叢 鑫 張立志 徐征和 龐桂斌 馮嚴(yán)明 趙登良

(1.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250022； 2.山東省水利科學(xué)研究院，濟(jì)南 250014)

0 引言

小麥作為世界第二大糧食作物，其產(chǎn)量和品質(zhì)對保障國家糧食安全具有重要作用。灌溉和施肥是影響小麥生長發(fā)育和最終產(chǎn)量的兩個(gè)相互耦合的重要因子[1-2]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)民試圖依靠水肥來提高作物產(chǎn)量，但過量的水肥并不能顯著提高作物產(chǎn)量，而且造成水肥利用效率低、經(jīng)濟(jì)效益降低，甚至污染環(huán)境[3]。因此，綜合考慮灌溉和氮肥的協(xié)同影響、優(yōu)化灌溉量和施氮量是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

研究者通過大量試驗(yàn)研究了水氮運(yùn)籌下的作物產(chǎn)量、水肥利用效率與經(jīng)濟(jì)效益效應(yīng)，探索最佳的水氮配比。薛麗華等[4]在新疆地區(qū)研究了水氮耦合對冬小麥的影響，結(jié)果表明，灌溉量為3 900 m3/hm2、施氮量為270 kg/hm2是其試驗(yàn)條件下冬小麥產(chǎn)量最高的水氮高效運(yùn)籌模式；宋明丹等[5]在陜西地區(qū)研究不同水氮水平冬小麥干物質(zhì)積累特征及產(chǎn)量效應(yīng)，結(jié)果表明，施氮量為210 kg/hm2時(shí)冬小麥可以獲得較高的干物質(zhì)量和產(chǎn)量；周加森等[6]在河北省實(shí)施水肥一體化微噴灌下冬小麥田間試驗(yàn)，推薦減氮20%(減后施氮量192 kg/hm2)下冬小麥水氮利用效率最高；鄭春風(fēng)等[7]在河南省通過大田試驗(yàn)研究了減施氮對冬小麥經(jīng)濟(jì)效益的影響，結(jié)果表明，將普通尿素習(xí)慣施用量減少10%～20%(減后施用量180 kg/hm2)及等量控釋尿素減少20%不僅不會造成冬小麥大幅度減產(chǎn)，反而提高了冬小麥經(jīng)濟(jì)效益。

上述研究只對個(gè)別指標(biāo)進(jìn)行了水氮模式下的尋優(yōu)，在最優(yōu)模式探索中，很難做到平衡水肥效率、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的多重目標(biāo)。基于冬小麥生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益來確定水肥管理多目標(biāo)優(yōu)化的研究較為匱乏。本文研究不同灌溉和施氮肥制度對冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)效益的影響，描述和量化產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)效益對灌溉量和施氮量的響應(yīng)，以冬小麥的多重目標(biāo)為基礎(chǔ)，通過空間分析確定適宜的灌溉量和施氮量，以期達(dá)到高產(chǎn)、節(jié)水、節(jié)肥的目的。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

2018—2019年在山東省濟(jì)南市長清區(qū)山東省灌溉試驗(yàn)中心站(36°34′N，116°50′E)利用水肥滲漏研究池進(jìn)行試驗(yàn)。滲漏池下的廊道裝有滲漏液收集裝置。研究區(qū)域氣象參數(shù)每5 min由試驗(yàn)中心站附近的自動氣象站收集一次，年降雨量654.7 mm，夏季降雨量占全年的62%，年平均潛在蒸散量1 399.70 mm，年平均氣溫14.3℃(2008—2018年)，生長季的降雨量與氣溫如圖1所示。研究區(qū)土壤質(zhì)地為壤土，土壤容重在1.40～1.67 g/cm3之間，總孔隙度在48.7%～54.2%之間。種植制度為冬小麥-夏玉米一年兩熟制。每個(gè)滲漏池的長、寬、高分別為2.0、3.33、1.2 m，池內(nèi)土壤取自附近農(nóng)田。2018年播種前，各池內(nèi)土壤理化性質(zhì)基本一致。0～20 cm耕層土壤養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比10.89 g/kg，全氮質(zhì)量比1.07 g/kg，速效磷質(zhì)量比22.26 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比83.98 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)微噴灌溉水平與3個(gè)施氮水平。3個(gè)灌溉水平基于當(dāng)?shù)囟←滈L期計(jì)算的參考作物需水量(ETc)，設(shè)計(jì)整個(gè)生育期灌溉水量為I1(60%ETc，300.0 mm)、I2(75%ETc，370.0 mm)、I3(ETc，495.0 mm)，小麥生育期降雨量100 mm，具體灌溉量見表1。每個(gè)滲漏池安裝相同規(guī)格的微噴灌管道與水表來控制灌溉量。3個(gè)施氮水平在當(dāng)?shù)剞r(nóng)民普施氮肥(330.0 kg/hm2)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)N1(180.0 kg/hm2，優(yōu)化45%)、N2(255.0 kg/hm2，優(yōu)化23%)、N3(330.0 kg/hm2)。磷、鉀肥施用量均為150.0 kg/hm2，均底施；氮肥底施50%，追施50%。供試冬小麥品種為“山農(nóng)28號”，于2018年10月16日，采用播種機(jī)播種，播種量130.0 kg/hm2，每個(gè)小區(qū)種植5行，行距20 cm。冬小麥于2019年6月1日收獲。其他田間管理采用與當(dāng)?shù)靥镩g相同的標(biāo)準(zhǔn)，以確保小麥在整個(gè)生長季生長良好。

表1 冬小麥生育期各階段灌溉量Tab.1 Irrigation for each stage of winter wheat growing seasons mm

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1土壤含水率

在土壤深度為20、40、60、80、100 cm處安裝中子探針來實(shí)時(shí)監(jiān)測冬小麥全生育期土壤含水率變化。計(jì)算100 cm內(nèi)的體積含水率，并將其轉(zhuǎn)換為質(zhì)量含水率。

1.3.2地上干物質(zhì)累積量

在小麥每次澆水前后與收獲時(shí)，隨機(jī)取代表性的植株3株，用剪刀沿土壤表面將冬小麥整個(gè)植株剪下，相應(yīng)裝袋編好序號，帶回實(shí)驗(yàn)室后將所有樣品用清水洗凈、晾干，對應(yīng)編號裝入紙袋，在105℃干燥箱中殺青30 min，降溫至70℃干燥至質(zhì)量恒定后用電子天平稱量，即為地上干物質(zhì)累積量(GB，kg/hm2)。

1.3.3產(chǎn)量與構(gòu)成因素

收獲時(shí)，從每個(gè)地塊隨機(jī)抽取1個(gè)1 m2樣本由人工剪穗。記錄每平方米的有效穗數(shù)，然后從中隨機(jī)選取20穗，量取有效穗長(EL，cm)，手工脫粒得到單穗粒數(shù)。最后用固定脫粒機(jī)對樣方小麥進(jìn)行脫粒，脫粒風(fēng)干后隨機(jī)數(shù)出1 000粒小麥，以獲得小麥千粒質(zhì)量。則小麥理論產(chǎn)量為

Y=EPSGTKN×10-2

(1)

式中Y——小麥理論產(chǎn)量，kg/hm2

EP——每平方米的有效穗數(shù)，穗/m2

SG——單穗粒數(shù)，粒

TKN——千粒質(zhì)量，g

1.3.4農(nóng)田耗水量和水分利用效率

土壤蓄水量計(jì)算公式為

W=hρω×10/100

(2)

式中W——土壤蓄水量，mm

h——土層深度，cm

ρ——土壤容重，g/cm3

ω——土壤含水率，%

農(nóng)田耗水量的計(jì)算基于土壤水分平衡公式[8]，即

ET=P+U+I-D-R-ΔW

(3)

式中ET——農(nóng)田耗水量，mm

P——降雨量，mm

U——與地下水的交換量，mm

I——灌溉量，mm

D——深層滲漏量，mm

R——地表徑流量，mm

ΔW——生育期前后土壤蓄水量變化量，mm

試驗(yàn)滲漏池為有底側(cè)坑且試驗(yàn)期間并未產(chǎn)生地表徑流，因此U和R可以忽略，方程簡化為

ET=P+I-D-ΔW

(4)

階段耗水量計(jì)算公式為

ETi=Pi+Ii-Di-(SWSi+1-SWSi)

(5)

式中ETi——階段耗水量，mm

Pi——某個(gè)生育期降雨量，mm

Ii——某個(gè)生育期灌溉量，mm

Di——某個(gè)生育期深層滲漏量，mm

SWSi+1——某個(gè)生育期末的土壤蓄水量，mm

SWSi——某生育期初的土壤蓄水量，mm

耗水模系數(shù)(Ecp)計(jì)算公式為

Ecp=ETi/ET×100%

(6)

耗水強(qiáng)度計(jì)算公式為

ETd=ETi/d

(7)

式中ETd——耗水強(qiáng)度，mm/d

d——生育階段時(shí)間，d

水分利用效率(WUE)計(jì)算公式[9]為

WUE=Y/ET

(8)

1.3.5氮肥偏生產(chǎn)力

氮肥偏生產(chǎn)力計(jì)算公式為

NPFP=Y/N

(9)

式中NPFP——氮肥偏生產(chǎn)力，kg/kg

N——施氮量，kg/hm2

1.3.6經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算公式為

EB=YR-IW-NW-OW

(10)

式中EB——經(jīng)濟(jì)效益，元/hm2

YR——冬小麥產(chǎn)量收入，元/hm2

IW——灌溉水分投入，元/hm2

NW——施氮投入，元/hm2

OW——其他投入，元/hm2

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010與SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，表中每個(gè)指標(biāo)值均為3個(gè)處理的均值，采用ANOVA與LSD(0.05顯著水平)對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重檢驗(yàn)。采用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合與繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生育期內(nèi)冬小麥耗水規(guī)律

由圖2(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)可知，水氮互作下冬小麥ET和ETi之間存在明顯的差異(P<0.05)。I1耗水量在358～369 mm范圍內(nèi)，I2耗水量在396～406 mm范圍內(nèi)，I3耗水量在439～450 mm范圍內(nèi)。說明同一施肥處理下，作物ET隨灌溉量的增加而增加，與I3比較，I1和I2分別節(jié)水18.5%和9.8%左右。而同一灌溉處理下，受施肥影響不顯著，這說明在冬小麥生長發(fā)育過程中，灌水對作物ET的影響較大。以抽穗-收獲期為例：在N1施肥條件下，I3比I2和I1處理的ET分別高11.21%和48.93%；在N2施肥條件下，I3比I2和I1處理的ET分別高10.50%和58.34%；在N3施肥條件下，I3比I2和I1處理的ET分別高9.87%和64.28%。

從各生育階段看，9種水氮處理耗水量的差異出現(xiàn)在中后期，主要是抽穗-收獲期差異顯著。這是因?yàn)樵谛←湴喂?jié)期后開始實(shí)施不同灌溉量，可見加大灌溉定額會降低生育前期(播種-拔節(jié)期)和中期(拔節(jié)-抽穗期)耗水比例，加大生育后期(抽穗-收獲期)耗水比例，這有利于提高作物產(chǎn)量。

表2為各處理3個(gè)生育階段的階段Ecp與ETd?？梢钥闯?，所有處理的階段Ecp均表現(xiàn)為播種-拔節(jié)期最高，抽穗-收獲期最低；所有處理的ETd均表現(xiàn)為拔節(jié)-抽穗期最高，播種-拔節(jié)期最低。

播種-拔節(jié)期，小麥株體小，水分消耗以地表蒸發(fā)為主，ETd遠(yuǎn)低于生育中期和后期的ETd；但該生育階段占全生育期的70%，Ecp顯著高于其他生育期。在該生育階段只存在氮的處理，不存在水分處理，從表2可看出，氮對Ecp與ETd的影響并不顯著。

表2 不同水肥處理下各生育期耗水模數(shù)和耗水強(qiáng)度Tab.2 Ecp and ETd under different nitrogen and irrigation treatments

拔節(jié)-抽穗期，小麥進(jìn)入需水關(guān)鍵期，ETd較播種-拔節(jié)期顯著增大，I3N2最高可達(dá)5.30 mm/d，最低I1N1也有3.93 mm/d；在相同施氮條件下，不同灌溉之間Ecp與ETd表現(xiàn)出顯著差異，I3大于I1和I2，說明該階段是冬小麥灌水施肥關(guān)鍵時(shí)期，該階段灌溉定額對冬小麥的用水需求具有顯著的影響。

抽穗-收獲期是冬小麥產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，ETd也較大，同樣表現(xiàn)出隨灌溉定額的增加而顯著增加。

冬小麥生育期耗水主要來源于降雨、灌溉水和農(nóng)田土壤蓄水。從表3可以看到，降雨量占總耗水量的比例隨灌水量的增加逐漸降低，其中I1N3降雨量占總耗水量的比例最高，為27.93%，I3N2處理降雨量占總耗水量的比例最低，為22.26%。灌溉水占總耗水量的比例隨灌水量的增加呈遞增趨勢，I3處理下比例高達(dá)89.93%。土壤蓄水消耗量所占比例隨著灌水量的增加呈先增后減的趨勢，而相同灌水量條件下均以N2處理最高，且與N1處理差異達(dá)到顯著水平。說明適量的增加灌溉定額與增施氮肥有助于冬小麥對土壤蓄水的吸收利用。滲漏量所占比例絕對值隨灌溉定額的增加逐漸增加，I3較I2和I1所占比例顯著增加，造成水分大量流失。

表3 不同水肥處理下冬小麥耗水結(jié)構(gòu)Tab.3 Composition of water consumption from different water sources under different nitrogen and irrigation treatments

2.2 地上干物質(zhì)累積量和產(chǎn)量

不同生育期下小麥GB在不同灌溉和施氮水平之間存在差異(圖3，圖中ns表示無顯著性差異(P>0.05)，*表示顯著性差異(P<0.05)，**表示極顯著性差異(P<0.01)，下同)。在返青期(圖3a)，就氮肥施用量而言，N2和N3下的GB相差不大，但顯著高于N1下的GB，這是因?yàn)楸驹囼?yàn)是在抽穗后進(jìn)行水分處理，此時(shí)水分對GB未產(chǎn)生顯著性影響。在抽穗期(圖3b)，GB隨灌溉水平的變化極顯著。I1和I2處理下的GB與相同氮處理的I3變化相似，但高于I3處理。說明此時(shí)灌溉定額過大，影響了干物質(zhì)的累積。在灌漿期(圖3c)，在I1灌溉水平下，N1、N2和N3處理的GB顯著低于其他兩個(gè)灌溉水平處理；在I2灌溉水平下，N1、N2和N3的GB差異顯著，由大到小依次為N2、N3、N1。在I3灌溉水平下，N2和N3的GB沒有顯著差異，但顯著高于N1處理(圖3c)。最終，N1、N2和N3在I2下的總GB分別比I1與I3高6.3%、22.9%、15.0%和16.9%、28.6%、22.8%。N2處理較N1使GB增加4.3%～20.6%，N3處理較N1使GB增加5.6%～14.3%。綜上，在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)提高水氮施用量有助于地上干物質(zhì)量累積，過量則會產(chǎn)生抑制作用。

灌溉與施氮量水平對所有產(chǎn)量構(gòu)成因素都有顯著影響(表4)，但灌溉與施氮量的交互作用對SG并未構(gòu)成顯著影響。從產(chǎn)量構(gòu)成因素來看，灌溉量相同時(shí)，EP由大到小均表現(xiàn)為N2、N3、N1，但在I1、I3灌水水平下N1與N3處理中EP未表現(xiàn)出顯著性差異(P>0.05)；SG與EL由大到小也表現(xiàn)為N2、N3、N1，I1、I3下的N2與N3處理間差異不顯著，I2下N1與N3處理間差異不顯著；TKN由大到小表現(xiàn)為N2、N3、N1，在3個(gè)施氮量處理間有著顯著性差異。3個(gè)施氮量水平下，I2下各指標(biāo)顯著高于其他兩個(gè)處理，I1與I3處理間各指標(biāo)差異不顯著，表明適量灌溉可以提高產(chǎn)量因素，過量灌溉起到抑制作用。

表4 冬小麥產(chǎn)量組分受灌溉、施肥的影響Tab.4 Yield component factors of winter wheat as affected by irrigation and nitrogen

產(chǎn)量(Y)受灌溉與施氮量影響顯著(P<0.01)，在同等灌溉量下各施氮處理均隨施氮量的增加先增加后降低，N2處理下產(chǎn)量最高，比N1與N3處理分別高3.6%、2.3%(I1)，14.8%、9.3%(I2)，12.1%、8.6%(I3)，這說明產(chǎn)量與施氮量并不是一直呈現(xiàn)正相關(guān)，過量施氮反而會造成產(chǎn)量減少；在相同施氮量下，I2下的產(chǎn)量較I1下產(chǎn)量有明顯的提高，N2下提高比例高達(dá)25%，但I(xiàn)3下產(chǎn)量反而較I2有所下降。總體分析，小麥產(chǎn)量受單一變量影響時(shí)，隨灌水量或施肥量的增加，表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，這也與GB的變化一致。因此，只有適當(dāng)?shù)墓喔群褪┑庞欣谛←湲a(chǎn)量的提高。

2.3 水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力

冬小麥水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力受到灌溉與施肥的顯著性影響(圖4、5)。水分利用效率在15.53～20.52 kg/(hm2·mm)之間，I2N2處理最高，I3N1處理最低。在同一灌溉水平下，I1下3種施氮水平下的WUE沒有明顯差異，可能因?yàn)楣喔人狡蜔o法協(xié)同氮肥利用；I2、I3下3種施氮水平的WUE隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這說明適量的增施氮肥可以提高產(chǎn)量從而提高WUE。同一施氮水平下，I2和I3由于灌溉使得產(chǎn)量高于I1，但相關(guān)研究表明高灌溉使得作物耗水效率提高，這成為限制I3水分利用效率提高的關(guān)鍵因素?？傮w上，相同施氮不同灌水水平下WUE由大到小依次為I2、I1、I3。

氮肥偏生產(chǎn)力范圍為19.81～40.43 kg/kg，I2N1處理最高，I1N3處理最低。在同一灌溉水平下，NPFP隨施氮量的增加而降低，由大到小依次為N1、N2、N3；在同一施氮水平下，不同灌溉下NPFP表現(xiàn)出明顯的差異性，由大到小均為I2、I3、I1，這說明適當(dāng)?shù)墓喔瓤梢蕴岣叩实睦眯省?/p>

2.4 經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)各處理的投入與收益，分析了各處理的經(jīng)濟(jì)效益(表5)。從表5可以看出，I2N2處理經(jīng)濟(jì)效益最高，較同等灌溉量下N1與N3收益分別高2 073.09、1 856.13元/hm2，較同等施氮量下的I1與I3收益分別高3 316.10、2 150.7元/hm2，說明I2N2水肥配施可以提高小麥產(chǎn)最、增加其純收益。I3N3處理的投入最高，水與肥的投入較I2N2高917.5元/hm2，但是水肥投入的提高并沒有提高產(chǎn)量，并導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)效益顯著降低。綜上說明在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的水肥3個(gè)水平下，適量提高水肥投入有利于經(jīng)濟(jì)效益的提高，實(shí)際生產(chǎn)中，農(nóng)民可降低水肥的投入，會帶來更可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

表5 冬小麥經(jīng)濟(jì)效益分析Tab.5 Economic benefit analysis of winter wheat as affected by irrigation and nitrogen 元/hm2

2.5 水氮管理對產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)效益的互作效應(yīng)

根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)，分別建立了4個(gè)模型來預(yù)測產(chǎn)量、水分利用效率、偏肥生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)效益隨灌溉量和施氮量的變化。圖6為灌溉量和施氮量與冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)系，其回歸方程分別為

Y=-17 554.18+90.97I+54.69N+0.003 2IN-
0.111 4I2-0.106 7N2(R2=0.946)
WUE=-23.07+0.154 3I+0.110 4N-
0.000 009 437IN-0.000 204 4I2-
0.000 204N2(R2=0.995)
NPFP=-15.21+0.372 9I-0.114 2N-
0.000 011 91IN-0.000 449 1I2+
0.000 015 70N2(R2=0.930)
EB=-46 441.54+195.14I+116.41N+0.007 049IN-
0.245 2I2-0.234 8N2(R2=0.942)

預(yù)測值與實(shí)測值間顯著相關(guān)，因此，4個(gè)模型能夠預(yù)測各指標(biāo)在水氮互作下的變化。

由各指標(biāo)與水氮施用量建立的二元二次回歸方程計(jì)算出各指標(biāo)最大化下的相應(yīng)水氮變量值(表6)。Y、WUE、NPFP和EB達(dá)到最大值時(shí)的灌溉量和施氮量分別為410.0 mm、260.0 kg/hm2，70.0 mm、260.0 kg/hm2，410.0 mm、180.0 kg/hm2，400.0 mm、250.0 kg/hm2。由表6可以看出，NPFP實(shí)現(xiàn)最大值時(shí)，氮肥的施用量較少，而WUE若想達(dá)到最大，灌溉量需較?。凰释度肓科贂r(shí)，無法實(shí)現(xiàn)Y的最大化與EB的最優(yōu)化。由此可以看出，生產(chǎn)中很難同時(shí)獲得所有指標(biāo)的最大化。

表6 最大產(chǎn)量、水分利用效率、偏肥生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)效益及其相應(yīng)的灌溉量和施氮量Tab.6 Maximum yield, WUE, NPFP, EB and their corresponding irrigation and N fertilizer application rates

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，冬小麥Y、WUE和EB的可接受值分別有90%、85%和80%的重疊，但重疊值與最大值偏離太遠(yuǎn)。因此，本研究制定大于等于95%的最大值認(rèn)為是可以接受的。但NPFP與其他3個(gè)指標(biāo)呈現(xiàn)相反的趨勢，與其他指標(biāo)的重疊不超過80%?？紤]95%置信區(qū)間，得出灌溉量為359.8～428.9 mm，施氮量為225.4～280.9 kg/hm2，此時(shí)Y、WUE和EB可同時(shí)達(dá)到其最大值的95%以上。

3 討論

華北平原是地下水嚴(yán)重超采區(qū)，冬小麥?zhǔn)侨A北平原的主要高耗水作物，在當(dāng)前華北平原缺水嚴(yán)重現(xiàn)狀下，探索冬小麥最佳的水肥管理制度，可為華北平原冬小麥節(jié)水節(jié)肥生產(chǎn)提供理論與技術(shù)參考。

從耗水特性來看，冬小麥ETi及ET在在同一施肥處理下隨灌溉定額的增加而明顯增加，受灌水影響顯著，這與彭致功等[10]和栗麗等[11]的研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明，隨著灌溉定額的增加，降雨量和土壤蓄水量占冬小麥總耗水量的比例呈降低趨勢，灌溉量和滲漏量占總耗水量的比例呈增加趨勢，與張笑培等[12]的研究結(jié)果基本一致。且試驗(yàn)結(jié)果表明，通過減少灌溉量可有效地調(diào)節(jié)冬小麥對土壤蓄水的吸收利用，而生育前期控水、后期適當(dāng)?shù)卦黾庸喔攘靠梢杂行У販p少冬小麥生育前期的耗水，增加后期耗水，這有助于提高產(chǎn)量，達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的效果。

小麥產(chǎn)量、水肥利用效率與經(jīng)濟(jì)效益是衡量小麥高產(chǎn)性和高效性的主要指標(biāo)，適宜的水氮運(yùn)籌能提高作物水肥利用效率，增加產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益。本文研究了灌溉-氮素供給對冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥偏肥生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)效益的影響。通過灌溉量-施氮量投入優(yōu)化模型，確定不同水氮條件下冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率、氮肥偏肥生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)效益綜合效益最大化的灌溉量和施氮量，為冬小麥種植田間管理提供科學(xué)依據(jù)。

提高產(chǎn)量是灌溉施肥管理的主要目的之一[13]。冬小麥干物質(zhì)和產(chǎn)量的形成密切相關(guān)，本試驗(yàn)中冬小麥成熟期干物質(zhì)累積量和產(chǎn)量隨水氮變化相一致，最高的處理均是I2N2，分別達(dá)到22 693.5、8 351.29 kg/hm2，較其他處理提高5.5%～41.1%和9.1%～29.5%。因此，適宜的水氮配施更有助于產(chǎn)量的提高，這與李晶晶等[14]研究發(fā)現(xiàn)“過量的水與肥都不利于小麥產(chǎn)量的增加”的結(jié)果相一致。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，I2處理較I1處理在抽穗灌漿期的灌溉更為重要，使得干物質(zhì)累積量與產(chǎn)量有了大幅的提高，但高定額的灌溉(I3)反而降低了干物質(zhì)積累量與產(chǎn)量，這在秦姍姍等[15]的研究中也得到了證明，抽穗灌漿水對小麥產(chǎn)量有重要作用，當(dāng)降水不足會嚴(yán)重影響冬小麥產(chǎn)量，適當(dāng)灌水可增加冬小麥產(chǎn)量，過大灌水量無助于小麥產(chǎn)量的提高。

本文研究結(jié)果表明，I3下冬小麥水分利用效率較I1、I2水分利用效率明顯降低，這與已有研究[16]結(jié)果“在一定的范圍內(nèi)，過量的灌水會降低作物水分利用效率”相一致。隨著施氮量的增加，在I1條件下，水分利用效率未表現(xiàn)出明顯差異；在I2、I3條件下，水分利用效率隨施氮量的增加先增加后降低。說明在本試驗(yàn)條件下，一定范圍內(nèi)增施氮肥能夠提高冬小麥的水分利用效率，這也與文獻(xiàn)[17-18]的缺氮會降低水分利用效率的規(guī)律相一致。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)食^合理范圍時(shí)，分配到生殖器官的光合產(chǎn)物比例下降，導(dǎo)致產(chǎn)量下降，進(jìn)而降低水分利用效率[19]。

氮肥偏生產(chǎn)力隨著施氮量的增加而減小，而不同灌水定額之間由大到小依次為I2、I3、I1，這與文獻(xiàn)[20-21]結(jié)論相近。氮肥偏生產(chǎn)力均以I2最高，其他作物也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，包括冬棗[22]、馬鈴薯[23]和番茄[24]。綜上，適宜的灌溉量才可提高氮肥偏生產(chǎn)力，若灌溉量過多，土壤水分和空氣的比例逐漸變小，影響到作物根系的生長特性，進(jìn)而影響偏肥生產(chǎn)力、水分利用效率與產(chǎn)量[25]。

諸多研究人員通過多變量回歸和空間分析結(jié)合，建立了水和肥料投入與作物產(chǎn)量和水肥利用效率之間的關(guān)系[26-27]。研究表明，當(dāng)灌溉量和施氮量高于最適水平并不能提高各指標(biāo)值，在某些情況下反而會產(chǎn)生相反的效果。當(dāng)產(chǎn)量達(dá)到最大值，灌溉量和施氮量均高于最佳的灌溉施氮水平，這說明過量的水肥不僅會影響經(jīng)濟(jì)收益，而且會造成水肥淋失污染地下水。因此，確定灌溉施肥策略十分必要。本研究考慮95%置信區(qū)間，建立了水氮投入與冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)系。灌溉量359.8～428.9 mm、施氮量225.4～280.9 kg/hm2能使冬小麥的產(chǎn)量、水分利用效率和經(jīng)濟(jì)效益均達(dá)到大于等于最大值的95%。

4 結(jié)論

(1)水氮互作效應(yīng)對冬小麥耗水規(guī)律存在影響，其中灌水對耗水量ET、耗水模數(shù)Ecp和耗水強(qiáng)度ETd的影響顯著，施肥對其影響不顯著。耗水量隨灌溉定額的增加而增加，增加灌溉定額會增大作物生育后期耗水比例，有利于提高作物產(chǎn)量；同時(shí)，適量增加灌溉定額與增施氮肥有助于冬小麥對土壤蓄水的吸收利用。

(2)地上干物質(zhì)累積量與產(chǎn)量隨水氮的變化表現(xiàn)出一致性，均隨灌溉量或施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢。因此，只有適當(dāng)?shù)墓喔群褪┑庞欣诙←溩罱K產(chǎn)量的提高。

(3)冬小麥水分利用效率隨著灌溉量與施氮量的增加呈先增后減的趨勢；氮肥偏生產(chǎn)力隨著施氮量的增加而減小，隨著灌溉量的增加呈先增后降的趨勢；經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)出隨灌溉量與施氮量的增加先增加、后減小的趨勢。

(4)在試驗(yàn)條件下，灌溉量為359.8～428.9 mm(72.6%ETc～87.5%ETc)與施氮量為225.4～280.9 kg/hm2的水氮耦合模式可在保證高產(chǎn)量、高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)提高水肥利用效率，從而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、節(jié)水、節(jié)肥的目標(biāo)。