不同水氮組合對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水氮利用效率的調(diào)控效應(yīng)

唐 銳，韓宜秀，易樹生，鄭 偉,2，南小紅，羅 鴻，溫曉榮，翟丙年,2*

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；3 陜西省農(nóng)牧良種場(chǎng), 陜西扶風(fēng) 722203）

小麥?zhǔn)顷兾魇≈饕Z食作物之一，播種面積穩(wěn)定在96 萬hm2左右，其穩(wěn)定高產(chǎn)對(duì)保證陜西省糧食安全以及經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義[1]。但如今小麥生產(chǎn)仍面臨淡水資源分布不均、田間管理粗放等問題，傳統(tǒng)的“一炮轟”式施肥并不適合當(dāng)前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，缺乏科學(xué)合理的灌溉施肥制度成為制約小麥增產(chǎn)的重要因素。為了追求穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，越來越多的氮肥被投入農(nóng)田，從1978 年到2016 年，我國氮肥消費(fèi)量增加了147%，過量的氮肥輸入無法顯著提高產(chǎn)量，卻導(dǎo)致較高的氮肥損失[2-4]。這不僅增加了生產(chǎn)投入成本，也造成了水分和養(yǎng)分資源的浪費(fèi)，甚至導(dǎo)致了一系列環(huán)境問題[5-7]。隨著我國水土資源約束逐漸加劇，水肥一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。在經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)中已經(jīng)證實(shí)，水肥一體化技術(shù)可以有效減少水肥在運(yùn)輸過程中的損耗，及時(shí)、足量地滿足作物在不同時(shí)期的水肥需求，推動(dòng)水肥在時(shí)間與空間上的同步、耦合[8-13]，實(shí)現(xiàn)減水、減肥、增產(chǎn)、高效[14-15]。目前，針對(duì)于大田作物的水肥一體化生產(chǎn)越來越受到重視，然而，水肥一體化對(duì)小麥生產(chǎn)的影響尚不明確。且前人的研究專注于常規(guī)灌溉條件下施氮量對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響，關(guān)于噴灌條件下施氮量對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量影響的研究較少。關(guān)中平原是陜西省小麥主產(chǎn)區(qū)，從環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)適用性角度考慮，探討符合該地的水肥一體化方案，對(duì)提升關(guān)中平原小麥生產(chǎn)能力及保護(hù)土壤環(huán)境有重要意義。因此，本試驗(yàn)研究了噴灌施肥條件下不同灌溉施氮水平對(duì)冬小麥產(chǎn)量、干物質(zhì)積累、水氮利用效率和土壤養(yǎng)分的影響，以期為集約化農(nóng)田小麥增產(chǎn)增效提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2021 年9 月至2022 年6 月在陜西省扶風(fēng)縣召公鎮(zhèn)高橋農(nóng)場(chǎng)(34°25′ N，108°00′ E)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)海拔609 m，屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫12.5℃，無霜期年平均218 天，年平均降水量585.8 mm，具體降雨情況見圖1。試驗(yàn)區(qū)土壤類型為褐土，質(zhì)地為壤土，試驗(yàn)設(shè)置前耕作層土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

圖1 2021—2022 年扶風(fēng)縣降雨量與氣溫情況Fig.1 Rainfall and temperature in Fufeng County from 2021 to 2022

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用田間裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為灌溉量，設(shè)4 個(gè)灌溉水平，分別為30 mm (W1)、60 mm (W2)、90 mm (W3)、120 mm (W4)；副區(qū)為施氮量，設(shè)4 個(gè)施氮水平，分別為N 150.0 kg/hm2(N1)、187.5 kg/hm2(N2)、225.0 kg/hm2(N3)、262.5 kg/hm2(N4)，共計(jì)16 個(gè)處理，3 次重復(fù)。史丹利復(fù)合肥料(15-20-5) 750 kg/hm2與尿素82 kg/hm2作基肥在播種前一次性施入，基肥施氮量計(jì)N 150 kg/hm2。所有灌溉施氮處理均在春后追施，氮肥隨灌水噴施入土，噴施裝置流量為50 m3/h。追水追肥時(shí)每個(gè)處理中心處升起噴頭，噴施半徑為7.5 m。灌溉處理中W1、W2、W3、W4 處理春后追灌量分別為30、60、90、120 mm；施氮處理中N1 處理春后不追氮，N2、N3、N4 處理春后追氮量分別為N 37.5、75、112.5 kg/hm2。所有處理采用尿素作為氮源，于2022 年3 月30 日進(jìn)行第一次追水追肥，于2022 年4 月22 日進(jìn)行第二次追水追肥，每次追水追肥量各占總量50%。不追加施氮處理(N1)即當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)模式作為對(duì)照，具體試驗(yàn)方案見表2。供試小麥品種為小偃22 號(hào)，播種量225 kg/hm2，小區(qū)面積為225 m2(15 m×15 m)，小麥全生育期日常管理同當(dāng)?shù)乇３忠恢隆?/p>

表2 各試驗(yàn)處理灌溉和施氮量Table 2 Irrigation and nitrogen application rate of treatments

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 樣品采集 試驗(yàn)開始前，在整個(gè)試驗(yàn)地以S 形選取20 個(gè)采樣點(diǎn)，采集0—20 cm 土壤樣品于4℃冰箱保存，用以測(cè)定土壤基礎(chǔ)理化指標(biāo)。冬小麥?zhǔn)斋@期在每個(gè)處理隨機(jī)選取3 個(gè)采樣點(diǎn)，采集0—20 cm 土壤樣品去除雜物后混勻，分為2 份。1 份用以測(cè)定土壤基礎(chǔ)理化指標(biāo)，1 份過2 mm 篩用以測(cè)定土壤微生物生物量指標(biāo)。于冬小麥成熟期在每個(gè)小區(qū)取20 株小麥，3 次重復(fù)，植株按莖、葉、穗、穎殼分離，用以測(cè)定植株全氮含量。

1.3.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法 土壤硝態(tài)氮用1 mol/L KCl 浸提—流動(dòng)分析儀測(cè)定，土壤微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、微生物生物量磷(MBP)采用氯仿熏蒸法測(cè)定。將小麥樣品按各個(gè)器官置于105℃烘箱殺青30 min，然后調(diào)至65℃烘至恒重，計(jì)為干物質(zhì)重量；將烘干后的植株地上部各組織器官用小型粉碎機(jī)粉碎，經(jīng)H2SO4-H2O2消煮，通過連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定各組織器官全氮含量。

各指標(biāo)計(jì)算方法如下：

氮素利用效率 (NUE，kg/kg)=籽粒產(chǎn)量/植株氮素積累量；

氮肥偏生產(chǎn)力 (PFP，kg/kg)=籽粒產(chǎn)量/施氮量；

水分利用效率 [WUE，kg/(hm2·mm)]=籽粒產(chǎn)量/生育期總耗水量；

生育期總耗水量 (ET，mm)=I+P+U-D-R±ΔSWS。

式中：I 為灌溉量 (mm)；P 為降水量 (mm)；U 為地下水補(bǔ)給量 (mm)；D 為深層滲漏量 (mm)；R 為徑流量 (mm)；ΔSWS 為播種前、后土壤貯水變化量 (mm)。因試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)較為平坦，深層土壤水分變化不大，本試驗(yàn)中U、D、R 均可忽略不計(jì)。

1.3.3 籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 冬小麥?zhǔn)斋@前調(diào)查單位面積有效穗數(shù)和穗粒數(shù)，成熟時(shí)每個(gè)小區(qū)選2 m×2 m 的代表樣方，貼地面采集地上部分，自然風(fēng)干后脫粒，于105℃烘箱殺青30 min，然后調(diào)至65℃烘至恒重，計(jì)算產(chǎn)量，并稱量千粒重。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2020 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用SPSS 21.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析，多重比較選擇Duncan 法，使用R 語言 (4.2.2) 偏最小二乘法進(jìn)行路徑分析 (plspm 包)，Origin 2018 進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮調(diào)控對(duì)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響

2.1.1 水氮調(diào)控對(duì)冬小麥產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響由方差分析結(jié)果 (表3) 可知，灌溉與施氮可以顯著影響小麥產(chǎn)量及構(gòu)成因素。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在相同灌溉水平下，產(chǎn)量隨施氮量的增加呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，其中W3N2 處理下小麥產(chǎn)量最高，為9053 kg/hm2，較W1N1、W3N1 處理分別增產(chǎn)27.9%、16.1%；在灌溉因素的影響下，W3 灌溉下平均產(chǎn)量最高，達(dá)8460 kg/hm2，較W1 灌溉顯著提高13.6%。千粒重主要受灌溉水平調(diào)控，在W3 灌溉下平均千粒重最大，為50.2 g，其中W3N4 處理時(shí)最重，為50.9 g，較W1N1 處理提高6.7%。穗粒數(shù)受施氮水平與水氮互作效應(yīng)的共同影響，整體表現(xiàn)為N3 (43.6)>N2 (43.4)>N4 (43.3)>N1 (41.1)，在W2N2 處理下穗粒數(shù)最多，為45.9 粒，較W1N1 處理提升14.8%。有效穗數(shù)受灌溉水平與水氮互作效應(yīng)的共同影響，整體表現(xiàn)為W4 (390.94)>W3 (390.93)>W2 (385.59)>W1(367.93)，其中W4N2 處理最大，為424 萬/hm2，W3N2 處理次之，為422 萬/hm2，二者分別較W1N1處理增長(zhǎng)14.3%和13.6%。灌溉量、施氮量與產(chǎn)量共同構(gòu)成一個(gè)開口向下的立體曲面 (圖2)，擬合曲面最高產(chǎn)量達(dá)8848 kg/hm2，此時(shí)灌溉量為98 mm，施氮量為212 kg/hm2。灌溉量與施氮量在適宜范圍時(shí)，小麥產(chǎn)量維持較高水平，當(dāng)灌溉量與施氮量超過適宜范圍，則造成小麥減產(chǎn)。從擬合方程 (z=-0.24x2-0.19y2-0.14xy+78.1x+96.5y-5251.5，z為產(chǎn)量，x為灌溉量，y為施氮量) 來看，施氮量與灌溉量的二次項(xiàng)系數(shù)均為負(fù)值，且施氮量的二次項(xiàng)與一次項(xiàng)系數(shù)均大于灌溉量，表明適宜范圍增加施氮量的增產(chǎn)效果優(yōu)于增加灌溉量，且過量灌溉對(duì)產(chǎn)量造成的負(fù)面影響大于過量施氮。保證產(chǎn)量高于8500 kg/hm2的灌溉量為70～110 mm，施氮量為190～250 kg/hm2。

表3 不同灌溉施氮處理下冬小麥產(chǎn)量及構(gòu)成因素Table 3 Yield and yield components of winter wheat under different irrigation and nitrogen treatments

圖2 產(chǎn)量擬合曲面Fig.2 Yield fitting surface

2.1.2 水氮調(diào)控對(duì)冬小麥干物質(zhì)積累及氮素利用的影響 提高施氮量有利于小麥干物質(zhì)與氮素積累(圖3)，當(dāng)灌溉為W1、W2 水平時(shí)，干物質(zhì)與氮素積累量均隨施氮量的提高而增加；當(dāng)灌溉達(dá)到W3、W4 水平時(shí)，干物質(zhì)與氮素積累量均隨施氮量的提高而先增加后減少。在W3、W4 灌溉下干物質(zhì)積累量分別為20306、20295 kg/hm2，分別較W1 灌溉增長(zhǎng)2239、2228 kg/hm2；在W3 灌溉下平均氮素積累量最高，為221 kg/hm2，較W1 灌溉增加18.8 kg/hm2。綜合灌溉、施氮因素考慮，干物質(zhì)積累量、氮素積累量均在W3N2 處理時(shí)最高，其中干物質(zhì)積累量為21252 kg/hm2，較W1N1 處理提高24.4%；氮素積累量為237 kg/hm2，較W1N1 處理增長(zhǎng)24.2%。相同灌溉水平下，氮肥偏生產(chǎn)力與氮素利用效率變化趨勢(shì)基本一致，二者均隨施氮量增加而降低(圖3)。相較于N1 施氮水平，N4 施氮下的氮肥偏生產(chǎn)力、氮素利用效率分別下降34.5%～40.4%、2.5%～6.9%。就灌溉因素考慮，氮肥偏生產(chǎn)力表現(xiàn)為W3 (42.6)>W4 (41.8)>W2 (40.6)>W1 (37.4)，其中W3N1 處理時(shí)最高，為52.0 kg/kg；氮素利用效率表現(xiàn)為W4 (39.4)>W2 (38.5)>W3 (38.3)>W1 (36.8)，其中W4N2 處理時(shí)最高，為40.0 kg/kg。因此，適度提高灌溉量有助于水氮耦合，增強(qiáng)小麥對(duì)氮素的吸收利用。

圖3 不同水氮處理下小麥干物質(zhì)積累與氮素利用率Fig.3 Dry matter accumulation and nitrogen use efficiency of wheat under different treatments

2.2 水氮調(diào)控對(duì)小麥水分利用效率的影響

灌溉水平是決定小麥水分利用效率的主要因素(圖4)，隨著灌溉量的提高，水分利用效率逐漸降低，W4 灌溉下平均水分利用效率較W1、W2、W3灌溉分別下降13.7%、13.3%、11.4%。同時(shí)水分利用效率受施氮量變化的影響，在相同灌溉條件下，均隨施氮量的增加呈先上升后下降趨勢(shì)。其中，W1、W2、W3、W4 灌溉下，施氮量分別為218、228、222、217 kg/hm2時(shí)水分利用效率達(dá)到最高點(diǎn)，分別為21.6、21.1、20.6、18.5 kg/(hm2·mm)。從施氮量對(duì)水分利用效率影響的回歸分析中得出，W1、W2、W3、W4 灌溉的水分利用效率變化區(qū)間分別為17.1～21.6、17.5～21.1、17.0～20.6、15.1～18.5 kg/(hm2·mm)。相較而言，施氮量由N1 增加至N4 時(shí)，W1 灌溉下的水分利用效率變幅最大，因此在W1 灌溉時(shí)更應(yīng)注意施氮量的適宜區(qū)間，以免施氮量過多而造成水分利用效率與氮素利用效率同步下降。我們無法改變因灌溉量增加而導(dǎo)致水分利用率下降的趨勢(shì)，此時(shí)可以適度調(diào)整施氮量，以促使以水溶肥、以肥促水，進(jìn)而提高水分利用效率。

圖4 不同水氮處理對(duì)小麥水分利用效率的影響Fig.4 Effects of different water and N treatments on water use efficiency (WUE) of wheat

2.3 水氮調(diào)控對(duì)土壤硝態(tài)氮及微生物生物量碳、氮、磷的影響

由表4 可知，施氮水平對(duì)小麥土壤硝態(tài)氮、微生物生物量碳、氮、磷含量均有顯著影響，灌溉水平主要影響微生物生物量氮、磷含量。相同灌溉條件下，增施氮肥顯著提高土壤硝態(tài)氮含量，N2、N3、N4 施氮下硝態(tài)氮含量分別較N1 施氮平均提高23.4%、28.1%、37.8%。不同水氮處理的土壤微生物生物量碳含量處于246.3～307.3 mg/kg，W3 灌溉下，施氮量對(duì)微生物生物量碳的影響強(qiáng)度最大，其中，W3N3處理較W3N1 處理顯著提高24.7%。同時(shí)，追施氮肥對(duì)微生物生物量氮的促進(jìn)效果較強(qiáng)，同等灌溉水平下，施氮量越高微生物生物量氮含量越高，表現(xiàn)為N4 (49.4)>N3 (47.0)>N2 (42.3)>N1 (38.1)，且在W3N4 處理達(dá)到最大值，為53.8 mg/kg，較W1N1 處理顯著提升59.2%。相同施氮水平下，微生物生物量氮含量隨灌溉量的增加先提高后降低，均在W3 灌溉下達(dá)到最大值。土壤微生物生物量磷始終隨灌溉量、施氮量的提高而上升，相比最低的W1N1 處理(2.1 mg/kg)，最高的W4N4 處理達(dá)到3.8 mg/kg。

表4 不同處理下土壤硝態(tài)氮及微生物生物量碳、氮和磷含量Table 4 Contents of soil nitrate nitrogen and microbial biomass carbon, nitrogen and phosphorus under different treatments

2.4 小麥產(chǎn)量對(duì)水氮投入、土壤養(yǎng)分、干物質(zhì)及氮素積累量和產(chǎn)量構(gòu)成的響應(yīng)

路徑分析結(jié)果如圖5 所示，水氮投入、土壤養(yǎng)分、干物質(zhì)及氮素積累量(植株的干物質(zhì)積累量及各器官的氮素積累量)均可通過直接、間接兩種方式來調(diào)控小麥產(chǎn)量，產(chǎn)量構(gòu)成則通過單一路徑直接影響小麥產(chǎn)量。由因子載荷得分可知，施氮水平(0.767)比灌溉水平(0.641)更能反映投入因素；土壤養(yǎng)分主要由土壤硝態(tài)氮、微生物生物量碳、氮、磷含量構(gòu)成，其中微生物生物量氮(0.897)更好地反映土壤養(yǎng)分情況；地上部干物質(zhì)積累量(0.942)以及籽粒氮素積累量(0.897)對(duì)小麥干物質(zhì)及氮素積累量的表征性極強(qiáng)。通過路徑系數(shù)發(fā)現(xiàn)，水氮投入指向土壤養(yǎng)分的路徑系數(shù)為0.878，意味著水氮投入極顯著影響土壤養(yǎng)分狀況；土壤養(yǎng)分指向干物質(zhì)及氮素積累量的路徑系數(shù)為0.721，說明土壤養(yǎng)分狀況極顯著調(diào)控小麥干物質(zhì)與氮素積累量。干物質(zhì)及氮素積累量、產(chǎn)量構(gòu)成均可以顯著且直接調(diào)控小麥產(chǎn)量，路徑系數(shù)分別為0.555、0.400。同時(shí)，干物質(zhì)及氮素積累量還可以通過極顯著影響產(chǎn)量構(gòu)成(0.401) 的方式間接調(diào)控產(chǎn)量。綜合考慮水氮投入、土壤養(yǎng)分、干物質(zhì)及氮素積累量以及產(chǎn)量構(gòu)成對(duì)產(chǎn)量調(diào)控的直接、間接效應(yīng)(圖6a)，發(fā)現(xiàn)干物質(zhì)及氮素積累量對(duì)小麥產(chǎn)量的調(diào)控作用尤為重要(31.4%)，其次為水氮投入(28.2%)、土壤養(yǎng)分(22.9%)、產(chǎn)量構(gòu)成(17.5%)，總效應(yīng)值依次為0.716、0.642、0.522、0.400，其中水氮投入對(duì)產(chǎn)量的調(diào)控能力僅次于干物質(zhì)及氮素積累量。盡管水氮投入對(duì)產(chǎn)量的直接影響較弱，但其主要通過間接路徑調(diào)控產(chǎn)量、干物質(zhì)及氮素累積量，間接影響效應(yīng)分別為0.554、0.638。且水氮投入與土壤養(yǎng)分對(duì)小麥干物質(zhì)及氮素積累量總效應(yīng)作用分別占47.3%、52.7%，二者對(duì)于干物質(zhì)及氮素積累量的影響同等重要(圖6b)，因此水氮投入對(duì)產(chǎn)量的調(diào)控作用同樣不容忽視。而土壤養(yǎng)分主要通過間接路徑調(diào)控小麥產(chǎn)量，效應(yīng)值為0.544。

圖5 不同因素與產(chǎn)量關(guān)系的路徑模型Fig.5 Path model of relationship between different factors and yield

圖6 路徑模型效應(yīng)值Fig.6 Path model effect value

3 討論

3.1 灌溉施氮水平對(duì)小麥產(chǎn)量的影響

灌溉施氮水平顯著調(diào)控小麥植株的氮素吸收、積累和轉(zhuǎn)運(yùn)，對(duì)小麥增產(chǎn)增效具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)灌溉以及施氮可以進(jìn)一步釋放小麥的產(chǎn)量潛力，合理的水氮投入是調(diào)控小麥產(chǎn)量的重要途徑[16]。在本研究中，W3N2 處理下產(chǎn)量最高，W1N1 處理下產(chǎn)量最低，兩者產(chǎn)量差達(dá)1973 kg/hm2，通過擬合曲面發(fā)現(xiàn)，灌溉量、施氮量均與小麥產(chǎn)量構(gòu)成二次曲線關(guān)系，一定范圍內(nèi)小麥產(chǎn)量隨灌溉施氮水平提升而增加，且灌溉與施氮具有明顯的耦合效應(yīng)，因?yàn)楣喔?、施氮以及二者互作顯著提高了穗粒數(shù)與有效穗數(shù)，這與前人[17]研究結(jié)果一致。值得注意的是，當(dāng)灌溉量與施氮量超過適宜范圍后，小麥產(chǎn)量不再提高反而下降，在本試驗(yàn)中，當(dāng)灌溉量由90 mm (W1)提升至120 mm (W2)、施氮量由225 kg/hm2(N3)增加至262.5 kg/hm2(N4)時(shí)，小麥穗粒數(shù)與有效穗數(shù)均出現(xiàn)下降，導(dǎo)致小麥產(chǎn)量回落，這可能與年降雨量以及植株氮素積累有關(guān)。2021 年全年降雨量達(dá)839.7 mm，在土壤墑情較好的前提下，過量灌溉反而導(dǎo)致表層土壤養(yǎng)分隨灌溉水向下淋溶，不利于小麥對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，并且易引起貪青晚熟，降低粒重[18-19]。因此，灌溉量需要根據(jù)不同降水年型進(jìn)行調(diào)整，董志強(qiáng)等[20]研究發(fā)現(xiàn)利用微噴灌溉技術(shù)，在平水年推薦灌水量為90～120 mm，在枯水年需要較平水年適度增加灌溉量25～30 mm，以達(dá)到較高籽粒產(chǎn)量。在小麥生長(zhǎng)發(fā)育過程中，拔節(jié)期到孕穗期是冬小麥水氮配合效應(yīng)的關(guān)鍵期和虧缺敏感期[21-22]，在這段時(shí)間進(jìn)行追水、追肥可以及時(shí)補(bǔ)充小麥生長(zhǎng)發(fā)育所需水分以及養(yǎng)分，提高小麥單位面積穗數(shù)，促進(jìn)灌漿[23]。本研究得出相似結(jié)果，W3N2 處理較W1N1處理單位面積穗數(shù)增加13.6%，產(chǎn)量提高16.1%，然而通過提高灌溉施氮水平帶來的產(chǎn)量效益符合報(bào)酬遞減規(guī)律，超過適宜灌溉施氮區(qū)間會(huì)造成邊際效益下降。不同地區(qū)適宜的水氮用量范圍有所差異，張麗霞等[24]研究表明施氮量在180～240 kg/hm2時(shí)小麥可以獲得較優(yōu)性狀，Shi 等[25]研究發(fā)現(xiàn)華北小麥適宜的灌溉量為62～240 mm。

3.2 灌溉施氮水平對(duì)冬小麥干物質(zhì)、氮素積累與水氮利用效率的影響

小麥營養(yǎng)生長(zhǎng)進(jìn)程中的干物質(zhì)及氮素積累、轉(zhuǎn)運(yùn)同籽粒產(chǎn)量密切相關(guān)，通常被認(rèn)為是小麥產(chǎn)量形成的重要基礎(chǔ)[26]。在中國主麥區(qū)的調(diào)研結(jié)果[27]表明，不同地區(qū)小麥地上部干物質(zhì)量存在顯著差異，產(chǎn)量越高的麥區(qū)地上部干物質(zhì)量越大。在本研究中，提高灌溉量促使小麥干物質(zhì)積累量增加，而過多的氮肥施入導(dǎo)致干物質(zhì)積累量出現(xiàn)下降。這是因?yàn)樗謱?duì)小麥植株干物質(zhì)積累起重要作用，一定范圍內(nèi)增加灌溉可以促進(jìn)干物質(zhì)積累，并且保持土壤濕度，促進(jìn)小麥對(duì)土壤水分、養(yǎng)分的吸收利用，進(jìn)而增加后期蒸騰作用，提高灌漿速率[23]。但是過高的灌溉量與施氮量不利于小麥氮素積累，超過適宜范圍，小麥氮素積累量開始下降。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌溉量由90 mm (W3)提升至120 mm (W4)時(shí)，表層土壤硝態(tài)氮、微生物生物量碳、氮含量同步下降，進(jìn)而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分相對(duì)匱乏，不利于小麥根系吸收及向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)[28]。由于現(xiàn)代化集約農(nóng)場(chǎng)存在生產(chǎn)面積大、管理制度統(tǒng)一等客觀原因，本研究未設(shè)置大面積區(qū)域的不施氮處理，而選擇氮肥偏生產(chǎn)力以及氮素利用效率來表征氮素利用情況。結(jié)果表明，施氮量由150.0 kg/hm2(N1)增至262.5 kg/hm2(N4)時(shí)，氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥利用效率均呈下降趨勢(shì)，這與前人[29-30]研究結(jié)果相似。因此，增施氮肥的同時(shí)需要補(bǔ)充灌溉以促進(jìn)水氮耦合，提高成熟期小麥的氮素利用能力[31-32]。在水分利用效率中得出相似結(jié)果，隨著灌溉量的增加，小麥的水分利用效率逐漸降低，一方面因?yàn)楣嗨畬?duì)產(chǎn)量的影響符合報(bào)酬遞減規(guī)律；另一方面，水分虧缺條件下小麥根系感知干旱脅迫，促使地上部葉片氣孔閉合，降低蒸騰速率進(jìn)而低灌溉水平下的水分利用率更高[33]。馬仁詩等[34]指出水氮互作對(duì)小麥水氮利用的調(diào)控作用非常顯著，本研究同樣發(fā)現(xiàn)，灌溉配合施氮較單獨(dú)灌溉或單獨(dú)施氮更能促進(jìn)冬小麥植株的氮素積累，在一定灌溉水平下適度提高施氮量可以提升水分利用效率。這可能是因?yàn)樘岣吖喔扰c施氮均促成小麥長(zhǎng)勢(shì)旺盛，增加了植株對(duì)水分與養(yǎng)分的需求量，進(jìn)而提升了根系對(duì)水分與養(yǎng)分的吸收能力[35-36]。同時(shí)灌溉可以促進(jìn)小麥對(duì)氮素的吸收利用，而施氮緩解了由于灌溉量過大引起土壤養(yǎng)分向下淋溶的消極影響。本研究發(fā)現(xiàn)，相較于灌溉30 mm (W1)，提高灌溉量利于提升氮肥偏生產(chǎn)力與氮素利用效率，但灌溉量的增加會(huì)導(dǎo)致水分利用效率的下降；而水分利用效率在施氮量處于217～228 kg/hm2時(shí)維持在較高水平。因此，為了兼顧水、氮利用效率與小麥產(chǎn)量，同時(shí)方便生產(chǎn)實(shí)踐，推薦在灌溉80～100 mm 的條件下，配合施氮210～230 kg/hm2。

3.3 實(shí)現(xiàn)小麥增產(chǎn)的關(guān)鍵路徑

進(jìn)入土體的水分以及養(yǎng)分，會(huì)首先改變局部土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而被小麥生長(zhǎng)發(fā)育所吸收利用，最終到達(dá)地上部影響小麥產(chǎn)量。小麥產(chǎn)量與諸多因素有關(guān)，Hou 等[37]研究發(fā)現(xiàn)土壤水分虧缺狀況與小麥產(chǎn)量相關(guān)性顯著，趙勇等[38]通過構(gòu)建產(chǎn)量模型，以電導(dǎo)率等土壤理化性質(zhì)來預(yù)測(cè)小麥生產(chǎn)潛力；王喜枝等[39]指出增施氮肥可以提高小麥干物質(zhì)積累量，通過提高干物質(zhì)積累達(dá)到增產(chǎn)目的；陳久月等[40]依據(jù)主成分分析得出，小麥有效穗數(shù)可以顯著影響小麥產(chǎn)量。傳統(tǒng)的相關(guān)性比較無法綜合考慮多方面情況，難以明確影響小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵因素。因此，本研究依據(jù)實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，構(gòu)建由水氮投入指向土壤養(yǎng)分含量、小麥干物質(zhì)及氮素積累情況、產(chǎn)量構(gòu)成以及籽粒產(chǎn)量的閉合路徑。結(jié)果表明，小麥地上部干物質(zhì)、氮素積累量是調(diào)控小麥產(chǎn)量的最主要因素，較高的干物質(zhì)、氮素積累量是小麥高產(chǎn)的保證。在路徑模型中，水氮投入與土壤養(yǎng)分對(duì)小麥干物質(zhì)及氮素積累的影響顯著，且二者影響能力相當(dāng)。然而，水氮投入首先極顯著改變了土壤養(yǎng)分狀況，進(jìn)而促使土壤具備了對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控能力；并且，作為最主要的外源輸入方式，水氮投入更加直接且更易控制。因此，其對(duì)小麥干物質(zhì)、氮素積累以及產(chǎn)量的調(diào)控作用十分重要。同時(shí)，影響小麥生長(zhǎng)發(fā)育的外界因素眾多，如氣候、耕作方式等[41-42]，在今后研究小麥產(chǎn)量的響應(yīng)差異時(shí)，可以盡量納入多種影響因素，以構(gòu)建更加全面的產(chǎn)量響應(yīng)路徑。

4 結(jié)論

小麥干物質(zhì)及氮素積累量是決定籽粒產(chǎn)量的主要因素，水、氮投入和土壤養(yǎng)分含量均可通過直接、間接方式顯著調(diào)控小麥產(chǎn)量。施氮量過高會(huì)影響小麥生長(zhǎng)發(fā)育后期對(duì)氮素的吸收積累，適度補(bǔ)充灌溉可以促進(jìn)水氮耦合，提高氮素利用效率，但灌溉量過高會(huì)降低水分利用效率。為兼顧小麥高產(chǎn)與水、氮高效，噴灌條件下關(guān)中平原冬小麥的適宜灌溉量為80～100 mm，施氮量為210～230 kg/hm2。