作物水肥耦合類型量化方法在華北冬小麥水氮配置中的應用

張經廷，呂麗華，張麗華，董志強，姚艷榮，姚海坡，申海平，賈秀領

作物水肥耦合類型量化方法在華北冬小麥水氮配置中的應用

張經廷，呂麗華，張麗華，董志強，姚艷榮，姚海坡，申海平，賈秀領

（河北省農林科學院糧油作物研究所/農業農村部華北地區作物栽培科學觀測實驗站，石家莊 050035）

【】研究一種作物水肥耦合類型量化方法及基于這種方法的華北冬小麥水氮優化配置，豐富作物水肥耦合分析方法，為促進冬小麥水肥協同高效生產提供理論基礎和實踐依據。根據作物相對產量的真實值與理論值的差異顯著性來判定某一具體水肥組合的耦合類型。2006—2016連續10年在黃淮北部進行了冬小麥季不同水氮處理的大田定位試驗。裂區設計，灌水量為主區，設春灌1水（拔節期75 mm，W1）和2水（拔節期和開花期各75 mm，W2）兩個處理；施氮量為副區，設5個水平，分別為0 （N0）、60（N60）、120（N120）、180（N180）、240 kg·hm-2（N240），共10對水氮組合。研究冬小麥不同水氮組合的耦合類型及其年際轉換特征，確選適宜的水氮配置。某一水肥組合相對產量真實值經統計檢驗顯著高于其理論值，此水肥組合的水肥耦合類型即為“協同”（水肥互相促進）；真實值顯著小于理論值，水肥耦合類型即為“拮抗”（水肥互相限制）；真實值與理論值沒有顯著差異，水肥耦合類型即為“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水氮耦合類型10年平均為“拮抗”，定位第1—2年灌水限制施氮的增產作用，施氮限制了灌水的增產作用，水氮“拮抗”；定位第3—5年耦合類型轉變成“增水促氮，增氮促水”的“協同”；定位第6—10年又轉為“拮抗”。W2N120的耦合類型在定位第1—4年為“加和”，第5年起就轉為“協同”，10年平均為“協同”。施氮超過120 kg·hm-2的兩水氮組合W2N180與W2N240的耦合類型各年度均為水氮互不影響的“加和”。基于作物相對產量真實值與理論值差異的顯著性來定量判定某一特定水肥組合的耦合類型具有較強的可行性。黃淮北部冬小麥生產中, W2N120組合水氮協同增產效果顯著，耦合類型長期為“協同”，因此，在一定年限內可作為該區冬小麥季適宜的水氮配置，年均產量水平維持在8.5 t·hm-2左右。

水肥耦合類型；量化方法；冬小麥；華北平原；水氮配置

0 引言

【研究意義】水和肥是農田生態系統中人為調控最為密集、重視度最高的兩大限制因子，對作物的生長發育、產量形成及品質都至關重要[1]。水肥存在明顯的耦合效應[2-3]，水分是養分運輸的介質，水分適宜可促進肥料的轉化和吸收，提高肥料利用率，干旱則限制作物對肥的吸收[4-5]；許多研究也證實適量施肥可有效調節水分利用過程，提高水分利用效率[6-7]。根據水肥對作物生長發育效應的不同，水肥耦合可分為三種具體類型，即加和效應（水氮互不影響）、協同效應（水肥互相促進）和拮抗效應（水肥互相限制）[8]。作物生長過程中，水肥配置優化可充分發揮水肥耦合協同效應，提高水肥利用效率，避免產生資源浪費和生態環境問題[9-11]。華北平原是我國冬小麥的優質高產區，但生產中灌溉施肥過量，水氮配置不合理，水氮利用率低等現象普遍存在，由此引發了地下水超采、農業面源污染加劇等系列生態和環境問題[12-14]。因此，創新水肥耦合類型定量評定方法，并據此在華北冬小麥生產中指導組配耦合類型為協同的水氮組合，對推進作物水肥耦合研究及提高冬小麥產量和水氮利用效率具有重要的理論與實踐意義。【前人研究進展】目前國內外通常通過顯著性方差統計來檢驗水肥交互效應[15-18]，或通過建立水肥回歸數學模型根據方程中交互項系數的正負和顯著性檢驗來確定水肥耦合類型的[19-21]。建立數學回歸模型具體是指，設立不同水肥梯度形成不同水肥組合，對作物生長發育的特定性狀（產量、生物量、光合速率、養分吸收運轉等）與灌水量和施肥量進行回歸模擬，根據交互項系數的正負和顯著性來判定水肥耦合類型。在華北冬小麥生產中，圍繞水氮優化配置前人進行了大量研究，研究表明，冬小麥灌水105—150 mm，施氮150—195 kg·hm-2為同步實現高產及水氮高效利用的最佳運籌和配置范圍[22-25]。【本研究切入點】方差統計法和回歸方程模型法都只能從整體上反應試驗設定的水肥施用范圍內水肥總的耦合效應，而不能對某一特定具體水肥組合的耦合類型進行判定，從而不能據此來組配水肥協同的組合。前人一般都是根據作物產量與水氮利用特性對水氮的響應來進行水肥優化配置的。【擬解決的關鍵問題】本研究為了實現對某一具體水肥組合耦合類型的判定，提出一種基于作物相對產量的水肥耦合類型的評定方法，并基于此方法對華北冬小麥10年大田定位試驗中不同水氮組合的耦合類型及年際轉變特征進行定量分析，篩選確定水氮耦合為協同類型的水氮組合，以期豐富作物水氮耦合分析方法，為優化作物節灌施肥制度，推進冬小麥水肥協同豐產高效生產提供理論基礎和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2006—2016年在河北省農林科學院糧油作物研究所堤上試驗站（E 114°72′，N 37°94′）進行。該區屬太行山前平原，為暖溫帶半溫潤性季風氣候，年均溫12.5℃，年均降水量494 mm，日照時數2 711.4 h，無霜期190 d，四季分明。土壤深厚，質地輕壤質，2006年試驗開始前0—20 cm土層含有機質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。試驗區為冬小麥–夏玉米輪作區，秸稈還田。試驗期間冬小麥季月降水分布見表1，本文圖中試驗年度指收獲年份。

表1 2006—2016年冬小麥各生長季月降水分布

采用二因子裂區設計，小區面積25.92 m2（4.8 m×5.4 m）。以灌水處理為主區，設冬小麥拔節期灌1水（W1）和拔節期、開花期各灌1水（W2）兩個處理，每次灌水量約為75 mm，灌溉方式為塑料軟管小區畦灌。以施氮水平為副區，設置5個施氮水平，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%在拔節期撒施后灌水。磷肥（重過磷酸鈣，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。冬小麥收獲后，硬茬免耕播種夏玉米，夏玉米季無灌水處理，施肥處理與小麥季相同。冬小麥品種為當年試驗區主推品種，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。按當地生產習慣進行田間管理。

1.2 測定指標與計算方法

1.2.1 籽粒產量 （Yield, Y）生理成熟后小區聯合收割機收獲，烘干法測定水分，折算為含水量13%的標準產量。

1.2.2 相對產量 （Relative yield, RY）

2水條件下某一施氮水平（W2Nx）的相對產量可分為真實相對產量（Actual relative yield, ARY）和理論相對產量（Theoreticalrelative yield, TRY），分別用以下公式計算：

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來代表，RY(W1N0)定為1。

1.2.3 施氮增產率 （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 灌水增產率 （Yield increase derived from irrigation，YI﹕W，%）

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

2 結果

2.1 基于相對產量的水肥耦合類型量化評定方法

某個特定水肥組合耦合類型的評定，需要有另外3個水肥組合作參照。比如，水肥組合WHFH耦合類型的評定，需要另外設置WLFL、WLFH和WHFL3個水肥參照組合（W、F分別代表水和肥；L、H分別代表低量和高量）。根據WHFH相對產量真實值與理論值大小的顯著性檢驗來評定其水肥耦合類型。WHFH相對產量的真實值是其產量與WLFL產量的比值，WHFH相對產量的理論值是WLFH相對產量真實值與WHFL相對產量真實值的乘積。WLFH和WHFL的相對產量真實值分別為其產量與WLFL產量的比值。如果WHFH相對產量真實值經統計分析（T檢驗）顯著高于其理論值，此水肥組合的水肥耦合類型即為“協同”；如果真實值顯著小于理論值，水肥耦合類型即為“拮抗”；如果真實值與理論值沒有顯著差異，水肥耦合類型即為“加和”。

2.2 基于10年大田定位試驗的冬小麥不同水氮組合耦合類型及其對施氮量的響應

基于2006—2016年10年大田定位試驗不同水氮組合冬小麥的平均產量，根據相對產量的真實值與其理論值差異顯著性標準對其水氮耦合類型進行定量評定，結果如表2所示。冬小麥不同水氮組合耦合類型受施氮水平的影響較大，W2N60相對產量真實值顯著小于其理論值（0.05水平上），水氮耦合類型為“拮抗”；W2N120相對產量真實值顯著大于其理論值，耦合類型為“協同”；W2N180與W2N240相對產量真實值與其理論值沒有顯著性差異，耦合類型均為“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冬小麥產量增加84.88%，而春灌2水條件（W2）下，施氮從N0增加到N60增產74.45%，增加灌水限制了施氮的增產效果，即“增水限氮”；N0條件下，灌水從W1水增加到W2灌水增產率為5.48%，而N60條件下，灌水增產率僅為-0.47%，增加施氮（從N0增加到N60）限制了增加灌水的增產效應，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的氮增產率為10.34%，而W2條件下N60增加到N120的氮增產率高達28.80%，說明增加灌水促進了施氮的增產效果，即“增水促氮”；N60條件下，W1增加到W2的灌水增產率為-0.47%，而增加施氮到N120水平，灌水增產率增至16.19%，說明增加施氮促進了增加灌水的增產效應，即“增氮促水”，因此，W2N120水氮互作為“增水促氮、增氮促水”。對于W2N180組合，W1和W2條件下施氮從N120進一步增加到N180增產率依次為1.34%和2.20%，兩者沒有顯著性差異，說明增加灌水不影響增施氮的增產效應；同樣，N120與N180水平的灌水增產率也沒有顯著性差異，說明增加施氮不影響增加灌水的增產效應，所以，W2N180水氮之間沒有互作。同理可分析W2N240水氮之間也沒有互作。

表2 基于10年定位試驗的冬小麥不同水氮組合耦合類型

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)*表示相對產量的實際值與理論值經T-檢驗在0.05水平上有顯著性差異，no 表示沒有顯著差異。6)水氮耦合類型Ant、Syn、Add分別表示拮抗、協同、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率與灌水增產率的年際變化特征

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）施氮增產率隨定位年限的增加均呈“緩升-陡增-振蕩平衡”的趨勢，定位前3年施氮增產率增加緩慢，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N0到N60的施氮增產率的影響為：前兩年增加灌水限制了施氮的增產作用，W1條件下施氮增產率顯著高于W2；定位第3—5年增加灌水又促進了氮肥增產作用，W2的施氮增產率顯著高于W1；定位第6—10年增加灌水又轉為限制氮肥增產作用，除了第7年W1與W2的施氮增產率無顯著差異外，其余4年W2都顯著高于W1（圖1）。

* 表示相對產量的實際值與理論值經T-檢驗在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的施氮增產率的年際變化特征為：前3年增加施氮沒有增產效果，從第4年起增加施氮增產顯著，但施氮增產率的年際變化極大，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的施氮增產率沒有顯著差異，增加灌水對施氮增產效應沒有影響；第5—10年W2的施氮增產率均顯著高于W1，增加灌水對施氮增產效應有顯著促進作用（圖1）。

本試驗結果表明，施氮從N120增加到N180以及從N180增加到N240增加施氮已沒有增產效果，甚至個別年份增加施氮降低產量；增加灌水對施氮增產率也沒有顯著影響（圖1）。

N0和N60條件下定位前5年增加灌水有一定的增產作用，灌水增產率為正值；第6—10年灌水增產率接近于0，甚至有些年份出現負值，說明隨著定位年限的延長灌水增產作用逐漸喪失，甚至會減產。施氮達到N120后灌水增產率呈“先小-后增-再降”的變化趨勢。在定位前2年灌水增產率較小，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年灌水增產率下降到一定值后趨于穩定。

遞次增加施氮對灌水增產率也有影響。N60的灌水增產率在定位前2年顯著低于N0處理，第3—5年轉為顯著高于N0，第6—10年又變為顯著低于N0，表明從N0增加施氮到N60對灌水增產率影響的年際轉變頻繁。N120的灌水增產率與N60相比，定位前4年兩者沒有顯著差異，說明施氮從N60增加至N120灌水增產率未受影響；第5—10年N120的灌水增產率都顯著高于N60，說明從N60增加施氮至N120顯著促進了灌水的增產效應。N120與N180、N180與N240各年度的灌水增產率相比整體上均沒有顯著差異，說明施氮從N120增加至N180、從N180增加至N240，灌水增產效應都沒有受到影響（圖2）。可見，本試驗條件下施氮超過120 kg·hm-2后進一步增加施氮對灌水效應不會產生顯著影響。

圖2 冬小麥遞次施氮對灌水增產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產量真實值與理論值及耦合類型年際變化特征

冬小麥不同水氮組合的耦合類型及其年際變化特征不同。水氮組合W2N60相對產量的真實值在定位前兩年顯著低于其理論值，水氮耦合類型為“拮抗”；定位第3—5年相對產量真實值顯著高于其理論值，水氮耦合類型轉為“協同”；定位第6—10年真實值顯著低于理論值，水氮耦合類型又轉為“拮抗”。所以，W2N60水氮耦合類型的年際變化特征為“拮抗-協同-拮抗”。

定位前4年水氮組合W2N120相對產量的真實值與理論值沒有顯著差異，水氮耦合類型為“加和”；定位第5—10年相對產量的真實值顯著大于理論值，水氮耦合類型為“協同”。所以，W2N120水氮耦合類型的年際變化特征為“加和-協同”。

水氮組合W2N180和W2N240相對產量的真實值與理論值在定位10年中均沒有顯著差異，說明水氮獨立發揮作用，沒有互作，水氮耦合類型為“加和”（圖3）。

圖3 冬小麥不同水氮組合相對產量真實值及其理論值年際變化特征

3 討論

3.1 作物水肥耦合類型的定量判定

作物產量的形成是作物本身的遺傳特性和生理機能的內在因素以及光、熱、水、土、肥等外在環境因素綜合作用的結果。但在一定條件下，這些因素中，水和肥是最易被人為調控。作物吸收水和肥是兩個獨立的過程，但是水和肥對作物生長的影響卻是緊密聯系的。在農田系統中，水和肥之間，各種肥之間，作物與水肥之間的相互制衡的動態平衡關系，以及這些相互作用對作物生長發育和產量形成的影響稱為作物的水肥耦合效應[26]。作物水肥耦合效應可分為“加和”“協同”“拮抗”3種類型。目前國內外通常采用設立水肥組合建立回歸數學模型，檢驗水肥交互項系數大小和顯著性來判定水肥耦合類型，若交互項系數為正值且達到顯著水平，則說明水肥表現正交互效應，耦合類型為“協同”；若交互項系數為負值且顯著，水肥為負交互效應，水肥耦合類型為“拮抗”；若交互項系數不顯著則水肥耦合類型為“加和”。這種方法雖能從整體上判定在試驗設定的水肥施用范圍內的水肥耦合類型，但不能對某一特定具體水肥組合的耦合類型進行判定。本研究提出了一種基于作物相對產量的評定某具體水肥組合耦合類型的新方法。該方法通過設立水肥基礎組合（WLFL）、增水組合（WHFL）、增肥組合（WLFH）來評定水肥同增組合（WHFH）的耦合類型。為了便于標準化統一處理引入相對產量的概念，WHFL、WLFH和 WHFH的相對產量（真實值）為各自的實際經濟產量與WLFL的經濟產量的比值。WHFH相對產量的理論值為WHFL的相對產量與WLFH的相對產量的乘積，意思是水肥同時增加（WHFH）后的產量結果理論上應該為單獨增水（WHFL）與單獨增肥（WLFH）兩組合的疊加綜合效應。通過檢驗WHFH作物相對產量真實值與理論值的大小及差異顯著性即可評定其耦合類型：若相對產量的真實值顯著大于理論值，水肥耦合為“協同”；真實值顯著小于理論值為“拮抗”；兩者沒有顯著性差異則為“加和”。通過在10年大田水氮定位試驗中的應用，證明該方法具有較強的可行性和適用性。

3.2 冬小麥生育期降水對灌水增產效應的影響

作物生育期內的有效降水與灌水對作物的生長具有等效性，灌水增產率與生育期降水量負相關。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率也存在顯著年際差異（圖2）。灌水增產效應除受降水量制約外，與生育期降水分布也密切相關。本試驗中，2008—2009與2010—2011年冬小麥季生育期降水量比常年偏少30%以上，屬嚴重干旱年型，這兩年灌水增產效果極其顯著，灌水增產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鍵期的4、5月份，導致灌水增產率顯著低于2008—2009與2010—2011兩個年度。

3.3 冬小麥水氮耦合類型的年際轉變

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生了不同程度的改變，因此，不同水氮組合的耦合類型勢必會表現出不同的年際變化特征。本研究表明，W2N60組合水氮耦合類型隨定位年限的增加呈現“拮抗-協同-拮抗”的變化特征，W2N120的年際變化特征為“加和-協同”，W2N180和W2N240各年度水氮耦合類型均為“加和”。相同的灌水條件下不同水氮組合的耦合類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態平衡有關。由于基礎肥力較高，試驗前期不施氮就能達到與施氮處理相當的產量水平，施氮反而限制了灌水的增產效應，水氮拮抗；隨著年限的增加，當施氮60 kg·hm-2（N60）加上土壤固有氮素恰能滿足作物氮素需求時，水氮由“拮抗”轉為“協同”；隨著定位年限的進一步增加，N60處理由于氮肥輸入遠小于作物氮素攜出土壤氮素長期入不敷出，當土壤氮素供應不能滿足作物需求時，水氮從“協同”又轉為“拮抗”。本試驗條件下，N120可能是土壤供氮和作物需氮的平衡點，在前期土壤基礎氮素含量較高時水氮“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量降低時，W2N120水氮耦合就由“加和”轉為“協同”；由于N120氮素供應基本能滿足作物氮素需求，可維持高產水平，因此進一步增加施氮至N180或N240無益于水氮協同增產，W2N180和W2N240水氮耦合類型在定位10年范圍內均為“加和”。

3.4 冬小麥季適宜的水氮配置

冬小麥拔節至開花期既是耗水最多的時期，又是需水的生理生態臨界，該時期水分的有效供給對保障產量和較高的水分利用率至關重要[27]。而黃淮北部冬小麥拔節至開花期降水遠不能滿足該時期冬小麥的水分需求，拔節至開花期灌溉補水就成為保證冬小麥產量和水分利用率協同提高的必要途徑[28-29]，春灌拔節和開花兩水（W2）現已普及為該區的優化灌溉模式。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養來源中當季施入化肥氮僅占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不足可由其他氮素來源和技術途徑有效補償：一是土壤氮時空補償，研究證實深根冬小麥可以把前茬殘留氮[31]和土壤深層氮[32]作為其氮營養來源的重要組成部分；二是環境氮高值補償，近年來受農田施氮不合理及畜禽糞便管理不當等農業源和工業、交通等非農業源活性氮排放增大的影響，我國農業生態系統氮沉降平均從1980年的13.2 kg·hm-2增至2010年的21.1 kg·hm-2，其中人口密集和農業集約化程度高的華北平原是高沉降通量區[33-34]，大氣沉降氮已成為土壤氮庫的一個重要補充。三是農藝增效補償，研究表明，在氮肥適當減施條件下，增加種植密度[35]和優選氮高效品種[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量。本研究表明，W1與W2條件下，N120處理冬小麥10年平均產量與N180和N240均沒有顯著性差異，因此，冬小麥施氮120 kg·hm-2（N120）在相當一段年限內可作為該區優化施氮量，但該施氮水平下的土壤氮肥力變化趨勢需持續監測。本研究中不同水氮組合耦合類型的年際變化特征表明，W2N120水氮耦合類型逐漸由“加和”轉變為“協同”，水氮對冬小麥的增產效應表現為相互促進，協同提高。綜上，水氮組合W2N120在一定年限內可推薦為華北平原北部冬小麥生產中適宜的水氮配置，多年平均產量維持在8.5 t·hm-2左右。

4 結論

根據作物相對產量真實值與理論值差異的顯著性檢驗可有效判定某一具體水肥組合的耦合類型。華北地區冬小麥生產中,水氮組合W2N60耦合類型的年際轉換特征為“拮抗-協同-拮抗”，W2N120為“加和-協同”，W2N180和W2N240各年度水氮耦合類型均為“加和”。水氮組合W2N120可充分發揮“增水促氮，增氮促水”水氮協同的增產效應，在一定年限內可作為黃淮北部冬小麥季適宜的水氮配置，多年平均產量可維持在8.5 t·hm-2左右。

[1] 武維華. 植物生理學. 北京: 科學出版社, 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, 曹衛星, 丁艷鋒, 田永超, 姜東. 水氮互作對水稻氮吸收與利用的影響. 中國農業科學, 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小麥拔節期某些生理特性的影響. 土壤通報, 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, 李發東, 高克昌, 劉孟雨, 歐國強. 水分脅迫對冬小麥光合特性及產量的影響. 西北植物學報, 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] 關軍峰, 李廣敏. 干旱條件下施肥效應及其作用機理. 中國生態農業學報, 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, 洪堅平, 王宏庭, 張璐. 施氮與灌水對夏玉米產量和水氮利用的影響. 植物營養與肥料學報, 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態及超采原因分析. 農業系統科學與綜合研究, 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] 張經廷, 陳青云, 呂麗華, 申海平, 賈秀領, 梁雙波. 冬小麥-夏玉米輪作產量與氮素利用最佳水氮配置. 植物營養與肥料學報, 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. 水肥配合對太行山山前平原高產區土壤礦質氮分布及作物產量的影響. 植物營養學報, 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. 水氮互作對水稻氮磷鉀吸收、轉運及分配的影響. 作物學報, 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 與株高的動態特征及其與產量的關系. 農業工程學報, 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, 王偉民, 王軍強. 水氮耦合及種植密度對綠洲灌區玉米光合作用和干物質積累特征的調控效應. 中國農業科學, 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. 水肥耦合對春小麥水分利用效率的影響. 水土保持學報, 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, 宋希云, 劉樹堂. 非石灰性潮土水肥耦合對夏玉米產量效應的影響. 玉米科學, 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. 水肥耦合對華北高產農區小麥?玉米產量和土壤硝態氮淋失風險的影響. 中國生態農業學報, 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. 水氮運籌模式對冬小麥產量和水氮生產效率的影響. 麥類作物學報, 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. 小麥水氮耦合效應與水肥高效利用研究. 華北農學報, 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, 張經廷, 張麗華, 梁雙波, 賈秀領, 姚海坡. 水氮對冬小麥-夏玉米產量及氮利用效應研究. 中國農業科學, 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. 旱地農田肥水關系原理與調控技術. 北京: 中國農業科技出版社, 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. 灌水時期和灌水量對小麥耗水特性、籽粒產量及蛋白質組分含量的影響. 中國農業科學, 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. 春灌模式對晚播冬小麥水分利用及產量形成的影響. 生態學報, 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, 劉衛星, 陳雨露, 康娟, 張艷菲, 徐文俊, 侯閣閣, 李華, 王晨陽. 不同灌水模式對冬小麥產量及水分利用的調控效應. 麥類作物學報, 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] 張經廷, 周順利, 王志敏, 賈秀領.15N同位素在華北冬小麥夏玉米氮營養來源研究中的應用. 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] 張經廷, 王志敏, 周順利. 夏玉米不同施氮水平土壤硝態氮累積及對后茬冬小麥的影響. 中國農業科學, 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年中國大氣氮沉降特征分析. 中國環境科學, 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小麥吸收利用土壤氮素的影響. 應用生態學報, 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, 馬耕, 盧紅芳, 周國勤, 謝迎新, 馬冬云. 不同生態條件下品種和施氮量對冬小麥產量及氮肥利用效率的影響. 麥類作物學報, 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

國家自然科學基金（31701373）、河北省自然科學基金（C2018301050）、河北省農業創新工程項目（F19R034896）

張經廷，E-mail：jingting58@126.com。通信作者賈秀領，E-mail：jiaxiuling2013@163.com

（責任編輯 李云霞）