許衛(wèi)娜 楊寶平 丁瑞霞 聶俊峰 韓清芳 賈志寬

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 陜西楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

水資源短缺已成為制約我國(guó)北方地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。干旱半干旱區(qū)是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，該地區(qū)自然降水少、年際變率大，且季節(jié)分布不均勻，60%的降水主要分布在7—9月。而冬小麥生育期正逢少雨季節(jié)，土壤表層經(jīng)常處于干旱狀態(tài)，降水不能滿足植物生長(zhǎng)需要，須靠播種前土層豐富的蓄水量維持較高的產(chǎn)量，這嚴(yán)重限制了肥料的吸收利用。大量的肥料投入促進(jìn)了作物產(chǎn)量的提高，但由于利用率低下帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[1-2]。如何利用播前土壤蓄水量確定肥料的投入是確保該區(qū)域糧食穩(wěn)產(chǎn)、高效的主要措施。

肥和水是作物生長(zhǎng)不可缺少的兩個(gè)主要因素，其相互促進(jìn)、相互制約[3-4]。研究發(fā)現(xiàn)，施肥的增產(chǎn)效果與土壤水分狀況密切相關(guān)，不同供水條件下的施肥效果有很大差別[3,5-9]。在水分適宜范圍內(nèi)，高濕度土壤形成的產(chǎn)量高、氮素利用率高[10]；在干旱條件下，小麥對(duì)施肥的效應(yīng)高度依賴于生育期土壤的有效水含量[11]。

在旱地農(nóng)業(yè)中，如何有效地提高降水-土壤水-作物水-光合作用-干物質(zhì)積累-經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量間的轉(zhuǎn)化效率，并創(chuàng)建有利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長(zhǎng)期需要研究解決的問(wèn)題。作物水分利用效率與產(chǎn)量是作物生產(chǎn)追求的兩大目標(biāo)。以兼顧這兩大指標(biāo)為目標(biāo)確定作物水肥優(yōu)化耦合區(qū)域，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究[12-18]。LIU等[19]和FU等[20]利用彈性系數(shù)得出作物獲得最大產(chǎn)量和水分利用效率的水肥投入量。對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，在理論上可以通過(guò)對(duì)各指標(biāo)的多元回歸聯(lián)合求解獲得兼顧各指標(biāo)的最優(yōu)水肥組合，但是由于指標(biāo)間的相互制約作用，該極值往往難以求出，而且由于試驗(yàn)處理有限，潛在最優(yōu)處理有可能在所設(shè)處理之外，因此得出的最優(yōu)處理的代表性較差。然而，利用空間分析方法[21]對(duì)各指標(biāo)多元回歸方程所得三維曲面進(jìn)行水平投影，尋找各指標(biāo)可接受區(qū)域(例如，大于等于0.95最大值)的重疊區(qū)，即可得到兼顧各指標(biāo)的最優(yōu)組合范圍。在干旱半干旱區(qū)，應(yīng)有效利用播前0～200 cm土層的土壤水分含量(底墑)進(jìn)行肥水運(yùn)籌，以推動(dòng)水資源嚴(yán)重短缺區(qū)域發(fā)展提質(zhì)增效的適水農(nóng)業(yè)[22]。

本研究在大型防雨池栽條件下，播前精準(zhǔn)設(shè)置不同底墑、生育期補(bǔ)水量、施氮量，運(yùn)用多元回歸分析不同水肥條件與產(chǎn)量、水分利用效率的關(guān)系，并結(jié)合空間分析方法對(duì)小麥各指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期確定兼顧作物產(chǎn)量和水分利用效率的最優(yōu)水肥方案，為優(yōu)化該地區(qū)冬小麥綠色高效生產(chǎn)的水肥精準(zhǔn)投入提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料和設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013—2015年在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院大型作物控水監(jiān)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)啟閉式防雨棚下進(jìn)行。該試驗(yàn)場(chǎng)位于陜西省楊凌區(qū)(北緯34°18′，東經(jīng)108°4′，海拔466.7 m)，屬暖溫帶半濕潤(rùn)易旱氣候區(qū)，試驗(yàn)?zāi)甑臍夂蜃兓?jiàn)表1。試驗(yàn)小區(qū)為面積6.7 m2(3.15 m×2.13 m)的水泥池，池深3 m，每池四周為17 cm厚水泥墻，用以防止水分水平交換。池中土壤為深2.5 m壚土原狀土柱(原位土)，分層填入。池底部設(shè)有濾層(0.5 m厚沙子和石子)和排水管，以防池底積水。遇雨雪蓋棚，全年防雨水進(jìn)入。0～60 cm土層土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分見(jiàn)表2。

表1 2013—2015年的氣候變化Tab.1 Weather data change during 2013—2015

表2 供試土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分Tab.2 Basic nutrient of tested soil

試驗(yàn)采用裂-裂-區(qū)設(shè)計(jì)，2次重復(fù)。土壤底墑(WB)為主區(qū)處理，3個(gè)土壤底墑分別為 350、 450、650 mm，即在每年八月和九月灌溉100、200、350 mm，進(jìn)行人工造墑，播種前再測(cè)墑補(bǔ)灌調(diào)整至試驗(yàn)設(shè)計(jì)底墑。施氮量(N)為副區(qū)處理，4個(gè)施氮量，即0 kg/hm2(N0)、105 kg/hm2(N105)、210 kg/hm2(N210)、315 kg/hm2(N315)。播種前基施純磷126 kg/hm2和純鉀31 kg/hm2。所有肥料于播前整地時(shí)一次性均勻撒施于地表然后深翻土壤(20～25 cm)，氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為過(guò)磷酸鈣(含P2O516%)，鉀肥為硫酸鉀(含K2O 45%)。生育期間補(bǔ)水量(R)為副副區(qū)處理，4個(gè)補(bǔ)水量，即0 mm(R0)、56.3 mm(R1)、78.1 mm(R2)、100 mm (R3)，具體補(bǔ)水量見(jiàn)表3，用水表計(jì)量，池內(nèi)每小區(qū)又分成4個(gè)微區(qū)進(jìn)行均勻微滴灌補(bǔ)水，以減少側(cè)滲(漏)，確保入滲率。

表3 補(bǔ)水量方案Tab.3 Supplemental water scheme mm

底墑依據(jù)中國(guó)北方半濕潤(rùn)偏旱區(qū)30年冬小麥播種期的0～200 cm土壤蓄水量變化狀況進(jìn)行設(shè)置；補(bǔ)水量按照中國(guó)北方旱作麥區(qū)30年小麥返青后(2月—成熟)不同降雨年型分別模擬控制；施氮量依據(jù)唐拴虎等[23]的研究，施氮量與降水量呈二次函數(shù)關(guān)系，降水偏少地區(qū)施純氮量為75 kg/hm2最佳，降水較多的地區(qū)要獲得小麥最高產(chǎn)量，應(yīng)以高肥純氮(112.5～150 kg/hm2)最佳。參照以上研究結(jié)果并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，確定試驗(yàn)方案。

以冬小麥長(zhǎng)旱58(半冬性旱地國(guó)審品種)為供試材料，于每年10月中旬播種，播種量135 kg/hm2，行距25 cm，人工開(kāi)溝點(diǎn)播，株距1.5 cm，深度5～7 cm，播后用水平尺測(cè)平，以利于后期均勻補(bǔ)水。出苗三葉期后定苗，于每年6月上旬收獲。

1.2 測(cè)定指標(biāo)和方法

冬小麥播種前、收獲后各處理小區(qū)測(cè)定土層0～200 cm的土壤含水率。0～30 cm用常規(guī)土鉆取土烘干法測(cè)定，40～200 cm用TDR時(shí)域反射計(jì)(TRIME-FM型，德國(guó)IMKO公司)測(cè)定，間隔10 cm。

成熟時(shí)分區(qū)測(cè)產(chǎn)，每處理選取無(wú)明顯缺苗斷壟的3個(gè)1 m2進(jìn)行收獲，同時(shí)每小區(qū)選取有代表性的30 株冬小麥按常規(guī)法進(jìn)行室內(nèi)單株考種分析。土壤蓄水量計(jì)算式為

W=∑WiDiHi×10/100

式中W——土壤蓄水量，mm

Wi——第i層土壤質(zhì)量含水率，%

Di——第i層土壤容重，g/cm3

Hi——第i層土層厚度，cm

作物耗水量計(jì)算式為

ET=R+ΔW

式中ET——作物生育期內(nèi)耗水量，mm

R——生育期內(nèi)補(bǔ)水量，mm

ΔW——播前期與收獲期0～200 cm土壤蓄水量差值，mm

水分利用效率計(jì)算式為

式中WUE——水分利用效率，kg/(hm2·mm)

Y——冬小麥產(chǎn)量，kg/hm2

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差(ANOVA)分析，采用LSD法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率的影響

根據(jù)各處理產(chǎn)量、水分利用效率結(jié)果進(jìn)行回歸模擬，建立兩年產(chǎn)量、水分利用效率與底墑、施氮量和補(bǔ)水量的模型。

2013—2014年模型為

(1)

(2)

2014—2015年模型為

(3)

(4)

式中WB——底墑,mmN——施氮量,kg/hm2

t0～t9——各方程回歸系數(shù)t檢驗(yàn)值

其中，*表示差異顯著，**表示差異極顯著。經(jīng)檢驗(yàn)：2013—2014年度，方差檢驗(yàn)量F分別為514.932 7**、57.261 1**，擬合優(yōu)度分別為0.985 8**、0.901 9**；2014—2015年度，方差檢驗(yàn)量F分別為227.179 5**、56.869 4**，擬合優(yōu)度分別為0.968 8**、0.908 9**。模型系數(shù)差異極顯著，該模型能反映產(chǎn)量、水分利用效率的變化過(guò)程。

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，剔除不顯著項(xiàng)后，只有常數(shù)項(xiàng)、底墑、施氮量和補(bǔ)水量的系數(shù)有變化，而且變化很小。所以，本研究選用剔除不顯著項(xiàng)后的模型。

2013—2014年模型為

(5)

(6)

2014—2015年模型為

(7)

(8)

2.1.1底墑、施氮量、補(bǔ)水量的主因子效應(yīng)

根據(jù)式(5)～(8)回歸系數(shù)和t值可知，各試驗(yàn)因素均有明顯的增產(chǎn)作用，對(duì)產(chǎn)量影響由大到小依次為底墑、施氮量、補(bǔ)水量，對(duì)水分利用效率影響由大到小依次為底墑、補(bǔ)水量、施氮量。底墑和施氮量的交互項(xiàng)系數(shù)為正值，說(shuō)明底墑和施氮量間存在相互促進(jìn)作用，底墑和補(bǔ)水量的交互項(xiàng)系數(shù)為負(fù)值，說(shuō)明底墑與補(bǔ)水量間存在互相替代作用。底墑、施氮量二次項(xiàng)系數(shù)均為負(fù)值，可知在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)產(chǎn)量、水分利用效率隨著底墑和施氮量的增加而增加，最后將呈逐漸降低的趨勢(shì)，過(guò)多水肥投入，不僅增加生產(chǎn)成本，而且會(huì)使產(chǎn)量和水分利用效率降低。

2.1.2底墑、施氮量、補(bǔ)水量的單因子效應(yīng)

由圖1a、1b(圖中試驗(yàn)因子水平為各實(shí)驗(yàn)值與最大實(shí)際值之比，下同)可看出，產(chǎn)量隨施氮量的增加呈拋物線變化，存在產(chǎn)量最高點(diǎn)，繼續(xù)增加施氮量產(chǎn)量降低；隨著土壤底墑和補(bǔ)水量的增加，產(chǎn)量顯著增加。由圖1c、1d可知，水分利用效率隨土壤底墑、施氮量的增加呈拋物線變化，存在水分利用效率最大點(diǎn)，繼續(xù)增加底墑、施氮量水分利用效率降低。隨著補(bǔ)水量的增加，水分利用效率提高。

2.1.3底墑、施氮量、補(bǔ)水量的單因子邊際效應(yīng)

圖2表明，底墑、施氮量?jī)梢蜃拥倪呺H產(chǎn)量、邊際水分利用效率效應(yīng)隨投入量的增加呈遞減趨勢(shì)，且施氮量邊際產(chǎn)量效應(yīng)的遞減大于底墑，底墑邊際水分利用效率的遞減大于施氮量；而補(bǔ)水量因子的邊際產(chǎn)量、邊際水分利用效率效應(yīng)隨著補(bǔ)水量的增大幾乎不變，說(shuō)明補(bǔ)水量對(duì)邊際產(chǎn)量、邊際水分利用效率幾乎無(wú)影響。邊際效應(yīng)曲線分別與x軸相交之處為最適宜投入量。在最適宜投入量之前，邊際產(chǎn)量、邊際水分利用效率為正效應(yīng)，亦說(shuō)明隨著投入量的增加，邊際產(chǎn)量、邊際水分利用效率的累加值增大。超過(guò)最適宜投入量后，邊際產(chǎn)量、邊際水分利用效率為負(fù)效應(yīng)，進(jìn)一步表明再增加投入量，邊際產(chǎn)量、邊際水分利用效率的累加值減小。

2.1.4底墑、施氮量、補(bǔ)水量的交互效應(yīng)

根據(jù)式(1)～(4)回歸系數(shù)和t值可知，兩兩因子間都表現(xiàn)出交互作用，其對(duì)產(chǎn)量影響由大到小依次為底墑與施氮量的交互作用、底墑與補(bǔ)水量的交互作用、施氮量與補(bǔ)水量的交互作用；其對(duì)水分利用效率影響由大到小依次為底墑與補(bǔ)水量的交互作用、底墑與施氮量的交互作用、施氮量與補(bǔ)水量的交互作用。其中，底墑和施氮量的交互項(xiàng)系數(shù)為正值，說(shuō)明底墑與施氮量具有明顯的相互促進(jìn)作用。

(1)施氮量和補(bǔ)水量的交互效應(yīng)

由圖3可看出，當(dāng)補(bǔ)水量固定，產(chǎn)量、水分利用效率隨著施氮量的增加有提高的趨勢(shì)，但超過(guò)一定施氮量后產(chǎn)量、水分利用效率有所降低，產(chǎn)量、水分利用效率具有最高點(diǎn)。同理，施氮量固定時(shí)，產(chǎn)量隨補(bǔ)水量的增加而增加；而水分利用效率隨著補(bǔ)水量的增加有提高的趨勢(shì)，但超過(guò)一定補(bǔ)水量后水分利用效率降低。但是，隨著補(bǔ)水量的增加，產(chǎn)量、水分利用效率達(dá)到最高點(diǎn)的施氮量有所不同。在補(bǔ)水量較低時(shí)，較高的施氮量才可以使產(chǎn)量、水分利用效率達(dá)到最高點(diǎn)。繼續(xù)增加施氮量，則產(chǎn)量、水分利用效率下降。

由圖3也可看出，補(bǔ)水量與施氮量?jī)梢蜃油瑫r(shí)變化對(duì)產(chǎn)量、水分利用效率的影響比單因子影響更為敏感和劇烈。如2013—2014年，在不補(bǔ)水不施肥的條件下(R=0 mm,N=0 kg/hm2)，產(chǎn)量、水分利用效率最低，產(chǎn)量?jī)H為1 343.0 kg/hm2，水分利用效率為19.4 kg/(hm2·mm)，隨著補(bǔ)水量和施氮量的同時(shí)增加，產(chǎn)量、水分利用效率提高較快，當(dāng)補(bǔ)水量和施氮量增加到R=100 mm、N=151.2 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到最高點(diǎn)，為2 833.3 kg/hm2；當(dāng)補(bǔ)水量和施氮量增加到R=100 mm、N=186.5 kg/hm2時(shí)，水分利用效率達(dá)到最高點(diǎn)，為25.2 kg/(hm2·mm)。

(2)底墑與施氮量的交互效應(yīng)

由圖4可看出，當(dāng)?shù)讐劰潭ǎa(chǎn)量、水分利用效率隨著施氮量的增加有提高的趨勢(shì)，但超過(guò)一定施氮量后產(chǎn)量、水分利用效率有所降低，產(chǎn)量、水分利用效率具有最高點(diǎn)。同樣，施氮量固定時(shí)，產(chǎn)量隨底墑的增加而增加，水分利用效率隨著底墑的增加有提高的趨勢(shì)，但超過(guò)一定底墑水平后水分利用效率有所降低，有水分利用效率最高點(diǎn)。但是，隨著底墑的增加，產(chǎn)量、水分利用效率達(dá)到最高點(diǎn)的施氮量不同。底墑?shì)^低時(shí)，產(chǎn)量隨施氮量的增加幅度較大，水分利用效率隨施氮量的增加幅度較小。當(dāng)?shù)讐勛畹?WB=350 mm)時(shí)，施氮量N由0 kg/hm2增加至144.7 kg/hm2，產(chǎn)量增幅為213.0%；施氮量N由0 kg/hm2增加至86.5 kg/hm2，水分利用效率增幅為6.5%。當(dāng)?shù)讐刉B=650 mm時(shí)，施氮量N由0 kg/hm2增加至170.2 kg/hm2，產(chǎn)量增幅為18.9%；施氮量N由0 kg/hm2增加至131.5 kg/hm2，水分利用效率增幅為22.4%。當(dāng)施氮量較低時(shí)，較高的底墑可以達(dá)到產(chǎn)量、水分利用效率最高點(diǎn)。

由圖4也可看出，底墑與施氮量?jī)梢蜃油瑫r(shí)變化對(duì)產(chǎn)量、水分利用效率的影響比單因子影響更為敏感和劇烈。在低底墑不施肥的條件下(WB=350 mm，N=0 kg/hm2)，產(chǎn)量最低，僅為294.9 kg/hm2，水分利用效率僅為11.6 kg/(hm2·mm)，隨著底墑和施氮量的同時(shí)增加，產(chǎn)量、水分利用效率迅速提高，當(dāng)?shù)讐労褪┑吭黾拥絎B=650 mm、N=170.2 kg/hm2時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到最高點(diǎn)，為5 458.1 kg/hm2；當(dāng)?shù)讐労褪┑吭黾拥絎B=550 mm、N=202.5 kg/hm2時(shí)，水分利用效率達(dá)到最高點(diǎn)，為30.1 kg/(hm2·mm)。

(3)底墑與補(bǔ)水量的交互效應(yīng)

由圖5可看出，無(wú)論底墑如何，產(chǎn)量均隨補(bǔ)水量的增加而增加。當(dāng)?shù)讐劰潭ㄔ谳^低水平，水分利用效率隨著補(bǔ)水量的增加而增加，當(dāng)?shù)讐劰潭ㄔ谳^高水平，水分利用效率隨著補(bǔ)水量的增加而減少。同理，無(wú)論補(bǔ)水多少，產(chǎn)量均隨底墑的增加而增加。當(dāng)補(bǔ)水量固定時(shí)，水分利用效率隨底墑的增加有提高的趨勢(shì)，但超過(guò)一定底墑水平后水分利用效率有所降低，有水分利用效率最高點(diǎn)。但是，隨著底墑的增加，水分利用效率達(dá)到最高點(diǎn)的補(bǔ)水量不同。

隨著底墑和補(bǔ)水量的同時(shí)增加，產(chǎn)量迅速提高，且在補(bǔ)水量和底墑最高時(shí)，產(chǎn)量可達(dá)最高。在補(bǔ)水量較低時(shí)，較高的底墑條件才可以達(dá)到水分利用效率最高點(diǎn)。如2013—2014年，當(dāng)補(bǔ)水量最低(R=0 mm)時(shí)，達(dá)到水分利用效率最高點(diǎn)的底墑為WB=572.5 mm，最大水分利用效率為29.9 kg/(hm2·mm)，底墑繼續(xù)增加，則水分利用效率開(kāi)始下降，當(dāng)?shù)讐勥_(dá)到最大值，即WB=650 mm時(shí)，水分利用效率下降到27.4 kg/(hm2·mm)。當(dāng)補(bǔ)水量提高時(shí)，在較低的底墑條件下水分利用效率就能達(dá)到最高點(diǎn)，如R=56.3 mm時(shí)，WB=558.5 mm，水分利用效率就能達(dá)到最高點(diǎn)，為29.5 kg/(hm2·mm)。同理，當(dāng)?shù)讐勢(shì)^低時(shí)，較多的補(bǔ)水可以達(dá)到水分利用效率最高點(diǎn)。由圖5也可看出，底墑與補(bǔ)水量?jī)梢蜃油瑫r(shí)變化對(duì)水分利用效率的影響比單因子影響更為敏感和劇烈。在低底墑不補(bǔ)水的條件下(WB=350 mm，R=0 mm)，水分利用效率為10.0 kg/(hm2·mm)，隨著底墑和補(bǔ)水量的同時(shí)增加，水分利用效率迅速增大，當(dāng)?shù)讐労脱a(bǔ)水量為WB=585 mm、R=0 mm時(shí)，水分利用效率達(dá)到最高點(diǎn)，為29.8 kg/(hm2·mm)。

上述分析也說(shuō)明，在旱區(qū)冬小麥生產(chǎn)管理中，肥料的施用量應(yīng)依據(jù)土壤底墑和補(bǔ)水量而定，同樣，補(bǔ)水量應(yīng)依據(jù)施氮量來(lái)確定。底墑、施氮量、補(bǔ)水量不足達(dá)不到高產(chǎn)，底墑、施氮量、補(bǔ)水量過(guò)多不僅浪費(fèi)水肥資源，而且會(huì)降低產(chǎn)量。只有合理的肥、水配合，才能發(fā)揮出最佳交互耦合作用，獲得最高產(chǎn)量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)水肥資源高效利用。

2.2 水肥耦合區(qū)域

通過(guò)空間分析方法對(duì)各指標(biāo)多元回歸方程所得三維曲面進(jìn)行水平投影，尋找各指標(biāo)可接受區(qū)域(大于等于0.95最大值)的重疊區(qū)，即可得到兼顧各指標(biāo)的最優(yōu)組合范圍。將產(chǎn)量、水分利用效率兩項(xiàng)指標(biāo)95%最大值的等值線投影后得到綜合分析圖(圖6中陰影區(qū)域表示產(chǎn)量和水分利用效率同時(shí)大于等于0.95最大值的可接受區(qū)域)，由圖6可知，產(chǎn)量、WUE同時(shí)達(dá)到大于等于0.95最大值的補(bǔ)水施肥區(qū)間，在底墑為650 mm時(shí)，兩種因素的可接受區(qū)域沒(méi)有重疊區(qū)(圖6a、6b)。在底墑為450 mm時(shí)，重疊區(qū)域?yàn)檠a(bǔ)水量90～100 mm和施氮量104.5～224.5 kg/hm2(圖6c、6d)。在底墑為350 mm時(shí)，重疊區(qū)域?yàn)檠a(bǔ)水量94.3～100 mm和施氮量105.8～186.4 kg/hm2(圖6e、6f)。在底墑為650 mm，產(chǎn)量達(dá)到大于等于0.95最大值，水分利用效率大于等于0.85最大值所對(duì)應(yīng)的水氮范圍分別為71～100 mm和141.2～264.8 kg/hm2。

3 討論

產(chǎn)量與水分利用效率是決定冬小麥經(jīng)濟(jì)效益的首要指標(biāo)，提高產(chǎn)量與水分利用效率是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的基礎(chǔ)。水肥是影響冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的重要因素，“以肥調(diào)水”對(duì)提高作物的產(chǎn)量及水分利用效率有極其重要的作用[24-25]。研究表明，底墑是影響冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的主要因素[26]，這與本研究結(jié)果一致。已有研究亦表明，施肥對(duì)提高冬小麥產(chǎn)量的影響大于灌溉[27]。適量施肥明顯提高產(chǎn)量和水分利用效率，而施肥過(guò)量則會(huì)降低產(chǎn)量和水分利用效率[12,28-30]。施肥促進(jìn)了作物的根系發(fā)育，增加了對(duì)土壤水分的吸收利用，形成了更多的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量[31]，這與本試驗(yàn)結(jié)果相一致。多數(shù)研究指出，改善水分條件可以協(xié)調(diào)產(chǎn)量構(gòu)成因素，提高產(chǎn)量[32-33]；在高濕度條件下水分利用效率隨著灌溉量的增加而降低[34]，在干旱條件下，水分利用效率隨著灌溉量的增加而增加[35]，這也與本試驗(yàn)條件下中低底墑的研究結(jié)果相一致。

研究認(rèn)為灌水量與施氮量的交互作用顯著，而且以高水高肥對(duì)作物增產(chǎn)作用明顯[12,36]。本研究結(jié)果表明，水肥耦合尤其底墑與施肥交互作用對(duì)旱作冬小麥產(chǎn)量的影響達(dá)到了顯著水平。無(wú)論何種底墑，施肥均能增加作物的產(chǎn)量和水分利用效率，但當(dāng)施氮量超過(guò)一定量時(shí)，產(chǎn)量和水分利用效率降低。隨著底墑的增加，產(chǎn)量和水分利用效率達(dá)到最大時(shí)所用的施氮量不同，這與文獻(xiàn)[37]研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)結(jié)果亦表明，當(dāng)補(bǔ)水量一定時(shí)，產(chǎn)量和水分利用效率隨施氮量的增加呈開(kāi)口向下的拋物線狀，可能是過(guò)低或過(guò)高的肥料均不利于植株對(duì)水分的吸收和利用，從而造成減產(chǎn)；當(dāng)施氮量一定時(shí)，隨著補(bǔ)水量的增加，產(chǎn)量增加，底墑?shì)^高時(shí)水分利用效率降低，底墑?shì)^低時(shí)水分利用效率增加。

肥料的合理用量在很大程度上取決于土壤水分供應(yīng)。LEGGETT等[38]提出根據(jù)作物生長(zhǎng)期間降雨量確定施氮量的建議，黨建忠等[39]提出根據(jù)土壤底墑和地力配方施肥技術(shù)。上述研究將施氮量與降雨量或播前土壤儲(chǔ)水聯(lián)系起來(lái)，但未將降雨量和播前土壤儲(chǔ)水結(jié)合，而且未考慮降雨的入滲率。李生秀等[31]提出要較為準(zhǔn)確地估計(jì)施氮量，可以有效水量(播前土壤儲(chǔ)水量加上作物生長(zhǎng)期間降雨的入滲水量)的利用效率、土壤養(yǎng)分豐缺程度或當(dāng)前產(chǎn)量水平為依據(jù)，計(jì)算達(dá)到預(yù)定產(chǎn)量時(shí)的施氮量，但都是大田試驗(yàn)，沒(méi)有明確播前底墑狀況，無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算、控制生育期降雨量(補(bǔ)水量)，有些雖考慮底墑，但不包含3種年型的底墑設(shè)置。本研究模擬更為接近大田環(huán)境條件，在中低肥力土壤上，依據(jù)播前土壤有效底墑，通過(guò)設(shè)置能夠充分代表整個(gè)旱區(qū)的底墑水平，由移動(dòng)式大棚嚴(yán)格控制生育期降雨量(依據(jù)30年生育期平均降雨量保證率的60%采用精準(zhǔn)補(bǔ)灌的方式補(bǔ)入，即補(bǔ)水量)，結(jié)果表明，根據(jù)底墑狀況和生育期降雨對(duì)旱地小麥進(jìn)行量水配方施肥，能使降水與施肥有機(jī)結(jié)合，以肥調(diào)水，以水促肥，肥水相濟(jì)，充分發(fā)揮降水的生產(chǎn)潛力和施肥的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展。

運(yùn)用空間分析方法確定的水肥耦合優(yōu)化區(qū)域是兼顧最大產(chǎn)量和最高水分利用效率兩大目標(biāo)而確定的，直接反映了最優(yōu)的水肥投入量，推動(dòng)農(nóng)業(yè)適水發(fā)展與綠色高效節(jié)水，為旱區(qū)實(shí)際生產(chǎn)中的以水生產(chǎn)、量水施肥以及旱區(qū)冬小麥水肥調(diào)控提供了參考。

4 結(jié)論

(1)分別建立了旱區(qū)冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率與底墑、施氮量和補(bǔ)水量的三元二次回歸模型，并進(jìn)行了系數(shù)檢驗(yàn)，通過(guò)系數(shù)檢驗(yàn)排除不顯著項(xiàng)，重新建立的回歸模型達(dá)到極顯著水平。

(2)對(duì)產(chǎn)量、水分利用效率回歸模型分別進(jìn)行單因素效應(yīng)分析、單因素邊際效應(yīng)分析以及各因素耦合效應(yīng)分析，得到3個(gè)因素對(duì)產(chǎn)量影響順序由大到小依次為底墑、施氮量、補(bǔ)水量，對(duì)水分利用效率影響順序由大到小依次為底墑、補(bǔ)水量、施氮量。隨施氮量的增加，產(chǎn)量、水分利用效率呈拋物線變化，存在產(chǎn)量最高點(diǎn)，繼續(xù)增加施氮量則產(chǎn)量降低；產(chǎn)量隨土壤底墑增加而增加，水分利用效率呈拋物線變化，存在水分利用效率最大點(diǎn)，繼續(xù)增加底墑則水分利用效率降低。產(chǎn)量、水分利用效率隨補(bǔ)水量的增加而提高。各耦合效應(yīng)對(duì)產(chǎn)量的影響順序由大到小依次為底墑與施氮量的交互作用、底墑與補(bǔ)水量的交互作用、施氮量與補(bǔ)水量的交互作用，對(duì)水分利用效率影響順序由大到小依次為底墑與補(bǔ)水量的交互作用、底墑與施氮量的交互作用、施氮量與補(bǔ)水量的交互作用。其中，底墑和施氮量的交互項(xiàng)系數(shù)為正值，說(shuō)明底墑與施氮量具有明顯的相互促進(jìn)作用。

(3)在旱作區(qū)冬小麥生產(chǎn)管理中，測(cè)定播前底墑，根據(jù)氣象資料預(yù)測(cè)計(jì)算而設(shè)置補(bǔ)水量，通過(guò)水肥優(yōu)化區(qū)域確定合理的施氮量、補(bǔ)水量?jī)?yōu)化方案為：在底墑為650 mm時(shí)，兩種因素可接受區(qū)域沒(méi)有重疊區(qū)；在底墑為450 mm時(shí)，補(bǔ)水量90～100 mm和施氮量104.5～224.5 kg/hm2。在底墑為350 mm時(shí)，補(bǔ)水量94.3～100 mm和施氮量105.8～186.4 kg/hm2較為科學(xué)。在底墑為650 mm時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到大于等于0.95最大值，水分利用效率大于等于0.85最大值所對(duì)應(yīng)的水氮范圍分別為71～100 mm和141.2～264.8 kg/hm2。