華北地區寬壟溝灌下水氮耦合對冬小麥產量及水氮利用效率的影響

楊成宇

（華北水利水電大學水利學院，河南鄭州 450046）

我國是世界上人口最多的國家，保證糧食安全在我國農業發展中具有領先指導地位[1]。河南省是我國糧食大省，2019 年糧食播種面積達到1.07×107hm2，糧食產量達到6.70×1010kg[2]。據文獻報道，糧食灌溉水量占河南省灌溉水量比值高達70%[3]，化肥施用量高達623 kg·hm-2，化肥過量施用程度十分嚴重[4]。

水、肥作為作物高產的兩大要素，因地制宜地制定水肥方案一直是國內專家學者研究的重點。劉見等認為噴灌條件下灌水定額為26～35 mm、施氮量為193～204 kg·hm-2時，水氮耦合能通過優化灌漿過程提高冬小麥產量[5]。張榮亭等認為滴灌條件下采取返青拔節期2次追肥可以有效提高小麥產量[6]。章杰等探明在關中平原冬小麥灌水量為90 mm，并采用尿素加硝化抑制劑時，冬小麥可維持較高產量和水肥利用效率[7]。華北地區土地廣闊且多為平原，灌溉方式以隔溝灌溉和小畦灌溉的地面灌為主[8]。汪順生等通過對比傳統平作畦灌和寬壟溝灌發現后者具有增加土壤透氣性，減少灌溉用水量等優點[9]。本試驗參考前人對水流特性[10]與灌水技術要素[11]的研究，設置寬壟溝灌灌水方式，在測定對比不同水氮處理下冬小麥產量及水氮利用效率指標的變化差異的基礎上，運用主成分分析法構建水氮耦合下的冬小麥產量及水氮利用效率的綜合評價指標，確定寬壟溝灌下冬小麥的最優水氮組合，旨在為華北地區寬壟溝灌下冬小麥的田間水氮優化管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況及試驗材料

試驗于2020 年10 月在河南省鄭州市節水農業重點實驗室進行，試驗地為粉砂質壤土，土壤0～100 cm土層內平均容重為1.35 g·cm-3，田間持水率為34%（體積含水率），土壤有機質含量870 mg·kg-1，全氮539 mg·kg-1，堿解氮55 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗按照文獻[9]設置如圖1 所示壟田規格參數的寬壟溝灌溉方式。采用密植小麥品種濟麥22，設計120 mm（W1）、210 mm（W2）、360 mm（W3）3 個灌水水平；120 kg·hm-2（N1）、220 kg·hm-2（N2）和320 kg·hm-2（N3）3個施氮水平。處理組按灌水量和施氮量從低到高排列，相鄰處理間設置1.5 m 寬保護行，小區面積948 m2（23.7 m×40 m），每個處理重復3次。

圖1 壟作溝灌布置示意圖

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產量測定

作物成熟后，每個試驗組收獲1 m2的植株樣品測定產量，并在各小區隨機選取10株小麥測定穗長、穗重、穗粒數、千粒重等指標。

1.3.2 土壤水分測定

在作物播種前、收獲后及全生育期內每隔7 d，用土鉆取樣烘干法測定土壤含水率，測深1.0 m，分5 層（層深20 cm），選取溝、壟作為觀測點。

1.3.3 植株全氮測定

作物成熟后，將植株樣本在烘箱內于105 ℃殺青45 min 然后放入80 ℃烘箱烘干至恒重，粉碎研磨過0.5 mm篩后各取0.5 g，經H2SO4-H2O2消煮，用凱氏定氮儀測定樣品全氮含量。

1.3.4 指標計算

（1）（2）（3）（4）式中，Qya為冬小麥產量，kg·hm-2；hET為全生育期內冬小麥耗水量，mm；mUN為作物全氮量，kg·hm-2；mTN為施氮量，kg·hm-2；hI為灌水量，mm；hP0為有效降水量，根據氣象資料全生育期內有效降水量為139.9 mm；hW0、hWt分別為冬小麥生育初期、生育末期的土壤儲水量。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2016 進行數據基本運算與制圖，SPSS 23進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 水氮耦合對冬小麥產量及產量因子的影響

2.1.1 水氮耦合對冬小麥產量及產量因子影響的方差分析

對冬小麥產量、穗長、穗重、千粒重進行方差分析，檢驗結果如表1 所示，可以看出冬小麥產量及構成因子在不同灌水水平下均達到極顯著差異水平，穗長、穗重在不同施氮水平下也達到極顯著差異水平。灌水水平對產量及構成因子的影響比施氮水平更大，水氮耦合雖然也對其產生影響，卻還沒有達到顯著水平。可見灌水水平主要通過影響穗長、穗重、千粒重影響產量，施氮水平主要通過影響穗長、穗重影響產量。

表1 水氮耦合對冬小麥產量及產量因子影響的方差分析

2.1.2 水氮耦合對冬小麥產量及產量因子的影響

從圖2 可以看出，隨著灌水量和施氮量的增加，冬小麥的產量及產量因子明顯增大。經過組間差異顯著性分析，穗重被分為7 個等級，是受影響最大的指標，除此之外產量與千粒重等級重合較多，如當灌水施肥處理為W2N1時，同時增加灌水量和施肥量到W3N3已經不能夠顯著提高產量，當灌水施肥處理為W2N2時，同時增加灌水量或施肥量不僅不能提高冬小麥產量及產量因子，反而會造成冬小麥減產。

圖2 不同水氮處理下冬小麥的產量和產量因子

冬小麥產量增幅達3.28%～28.47%，穗長增幅達8.35%～52.20%，穗重增幅達24.86%～68.55%，千粒重增幅達4.13%～19.07%。以W1產量最低組平均產量為對照組，冬小麥產量、穗長、穗重、千粒重在W2分別增長21.61%、28.25%、31.93%、12.15%，在W3分別增長18.43%、16.86%、24.32%、7.61%，可以看出中水處理比高水處理更有利于作物產量累積，灌水水平對穗重影響更大。以N1產量最低組平均產量為對照組，冬小麥產量、穗長、穗重、千粒重在N2分別增長5.10%、15.72%、20.13%、5.68%，在N3分別增長2.83%、6.41%、12.40%、3.01%，可以看出中肥處理比高肥處理對產量更有積極影響，且施肥對產量及產量因子的影響弱于灌水。

2.2 水氮耦合對冬小麥水氮利用效率的影響

2.2.1 水氮耦合對冬小麥水氮利用效率影響的方差分析

對冬小麥耗水量hET、全氮量mUN、水分利用效率ηWUE、氮肥生產效率ηNPFP、氮素吸收效率ηNUPE進行方差分析，檢驗結果如表2 所示，可以看出冬小麥水氮利用效率指標在不同灌水水平下均達到極顯著差異水平，全氮量、水分利用效率、氮肥生產效率、氮素吸收效率在不同施氮水平下也達到極顯著差異水平，除此之外水氮耦合對水分利用效率、氮肥生產效率、氮素吸收效率也產生了較大影響。灌水水平對耗水量、全氮量、水分利用效率的影響比施氮水平更大，施氮水平對氮肥生產效率、氮素吸收效率的影響比灌水水平更大。

表2 水氮耦合對冬小麥水氮利用效率影響的方差分析

2.2.2 水氮耦合對冬小麥水氮利用效率的影響

從表3 可以看出，隨著灌水量和施氮量的增加，冬小麥的水氮利用情況明顯不同。經過組間差異顯著性分析，當灌水施肥處理為W3N3時，減少灌水量或施氮量都會使耗水量減小；當灌水施肥處理為W2N1時，同時增加或減少灌水量和施氮量都不會使全氮量增加。

表3 水氮耦合對冬小麥水氮利用效率的影響

冬小麥水氮利用效率受不同水氮處理的影響較大，增加不同額度的灌水量都會造成耗水量的增加。以產量最低處理W1N1為對照組，耗水量增幅為0.30%～1.96%；全氮量增幅為-0.14%～74.38%，其中最大增幅發生在W2N2，最小增幅為負增長發生在W1N3；水分利用效率增幅為-8.67%～5.78%，其中W1N3的水分利用效率與W1N1相當，最大增幅發生在W2N2，最小增幅為負增長發生在W3N3；氮肥生產效率增幅為-61.27%～22.48%，其中只有W2N1與W3N1為正增長，最大增幅發生在W2N1，最大負增長發生在W1N3；氮素吸收效率增幅為-63.01%～42.47%，其中最大增幅發生在W2N1，其次是增幅為34.25% 的W3N1，其余處理均為負增長。

由表3 對比發現，在灌水量一致的情況下，N1處理組氮肥生產效率、氮素吸收效率ηNUPE更高，N2處理組全氮量、水分利用效率更大，N3處理組耗水量更大。以施氮量最少的N1為對照組，冬小麥耗水量、全氮量、水分利用效率、氮肥生產效率、氮素吸收效率在N2時分別增長2.52%、16.61%、2.36%、-42.68%、-36.73%，在N3分別增長2.86%、6.40%、-0.20%、-61.44%、-60.00%，可見耗水量的增加和施氮量的增加呈正相關關系，全氮量、水分利用效率隨施氮量的增加而先增加后減少，氮肥生產效率、氮素吸收效率與施氮量呈負相關關系。

在施氮量一致的情況下，W2處理組全氮量、水分利用效率更高，W3處理組耗水量、氮肥生產效率、氮素吸收效率更高。以灌水量最少的W1為對照組，冬小麥耗水量、全氮量、水分利用效率、氮肥生產效率、氮素吸收效率在W2時分別增長18.42%、50.75%、2.88%、11.41%、21.38%，在W3分別增長28.44%、37.97%、-7.68%、17.42%、37.93%，可見耗水量、氮肥生產效率、氮素吸收效率的增加和灌水量的增加呈正相關關系，全氮量、水分利用效率隨灌水量的增加而先增加后減少。

2.3 主成分分析水氮耦合對冬小麥產量及水氮利用效率的影響

2.3.1 冬小麥產量及水氮利用效率之間的相關性分析

由表4的相關性分析可知，冬小麥產量、穗長、穗重、千粒重、耗水量、全氮量之間的相關性均高于0.5，達到極顯著水平，水分利用效率、氮肥生產效率、氮素吸收效率與其他指標相關性不大且偶有負值，但氮肥生產效率、氮素吸收效率之間的相關性高于0.5，也達到極顯著水平。由此可見指標之間的聯系重疊交叉，利用KMO 和巴特利特檢驗指標的相關性與顯著性發現，KMO取樣適切性量數為0.577，sig為0，說明指標間存在較強聯系可以運用主成分分析提取公因子，構建更清晰且包含更多原始數據的綜合指標，為評價水氮耦合對冬小麥產量及水氮利用效率的影響提供依據。

表4 冬小麥產量及水氮利用效率之間的相關性分析

2.3.2 水氮耦合對冬小麥產量及水氮利用效率影響的主成分分析綜合評價模型

因冬小麥產量及產量因子和水氮利用效率指標的量綱不同，故進行主成分分析前運用SPSS進行標準化處理。因子分析如表5所示，發現當提取特征值超過1的變量時，x1～x9被分為3個成分，且對原始數據的貢獻率達到了94%。通過表6因子分析的成分矩陣發現，成分1中冬小麥產量、穗長、穗重、千粒重、耗水量、全氮量的得分更高，對原始數據的貢獻率達到了56.085%；成分2中氮肥生產效率、氮素吸收效率的得分更高，對原始數據的貢獻率達到了22.591%；成分3中水分利用效率的得分更高，對原始數據的貢獻率達到了15.323%，因此將綜合評價的指標命名為y1、y2、y3。對因子分析的成分矩陣進行主成分轉化，轉換后主成分指標y1～y3的前置系數如表7所示。則主成分指標y1～y3與冬小麥產量及水氮利用效率指標x1～x9的表現為：

表5 因子分析的總方差解釋

表6 因子分析的成分矩陣

表7 y1～y3的前置系數

綜合得分y=0.553y1+0.223y2+0.164y3

對綜合得分y進行歸一化處理得到y=0.589y1+0.237y2+0.174y3

對冬小麥不同水氮處理的綜合得分y進行對比和差異顯著性分析（見圖3），其中W1處理組均為負值，W2處理組均為正值，W3處理下N3為負值，其余為正值。W2N1、W2N2綜合得分最高，分別為0.88、0.90，這說明綜合考慮指標x1～x9，最優灌水水平為210 mm，優選施氮水平為120 kg·hm-2、220 kg·hm-2。

圖3 不同水氮處理的綜合得分

3 結論

本文根據寬壟溝灌下冬小麥試驗資料分析了水氮耦合對冬小麥產量、穗長、穗重、千粒重、耗水量、全氮量、水分利用效率、氮肥生產效率、氮素吸收效率的影響，運用主成分分析法建立了綜合評價模型。通過實例的計算和分析得到以下結論。

1）在寬壟溝灌灌溉方式下不同水氮處理對冬小麥產量及水氮利用效率影響顯著，但不同指標對水氮處理的響應存在差異。其中，冬小麥產量、穗長、穗重、千粒重、全氮量、水分利用效率均與灌水量和施氮量呈現出二次函數關系；耗水量與灌水量呈現出正相關線性關系；氮肥生產效率、氮素吸收效率則與施氮量表現出負相關線性關系，且隨著灌水量的增加而先增加后減少。

2）對各指標標準化后進行主成分分析并構建水氮耦合對冬小麥產量及水氮利用效率影響的綜合評價指標（y）后發現，9 個處理中，W1全部處理組與W3N3處理均為負值，W2全部處理組與W3N1和W3N2均為正值。W2N1和W2N2的差異顯著性均為a級且綜合得分最高，分別為0.88 和0.90，綜合考慮指標x1～x9，為實現節水增產雙效目標，最優灌水水平為210 mm，優選施氮水平為120 kg·hm-2、220 kg·hm-2。