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        黃土旱塬耕作方式和施肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用特性的影響

        2017-04-07 00:55:47張建軍樊廷錄黨翼趙剛王磊李尚中王淑英王勇
        關(guān)鍵詞:耗水量耕作利用效率

        張建軍,樊廷錄,黨翼,趙剛,王磊,李尚中,王淑英,王勇

        (1甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所,蘭州 730070;2甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730070)

        黃土旱塬耕作方式和施肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用特性的影響

        張建軍1.2,樊廷錄1.2,黨翼1,趙剛1,王磊1,李尚中1,王淑英1,王勇1

        (1甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所,蘭州 730070;2甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730070)

        【目的】探討耕作方式與施肥措施對(duì)隴東黃土旱塬黑壚土冬小麥-春玉米輪作農(nóng)田冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率及耗水特性的影響?!痉椒ā恳栽O(shè)在半濕潤(rùn)偏旱區(qū)甘肅省鎮(zhèn)原縣連續(xù)12年的耕作與肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為平臺(tái),采用裂區(qū)設(shè)計(jì),以傳統(tǒng)耕作和免耕為主處理,CK、N、P、M、NP、NMP為副處理,栽培制度為1年春玉米-3年冬小麥輪作,研究了不同耕作方式及施肥措施條件下的冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率、耗水特性及產(chǎn)量與耗水量的關(guān)系。【結(jié)果】在產(chǎn)量方面,相同耕作方式以有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施或無(wú)機(jī)肥配施高于有機(jī)肥或無(wú)機(jī)肥單施,有機(jī)肥單施優(yōu)于化肥單施,磷肥單施優(yōu)于氮肥單施;耕作方式間為傳統(tǒng)耕作高于免耕。在水分利用特性方面,無(wú)論何種耕作方式及降雨年型,不同施肥措施在不同年份均以NMP水分利用效率最高,顯著高于CK和其他處理,平均水分利用效率大小順序?yàn)镹MP>NP>M>P>CK>N,傳統(tǒng)耕作和免耕NMP較CK分別增加84.0%和84.1%;相同施肥措施中傳統(tǒng)耕作高于免耕,NMP傳統(tǒng)耕作較免耕增加13.6%。不同耕作方式及施肥措施冬小麥階段耗水量與降雨量密切相關(guān),其中NMP總耗水量相對(duì)較高,傳統(tǒng)耕作干旱年、平水年、豐水年較CK分別增加了3.0%、4.4%、31.4%,免耕分別增加了10.2%、1.5%、25.7%,且NMP明顯降低了播種—返青階段耗水量及占總耗水量的比例,增加了返青—成熟階段耗水量。耕作方式間總耗水量變化趨勢(shì)基本為干旱年傳統(tǒng)耕作高于免耕,豐水年和平水年免耕高于傳統(tǒng)耕作,而降雨年型間總耗水量變化不一致。另外,無(wú)論何種降雨年型,不同耕作方式及施肥措施均在60 cm土層含水量呈拐點(diǎn)變化趨勢(shì),但拐點(diǎn)處含水量變化不同,其中NMP低于CK及其他施肥處理,變化順序?yàn)樨S水年>平水年>干旱年。不同施肥措施的邊際水分利用效率以NMP最高,耕作方式為傳統(tǒng)耕作高于免耕?!窘Y(jié)論】無(wú)論何種耕作方式及降雨年型,不同年份NMP冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率及邊際水分利用效率均最高,收獲期60 cm土層處含水量出現(xiàn)低值??偤乃恳訬MP相對(duì)較高,且NMP有利于降低播種—返青階段耗水量及其占總耗水量的比例,增加返青—成熟階段耗水量和0—200 cm土層貯水量的消耗。耕作方式及施肥措施間冬小麥水分利用效率、邊際水分利用效率均為傳統(tǒng)耕作高于免耕。因此,綜合考慮冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率及耗水特性,認(rèn)為無(wú)論何種降雨年型,采用傳統(tǒng)耕作結(jié)合有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施是本試驗(yàn)條件下的最優(yōu)耕作施肥組合模式。

        黃土旱塬;耕作與施肥;冬小麥;耗水特性;水分利用效率

        0 引言

        【研究意義】甘肅黃土旱塬半濕潤(rùn)偏旱區(qū)位于甘肅省東部的慶陽(yáng)、平?jīng)龅貐^(qū),該區(qū)地表水和地下水資源匱乏,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水完全依靠有限的自然降水,屬典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。該區(qū)冬春季干旱多風(fēng),降水時(shí)空分布不均且變率較大,年降雨量450—600 mm,蒸發(fā)量大,小麥主要耗水階段(3—6月)的降水只占年降水的20%—40%,而其中僅有約60%可供冬小麥利用,大部分降水集中在7—9月的休閑期,降水與冬小麥生長(zhǎng)需求嚴(yán)重錯(cuò)位[1-4],易造成冬小麥生育期水分虧缺[5]。加之土壤比較貧瘠,水分成為影響該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要限制因素。因此,在中國(guó)西北黃土旱塬區(qū),尋求有效的耕作施肥制度最大限度蓄住天上水,保住土壤水,提高作物水分利用效率已成為該區(qū)冬小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)是土壤學(xué)、農(nóng)學(xué)和生態(tài)學(xué)等研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)性工作,是揭示長(zhǎng)期不同施肥模式對(duì)土壤生產(chǎn)力、養(yǎng)分循環(huán)與平衡、耕地質(zhì)量、作物產(chǎn)量及農(nóng)田生態(tài)環(huán)境影響的重要研究手段,對(duì)指導(dǎo)合理施肥、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等,均具有十分重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值[6-8]。已有研究表明[9-14],較傳統(tǒng)耕作,休閑期免耕具有良好的抑蒸保墑作用,休閑期深松可提高降水的蓄保能力。柏?zé)樝嫉萚15]研究表明,免耕/深松和深松/翻耕輪耕處理比傳統(tǒng)連續(xù)翻耕增產(chǎn)9.1%和7.6%,水分利用效率提高9.6%和11.0%。張海林等[16]研究表明,免耕土壤蓄水量比傳統(tǒng)耕作增加約10%,水分利用效率提高約10%。免耕在保持土壤水分,提高土壤的蓄水能力方面具有顯著作用。目前,中國(guó)西北黃土高原旱作區(qū)20年以上的肥料定位試驗(yàn)有甘肅平?jīng)觯ㄊ加?979年)和天水(始于1982 年)、陜西長(zhǎng)武(始于1984年)和安塞(始于1983年)[17-18]。這些長(zhǎng)期定位試驗(yàn),主要監(jiān)測(cè)不同施肥措施下作物產(chǎn)量、土壤肥力及理化性質(zhì)等的變化,很少有涉及耕作與施肥及其互作效應(yīng)對(duì)作物耗水特性影響的系統(tǒng)報(bào)道。【本研究切入點(diǎn)】中國(guó)西北黃土旱塬已有的長(zhǎng)期肥料研究主要集中在施肥的產(chǎn)量效應(yīng)、養(yǎng)分含量及土壤物理結(jié)構(gòu)的變化方面,而對(duì)耕作與施肥及其互作條件下的作物水分利用效率、階段耗水特性及產(chǎn)量與耗水量的變化關(guān)系等方面未見(jiàn)系統(tǒng)報(bào)道?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以布置在甘肅省鎮(zhèn)原縣黑壚土上的耕作與肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)(始于2005年)為平臺(tái),通過(guò)對(duì)耕作與施肥及其互作條件下的冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率、階段耗水特性及產(chǎn)量與耗水量變化關(guān)系的研究,探討肥力差異與耕作措施的互作效應(yīng)對(duì)冬小麥耗水特性的影響,篩選耕作與施肥的最佳組合模式,為實(shí)現(xiàn)西北黃土旱塬有限水資源的高效利用和旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        試驗(yàn)于 2005—2016年在位于甘肅省慶陽(yáng)市鎮(zhèn)原縣(35°29'42″ N,107°29'36″ E)的農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與施肥科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行,該區(qū)多年年均降雨量540 mm左右,其中7—9月份占60%,年蒸發(fā)量1 532 mm,年均氣溫8.3℃,無(wú)霜期170 d,海拔1 279 m,為暖溫帶半濕潤(rùn)偏旱大陸性季風(fēng)氣候,屬典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。為便于分析,本文采用“生產(chǎn)年”概念劃分不同降水年型(表1),即從上季小麥?zhǔn)斋@后的7月至翌年的6月為小麥生產(chǎn)年,以生產(chǎn)年平均降水量增減在10%以內(nèi)為常態(tài)年,減少10%以上為干旱年,增加10%以上為豐水年[19]。

        表1 試驗(yàn)?zāi)甓鹊慕邓晷蚑able 1 Precipitation in experiment years

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)采用二因素裂區(qū)設(shè)計(jì),耕作為主處理,設(shè) 2個(gè)水平,分別為傳統(tǒng)耕作和免耕;施肥為副處理,設(shè)6個(gè)水平,分別為(1)不施肥處理(對(duì)照,CK);(2)施氮處理 150 kg N·hm-2(N);(3)施磷處理105 kg P2O5·hm-2(P);(4)施農(nóng)家肥(腐熟的純牛糞)處理22 500 kg·hm-2(M);(5)施氮磷處理 150 kg N·hm-2+105 kg P2O5·hm-2(NP);(6)施氮磷肥+農(nóng)家肥處理 150 kg N·hm-2+105 kg P2O5·hm-2+農(nóng)家肥(腐熟的純牛糞)22 500 kg·hm-2(NMP)。小區(qū)面積72 m2(8 m×9 m),3次重復(fù)。常規(guī)耕作分別于作物收獲后和播前各耕作一次;免耕在作物收獲后至播種前,不攪動(dòng)土壤,利用前作殘茬覆蓋地表。小區(qū)為固定小區(qū),施肥采用定位施肥,氮肥50%作基肥,50%作追肥于返青期開(kāi)溝施入。農(nóng)家肥和磷肥播前一次性撒施,傳統(tǒng)耕作結(jié)合播前旋耕施入,免耕撒施后采用耙磨結(jié)合播前開(kāi)溝施入。作物種植方式采用1年玉米—3年冬小麥輪作,人工開(kāi)溝播種。為了有效控制因品種差異導(dǎo)致的試驗(yàn)結(jié)果誤差,本研究執(zhí)行期間采用同一冬小麥品種隴鑒301,播量157.5 kg·hm-2,該品種為自育冬小麥品種,是試驗(yàn)研究常用品種,其具有抗逆性強(qiáng),豐產(chǎn)性好的特征,其他管理措施按常規(guī)要求實(shí)施。

        1.3 測(cè)定項(xiàng)目

        1.3.1 土壤含水量測(cè)定及水分利用效率計(jì)算 采用烘干稱重法測(cè)定。每一個(gè)生產(chǎn)年在冬小麥播種、苗期、返青期、拔節(jié)期、開(kāi)花期、收獲期,采用土鉆人工分層取土測(cè)定每個(gè)小區(qū)0—200 cm土層的土壤含水量,每 20 cm為一個(gè)測(cè)定層。小麥生育期降雨量通過(guò)MM-950自動(dòng)氣象站記錄儀獲得。利用土壤水分平衡方程計(jì)算每個(gè)小區(qū)作物耗水量(ET)。

        ET(mm)=播前土壤儲(chǔ)水量-收獲后土壤儲(chǔ)水量+生育期降雨量。

        WUE(kg·hm-2·mm-1)=籽粒產(chǎn)量/耗水量

        1.3.2 產(chǎn)量測(cè)定 成熟時(shí)按每個(gè)小區(qū)實(shí)收計(jì)產(chǎn),水泥曬場(chǎng)自然風(fēng)干后,采用PM-8188-A谷物水分測(cè)量?jī)x測(cè)定籽粒含水量,然后折算成14%含水量條件下的公頃產(chǎn)量。

        1.4 數(shù)據(jù)分析方法及軟件

        采用Microsoft Excel 2010軟件處理數(shù)據(jù)及繪圖,DPS 7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,最小顯著極差法(LSD)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05和P<0.01)。

        2 結(jié)果

        2.1 不同處理不同年份冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率

        變化

        對(duì) 9年冬小麥產(chǎn)量的綜合分析表明,年份(P<0.0001)、耕作方式(P<0.0001)和施肥(P<0.0001)對(duì)旱地冬小麥產(chǎn)量影響極顯著,除耕作方式×施肥、耕作方式×施肥×年份對(duì)產(chǎn)量的交互作用不顯著外,其余兩因素交互作用均極顯著(表2)。

        在產(chǎn)量方面(表3),在耕作措施一定的情況下,生產(chǎn)年內(nèi)冬小麥產(chǎn)量主要隨施肥措施的變化而變化,年際間則主要隨降水量的變化而變化。生產(chǎn)年份內(nèi),不論耕作方式如何,冬小麥產(chǎn)量均隨施肥措施的不同而顯著不同,均以 NMP處理產(chǎn)量最高,其次為 NP處理,都與對(duì)照達(dá)到顯著水平(P<0.05)。而肥料單施以M處理產(chǎn)量最高,P處理大于N處理,不施肥的CK絕大多數(shù)年份產(chǎn)量最低。年際間在耕作與施肥量不變的情況下,冬小麥產(chǎn)量表現(xiàn)為豐水年>平水年>干旱年,差異達(dá)極顯著水平。從平均產(chǎn)量來(lái)看,不同耕作方式各肥料措施產(chǎn)量順序?yàn)镹MP>NP>M>P>CK>N。傳統(tǒng)耕作NMP、NP、M、P處理依次較CK增加88.0%、71.9%、30.8%、15.6%,而N處理產(chǎn)量與CK差異不顯著,較P處理降低了13.9%;免耕NMP、NP、M、P處理依次較CK增加了109.3%、86.9%、44.6%、15.8%,N處理較CK、P處理分別減少了4.9%、21.9%。NMP、NP、M、P、N、CK處理傳統(tǒng)耕作較免耕依次增加了14.8%、18.2%、16.3%、28.3%、34.6%、21.1%,表現(xiàn)為傳統(tǒng)耕作較免耕增產(chǎn)幅度大的基本規(guī)律。

        水分利用效率表現(xiàn)出與產(chǎn)量一致的變化規(guī)律,不同年份不同耕作方式均以 NMP處理水分利用效率最高(表 4)。從平均水分利用效率來(lái)看,變化順序均為NMP>NP>M>P>CK>N,差異顯著。傳統(tǒng)耕作中NMP、NP、M、P處理較CK依次分別增加84.0%、64.0%、24.0%、16.0%,N處理較CK減少了4.0%;免耕中NMP、NP、M、P處理較CK依次分別增加84.1%、61.4%、34.1%、13.6%,N處理較 CK減少了 11.4%。相同施肥措施下,傳統(tǒng)耕作水分利用效率高于免耕,NMP、NP、M、P、N、CK依次分別增加 13.6%、15.5%、5.1%、16.0%、23.1%、13.6%。

        試驗(yàn)結(jié)果再次佐證了水肥調(diào)控,有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施或無(wú)機(jī)肥配施是半濕潤(rùn)偏旱區(qū)冬小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要途徑。

        表2 年份、耕作方式和施肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量的方差分析Table 2 Analysis of variance on years, tillage method and fertilizer on yield of winter wheat

        2.2 不同處理對(duì)冬小麥各生育階段耗水量及總耗水量的影響

        不同耕作方式及施肥措施冬小麥0—200 cm土層總耗水量顯著不同,耗水量與生育階段降雨量密切相關(guān)(表5)。不同耕作方式及降雨年型NMP處理總耗水量相對(duì)較高,均高于 CK,傳統(tǒng)耕作干旱年、平水年、豐水年較CK分別增加了3.0%、4.4%、31.4%,免耕分別增加了10.2%、1.5%、25.7%,耕作方式間總耗水量干旱年傳統(tǒng)耕作高于免耕,豐水年和平水年免耕高于傳統(tǒng)耕作,降雨年型間各施肥措施總耗水量變化不規(guī)律。

        播種—返青期冬小麥要經(jīng)過(guò)冬春季土壤凍融階段,此階段冬小麥大約有4個(gè)月左右時(shí)間基本停止生長(zhǎng),土壤水分消耗以無(wú)效土壤水分蒸發(fā)為主,階段耗水量占總耗水量的比例相對(duì)較高。另外,因有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施的水肥效應(yīng),冬前苗壯,植被覆蓋度高,冬春季耗水量明顯低于CK。

        .0.1量產(chǎn)ield±869±898均平Meany.2eC1962.9eC1952016 -2201536.6b 1785.7b 13015 -2c c 201483.92387.52213-2014 .4b .3b 2011871234012 -22011.7c 3537.9c 3546m-2) ears(kg·h10-2011 .5d .0d 2015341550fertilizertreatmentsindifferenty0 2009-2014.5cc 660.5b708 00-2b ab20072764.52944.5化7變量dsand.5a .5a產(chǎn)2006-20022542314麥etho小冬份年05-2006 .0b .0c同2015961612不施措ithdifferenttillagem肥t en施理N及處CK式fyieldwTreatm方作耕同Changeso3 不式ethod Table3作naltillage方耕itio表作統(tǒng)耕Tillagem傳Trad8.9 92C±.3dB226879.7b 19c 75.725.6b 1345.1c 4018.5c 2332c 7.5b96ab3159.0.5a 2332.0d 1704P 8.0 ±107.3cB256737.5b 1977.0b 29.9b 1404.9b 4761.5c 2644b 1222.5ab3342.0.0a 2631.0bc2184M ±986.4.8bA3372a 40.628a 86.237.4a 2875.0a 5712.5b 3301a 2808.0a 3780.0.5a 2668.0ab2583NP±1015.9 .1aA3689a 56.734a 39.538.0a 3121.2a 6168.0a 3861a 3283.5ab3828.0.5a 2833.0a 2814P NM6.3 58.6C±.1cd±7581526.6dC1450c 45.714897.4d84.9b 15887.7c773.1d614.2d.9d 2470.1d 2793.5d 1513.5d 15640.0c510.0c57bc1806.0b 2013.5.0b 1782.0ab2004.9b 1848.4b 1711CKN耕免Notillage.0±541.9cC176724.6bc1774.6b 17.8c 1080.4d 2331.5c 2245c 6.0b87c 1602.0.5a 2473.0ab1803P .3±792.2bB220787.0b 19a 14.622.5b 1533.2c 3965.5b 2530b 1126.5bc1975.5.5a 2485.8ab2046M .4±751.9aA2852a 31.028a 09.023.7a 2882.8b 4744.0b 2559a 2349.0a 3027.0.0a 2511.4a 2462NP.3±937.6aA3194a 93.832a 62.125.3a 3060.4a 5514.5a 3502a 2760.0a 3010.5.0a 2580.7a 2467P NMaluePV值P 0.0430—0.0001—0.00950.0001940.10010.00960.00010.000.14420.00010.11670.00010.00090.00030.22380.09770.66740.0001)d(B)(B式etho)方(C作料耕Tillagem肥Fertilizer(C)析分A差OV方AN0.9584—0.0164160.00350.060.01690.64130.55440.89600.0360C B×easbelowhesam5,respectively.T<0.01andP下同<0.0。著顯異差平水0.05和icatesignificantdifferencesatPP<0.01P<nind在示ecolum表別分母字寫(xiě)小、大ercaselettersinthesam的應(yīng)對(duì)后據(jù)數(shù)列tcapitalandlow同中表Differen

        n量水tal ptio耗4.1d5.9c4.1b總Toconsum404144Ratio(%)例.6.91315.215eriodindifferentprecipitationyears(mm)期獲aturity收比量ption—水c c期耗nsum54.9d 66.067.3花開(kāi)AnthesistoMCo雨量降94.394.394.3Precipitation .1例比Ratio(%)27.730.630期花thesis開(kāi)An量ption—toheatgrowthp期水耗nsum節(jié)tingCo109.6d127.5c135.9ab拔inJo量雨降282828interwPrecipitation比例Ratio(%).816.614.517期節(jié)ption拔—.0e .8f RevivaltoJointing nsum.5d水68Co耗期6077量青返雨降Precipitation tionindifferentperiodsofw86量8686例比mp的例比量Ratio(%)42.538.936.8水n耗期青總aterconsu返Revival量ptio—to占耗171.6a其種ConsumSowing161.6b163.4b量及量水播水雨.1.1.1耗降595959段Precipitation階育生理ent各處Treatm冬mp麥小tionamountsandratiostototalwCKN P型式年方eod作雨作Tillagmeth耕降aterconsu耕統(tǒng)tillage同傳Traditional ) 5 不型年tation年alyear rm表Table5W水水降Typeof precip平No014-2015(21.4c43.915c 68.894.3.331135.0ab 28.219.9c 828633.5144.7c.159M 6.2a45.426120.3b94.3.929136.3ab 28.719.0b 908624.0109.6d.159NP1.9c42.930130.4a94.3.033139.3a28.522.9a 948613.6.3e 57.159P NM2.8a446.0c38.818.32183.3d 82.2d 94.394.3.624.427109.1c105.6d2828.329.518129.8a.6c 71868627.232.8120.6b126.7b.159.159CKN e耕tillag免No2.8a43.423101.3c94.3.728124.1b28.916.3c 738631.0134.1a.159P 0.1b41.830126.5b94.3.327111.9c28.711.0e 488630.2123.7b.159M 2.3b41.431129.6b94.3.729122.5b28.514.9d 598624.3100.3c.159NP9.5a44.929134.2a94.3.330136.0a28.419.0b 878620.5.3d 92.159P NM6.6b479.1a493.6a49.424.327.028116.2c136.3b138.3b53.253.253.2.926.727.027128.0c138.5b133.4b4.2 4.2 4.2 .523.421.920112.0a106.7b103.4b18.718.718.725.323.624.0120.4a117.6b118.5b.646.646.646CKN P作耕e統(tǒng)傳Traditional tillag)年ear旱干Dryy007-2008(28.8a49.328141.1b53.2.226130.9b4.2 .023114.5a18.722.5112.3b.646M 0.9a49.831156.2a53.2.827136.5b4.2 .321104.7b18.719.0.5c 93.646NP0.8a49.333163.5a53.2.628140.3a4.2 .518.6c 9018.719.6.4c 96.646P NM0.5d449.9a52.227.327119.9d144.9a53.253.2.022.224.9c 96128.3b4.2 4.2 .227.329119.6b155.3a18.718.723.619.1104.1a101.4a.646.646CKN e耕tillag免No6.0c35.635126.7d53.2.624.7d 874.2 .016.9d 5618.723.8.7b 84.646P 2.8c35.336128.2c53.2.129102.6c4.2 .620.8c 7218.713.9.2c 49.646M 8.2b48.329132.8b53.2.728140.2a4.2 .725125.3b18.716.4.9b 79.646NP5.6b48.230146.5b53.2.529143.3a4.2 .523114.1b18.716.8.7b 81.646P NM

        n量水tal ptio耗1.1c5.6b5.0d總Toconsum374234例.7Ratio(%)25.730.0aturity 18比期獲收量ption—水期耗nsum95.4d 62.2f花130.7c開(kāi)AnthesistoMCo雨量降44.844.844.8Precipitation比例Ratio(%).228.929.028期花開(kāi)Anthesis量ption—水.6d期to耗nsum96節(jié)tingCo104.5c127.1b拔inJo量雨降66.166.166.1Precipitation比例Ratio(%).416.616.120期節(jié)拔量ption—水.0d .6c .2c期耗nsum617069青Co返RevivaltoJointing量雨降25.425.425.4Precipitation比例Ratio(%)29.722.833.9期n青返Revival量ptio—to水.2c種耗110.2a97117.0a播SowingConsum量雨降Precipitation 146.2 146.2 146.2理ent處TreatmCKN P edtable5式方eod作耕e tinu作耕Tillagmeth統(tǒng)on傳Traditional tillag5C)型年年表水水續(xù)降Typeof preciptation豐Wetyear 013-2014(29.7c36.821e 80.544.8.930114.2c66.1.019.1c 7025.428.4104.9b146.2 M 9.2a47.333159.8b44.8.028134.3b66.1.818.3a 9025.419.8.8c 94146.2 NP7.6a48.435172.4a44.8.631153.9a66.1.017.7b 8225.416.1.6d 78146.2 P NM6.6d389.5c40.831.132123.1d131.3c44.844.8.029.032112.3c131.1b66.166.1.512.512.4d 48.0d 5125.425.426.623.4102.8a.0b 96146.2 146.2 CKN e耕tillag免No6.0d38.032123.5d44.8.129112.2c66.1.115.4c 5825.423.8.9b 91146.2 P 3.5c40.730124.0d44.8.133133.6b66.1.115.9c 6025.421.1.0c 85146.2 M 4.8a51.834178.9b44.8.929153.8a66.1.018.5a 9225.417.4.5c 89146.2 NP5.8b48.338186.3a44.8.328137.7b66.1.117.2b 8325.416.2.6d 78146.2 P NM0.00020.08010.01010.00010.00010.00010.00340.00010.00010.00030.00010.0001080.00010.00020.00)(Ad(A)式etho)方(B作料B耕Tillagem肥Fertilizer(B)A×析分A差OV方AN)年alyear水rm平No014-2015(20.00590.07310.00010.00010.00010.00010.00010.00010.00010.01080.00010.0001880.01010.00650.00)(Ad(A)式etho)方(B作料B耕Tillagem肥Fertilizer(B)A×)年ear旱干Dryy007-2008(20.01980.00010.00010.00090.00010.00010.00110.00010.00010.03450.00010.00012 0.00010.00010.00)(Ad(A)式etho)方(B作料B耕Tillagem肥Fertilizer(B)A×)年水豐Wetyear 013-2014(2

        返青—拔節(jié)期,氣溫逐漸回升,施肥群體生長(zhǎng)發(fā)育較快,此階段耗水量表現(xiàn)為大多數(shù)施肥處理高于CK,而有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施或無(wú)機(jī)肥配施處理冬小麥群體大,生長(zhǎng)發(fā)育快,耗水量明顯增加。

        拔節(jié)—成熟期是冬小麥耗水關(guān)鍵階段,兩個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育階段(拔節(jié)期—孕穗期和孕穗期—收獲期)絕大多數(shù)施肥處理的耗水量高于 CK,尤其以有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施及無(wú)機(jī)肥配施處理表現(xiàn)最為突出。拔節(jié)期—孕穗期耗水量是冬小麥返青后耗水最多的生育階段,且此階段降雨量在干旱年最低。因此,有限水分首先用于滿足拔節(jié)至開(kāi)花期的干物質(zhì)生產(chǎn);孕穗期—收獲期不同耕作方式及降雨年型下,絕大多數(shù)施肥處理耗水量高于 CK,其中以有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施或無(wú)機(jī)肥配施表現(xiàn)尤為突出,原因是此階段該處理群體密度大,冠層溫度高,土壤水分蒸騰蒸散速度快所致。

        可見(jiàn),在甘肅黃土旱塬區(qū),無(wú)論何種耕作方式及降雨年型,冬小麥播種—返青期CK由于地表裸露蒸發(fā)量較大,耗水量明顯大于施肥處理;NMP處理在播種—返青期可以降低土壤水分無(wú)效消耗,傳統(tǒng)耕作在豐水年、平水年、干旱年較CK分別減少了28.6%、66.6%、19.9%,免耕分別減少了23.5%、23.5%、21.5%;返青期—成熟期是冬小麥耗水關(guān)鍵期,傳統(tǒng)耕作NMP處理在豐水年、平水年、干旱年較 CK分別增加了56.8%、56.8%、10.7%,免耕分別增加了43.5%、10.9%,20.1%。原因是有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理群體密度大,冠層溫度高,土壤水分蒸騰蒸散速度快所致。

        圖1 平水年型冬小麥?zhǔn)斋@期0—200 cm土層土壤水分的垂直分布Fig. 1 Vertical change of soil moisture at harvest period of winter wheat in normal year

        2.3 不同處理冬小麥?zhǔn)斋@期土壤含水量的變化

        收獲期土壤含水量的高低基本可以反映作物的生長(zhǎng)發(fā)育狀況。圖1顯示,平水年型不同耕作方式及施肥處理60 cm左右土層處為土壤含水量變化的拐點(diǎn),以NMP處理含水量最低,40—80 cm平均含水量傳統(tǒng)耕作為6.85%,免耕為7.5%;60—200 cm肥料單施及CK土壤含水量差異不明顯,而NP、NMP處理土壤含水量明顯低于肥料單施及CK。

        豐水年型,不同耕作方式及施肥處理60 cm左右土層處為土壤含水量變化的拐點(diǎn),不同耕作方式均以NMP處理含水量最低,40—80 cm平均含水量傳統(tǒng)耕作為8.92%,免耕為8.37%,均高于平水年;60—200 cm不同耕作方式與平水年相似,同樣為NMP處理含水量最低,其次為NP處理,肥料單施及CK含水量基本趨于一致(圖2)。

        干旱年型,不同耕作方式及施肥處理60 cm左右土層處為土壤含水量變化的拐點(diǎn),不同耕作方式均以NMP處理含水量最低,40—80 cm平均含水量傳統(tǒng)耕作為 5.25%,免耕為 5.31%,低于豐水年和平水年;60—200 cm不同耕作方式與平水年相似,同樣為NMP處理含水量最低,其次為 NP處理,肥料單施及 CK含水量基本趨于一致(圖3)。

        圖 2 豐水年型冬小麥?zhǔn)斋@期0—200 cm土層土壤水分的垂直分布Fig. 2 Vertical change of soil moisture at harvesting period of winter wheat in wet year

        圖3 干旱年型冬小麥?zhǔn)斋@期0—200 cm土層土壤水分的垂直分布Fig. 3 Vertical change of soil moisture at harvesting period of winter wheat in dry year

        可見(jiàn),無(wú)論何種降雨年型,不同耕作方式及施肥措施均在 40—60 cm土層含水量呈拐點(diǎn)變化趨勢(shì),但拐點(diǎn)處土壤含水量不同,為豐水年>平水年>干旱年,且0—200 cm土層均以有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施平均含水量最低。

        2.4 不同處理冬小麥產(chǎn)量與耗水量變化關(guān)系

        邊際水分利用效率是指單位耗水量的增加所引起的產(chǎn)量增量。無(wú)論何種降雨年型,不同耕作及施肥措施冬小麥產(chǎn)量與各自耗水量均存在顯著或極顯著的線性相關(guān)關(guān)系(圖4—5)。不同耕作方式各施肥措施的邊際水分利用效率大小順序?yàn)?NMP>NP>M>P>CK>N,傳統(tǒng)耕作 NMP處理為 0.88 kg·m-3,N處理為0.49 kg·m-3,NMP、NP、M、P處理較CK分別增加74.3%、59.3%、23.1%、14.8%,N處理較CK減少了4.2%;免耕NMP為0.76 kg·m-3,N為0.43 kg·m-3,NMP、NP、M、P處理較CK分別增加 78.0%、60.0%、35.9%、16.6%,N處理較CK減少了 11.2%。相同施肥措施傳統(tǒng)耕作高于免耕,NMP、NP、M、P、N、CK傳統(tǒng)耕作較免耕分別增加了16.3%、18.2%、7.6%、17.0%、28.1%、18.8%,即傳統(tǒng)耕作結(jié)合有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施的施肥措施在提高作物邊際水分利用效率中的作用表現(xiàn)突出。

        圖4 傳統(tǒng)耕作與施肥冬小麥產(chǎn)量與耗水量變化關(guān)系Fig. 4 Correlations of yield and water consumption of winter wheat in traditional tillage and fertilizer treatment

        圖5 免耕與施肥冬小麥產(chǎn)量與耗水量變化關(guān)系Fig. 5 Correlations of yield and water consumption of winter wheat in no tillage and fertilizer treatment

        3 討論

        3.1 耕作方式及施肥措施對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

        作物產(chǎn)量變化受不同的施肥模式、栽培管理制度、土壤質(zhì)量及氣候等多個(gè)因素的綜合作用[20]。已有研究表明,施用有機(jī)肥或化肥作物增產(chǎn)幅度往往因有機(jī)肥和化肥種類及投入量而有差異。有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合施用,既有化肥成分又有有機(jī)肥成分,兩者適當(dāng)配合,既能彌補(bǔ)有機(jī)肥前期肥效不足的缺點(diǎn),又能延長(zhǎng)無(wú)機(jī)肥的肥效,較單施無(wú)機(jī)肥或有機(jī)肥更全面、更高效[21],本研究連續(xù)9年的定位試驗(yàn)結(jié)果再次印證了上述觀點(diǎn),即有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施表現(xiàn)最為突出,其次為無(wú)機(jī)肥配施。同時(shí),本研究還認(rèn)為不同年份長(zhǎng)期單施氮肥冬小麥產(chǎn)量低于磷肥,筆者認(rèn)為,可能是由于長(zhǎng)期單施氮肥,土壤氮素累積過(guò)多,造成冬小麥貪青晚熟,籽粒灌漿不足,千粒重下降,產(chǎn)量降低,這與樊廷錄等[22]的長(zhǎng)期施氮逐漸失去了增產(chǎn)效果的研究結(jié)論一致。

        3.2 耕作及施肥措施與作物水分利用效率的變化關(guān)系

        適宜的土壤耕作措施,通過(guò)機(jī)械的作用,能夠改變土壤的物理狀況,為作物生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造良好的土壤水、肥、氣、熱環(huán)境,促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育[23]。國(guó)內(nèi)外許多研究表明免耕較傳統(tǒng)耕作可提高作物水分利用效率[24-28]。本研究結(jié)果顯示,不同耕作方式及施肥措施冬小麥水分利用效率變化順序?yàn)镹MP>NP>M>P>CK>N,且在不同年份均以NMP處理最高,傳統(tǒng)耕作下平均水分利用效率較CK增加84.0%,免耕下增加 84.1%。而相同施肥措施下傳統(tǒng)耕作水分利用效率高于免耕,這與已有研究結(jié)論不一致,原因可能是研究區(qū)域土壤質(zhì)地、降雨特性及雜草控制等方面差異所致。

        3.3 耕作及施肥措施與作物耗水結(jié)構(gòu)的變化關(guān)系

        已有研究表明,正常和干旱年份免耕土壤水分平均比傳統(tǒng)耕作增加7.1%和15.4%,免耕土壤蓄水保墑作用在干旱少雨條件下愈加明顯[29];金復(fù)鑫等[30]指出,免耕冬小麥全生育期0—100 cm土層平均含水量比翻耕高 13.7%。本研究結(jié)果表明,不同耕作方式及降雨年型NMP處理總耗水量相對(duì)較高,均高于CK,傳統(tǒng)耕作干旱年、平水年、豐水年較CK分別增加了3.0%、4.4%、31.4%,免耕分別增加了10.2%、1.5%、25.7%。耕作方式間總耗水量變化趨勢(shì)基本為干旱年傳統(tǒng)耕作高于免耕,豐水年和平水年免耕高于傳統(tǒng)耕作,降雨年型間各施肥措施總耗水量變化不規(guī)律。從收獲期0—200 cm土層含水量垂直變化來(lái)看,無(wú)論何種降雨年型,不同耕作方式及施肥措施均在60 cm左右土層為含水量變化的拐點(diǎn),但拐點(diǎn)處土壤含水量不同,為豐水年>平水年>干旱年,且0—200 cm土層均以有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施(NMP)平均含水量最低,表明有機(jī)無(wú)機(jī)配施增加了深層土壤水分的利用,干旱年份對(duì)深層土壤水分的利用會(huì)更加突出。對(duì)階段耗水量而言,NMP在播種—返青期耗水量低于CK,而返青—收獲期則高于CK。表明有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施可優(yōu)化小麥生育期耗水結(jié)構(gòu),降低冬小麥越冬至返青期土壤水分無(wú)效蒸發(fā)損失,將更多的水分用在返青至成熟階段,有利于冬小麥成穗和形成籽粒,為高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

        另外,邊際水分利用效率大小順序?yàn)?NMP>NP>M>P>CK>N,傳統(tǒng)耕作NMP較CK增加了74.3%,免耕較CK增加了78.0%;傳統(tǒng)耕作高于免耕,傳統(tǒng)耕作NMP較免耕增加了16.3%。

        4 結(jié)論

        在550 mm左右降雨量的隴東半濕潤(rùn)偏旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū),無(wú)論何種耕作方式及降雨年型,采用有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施或無(wú)機(jī)肥配施是持續(xù)提高作物產(chǎn)量的有效措施,其中以有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施最為突出,其次為無(wú)機(jī)肥配施,且單施磷較單施氮增產(chǎn)作用更明顯,耕作方式間傳統(tǒng)耕作高于免耕。在施肥措施一定的情況下,采用提高水分利用效率的耕作措施是冬小麥高產(chǎn)的主攻方向。

        優(yōu)化施肥顯著提高冬小麥水分利用效率,不同年份及耕作措施冬小麥的平均水分利用效率均表現(xiàn)為NMP>NP>M>P>CK>N,有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施(NMP)處理顯著高于CK及其他施肥處理。NMP處理有利于降低播種—返青期階段耗水量及其占總耗水量的比例,增加返青—成熟期階段耗水量和0—200 cm土層貯水量的消耗,提高冬小麥邊際水分利用效率。無(wú)論何種降雨年型、耕作方式及施肥措施,冬小麥?zhǔn)斋@期土壤含水量均在60 cm土層呈現(xiàn)拐點(diǎn)變化趨勢(shì),盡管拐點(diǎn)處含水量不同,但均表現(xiàn)為豐水年>平水年>干旱年。而耕作方式間則表現(xiàn)為傳統(tǒng)耕作冬小麥平均水分利用效率、邊際水分利用效率高于免耕。

        傳統(tǒng)耕作方式結(jié)合有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施是本試驗(yàn)條件下的最優(yōu)耕作施肥組合模式,可作為類似黃土旱塬的半濕潤(rùn)偏旱區(qū)土壤耕作施肥模式。

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        (責(zé)任編輯 楊鑫浩)

        Effects of Long-Term Tillage and Fertilization on Yield and Water Use Efficiency of Winter Wheat in Loess Dry Land Plateau

        ZHANG JianJun1,2, FAN TingLu1,2, DANG Yi1, ZHAO Gang1, WANG Lei1, LI ShangZhong1, WANG ShuYing1, WANG Yong1

        (1Dryland Agriculture Institute, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070;2Key Laboratory of High Efficiency Water Utilization in Dry Land Farming, Gansu Province, Lanzhou 730070)

        Abstract:【Objective】The aim of this experiment is to investigate the effects of tillage and fertilization on yield and water use efficiency of winter wheat under wheat-spring maize rotation at fields in the Loess Plateau of Eastern Gansu.【Method】The work is based on a 12 year field experiment of tillage and fertilization in Zhenyuan, Gansu province, where is a semi-humid arid area. A split plot design was developed in this experiment, with different tillage systems (traditional tillage and no-tillage) as main treatments and different fertilizer application (CK, N, P, M, NP, NMP) as sub-treatments. The yield and water use efficiency of winter wheat under different treatments were measured, and the relationship between yield and water consumption of winter wheat were further studied.【Result】The results showed that the treatments with organic manure had the higher yield of winter wheat in the same tillage system, implying that organic manure was superior to chemical fertilizer alone in the experimental area. The yield under nitrogen fertilization was lower than phosphate fertilizer. The yield of winter wheat under traditional tillage was higher than that of no-tillage. In terms of water use efficiency, water use efficiency under NMP treatment was the highest among different fertilization methods in different years. The average water use efficiency was in the order of NMP>NP>M>P>CK>N; the average water use efficiency in treatment of the combination of NMP fertilizer and traditional tillage increased by 84.0% and that of no-tillage increased by 84.1%. The average water use efficiency under traditional tillage was higher than no-tillage, and that increased by 13.6% in the combination of traditional tillage and NMP fertilizer compared with no-tillage. The water consumption of winter wheat was strongly related to rainfall, and the total water consumption by crops under NMP was the highest. The average annual water consumption of NMP was 3.0%, 4.4%, 31.4% higher than that of CK under traditional tillage in three years; 10.2%, 1.5% and 25.7% were increased, respectively, under no-tillage in three years. On the other hand, NMP treatment significantly reduced the water consumption and the ratio of total water consumption during sowing-greening period and increased the water consumption during the greening-mature period. The total water consumption under the traditional tillage system was higher than under the no-tillage system in the drought year, but the no-tillage system had higher total water consumption in the wet year than in the traditional farming year. No consistent trend was found in rainfall year. In addition, regardless of the kind of rainfall year, different tillage and fertilization treatment, water content showed the change point at about 60 cm soil layer, but this point in NMP was lower than CK and other fertilization treatments, but the order of influence of soil water content was wet year>normal year>dry year. In the order of change for the abundance and the marginal water use efficiency, NMP treatment had the highest water use efficiency while as for tillage, traditional tillage had significant results.【Conclusion】The yield, water use efficiency of winter wheat under NMP treatment was the highest in different cropping patterns and rainfall years, where the water content showed the lowest at 60 cm soil depth. Besides, the total water consumption under NMP treatment was relatively higher; which might be helpful to reduce the water consumption and the proportion of water consumption at the stage of greening, and increase the consumption of water consumption and the storage of 0-200 cm soil layer. The abundant water use efficiency and marginal water use efficiency of winter wheat were higher under traditional tillage than that of no-tillage. Therefore, considering the winter wheat yield, water use efficiency and water consumption characteristics, regardless of what kind of rainfall years, the use of traditional tillage with organic and inorganic fertilizer under the conditions of this experiment is the best farming.

        Loess Dryland Plateau; tillage and fertilizer; winter wheat; water consumption characteristic; water use efficiency (WUE)

        2016-08-29;接受日期:2017-01-22

        國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2015BAD22B02-02,2012BAD09B03)、西北旱作營(yíng)養(yǎng)與施肥科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站基金

        聯(lián)系方式:張建軍,E-mail:hnszhjj@163.com

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