李仙岳 辛懋鑫 史海滨 闫建文 赵春燕 郝云凤

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 呼和浩特 010018；2.巴彦淖尔市农牧业科学研究院， 巴彦淖尔 015000)

0 引言

近年来为了追求粮食高产，化肥的使用量逐年增加，同时由于灌水、施肥等农业管理措施不合理和尿素、磷酸二铵复合肥等传统肥料的施用，导致氮素流失加剧，降低了氮肥利用率，并引起了灌区生态系统退化、灌区内部及邻近水体污染加剧等一系列环境问题[1]。氮肥与水资源均是影响农业生产的重要因素，然而目前传统氮肥平均有效利用率仅为35%[2]，大量的氮素随灌溉水进入土壤和地下水，导致湖泊富营养化并造成面源污染[3]。控释肥通常采用聚合物包衣封装氮，并利用膜的渗透压将氮素排到膜外，释放速度可人为设定，解决了传统肥料施入土壤后，前期由于氮素释放快导致过量，而后期又缺氮的现象。控释肥实际上相当于持续缓慢地为作物供氮。因此，与传统肥料相比，控释氮肥氮素利用率显著提高，同时明显降低了农业面源污染，可见施用控释肥对于推动绿色农业、生态农业发展具有重要意义。

目前在控释肥施用农田中，针对提高肥效、减少养分流失、降低氮挥发等方面进行了大量研究，结果表明控释肥在增产、提高肥料利用率等方面比传统肥料有更优异的效果[4-6]。向日葵农田中，施用缓释尿素比普通尿素可以增产0.7%～5.8%，氮素利用率提高1.8%～1.9%[7]。小麦农田中，与传统尿素肥料相比，施入相同氮量控释肥使小麦产量、地上生物量和氮素利用率分别提高9.1%～15.1%、 11.7%～15.0%和16.5%～68.7%[8]。另外，在马铃薯玉米套作农田中，控释氮肥提高了耕层土壤速效氮含量，显著降低了氮素淋失，使耕层以下土层的硝态氮含量平均减少28.6%，氮肥表观利用率平均提高了16.3%[9]。此外，通过优化水氮组合模式能进一步提高水氮利用效率。宋娜等[10]对不同水氮条件下马铃薯产量、水分利用效率和品质进行研究，结果表明土壤湿润比为70%、施氮量180 kg/hm2是马铃薯生产的适宜水氮组合。宋明丹等[11]建立了不同水氮条件下冬小麦干物质积累量和产量的RICHARDS方程，结果表明灌水能显著延长小麦干物质量积累的时间，施氮量为210 kg/hm2的冬小麦可以获得较高的干物质积累量和产量。对于盐渍化地区，鲁耀泽等[12]研究了河套灌区不同水氮用量对向日葵产量的影响，并通过隶属函数对产量、生长性状和水分利用效率等指标进行综合评价，结果表明中水中氮为最优处理。但这些研究主要针对传统肥料，对于控释肥条件下，不同水氮组合对作物生长和水氮利用效率的研究较少。李梦月等[13]对比了60 d和 120 d释放期的控释肥不同水氮组合对冬小麦的综合影响，发现灌水量、施氮量、肥料类型和两两交互作用对小麦干物质量和产量有显著影响，当灌水量为47.72～52.28 mm、控释肥施用量为159.23～199.47 kg/hm2，可达到增产节肥节水效果。尽管大量学者研究了控释肥施用对作物产量、水氮利用效率的影响[14]，但是针对盐渍化地区，控释肥施用条件下水氮耦合及其制度优化研究相对较少。

本文主要针对干旱盐渍化地区，研究控释肥农田的水氮组合模式对向日葵产量、水氮利用效率和经济效益的影响；基于二元二次回归模型构建干旱盐渍化地区控释肥水氮耦合与经济效益之间的数学模型，并进行方案优化，提出盐渍化地区控释肥农田水氮优化方案，为干旱盐渍化地区水氮高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古河套灌区巴彦淖尔市农牧业科学研究院内试验田(107°16′42″E，40°47′54″N)，该地区属于中温带半干旱大陆性气候，年降水量138.8 mm，平均气温6.8℃，昼夜温差大，日照时间长，年日照时间为3 229.9 h，光、热、水同期，无霜期为130 d左右。试验区土壤以粉砂壤土为主，0～100 cm土层平均容重为1.41 g/cm3，有机质平均质量比6.19 g/kg，水解性氮平均质量比34.43 mg/kg，速效磷平均质量比1.84 mg/kg，速效钾平均质量比113.04 mg/kg。2019—2020年试验期间降雨量、灌水量和参考蒸散量如图1所示。

图1 作物生育期内降雨量、灌水量、参考蒸散量Fig.1 Rainfall, irrigation and reference evapotranspiration during crop growth period

1.2 试验设计

供试作物为向日葵，品种为SH361，机械覆膜，人工种植，种植模式为一膜两行，向日葵株距和行距分别为0.4、0.9 m，种植密度约27 777株/hm2，分别在2019年6月2日和2020年5月22日播种，并于当年10月8日和9月24日收获，生育期分别为128、125 d。试验采用二因素裂区设计，主区为控释肥施氮处理，设置3个施氮量(纯氮)处理： 135 kg/hm2(低氮，N1)、225 kg/hm2(中氮，N2)、315 kg/hm2(高氮，N3)；副区为灌水处理，设置2个灌水处理：控水灌溉(W1，播前120 mm，现蕾期60 mm)、充分灌溉(W2，播前240 mm，现蕾期120 mm)，其中控水灌溉为当地推荐的适宜灌溉，充分灌溉为当地农户常规灌溉。另外设置传统肥料处理作为对照，只设置充分灌溉条件下低、中、高氮处理(CK1、CK2、CK3)，并设置一个充分灌溉不施氮处理(CK4)作为计算氮肥利用效率依据，共计10个处理。每个处理3次重复，共30个小区(表1)，每个小区面积24 m×6 m，小区之间设置塑料薄膜进行隔离，防止水盐氮交互影响。试验所用控释肥料为芦阳第六代控释肥(N、P、K质量比为14∶6∶5)，控释肥在播前机械覆膜时施入农田。传统肥料以磷酸二铵为基肥(含N 18%，P2O546%)，在播前覆膜时施入农田；追肥为尿素(含N 46%)，在现蕾期灌水前进行人工施撒，各处理施用肥料时按照氮质量分数进行换算。灌溉方式采用黄河水畦灌，使用水表计量。所有其他田间管理均保持一致。

表1 试验因素编码与试验设计Tab.1 Test factors coding and test design

1.3 测试项目及方法

(1) 主要观测指标

气象数据：利用试验田附近的自动气象站获取，包括太阳辐射、气温、相对湿度、气压、风速和降水量，作物参考蒸散量使用FAO Penman-Monteith公式[15]进行计算。

干物质积累量(kg/hm2)：在成熟期将所取向日葵植株从茎基部与地下部分分离，去掉表面尘土，称其鲜质量，再放入干燥箱中105℃杀青1 h，75℃恒温干燥至质量恒定，放入干燥器中冷却，用电子天平称量。每小区取3株向日葵测定求平均值。

产量(kg/hm2)：作物成熟期在每个小区选取长势一致的作物群体，连续取10株向日葵，脱粒后风干进行考种，计算籽粒结实率，称量百粒质量，折算为每公顷产量。

(2)水氮利用效率计算

收获指数(HI，%)计算公式为

HI=Yn/YB×100%

(1)

式中Yn——施氮处理成熟期籽粒产量，kg/hm2

YB——干物质积累量，kg/hm2

氮肥偏生产力(NPFP，kg/kg)计算公式为

NPFP=Yn/Fn

(2)

式中Fn——施氮量，kg/hm2

氮肥农学利用率(NAE，kg/kg)计算公式为

NAE=(Yn-Y0)/Fn

(3)

式中Y0——不施氮区成熟期籽粒产量，kg/hm2

灌溉水生产效率(IWUE，kg/m3) 计算公式为

IWUE=Yn/I

(4)

式中I——灌溉水总量,m3/hm2

(3)水氮耦合模型

本试验研究控释肥施氮量、灌水量与向日葵经济效益之间的回归关系，以向日葵经济效益为目标，以施氮量与灌水量为自变量，基于二元二次回归方程建立经济效益回归模型。

1.4 数据处理

采用 Microsoft Excel 2016 软件进行数据分析，SPSS 22.0软件进行多因素交互作用(肥料类型、灌水量和施氮量)方差分析，并基于Duncan法比较处理间在P=0.05水平上的差异显著性，采用Origin 2017软件绘图。

2 结果与分析

2.1 水氮耦合对产量及其构成因素的影响

合理的水氮制度是作物高产的基础，方差结果显示水氮和肥料类型对产量和百粒质量有显著或极显著影响，由于干旱区蒸散量大，灌水量是影响向日葵产量的首要因素，其次是施氮量和肥料类型。水氮交互作用和三因素交互作用对产量与百粒质量影响不显著。

百粒质量是产量构成的重要因素，2年不同处理间差异表现一致，不同处理百粒质量处于12.34～16.21 g之间。充分灌溉条件下，百粒质量随着施氮量的增加先增大后减小，不同施氮量之间差异不显著。控释肥处理百粒质量2年平均比传统肥料处理高3.51%。相同施氮量条件下，充分灌溉处理百粒质量显著高于控水灌溉处理，灌水和施用控释肥均可以显著提高向日葵百粒质量。

作物产量是衡量水氮耦合优劣的主要指标。2年不同处理产量处于2 626.05～3 943.50 kg/hm2之间，施氮处理2年产量基本一致且有不同程度的增产，充分灌溉条件下，产量随施氮量的增加逐渐增加，从低氮到中氮，2年产量平均增加了14.83%，从中氮到高氮增加了3.86%，产量增加幅度逐渐减小，说明施氮量超过一定数值(225 kg/hm2)后，过多的增施氮肥不会引起产量明显的增加。控释肥处理产量显著高于传统肥料处理，2年平均高13.89%。相同施氮量条件下，不同灌水量之间差异显著，随着灌水量的增大，产量显著增加，充分灌溉比控水灌溉2年产量平均提高21.87%。2年产量最大为W2N3处理，分别为3 943.5、3 788.7 kg/hm2，比W1N3、W2N1、W2N2和W2CK3 2年平均高23.57%、20.64%、5.21%和23.18%。可见，对于干旱盐渍化地区控释肥施用农田，灌水、施氮和肥料类型均对产量形成有显著影响。增加灌水量可以补偿由于肥料不足导致的产量降低，显著提高向日葵产量。增施氮肥同样可以提高产量，但施用量超过一定数值(225 kg/hm2)后，继续增加施氮量对于产量增加无明显促进作用(图2，图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05))。

图2 控释肥施用水氮耦合效应对向日葵产量及构成因素的影响Fig.2 Effects of coupling effect of controlled release fertilizer on yield and component factors of sunflowers

2.2 水氮耦合对水氮利用效率的影响

保证作物高产的同时，提高水氮利用效率可以减少水分流失和肥料对农田环境的污染。2年结果显示灌水量、施氮量、肥料类型和三因素交互作用对水氮利用效率均有显著或极显著的影响(表2)。

表2 控释肥施用水氮耦合对向日葵水氮利用效率的影响Tab.2 Effect of water nitrogen coupling on utilization efficiency of sunflower water and fertilizer

收获指数反映向日葵地上部干物质分配情况，由方差分析可知，收获指数主要受灌水影响，充分灌溉处理收获指数高于控水灌溉处理12.28%。在充分灌溉条件下，收获指数随着施氮量增加逐渐增加，从低氮到高氮，收获指数2年平均提高了5.43%。控释肥处理产量高于传统肥料处理(图2)，而收获指数较传统肥料低11.88%，说明控释肥料可以增加作物干物质积累量，从而达到增产的目的。氮肥农学利用率反映增施氮肥的增产效果，氮肥偏生产力反映当地土壤基础养分水平和化肥施用量的综合效应。受灌水量、施氮量和肥料类型影响显著，氮肥农学利用率和偏生产力2年规律相同，均随着施氮量的增加逐渐减小。从低氮到高氮，氮肥农学利用率和偏生产力2年平均降低了24.32%和48.89%。说明增施氮肥，向日葵增产效果逐渐减弱，氮肥单位生产力也逐渐降低。控释肥处理氮肥农学利用率和偏生产力较传统肥料处理2年平均提高46.42%和13.61%。相同施氮条件下，氮肥农学利用率和偏生产力与灌水量呈正相关，充分灌溉处理高于控水灌溉处理80.89%和21.53%。说明在满足向日葵水分需求后，氮肥农学利用率和氮肥偏生产力会显著提高。氮肥农学利用率和偏生产力最大均为W2N1处理，相对于W1N1、W2N2、W2N3和W2CK1，氮肥农学利用率提高了92.73%、15.07%、43.43%和62.68%，氮肥偏生产力提高了19.05%、45.01%、93.04%和14.53%。灌溉水生产效率主要受灌水量影响，控水灌溉灌溉水生产效率高于充分灌溉41.1%。在充分灌溉条件下，控释肥处理高于传统肥料处理13.62%，从低氮到中氮，灌溉水生产效率2年平均提高了15.35%，从中氮到高氮，2年平均提高了3.43%。说明控释肥料与水分耦合效应优于传统肥料。水氮具有相互促进作用，增施氮肥会提高灌溉水生产效率，增加灌水同样会提高氮肥利用效率与收获指数。

充分灌溉产量和水氮利用效率处理显著高于控制灌溉处理(P<0.05)，控释肥处理产量和水氮利

用效率显著高于传统肥料处理(P<0.05)，控释肥处理中氮水平产量和水氮利用效率显著高于低氮处理(P<0.05)，与高氮无显著差异(P>0.05)，综合产量与水氮利用效率，W2N2为本试验最优水氮处理。

2.3 水氮耦合模型与方案优化

2.3.1水氮耦合方程建立

为了优化河套灌区控释肥施用水氮制度，根据表3建立控释肥施用条件下水氮制度与经济效益的二元二次回归方程(施氮量(x1)和灌水量(x2)水平编码如表1)，2019年经济效益回归方程为

表3 向日葵农田收入与支出统计Tab.3 Statistical results of income and expenditure of sunflower farmland 元/hm2

(5)

2020年经济效益回归方程为

(6)

经检验，2年方差检验量F为12 854.67(P<0.01)和276.15(P<0.05)，决定系数R2均为0.99。模型系数差异极显著，该模型能确切反映经济效益随水氮用量的变化过程。

2.3.2单因素及边际效应分析

由于灌水量只有2个水平，故只对施氮量进行分析。对式(5)、(6)进行降维处理，将灌水量设为零水平，可得到2019年和2020年施氮量的单因素效应函数式

(7)

(8)

施氮量的效应如图3a所示。由图3a可知， 2019年和2020年的经济效益随着施氮量变化的曲线为开口向下的抛物线，施氮量对经济效益的影响为正效应，但随施氮量的增加，产量增加越来越缓慢，甚至出现降低，符合报酬递减效应，存在经济效益最大值点。2019年，当x1=0.33时，对应施氮量为254.70 kg/hm2，向日葵经济效益达到最大值，为19 177.23元/hm2。当x1<0.33时，向日葵经济效益随施氮量的增加而增加，当x1>0.33时，向日葵经济效益随施氮量增加而降低。2020年，当x1=0.29时，对应施氮量为251.10 kg/hm2，向日葵经济效益达到最大值，为19 406.55元/hm2。当x1<0.29时，向日葵经济效益随施氮量的增加而增加，当x1>0.29时，向日葵经济效益随施氮量增加而降低。2019年和2020年的施氮量变化曲线规律说明，在一定范围内施氮量的增加有利于增加向日葵经济效益，而过量施氮会降低向日葵经济效益。

图3 单因素效应对经济效益影响的效应曲线Fig.3 Effect curves of single-factor effect on economic benefits

边际产量可反映施氮量的最适投入量和单位水平投入量变化对向日葵经济效益增加或减少速率的影响，施氮量在不同水平时的边际效应可通过对式(7)、(8)求导得出，得到2019年和2020年施氮量的边际效应方程式为

dy/dx1=416.48-1 279.84x1

(9)

dy/dx1=749.46-2 638.48x1

(10)

根据2年边际效应函数绘制出对应的边际效应图(图3b)。可以看出，随着施氮量的增加，边际经济效益呈现递减趋势，直到出现负增长。2019年，当x1<0.33时，施氮会增加向日葵经济效益，当x1>0.33时，施氮会减少向日葵经济效益。2020年，当x1<0.29时，施氮会增加向日葵经济效益，当x1>0.29时，施氮会降低向日葵经济效益。

2.3.3水氮交互作用分析

向日葵经济效益受水氮两因素共同作用影响，它们之间存在着相互促进或相互抑制的关系。灌水量和施氮量的交互项系数为正值，说明灌水量和施氮量间存在相互促进作用。图4为灌水量和施氮量对向日葵经济效益的互作效应三维关系及其二维投影。可以看出，当灌水量一定时，向日葵的经济效益随施氮量的增加呈先上升后下降的趋势；当施氮量一定时，向日葵的经济效益随灌水量的增加呈上升趋势。

图4 水氮耦合对向日葵经济效益的影响Fig.4 Effect of water nitrogen coupling on economic benefits of sunflower

2019年，当x1=0.82，x2=1，即施氮量为258.30 kg/hm2，灌水量为360 mm，经济效益模拟最大值可达到22 060.50元/hm2，2020年，当x1=0.38，x2=1，即施氮量为298.80 kg/hm2，灌水量为360 mm，经济效益模拟最大值可达到21 473.10元/hm2，由此可见，灌水量与施氮量间有很好的耦合作用，最大经济效益出现在充分灌溉条件下中高施氮水平。

2.3.4水氮制度优化

为得出2年控释肥施用条件下，向日葵不同目标经济效益下的最优水氮组合方案，采用频数法对式(5)、(6)进一步分析，在-1～1之间等距取5个水平(-1、-0.5、0、0.5、1)。通过模拟求得，在所得的50套组合方案中，向日葵经济效益在15 000～18 000元/hm2的方案有19套，经济效益在18 000～21 000元/hm2的方案有26套，经济效益在21 000～22 500元/hm2的方案有5套。其优化组合方案见表4，寻优过程中均值、标准差和95%置信区间的计算公式从略。

表4 目标经济效益寻优方案Tab.4 Target economic benefit optimization plan

3 讨论

水分和氮素是作物生长发育的重要营养元素[16]，二者的交互关系与作物生长密切相关，适宜的水氮配比可以有效发挥肥效，促进作物生长发育，提高作物干物质积累量和产量，同时可以显著提高水氮利用效率，减少氮素及水分淋失[17]，降低因氮肥过量施用导致的浅层地下水污染和地表水体富营养化风险[18]。另一方面，农田氮素利用效率与肥料类型也密切相关，国内外大量研究表明，控释肥作为一种可以按照设定速率及周期释放养分的化学肥料，可以减少氮素淋失、提高产量及水氮利用效率[19]。王文岩等[20]通过对小麦进行3年连续试验，发现与传统肥料相比，控释肥处理3年年均产量最高，无论氮肥用量多少，控释肥料均能提高小麦产量。本研究通过2年试验，同样发现在相同水氮条件下，控释肥施用相对于传统肥料可以显著提高向日葵产量，产量相对于传统肥料处理提高了13.89%，这主要因为控释肥养分释放规律与向日葵各阶段养分需求基本一致，有助于氮素的吸收和营养物质向籽粒转运[21]。控释肥水氮耦合对向日葵产量的影响存在极显著水平，在控水灌溉与充分灌溉条件下，一定范围内(纯氮量小于等于225 kg/hm2)增施控释氮肥可以提高产量，继续增大施氮量，产量增加不明显甚至会出现降低的情况，符合报酬递减规律[22]。同一施氮水平，随灌水量增加，向日葵产量逐渐增加，充分灌溉处理产量高于控水灌溉21.87%，提高灌水水平可以促进产量的形成[23-25]。而有研究表明，如果继续增大灌水量(灌水量超过367.82 mm)会造成作物产量降低[26]。

水氮利用效率同样是衡量作物高产高效的主要指标，适宜的水氮配比能提高作物水氮利用效率。本研究结果表明，相同施氮水平，增加灌水可以将氮肥偏生产力和农学利用率提高80.89%和21.53%，但会降低灌溉水利用效率，充分灌溉灌溉水生产效率相对于控水灌溉降低了41.40%，这与邢英英等[27]研究结果一致。在相同灌水水平下，随着施氮量的增加，灌溉水生产效率也逐渐增加，氮肥的施用，可以促进作物的生长发育，提高水分利用效率，达到以肥调水的目的，但同时会降低氮肥偏生产力和农学利用率，这与GOULDING等[28]和ZHUD等[29]研究结果一致，但SI等[30]通过滴灌施肥试验发现增加灌水量和施氮量可以提高冬小麦水分利用效率，施氮量超过240 kg/hm2时，则会降低灌溉水生产效率，这可能是由于本试验采用畦灌方式进行灌溉，并施用控释肥料导致的。LYU等[31]通过在稻田中施用不同类型的肥料进行研究，发现施用控释肥料相对于传统肥料可以提高氮肥利用效率30.65%～43.96%，这与本研究结果一致，相同水氮条件下，控释肥处理氮肥偏生产力、氮肥农学利用率和灌溉水生产效率高于传统肥料处理46.42%、13.61%和13.62%。因此，需要进一步了解控释肥在不同灌溉方式和水氮耦合条件下养分释放和迁移过程，实现养分供应与作物吸收相一致，更好地促进作物增产与养分高效利用。

经济效益不仅与产量相关，还与水氮投入相关。本研究通过建立水氮交互模型，发现水氮交互作用对经济效益有正效益，二者交互作用可以提高向日葵经济效益。随着施氮量的增加，向日葵经济效益先增大后减小，主要因为氮肥投入呈线性增长，而产量增长量随施氮量增加逐渐降低，说明过量施入氮肥会使经济投入增加，从而造成经济效益降低[32]。随着灌水量的增加，经济效益逐渐增加，而有研究表明经济效益在灌水量超过一定限度后会减小[33]。本研究中通过目标经济效益寻优，发现在施氮量为236.88～282.6 kg/hm2、灌水量为346.5～361.8 mm可以使经济效益最大化，但过多的灌水会降低水分利用效率，造成水分浪费，不符合节水灌溉理念，在施氮量为174.33～258.12 kg/hm2、灌水量为291.06～351.9 mm时，经济效益不会显著降低，但最多可以节水707 m3/hm2，同时，氮肥的投入也相应减少，还可以提高肥料利用效率。

4 结论

(1)与传统肥料相比，控释肥可以有效提高作物产量13.89%，提高水氮利用效率13.61%～46.42%。与控水灌溉相比，充分灌溉可以提高作物产量21.87%，提高水氮利用效率21.53%～80.89%。

(2)产量随施氮量的增加逐渐增加，从低氮到中氮，2年产量平均增加了14.83%，从中氮到高氮增加了3.86%。氮肥利用率随施氮量的增加逐渐减少，从低氮到高氮，氮肥农学利用率和偏生产力2年平均降低了24.32%和48.89%。

(3)灌水量、施氮量、肥料类型、水氮交互和三因素交互作用对向日葵产量和水氮利用效率有显著影响。随灌水量和施氮量增加，产量呈增加趋势，但当施氮量超过225 kg/hm2后，产量增加缓慢。而水氮利用效率逐渐降低。

(4)以向日葵经济效益为目标建立了水氮二元二次回归方程，得出水氮均可以显著提高向日葵经济效益，灌水量作用大于施氮量，且水氮之间具有明显的交互作用。通过回归方程得到2年河套灌区控释肥施用条件下不同目标经济效益的最优水氮组合方案。

(5)根据河套灌区实际情况、控施肥施用水氮耦合对向日葵产量和水氮利用效率的影响，结合水氮优化结果，本试验最优水氮配比为W2N2(灌水量360 mm，施氮量225 kg/hm2)，该试验灌水量与获得较高经济效益优化组合中的灌水量接近，氮肥施用量在优化组合范围内，具有较高的经济效益和水氮利用效率，可以作为河套灌区控释肥施用水氮管理模式，在保证水氮高效利用及具有较高经济效益同时，还可以实现向日葵农田生产长期可持续发展。