李 森 魏紅義 武繼承 楊永輝 丁晉利

(1.中國農業(yè)科學院農田灌溉研究所農業(yè)農村部作物需水與調控重點實驗室， 新鄉(xiāng) 453002；2.南水北調中線干線工程建設管理局河南分局， 鄭州 450018；3.河南省農業(yè)科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所， 鄭州 450002； 4.鄭州師范學院地理與旅游學院， 鄭州 450044)

0 引言

氮素的積累和轉運是氮素代謝過程的重要環(huán)節(jié)，對冬小麥增產具有重要意義。水分條件是影響冬小麥植株氮素吸收的重要因素。有研究表明，改善土壤水分狀況可增加總氮素產量和生物量，可促進氮素由營養(yǎng)器官向籽粒的轉移[1-2]。降雨是土壤水分補給的重要方式之一。河南省屬易旱區(qū)，該地區(qū)水資源匱乏、季節(jié)性干旱頻發(fā)、不同年份降雨量差異明顯，研究河南省不同降水年型對冬小麥氮素積累的影響對提高冬小麥氮素利用率和冬小麥產量具有重要意義。

免耕作為重要的保護性耕作方式之一，可以增加土壤含水量，提高氮素吸收利用及作物產量[3-5]。黃明等[6]研究表明，免耕能夠改善旗葉光合特性，提高小麥開花后的干物質積累量及向籽粒的轉運量。丁晉利等[7]研究認為，連續(xù)2年免耕較傳統(tǒng)耕作可分別提高揚花期莖、葉和穗的平均氮素積累量，顯著增加了穗和籽粒的平均氮素積累量。然而，由于不同年份降雨量及季節(jié)性降雨的差異，免耕對土壤水分、氮素利用及作物產量的影響結果不同[8]。以往關于免耕冬小麥氮素吸收利用的研究多集中于不同耕作措施的比較，較少涉及免耕在不同降水年型下冬小麥氮素積累及氮素利用特征的研究，尤其是冬小麥根部的氮素積累特征。

RZWQM2(Root zone water quality model)模型綜合了氣象、土壤、作物、管理等模塊，采用系統(tǒng)分析方法和計算機模擬技術，克服了傳統(tǒng)農業(yè)試驗方法的缺陷，能夠模擬免耕和傳統(tǒng)耕作條件下的水氮平衡及作物產量[9]。本文利用免耕和傳統(tǒng)耕作試驗數據率定、驗證RZWQM2模型，并利用該模型模擬豐水年、平水年和枯水年免耕冬小麥植株地上部和根部氮素積累特征，研究免耕條件下氮素利用率和作物產量對不同降水年型的響應，旨在優(yōu)化管理、提高氮素利用率，為實現(xiàn)冬小麥增產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗布設在河南省中部節(jié)水農業(yè)禹州試驗基地(34.16°N，113.15°E，海拔150 m)。該地區(qū)多年平均降雨量為674.9 mm，土壤為褐土，土壤母質為黃土性物質，耕層有機質質量比12.3 g/kg、全氮質量比0.80 g/kg、水解氮質量比47.82 mg/kg、速效磷質量比6.66 mg/kg、速效鉀質量比114.8 mg/kg。本試驗處理設置為傳統(tǒng)耕作和免耕，每個處理設3次重復。傳統(tǒng)耕作是在玉米收獲后，將全部秸稈粉碎覆蓋在地表，用犁鏵全面深翻20～25 cm將秸稈深埋；免耕是在玉米收獲后，全部秸稈粉碎覆蓋在地表，無其他措施。種植的冬小麥品種為“矮抗58”，播種量為150 kg/hm2，播種時間為10月中旬，收獲時間為次年5月下旬，行距23 cm。冬小麥播種前施用尿素(純氮225 kg/hm2)、過磷酸鈣(P2O5105 kg/hm2)和硫酸鉀(K2SO475 kg/hm2)，一次性底施。小區(qū)面積36 m2(6 m×6 m)。

1.2 降水年型劃分

根據研究區(qū)11年(2006—2017年)降水資料計算冬小麥生育期平均降水量為229.1 mm、降水量均方差為58.1 mm。降水年型劃分依據干燥指數劃分標準[10]，干燥指數為每年冬小麥生育期降水量和冬小麥生育期平均降水量差值與降水量均方差的比值，干燥指數大于0.35為豐水年，干燥指數小于-0.35為枯水年，干燥指數介于-0.35～0.35之間為平水年。干燥指數的計算及劃分結果如表1所示。

表1 2006—2017年冬小麥生育期降水年型劃分結果

1.3 樣品測定及土壤貯水量計算

每隔10 d采用DZN2-1型FDR儀測定0～100 cm土層的水分含量。土壤硝態(tài)氮(NO3-N)含量采用連續(xù)流動分析儀(TRAACS 2000型)進行測定。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀-硫酸容量法(外加熱)測定[11]。每小區(qū)沿對角線選取長勢均勻的3點，每點取4 m2植株樣，脫粒，風干，稱量計產。于冬小麥苗期、越冬期、拔節(jié)期、揚花期、灌漿期和成熟期采集植株樣，樣品于105℃殺青并在70℃干燥至質量恒定，測定干物質量。采用濃硫酸消煮-半微量凱氏定氮法測定植株全氮含量[9]。

土壤貯水量可以系統(tǒng)地研究不同時段各試驗處理的土壤水分利用情況，反映了土壤水分的真實值。1 m深土層貯水量的計算公式為[12]

W=∑wiDiHi×10/100

(1)

式中W——1 m深土層貯水量，mm

wi——第i層土壤質量含水率，%

Di——第i層土壤容重，g/cm3

Hi——第i層土層厚度，cm

1.4 模型模擬氮素吸收和分配原理

RZWQM2模型中氮素吸收量由植物中氮素(N)的蒸騰流決定。當被動吸收的氮素不能滿足植物生長需要，則模型采用米氏基質模型進行氮素主動吸收[11]。植株將吸收的氮素優(yōu)先分配給根部，其次，所有剩余的N按等級分配給其他植物器官。當植株處于繁殖階段時，首先滿足繁殖體的氮需求。在滿足了根和繁殖體的需求后，仍然有剩余N，則按葉和莖的需求比例進行分配[13]。

1.5 模型率定和驗證

模型輸入初始值包括逐日氣象數據、土壤數據、作物參數及田間管理數據。其中，逐日氣象數據(包括太陽輻射和降雨量)由中國氣象科學數據共享服務網(http:∥cdc.nmic.cn/home.do)獲取。土壤數據來源于田間實測值：于2014年10月在試驗小區(qū)附近采集土壤樣品，測定土壤水力學參數(表2)，某些缺失的值采用RZWQM2提供的默認值。此外，利用2011—2017年傳統(tǒng)耕作(CT)的含水量、有機碳含量、冬小麥產量及籽粒氮含量實測值對RZWQM2模型進行率定，通過比較分析土壤分層含水量、有機碳含量、籽粒氮含量模擬效果，采用試錯法手動調整土壤剖面水力參數及土壤碳庫的取值，從而保證模型率定結果在允許誤差范圍內。作物品種參數采用RZWQM2模型自帶的PEST參數調試程序調試小麥參數春化敏感系數(PIV)、光周期敏感系數(PID)、從吐絲到生理成熟時的大于8℃的積溫(P5)、出葉間隔期間相應的大于8℃的積溫(PHINT)、籽粒數特性(G1)、標準籽粒重系數(G2)和潛在最大灌漿速率(G3)(表3)，優(yōu)化作物生長發(fā)育期和作物產量的模擬結果。在參數率定的基礎上，利用2011—2017年的免耕(NT)實測數據用于模型的驗證。

表2 RZWQM2模型中土壤初始水力參數和有機質含量

表3 冬小麥作物品種遺傳參數

1.6 模型模擬及評價指標

利用率定驗證過的RZWQM2模型，分別模擬枯水年(2007—2008年、2010—2011年、2012—2013年和2015—2016年)、平水年(2006—2007年、2008—2009年、2009—2010年、2011—2012年和2013—2014年)和豐水年(2014—2015年和2016—2017年)傳統(tǒng)耕作和免耕0～100 cm土層貯水量、地上部氮素積累量、根部氮素積累量和冬小麥產量。模型模擬效果采用均方根誤差(RMSE)和相對誤差(MRE)來評價，其中RMSE主要反映模擬效果的絕對無偏性和極值效應，MRE主要反映模擬效果的相對無偏性。

2 結果與分析

2.1 模型率定和驗證

利用2011—2017年傳統(tǒng)耕作土壤表層(0～20 cm)有機碳含量、0～100 cm土壤貯水量和NO3-N含量以及冬小麥產量、地上部氮素積累量和冬小麥籽粒氮含量對RZWQM2模型進行了率定(表4)。模擬結果表明，傳統(tǒng)耕作土壤表層有機碳含量模擬值與實測值相近(RMSE為0.73 g/kg，MRE為0.12)，且2011—2017年表層有機碳含量實測值均值較模擬值均值增加11.4%。RZWQM2模型能較好地模擬土壤0～100 cm土層貯水量，其RMSE為18.80 mm，MRE為0.14；土壤NO3-N含量模擬RMSE為6.10 mg/kg和MRE為0.44，說明RZWQM2模型能合理地模擬土壤硝態(tài)氮變化趨勢(表4)。傳統(tǒng)耕作冬小麥產量模擬值和實測值的RMSE為620.3 kg/hm2，說明RZWQM2模型能夠較好地模擬冬小麥產量(圖1)；地上部氮素積累量和籽粒氮含量的模擬值和實測值RMSE分別為87.9、82.5 kg/hm2(圖1)，RMSE較高可能由于一方面RZWQM2模擬土壤硝態(tài)氮時其RMSE較高[14-15]，另一方面2015—2016年小麥生育期為枯水年，模擬精度偏低[16]。

表4 傳統(tǒng)耕作土壤表層(0～20 cm)有機碳含量、土壤0～100 cm貯水量與NO3-N含量模擬值和實測值

利用2011—2017年免耕數據對RZWQM2模型進行驗證(表5)。模擬結果表明，土壤0～100 cm貯水量、冬小麥產量模擬效果較好，其RMSE分別為18.0 mm和752.1 kg/hm2，其MRE分別為0.07和0.08。RZWQM2模型能夠合理模擬土壤NO3-N含量、地上部氮素積累量和籽粒氮含量，其RMSE分別為6.5 mg/kg、97.3 kg/hm2和81.2 kg/hm2，MRE分別為0.47、0.35和0.29。地上部生物量MRE為0.11。

表5 免耕數據模擬值和實測值的RMSE

2.2 不同降水年型冬小麥關鍵生育期土壤剖面貯水量

冬小麥不同生育期0～100 cm土層貯水量受降水年型影響顯著(表6)。不同降水年型冬小麥生育期0～100 cm土層平均貯水量由大到小依次為豐水年(166.8 mm)、平水年(142.7 mm)、枯水年(135.1 mm)，與枯水年相比，豐水年和平水年分別增墑23.5%和5.6%。其中，免耕在豐水年較枯水年分別提高冬小麥苗期、拔節(jié)期、揚花期和灌漿期0～100 cm貯水量25.0%、43.2%、44.7%和12.3%。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕在枯水年、平水年和豐水年分別提高冬小麥0～100 cm土層平均貯水量11.3%、12.9%和16.9%。這是由于免耕耕作強度較低，減少土壤蒸發(fā)，降低土壤深層滲漏，提高了土壤保水和持水的能力[17-18]。

表6 不同降水年型冬小麥各生育期0～100 cm土層貯水量

2.3 不同降水年型免耕冬小麥植株氮素積累特征

不同降水年型對冬小麥地上部和根部氮素積累有顯著影響，氮素積累量由大到小均表現(xiàn)為豐水年、平水年、枯水年(圖2)。與枯水年相比，傳統(tǒng)耕作和免耕在豐水年分別提高地上部平均氮素積累量44.4%和41.6%。冬小麥根系在拔節(jié)期之后，根系數量均達到最大值[17]，圖2表明，傳統(tǒng)耕作和免耕處理下根系在播后150 d氮素積累量較冬小麥前期差異顯著。與枯水年相比，傳統(tǒng)耕作和免耕在豐水年分別提高根部平均氮素積累量43.1%和42.6%。從不同耕作措施來看，傳統(tǒng)耕作和免耕處理地上部氮素積累量均隨冬小麥生長呈現(xiàn)增加的趨勢，而根部氮素積累量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。豐水年根部氮素積累量峰值出現(xiàn)時間明顯晚于平水年和枯水年，說明土壤水分能夠延緩根部衰老，提高冬小麥植株根部氮素積累量。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕在枯水年和平水年分別提高冬小麥地上部氮素積累量2.5%和3.6%，而在豐水年冬小麥地上部氮素積累量差別不大。免耕較傳統(tǒng)耕作枯水年、平水年和豐水年根部平均氮素積累量略有增加，但在冬小麥抽雄期-收獲期(播后179～225 d)免耕平水年根部氮素積累量較傳統(tǒng)耕作提高3.1%，說明免耕有助于根部對氮素的吸收，且降雨量過多或過少均不利于根系對氮素的吸收。

2.4 不同降水年型免耕氮素利用率及產量變化

冬小麥產量受降水影響顯著，冬小麥平均產量由大到小依次為豐水年、平水年、枯水年(表7)。與枯水年相比，豐水年和平水年冬小麥平均產量分別增產11.4%和15.2%，其中，傳統(tǒng)耕作和免耕豐水年較枯水年冬小麥平均產量分別提高16.7%和14.0%。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕冬小麥產量在枯水年、平水年和豐水年分別增加12.4%、4.3%和9.8%，這說明在降雨量較少年份，免耕增產更顯著。

表7 不同降水年型免耕和傳統(tǒng)耕作氮素利用率及產量

氨揮發(fā)、氨反硝化、硝態(tài)氮淋洗滲漏及作物吸收是氮素損失的主要途徑。不同降水年型，傳統(tǒng)耕作和免耕均在豐水年冬小麥吸收氮素量最高。與枯水年相比，傳統(tǒng)耕作在平水年和豐水年分別提高冬小麥氮素吸收量34.6%和54.6%，免耕分別提高38.4%和57.7%。傳統(tǒng)耕作和免耕在枯水年、平水年和豐水年氮素消耗量(氨揮發(fā)量+氨反硝化量+硝態(tài)氮淋洗滲漏量+作物吸收量)分別為184.7、164.7 kg/hm2和247.2、237.8 kg/hm2以及290.7、274.5 kg/hm2，其中豐水年氮素消耗量最大。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕氮素消耗量在枯水年、平水年和豐水年分別降低10.8%、3.8%和5.6%，這主要是因為免耕較傳統(tǒng)耕作減弱了對土壤表層的擾動，降低了氮滲漏量。

不同降水年型冬小麥氮素利用率、氮肥利用效率和氮收獲指數差異顯著(表7)。傳統(tǒng)耕作和免耕冬小麥氮收獲指數由大到小均表現(xiàn)為豐水年、平水年、枯水年，而氮肥利用效率則剛好相反。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕在枯水年、平水年和豐水年氮素利用率分別增加26.7%、8.7%和6.0%。免耕氮肥利用效率較傳統(tǒng)耕作在枯水年提高11.7%，而在豐水年降低1.7%。免耕在枯水年、平水年和豐水年氮收獲指數與傳統(tǒng)耕作相差不大。

3 討論

3.1 不同降水年型免耕對土壤貯水量和冬小麥產量的影響

不同降水量對土壤貯水量及作物產量影響顯著[19-22]。于琦等[23]研究表明，豐水年型較干旱和平水年型分別提高冬小麥休閑期和生育期0～200 cm土壤蓄墑量，分別增加冬小麥拔節(jié)期-灌漿期1倍和3倍以上耗水量，增產70.0%和25.8%。李玉山等[24]研究表明，47%的黃土高原地區(qū)小麥產量受種植時土壤儲水量影響，而休閑期降水是影響土壤儲水量的主要因素。不同耕作方式由于對土壤擾動程度不同導致土壤容重不同[25-26]，進而影響農田降雨入滲和土壤水分蒸發(fā)，致使不同耕作方式的蓄水保墑能力不同。免耕[27-28]因減少土壤表層擾動且保留地表殘茬覆蓋，減少地面徑流，提高土壤導水率，增加降水入滲，減少翻耕時土壤水分散失，因而具有良好的蓄水保墑作用。免耕在枯水年、平水年和豐水年增產效應表現(xiàn)不同。有研究表明，免耕較傳統(tǒng)耕作能顯著提高冬小麥關鍵生育期的0～100 cm土層土壤含水量和貯水量，增加冬小麥產量[20]。許迪等[29]研究也發(fā)現(xiàn)，在平水年和干旱年，免耕40 cm土層土壤蓄水量平均增加7.1%和15.4%，免耕的蓄水保墑作用在干旱少雨條件下愈加明顯。同時，DE VITA等[21]通過對意大利南部福賈和瓦斯托硬質小麥的產量和品質研究，發(fā)現(xiàn)免耕小麥產量與降雨量呈顯著相關性，免耕較傳統(tǒng)耕作的優(yōu)勢主要是減少蒸發(fā)，更適于降雨量較少地區(qū)。本研究表明，冬小麥產量受降水年型影響顯著，在降雨較少的年份，免耕增產更顯著。

3.2 不同降水年型免耕對冬小麥氮素吸收和氮肥利用效率的影響

土壤水分狀況是影響冬小麥積累及轉運的重要因素之一[30-32]。水分虧缺能夠顯著降低小麥的氮素吸收量[33-34]。王秀英[35]研究指出灌溉后的植株含氮量整體高于干旱條件下的植株含氮量。這與本研究結果一致，冬小麥地上部和根部氮素積累量由大到小均表現(xiàn)為豐水年、平水年、枯水年。這主要是由于土壤中養(yǎng)分只有溶解在水中才能通過一定的生理作用到達根系表面進而為植物所吸收，促進養(yǎng)分釋放，進而有利于作物對養(yǎng)分的吸收和利用。當降雨量低于正常水平時，土壤含水率低抑制了小麥植株對氮素的吸收，冬小麥氮素總吸收量減少，同時促進了氮素向籽粒的轉運，氮素生產效率較低。本研究結果也表明，免耕在平水年和豐水年較枯水年分別提高冬小麥氮素吸收量38.4%和57.7%，而免耕氮素利用率在平水年和豐水年較枯水年分別降低34.4%和37.1%。不同耕作措施通過影響土壤水分進而影響作物氮素吸收和氮肥利用效率。本研究結果表明，免耕在枯水年、平水年和豐水年較傳統(tǒng)耕作氮素利用率分別增加26.7%、8.7%和6.0%。免耕氮肥利用效率較傳統(tǒng)耕作在枯水年提高11.7%，而在豐水年則略微降低。

4 結論

(1)RZWQM2模型能夠合理模擬NO3-N含量、地上部氮積累量和籽粒氮含量，且能夠較好地模擬土壤0～100 cm土層貯水量和冬小麥產量。

(2)不同降水年型冬小麥生育期0～100 cm土層平均貯水量由大到小依次為豐水年、平水年、枯水年，與枯水年相比，豐水年和平水年分別增墑23.5%和5.6%。不同降水年型冬小麥地上部氮素積累量和根部氮素積累量、冬小麥產量由大到小依次為豐水年、平水年、枯水年。

(3)與傳統(tǒng)耕作相比，免耕使枯水年、平水年和豐水年冬小麥0～100 cm土層平均貯水量分別提高11.3%、12.9%和16.9%，免耕使枯水年冬小麥地上部氮素積累量和平水年抽雄期-收獲期根部氮素積累量分別提高2.5%和3.1%，免耕在枯水年、平水年和豐水年氮素利用率分別增加26.7%、8.7%和6.0%。