不同水氮水平冬小麦干物质积累特征及产量效应

宋明丹，李正鹏，冯　浩（1. 西北农林科技大学水土保持研究所，杨凌 712100；2. 中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100；3. 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，杨凌 712100）



不同水氮水平冬小麦干物质积累特征及产量效应

宋明丹1，3，李正鹏1，3，冯浩1，2，3※
（1. 西北农林科技大学水土保持研究所，杨凌 712100；2. 中国科学院水利部水土保持研究所，杨凌 712100；3. 西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，杨凌 712100）

摘要：为了阐明灌水施氮对冬小麦干物质积累和产量形成的影响机制，通过2012－2014年在关中平原进行的3个灌水水平、4个施氮水平的田间试验，采用Richards生长曲线对干物质积累过程进行拟合，定量分析了干物质积累过程的动态特征和产量效应。结果表明灌越冬水和拔节水均能显著延长干物质积累的总时间，使最大干物质量由雨养下的10 831提高到灌两水条件下的13 813 kg/hm2。氮肥显著提高了干物质积累过程的平均速率和最大速率，缩短了达到最大速率的时间，使最大干物质量由8 001（不施氮）提高到14 112 kg/hm2（施氮210 kg/hm2）。年份主要通过控制进入快速生长期和达到最大速率的时间来影响干物质量积累过程。灌水的产量效应年际变异较大，在2013和2014年分别通过增加千粒质量和每平方米粒数来影响产量，2013年千粒质量由雨养下的35.8提高到灌两水下的41.7 g，2014年每平方米粒数由雨养下的13 833增加到灌两水条件下的15 749粒/m2。氮肥主要是通过增加每平方米粒数来提高产量，由不施氮下的10 414增大到施氮210 kg/hm2条件下的15 911粒/m2，继续增施氮肥对产量及产量构成要素影响不大。产量和每平方米粒数均与干物质积累过程的平均速率和最大速率呈显著正相关性，表明在该研究地区小麦产量主要受氮肥限制。该研究为干旱半干旱地区合理调控水肥措施，实现作物高产高效提供科学依据。

关键词：水分；氮；作物；Richards方程；产量构成要素；水肥互作

宋明丹，李正鹏，冯浩. 不同水氮水平冬小麦干物质积累特征及产量效应[J]. 农业工程学报，2016，32（2）：119－126. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.018http://www.tcsae.org

Song Mingdan， Li Zhengpeng， Feng Hao. Effects of irrigation and nitrogen regimes on dry matter dynamic accumulation and yield of winter wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2016， 32（2）: 119－126. （in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.018http://www.tcsae.org

Email：mingdan86@sina.com

0　引　言

作物产量的形成是由干物质积累及分配所决定的，干物质是产量形成的物质基础。气候、土壤、田间管理措施等自然和人为因素对作物产量的影响，是通过影响作物的干物质积累过程来实现的。对于作物干物质积累过程的描述，主要有两种方法：一种是机理模型，通过光合和呼吸作用的生理机制进行干物质量的模拟（解释性），可移植性强，但模型复杂，参数变量较多；另一种是经验模型，通过统计回归进行干物质量的模拟（描述性），简单易操作，针对性和应用性强，但其解释性较弱[1]。

在描述干物质积累的经验模型中，Logistic[2]和Richards[3]生长方程具有一定的生物学意义，得到了广泛的应用。王信理[4]研究表明Logistic生长方程可以较好地描述干物质积累的动态过程。赵姣等[5]、肖强等[6]分别用Logistic方程描述了冬小麦、夏玉米的干物质累积过程，并利用其推导的特征参数对累积过程进行了定量分析。有学者指出Richards方程比Logistic方程的可塑性强，更适宜于描述作物生长的过程[7]。李国强等[8]、李艳大等[9]、李向岭等[10]分别用Richards方程描述了小麦、水稻、玉米的干物质积累动态，并对其过程进行了定量分析。对于冬小麦干物质积累的定量描述，目前主要集中在品种[11]、密度[8，11]、灌水[12]和施氮[8]等单因素影响分析上，例如Villegas等[12]分析了雨养和灌溉条件下的干物质积累过程，赵姣等[5]和李国强等[8]分析了不同施氮量条件下的干物质积累过程。

作物的生长过程受多种因素影响，其中水分和氮素是影响作物生长及产量的两个主要限制因子[13]。关中平原是陕西省主要的粮食产区，其中小麦产量占了全省的80%以上。关中平原属于半湿润易旱区，大部分降水分布于7－9月，小麦生长季（10月－次年5月）降水相对较少，降水的分布不均加剧了干旱对小麦生长的影响。氮素是小麦叶绿素和籽粒蛋白质的重要组成元素，通过施用氮肥能弥补土壤中可利用矿质氮的不足，但过量的氮肥投入则会污染空气、水体和土壤，引发一系列的环境问题[14]。在整个小麦生产系统中，水分的缺乏会抑制小麦对氮素的吸收，而氮素的缺乏会造成植株营养不良，反过来影响水分的利用从而导致减产，水分和氮肥在作物生长过程中既相互促进又相互制约[15-16]。干物质积累是一个随时间变化的连续过程，其与产量形成密切相关，而且干物质积累在不同年份和研究地点间差异较大，目前在从干物质积累与产量关系的角度分析水肥因子对陕西关中平原地区小麦生长过程和产量影响的研究较少。因此本研究通过设置不同灌水施氮的田间试验，采用Richards模型对冬小麦的干物质积累过程进行拟合，根据推导出的特征量对小麦的生长过程进行定量分析，同时分析产量及产量构成要素与干物质积累过程的关系，阐明水氮管理对干物质积累和产量形成的影响机制，为合理调控水肥措施，实现作物高产高效提供科学依据。

1　材料与方法

1.1试验地点及试验设计

本试验于2012－2014年在陕西杨凌西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室灌溉试验站（108°05′E，34°24′N）内进行。该区小麦生长季为10月－次年6月，生长季内的月平均最高温为15.7℃，月平均最低温为5.3℃，小麦生长季内太阳总辐射量3 206 MJ，降水量296 mm。试验地土壤为塿土，土壤中砂粉黏粒比例为8∶74∶18。试验前0～20 cm耕层含有机质11.17 g/kg、全氮0.95 g/kg、速效磷13.67 mg/kg和速效钾183.20 mg/kg。

本试验采用裂区试验设计，灌水为主区，施氮为副区，小区长6 m宽3 m，设置三次重复。其中灌水处理设置3个水平：I0（完全雨养）、I1（拔节期灌水46 mm）、I2（分别在越冬期和拔节期灌水46 mm）。施氮设置4个水平：N0（不施氮）、N1（施氮105 kg/hm2）、N2（施氮210 kg/hm2）、N3（施氮315 kg/hm2）。所有氮肥按基追比7：3施入土壤，追肥在拔节期进行，基肥为磷酸二铵，追肥为尿素。所有小区施入足量的磷肥和钾肥。小麦品种为当地主栽品种小偃22，10月中上旬播种，行距20 cm，播量为112.5 kg/hm2。在作物生长阶段及时除草，防治病虫害，其他栽培管理措施与当地习惯一致。

1.2测定项目及方法

在2012－2013年和2013－2014年小麦生长期间，在分蘖期、越冬期、返青期、拔节开始、拔节中期、抽穗、灌浆开始、灌浆中后期、收获期共9个时期在每个小区选取有代表性的10株小麦，在105℃下杀青30 min，后在70℃下烘干至质量不变，计算各时期小麦地上部生物量。下文中提到的2013年小麦均指2012－2013年，2014年小麦均指2013－2014年。

所用的逐日气象数据来自于距试验地100m的杨凌气象观测站。每个采样时期的积温为

式中i为小麦播后天数，TMIN，TMAX分别为日最高温和日最低温，Tb为小麦生长的最低温度。

小麦生长的最低温度在不同品种、不同组织器官，甚至是不同的生长阶段都存在变异[17]。Porter和Gawith[18]结合前人的研究成果汇总分析了温度对小麦生长和发育的影响，结果表明植株生长的最低温度在0～5℃之间变化。本研究参考Wang等[19]和Johnen等[20]，将小麦生长的最低温度Tb设为0℃。

在成熟期收获小区中间1 m2小麦，测定穗数和实际产量，从1 m2小麦中取出5株子样进行考种，测定千粒质量和每穗粒数，计算理论产量。本研究中产量采用理论产量。

1.3Richcards方程简介

Richards方程是一个四参数的非线性方程，包括了一系列的S形曲线。本研究中自变量为积温，因变量为干物质量，方程的基本形式为

式中A、b、c、d均为参数，其中A为干物质积累上限。对方程（2）求导得到干物质积累的速率方程（growth rate，GR）为

根据干物质积累速率方程，可以推导出干物质积累过程的一些特征量，对公式（3）求导并令其等于零，可以求得达到最大生长速率时的积温，记做

同时求得最大生长速率为

对公式（3）在干物质在区间0到A上积分再平均即可得到平均生长速率

Darroch和Baker[21]指出当干物质量达到最大生物量的95%，即0.95A时认为生长停止，解方程得到生长停止时的积温

对公式（3）求二阶导令其等于零，可以求得干物质进入快速生长期的积温为

1.4数据统计分析

本研究中获得的不同时期冬小麦的生长积温和干物质量数据采用Curve Expert 1.3软件进行Richards曲线拟合，然后利用matlab7.0 软件求解曲线的特征量xinf、GRmax、GRavg、xmax、x1。Keuls和Garretsen[22]指出由函数方程推导出的特征量进行方差分析时，考虑参数间相关性的多变量方差分析（multivariate analysis of variance，MANOVA）更适合。产量和产量构成要素的方差分析采用ANOVA（analysis of variance）方法，多重比较均采用LSD（least significant difference）法。统计分析过程采用SPSS20.0软件完成。

2　结果与分析

2.1水氮管理对小麦干物质积累动态过程的影响

用Richards曲线拟合的决定系数均在0.98以上，表明此方程可以准确地描述干物质随积温的变化过程。由表1可以看出无论采用ANOVA还是MANOVA，灌水和施氮的交互作用对各参数均没有显著影响，而且参数b、c不受灌水、施氮、年份的影响。在ANOVA分析中，灌水、施氮、年份影响显著的参数，在MANOVA分析下也显著，而且P值更低，表明在未考虑参数相关性的条件下处理因素的效力被低估。MANOVA分析表明灌水显著影响参数A、xmax，说明灌水主要通过影响干物质量积累的总时间来影响最终的干物质量。施氮显著影响参数A、xinf、GRmax、GRavg，施氮主要通过影响干物质积累速率和控制达到最大生长速率的时间来影响最终的干物质量。年份显著影响了参数d、xinf、x1，表明年份主要通过影响进入快速生长期和达到最大生长速率的时间来影响最终的干物质量。

表1　冬小麦干物质积累的Richard曲线参数和特征量的方差分析（P值）Table 1　Significant levels （P-value） of effect of irrigation， nitrogen and years on fitting parameters and derived characteristic parameters from Richards function describing biomass accumulation by ANOVA and MANOVA method

灌水水平、施氮水平和年份之间的多重比较结果见表2。在I0、I1和I2灌水水平下生长停止时所需的积温分别为1 604、1 761和1 936℃·d，小麦最大干物质量分别为10 831、11 977和13 812 kg/hm2。这表明灌越冬水和拔节水均能显著延长小麦干物质量积累的时间，从而提高干物质量。由图1a可以看出灌越冬水和拔节水（I2）处理下的干物质量在整个生长过程中都明显大于另外两个灌水处理，灌拔节水（I1）处理在生长后期才明显大于不灌水（I0）处理，表明灌水对干物质积累的影响与灌水时间有明显关系。

在N0、N1、N2和N3水平下干物质积累上限分别为8 001、12 635、14 112和14 078 kg/hm2其中N2和N3没有显著差异。达到最大积累速率所需的积温，仅N1 （1 292℃·d）与N2（1175℃·d）有显著差异，这表明在适量的氮素（210 kg/hm2）供应下小麦可以较快达到干物质积累的最大速率。在4个施氮水平下干物质积累的最大速率分别为9.26（N0）、17.15（N1）、17.13（N2）和17.40（N3）kg/℃，平均速率分别为6.01、10.95、11.35 和11.29 kg/℃，其中N1、N2、N3水平下均没有显著差异，表明在本试验条件下施氮105 kg/hm2就可以达到较高的干物质积累速率（表2）。由图1b可以看出施氮影响了干物质积累的整个生长过程，其中N2与N3生长曲线几乎重合，表明在本研究中施氮210 kg/hm2及以上，干物质量的积累不再发生显著变化。

表2　不同灌水、施氮水平和年份下干物质积累曲线参数和特征量Table 2　Fitting parameters and characteristic parameters describing biomass accumulation process under different irrigation and nitrogen regimes

图1　不同灌水水平和施氮水平下的干物质积累曲线Fig.1　Biomass accumulation curves according to accumulated temperature with different irrigation amount and different nitrogen application注：I0、I1、I2 分别为不灌水、灌拔节水46mm、灌越冬水和拔节水各46mm； N0、N1、N2、N3 分别表示施氮0、105、210、315 kg hm2。Note: I0， I1， I2 represents rainfed， irrigated 46 mm at jointing， irrigated 46mm at wintering and jointing， respectively; N0， N1， N2， N3 represents applied nitrogen rate 0， 105， 210 and 315 kg hm2.

在2013和2014年条件下达到最大积累速率所需的积温分别为1 179和1 305℃·d，进入快速生长期所需积温分别为913和1 060℃·d（表2，图2a）。由图2b可知2013季小麦前期雨水较充足，11月份降水106 mm，为第2年小麦返青后的生长创造了适宜的水分条件，使2013年进入快速生长期的时间提前。2014年4月份的总降水比2013年相应时期多156.4 mm，使得2014年小麦干物质量积累在后期超过了2013年。2013和2014年最大干物质积累量分别为11 897和12 516 kg/hm2，差异不显著。

图2　2013年和2014年冬小麦干物质量累积曲线和月降水量分布Fig.2　Biomass accumulation curves according to accumulated temperature and monthly precipitation distribution in 2013 and 2014 year

2.2水氮管理对小麦产量及产量构成因素的影响

灌水、施氮对干物质积累过程的影响，必然影响后期产量的形成。产量和产量构成要素的方差分析见表3。产量均随着灌水次数的增加而增大，不同灌水水平下，2014年小麦产量均比2013年要高。这可能是由于2014 年3－4月份降水较多（图2b），此时正是小麦的需水关键期，充沛的雨水有利于小麦快速生长，使得2014年各灌水水平下产量均较高，同时，大量的降水使得2014年灌水的产量效应不显著。灌水对产量构成要素的影响在两年表现不同，在2013年灌水对千粒质量影响显著，由不灌水条件下的35.8 g增加到灌两水条件下的41.7 g，而2014年灌水对千粒质量影响不显著，各灌水水平下千粒质量均较高。对每平米粒数，2014年灌水对其影响显著，由13 833增加到15 749粒，而2013年灌水对其影响不显著。

表3　2013和2014年小麦产量和产量构成要素的方差分析Table 3　Variance analysis of yield and yield components in 2013 and 2014 year

氮肥对产量和产量构成要素的影响在两年表现一致，均对产量和每平方米粒数影响显著，而对千粒质量影响不显著。产量、每平方米粒数均随着施氮量的增加而增大，综合两年结果，产量由不施氮条件下的4.42 t/hm2提高到施氮210 kg/hm2下的6.91 t/hm2，每平方米粒数由10 414提高到15 911粒/m2，继续增施氮肥对产量和每平方米粒数均没有显著影响，表明施氮210 kg/hm2在该地区已经能够满足作物的生长需求，达到较高的生产效益。灌水和施氮的交互作用在两年试验条件下对产量和产量构成要素均没有显著影响。

2.3干物质积累与产量及产量构成要素的关系

由表4可以看出，产量、每平方米粒数与干物质积累速度（GRmax和GRavg）呈显著正相关，与干物质积累的阶段积温（xinf、xmax和x1）相关性不大，而千粒质量与进入快速生长期所需的积温（x1）呈显著正相关。产量与每平方米粒数在0.01水平上显著正相关，与千粒质量在0.05水平上显著正相关，每平方米粒数和千粒质量之间的相关性不显著，表明产量很大程度上决定于每平方米粒数。干物质积累速率通过影响每平方米粒数来影响最终产量形成。而干物质积累速率又主要受氮肥影响，表明在该研究地区氮素供应是小麦产量提高的限制因素。

表4　Richards特征参数与产量的皮尔森相关Table 4　Pearson correlation coefficients between yield components and characteristic parameters from Richards function

3　讨　论

3.1水分对冬小麦干物质积累和产量的影响

水分是维持生命活动的必要物质，作物生长所需的水分来源于自然降水、土壤底墒和补充灌水这3个途径，补充灌水能在一定程度上缓解干旱对作物生长产生的不利影响，延长叶片的持绿时间，增加干物质积累量和产量。大量研究结果表明灌水可使作物的叶绿素含量下降速度变慢[23-24]，增加叶片中的超氧化物歧化酶和过氧化氢酶含量[25]，使叶片功能性时间延长，本研究也证明了这一点。灌水显著延长了干物质积累的总时间（xmax），提高了最终的干物质量。Villegas等[12]和赵姣等[5]的结果表明灌水能显著缩短进入快速生长（x1）和达到最大速率的时间（xinf），而在本研究中灌水对其影响不显著，而年份对其影响显著。究其原因可能是：1）小麦生长早期降水较多抵消了越冬灌水效应。例如2013季11月份降水较多（图2b），为小麦返青生长创造了适宜的条件，缩短了达到xinf和x1的时间（表2）；2）越冬灌水量太小，致使灌水效应不明显。例如2014季小麦生长前期干旱，越冬灌水46 mm并未对干物质积累产生显著影响，致使2014季小麦的xinf和x1值均显著大于2013季。综上，小麦生长早期降水较多和越冬灌水水平较低导致灌水处理对xinf和x1没有显著影响，而年份对其影响显著。Villegas等[12]的研究表明灌水对干物质积累的平均速率（GRavg）有显著影响，而本研究中灌水和年份对该指标均无显著影响，这可能和两年总降水量较多有关。Shimshi[26]指出当降水量大于200 mm时，小麦生长主要受氮素供应的限制，试验年份小麦季降水分别为334.3和286.8 mm，均属于丰水年型，导致补充灌水对GRavg影响不显著。灌水对产量构成要素的影响在两年表现不同，2013季灌水对千粒质量影响显著[27-29]，对每平方米粒数影响不显著。这可能是由于上一年11月份降水较多，在粒数的决定期（返青期）水分充足，致使不同灌水处理下每平方米粒数没有显著差异；而4月份（孕穗-开花期）降水较少，灌水显著影响了小麦的灌浆过程，使不同灌水处理的千粒质量有显著差异。2014季降水分布与其相反，导致不同灌水处理每平方米粒数有显著差异，而千粒质量无显著差异。

3.2氮肥对冬小麦干物质积累和产量的影响

氮素是小麦叶绿素的重要组成元素，氮素的供应直接影响了小麦光合产物的形成，作物的氮素主要来源于土壤氮的矿化和氮肥投入。本研究中氮肥能显著提高干物质积累的最大速率（GRmax）和平均速率（GRavg），缩短达到最大生长速率的时间（xinf），这与李国强[8]的研究结果一致。而赵姣[5]的结果表明总施氮量与干物质积累速率的相关性不显著，这可能与其试验地点的初始肥力和氮肥的水平设置较高有关。本研究中氮肥对产量构成要素的影响在两年表现一致，均显著提高了每平方米粒数，对千粒质量影响不显著，这与赵雪飞等[27]、吴立峰[28]和Karam等[29]的研究结果一致。土壤氮素供应能力有限，所以外源氮肥投入对整个小麦的生长都产生显著的影响，氮肥同时显著提高了粒数（库）和干物质量（源）的大小，但干物质分配到每个籽粒中的质量不一定增大，导致氮肥对千粒质量影响不显著。

3.3水肥交互作用对冬小麦干物质积累和产量的影响

水肥之间存在交互作用已经成为一个不争的事实，其主要与土壤水分状况、灌水水平、肥料用量、土壤肥力和作物的需水需肥规律有关[30]。由于大田试验中补充灌水量对作物的影响受土壤底墒和生育期降水的影响，致使在不同地区不同年份条件下灌水施氮的交互作用表现不一[31]。例如，王丹等[32]采用逐步回归的方法表明灌水施氮的交互项在回归模型中显著。而张玉铭等[33]采用同样的方法表明灌水施氮交互项在回归模型中不显著。李玉山[34]采用方差分析方法表明灌水和施氮的交互作用对冬小麦的产量影响不显著。本研究结果表明灌水施氮的交互作用对干物质积累过程和产量及产量构成要素的影响均不显著，这可能是由于试验年份降水较充沛，灌水水平间差异较小所导致。

4　结　论

本研究主要探讨了在关中平原的气候土壤条件下灌水施氮对冬小麦干物质积累过程和产量的影响。所得主要结论如下：

1）灌越冬水和拔节水均能显著延长小麦干物质量积累的时间，使小麦干物质量由不灌水条件下的10 831提高到灌两水条件下的13 813 kg/hm2。灌水的产量效应受年内降水分布的影响，在2013和2014季灌水分别通过增加千粒质量和每平方米粒数来提高产量。年份主要通过影响达到最大生长速率和进入快速生长期的时间来影响冬小麦干物质积累过程。

2）施氮能显著提高干物质积累的最大速率和平均速率，缩短达到最大生长速率的时间。施氮在0～105 kg/hm2时，干物质积累的平均速率由6.01提高到9.26 kg/℃，最大速率由10.95提高到17.15 kg/℃，继续施氮到210 kg/hm2，积累速率不再发生明显变化，但达到最大生长速率的时间明显提前。在施氮0～210 kg/hm2范围内，最大干物质量和产量均随着施氮量的增加而增大，施氮主要通过增加每平方米粒数来提高产量。在该地区施氮210 kg/hm2冬小麦可以获得较高的干物质量和产量。

3）产量、每平方米粒数均与干物质积累过程的平均和最大速率呈显著正相关，表明在该研究地区氮肥供应状况是限制小麦产量提升的主要因素。

本研究所得到的结论基于2年的大田试验，需要进一步加强在多年多站点的验证。

[参考文献]

[1] Whisler F， Acock B， Baker D， et al. Crop simulation-models in agronomic systems[J]. Advances in Agronomy， 1986，40（1）: 141－208.

[2] Royo C， Blanco R. Growth analysis of five spring and five winter triticale genotypes[J]. Agronomy Journal， 1999， 91（2）: 305－311.

[3] Richards F. A flexible growth function for empirical use [J]. Journal of Experimental Botany， 1959， 10（2）: 290－301.

[4] 王信理. 在作物干物质积累的动态模拟中如何合理运用Logistic方程[J]. 中国农业气象，1986，7（1）：14－19. Wang Xinli. How to use logistic equation in dynamic simulation of dry matter production[J]. Chinese Journal of Agrometeorology， 1986， 7（1）: 14－19. （in Chinese with English abstract）

[5] 赵姣，郑志芳，方艳茹，等. 基于动态模拟模型分析冬小麦干物质积累特征对产量的影响[J]. 作物学报，2013，39（2）：300－308. Zhao Jiao， Zheng Zhifang， Fang Yanru， et al. Effect of dry matter accumulation characteristics on yield of winter wheat analyzed by dynamic simulation model[J]. Acta Agronomica Sinica， 2013， 39（2）: 300－308. （in Chinese with English abstract）

[6] 肖强，闫连波，朱欣宇，等. 夏玉米植株干物质、氮磷钾养分积累速度和时间的动态分析[J]. 植物营养与肥料学报，2014，20（3）：606－612. Xiao Qiang， Yan Lianbo， Zhu Xinyu， et al. Dynamic analysis of dry matter and NPK accumulation with time in summer maize[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer， 2014，20（3）: 606－612. （in Chinese with English abstract）

[7] 邢黎峰，孙明高，王元军. 生物生长的Richards模型[J]. 生物数学学报，1998，13（3）：348－353. Xing Lifeng， Sun Minggao， Wang Yuanjun. Richards growth model of living-organism[J]. Journal of Biomathematics，1998， 13（3）: 348－353. （in Chinese with English abstract）

[8] 李国强，汤亮，张文宇，等. 不同株型小麦干物质积累与分配对氮肥响应的动态分析[J]. 作物学报，2009，35（12）：2258－2265. Li Guoqiang， Tang Liang， Zhang Wenyu， et al. Dynamic analysis on response of dry matter accumulation and partitioning to nitrogen fertilizer in wheat cultivars with different plant types[J]. Acta Agronomica Sinica， 2009，35（12）: 2258－2265. （in Chinese with English abstract）

[9] 李艳大，汤亮，陈青春，等. 水稻地上部干物质积累动态的定量模拟[J]. 应用生态学报，2010，21（6）：1504－1510. Li Yanda， Tang liang， Chen Qingchun， et al. Dry matter accumulation in rice aboveground part: Quantitative simulation[J]. Chinese Journal of Applied Ecology， 2010，21（6）: 1504－1510. （in Chinese with English abstract）

[10] 李向岭，赵明，李从锋，等. 播期和密度对玉米干物质积累动态的影响及其模型的建立[J]. 作物学报，2010，36（12）：2143－2153. Li Xiangling， Zhao Ming， Li Congfeng， et al. Effect of sowing-date and planting density on dry matter accumulation dynamic and establishment of its simulated model in maize[J]. Acta Agronomica Sinica， 2010， 36（12）: 2143－2153. （in Chinese with English abstract）

[11] 刘娟，熊淑萍，杨阳，等. 基于归一化法的小麦干物质积累动态预测模型[J]. 生态学报，2012，32（17）：5512－5520. Liu Juan， Xiong Shuping， Yang Yang， et al. A model to predict dry matter accumulation dynamics in wheat based on the normalized method[J]. Acta Ecologica Sinica， 2012，32（17）: 5512－5520. （in Chinese with English abstract）

[12] Villegas D， Aparicio N， Blanco R， et al. Biomass accumulation and main stem elongation of durum wheat grown under Mediterranean conditions[J]. Annals of Botany，2001， 88（4）: 617－627.

[13] 吕丽华，董志强，张经廷，等. 水氮对冬小麦-夏玉米产量及氮利用效应研究[J]. 中国农业科学，2014，47（19）：3839－3849. Lü Lihua， Dong Zhiqiang， Zhang Jingting， et al. Effect of water and nitrogen on yield and nitrogen utilization of winter wheat and summer maize[J]. Scientia Agricultura Sinica，2014， 47（19）: 3839－3849. （in Chinese with English abstract）

[14] Andraski T W， Bundy L G， Brye K R. Crop management and corn nitrogen rate effects on nitrate leaching[J]. Journal of Environmental Quality， 2000， 29（4）: 1095－1103.

[15] 付秋萍. 黄土高原冬小麦水氮高效利用及优化耦合研究[D].北京：中国科学院大学，2013. Fu Qiuping. Study of Water and Fertilizer Efficient Utilization and Coupling on Winter Wheat of the Loess Plateau[D]. Beijing: The University of Chinese Academy of Sciences， 2013. （in Chinese with English abstract）

[16] 高亚军，郑险峰，李世清，等. 农田秸秆覆盖条件下冬小麦增产的水氮条件[J]. 农业工程学报，2008，24（1）：55－59. Gao Yajun， Zheng Xianfeng， Li Shiqing， et al. Requirements of water and nitrogenous fertilizer to increase winter wheat yield under straw mulch[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2008， 24（1）: 55－59. （in Chinese with English abstract）

[17] McMaster G S， Wilhelm W W. Growing degree-days: one equation， two interpretations[J]. Agricultural and Forest Meteorology， 1997， 87（4）: 291－300.

[18] Porter J R， Gawith M. Temperatures and the growth and development of wheat: a review[J]. European Journal of Agronomy， 1999， 10（1）: 23－36.

[19] Wang Xiangxiang， Wang Quanjiu， Fan Jun， et al. Logistic model analysis of winter wheat growth on China’s Loess Plateau[J]. Canadian Journal of Plant Science， 2014， 94（8）: 1471－1479.

[20] Johnen T， Boettcher U， Kage H. A variable thermal time of the double ridge to flag leaf emergence phase improves the predictive quality of a CERES-Wheat type phenology model[J]. Computers and Electronics in Agriculture， 2012， 89: 62－69.

[21] Darroch B A and Baker R J. Grain filling in three spring wheat genotypes: statistical analysis[J]. Crop Science， 1990，30（3）: 525－529.

[22] Keuls M and Frida Garretsen. Statistical analysis of growth curves in plant breeding[J]. Euphytica， 1982， 31（1）: 51－64.

[23] 惠海滨，刘义国，刘家斌，等. 灌水量和灌水期对超高产小麦花后旗叶衰老及产量的影响[J]. 农学学报，2012，2（5）：17－23. Hui Haibin， Liu Yiguo， Liu Jiabin， et al. Effects of irrigation amount and stage on the flag leaf senescence and yield of super-high-yield wheat after anthesis[J]. Journal of Agriculture，2012， 2（5）: 17－23. （in Chinese with English abstract）

[24] 郝树荣，郭相平，王文娟. 不同时期水分胁迫对玉米生长的后效性影响[J]. 农业工程学报，2010，26（7）：71－75. Hao Shurong， Guo Xiangping， Wang Wenjuan. After effects of water stress on corn growth at different stages[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2010， 26（7）: 71－75. （in Chinese with English abstract）

[25] Wang Dong， Yu Zhenwen， White P J. The effect of supplemental irrigation after jointing on leaf senescence and grain filling in wheat[J]. Field Crops Research， 2013， 151: 35－44.

[26] Shimshi D. The effect of nitrogen supply on some indices of plant-water relations of beans （phɑseolus vulgɑris l.）[J]. New Phytologist， 1970， 69（2）: 413－424.

[27] 赵雪飞，王丽金，李瑞奇，等. 不同灌水次数和施氮量对冬小麦群体动态和产量的影响[J]. 麦类作物学报，2009，29（6）：1004－1009. Zhao Xuefei， Wang Lijin， Li Ruiqi， et al. Effect of irrigation times and nitrogen application rate on population dynamics and grain yield of winter wheat[J]. Journal of Triticeae Crops，2009， 29（6）: 1004－1009. （in Chinese with English abstract）

[28] 吴立峰. 不同灌水和施氮对河西地区春小麦生长和水分利用的影响[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2011. Wu Lifeng. Effects of Different Irrigation and Nitrogen Application on Growth and Water Utilization of Spring Wheat in Hexi Oasis[D]. Yangling: Northwest A＆F University， 2011. （in Chinese with English abstract）

[29] Karam F， Kabalan R， Breidi J， et al. Yield and water-production functions of two durum wheat cultivars grown under different irrigation and nitrogen regimes[J]. Agricultural Water Management， 2009， 96（4）: 603－615.

[30] 于亚军，李军，贾志宽，等. 旱作农田水肥耦合研究进展[J].干旱地区农业研究，2005，23（3）：220－224. Yu Yajun， Li Jun， Jia Zhikuan， et al. Research progress of water and fertilizer coupling on dryland[J]. Agricultural Research in the Arid Areas， 2005， 23（3）: 220－224. （in Chinese with English abstract）

[31] 高亚军，李生秀. 北方旱区农田水肥效应分析[J]. 中国工程科学，2002，4（7）：74－79. Gao Yajun， Li Shengxiu. Analysis of the effect of water and fertilizer on crop production In farmland ofarid zone in northern china[J]. Engineering Science， 2002， 4（7）: 74－79. （in Chinese with English abstract）

[32] 王丹，李玉中，李巧珍，等. 不同水肥组合对冬小麦产量的影响[J]. 中国农业气象，2010，31（1）：28－31. Wang Dan， Li Yuzhong， Li Qiaozhen， et al. Effect of combined treatment of fertilizer and water on winter wheat yiel[J]. Chinese Journal of Agrometeorolog， 2010， 31（1）: 28－31. （in Chinese with English abstract）

[33] 张玉铭，张佳宝，胡春胜，等. 水肥耦合对华北高产农区小麦-玉米产量和土壤硝态氮淋失风险的影响[J]. 中国生态农业学报，2011，19（3）：532－539. Zhang Yuming， Zhang Jiabao， Hu Chunsheng， et al. Effect of fertilization and irrigation on wheat-maize yield and soil nitrate nitrogen leaching in high agricultural yield region in North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture，2011， 19（3）: 532－539. （in Chinese with English abstract）

[34] 李玉山，张孝中，郭民航. 黄土高原南部作物水肥产量效应的田间研究[J]. 土壤学报，1990，27（1）：1－7. Li Yushan， Zhong Xiaozhong， Guo Minhang. The field experiments on the field-responce of crops to water and fertility in the south of the loess plateau[J]. Acta Pedologica Sinica， 1990， 27（1）: 1－7. （in Chinese with English abstract）

Effects of irrigation and nitrogen regimes on dry matter dynamic accumulation and yield of winter wheat

Son g Mingdan1,3, Li Zhengpeng1,3, Feng Hao1,2,3※
（1. Institute of Soil ɑnd Wɑter Conservɑtion, Northwest A＆F University, Yɑngling 712100， Chinɑ; 2. Institute of Soil ɑnd Wɑter Conservɑtion, Chinese Acɑdemy of Sciences ɑnd Ministry of Wɑter Resources, Yɑngling 712100, Chinɑ; 3. Institute of Wɑter Sɑving Agriculture in Arid Areɑs of Chinɑ, Northwest A＆F University， Yɑngling 712100， Chinɑ）

Abstract:Wheat yield formation is mainly dependent on dry matter accumulation， which is influenced by irrigation and nitrogen input. It will be very helpful for improving yield to understand how irrigation and nitrogen affect wheat dry matter accumulation. Field experiments over 2 years with three-level irrigation and four-level nitrogen input for winter wheat were conducted during 2012-2014 in Guanzhong Plain located in Shaanxi Province， China. Dry matter accumulation with growing degree day was fitted by Richards function， and 5 derived characteristic parameters were analyzed using the univariate analysis of variance （ANOVA） and the multivariate analysis of variance （MANOVA）， the result of which was more appropriate when there were significant correlations among dependent variables. None of the 5 derived characteristic parameters of dry matter accumulation was significantly influenced by the interaction of irrigation and nitrogen fertilization. None of irrigation， nitrogen and year had a significant effect on the function parameter b and c. Irrigation significantly prolonged the thermal time required for the entire dry matter accumulation process and then led to an increase of dry matter at maturity from 10 831 kg/hm2under rainfed condition to 13 813 kg/hm2with irrigation at wintering and jointing stages. Nitrogen fertilization significantly enhanced the average and maximum rate of dry matter accumulation， and shortened the thermal time achieving the maximum rate of dry matter accumulation since sowing. Dry matter at maturity significantly increased from 8 001 to 14 112 kg/hm2under the nitrogen input from 0 to 210 kg/hm2in this study. No more dry matter was gained from more nitrogen input. Weather conditions over 2 years had a significant effect on the thermal time entering the rapid growth stage and achieving the maximum growth rate since sowing， but had no significant effect on the maximum of dry matter. The effect of irrigation on yield and yield components varied with weather conditions in study period. Irrigation significantly increased the yield and the weight of 1 000 grains in 2012-2013， however， it had no significant effect on those in 2013-2014. The weight of 1 000 grains evolved from 35.8 under rainfed condition to 41.7 g with irrigation at wintering and jointing in 2012-2013， which resulted that the corresponding yield increased from 4.74 to 6.29 t/hm2. In 2013-2014， irrigation significantly enhanced the grain number per square meter from 13 833 under rainfed to 15 749 with irrigation at winter and jointing. Yield and grain number per square meter were significantly influenced by nitrogen， while nitrogen had no effect on the weight of 1 000 grains over 2 years. Grain number per square meter increased from 10 414 to 15 911 as nitrogen input increased from 0 to 210 kg/hm2， which contributed to the corresponding increase of yield from 4.42 to 6.96 t/hm2. No more yield and grain number were gained from more nitrogen input， which indicated the nitrogen rate of 210 kg/hm2would be sufficient for wheat growth and yield formation. The interaction of irrigation and nitrogen had no effect on yield and yield components during 2012-2014. The yield had a higher correlation with grain number per square meter than with the weight of 1 000 grains， which indicated that yield was largely determined by grain number. Both of yield and grain number per square meter had a strong correlation with the average and maximum rate of dry matter accumulation， which indicated improving the rate of dry matter accumulation would be a promising measure to raise yield in the future. This also indicated that nitrogen was the limited factor to wheat grain yield improvement in this study area. The results obtained in this research provide scientific basis and valuable information for selecting the optimum irrigation and nitrogen regimes in semi-arid regions of China.

Keywords:water content; nitrogen; crops; Richards function; yield components; interaction of water and nitrogen

通信作者：※冯浩，男，陕西延安人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为水土资源高效利用研究。杨凌 西北农林科技大学水土保持研究所，712100。Email：nercwsi@vip.sina.com

作者简介：宋明丹，女，河北衡水人，博士生，主要研究方向为农业生态系统模拟研究。杨凌西北农林科技大学水土保持研究所，712100。

基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2013AA102904）；中国科学院重点部署项目（KFZD-SW-306-1）；高等学校学科创新引智计划（111 计划）资助项目（B12007）

收稿日期：2015-11-01

修订日期：2015-12-15

中图分类号：S512.1; S184

文献标志码：A

文章编号：1002-6819（2016）-02-0119-08

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.018