华北平原地下水埋深与施氮量耦合对玉米产量及水氮利用效率的影响与机制

本研究针对华北平原地下水持续下降与氮肥过量施用导致的作物减产和环境污染问题，通过大型蒸渗仪系统模拟不同地下水埋深（2 m与4 m）和施氮量（210 kg ha–1与280 kg ha–1）的耦合效应，系统解析了其对土壤养分、玉米产量构成、作物蒸散发（ETc）、水分生产率（WPc）和氮偏生产力（PFPN）的影响。结果表明，较浅地下水埋深（2 m）配合适量氮肥可显著提升土壤养分有效性，并通过增加穗粒数而非千粒重实现增产；地下水埋深对产量变异的贡献（16%）高于施氮量（10%）。WPc在各处理间无显著差异，而PFPN随埋深降低和施氮量减少而显著提升。研究为波动地下水位条件下的水肥优化管理提供了重要理论依据。

　　

华北平原是中国最重要的粮食生产基地之一，承担着全国30%–40%的玉米产量。然而，近年来该区域地下水位的持续下降与农业氮肥的过量施用，已成为制约玉米生产可持续性的双重挑战。地下水超采导致水资源日益紧张，而氮肥的过量使用不仅降低了利用效率，还引发了严重的面源污染。在这一背景下，如何协调地下水管理与氮肥施用策略，实现玉米高产与资源高效利用的协同，成为农业水资源管理领域亟待解决的科学问题。

以往研究多聚焦于单一水分或氮肥因子对作物生产的影响，而对地下水埋深（Water Table Depth, WTD）与施氮量交互作用的系统解析仍较缺乏。尤其是在地下水波动剧烈的华北平原，明确水氮耦合对玉米产量形成过程、水分利用效率（Crop Water Productivity, WP_c）及氮偏生产力（Partial Factor Productivity of Nitrogen, PFP_N）的调控机制，对指导田间水肥优化管理具有重要意义。

为此，研究人员在位于山东禹城的国家生态系统观测研究站，利用国际领先的地下水-农业生态系统模拟系统（Groundwater-Agroecosystem Simulation System, GAS），开展了为期两年（2023–2024）的夏玉米裂区试验。该平台具备8米级地下水埋深精准控制能力，可模拟真实田间水分与溶质运移过程。试验设置了2米和4米两种地下水埋深，以及210 kg ha^–1和280 kg ha^–1两个施氮水平，系统监测了土壤温湿度、盐分、养分含量、作物生长指标、产量构成及水氮利用效率参数，并采用通径分析和混合效应模型解析了影响产量形成的主要因素。

本研究的关键技术方法包括：利用地下水模拟系统（GAS）精确控制不同地下水埋深；基于土壤水分平衡法计算作物蒸散发（ET_c）及地下水补给量；通过常规化学分析方法测定土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、速效氮（AN）等养分指标；运用通径分析解析穗粒数（GNS）和千粒重（TKW）对产量的贡献；采用线性混合效应模型量化年际效应、水氮处理及其交互作用对产量变异的解释程度。

3.1. 土壤温度、水分与盐分动态

结果表明，土壤温度在各处理间无显著差异，但土壤水分受地下水埋深影响显著：2米埋深处理在1米土层内的体积含水量较4米处理提高4.9%–18.6%。此外，4米埋深显著降低了土壤电导率，尤其在0.4米深处降幅达21.3%–30.6%，说明较深地下水有助于缓解表层盐分累积。

3.2. 土壤养分状况

地下水埋深与施氮量对土壤养分含量有显著互作效应。在2米埋深下，增施氮肥导致土壤有机碳（SOC）和速效磷（AP）含量下降，可能源于促进微生物分解及作物吸收增强；而在4米埋深下，增氮反而提高了SOC、全氮（TN）、全磷（TP）和全钾（TK）含量，表明在水分胁迫下氮肥对土壤养分具有“保存效应”。

3.3. 植株形态与氮吸收

浅地下水埋深（2米）下，玉米株高和叶面积均优于4米处理，尤其在生育前期（2023年7月20日）差异显著。氮肥增加对生长的促进效应在2024年更为明显，可能与该年降雨较多、水分条件较好有关。氮吸收效率（NUpE）在低氮处理（210 kg ha^–1）下较高，而氮利用效率（NUtE）在浅埋深条件下显著提升。

3.4. 作物蒸散发与水分利用效率

地下水埋深是调控ET_c的主导因子：埋深从2米增至4米使向上补给水量减少73毫米，ET_c降低68毫米，地下水对ET_c的贡献率由26%降至15%。增施氮肥使ET_c增加6%–10%，主要与叶面积扩大及蒸腾增强有关。值得注意的是，各处理间水分生产率（WP_c）无显著差异，表明产量与耗水量间存在稳定的线性关系。

3.5. 产量及构成因子的通径解析

最高产量出现在2米埋深+高氮处理（T2），两年平均达12.4 t ha^–1，较最低处理（4米+低氮，T3）高出23%。通径分析表明，穗粒数对产量的直接效应（0.65）大于千粒重（0.40）。混合效应模型进一步揭示，年际效应对产量变异的贡献最大（30%），其次为地下水埋深（16%）和施氮量（10%）。穗粒数主要受地下水埋深调控，而千粒重更依赖于氮肥供应。

3.6. 氮素利用效率的表现

氮偏生产力（PFP_N）在浅埋深和低氮条件下显著提升：埋深从4米减至2米使PFP_N提高12%，施氮量从280 kg ha^–1降至210 kg ha^–1可提升21%。这说明在较好水分条件下，适度减氮不仅不会减产，还可提高氮肥利用效率。

本研究通过系统解析地下水埋深与施氮量对玉米生产过程的互作效应，得出以下几项重要结论：首先，华北平原夏玉米产量更易受地下水埋深而非施氮量的影响，埋深变浅可通过增强土壤水分有效性显著提高穗粒数，进而实现增产；其次，水分利用效率（WP_c）在不同水氮处理间保持稳定，表明当前条件下产量提升主要依赖于耗水量的增加，而非水分利用效率的改进；第三，氮偏生产力（PFP_N）的优化可通过降低埋深和适度减氮实现，其中埋深主要影响氮利用效率（NUtE），而施氮量调控氮吸收效率（NUpE）；最后，年际气候变异（尤其是灌浆期的温度波动）对产量形成有显著影响，且主要通过调控千粒重实现。

这些结果提示，在华北平原地下水持续下降的背景下，仅依靠增加氮肥难以抵消水分胁迫带来的减产效应。相反，通过合理调控地下水位（如通过节水灌溉控制埋深）并推行氮肥减量施用，可在维持产量的同时提高水氮资源利用效率，为区域农业可持续发展提供有效途径。该研究不仅深化了对水氮耦合机制的理解，也为地下水波动条件下的玉米精准水肥管理提供了理论依据和实践导向。

论文发表于《Agricultural Water Management》，是农业水资源管理领域的权威期刊，该成果对应对华北平原水资源短缺与农业面源污染双重挑战具有重要的科学与实践意义。