農(nóng)田水氮關(guān)系及其協(xié)同管理

農(nóng)田水氮關(guān)系及其協(xié)同管理王小彬1,2代！快1,趙全勝，武雪萍，張丁辰，馮宗會(huì)，賈樹龍，

楊云馬斗蔡典雄1,2,*(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與養(yǎng)分循環(huán)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京!100081;2.農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京!100081;3.河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所，河北石家莊!050011)摘要：作物施氮反應(yīng)及其氮肥利用率不僅取決于氮肥管理，還與水資源管理有關(guān)，并且受到地區(qū)氣候因素的影響。針對中國灌溉農(nóng)區(qū)氮肥環(huán)境污染問題日益突出，協(xié)調(diào)農(nóng)田水氮管理，如通過改善水資源管理，發(fā)揮水氮協(xié)同效應(yīng)，以提高水分利用效率來改善氮肥利用率，實(shí)現(xiàn)水氮利用率雙贏，是當(dāng)前農(nóng)業(yè)水氮管理中亟待探討和回答的問題。通過對農(nóng)田水氮協(xié)同相關(guān)研究文獻(xiàn)資料的綜述，以華北平原集約種植體系水氮管理為例，根據(jù)歷年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析了該區(qū)年水熱條件下糧食產(chǎn)量與水、氮及水氮利用效率之間的關(guān)系。研究表明，水和氮與作物產(chǎn)量在一定范圍表現(xiàn)為水氮的協(xié)同效應(yīng)。水分利用效率一般隨灌溉水量減少及氮肥用量增加而提高；氮肥利用效率隨氮用量增加而下降。適量節(jié)水和減氮分別有助水分利用效率和氮肥利用效率的改善。在氣候變暖、變干條件下，適量施氮成為改善水氮利用效率的關(guān)鍵對策。關(guān)鍵詞：氮肥利用率；水氮協(xié)同；水氮管理；水分利用效率OpinionsonwaternitrogenrelationsandtheirsynergicmanagementWANGXiaobin，DAIKuai,ZHAOQuansheng,WUXueping,ZHANGDingchen，,2FENGZonghui,JIA11Shulong,YANGYunma,CAIDianxiong331,2,*1InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences;MinistryofAgricultureKeyLaboratoryofPlantNutritionandNutrientCycling2MinistryofAgricultureKeyLaboratoryofDrylandFarming,Beijing100081,China3AgroResourcesandEnvironmentInstitute,HebeiAcademyofAgricultureandForestry,Shijiazhuang050011,ChinaAbstract:Cropresponsetonitrogen(N)fertiliza.tionandNuseefficiency(NUE)dependnotonlyonNmanagement,butalsoonwaterresourcemanagementandlocalclmate.TotheincreasingenvironmentalpollutioninducedbyoveruseofNinitheirrigatedareas,regulationofwaterNmanagementforachievingawinwinsituationthatwillmprovewateruseefficiency(WUE)andNUEhasbeenstillveryconcerned.ThroughliteraturereviewsconcerningwaterNrelationsandtheirsynergicmanagement,aswellasstatisticdataanalysiswithemphasisonanintensivewheatmaizecroppingsystemintheNorthiChinaPlain,therelationshipsbetweengrainyields,waterandN,aswellastheiruseefficienciesundertheregionalclmateconditionshavebeendiscussed.Inthelast20years,theresearchonwaterNmanagementinChinahasbeeninvolvedinrainfedfarmingareas,andifurtherinwatersavingirrigatedfarmingareas.TherecentresearchfocusedmainlyandcontinuouslyonthemprovementofcropyieldsandWUEindrylandfarming,andalsoonNrelatedenvironmentalproblemsassociatedwithNoveruseintheirrigatedareas.Currently,intheintensivedoublecrop(wheatandmaize)rotationsystemsintheNorthChinaPlain,alargeamountofNsurplusinsoilsandlowresponseofcropyieldstoNfertilizationinthemostcropfieldshavebeen600kgVhmVa).Thelowresponse-continuous^exposedwithannuallyoverNfertilizerinputs(asreportedabove500-2-1基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展973計(jì)劃項(xiàng)目(2007CB109305);國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2006AA100220/2006AA100206);科技部國際合作項(xiàng)目(2006DFB32180)資助收稿日期:20090910;!!修訂日期:20100926.i*通訊作者Correspondingauthor.Emai:ldxca@ofcropyieldstoirrigationwaterinsomecropfieldshasbeenalsoobservedduetooverirrigation.ThismpiiesthatthereisstillabigscopeformprovementofWUEandNUEbyusingwatersavingandNreducingpracticesintheirrigatedareas.Forinstance,withrecommendedfertilizationpracticestheNUEbywheatandmaizecouldbeupto50%and34%,respectively,ascomparedthosewithconventionalpractices(14%and20%,respectively).AccordingtoChinastatistics(19882007)intheregionsofNorthChinaPlain,thechangesingrainyieldsperhashowedsignificantlypositivecorrelationswiththemeanairtemperatureannually,butlittlewiththevariationsinrainfal.lWiththetrendofdecliningannualrainfallandincreasingannualairtemperature,thePrecipitationuseefficiency(PUE)increasedbutNUEdecreasedsignificantly.BasedonmanypreviousstudiesonwaterNrelation,thesynergicrelationsbetweenwater,nitrogen,andcropyieldswerefoundinagivenrange.TheWUEgenerallyincreasedwithdecreasingirrigationwaterorincreasingNfertilizeramount,whileNUEdeclinedwithincreasingtheamountofNfertilizer.TheWUEandNUEcanbemprovedbyusingwatersavingandNreducingpractices,respectively.LmijtedirrigationcombinedwiththeproperamountofNfertilizerwillbeaviablealternativetotheconditionofclmatewarming,anddrying.AsreviewedonwaterNresearchprogressabroad,somedisparitiesbetweenChinaandadvancedcountiesexist,thus,furtherresearchesespeciallyintheaspectsoffieldorregionalsmulations,predictionis,realtmemonitoringandplantdiagnosisrelatedtocropwaterNsynergicmanagementarestillneeded.KeyWords:nitrogenuseefficiency;waternitrogenmanagement;waternitrogensynergy;wateruseefficiency近20a來，隨著中國人口快速增長和糧食需求增加，肥料消費(fèi)量日益增長，化肥在中國糧食增產(chǎn)中或者說對于解決中國人民的溫飽問題無疑起到了不可替代的作用。如林葆總結(jié)全國化肥網(wǎng)長期試驗(yàn)數(shù)據(jù)指出，施用化肥可提高作物單產(chǎn)50%,中國作物總產(chǎn)中有1/3為施用化肥的貢獻(xiàn)［1］。然而，據(jù)Ye和Rozelle統(tǒng)計(jì)資料說明，自20世紀(jì)80年代以來，肥料用量的增長速度始終超出糧食產(chǎn)量增長速度，而且其間的差距越拉越大⑵。據(jù)2005年FAO資料統(tǒng)計(jì)嘰中國化肥總產(chǎn)量和化肥總用量分別占世界的22%和25%,居世界首位。中國的化肥消費(fèi)總量還在繼續(xù)上升，據(jù)IFIA資料統(tǒng)計(jì)，目前已占全球化肥消費(fèi)量的35%囹。Lin等分析指出，化肥投入成本在作物生產(chǎn)總投入中為最高，每年化肥的費(fèi)用約占總投入材料成本的50%(種子、肥料、農(nóng)藥、農(nóng)機(jī)具、灌溉等［羅。中國一些地區(qū)因氮肥過量或不合理施用導(dǎo)致土壤氮流失、水質(zhì)下降、大氣污染、生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)失調(diào)，對生物多樣性、全球氣候變暖、人畜健康帶來威脅，并造成能源和資源巨大浪費(fèi)。用肥料利用效率(本文采用國際農(nóng)學(xué)界和國內(nèi)學(xué)者常用的PFP(PartialFactorProductivity)即肥料偏生產(chǎn)力，指單位投入的肥料氮所能生產(chǎn)的作物籽粒產(chǎn)量物)可作為表征和評價(jià)肥料效應(yīng)指標(biāo)。張福鎖等分析指出，中國的肥料效率(PFP)遠(yuǎn)低于法國也低于美國［6］,目前中國每施入1kg化肥只能平均生產(chǎn)17.2kg的糧食，而美國和法國可達(dá)22.4和69.2k,］。作物施氮反應(yīng)及其氮肥利用率不僅取決于施氮管理(如施氮量、施氮時(shí)間、施氮方法等),還與水資源管理(如灌水量、灌水時(shí)間、灌水方法等)有關(guān)，并且很大程度上受到地區(qū)年氣候(如水熱環(huán)境等要素)變化的影響""I。水分即可能有助于土壤養(yǎng)分活化，提高氮素有效性，又可能增加氮素流失或淋溶損失，帶來環(huán)境危害。協(xié)調(diào)水氮管理，如通過改善水資源管理，發(fā)揮水氮協(xié)同效應(yīng)，以提高水分利用效率促進(jìn)氮肥利用率的改善，同時(shí)解決中國氮肥利用率低下以及水分利用效率不高的問題，不僅在旱農(nóng)地區(qū)而且在集約化灌溉農(nóng)作區(qū)都被認(rèn)為是一項(xiàng)關(guān)鍵的農(nóng)業(yè)管理技術(shù)措施［1416］。面對中國日益嚴(yán)峻的水肥資源及環(huán)境危機(jī)，加強(qiáng)探索水氮協(xié)同效應(yīng)及其機(jī)制，建立農(nóng)田作物水氮協(xié)同管理模式，尋求實(shí)現(xiàn)水氮資源、環(huán)境與產(chǎn)量可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，是國家農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)。1!氮肥過量使用對環(huán)境的威脅中國是世界上氮肥使用量最多的國家，占世界年用量的1/3,是能源消費(fèi)大國，氮素引發(fā)環(huán)境問題尤為突出，如氧化亞氮遷移至大氣，增強(qiáng)溫室效應(yīng)，且擾亂臭氧層；氮氧化物向水體遷移，影響飲用水質(zhì)量，且造成水體富營養(yǎng)化；從陸地遷移到大氣的氨和氧化氮沉降到陸地和海洋，影響森林生態(tài)系統(tǒng)的功能，且加劇水體富營養(yǎng)化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國的532條河流中,82%受到不同程度的氮污染7。據(jù)朱兆良等分析，在每年進(jìn)入長江和黃河的氮素中分別有92%和88%來自于農(nóng)業(yè)特別是化肥氮約岳0%。此外據(jù)1996年IPCC（報(bào)告。，土地利用方式改變（如林草植被減少和農(nóng)耕地增加）和集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對溫室氣體排放具有重大影響，溫室效應(yīng)的約20%與農(nóng)業(yè)活動(dòng)有關(guān)。如農(nóng)業(yè)活動(dòng)對二氧化碳排放的貢獻(xiàn)為21%25%,對甲烷排放的貢獻(xiàn)為55%60%,氮肥（和糞肥）施用對氧化亞氮排放的貢獻(xiàn)高達(dá)65%80%0。因此，如何減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對化肥尤其是氮肥的依賴，減輕氮素循環(huán)對生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，發(fā)揮氮肥對農(nóng)業(yè)及環(huán)境持續(xù)發(fā)展的積極貢獻(xiàn)已經(jīng)引起中國乃至全球各國政府和科學(xué)家高度關(guān)注。實(shí)現(xiàn)肥料減施增效不僅是國家糧食安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展重大需求，并且影響到世界糧食安全、資源和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。2!主要耗肥作物及其氮肥管理世界上，小麥、玉米和水稻是主要的耗肥作物，在總的作物肥料消費(fèi)中占50%。在中國，玉米或小麥和小麥玉米輪作為主要的種植制度。據(jù)中國統(tǒng)計(jì)年鑒2008,小麥和玉米分別占總的糧食作物面積的22%和27%,占總的糧食生產(chǎn)啊2%和30%。華北平原為主要的集約化灌溉農(nóng)田冬小麥/玉米栽培模式地區(qū)之一，是中國化肥施用量較大的糧食高產(chǎn)區(qū)之一。該區(qū)多數(shù)農(nóng)田因長期氮肥過量或不合理施用，導(dǎo)致土壤氮流失、水質(zhì)下降、能源和資源浪費(fèi)嚴(yán)重。據(jù)中國科學(xué)院石家莊農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究所調(diào)查，目前華北平原高產(chǎn)區(qū)年氮量投入已經(jīng)超過500600kgVhmy2a劉您23］。張玉銘等對19852000年在華北太行山前平原（河北欒城縣）農(nóng)田氮素養(yǎng)分平衡分析表明，長期過量施用氮肥的農(nóng)田氮素平衡已經(jīng)由1985年的1.4%赤字轉(zhuǎn)變?yōu)?000年盈余約49%㈤；胡春勝等的觀察發(fā)現(xiàn)農(nóng)田80cm和140160cm處土層為NO3N高度聚集層；田間試驗(yàn)測定表明，該區(qū)農(nóng)田土壤氮肥損失以氨揮發(fā)（約15%）和氮淋溶（約9%）為主，加之反硝化損失（約占1%）,每年氮肥損失約占施氮量的25%（若以施氮量500600kgVhm-ya計(jì)算，氮損失高達(dá)125150kg/hm）。另據(jù)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張福鎖等調(diào)查數(shù)據(jù)顯示［嘰農(nóng)民傳統(tǒng)的冬小麥?zhǔn)┓蚀胧┦牵旱追适┯?00150kg/hm的氮，而追肥施用150250kg/hm的氮2華北平原冬小麥傳統(tǒng)施氮總量平均為369kg/hm,如果以氮2肥施用量250kgVhm為適宜用量，施氮過量的農(nóng)戶約占到90%。傳統(tǒng)的夏玉米施肥是苗期施用150kg/hm-22的氮，而追肥施用150kg/hm的氮，華北平原夏玉米傳統(tǒng)施氮總量平均為244kg/hm。如果以氮肥施用量22250kg/hm為適宜用量施氮過量的農(nóng)戶約占到60%。小麥和玉米的氮肥利用率分別為14%和20%,建議在2優(yōu)化施肥條件下氮肥利用率可達(dá)到50%和34%,可分別提高36和14個(gè)百分點(diǎn)。然而，不同水熱資源條件下，不同土壤肥力水平下，不同灌溉模式和氮肥管理措施下作物對氮肥反應(yīng)也不同。3!國內(nèi)外農(nóng)田水氮關(guān)系研究中國小麥/玉米農(nóng)田水肥關(guān)系研究始于20世紀(jì)80年代末，主要是針對中國旱農(nóng)地區(qū)水資源虧缺和施肥效益低的問題而提出，重點(diǎn)是解決如何以肥調(diào)水，以水促肥，提高降水利用效率［10,2427］。20世紀(jì)90年代，鑒于旱地農(nóng)田土壤作物水肥關(guān)系的復(fù)雜性，以及中國旱農(nóng)地區(qū)水資源日益短缺，而農(nóng)作物生產(chǎn)對氮肥依賴日益增加的特點(diǎn)，加之地區(qū)水肥資源經(jīng)濟(jì)合理配置的需求，水肥耦合技術(shù)已經(jīng)被視為旱農(nóng)地區(qū)作物生產(chǎn)的一項(xiàng)重要管理措施隊(duì)2829］。由于中國地區(qū)土壤氣候條件的差異性，不同地區(qū)作物水肥限制因素主次關(guān)系不同，水肥調(diào)控管理重點(diǎn)及模式也不同，近20a來，水肥調(diào)控技術(shù)應(yīng)用研究在中國北方半干旱及半濕潤偏旱的不同旱農(nóng)類型區(qū)廣泛展開［1013,3031］,許多研究觀測到水氮互作存在明顯的正交互作用，并且研究已經(jīng)從雨養(yǎng)農(nóng)區(qū)水肥管理發(fā)展到節(jié)水灌溉農(nóng)田氮肥管理方面，農(nóng)作物產(chǎn)量、水分（或灌溉）利用效率一直為關(guān)注的重點(diǎn)［3233］。隨著栽培技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是3S（RS、GIS、GPS）技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，如利用地物光譜遙感估測葉片或植株冠層的水肥狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和快速診斷，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水肥精準(zhǔn)管理和決策提供依據(jù)，也受到國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。如通過紅外測溫儀測定冠層溫度來反映植株水分，發(fā)現(xiàn)不同水肥處理下冬小麥冠層含水率與冠層溫度存在著負(fù)相關(guān)關(guān)系5。還有學(xué)者通過對不同水氮模式處理下冬小麥冠層結(jié)構(gòu)和光分布的差異分<'■］9^4-2011ChinaAcadctnicJournri］llL析，為作物水氮監(jiān)測和管理提供方法和依據(jù)。此外，在大田試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，建立水肥耦合數(shù)學(xué)模型由45］以及區(qū)域農(nóng)田水氮管理模型研究［4650］也開始得到重視。近年來有學(xué)者對不同水氮環(huán)境下小麥氮素含量和氮素利用效率的遺傳模型研究，發(fā)現(xiàn)小麥氮素含量和氮素利用效率的遺傳模型在不同水氮環(huán)境中不完全一樣。在中國隨著灌溉農(nóng)區(qū)氮肥環(huán)境污染問題日益暴露，小麥/玉米灌溉農(nóng)田水肥關(guān)系研究也逐漸關(guān)注到氮肥淋失以及氮肥利用率問題［5260］。研究表明，水和氮與作物產(chǎn)量在一定范圍呈正相關(guān)，表現(xiàn)為水氮協(xié)同效應(yīng)；然而，水氮過量則會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)量反應(yīng)消減或出現(xiàn)產(chǎn)量與水氮負(fù)相關(guān)。如沈榮開等于19982000年在北京市永樂店冬小麥和夏玉米水肥耦合田間試驗(yàn)資料表明，氮肥效益的發(fā)揮與農(nóng)田水分狀況密切相關(guān)，不同的農(nóng)田水分狀況，相同的施氮量所獲得的產(chǎn)量是不相同的；氮肥肥效一般隨灌水量的增加而提高。研究發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)條件下，增加灌水量的增產(chǎn)幅度大于增加施肥量；相對于高供水處理（如灌3次（返青、拔節(jié)和灌漿）或4次（返青、拔節(jié)、孕穗和灌漿）水）,低供水水平下（如灌1次（拔節(jié)）或2次（拔節(jié)和灌漿）水）,氮肥的增產(chǎn)效益比較顯著，但氮肥貢獻(xiàn)率有隨著施肥量的增加而呈遞減趨勢。李永賓等于20022004年在北京東北旺對冬小麥水氮管理模式研究，該區(qū)優(yōu)化灌溉與傳統(tǒng)灌溉處理相比灌溉效益不明顯，而水氮交互效應(yīng)及氮肥效應(yīng)顯著，適量增施氮肥，增產(chǎn)潛力較大，并有利于提高水和氮利用率，同時(shí)也表明節(jié)水灌溉潛力還有待挖掘。近年來對北京地區(qū)冬小麥和夏玉米田塊調(diào)查資料表明同63］,平均氮肥用量分別用09>256kg/hm,2氮肥利用率僅為16%22%,低于30%41%的全國水平；其中大部分田塊作物產(chǎn)量對施氮量反應(yīng)不明顯，由于每年投入大量氮肥，而氮肥使用量超過了作物的需要量,造成氮素盈余或殘留量急劇增加，致使土壤中NO3N大量累積及其對地下水污染帶來威脅。由上研究暗示，中國華北地區(qū)集約化灌溉農(nóng)田冬小麥/玉米種植生產(chǎn)體系節(jié)水減肥增效還有很大空間。據(jù)有關(guān)專家分析，中國目前糧食作物產(chǎn)量潛力仍未充分挖掘，實(shí)際產(chǎn)量僅發(fā)揮了高產(chǎn)潛力的50%左右，提高作物產(chǎn)量是提高肥料利用效率的重要途徑［6］。水氮關(guān)系研究還發(fā)現(xiàn)，水氮吸收及其水氮利用效率（率）峰值與作物產(chǎn)量峰值并非完全吻合［5254］。氮肥利用率隨灌水量遞增而提高，而水分利用效率隨施氮量遞增而提高［11,1516,25］。然而，氮肥利用率隨施氮量遞增而降低心姬皿刀;同樣，水分利用效率隨降水/灌水量遞增而降低［11,27,34,52］?？梢姡世寐屎退掷眯孰p贏、同時(shí)滿足作物高產(chǎn)和資源環(huán)境安全目標(biāo)是有矛盾的，有待進(jìn)一步揭示水氮協(xié)同效應(yīng)及其機(jī)制，尋求實(shí)現(xiàn)水氮資源、環(huán)境與產(chǎn)量可持續(xù)目標(biāo)的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。國外早在20世紀(jì)60年代就開始在干旱地區(qū)，針對作物施肥及水分利用低效問題而提出水氮關(guān)系研究［6770］。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和3S技術(shù)等在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)80年代中期開始提出了精確農(nóng)業(yè)的概念，開展了精確氮肥管理技術(shù)研究，尤其在與GIS和GPS結(jié)合后，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水氮精確管理，不僅能保證作物產(chǎn)量和品質(zhì)，還可以節(jié)約資源，降低成本，提高氮肥和水分利用效率，減少對環(huán)境的污染到。近20a來，隨著全球氣候變化、水資源短缺、氮肥過量帶來的水體和環(huán)境污染等問題日益突出，水氮關(guān)聯(lián)研究在灌溉農(nóng)田水氮效應(yīng)、氮淋失及氮肥利用率、以及水氮協(xié)同機(jī)理等方面不斷引起關(guān)注和深入［7185］。如Norwood對美國大平原有限灌溉和旱作條件下的玉米水分利用及產(chǎn)量研究顯示，在地下水日趨減少、灌溉水有限的地區(qū)，通過配合適量施肥和調(diào)整種植密度可作為一種水澆地轉(zhuǎn)為旱地的玉米產(chǎn)量保障的可替代措施oNangia等對美國佛羅里達(dá)州雨養(yǎng)條件下作物氮響應(yīng)的最近研究得出，實(shí)際生產(chǎn)中的作物水分利用效率及收獲指數(shù)并不是常數(shù)，水分生產(chǎn)力（即使在高產(chǎn)條件下）或水分利用效率（在作物用水低下的條件下）均可通過適量施用氮肥而得到提高或改善。據(jù)Kima等最近研究，水氮協(xié)同關(guān)系對水氮利用效率的影響機(jī)理在于:（1）植物對水氮響應(yīng)是同時(shí)發(fā)生的;（2）氮肥可增加水分利用效率;（3）水分可提高玉米吸收土壤氮和肥料氮的能力。在水分充足條件下N的利用效率較高，這與增加了總的生長和蒸散量，且增加了氮隨水分向根系的轉(zhuǎn)移有關(guān)。近些年來，水氮關(guān)系研究，特別是運(yùn)用土壤作物系統(tǒng)水氮模型進(jìn)行農(nóng)田或區(qū)域尺度的作物水氮管理模擬、預(yù)測和評估，改善作物水氮利用效率（率）等方面至今仍為國際上研究的熱點(diǎn)（表1）［86111］o表1!主要作物水氮管理模型工具及其作物水氮關(guān)系模擬研究Table1!Recentstudiesoncropwaterandnitrogenmanagementmodelsandsimulation模型工具Simulationmodels模型簡述Modeldescription模型應(yīng)用/驗(yàn)證Application/validationKobayashi（（1994）研發(fā)用于水稻作物水氮VSM模型（Averysimplemodel）、關(guān)系研究［87］CERES小麥模型、CERES水稻模型(CropEstimationthroughResourceandEnvironment模型工具Simulationmodels模型簡述Modeldescription模型應(yīng)用/驗(yàn)證Application/validationKobayashi（（1994）研發(fā)用于水稻作物水氮VSM模型（Averysimplemodel）、關(guān)系研究［87］CERES小麥模型、CERES水稻模型(CropEstimationthroughResourceandEnvironmentSynthesis,CERES)1994由IRRI(theInternationalRiceResearchInstitute)和IFDC(theInternationalFertilizerDevelopmentCentre)合作開始稻麥連作體系水氮關(guān)系模擬研究[89]Pirmoradian和Sepaskhah［88］采用VSM模型對伊朗法爾斯省不同水氮應(yīng)用管理下水稻生產(chǎn)模擬研究Timsina和Humphreys［89］綜述在亞洲地區(qū)國家和澳大利亞對CERES稻麥連作體系模型驗(yàn)證和應(yīng)用;Arora等的采用CERES小麥模型對半干旱亞熱帶環(huán)境下小麥生產(chǎn)力對氣候、灌溉和氮肥響應(yīng)的模擬分析;Behera和Panda〔91］采用CERES小麥模型對亞熱帶半濕潤地區(qū)灌溉小麥水肥管理試驗(yàn)和模擬CERES玉米模型修正的玉米模型用于作物產(chǎn)量和水分利用效率模擬研究［92］Ritchie和Basso［93］采用CERES玉米模型對美國中西部氣候下玉米遺傳類型、產(chǎn)量和水分利用效率的影響進(jìn)行模擬研究DSSAT模型(DecisionSupportSystemforAgrotechnologyTransfer)美國國際開發(fā)署(USAID)項(xiàng)目(19831993)由IBSNAT(InternationalBenchmarkSystemsNetworkforAgrotechnologyTransfer)研發(fā)[9495]Nangia等［86］采用DSSAT模型對美國佛羅里達(dá)州雨養(yǎng)條件下改善玉米氮肥管理對水分生產(chǎn)力的影響進(jìn)行了模擬研究;Sarkar和Kar學(xué)］利用DSSAT對印度西孟加拉邦可持續(xù)稻麥輪作體系作物殘茬和氮管理策略進(jìn)行研究Ma等［98］采用RZWQM模型對美國愛荷華州東北部長期作RZWQM模型(RootZoneWaterQualityModel)美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務(wù)局（USDAARS）物生產(chǎn)、水和氮平衡進(jìn)行了模擬研究;Cameira等［99］利用研發(fā)用于作物根區(qū)水氮循環(huán)研究［97］RZWQM模型對地中海地區(qū)葡萄牙農(nóng)業(yè)土壤玉米作物系統(tǒng)氮去向進(jìn)行模擬評價(jià)澳大利亞研發(fā)的用于水稻作物水氮研究模型Li等［100］采用WNMM模型對中國華北平原灌溉集約化種植制度下的水氮管理的空間變化的模擬研究WNMM模型(WaterandNitrogenManagementModel)APSIM模型(AgricultureProductionSystemsSIMulator)由APSRU（AgriculturalProductionSystemsResearchUnit）研發(fā)用于雨養(yǎng)種植體系及灌Moeller等［102］采用APSIMNwheat模型對澳大利亞西南部地中海環(huán)境下播前土壤中植物有效水分能否作為小麥優(yōu)化氮肥管理和作物播種管理決策依據(jù)進(jìn)行模擬研究;Akponikp等［103］采用APSIM模型對尼日爾薩赫勒地區(qū)珍珠粟氮肥管理進(jìn)行長期預(yù)測模擬EURotate_N模型/Hydrus2D模型EURotate_N模型（基于作物模擬模型）用Doltra和Muoz［107］采用歐盟Rotate_N和Hydrus2D模型于歐盟蔬菜作物輪作體系優(yōu)化施N肥［104］對地中海氣候條件下的施肥灌溉（fertigated）甜椒，花椰菜和Hydrus2D模型（溶質(zhì)運(yùn)移）［105106］作物地氮淋失進(jìn)行了模擬研究由GECROS模型和CERES結(jié)合開發(fā)而成的LenzWiedemann等［108］采用Danubia模型研究作物對氣候DANUBIA作物生長模型作物生長模型，作為應(yīng)對氣候變化的決策支變化和栽培措施改變的響應(yīng)，利用田間實(shí)測作物水氮需求持系統(tǒng)［108］時(shí)空變化與模擬值比較和對模型進(jìn)行驗(yàn)證農(nóng)業(yè)水文模型，可模擬多種作物的土壤作Zhang［110］和Zhang等［111］利用小麥田間試驗(yàn)測定數(shù)據(jù)，對SMCRN模型物系統(tǒng)水氮?jiǎng)恿W(xué)過程，用于優(yōu)化農(nóng)業(yè)資源SMCRN模型在土壤小麥系統(tǒng)水氮循環(huán)過程模擬結(jié)果的利用管理評價(jià)［109］驗(yàn)證溉作物水氮關(guān)系研究［101］4!華北平原水熱特征及氮肥對糧食產(chǎn)量和水氮利用效率影響分析根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料，調(diào)查研究華北平原地區(qū)（以河北省統(tǒng)計(jì)調(diào)查資料和研究數(shù)據(jù)分析為例）年水熱條件（不同年降水量和年平均氣溫）變化、年氮肥用量、年糧食產(chǎn)量，以及降水生產(chǎn)效率（PUE）和氮肥利用效率（NUE,用氮肥偏生產(chǎn)力PFPN（PartialFactorProductivityfromAppliedN）來表征）等，以探明年水熱條件變化和年氮肥用量與糧食產(chǎn)量和水氮利用效率之間的關(guān)系及其影響趨勢。4.1!華北平原水熱條件特征根據(jù)中國統(tǒng)計(jì)年鑒資料統(tǒng)計(jì)『a,華北平原（以河北石家莊氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)）近20a來（19882007期間）氣候變化特征如圖1所示，年平均氣溫變化呈逐年上升趨勢（以平均約0.065#/a的速度上升）,19882007年期間，年平均氣溫上升約為1.6#（從13.3#上升到14.9#）（圖1a）;而年降水量變化呈逐年下降趨勢（以平均約4.76mm/a的速度計(jì)算得出機(jī)4鏗效懵溉面積到的）姍）=茁.5圖（功）年份管有效灌溉面積逐年增加（以河北省19932007資料統(tǒng)計(jì)［112］22年平均灌溉水量（農(nóng)業(yè)用水總量/有效灌溉面積）呈逐年下降趨勢（以平均約5.83mm/a的速度減少）,2002200漩料統(tǒng)計(jì)[12],從366mm下降到的339mm(圖1b)。據(jù)文獻(xiàn)資料顯示四,華北平原氣候變暖主要表現(xiàn)在冬季。如19611999年河北辛集極端氣溫年代變化資料顯示，極端低氣溫變化由20世紀(jì)60年代的-22#上升到20世紀(jì)90年代的-12.9#,增幅達(dá)9.1#;而期間極端高氣溫由41.9#下降到41.0#,降幅約為0.9#。氣候變化也影響到地下水位動(dòng)態(tài)變化。華北平原在地下水開采、地表水利工程、降水、蒸發(fā)等因素影響下，地下水位下降、地表水干枯、水資源供給不足等問題越來越突出[14]。如石家莊地下水降落呈漏斗型:20世紀(jì)60年代初，華北山前平原區(qū)淺層地下水埋深在110m之間;1984年該區(qū)淺層地下水位普遍下降520m;2001年該區(qū)淺層地下水埋深已達(dá)40m。地下水位平均每年以約1.2m/a的速度下降。氣候變化通過水資源、熱量條件變化直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，如作物水分虧缺程度隨氣候變暖而逐年增加。華北平原區(qū)水資源短缺、灌溉水源不足與作物高產(chǎn)灌溉水需求增加的矛盾日益上升，對糧食安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。圖1!華北平原(河北省)年水熱條件變化與氮用量及灌水量對糧食產(chǎn)量、降水/灌溉水生產(chǎn)效率(PUE/IUE)和氮肥利用效率(NUE)的影響[112]Fig.1!EffectsofclimateconditionsandNratesonfoodgrainyields(GY),Precipitationuseefficiency(PUE),irrigationwateruseefficiency(IUE)andNuseefficiency(NUE)inNorthChinaPlain(Hebe,iChina)[112]a:年均氣溫與糧食產(chǎn)量;b:年降水/灌水量與糧食產(chǎn)量;c:施N量與糧食產(chǎn)量;d:水/N利用效率與糧食產(chǎn)量)4.2!華北平原氮肥用量與糧食產(chǎn)量及水氮利用效率(率)19882007年期間(以河北省歷年相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[112]),年糧食產(chǎn)量隨年平均施氮量的增加呈逐年上升趨勢,氮用量年均增加約為N4.56kgVhm寸a)(從95kgVhmVa上升到180kgVhmVa)(-2圖1c),糧食增產(chǎn)年均約為63.5kgVhm2V-a(從3037kgVhmVa-上升到4360kgVhmVa);-氮肥利用效率(NUE)年均下降約為N0.44kgV-kg-Va)(從32下降到26kgVkgV-1a)。19882007年期間，年氮肥用量的增長速度(約1.9倍)超過了年糧食增產(chǎn)速度(約1.5倍);糧食產(chǎn)量的增加是以NUE的明顯下降為代價(jià)的(圖1d),同時(shí)也增加了環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的壓力。由圖2也可看出,19882007年期間,NUE隨單位氮用量增加呈顯著下降趨勢，說明作物增產(chǎn)的同時(shí)氮肥效應(yīng)呈明顯遞減，而年降水生產(chǎn)效率(PUE)和灌溉水生產(chǎn)效率(IUE)的氮肥響應(yīng)均與年氮肥增產(chǎn)趨勢一致°PUE隨年施氮量增加呈上升趨摑1c和1d),年均增加約為0.21kgVmmVHmV-2a-1(從6.2kgVmmVh?m-Va上升到10.7kgVmm-1VhmV-1a);在一定施氮量范圍如1996年以前氮用量160kg/hm時(shí)）,PUE與施氮量之間呈較好的正相關(guān)（圖2）。根據(jù)20022007年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)1以，此間IUE隨年施氮量增加呈明顯上升趨勢圖1c和1d）,年均增加約為0.72kgVmmVIhmV-a）（從15.1kgVmmV上升到18.7kgVm1mV-2hm1Va）,IUE與施氮量之間呈顯著正相關(guān)（圖2）。4.3!水熱條件及氮肥用量與糧食產(chǎn)量和水氮利用效率的關(guān)系19882007年期間華北平原年水熱條件、氮肥用量及灌水量與年糧食產(chǎn)量、PUE、IUE和NUE的相關(guān)分析表明kg/hm時(shí)）,PUE與施氮量之間呈較好的正相關(guān)（圖2）。根據(jù)20022007年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)1以，此間IUE隨年施氮量增加呈明顯上升趨勢圖1c和1d）,年均增加約為0.72kgVmmVIhmV-a）（從15.1kgVmmV上升到18.7kgVm1mV-2hm1Va）,IUE與施氮量之間呈顯著正相關(guān)（圖2）。4.3!水熱條件及氮肥用量與糧食產(chǎn)量和水氮利用效率的關(guān)系19882007年期間華北平原年水熱條件、氮肥用量及灌水量與年糧食產(chǎn)量、PUE、IUE和NUE的相關(guān)分析表明（表2）,年糧食單產(chǎn)與年平均氣溫呈極顯著正相關(guān)（r=0.726**）,而與年降水量相關(guān)性不明顯（r=-0.031）。這與楊新和延軍平[113]根據(jù)19571999年氣象資料分析河北辛集小麥單產(chǎn)與年均氣溫和年降水量之間相關(guān)系數(shù)分別為0.61和0.058的結(jié)果相一致。分析表明華北平原年均氣溫升高對小麥生長有利，而年降水量與小麥單產(chǎn)關(guān)系不明顯。由于季風(fēng)氣候的影響，降水量集中于79月份，小麥生長期間（10月翌年6月）降雨量僅能滿足小麥蒸散量的26%,水分的虧缺量高達(dá)340mm,必須通過灌溉來解決因此華北平原小麥生產(chǎn)與年降水量關(guān)系不大。表2還顯示,19882007年期間華北平原年糧食hrriVa2-1M多成nz與尸EE.羅指mKrgL-021Y-21

驢=0國!圖2!華北平原(河北省)糧食產(chǎn)量、降水生產(chǎn)效率(PUE)、灌溉水生產(chǎn)效率(IUE)和氮肥利用效率(NUE)與氮肥用量的關(guān)系Fig.2!RelationshipsbetweenNratesandfoodgrainyields,Precipitationuseefficiency(PUE),irrigationwateruseefficiency(IUE)andNuseefficiency(NUE)inNorthChinaPlain(Hebe,iChina)數(shù)據(jù)來源：中國統(tǒng)計(jì)年鑒,19892008[112]表2!華北平原(河北省)年水熱條件和年降水量、氮用量及灌溉水量與年糧食產(chǎn)量和水氮利用效率的相關(guān)性分析[112]Table2!Correlationcoefficients(r)forclimateconditions(meantemperatureandannualrainfall),Nrates,irrigationrates,foodgrainyields,Precipitationuseefficiency,irrigationwateruseefficiencyandNuseefficiencyinNorthChinaPlain(Hebe,iChina)糧食產(chǎn)量年均氣溫年降水量灌水量氮用量降水灌溉水氮肥GrainMeanairAnnualIrrigationN生產(chǎn)效率生產(chǎn)效率利用效率yieldtemperaturerainfallrateratePUEIUENUE糧食產(chǎn)量Grainyield1年均氣溫Meanairtemperature0.726**1年降水量Annualrainfall-0.031-0.491*1灌水量Irrigationrate-0.749-0.0900.0021氮用量Nrate0.900**0.707**0.053-0.805*1降水生產(chǎn)效率PUE0.453H0.721**-0.824**-0.3060.3821灌溉水生產(chǎn)效率IUE0.983**0.617-0.397-0.7850.964**0.7001氮肥利用效率NUE-0.672**-0.595*-0.062-0.679-0.923**-0.2890.934*1!!注:PUE=Precipitationuseefficiency降水生產(chǎn)效率(單位降水量生產(chǎn)的糧食產(chǎn)量,kgVmmV-1hm-2);IUE=Irrigationwateruseefficiency灌溉水生產(chǎn)效率(單位灌溉水量生產(chǎn)的糧食產(chǎn)量,kgVmm-1Vhm-2);NUE=Nuseefficiency氮肥利用效率(單位氮肥生產(chǎn)的糧食產(chǎn)量,kgVkg-1);**r(0.01)=0.606;*r(0.05)=0.482;!Hr(0.10)=0.412由表2看出,PUE和IUE一般均隨年均灌溉水量減少和氮肥用量增加而提高。由此可知，在年降水和灌http:BiA-<'■1994-2011ChinaAcademicJournalEhdromcPuLMishingHouse-.Allrightsrcjsarved.http:BiA-溉水量呈逐年下降趨勢下，年糧食單產(chǎn)的增加可通過氮肥提高作物水分（降水或灌溉水）利用效率而實(shí)現(xiàn)的。Wan等g通過對我國北方旱地農(nóng)田養(yǎng)分管理15a長期試驗(yàn)得出，雨養(yǎng)條件下作物水分利用效率（WUE）因季節(jié)降水變化而呈一個(gè)變數(shù)。WUE變化范圍可從干旱年平衡施肥處理的40kgVmMVKm變?yōu)闈駶櫮陮φ仗幚淼?.5kgVmmV-hm;15a平均WUE變化范圍在1119kgVmmV-hm;平衡施肥（如化肥、秸稈和牛糞合理配施）下的WUE為最高。國內(nèi)先前的研究也表明了水分利用效率與施氮量的正相關(guān)［1L151&25］。國外的相關(guān)研究也有類似的結(jié),1如美國Norwood和Nangia等摩照研究表明，無論在有限灌溉條件下或雨養(yǎng)條件下，作物的水分生產(chǎn)力或水分利用效率均可通過適量施用氮肥而得到提高或改善;Kima等⑶研究指出，水分可提高玉米吸收土壤氮和肥料氮的能力，在水分充足條件下N的利用效率較高。5!結(jié)論與建議近20a來，中國水氮調(diào)控技術(shù)研究已經(jīng)從雨養(yǎng)農(nóng)區(qū)水氮管理發(fā)展到節(jié)水灌溉農(nóng)田氮肥管理，并且隨著中國灌溉農(nóng)區(qū)氮肥環(huán)境污染問題突出，水氮關(guān)系研究不再只是注重旱地農(nóng)田作物產(chǎn)量、水分利用效率，而更多的關(guān)注到集約化灌溉農(nóng)田的水氮環(huán)境及其管理問題。與國外水氮協(xié)同研究相比，中國在農(nóng)田或區(qū)域作物水氮協(xié)同管理模型模擬、預(yù)測預(yù)報(bào)、實(shí)時(shí)監(jiān)測和診斷等方面研究還較薄弱。尤其面對當(dāng)前全球氣候變暖、水資源短缺、氮肥施用過量等引發(fā)的環(huán)境問題，農(nóng)田水氮關(guān)聯(lián)研究及其管理等方面仍為國際上研究的熱點(diǎn)。水氮關(guān)系研究表明，水和氮與作物產(chǎn)量在一定范圍表現(xiàn)為水氮的協(xié)同效應(yīng)；水氮協(xié)同關(guān)系對水氮利用效率有一定影響。水氮利用率雙贏，同時(shí)滿足作物高產(chǎn)和資源環(huán)境安全目標(biāo)存有矛盾，且受到地區(qū)土壤氣候的差異性、不同水熱資源下作物水氮限制因素及其調(diào)控管理模式的特殊性、以及農(nóng)田土壤作物水氮互作間關(guān)系的復(fù)雜性等制約。統(tǒng)計(jì)資料顯示,19882007年期間華北平原年糧食單產(chǎn)與年平均氣溫呈極顯著正相關(guān)，而與年降水量相關(guān)性不明顯。PUE和NUE隨年水（下降趨勢）熱（上升趨勢）變化分別呈顯著上升和顯著下降趨勢。PUE和NUE與糧食產(chǎn)量的關(guān)系分別為較好正相關(guān)和極顯著負(fù)相關(guān)。PUE和IUE一般隨年均灌溉水量減少及氮肥用量增加而提高。適量節(jié)水和減氮分別有助PUE（或IUE）和NUE的改善，尤其在氣候變暖、變干的條件下，適量施氮成為改善水氮利用效率的關(guān)鍵對策。目前中國華北集約化灌溉種植區(qū)，由于每年氮肥投入過量，土壤氮素盈余嚴(yán)重，大部分田塊作物產(chǎn)量對施氮量反應(yīng)不明顯；同時(shí)，由于灌溉不合理，也有田塊表現(xiàn)為作物灌溉效益不明顯。暗示該區(qū)灌溉農(nóng)田冬小麥/玉米種植生產(chǎn)體系節(jié)水減肥增效存在很大空間。研究建議，合理施肥數(shù)量應(yīng)以地區(qū)水分（或灌溉）條件為前提（依水調(diào)控）,減氮的原則應(yīng)建立在經(jīng)濟(jì)施肥目標(biāo)產(chǎn)量（獲取最佳產(chǎn)量）的基礎(chǔ)上（一般也是水分利用效率最大時(shí)）。此外，提高肥料利用率可以通過改善肥料種類（如利用緩釋肥料［11611刀、脲酶抑制劑［】18120］、水肥調(diào)理劑等［121］）、養(yǎng)分元素合理搭配（如測土配方施肥、有機(jī)與無機(jī)肥配施［5,122］）、精確施肥［123124］、診斷施肥（如SPAD葉綠素、NDVI植被指數(shù)、冠層光譜等診斷［3435,125130］）、灌溉施肥、旱地響應(yīng)式施肥管理（Responsenutrientmanagemen如分次施肥等［11］）、水氮管理模型預(yù)測施肥管理（如DSSAT模型、APSIM模型、WNMM模型等［86111］）等水氮協(xié)同調(diào)控管理技術(shù)。然而，水肥資源耦合的合理配置是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，還需要通過區(qū)域范圍田間試驗(yàn)研究和模型分析，因地（氣候、土壤、作物等）而宜進(jìn)行調(diào)控。因此,通過研究特定水氮高投入模式下作物的氣候環(huán)境適應(yīng)力，作物產(chǎn)量與水氮利用效率（率）協(xié)同關(guān)系，確定不同灌溉模式下的土壤作物水氮協(xié)同的參數(shù)范圍，建立以資源、環(huán)境和產(chǎn)量持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)的水氮協(xié)同管理模式，發(fā)展農(nóng)田作物水氮實(shí)時(shí)監(jiān)測和光譜診斷等實(shí)用新型技術(shù)，采用作物水氮協(xié)同管理模型模擬預(yù)測手段，發(fā)揮或挖掘作物水氮協(xié)同效應(yīng)或潛力以及水氮利用效率（率）,仍然是當(dāng)前中國土壤、肥料及水管理研究領(lǐng)域面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。References:［1］!LinB.Chemicalfertilizerandpollutionfreeagriculture.Beijing:ChineseAgriculturalPress,2003:18.［2］!YeQL,RozelleS.FertilizerdemandinChina%sreformingeconomy.CanadianJournalofAgriculturalEconomics,1994,42:191207.［3］!FAO（FoodandAgriculturalOrganizationoftheUnitedNations）.FAOStatisticalYearbook2004,vol1.Roma,Italy:FAO,2005:364.!HefferP,Prud%hommeM.Mediumtermoutlookforglobalfertilizerdemand,SupplyandTrade,20062010,SummaryReport.Paris,France:InternationalFertilizerIndustryAssociation,[74thIFAAnnualConferenceCapeTown,SouthAfrica,57June2006]./ifa/publicat/PDF/2006_cape_town_ifa_summary.pd.f2006.!LinB,LiJK,JinJY.OutlookonfertilizeruseinChinainnextcentury&ResearchProgressinPlantProtectionandPlantNutrition.CAAM.Beijing:ChinaAgriculturePress,1999:345351.!ZhangFS,WangJQ,ZhangWF,CuiZL,MaWQ,ChenXP,JiangFR.NutrientuseefficienciesofmajorcerealcropsinChinaandmeasuresforimprovement.ActaPedologicaSinica,2008,45(5):915924.!WangJQ,MaWQ,JiangRF,ZhangFS.IntegratedsoilnutrientsmanagementandChina%sfoodsecurity.ResourcesScience,2008,30(3):41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