌水水平；120 kg·hm-2（N1）、220 kg·hm-2（N2）和320 kg·hm-2（N3）3個(gè)施氮水平。處理組按灌水量和施氮量從低到高排列，相鄰處理間設(shè)置1.5 m 寬保護(hù)行，小區(qū)面積948 m2（23.7 m×40 m），每個(gè)處理重復(fù)3次。

圖1 壟作溝灌布置示意圖

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 產(chǎn)量測(cè)定

作物成熟后，每個(gè)試驗(yàn)組收獲1 m2的植株樣品測(cè)定產(chǎn)量，并在各小區(qū)隨機(jī)選取10株小麥測(cè)定穗長(zhǎng)、穗重、穗粒數(shù)、千粒重等指標(biāo)。

1.3.2 土壤水分測(cè)定

在作物播種前、收獲后及全生育期內(nèi)每隔7 d，用土鉆取樣烘干法測(cè)定土壤含水率，測(cè)深1.0 m，分5 層（層深20 cm），選取溝、壟作為觀測(cè)點(diǎn)。

1.3.3 植株全氮測(cè)定

作物成熟后，將植株樣本在烘箱內(nèi)于105 ℃殺青45 min 然后放入80 ℃烘箱烘干至恒重，粉碎研磨過(guò)0.5 mm篩后各取0.5 g，經(jīng)H2SO4-H2O2消煮，用凱氏定氮儀測(cè)定樣品全氮含量。

1.3.4 指標(biāo)計(jì)算

（1）（2）（3）（4）式中，Qya為冬小麥產(chǎn)量，kg·hm-2；hET為全生育期內(nèi)冬小麥耗水量，mm；mUN為作物全氮量，kg·hm-2；mTN為施氮量，kg·hm-2；hI為灌水量，mm；hP0為有效降水量，根據(jù)氣象資料全生育期內(nèi)有效降水量為139.9 mm；hW0、hWt分別為冬小麥生育初期、生育末期的土壤儲(chǔ)水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)基本運(yùn)算與制圖，SPSS 23進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮耦合對(duì)冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量因子的影響

2.1.1 水氮耦合對(duì)冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量因子影響的方差分析

對(duì)冬小麥產(chǎn)量、穗長(zhǎng)、穗重、千粒重進(jìn)行方差分析，檢驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，可以看出冬小麥產(chǎn)量及構(gòu)成因子在不同灌水水平下均達(dá)到極顯著差異水平，穗長(zhǎng)、穗重在不同施氮水平下也達(dá)到極顯著差異水平。灌水水平對(duì)產(chǎn)量及構(gòu)成因子的影響比施氮水平更大，水氮耦合雖然也對(duì)其產(chǎn)生影響，卻還沒(méi)有達(dá)到顯著水平?？梢?jiàn)灌水水平主要通過(guò)影響穗長(zhǎng)、穗重、千粒重影響產(chǎn)量，施氮水平主要通過(guò)影響穗長(zhǎng)、穗重影響產(chǎn)量。

表1 水氮耦合對(duì)冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量因子影響的方差分析

2.1.2 水氮耦合對(duì)冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量因子的影響

從圖2 可以看出，隨著灌水量和施氮量的增加，冬小麥的產(chǎn)量及產(chǎn)量因子明顯增大。經(jīng)過(guò)組間差異顯著性分析，穗重被分為7 個(gè)等級(jí)，是受影響最大的指標(biāo)，除此之外產(chǎn)量與千粒重等級(jí)重合較多，如當(dāng)灌水施肥處理為W2N1時(shí)，同時(shí)增加灌水量和施肥量到W3N3已經(jīng)不能夠顯著提高產(chǎn)量，當(dāng)灌水施肥處理為W2N2時(shí)，同時(shí)增加灌水量或施肥量不僅不能提高冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量因子，反而會(huì)造成冬小麥減產(chǎn)。

圖2 不同水氮處理下冬小麥的產(chǎn)量和產(chǎn)量因子

冬小麥產(chǎn)量增幅達(dá)3.28%～28.47%，穗長(zhǎng)增幅達(dá)8.35%～52.20%，穗重增幅達(dá)24.86%～68.55%，千粒重增幅達(dá)4.13%～19.07%。以W1產(chǎn)量最低組平均產(chǎn)量為對(duì)照組，冬小麥產(chǎn)量、穗長(zhǎng)、穗重、千粒重在W2分別增長(zhǎng)21.61%、28.25%、31.93%、12.15%，在W3分別增長(zhǎng)18.43%、16.86%、24.32%、7.61%，可以看出中水處理比高水處理更有利于作物產(chǎn)量累積，灌水水平對(duì)穗重影響更大。以N1產(chǎn)量最低組平均產(chǎn)量為對(duì)照組，冬小麥產(chǎn)量、穗長(zhǎng)、穗重、千粒重在N2分別增長(zhǎng)5.10%、15.72%、20.13%、5.68%，在N3分別增長(zhǎng)2.83%、6.41%、12.40%、3.01%，可以看出中肥處理比高肥處理對(duì)產(chǎn)量更有積極影響，且施肥對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)量因子的影響弱于灌水。

2.2 水氮耦合對(duì)冬小麥水氮利用效率的影響

2.2.1 水氮耦合對(duì)冬小麥水氮利用效率影響的方差分析

對(duì)冬小麥耗水量hET、全氮量mUN、水分利用效率ηWUE、氮肥生產(chǎn)效率ηNPFP、氮素吸收效率ηNUPE進(jìn)行方差分析，檢驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，可以看出冬小麥水氮利用效率指標(biāo)在不同灌水水平下均達(dá)到極顯著差異水平，全氮量、水分利用效率、氮肥生產(chǎn)效率、氮素吸收效率在不同施氮水平下也達(dá)到極顯著差異水平，除此之外水氮耦合對(duì)水分利用效率、氮肥生產(chǎn)效率、氮素吸收效率也產(chǎn)生了較大影響。灌水水平對(duì)耗水量、全氮量、水分利用效率的影響比施氮水平更大，施氮水平對(duì)氮肥生產(chǎn)效率、氮素吸收效率的影響比灌水水平更大。

表2 水氮耦合對(duì)冬小麥水氮利用效率影響的方差分析

2.2.2 水氮耦合對(duì)冬小麥水氮利用效率的影響

從表3 可以看出，隨著灌水量和施氮量的增加，冬小麥的水氮利用情況明顯不同。經(jīng)過(guò)組間差異顯著性分析，當(dāng)灌水施肥處理為W3N3時(shí)，減少灌水量或施氮量都會(huì)使耗水量減??；當(dāng)灌水施肥處理為W2N1時(shí)，同時(shí)增加或減少灌水量和施氮量都不會(huì)使全氮量增加。

表3 水氮耦合對(duì)冬小麥水氮利用效率的影響

冬小麥水氮利用效率受不同水氮處理的影響較大，增加不同額度的灌水量都會(huì)造成耗水量的增加。以產(chǎn)量最低處理W1N1為對(duì)照組，耗水量增幅為0.30%～1.96%；全氮量增幅為-0.14%～74.38%，其中最大增幅發(fā)生在W2N2，最小增幅為負(fù)增長(zhǎng)發(fā)生在W1N3；水分利用效率增幅為-8.67%～5.78%，其中W1N3的水分利用效率與W1N1相當(dāng)，最大增幅發(fā)生在W2N2，最小增幅為負(fù)增長(zhǎng)發(fā)生在W3N3；氮肥生產(chǎn)效率增幅為-61.27%～22.48%，其中只有W2N1與W3N1為正增長(zhǎng)，最大增幅發(fā)生在W2N1，最大負(fù)增長(zhǎng)發(fā)生在W1N3；氮素吸收效率增幅為-63.01%～42.47%，其中最大增幅發(fā)生在W2N1，其次是增幅為34.25% 的W3N1，其余處理均為負(fù)增長(zhǎng)。

由表3 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在灌水量一致的情況下，N1處理組氮肥生產(chǎn)效率、氮素吸收效率ηNUPE更高，N2處理組全氮量、水分利用效率更大，N3處理組耗水量更大。以施氮量最少的N1為對(duì)照組，冬小麥耗水量、全氮量、水分利用效率、氮肥生產(chǎn)效率、氮素吸收效率在N2時(shí)分別增長(zhǎng)2.52%、16.61%、2.36%、-42.68%、-36.73%，在N3分別增長(zhǎng)2.86%、6.40%、-0.20%、-61.44%、-60.00%，可見(jiàn)耗水量的增加和施氮量的增加呈正相關(guān)關(guān)系，全氮量、水分利用效率隨施氮量的增加而先增加后減少，氮肥生產(chǎn)效率、氮素吸收效率與施氮量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

在施氮量一致的情況下，W2處理組全氮量、水分利用效率更高，W3處理組耗水量、氮肥生產(chǎn)效率、氮素吸收效率更高。以灌水量最少的W1為對(duì)照組，冬小麥耗水量、全氮量、水分利用效率、氮肥生產(chǎn)效率、氮素吸收效率在W2時(shí)分別增長(zhǎng)18.42%、50.75%、2.88%、11.41%、21.38%，在W3分別增長(zhǎng)28.44%、37.97%、-7.68%、17.42%、37.93%，可見(jiàn)耗水量、氮肥生產(chǎn)效率、氮素吸收效率的增加和灌水量的增加呈正相關(guān)關(guān)系，全氮量、水分利用效率隨灌水量的增加而先增加后減少。

2.3 主成分分析水氮耦合對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水氮利用效率的影響

2.3.1 冬小麥產(chǎn)量及水氮利用效率之間的相關(guān)性分析

由表4的相關(guān)性分析可知，冬小麥產(chǎn)量、穗長(zhǎng)、穗重、千粒重、耗水量、全氮量之間的相關(guān)性均高于0.5，達(dá)到極顯著水平，水分利用效率、氮肥生產(chǎn)效率、氮素吸收效率與其他指標(biāo)相關(guān)性不大且偶有負(fù)值，但氮肥生產(chǎn)效率、氮素吸收效率之間的相關(guān)性高于0.5，也達(dá)到極顯著水平。由此可見(jiàn)指標(biāo)之間的聯(lián)系重疊交叉，利用KMO 和巴特利特檢驗(yàn)指標(biāo)的相關(guān)性與顯著性發(fā)現(xiàn)，KMO取樣適切性量數(shù)為0.577，sig為0，說(shuō)明指標(biāo)間存在較強(qiáng)聯(lián)系可以運(yùn)用主成分分析提取公因子，構(gòu)建更清晰且包含更多原始數(shù)據(jù)的綜合指標(biāo)，為評(píng)價(jià)水氮耦合對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水氮利用效率的影響提供依據(jù)。

表4 冬小麥產(chǎn)量及水氮利用效率之間的相關(guān)性分析

2.3.2 水氮耦合對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水氮利用效率影響的主成分分析綜合評(píng)價(jià)模型

因冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量因子和水氮利用效率指標(biāo)的量綱不同，故進(jìn)行主成分分析前運(yùn)用SPSS進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。因子分析如表5所示，發(fā)現(xiàn)當(dāng)提取特征值超過(guò)1的變量時(shí)，x1～x9被分為3個(gè)成分，且對(duì)原始數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)率達(dá)到了94%。通過(guò)表6因子分析的成分矩陣發(fā)現(xiàn)，成分1中冬小麥產(chǎn)量、穗長(zhǎng)、穗重、千粒重、耗水量、全氮量的得分更高，對(duì)原始數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)率達(dá)到了56.085%；成分2中氮肥生產(chǎn)效率、氮素吸收效率的得分更高，對(duì)原始數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)率達(dá)到了22.591%；成分3中水分利用效率的得分更高，對(duì)原始數(shù)據(jù)的貢獻(xiàn)率達(dá)到了15.323%，因此將綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)命名為y1、y2、y3。對(duì)因子分析的成分矩陣進(jìn)行主成分轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)換后主成分指標(biāo)y1～y3的前置系數(shù)如表7所示。則主成分指標(biāo)y1～y3與冬小麥產(chǎn)量及水氮利用效率指標(biāo)x1～x9的表現(xiàn)為：

表5 因子分析的總方差解釋

表6 因子分析的成分矩陣

表7 y1～y3的前置系數(shù)

綜合得分y=0.553y1+0.223y2+0.164y3

對(duì)綜合得分y進(jìn)行歸一化處理得到y(tǒng)=0.589y1+0.237y2+0.174y3

對(duì)冬小麥不同水氮處理的綜合得分y進(jìn)行對(duì)比和差異顯著性分析（見(jiàn)圖3），其中W1處理組均為負(fù)值，W2處理組均為正值，W3處理下N3為負(fù)值，其余為正值。W2N1、W2N2綜合得分最高，分別為0.88、0.90，這說(shuō)明綜合考慮指標(biāo)x1～x9，最優(yōu)灌水水平為210 mm，優(yōu)選施氮水平為120 kg·hm-2、220 kg·hm-2。

圖3 不同水氮處理的綜合得分

3 結(jié)論

本文根據(jù)寬壟溝灌下冬小麥試驗(yàn)資料分析了水氮耦合對(duì)冬小麥產(chǎn)量、穗長(zhǎng)、穗重、千粒重、耗水量、全氮量、水分利用效率、氮肥生產(chǎn)效率、氮素吸收效率的影響，運(yùn)用主成分分析法建立了綜合評(píng)價(jià)模型。通過(guò)實(shí)例的計(jì)算和分析得到以下結(jié)論。

1）在寬壟溝灌灌溉方式下不同水氮處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水氮利用效率影響顯著，但不同指標(biāo)對(duì)水氮處理的響應(yīng)存在差異。其中，冬小麥產(chǎn)量、穗長(zhǎng)、穗重、千粒重、全氮量、水分利用效率均與灌水量和施氮量呈現(xiàn)出二次函數(shù)關(guān)系；耗水量與灌水量呈現(xiàn)出正相關(guān)線性關(guān)系；氮肥生產(chǎn)效率、氮素吸收效率則與施氮量表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)線性關(guān)系，且隨著灌水量的增加而先增加后減少。

2）對(duì)各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行主成分分析并構(gòu)建水氮耦合對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水氮利用效率影響的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)（y）后發(fā)現(xiàn)，9 個(gè)處理中，W1全部處理組與W3N3處理均為負(fù)值，W2全部處理組與W3N1和W3N2均為正值。W2N1和W2N2的差異顯著性均為a級(jí)且綜合得分最高，分別為0.88 和0.90，綜合考慮指標(biāo)x1～x9，為實(shí)現(xiàn)節(jié)水增產(chǎn)雙效目標(biāo)，最優(yōu)灌水水平為210 mm，優(yōu)選施氮水平為120 kg·hm-2、220 kg·hm-2。