刘朋召^,, 周栋, 郭星宇, 于琦, 张元红, 李昊昱, 张琦, 王旭敏, 王小利, 王瑞, 李军^,西北农林科技大学农学院,陕西杨凌 712100

Response of Water Use and Yield of Dryland Winter Wheat to Nitrogen Application Under Different Rainfall Patterns

LIU PengZhao^,, ZHOU Dong, GUO XingYu, YU Qi, ZHANG YuanHong, LI HaoYu, ZHANG Qi, WANG XuMin, WANG XiaoLi, WANG Rui, LI Jun^,College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi

通讯作者: 李军,E-mail： junli@nwsuaf.edu.cn

责任编辑: 李云霞
收稿日期:2020-08-27接受日期:2020-10-14

基金资助:

国家科技支撑计划.2015BAD22B02 国家自然科学基金.31801300

Received:2020-08-27Accepted:2020-10-14
作者简介 About authors
刘朋召,E-mail： liupz0819@foxmail.com。













摘要
【目的】降雨和施氮是影响渭北旱塬冬小麦生产的主要因素,降雨年际变幅大对其影响更大,因此小麦增产效应受降雨年型显著影响。分析不同降雨年型下施氮量对旱地麦田水分利用、籽粒产量和蛋白质含量的影响,能够为实现渭北旱地冬小麦 “因雨施氮”和稳产优质提供理论依据。【方法】于2017—2020年连续3年在陕西合阳县开展田间定位施氮试验,以晋麦47为试验材料,设置5个施氮量处理0、60、120、180、240 kg·hm^-2（分别以N₀、N₆₀、N₁₂₀、N₁₈₀、N₂₄₀表示）,研究不同降雨年型施氮量对冬小麦生育期0—200 cm土层水分变化动态、水分利用效率、产量构成及蛋白质含量的影响。【结果】降雨年型和施氮对冬小麦播前底墒及生育期土壤含水量、耗水量、水分利用效率、籽粒产量和蛋白质含量影响显著。（1）休闲期降雨与播前底墒呈线性相关,每增加1 mm夏季降雨,底墒增加0.9 mm。在丰水年和平水年休闲期降雨充足,前季小麦增加施氮量对下季小麦播前底墒无显著影响;在欠水年休闲期降雨较少,前季小麦每增施氮100 kg·hm^-2,下季小麦播前底墒减少15.4 mm。丰水年较欠水年和平水年均能提高冬小麦生育期0—200 cm土层土壤含水量,因而分别增加生育期耗水量35.7%和6.6%。全生育期0—120 cm土层土壤含水量受降雨和冬小麦生长发育影响波动较大,但160—200 cm 深层土壤含水量相对稳定。丰水年的水分利用效率较欠水年和平水年分别提高55.7%和26.5%,籽粒产量分别提高112.3%和39.1%,蛋白质含量分别降低8.3%和5.2%。（2）与N₀处理相比,丰水年、欠水年和平水年施氮均降低各生育时期0—200 cm土层土壤含水量,分别提高生育期耗水量4.6%—14.6%、6.0%—8.6%、2.2%—9.5%,分别增加水分利用效率20.7%—39.8%、4.7%—33.3%、13.1%—35.4%,分别增产7.1%—28.1%、1.5%—34.1%、8.5%—28.9%,分别提高蛋白质含量5.6%—10.4%、10.1%—17.7%、8.5%—15.6%。（3）施氮量和籽粒产量、蛋白质产量均符合二次曲线关系,拟合方程表明,丰水年、欠水年和平水年满足旱地冬小麦稳产优质的最适施氮量范围分别为189—202、116—124和161—174 kg·hm^-2。【结论】综合来看,丰水年、欠水年和平水年的最佳施氮量分别为189—202、116—124和161—174 kg·hm^-2,并可采取“播前底墒确定基施氮肥量+播种至拔节期降雨确定追施氮肥量”的“因雨施氮”管理模式,既能满足旱地冬小麦稳产优质,也可保证水分高效利用。
关键词： 旱地小麦;降雨年型;施氮量;水分利用;产量

Abstract
【Objective】Rainfall and nitrogen application are the main factors affecting winter wheat production in Weibei dryland, especially the interannual variability of rainfall is large. Therefore, their yield-increasing effects are significantly affected by the type of rainfall year. In this study, the effects of nitrogen rates on water use, grain yield and protein content in dryland wheat field under different rainfall patterns were analyzed, which provided a theoretical basis for “nitrogen applying according to rain” and ensuring stable yield and high quality of winter wheat in Weibei Dryland.【Method】A 3-year field experiment (2017-2020) of winter wheat (Jinmai 47) was performed with different nitrogen fertilization at five levels (0, 60, 120, 180 and 240 kg·hm^-2, represented as N₀, N₆₀, N₁₂₀, N₁₈₀, and N₂₄₀, respectively) in Heyang County, located in Weibei dryland of Shaanxi, and the effects of nitrogen application under different rainfall patterns on soil water dynamics, water use efficiency (WUE), wheat yield performance and grain protein content were evaluated. 【Result】Different rainfall patterns had significant impacts on soil water storage before sowing (SWS_S), soil water content during growth period, ET, WUE, yield and protein content of winter wheat. (1) There was a linear correlation between rainfall in fallow period (from July to September) and SWS_S, with an increment of 0.9 mm SWS_S per 1 mm rainfall. In the humid and normal years with adequate rainfall during fallow stage, the SWSs in present winter wheat growth season was not significantly influenced by the increase of nitrogen fertilization in previous growth season. However, in the dry year with less rainfall in fallow stage, the SWS_S in present winter wheat growth season decreased significantly by 15.4 mm when nitrogen fertilization in previous growth season was increased by each 100 kg·hm^-2. Compared with dry and normal year, the soil water content of 0-200 cm soil layer during growth period of winter wheat could be increased in humid rainfall year, thus evapotranspiration (ET) was increased by 35.7% and 6.6%, respectively. The soil water accumulation of 0-120 cm soil depth during the growth period fluctuated greatly under the influence of rainfall and the growth of winter wheat. However, the soil water content in 160-200 cm deep soil depth showed a stable change trend. Compared with dry and normal year, the WUE in humid pattern was increased by 55.7% and 26.5%, the grain yield was increased by 112.3% and 39.1%, and protein content (PC) was decreased by 8.3% and 5.2%, respectively. (2) Compared with N₀ treatment, soil water content in 0-200 cm soil depth was decreased by nitrogen applied during each growth period under humid, dry and normal years. The nitrogen fertilizer application increased ET by 4.6%-14.6%, 6.0%-8.6% and 2.2%-9.5%, increased WUE by 20.7%-39.8%, 4.7%-33.3%, 13.1%-35.4%, increased yield by 7.1%-28.1%, 1.5%-34.1%, 8.5%-28.9%, and increased PC by 5.6%-10.4%, 10.1%-17.7% and 8.5%-15.6%, respectively. (3) The effects of nitrogen rates on grain yield and protein yield followed a quadratic curve relationship, and the fitting equation showed that the optimal nitrogen application rates for stable yield and quality of winter wheat were 189-202, 116-124 and 161-174 kg·hm^-2 in humid, dry and normal years, respectively. 【Conclusion】On the whole, the best nitrogen application schemes were 189-202, 116-124 and 161-174 kg·hm^-2 in humid, dry and normal years, respectively. And the management model of “nitrogen applying according to rain” was adopted, which was “the amount of basic nitrogen fertilizer was determined by SWSs, while the top dressing of nitrogen fertilizer was determined by rainfall from sowing to jointing stage”. The model could not only meet the requirements of stable yield and high quality of winter wheat, but also ensure water high-efficient use.
Keywords：dryland wheat;rainfall patterns;nitrogen fertilizer;water use;yield


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刘朋召, 周栋, 郭星宇, 于琦, 张元红, 李昊昱, 张琦, 王旭敏, 王小利, 王瑞, 李军. 不同降雨年型旱地冬小麦水分利用及产量对施氮量的响应[J]. 中国农业科学, 2021, 54(14): 3065-3076 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.14.012
LIU PengZhao, ZHOU Dong, GUO XingYu, YU Qi, ZHANG YuanHong, LI HaoYu, ZHANG Qi, WANG XuMin, WANG XiaoLi, WANG Rui, LI Jun. Response of Water Use and Yield of Dryland Winter Wheat to Nitrogen Application Under Different Rainfall Patterns[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(14): 3065-3076 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.14.012


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0 引言

【研究意义】冬小麦是黄土旱塬区的主要粮食作物,其生产对保障区域粮食安全具有重要意义^[1,2]。合理施氮不仅能够显著提高旱地小麦产量和水分利用效率,还能减少氮素损失及其对生态环境的负面影响,实现旱地小麦高效可持续生产。渭北旱塬麦田土壤养分相对贫瘠,小麦生长季降雨稀缺且年际差异悬殊,导致土壤供氮能力与小麦生长需求难以同步^[3,4],土壤水氮供给失调是旱地小麦产量低而不稳的主要因素^[5]。因此,探究渭北旱塬区不同降雨条件下氮肥效应与冬小麦产量和水分利用之间的关系,对指导冬小麦合理施氮具有重要意义。【前人研究进展】前人关于渭北旱塬小麦产量和水分利用的研究表明,降雨及其季节分布和施氮均对旱地小麦生长、产量和品质形成影响显著。不同生育阶段干旱胁迫均会对小麦生长发育产生不同程度的影响,播前降雨（底墒）不足,会影响小麦分蘖,易导致苗少苗弱^[6],拔节期和抽穗期干旱胁迫导致小麦的结实小穗数减少,降低有效穗数和穗粒数^[7];灌浆期干旱胁迫导致小麦千粒重下降,籽粒干瘪,引起产量降低^[8]。付雪丽等^[9]研究表明,适度干旱促进籽粒蛋白质积累,而过度干旱和渍水均不利于籽粒蛋白质积累,导致蛋白质产量下降。与此同时,氮肥施用对旱地小麦增产和降水利用影响显著,氮肥效益发挥与农田水分状况密切相关,底墒充足年份下水肥耦合增产效应明显^[10]。在干旱胁迫条件下,合理施氮可显著增加冬小麦根量,扩大水分、养分吸收空间,提高水分利用效率,增加小麦产量、干物质转运量和氮肥利用率,有利于小麦产量和品质形成^[11,12]。张昊青^[13]在渭北旱塬东部白水县连续3年小麦施氮试验表明,施氮225 kg·hm^-2时小麦产量最高,相对不施氮产量增加19.0%。WANG 等^[14]在渭北旱塬西部长武县连续4 年小麦定位施氮试验发现,施氮180 kg·hm^-2时,欠水年和丰水年小麦产量相对增长率分别为14.0%和32.8%,欠水年施氮对小麦水分利用效率没有显著影响,丰水年则影响显著。而曹寒冰等^[15]调查研究表明,渭北旱塬60%以上农户存在过量施氮现象,不仅导致氮肥利用率下降,还会导致土壤酸化及硝态氮累积,降低土壤质量^[16,17,18],产生一系列不良环境影响。【本研究切入点】前人相关研究主要关注施氮对小麦增产和提高水分利用效率的整体影响,忽略降雨和施氮对旱作麦田生产系统影响具有明显的区域特征、年际变化和累积效应^[19,20,21],对不同降雨量年份旱地冬小麦水分利用、产量及籽粒蛋白质含量与生育期自然降雨和施氮关系的影响研究关注不够深入。【拟解决的关键问题】本研究基于3年田间定位施氮试验,分析不同降雨年型下旱地冬小麦水分利用、产量表现和籽粒品质对施氮量和降雨量的响应状况,探究如何促进旱地冬小麦高效水肥利用,为渭北旱塬冬小麦稳产优质生产模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年10月至2020年6月在陕西省渭南市合阳县甘井镇西北农林科技大学旱农试验站（35°19'54.45″N,110°05'58.35″E,海拔877 m）进行。冬小麦生育年度平均降雨量491 mm（1999—2020年）,年际间降雨变率大,约58.7%自然降雨集中于夏季休闲期（7—9月）,属典型的旱作雨养农业区,试验期间降雨量如图1所示。试验田地势平坦,供试土壤为黑垆土,试验前耕层（0—20 cm）土壤有机质含量11.38 g·kg^-1,全氮含量0.98 g·kg^-1,全磷0.79 g·kg^-1,全钾11.15 g·kg^-1,速效磷28.39 mg·kg^-1,速效钾277.36 mg·kg^-1。pH为8.2,0—20、20—40、40—200 cm 土层土壤容重分别为 1.29、1.35、1.27 g·cm^-3。

图1

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图1试验期间冬小麦休闲期和全生育期月降雨量

Fig. 1Monthly rainfall of winter wheat during fallow and growing stage



本研究降雨年型依据干燥指数DI为划分标准^[22],DI=（P-M）/σ,式中,DI 为干燥指数（DI<-0.35 为欠水年;DI>0.35 为丰水年;-0.35≤DI≤0.35 为平水年;P 为当年降雨量（mm）;M为多年平均降雨量（mm）;σ为多年平均降雨均方差。以冬小麦生育年（夏闲期+生育期）降雨总量划分：2017—2018年度降雨量528.4 mm,DI为0.54,属于丰水年;2018—2019年度降雨量352.2 mm,DI为-1.21,属于欠水年;2019—2020年度降雨量470.8 mm,DI为-0.29,属于平水年。气象资料来源于合阳县气象站。

1.2 试验设计

田间试验采用单因素随机区组试验设计,试验设5个氮水平,施氮量分别为 0、60、120、180、240 kg·hm^-2,分别以N₀、N₆₀、N₁₂₀、N₁₈₀、N₂₄₀表示。供试材料为当地主栽冬小麦品种晋麦47。氮肥全部基施,各处理磷、钾肥投入量一致,分别为90 kg P₂O₅·hm^-2和60 kg K₂O·hm^-2。试验中所用氮肥为尿素,磷肥为过磷酸钙,钾肥为硫酸钾。试验小区重复3次,小区面积为75 m²（7.5 m×10 m）。每年均于10月上旬播种,次年6月中旬收获,夏季免耕休闲。播量187.5 kg·hm^-2,行距20 cm。全生育期水分来源依靠自然降雨,其他田间管理措施与当地农户保持一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分 在冬小麦各生育时期分别测定0—200 cm土层土壤水分,用土钻取土,每 20 cm 土层取样一次,烘箱 105℃烘干法测定含水量。由于试验地为旱平地,地下水埋藏深,其他因素均可忽略。相关指标计算方法^[23]如下：

（1）土壤含水量W（%）=（鲜土重-干土重）/干土重×100

（2）S=B×H×W×10

式中,S为0—200 cm土层蓄水量,B为该土层的土壤容重（g·cm^-3）,H为土层厚度（cm）,本试验为20 cm,W为该土层土壤含水量（%）。

（3）ET= P+ΔS

式中,ET为生育期总耗水量（mm）,P为冬小麦生育期总降雨量（mm）,ΔS为成熟期与播种期土壤蓄水量之差（mm）。

（4）WUE = Y/ET

式中,WUE为水分利用效率（kg·hm^-2·mm^-1）,Y为籽粒产量（kg·hm^-2）。

1.3.2 产量测定 成熟期调查产量构成要素（单位面积穗数、平均穗粒数及千粒重）,每个小区收割3 m²计算实际产量。采用半微量凯氏定氮法测定籽粒氮含量,含氮量乘以系数5.7即为蛋白质含量^[24]。

1.4 数据分析

采用Excel 2013和Origin 2018软件作图,使用SPSS 22.0对数据进行统计分析,5个施氮处理均采用单因素方差分析,多重比较采用Duncan法（P<0.05）。图表中数据均为平均值±标准差。

2 结果

2.1 冬小麦生育期0—200 cm土层土壤蓄水量

降雨年型和施氮对播前底墒和生育期0—200 cm土层土壤蓄水量影响显著（图2）。试验期间休闲期降雨量分别为327.6、200.5和249.4 mm,平均播前底墒分别为460.0、340.5和441.4 mm。回归分析表明播期底墒和休闲期降雨量呈线性相关（y=0.9x+179.5,R²= 0.783**）,表明在本试验条件下,夏季休闲期每增加1 mm 降雨,播前底墒增加0.9 mm。施氮影响作物长势和对土壤水分的消耗程度,因而会影响下季小麦播前底墒,其影响程度与当季休闲期降雨量有关。试验始于2017 年10 月,各施氮处理底墒值一致。2018年（欠水年）休闲期降雨相对较少（200.5 mm）,播前底墒平均为340.5 mm。与N₀处理相比,N₂₄₀处理底墒降低36.9 mm,由施氮增加造成的底墒下降显著。2019年（平水年）休闲期降雨量为249.4 mm,各施氮处理底墒无显著差异,介于431.5—457.4 mm。因此,在欠水年,前季小麦施氮量每增加100 kg·hm^-2,可使下季小麦播前底墒减少15.4 mm。

图2

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图2不同降雨年型施氮量对冬小麦不同生育时期0—200 cm土层土壤蓄水量的影响

SS: 播种期 Sowing stage; WS: 越冬期Wintering stage; ES: 拔节期Elongation stage; AS: 开花期Anthesis stage; MS: 成熟期Maturity stage
Fig. 2Effects of N treatments on soil water storage in 0-200 cm soil layer at different growth stages of winter wheat under different rainfall patterns



不同降雨年型下冬小麦生育期0—200 cm土层土壤蓄水量均随生育进程呈现逐渐降低趋势,丰水年、欠水年和平水年冬小麦生育期0—200 cm 土层平均土壤蓄水量分别降低156.4、93.2和169.7 mm。无论何种降雨年型,不同施氮处理下0—200 cm土层土壤蓄水量随生育进程而逐渐降低,且成熟期各施氮处理0—200 cm土层土壤蓄水量均低于N₀。其中丰水年以N₂₄₀处理土壤水分消耗量最多;欠水年以N₁₂₀处理土壤水分消耗量最多;在平水年以N₁₈₀和N₂₄₀处理土壤水分消耗量最多,且两处理间无显著差异。

2.2 冬小麦关键生育时期0—200 cm土层水分剖面分布

无论何种降雨年型,冬小麦均在拔节至开花期耗水量显著增加,丰水年、欠水年和平水年开花期0—200 cm土层平均土壤含水量分别较拔节期降低23.6%、10.5%和20.5%。此外,不同降雨年型下冬小麦拔节至成熟期各施氮处理土壤含水量均在0—120 cm土层波动程度剧烈,而在160—200 cm相对较深土层,土壤含水量变化程度较小,相对稳定。不同生育时期及降雨年型下各施氮处理土壤含水量差异显著。在拔节期,丰水年、欠水年和平水年各施氮处理土壤含水量分别在20—60、80—160和60—140 cm土层差异最显著;在开花期,各施氮处理土壤含水量分别在80—160、100—140和120—160 cm土层差异最显著;在成熟期,各施氮处理土壤含水量分别在120—180、40—80和100—160 cm土层差异最显著;从全生育期0—200 cm土层土壤水分动态变化来看,丰水年和平水年旱地冬小麦主要利用0—180 cm土层土壤水分,而欠水年则主要利用0—140 cm土层水分（图3）。

图3

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图3不同降雨年型冬小麦不同生育时期0—200 cm土层土壤含水量动态变化

ES: 拔节期Elongation stage; AS: 开花期Anthesis stage; MS: 成熟期Maturity stage
Fig. 3Dynamics of soil water content in 0-200 cm soil layer at different growth stages of winter wheat under different rainfall patterns

2.3 冬小麦耗水量和水分利用效率

冬小麦耗水量（ET）和水分利用效率（WUE）受降雨年型影响显著（表1）。丰水年平均ET、WUE分别为306.9 mm、15.2 kg·hm^-2·mm^-1,较欠水年和平水年的ET分别增加35.7%和6.6%,WUE 分别提高55.7%和26.5%。施氮显著增加冬小麦耗水量和水分利用效率,与N₀相比,施氮处理下丰水年ET提高4.6%—14.6%,WUE提高20.7%—39.8%,在欠水年ET提高6.0%—8.6%,WUE提高4.7%—33.3%,平水年ET提高2.2%—9.5%,WUE提高13.1%—35.4%。其中,丰水年和平水年ET均在N₂₄₀处理达到最高（分别为327.6、303.5 mm）,欠水年在N₁₈₀处理达到最高（231.4 mm）,且和N₁₂₀、N₂₄₀处理无显著差异。丰水年在N₁₈₀处理下WUE最高（16.9 kg·hm^-2·mm^-1）,欠水年在N₁₂₀处理下WUE最高（11.2 kg·hm^-2·mm^-1）,平水年在N₁₈₀处理下WUE最高（13.4 kg·hm^-2·mm^-1）,且N₁₂₀和N₁₈₀处理间无显著差异。方差分析表明,降雨年型和施氮量对旱地冬小麦耗水量和水分利用效率存在显著影响,且年际间差异高于施氮效应。

Table 1
表1
表1不同降雨年型施氮量对旱地冬小麦耗水量和水分利用效率的影响
Table 1Effects of N treatments on water use efficiency and evapotranspiration of dryland winter wheat under different rainfall patterns

处理 N treatment	耗水量Evapotranspiration, ET (mm)			水分利用效率Water use efficiency (kg·hm-2·mm-1)
	丰水年 Humid year (2017—2018)	欠水年 Dry year (2018—2019)	平水年 Normal year (2019—2020)	丰水年 Humid year (2017—2018)	欠水年 Dry year (2018—2019)	平水年 Normal year (2019—2020)
N0	285.9±6.2d	213.0±5.6c	277.3±7.5d	12.1±0.7d	8.5±0.7c	9.9±0.4c
N60	299.0±5.9c	225.7±1.8b	285.3±5.5c	14.6±1.2c	10.9±0.8b	11.2±0.8b
N120	311.8±6.3b	230.3±5.7a	283.5±3.4c	16.3±0.9b	11.2±1.2a	13.1±0.6a
N180	310.1±5.4b	231.4±8.3a	290.3±9.2b	16.9±0.3a	9.5±1.4b	13.4±0.5a
N240	327.6±9.6a	230.2±7.2a	303.5±4.4a	16.1±0.2b	8.2±0.5c	12.5±1.3b
F-value
施氮Nitrogen (N)		54.8**			59.2**
年型Year (Y)		1234***			387.8***
施氮×年型N×Y		4.6*			14.7**

N₀: 0; N₆₀: 60 kg·hm^-2; N₁₂₀: 120 kg·hm^-2; N₁₈₀: 180 kg·hm^-2; N₂₄₀: 240 kg·hm^-2. 同列不同字母代表不同施氮处理间差异显著（P<0.05)。下同
Different letters in the same column indicated significant difference among N treatments at 0.05 level. The same as below

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2.4 冬小麦产量及其构成要素、籽粒蛋白质含量

不同降雨年型各施氮处理较不施氮处理,籽粒产量及其构成要素均有不同程度提高（表2）。丰水年提高穗数5.4%—14.2%、穗粒数5.5%—37.1%、千粒重1.1%—5.6%、籽粒产量7.1%—28.3%;欠水年提高穗数11.5%—15.8%、穗粒数15.9%—34.9%、千粒重3.5%—9.4%,籽粒产量1.5%—34.1%;平水年提高穗数2.8%—18.8%、穗粒数4.8%—13.3%、千粒重2.6%—6.3%,籽粒产量8.5%—28.9%。降雨年型对产量形成也存在显著影响,丰水年穗数比欠水年、平水年分别提高54.3%、-2.8%,穗粒数分别提高32.7%、1.8%,千粒重分别提高34.1%、-9.8%,籽粒产量分别提高112.3%、39.1%。增施氮肥显著提高蛋白质含量和蛋白质产量。与N₀处理相比,在丰水年、欠水年和平水年各施氮处理（N₆₀—N₂₄₀）的蛋白质含量分别提高5.6%—10.4%、10.1%—17.7%、8.5%—15.6%;蛋白质产量分别提高13.7%—42.4%、12.1%—55.8%、26.0%—54.2%。其中,丰水年的蛋白质含量比欠水年、平水年分别降低8.3%、5.2%,蛋白质产量分别提高94.4%、31.6%。丰水年和平水年在N₁₈₀和N₂₄₀处理下蛋白质含量最高,而欠水年在N₁₂₀处理蛋白质含量最高。且不同降雨年型平均籽粒蛋白质含量整体表现为欠水年（14.5%）>平水年（14.0%）>丰水年（13.3%）。

Table 2
表2
表2不同降雨年型施氮量对旱地冬小麦产量及其构成和籽粒蛋白质含量的影响
Table 2Effects of N treatments on grain yield and its components, protein content of dryland winter wheat under different rainfall patterns

降雨年型 Rainfall pattern	处理 N treatment	穗粒数 GNS	穗数 SN (×104·hm-2)	千粒重 TGW (g)		籽粒产量 GY (kg·hm-2)		蛋白质含量 PC (%)		蛋白质产量 PY (kg·hm-2)
丰水年 Humid year (2017—2018)	N0	25.4±0.9c	477.3±21.7b	39.4±0.6c		4077±151c		12.5±0.3c		508±25d
	N60	26.8±0.8c	503.0±25.5b	39.8±0.8c		4365±234c		13.2±0.3b		578±31c
	N120	31.0±2.8b	512.7±38.8b	39.5±0.2c		5067±111a		13.4±0.2b		678±22b
	N180	34.8±0.3a	537.4±16.7a	41.4±0.6a		5229±189a		13.8±0.3a		724±34a
	N240	29.2±0.4b	544.9±14.7a	41.6± 0.2a		4959±235b		13.7±0.2a		679±24b
欠水年 Dry year (2018—2019)	N0	18.9±0.9c	308.6±24.2b	28.6± 0.6b		1927±85c		13.0±0.4c		250±34c
	N60	21.9±0.8c	344.2±31.2a	31.3± 1.8a		2459±72a		14.9±0.6a		366±21b
	N120	25.5±2.8a	357.5±21.6a	30.5± 0.2a		2584±68a		15.3±0.2a		390±25a
	N180	22.2±0.3b	342.9±12.3a	30.5± 0.6a		2237±57b		15.2±0.3a		342±26b
	N240	22.3±0.4b	316.0±45.9b	29.6± 0.4b		1956±49c		14.3±0.2b		281±32c
平水年 Normal year (2019—2020)	N0	27.1±1.0c	480.4±24.2a	43.0± 0.8b		2952±89c		12.8±0.3c		353±13d
	N60	28.4±1.7b	493.7±41.2a	44.1± 0.3a		3203±103b		13.9±0.2b		445±28c
	N120	29.1±1.2b	533.1±31.6b	45.7± 0.6a		3804±267a		14.3±0.2ab		545±19a
	N180	29.3±2.0b	563.9±50.3b	45.6± 1.4a		3788±112a		14.4±0.3a		546±12a
	N240	30.7±1.8a	570.9±45.9b	45.3± 0.9a		3494±146b		14.5±0.2a		518±15b
F-value
施氮Nitrogen (N)		27.6***	9.2**	5.8***		57.6***		69.4***		411.0***
年型Year (Y)		158.7***	747.8**	1210.3**		80.9***		1223.3***		3235.8***
施氮×年型 N×Y		8.1**	11.4**	3.6*		5.7**		10.7**		42.7***

GNS: 穗粒数Grain number per spike; SN: 穗数Spike number; TGW: 千粒重1000-grain weight; GY: 籽粒产量Grain yield; PC: 蛋白质含量Protein content; PY: 蛋白质产量Protein yield

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合理施用氮肥是旱地小麦稳产优质的关键,根据籽粒产量、蛋白质产量与施氮量拟合关系（图4）得出：丰水年、欠水年和平水年小麦最高籽粒产量分别为5 117、 2 527和3 780 kg·hm^-2,对应的施氮量分别为189、116和161 kg·hm^-2;最高蛋白质产量分别为699、384和553 kg·hm^-2,对应的施氮量分别为 202、124和174 kg·hm^-2。

图4

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图4不同降雨年型下旱地小麦籽粒产量、蛋白质产量与施氮量的关系

Fig. 4Grain yield and protein yield of dryland wheat and their relationships with nitrogen application rates under different rainfall patterns

2.5 冬小麦籽粒产量与休闲期降雨、播前底墒及生育期降雨的关系

根据拟合关系得出（图5）,冬小麦籽粒产量与休闲期降雨、播前底墒及生育期降雨均存在显著正相关关系,其中以休闲期降雨与产量的相关性最强,农业生产中可以根据休闲期降雨和播前底墒对产量进行预测。相关性分析表明（表3）,越冬至拔节期、拔节至开花期降雨量与产量均呈显著正相关;休闲期、越冬至拔节期降雨量与水分利用效率均呈显著正相关（P<0.05）,与籽粒蛋白质含量呈显著负相关（P<0.05）。

图5

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图5冬小麦籽粒产量与休闲期降雨、播前底墒及生育期降雨的关系

Fig. 5Relationships among rainfall of fallow stage, soil water storage at sowing, rainfall of growing stage with grain yield



Table 3
表3
表3籽粒产量、蛋白质含量和水分利用效率与各生育阶段降雨量的相关性分析
Table 3Correlation analysis between grain yield (GY), protein content (PC), water use efficiency (WUE) and rainfall at different growth stages

因子 Factor	各生育阶段降雨量 Rainfall in different growth stages
	休闲期 FS	播种-越冬 SS-WS	越冬-拔节 WS-ES	拔节-开花 ES-AS	开花-成熟 AS-MS	籽粒产量 GY
籽粒产量 GY	0.935**	0.036	0.933**	0.606*	-0.011	-
蛋白质含量 PC	-0.589*	0.024	-0.589*	-0.344	-0.039	-0.341
水分利用效率 WUE	0.727*	-0.323	0.733*	0.121	0.339	0.889**

FS: Fallow stage; SS-WS: Sowing-wintering stage; WS-ES: Wintering-elongation stage; ES-AS: Elongation-anthesis stage; AS-MS: Anthesis-maturity stage

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3 讨论

3.1 降雨和施氮对旱地小麦水分利用的影响

氮素可以促进作物生长及根系发育,提高其对土壤水分利用能力,增加作物耗水量,提高水分利用效率^[14,25]。段文学等^[26]研究表明当施氮量由90 kg·hm^-2增加到150 kg·hm^-2时,小麦对深层土壤水分利用能力增强,但施氮量继续增加, 80 cm以下土层土壤耗水量未显著增加。REN等^[27]在晋南地区研究表明0—300 cm土层土壤蓄水量随小麦生长呈下降趋势,且花后土壤耗水量一半来自200—300 cm土层。本研究表明降雨年型和施氮对土壤蓄水量和生育期耗水量存在显著影响,从而影响产量和水分利用效率。丰水年底墒高和生育期降雨充足,植株长势好,生育期耗水总量显著高于欠水年和平水年,分别提高水分利用效率55.7%和26.5%。施氮会促进作物生长及根系吸收水分和养分,增加作物耗水量,引起土壤蓄水量下降。本研究发现,不同降雨年型间施氮对耗水量的影响差异显著,N₀处理下冬小麦长势不好,耗水较少,且随试验年份累积效应明显。丰水年和平水年降雨条件相近,作物长势状况较好,耗水总量均在N₂₄₀处理达到最高,但由于平水年生育期遭遇春季晚霜冻,N₁₈₀和N₂₄₀处理差异不显著;欠水年由于底墒低和生育期降雨不足,作物长势不佳,N₁₂₀和N₁₈₀处理耗水量差异不显著,高氮处理（N₂₄₀）作物停止生长,耗水量降低。平水年和丰水年随施氮量增加, 同一土层土壤含水量降低,根系水分利用深度增加,全生育期主要利用0—180 cm土层土壤水分,欠水年由于播前底墒不足和苗期降雨稀少,导致小麦植株苗少苗弱,全生育期0—200 cm土层土壤含水量9%—15%,根系生长受到水分胁迫,全生育期主要利用0—120 cm土层土壤水分。合理施氮可显著提高作物耗水量,但过量施氮会增加土壤耗水量,降低产量和水分利用效率,因此应根据不同降雨年型合理氮肥投入,实现半干旱区小麦生产和有限水资源高效利用。

3.2 降雨和施氮对旱地小麦籽粒产量及蛋白质含量的影响

施氮能够促进冬小麦分蘖及成穗,增加单位面积穗数及穗粒数,但当施氮量达到一定范围,籽粒产量不再显著增加^[28,29]。氮素是小麦籽粒蛋白质含量的重要成分之一,合理施氮可以明显提高蛋白质含量^[27]。李亚静等^[30]研究表明,冀东平原施氮180 kg·hm^-2可实现强筋小麦提质增效的目标。张礼军等^[31]研究表明施肥150 kg·hm^-2,是甘肃旱作雨养农业区小麦生产实现高产优质供氮模式。本研究表明,降雨年型和施氮对籽粒产量和蛋白质含量显著影响, 2018—2019年（欠水年）播前底墒较低,且苗期无降雨补充,这些因素均导致冬小麦苗少苗弱,群体、个体质量变差,从而不利于干物质积累和籽粒产量形成。平水年和丰水年播前底墒和生育期降雨量相近,且平水年穗数、千粒重均高于丰水年,但2019—2020年（平水年）籽粒产量显著低于2017—2018年（丰水年）,主要由于2019—2020年冬小麦抽穗期遭遇较为少见的晚霜冻害,部分植株尚未完成抽穗,导致无效穗数增加,穗粒数显著降低,理论产量偏高,实际籽粒产量明显降低。增施氮肥显著提高蛋白质含量和蛋白质产量。本研究表明,不同降雨年型对蛋白质含量的影响差异显著,丰水年蛋白质含量比欠水年、平水年分别降低8.3%、5.2%,主要由于蛋白质含量与籽粒产量呈负相关,通常丰水年籽粒产量较欠水年高,但小麦从土壤中吸收的氮素和合成的蛋白质数量相对稳定,因而导致蛋白质含量降低。因此在渭北旱塬实际小麦生产中,应根据春季晚霜冻发生情况及时采取霜冻预防措施,并依据降雨进行科学施氮管理,丰水年、欠水年和平水年冬小麦籽粒产量和蛋白质含量较高的最适施氮量范围分别为189—202、116—124和161—174 kg·hm^-2。

3.3 旱地小麦 “因雨施氮”管理模式

自然降雨是旱地农业生产水的唯一来源,施肥和降雨是影响作物产量变化的主要因素。在欠水年份施氮过多,易导致前期耗水增加、干旱胁迫加剧和肥料损失严重;而在丰水年份施氮过少,则难以发挥降水增产潜力,因此实际生产中施肥与降雨相匹配至关重要^[32]。CAO等^[33]基于旱地冬小麦氮磷钾肥配施与降水量关系的研究结果,可用于指导纠正黄土旱塬区氮磷肥过量施用及钾肥不足现状,李晓州等^[34]通过二元二次方程拟合出不同降水年型下旱地小麦氮磷肥优化用量。虽然本试验中采用的是旱地小麦“一炮轰”（一次性氮肥基施）管理方式,但由于降雨年型难以在小麦播期提前预测确定,若想按照降雨年型落实“因雨施氮”管理模式,首先需要根据播前底墒和关键生育期降雨量情况确定降雨年型,并采取“基肥+追肥”的弹性氮肥管理模式,才能真正实现旱地小麦按照降雨年型“因雨施氮”。本研究表明,休闲期降雨和播前底墒是影响旱地小麦产量的重要因素,休闲期降雨或播前底墒可作为小麦产量预测和氮肥基施量确定的依据之一。依据前人经验（如当地农谚“麦收八、十、三场雨”）和本研究结果进一步推断,可按照小麦播前底墒（或休闲期降雨量）和播种至拔节期降水量确定降雨年型,根据降雨年型确定基施和追施氮肥量。在播前底墒（或休闲期降雨量）差、中等和较好的年份麦田适宜的氮肥基施量分别为90、120和150 kg·hm^-2,再依据播种至拔节期降雨量确定是否需要追肥及其追施量,在播种至拔节期降雨少的年份可不追肥,而降雨中等和较多年份可分别追施氮肥45—75 kg·hm^-2,从而真正实现旱地小麦“因雨施氮”和水氮高效利用。

4 结论

4.1 降雨年型和施氮对冬小麦播前底墒及生育期土壤含水量、耗水量、水分利用效率、籽粒产量和蛋白质含量影响显著。丰水年较欠水年和平水年均提高冬小麦生育期0—200 cm土层土壤含水量,同时分别增加耗水量35.7%和6.6%。全生育期0—120 cm土层土壤含水量受降雨和冬小麦生长发育影响波动较大,但160—200 cm深层土壤含水量相对稳定。丰水年较欠水年和平水年水分利用效率分别提高55.7%和26.5%,籽粒产量分别提高112.3%和39.1%,蛋白质含量降低8.3%和5.2%。

4.2 与N₀处理相比,丰水年、欠水年和平水年施氮均降低各生育时期0—200 cm土层含水量,分别提高生育期耗水量4.6%—14.6%、6.0%—8.6%、2.2%—9.5%,提高水分利用效率20.7%—39.8%、4.7%—33.3%、13.1%—35.4%,增产7.1%—28.1%、1.5%—34.1%、8.5%—28.9%,提高蛋白质含量5.6%—10.4%、10.1%—17.7%、8.5%—15.6%。

4.3 综合来看,丰水年、欠水年和平水年的最佳施氮方案分别为189—202、116—124和161—174 kg·hm^-2,并可采取“播前底墒确定基施氮肥量+播种至拔节期降雨确定追施氮肥量”的“因雨施氮”模式,既能满足旱地冬小麦稳产优质,也可保证水分高效利用。

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