华北地区宽垄沟灌下水氮耦合对冬小麦产量及水氮利用效率的影响

杨成宇

（华北水利水电大学水利学院，河南郑州 450046）

我国是世界上人口最多的国家，保证粮食安全在我国农业发展中具有领先指导地位[1]。河南省是我国粮食大省，2019 年粮食播种面积达到1.07×107hm2，粮食产量达到6.70×1010kg[2]。据文献报道，粮食灌溉水量占河南省灌溉水量比值高达70%[3]，化肥施用量高达623 kg·hm-2，化肥过量施用程度十分严重[4]。

水、肥作为作物高产的两大要素，因地制宜地制定水肥方案一直是国内专家学者研究的重点。刘见等认为喷灌条件下灌水定额为26～35 mm、施氮量为193～204 kg·hm-2时，水氮耦合能通过优化灌浆过程提高冬小麦产量[5]。张荣亭等认为滴灌条件下采取返青拔节期2次追肥可以有效提高小麦产量[6]。章杰等探明在关中平原冬小麦灌水量为90 mm，并采用尿素加硝化抑制剂时，冬小麦可维持较高产量和水肥利用效率[7]。华北地区土地广阔且多为平原，灌溉方式以隔沟灌溉和小畦灌溉的地面灌为主[8]。汪顺生等通过对比传统平作畦灌和宽垄沟灌发现后者具有增加土壤透气性，减少灌溉用水量等优点[9]。本试验参考前人对水流特性[10]与灌水技术要素[11]的研究，设置宽垄沟灌灌水方式，在测定对比不同水氮处理下冬小麦产量及水氮利用效率指标的变化差异的基础上，运用主成分分析法构建水氮耦合下的冬小麦产量及水氮利用效率的综合评价指标，确定宽垄沟灌下冬小麦的最优水氮组合，旨在为华北地区宽垄沟灌下冬小麦的田间水氮优化管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及试验材料

试验于2020 年10 月在河南省郑州市节水农业重点实验室进行，试验地为粉砂质壤土，土壤0～100 cm土层内平均容重为1.35 g·cm-3，田间持水率为34%（体积含水率），土壤有机质含量870 mg·kg-1，全氮539 mg·kg-1，碱解氮55 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验按照文献[9]设置如图1 所示垄田规格参数的宽垄沟灌溉方式。采用密植小麦品种济麦22，设计120 mm（W1）、210 mm（W2）、360 mm（W3）3 个灌水水平；120 kg·hm-2（N1）、220 kg·hm-2（N2）和320 kg·hm-2（N3）3个施氮水平。处理组按灌水量和施氮量从低到高排列，相邻处理间设置1.5 m 宽保护行，小区面积948 m2（23.7 m×40 m），每个处理重复3次。

图1 垄作沟灌布置示意图

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量测定

作物成熟后，每个试验组收获1 m2的植株样品测定产量，并在各小区随机选取10株小麦测定穗长、穗重、穗粒数、千粒重等指标。

1.3.2 土壤水分测定

在作物播种前、收获后及全生育期内每隔7 d，用土钻取样烘干法测定土壤含水率，测深1.0 m，分5 层（层深20 cm），选取沟、垄作为观测点。

1.3.3 植株全氮测定

作物成熟后，将植株样本在烘箱内于105 ℃杀青45 min 然后放入80 ℃烘箱烘干至恒重，粉碎研磨过0.5 mm筛后各取0.5 g，经H2SO4-H2O2消煮，用凯氏定氮仪测定样品全氮含量。

1.3.4 指标计算

（1）（2）（3）（4）式中，Qya为冬小麦产量，kg·hm-2；hET为全生育期内冬小麦耗水量，mm；mUN为作物全氮量，kg·hm-2；mTN为施氮量，kg·hm-2；hI为灌水量，mm；hP0为有效降水量，根据气象资料全生育期内有效降水量为139.9 mm；hW0、hWt分别为冬小麦生育初期、生育末期的土壤储水量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016 进行数据基本运算与制图，SPSS 23进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 水氮耦合对冬小麦产量及产量因子的影响

2.1.1 水氮耦合对冬小麦产量及产量因子影响的方差分析

对冬小麦产量、穗长、穗重、千粒重进行方差分析，检验结果如表1 所示，可以看出冬小麦产量及构成因子在不同灌水水平下均达到极显著差异水平，穗长、穗重在不同施氮水平下也达到极显著差异水平。灌水水平对产量及构成因子的影响比施氮水平更大，水氮耦合虽然也对其产生影响，却还没有达到显著水平。可见灌水水平主要通过影响穗长、穗重、千粒重影响产量，施氮水平主要通过影响穗长、穗重影响产量。

表1 水氮耦合对冬小麦产量及产量因子影响的方差分析

2.1.2 水氮耦合对冬小麦产量及产量因子的影响

从图2 可以看出，随着灌水量和施氮量的增加，冬小麦的产量及产量因子明显增大。经过组间差异显著性分析，穗重被分为7 个等级，是受影响最大的指标，除此之外产量与千粒重等级重合较多，如当灌水施肥处理为W2N1时，同时增加灌水量和施肥量到W3N3已经不能够显著提高产量，当灌水施肥处理为W2N2时，同时增加灌水量或施肥量不仅不能提高冬小麦产量及产量因子，反而会造成冬小麦减产。

图2 不同水氮处理下冬小麦的产量和产量因子

冬小麦产量增幅达3.28%～28.47%，穗长增幅达8.35%～52.20%，穗重增幅达24.86%～68.55%，千粒重增幅达4.13%～19.07%。以W1产量最低组平均产量为对照组，冬小麦产量、穗长、穗重、千粒重在W2分别增长21.61%、28.25%、31.93%、12.15%，在W3分别增长18.43%、16.86%、24.32%、7.61%，可以看出中水处理比高水处理更有利于作物产量累积，灌水水平对穗重影响更大。以N1产量最低组平均产量为对照组，冬小麦产量、穗长、穗重、千粒重在N2分别增长5.10%、15.72%、20.13%、5.68%，在N3分别增长2.83%、6.41%、12.40%、3.01%，可以看出中肥处理比高肥处理对产量更有积极影响，且施肥对产量及产量因子的影响弱于灌水。

2.2 水氮耦合对冬小麦水氮利用效率的影响

2.2.1 水氮耦合对冬小麦水氮利用效率影响的方差分析

对冬小麦耗水量hET、全氮量mUN、水分利用效率ηWUE、氮肥生产效率ηNPFP、氮素吸收效率ηNUPE进行方差分析，检验结果如表2 所示，可以看出冬小麦水氮利用效率指标在不同灌水水平下均达到极显著差异水平，全氮量、水分利用效率、氮肥生产效率、氮素吸收效率在不同施氮水平下也达到极显著差异水平，除此之外水氮耦合对水分利用效率、氮肥生产效率、氮素吸收效率也产生了较大影响。灌水水平对耗水量、全氮量、水分利用效率的影响比施氮水平更大，施氮水平对氮肥生产效率、氮素吸收效率的影响比灌水水平更大。

表2 水氮耦合对冬小麦水氮利用效率影响的方差分析

2.2.2 水氮耦合对冬小麦水氮利用效率的影响

从表3 可以看出，随着灌水量和施氮量的增加，冬小麦的水氮利用情况明显不同。经过组间差异显著性分析，当灌水施肥处理为W3N3时，减少灌水量或施氮量都会使耗水量减小；当灌水施肥处理为W2N1时，同时增加或减少灌水量和施氮量都不会使全氮量增加。

表3 水氮耦合对冬小麦水氮利用效率的影响

冬小麦水氮利用效率受不同水氮处理的影响较大，增加不同额度的灌水量都会造成耗水量的增加。以产量最低处理W1N1为对照组，耗水量增幅为0.30%～1.96%；全氮量增幅为-0.14%～74.38%，其中最大增幅发生在W2N2，最小增幅为负增长发生在W1N3；水分利用效率增幅为-8.67%～5.78%，其中W1N3的水分利用效率与W1N1相当，最大增幅发生在W2N2，最小增幅为负增长发生在W3N3；氮肥生产效率增幅为-61.27%～22.48%，其中只有W2N1与W3N1为正增长，最大增幅发生在W2N1，最大负增长发生在W1N3；氮素吸收效率增幅为-63.01%～42.47%，其中最大增幅发生在W2N1，其次是增幅为34.25% 的W3N1，其余处理均为负增长。

由表3 对比发现，在灌水量一致的情况下，N1处理组氮肥生产效率、氮素吸收效率ηNUPE更高，N2处理组全氮量、水分利用效率更大，N3处理组耗水量更大。以施氮量最少的N1为对照组，冬小麦耗水量、全氮量、水分利用效率、氮肥生产效率、氮素吸收效率在N2时分别增长2.52%、16.61%、2.36%、-42.68%、-36.73%，在N3分别增长2.86%、6.40%、-0.20%、-61.44%、-60.00%，可见耗水量的增加和施氮量的增加呈正相关关系，全氮量、水分利用效率随施氮量的增加而先增加后减少，氮肥生产效率、氮素吸收效率与施氮量呈负相关关系。

在施氮量一致的情况下，W2处理组全氮量、水分利用效率更高，W3处理组耗水量、氮肥生产效率、氮素吸收效率更高。以灌水量最少的W1为对照组，冬小麦耗水量、全氮量、水分利用效率、氮肥生产效率、氮素吸收效率在W2时分别增长18.42%、50.75%、2.88%、11.41%、21.38%，在W3分别增长28.44%、37.97%、-7.68%、17.42%、37.93%，可见耗水量、氮肥生产效率、氮素吸收效率的增加和灌水量的增加呈正相关关系，全氮量、水分利用效率随灌水量的增加而先增加后减少。

2.3 主成分分析水氮耦合对冬小麦产量及水氮利用效率的影响

2.3.1 冬小麦产量及水氮利用效率之间的相关性分析

由表4的相关性分析可知，冬小麦产量、穗长、穗重、千粒重、耗水量、全氮量之间的相关性均高于0.5，达到极显著水平，水分利用效率、氮肥生产效率、氮素吸收效率与其他指标相关性不大且偶有负值，但氮肥生产效率、氮素吸收效率之间的相关性高于0.5，也达到极显著水平。由此可见指标之间的联系重叠交叉，利用KMO 和巴特利特检验指标的相关性与显著性发现，KMO取样适切性量数为0.577，sig为0，说明指标间存在较强联系可以运用主成分分析提取公因子，构建更清晰且包含更多原始数据的综合指标，为评价水氮耦合对冬小麦产量及水氮利用效率的影响提供依据。

表4 冬小麦产量及水氮利用效率之间的相关性分析

2.3.2 水氮耦合对冬小麦产量及水氮利用效率影响的主成分分析综合评价模型

因冬小麦产量及产量因子和水氮利用效率指标的量纲不同，故进行主成分分析前运用SPSS进行标准化处理。因子分析如表5所示，发现当提取特征值超过1的变量时，x1～x9被分为3个成分，且对原始数据的贡献率达到了94%。通过表6因子分析的成分矩阵发现，成分1中冬小麦产量、穗长、穗重、千粒重、耗水量、全氮量的得分更高，对原始数据的贡献率达到了56.085%；成分2中氮肥生产效率、氮素吸收效率的得分更高，对原始数据的贡献率达到了22.591%；成分3中水分利用效率的得分更高，对原始数据的贡献率达到了15.323%，因此将综合评价的指标命名为y1、y2、y3。对因子分析的成分矩阵进行主成分转化，转换后主成分指标y1～y3的前置系数如表7所示。则主成分指标y1～y3与冬小麦产量及水氮利用效率指标x1～x9的表现为：

表5 因子分析的总方差解释

表6 因子分析的成分矩阵

表7 y1～y3的前置系数

综合得分y=0.553y1+0.223y2+0.164y3

对综合得分y进行归一化处理得到y=0.589y1+0.237y2+0.174y3

对冬小麦不同水氮处理的综合得分y进行对比和差异显著性分析（见图3），其中W1处理组均为负值，W2处理组均为正值，W3处理下N3为负值，其余为正值。W2N1、W2N2综合得分最高，分别为0.88、0.90，这说明综合考虑指标x1～x9，最优灌水水平为210 mm，优选施氮水平为120 kg·hm-2、220 kg·hm-2。

图3 不同水氮处理的综合得分

3 结论

本文根据宽垄沟灌下冬小麦试验资料分析了水氮耦合对冬小麦产量、穗长、穗重、千粒重、耗水量、全氮量、水分利用效率、氮肥生产效率、氮素吸收效率的影响，运用主成分分析法建立了综合评价模型。通过实例的计算和分析得到以下结论。

1）在宽垄沟灌灌溉方式下不同水氮处理对冬小麦产量及水氮利用效率影响显著，但不同指标对水氮处理的响应存在差异。其中，冬小麦产量、穗长、穗重、千粒重、全氮量、水分利用效率均与灌水量和施氮量呈现出二次函数关系；耗水量与灌水量呈现出正相关线性关系；氮肥生产效率、氮素吸收效率则与施氮量表现出负相关线性关系，且随着灌水量的增加而先增加后减少。

2）对各指标标准化后进行主成分分析并构建水氮耦合对冬小麦产量及水氮利用效率影响的综合评价指标（y）后发现，9 个处理中，W1全部处理组与W3N3处理均为负值，W2全部处理组与W3N1和W3N2均为正值。W2N1和W2N2的差异显著性均为a级且综合得分最高，分别为0.88 和0.90，综合考虑指标x1～x9，为实现节水增产双效目标，最优灌水水平为210 mm，优选施氮水平为120 kg·hm-2、220 kg·hm-2。