作物水肥耦合类型量化方法在华北冬小麦水氮配置中的应用

张经廷，吕丽华，张丽华，董志强，姚艳荣，姚海坡，申海平，贾秀领

作物水肥耦合类型量化方法在华北冬小麦水氮配置中的应用

张经廷，吕丽华，张丽华，董志强，姚艳荣，姚海坡，申海平，贾秀领

（河北省农林科学院粮油作物研究所/农业农村部华北地区作物栽培科学观测实验站，石家庄 050035）

【】研究一种作物水肥耦合类型量化方法及基于这种方法的华北冬小麦水氮优化配置，丰富作物水肥耦合分析方法，为促进冬小麦水肥协同高效生产提供理论基础和实践依据。根据作物相对产量的真实值与理论值的差异显著性来判定某一具体水肥组合的耦合类型。2006—2016连续10年在黄淮北部进行了冬小麦季不同水氮处理的大田定位试验。裂区设计，灌水量为主区，设春灌1水（拔节期75 mm，W1）和2水（拔节期和开花期各75 mm，W2）两个处理；施氮量为副区，设5个水平，分别为0 （N0）、60（N60）、120（N120）、180（N180）、240 kg·hm-2（N240），共10对水氮组合。研究冬小麦不同水氮组合的耦合类型及其年际转换特征，确选适宜的水氮配置。某一水肥组合相对产量真实值经统计检验显著高于其理论值，此水肥组合的水肥耦合类型即为“协同”（水肥互相促进）；真实值显著小于理论值，水肥耦合类型即为“拮抗”（水肥互相限制）；真实值与理论值没有显著差异，水肥耦合类型即为“加和”（水肥互不影响）。冬小麦W2与不同施氮水平（Nx）组成的水氮组合的耦合类型及其年际变化特征受施氮水平的影响显著。W2N60水氮耦合类型10年平均为“拮抗”，定位第1—2年灌水限制施氮的增产作用，施氮限制了灌水的增产作用，水氮“拮抗”；定位第3—5年耦合类型转变成“增水促氮，增氮促水”的“协同”；定位第6—10年又转为“拮抗”。W2N120的耦合类型在定位第1—4年为“加和”，第5年起就转为“协同”，10年平均为“协同”。施氮超过120 kg·hm-2的两水氮组合W2N180与W2N240的耦合类型各年度均为水氮互不影响的“加和”。基于作物相对产量真实值与理论值差异的显著性来定量判定某一特定水肥组合的耦合类型具有较强的可行性。黄淮北部冬小麦生产中, W2N120组合水氮协同增产效果显著，耦合类型长期为“协同”，因此，在一定年限内可作为该区冬小麦季适宜的水氮配置，年均产量水平维持在8.5 t·hm-2左右。

水肥耦合类型；量化方法；冬小麦；华北平原；水氮配置

0 引言

【研究意义】水和肥是农田生态系统中人为调控最为密集、重视度最高的两大限制因子，对作物的生长发育、产量形成及品质都至关重要[1]。水肥存在明显的耦合效应[2-3]，水分是养分运输的介质，水分适宜可促进肥料的转化和吸收，提高肥料利用率，干旱则限制作物对肥的吸收[4-5]；许多研究也证实适量施肥可有效调节水分利用过程，提高水分利用效率[6-7]。根据水肥对作物生长发育效应的不同，水肥耦合可分为三种具体类型，即加和效应（水氮互不影响）、协同效应（水肥互相促进）和拮抗效应（水肥互相限制）[8]。作物生长过程中，水肥配置优化可充分发挥水肥耦合协同效应，提高水肥利用效率，避免产生资源浪费和生态环境问题[9-11]。华北平原是我国冬小麦的优质高产区，但生产中灌溉施肥过量，水氮配置不合理，水氮利用率低等现象普遍存在，由此引发了地下水超采、农业面源污染加剧等系列生态和环境问题[12-14]。因此，创新水肥耦合类型定量评定方法，并据此在华北冬小麦生产中指导组配耦合类型为协同的水氮组合，对推进作物水肥耦合研究及提高冬小麦产量和水氮利用效率具有重要的理论与实践意义。【前人研究进展】目前国内外通常通过显著性方差统计来检验水肥交互效应[15-18]，或通过建立水肥回归数学模型根据方程中交互项系数的正负和显著性检验来确定水肥耦合类型的[19-21]。建立数学回归模型具体是指，设立不同水肥梯度形成不同水肥组合，对作物生长发育的特定性状（产量、生物量、光合速率、养分吸收运转等）与灌水量和施肥量进行回归模拟，根据交互项系数的正负和显著性来判定水肥耦合类型。在华北冬小麦生产中，围绕水氮优化配置前人进行了大量研究，研究表明，冬小麦灌水105—150 mm，施氮150—195 kg·hm-2为同步实现高产及水氮高效利用的最佳运筹和配置范围[22-25]。【本研究切入点】方差统计法和回归方程模型法都只能从整体上反应试验设定的水肥施用范围内水肥总的耦合效应，而不能对某一特定具体水肥组合的耦合类型进行判定，从而不能据此来组配水肥协同的组合。前人一般都是根据作物产量与水氮利用特性对水氮的响应来进行水肥优化配置的。【拟解决的关键问题】本研究为了实现对某一具体水肥组合耦合类型的判定，提出一种基于作物相对产量的水肥耦合类型的评定方法，并基于此方法对华北冬小麦10年大田定位试验中不同水氮组合的耦合类型及年际转变特征进行定量分析，筛选确定水氮耦合为协同类型的水氮组合，以期丰富作物水氮耦合分析方法，为优化作物节灌施肥制度，推进冬小麦水肥协同丰产高效生产提供理论基础和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2006—2016年在河北省农林科学院粮油作物研究所堤上试验站（E 114°72′，N 37°94′）进行。该区属太行山前平原，为暖温带半温润性季风气候，年均温12.5℃，年均降水量494 mm，日照时数2 711.4 h，无霜期190 d，四季分明。土壤深厚，质地轻壤质，2006年试验开始前0—20 cm土层含有机质15.5 g·kg-1，全氮0.97 g·kg-1，全磷2.2 g·kg-1，碱解氮72.7 mg·kg-1，有效磷19.5 mg·kg-1，有效钾91.0 mg·kg-1。试验区为冬小麦–夏玉米轮作区，秸秆还田。试验期间冬小麦季月降水分布见表1，本文图中试验年度指收获年份。

表1 2006—2016年冬小麦各生长季月降水分布

采用二因子裂区设计，小区面积25.92 m2（4.8 m×5.4 m）。以灌水处理为主区，设冬小麦拔节期灌1水（W1）和拔节期、开花期各灌1水（W2）两个处理，每次灌水量约为75 mm，灌溉方式为塑料软管小区畦灌。以施氮水平为副区，设置5个施氮水平，纯氮（N）量分别为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%在拔节期撒施后灌水。磷肥（重过磷酸钙，含P2O543%）和钾肥（氯化钾，含K2O 60%）用量分别为P2O5165kg·hm-2和K2O 105 kg·hm-2，均做基肥一次性施入。冬小麦收获后，硬茬免耕播种夏玉米，夏玉米季无灌水处理，施肥处理与小麦季相同。冬小麦品种为当年试验区主推品种，播种密度为3.75×106株/hm2，因播期及品种千粒重存在年度差异，各年度的播种量也不同，一般在185—220 kg·hm-2之间，播种期为10月10—20日，收获期为次年6月5—15日。按当地生产习惯进行田间管理。

1.2 测定指标与计算方法

1.2.1 籽粒产量 （Yield, Y）生理成熟后小区联合收割机收获，烘干法测定水分，折算为含水量13%的标准产量。

1.2.2 相对产量 （Relative yield, RY）

2水条件下某一施氮水平（W2Nx）的相对产量可分为真实相对产量（Actual relative yield, ARY）和理论相对产量（Theoreticalrelative yield, TRY），分别用以下公式计算：

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分别依次用N0、N1、N2、N3和N4来代表，RY(W1N0)定为1。

1.2.3 施氮增产率 （Yield increase derived from N-fertilizer，YI﹕N，%）

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

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

1.2.4 灌水增产率 （Yield increase derived from irrigation，YI﹕W，%）

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

2 结果

2.1 基于相对产量的水肥耦合类型量化评定方法

某个特定水肥组合耦合类型的评定，需要有另外3个水肥组合作参照。比如，水肥组合WHFH耦合类型的评定，需要另外设置WLFL、WLFH和WHFL3个水肥参照组合（W、F分别代表水和肥；L、H分别代表低量和高量）。根据WHFH相对产量真实值与理论值大小的显著性检验来评定其水肥耦合类型。WHFH相对产量的真实值是其产量与WLFL产量的比值，WHFH相对产量的理论值是WLFH相对产量真实值与WHFL相对产量真实值的乘积。WLFH和WHFL的相对产量真实值分别为其产量与WLFL产量的比值。如果WHFH相对产量真实值经统计分析（T检验）显著高于其理论值，此水肥组合的水肥耦合类型即为“协同”；如果真实值显著小于理论值，水肥耦合类型即为“拮抗”；如果真实值与理论值没有显著差异，水肥耦合类型即为“加和”。

2.2 基于10年大田定位试验的冬小麦不同水氮组合耦合类型及其对施氮量的响应

基于2006—2016年10年大田定位试验不同水氮组合冬小麦的平均产量，根据相对产量的真实值与其理论值差异显著性标准对其水氮耦合类型进行定量评定，结果如表2所示。冬小麦不同水氮组合耦合类型受施氮水平的影响较大，W2N60相对产量真实值显著小于其理论值（0.05水平上），水氮耦合类型为“拮抗”；W2N120相对产量真实值显著大于其理论值，耦合类型为“协同”；W2N180与W2N240相对产量真实值与其理论值没有显著性差异，耦合类型均为“加和”。

从水氮互作角度分析，春灌1水条件（W1）下，从不施氮（N0）增加到N60冬小麦产量增加84.88%，而春灌2水条件（W2）下，施氮从N0增加到N60增产74.45%，增加灌水限制了施氮的增产效果，即“增水限氮”；N0条件下，灌水从W1水增加到W2灌水增产率为5.48%，而N60条件下，灌水增产率仅为-0.47%，增加施氮（从N0增加到N60）限制了增加灌水的增产效应，即“增氮限水”，因此，W2N60水氮互作为“增水限氮、增氮限水”。同理，W2N120在W1条件下N60增加到N120的氮增产率为10.34%，而W2条件下N60增加到N120的氮增产率高达28.80%，说明增加灌水促进了施氮的增产效果，即“增水促氮”；N60条件下，W1增加到W2的灌水增产率为-0.47%，而增加施氮到N120水平，灌水增产率增至16.19%，说明增加施氮促进了增加灌水的增产效应，即“增氮促水”，因此，W2N120水氮互作为“增水促氮、增氮促水”。对于W2N180组合，W1和W2条件下施氮从N120进一步增加到N180增产率依次为1.34%和2.20%，两者没有显著性差异，说明增加灌水不影响增施氮的增产效应；同样，N120与N180水平的灌水增产率也没有显著性差异，说明增加施氮不影响增加灌水的增产效应，所以，W2N180水氮之间没有互作。同理可分析W2N240水氮之间也没有互作。

表2 基于10年定位试验的冬小麦不同水氮组合耦合类型

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)定义为1

5)*表示相对产量的实际值与理论值经T-检验在0.05水平上有显著性差异，no 表示没有显著差异。6)水氮耦合类型Ant、Syn、Add分别表示拮抗、协同、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 冬小麦不同水氮组合施氮增产率与灌水增产率的年际变化特征

W1和W2两种水分条件下冬小麦从不施氮（N0）到施氮60 kg·hm-2（N60）施氮增产率随定位年限的增加均呈“缓升-陡增-振荡平衡”的趋势，定位前3年施氮增产率增加缓慢，第4年陡增至60%以上，之后随年限增加呈锯齿形振荡。灌水对N0到N60的施氮增产率的影响为：前两年增加灌水限制了施氮的增产作用，W1条件下施氮增产率显著高于W2；定位第3—5年增加灌水又促进了氮肥增产作用，W2的施氮增产率显著高于W1；定位第6—10年增加灌水又转为限制氮肥增产作用，除了第7年W1与W2的施氮增产率无显著差异外，其余4年W2都显著高于W1（图1）。

* 表示相对产量的实际值与理论值经T-检验在0.05水平上有显著性差异。下同

两种水分条件下，施氮从N60增加到N120的施氮增产率的年际变化特征为：前3年增加施氮没有增产效果，从第4年起增加施氮增产显著，但施氮增产率的年际变化极大，最高为2012年W2条件下的50.42%，最低为2013年W1的1.14%。定位前4年W1与W2的施氮增产率没有显著差异，增加灌水对施氮增产效应没有影响；第5—10年W2的施氮增产率均显著高于W1，增加灌水对施氮增产效应有显著促进作用（图1）。

本试验结果表明，施氮从N120增加到N180以及从N180增加到N240增加施氮已没有增产效果，甚至个别年份增加施氮降低产量；增加灌水对施氮增产率也没有显著影响（图1）。

N0和N60条件下定位前5年增加灌水有一定的增产作用，灌水增产率为正值；第6—10年灌水增产率接近于0，甚至有些年份出现负值，说明随着定位年限的延长灌水增产作用逐渐丧失，甚至会减产。施氮达到N120后灌水增产率呈“先小-后增-再降”的变化趋势。在定位前2年灌水增产率较小，第3年陡增至一定程度后在高值随年际震荡变化3年，第6年灌水增产率下降到一定值后趋于稳定。

递次增加施氮对灌水增产率也有影响。N60的灌水增产率在定位前2年显著低于N0处理，第3—5年转为显著高于N0，第6—10年又变为显著低于N0，表明从N0增加施氮到N60对灌水增产率影响的年际转变频繁。N120的灌水增产率与N60相比，定位前4年两者没有显著差异，说明施氮从N60增加至N120灌水增产率未受影响；第5—10年N120的灌水增产率都显著高于N60，说明从N60增加施氮至N120显著促进了灌水的增产效应。N120与N180、N180与N240各年度的灌水增产率相比整体上均没有显著差异，说明施氮从N120增加至N180、从N180增加至N240，灌水增产效应都没有受到影响（图2）。可见，本试验条件下施氮超过120 kg·hm-2后进一步增加施氮对灌水效应不会产生显著影响。

图2 冬小麦递次施氮对灌水增产率及其年际变化特征的影响

2.4 冬小麦不同水氮组合的相对产量真实值与理论值及耦合类型年际变化特征

冬小麦不同水氮组合的耦合类型及其年际变化特征不同。水氮组合W2N60相对产量的真实值在定位前两年显著低于其理论值，水氮耦合类型为“拮抗”；定位第3—5年相对产量真实值显著高于其理论值，水氮耦合类型转为“协同”；定位第6—10年真实值显著低于理论值，水氮耦合类型又转为“拮抗”。所以，W2N60水氮耦合类型的年际变化特征为“拮抗-协同-拮抗”。

定位前4年水氮组合W2N120相对产量的真实值与理论值没有显著差异，水氮耦合类型为“加和”；定位第5—10年相对产量的真实值显著大于理论值，水氮耦合类型为“协同”。所以，W2N120水氮耦合类型的年际变化特征为“加和-协同”。

水氮组合W2N180和W2N240相对产量的真实值与理论值在定位10年中均没有显著差异，说明水氮独立发挥作用，没有互作，水氮耦合类型为“加和”（图3）。

图3 冬小麦不同水氮组合相对产量真实值及其理论值年际变化特征

3 讨论

3.1 作物水肥耦合类型的定量判定

作物产量的形成是作物本身的遗传特性和生理机能的内在因素以及光、热、水、土、肥等外在环境因素综合作用的结果。但在一定条件下，这些因素中，水和肥是最易被人为调控。作物吸收水和肥是两个独立的过程，但是水和肥对作物生长的影响却是紧密联系的。在农田系统中，水和肥之间，各种肥之间，作物与水肥之间的相互制衡的动态平衡关系，以及这些相互作用对作物生长发育和产量形成的影响称为作物的水肥耦合效应[26]。作物水肥耦合效应可分为“加和”“协同”“拮抗”3种类型。目前国内外通常采用设立水肥组合建立回归数学模型，检验水肥交互项系数大小和显著性来判定水肥耦合类型，若交互项系数为正值且达到显著水平，则说明水肥表现正交互效应，耦合类型为“协同”；若交互项系数为负值且显著，水肥为负交互效应，水肥耦合类型为“拮抗”；若交互项系数不显著则水肥耦合类型为“加和”。这种方法虽能从整体上判定在试验设定的水肥施用范围内的水肥耦合类型，但不能对某一特定具体水肥组合的耦合类型进行判定。本研究提出了一种基于作物相对产量的评定某具体水肥组合耦合类型的新方法。该方法通过设立水肥基础组合（WLFL）、增水组合（WHFL）、增肥组合（WLFH）来评定水肥同增组合（WHFH）的耦合类型。为了便于标准化统一处理引入相对产量的概念，WHFL、WLFH和 WHFH的相对产量（真实值）为各自的实际经济产量与WLFL的经济产量的比值。WHFH相对产量的理论值为WHFL的相对产量与WLFH的相对产量的乘积，意思是水肥同时增加（WHFH）后的产量结果理论上应该为单独增水（WHFL）与单独增肥（WLFH）两组合的叠加综合效应。通过检验WHFH作物相对产量真实值与理论值的大小及差异显著性即可评定其耦合类型：若相对产量的真实值显著大于理论值，水肥耦合为“协同”；真实值显著小于理论值为“拮抗”；两者没有显著性差异则为“加和”。通过在10年大田水氮定位试验中的应用，证明该方法具有较强的可行性和适用性。

3.2 冬小麦生育期降水对灌水增产效应的影响

作物生育期内的有效降水与灌水对作物的生长具有等效性，灌水增产率与生育期降水量负相关。本研究中冬小麦不同生育期降水量显著不同（表1），不同水氮组合的灌水增产率也存在显著年际差异（图2）。灌水增产效应除受降水量制约外，与生育期降水分布也密切相关。本试验中，2008—2009与2010—2011年冬小麦季生育期降水量比常年偏少30%以上，属严重干旱年型，这两年灌水增产效果极其显著，灌水增产率显著大于其他年份；2013—2014年生育期降水量同样显著低于常年（比常年少35%），但65%的降水都分布在冬小麦需水关键期的4、5月份，导致灌水增产率显著低于2008—2009与2010—2011两个年度。

3.3 冬小麦水氮耦合类型的年际转变

冬小麦不同生育期降水情景显著不同，随着定位年限的增加不同施氮水平的地力状况也发生了不同程度的改变，因此，不同水氮组合的耦合类型势必会表现出不同的年际变化特征。本研究表明，W2N60组合水氮耦合类型随定位年限的增加呈现“拮抗-协同-拮抗”的变化特征，W2N120的年际变化特征为“加和-协同”，W2N180和W2N240各年度水氮耦合类型均为“加和”。相同的灌水条件下不同水氮组合的耦合类型及其年际变化特征可能与土壤供氮与作物吸氮的供需动态平衡有关。由于基础肥力较高，试验前期不施氮就能达到与施氮处理相当的产量水平，施氮反而限制了灌水的增产效应，水氮拮抗；随着年限的增加，当施氮60 kg·hm-2（N60）加上土壤固有氮素恰能满足作物氮素需求时，水氮由“拮抗”转为“协同”；随着定位年限的进一步增加，N60处理由于氮肥输入远小于作物氮素携出土壤氮素长期入不敷出，当土壤氮素供应不能满足作物需求时，水氮从“协同”又转为“拮抗”。本试验条件下，N120可能是土壤供氮和作物需氮的平衡点，在前期土壤基础氮素含量较高时水氮“加和”，随着定位年限的增加N60处理土壤供氮不能满足作物需求产量降低时，W2N120水氮耦合就由“加和”转为“协同”；由于N120氮素供应基本能满足作物氮素需求，可维持高产水平，因此进一步增加施氮至N180或N240无益于水氮协同增产，W2N180和W2N240水氮耦合类型在定位10年范围内均为“加和”。

3.4 冬小麦季适宜的水氮配置

冬小麦拔节至开花期既是耗水最多的时期，又是需水的生理生态临界，该时期水分的有效供给对保障产量和较高的水分利用率至关重要[27]。而黄淮北部冬小麦拔节至开花期降水远不能满足该时期冬小麦的水分需求，拔节至开花期灌溉补水就成为保证冬小麦产量和水分利用率协同提高的必要途径[28-29]，春灌拔节和开花两水（W2）现已普及为该区的优化灌溉模式。如果估算土壤氮平衡仅考虑氮肥输入和作物籽粒氮携出，冬小麦季施氮120 kg·hm-2（N120）时籽粒氮携出量高于施氮输入量，土壤氮素表观亏缺[14]，但在此施氮水平下冬小麦氮营养来源中当季施入化肥氮仅占50%左右[30]，因此这种土壤氮素表观亏缺可能造成的氮素供应不足可由其他氮素来源和技术途径有效补偿：一是土壤氮时空补偿，研究证实深根冬小麦可以把前茬残留氮[31]和土壤深层氮[32]作为其氮营养来源的重要组成部分；二是环境氮高值补偿，近年来受农田施氮不合理及畜禽粪便管理不当等农业源和工业、交通等非农业源活性氮排放增大的影响，我国农业生态系统氮沉降平均从1980年的13.2 kg·hm-2增至2010年的21.1 kg·hm-2，其中人口密集和农业集约化程度高的华北平原是高沉降通量区[33-34]，大气沉降氮已成为土壤氮库的一个重要补充。三是农艺增效补偿，研究表明，在氮肥适当减施条件下，增加种植密度[35]和优选氮高效品种[36]可显著增加冬小麦的氮素吸收效率和利用效率，获得与高氮投入相同水平的籽粒产量。本研究表明，W1与W2条件下，N120处理冬小麦10年平均产量与N180和N240均没有显著性差异，因此，冬小麦施氮120 kg·hm-2（N120）在相当一段年限内可作为该区优化施氮量，但该施氮水平下的土壤氮肥力变化趋势需持续监测。本研究中不同水氮组合耦合类型的年际变化特征表明，W2N120水氮耦合类型逐渐由“加和”转变为“协同”，水氮对冬小麦的增产效应表现为相互促进，协同提高。综上，水氮组合W2N120在一定年限内可推荐为华北平原北部冬小麦生产中适宜的水氮配置，多年平均产量维持在8.5 t·hm-2左右。

4 结论

根据作物相对产量真实值与理论值差异的显著性检验可有效判定某一具体水肥组合的耦合类型。华北地区冬小麦生产中,水氮组合W2N60耦合类型的年际转换特征为“拮抗-协同-拮抗”，W2N120为“加和-协同”，W2N180和W2N240各年度水氮耦合类型均为“加和”。水氮组合W2N120可充分发挥“增水促氮，增氮促水”水氮协同的增产效应，在一定年限内可作为黄淮北部冬小麦季适宜的水氮配置，多年平均产量可维持在8.5 t·hm-2左右。

[1] 武维华. 植物生理学. 北京: 科学出版社, 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] 王绍华, 曹卫星, 丁艳锋, 田永超, 姜东. 水氮互作对水稻氮吸收与利用的影响. 中国农业科学, 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. 水分胁迫和氮素有限亏缺对小麦拔节期某些生理特性的影响. 土壤通报, 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] 张秋英, 李发东, 高克昌, 刘孟雨, 欧国强. 水分胁迫对冬小麦光合特性及产量的影响. 西北植物学报, 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] 关军峰, 李广敏. 干旱条件下施肥效应及其作用机理. 中国生态农业学报, 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] 谢英荷, 栗丽, 洪坚平, 王宏庭, 张璐. 施氮与灌水对夏玉米产量和水氮利用的影响. 植物营养与肥料学报, 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] 胡春胜, 张喜英, 程一松, 裴冬. 太行山前平原地下水动态及超采原因分析. 农业系统科学与综合研究, 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] 张经廷, 陈青云, 吕丽华, 申海平, 贾秀领, 梁双波. 冬小麦-夏玉米轮作产量与氮素利用最佳水氮配置. 植物营养与肥料学报, 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] 杨莉琳, 裴冬, 胡春胜, 张喜英, 毛任钊. 水肥配合对太行山山前平原高产区土壤矿质氮分布及作物产量的影响. 植物营养学报, 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] 孙永健, 孙园园, 李旭毅, 张荣萍, 郭翔, 马均. 水氮互作对水稻氮磷钾吸收、转运及分配的影响. 作物学报, 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] 李正鹏, 宋明丹, 冯浩. 水氮耦合下冬小麦 LAI 与株高的动态特征及其与产量的关系. 农业工程学报, 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, 柴强, 王伟民, 王军强. 水氮耦合及种植密度对绿洲灌区玉米光合作用和干物质积累特征的调控效应. 中国农业科学, 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] 尹光华, 刘作新, 李桂芳, 梁海军, 蔡崇光. 水肥耦合对春小麦水分利用效率的影响. 水土保持学报, 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] 路亚, 刘强, 宋希云, 刘树堂. 非石灰性潮土水肥耦合对夏玉米产量效应的影响. 玉米科学, 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] 张玉铭, 张佳宝, 胡春胜, 赵炳梓, 朱安宁, 张立周, 宋利娜. 水肥耦合对华北高产农区小麦−玉米产量和土壤硝态氮淋失风险的影响. 中国生态农业学报, 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] 马伯威, 王红光, 李东晓, 李瑞奇, 李雁鸣. 水氮运筹模式对冬小麦产量和水氮生产效率的影响. 麦类作物学报, 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, 王炜, 李晶晶, 尹钧. 小麦水氮耦合效应与水肥高效利用研究. 华北农学报, 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] 吕丽华, 董志强, 张经廷, 张丽华, 梁双波, 贾秀领, 姚海坡. 水氮对冬小麦-夏玉米产量及氮利用效应研究. 中国农业科学, 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. 旱地农田肥水关系原理与调控技术. 北京: 中国农业科技出版社, 1995.

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

[27] 褚鹏飞, 王东, 张永丽, 王小燕, 王西芝, 于振文. 灌水时期和灌水量对小麦耗水特性、籽粒产量及蛋白质组分含量的影响. 中国农业科学, 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] 张胜全, 方保停, 王志敏, 周顺利, 张英华. 春灌模式对晚播冬小麦水分利用及产量形成的影响. 生态学报, 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, 刘卫星, 陈雨露, 康娟, 张艳菲, 徐文俊, 侯阁阁, 李华, 王晨阳. 不同灌水模式对冬小麦产量及水分利用的调控效应. 麦类作物学报, 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] 张经廷, 周顺利, 王志敏, 贾秀领.15N同位素在华北冬小麦夏玉米氮营养来源研究中的应用. 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] 张经廷, 王志敏, 周顺利. 夏玉米不同施氮水平土壤硝态氮累积及对后茬冬小麦的影响. 中国农业科学, 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] 郑丹楠, 王雪松, 谢绍东, 段雷, 陈东升. 2010年中国大气氮沉降特征分析. 中国环境科学, 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] 张娟, 武同华, 代兴龙, 王西芝, 李洪梅, 蒋明洋, 贺明荣. 种植密度和施氮水平对小麦吸收利用土壤氮素的影响. 应用生态学报, 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] 张美微, 谢旭东, 王晨阳, 马耕, 卢红芳, 周国勤, 谢迎新, 马冬云. 不同生态条件下品种和施氮量对冬小麦产量及氮肥利用效率的影响. 麦类作物学报, 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

国家自然科学基金（31701373）、河北省自然科学基金（C2018301050）、河北省农业创新工程项目（F19R034896）

张经廷，E-mail：jingting58@126.com。通信作者贾秀领，E-mail：jiaxiuling2013@163.com

（责任编辑 李云霞）