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华北平原是中国粮食主产区，冬小麦-夏玉米一年两作是主要粮食生产模式。针对该区粮食生产中水资源匮乏、氮肥过量投入等问题开展上茬作物种植模式对限水灌溉冬小麦水氮利用影响机制研究，对通过改变种植制度优化限水灌溉冬小麦水氮管理、提高水氮利用效率具有重要意义。本研究于2013-2016年连续三年在中国科学院栾城农业生态系统试验站开展田间试验，试验采用二因素设计，主因子为冬小麦上茬作物3种种植模式处理，分别是玉米单作、玉米大豆间作、大豆单作;副因子为实施调亏灌溉模式下冬小麦6个氮肥水平处理，分别是常规施肥、减氮20％、减氮50％、减氮100％、增氮20％、增氮50％。冬小麦调亏灌溉模式选用春一水灌溉模式（特别干旱年份选用春二水灌溉模式）。通过田间调查、室内分析测定了不同处理作物生长过程、耗水过程、氮素积累过程及农田水分、养分平衡，系统研究了不同上茬作物种植模式及施氮水平对限水灌溉冬小麦水氮利用效率的影响，为华北农田节水型种植制度的建立和限水灌溉冬小麦氮肥优化管理提供科学依据。三年田间试验结果表明: 作物种植模式不同对当季农田水分养分影响不同。田间测定结果显示，玉米单作农田水分蒸散量最小，大豆单作最大。农田水分蒸散量大导致雨季降水不能有效补充土壤水分，土壤含水量降低。随种植年限增加，玉米、大豆生育期内不同种植模式间0-2m土壤平均体积含水量差异明显加大，其中大豆单作最低。土壤含水量下降表明土壤储水量减少。随种植年限增加，收获期大豆单作土壤储水量显著下降。因播前土壤储水量对限水灌溉冬小麦生长至关重要，上茬作物不同种植模式收获期土壤储水量变化将影响后茬限水灌溉冬小麦生长发育。大豆单作地上部氮素积累量均大于玉米单作、玉米大豆间作模式，大豆单作农田氮养分量支出大于其它两种模式。 因上茬作物种植模式改变了土壤水分条件而使限水灌溉冬小麦根系在土壤中的生长分布发生改变。玉米单作后茬限水灌溉冬小麦0-100cm土层总根重比单作大豆高13.10％-37.70％，20-100cm土层根长密度比单作大豆高3.19％-8.69％，说明前茬种植大豆限制了后茬限水灌溉冬小麦根系的生长及在深层土壤的分布。大豆单作与玉米单作后茬限水灌溉冬小麦0-200cm土壤耗水占生育期蒸散(ET)比例受降水年型影响表现相反。降水较少年份，玉米单作后茬限水灌溉冬小麦0-200cm土壤耗水占ET比例最大，大豆单作最小;降水较多年份，大豆单作最大，玉米单作最小。降水较多年份，增施氮肥能提高限水灌溉冬小麦总根重，减施氮肥促进30-100cm土壤根系分布。 田间观测结果表明，上茬作物种植模式对限水灌溉冬小麦生育期密度、叶面积指数(LAI)、生物量积累动态的影响大于氮肥，说明土壤水分对限水灌溉冬小麦生长发育起决定性作用，上茬作物不同种植模式因对土壤水分消耗不同而影响冬小麦生长动态最终导致产量产生差异。随种植年限增加，不同作物种植模式后茬限水灌溉冬小麦产量差异显著，大豆单作最低，亩穗数的减少是导致冬小麦产量降低的主要因子。限水灌溉冬小麦产量对氮肥的响应规律受上茬作物种植模式及种植年限的影响。种植第1年，不同种植模式后茬冬小麦产量对氮肥响应规律不明显;种植第2年与第3年，从不施氮肥到施50％氮肥，玉米单作和大豆单作后茬冬小麦产量呈显著增加，但大豆单作均显著低于玉米单作，而且随种植年限增加，后茬冬小麦产量差距显著加大，上述结果表明上茬作物种植模式引起的土壤水分变化对限水灌溉冬小麦产量的影响大于氮肥。限水灌溉冬小麦产量对氮肥响应度降低，限水灌溉下可减少50％施氮量。 田间观测结果显示，玉米单作后茬冬小麦冠温低于大豆单作、玉米大豆间作模式，表明玉米单作后茬限水灌溉冬小麦旺盛生长阶段土壤水分状况好于大豆单作、玉米大豆间作模式。随种植年限增加，因冬小麦产量差异导致不同作物种植模式后茬限水灌溉冬小麦水分利用率(WUE)差异显著。其中，玉米单作最高，大豆单作最低。随氮肥增施，冬小麦土壤耗水、播前土壤储水占ET比例、WUE均呈先增后降趋势，表明在一定范围内增施氮肥一定程度上能够提高限水灌溉冬小麦WUE。玉米单作后茬冬小麦氮肥偏生产力最高，大豆单作最低;大豆后茬土壤硝态氮含量均高于玉米单作、玉米大豆间作模式，表明因大豆单作加重后茬冬小麦水分胁迫，施入土壤氮不能被作物有效吸收，致使氮肥利用率低，土壤硝态氮积累。随氮肥增施限水灌溉冬小麦氮肥偏生产力呈下降趋势，减氮50％可显著提高氮肥利用率、降低20-100cm土壤硝态氮含量。因此，限水灌溉冬小麦应合理减少施氮量。经济效益分析表明，玉米单作后茬冬小麦纯收益最高，大豆单作最低。随氮肥增施冬小麦纯收益、产投比均呈下降趋势。 上述研究结果表明，因上茬作物种植模式耗水量差异影响雨季降水对土壤水分的补充，导致限水灌溉冬小麦播前土壤储水量不同而影响冬小麦地上、地下生长，限水灌溉冬小麦产量、水分利用率(WUE)和经济效益与上茬作物种植模式关系密切。上茬作物种植模式耗水量大将加重限水灌溉冬小麦土壤干旱，抑制氮肥肥效发挥。限水灌溉麦田氮肥投入量与目前农民普遍应用的施肥模式相比，可减少50％施氮量，以135kg/ha为宜。因此，在国家实施的华北地下水压采策略下，冬小麦实施限水灌溉时需要考虑前茬作物种植对雨季降水消耗，并考虑限水灌溉冬小麦在利用氮肥方面与充分灌溉麦田差异，减少氮肥投入。