协调灌溉与氮肥施用：基于降水年型的冬小麦产量和经济性状优化策略

推荐：针对华北平原水资源短缺与氮肥利用率低的问题，研究人员通过6年田间试验探究不同降水年型下灌溉与氮肥配施对冬小麦产量、水分利用效率(WUE)、氮肥偏生产力(NUEp)及经济效益(EB)的影响。结果表明，干旱年两水一肥(180 kg N hm-2)、丰水年一水一肥的组合可实现产量与资源效率的协同优化，为区域可持续农业提供精准管理方案。

　　

在全球气候变化加剧极端天气和农业面源污染的双重压力下，华北平原作为中国最大的小麦生产基地，面临着水资源短缺与氮肥过量施用导致的环境问题。该地区年均降水500-700 mm且季节分配不均，小麦生长季降水仅占21%，农民惯用2-4次灌溉和超高量氮肥(300 kg hm^-2)维持产量，但水分利用率仅55%、氮肥回收率不足35%，既加剧地下水超采又造成硝酸盐污染。如何通过精准水氮调控实现粮食安全与资源环境保护的平衡，成为当前农业可持续发展的核心难题。

河南农业大学农学院/小麦玉米作物学国家重点实验室的研究团队在《Journal of Agriculture and Food Research》发表的研究中，创新性地提出基于降水年型差异化的水氮协同调控策略。通过2010-2018年在郑州、开封和温县三地开展的跨年度定位试验，采用裂区设计研究三种灌溉水平(W0:不灌溉；W1:拔节期灌75 mm；W2:拔节+开花期灌150 mm)与四种氮肥梯度(N0-N300)的组合效应，结合干旱指数(DI)划分干旱年、平水年和丰水年三类降水年型，运用响应面分析法(RSM)建立水氮投入与多目标性状的量化关系。

关键技术包括：(1)基于气象数据的降水年型划分；(2)土壤水分动态监测与作物耗水量(WC)计算；(3)氮肥利用率(NAE、NUEp)与土壤硝态氮累积量(SNA)测定；(4)经济效益(EB)成本核算体系；(5)基于Design Expert软件的二元二次回归与多目标优化分析。

3.1 降水年型特征
通过DI指数将17个生长季划分为干旱年(DI<-0.35)、平水年(-0.35≤DI≤0.35)和丰水年(DI>0.35)，其平均降水分别为169.7 mm、211.0 mm和266.0 mm，变异系数达23.6%。

3.2 产量形成机制
灌溉与氮肥显著协同提升产量(p<0.001)，但效应受降水年型调节：干旱年W2较W0增产47.2%，显著高于平水年(21.3%)和丰水年(30.2%)；氮肥180 kg hm^-2时各年型产量均达峰值，继续增氮至300 kg hm^-2仅增产0-3%。产量构成分析显示，干旱年灌溉主要增加穗数(35.2%)，丰水年则提升千粒重(9.9%)。

3.3 水分利用特性
干旱年WUE(1.91 kg m^-3)显著高于平水年(1.67 kg m^-3)，主因耗水量降低28.7%。W2处理下N240的WUE在各年型均最高，但丰水年过量灌溉导致60-100 cm土层硝态氮占比增加31.5%，提示存在淋溶风险。

3.4 氮肥利用规律
平水年NAE(13.67 kg kg^-1)显著优于干旱年(8.51 kg kg^-1)，W2N180在干旱年NUEp(42.90 kg kg^-1)相当于平水年W1N180水平，证实丰水年自然降水可替代1次灌溉的肥效。

3.5 经济效益平衡
成本收益分析显示，干旱年W2N240的EB较W0提升66.8%，而平水年W1N180即达最优，过量灌溉反使收益降低4.0%。聚类分析确定W2N180(干旱/丰水年)和W1N180(平水年)为最佳组合。

3.6 水氮优化区间
RSM模型解析显示：干旱年WC 423-495 mm+施氮126-200 kg hm^-2、平水年WC 371-415 mm+施氮167-172 kg hm^-2、丰水年WC 535-600 mm+施氮146-193 kg hm^-2时，可使产量、EB和NUEp同步达到最大值的95%以上。

该研究首次建立了华北平原冬小麦水氮管理的降水年型响应模型，揭示"干旱年两水减氮、平水年一水控氮、丰水年两水稳氮"的精准调控原则。相比传统高水高氮模式，推荐方案可减少氮肥投入20-31%，降低深层硝态氮累积16-32%，为实现《化肥零增长行动方案》目标提供科学依据。研究创新点在于将气象预测、农艺措施与经济收益纳入统一分析框架，为气候变化背景下农业资源的适应性管理树立了范式。未来结合生长季内降水时空分布预测，可进一步优化灌溉时机与水氮耦合效应。