水氮互作对冬小麦水肥利用效率与经济效益的影响

2021-04-13张立志徐征和庞桂斌冯严明赵登良

农业机械学报 2021年3期

丛鑫张立志徐征和庞桂斌冯严明赵登良

(1.济南大学水利与环境学院，济南 250022； 2.山东省水利科学研究院，济南 250014)

0 引言

小麦作为世界第二大粮食作物，其产量和品质对保障国家粮食安全具有重要作用。灌溉和施肥是影响小麦生长发育和最终产量的两个相互耦合的重要因子[1-2]。在农业生产中，农民试图依靠水肥来提高作物产量，但过量的水肥并不能显著提高作物产量，而且造成水肥利用效率低、经济效益降低，甚至污染环境[3]。因此，综合考虑灌溉和氮肥的协同影响、优化灌溉量和施氮量是实现农业可持续发展的关键。

研究者通过大量试验研究了水氮运筹下的作物产量、水肥利用效率与经济效益效应，探索最佳的水氮配比。薛丽华等[4]在新疆地区研究了水氮耦合对冬小麦的影响，结果表明，灌溉量为3 900 m3/hm2、施氮量为270 kg/hm2是其试验条件下冬小麦产量最高的水氮高效运筹模式；宋明丹等[5]在陕西地区研究不同水氮水平冬小麦干物质积累特征及产量效应，结果表明，施氮量为210 kg/hm2时冬小麦可以获得较高的干物质量和产量；周加森等[6]在河北省实施水肥一体化微喷灌下冬小麦田间试验，推荐减氮20%(减后施氮量192 kg/hm2)下冬小麦水氮利用效率最高；郑春风等[7]在河南省通过大田试验研究了减施氮对冬小麦经济效益的影响，结果表明，将普通尿素习惯施用量减少10%～20%(减后施用量180 kg/hm2)及等量控释尿素减少20%不仅不会造成冬小麦大幅度减产，反而提高了冬小麦经济效益。

上述研究只对个别指标进行了水氮模式下的寻优，在最优模式探索中，很难做到平衡水肥效率、产量和经济效益的多重目标。基于冬小麦生产、经济效益和环境效益来确定水肥管理多目标优化的研究较为匮乏。本文研究不同灌溉和施氮肥制度对冬小麦产量、水分利用效率、氮肥偏生产力和经济效益的影响，描述和量化产量、水分利用效率、氮肥偏生产力和经济效益对灌溉量和施氮量的响应，以冬小麦的多重目标为基础，通过空间分析确定适宜的灌溉量和施氮量，以期达到高产、节水、节肥的目的。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

2018—2019年在山东省济南市长清区山东省灌溉试验中心站(36°34′N，116°50′E)利用水肥渗漏研究池进行试验。渗漏池下的廊道装有渗漏液收集装置。研究区域气象参数每5 min由试验中心站附近的自动气象站收集一次，年降雨量654.7 mm，夏季降雨量占全年的62%，年平均潜在蒸散量1 399.70 mm，年平均气温14.3℃(2008—2018年)，生长季的降雨量与气温如图1所示。研究区土壤质地为壤土，土壤容重在1.40～1.67 g/cm3之间，总孔隙度在48.7%～54.2%之间。种植制度为冬小麦-夏玉米一年两熟制。每个渗漏池的长、宽、高分别为2.0、3.33、1.2 m，池内土壤取自附近农田。2018年播种前，各池内土壤理化性质基本一致。0～20 cm耕层土壤养分含量为有机质质量比10.89 g/kg，全氮质量比1.07 g/kg，速效磷质量比22.26 mg/kg，速效钾质量比83.98 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设计3个微喷灌溉水平与3个施氮水平。3个灌溉水平基于当地冬小麦长期计算的参考作物需水量(ETc)，设计整个生育期灌溉水量为I1(60%ETc，300.0 mm)、I2(75%ETc，370.0 mm)、I3(ETc，495.0 mm)，小麦生育期降雨量100 mm，具体灌溉量见表1。每个渗漏池安装相同规格的微喷灌管道与水表来控制灌溉量。3个施氮水平在当地农民普施氮肥(330.0 kg/hm2)的基础上，设计N1(180.0 kg/hm2，优化45%)、N2(255.0 kg/hm2，优化23%)、N3(330.0 kg/hm2)。磷、钾肥施用量均为150.0 kg/hm2，均底施；氮肥底施50%，追施50%。供试冬小麦品种为“山农28号”，于2018年10月16日，采用播种机播种，播种量130.0 kg/hm2，每个小区种植5行，行距20 cm。冬小麦于2019年6月1日收获。其他田间管理采用与当地田间相同的标准，以确保小麦在整个生长季生长良好。

表1 冬小麦生育期各阶段灌溉量Tab.1 Irrigation for each stage of winter wheat growing seasons mm

1.3 测定项目及方法

1.3.1土壤含水率

在土壤深度为20、40、60、80、100 cm处安装中子探针来实时监测冬小麦全生育期土壤含水率变化。计算100 cm内的体积含水率，并将其转换为质量含水率。

1.3.2地上干物质累积量

在小麦每次浇水前后与收获时，随机取代表性的植株3株，用剪刀沿土壤表面将冬小麦整个植株剪下，相应装袋编好序号，带回实验室后将所有样品用清水洗净、晾干，对应编号装入纸袋，在105℃干燥箱中杀青30 min，降温至70℃干燥至质量恒定后用电子天平称量，即为地上干物质累积量(GB，kg/hm2)。

1.3.3产量与构成因素

收获时，从每个地块随机抽取1个1 m2样本由人工剪穗。记录每平方米的有效穗数，然后从中随机选取20穗，量取有效穗长(EL，cm)，手工脱粒得到单穗粒数。最后用固定脱粒机对样方小麦进行脱粒，脱粒风干后随机数出1 000粒小麦，以获得小麦千粒质量。则小麦理论产量为

Y=EPSGTKN×10-2

(1)

式中Y——小麦理论产量，kg/hm2

EP——每平方米的有效穗数，穗/m2

SG——单穗粒数，粒

TKN——千粒质量，g

1.3.4农田耗水量和水分利用效率

土壤蓄水量计算公式为

W=hρω×10/100

(2)

式中W——土壤蓄水量，mm

h——土层深度，cm

ρ——土壤容重，g/cm3

ω——土壤含水率，%

农田耗水量的计算基于土壤水分平衡公式[8]，即

ET=P+U+I-D-R-ΔW

(3)

式中ET——农田耗水量，mm

P——降雨量，mm

U——与地下水的交换量，mm

I——灌溉量，mm

D——深层渗漏量，mm

R——地表径流量，mm

ΔW——生育期前后土壤蓄水量变化量，mm

试验渗漏池为有底侧坑且试验期间并未产生地表径流，因此U和R可以忽略，方程简化为

ET=P+I-D-ΔW

(4)

阶段耗水量计算公式为

ETi=Pi+Ii-Di-(SWSi+1-SWSi)

(5)

式中ETi——阶段耗水量，mm

Pi——某个生育期降雨量，mm

Ii——某个生育期灌溉量，mm

Di——某个生育期深层渗漏量，mm

SWSi+1——某个生育期末的土壤蓄水量，mm

SWSi——某生育期初的土壤蓄水量，mm

耗水模系数(Ecp)计算公式为

Ecp=ETi/ET×100%

(6)

耗水强度计算公式为

ETd=ETi/d

(7)

式中ETd——耗水强度，mm/d

d——生育阶段时间，d

水分利用效率(WUE)计算公式[9]为

WUE=Y/ET

(8)

1.3.5氮肥偏生产力

氮肥偏生产力计算公式为

NPFP=Y/N

(9)

式中NPFP——氮肥偏生产力，kg/kg

N——施氮量，kg/hm2

1.3.6经济效益

经济效益计算公式为

EB=YR-IW-NW-OW

(10)

式中EB——经济效益，元/hm2

YR——冬小麦产量收入，元/hm2

IW——灌溉水分投入，元/hm2

NW——施氮投入，元/hm2

OW——其他投入，元/hm2

1.4 数据处理

采用Excel 2010与SPSS进行数据分析，表中每个指标值均为3个处理的均值，采用ANOVA与LSD(0.05显著水平)对数据进行方差分析和多重检验。采用Matlab进行数据拟合与绘图。

2 结果与分析

2.1 生育期内冬小麦耗水规律

由图2(图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同)可知，水氮互作下冬小麦ET和ETi之间存在明显的差异(P<0.05)。I1耗水量在358～369 mm范围内，I2耗水量在396～406 mm范围内，I3耗水量在439～450 mm范围内。说明同一施肥处理下，作物ET随灌溉量的增加而增加，与I3比较，I1和I2分别节水18.5%和9.8%左右。而同一灌溉处理下，受施肥影响不显著，这说明在冬小麦生长发育过程中，灌水对作物ET的影响较大。以抽穗-收获期为例：在N1施肥条件下，I3比I2和I1处理的ET分别高11.21%和48.93%；在N2施肥条件下，I3比I2和I1处理的ET分别高10.50%和58.34%；在N3施肥条件下，I3比I2和I1处理的ET分别高9.87%和64.28%。

从各生育阶段看，9种水氮处理耗水量的差异出现在中后期，主要是抽穗-收获期差异显著。这是因为在小麦拔节期后开始实施不同灌溉量，可见加大灌溉定额会降低生育前期(播种-拔节期)和中期(拔节-抽穗期)耗水比例，加大生育后期(抽穗-收获期)耗水比例，这有利于提高作物产量。

表2为各处理3个生育阶段的阶段Ecp与ETd。可以看出，所有处理的阶段Ecp均表现为播种-拔节期最高，抽穗-收获期最低；所有处理的ETd均表现为拔节-抽穗期最高，播种-拔节期最低。

播种-拔节期，小麦株体小，水分消耗以地表蒸发为主，ETd远低于生育中期和后期的ETd；但该生育阶段占全生育期的70%，Ecp显著高于其他生育期。在该生育阶段只存在氮的处理，不存在水分处理，从表2可看出，氮对Ecp与ETd的影响并不显著。

表2 不同水肥处理下各生育期耗水模数和耗水强度Tab.2 Ecp and ETd under different nitrogen and irrigation treatments

拔节-抽穗期，小麦进入需水关键期，ETd较播种-拔节期显著增大，I3N2最高可达5.30 mm/d，最低I1N1也有3.93 mm/d；在相同施氮条件下，不同灌溉之间Ecp与ETd表现出显著差异，I3大于I1和I2，说明该阶段是冬小麦灌水施肥关键时期，该阶段灌溉定额对冬小麦的用水需求具有显著的影响。

抽穗-收获期是冬小麦产量形成的关键时期，ETd也较大，同样表现出随灌溉定额的增加而显著增加。

冬小麦生育期耗水主要来源于降雨、灌溉水和农田土壤蓄水。从表3可以看到，降雨量占总耗水量的比例随灌水量的增加逐渐降低，其中I1N3降雨量占总耗水量的比例最高，为27.93%，I3N2处理降雨量占总耗水量的比例最低，为22.26%。灌溉水占总耗水量的比例随灌水量的增加呈递增趋势，I3处理下比例高达89.93%。土壤蓄水消耗量所占比例随着灌水量的增加呈先增后减的趋势，而相同灌水量条件下均以N2处理最高，且与N1处理差异达到显著水平。说明适量的增加灌溉定额与增施氮肥有助于冬小麦对土壤蓄水的吸收利用。渗漏量所占比例绝对值随灌溉定额的增加逐渐增加，I3较I2和I1所占比例显著增加，造成水分大量流失。

表3 不同水肥处理下冬小麦耗水结构Tab.3 Composition of water consumption from different water sources under different nitrogen and irrigation treatments

2.2 地上干物质累积量和产量

不同生育期下小麦GB在不同灌溉和施氮水平之间存在差异(图3，图中ns表示无显著性差异(P>0.05)，*表示显著性差异(P<0.05)，**表示极显著性差异(P<0.01)，下同)。在返青期(图3a)，就氮肥施用量而言，N2和N3下的GB相差不大，但显著高于N1下的GB，这是因为本试验是在抽穗后进行水分处理，此时水分对GB未产生显著性影响。在抽穗期(图3b)，GB随灌溉水平的变化极显著。I1和I2处理下的GB与相同氮处理的I3变化相似，但高于I3处理。说明此时灌溉定额过大，影响了干物质的累积。在灌浆期(图3c)，在I1灌溉水平下，N1、N2和N3处理的GB显著低于其他两个灌溉水平处理；在I2灌溉水平下，N1、N2和N3的GB差异显著，由大到小依次为N2、N3、N1。在I3灌溉水平下，N2和N3的GB没有显著差异，但显著高于N1处理(图3c)。最终，N1、N2和N3在I2下的总GB分别比I1与I3高6.3%、22.9%、15.0%和16.9%、28.6%、22.8%。N2处理较N1使GB增加4.3%～20.6%，N3处理较N1使GB增加5.6%～14.3%。综上，在一定范围内，适当提高水氮施用量有助于地上干物质量累积，过量则会产生抑制作用。

灌溉与施氮量水平对所有产量构成因素都有显著影响(表4)，但灌溉与施氮量的交互作用对SG并未构成显著影响。从产量构成因素来看，灌溉量相同时，EP由大到小均表现为N2、N3、N1，但在I1、I3灌水水平下N1与N3处理中EP未表现出显著性差异(P>0.05)；SG与EL由大到小也表现为N2、N3、N1，I1、I3下的N2与N3处理间差异不显著，I2下N1与N3处理间差异不显著；TKN由大到小表现为N2、N3、N1，在3个施氮量处理间有着显著性差异。3个施氮量水平下，I2下各指标显著高于其他两个处理，I1与I3处理间各指标差异不显著，表明适量灌溉可以提高产量因素，过量灌溉起到抑制作用。

表4 冬小麦产量组分受灌溉、施肥的影响Tab.4 Yield component factors of winter wheat as affected by irrigation and nitrogen

产量(Y)受灌溉与施氮量影响显著(P<0.01)，在同等灌溉量下各施氮处理均随施氮量的增加先增加后降低，N2处理下产量最高，比N1与N3处理分别高3.6%、2.3%(I1)，14.8%、9.3%(I2)，12.1%、8.6%(I3)，这说明产量与施氮量并不是一直呈现正相关，过量施氮反而会造成产量减少；在相同施氮量下，I2下的产量较I1下产量有明显的提高，N2下提高比例高达25%，但I3下产量反而较I2有所下降。总体分析，小麦产量受单一变量影响时，随灌水量或施肥量的增加，表现为先增加后降低的趋势，这也与GB的变化一致。因此，只有适当的灌溉和施氮才有利于小麦产量的提高。

2.3 水分利用效率和氮肥偏生产力

冬小麦水分利用效率、氮肥偏生产力受到灌溉与施肥的显著性影响(图4、5)。水分利用效率在15.53～20.52 kg/(hm2·mm)之间，I2N2处理最高，I3N1处理最低。在同一灌溉水平下，I1下3种施氮水平下的WUE没有明显差异，可能因为灌溉水平偏低无法协同氮肥利用；I2、I3下3种施氮水平的WUE随着施氮量的增加呈现先增加后降低的趋势，这说明适量的增施氮肥可以提高产量从而提高WUE。同一施氮水平下，I2和I3由于灌溉使得产量高于I1，但相关研究表明高灌溉使得作物耗水效率提高，这成为限制I3水分利用效率提高的关键因素。总体上，相同施氮不同灌水水平下WUE由大到小依次为I2、I1、I3。

氮肥偏生产力范围为19.81～40.43 kg/kg，I2N1处理最高，I1N3处理最低。在同一灌溉水平下，NPFP随施氮量的增加而降低，由大到小依次为N1、N2、N3；在同一施氮水平下，不同灌溉下NPFP表现出明显的差异性，由大到小均为I2、I3、I1，这说明适当的灌溉可以提高氮肥的利用效率。

2.4 经济效益

根据各处理的投入与收益，分析了各处理的经济效益(表5)。从表5可以看出，I2N2处理经济效益最高，较同等灌溉量下N1与N3收益分别高2 073.09、1 856.13元/hm2，较同等施氮量下的I1与I3收益分别高3 316.10、2 150.7元/hm2，说明I2N2水肥配施可以提高小麦产最、增加其纯收益。I3N3处理的投入最高，水与肥的投入较I2N2高917.5元/hm2，但是水肥投入的提高并没有提高产量，并导致其经济效益显著降低。综上说明在试验设计的水肥3个水平下，适量提高水肥投入有利于经济效益的提高，实际生产中，农民可降低水肥的投入，会带来更可观的经济效益。

表5 冬小麦经济效益分析Tab.5 Economic benefit analysis of winter wheat as affected by irrigation and nitrogen 元/hm2

2.5 水氮管理对产量、水分利用效率、氮肥偏生产力和经济效益的互作效应

根据获得的数据，分别建立了4个模型来预测产量、水分利用效率、偏肥生产力和经济效益随灌溉量和施氮量的变化。图6为灌溉量和施氮量与冬小麦产量、水分利用效率、氮肥偏生产力和经济效益的关系，其回归方程分别为

Y=-17 554.18+90.97I+54.69N+0.003 2IN-
0.111 4I2-0.106 7N2(R2=0.946)
WUE=-23.07+0.154 3I+0.110 4N-
0.000 009 437IN-0.000 204 4I2-
0.000 204N2(R2=0.995)
NPFP=-15.21+0.372 9I-0.114 2N-
0.000 011 91IN-0.000 449 1I2+
0.000 015 70N2(R2=0.930)
EB=-46 441.54+195.14I+116.41N+0.007 049IN-
0.245 2I2-0.234 8N2(R2=0.942)

预测值与实测值间显著相关，因此，4个模型能够预测各指标在水氮互作下的变化。

由各指标与水氮施用量建立的二元二次回归方程计算出各指标最大化下的相应水氮变量值(表6)。Y、WUE、NPFP和EB达到最大值时的灌溉量和施氮量分别为410.0 mm、260.0 kg/hm2，70.0 mm、260.0 kg/hm2，410.0 mm、180.0 kg/hm2，400.0 mm、250.0 kg/hm2。由表6可以看出，NPFP实现最大值时，氮肥的施用量较少，而WUE若想达到最大，灌溉量需较小；水肥投入量偏少时，无法实现Y的最大化与EB的最优化。由此可以看出，生产中很难同时获得所有指标的最大化。

表6 最大产量、水分利用效率、偏肥生产力和经济效益及其相应的灌溉量和施氮量Tab.6 Maximum yield, WUE, NPFP, EB and their corresponding irrigation and N fertilizer application rates

进一步分析发现，冬小麦Y、WUE和EB的可接受值分别有90%、85%和80%的重叠，但重叠值与最大值偏离太远。因此，本研究制定大于等于95%的最大值认为是可以接受的。但NPFP与其他3个指标呈现相反的趋势，与其他指标的重叠不超过80%。考虑95%置信区间，得出灌溉量为359.8～428.9 mm，施氮量为225.4～280.9 kg/hm2，此时Y、WUE和EB可同时达到其最大值的95%以上。

3 讨论

华北平原是地下水严重超采区，冬小麦是华北平原的主要高耗水作物，在当前华北平原缺水严重现状下，探索冬小麦最佳的水肥管理制度，可为华北平原冬小麦节水节肥生产提供理论与技术参考。

从耗水特性来看，冬小麦ETi及ET在在同一施肥处理下随灌溉定额的增加而明显增加，受灌水影响显著，这与彭致功等[10]和栗丽等[11]的研究结果一致。本研究结果表明，随着灌溉定额的增加，降雨量和土壤蓄水量占冬小麦总耗水量的比例呈降低趋势，灌溉量和渗漏量占总耗水量的比例呈增加趋势，与张笑培等[12]的研究结果基本一致。且试验结果表明，通过减少灌溉量可有效地调节冬小麦对土壤蓄水的吸收利用，而生育前期控水、后期适当地增加灌溉量可以有效地减少冬小麦生育前期的耗水，增加后期耗水，这有助于提高产量，达到节水增产的效果。

小麦产量、水肥利用效率与经济效益是衡量小麦高产性和高效性的主要指标，适宜的水氮运筹能提高作物水肥利用效率，增加产量与经济效益。本文研究了灌溉-氮素供给对冬小麦产量、水分利用效率、氮肥偏肥生产力和经济效益的影响。通过灌溉量-施氮量投入优化模型，确定不同水氮条件下冬小麦产量、水分利用效率、氮肥偏肥生产力和经济效益综合效益最大化的灌溉量和施氮量，为冬小麦种植田间管理提供科学依据。

提高产量是灌溉施肥管理的主要目的之一[13]。冬小麦干物质和产量的形成密切相关，本试验中冬小麦成熟期干物质累积量和产量随水氮变化相一致，最高的处理均是I2N2，分别达到22 693.5、8 351.29 kg/hm2，较其他处理提高5.5%～41.1%和9.1%～29.5%。因此，适宜的水氮配施更有助于产量的提高，这与李晶晶等[14]研究发现“过量的水与肥都不利于小麦产量的增加”的结果相一致。同时，本研究发现，I2处理较I1处理在抽穗灌浆期的灌溉更为重要，使得干物质累积量与产量有了大幅的提高，但高定额的灌溉(I3)反而降低了干物质积累量与产量，这在秦姗姗等[15]的研究中也得到了证明，抽穗灌浆水对小麦产量有重要作用，当降水不足会严重影响冬小麦产量，适当灌水可增加冬小麦产量，过大灌水量无助于小麦产量的提高。

本文研究结果表明，I3下冬小麦水分利用效率较I1、I2水分利用效率明显降低，这与已有研究[16]结果“在一定的范围内，过量的灌水会降低作物水分利用效率”相一致。随着施氮量的增加，在I1条件下，水分利用效率未表现出明显差异；在I2、I3条件下，水分利用效率随施氮量的增加先增加后降低。说明在本试验条件下，一定范围内增施氮肥能够提高冬小麦的水分利用效率，这也与文献[17-18]的缺氮会降低水分利用效率的规律相一致。这是因为当氮肥超过合理范围时，分配到生殖器官的光合产物比例下降，导致产量下降，进而降低水分利用效率[19]。

氮肥偏生产力随着施氮量的增加而减小，而不同灌水定额之间由大到小依次为I2、I3、I1，这与文献[20-21]结论相近。氮肥偏生产力均以I2最高，其他作物也发现了类似的结果，包括冬枣[22]、马铃薯[23]和番茄[24]。综上，适宜的灌溉量才可提高氮肥偏生产力，若灌溉量过多，土壤水分和空气的比例逐渐变小，影响到作物根系的生长特性，进而影响偏肥生产力、水分利用效率与产量[25]。

诸多研究人员通过多变量回归和空间分析结合，建立了水和肥料投入与作物产量和水肥利用效率之间的关系[26-27]。研究表明，当灌溉量和施氮量高于最适水平并不能提高各指标值，在某些情况下反而会产生相反的效果。当产量达到最大值，灌溉量和施氮量均高于最佳的灌溉施氮水平，这说明过量的水肥不仅会影响经济收益，而且会造成水肥淋失污染地下水。因此，确定灌溉施肥策略十分必要。本研究考虑95%置信区间，建立了水氮投入与冬小麦产量、水分利用效率和经济效益的关系。灌溉量359.8～428.9 mm、施氮量225.4～280.9 kg/hm2能使冬小麦的产量、水分利用效率和经济效益均达到大于等于最大值的95%。