基于不同底墒的最优水肥调控方案研究

许卫娜 杨宝平 丁瑞霞 聂俊峰 韩清芳 贾志宽

(1.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院， 陕西杨凌 712100；2.农业农村部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室， 陕西杨凌 712100)

0 引言

水资源短缺已成为制约我国北方地区农业可持续发展的瓶颈。干旱半干旱区是典型的旱作农业区，该地区自然降水少、年际变率大，且季节分布不均匀，60%的降水主要分布在7—9月。而冬小麦生育期正逢少雨季节，土壤表层经常处于干旱状态，降水不能满足植物生长需要，须靠播种前土层丰富的蓄水量维持较高的产量，这严重限制了肥料的吸收利用。大量的肥料投入促进了作物产量的提高，但由于利用率低下带来了严重的环境问题[1-2]。如何利用播前土壤蓄水量确定肥料的投入是确保该区域粮食稳产、高效的主要措施。

肥和水是作物生长不可缺少的两个主要因素，其相互促进、相互制约[3-4]。研究发现，施肥的增产效果与土壤水分状况密切相关，不同供水条件下的施肥效果有很大差别[3,5-9]。在水分适宜范围内，高湿度土壤形成的产量高、氮素利用率高[10]；在干旱条件下，小麦对施肥的效应高度依赖于生育期土壤的有效水含量[11]。

在旱地农业中，如何有效地提高降水-土壤水-作物水-光合作用-干物质积累-经济产量间的转化效率，并创建有利于农业可持续发展的农田生态环境，是我国农业生产长期需要研究解决的问题。作物水分利用效率与产量是作物生产追求的两大目标。以兼顾这两大指标为目标确定作物水肥优化耦合区域，学者们进行了大量的研究[12-18]。LIU等[19]和FU等[20]利用弹性系数得出作物获得最大产量和水分利用效率的水肥投入量。对两个或两个以上指标进行综合评价，在理论上可以通过对各指标的多元回归联合求解获得兼顾各指标的最优水肥组合，但是由于指标间的相互制约作用，该极值往往难以求出，而且由于试验处理有限，潜在最优处理有可能在所设处理之外，因此得出的最优处理的代表性较差。然而，利用空间分析方法[21]对各指标多元回归方程所得三维曲面进行水平投影，寻找各指标可接受区域(例如，大于等于0.95最大值)的重叠区，即可得到兼顾各指标的最优组合范围。在干旱半干旱区，应有效利用播前0～200 cm土层的土壤水分含量(底墒)进行肥水运筹，以推动水资源严重短缺区域发展提质增效的适水农业[22]。

本研究在大型防雨池栽条件下，播前精准设置不同底墒、生育期补水量、施氮量，运用多元回归分析不同水肥条件与产量、水分利用效率的关系，并结合空间分析方法对小麦各指标进行综合评价，以期确定兼顾作物产量和水分利用效率的最优水肥方案，为优化该地区冬小麦绿色高效生产的水肥精准投入提供理论依据与技术支持。

1 材料和方法

1.1 试验材料和设计

试验于2013—2015年在西北农林科技大学旱区节水农业研究院大型作物控水监测试验场启闭式防雨棚下进行。该试验场位于陕西省杨凌区(北纬34°18′，东经108°4′，海拔466.7 m)，属暖温带半湿润易旱气候区，试验年的气候变化见表1。试验小区为面积6.7 m2(3.15 m×2.13 m)的水泥池，池深3 m，每池四周为17 cm厚水泥墙，用以防止水分水平交换。池中土壤为深2.5 m垆土原状土柱(原位土)，分层填入。池底部设有滤层(0.5 m厚沙子和石子)和排水管，以防池底积水。遇雨雪盖棚，全年防雨水进入。0～60 cm土层土壤基础养分见表2。

表1 2013—2015年的气候变化Tab.1 Weather data change during 2013—2015

表2 供试土壤基础养分Tab.2 Basic nutrient of tested soil

试验采用裂-裂-区设计，2次重复。土壤底墒(WB)为主区处理，3个土壤底墒分别为 350、 450、650 mm，即在每年八月和九月灌溉100、200、350 mm，进行人工造墒，播种前再测墒补灌调整至试验设计底墒。施氮量(N)为副区处理，4个施氮量，即0 kg/hm2(N0)、105 kg/hm2(N105)、210 kg/hm2(N210)、315 kg/hm2(N315)。播种前基施纯磷126 kg/hm2和纯钾31 kg/hm2。所有肥料于播前整地时一次性均匀撒施于地表然后深翻土壤(20～25 cm)，氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O516%)，钾肥为硫酸钾(含K2O 45%)。生育期间补水量(R)为副副区处理，4个补水量，即0 mm(R0)、56.3 mm(R1)、78.1 mm(R2)、100 mm (R3)，具体补水量见表3，用水表计量，池内每小区又分成4个微区进行均匀微滴灌补水，以减少侧渗(漏)，确保入渗率。

表3 补水量方案Tab.3 Supplemental water scheme mm

底墒依据中国北方半湿润偏旱区30年冬小麦播种期的0～200 cm土壤蓄水量变化状况进行设置；补水量按照中国北方旱作麦区30年小麦返青后(2月—成熟)不同降雨年型分别模拟控制；施氮量依据唐拴虎等[23]的研究，施氮量与降水量呈二次函数关系，降水偏少地区施纯氮量为75 kg/hm2最佳，降水较多的地区要获得小麦最高产量，应以高肥纯氮(112.5～150 kg/hm2)最佳。参照以上研究结果并结合当地实际情况，确定试验方案。

以冬小麦长旱58(半冬性旱地国审品种)为供试材料，于每年10月中旬播种，播种量135 kg/hm2，行距25 cm，人工开沟点播，株距1.5 cm，深度5～7 cm，播后用水平尺测平，以利于后期均匀补水。出苗三叶期后定苗，于每年6月上旬收获。

1.2 测定指标和方法

冬小麦播种前、收获后各处理小区测定土层0～200 cm的土壤含水率。0～30 cm用常规土钻取土烘干法测定，40～200 cm用TDR时域反射计(TRIME-FM型，德国IMKO公司)测定，间隔10 cm。

成熟时分区测产，每处理选取无明显缺苗断垄的3个1 m2进行收获，同时每小区选取有代表性的30 株冬小麦按常规法进行室内单株考种分析。土壤蓄水量计算式为

W=∑WiDiHi×10/100

式中W——土壤蓄水量，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

作物耗水量计算式为

ET=R+ΔW

式中ET——作物生育期内耗水量，mm

R——生育期内补水量，mm

ΔW——播前期与收获期0～200 cm土壤蓄水量差值，mm

水分利用效率计算式为

式中WUE——水分利用效率，kg/(hm2·mm)

Y——冬小麦产量，kg/hm2

1.3 数据分析

试验数据采用SPSS 17.0软件进行方差(ANOVA)分析，采用LSD法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 水肥对产量和水分利用效率的影响

根据各处理产量、水分利用效率结果进行回归模拟，建立两年产量、水分利用效率与底墒、施氮量和补水量的模型。

2013—2014年模型为

(1)

(2)

2014—2015年模型为

(3)

(4)

式中WB——底墒,mmN——施氮量,kg/hm2

t0～t9——各方程回归系数t检验值

其中，*表示差异显著，**表示差异极显著。经检验：2013—2014年度，方差检验量F分别为514.932 7**、57.261 1**，拟合优度分别为0.985 8**、0.901 9**；2014—2015年度，方差检验量F分别为227.179 5**、56.869 4**，拟合优度分别为0.968 8**、0.908 9**。模型系数差异极显著，该模型能反映产量、水分利用效率的变化过程。

通过优化设计，剔除不显著项后，只有常数项、底墒、施氮量和补水量的系数有变化，而且变化很小。所以，本研究选用剔除不显著项后的模型。

2013—2014年模型为

(5)

(6)

2014—2015年模型为

(7)

(8)

2.1.1底墒、施氮量、补水量的主因子效应

根据式(5)～(8)回归系数和t值可知，各试验因素均有明显的增产作用，对产量影响由大到小依次为底墒、施氮量、补水量，对水分利用效率影响由大到小依次为底墒、补水量、施氮量。底墒和施氮量的交互项系数为正值，说明底墒和施氮量间存在相互促进作用，底墒和补水量的交互项系数为负值，说明底墒与补水量间存在互相替代作用。底墒、施氮量二次项系数均为负值，可知在设计范围内产量、水分利用效率随着底墒和施氮量的增加而增加，最后将呈逐渐降低的趋势，过多水肥投入，不仅增加生产成本，而且会使产量和水分利用效率降低。

2.1.2底墒、施氮量、补水量的单因子效应

由图1a、1b(图中试验因子水平为各实验值与最大实际值之比，下同)可看出，产量随施氮量的增加呈抛物线变化，存在产量最高点，继续增加施氮量产量降低；随着土壤底墒和补水量的增加，产量显著增加。由图1c、1d可知，水分利用效率随土壤底墒、施氮量的增加呈抛物线变化，存在水分利用效率最大点，继续增加底墒、施氮量水分利用效率降低。随着补水量的增加，水分利用效率提高。

2.1.3底墒、施氮量、补水量的单因子边际效应

图2表明，底墒、施氮量两因子的边际产量、边际水分利用效率效应随投入量的增加呈递减趋势，且施氮量边际产量效应的递减大于底墒，底墒边际水分利用效率的递减大于施氮量；而补水量因子的边际产量、边际水分利用效率效应随着补水量的增大几乎不变，说明补水量对边际产量、边际水分利用效率几乎无影响。边际效应曲线分别与x轴相交之处为最适宜投入量。在最适宜投入量之前，边际产量、边际水分利用效率为正效应，亦说明随着投入量的增加，边际产量、边际水分利用效率的累加值增大。超过最适宜投入量后，边际产量、边际水分利用效率为负效应，进一步表明再增加投入量，边际产量、边际水分利用效率的累加值减小。

2.1.4底墒、施氮量、补水量的交互效应

根据式(1)～(4)回归系数和t值可知，两两因子间都表现出交互作用，其对产量影响由大到小依次为底墒与施氮量的交互作用、底墒与补水量的交互作用、施氮量与补水量的交互作用；其对水分利用效率影响由大到小依次为底墒与补水量的交互作用、底墒与施氮量的交互作用、施氮量与补水量的交互作用。其中，底墒和施氮量的交互项系数为正值，说明底墒与施氮量具有明显的相互促进作用。

(1)施氮量和补水量的交互效应

由图3可看出，当补水量固定，产量、水分利用效率随着施氮量的增加有提高的趋势，但超过一定施氮量后产量、水分利用效率有所降低，产量、水分利用效率具有最高点。同理，施氮量固定时，产量随补水量的增加而增加；而水分利用效率随着补水量的增加有提高的趋势，但超过一定补水量后水分利用效率降低。但是，随着补水量的增加，产量、水分利用效率达到最高点的施氮量有所不同。在补水量较低时，较高的施氮量才可以使产量、水分利用效率达到最高点。继续增加施氮量，则产量、水分利用效率下降。

由图3也可看出，补水量与施氮量两因子同时变化对产量、水分利用效率的影响比单因子影响更为敏感和剧烈。如2013—2014年，在不补水不施肥的条件下(R=0 mm,N=0 kg/hm2)，产量、水分利用效率最低，产量仅为1 343.0 kg/hm2，水分利用效率为19.4 kg/(hm2·mm)，随着补水量和施氮量的同时增加，产量、水分利用效率提高较快，当补水量和施氮量增加到R=100 mm、N=151.2 kg/hm2时，产量达到最高点，为2 833.3 kg/hm2；当补水量和施氮量增加到R=100 mm、N=186.5 kg/hm2时，水分利用效率达到最高点，为25.2 kg/(hm2·mm)。

(2)底墒与施氮量的交互效应

由图4可看出，当底墒固定，产量、水分利用效率随着施氮量的增加有提高的趋势，但超过一定施氮量后产量、水分利用效率有所降低，产量、水分利用效率具有最高点。同样，施氮量固定时，产量随底墒的增加而增加，水分利用效率随着底墒的增加有提高的趋势，但超过一定底墒水平后水分利用效率有所降低，有水分利用效率最高点。但是，随着底墒的增加，产量、水分利用效率达到最高点的施氮量不同。底墒较低时，产量随施氮量的增加幅度较大，水分利用效率随施氮量的增加幅度较小。当底墒最低(WB=350 mm)时，施氮量N由0 kg/hm2增加至144.7 kg/hm2，产量增幅为213.0%；施氮量N由0 kg/hm2增加至86.5 kg/hm2，水分利用效率增幅为6.5%。当底墒WB=650 mm时，施氮量N由0 kg/hm2增加至170.2 kg/hm2，产量增幅为18.9%；施氮量N由0 kg/hm2增加至131.5 kg/hm2，水分利用效率增幅为22.4%。当施氮量较低时，较高的底墒可以达到产量、水分利用效率最高点。

由图4也可看出，底墒与施氮量两因子同时变化对产量、水分利用效率的影响比单因子影响更为敏感和剧烈。在低底墒不施肥的条件下(WB=350 mm，N=0 kg/hm2)，产量最低，仅为294.9 kg/hm2，水分利用效率仅为11.6 kg/(hm2·mm)，随着底墒和施氮量的同时增加，产量、水分利用效率迅速提高，当底墒和施氮量增加到WB=650 mm、N=170.2 kg/hm2时，产量达到最高点，为5 458.1 kg/hm2；当底墒和施氮量增加到WB=550 mm、N=202.5 kg/hm2时，水分利用效率达到最高点，为30.1 kg/(hm2·mm)。

(3)底墒与补水量的交互效应

由图5可看出，无论底墒如何，产量均随补水量的增加而增加。当底墒固定在较低水平，水分利用效率随着补水量的增加而增加，当底墒固定在较高水平，水分利用效率随着补水量的增加而减少。同理，无论补水多少，产量均随底墒的增加而增加。当补水量固定时，水分利用效率随底墒的增加有提高的趋势，但超过一定底墒水平后水分利用效率有所降低，有水分利用效率最高点。但是，随着底墒的增加，水分利用效率达到最高点的补水量不同。

随着底墒和补水量的同时增加，产量迅速提高，且在补水量和底墒最高时，产量可达最高。在补水量较低时，较高的底墒条件才可以达到水分利用效率最高点。如2013—2014年，当补水量最低(R=0 mm)时，达到水分利用效率最高点的底墒为WB=572.5 mm，最大水分利用效率为29.9 kg/(hm2·mm)，底墒继续增加，则水分利用效率开始下降，当底墒达到最大值，即WB=650 mm时，水分利用效率下降到27.4 kg/(hm2·mm)。当补水量提高时，在较低的底墒条件下水分利用效率就能达到最高点，如R=56.3 mm时，WB=558.5 mm，水分利用效率就能达到最高点，为29.5 kg/(hm2·mm)。同理，当底墒较低时，较多的补水可以达到水分利用效率最高点。由图5也可看出，底墒与补水量两因子同时变化对水分利用效率的影响比单因子影响更为敏感和剧烈。在低底墒不补水的条件下(WB=350 mm，R=0 mm)，水分利用效率为10.0 kg/(hm2·mm)，随着底墒和补水量的同时增加，水分利用效率迅速增大，当底墒和补水量为WB=585 mm、R=0 mm时，水分利用效率达到最高点，为29.8 kg/(hm2·mm)。

上述分析也说明，在旱区冬小麦生产管理中，肥料的施用量应依据土壤底墒和补水量而定，同样，补水量应依据施氮量来确定。底墒、施氮量、补水量不足达不到高产，底墒、施氮量、补水量过多不仅浪费水肥资源，而且会降低产量。只有合理的肥、水配合，才能发挥出最佳交互耦合作用，获得最高产量的同时，实现水肥资源高效利用。

2.2 水肥耦合区域

通过空间分析方法对各指标多元回归方程所得三维曲面进行水平投影，寻找各指标可接受区域(大于等于0.95最大值)的重叠区，即可得到兼顾各指标的最优组合范围。将产量、水分利用效率两项指标95%最大值的等值线投影后得到综合分析图(图6中阴影区域表示产量和水分利用效率同时大于等于0.95最大值的可接受区域)，由图6可知，产量、WUE同时达到大于等于0.95最大值的补水施肥区间，在底墒为650 mm时，两种因素的可接受区域没有重叠区(图6a、6b)。在底墒为450 mm时，重叠区域为补水量90～100 mm和施氮量104.5～224.5 kg/hm2(图6c、6d)。在底墒为350 mm时，重叠区域为补水量94.3～100 mm和施氮量105.8～186.4 kg/hm2(图6e、6f)。在底墒为650 mm，产量达到大于等于0.95最大值，水分利用效率大于等于0.85最大值所对应的水氮范围分别为71～100 mm和141.2～264.8 kg/hm2。

3 讨论

产量与水分利用效率是决定冬小麦经济效益的首要指标，提高产量与水分利用效率是实现高产高效的基础。水肥是影响冬小麦产量及水分利用效率的重要因素，“以肥调水”对提高作物的产量及水分利用效率有极其重要的作用[24-25]。研究表明，底墒是影响冬小麦产量和水分利用效率的主要因素[26]，这与本研究结果一致。已有研究亦表明，施肥对提高冬小麦产量的影响大于灌溉[27]。适量施肥明显提高产量和水分利用效率，而施肥过量则会降低产量和水分利用效率[12,28-30]。施肥促进了作物的根系发育，增加了对土壤水分的吸收利用，形成了更多的经济产量[31]，这与本试验结果相一致。多数研究指出，改善水分条件可以协调产量构成因素，提高产量[32-33]；在高湿度条件下水分利用效率随着灌溉量的增加而降低[34]，在干旱条件下，水分利用效率随着灌溉量的增加而增加[35]，这也与本试验条件下中低底墒的研究结果相一致。

研究认为灌水量与施氮量的交互作用显著，而且以高水高肥对作物增产作用明显[12,36]。本研究结果表明，水肥耦合尤其底墒与施肥交互作用对旱作冬小麦产量的影响达到了显著水平。无论何种底墒，施肥均能增加作物的产量和水分利用效率，但当施氮量超过一定量时，产量和水分利用效率降低。随着底墒的增加，产量和水分利用效率达到最大时所用的施氮量不同，这与文献[37]研究结果一致。本试验结果亦表明，当补水量一定时，产量和水分利用效率随施氮量的增加呈开口向下的抛物线状，可能是过低或过高的肥料均不利于植株对水分的吸收和利用，从而造成减产；当施氮量一定时，随着补水量的增加，产量增加，底墒较高时水分利用效率降低，底墒较低时水分利用效率增加。

肥料的合理用量在很大程度上取决于土壤水分供应。LEGGETT等[38]提出根据作物生长期间降雨量确定施氮量的建议，党建忠等[39]提出根据土壤底墒和地力配方施肥技术。上述研究将施氮量与降雨量或播前土壤储水联系起来，但未将降雨量和播前土壤储水结合，而且未考虑降雨的入渗率。李生秀等[31]提出要较为准确地估计施氮量，可以有效水量(播前土壤储水量加上作物生长期间降雨的入渗水量)的利用效率、土壤养分丰缺程度或当前产量水平为依据，计算达到预定产量时的施氮量，但都是大田试验，没有明确播前底墒状况，无法准确计算、控制生育期降雨量(补水量)，有些虽考虑底墒，但不包含3种年型的底墒设置。本研究模拟更为接近大田环境条件，在中低肥力土壤上，依据播前土壤有效底墒，通过设置能够充分代表整个旱区的底墒水平，由移动式大棚严格控制生育期降雨量(依据30年生育期平均降雨量保证率的60%采用精准补灌的方式补入，即补水量)，结果表明，根据底墒状况和生育期降雨对旱地小麦进行量水配方施肥，能使降水与施肥有机结合，以肥调水，以水促肥，肥水相济，充分发挥降水的生产潜力和施肥的经济效益，实现绿色发展。

运用空间分析方法确定的水肥耦合优化区域是兼顾最大产量和最高水分利用效率两大目标而确定的，直接反映了最优的水肥投入量，推动农业适水发展与绿色高效节水，为旱区实际生产中的以水生产、量水施肥以及旱区冬小麦水肥调控提供了参考。

4 结论

(1)分别建立了旱区冬小麦产量、水分利用效率与底墒、施氮量和补水量的三元二次回归模型，并进行了系数检验，通过系数检验排除不显著项，重新建立的回归模型达到极显著水平。

(2)对产量、水分利用效率回归模型分别进行单因素效应分析、单因素边际效应分析以及各因素耦合效应分析，得到3个因素对产量影响顺序由大到小依次为底墒、施氮量、补水量，对水分利用效率影响顺序由大到小依次为底墒、补水量、施氮量。随施氮量的增加，产量、水分利用效率呈抛物线变化，存在产量最高点，继续增加施氮量则产量降低；产量随土壤底墒增加而增加，水分利用效率呈抛物线变化，存在水分利用效率最大点，继续增加底墒则水分利用效率降低。产量、水分利用效率随补水量的增加而提高。各耦合效应对产量的影响顺序由大到小依次为底墒与施氮量的交互作用、底墒与补水量的交互作用、施氮量与补水量的交互作用，对水分利用效率影响顺序由大到小依次为底墒与补水量的交互作用、底墒与施氮量的交互作用、施氮量与补水量的交互作用。其中，底墒和施氮量的交互项系数为正值，说明底墒与施氮量具有明显的相互促进作用。

(3)在旱作区冬小麦生产管理中，测定播前底墒，根据气象资料预测计算而设置补水量，通过水肥优化区域确定合理的施氮量、补水量优化方案为：在底墒为650 mm时，两种因素可接受区域没有重叠区；在底墒为450 mm时，补水量90～100 mm和施氮量104.5～224.5 kg/hm2。在底墒为350 mm时，补水量94.3～100 mm和施氮量105.8～186.4 kg/hm2较为科学。在底墒为650 mm时，产量达到大于等于0.95最大值，水分利用效率大于等于0.85最大值所对应的水氮范围分别为71～100 mm和141.2～264.8 kg/hm2。