張經(jīng)廷，呂麗華，張麗華，董志強(qiáng)，姚艷榮，姚海坡，申海平，賈秀領(lǐng)

作物水肥耦合類(lèi)型量化方法在華北冬小麥水氮配置中的應(yīng)用

張經(jīng)廷，呂麗華，張麗華，董志強(qiáng)，姚艷榮，姚海坡，申海平，賈秀領(lǐng)

（河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，石家莊 050035）

【】研究一種作物水肥耦合類(lèi)型量化方法及基于這種方法的華北冬小麥水氮優(yōu)化配置，豐富作物水肥耦合分析方法，為促進(jìn)冬小麥水肥協(xié)同高效生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)。根據(jù)作物相對(duì)產(chǎn)量的真實(shí)值與理論值的差異顯著性來(lái)判定某一具體水肥組合的耦合類(lèi)型。2006—2016連續(xù)10年在黃淮北部進(jìn)行了冬小麥季不同水氮處理的大田定位試驗(yàn)。裂區(qū)設(shè)計(jì)，灌水量為主區(qū)，設(shè)春灌1水（拔節(jié)期75 mm，W1）和2水（拔節(jié)期和開(kāi)花期各75 mm，W2）兩個(gè)處理；施氮量為副區(qū)，設(shè)5個(gè)水平，分別為0 （N0）、60（N60）、120（N120）、180（N180）、240 kg·hm-2（N240），共10對(duì)水氮組合。研究冬小麥不同水氮組合的耦合類(lèi)型及其年際轉(zhuǎn)換特征，確選適宜的水氮配置。某一水肥組合相對(duì)產(chǎn)量真實(shí)值經(jīng)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)顯著高于其理論值，此水肥組合的水肥耦合類(lèi)型即為“協(xié)同”（水肥互相促進(jìn)）；真實(shí)值顯著小于理論值，水肥耦合類(lèi)型即為“拮抗”（水肥互相限制）；真實(shí)值與理論值沒(méi)有顯著差異，水肥耦合類(lèi)型即為“加和”（水肥互不影響）。冬小麥W2與不同施氮水平（Nx）組成的水氮組合的耦合類(lèi)型及其年際變化特征受施氮水平的影響顯著。W2N60水氮耦合類(lèi)型10年平均為“拮抗”，定位第1—2年灌水限制施氮的增產(chǎn)作用，施氮限制了灌水的增產(chǎn)作用，水氮“拮抗”；定位第3—5年耦合類(lèi)型轉(zhuǎn)變成“增水促氮，增氮促水”的“協(xié)同”；定位第6—10年又轉(zhuǎn)為“拮抗”。W2N120的耦合類(lèi)型在定位第1—4年為“加和”，第5年起就轉(zhuǎn)為“協(xié)同”，10年平均為“協(xié)同”。施氮超過(guò)120 kg·hm-2的兩水氮組合W2N180與W2N240的耦合類(lèi)型各年度均為水氮互不影響的“加和”?；谧魑锵鄬?duì)產(chǎn)量真實(shí)值與理論值差異的顯著性來(lái)定量判定某一特定水肥組合的耦合類(lèi)型具有較強(qiáng)的可行性。黃淮北部冬小麥生產(chǎn)中, W2N120組合水氮協(xié)同增產(chǎn)效果顯著，耦合類(lèi)型長(zhǎng)期為“協(xié)同”，因此，在一定年限內(nèi)可作為該區(qū)冬小麥季適宜的水氮配置，年均產(chǎn)量水平維持在8.5 t·hm-2左右。

水肥耦合類(lèi)型；量化方法；冬小麥；華北平原；水氮配置

0 引言

【研究意義】水和肥是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中人為調(diào)控最為密集、重視度最高的兩大限制因子，對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成及品質(zhì)都至關(guān)重要[1]。水肥存在明顯的耦合效應(yīng)[2-3]，水分是養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)，水分適宜可促進(jìn)肥料的轉(zhuǎn)化和吸收，提高肥料利用率，干旱則限制作物對(duì)肥的吸收[4-5]；許多研究也證實(shí)適量施肥可有效調(diào)節(jié)水分利用過(guò)程，提高水分利用效率[6-7]。根據(jù)水肥對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育效應(yīng)的不同，水肥耦合可分為三種具體類(lèi)型，即加和效應(yīng)（水氮互不影響）、協(xié)同效應(yīng)（水肥互相促進(jìn)）和拮抗效應(yīng)（水肥互相限制）[8]。作物生長(zhǎng)過(guò)程中，水肥配置優(yōu)化可充分發(fā)揮水肥耦合協(xié)同效應(yīng)，提高水肥利用效率，避免產(chǎn)生資源浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[9-11]。華北平原是我國(guó)冬小麥的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)區(qū)，但生產(chǎn)中灌溉施肥過(guò)量，水氮配置不合理，水氮利用率低等現(xiàn)象普遍存在，由此引發(fā)了地下水超采、農(nóng)業(yè)面源污染加劇等系列生態(tài)和環(huán)境問(wèn)題[12-14]。因此，創(chuàng)新水肥耦合類(lèi)型定量評(píng)定方法，并據(jù)此在華北冬小麥生產(chǎn)中指導(dǎo)組配耦合類(lèi)型為協(xié)同的水氮組合，對(duì)推進(jìn)作物水肥耦合研究及提高冬小麥產(chǎn)量和水氮利用效率具有重要的理論與實(shí)踐意義。【前人研究進(jìn)展】目前國(guó)內(nèi)外通常通過(guò)顯著性方差統(tǒng)計(jì)來(lái)檢驗(yàn)水肥交互效應(yīng)[15-18]，或通過(guò)建立水肥回歸數(shù)學(xué)模型根據(jù)方程中交互項(xiàng)系數(shù)的正負(fù)和顯著性檢驗(yàn)來(lái)確定水肥耦合類(lèi)型的[19-21]。建立數(shù)學(xué)回歸模型具體是指，設(shè)立不同水肥梯度形成不同水肥組合，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的特定性狀（產(chǎn)量、生物量、光合速率、養(yǎng)分吸收運(yùn)轉(zhuǎn)等）與灌水量和施肥量進(jìn)行回歸模擬，根據(jù)交互項(xiàng)系數(shù)的正負(fù)和顯著性來(lái)判定水肥耦合類(lèi)型。在華北冬小麥生產(chǎn)中，圍繞水氮優(yōu)化配置前人進(jìn)行了大量研究，研究表明，冬小麥灌水105—150 mm，施氮150—195 kg·hm-2為同步實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)及水氮高效利用的最佳運(yùn)籌和配置范圍[22-25]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】方差統(tǒng)計(jì)法和回歸方程模型法都只能從整體上反應(yīng)試驗(yàn)設(shè)定的水肥施用范圍內(nèi)水肥總的耦合效應(yīng)，而不能對(duì)某一特定具體水肥組合的耦合類(lèi)型進(jìn)行判定，從而不能據(jù)此來(lái)組配水肥協(xié)同的組合。前人一般都是根據(jù)作物產(chǎn)量與水氮利用特性對(duì)水氮的響應(yīng)來(lái)進(jìn)行水肥優(yōu)化配置的?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究為了實(shí)現(xiàn)對(duì)某一具體水肥組合耦合類(lèi)型的判定，提出一種基于作物相對(duì)產(chǎn)量的水肥耦合類(lèi)型的評(píng)定方法，并基于此方法對(duì)華北冬小麥10年大田定位試驗(yàn)中不同水氮組合的耦合類(lèi)型及年際轉(zhuǎn)變特征進(jìn)行定量分析，篩選確定水氮耦合為協(xié)同類(lèi)型的水氮組合，以期豐富作物水氮耦合分析方法，為優(yōu)化作物節(jié)灌施肥制度，推進(jìn)冬小麥水肥協(xié)同豐產(chǎn)高效生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2006—2016年在河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所堤上試驗(yàn)站（E 114°72′，N 37°94′）進(jìn)行。該區(qū)屬太行山前平原，為暖溫帶半溫潤(rùn)性季風(fēng)氣候，年均溫12.5℃，年均降水量494 mm，日照時(shí)數(shù)2 711.4 h，無(wú)霜期190 d，四季分明。土壤深厚，質(zhì)地輕壤質(zhì)，2006年試驗(yàn)開(kāi)始前0—20 cm土層含有機(jī)質(zhì)15.5 g·kg-1，全氮0.97 g·kg-1，全磷2.2 g·kg-1，堿解氮72.7 mg·kg-1，有效磷19.5 mg·kg-1，有效鉀91.0 mg·kg-1。試驗(yàn)區(qū)為冬小麥–夏玉米輪作區(qū)，秸稈還田。試驗(yàn)期間冬小麥季月降水分布見(jiàn)表1，本文圖中試驗(yàn)?zāi)甓戎甘斋@年份。

表1 2006—2016年冬小麥各生長(zhǎng)季月降水分布

采用二因子裂區(qū)設(shè)計(jì)，小區(qū)面積25.92 m2（4.8 m×5.4 m）。以灌水處理為主區(qū)，設(shè)冬小麥拔節(jié)期灌1水（W1）和拔節(jié)期、開(kāi)花期各灌1水（W2）兩個(gè)處理，每次灌水量約為75 mm，灌溉方式為塑料軟管小區(qū)畦灌。以施氮水平為副區(qū)，設(shè)置5個(gè)施氮水平，純氮（N）量分別為0、60、120、180、240 kg·hm-2。氮肥（尿素，含N 46.4%）50%做基肥于播前撒施后旋耕施入，50%在拔節(jié)期撒施后灌水。磷肥（重過(guò)磷酸鈣，含P2O543%）和鉀肥（氯化鉀，含K2O 60%）用量分別為P2O5165kg·hm-2和K2O 105 kg·hm-2，均做基肥一次性施入。冬小麥?zhǔn)斋@后，硬茬免耕播種夏玉米，夏玉米季無(wú)灌水處理，施肥處理與小麥季相同。冬小麥品種為當(dāng)年試驗(yàn)區(qū)主推品種，播種密度為3.75×106株/hm2，因播期及品種千粒重存在年度差異，各年度的播種量也不同，一般在185—220 kg·hm-2之間，播種期為10月10—20日，收獲期為次年6月5—15日。按當(dāng)?shù)厣a(chǎn)習(xí)慣進(jìn)行田間管理。

1.2 測(cè)定指標(biāo)與計(jì)算方法

1.2.1 籽粒產(chǎn)量 （Yield, Y）生理成熟后小區(qū)聯(lián)合收割機(jī)收獲，烘干法測(cè)定水分，折算為含水量13%的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。

1.2.2 相對(duì)產(chǎn)量 （Relative yield, RY）

2水條件下某一施氮水平（W2Nx）的相對(duì)產(chǎn)量可分為真實(shí)相對(duì)產(chǎn)量（Actual relative yield, ARY）和理論相對(duì)產(chǎn)量（Theoreticalrelative yield, TRY），分別用以下公式計(jì)算：

ARY(W2Nx) =Y(W2Nx)/Y(W1Nx-1) （1）

TRY(W2Nx)= RY(W2Nx﹕W)′RY(W2Nx﹕N) （2）

其中，RY(W2Nx﹕W)=Y(W2Nx)/Y(W1Nx) （3）

RY(W2Nx﹕N)=Y(W1Nx)/Y(W1Nx-1) （4）

本研究中N0、N60、N120、N180和N240分別依次用N0、N1、N2、N3和N4來(lái)代表，RY(W1N0)定為1。

1.2.3 施氮增產(chǎn)率 （Yield increase derived from N-fertilizer，YI﹕N，%）

1水條件下YI﹕NW1=[Y(W1Nx)-Y(W1Nx-1)]/Y(W1Nx-1)×100 （5）

2水條件下YI﹕NW2=[Y(W2Nx)-Y(W2Nx-1)]/Y(W2Nx-1)×100 （6）

1.2.4 灌水增產(chǎn)率 （Yield increase derived from irrigation，YI﹕W，%）

某一施氮水平Y(jié)I﹕WNx=[Y(W2Nx)-Y(W1Nx)]/Y(W1Nx)×100 （7）

2 結(jié)果

2.1 基于相對(duì)產(chǎn)量的水肥耦合類(lèi)型量化評(píng)定方法

某個(gè)特定水肥組合耦合類(lèi)型的評(píng)定，需要有另外3個(gè)水肥組合作參照。比如，水肥組合WHFH耦合類(lèi)型的評(píng)定，需要另外設(shè)置WLFL、WLFH和WHFL3個(gè)水肥參照組合（W、F分別代表水和肥；L、H分別代表低量和高量）。根據(jù)WHFH相對(duì)產(chǎn)量真實(shí)值與理論值大小的顯著性檢驗(yàn)來(lái)評(píng)定其水肥耦合類(lèi)型。WHFH相對(duì)產(chǎn)量的真實(shí)值是其產(chǎn)量與WLFL產(chǎn)量的比值，WHFH相對(duì)產(chǎn)量的理論值是WLFH相對(duì)產(chǎn)量真實(shí)值與WHFL相對(duì)產(chǎn)量真實(shí)值的乘積。WLFH和WHFL的相對(duì)產(chǎn)量真實(shí)值分別為其產(chǎn)量與WLFL產(chǎn)量的比值。如果WHFH相對(duì)產(chǎn)量真實(shí)值經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析（T檢驗(yàn)）顯著高于其理論值，此水肥組合的水肥耦合類(lèi)型即為“協(xié)同”；如果真實(shí)值顯著小于理論值，水肥耦合類(lèi)型即為“拮抗”；如果真實(shí)值與理論值沒(méi)有顯著差異，水肥耦合類(lèi)型即為“加和”。

2.2 基于10年大田定位試驗(yàn)的冬小麥不同水氮組合耦合類(lèi)型及其對(duì)施氮量的響應(yīng)

基于2006—2016年10年大田定位試驗(yàn)不同水氮組合冬小麥的平均產(chǎn)量，根據(jù)相對(duì)產(chǎn)量的真實(shí)值與其理論值差異顯著性標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其水氮耦合類(lèi)型進(jìn)行定量評(píng)定，結(jié)果如表2所示。冬小麥不同水氮組合耦合類(lèi)型受施氮水平的影響較大，W2N60相對(duì)產(chǎn)量真實(shí)值顯著小于其理論值（0.05水平上），水氮耦合類(lèi)型為“拮抗”；W2N120相對(duì)產(chǎn)量真實(shí)值顯著大于其理論值，耦合類(lèi)型為“協(xié)同”；W2N180與W2N240相對(duì)產(chǎn)量真實(shí)值與其理論值沒(méi)有顯著性差異，耦合類(lèi)型均為“加和”。

從水氮互作角度分析，春灌1水條件（W1）下，從不施氮（N0）增加到N60冬小麥產(chǎn)量增加84.88%，而春灌2水條件（W2）下，施氮從N0增加到N60增產(chǎn)74.45%，增加灌水限制了施氮的增產(chǎn)效果，即“增水限氮”；N0條件下，灌水從W1水增加到W2灌水增產(chǎn)率為5.48%，而N60條件下，灌水增產(chǎn)率僅為-0.47%，增加施氮（從N0增加到N60）限制了增加灌水的增產(chǎn)效應(yīng)，即“增氮限水”，因此，W2N60水氮互作為“增水限氮、增氮限水”。同理，W2N120在W1條件下N60增加到N120的氮增產(chǎn)率為10.34%，而W2條件下N60增加到N120的氮增產(chǎn)率高達(dá)28.80%，說(shuō)明增加灌水促進(jìn)了施氮的增產(chǎn)效果，即“增水促氮”；N60條件下，W1增加到W2的灌水增產(chǎn)率為-0.47%，而增加施氮到N120水平，灌水增產(chǎn)率增至16.19%，說(shuō)明增加施氮促進(jìn)了增加灌水的增產(chǎn)效應(yīng)，即“增氮促水”，因此，W2N120水氮互作為“增水促氮、增氮促水”。對(duì)于W2N180組合，W1和W2條件下施氮從N120進(jìn)一步增加到N180增產(chǎn)率依次為1.34%和2.20%，兩者沒(méi)有顯著性差異，說(shuō)明增加灌水不影響增施氮的增產(chǎn)效應(yīng)；同樣，N120與N180水平的灌水增產(chǎn)率也沒(méi)有顯著性差異，說(shuō)明增加施氮不影響增加灌水的增產(chǎn)效應(yīng)，所以，W2N180水氮之間沒(méi)有互作。同理可分析W2N240水氮之間也沒(méi)有互作。

表2 基于10年定位試驗(yàn)的冬小麥不同水氮組合耦合類(lèi)型

1)RY(W2Nx:N)=Y(W1Nx)/Y(W1Nx-1) ①,2)RY(W2Nx:W)=Y(W2Nx)/Y(W1Nx)②,3)ARY(W2Nx)=Y(W2Nx)/Y(W1Nx-1)③,4)TRY(W2Nx)= RY(W2Nx:N)′RY (W2Nx-1:W)④, 其中, RY(N0:N)定義為1

5)*表示相對(duì)產(chǎn)量的實(shí)際值與理論值經(jīng)T-檢驗(yàn)在0.05水平上有顯著性差異，no 表示沒(méi)有顯著差異。6)水氮耦合類(lèi)型Ant、Syn、Add分別表示拮抗、協(xié)同、加和

5)* means the true value of relative yield was significant difference from its theoretical value at 0.05 level by T-test, and “no” means no significant difference.

6) “Ant”, “Syn” and “Add” represent antagonism, synergism and additivity, respectively

2.3 冬小麥不同水氮組合施氮增產(chǎn)率與灌水增產(chǎn)率的年際變化特征

W1和W2兩種水分條件下冬小麥從不施氮（N0）到施氮60 kg·hm-2（N60）施氮增產(chǎn)率隨定位年限的增加均呈“緩升-陡增-振蕩平衡”的趨勢(shì)，定位前3年施氮增產(chǎn)率增加緩慢，第4年陡增至60%以上，之后隨年限增加呈鋸齒形振蕩。灌水對(duì)N0到N60的施氮增產(chǎn)率的影響為：前兩年增加灌水限制了施氮的增產(chǎn)作用，W1條件下施氮增產(chǎn)率顯著高于W2；定位第3—5年增加灌水又促進(jìn)了氮肥增產(chǎn)作用，W2的施氮增產(chǎn)率顯著高于W1；定位第6—10年增加灌水又轉(zhuǎn)為限制氮肥增產(chǎn)作用，除了第7年W1與W2的施氮增產(chǎn)率無(wú)顯著差異外，其余4年W2都顯著高于W1（圖1）。

* 表示相對(duì)產(chǎn)量的實(shí)際值與理論值經(jīng)T-檢驗(yàn)在0.05水平上有顯著性差異。下同

兩種水分條件下，施氮從N60增加到N120的施氮增產(chǎn)率的年際變化特征為：前3年增加施氮沒(méi)有增產(chǎn)效果，從第4年起增加施氮增產(chǎn)顯著，但施氮增產(chǎn)率的年際變化極大，最高為2012年W2條件下的50.42%，最低為2013年W1的1.14%。定位前4年W1與W2的施氮增產(chǎn)率沒(méi)有顯著差異，增加灌水對(duì)施氮增產(chǎn)效應(yīng)沒(méi)有影響；第5—10年W2的施氮增產(chǎn)率均顯著高于W1，增加灌水對(duì)施氮增產(chǎn)效應(yīng)有顯著促進(jìn)作用（圖1）。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，施氮從N120增加到N180以及從N180增加到N240增加施氮已沒(méi)有增產(chǎn)效果，甚至個(gè)別年份增加施氮降低產(chǎn)量；增加灌水對(duì)施氮增產(chǎn)率也沒(méi)有顯著影響（圖1）。

N0和N60條件下定位前5年增加灌水有一定的增產(chǎn)作用，灌水增產(chǎn)率為正值；第6—10年灌水增產(chǎn)率接近于0，甚至有些年份出現(xiàn)負(fù)值，說(shuō)明隨著定位年限的延長(zhǎng)灌水增產(chǎn)作用逐漸喪失，甚至?xí)p產(chǎn)。施氮達(dá)到N120后灌水增產(chǎn)率呈“先小-后增-再降”的變化趨勢(shì)。在定位前2年灌水增產(chǎn)率較小，第3年陡增至一定程度后在高值隨年際震蕩變化3年，第6年灌水增產(chǎn)率下降到一定值后趨于穩(wěn)定。

遞次增加施氮對(duì)灌水增產(chǎn)率也有影響。N60的灌水增產(chǎn)率在定位前2年顯著低于N0處理，第3—5年轉(zhuǎn)為顯著高于N0，第6—10年又變?yōu)轱@著低于N0，表明從N0增加施氮到N60對(duì)灌水增產(chǎn)率影響的年際轉(zhuǎn)變頻繁。N120的灌水增產(chǎn)率與N60相比，定位前4年兩者沒(méi)有顯著差異，說(shuō)明施氮從N60增加至N120灌水增產(chǎn)率未受影響；第5—10年N120的灌水增產(chǎn)率都顯著高于N60，說(shuō)明從N60增加施氮至N120顯著促進(jìn)了灌水的增產(chǎn)效應(yīng)。N120與N180、N180與N240各年度的灌水增產(chǎn)率相比整體上均沒(méi)有顯著差異，說(shuō)明施氮從N120增加至N180、從N180增加至N240，灌水增產(chǎn)效應(yīng)都沒(méi)有受到影響（圖2）?？梢?jiàn)，本試驗(yàn)條件下施氮超過(guò)120 kg·hm-2后進(jìn)一步增加施氮對(duì)灌水效應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。

圖2 冬小麥遞次施氮對(duì)灌水增產(chǎn)率及其年際變化特征的影響

2.4 冬小麥不同水氮組合的相對(duì)產(chǎn)量真實(shí)值與理論值及耦合類(lèi)型年際變化特征

冬小麥不同水氮組合的耦合類(lèi)型及其年際變化特征不同。水氮組合W2N60相對(duì)產(chǎn)量的真實(shí)值在定位前兩年顯著低于其理論值，水氮耦合類(lèi)型為“拮抗”；定位第3—5年相對(duì)產(chǎn)量真實(shí)值顯著高于其理論值，水氮耦合類(lèi)型轉(zhuǎn)為“協(xié)同”；定位第6—10年真實(shí)值顯著低于理論值，水氮耦合類(lèi)型又轉(zhuǎn)為“拮抗”。所以，W2N60水氮耦合類(lèi)型的年際變化特征為“拮抗-協(xié)同-拮抗”。

定位前4年水氮組合W2N120相對(duì)產(chǎn)量的真實(shí)值與理論值沒(méi)有顯著差異，水氮耦合類(lèi)型為“加和”；定位第5—10年相對(duì)產(chǎn)量的真實(shí)值顯著大于理論值，水氮耦合類(lèi)型為“協(xié)同”。所以，W2N120水氮耦合類(lèi)型的年際變化特征為“加和-協(xié)同”。

水氮組合W2N180和W2N240相對(duì)產(chǎn)量的真實(shí)值與理論值在定位10年中均沒(méi)有顯著差異，說(shuō)明水氮獨(dú)立發(fā)揮作用，沒(méi)有互作，水氮耦合類(lèi)型為“加和”（圖3）。

圖3 冬小麥不同水氮組合相對(duì)產(chǎn)量真實(shí)值及其理論值年際變化特征

3 討論

3.1 作物水肥耦合類(lèi)型的定量判定

作物產(chǎn)量的形成是作物本身的遺傳特性和生理機(jī)能的內(nèi)在因素以及光、熱、水、土、肥等外在環(huán)境因素綜合作用的結(jié)果。但在一定條件下，這些因素中，水和肥是最易被人為調(diào)控。作物吸收水和肥是兩個(gè)獨(dú)立的過(guò)程，但是水和肥對(duì)作物生長(zhǎng)的影響卻是緊密聯(lián)系的。在農(nóng)田系統(tǒng)中，水和肥之間，各種肥之間，作物與水肥之間的相互制衡的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，以及這些相互作用對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的影響稱(chēng)為作物的水肥耦合效應(yīng)[26]。作物水肥耦合效應(yīng)可分為“加和”“協(xié)同”“拮抗”3種類(lèi)型。目前國(guó)內(nèi)外通常采用設(shè)立水肥組合建立回歸數(shù)學(xué)模型，檢驗(yàn)水肥交互項(xiàng)系數(shù)大小和顯著性來(lái)判定水肥耦合類(lèi)型，若交互項(xiàng)系數(shù)為正值且達(dá)到顯著水平，則說(shuō)明水肥表現(xiàn)正交互效應(yīng)，耦合類(lèi)型為“協(xié)同”；若交互項(xiàng)系數(shù)為負(fù)值且顯著，水肥為負(fù)交互效應(yīng)，水肥耦合類(lèi)型為“拮抗”；若交互項(xiàng)系數(shù)不顯著則水肥耦合類(lèi)型為“加和”。這種方法雖能從整體上判定在試驗(yàn)設(shè)定的水肥施用范圍內(nèi)的水肥耦合類(lèi)型，但不能對(duì)某一特定具體水肥組合的耦合類(lèi)型進(jìn)行判定。本研究提出了一種基于作物相對(duì)產(chǎn)量的評(píng)定某具體水肥組合耦合類(lèi)型的新方法。該方法通過(guò)設(shè)立水肥基礎(chǔ)組合（WLFL）、增水組合（WHFL）、增肥組合（WLFH）來(lái)評(píng)定水肥同增組合（WHFH）的耦合類(lèi)型。為了便于標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一處理引入相對(duì)產(chǎn)量的概念，WHFL、WLFH和 WHFH的相對(duì)產(chǎn)量（真實(shí)值）為各自的實(shí)際經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量與WLFL的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的比值。WHFH相對(duì)產(chǎn)量的理論值為WHFL的相對(duì)產(chǎn)量與WLFH的相對(duì)產(chǎn)量的乘積，意思是水肥同時(shí)增加（WHFH）后的產(chǎn)量結(jié)果理論上應(yīng)該為單獨(dú)增水（WHFL）與單獨(dú)增肥（WLFH）兩組合的疊加綜合效應(yīng)。通過(guò)檢驗(yàn)WHFH作物相對(duì)產(chǎn)量真實(shí)值與理論值的大小及差異顯著性即可評(píng)定其耦合類(lèi)型：若相對(duì)產(chǎn)量的真實(shí)值顯著大于理論值，水肥耦合為“協(xié)同”；真實(shí)值顯著小于理論值為“拮抗”；兩者沒(méi)有顯著性差異則為“加和”。通過(guò)在10年大田水氮定位試驗(yàn)中的應(yīng)用，證明該方法具有較強(qiáng)的可行性和適用性。

3.2 冬小麥生育期降水對(duì)灌水增產(chǎn)效應(yīng)的影響

作物生育期內(nèi)的有效降水與灌水對(duì)作物的生長(zhǎng)具有等效性，灌水增產(chǎn)率與生育期降水量負(fù)相關(guān)。本研究中冬小麥不同生育期降水量顯著不同（表1），不同水氮組合的灌水增產(chǎn)率也存在顯著年際差異（圖2）。灌水增產(chǎn)效應(yīng)除受降水量制約外，與生育期降水分布也密切相關(guān)。本試驗(yàn)中，2008—2009與2010—2011年冬小麥季生育期降水量比常年偏少30%以上，屬?lài)?yán)重干旱年型，這兩年灌水增產(chǎn)效果極其顯著，灌水增產(chǎn)率顯著大于其他年份；2013—2014年生育期降水量同樣顯著低于常年（比常年少35%），但65%的降水都分布在冬小麥需水關(guān)鍵期的4、5月份，導(dǎo)致灌水增產(chǎn)率顯著低于2008—2009與2010—2011兩個(gè)年度。

3.3 冬小麥水氮耦合類(lèi)型的年際轉(zhuǎn)變

冬小麥不同生育期降水情景顯著不同，隨著定位年限的增加不同施氮水平的地力狀況也發(fā)生了不同程度的改變，因此，不同水氮組合的耦合類(lèi)型勢(shì)必會(huì)表現(xiàn)出不同的年際變化特征。本研究表明，W2N60組合水氮耦合類(lèi)型隨定位年限的增加呈現(xiàn)“拮抗-協(xié)同-拮抗”的變化特征，W2N120的年際變化特征為“加和-協(xié)同”，W2N180和W2N240各年度水氮耦合類(lèi)型均為“加和”。相同的灌水條件下不同水氮組合的耦合類(lèi)型及其年際變化特征可能與土壤供氮與作物吸氮的供需動(dòng)態(tài)平衡有關(guān)。由于基礎(chǔ)肥力較高，試驗(yàn)前期不施氮就能達(dá)到與施氮處理相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)量水平，施氮反而限制了灌水的增產(chǎn)效應(yīng)，水氮拮抗；隨著年限的增加，當(dāng)施氮60 kg·hm-2（N60）加上土壤固有氮素恰能滿足作物氮素需求時(shí)，水氮由“拮抗”轉(zhuǎn)為“協(xié)同”；隨著定位年限的進(jìn)一步增加，N60處理由于氮肥輸入遠(yuǎn)小于作物氮素?cái)y出土壤氮素長(zhǎng)期入不敷出，當(dāng)土壤氮素供應(yīng)不能滿足作物需求時(shí)，水氮從“協(xié)同”又轉(zhuǎn)為“拮抗”。本試驗(yàn)條件下，N120可能是土壤供氮和作物需氮的平衡點(diǎn)，在前期土壤基礎(chǔ)氮素含量較高時(shí)水氮“加和”，隨著定位年限的增加N60處理土壤供氮不能滿足作物需求產(chǎn)量降低時(shí)，W2N120水氮耦合就由“加和”轉(zhuǎn)為“協(xié)同”；由于N120氮素供應(yīng)基本能滿足作物氮素需求，可維持高產(chǎn)水平，因此進(jìn)一步增加施氮至N180或N240無(wú)益于水氮協(xié)同增產(chǎn)，W2N180和W2N240水氮耦合類(lèi)型在定位10年范圍內(nèi)均為“加和”。

3.4 冬小麥季適宜的水氮配置

冬小麥拔節(jié)至開(kāi)花期既是耗水最多的時(shí)期，又是需水的生理生態(tài)臨界，該時(shí)期水分的有效供給對(duì)保障產(chǎn)量和較高的水分利用率至關(guān)重要[27]。而黃淮北部冬小麥拔節(jié)至開(kāi)花期降水遠(yuǎn)不能滿足該時(shí)期冬小麥的水分需求，拔節(jié)至開(kāi)花期灌溉補(bǔ)水就成為保證冬小麥產(chǎn)量和水分利用率協(xié)同提高的必要途徑[28-29]，春灌拔節(jié)和開(kāi)花兩水（W2）現(xiàn)已普及為該區(qū)的優(yōu)化灌溉模式。如果估算土壤氮平衡僅考慮氮肥輸入和作物籽粒氮攜出，冬小麥季施氮120 kg·hm-2（N120）時(shí)籽粒氮攜出量高于施氮輸入量，土壤氮素表觀虧缺[14]，但在此施氮水平下冬小麥氮營(yíng)養(yǎng)來(lái)源中當(dāng)季施入化肥氮僅占50%左右[30]，因此這種土壤氮素表觀虧缺可能造成的氮素供應(yīng)不足可由其他氮素來(lái)源和技術(shù)途徑有效補(bǔ)償：一是土壤氮時(shí)空補(bǔ)償，研究證實(shí)深根冬小麥可以把前茬殘留氮[31]和土壤深層氮[32]作為其氮營(yíng)養(yǎng)來(lái)源的重要組成部分；二是環(huán)境氮高值補(bǔ)償，近年來(lái)受農(nóng)田施氮不合理及畜禽糞便管理不當(dāng)?shù)绒r(nóng)業(yè)源和工業(yè)、交通等非農(nóng)業(yè)源活性氮排放增大的影響，我國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮沉降平均從1980年的13.2 kg·hm-2增至2010年的21.1 kg·hm-2，其中人口密集和農(nóng)業(yè)集約化程度高的華北平原是高沉降通量區(qū)[33-34]，大氣沉降氮已成為土壤氮庫(kù)的一個(gè)重要補(bǔ)充。三是農(nóng)藝增效補(bǔ)償，研究表明，在氮肥適當(dāng)減施條件下，增加種植密度[35]和優(yōu)選氮高效品種[36]可顯著增加冬小麥的氮素吸收效率和利用效率，獲得與高氮投入相同水平的籽粒產(chǎn)量。本研究表明，W1與W2條件下，N120處理冬小麥10年平均產(chǎn)量與N180和N240均沒(méi)有顯著性差異，因此，冬小麥?zhǔn)┑?20 kg·hm-2（N120）在相當(dāng)一段年限內(nèi)可作為該區(qū)優(yōu)化施氮量，但該施氮水平下的土壤氮肥力變化趨勢(shì)需持續(xù)監(jiān)測(cè)。本研究中不同水氮組合耦合類(lèi)型的年際變化特征表明，W2N120水氮耦合類(lèi)型逐漸由“加和”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皡f(xié)同”，水氮對(duì)冬小麥的增產(chǎn)效應(yīng)表現(xiàn)為相互促進(jìn)，協(xié)同提高。綜上，水氮組合W2N120在一定年限內(nèi)可推薦為華北平原北部冬小麥生產(chǎn)中適宜的水氮配置，多年平均產(chǎn)量維持在8.5 t·hm-2左右。

4 結(jié)論

根據(jù)作物相對(duì)產(chǎn)量真實(shí)值與理論值差異的顯著性檢驗(yàn)可有效判定某一具體水肥組合的耦合類(lèi)型。華北地區(qū)冬小麥生產(chǎn)中,水氮組合W2N60耦合類(lèi)型的年際轉(zhuǎn)換特征為“拮抗-協(xié)同-拮抗”，W2N120為“加和-協(xié)同”，W2N180和W2N240各年度水氮耦合類(lèi)型均為“加和”。水氮組合W2N120可充分發(fā)揮“增水促氮，增氮促水”水氮協(xié)同的增產(chǎn)效應(yīng)，在一定年限內(nèi)可作為黃淮北部冬小麥季適宜的水氮配置，多年平均產(chǎn)量可維持在8.5 t·hm-2左右。

[1] 武維華. 植物生理學(xué). 北京: 科學(xué)出版社, 2003.

WU W H.. Beijing: China Science Press, 2003. (in Chinese)

[2] WANG Y, FU D L, PAN L L, SUN L T, DING Z T. The coupling effect of water and fertilizer on the growth of tea plants., 2016, 39(5): 620-627.

[3] 王紹華, 曹衛(wèi)星, 丁艷鋒, 田永超, 姜東. 水氮互作對(duì)水稻氮吸收與利用的影響. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2004, 37(4): 497-501.

WANG S H, CAO W X, DING Y F, TIAN Y C, JIANG D. Interactions of water management and nitrogen fertilizer on nitrogen absorption and utilization in rice., 2004, 37(4): 497-501. (in Chinese)

[4] 曹翠玲, 李生秀. 水分脅迫和氮素有限虧缺對(duì)小麥拔節(jié)期某些生理特性的影響. 土壤通報(bào), 2003, 34(6): 505-509.

CAO C L, LI S X. Effects of water stress and nitrogen deficiency on some physiological characteristics and wheat yield at the jointing stage., 2003, 34(6): 505-509. (in Chinese)

[5] 張秋英, 李發(fā)東, 高克昌, 劉孟雨, 歐國(guó)強(qiáng). 水分脅迫對(duì)冬小麥光合特性及產(chǎn)量的影響. 西北植物學(xué)報(bào), 2005, 25(6): 1184-1190.

ZHANG Q Y, LI F D, GAN K C, LIU M Y, OU G Q. Effects of water stress on the photosynthetic capabilities and yield of winter wheat., 2005, 25(6): 1184-1190. (in Chinese)

[6] 關(guān)軍峰, 李廣敏. 干旱條件下施肥效應(yīng)及其作用機(jī)理. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2002, 10(1): 59-61.

GUAN J F, LI G M. Effects and mechanism of fertilization under drought., 2002, 10(1): 59-61. (in Chinese)

[7] 謝英荷, 栗麗, 洪堅(jiān)平, 王宏庭, 張璐. 施氮與灌水對(duì)夏玉米產(chǎn)量和水氮利用的影響. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2012, 18(6): 1354-1361. (in Chinese)

XIE Y H, LI L, HONG J P, WANG H T, ZHANG LEffects of nitrogen application and irrigation on grain yield, water and nitrogen utilization of summer maize., 2012, 18(6): 1354-1361. (in Chinese)

[8] WALLANCE A. Interactions of two parameters in crop production and in general biology: sequential additivity, synergism, antagonism., 1990, 13(3/4): 327-342.

[9] LI Q Q, BIAN CY, LIU X H, MA C J, LIU Q R. Winter wheat grain yield and water use efficiency in wide-precision planting pattern under deficit irrigation in north china plain., 2015, 153: 71-76.

[10] BAI Z H, LU J, ZHAO H, VELTHOF G L, OENEMA O, CHADWICK D, WILLIAMS J R, JIN S Q, Liu H B, WANG M R, STROKAL M, KROEZE C, HU CS, MA L. Designing vulnerable zones of nitrogen and phosphorus transfers to control water pollution in China., 2018, 52: 8987-8988.

[11] ANDRSKI T W, BUNDY L G, BRYE K R. Crop management and corn nitrogen rate effects on nitrate leaching., 2000, 29: 1095-1103.

[12] 胡春勝, 張喜英, 程一松, 裴冬. 太行山前平原地下水動(dòng)態(tài)及超采原因分析. 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究, 2002, 18(2): 89-91.

HU C S, ZHANG X Y, CHENG Y S, PEI D. An analysis on dynamics of water table and overdraft of groundwater in the piedmont of Mt.Taihang., 2002, 18(2): 89-91. (in Chinese)

[13] ZHU Z L, CHEN D L. Nitrogen fertilizer use in China–Contributions to food production, impacts on the environment and best management strategies., 2002, 63: 117-127.

[14] 張經(jīng)廷, 陳青云, 呂麗華, 申海平, 賈秀領(lǐng), 梁雙波. 冬小麥-夏玉米輪作產(chǎn)量與氮素利用最佳水氮配置. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2016, 22 (4):886-896.

ZHANG J T, CHEN Q Y, LYV L H, SHEN H P, JIA X L, LIANG S B. Optimum combination of irrigation and nitrogen for yield and nitrogen use efficiency in winter wheat and summer maize rotation system.of, 2016, 22(4): 886-896. (in Chinese)

[15] 楊莉琳, 裴冬, 胡春勝, 張喜英, 毛任釗. 水肥配合對(duì)太行山山前平原高產(chǎn)區(qū)土壤礦質(zhì)氮分布及作物產(chǎn)量的影響. 植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)報(bào), 2005, 11(1): 1-7.

YANG L L, PEI D, HU C S, ZHANG X Y, MAO R Z. Effect of treatments with water and fertilization on nitrate leaching loss in the piedmont of Taihang mountain., 2005, 11(1): 1-7. (in Chinese)

[16] 孫永健, 孫園園, 李旭毅, 張榮萍, 郭翔, 馬均. 水氮互作對(duì)水稻氮磷鉀吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及分配的影響. 作物學(xué)報(bào), 2010, 36(4): 655-664.

SUN Y J, SUN Y Y, LI X Y, ZHANG R P, GUO X, MA J. Effects of water-nitrogen interaction on absorption, translocation and distribution of nitrogen, phosphorus, and potassium in rice., 2010, 36(4): 655-664. (in Chinese)

[17] 李正鵬, 宋明丹, 馮浩. 水氮耦合下冬小麥 LAI 與株高的動(dòng)態(tài)特征及其與產(chǎn)量的關(guān)系. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2017, 33(4): 195-202.

Li Z P, Song M D, Feng H. Dynamic characteristics of leaf area index and plant height of winter wheat influenced by irrigation and nitrogen coupling and their relationships with yield., 2017, 33(4): 195-202. (in Chinese)

[18] 魏廷邦, 柴強(qiáng), 王偉民, 王軍強(qiáng). 水氮耦合及種植密度對(duì)綠洲灌區(qū)玉米光合作用和干物質(zhì)積累特征的調(diào)控效應(yīng). 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2019, 52(3): 428-444. WEI T B , CHAI Q, WANG W M, WANG J Q. Effects of coupling of irrigation and nitrogen application as well as planting density on photosynthesis and dry matter accumulation characteristics of maize in oasis irrigated areas., 2019, 52(3): 428-444. (in Chinese)

[19] 尹光華, 劉作新, 李桂芳, 梁海軍, 蔡崇光. 水肥耦合對(duì)春小麥水分利用效率的影響. 水土保持學(xué)報(bào), 2004,18(6):156-158.

YIN G H, LIU Z X, LI G F, LIANG H J, CAI C G. Water use efficiency of water and fertilizer coupling on spring wheat., 2004, 18(6): 156-158. (in Chinese)

[20] 路亞, 劉強(qiáng), 宋希云, 劉樹(shù)堂. 非石灰性潮土水肥耦合對(duì)夏玉米產(chǎn)量效應(yīng)的影響. 玉米科學(xué), 2004, 18(4):121-124.

LU Y, LIU Q, SONG X Y, LIU S T. Effects of coupling water and fertilizer on summer maize yield in noncalcareous fluvo-aquic soil., 2004, 18(4): 121-124.(in Chinese)

[21] 張玉銘, 張佳寶, 胡春勝, 趙炳梓, 朱安寧, 張立周, 宋利娜. 水肥耦合對(duì)華北高產(chǎn)農(nóng)區(qū)小麥?玉米產(chǎn)量和土壤硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)的影響. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2011, 19(3): 532-539. (in Chinese)

ZHANG Y M, ZHANG J B, HU C S, ZHAO B Z, ZHU A N, ZHANG L Z, SONG L N. Effect of fertilization and irrigation on wheat-maize yield and soil nitrate nitrogen leaching in high agricultural yield region in North China Plain., 2011, 19(3): 532-539.(in Chinese)

[22] 馬伯威, 王紅光, 李東曉, 李瑞奇, 李雁鳴. 水氮運(yùn)籌模式對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水氮生產(chǎn)效率的影響. 麥類(lèi)作物學(xué)報(bào), 2015, 35(8): 1141-1147.

MA B W, WANG H G, LI D X, LI R Q, LI Y M. Influence of water-nitrogen patterns on yield and productive efficiency of water and nitrogen of winter wheat., 2015, 35(8): 1141-1147. (in Chinese)

[23] 李武超, 李磊, 王煒, 李晶晶, 尹鈞. 小麥水氮耦合效應(yīng)與水肥高效利用研究. 華北農(nóng)學(xué)報(bào), 2018, 33(5): 232-238.

LI W C, LI L, WANG W, LI J J, YIN J. Studies on the efficient utilization and coupling effect of nitrogen-water in wheat., 2018, 33(5): 232-238. (in Chinese)

[24] XU X, ZHANG M, LI J P, LIU Z Q, ZHAO Z G, ZHANG Y H, ZHOU S L, WANG Z M. Improving water use efficiency and grain yield of winter wheat by optimizing irrigations in North China Plain., 2018, 221: 219-227.

[25] 呂麗華, 董志強(qiáng), 張經(jīng)廷, 張麗華, 梁雙波, 賈秀領(lǐng), 姚海坡. 水氮對(duì)冬小麥-夏玉米產(chǎn)量及氮利用效應(yīng)研究. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 47(19): 3839-3849.

LYU L H, DONG Z Q, ZHANG J T, ZHANG L H, LIANG S B, JIA X L, YAO H P. Effect of water and nitrogen on yield and nitrogen utilization of winter wheat and summer maize., 2014, 47(19): 3839-3849. (in Chinese)

[26] 汪德水. 旱地農(nóng)田肥水關(guān)系原理與調(diào)控技術(shù). 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社, 1995.

WANG D S.. Beijing: Chinese Agricultural Science and Technology Press, 1995. (in Chinese)

[27] 褚鵬飛, 王東, 張永麗, 王小燕, 王西芝, 于振文. 灌水時(shí)期和灌水量對(duì)小麥耗水特性、籽粒產(chǎn)量及蛋白質(zhì)組分含量的影響. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(4): 1306-1315.

CHU P F, WANG D, ZHANG Y L, WANG X Y, WANG X Z, YU Z W. Effects of irrigation stage and amount on water consumption characteristics, grain yield and content of protein components of wheat., 2009, 42(4): 1306-1315. (in Chinese)

[28] 張勝全, 方保停, 王志敏, 周順利, 張英華. 春灌模式對(duì)晚播冬小麥水分利用及產(chǎn)量形成的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(4): 2035-2044.

ZHANG S Q, FANG B T, WANG Z M, ZHOU S L, ZHANG Y H. Influence of different spring irrigation treatments on water use and yield formation of late-sowing winter wheat., 2009, 29(4): 2035-2044. (in Chinese)

[29] 王家瑞, 劉衛(wèi)星, 陳雨露, 康娟, 張艷菲, 徐文俊, 侯閣閣, 李華, 王晨陽(yáng). 不同灌水模式對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水分利用的調(diào)控效應(yīng). 麥類(lèi)作物學(xué)報(bào), 2018, 38(10): 1229-1236.

WANG J R, LIU W X, CHEN Y L, KANG J, ZHANG Y F, XU W J, HOU G G, LI H, WANG C Y. Regulatory effect of different irrigation regimes on grain yield and water use efficiency of winter wheat., 2018, 38(10): 1229-1236. (in Chinese)

[30] 張經(jīng)廷, 周順利, 王志敏, 賈秀領(lǐng).15N同位素在華北冬小麥夏玉米氮營(yíng)養(yǎng)來(lái)源研究中的應(yīng)用. 同位素, 2019, 32(4): 299-307.

ZHANG J T, ZHOU S L, WANG Z M, JIA X L. Application of15N isotope for the identification of nitrogen nutrition sources of winter wheat and summer maize in North China Plain., 2019, 32(4): 299-307. (in Chinese)

[31] 張經(jīng)廷, 王志敏, 周順利. 夏玉米不同施氮水平土壤硝態(tài)氮累積及對(duì)后茬冬小麥的影響. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 46(6): 1182-1190.

ZHANG J T, WANG Z M, ZHOU S L. Soil nitrate N accumulation under different N-fertilizer rates in summer maize and its residual effects on subsequent winter wheat., 2013, 46(6): 1182-1190. (in Chinese)

[32] ZHANG J T, WANG Z M, LIANG S B, ZHANG Y H, LU L Q, WANG R Z, ZHOU S L. Quantitative study on the fate of residual soil nitrate in winter wheat based on a15N-labeling method., 2017, 12(2): e0171014.

[33] LIU X J, ZHANG Y, TANG A H, SHEN J L, CUI Z L, VITOUSEK P, ERISMN J W, GOULDING K, CHRISTIE P, FANGMEIER A, ZHANG F S. Enhanced nitrogen deposition over China., 2013, 494 (7438): 459-462.

[34] 鄭丹楠, 王雪松, 謝紹東, 段雷, 陳東升. 2010年中國(guó)大氣氮沉降特征分析. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2014, 34(5): 1089-1097.

ZHENG D N, WANG X S, XIE S D, DUAN L, CHEN D S. Simulation of atmospheric nitrogen deposition in China in 2010., 2014, 34(5): 1089-1097. (in Chinese)

[35] 張娟, 武同華, 代興龍, 王西芝, 李洪梅, 蔣明洋, 賀明榮. 種植密度和施氮水平對(duì)小麥吸收利用土壤氮素的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 26(6): 1727-1734. ZHANG J, WU T H, DAI X L, WANG X Z, LI H M, JIANG M Y, HE M R. Effects of plant density and nitrogen level on nitrogen uptake and utilization of winter wheat., 2015, 26(6): 1727-1734. (in Chinese)

[36] 張美微, 謝旭東, 王晨陽(yáng), 馬耕, 盧紅芳, 周?chē)?guó)勤, 謝迎新, 馬冬云. 不同生態(tài)條件下品種和施氮量對(duì)冬小麥產(chǎn)量及氮肥利用效率的影響. 麥類(lèi)作物學(xué)報(bào), 2016, 36(10): 1362-1368.

ZHANG M W, XIE X D, WANG C Y, MA G, LU H F, ZHOU G Q, XIE Y X, MA D Y. Effect of cultivar and nitrogen fertilizer application on grain yield and nitrogen use efficiency of wheat at different planting environments., 2016, 36(10): 1362-1368. (in Chinese)

A Novel Method for Quantitating Water and Fertilizer Coupling Types and Its Application in Optimizing Water and Nitrogen Combination in Winter Wheat in the North China Plain

ZHANG JingTing, Lü LiHua, ZHANG LiHua, DONG ZhiQiang, YAO YanRong, YAO HaiPo, SHEN HaiPing, JIA XiuLing

(Institute of Cereal and Oil Crops, Hebei Academy of Agriculture and Forestry Science /Scientific Observing Experimental Station of Crop Cultivation in North China of Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shijiazhuang 050035)

【】A novel method for distinguishing quantitatively irrigation and fertilizercoupling types was introduced, and basing on this method, irrigation and nitrogen combination in winter wheat on North China Plain was to be optimized. The aim of the study was to have a greater understanding of coupling effect of water and fertilizer, and to provide theoretical and practical basis for promoting water and fertilizer synergetic management in crop production. 【】The results showed that the difference between the true value and the theoretical value of crop relative yield was statistically significant (＜0.05) or not was considered as the critical criterion for distinguishing the coupling type of a specific water-fertilizer combination. The two-factor split plot experiment was persistently carried out in the North China Plain in Hebei province during ten successive winter wheat growing seasons (2016-2016). In this experiment, the two irrigation treatments were the main plots, irrigation one time (75 mm in jointing stage, W1) and two times (75 mm in jointing and flowering stage respectively, W2) during wheat growing season, and five N rates were the subplots, consisting of 0 (N0), 60 (N60), 120 (N120), 180 (N180), and 240 (N240) kg·hm-2, respectively. The coupling types of different water-nitrogen combinations and their inter-annual variation characteristics were explored to determine the optimized water-nitrogen combination in winter wheat growing seasons.】When the true value of the crop relative yield of awater-fertilizer combination was statistically higher than its theoretical value, the water and fertilizer coupling type of this combination was “synergism” (water and fertilizer promote mutually). When the true value was significantly smaller than the theoretical value, the water and fertilizer coupling type was “antagonism” (water and fertilizer restrict mutually). When there was no significant difference between the true value and the theoretical value, the water and fertilizer coupling type of the combination was “additivity” (water and fertilizer no interaction).The water-nitrogen coupling type and inter-annual variation characteristics of the W2Nx combinations in winter wheat were significantly affected by nitrogen application rate. Generally, the water-nitrogen coupling type ofW2N60was antagonism basing on the average yield of winter wheat in the 10 years. To be specific, for the W2N60, water and nitrogen antagonized mutually in the first twoexperimental years, in the 3rd year the relationship between water and nitrogen changed intocollaborationuntil the 5th experimental year, and the water-nitrogen coupling type of the combination was antagonism in the 6th to 10th year. The water-nitrogen coupling type of W2N120was additivity in the 1st to 4th year, and then turned into synergism in the 5th to 10th experimental year. The coupling type of W2N180and W2N240, in which nitrogen application exceed 120 kg·hm-2, was additivity in each year in the experiment. 【】 It is of great feasibility to identify quantitatively the coupling type of a specific water and fertilizer combination based on the significance of the difference between the actual value and the theoretical value of the crop relative yield. Under the combination of W2N120, water and nitrogen promoted yield increase synergistically for a long time. Therefore, maintaining the annual grain yield of 8.5 t·hm-2or so,W2N120should be recommended as an optimal combination of water and nitrogen for winter wheat in the northern part of the Huang-Huai Plain over a certain period of time.

water and fertilizer coupling type; quantization method; winter wheat; North China Plain; water and nitrogen combination

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.17.008

2019-03-20；

2019-04-23

國(guó)家自然科學(xué)基金（31701373）、河北省自然科學(xué)基金（C2018301050）、河北省農(nóng)業(yè)創(chuàng)新工程項(xiàng)目（F19R034896）

張經(jīng)廷，E-mail：jingting58@126.com。通信作者賈秀領(lǐng)，E-mail：jiaxiuling2013@163.com

（責(zé)任編輯 李云霞）