作物水肥耦合類型量化方法在華北冬小麥水氮配置中的應用

張經(jīng)廷，呂麗華，張麗華，董志強，姚艷榮，姚海坡，申海平，賈秀領

作物水肥耦合類型量化方法在華北冬小麥水氮配置中的應用

張經(jīng)廷，呂麗華，張麗華，董志強，姚艷榮，姚海坡，申海平，賈秀領

（河北省農(nóng)林科學院糧油作物研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北地區(qū)作物栽培科學觀測實驗站，石家莊 050035）

【】研究一種作物水肥耦合類型量化方法及基于這種方法的華北冬小麥水氮優(yōu)化配置，豐富作物水肥耦合分析方法，為促進冬小麥水肥協(xié)同高效生產(chǎn)提供理論基礎和實踐依據(jù)。根據(jù)作物相對產(chǎn)量的真實值與理論值的差異顯著性來判定某一具體水肥組合的耦合類型。2006—2016連續(xù)10年在黃淮北部進行了冬小麥季不同水氮處理的大田定位試驗。裂區(qū)設計，灌水量為主區(qū)，設春灌1水（拔節(jié)期75 mm，W1）和2水（拔節(jié)期和開花期各75 mm，W2）兩個處理；施氮量為副區(qū)，設5個水平，分別為0 （N0）、60（N60）、120（N120）、180（N180）、240 kg·hm-2（N240），共10對水氮組合。研究冬小麥不同水氮組合的耦合類型及其年際轉換特征，確選適宜的水氮配置。某一水肥組合相對產(chǎn)量真實值經(jīng)統(tǒng)計檢驗顯著高于其理論值，此水肥組合的水肥耦合類型即為“協(xié)同”（水肥互相促進）；真實值顯著小于理論值，水肥耦合類型即為“拮抗”（水肥互相限制）；真實值與理論值沒有顯著差異，水肥耦合類型即為“加和”（水肥互不影響）。冬小麥W2與不同施氮水平（Nx）組成的水氮組合的耦合類型及其年際變化特征受施氮水平的影響顯著。W2N60水氮耦合類型10年平均為“拮抗”，定位第1—2年灌水限制施氮的增產(chǎn)作用，施氮限制了灌水的增產(chǎn)作用，水氮“拮抗”；定位第3—5年耦合類型轉變成“增水促氮，增氮促水”的“協(xié)同”；定位第6—10年又轉為“拮抗”。W2N120的耦合類型在定位第1—4年為“加和”，第5年起就轉為“協(xié)同”，10年平均為“協(xié)同”。施氮超過120 kg·hm-2的兩水氮組合W2N180與W2N240的耦合類型各年度均為水氮互不影響的“加和”。基于作物相對產(chǎn)量真實值與理論值差異的顯著性來定量判定某一特定水肥組合的耦合類型具有較強的可行性。黃淮北部冬小麥生產(chǎn)中, W2N120組合水氮協(xié)同增產(chǎn)效果顯著，耦合類型長期為“協(xié)同”，因此，在一定年限內(nèi)可作為該區(qū)冬小麥季適宜的水氮配置，年均產(chǎn)量水平維持在8.5 t·hm-2左右。

水肥耦合類型；量化方法；冬小麥；華北平原；水氮配置

0 引言

【研究意義】水和肥是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中人為調(diào)控最為密集、重視度最高的兩大限制因子，對作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量形成及品質(zhì)都至關重要[1]。水肥存在明顯的耦合效應[2-3]，水分是養(yǎng)分運輸?shù)慕橘|(zhì)，水分適宜可促進肥料的轉化和吸收，提高肥料利用率，干旱則限制作物對肥的吸收[4-5]；許多研究也證實適量施肥可有效調(diào)節(jié)水分利用過程，提高水分利用效率[6-7]。根據(jù)水肥對作物生長發(fā)育效應的不同，水肥耦合可分為三種具體類型，即加和效應（水氮互不影響）、協(xié)同效應（水肥互相促進）和拮抗效應（水肥互相限制）[8]。作物生長過程中，水肥配置優(yōu)化可充分發(fā)揮水肥耦合協(xié)同效應，提高水肥利用效率，避免產(chǎn)生資源浪費和生態(tài)環(huán)境問題[9-11]。華北平原是我國冬小麥的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)區(qū)，但生產(chǎn)中灌溉施肥過量，水氮配置不合理，水氮利用率低等現(xiàn)象普遍存在，由此引發(fā)了地下水超采、農(nóng)業(yè)面源污染加劇等系列生態(tài)和環(huán)境問題[12-14]。因此，創(chuàng)新水肥耦合類型定量評定方法，并據(jù)此在華北冬小麥生產(chǎn)中指導組配耦合類型為協(xié)同的水氮組合，對推進作物水肥耦合研究及提高冬小麥產(chǎn)量和水氮利用效率具有重要的理論與實踐意義。【前人研究進展】目前國內(nèi)外通常通過顯著性方差統(tǒng)計來檢驗水肥交互效應[15-18]，或通過建立水肥回歸數(shù)學模型根據(jù)方程中交互項系數(shù)的正負和顯著性檢驗來確定水肥耦合類型的[19-21]。建立數(shù)學回歸模型具體是指，設立不同水肥梯度形成不同水肥組合，對作物生長發(fā)育的特定性狀（產(chǎn)量、生物量、光合速率、養(yǎng)分吸收運轉等）與灌水量和施肥量進行回歸模擬，根據(jù)交互項系數(shù)的正負和顯著性來判定水肥耦合類型。在華北冬小麥生產(chǎn)中，圍繞水氮優(yōu)化配置前人進行了大量研究，研究表明，冬小麥灌水105—150 mm，施氮150—195 kg·hm-2為同步實現(xiàn)高產(chǎn)及水氮高效利用的最佳運籌和配置范圍[22-25]?！颈狙芯壳腥朦c】方差統(tǒng)計法和回歸方程模型法都只能從整體上反應試驗設定的水肥施用范圍內(nèi)水肥總的耦合效應，而不能對某一特定具體水肥組合的耦合類型進行判定，從而不能據(jù)此來組配水肥協(xié)同的組合。前人一般都是根據(jù)作物產(chǎn)量與水氮利用特性對水氮的響應來進行水肥優(yōu)化配置的。【擬解決的關鍵問題】本研究為了實現(xiàn)對某一具體水肥組合耦合類型的判定，提出一種基于作物相對產(chǎn)量的水肥耦合類型的評定方法，并基于此方法對華北冬小麥10年大田定位試驗中不同水氮組合的耦合類型及年際轉變特征進行定量分析，篩選確定水氮耦合為協(xié)同類型的水氮組合，以期豐富作物水氮耦合分析方法，為優(yōu)化作物節(jié)灌施肥制度，推進冬小麥水肥協(xié)同豐產(chǎn)高效生產(chǎn)提供理論基礎和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2006—2016年在河北省農(nóng)林科學院糧油作物研究所堤上試驗站（E 114°72′，N 37°94′）進行。該區(qū)屬太行山前平原，為暖溫帶半溫潤性季風氣候，年均溫12.5℃，年均降水量494 mm，日照時數(shù)2 711.4 h，無霜期190 d，四季分明。土壤深厚，質(zhì)地輕壤質(zhì)，2006年試驗開始前0—20 cm土層含有機質(zhì)15.5 g·kg-1，全氮0.97 g·kg-1，全磷2.2 g·kg-1，堿解氮72.7 mg·kg-1，有效磷19.5 mg·kg-1，有效鉀91.0 mg·kg-1。試驗區(qū)為冬小麥–夏玉米輪作區(qū)，秸稈還田。試驗期間冬小麥季月降水分布見表1，本文圖中試驗年度指收獲年份。

表1 2006—2016年冬小麥各生長季月降水分布

采用二因子裂區(qū)設計，小區(qū)面積25.92 m2（4.8 m×5.4 m）。以灌水處理為主區(qū)，設冬小麥拔節(jié)期灌1水（W1）和拔節(jié)期、開花期各灌1水（W2）兩個處理，每次灌水量約為75 mm，灌溉方式為塑料軟管小區(qū)畦灌。以施氮水平為副區(qū)，設置5個施氮水平，純氮（N）量分別為0、60、120、180、240 kg·hm-2。氮肥（尿素，含N 46.4%）50%做基肥于播前撒施后旋耕施入，50%在拔節(jié)期撒施后灌水。磷肥（重過磷酸鈣，含P2O543%）和鉀肥（氯化鉀，含K2O 60%）用量分別為P2O5165kg·hm-2和K2O 105 kg·hm-2，均做基肥一次性施入。冬小麥收獲后，硬茬免耕播種夏玉米，夏玉米季無灌水處理，施肥處理與小麥季相同。冬小麥品種為當年試驗區(qū)主推品種，播種密度為3.75×106株/hm2，因播期及品種千粒重存在年度差異，各年度的播種量也不同，一般在185—220 kg·hm-2之間，播種期為10月10—20日，收獲期為次年6月5—15日。按當?shù)厣a(chǎn)習慣進行田間管理。

1.2 測定指標與計算方法

1.2.1 籽粒產(chǎn)量 （Yield, Y）生理成熟后小區(qū)聯(lián)合收割機收獲，烘干法測定水分，折算為含水量13%的標準產(chǎn)量。

1.2.2 相對產(chǎn)量 （Relative yield, RY）

2水條件下某一施氮水平（W2Nx）的相對產(chǎn)量可分為真實相對產(chǎn)量（Actual relative yield, ARY）和理論相對產(chǎn)量（Theoreticalrelative yield, TRY），分別用以下公式計算：

ARY(W2Nx) =Y(W2Nx)/Y(W1Nx-1) （1）

TRY(W2Nx)= RY(W2Nx﹕W)′RY(W2Nx﹕N) （2）

其中，RY(W2Nx﹕W)=Y(W2Nx)/Y(W1Nx) （3）

RY(W2Nx﹕N)=Y(W1Nx)/Y(W1Nx-1) （4）

本研究中N0、N60、N120、N180和N240分別依次用N0、N1、N2、N3和N4來代表，RY(W1N0)定為1。

1.2.3 施氮增產(chǎn)率 （Yield increase derived from N-fertilizer，YI﹕N，%）

1水條件下YI﹕NW1=[Y(W1Nx)-Y(W1Nx-1)]/Y(W1Nx-1)×100 （5）

2水條件下YI﹕NW2=[Y(W2Nx)-Y(W2Nx-1)]/Y(W2Nx-1)×100 （6）

1.2.4 灌水增產(chǎn)率 （Yield increase derived from irrigation，YI﹕W，%）

某一施氮水平YI﹕WNx=[Y(W2Nx)-Y(W1Nx)]/Y(W1Nx)×100 （7）

2 結果

2.1 基于相對產(chǎn)量的水肥耦合類型量化評定方法

某個特定水肥組合耦合類型的評定，需要有另外3個水肥組合作參照。比如，水肥組合WHFH耦合類型的評定，需要另外設置WLFL、WLFH和WHFL3個水肥參照組合（W、F分別代表水和肥；L、H分別代表低量和高量）。根據(jù)WHFH相對產(chǎn)量真實值與理論值大小的顯著性檢驗來評定其水肥耦合類型。WHFH相對產(chǎn)量的真實值是其產(chǎn)量與WLFL產(chǎn)量的比值，WHFH相對產(chǎn)量的理論值是WLFH相對產(chǎn)量真實值與WHFL相對產(chǎn)量真實值的乘積。WLFH和WHFL的相對產(chǎn)量真實值分別為其產(chǎn)量與WLFL產(chǎn)量的比值。如果WHFH相對產(chǎn)量真實值經(jīng)統(tǒng)計分析（T檢驗）顯著高于其理論值，此水肥組合的水肥耦合類型即為“協(xié)同”；如果真實值顯著小于理論值，水肥耦合類型即為“拮抗”；如果真實值與理論值沒有顯著差異，水肥耦合類型即為“加和”。

2.2 基于10年大田定位試驗的冬小麥不同水氮組合耦合類型及其對施氮量的響應

基于2006—2016年10年大田定位試驗不同水氮組合冬小麥的平均產(chǎn)量，根據(jù)相對產(chǎn)量的真實值與其理論值差異顯著性標準對其水氮耦合類型進行定量評定，結果如表2所示。冬小麥不同水氮組合耦合類型受施氮水平的影響較大，W2N60相對產(chǎn)量真實值顯著小于其理論值（0.05水平上），水氮耦合類型為“拮抗”；W2N120相對產(chǎn)量真實值顯著大于其理論值，耦合類型為“協(xié)同”；W2N180與W2N240相對產(chǎn)量真實值與其理論值沒有顯著性差異，耦合類型均為“加和”。

從水氮互作角度分析，春灌1水條件（W1）下，從不施氮（N0）增加到N60冬小麥產(chǎn)量增加84.88%，而春灌2水條件（W2）下，施氮從N0增加到N60增產(chǎn)74.45%，增加灌水限制了施氮的增產(chǎn)效果，即“增水限氮”；N0條件下，灌水從W1水增加到W2灌水增產(chǎn)率為5.48%，而N60條件下，灌水增產(chǎn)率僅為-0.47%，增加施氮（從N0增加到N60）限制了增加灌水的增產(chǎn)效應，即“增氮限水”，因此，W2N60水氮互作為“增水限氮、增氮限水”。同理，W2N120在W1條件下N60增加到N120的氮增產(chǎn)率為10.34%，而W2條件下N60增加到N120的氮增產(chǎn)率高達28.80%，說明增加灌水促進了施氮的增產(chǎn)效果，即“增水促氮”；N60條件下，W1增加到W2的灌水增產(chǎn)率為-0.47%，而增加施氮到N120水平，灌水增產(chǎn)率增至16.19%，說明增加施氮促進了增加灌水的增產(chǎn)效應，即“增氮促水”，因此，W2N120水氮互作為“增水促氮、增氮促水”。對于W2N180組合，W1和W2條件下施氮從N120進一步增加到N180增產(chǎn)率依次為1.34%和2.20%，兩者沒有顯著性差異，說明增加灌水不影響增施氮的增產(chǎn)效應；同樣，N120與N180水平的灌水增產(chǎn)率也沒有顯著性差異，說明增加施氮不影響增加灌水的增產(chǎn)效應，所以，W2N180水氮之間沒有互作。同理可分析W2N240水氮之間也沒有互作。

表2 基于10年定位試驗的冬小麥不同水氮組合耦合類型

1)RY(W2Nx:N)=Y(W1Nx)/Y(W1Nx-1) ①,2)RY(W2Nx:W)=Y(W2Nx)/Y(W1Nx)②,3)ARY(W2Nx)=Y(W2Nx)/Y(W1Nx-1)③,4)TRY(W2Nx)= RY(W2Nx:N)′RY (W2Nx-1:W)④, 其中, RY(N0:N)定義為1

5)*表示相對產(chǎn)量的實際值與理論值經(jīng)T-檢驗在0.05水平上有顯著性差異，no 表示沒有顯著差異。6)水氮耦合類型Ant、Syn、Add分別表示拮抗、協(xié)同、加和

5)* means the true value of relative yield was significant difference from its theoretical value at 0.05 level by T-test, and “no” means no significant difference.

6) “Ant”, “Syn” and “Add” represent antagonism, synergism and additivity, respectively

2.3 冬小麥不同水氮組合施氮增產(chǎn)率與灌水增產(chǎn)率的年際變化特征

W1和W2兩種水分條件下冬小麥從不施氮（N0）到施氮60 kg·hm-2（N60）施氮增產(chǎn)率隨定位年限的增加均呈“緩升-陡增-振蕩平衡”的趨勢，定位前3年施氮增產(chǎn)率增加緩慢，第4年陡增至60%以上，之后隨年限增加呈鋸齒形振蕩。灌水對N0到N60的施氮增產(chǎn)率的影響為：前兩年增加灌水限制了施氮的增產(chǎn)作用，W1條件下施氮增產(chǎn)率顯著高于W2；定位第3—5年增加灌水又促進了氮肥增產(chǎn)作用，W2的施氮增產(chǎn)率顯著高于W1；定位第6—10年增加灌水又轉為限制氮肥增產(chǎn)作用，除了第7年W1與W2的施氮增產(chǎn)率無顯著差異外，其余4年W2都顯著高于W1（圖1）。

* 表示相對產(chǎn)量的實際值與理論值經(jīng)T-檢驗在0.05水平上有顯著性差異。下同

兩種水分條件下，施氮從N60增加到N120的施氮增產(chǎn)率的年際變化特征為：前3年增加施氮沒有增產(chǎn)效果，從第4年起增加施氮增產(chǎn)顯著，但施氮增產(chǎn)率的年際變化極大，最高為2012年W2條件下的50.42%，最低為2013年W1的1.14%。定位前4年W1與W2的施氮增產(chǎn)率沒有顯著差異，增加灌水對施氮增產(chǎn)效應沒有影響；第5—10年W2的施氮增產(chǎn)率均顯著高于W1，增加灌水對施氮增產(chǎn)效應有顯著促進作用（圖1）。

本試驗結果表明，施氮從N120增加到N180以及從N180增加到N240增加施氮已沒有增產(chǎn)效果，甚至個別年份增加施氮降低產(chǎn)量；增加灌水對施氮增產(chǎn)率也沒有顯著影響（圖1）。

N0和N60條件下定位前5年增加灌水有一定的增產(chǎn)作用，灌水增產(chǎn)率為正值；第6—10年灌水增產(chǎn)率接近于0，甚至有些年份出現(xiàn)負值，說明隨著定位年限的延長灌水增產(chǎn)作用逐漸喪失，甚至會減產(chǎn)。施氮達到N120后灌水增產(chǎn)率呈“先小-后增-再降”的變化趨勢。在定位前2年灌水增產(chǎn)率較小，第3年陡增至一定程度后在高值隨年際震蕩變化3年，第6年灌水增產(chǎn)率下降到一定值后趨于穩(wěn)定。

遞次增加施氮對灌水增產(chǎn)率也有影響。N60的灌水增產(chǎn)率在定位前2年顯著低于N0處理，第3—5年轉為顯著高于N0，第6—10年又變?yōu)轱@著低于N0，表明從N0增加施氮到N60對灌水增產(chǎn)率影響的年際轉變頻繁。N120的灌水增產(chǎn)率與N60相比，定位前4年兩者沒有顯著差異，說明施氮從N60增加至N120灌水增產(chǎn)率未受影響；第5—10年N120的灌水增產(chǎn)率都顯著高于N60，說明從N60增加施氮至N120顯著促進了灌水的增產(chǎn)效應。N120與N180、N180與N240各年度的灌水增產(chǎn)率相比整體上均沒有顯著差異，說明施氮從N120增加至N180、從N180增加至N240，灌水增產(chǎn)效應都沒有受到影響（圖2）。可見，本試驗條件下施氮超過120 kg·hm-2后進一步增加施氮對灌水效應不會產(chǎn)生顯著影響。

圖2 冬小麥遞次施氮對灌水增產(chǎn)率及其年際變化特征的影響

2.4 冬小麥不同水氮組合的相對產(chǎn)量真實值與理論值及耦合類型年際變化特征

冬小麥不同水氮組合的耦合類型及其年際變化特征不同。水氮組合W2N60相對產(chǎn)量的真實值在定位前兩年顯著低于其理論值，水氮耦合類型為“拮抗”；定位第3—5年相對產(chǎn)量真實值顯著高于其理論值，水氮耦合類型轉為“協(xié)同”；定位第6—10年真實值顯著低于理論值，水氮耦合類型又轉為“拮抗”。所以，W2N60水氮耦合類型的年際變化特征為“拮抗-協(xié)同-拮抗”。

定位前4年水氮組合W2N120相對產(chǎn)量的真實值與理論值沒有顯著差異，水氮耦合類型為“加和”；定位第5—10年相對產(chǎn)量的真實值顯著大于理論值，水氮耦合類型為“協(xié)同”。所以，W2N120水氮耦合類型的年際變化特征為“加和-協(xié)同”。

水氮組合W2N180和W2N240相對產(chǎn)量的真實值與理論值在定位10年中均沒有顯著差異，說明水氮獨立發(fā)揮作用，沒有互作，水氮耦合類型為“加和”（圖3）。

圖3 冬小麥不同水氮組合相對產(chǎn)量真實值及其理論值年際變化特征

3 討論

3.1 作物水肥耦合類型的定量判定

作物產(chǎn)量的形成是作物本身的遺傳特性和生理機能的內(nèi)在因素以及光、熱、水、土、肥等外在環(huán)境因素綜合作用的結果。但在一定條件下，這些因素中，水和肥是最易被人為調(diào)控。作物吸收水和肥是兩個獨立的過程，但是水和肥對作物生長的影響卻是緊密聯(lián)系的。在農(nóng)田系統(tǒng)中，水和肥之間，各種肥之間，作物與水肥之間的相互制衡的動態(tài)平衡關系，以及這些相互作用對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響稱為作物的水肥耦合效應[26]。作物水肥耦合效應可分為“加和”“協(xié)同”“拮抗”3種類型。目前國內(nèi)外通常采用設立水肥組合建立回歸數(shù)學模型，檢驗水肥交互項系數(shù)大小和顯著性來判定水肥耦合類型，若交互項系數(shù)為正值且達到顯著水平，則說明水肥表現(xiàn)正交互效應，耦合類型為“協(xié)同”；若交互項系數(shù)為負值且顯著，水肥為負交互效應，水肥耦合類型為“拮抗”；若交互項系數(shù)不顯著則水肥耦合類型為“加和”。這種方法雖能從整體上判定在試驗設定的水肥施用范圍內(nèi)的水肥耦合類型，但不能對某一特定具體水肥組合的耦合類型進行判定。本研究提出了一種基于作物相對產(chǎn)量的評定某具體水肥組合耦合類型的新方法。該方法通過設立水肥基礎組合（WLFL）、增水組合（WHFL）、增肥組合（WLFH）來評定水肥同增組合（WHFH）的耦合類型。為了便于標準化統(tǒng)一處理引入相對產(chǎn)量的概念，WHFL、WLFH和 WHFH的相對產(chǎn)量（真實值）為各自的實際經(jīng)濟產(chǎn)量與WLFL的經(jīng)濟產(chǎn)量的比值。WHFH相對產(chǎn)量的理論值為WHFL的相對產(chǎn)量與WLFH的相對產(chǎn)量的乘積，意思是水肥同時增加（WHFH）后的產(chǎn)量結果理論上應該為單獨增水（WHFL）與單獨增肥（WLFH）兩組合的疊加綜合效應。通過檢驗WHFH作物相對產(chǎn)量真實值與理論值的大小及差異顯著性即可評定其耦合類型：若相對產(chǎn)量的真實值顯著大于理論值，水肥耦合為“協(xié)同”；真實值顯著小于理論值為“拮抗”；兩者沒有顯著性差異則為“加和”。通過在10年大田水氮定位試驗中的應用，證明該方法具有較強的可行性和適用性。

3.2 冬小麥生育期降水對灌水增產(chǎn)效應的影響

作物生育期內(nèi)的有效降水與灌水對作物的生長具有等效性，灌水增產(chǎn)率與生育期降水量負相關。本研究中冬小麥不同生育期降水量顯著不同（表1），不同水氮組合的灌水增產(chǎn)率也存在顯著年際差異（圖2）。灌水增產(chǎn)效應除受降水量制約外，與生育期降水分布也密切相關。本試驗中，2008—2009與2010—2011年冬小麥季生育期降水量比常年偏少30%以上，屬嚴重干旱年型，這兩年灌水增產(chǎn)效果極其顯著，灌水增產(chǎn)率顯著大于其他年份；2013—2014年生育期降水量同樣顯著低于常年（比常年少35%），但65%的降水都分布在冬小麥需水關鍵期的4、5月份，導致灌水增產(chǎn)率顯著低于2008—2009與2010—2011兩個年度。

3.3 冬小麥水氮耦合類型的年際轉變

冬小麥不同生育期降水情景顯著不同，隨著定位年限的增加不同施氮水平的地力狀況也發(fā)生了不同程度的改變，因此，不同水氮組合的耦合類型勢必會表現(xiàn)出不同的年際變化特征。本研究表明，W2N60組合水氮耦合類型隨定位年限的增加呈現(xiàn)“拮抗-協(xié)同-拮抗”的變化特征，W2N120的年際變化特征為“加和-協(xié)同”，W2N180和W2N240各年度水氮耦合類型均為“加和”。相同的灌水條件下不同水氮組合的耦合類型及其年際變化特征可能與土壤供氮與作物吸氮的供需動態(tài)平衡有關。由于基礎肥力較高，試驗前期不施氮就能達到與施氮處理相當?shù)漠a(chǎn)量水平，施氮反而限制了灌水的增產(chǎn)效應，水氮拮抗；隨著年限的增加，當施氮60 kg·hm-2（N60）加上土壤固有氮素恰能滿足作物氮素需求時，水氮由“拮抗”轉為“協(xié)同”；隨著定位年限的進一步增加，N60處理由于氮肥輸入遠小于作物氮素攜出土壤氮素長期入不敷出，當土壤氮素供應不能滿足作物需求時，水氮從“協(xié)同”又轉為“拮抗”。本試驗條件下，N120可能是土壤供氮和作物需氮的平衡點，在前期土壤基礎氮素含量較高時水氮“加和”，隨著定位年限的增加N60處理土壤供氮不能滿足作物需求產(chǎn)量降低時，W2N120水氮耦合就由“加和”轉為“協(xié)同”；由于N120氮素供應基本能滿足作物氮素需求，可維持高產(chǎn)水平，因此進一步增加施氮至N180或N240無益于水氮協(xié)同增產(chǎn)，W2N180和W2N240水氮耦合類型在定位10年范圍內(nèi)均為“加和”。

3.4 冬小麥季適宜的水氮配置

冬小麥拔節(jié)至開花期既是耗水最多的時期，又是需水的生理生態(tài)臨界，該時期水分的有效供給對保障產(chǎn)量和較高的水分利用率至關重要[27]。而黃淮北部冬小麥拔節(jié)至開花期降水遠不能滿足該時期冬小麥的水分需求，拔節(jié)至開花期灌溉補水就成為保證冬小麥產(chǎn)量和水分利用率協(xié)同提高的必要途徑[28-29]，春灌拔節(jié)和開花兩水（W2）現(xiàn)已普及為該區(qū)的優(yōu)化灌溉模式。如果估算土壤氮平衡僅考慮氮肥輸入和作物籽粒氮攜出，冬小麥季施氮120 kg·hm-2（N120）時籽粒氮攜出量高于施氮輸入量，土壤氮素表觀虧缺[14]，但在此施氮水平下冬小麥氮營養(yǎng)來源中當季施入化肥氮僅占50%左右[30]，因此這種土壤氮素表觀虧缺可能造成的氮素供應不足可由其他氮素來源和技術途徑有效補償：一是土壤氮時空補償，研究證實深根冬小麥可以把前茬殘留氮[31]和土壤深層氮[32]作為其氮營養(yǎng)來源的重要組成部分；二是環(huán)境氮高值補償，近年來受農(nóng)田施氮不合理及畜禽糞便管理不當?shù)绒r(nóng)業(yè)源和工業(yè)、交通等非農(nóng)業(yè)源活性氮排放增大的影響，我國農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮沉降平均從1980年的13.2 kg·hm-2增至2010年的21.1 kg·hm-2，其中人口密集和農(nóng)業(yè)集約化程度高的華北平原是高沉降通量區(qū)[33-34]，大氣沉降氮已成為土壤氮庫的一個重要補充。三是農(nóng)藝增效補償，研究表明，在氮肥適當減施條件下，增加種植密度[35]和優(yōu)選氮高效品種[36]可顯著增加冬小麥的氮素吸收效率和利用效率，獲得與高氮投入相同水平的籽粒產(chǎn)量。本研究表明，W1與W2條件下，N120處理冬小麥10年平均產(chǎn)量與N180和N240均沒有顯著性差異，因此，冬小麥施氮120 kg·hm-2（N120）在相當一段年限內(nèi)可作為該區(qū)優(yōu)化施氮量，但該施氮水平下的土壤氮肥力變化趨勢需持續(xù)監(jiān)測。本研究中不同水氮組合耦合類型的年際變化特征表明，W2N120水氮耦合類型逐漸由“加和”轉變?yōu)椤皡f(xié)同”，水氮對冬小麥的增產(chǎn)效應表現(xiàn)為相互促進，協(xié)同提高。綜上，水氮組合W2N120在一定年限內(nèi)可推薦為華北平原北部冬小麥生產(chǎn)中適宜的水氮配置，多年平均產(chǎn)量維持在8.5 t·hm-2左右。

4 結論

根據(jù)作物相對產(chǎn)量真實值與理論值差異的顯著性檢驗可有效判定某一具體水肥組合的耦合類型。華北地區(qū)冬小麥生產(chǎn)中,水氮組合W2N60耦合類型的年際轉換特征為“拮抗-協(xié)同-拮抗”，W2N120為“加和-協(xié)同”，W2N180和W2N240各年度水氮耦合類型均為“加和”。水氮組合W2N120可充分發(fā)揮“增水促氮，增氮促水”水氮協(xié)同的增產(chǎn)效應，在一定年限內(nèi)可作為黃淮北部冬小麥季適宜的水氮配置，多年平均產(chǎn)量可維持在8.5 t·hm-2左右。

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A Novel Method for Quantitating Water and Fertilizer Coupling Types and Its Application in Optimizing Water and Nitrogen Combination in Winter Wheat in the North China Plain

ZHANG JingTing, Lü LiHua, ZHANG LiHua, DONG ZhiQiang, YAO YanRong, YAO HaiPo, SHEN HaiPing, JIA XiuLing

(Institute of Cereal and Oil Crops, Hebei Academy of Agriculture and Forestry Science /Scientific Observing Experimental Station of Crop Cultivation in North China of Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shijiazhuang 050035)

【】A novel method for distinguishing quantitatively irrigation and fertilizercoupling types was introduced, and basing on this method, irrigation and nitrogen combination in winter wheat on North China Plain was to be optimized. The aim of the study was to have a greater understanding of coupling effect of water and fertilizer, and to provide theoretical and practical basis for promoting water and fertilizer synergetic management in crop production. 【】The results showed that the difference between the true value and the theoretical value of crop relative yield was statistically significant (＜0.05) or not was considered as the critical criterion for distinguishing the coupling type of a specific water-fertilizer combination. The two-factor split plot experiment was persistently carried out in the North China Plain in Hebei province during ten successive winter wheat growing seasons (2016-2016). In this experiment, the two irrigation treatments were the main plots, irrigation one time (75 mm in jointing stage, W1) and two times (75 mm in jointing and flowering stage respectively, W2) during wheat growing season, and five N rates were the subplots, consisting of 0 (N0), 60 (N60), 120 (N120), 180 (N180), and 240 (N240) kg·hm-2, respectively. The coupling types of different water-nitrogen combinations and their inter-annual variation characteristics were explored to determine the optimized water-nitrogen combination in winter wheat growing seasons.】When the true value of the crop relative yield of awater-fertilizer combination was statistically higher than its theoretical value, the water and fertilizer coupling type of this combination was “synergism” (water and fertilizer promote mutually). When the true value was significantly smaller than the theoretical value, the water and fertilizer coupling type was “antagonism” (water and fertilizer restrict mutually). When there was no significant difference between the true value and the theoretical value, the water and fertilizer coupling type of the combination was “additivity” (water and fertilizer no interaction).The water-nitrogen coupling type and inter-annual variation characteristics of the W2Nx combinations in winter wheat were significantly affected by nitrogen application rate. Generally, the water-nitrogen coupling type ofW2N60was antagonism basing on the average yield of winter wheat in the 10 years. To be specific, for the W2N60, water and nitrogen antagonized mutually in the first twoexperimental years, in the 3rd year the relationship between water and nitrogen changed intocollaborationuntil the 5th experimental year, and the water-nitrogen coupling type of the combination was antagonism in the 6th to 10th year. The water-nitrogen coupling type of W2N120was additivity in the 1st to 4th year, and then turned into synergism in the 5th to 10th experimental year. The coupling type of W2N180and W2N240, in which nitrogen application exceed 120 kg·hm-2, was additivity in each year in the experiment. 【】 It is of great feasibility to identify quantitatively the coupling type of a specific water and fertilizer combination based on the significance of the difference between the actual value and the theoretical value of the crop relative yield. Under the combination of W2N120, water and nitrogen promoted yield increase synergistically for a long time. Therefore, maintaining the annual grain yield of 8.5 t·hm-2or so,W2N120should be recommended as an optimal combination of water and nitrogen for winter wheat in the northern part of the Huang-Huai Plain over a certain period of time.

water and fertilizer coupling type; quantization method; winter wheat; North China Plain; water and nitrogen combination

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.17.008

2019-03-20；

2019-04-23

國家自然科學基金（31701373）、河北省自然科學基金（C2018301050）、河北省農(nóng)業(yè)創(chuàng)新工程項目（F19R034896）

張經(jīng)廷，E-mail：jingting58@126.com。通信作者賈秀領，E-mail：jiaxiuling2013@163.com

（責任編輯 李云霞）