不同降水年型水氮运筹对冬小麦耗水和产量的影响

李正鹏，宋明丹，冯 浩



不同降水年型水氮运筹对冬小麦耗水和产量的影响

李正鹏1,2，宋明丹1,2，冯 浩3,4※

（1. 青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，西宁 810016；2. 青海省农林科学院，西宁 810016； 3. 中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100； 4. 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，杨凌 712100）

灌水和施氮是影响农田生态系统粮食生产的2个主要因素，但其增产效应和资源利用效率会受降水年型的影响。该研究基于2011—2014在陕西关中平原进行的3 a冬小麦水氮耦合试验，分析了不同降水年型下水氮管理对土壤含水率、籽粒产量、耗水量（water consumption，ETa）及产量与耗水量关系的影响。结果表明：7—9月总降水量每增加1 mm，小麦播前0~180 cm土壤底墒增加0.47 mm。随着灌水量增加，产量和ETa均增加，但仅在降水较少的2012—2013年增产显著，对水分利用效率（water use efficiency，WUE）的影响不显著；随着施氮量增加，ETa变化不显著，但其增产效果显著，使WUE显著提高，表明施氮增加了作物蒸腾占农田耗水量的比例。根据3 a各处理冬小麦产量和ETa数据，进一步探讨了在一定水分消耗下能达到的最大（边界）产量和WUE，建立了关中平原冬小麦的产量-耗水量边界方程；当ETa超过388 mm时，产量稳定在8 184 kg/hm2，WUE的最大值为2.52 kg/m3。研究可为制订合理的冬小麦水肥管理措施提供科学依据。

灌水；施氮；降水；耗水量；底墒；WUE；边界方程；

0 引 言

水是植物进行生命活动的重要环境条件，降水、灌溉等水分补给均需要先转化为土壤水才能被植物吸收利用，作物蒸腾与株间土壤蒸发（农田蒸散量）均直接来自于土壤水，农田耗水量与作物生长状况密切相关，其大小受气候、土壤、作物、水分供应等多方面因素的影响[1]。中国水资源总量丰富但人均不足，而且降水分布的时空变异较大。农业是消耗水资源最大的部门，目前中国农业用水量占到总用水量的64%，其中农田灌溉用水又占了农业用水量的90%[2]。中国水资源短缺问题严峻，提高水资源利用效率对于保证粮食生产和水资源安全至关重要。

关中地区是陕西省主要的粮食生产区域，该区小麦产量占全省的80%以上[3]。关中地区是典型的大陆性季风气候，冬小麦生长的10月—次年5月降水少，仅占全年降水量的37%，易受干旱的影响。同时该区过量施氮现象严重，小麦平均施氮量为211 kg/hm2[4]，比推荐施氮量高71 kg/hm2，过量施氮不仅造成资源浪费，而且极易增加温室气体排放和引起地下水污染。水氮是影响农田生态系统水分循环的2个主要影响因素，适时适量的灌溉施氮能缓解干旱和养分胁迫，增大光合面积和光合速率，增加产量，进而提高水分利用效率[5]。

关于水氮对作物耗水特征、产量和水分利用效率的影响方面均有不少研究[6-7]，较明确地揭示了水氮耦合的作用机理，但关于在不同水文年对水氮管理下的产量、耗水关系的影响研究关注较少。此外，灌水施氮对农田系统的影响具有明显的区域特征、年际变化和累积效应[8]，因此有必要在多点多年进行系统观测。本文基本2011—2014年连续3 a的小麦试验分析在不同水文年下水氮管理的播前和收获后土壤含水率、耗水特征、水分利用效率以及产量与耗水关系的影响，为制订合理的水肥管理措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地及试验设计

试验在西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点试验室灌溉试验站（108°05′E，34°24′N，海拔506 m）内进行，于2011年10月开始布设，实行冬小麦-夏玉米轮作制度，至2014年6月结束，小麦生长期间各月降水量见图1。该区地带性土壤为粉砂质黏壤土，俗称塿土，试验前0~20 cm耕层土壤有机质11.17 g/kg、全氮0.95 g/kg、速效磷13.67 mg/kg和速效钾183.20 mg/kg，硝态氮23.10 mg/kg。1 m土层的平均田间持水率为 23%～25%，凋萎含水率为 8.5%（以质量含水率计）。本试验采用灌水为主区、施氮量为副区的两因素裂区试验设计。灌水设3个水平，分别为不灌水（I0）、仅灌拔节水46 mm（I1）、灌越冬水和拔节水各46 mm（I2），施氮设4个水平，分别为0（N0）、105（N1）、210（N2）和315（N3）kg /hm2（以N计），共12个处理，每个处理重复3次。各小区长6 m、宽3 m，各主区和各重复间预留1 m宽的缓冲区，试验区周围设2 m宽的作物保护带。

供试冬小麦品种为“小偃22”，分别于2011年10月19日、2012年10月13日和2013年10月12日播种，采用人工条播种植方式，播种深度5 cm，行距25 cm，播种量为112.5 kg/hm2。于2012年6月7日、2013年6月1日和2014年6月7日收获，3 a全生育期平均235 d。越冬水分别于2012年1月14日、2013年1月6日和2013年12月29日进行，拔节水分别于2012年4月22日、2013年4月12日和2014年4月4日进行，灌水方式为畦灌，灌水量用水表控制。所有小区于小麦播种前结合耕地施入足量的磷肥和钾肥，分别为255 kg /hm2（以P2O5计）和90 kg /hm2（以K2O计）。所有氮肥均按基追比7:3施入土壤，追肥为尿素，N1、N2和N3处理分别追施68、137和205 kg /hm2，在小麦拔节－孕穗期结合灌水或降雨施入。在作物生长季控制杂草和病虫害，其他管理措施同当地农民栽培习惯一致。

图1 2011—2014年小麦生长季各月降水量

1.2 测定项目与方法

1.2.1 土壤含水率和储水量测定

在冬小麦播种前和收获后于小区中间用直径5 cm的土钻采集0~180 cm深度土样测定土壤含水率，0~40 cm深每10 cm为一层，40 cm以下每20 cm为一层。土壤含水率测定采用烘干法，在105℃下烘干至质量不变，称质量。土壤体积含水率（cm3/cm3）计算如下：

式中为土壤容重，本研究中0~180 cm土层为1.1~1.4 g/cm3；1和2分别为湿土和干土质量，g。

土壤剖面储水量（soil water storage SWS，mm）计算如下

式中为土壤层次；θ为第层土壤的体积含水率，cm3/cm3；Z为第层土壤的厚度，mm。

1.2.2 作物耗水量和水分利用效率

作物实际耗水量采用通用的水量平衡公式计算。

根据小麦产量和作物实际耗水量计算水分利用效率，公式如下

式中WUE为水分利用效率，kg/m3；为冬小麦籽粒产量，kg/hm2。

1.3 数据分析

本研究中灌水施氮对土壤含水率、耗水量、产量和水分利用效率的方差分析（ANOVA）和多重比较均在SPSS 20.0软件中完成，多重比较采用LSD法进行。所有计算过程的绘图均在EXCEL 2010软件中完成。

2 结果与分析

2.1 水肥管理和降水对小麦播前底墒的影响

2011—2014年冬小麦播前底墒对不同水氮管理的响应结果见表1。

表1 2011—2014年小麦播种前不同土层土壤储水量及其方差分析

注：I0、I1、I2分别表不灌水、仅灌拔节水46 mm、灌越冬和拔节水各46 mm；N0、N1、N2和N3分别表示施氮0、105、210、315 kg·hm-2； **表示在0.01水平上显著，NS表示没有显著影响；同一列中不同字母表示在0.05水平下有显著差异；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.

试验开始前（2011年10月），各处理间底墒无显著差异，表明试验田土壤含水率均一。2012年播种时，不同灌水处理的0~180 cm储水量存在显著差异，其中灌2水处理比不灌水处理高40 mm（<0.05）。到2013年播种时，灌水施氮对0~100 cm和0~180 cm储水量均有显著影响。随着灌水量增加，底墒呈增加趋势，0~100 cm和0~180 cm储水量分别由不灌水下的204和375 mm增加到灌2水条件下的236和445 mm；随着施氮量增加，0~100 cm和0~180 cm底墒呈减小趋势，由不施氮下的241和453 mm减小到施氮315 kg/hm2条件下的209和387 mm。水氮交互作用对3 a小麦播前底墒均无显著影响。

小麦播前底墒的大小除受灌水施氮处理的影响外，还受播前降水量的影响。随着7—9月降水量的增多，底墒增加。2011—2013年该时段降水量分别为554、 388和209 mm，相应的0~180 cm底墒为578、505和415 mm。7—9月总降水量与0~180 cm底墒回归关系显著，表明降水每增加1 mm，底墒增加0.47 mm（图2）。而0~100 cm底墒则随7—9月降水量的增加呈“线性加平台”效应，当降水量达到或超过400 mm左右时，底墒不再明显增加（图2）。这表明7—9月降水量低于400 mm左右时，主要补充1 m内土壤储水量，多于400 mm降水时可以补给深层土壤。

图2 7—9月总降水与小麦播前底墒的关系

2.2 水肥管理和生育期降水对小麦收获后储水量的影响

灌水均对3 a小麦收获时0~100 cm和0~180 cm储水量有显著影响， I0、I1和I2处理3 a平均0~100 cm的储水量分别为212、223和229 mm，0~180 cm的储水量分别为398、428和439 mm，随着灌水量增加，收获时土壤储水量增加。统计分析结果（表2）显示I0与I2处理有显著差异，I1和I2处理差别不大，这表明拔节期灌水显著减少了对土壤储水的消耗，而越冬灌水对减小土壤储水消耗的作用不大。施氮对收获时储水量的影响在第3年达到显著水平，N0、N1、N2和N3处理的0~100 cm储水量分别为231、196、190和194 mm，0~180 cm储水量分别为460、404、388和391 mm，随施氮量的增加，土壤储水量先减小后不变。方差分析结果（表2）显示2014年N0与N1、N2和N3均有显著差异，而施氮处理间差异不显著，表明施氮≥105 kg/hm2，收获时储水量基本不变。水氮交互作用对3 a小麦收获时的储水量无显著影响。

2011—2014年小麦收获时土壤储水量的差异较大，0~100 cm的平均储水量分别为183、279和205 mm，0~180 cm的平均储水量分别为359、497和415 mm。小麦收获前2个月的降水量越多，收获时的土壤储水量越高（图3）。2013年小麦收获时储水量最高，这是由于5月降水174 mm，远高于其他年份同期降水量。

表2 2011－2014年小麦收获时不同土层土壤储水量的方差分析

图3 4－5月总降水与小麦收获后土壤储水量的关系

2.3 水肥管理和降水年型对冬小麦耗水量的影响

农田耗水量表征了作物生长阶段作物和土壤对水分的消耗情况，2011—2014年小麦生育期的总耗水量对水氮管理的响应见表3。在3 a中，灌水处理对农田总耗水量ETa有极显著影响（< 0.01），随着灌水量或灌水次数的增加，耗水量逐渐增大，不同水分处理的平均耗水量分别为320、362和414 mm，表明越冬水和拔节水均能显著增加农田的耗水量。小麦在2011—2014年的平均耗水量分别为449、293和353 mm，存在明显的年际差异，表明农田耗水量不仅受水分管理的影响，还受到水文年的影响。

土壤储水消耗量受不同灌水处理的影响显著（< 0.05），随着灌水量或灌水次数的增加，土壤储水消耗量在不同年份表现不同，不同灌水处理间最大相差29 mm。小麦在2011—2014年的平均土壤储水消耗量分别为217、9和-2 mm，不同年份间最大相差219 mm，表明土壤储水消耗量的年际间差异要明显大于灌水处理间的差异。施氮和水氮交互作用均对农田耗水量和土壤储水消耗量无显著影响。

小麦生育阶段的水分输入与农田耗水量呈线性相关，但具体的关系式受当年的初始底墒的影响。由图4可以看出在2011—2014年生育期降水加灌水每增加100 mm，3 a农田耗水量分别增加70、95和127 mm，相应的3 a的播前底墒分别为578、505和415 mm（表1），可以看出随播前底墒的增加，生育阶段单位水分投入增加的农田耗水量减少。

表3 2011—2014年小麦耗水量ETa和土壤储水消耗量DSWS的方差分析

图4 小麦生育阶段水分输入（降水和灌溉）与农田耗水量的关系

2.4 水肥管理和降水年型对冬小麦产量和水分利用效率的影响

灌水的增产作用受年际降水的影响较大，本研究中灌水仅在2012—2013年对产量的影响达到极显著水平（表4），对WUE的影响不显著。施氮的增产作用受初始地力的影响，本研究中2011－2012年各施氮处理的产量和WUE的差异不显著，可能是由于试验第1年初始肥力较高；后2 a施氮对产量和WUE均达到显著水平（< 0.01）。2012—2014年随着施氮量的增加，产量先增加后基本不变，而相应的总耗水量变化较小，从而导致WUE随施氮量先增大后基本不变，N0、N1、N2和N3处理的3 a平均WUE分别为1.43、 1.88、1.95和1.98 kg/m3。这表明施氮对WUE的提高并不是增加了作物耗水量，而是施氮处理下小麦长势较好，冠层覆盖率高，增加了作物蒸腾占农田耗水量的比例。水氮交互作用对3 a小麦产量和WUE无显著影响。

小麦产量不仅受水分供应的影响，还受养分供应、温度等的制约，因此利用小麦总耗水量（ETa）与产量数据所做的线性回归方程，并不能反映某耗水量条件下的最大可获得产量。French等[9-10]通过在不同ETa条件下找到最高的产量，通过这些点确定了潜在产量的边界方程。Lin等[11]通过收集耗水量和产量数据，建立了黄土高原春玉米的边界方程。本研究参考Lin等[11]一文中的方法，首先确定边界点，然后利用线性加平台模型拟合与ETa的边界方程（图5）。本研究得到的陕西关中平原冬小麦的与ETa的边界方程为=25.2×（ETa-63），当ETa超过388 mm时，平台产量达到8 184 kg/hm2，作物耗水量的最小值为63 mm，WUE的边界值为2.52 kg/m3。

表4 2011—2014年冬小麦产量和水分利用效率的方差分析

图5 不同ETa水平下的冬小麦产量的边界方程

3 讨 论

3.1 播前底墒对水肥管理和年际降水的响应

孟晓瑜等[12-13]在渭北旱塬进行了5 a不同施氮和施磷的试验，结果表明夏季休闲期7—9月的降水与播前小麦0~200 cm底墒呈显著的线性相关，其中降水每增加1 mm，播前底墒增加0.5或是0.6 mm。本研究中关中灌区7—9月降水每增加1 mm，小麦播前底墒增加0.47 mm，2研究所得结论略有差别，这可能是由于2地点的气候略有差异，而且土壤取样深度不同（本研究为180 cm）。本研究中施氮对播前底墒的影响在第3年达到显著水平，随施氮量的增加，播前底墒减小。这可能是由于施氮导致作物生长旺盛，消耗土壤水分较多，由于施氮的累积作用，到第3年不同氮处理的播前底墒达到显著差异，也可能是由于第3年夏季降水较少，难以弥补施氮导致的土壤水分下降，关于施氮造成播前底墒降低的原因还有待于进一步在多点多年进行解释验证。

3.2 农田耗水对水肥管理和年际降水的响应

本研究中3 a冬小麦农田耗水量变化趋势一致，均随着灌水次数的增加，耗水量增加，主要是增加了灌溉水的消耗。这与褚鹏飞等[14-16]的研究结果相同。关于施氮对农田耗水量的影响，不同学者得到的结论不一致。段文学等[17-19]的试验均表明施氮处理的农田耗水量要显著高于不施氮处理。而张彦群等[20-21]的试验结果表明不同氮处理间的农田耗水量差异不显著，本研究与其结论相同。之所以产生分歧的原因可能是由于试验设计本身造成的，水肥两因素的试验中水分对农田耗水量的影响要远大于施肥，水分效应掩盖了施肥效应，从而导致施氮对农田耗水量的效果不明显。

当季农田耗水量主要受到灌溉的影响，而年际农田耗水量主要受到生长季降水和播前底墒的影响。黄玲等[15]指出降雨量的差异对冬小麦耗水影响较大。Gao等[22]的研究表明具有较高的参考作物蒸发蒸腾量和降水量的年份通常农田耗水量也会比较高，农田耗水量的年际变异主要是由于气象不同导致的。Zhao等[23-24]表明生育期的降水主要与土壤蒸发相关性较大，而与作物蒸腾相关性较小。李超等[25-26]的研究结果表明随播前底墒提高，冬小麦的耗水量增加，高底墒条件下，作物主要消耗土壤水，对降水的依赖减小。本研究中3 a的农田耗水量差异较大，但由于试验处理和年限的限制，不能区分出生长季降水和播前底墒对农田耗水量的贡献，需要在多年多点做进一步的研究。

3.3 产量与耗水量的关系

通过探究产量与耗水量的关系，可以分析水分利用效率，寻求水分消耗与产量的最佳搭配，达到水资源的最大化利用[25]。在农田中，通常消耗等量的水分，由于养分供给、耕作方式等的不同形成的产量不同，那么一定的水分消耗条件下，潜在的最大产量是多少呢？为解决这一问题，French等[9-10]提出了/ET边界方程的概念，并介绍了边界方程的建立过程。Sadras等[27-28]建立了黄土高原旱作冬小麦的产量和耗水量的边界方程，结果表明其平均水分利用效率只有0.98~1.21 kg/m3，而边界水分利用效率可以达到2.2 kg/m3。Lin等[11]建立了黄土高原春玉米的Y/ET的边界方程，得到覆膜和不覆膜的边界水分利用效率分别为4.75 和6.05 kg/m3，表明覆膜处理可以显著提高水分利用效率。本研究根据产量和耗水量数据得到关中灌区冬小麦的边界水分利用效率可以达到2.52 kg/m3，明显高于旱作冬小麦的2.2 kg/m3。但本研究仅用了3 a的试验数据，需要收集更多的数据进行验证。

3.4 不同降水年型下的水肥管理

本研究3 a试验条件下，不同灌水处理均显著增加了ETa，但仅在较干旱的2012—2013年灌拔节水显著增加了产量，而在底墒充足的2011—2012年和降水较多的2013—2014年，灌水的增产效果不显著，表明灌水的增产效应受土壤底墒和生育期内降水量和降水分布的影响较大[29-30]。有研究表明小麦的水分敏感期为拔节-开花期间[31-32]，当底墒较充足时，可以提高小麦花前土壤水分，减小水分胁迫，促进穗数形成，提高产量[33]。本研究中2012—2013年4月份（拔节-开花期）降水仅13 mm，因此灌拔节水的增产效果显著，而2013—2014年同期降水达到142 mm，导致灌水的增产效果不显著。综上所述，在陕西关中平原当小麦播前底墒充足时，可以不灌水；当播前底墒中等或不足，同时4月份降水较少时，需要在拔节期补灌一水。

氮肥的增产效应受土壤初始肥力的影响，当土壤初始肥力较低时，增产效果较强。Abad等[34]研究表明，当土壤初始硝态氮低于157 kg/hm2时，施氮0~100 kg/hm2显著增产。本研究中，2011—2012年初始土壤肥力较高，各施氮处理的小麦产量差异不显著（变化范围7 200~8 050 kg/hm2），而2012—2013、2013—2014施氮高于210 和105 kg/hm2后，产量不再显著提高，表明在陕西关中平原适宜的施氮量介于105~210 kg/hm2之间。张明等[35]和杨宪龙等[36]的研究结果表明关中适宜施氮量为150~180 kg/hm2。

4 结 论

本研究主要分析了不同降水年型下水氮管理对土壤含水率、籽粒产量、耗水量（ETa，water consumption）及产量与耗水量关系的影响，结论如下：

1）随着灌水量增加，小麦播前底墒增加；随着施氮量的增加，播前底墒减少。7—9月的总降水每增加1mm，播前0~180 cm底墒增加0.47 mm，当7—9月总降水低于400 mm时，主要补充0~100 cm的土壤含水率。

2）随着灌水量增加，收获时土壤储水量增加，随施氮量的增加，收获时土壤储水量先减小后不变。小麦收获时的土壤储水量与收获前2个月的降水量密切相关。

3）随灌水量增加，农田总耗水量增加，而施氮和水氮交互作用对农田耗水量影响不显著。农田耗水量与小麦生育阶段的水分输入呈线性相关，但系数受当年的初始底墒的影响，播前底墒越高，单位水分投入增加的农田耗水量越少。

4）灌水仅在2012—2013年对产量的影响显著，施氮在2012—2013、2013—2014年对产量和水分利用效率（water use efficiency，WUE）的影响极显著。施氮对WUE的提高作用主要是通过增加产量实现的，表明施氮增加了作物蒸腾占农田耗水量的比例。

5）根据3 a小麦的产量和农田耗水量数据，本研究建立了陕西关中平原冬小麦的/ETa的边界方程，并得出当ETa超过388 mm时，平台产量达到8 184 kg/hm2，WUE的上边界值为2.52 kg/m3。

[1] 康绍忠. 农业水土工程概论[M]. 北京：中国农业出版社，2007.

[2] 童坤，耿雷华. 不同频率与多年平均农田单位灌溉面积用水量折算方法研究[J]. 长江科学院院报，2018，35(2)：23－27.Tong Kun, Geng Leihua. Conversion of irrigation water consumption per unit area between different precipitation frequency years and multi-year average[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2018, 35(2): 23－27. (in Chinese with English abstract)

[3] 宋明丹，李正鹏，冯浩. 不同水氮水平冬小麦干物质积累特征及产量效应[J]. 农业工程学报，2016，32(2)：119－126.Song Mingdan, Li Zhengpeng, Feng Hao. Effects of irrigation and nitrogen regimes on dry matter dynamic accumulation and yield of winter wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(2): 119－126. (in Chinese with English abstract)

[4] 李正鹏，冯浩，宋明丹. 关中平原冬小麦临界氮稀释曲线和氮营养指数研究[J]. 农业机械学报，2015，46(10)：177－183，273Li Zhengpeng, Feng Hao, Song Mingdan. Critical nitrogen dilution curve and nitrogen nutrition index of winter wheat in Guanzhong plain[J]. Transactions of The Chinese Society of Agricultural Machinery, 2015, 46(10): 177－183, 273. (in Chinese with English abstract)

[5] 高亚军，郑险峰，李世清，等. 农田秸秆覆盖条件下冬小麦增产的水氮条件[J]. 农业工程学报，2008，24(1)：55－59.Gao Yajun, Zheng Xianfeng, Li Shiqing, et al. Requirements of water and nitrogenous fertilizer to increase winter wheat yield under straw mulch[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(1): 55－59. (in Chinese with English abstract)

[6] 侯翠翠. 不同水氮处理对冬小麦干物质生产、耗水特性及产量的影响[D]. 郑州：河南农业大学，2013.Hou Cuicui. Effects of Different Irrigation and Nitrogen Treatments on Dry Matter Production and Water Consumption Characteristics and Yield of Winter Wheat[D]. Zhengzhou: Henan Agricultural University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[7] 付秋萍. 黄土高原冬小麦水氮高效利用及优化耦合研究[D]. 杨凌：中国科学院大学，2013.Fu Qiuping. Study of Water and Fertilizer Efficient Utilization and Coupling on Winter Wheat of the Loess Plateau[D]. Beijing: The University of Chinese Academy of Sciences,2013. (in Chinese with English abstract)

[8] Dumont B, Basso B, Bodson B, et al. Climatic risk assessment to improve nitrogen fertilisation recommendations: A strategic cropmodel-based approach[J]. European Journal of Agronomy, 2015, 65: 10－17.

[9] French R J, Schultz J E. Water use efficiency of wheat in a Mediterranean-type environment. I. The relation between yield, water use and climate[J]. Australian Journal of Agricultural Research, 1984, 35(6): 743－764.

[10] French R J, Schultz J E. Water use efficiency of wheat in a Mediterranean-type environment. II. some limitations to efficiency[J]. Australian Journal of Agricultural Research, 1984, 35(6): 765－775.

[11] Lin Wen, Liu Wenzhao. Establishment and application of spring maize yield to evapotranspiration boundary function in the Loess Plateau of China[J]. Agricultural Water Management, 2016, 178: 345－349.

[12] 孟晓瑜，王朝辉，杨宁，等. 底墒和磷肥对渭北旱塬冬小麦产量与水、肥利用的影响[J]. 植物营养与肥料学报，2011，17(5)：1083－1090.Meng Xiaoyu, Wang Zhaohui, Yang Ning, et al. Effects of soil moisture before sowing and phosphorus fertilization on winter wheat yield， water and fertilizer use efficiencies on Weibei Tableland of the Loess Plateau[J]. Plant Nutrition And Fertilizer Science, 2011, 17(5): 1083－1090. (in Chinese with English abstract)

[13] 孟晓瑜，王朝辉，李富翠，等. 底墒和施氮量对渭北旱塬冬小麦产量与水分利用的影响[J]. 应用生态学报，2012，23(2)：369－375.Meng Xiaoyu, Wang Zhaohui, Li Fucui, et al. Effects of soil moisture before sowing and nitrogen fertilization on winter wheat yield and water use on Weibei Plain of Loess Plateau[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2012, 23(2): 369－375. (in Chinese with English abstract)

[14] 褚鹏飞，王东，张永丽，等. 灌水时期和灌水量对小麦耗水特性、籽粒产量及蛋白质组分含量的影响[J]. 中国农业科学，2009，42(4)：1306－1315. Chu Pengfei, Wang Dong, Zhang Yongli, et al. Effects of irrigation stage and amount on water consumption characteristics, grain yield and content of protein components of wheat[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(4): 1306－1315. (in Chinese with English abstract)

[15] 黄玲，高阳，邱新强，等. 灌水量和时期对不同品种冬小麦产量和耗水特性的影响[J]. 农业工程学报，2013，29(14)：99－108.Huang Ling, Gao Yang, Qiu Xinqiang, et al. Effects of irrigation amount and stage on yield and water consumption of different winter wheat cultivars[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(14): 99－108. (in Chinese with English abstract)

[16] 王淑芬，张喜英，裴冬. 不同供水条件对冬小麦根系分布、产量及水分利用效率的影响[J]. 农业工程学报，2006，22(2)：27－32.Wang Shufen, Zhang Xiying, Pei Dong. Impacts of different water supplied conditions on root distribution, yield and water utilization efficiency of winter wheat [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22 (2): 27－32. (in Chinese with English abstract)

[17] 段文学，于振文，张永丽，等. 施氮量对旱地小麦耗水特性和产量的影响[J]. 作物学报，2012，38(9)：1657－1664.Duan Wenxue, Yu Zhenwen, Zhang Yongli, et al. Effects of nitrogen application rate on water consumption characteristics and grain yield in rainfed wheat[J]. Acta Agronomica Sinica, 2012, 38(9): 1657－1664. (in Chinese with English abstract)

[18] 郑成岩，于振文，张永丽，等. 不同施氮水平下灌水量对小麦水分利用特征和产量的影响[J]. 应用生态学报，2010，21(11)：2799－2805.Zheng Chengyan, Yu Zhenwen, Zhang Yongli, et al. Effects of irrigation amount on water use characteristics and grain yield of wheat under different nitrogen application rates[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(11): 2799－2805. (in Chinese with English abstract)

[19] Wang X, Shi Y, Guo Z J, et al. Water use and soil nitrate nitrogen changes under supplemental irrigation with nitrogen application rate in wheat field[J]. Field Crops Research, 2015, 183: 117－125.

[20] 张彦群，王建东，龚时宏，等. 滴灌条件下冬小麦施氮增产的光合生理响应[J]. 农业工程学报，2015，31(6)：170－177.Zhang Yanqun, Wang Jiandong, Gong Shihong, et al. Photosynthetic response of yield enhancement by nitrogen fertilization in winter wheat fields with drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(6): 170－177. (in Chinese with English abstract)

[21] 刘青林，张恩和，王琦，等. 灌溉与施氮对留茬免耕春小麦耗水规律、产量和水分利用效率的影响[J]. 草业学报，2012，21(5)：169－177.Liu Qinglin, Zhang Enhe, Wang Qi, et al. Effect of irrigation and nitrogen supply levels and water consumption, grain yield and water use efficiency of spring wheat on no-tillage with stubble standing farmland[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2012, 21(05): 169－177. (in Chinese with English abstract)

[22] Gao Y, Shen X, Li X, et al. Effects of pre‐sowing irrigation on crop water consumption, grain yield and water productivity of winter wheat in the North China Plain[J]. Irrigation & Drainage, 2015, 64(4): 765－766.

[23] Zhao L, Liu Y, Pan Z, et al. Impacts of recent climate change on dry-land crop water consumption in the northern agro-pastoral transitional zone of China[J]. Acta Meteor Sinica, 2013, 27(4): 585－590.

[24] Wu W, Dickinson R E. Warm-season rainfall variability over the U.S. Great Plains and its correlation with evapotranspiration in a climate simulation[J]Geophysical Research Letters, 2005, 321(17): 195－221.

[25] 李超，刘文兆，林文，等. 黄土塬区冬小麦产量及水分利用效率对播前底墒变化与生育期差别供水的响应[J]. 中国农业科学，2017，50(18)：3549－3560.Li Chao, Liu Wenzhao, Lin Wen, et al. Grain yield and WUE responses to different soil water storage before sowing and water supplies during growing period for winter wheat in the loess tableland[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2017, 50(18): 3549－3560. (in Chinese with English abstract)

[26] 林祥，王东. 不同底墒条件下补灌对冬小麦耗水特性、产量和水分利用效率的影响[J]. 作物学报，2017，43(9)：1357－1369.Lin Xiang, Wang Dong. Effects of supplemental irrigation on water consumption characteristics, grain yield and water use efficiency in winter wheat under different soil moisture conditions at seeding stage[J]. Acta Agronomica Sinica, 2017, 43(9): 1357－1369. (in Chinese with English abstract)

[27] Sadras V O, Angus J F. Benchmarking water-use efficiency of rainfed wheat in dry environments[J]. Australian Journal of Agricultural Research, 2006, 57: 847－856.

[28] Zhang S, Sadras V, Chen X, et al. Water use efficiency of dryland wheat in the Loess Plateau in response to soil and crop management[J]. Field Crops Research, 2013, 151(9): 9－18.

[29] Lobell D B and Ortiz-Monasterio J I. Evaluating strategies for improved water use in spring wheat with CERES[J]. Agricultural Water Management, 2006, 84(3): 249－258.

[30] Li J M, Inanaga S, Li Z H, et al. Optimizing irrigation scheduling for winter wheat in the North China Plain[J]. Agricultural Water Management, 2005, 76: 8－23.

[31] 张喜英，由懋正，王新元. 不同时期水分调亏及不同调亏程度对冬小麦产量的影响[J]. 华北农学报，1999，14(2)：79－83. Zhang Xiying, You Maozheng, Wang Xinyuan. Effects of water deficits on winter wheat yield during its different development stage[J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 1999, 14(2): 79－83. (in Chinese with English abstract)

[32] 张喜英，裴冬，由懋正. 太行山前平原冬小麦优化灌溉制度的研究[J]. 水利学报，2001，1：90－95. Zhang Xiying, Pei Dong, You Maozheng. Field studies on optimum irrigation scheduling for winter wheat in the piedmont of Mt. Taihang[J], Journal of Hydraulic Engineering, 2001, 1: 90－95. (in Chinese with English abstract)

[33] 高艳梅，孙敏，高志强，等. 不同降水年型旱地小麦覆盖对产量及水分利用效率的影响[J]. 中国农业科学，2015，48(18)：3589－3599. Gao Yanmei, Sun Min, Gao Zhiqiang, et al. Effects of mulching on grain yield and water use efficiency of dryland wheat in different rainfall years[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015,48(18): 3589－3599. (in Chinese with English abstract)

[34] Abad A, Lloveras J, Michelena A. Nitrogen fertilization and foliar urea effects on durum wheat yield and quality and on residual soil nitrate in irrigated Mediterranean conditions[J]. Field Crops Research, 2004, 87(2): 257－269.

[35] 张明，同延安，郭俊炜，等. 陕西关中小麦/玉米轮作区氮肥用量及施氮现状评估[J]. 西北农林科技大学学报：自然科学版，2011，39(4)：152－158，164. Zhang Ming, Tong Yanan, Guo Junwei, et al. Determination of reasonable nitrogen use and evaluation of application status in wheat/maize rotation system in Guanzhong area of Shaanxi Province[J]. Journal of Northwest A&F University: Nat Sci Ed, 2011, 39(4): 152－158,164. (in Chinese with English abstract)

[36] 杨宪龙，路永莉，同延安，等. 陕西关中小麦-玉米轮作区协调作物产量和环境效应的农田适宜氮肥用量[J]. 生态学报，2014，34(21)：6115－6123. Yang Xianlong, Lu Yongli, Tong Yanan, et al. Optimum-N application rate to maximize yield and protect the environment in a wheat-maize rotation system on the Guanzhong Plain, Shaanxi Province[J]. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(21): 6115－6123. (in Chinese with English abstract)

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

青海省基础研究计划（2018-ZJ-962Q）；青海省农林科学院基本科研业务费专项项目（2017-NKY-05）；国家高技术研究发展计划（863 计划）资助项目（2013AA102904）

李正鹏，山东聊城人，博士，助理研究员，主要研究方向为农业水土资源高效利用。Email：lipengzheng131@163.com

冯 浩，陕西延安人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为水土资源高效利用。Email：nercwsi@vip.sina.com

李正鹏，宋明丹，冯 浩. 不同降水年型水氮运筹对冬小麦耗水和产量的影响[J]. 农业工程学报，2018，34(18)：160－167. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.020 http://www.tcsae.org

Li Zhengpeng, Song Mingdan, Feng Hao. Effects of irrigation and nitrogen application on water consumption and yield of winter wheat in different precipitation years[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE)), 2018, 34(18): 160－167. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.020 http://www.tcsae.org