高低畦種植模式下水氮耦合對冬小麥產量和水氮利用效率的影響

劉俊明，司轉運，武利峰，李 雙，孫一鳴，王 寧，高 陽，段愛旺

高低畦種植模式下水氮耦合對冬小麥產量和水氮利用效率的影響

劉俊明1,2，司轉運1，武利峰3，李 雙4，孫一鳴3，王 寧3，高 陽1※，段愛旺1

（1. 中國農業科學院農田灌溉研究所/農業農村部作物需水與調控重點實驗室，新鄉 453002；2. 中國農業科學院研究生院，北京 100081；3. 山東省濱州市農業科學院，濱州 256600；4. 山東省農業機械科學研究院，濟南 250000）

高低畦種植是在生產實踐中摸索出的一套節水增產的冬小麥種植模式，盡管已被山東省列為農業主推技術，但由于建立時間尚短，其背后機理研究仍較薄弱，很大程度上制約了該模式的完善與推廣應用。為探索高低畦冬小麥最佳的水氮管理制度，于2020—2022年開展田間試驗，設置3個灌水定額（W1：120 mm、W2：90 mm、W3：60 mm）和3個施氮水平（N1：300 kg/hm2、N2：240 kg/hm2、N3：180 kg/hm2），以水氮充足的平作種植為對照（CK，灌水定額120 mm，施氮量300 kg/hm2），測定了不同生育期土壤含水率、成熟期地上部生物量和產量，并計算了麥田耗水量、水分利用效率、氮肥偏生產力和凈利潤等指標。結果表明：1）與平作種植相比，高低畦種植的麥田耗水量無明顯差異，但冬小麥產量、水分利用效率、氮肥偏生產力和凈利潤分別提高14.8%～17.6%、15.9%～16.9%、14.8%～17.6%和58.9%～112.6%，說明高低畦種植模式具有增產與節水有機統一的良好潛力。2）灌水水平和施氮水平均對高低畦種植麥田耗水量產生極顯著影響（<0.01）；高低畦種植模式的產量、地上部生物量、水分利用效率、氮肥偏生產力和凈利潤的水氮耦合效應明顯；W2N2與W1N1產量差異不顯著（>0.05），而水分利用效率和氮肥偏生產力也顯著增加（<0.05）；說明適量節水減氮不會顯著降低產量，且可獲得較高的水分利用效率和氮肥偏生產力。二元二次回歸分析得出，當耗水量為536.3～559.4 mm（灌水定額為99.2～115.4 mm），施氮量246.5～299.4 kg/hm2時，可以使高低畦種植模式冬小麥產量、水分利用效率和凈利潤的綜合效益最大化。研究為冬小麥高低畦種植模式下水氮優化管理策略的構建提供理論依據和技術支撐。

灌溉；氮肥；冬小麥；高低畦種植；產量；水分利用效率；經濟效益

0 引 言

黃淮海地區是中國最為重要的小麥產區[1]，保障該區域的冬小麥生產穩定發展，對于保證國家糧食安全，特別是口糧安全意義重大[2]。目前，該區域冬小麥的灌溉方式仍以地面灌為主，占到總灌溉面積的85%以上[3]。雖然經過連續多年大規模的大型灌區節水改造及高標準農田建設，農田灌溉系統得到很大的改善，但地面灌田間配水系統的提升仍十分有限。例如，井灌區單井出水量一般較低，農民通常采用小畦田種植以便于灌水，但畦埂占比較大導致土地利用效率較低、光熱資源浪費，限制了作物產量的提升；渠灌區供水量相對充裕，普遍采用大畦面、長畦進行灌溉，灌水定額偏大，經常出現嚴重的地面徑流和深層滲漏。針對井灌區土地利用效率低和渠灌區灌水定額高等問題，濱州市農科院研發了小麥高低畦種植技術[4]，該模式將田地整成高低相間的平面，2個畦面均種植小麥；灌溉時低畦田作為水流通道，高畦田作為畦埂發揮作用。相較于傳統的平作種植相比，高低畦模式可使冬小麥產量10.0%～22.6%、使水分利用效率提高2.4%～9.8%[5]。但由于這一栽培模式建立的時間尚短，相關的基礎研究十分薄弱，尤其是水氮定額管理問題，在很大程度上制約了這一模式完善與推廣應用。水分和氮肥是影響作物產量的2個控制性因子[6-9]。在農業生產中，農民為獲得最大的產量，常傾向于過量供水和施氮，從而導致經濟效益和水氮利用效率降低[10-12]。因此，在保證產量的前提下，亟需提出高低畦種植模式下水氮優化供應方案，以期為該模式的應用推廣以及水氮高效利用提供理論依據[13-15]。

通過田間試驗研究水氮耦合對作物產量、水/氮利用效率以及經濟效益的影響是探索最佳灌水量和施氮量的重要途徑。目前，國內外學者在小麥或玉米水氮耦合方面已開展了諸多研究[7,9,16-17]。SI等[11]在華北平原地區研究了水氮耦合對滴灌冬小麥生長發育的影響，結果顯示，當灌水定額為40 mm和施氮量為240 kg/hm2時，可以使滴灌冬小麥產量和水氮利用效率的綜合效益最大化。ZOU等[12]在西北旱區開展滴灌春玉米田間試驗，運用二元二次回歸和歸一化處理相結合的方法，得出當灌溉區間在ET0的98%～108%和N-P2O5-K2O施肥量在142-71-71～223-112-112 kg/hm2時，是作物產量、水分利用效率和經濟效益達到95%最大值的水氮高效運籌方案。LU等[7]基于響應曲面法確定了關中平原滴灌水肥一體化冬小麥/夏玉米輪作系統兼具高產和高收益的水氮供應區間，推薦冬小麥的耗水和施氮量區間分別為434～496 mm和165～211 kg/hm2，夏玉米對應的耗水和施氮量區間分別為458～500 mm和187～250 kg/hm2。以往關于水氮定額優化的相關研究主要集中于滴灌條件下的糧食作物。冬小麥高低畦條件下不同水氮供應對作物生長發育的影響以及適宜的水氮供應區間仍不明確，需要開展系統的試驗研究。因此，為了探索高低畦冬小麥最佳的水氮管理制度，本研究建立冬小麥高低畦種植條件下水氮供應與產量、地上部生物量、水分利用效率、氮肥偏生產力以及經濟效益之間的關系，確定這種種植模式條件下冬小麥高產和高水氮利用效率的水氮供應區間，以期為冬小麥高低畦種植模式的水氮優化管理策略的構建提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2020年10月—2022年6月在河南省新鄉縣七里營鎮的中國農業科學院新鄉綜合試驗基地（35.15°N，113.80°E，海拔81 m）進行。該地區屬于溫帶半濕潤易旱氣候區，年平均氣溫14 ℃，多年平均降水量為582 mm，無霜期210 d。試驗區土壤以壤土為主，0～100 cm土層的平均容重為1.51 g/cm3，田間持水量為31%。地下水埋深大于5 m。該區域是黃淮海平原重要的冬小麥生產區，作物種植模式以冬小麥-夏玉米一年兩熟輪作為主。0～40 cm土層有機質為16.1 g/kg，全氮為1.05 mg/kg，速效磷為23.4 mg/kg，速效鉀為229.5 mg/kg。2020—2021年和2021—2022年冬小麥試驗期間降雨量分別為174.8和60.1 mm （圖1）。

1.2 試驗設計

供試作物為冬小麥，品種是周麥22，播種量均為180 kg/hm2，分別于2020年10月17日和2021年10月30日播種，并于2021年6月3日和2022年6月6日收獲。高低畦種植模式使用專用成畦、施肥、播種、鎮壓一體的播種機械進行播種，高低畦規格如下：幅寬150 cm，高畦畦面寬約50 cm，低畦畦面寬約90 cm，高、低畦面高度差為12 cm；高畦播種2行小麥，低畦播種4行小麥（圖2b）。平作種植使用常規播種機進行播種，其規格如下：幅寬150 cm，畦床寬為120 cm，畦埂寬為30 cm，種植6行小麥（圖2a）；冬小麥平均行距與高低畦種植模式相一致，均為25 cm。

圖1 小麥生育期內降雨量和氣溫

圖2 不同種植模式的示意圖

為給高低畦種植模式提供科學的水氮管理依據，充分借鑒當地農戶對平作種植的水氮管理方案。試驗為二因素裂區設計，主區為氮素處理，裂區為水分處理。具體的試驗設置如下：施氮量（以純N計）設置3水平，分別為高氮（N1：300 kg/hm2）、中氮（N2：240 kg/hm2）、低氮（N3：180 kg/hm2）；灌水定額設置3水平，分別為高水（W1：120 mm）、中水（W2：90 mm）、低水（W3：60 mm），以水氮充足（灌水定額120 mm，施氮量300 kg/hm2）的平作種植為對照（CK），共計10個處理。各處理3次重復，共30個小區，每個小區面積15 m×9 m。磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）用量均為120 kg/hm2；在播種前作為基肥施入農田。尿素分2次施用，小麥播種前施基肥，返青期追施，基追比為1：1。生育期內通過取土監測土壤含水率來進行灌溉，當CK處理的0～100 cm土層土壤含水率低于田間持水量的60%時，所有處理同時進行灌溉。2020—2021生長季，2次灌溉時間分別為2021年3月13日和5月2日；2021—2022生長季，2次灌溉時間分別為2022年3月6日和4月20日。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤含水率

冬小麥播種前（2020年10月18日和2021年10月30日）和收獲后（2021年6月3日和2022年6月6日）取土，采用烘箱烘干法測土壤含水率?？紤]到冬小麥在整個生育期的根系吸水深度，土層測定總深度為200 cm。取土樣時，高低畦種植模式分別在高畦田和低畦田中心各設置1個點，取2點平均值使用；平作種植僅在畦床中心處設置1個點。

1.3.2 地上部生物量

在冬小麥成熟期，在高低畦種植模式的高畦田和低畦田2個位置以及平作種植各隨機取代表性的20株冬小麥，將其分為莖、葉、穗3個部分，分別進行盛裝，烘箱設置105 ℃殺青0.5 h，然后設置75 ℃烘干至恒質量，最后稱取這3個部分的干質量，結合群體密度計算單位面積的地上部生物量（kg/hm2）。

1.3.3 產量及產量構成要素

于冬小麥成熟期，在高低畦種植模式的高畦田和低畦田2個位置分別選取有代表性的1 m2；平作種植選取有代表性的1.5 m2。記錄1 m2或1.5 m2的有效穗數，然后從中隨機選取20穗，手工脫粒得到單粒穗數。人工脫粒后曬干并對每個處理的籽粒進行稱質量，然后隨機選出1 000粒小麥來獲得千粒質量。同時提取部分樣品放入烘箱測定烘干質量算出籽粒含水率，折算成含水率為14%的產量和千粒質量。

1.3.4 其他指標計算方法

農田耗水量利用土壤水量平衡方程計算[18]：

ET=P++---Δ（1）

式中ET為麥田耗水量，為地下水補給作物根層土壤的毛管上升量，P為降水量，為灌溉量，為深層滲漏量，為地表徑流量，?為生育期前后200 cm土層土壤貯水量變化量，單位均為mm。由于試驗區每個小區均筑有畦埂，未發生因降水或灌溉引起的地面徑流現象，因此=0；試驗中最大灌水定額為120 mm，相當于0～120 cm土層土壤含水率從田間持水量的60%提升至田間持水量的90%，灌溉水幾乎不會入滲到200 cm土層以下，因此=0；試驗區域地下水埋深大于5 m，沒有地下水補給現象，因此=0。

水分利用效率（WUE，kg/m3）計算式為[19]

WUE=/ET（2）

式中是小麥產量，kg/hm2。

氮肥偏生產力（NPFP，kg/kg）計算式為[20]

NPFP=/（3）

式中是施氮量，kg/hm2。

經濟效益計算式為[21]

NP=T-T（4）

式中NP為凈利潤，元/hm2；T為冬小麥生產總投入，包括種子、肥料、灌溉和機械等，元/hm2；T為冬小麥籽粒產量收入，元/hm2。

1.4 數據處理

采用Excel 2016和SPSS 25.0進行數據分析，采用ANOVA和LSD法（least significant difference，=0.05）對數據進行方差分析和多重檢驗。本研究以高低畦種植模式冬小麥高產高效和可持續發展為目標，以冬小麥耗水量和施氮量為自變量，選用產量、地上部生物量、WUE、NPFP和NP為評價指標，運用Origin 2016軟件分析建立各指標與耗水量和施氮量的二元二次曲面方程。找到各指標95%最大值的耗水量和施氮量區間范圍，它們交集的區域即為最優水氮管理方案。

2 結果與分析

2.1 水氮耦合對水量平衡的影響

由表1可知，與平作種植（CK）相比，2020—2021年和2021—2022年高低畦種植(W1N1)下麥田耗水量無顯著差異（>0.05）。水氮互作對麥田耗水量的影響存在顯著差異（<0.05）。與N1相比，N2和N3的耗水量分別降低5.3%～5.9%和15.5%～21.7%（<0.05）。在相同灌水水平下，麥田耗水量隨施氮水平的增加呈現逐漸增加的趨勢。同理，與W1相比，W2和W3的耗水量分別降低6.5%～7.8%和15.3%～19.1%。結果表明，相同施氮水平下，麥田耗水量隨灌水水平的增加呈現增加的趨勢。

表1 不同水氮處理下冬小麥田水分平衡

注：ET為耗水量，P為降水量，為灌溉量，?為生育期前后200 cm土層貯水量變化量。不同小寫字母表示不同處理差異顯著（<0.05）。N是施氮水平，W是灌水定額。**，<0.01；*，<0.05；NS，>0.05。下同。

Note:ET, actual evapotranspiration;P, precipitation;, irrigation; ?, the difference of soil water storage in 0-200 cm before and after growing stage. Values with different lowercase letters are significantly different among different treatments at the 0.05 level. N, fertilizer-N application level; W, irrigation quota. **,<0.01; *,<0.05; NS,>0.05. Same as below.

冬小麥生育期麥田水分主要來源包括降雨、灌溉和土壤儲水。由表2可知，平作種植和高低畦種植的耗水結構無差異；但水氮互作對耗水結構的影響存在顯著差異（<0.05）。灌溉水占總耗水量的份額隨灌水水平的增加呈現逐漸增加的趨勢，W1處理下比例最高，為43.7%～46.4%；而灌溉水占總耗水量的份額隨施氮水平的增加呈現逐漸降低的趨勢，N1處理下比例最低，為32.4%～34.1%。同理，降雨+土壤儲水消耗量占總耗水量的份額隨著灌水水平的增加呈現降低的趨勢，相同的施氮水平下均以W3處理最高。降雨+土壤儲水消耗量占總耗水量的份額隨著施氮水平的增加呈現增加的趨勢，相同的灌水水平下均以N1處理最高。方差分析結果表明，灌水、施氮及其交互作用均對麥田耗水量存在極顯著影響（<0.01）。

2.2 地上部生物量和產量

由表3可知，與平作種植相比，2020—2021年和2021 —2022年高低畦種植下冬小麥產量提高14.8%～17.6%（<0.05），地上部生物量提高11.1%～19.1%（<0.05）。水氮互作對冬小麥地上部生物量和產量的影響顯著（<0.05）。整體而言，隨著灌水水平和施氮水平的增加，地上部生物量和產量均呈現增加趨勢。不同灌水水平下的地上部生物量和產量均表現為W3

水氮互作對2021—2022年冬小麥產量構成要素都有顯著影響，而在2020—2021年水氮互作對冬小麥穗粒數沒有顯著影響。從產量構成要素來看，施氮水平相同時，在2021—2022年冬小麥的穗粒數、千粒質量和成穗數均表現為W1>W2>W3（<0.05），但在N1和N2處理中千粒質量無顯著性差異；在2020—2021年施氮水平相同時，千粒質量和成穗數表現為W1>W2>W3（<0.05），但是各處理間穗粒數未表現出顯著性差異。此外，2020 —2021年冬小麥生長季的地上部生物量、成穗數、千粒質量和產量均相對高于2021—2022年，但是不同生長季節的穗粒數之間不存在顯著性差異。

表2 不同水氮處理下冬小麥耗水結構

表3 不同水氮處理下冬小麥產量和地上部生物量

2.3 水分利用效率和氮肥偏生產力

由表4可知，與平作種植相比，2020—2021年和2021 —2022年高低畦種植下水分利用效率提高15.9%～16.9%（<0.05），氮肥偏生產力提高14.8%～17.6%（<0.05）。2020—2022年兩季冬小麥水分利用效率介于1.57～1.93 kg/m3，其中W2N2處理最高，W2N3或W3N3處理最低。在2020—2021年，灌水水平對水分利用效率無顯著影響，但是施氮水平和灌水水平與施氮水平的交互作用對水分利用效率有顯著影響；在2021—2022年，灌水水平和施氮水平對水分利用效率有顯著影響，但是其交互作用對水分利用效率無顯著影響。在相同灌水水平下，水分利用效率隨著施氮水平的增加呈現先增加后保持穩定的趨勢。以W1條件下為例，2020—2022年不同施氮水平的水分利用效率呈現N2>N1>N3，其中N1和N2無顯著差異。在相同施氮水平條件下，水分利用效率隨著灌水水平的增加呈現先增加后降低的趨勢。

兩季冬小麥氮肥偏生產力介于27.09～44.35 kg/kg，其中W1N3處理最高，W3N1處理最低。兩季冬小麥灌水水平和施氮水平對氮肥偏生產力有顯著影響，但是在2021—2022年灌水水平和施氮水平的交互作用并未構成顯著影響。在相同灌水水平條件下，氮肥偏生產力隨施氮水平的增加呈現逐漸降低的趨勢，表現為N3>N2>N1（<0.05）。在相同施氮水平條件下，2020-2021年氮肥偏生產力隨灌水水平的增加呈現逐漸增加的趨勢，而2021-2022年氮肥偏生產力隨灌水水平的增加呈現先增加后保持穩定的趨勢。結果表明，適量水氮供應可以提升水氮利用效率，過量供應則會產生抑制作用。

2.4 經濟效益

不同水氮處理下冬小麥經濟效益如表5所示。由表可知，與平作種植相比，高低畦種植下冬小麥總收入提高17.6%～35.0%，凈利潤提高58.9%～112.6%。2020—2021和2021—2022年高低畦種植下各處理的總收入分別介于20 110.6～28 272.8和19 482.6～30 566.9元/hm2，兩季冬小麥最高與最低總收入處理相比分別為140.6%和156.9%。而兩季冬小麥各處理的凈利潤分別介于6 657.7～13 360.0和5 143.2～14 765.5元/hm2，兩季冬小麥最高與最低凈利潤處理相比分別為200.7%和287.1%。這說明不合理的水氮供應不但會影響冬小麥產出，還可能增加水氮成本支出，進而降低凈利潤。W1N1處理的生產投入最高，其生產總投入較W2N2高1 010.8～1 026.3元/hm2，但是W2N2的凈利潤較W1N1高98.9～195.4元/hm2。此外，W3N3處理的生產投入最低，其總投入較W2N2低631.1～635.8元/hm2，但是W2N2的凈利潤較W3N3高6 614.5～9 622.3元/hm2?？傮w來看，兩季冬小麥W2N2或W2N1處理的凈利潤最高，以該W2N2或W2N1的水氮投入為拐點，低于W2N2水氮投入的處理由于產量低進而導致凈利潤顯著降低，而高于W2N2水氮投入的處理由于總投入的增幅高于總收入的增幅進而導致經濟效益顯著降低。因此，適量水氮供應有利于帶來可觀的凈利潤，過高或者過低的水氮供應均可能會降低凈利潤。

表4 不同水氮處理下冬小麥水分利用效率和氮肥偏生產力

表5 冬小麥經濟效益分析

2.5 基于產量、地上部生物量、水氮利用效率和經濟效益的最佳水氮區間的確定

本研究以冬小麥高低畦種植下節水、高產和高效為目標，選取產量、地上部生物量、水分利用效率、氮肥偏生產力和凈利潤為目標變量，分析不同水氮供應對5個目標變量的影響。基于最小二乘法原理，分別建立了5個目標變量與冬小麥耗水量和施氮量的二元二次回歸方程（表6）。由表可知，所有二元二次回歸方程均達顯著水平，2均在0.85以上，說明這些擬合方程能夠預測水氮交互下對各指標的影響。由建立的回歸方程可以計算出各指標最大值下的相應耗水量和施氮量值。

表6 耗水量與施氮量和冬小麥產量、地上部生物量、水分利用效率、氮肥偏生產力和凈利潤的回歸方程

注：1和2分別代表施氮量和耗水量。**表示回歸方程<0.01。

Note:1and2represent the nitrogen rate and water consumption, respectively. ** means<0.01.

由表6可知，各指標不可能同時在一個耗水量和施氮水平上取得最大值，因而將各項指標最大值的95%～100%等值線投影后求其耗水量和施氮量的交集。為便于進一步分析，將各二元二次曲面方程轉化為耗水量與施氮量對各指標二維投影圖（圖3）?？梢姡髦笜?5%～100%最大值的情況下也很難滿足同時在同一耗水施氮水平上，所以在小麥生產實踐種植中必將有所取舍。以節水高產高效為原則，且地上部生物量與產量的相關性較好，因此以產量、水分利用效率和凈利潤這3個指標尋找耗水量和施氮量的最優組合。由圖4可知，2020—2021年高低畦作冬小麥同時具有節水高產高效的耗水量和施氮量區間分別為536.3～594.3 mm和246.5～299.4 kg/hm2；2021—2022年高低畦作冬小麥同時具有節水高產高效的耗水量和施氮量區間分別為527.2～559.4 mm和221.0～303.1 kg/hm2。同時，筆者建立了灌水定額W與耗水量E的線性相關關系（E=1.43+394.4，2=0.75，<0.01），以便于將耗水量轉化為灌水定額。綜合來看，當耗水量為536.3～559.4 mm（灌水定額為99.2～115.4 mm），施氮量為246.5～299.4 kg/hm2，此時產量、水分利用效率和凈利潤可同時達到最大值的95%以上。

3 討 論

3.1 種植模式和水氮供應對麥田耗水量的影響

高低畦種植技術是畦灌和溝灌技術的有機結合，無需再像常規畦灌一樣另行構筑畦埂，土地利用率明顯提高，有利于實現高產目標；同時水流主要沿著低畦推進，起了局部灌溉效果，有利于提升灌溉效率，減少用水浪費[4-5]。本研究中，高低畦種植和平作種植的麥田耗水量無明顯差異；但前人研究表明，栽培方式對耗水量有顯著性差異[5,22]，這種差異主要歸因于蒸散結構的優化。高低畦種植灌溉時僅在低畦田灌水，這相當于在高畦田營造不透水屏障，有效抑制了土壤蒸發引起的無效水分損失；同時隨著生育進程的推進，高低畦種植的葉面積指數明顯高于平作種植，這也在很大程度上降低了無效水分損失，轉而增加具有生理意義的植株蒸騰。此外，本研究表明高低畦種植模式下水氮互作對麥田耗水量的影響存在顯著差異（<0.01），這與ZOU等[12]研究結果類似。充足的水氮供應有利于小麥群體發育，增加葉面積指數和地上部生物量，從而增加麥田耗水量[6,23]。不同處理對麥田土壤儲水量的利用存在差異，即土壤儲水消耗量占總耗水量的份額隨著施氮水平的增加呈現增加的趨勢，而隨著灌水水平的增加呈現遞減的趨勢，這一結果與ZHONG等[24]研究結果相一致。適當的水氮供應可以有效地調節作物根系對土壤儲水的吸收利用，同時保證產量，達到節水穩產的效果。

3.2 水氮供應對冬小麥產量和地上部生物量的影響

前人對棉花[25]、玉米[26]、水稻[27]、小麥[7]等作物的水氮耦合研究結果表明，在一定的水氮供應范圍內，作物產量和地上部生物量隨水氮供應量的增加而增加，但超過水氮閾值后產量呈現下降趨勢[7,11]。在本研究中，高低畦冬小麥地上部生物量和產量隨水氮投入的增加而增加，但其增幅隨水氮供應的增加呈現先快后慢的趨勢；兩年均在W1N1處理取得最大值，較其他處理提高1.6%～56.9%和0.6%～62.0%。與W1N1相比，W2N2冬小麥產量僅降低2.8%～3.3%。劉洋等[28]研究表明作物產量隨施氮量增加呈現增加的趨勢，但當施氮量增加至一定范圍時，產量差異并不顯著，本研究結果與之類似。在本研究中，兩季冬小麥的產量和地上部生物量均在W1取得最大值，例如，與W1相比，W2和W3地上部生物量平均降低了6.0%和28.5%；從施氮量對產量的影響來看，兩季冬小麥的產量和地上部生物量均在N1取得最大值，例如，與N1相比，N2和N3地上部生物量平均降低了7.9%和25.4%；說明高低畦模式下作物產量和地上部生物量對水分和氮素同樣敏感，這與SI等[11]研究結果類似。但是李仙岳等[29]通過在河套灌區鹽漬化農田下水氮耦合試驗中發現，灌水的增產作用大于施氮。產生差異的原因主要有：1）農業生產環境的差異；2）本試驗采用高低畦種植且僅在低畦田進行灌溉，形成的局部灌溉造成作物對水氮需求不同所導致的。

注：藍色的虛線為95%最大值。

Note: The dashed blue line means ≥95% maximum.

圖3 耗水量與施氮量和冬小麥產量、地上部生物量、水分利用效率、氮肥偏生產力和凈收益的關系

Fig.3 Relationships between crop water consumption (T) and fertilizer-N application amount with yield, biomass, water use efficiency (WUE), nitrogen partial factor productivity (NPFP), and net income of winter wheat

圖4 2020—2021和2021—2022年不同水氮下冬小麥產量、地上部生物量、水分利用效率、氮肥偏生產力和凈利潤的綜合評價

3.3 水氮供應對水分利用效率和氮肥偏生產力的影響

農業水氮管理的目的是最大程度地提高單位水、氮用量下作物的產量，通過制定有效的水氮供給制度來實現是行之有效的。諸多學者研究表明，在一定的水氮供應范圍內，作物水分利用效率隨水氮供應增加呈現先升高后降低的趨勢[30-31]。本研究得出類似的結論，以2021 —2022年為例，相同灌水水平或者施氮水平條件下，隨灌水水平（或施氮水平）增加水分利用效率先增加后減小。兩季冬小麥均在W2N2處理取得最高水分利用效率，分別為1.88 和1.93 kg/m3。嚴富來等[32]研究發現，氮肥偏生產力隨灌水水平的增加呈現先升高后降低趨勢，而隨施氮水平的增加呈現逐漸降低的趨勢，諸多學者得到相似的研究結果[30,33]。本研究得出不同結論，相同灌水水平條件下，隨著施氮水平升高氮肥偏生產力呈現降低的趨勢；相同施氮水平條件下，隨著灌水水平升高氮肥偏生產力呈現增加的趨勢。這可能是由于灌溉方式的不同，造成水氮分布的差異，進而形成作物水氮吸收利用的差異[5]。兩季冬小麥均在W1N3處理取得最大氮肥偏生產力，分別為44.35和43.68 kg/kg。但是由于W1N3處理產量和水分利用效率較低，不作為推薦。W2N2處理的產量和W1N1最大值處理無顯著性差異，水分利用效率處于最高水平，且較W1N3的氮肥偏生產力僅低7.4%～9.9%，可作為生產實踐中較為合適的高低畦模式的灌水施氮組合。

3.4 最佳水氮區間的確定

在農業生產實踐中，經濟效益始終是農業生產者所關注的最終目標。諸多研究表明，作物經濟效益與灌水和施肥呈二次關系[7,12,34]，本研究結果與之不完全類似。本研究中經濟效益隨著灌水水平（或施氮水平）的增加而增加的趨勢，其中W1和W2（N1和N2）之間無顯著性差異；說明高水高氮投入不一定會顯著增加農業生產的投入，相反還會導致水氮資源的浪費，諸多研究得到類似結論[7-8]。以往許多研究通過多元回歸與空間分析結合的方法，建立了水氮投入與產量、水氮利用效率和經濟效益的關系[7,12,16]。有研究表明，過高的水氮供應并不能使各個目標變量均達到最大值，相反還可能會產生負效應。在優化水氮管理制度時，不同降雨年型之間降雨量的差異導致農田水分投入的不同，因此建立耗水量和施氮量與各個目標變量的關系。此外，由于5個目標變量的95%最大值對應的耗水量和施氮量無重疊區域，以節水高產高效為原則，本研究在優化高低畦模式的水氮管理方案時，不考慮地上部生物量和凈利潤?？紤]產量、水分利用效率和氮肥偏生產力三者的95%最大值的可接受區域，當耗水量為536.3～559.4 mm（灌水定額為99.2～115.4 mm），施氮量為246.5～299.4 kg/hm2時，產量、水分利用效率和氮肥偏生產力可同時達到最大值的95%以上。

4 結 論

為探索高低畦冬小麥最佳的水氮管理制度，于2020—2022年開展田間試驗，結果表明：

1）水氮互作對高低畦冬小麥耗水量以及耗水結構均存在顯著影響。耗水量隨灌水/施氮水平的增加而增加；降雨+土壤儲水消耗量占總耗水量的份額隨著灌水水平的增加呈現降低的趨勢，隨著施氮水平的增加呈現逐漸增加的趨勢；適量的水氮供應有助于優化麥田耗水量及耗水結構。

2）高低畦冬小麥地上部生物量和產量隨灌水/施氮水平的增加呈現逐漸增加的趨勢；水分利用效率隨灌水/施氮水平的增加呈現先增加后減小的趨勢；氮肥偏生產力隨著灌水的增加呈現逐漸增加的趨勢，隨著施氮水平的增加呈現逐漸降低的趨勢；經濟效益隨著灌水/施氮水平的增加呈現先增加后減小的趨勢。

3）多元二次回歸分析結果表明，當耗水量為536.3～559.4 mm（灌水定額為99.2～115.4 mm），施氮量為246.5～299.4 kg/hm2，可以使高低畦冬小麥產量、水分利用效率和經濟效益的綜合效益最大化。然而，本研究只設置了不同灌水量和施氮量水平處理，對于灌水量和氮磷鉀的施用比例對作物生長的影響還沒有深入研究，今后的研究需要進一步量化灌水施肥比例，為高低畦冬小麥提供更為科學合理的灌水施肥制度。

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Effects of water and nitrogen coupling on winter wheat yield and water or nitrogen use efficiency under high-low seedbed cultivation pattern

LIU Junming1,2, SI Zhuanyun1, WU Lifeng3, LI Shuang4, SUN Yiming3, WANG Ning3, GAO Yang1※, DUAN Aiwang1

(1.,,,453002,; 2.,100081,; 3.,256600,; 4.,250000,)

High and low seedbed cultivation has been widely used to combine ridge and flat planning patterns during wheat production in Shandong Province of the North China Plain (NCP). Land utilization rate and crop productivity can be better improved with the higher efficiency of water-nitrogen use for sustainable production, compared with flat cultivation. The winter wheat is planted on both alternate high and low beds on the flat land under cultivation. However, it is still lacking on the underlying mechanism of this cultivation pattern for better improvement and popularization. This study aims to clarify the effects of different water and nitrogen rate on grain yield, water consumption, aboveground biomass, water use efficiency, nitrogen partial fertilizer productivity, and net benefits. A field experiment was also carried out during the 2020-2021 and 2021-2022 growing seasons using a split zone design. The main area was divided into three levels of nitrogen rates (N1: 300, N2: 240, and N3: 180 kg/hm2). The subplot was set as the three levels of irrigation quotas (W1: 120, W2: 90, and W3: 60 mm). The flat cultivation with 120 mm irrigation amount and 300 kg/hm2nitrogen amount was set as the control (CK) group. A systematic evaluation was implemented to determine the effects of water and nitrogen management on crop productivity, as well as water and nitrogen use efficiency under high and low seedbed cultivation. The results showed that the high and low seedbed cultivation significantly improved the crop grain yield by 14.8%-17.6%, water use efficiency by 15.9%-16.9%, nitrogen partial fertilizer productivity by 14.8%-17.6%, and net benefits by 23.9%-32.7%, compared with the flat cultivation. Consequently, high and low seedbed cultivation was a reliable agronomic practice for higher water or nitrogen use efficiencies and crop productivity, although there was no significant difference in the water consumption between high and low seedbed cultivation and flat cultivation. The coupling of water and nitrogen posed significant effects on water consumption, grain yield, aboveground biomass, water use efficiency, nitrogen partial fertilizer productivity, and net benefits (<0.01). Specifically, the W2F2 decreased the crop yield by 2.8%-3.3% (>0.05), whereas, the water use efficiency increased (<0.05), compared with the W1F1. The optimal water and nitrogen rate was obtained in the higher water use efficiency, nitrogen partial fertilizer productivity, and net profits. The regression and spatial analysis demonstrated that the grain yield, water use efficiency, and net profits reached 95%-100% of the maximum simultaneously, when the water consumption was 536.3-594.3 mm, and the nitrogen application was 246.5-299.4 kg/hm2in 2020-2021, while the water consumption was 527.2-559.4 mm, and the nitrogen application was 221.0-303.1 kg/hm2in 2021-2022. An optimal combination was achieved in the water consumption of 536.3-559.4 mm (irrigation quota of 99.2-115.4 mm), and the nitrogen application of 246.5-299.4 kg/hm2, in order to maximize the grain yield, water use efficiency, and net profits. Therefore, a reasonable technical and theoretical reference can be offered for the multi-objective management of the water and nitrogen of winter wheat under high and low seedbed cultivation in areas with similar climate conditions to the NCP. Further study can be focused on the management of water and fertilizer (nitrogen, phosphorus, and potassium) rate of winter wheat under high and low seedbed cultivation with the various varieties and the soil type.

irrigation; nitrogen; winter wheat; high-low seedbed cultivation; yield; water use efficiency; net profits

2023-01-30

2023-02-28

國家小麥產業技術體系項目（CARS-03-19）；河南省重大科技專項項目（221100110700）；國家自然科學基金資助項目（51879267）

劉俊明，博士生，研究方向為作物水分生理與高效用水。Email：liujunming0225@163.com

高陽，博士，研究員，博士生導師，研究方向為作物水分生理與高效用水。Email：gaoyang@caas.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.202301125

S365；S274

A

1002-6819(2023)-08-0144-11

劉俊明，司轉運，武利峰，等. 高低畦種植模式下水氮耦合對冬小麥產量和水氮利用效率的影響[J]. 農業工程學報，2023，39(8)：144-154. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202301125 http://www.tcsae.org

LIU Junming, SI Zhuanyun, WU Lifeng, et al. Effects of water and nitrogen coupling on winter wheat yield and water or nitrogen use efficiency under high-low seedbed cultivation pattern[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(8): 144-154. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202301125 http://www.tcsae.org