不同降水年型下免耕对冬小麦氮素积累与产量的影响

李 森 魏红义 武继承 杨永辉 丁晋利

(1.中国农业科学院农田灌溉研究所农业农村部作物需水与调控重点实验室， 新乡 453002；2.南水北调中线干线工程建设管理局河南分局， 郑州 450018；3.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所， 郑州 450002； 4.郑州师范学院地理与旅游学院， 郑州 450044)

0 引言

氮素的积累和转运是氮素代谢过程的重要环节，对冬小麦增产具有重要意义。水分条件是影响冬小麦植株氮素吸收的重要因素。有研究表明，改善土壤水分状况可增加总氮素产量和生物量，可促进氮素由营养器官向籽粒的转移[1-2]。降雨是土壤水分补给的重要方式之一。河南省属易旱区，该地区水资源匮乏、季节性干旱频发、不同年份降雨量差异明显，研究河南省不同降水年型对冬小麦氮素积累的影响对提高冬小麦氮素利用率和冬小麦产量具有重要意义。

免耕作为重要的保护性耕作方式之一，可以增加土壤含水量，提高氮素吸收利用及作物产量[3-5]。黄明等[6]研究表明，免耕能够改善旗叶光合特性，提高小麦开花后的干物质积累量及向籽粒的转运量。丁晋利等[7]研究认为，连续2年免耕较传统耕作可分别提高扬花期茎、叶和穗的平均氮素积累量，显著增加了穗和籽粒的平均氮素积累量。然而，由于不同年份降雨量及季节性降雨的差异，免耕对土壤水分、氮素利用及作物产量的影响结果不同[8]。以往关于免耕冬小麦氮素吸收利用的研究多集中于不同耕作措施的比较，较少涉及免耕在不同降水年型下冬小麦氮素积累及氮素利用特征的研究，尤其是冬小麦根部的氮素积累特征。

RZWQM2(Root zone water quality model)模型综合了气象、土壤、作物、管理等模块，采用系统分析方法和计算机模拟技术，克服了传统农业试验方法的缺陷，能够模拟免耕和传统耕作条件下的水氮平衡及作物产量[9]。本文利用免耕和传统耕作试验数据率定、验证RZWQM2模型，并利用该模型模拟丰水年、平水年和枯水年免耕冬小麦植株地上部和根部氮素积累特征，研究免耕条件下氮素利用率和作物产量对不同降水年型的响应，旨在优化管理、提高氮素利用率，为实现冬小麦增产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验布设在河南省中部节水农业禹州试验基地(34.16°N，113.15°E，海拔150 m)。该地区多年平均降雨量为674.9 mm，土壤为褐土，土壤母质为黄土性物质，耕层有机质质量比12.3 g/kg、全氮质量比0.80 g/kg、水解氮质量比47.82 mg/kg、速效磷质量比6.66 mg/kg、速效钾质量比114.8 mg/kg。本试验处理设置为传统耕作和免耕，每个处理设3次重复。传统耕作是在玉米收获后，将全部秸秆粉碎覆盖在地表，用犁铧全面深翻20～25 cm将秸秆深埋；免耕是在玉米收获后，全部秸秆粉碎覆盖在地表，无其他措施。种植的冬小麦品种为“矮抗58”，播种量为150 kg/hm2，播种时间为10月中旬，收获时间为次年5月下旬，行距23 cm。冬小麦播种前施用尿素(纯氮225 kg/hm2)、过磷酸钙(P2O5105 kg/hm2)和硫酸钾(K2SO475 kg/hm2)，一次性底施。小区面积36 m2(6 m×6 m)。

1.2 降水年型划分

根据研究区11年(2006—2017年)降水资料计算冬小麦生育期平均降水量为229.1 mm、降水量均方差为58.1 mm。降水年型划分依据干燥指数划分标准[10]，干燥指数为每年冬小麦生育期降水量和冬小麦生育期平均降水量差值与降水量均方差的比值，干燥指数大于0.35为丰水年，干燥指数小于-0.35为枯水年，干燥指数介于-0.35～0.35之间为平水年。干燥指数的计算及划分结果如表1所示。

表1 2006—2017年冬小麦生育期降水年型划分结果

1.3 样品测定及土壤贮水量计算

每隔10 d采用DZN2-1型FDR仪测定0～100 cm土层的水分含量。土壤硝态氮(NO3-N)含量采用连续流动分析仪(TRAACS 2000型)进行测定。土壤有机碳含量采用重铬酸钾-硫酸容量法(外加热)测定[11]。每小区沿对角线选取长势均匀的3点，每点取4 m2植株样，脱粒，风干，称量计产。于冬小麦苗期、越冬期、拔节期、扬花期、灌浆期和成熟期采集植株样，样品于105℃杀青并在70℃干燥至质量恒定，测定干物质量。采用浓硫酸消煮-半微量凯氏定氮法测定植株全氮含量[9]。

土壤贮水量可以系统地研究不同时段各试验处理的土壤水分利用情况，反映了土壤水分的真实值。1 m深土层贮水量的计算公式为[12]

W=∑wiDiHi×10/100

(1)

式中W——1 m深土层贮水量，mm

wi——第i层土壤质量含水率，%

Di——第i层土壤容重，g/cm3

Hi——第i层土层厚度，cm

1.4 模型模拟氮素吸收和分配原理

RZWQM2模型中氮素吸收量由植物中氮素(N)的蒸腾流决定。当被动吸收的氮素不能满足植物生长需要，则模型采用米氏基质模型进行氮素主动吸收[11]。植株将吸收的氮素优先分配给根部，其次，所有剩余的N按等级分配给其他植物器官。当植株处于繁殖阶段时，首先满足繁殖体的氮需求。在满足了根和繁殖体的需求后，仍然有剩余N，则按叶和茎的需求比例进行分配[13]。

1.5 模型率定和验证

模型输入初始值包括逐日气象数据、土壤数据、作物参数及田间管理数据。其中，逐日气象数据(包括太阳辐射和降雨量)由中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.nmic.cn/home.do)获取。土壤数据来源于田间实测值：于2014年10月在试验小区附近采集土壤样品，测定土壤水力学参数(表2)，某些缺失的值采用RZWQM2提供的默认值。此外，利用2011—2017年传统耕作(CT)的含水量、有机碳含量、冬小麦产量及籽粒氮含量实测值对RZWQM2模型进行率定，通过比较分析土壤分层含水量、有机碳含量、籽粒氮含量模拟效果，采用试错法手动调整土壤剖面水力参数及土壤碳库的取值，从而保证模型率定结果在允许误差范围内。作物品种参数采用RZWQM2模型自带的PEST参数调试程序调试小麦参数春化敏感系数(PIV)、光周期敏感系数(PID)、从吐丝到生理成熟时的大于8℃的积温(P5)、出叶间隔期间相应的大于8℃的积温(PHINT)、籽粒数特性(G1)、标准籽粒重系数(G2)和潜在最大灌浆速率(G3)(表3)，优化作物生长发育期和作物产量的模拟结果。在参数率定的基础上，利用2011—2017年的免耕(NT)实测数据用于模型的验证。

表2 RZWQM2模型中土壤初始水力参数和有机质含量

表3 冬小麦作物品种遗传参数

1.6 模型模拟及评价指标

利用率定验证过的RZWQM2模型，分别模拟枯水年(2007—2008年、2010—2011年、2012—2013年和2015—2016年)、平水年(2006—2007年、2008—2009年、2009—2010年、2011—2012年和2013—2014年)和丰水年(2014—2015年和2016—2017年)传统耕作和免耕0～100 cm土层贮水量、地上部氮素积累量、根部氮素积累量和冬小麦产量。模型模拟效果采用均方根误差(RMSE)和相对误差(MRE)来评价，其中RMSE主要反映模拟效果的绝对无偏性和极值效应，MRE主要反映模拟效果的相对无偏性。

2 结果与分析

2.1 模型率定和验证

利用2011—2017年传统耕作土壤表层(0～20 cm)有机碳含量、0～100 cm土壤贮水量和NO3-N含量以及冬小麦产量、地上部氮素积累量和冬小麦籽粒氮含量对RZWQM2模型进行了率定(表4)。模拟结果表明，传统耕作土壤表层有机碳含量模拟值与实测值相近(RMSE为0.73 g/kg，MRE为0.12)，且2011—2017年表层有机碳含量实测值均值较模拟值均值增加11.4%。RZWQM2模型能较好地模拟土壤0～100 cm土层贮水量，其RMSE为18.80 mm，MRE为0.14；土壤NO3-N含量模拟RMSE为6.10 mg/kg和MRE为0.44，说明RZWQM2模型能合理地模拟土壤硝态氮变化趋势(表4)。传统耕作冬小麦产量模拟值和实测值的RMSE为620.3 kg/hm2，说明RZWQM2模型能够较好地模拟冬小麦产量(图1)；地上部氮素积累量和籽粒氮含量的模拟值和实测值RMSE分别为87.9、82.5 kg/hm2(图1)，RMSE较高可能由于一方面RZWQM2模拟土壤硝态氮时其RMSE较高[14-15]，另一方面2015—2016年小麦生育期为枯水年，模拟精度偏低[16]。

表4 传统耕作土壤表层(0～20 cm)有机碳含量、土壤0～100 cm贮水量与NO3-N含量模拟值和实测值

利用2011—2017年免耕数据对RZWQM2模型进行验证(表5)。模拟结果表明，土壤0～100 cm贮水量、冬小麦产量模拟效果较好，其RMSE分别为18.0 mm和752.1 kg/hm2，其MRE分别为0.07和0.08。RZWQM2模型能够合理模拟土壤NO3-N含量、地上部氮素积累量和籽粒氮含量，其RMSE分别为6.5 mg/kg、97.3 kg/hm2和81.2 kg/hm2，MRE分别为0.47、0.35和0.29。地上部生物量MRE为0.11。

表5 免耕数据模拟值和实测值的RMSE

2.2 不同降水年型冬小麦关键生育期土壤剖面贮水量

冬小麦不同生育期0～100 cm土层贮水量受降水年型影响显著(表6)。不同降水年型冬小麦生育期0～100 cm土层平均贮水量由大到小依次为丰水年(166.8 mm)、平水年(142.7 mm)、枯水年(135.1 mm)，与枯水年相比，丰水年和平水年分别增墒23.5%和5.6%。其中，免耕在丰水年较枯水年分别提高冬小麦苗期、拔节期、扬花期和灌浆期0～100 cm贮水量25.0%、43.2%、44.7%和12.3%。与传统耕作相比，免耕在枯水年、平水年和丰水年分别提高冬小麦0～100 cm土层平均贮水量11.3%、12.9%和16.9%。这是由于免耕耕作强度较低，减少土壤蒸发，降低土壤深层渗漏，提高了土壤保水和持水的能力[17-18]。

表6 不同降水年型冬小麦各生育期0～100 cm土层贮水量

2.3 不同降水年型免耕冬小麦植株氮素积累特征

不同降水年型对冬小麦地上部和根部氮素积累有显著影响，氮素积累量由大到小均表现为丰水年、平水年、枯水年(图2)。与枯水年相比，传统耕作和免耕在丰水年分别提高地上部平均氮素积累量44.4%和41.6%。冬小麦根系在拔节期之后，根系数量均达到最大值[17]，图2表明，传统耕作和免耕处理下根系在播后150 d氮素积累量较冬小麦前期差异显著。与枯水年相比，传统耕作和免耕在丰水年分别提高根部平均氮素积累量43.1%和42.6%。从不同耕作措施来看，传统耕作和免耕处理地上部氮素积累量均随冬小麦生长呈现增加的趋势，而根部氮素积累量呈现先增大后减小的趋势。丰水年根部氮素积累量峰值出现时间明显晚于平水年和枯水年，说明土壤水分能够延缓根部衰老，提高冬小麦植株根部氮素积累量。与传统耕作相比，免耕在枯水年和平水年分别提高冬小麦地上部氮素积累量2.5%和3.6%，而在丰水年冬小麦地上部氮素积累量差别不大。免耕较传统耕作枯水年、平水年和丰水年根部平均氮素积累量略有增加，但在冬小麦抽雄期-收获期(播后179～225 d)免耕平水年根部氮素积累量较传统耕作提高3.1%，说明免耕有助于根部对氮素的吸收，且降雨量过多或过少均不利于根系对氮素的吸收。

2.4 不同降水年型免耕氮素利用率及产量变化

冬小麦产量受降水影响显著，冬小麦平均产量由大到小依次为丰水年、平水年、枯水年(表7)。与枯水年相比，丰水年和平水年冬小麦平均产量分别增产11.4%和15.2%，其中，传统耕作和免耕丰水年较枯水年冬小麦平均产量分别提高16.7%和14.0%。与传统耕作相比，免耕冬小麦产量在枯水年、平水年和丰水年分别增加12.4%、4.3%和9.8%，这说明在降雨量较少年份，免耕增产更显著。

表7 不同降水年型免耕和传统耕作氮素利用率及产量

氨挥发、氨反硝化、硝态氮淋洗渗漏及作物吸收是氮素损失的主要途径。不同降水年型，传统耕作和免耕均在丰水年冬小麦吸收氮素量最高。与枯水年相比，传统耕作在平水年和丰水年分别提高冬小麦氮素吸收量34.6%和54.6%，免耕分别提高38.4%和57.7%。传统耕作和免耕在枯水年、平水年和丰水年氮素消耗量(氨挥发量+氨反硝化量+硝态氮淋洗渗漏量+作物吸收量)分别为184.7、164.7 kg/hm2和247.2、237.8 kg/hm2以及290.7、274.5 kg/hm2，其中丰水年氮素消耗量最大。与传统耕作相比，免耕氮素消耗量在枯水年、平水年和丰水年分别降低10.8%、3.8%和5.6%，这主要是因为免耕较传统耕作减弱了对土壤表层的扰动，降低了氮渗漏量。

不同降水年型冬小麦氮素利用率、氮肥利用效率和氮收获指数差异显著(表7)。传统耕作和免耕冬小麦氮收获指数由大到小均表现为丰水年、平水年、枯水年，而氮肥利用效率则刚好相反。与传统耕作相比，免耕在枯水年、平水年和丰水年氮素利用率分别增加26.7%、8.7%和6.0%。免耕氮肥利用效率较传统耕作在枯水年提高11.7%，而在丰水年降低1.7%。免耕在枯水年、平水年和丰水年氮收获指数与传统耕作相差不大。

3 讨论

3.1 不同降水年型免耕对土壤贮水量和冬小麦产量的影响

不同降水量对土壤贮水量及作物产量影响显著[19-22]。于琦等[23]研究表明，丰水年型较干旱和平水年型分别提高冬小麦休闲期和生育期0～200 cm土壤蓄墒量，分别增加冬小麦拔节期-灌浆期1倍和3倍以上耗水量，增产70.0%和25.8%。李玉山等[24]研究表明，47%的黄土高原地区小麦产量受种植时土壤储水量影响，而休闲期降水是影响土壤储水量的主要因素。不同耕作方式由于对土壤扰动程度不同导致土壤容重不同[25-26]，进而影响农田降雨入渗和土壤水分蒸发，致使不同耕作方式的蓄水保墒能力不同。免耕[27-28]因减少土壤表层扰动且保留地表残茬覆盖，减少地面径流，提高土壤导水率，增加降水入渗，减少翻耕时土壤水分散失，因而具有良好的蓄水保墒作用。免耕在枯水年、平水年和丰水年增产效应表现不同。有研究表明，免耕较传统耕作能显著提高冬小麦关键生育期的0～100 cm土层土壤含水量和贮水量，增加冬小麦产量[20]。许迪等[29]研究也发现，在平水年和干旱年，免耕40 cm土层土壤蓄水量平均增加7.1%和15.4%，免耕的蓄水保墒作用在干旱少雨条件下愈加明显。同时，DE VITA等[21]通过对意大利南部福贾和瓦斯托硬质小麦的产量和品质研究，发现免耕小麦产量与降雨量呈显著相关性，免耕较传统耕作的优势主要是减少蒸发，更适于降雨量较少地区。本研究表明，冬小麦产量受降水年型影响显著，在降雨较少的年份，免耕增产更显著。

3.2 不同降水年型免耕对冬小麦氮素吸收和氮肥利用效率的影响

土壤水分状况是影响冬小麦积累及转运的重要因素之一[30-32]。水分亏缺能够显著降低小麦的氮素吸收量[33-34]。王秀英[35]研究指出灌溉后的植株含氮量整体高于干旱条件下的植株含氮量。这与本研究结果一致，冬小麦地上部和根部氮素积累量由大到小均表现为丰水年、平水年、枯水年。这主要是由于土壤中养分只有溶解在水中才能通过一定的生理作用到达根系表面进而为植物所吸收，促进养分释放，进而有利于作物对养分的吸收和利用。当降雨量低于正常水平时，土壤含水率低抑制了小麦植株对氮素的吸收，冬小麦氮素总吸收量减少，同时促进了氮素向籽粒的转运，氮素生产效率较低。本研究结果也表明，免耕在平水年和丰水年较枯水年分别提高冬小麦氮素吸收量38.4%和57.7%，而免耕氮素利用率在平水年和丰水年较枯水年分别降低34.4%和37.1%。不同耕作措施通过影响土壤水分进而影响作物氮素吸收和氮肥利用效率。本研究结果表明，免耕在枯水年、平水年和丰水年较传统耕作氮素利用率分别增加26.7%、8.7%和6.0%。免耕氮肥利用效率较传统耕作在枯水年提高11.7%，而在丰水年则略微降低。

4 结论

(1)RZWQM2模型能够合理模拟NO3-N含量、地上部氮积累量和籽粒氮含量，且能够较好地模拟土壤0～100 cm土层贮水量和冬小麦产量。

(2)不同降水年型冬小麦生育期0～100 cm土层平均贮水量由大到小依次为丰水年、平水年、枯水年，与枯水年相比，丰水年和平水年分别增墒23.5%和5.6%。不同降水年型冬小麦地上部氮素积累量和根部氮素积累量、冬小麦产量由大到小依次为丰水年、平水年、枯水年。

(3)与传统耕作相比，免耕使枯水年、平水年和丰水年冬小麦0～100 cm土层平均贮水量分别提高11.3%、12.9%和16.9%，免耕使枯水年冬小麦地上部氮素积累量和平水年抽雄期-收获期根部氮素积累量分别提高2.5%和3.1%，免耕在枯水年、平水年和丰水年氮素利用率分别增加26.7%、8.7%和6.0%。