劉朋召，周棟，郭星宇，于琦，張?jiān)t，李昊昱，張琦，王旭敏,王小利，王瑞，李軍

不同降雨年型旱地冬小麥水分利用及產(chǎn)量對施氮量的響應(yīng)

劉朋召，周棟，郭星宇，于琦，張?jiān)t，李昊昱，張琦，王旭敏,王小利，王瑞，李軍

西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100

【】降雨和施氮是影響渭北旱塬冬小麥生產(chǎn)的主要因素，降雨年際變幅大對其影響更大，因此小麥增產(chǎn)效應(yīng)受降雨年型顯著影響。分析不同降雨年型下施氮量對旱地麥田水分利用、籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的影響，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)渭北旱地冬小麥 “因雨施氮”和穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)提供理論依據(jù)。于2017—2020年連續(xù)3年在陜西合陽縣開展田間定位施氮試驗(yàn)，以晉麥47為試驗(yàn)材料，設(shè)置5個(gè)施氮量處理0、60、120、180、240 kg·hm-2（分別以N0、N60、N120、N180、N240表示），研究不同降雨年型施氮量對冬小麥生育期0—200 cm土層水分變化動態(tài)、水分利用效率、產(chǎn)量構(gòu)成及蛋白質(zhì)含量的影響。降雨年型和施氮對冬小麥播前底墑及生育期土壤含水量、耗水量、水分利用效率、籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量影響顯著。（1）休閑期降雨與播前底墑呈線性相關(guān)，每增加1 mm夏季降雨，底墑增加0.9 mm。在豐水年和平水年休閑期降雨充足，前季小麥增加施氮量對下季小麥播前底墑無顯著影響；在欠水年休閑期降雨較少，前季小麥每增施氮100 kg·hm-2，下季小麥播前底墑減少15.4 mm。豐水年較欠水年和平水年均能提高冬小麥生育期0—200 cm土層土壤含水量，因而分別增加生育期耗水量35.7%和6.6%。全生育期0—120 cm土層土壤含水量受降雨和冬小麥生長發(fā)育影響波動較大，但160—200 cm深層土壤含水量相對穩(wěn)定。豐水年的水分利用效率較欠水年和平水年分別提高55.7%和26.5%，籽粒產(chǎn)量分別提高112.3%和39.1%，蛋白質(zhì)含量分別降低8.3%和5.2%。（2）與N0處理相比，豐水年、欠水年和平水年施氮均降低各生育時(shí)期0—200 cm土層土壤含水量，分別提高生育期耗水量4.6%—14.6%、6.0%—8.6%、2.2%—9.5%，分別增加水分利用效率20.7%—39.8%、4.7%—33.3%、13.1%—35.4%，分別增產(chǎn)7.1%—28.1%、1.5%—34.1%、8.5%—28.9%，分別提高蛋白質(zhì)含量5.6%—10.4%、10.1%—17.7%、8.5%—15.6%。（3）施氮量和籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量均符合二次曲線關(guān)系，擬合方程表明，豐水年、欠水年和平水年滿足旱地冬小麥穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的最適施氮量范圍分別為189—202、116—124和161—174 kg·hm-2。綜合來看，豐水年、欠水年和平水年的最佳施氮量分別為189—202、116—124和161—174 kg·hm-2，并可采取“播前底墑確定基施氮肥量+播種至拔節(jié)期降雨確定追施氮肥量”的“因雨施氮”管理模式，既能滿足旱地冬小麥穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，也可保證水分高效利用。

旱地小麥；降雨年型；施氮量；水分利用；產(chǎn)量

0 引言

【研究意義】冬小麥?zhǔn)屈S土旱塬區(qū)的主要糧食作物，其生產(chǎn)對保障區(qū)域糧食安全具有重要意義[1-2]。合理施氮不僅能夠顯著提高旱地小麥產(chǎn)量和水分利用效率，還能減少氮素?fù)p失及其對生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)旱地小麥高效可持續(xù)生產(chǎn)。渭北旱塬麥田土壤養(yǎng)分相對貧瘠，小麥生長季降雨稀缺且年際差異懸殊，導(dǎo)致土壤供氮能力與小麥生長需求難以同步[3-4]，土壤水氮供給失調(diào)是旱地小麥產(chǎn)量低而不穩(wěn)的主要因素[5]。因此，探究渭北旱塬區(qū)不同降雨條件下氮肥效應(yīng)與冬小麥產(chǎn)量和水分利用之間的關(guān)系，對指導(dǎo)冬小麥合理施氮具有重要意義。【前人研究進(jìn)展】前人關(guān)于渭北旱塬小麥產(chǎn)量和水分利用的研究表明，降雨及其季節(jié)分布和施氮均對旱地小麥生長、產(chǎn)量和品質(zhì)形成影響顯著。不同生育階段干旱脅迫均會對小麥生長發(fā)育產(chǎn)生不同程度的影響，播前降雨（底墑）不足，會影響小麥分蘗，易導(dǎo)致苗少苗弱[6]，拔節(jié)期和抽穗期干旱脅迫導(dǎo)致小麥的結(jié)實(shí)小穗數(shù)減少，降低有效穗數(shù)和穗粒數(shù)[7]；灌漿期干旱脅迫導(dǎo)致小麥千粒重下降，籽粒干癟，引起產(chǎn)量降低[8]。付雪麗等[9]研究表明，適度干旱促進(jìn)籽粒蛋白質(zhì)積累，而過度干旱和漬水均不利于籽粒蛋白質(zhì)積累，導(dǎo)致蛋白質(zhì)產(chǎn)量下降。與此同時(shí)，氮肥施用對旱地小麥增產(chǎn)和降水利用影響顯著，氮肥效益發(fā)揮與農(nóng)田水分狀況密切相關(guān)，底墑充足年份下水肥耦合增產(chǎn)效應(yīng)明顯[10]。在干旱脅迫條件下，合理施氮可顯著增加冬小麥根量，擴(kuò)大水分、養(yǎng)分吸收空間，提高水分利用效率，增加小麥產(chǎn)量、干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量和氮肥利用率，有利于小麥產(chǎn)量和品質(zhì)形成[11-12]。張昊青[13]在渭北旱塬東部白水縣連續(xù)3年小麥?zhǔn)┑囼?yàn)表明，施氮225 kg·hm-2時(shí)小麥產(chǎn)量最高，相對不施氮產(chǎn)量增加19.0%。WANG 等[14]在渭北旱塬西部長武縣連續(xù)4 年小麥定位施氮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施氮180 kg·hm-2時(shí)，欠水年和豐水年小麥產(chǎn)量相對增長率分別為14.0%和32.8%，欠水年施氮對小麥水分利用效率沒有顯著影響，豐水年則影響顯著。而曹寒冰等[15]調(diào)查研究表明，渭北旱塬60%以上農(nóng)戶存在過量施氮現(xiàn)象，不僅導(dǎo)致氮肥利用率下降，還會導(dǎo)致土壤酸化及硝態(tài)氮累積，降低土壤質(zhì)量[16-18]，產(chǎn)生一系列不良環(huán)境影響。【本研究切入點(diǎn)】前人相關(guān)研究主要關(guān)注施氮對小麥增產(chǎn)和提高水分利用效率的整體影響，忽略降雨和施氮對旱作麥田生產(chǎn)系統(tǒng)影響具有明顯的區(qū)域特征、年際變化和累積效應(yīng)[19-21]，對不同降雨量年份旱地冬小麥水分利用、產(chǎn)量及籽粒蛋白質(zhì)含量與生育期自然降雨和施氮關(guān)系的影響研究關(guān)注不夠深入?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究基于3年田間定位施氮試驗(yàn)，分析不同降雨年型下旱地冬小麥水分利用、產(chǎn)量表現(xiàn)和籽粒品質(zhì)對施氮量和降雨量的響應(yīng)狀況，探究如何促進(jìn)旱地冬小麥高效水肥利用，為渭北旱塬冬小麥穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017年10月至2020年6月在陜西省渭南市合陽縣甘井鎮(zhèn)西北農(nóng)林科技大學(xué)旱農(nóng)試驗(yàn)站（35°19'54.45″N，110°05'58.35″E，海拔877 m）進(jìn)行。冬小麥生育年度平均降雨量491 mm（1999—2020年），年際間降雨變率大，約58.7%自然降雨集中于夏季休閑期（7—9月），屬典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，試驗(yàn)期間降雨量如圖1所示。試驗(yàn)田地勢平坦，供試土壤為黑壚土，試驗(yàn)前耕層（0—20 cm）土壤有機(jī)質(zhì)含量11.38 g·kg-1，全氮含量0.98 g·kg-1，全磷0.79 g·kg-1，全鉀11.15 g·kg-1，速效磷28.39 mg·kg-1，速效鉀277.36 mg·kg-1。pH為8.2，0—20、20—40、40—200 cm土層土壤容重分別為 1.29、1.35、1.27 g·cm-3。

本研究降雨年型依據(jù)干燥指數(shù)DI為劃分標(biāo)準(zhǔn)[22]，DI=（P-M）/σ，式中，DI 為干燥指數(shù)（DI<-0.35 為欠水年；DI>0.35 為豐水年；-0.35≤DI≤0.35 為平水年；P 為當(dāng)年降雨量（mm）；M為多年平均降雨量（mm）；σ為多年平均降雨均方差。以冬小麥生育年（夏閑期+生育期）降雨總量劃分：2017—2018年度降雨量528.4 mm，DI為0.54，屬于豐水年；2018—2019年度降雨量352.2 mm，DI為-1.21，屬于欠水年；2019—2020年度降雨量470.8 mm，DI為-0.29，屬于平水年。氣象資料來源于合陽縣氣象站。

圖1 試驗(yàn)期間冬小麥休閑期和全生育期月降雨量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)設(shè)5個(gè)氮水平，施氮量分別為 0、60、120、180、240 kg·hm-2，分別以N0、N60、N120、N180、N240表示。供試材料為當(dāng)?shù)刂髟远←溒贩N晉麥47。氮肥全部基施，各處理磷、鉀肥投入量一致，分別為90 kg P2O5·hm-2和60 kg K2O·hm-2。試驗(yàn)中所用氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。試驗(yàn)小區(qū)重復(fù)3次，小區(qū)面積為75 m2（7.5 m×10 m）。每年均于10月上旬播種，次年6月中旬收獲，夏季免耕休閑。播量187.5 kg·hm-2，行距20 cm。全生育期水分來源依靠自然降雨，其他田間管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶保持一致。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤水分 在冬小麥各生育時(shí)期分別測定0—200 cm土層土壤水分，用土鉆取土，每 20 cm 土層取樣一次，烘箱 105℃烘干法測定含水量。由于試驗(yàn)地為旱平地，地下水埋藏深，其他因素均可忽略。相關(guān)指標(biāo)計(jì)算方法[23]如下：

（1）土壤含水量W（%）=（鮮土重-干土重）/干土重×100

（2）S=B×H×W×10

式中，S為0—200 cm土層蓄水量，B為該土層的土壤容重（g·cm-3），H為土層厚度（cm），本試驗(yàn)為20 cm，W為該土層土壤含水量（%）。

（3）ET= P+ΔS

式中，ET為生育期總耗水量（mm），P為冬小麥生育期總降雨量（mm），ΔS為成熟期與播種期土壤蓄水量之差（mm）。

（4）WUE = Y/ET

式中，WUE為水分利用效率（kg·hm-2·mm-1），Y為籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2）。

1.3.2 產(chǎn)量測定 成熟期調(diào)查產(chǎn)量構(gòu)成要素（單位面積穗數(shù)、平均穗粒數(shù)及千粒重），每個(gè)小區(qū)收割3 m2計(jì)算實(shí)際產(chǎn)量。采用半微量凱氏定氮法測定籽粒氮含量，含氮量乘以系數(shù)5.7即為蛋白質(zhì)含量[24]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013和Origin 2018軟件作圖，使用SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，5個(gè)施氮處理均采用單因素方差分析，多重比較采用Duncan法（<0.05）。圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果

2.1 冬小麥生育期0—200 cm土層土壤蓄水量

降雨年型和施氮對播前底墑和生育期0—200 cm土層土壤蓄水量影響顯著（圖2）。試驗(yàn)期間休閑期降雨量分別為327.6、200.5和249.4 mm，平均播前底墑分別為460.0、340.5和441.4 mm?；貧w分析表明播期底墑和休閑期降雨量呈線性相關(guān)（=0.9+179.5，2= 0.783**），表明在本試驗(yàn)條件下，夏季休閑期每增加1 mm降雨，播前底墑增加0.9 mm。施氮影響作物長勢和對土壤水分的消耗程度，因而會影響下季小麥播前底墑，其影響程度與當(dāng)季休閑期降雨量有關(guān)。試驗(yàn)始于2017 年10 月，各施氮處理底墑值一致。2018年（欠水年）休閑期降雨相對較少（200.5 mm），播前底墑平均為340.5 mm。與N0處理相比，N240處理底墑降低36.9 mm，由施氮增加造成的底墑下降顯著。2019年（平水年）休閑期降雨量為249.4 mm，各施氮處理底墑無顯著差異，介于431.5—457.4 mm。因此，在欠水年，前季小麥?zhǔn)┑棵吭黾?00 kg·hm-2，可使下季小麥播前底墑減少15.4 mm。

不同降雨年型下冬小麥生育期0—200 cm土層土壤蓄水量均隨生育進(jìn)程呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，豐水年、欠水年和平水年冬小麥生育期0—200 cm土層平均土壤蓄水量分別降低156.4、93.2和169.7 mm。無論何種降雨年型，不同施氮處理下0—200 cm土層土壤蓄水量隨生育進(jìn)程而逐漸降低，且成熟期各施氮處理0—200 cm土層土壤蓄水量均低于N0。其中豐水年以N240處理土壤水分消耗量最多；欠水年以N120處理土壤水分消耗量最多；在平水年以N180和N240處理土壤水分消耗量最多，且兩處理間無顯著差異。

SS: 播種期 Sowing stage; WS: 越冬期Wintering stage; ES: 拔節(jié)期Elongation stage; AS: 開花期Anthesis stage; MS: 成熟期Maturity stage

2.2 冬小麥關(guān)鍵生育時(shí)期0—200 cm土層水分剖面分布

無論何種降雨年型，冬小麥均在拔節(jié)至開花期耗水量顯著增加，豐水年、欠水年和平水年開花期0—200 cm土層平均土壤含水量分別較拔節(jié)期降低23.6%、10.5%和20.5%。此外，不同降雨年型下冬小麥拔節(jié)至成熟期各施氮處理土壤含水量均在0—120 cm土層波動程度劇烈，而在160—200 cm相對較深土層，土壤含水量變化程度較小，相對穩(wěn)定。不同生育時(shí)期及降雨年型下各施氮處理土壤含水量差異顯著。在拔節(jié)期，豐水年、欠水年和平水年各施氮處理土壤含水量分別在20—60、80—160和60—140 cm土層差異最顯著；在開花期，各施氮處理土壤含水量分別在80—160、100—140和120—160 cm土層差異最顯著；在成熟期，各施氮處理土壤含水量分別在120—180、40—80和100—160 cm土層差異最顯著；從全生育期0—200 cm土層土壤水分動態(tài)變化來看，豐水年和平水年旱地冬小麥主要利用0—180 cm土層土壤水分，而欠水年則主要利用0—140 cm土層水分（圖3）。

ES: 拔節(jié)期Elongation stage; AS: 開花期Anthesis stage; MS: 成熟期Maturity stage

2.3 冬小麥耗水量和水分利用效率

冬小麥耗水量（ET）和水分利用效率（WUE）受降雨年型影響顯著（表1）。豐水年平均ET、WUE分別為306.9 mm、15.2 kg·hm-2·mm-1，較欠水年和平水年的ET分別增加35.7%和6.6%，WUE 分別提高55.7%和26.5%。施氮顯著增加冬小麥耗水量和水分利用效率，與N0相比，施氮處理下豐水年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，豐水年和平水年ET均在N240處理達(dá)到最高（分別為327.6、303.5 mm），欠水年在N180處理達(dá)到最高（231.4 mm），且和N120、N240處理無顯著差異。豐水年在N180處理下WUE最高（16.9 kg·hm-2·mm-1），欠水年在N120處理下WUE最高（11.2 kg·hm-2·mm-1），平水年在N180處理下WUE最高（13.4 kg·hm-2·mm-1），且N120和N180處理間無顯著差異。方差分析表明，降雨年型和施氮量對旱地冬小麥耗水量和水分利用效率存在顯著影響，且年際間差異高于施氮效應(yīng)。

表1 不同降雨年型施氮量對旱地冬小麥耗水量和水分利用效率的影響

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處理間差異顯著（＜0.05)。下同

Different letters in the same column indicated significant difference among N treatments at 0.05 level. The same as below

2.4 冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素、籽粒蛋白質(zhì)含量

不同降雨年型各施氮處理較不施氮處理，籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成要素均有不同程度提高（表2）。豐水年提高穗數(shù)5.4%—14.2%、穗粒數(shù)5.5%—37.1%、千粒重1.1%—5.6%、籽粒產(chǎn)量7.1%—28.3%；欠水年提高穗數(shù)11.5%—15.8%、穗粒數(shù)15.9%—34.9%、千粒重3.5%—9.4%，籽粒產(chǎn)量1.5%—34.1%；平水年提高穗數(shù)2.8%—18.8%、穗粒數(shù)4.8%—13.3%、千粒重2.6%—6.3%，籽粒產(chǎn)量8.5%—28.9%。降雨年型對產(chǎn)量形成也存在顯著影響，豐水年穗數(shù)比欠水年、平水年分別提高54.3%、-2.8%，穗粒數(shù)分別提高32.7%、1.8%，千粒重分別提高34.1%、-9.8%，籽粒產(chǎn)量分別提高112.3%、39.1%。增施氮肥顯著提高蛋白質(zhì)含量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量。與N0處理相比，在豐水年、欠水年和平水年各施氮處理（N60—N240）的蛋白質(zhì)含量分別提高5.6%—10.4%、10.1%—17.7%、8.5%—15.6%；蛋白質(zhì)產(chǎn)量分別提高13.7%—42.4%、12.1%—55.8%、26.0%—54.2%。其中，豐水年的蛋白質(zhì)含量比欠水年、平水年分別降低8.3%、5.2%，蛋白質(zhì)產(chǎn)量分別提高94.4%、31.6%。豐水年和平水年在N180和N240處理下蛋白質(zhì)含量最高，而欠水年在N120處理蛋白質(zhì)含量最高。且不同降雨年型平均籽粒蛋白質(zhì)含量整體表現(xiàn)為欠水年（14.5%）>平水年（14.0%）>豐水年（13.3%）。

合理施用氮肥是旱地小麥穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的關(guān)鍵，根據(jù)籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量與施氮量擬合關(guān)系（圖4）得出：豐水年、欠水年和平水年小麥最高籽粒產(chǎn)量分別為5 117、 2 527和3 780 kg·hm-2，對應(yīng)的施氮量分別為189、116和161 kg·hm-2；最高蛋白質(zhì)產(chǎn)量分別為699、384和553 kg·hm-2，對應(yīng)的施氮量分別為 202、124和174 kg·hm-2。

表2 不同降雨年型施氮量對旱地冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成和籽粒蛋白質(zhì)含量的影響

GNS: 穗粒數(shù)Grain number per spike; SN: 穗數(shù)Spike number; TGW: 千粒重1000-grain weight; GY: 籽粒產(chǎn)量Grain yield; PC: 蛋白質(zhì)含量Protein content; PY: 蛋白質(zhì)產(chǎn)量Protein yield

圖4 不同降雨年型下旱地小麥籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量與施氮量的關(guān)系

2.5 冬小麥籽粒產(chǎn)量與休閑期降雨、播前底墑及生育期降雨的關(guān)系

根據(jù)擬合關(guān)系得出（圖5），冬小麥籽粒產(chǎn)量與休閑期降雨、播前底墑及生育期降雨均存在顯著正相關(guān)關(guān)系，其中以休閑期降雨與產(chǎn)量的相關(guān)性最強(qiáng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可以根據(jù)休閑期降雨和播前底墑對產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測。相關(guān)性分析表明（表3），越冬至拔節(jié)期、拔節(jié)至開花期降雨量與產(chǎn)量均呈顯著正相關(guān)；休閑期、越冬至拔節(jié)期降雨量與水分利用效率均呈顯著正相關(guān)（<0.05），與籽粒蛋白質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)（<0.05）。

圖5 冬小麥籽粒產(chǎn)量與休閑期降雨、播前底墑及生育期降雨的關(guān)系

表3 籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量和水分利用效率與各生育階段降雨量的相關(guān)性分析

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

3 討論

3.1 降雨和施氮對旱地小麥水分利用的影響

氮素可以促進(jìn)作物生長及根系發(fā)育，提高其對土壤水分利用能力，增加作物耗水量，提高水分利用效率[14,25]。段文學(xué)等[26]研究表明當(dāng)施氮量由90 kg·hm-2增加到150kg·hm-2時(shí),小麥對深層土壤水分利用能力增強(qiáng)，但施氮量繼續(xù)增加, 80 cm以下土層土壤耗水量未顯著增加。REN等[27]在晉南地區(qū)研究表明0—300 cm土層土壤蓄水量隨小麥生長呈下降趨勢，且花后土壤耗水量一半來自200—300 cm土層。本研究表明降雨年型和施氮對土壤蓄水量和生育期耗水量存在顯著影響,從而影響產(chǎn)量和水分利用效率。豐水年底墑高和生育期降雨充足，植株長勢好，生育期耗水總量顯著高于欠水年和平水年，分別提高水分利用效率55.7%和26.5%。施氮會促進(jìn)作物生長及根系吸收水分和養(yǎng)分，增加作物耗水量，引起土壤蓄水量下降。本研究發(fā)現(xiàn)，不同降雨年型間施氮對耗水量的影響差異顯著，N0處理下冬小麥長勢不好,耗水較少，且隨試驗(yàn)?zāi)攴堇鄯e效應(yīng)明顯。豐水年和平水年降雨條件相近，作物長勢狀況較好，耗水總量均在N240處理達(dá)到最高，但由于平水年生育期遭遇春季晚霜凍，N180和N240處理差異不顯著；欠水年由于底墑低和生育期降雨不足，作物長勢不佳，N120和N180處理耗水量差異不顯著，高氮處理（N240）作物停止生長，耗水量降低。平水年和豐水年隨施氮量增加, 同一土層土壤含水量降低,根系水分利用深度增加,全生育期主要利用0—180 cm土層土壤水分，欠水年由于播前底墑不足和苗期降雨稀少，導(dǎo)致小麥植株苗少苗弱，全生育期0—200 cm土層土壤含水量9%—15%，根系生長受到水分脅迫，全生育期主要利用0—120 cm土層土壤水分。合理施氮可顯著提高作物耗水量，但過量施氮會增加土壤耗水量，降低產(chǎn)量和水分利用效率,因此應(yīng)根據(jù)不同降雨年型合理氮肥投入，實(shí)現(xiàn)半干旱區(qū)小麥生產(chǎn)和有限水資源高效利用。

3.2 降雨和施氮對旱地小麥籽粒產(chǎn)量及蛋白質(zhì)含量的影響

施氮能夠促進(jìn)冬小麥分蘗及成穗，增加單位面積穗數(shù)及穗粒數(shù)，但當(dāng)施氮量達(dá)到一定范圍，籽粒產(chǎn)量不再顯著增加[28-29]。氮素是小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的重要成分之一，合理施氮可以明顯提高蛋白質(zhì)含量[27]。李亞靜等[30]研究表明，冀東平原施氮180 kg·hm-2可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)筋小麥提質(zhì)增效的目標(biāo)。張禮軍等[31]研究表明施肥150 kg·hm-2，是甘肅旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)小麥生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)供氮模式。本研究表明，降雨年型和施氮對籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量顯著影響， 2018—2019年（欠水年）播前底墑較低，且苗期無降雨補(bǔ)充，這些因素均導(dǎo)致冬小麥苗少苗弱，群體、個(gè)體質(zhì)量變差，從而不利于干物質(zhì)積累和籽粒產(chǎn)量形成。平水年和豐水年播前底墑和生育期降雨量相近，且平水年穗數(shù)、千粒重均高于豐水年，但2019—2020年（平水年）籽粒產(chǎn)量顯著低于2017—2018年（豐水年），主要由于2019—2020年冬小麥抽穗期遭遇較為少見的晚霜凍害，部分植株尚未完成抽穗，導(dǎo)致無效穗數(shù)增加，穗粒數(shù)顯著降低，理論產(chǎn)量偏高，實(shí)際籽粒產(chǎn)量明顯降低。增施氮肥顯著提高蛋白質(zhì)含量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量。本研究表明，不同降雨年型對蛋白質(zhì)含量的影響差異顯著，豐水年蛋白質(zhì)含量比欠水年、平水年分別降低8.3%、5.2%，主要由于蛋白質(zhì)含量與籽粒產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，通常豐水年籽粒產(chǎn)量較欠水年高，但小麥從土壤中吸收的氮素和合成的蛋白質(zhì)數(shù)量相對穩(wěn)定，因而導(dǎo)致蛋白質(zhì)含量降低。因此在渭北旱塬實(shí)際小麥生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)春季晚霜凍發(fā)生情況及時(shí)采取霜凍預(yù)防措施，并依據(jù)降雨進(jìn)行科學(xué)施氮管理，豐水年、欠水年和平水年冬小麥籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量較高的最適施氮量范圍分別為189—202、116—124和161—174 kg·hm-2。

3.3 旱地小麥“因雨施氮”管理模式

自然降雨是旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水的唯一來源，施肥和降雨是影響作物產(chǎn)量變化的主要因素。在欠水年份施氮過多，易導(dǎo)致前期耗水增加、干旱脅迫加劇和肥料損失嚴(yán)重；而在豐水年份施氮過少，則難以發(fā)揮降水增產(chǎn)潛力，因此實(shí)際生產(chǎn)中施肥與降雨相匹配至關(guān)重要[32]。CAO等[33]基于旱地冬小麥氮磷鉀肥配施與降水量關(guān)系的研究結(jié)果，可用于指導(dǎo)糾正黃土旱塬區(qū)氮磷肥過量施用及鉀肥不足現(xiàn)狀，李曉州等[34]通過二元二次方程擬合出不同降水年型下旱地小麥氮磷肥優(yōu)化用量。雖然本試驗(yàn)中采用的是旱地小麥“一炮轟”（一次性氮肥基施）管理方式，但由于降雨年型難以在小麥播期提前預(yù)測確定，若想按照降雨年型落實(shí)“因雨施氮”管理模式，首先需要根據(jù)播前底墑和關(guān)鍵生育期降雨量情況確定降雨年型，并采取“基肥+追肥”的彈性氮肥管理模式，才能真正實(shí)現(xiàn)旱地小麥按照降雨年型“因雨施氮”。本研究表明，休閑期降雨和播前底墑是影響旱地小麥產(chǎn)量的重要因素，休閑期降雨或播前底墑可作為小麥產(chǎn)量預(yù)測和氮肥基施量確定的依據(jù)之一。依據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)（如當(dāng)?shù)剞r(nóng)諺“麥?zhǔn)瞻?、十、三場雨”）和本研究結(jié)果進(jìn)一步推斷，可按照小麥播前底墑（或休閑期降雨量）和播種至拔節(jié)期降水量確定降雨年型，根據(jù)降雨年型確定基施和追施氮肥量。在播前底墑（或休閑期降雨量）差、中等和較好的年份麥田適宜的氮肥基施量分別為90、120和150 kg·hm-2，再依據(jù)播種至拔節(jié)期降雨量確定是否需要追肥及其追施量，在播種至拔節(jié)期降雨少的年份可不追肥，而降雨中等和較多年份可分別追施氮肥45—75 kg·hm-2，從而真正實(shí)現(xiàn)旱地小麥“因雨施氮”和水氮高效利用。

4 結(jié)論

4.1 降雨年型和施氮對冬小麥播前底墑及生育期土壤含水量、耗水量、水分利用效率、籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量影響顯著。豐水年較欠水年和平水年均提高冬小麥生育期0—200 cm土層土壤含水量，同時(shí)分別增加耗水量35.7%和6.6%。全生育期0—120 cm土層土壤含水量受降雨和冬小麥生長發(fā)育影響波動較大，但160—200 cm深層土壤含水量相對穩(wěn)定。豐水年較欠水年和平水年水分利用效率分別提高55.7%和26.5%，籽粒產(chǎn)量分別提高112.3%和39.1%，蛋白質(zhì)含量降低8.3%和5.2%。

4.2 與N0處理相比，豐水年、欠水年和平水年施氮均降低各生育時(shí)期0—200 cm土層含水量，分別提高生育期耗水量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%，增產(chǎn)7.1%—28.1%、1.5%—34.1%、8.5%—28.9%，提高蛋白質(zhì)含量5.6%—10.4%、10.1%—17.7%、8.5%—15.6%。

4.3 綜合來看，豐水年、欠水年和平水年的最佳施氮方案分別為189—202、116—124和161—174 kg·hm-2，并可采取“播前底墑確定基施氮肥量+播種至拔節(jié)期降雨確定追施氮肥量”的“因雨施氮”模式，既能滿足旱地冬小麥穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，也可保證水分高效利用。

[1] LI F C, WANG Z H, DAI J, LI Q, WANG X, XUE C, LIU H, HE G. Fate of nitrogen from green manure, straw, and fertilizer applied to wheat under different summer fallow management strategies in dryland. Biology and Fertility of Soils, 2015, 51: 769-780.

[2] LIU C A, LI F R, ZHOU, L M, ZHANG, R H, LIN, S L, WANG, L J, SIDDIQUE K H, LI F M. Effect of organic manure and fertilizer on soil water and crop yields in newly-built terraces with loess soils in a semi-arid environment. Agricultural Water Management, 2013, 117: 123-132.

[3] 楊旸, 張樹蘭, 楊學(xué)云, 孫本華. 長期定位施肥對旱作塿土小麥產(chǎn)量、養(yǎng)分效率及養(yǎng)分平衡的影響. 土壤通報(bào), 2017, 48(5): 1162-1168.

YANG Y, ZHANG S L, YANG X Y, SUN B H. Effect of long-term fertilization on wheat yield, nutrient use efficiency and nutrient balance in rainfed Lou Soil. Chinese Journal of Soil Science, 2017, 48(5): 1162-1168. (in Chinese)

[4] 張樹蘭, Lars L, 同延安. 渭北旱塬不同田間管理措施下冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2005, 21(4): 20-24.

ZHANG S L, LARS L, TONG Y A. Effects of different field management practices on winter wheat yield and water utilization efficiency in Weibei Loess Plateau. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2005, 21(4): 20-24. (in Chinese)

[5] 于琦, 李軍, 周棟, 王淑蘭, 王浩, 李敖, 張?jiān)t, 寧芳, 王小利, 王瑞. 不同降水年型黃土旱塬冬小麥免耕與深松輪耕蓄墑增收效應(yīng). 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2019, 52(11): 1870-1882.

YU Q, LI J, ZHOU D, WANG S L, WANG H, LI A, ZHANG Y H, NING F, WANG X L, WANG R. Effects of no-tillage/subsoiling rotational tillage system on increasing soil water storage and crop yield under different precipitation patterns of winter wheat in the Loess Plateau. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(11): 1870-1882. (in Chinese)

[6] 張健龍, 易科, 張一嵐, 趙一迪, 晁漫寧, 談宏斌, 孫風(fēng)麗, 奚亞軍, 張超. 干旱脅迫對不同彩粒小麥苗期生長發(fā)育的影響. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2020, 29(6): 842-850.

ZHANG J L, YI K, ZHANG Y L, ZHAO Y D, CHAO M N, TAN H B, SUN F L, XI Y J, ZHANG C. Effects of drought stress on development of different colored wheat at seedling stage. Acta Agriculturae Boreali-occidentalis Sinica, 2020, 29(6): 842-850. (in Chinese)

[7] 岳鵬莉, 王晨陽, 盧紅芳, 劉衛(wèi)星, 馬耕, 王強(qiáng), 胡陽陽. 灌漿期高溫干旱脅迫對小麥籽粒淀粉積累的影響. 麥類作物學(xué)報(bào), 2016, 36(11): 1489-1496.

YUE P L, WANG C Y, LU H F, LIU W X, MA G, WANG Q, HU Y Y. Effect of heat and drought stress on starch accumulation during grain filling stage. Journal of Triticeae Crops, 2016, 36(11): 1489-1496. (in Chinese)

[8] 黃正金, 丁錦峰, 李春燕, 朱新開, 彭永欣, 郭文善. 抽穗期干旱脅迫對小麥產(chǎn)量及生理特性的影響. 中國科技論文, 2017, 12(18): 2141-2145.

HUANG Z J, DING J F, LI C Y, ZHU X K, PENG Y X, GUO W S. Effects of drought stress at heading stage on grain yield and physiological characteristics of wheat. China Sciencepaper, 2017, 12(18): 2141-2145. (in Chinese)

[9] 付雪麗, 王晨陽, 郭天財(cái), 朱云集, 馬冬云, 王永華. 水氮互作對小麥籽粒蛋白質(zhì)、淀粉含量及其組分的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2008(2): 317-322.

FU X L, WANG C Y, GUO T C, ZHU Y J, MA D Y, WANG Y H. Effects of water-nitrogen interaction on the contents and components of protein and starch in wheat grains. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008(2): 317-322. (in Chinese)

[10] 何曉雁, 郝明德, 李慧成, 蔡志風(fēng). 黃土高原旱地小麥?zhǔn)┓蕦Ξa(chǎn)量及水肥利用效率的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2010, 16(6): 1333-1340.

HE X Y, HAN M D, LI H C, CAI Z F. Effects of different fertilization on yield of wheat and water and fertilizer use efficiency in the Loess Plateau. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2010, 16(6): 1333-1340. (in Chinese)

[11] 朱云鵬, 王霖, 黨亞愛, 王國棟. 施氮對黃土高原半濕潤區(qū)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響. 麥類作物學(xué)報(bào), 2019, 39(8): 988-993.

ZHU Y P, WANG L, DANG Y A, WANG G D. Effects of nitrogen application on yield and water use efficiency of winter wheat in semi-humid area of the Loess Plateau. Journal of Triticeae Crops, 2019, 39(8): 988-993. (in Chinese)

[12] 同延安, 趙營, 趙護(hù)兵, 樊紅柱. 施氮量對冬小麥氮素吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)及產(chǎn)量的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2007(1): 64-69.

TONG Y A, ZHAO Y, ZHAO H B, FAN H Z. Effect of N rates on N uptake, transformation and the yield of winter wheat. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2007(1): 64-69. (in Chinese)

[13] 張昊青. 黃土高原旱地麥田有機(jī)無機(jī)配施減氮增效作用研究[D]. 楊凌: 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2017.

ZHANG H Q. Reducing nitrogen fertilization rate and improving winter wheat yield through a combination of manure and chemical fertilizer in the Loess Plateau[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2017. (in Chinese)

[14] WANG L L, PALTA J A, CHEN W, CHEN Y L, DENG X P. Nitrogen fertilization improved water-use efficiency of winter wheat through increasing water use during vegetative rather than grain filling. Agricultural Water Management, 2018, 197: 41-53.

[15] 曹寒冰, 王朝輝, 趙護(hù)兵, 馬小龍, 佘旭, 張璐, 蒲岳建, 楊珍珍, 呂輝, 師淵超, 杜明葉. 基于產(chǎn)量的渭北旱地小麥?zhǔn)┓试u價(jià)及減肥潛力分析. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017, 50(14): 2758-2768.

CAO H B, WANG Z H, ZHAO H B, MA X L, SHE X, ZHANG L, PU Y J, YANG Z Z, Lü H, SHI Y C, DU M Y. Yield based evaluation on fertilizer application and analysis of its reduction potential in Weibei dryland wheat production. Scientia Agricultura Sinica, 2017, 50(14): 2758-2768. (in Chinese)

[16] 王歡, 付威, 胡錦昇, 樊軍, 郝明德. 渭北旱塬管理措施對冬小麥地土壤剖面物理性狀的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2019, 25(7): 1097-1106.

WANG H, FU W, HU J S, FAN J, HAN M D. Effects of agricultural measures on soil profile physical properties of winter wheat field in Weibei highland, China. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2019, 25(7): 1097-1106. (in Chinese)

[17] 劉朋召, 王旭敏, 寧芳, 雒文鶴, 張琦, 張?jiān)t, 李軍. 減量施氮對渭北旱地春玉米產(chǎn)量、氮素利用及土壤硝態(tài)氮含量的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2020, 31(8): 2621-2639.

LIU P Z, WANG X M, NING F, LUO W H, ZHANG Q, ZHANG Y H, LI J. Effects of reduced nitrogen application on yield, nitrogen utilization of spring maize and soil nitrate content in Weibei dryland, Northwest China. Chinese Journal of Applied Ecology, 2020, 31(8): 2621-2639. (in Chinese)

[18] 婁庭, 龍懷玉, 楊麗娟, 陳寶鴻, 周水亮, 穆真. 在過量施氮農(nóng)田中減氮和有機(jī)無機(jī)配施對土壤質(zhì)量及作物產(chǎn)量的影響. 中國土壤與肥料, 2010(2): 11-15, 34.

LOU T, LONG H Y, YANG L J, CHEN B H, ZHOU S L, MU Z. The effect of fertilizer ratio and rate on soil quality and crop yields in the farmland of excessive use of nitrogenous fertilizers. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2010(2): 11-15, 34. (in Chinese)

[19] 惠曉麗, 馬清霞, 王朝輝, 張翔, 羅來超. 基于旱地小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的氮肥用量優(yōu)化. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2020, 26(2): 233-244.

HUI X L, MA Q X, WANG Z H, ZHANG X, LUO L C. Optimization of nitrogen rate based on grain yield and nutrient contents in dryland wheat production. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2020, 26(2): 233-244. (in Chinese)

[20] 劉芬, 王小英, 趙業(yè)婷, 同延安. 渭北旱塬土壤養(yǎng)分時(shí)空變異與養(yǎng)分平衡研究. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015, 46(2): 110-119.

LIU F, WANG X Y, ZHAO Y T, TONG Y A. Spatial and temporal variation of soil nutrient and nutrient balance status in Weibei rainfed highland. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(2): 110-119. (in Chinese)

[21] 劉艷妮, 馬臣, 于昕陽, 梁路, 翟丙年, 王朝輝. 基于不同降水年型渭北旱塬小麥–土壤系統(tǒng)氮素表觀平衡的氮肥用量研究. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2018, 24(3): 569-578.

LIU Y N, MA C, YU X Y, LIANG L, ZHAI B N, WANG Z H. Nitrogen application rate for keeping nitrogen balance in wheat–soil system in Weibei rainfed areas under different rainfall years. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2018, 24(3): 569-578. (in Chinese)

[22] GUO S L, ZHU H H, DANG T H, WU J S , LIU W Z , HAO M D, LI Y, SYERS J K. Winter wheat grain yield associated with precipitation distribution under long-term nitrogen fertilization in the semi-arid Loess Plateau in China. Geoderma, 2012, 189: 442-450.

[23] WANG X B, CAI D X, HOOGMOED W B, PERDOK U D, OENEMA O. Crop residue, manure and fertilizer in dryland maize under reduced tillage in northern China: I grain yields and nutrient use efficiencies. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2007, 79(1): 1-16.

[24] 石玉, 張永麗, 于振文. 小麥籽粒蛋白質(zhì)組分含量及其與加工品質(zhì)的關(guān)系. 作物學(xué)報(bào), 2009, 35(7): 1306-1312.

SHI Y, ZHANG Y L, YU Z W. Contents of grain protein components and their relationships to processing quality in wheat. Acta Agronomica Sinica, 2009, 35(7): 1306-1312. (in Chinese)

[25] 馬登科, 殷俐娜, 劉溢健, 楊文稼, 鄧西平, 王仕穩(wěn). 施氮量對黃土高原旱地冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率影響的整合分析. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2020, 53(3): 486-499.

MA D K, YIN L N, LIU Y J, YANG W J, DENG X P, WANG S W. A meta-analysis of the effects of nitrogen application rates on yield and water use efficiency of winter wheat in dryland of Loess Plateau, Scientia Agricultura Sinica, 2020, 53(3): 486-499. (in Chinese)

[26] 段文學(xué), 于振文, 張永麗, 王東, 石玉. 施氮量對旱地小麥耗水特性和產(chǎn)量的影響. 作物學(xué)報(bào), 2012, 38(9): 1657-1664.

DUAN W X, YU Z W, ZHANG Y L, WANG D, SHI Y. Effects of nitrogen application rate on water consumption characteristics and grain yield in rainfed wheat. Acta Agronomica Sinica, 2012, 38(9): 1657-1664. (in Chinese)

[27] REN A X, SUN M, XUE L Z, DENG Y, WANG P R, LEI M M, XUE J F, LIN W, YANG Z P, GAO Z Q. Spatio-temporal dynamics in soil water storage reveals effects of nitrogen inputs on soil water consumption at different growth stages of winter wheat. Agricultural Water Management, 2019, 216: 379-389.

[28] 郭棟, 黨廷輝, 戚龍海. 黃土旱塬不同氮肥用量下冬小麥干物質(zhì)累積和氮素吸收利用過程研究. 水土保持學(xué)報(bào), 2008(5): 138-141.

GUO D, DANG T H, QI L H. Process Study of dry matter accumulation and nitrogen absorption use of winter wheat under different n-fertilizer rates on dry highland of Loess Plateau. Journal of Soil and Water Conservation, 2008(5): 138-141. (in Chinese)

[29] 史校艷, 王志強(qiáng), 谷慶昊, 常明娟, 胡俊杰, 任永哲, 辛澤毓, 林同保. 施氮量對不同茬口冬小麥產(chǎn)量及氮肥利用率的影響. 生態(tài)學(xué)雜志, 2019, 38(7): 2041-2048.

SHI X Y, WANG Z Q, GU Q H, CHANG M J, HU J J, REN Y Z, XIN Z Y, LIN T B. Effects of nitrogen application on yield and nitrogen use efficiency of winter wheat with different former crops. Chinese Journal of Ecology, 2019, 38(7): 2041-2048. (in Chinese)

[30] 李亞靜, 郭振清, 楊敏, 張敏, 劉添, 李翠平, 秦保平, 蔡瑞國. 施氮量對強(qiáng)筋小麥氮素積累和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率的影響. 麥類作物學(xué)報(bào), 2020, 40(3): 343-350.

LI Y J, GUO Z Q, YANG M, ZHANG M, LIU T, LI C P, QIN B P, CAI R G. Effect of nitrogen rate on nitrogen accumulation and agronomic efficiency in Strong Gluten Wheat. Journal of Triticeae Crops, 2020, 40(3): 343-350. (in Chinese)

[31] 張禮軍, 張耀輝, 魯清林, 白玉龍, 周剛, 汪恒興, 張文濤, 白斌, 周潔, 何春雨. 耕作方式和氮肥水平對旱地冬小麥籽粒品質(zhì)的影響. 核農(nóng)學(xué)報(bào), 2017, 31(8): 1567-1575.

ZHANG L J, ZHANG Y H, LU Q L, BAI Y L, ZHOU G, WANG H X, ZHANG W T,BAI B, ZHOU J, HE C Y. Effect of tillage model and nitrogen ｒate on grain quality of dryland winter wheat. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2017, 31(8): 1567-1575. (in Chinese)

[32] ZHANG X D, LI Z M, SIDDIQUE K, SHAYAKHMETOVA, JIA Z K, HAN Q F. Increasing maize production and preventing water deficits in semi-arid areas: A study matching fertilization with regional precipitation under mulch planting. Agricultural Water Management, 2020, 241:106347.

[33] CAO H B, WANG Z H, HE G, DAI J, HUANG M, WANG S, LUO L C, SADRASC V O, HOOGMOEDC M, MALHID S S. Tailoring NPK fertilizer application to precipitation for dryland winter wheat in the Loess Plateau. Field Crops Research, 2017, 209: 88-95.

[34] 李曉州, 郝明德, 趙晶, 王哲, 付威, 劉增照. 不同降水年型下長期施肥的小麥產(chǎn)量效應(yīng). 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2018, 29(10): 3237-3244.

LI X Z, HAO M D, ZHAO J, WANG Z, FU W, LIU Z Z. Effect of long-term fertilization on wheat yield under different precipitation patterns. Chinese Journal of Applied Ecology, 2018, 29(10): 3237-3244. (in Chinese)

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

【】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.【】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. 【】Different rainfall patterns had significant impacts on soil water storage before sowing (SWSS), 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 SWSS, with an increment of 0.9 mm SWSSper 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 SWSSin 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 N0treatment, 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-2in humid, dry and normal years, respectively. 【】On the whole, the best nitrogen application schemes were 189-202, 116-124 and 161-174 kg·hm-2in 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.

dryland wheat; rainfall patterns; nitrogen fertilizer; water use; yield

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.14.012

2020-08-27；

2020-10-14

國家科技支撐計(jì)劃（2015BAD22B02）、國家自然科學(xué)基金（31801300）

劉朋召，E-mail：liupz0819@foxmail.com。通信作者李軍，E-mail：junli@nwsuaf.edu.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）