华北平原冬小麦节水增产新策略：单次春灌与优化氮肥的协同效应

《Journal of Agriculture and Food Research》：Single spring irrigation with optimized nitrogen sustains winter wheat yield and improves water productivity and profitability in the North China Plain

本研究针对华北平原地下水超采与冬小麦生产矛盾，提出在春季四叶期单次灌溉75 mm配合300 kg ha-1氮肥的优化方案。通过三年田间试验发现，该模式虽使产量较传统双次灌溉降低3.3-11.6%，但能提高土壤水消耗比例至56.7%，使作物水分利用效率达2.1 kg m-3，灌溉水利用效率达11.1 kg m-3，氮肥农学效率达11.2 kg kg-1。通过二次响应模型确定氮肥适用区间为279-298 kg ha-1，为华北平原水资源可持续利用与粮食安全协同推进提供实践依据。

　　

在占全国耕地面积25%的华北平原，冬小麦产量贡献着中国71%的粮食供给，但光鲜数字背后隐藏着深重的水资源危机。这片土地年均降水500-700毫米，而小麦生长季仅有120毫米降雨，远不能满足作物400-500毫米的需水量。长期以来，农民依靠抽取地下水进行3-5次灌溉，导致地下水位以惊人速度下降，引发一系列生态环境问题。更严峻的是，传统的大水漫灌配合过量施氮（超过300 kg ha^-1）模式，既浪费资源又降低效益。如何在保障粮食安全的同时实现水资源可持续利用，成为摆在科研人员面前的重大课题。

《Journal of Agriculture and Food Research》最新发表的研究通过三年田间试验，揭开了节水增产的奥秘。研究发现，将传统春季两次灌溉（3叶期+开花期）简化为四叶期单次灌溉，配合精准氮肥管理，能够实现水资源效率与经济效益的双赢。这种创新模式通过调控作物水分消耗时空分布，激发土壤水库潜力，使小麦在关键生育期获得水分保障，同时通过氮肥优化维持光合效能，最终达到"以水调肥、以肥促水"的协同效应。

关键技术方法

研究采用裂区设计，主区为灌溉制度（W1:四叶期单次灌溉75 mm；W2:3叶期+开花期两次灌溉各75 mm），副区为4个氮水平（180-360 kg ha^-1）。通过便携式土壤水分速测仪监测0-200 cm土壤含水量，计算水分消耗特征参数；使用LI-6800光合仪测定旗叶光合速率，红外测温仪监测冠层温度；采用二次回归模型优化氮肥用量，以95-100%最大值为近优区间确定最佳施肥量。

研究结果

3.1 冬小麦物候特征

氮肥对物候期的影响显著于灌溉。在正常年份，W1处理使生育期缩短2-3天，但增加氮肥可延长生育期，当施氮量达到300 kg ha^-1时，W1与W2的生育期无显著差异。这表明适量增氮可补偿减少灌溉对作物生长发育的影响。

3.2 干物质积累与产量形成

千粒重主要受灌溉影响，而穗数则响应氮肥变化。在W1条件下，300 kg ha^-1氮肥处理获得最高穗数（924.1×10⁴ha^-1）和干物质积累量（18139.6 kg ha^-1），产量达8351.5 kg ha^-1。值得注意的是，该处理将减产幅度控制在3.3%，显著低于低氮处理的11.6%，展现出明显的产量补偿效应。

3.3 水分利用效率提升

W1处理显著降低蒸散量10.3-10.8%，但提高土壤水消耗贡献率至56.7%。在300 kg ha^-1氮肥配合下，作物水分利用效率（WP_C）达到2.1 kg m^-3，灌溉水利用效率（WP_I）达11.1 kg m^-3，分别较传统模式提高11.6%和93.4%。这表明优化水氮配置可显著提升水分利用效率。

3.4 水分时空分配优化

W1处理将水分消耗向拔节-开花期集中，该阶段耗水量增加10.5-15.0%，耗水强度提高9.8-12.7%。这种水分分配模式与小麦需水规律更加契合，有利于光合产物积累与籽粒灌浆。

3.5 冠层结构调控

四叶期灌溉促进旗叶面积增加7.1%，而3叶期灌溉则有利于倒二叶发育。在300 kg ha^-1氮肥下，旗叶面积达到最大值（20.2 cm²），光合速率提高12.3%，冠层温度降低0.8°C，表明适宜的氮肥供应可改善冠层微环境。

3.6 经济效益分析

W1N3组合获得最高净收益（16766.4 CNY ha^-1）和效益成本比（2.40）。通过二次模型优化，确定279-298 kg ha^-1为近优氮肥区间，可同时实现95-100%的最大产量和经济效益。

结论与展望

该研究首次系统阐明了单次春灌条件下氮肥优化的生理生态机制，明确了四叶期灌溉配合280-300 kg ha^-1氮肥的技术参数。这一模式通过调控水分时空分配、增强土壤水利用、维持光合功能，实现了节水与增产的协同，为华北平原地下水超采治理提供了技术支撑。未来研究需关注不同降水年型的适应性及环境效应评估，推动水氮协同管理向精准化、智能化方向发展。