小麦(Triticum aestivum L.)是世界上重要的粮食作物之一,在干旱半干旱地区广泛种植。为了满足日益增加的粮食需求,其中氮肥的使用是最重要的农业管理措施之一,然而随着全球气候变化和氮肥过量的投入,干旱和农业源污染变得越来越严重。如何协同提高小麦产量和资源利用效率,已成为农业研究的主要内容之一。为了明确氮肥和有机肥对旱地冬小麦水氮利用的影响,在田间试验中,设置了不同氮素水平(N0,N60,N120和N180),研究了不同氮肥施用对旱地小麦土壤水分平衡、根系生长、水分吸收、干物质和氮素积累与转运的调控;在盆栽实验中,设置了两种肥料(单施氮肥:CF;氮肥结合有机肥:MC)和灌浆期两种水分处理(正常供水:WW;干旱处理:WS),研究了在相似的氮肥用量下,有机肥对旱地小麦抗氧化酶活性、水分状况、光合参数、干物质和氮素积累、分配和转运的调控。主要结果如下:(1)增施氮肥改善了小麦根系生长,增加了深层土壤中水分吸收和利用,提高了小麦生育期蒸散量(ET_g),降低了成熟期土壤水分含量,增加了开花期生物量、花后干物质积累、花前干物质转运和单位面积籽粒数目。因此,相比不施氮肥处理,N60,N120和N180处理分别提高了营养阶段水分利用效率(WUEb′)16.6%,37.2%和47.4%,而灌浆期水分利用效率(WUEb″)随氮肥增加而显著降低。N60,N120和N180分别增加籽粒产量12.8%,25.4%和34.8%,分别提高籽粒产量水分利用效率(WUEg)5.1%,13.8%和29.3%。这些结果表明氮肥提高旱地小麦水分利用效率(WUEg)主要是因为促进了深层土壤中根系生长和水分吸收,增加了生物量积累,提高了营养生长阶段水分利用效率。然而增加的降雨存储效率和根系生物量并没有阻止土壤水分的过分消耗和土壤有机碳的损失。(2)增施氮肥增加了花前氮素吸收,促进了花前氮素的转运量(NR)及花前氮素对籽粒的贡献率(CNR),最终提高了籽粒氮素浓度、蛋白产量和产量。然而,增施氮肥降低了氮素转运效率(NRE)和氮素收获指(NHI),因此N120和N180处理分别降低了籽粒氮素利用效率(NUtE)19.4%和23.0%,最终导致氮肥偏生产力(PFP)分别降低了44.8%和61.4%。干旱显著抑制了地上部氮素积累,降低了地上部生物量积累、氮素转运量、籽粒产量和NRE,最终导致NHI显著降低。因此,相比丰水年,干旱年份分别降低了NUtE和PFP23.5%和53.6%。以上结果说明较高的氮肥和干旱显著降低了氮肥利用效率(PFP),主要是由于更低的NRE和NHI导致了NUtE显著下降。(3)通过研究有机肥替代部分氮肥施用对植物氮素积累、分配与转运的影响,发现相比单施氮肥处理,有机肥替代部分氮肥并没有显著增加成熟期总氮积累量和氮素吸收效率(NUpE),但是增加了冠层氮素积累,优化了冠层氮素分配,增加了花后氮素吸收,促进了叶片光合能量传递速率,提高了叶片光合作用能力和光合氮素利用效率。因此有机肥替代部分氮肥显著增加了花后干物质积累、籽粒数目和籽粒产量,促进了氮素转运效率(NRE)和氮素收获指数(NHI)。相比对照处理,有机肥替代部分氮肥在WS和WW处理下分别提高NUtE 17.0%和13.5%,分别增加氮肥利用效率(NUE)23.5%和15.0%。这些结果表明,有机肥替代部分氮肥主要通过优化冠层氮素分配促进了光合氮素利用效率,从而提高了氮肥利用效率。结果表明有机肥替代部分氮肥能够使小麦在干旱胁迫下更高效的利用氮素资源。(4)通过研究小麦产量和水分利用效率对有机肥的响应,发现在相似的氮水平投入下,不管干旱还是正常供水,有机肥替代部分氮肥都呈现较高的光合速率(P_n),较低的气孔导度(g_s)和蒸腾速率(T_r),尤其在干旱胁迫下,有机肥处理能够提高叶片保水能力(WRC)和水势(Ψ_w),降低离体叶片水分损失速率(EWLR),通过调节抗氧化酶系统活性减少了叶片在逆境下受到的氧化伤害含量。同时,在干旱(WS)和正常供水(WW)下,有机肥替代部分氮肥处理分别增加了花后氮素吸收81.4%和16.4%,从而延缓了叶片衰老,增强了叶片光合能力。因此,有机肥替代部分氮肥显著增加了花后干物质积累量,籽粒数目和千粒重。最终地,相比对照处理,有机肥替代部分氮肥在WS和WW处理下分别提高灌浆阶段生物量水分利用效率(WUE_B)44.5%和50.9%,分别增加籽粒产量23.0%和15.0%,分别增加籽粒产量水分利用效率(WUE_g)25.0%和23.0%。这些结果表明,有机肥替代部分氮肥提高植物水分利用效率主要是由于增强了光合能力,降低了气孔导度和蒸腾速率,提高了蒸腾效率。我们的结果显示,有机肥替代部分氮肥能够使小麦在干旱胁迫下更高效的利用土壤水分。