摘要
华北作为典型的集约化农田区，秸秆不合理利用和地下水过度消耗是限制该地区农业可持续发展的重要因素。明确节水灌溉与秸秆还田对作物产量形成和水氮利用效率的交互作用，对制定适宜的灌溉方式尤为必要。试验于 2020—2022 年进行，以秸秆还田（S1）和不还田（S0）为主区，4 种灌溉方式为副区：地表滴灌（DI）、地下滴灌（SDI）、地下滴灌下的根系交替灌溉（PRI）和漫灌（FP）。结果表明：秸秆还田和灌溉方式均会显著影响地上部生物量、氮素累积量、产量、水分利用效率和氮素利用率。与 S0 相比，S1 条件下的小麦穗数提高了 0.66% ～ 25.55%，其中，SDI 处理产量和氮素积累量最高，分别达 8346.3 和 167.6 kg/hm2 （2020—2021 年）、 8759.3 和 168.5 kg/hm2 （2021—2022 年）。秸秆还田具有提高水氮利用效率的潜力，且 S1 条件下，SDI 处理较 FP 处理显著提高了平均水分利用效率（57.35%）、灌溉水利用效率（97.35%）、氮素利用率（48.75%）、氮素偏生产力（8.75%）。DI、SDI、PRI 处理的两年平均氮素偏生产力较 FP 处理分别增加 4.8%、8.8%、0.6%。相关性分析表明，不同秸秆还田条件下，灌水量的增加会增加土壤含水量，却会显著降低小麦水氮利用效率。综上所述，灌溉方式和秸秆还田均影响小麦产量及水氮利用效率，其中秸秆还田能提高小麦产量和水氮利用效率及土壤表层含水量和无机氮含量。选择秸秆还田下的地下滴灌处理，有利于实现产量和水氮利用效率的协同提升。
Abstract
As a typical intensive agricultural area in northern China，improper use of straw and excessive consumption of groundwater are the key factors limiting the sustainable development of agriculture in this region. In particular，it is necessary to clarify the interaction between water-saving irrigation and straw incorporation on crop yield formation，water and nitrogen use efficiency，and to develop an appropriate irrigation method. The field experiment was conducted in 2020-2022，with two straw practices as the main plots：straw incorporation（S1）and straw removal（S0），and four irrigation methods as sub-plots：surface drip irrigation（DI），subsurface drip irrigation（SDI），partial rootzone irrigation under subsurface drip irrigation（PRI）and flood irrigation（FP）. The results showed that both straw practices and irrigation methods significantly affected aboveground biomass，nitrogen accumulation，yield，water and nitrogen use efficiency. As compared to S0，the number of wheat spikes increased by 0.66%-25.55% under S1. And the the highest yield and nitrogen accumulation were found in SDI treatment，which were 8346.3 and 167.6 kg/hm2 （2020-2021），8759.3 and 168.5 kg/hm2 （2021-2022）， respectively. Straw incorporation had the potential to improve water and nitrogen use efficiency，in which，the average water use efficiency，irrigation water use efficiency，nitrogen use efficiency and partial productivity of nitrogen fertilizer were significantly increased by 57.35%，97.35%，48.75% and 8.75%，respectively，when compared to FP under S1. The twoyear average partial productivity of nitrogen fertilizer of the DI，SDI and PRI treatments were increased by 4.8%，8.8% and 0.6%，respectively，when compared to FP treatment. Correlation analysis showed that increasing irrigation increased soil water content under different straw conditions，but significantly reduced wheat water and nitrogen use efficiency. In conclusion，both irrigation and straw practices affected wheat yield，water and nitrogen use efficiency，in which， straw incorporation was beneficial to increase wheat yield，water and nitrogen use efficiency and soil water and inorganic nitrogen content. Subsurface drip irrigation combined with straw incorporation was recommended to achieve the synergistic improvement of yield and water and nitrogen use efficiency.
华北作为我国典型的半干旱区域，自 20 世纪 80 年代起，冬小麦-夏玉米轮作模式已成为该地区的主要种植模式，其为全国贡献了 67% 的小麦产量和 28% 的玉米产量[1]。为保障粮食高产，该地区进行了长期高量化肥投入，其中高达 50%～70% 氮素不能被作物吸收而造成大量氮素损失，这样不仅增加作物生产成本，还会导致诸多环境问题，并严重制约我国农业的可持续发展[2]。前人研究证明，华北地区小麦季的最优施氮量为 150～240 kg/hm2[3]。除施氮外，灌溉作为农田水分状况的调控措施直接影响土壤水分，而后者则是影响作物干物质量、产量和水氮利用效率的关键驱动因子。该地区冬小麦季的水分亏缺量达 200～300 mm，并主要依靠抽取地下水进行灌溉，从而导致地下水位持续下降[4]，通过 GRACE 卫星监测发现该地区已形成了世界最大的地下水“漏斗区”[5]。
中国各类秸秆年总产量近 109 t，占全球总量的 25%。华北地区秸秆的年产量达全国的 24%[6]。伴随着秸秆禁烧政策的实施和秸秆还田技术的推行等，我国农田作物秸秆已基本实现全量还田[7]。秸秆还田作为一种保护性耕作措施，一方面能改变土壤理化性质并提高土壤有机质含量，实现土壤碳封存，另一方面会与施入的氮肥产生交互作用，影响作物的产量形成，对小麦、玉米作物增产具有积极作用[8]。
综上所述，节水灌溉条件下配合秸秆还田已成为实现该地区地下水资源和肥料可持续利用目标的必然选择。滴灌施肥技术是满足作物水肥需求的一项农业新技术，符合国家农业发展的新要求[9]。研究表明，滴灌通过干旱胁迫改变根系生长和生物量等[10]。Meta 分析研究发现，滴灌的水分利用效率与产量较其他灌溉模式（如漫灌、沟灌等） 提高了 31.2%～45.5%[11]，此外，地下滴灌在产量形成方面较漫灌提高了 14.2%[12-13]。近年来，节水灌溉已有一定的研究，但从研究区域而言，主要集中在西北等严重干旱地区，从研究对象而言，主要集中在设施蔬菜、果树、棉花等经济作物[14-15]。但少有报道不同灌溉方式（地表滴灌、地下滴灌和地下交替滴灌）和秸秆管理（秸秆还田和秸秆不还田）对作物产量形成和水氮利用效率的交互作用。基于以上背景，本试验通过研究两年小麦产量形成、土壤贮水量变化和水氮利用效率，旨在揭示不同灌溉方式联合秸秆还田对小麦产量形成的影响，阐明灌溉方式、秸秆还田和年际对小麦水氮利用效率的交互作用，并为华北地区小麦生产过程中的最优节水灌溉和农田管理的应用提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于 2020 年 10 月至 2022 年 6 月在河北省邢台市宁晋县（37°37′21″N，115°5′28″E）进行，该县是中国北方典型的集约化养殖区，属于暖温带半干旱季风气候，多年平均气温 12.8℃，年平均降水量 449.1 mm。种植模式采用华北平原典型的小麦-玉米轮作制度。试验期间，2020 年小麦季（2020 年 10 月 16 日至 2021 年 6 月 18 日）累积降水量为 139.2 mm，2021 年小麦季（2021 年 10 月 30 日至 2021 年 6 月 9 日）累积降水量为 128.7 mm。试验田土壤类型为钙质潮土，0～20 cm 土层土壤理化性质如下：容重 1.34 g/cm3；pH 8.04；有机质 19.9 g/kg；全氮 1.60 g/kg；有效磷 6.07 mg/kg，速效钾 119.02 mg/kg。
1.2 试验设计
针对小麦-玉米轮作系统设计滴灌施肥一体化试验，试验采用裂区布置，以秸秆还田、秸秆不还田为主区。秸秆还田方式：在小麦秋季收获后，先将麦秸移出，粉碎成 <10 cm 的片段，均匀的施入到耕层土壤中。将前茬的玉米秸秆机械切碎为长度 2～5 cm，然后加入土壤中（S1）或全部移除 （S0）。分别设置 4 种灌溉方式：漫灌（FP）、滴灌 （DI）、地下滴灌（SDI）和地下滴灌系统下的根系交替灌溉（PRI）。所有处理 3 次重复，共计 24 个小区，小区面积为 5 m×8 m。供试小麦品种为 ‘济麦 22’，小麦间距为 15 cm，供试肥料为尿素 （N 46%）、过磷酸钙（P2O5 16%）、氯化钾（K2O 60%），施用量（折纯为 N、P2O5、K2O）分别为 210、135、105 kg/hm2，其中 50% 的氮肥和全部的磷钾肥底施，剩余 50% 的氮肥于拔节期随水滴入，在关键生育期进行采样，每个小区按照S形五点取样法使用土钻取 0～100 cm 每 20 cm 一层5个层次的土壤。籽粒成熟时，在每个小区中央选取 5 m2 收割计产，换算出实际产量。
对于滴灌，滴灌带在地面（DI）或地下土壤 10 cm 深度（SDI 和 PRI）以 30 cm 的间距安装。压力补偿发射器的水流为 0.15 L/h，间距为 30 cm。从小麦季节的返青期（3 月中旬）到收获期进行试验测量。DI 和 SDI 各关键阶段使用的灌溉量通过以下公式计算：
(1)
式中，I 为灌溉水量，m3；S 为灌溉面积，m2；ρ是土壤容重（1.34 g/m3）；p 为土壤湿度比，0.8；h 是湿润土层的深度，0.4 m；θf 为田间持水量，为 34.26%；q1 和 q2 分别表示灌溉上限（85%）和测得的土壤含水量，%；η为灌溉效率，0.95。
PRI 处理在返青后所用灌溉量是 DI 或 SDI 的一半。具体灌溉、施肥时间和数量见图1。
图1试验期间施肥用量和灌溉水量
1.3 观测指标
1.3.1 土壤含水量及硝态氮、铵态氮含量的测定
在小麦播种前及关键生育期（拔节、孕穗、灌浆、成熟期）采集土壤，测定 0～100 cm（每 20 cm 一层）土层土壤含水量及硝态氮、铵态氮、全氮含量。土壤含水量采用烘干法测量，硝态氮、铵态氮含量采用 2 mol/L KCl 浸提-SmartChem 200 全自动化学分析仪测定，土壤全氮含量采用 H2SO4-H2O2 消解-半微量凯氏定氮法测定[16]。即样品在加速剂的参与下，用浓硫酸消煮，再用标准酸溶液滴定。
1.3.2 产量及构成要素
小麦采用随机取样的方法，于成熟期在试验小区每个处理取 3 组重复，每组割取 1 份 1 m 双行小麦，测定其总有效穗数，从中再选取 20 个果穗测定总穗粒数，计算出平均穗粒数；另选取具有代表性的 2 m2 样方并全部割取，用脱粒机将其全部脱粒，测定总籽粒重和千粒重，采用谷物水分测定仪测定籽粒含水量，最终折算含水量为 12.5% 的小麦籽粒产量。
1.3.3 小麦氮素积累量和氮素利用率
于每个小麦生长季的拔节、孕穗、灌浆和成熟期在各小区选取代表性小麦 10 株，清洗干净后放入烘箱于 105℃杀青 30 min，之后 75℃烘至恒重，再称重后粉碎，采用浓硫酸消煮-半微量凯氏定氮法测定全氮含量[16]。氮素利用率的公式：
(2)
(3)
式中，Nup 为小麦地上部吸氮量（kg/hm2）；M 为 10 株小麦烘干重（g）；N 为小麦植株全氮含量 （g/kg）；TBM 为小麦穗数（万穗 /hm2）；ANUE 为小麦氮素利用率（%）；Nap 为施氮量（kg/hm2）。
1.3.4 氮素偏生产力
氮素偏生产力的公式：
(4)
式中，PFP 为氮素偏生产力（kg/kg）；Y 为籽粒产量（kg/hm2）；Nap 为施氮量（kg/hm2）。
1.3.5 小麦水分利用效率
小麦水分利用效率的公式：
(5)
(6)
式中，WUE 为水分利用效率（kg/m3）；Y 为籽粒产量（kg/hm2）；ET 为作物生育期内的耗水量（mm）； P 为生长季降水量（mm）；I 为灌溉水量（mm）； ΔW 为播种前后土壤贮水量变化（mm）。
灌溉水利用效率是指灌溉水分生产率，单位灌溉水量所能生产的农产品的数量[17]。灌溉水利用效率的计算公式：
(7)
式中，IWUE 为灌溉水利用效率（kg/m3）；Y 为籽粒产量（kg/hm2）；I 为灌溉水量（mm）。
1.4 数据统计
采用 Excel 2010 进行数据处理以及表格制作；采用 Origin 9.0 进行绘图；采用 SPSS 21.0 进行方差分析和因素显著性分析，对比不同灌溉处理之间多重比较采用最小显著差数法，灌溉方式、秸秆还田和年份对不同关键生育期干物质积累量、地上部吸氮量、产量及构成要素的交互作用采用三因素方差分析。
2 结果与分析
2.1 小麦地上部干物质积累量
方差分析结果（表1）表明，灌溉方式、秸秆还田和年份对不同生育期地上部干物质积累量的影响存在一定差异，如灌溉方式对小麦全生育期地上部干物质积累量有显著影响；而秸秆还田对小麦拔节期、成熟期地上部干物质积累量有显著影响 （P<0.05），对小麦孕穗期、灌浆期无显著影响；秸秆还田和灌溉方式互作对小麦孕穗期地上部干物质积累量有显著影响（P<0.05）。进一步分析表明，两年的冬小麦在拔节、孕穗均表现为 SDI 处理地上部干物质积累量最高。而在成熟期，以秸秆还田条件下 DI 处理地上部干物质积累量最高，较 FP 提高 6.7%～9.7%；在秸秆不还田条件下，2021—2022 年冬小麦成熟期地上部干物质积累量以 SDI 处理最高。
2.2 小麦氮素积累量
灌溉方式极显著影响（P<0.01）小麦全生育期氮素积累量（表2），而秸秆还田对小麦拔节期和成熟期氮素积累量有显著影响（P<0.05），且秸秆还田和灌溉方式互作对小麦拔节、孕穗期氮素积累量有显著影响（P<0.05）。进一步分析表明，两年度秸秆还田均提高了小麦氮素积累量，其中全生育期氮素积累量以 SDI 处理最高。在秸秆还田条件下，与 FP 处理相比，SDI 处理在小麦拔节和孕穗期的氮素积累量分别增加了 33.9%～50.90% （P<0.05）和 22.1%～24.0%（P<0.05）。两年成熟期氮素积累量平均值表现为 SDI>DI>PRI>FP，其中，在秸秆不还田条件下，2020—2021 年小麦氮素积累量表现为 SDI>DI>PRI>FP，2021—2022 年小麦氮素积累量表现为 SDI>FP>DI>PRI。
表1不同处理下小麦地上部干物质积累量
注：表中结果为平均值 ± 标准差；每列不同小写字母表示同一年份中的结果在 P<0.05 水平上存在显著差异；NS 和 *、**、*** 分别表示差异不显著和在 0.05、0.01、0.001 水平上存在显著性。下同。
表2不同处理下小麦氮素积累量
续表
2.3 小麦产量构成要素
由表3可知，年份对小麦千粒重、穗数、穗粒数有极显著影响（P<0.001），秸秆还田会极显著影响小麦穗数（P<0.001）。所有处理中，千粒重和穗粒数之间均未发现显著差异。就两年度而言，秸秆还田均提高了小麦穗数，然而在秸秆还田条件下，不同灌溉方式之间并未发现显著差异。相同地，秸秆还田会显著影响小麦产量（P<0.01，表3），并提高 4.3%～17.4%（2020—2021 年）、 2.5%～10.2%（2021—2022 年），灌溉方式也会极显著影响产量（P<0.001），然而并不会造成产量的显著差异。在秸秆还田条件下，两年度的产量均以 SDI 处理最高，在 2020—2021 和 2021—2022 年的产量分别为 8346.3 和 8759.3 kg/hm2。
表3不同处理下小麦产量构成要素
续表
2.4 土壤含水量
如图2所示，灌溉方式影响了土壤含水量的变化趋势。0～80 cm 土层常规灌溉处理土壤含水量均高于滴灌施肥处理。两年的结果均表明，FP 处理能保持较高的土壤含水量；常规灌溉处理土壤含水量在 0～40 cm 土层呈下降趋势，在 40～80 cm 土层呈上升趋势，在 80～100 cm 土层呈下降趋势，而滴灌施肥处理在 0～60 cm 土层土壤含水量呈下降趋势，在 60～100 cm 土层呈上升趋势，滴灌施肥处理提高了深层土壤的含水量。各滴灌施肥处理间土壤含水量差异不显著，其中 PRI 处理土壤含水量最低，SDI 处理能保持较高的土壤含水量。两年的秸秆还田对土壤含水量变化影响不同，2020—2021 年土壤含水量于 0～80 cm 土层秸秆还田处理高于秸秆不还田处理，而 2021—2022 年土壤含水量秸秆还田处理低于秸秆不还田处理，随着秸秆还田时间的增加，土壤含水量有降低的趋势。
图2不同处理条件下的小麦土壤含水量
注：a、c 分别是 2021、2022 年秸秆还田下处理，b、d 分别是 2021、2022 年秸秆不还田下处理。下同。
2.5 土壤养分含量
如图3所示，土壤硝态氮含量在 0～80 cm 深度，随着土层深度的增加而逐渐降低。表层土（0～20 cm） 中，2020—2021 年 FP 处理秸秆还田下，土壤硝态氮含量表现为 PRI>SDI>DI>FP； 秸秆不还田条件下，土壤硝态氮含量表现为 SDI>PRI>FP>DI；2021—2022 年 DI 处理的表层土壤硝态氮含量显著高于 FP 处理。两年的秸秆还田均增加了小麦收获期土壤硝态氮含量，其中，与秸秆不还田相比，2020—2021 年秸秆还田条件下 PRI 处理表层土硝态氮含量增加了 60.0% （P<0.05），2021—2022 年秸秆还田条件下 FP 处理表层土硝态氮含量增加了 84.8%（P<0.05）。 20～60 cm 土层两年度小麦收获期土壤硝态氮含量均以秸秆还田下 SDI 处理最高。
土壤铵态氮含量在不同处理之间的变化随着深度差异表现不一（ 图4）。0～20 cm 土层中， 2020—2021 年秸秆还田下，土壤铵态氮含量表现为 SDI>PRI>DI>FP，秸秆不还田条件下，土壤铵态氮含量表现为 SDI>DI>PRI>FP，其中均以 SDI 处理表现最佳，而 FP 处理表现最差。两年的秸秆还田下各处理土壤铵态氮含量均高于秸秆不还田，0～20 cm 土层秸秆还田下 DI、SDI、PRI 和 FP 处理较不还田条件下平均分别提高了 64.06%、77.31%、44.26% 和 50.11%。
图3不同处理条件下的小麦土壤硝态氮含量
图4不同处理条件下的小麦土壤铵态氮含量
如图5所示，土壤全氮含量随土壤深度增加而降低。且 0～40 cm 土层全氮含量显著高于其他土层。0～20 cm 土层常规灌溉处理高于滴灌施肥处理；而深层土壤（80～100 cm）全氮含量滴灌处理高于常规灌溉处理。秸秆还田显著提高了土壤全氮含量，与秸秆不还田相比，DI、SDI、PRI 和 FP 各处理 0～20 cm 土层土壤全氮平均含量分别提高 0.21、0.19、0.24 和 0.19 g/kg。
图5不同处理条件下的小麦全氮含量
2.6 小麦水氮利用效率
由表4可知，总体上 DI 处理小麦的水分利用效率和灌溉水利用效率要高于 FP 处理，两年度冬小麦灌溉水利用效率最高的为秸秆还田下 PRI 处理，平均值为 7.87 kg/m3，SDI 处理为 5.29 kg/m3。水分利用效率最高的为秸秆还田下 PRI 处理，为 3.37 kg/m3， SDI 处理为 2.97 kg/m3。4 种灌溉方式中，PRI 处理的灌溉水利用效率、水分利用效率较高，且与其他处理差异显著，此外，较秸秆不还田，秸秆还田条件下 PRI 处理的灌溉水利用效率增加了 11.7%。
表4不同处理条件下小麦的水氮利用效率
续表
灌溉方式对冬小麦氮素吸收利用具有显著影响 （表4），滴灌施肥处理导致小麦氮素利用率和氮素偏生产力增加。在秸秆还田条件下，DI、SDI、PRI 处理的两年平均氮素利用率较 FP 处理分别增加 13.4%、15.7%、8.3%。两年的小麦 SDI 处理氮肥利用率最高，平均为 47.8%。此外，与 FP 处理相比，滴灌也会提高 0.1%～3.3% 的氮素偏生产力，并以 SDI 处理最高，两年度平均值为 40.7%。
2.7 相关性分析
秸秆还田与不还田条件下灌水量、土壤因子、产量及水氮利用效率的相关性分析如图6所示，灌水量的增加显著增加了土壤表层含水量，但也减少了小麦水分利用效率。在秸秆不还田条件下，灌水量的增加同时也显著减少了土壤表层硝态氮和有机质含量，增加了土壤全氮含量。在秸秆还田条件下，土壤表层含水量的增加降低了氮素利用率。不同秸秆还田条件下，有机质与全氮之间的响应不同，秸秆还田条件下有机质与全氮呈显著正相关，秸秆不还田条件下则相反；相关性分析表明，穗数是影响小麦产量的最主要因素，秸秆还田下的产量还显著受穗粒数的影响。秸秆还田条件下，千粒重与灌溉水利用效率、水分利用效率呈显著正相关，穗粒数和穗数与氮肥偏生产力呈显著正相关；而秸秆不还田条件下，穗数与水分利用效率和氮素利用率呈显著正相关。
图6秸秆还田与不还田条件下灌水量、土壤因子、产量及水氮利用效率的相关性分析
注：灌水量为两年平均值；土壤因子为两季关键生育期 0～20 cm 土层含量的平均值。IWUE、WUE、PFP、ANUE 分别表示灌溉水利用效率、水分利用效率、氮肥偏生产力、氮素利用率。
3 讨论
3.1 灌溉方式与秸秆还田对小麦产量的影响
滴灌在实现节水的同时，会营造土壤水分亏缺环境，从而诱导作物根系生长，并促进作物对深层水分的吸收和利用，从而提高生物量[18-19]。植物营养生长时期缺水会阻碍硝态氮的吸收，不利于作物氮素的积累，从而影响到后期氮素向籽粒的转移[20]。滴灌能适时适量的供给水分，有效提高水分利用效率，进而提高作物氮素转移和氮素积累量（表2）。本研究发现，小麦全生育期地上部干物质积累量以及氮素积累量滴灌处理均高于常规灌溉处理，这与贾国燏等[21]的研究一致。漫灌由于灌水后短期内表层土壤含水率较高，土壤蒸发量较大，增加无效蒸发耗水，小麦植株在灌溉后一段时间内由于缺水将影响养分吸收[22]，因此滴灌较漫灌能够提高小麦千粒重、穗数和结实率。这也是本试验滴灌施肥处理提高小麦千粒重和穗数的主要原因。千粒重和穗数的增加导致了小麦产量的增加。本试验 DI 处理较 FP 处理增产 4.8%，SDI 处理较 FP 处理增产 8.9%。
秸秆还田会提高土壤肥力、改善土壤理化性质、增加土壤碳氮比并影响土壤微生物活性等，从而间接影响小麦生长和产量形成[23]。秸秆还田后，一方面会被微生物作用降解释放氮、磷等养分，提高土壤养分含量。另一方面会影响微生物熵（土壤微生物生物量碳与土壤有机碳的比值），提高微生物活性[24]，并直接影响小麦产量。大量研究均证实秸秆还田较秸秆不还田能增加作物产量[25]。本研究表明，滴灌处理下，秸秆还田提高了小麦产量，并且较漫灌处理下，产量提升更为显著。在产量构成要素中，两年度秸秆还田均提高了小麦的穗数，但小麦千粒重、穗粒数在第一年秸秆还田条件下有所降低。但最终产量仍以秸秆还田处理更高，说明穗数变化是影响秸秆还田下小麦产量的主要原因。这与黄婷苗等[26]研究结果一致。这是因为秸秆还田使微生物活动作用强，施入的无机氮肥可能被较多地运输给小麦植株，在小麦生长前期增加分蘖，使穗数增加。而滴灌条件下的秸秆还田，可以使氮素更好的向植株运移，最终使得小麦增产，并提高氮素利用率和氮素偏生产力 （表4）。
3.2 灌溉方式与秸秆还田对土壤氮素积累和地上部氮素积累量的影响
土壤中的有机态氮经矿化作用生成的无机态氮，包括硝态氮和铵态氮，是作物吸收氮素的主要来源[27]。硝态氮是旱地土壤中氮素存在的主要形式，其易随土壤水分移动，是作物能够直接吸收利用的速效性氮素。在有限的水分供应条件下，土壤中大部分硝态氮均集中在土壤上层[28]。本研究也发现类似规律，即 0～20 cm 土层土壤硝态氮含量显著高于深层土壤。然而漫灌由于灌水量较大，导致硝态氮淋溶的强度和深度都增加，使得滴灌处理的表层硝态氮含量要高于漫灌处理，而深层硝态氮含量却低于漫灌处理。铵态氮是能被作物快速吸收的有效态氮，由于滴灌处理直接将肥料施用到根系附近，使植株快速吸收。使得滴灌处理下土壤铵态氮的含量要低于漫灌处理，同时滴灌会促进冬小麦根系深扎，发达的深层根系又增强小麦对深层氮素的利用，有利于截获夏玉米季淋溶到下层土体的肥料氮，从而减少肥料氮的损失[29-30]。
秸秆还田可以有效改善土壤结构、减少土壤水分蒸发，进而提高土壤含水量[31]。秸秆还田条件下土壤表层含水量要高于秸秆不还田。但随生育期推进至冬小麦收获，气温的不断升高进一步加快玉米秸秆的腐熟与分解，使秸秆自身水分含量不断减少，从而对土壤水分的增加作用减弱[32]。而本研究指出，在滴灌条件下，秸秆还田对土壤水分的保持具有更明显的作用。秸秆中有机态氮也是小麦生长发育的重要氮源。在本研究中，秸秆还田显著提高了土壤中无机态氮的含量，尤其在秸秆还田的第二年，秸秆还田提高了土壤表层硝态氮含量 22.3%～62.6%。这可能是因为秸秆腐解后在小麦生育后期的供氮作用凸显，提高了土壤无机态氮含量。
3.3 灌溉方式与秸秆还田对小麦水氮利用效率的影响
滴灌通过直接减少灌溉用水量，从而直接提高灌溉水利用效率及水分利用效率，本研究发现小麦水分利用效率在 0.88～3.37 kg/m3 之间，灌溉水利用效率在 1.20～8.17 kg/m3 之间。聂紫谨等[33]研究发现，在枯水年和平水年，滴灌量比漫灌对照减少 45～105 mm 的情景下产量差异不显著，但平均年水分利用效率能提高 16.62%，这主要是由于漫灌的灌水量大，导致耗水量显著增加，降低了作物的水分利用效率，因此年份也会显著影响水分利用效率（表4），主要是由于年际间的降水量差异等导致。另外滴灌施肥处理是根据作物需要精准控制施肥量和灌溉量，相比其他的灌溉方式具有良好的均匀性[34]。水氮投入会显著改变土壤水分及养分状况，进而促使土壤具备了对小麦生长发育的调控能力[35]。本研究表明滴灌处理表层含水量低于常规灌溉处理，这是由于滴灌通过对根区土壤进行长时间、低流量的局部供给，基本上不会产生地表径流，不仅有利于提高水分利用效率，而且有利于维持中后期根区土壤适宜的水肥状况，从而促进小麦养分的吸收，并协同提升了小麦氮素利用率与氮素偏生产力。
本研究指出，秸秆还田可以提高小麦水分利用效率和灌溉水利用效率，这是由于秸秆还田可以降低土壤容重、增加土壤孔隙度，从而有利于增强土壤水分的保蓄能力。滴灌处理较漫灌处理提高幅度更为显著，这是由于滴灌的湿润深度集中在 0～60 cm 土层，提高 0～60 cm 土层根系吸收水分效率，减少滴灌深层渗漏量，从而有效提高作物的水分利用效率和灌溉水利用效率。同时，本研究滴灌下的秸秆还田显著提高了小麦氮素利用率和氮素偏生产力，这是因为秸秆还田增加了小麦拔节、孕穗期植株氮素积累量，提高氮素向籽粒的运转量。赵鹏等[36]研究也认为，秸秆还田增强了氮素再利用能力，优化了氮素分配，增加了籽粒含氮量，从而提高了氮素利用率。秸秆还田与滴灌均可提高小麦产量与水分利用效率，适宜的水分供给是实现小麦高产高效的重要前提，而秸秆还田蓄水保墒的能力又对小麦生长发育起到了积极作用。秸秆中含有丰富的氮元素可有效培肥地力，可以提高小麦根系对养分的吸收能力，促进地上部氮素吸收，同时改善土壤温度，从而提高产量与水分利用效率，即节约了水资源，也提高了土壤的可持续利用效率。
4 结论
灌溉方式和秸秆还田会显著影响小麦产量及水氮利用效率。在不同灌溉条件下，小麦植株干物质积累量、氮素吸收量和产量均以 SDI 处理最高。 PRI 较 FP 和 SDI 处理分别节水 65.7% 和 38.1%，显著提高了小麦水分利用效率和灌溉水利用效率，但具有减产和降低小麦氮素利用率和氮素偏生产力风险。与 FP 处理相比，SDI 处理水氮利用效率均显著提高。滴灌处理下，秸秆还田提高了小麦产量。两年的秸秆还田均提高了小麦穗数。同时，秸秆还田有利于提高土壤表层含水量和土壤无机态氮含量，从而提高小麦的水氮利用效率。因此，选择秸秆还田下的地下滴灌处理，有利于小麦生长、籽粒产量和水氮利用效率的协同提升，是能够在保障小麦产量的同时提高水氮利用效率的科学灌溉施肥模式。