李 剛, 王亞萍, 李 超, 劉文兆

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃土塬區(qū)是我國北方小麥主要栽植區(qū)之一，水分與養(yǎng)分條件是影響該區(qū)域冬小麥產(chǎn)量的兩個(gè)主要因素。土壤水分狀況影響?zhàn)B分的吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)和利用[1]，而增施肥料可促進(jìn)作物吸水，達(dá)到以肥調(diào)水、提高水分利用效率、充分發(fā)揮“土壤水庫”作用的目的[2]。二者對(duì)冬小麥的生長發(fā)育及產(chǎn)量形成產(chǎn)生耦合效應(yīng)，水分和養(yǎng)分只有在合理范圍內(nèi)，才能互相促進(jìn)，發(fā)揮對(duì)小麥的增產(chǎn)作用[1,3-4]。不同肥水條件下，作物產(chǎn)量表現(xiàn)不同，同時(shí)也會(huì)影響到水分、養(yǎng)分的利用效率。因此，合理調(diào)控水肥，提高水肥利用效率是發(fā)展旱作農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵。已有研究表明，在不同的土壤水分條件下，形成最大產(chǎn)量需要的養(yǎng)分量不同，當(dāng)?shù)讐劄?00 mm時(shí)，冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率均在240 kg/hm2施氮量時(shí)達(dá)到最大，而底墑?shì)^低時(shí)，則需要更高的施氮量[5]。有灌水試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，拔節(jié)期灌溉可顯著提高120 kg/hm2施氮水平下冬小麥的產(chǎn)量、水分利用效率和有效穗數(shù)，而在180 kg/hm2施氮量時(shí)沒有顯著影響[6]。金修寬等[7]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施氮量為240 kg/hm2時(shí)，于冬小麥拔節(jié)、開花期補(bǔ)灌至田間持水量的60%時(shí)，可獲得最高的產(chǎn)量、水分利用效率與氮素利用效率。在多種灌水水平下，隨施肥量增加，冬小麥產(chǎn)量增加，但施肥增產(chǎn)的邊際效率逐漸減小[8]。前人多通過生育期灌水與施肥量的差異來研究冬小麥的水肥耦合效應(yīng)，而黃土塬區(qū)地下水深埋，灌溉受到限制，充足的底墑作為作物耗水的重要來源，是取得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)條件[9]。同時(shí)該區(qū)域存在施肥過量的現(xiàn)象，帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染[10]。因此，適墑適肥，優(yōu)化水肥配給模式是冬小麥取得高產(chǎn)、高效的重要途徑之一。本試驗(yàn)?zāi)攴萁邓啵デ暗讐劯?，通過田間試驗(yàn)探究在該水分條件下養(yǎng)分對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響，以期為因墑施肥、提升底墑利用效率，充分挖掘黃土塬區(qū)降水生產(chǎn)潛力提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年7月—2017年6月在黃土高塬溝壑區(qū)的陜西長武國家野外試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)地海拔1 220 m；暖溫帶半濕潤偏旱性季風(fēng)氣候，年均氣溫9.1℃，降水年際及季節(jié)變化大，年均降水量578 mm，多集中在7—9月，無霜期171 d，為典型的一年一熟雨養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)；地帶性土壤為中壤質(zhì)黑壚土，母質(zhì)為馬蘭黃土，土層深厚，地下水埋深40—80 m，土壤容重1.3 g/cm3，田間持水量22.4%，萎蔫濕度

6.7%～7.0%[11-12]。2016年9月—2017年6月，冬小麥生長期間降水量為301 mm，高于多年同期平均值212 mm，逐月分布見圖1。

圖1 試驗(yàn)期間逐月降水量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016年7-9月為不同底墑形成期，通過夏閑期種植玉米耗水與播前灌水形成不同底墑基礎(chǔ)，為消除養(yǎng)分差異，播種前把所有小區(qū)耕層土壤整平混勻。供試冬小麥品種為長旱58，于2016年9月28日播種，人工開溝播種，播種量為170 kg/hm2，行距20 cm，翌年6月25日收獲。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)為底墑、施肥量兩因素，底墑?dòng)?jì)算深度為2 m，設(shè)計(jì)為3水平：W1(相對(duì)濕度72%)，W2(相對(duì)濕度82%)，W3(相對(duì)濕度94%)；施肥水平設(shè)3個(gè)，分別為：F1不施肥；F2中肥(N，90 kg/hm2；P2O5，50.6 kg/hm2；K2O，16.9 kg/hm2)；F3高肥(N，180 kg/hm2；P2O5，101.3 kg/hm2；K2O，33.8 kg/hm2)。試驗(yàn)共F1W1，F(xiàn)1W2，F(xiàn)1W3，F(xiàn)2W1，F(xiàn)2W2，F(xiàn)2W3，F(xiàn)3W1，F(xiàn)3W2，F(xiàn)3W39組底墑、養(yǎng)分差別處理，設(shè)置3個(gè)重復(fù)，由田間小區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)研究，每小區(qū)面積27 m2，各處理根據(jù)不同小區(qū)底墑情況進(jìn)行布設(shè)，田間管理同當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶一致。各處理播前2 m土壤水分狀況見表1。

表1 播種前0-200 cm各土層土壤含水量

1.3 田間測定與計(jì)算

1.3.1 土壤含水量及貯水量 采用烘干法測定土壤含水量，播種期和收獲期各測定1次，測定深度為5 m，其中1 m以上土層每10 cm，1 m以下土層每20 cm測定1次，稱量土壤濕重后105℃烘至恒重，再稱量干重，計(jì)算土壤質(zhì)量含水量。

土壤貯水量計(jì)算公式如下：

SW=0.1×θ×ρ×H

(1)

式中：SW為貯水量(mm)；θ為土壤質(zhì)量含水量(%)；ρ為土壤容重(g/cm3)，試驗(yàn)田土壤取值1.3 g/cm3；H為土層深度(cm)。

1.3.2 冬小麥耗水量與水分利用效率 采用農(nóng)田水量平衡法計(jì)算冬小麥生育期耗水量(ET)。研究區(qū)域無灌溉條件，地下水埋藏較深，很難被作物利用，地下水供給可忽略不計(jì)；同時(shí)試驗(yàn)田地勢(shì)平坦，小區(qū)四周起壟，地表無徑流產(chǎn)生；一般情況下農(nóng)田水分入滲深度有限，以5 m深度計(jì)，降水難能造成滲漏損失。因此，黃土塬區(qū)旱作農(nóng)田ET計(jì)算表達(dá)式可簡化為：

ET=P+ΔSW

(2)

式中：ET為全生育期耗水量(mm)；P為生育期降水量(mm)；ΔSW為計(jì)算時(shí)段5 m土層土壤貯水量初始值與期末值之差(mm)。水分利用效率(WUE)、降水利用效率(PUE)分別由公式(3)—(4)進(jìn)行計(jì)算：

WUE=Y/ET

(3)

PUE=Y/P

(4)

式中：WUE為作物水分利用效率[kg/(hm2·mm)]；PUE為作物降水利用效率[kg/(hm2·mm)]；Y為作物籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)；ET為全生育期耗水量(mm)；降水等氣象資料由試驗(yàn)站內(nèi)氣象觀測場提供。

1.3.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成測定按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[13]進(jìn)行。產(chǎn)量、穗數(shù)為每小區(qū)取3行樣品進(jìn)行測定，同時(shí)取樣測量千粒重。每小區(qū)取10株典型小麥樣進(jìn)行收獲期株高、穗粒數(shù)的測定。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理及分析 采用Microsoft Excel 2010，SPSS 21.0等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 相同底墑條件下養(yǎng)分對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

表2為試驗(yàn)各處理間產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成比較，可以看出：在3種底墑條件下，施肥均能顯著提高冬小麥產(chǎn)量。在W1底墑水平時(shí)，中肥F2與高肥F3產(chǎn)量無顯著差異但都顯著高于不施肥處理F1，F(xiàn)2和F3產(chǎn)量較F1分別提高60%，94%；在W2，W3底墑水平時(shí)，產(chǎn)量均隨施肥量增加而增加，且施肥處理F2，F(xiàn)3較F1顯著增加，F(xiàn)3產(chǎn)量也顯著高于F2，生物量也有類似規(guī)律。由此可見，在3種底墑條件下，養(yǎng)分投入均能顯著提高冬小麥產(chǎn)量、生物量，但是隨施肥量的增加，單位施肥量的增產(chǎn)幅度下降。

表2 相同底墑條件下養(yǎng)分處理間產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成多重比較

注：小寫字母不同表示在0.05顯著水平下有差異，株高、穗粒數(shù)每小區(qū)測定樣本為10株。

此外，從表2還可以看出，收獲指數(shù)在W1底墑時(shí)3種肥力水平間無顯著差異，在W2，W3底墑時(shí)F2，F(xiàn)3肥力水平收獲指數(shù)相近且顯著高于F1。在3種底墑水平下，施肥處理株高均顯著高于不施肥處理，表明施肥對(duì)冬小麥株高也有顯著影響。總的來看，不同底墑、施肥處理產(chǎn)生不同耦合效應(yīng)進(jìn)而影響產(chǎn)量，在W1底墑時(shí)，施肥可顯著提高有效穗數(shù)，穗粒數(shù)、千粒重較不施肥有所增加但差異并不顯著；在W2，W3底墑時(shí)，穗粒數(shù)、穗數(shù)、千粒重施肥處理較不施肥均有所增加，W2底墑時(shí)施肥可顯著增加穗粒數(shù)，W3底墑時(shí)施肥處理下的穗數(shù)、千粒重較不施肥顯著提高。

2.2 相同養(yǎng)分條件下底墑對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表2數(shù)據(jù)可知，在F1養(yǎng)分條件下，W1底墑時(shí)產(chǎn)量最高，W2，W3底墑水平下產(chǎn)量較W1減產(chǎn)50%左右，底墑增加產(chǎn)量反而降低。進(jìn)一步分析其產(chǎn)量構(gòu)成發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1W2處理下的冬小麥株高、穗粒數(shù)、千粒重均為所有處理中最低值，但穗數(shù)較多；F1W3時(shí)穗數(shù)為所有處理最低，穗粒數(shù)、千粒重較W1均有所下降，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量較F1W1顯著下降。F2，F(xiàn)3養(yǎng)分條件下，冬小麥產(chǎn)量隨底墑增加而略有增加，但并不顯著。

水肥通過影響作物產(chǎn)量構(gòu)成進(jìn)而影響作物產(chǎn)量，在F2，F(xiàn)3養(yǎng)分條件下，雖然不同底墑水平下的產(chǎn)量無顯著差異，但穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重卻有差別。F2養(yǎng)分時(shí)，株高、穗粒數(shù)、千粒重隨底墑增加而增加，穗數(shù)在W2底墑時(shí)最高，W3底墑時(shí)最低。F3養(yǎng)分條件下，隨底墑增加，穗數(shù)、千粒重增加，穗粒數(shù)、株高下降。當(dāng)不施肥時(shí)，處理F1W2，F(xiàn)1W3產(chǎn)量與收獲指數(shù)均顯著低于處理F1W1，因底墑不同產(chǎn)量差別較大，而在2種施肥條件下，冬小麥產(chǎn)量受底墑?dòng)绊戄^小，3種底墑下產(chǎn)量接近，無顯著差異。

2.3 不同底墑與養(yǎng)分處理對(duì)冬小麥的影響

通過對(duì)施肥量、播前底墑2因素作用下的冬小麥產(chǎn)量、各性狀指標(biāo)進(jìn)行方差分析(表3)，可以看出，從平均意義上講，施肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成、株高、收獲指數(shù)均有極顯著影響，而底墑對(duì)穗數(shù)有極顯著影響、對(duì)收獲指數(shù)有顯著影響。施肥量與底墑的交互作用對(duì)產(chǎn)量、收獲指數(shù)、穗數(shù)均有極顯著影響，對(duì)生物量、株高、穗粒數(shù)有顯著影響，對(duì)千粒重?zé)o明顯作用。由此可見，此試驗(yàn)條件下，不同的播前底墑與施肥量組合對(duì)冬小麥產(chǎn)量產(chǎn)生不同的效應(yīng)，整體上表現(xiàn)為施肥產(chǎn)量高于不施肥，而底墑對(duì)產(chǎn)量影響較小，但可顯著影響作物收獲指數(shù)與成穗數(shù)。

注：*表示在0.05水平下達(dá)顯著水平，**表示在0.01水平下達(dá)顯著水平。

冬小麥的籽粒產(chǎn)量是在產(chǎn)量構(gòu)成三要素的共同作用下形成的，不同處理?xiàng)l件下，冬小麥的籽粒產(chǎn)量會(huì)產(chǎn)生較大差異，產(chǎn)量構(gòu)成三要素也必然有所差異。對(duì)所有處理產(chǎn)量構(gòu)成要素進(jìn)行變異性分析，結(jié)果表明，因不同底墑與施肥組合導(dǎo)致的變異性均表現(xiàn)為穗數(shù)>穗粒數(shù)>千粒重，相應(yīng)變異系數(shù)為20.5%，17.1%，7.7%，即不同底墑施肥量組合主要是通過改變冬小麥有效穗數(shù)、穗粒數(shù)來影響產(chǎn)量的。

2.4 冬小麥生育期水量平衡及水分利用分析

2.4.1 冬小麥耗水組成及水分利用分析 本次試驗(yàn)冬小麥生育期降水量301 mm，較多年平均降水量高出89 mm，為豐水年，生育期內(nèi)降水分布不均，僅6月份便有107 mm降水。因部分小區(qū)存在深層水分滲漏，耗水量難以確定，只分析表4中4個(gè)處理的耗水量—產(chǎn)量關(guān)系。由表4可以看出，當(dāng)施肥量為F3時(shí)，隨底墑的增加，耗水量、土壤供水量增加，水分利用效率接近。當(dāng)?shù)讐劄閃1時(shí)，F(xiàn)2，F(xiàn)3施肥處理下的ET，WUE，PUE均高于不施肥處理；在不同的施肥處理下，高肥F3的土壤供水量、耗水量高于中肥F2，水分利用效率F2W1，F(xiàn)3W1間沒有差異。由此可見，施肥可增加冬小麥耗水量，提高水分利用效率、降水利用效率。相同底墑下，隨施肥量增加，耗水量、土壤供水量均有所增加。

表4 2016-2017年冬小麥生育期耗水量組成及水分利用

試驗(yàn)中獲得高產(chǎn)的F3W1，F(xiàn)3W2處理土壤供水量占全生育期耗水量24%～32%范圍內(nèi)，平均耗水深度均超過2 m。即使是產(chǎn)量、水分利用效率俱佳的F3W1處理，土壤水庫依然提供了占生育期耗水量24%的水分。另外，F(xiàn)1W1處理耗水量較少，生育期內(nèi)土壤水分增加46 mm，即由于多降水與耗水量少產(chǎn)生土壤水分補(bǔ)給。

2.4.2 冬小麥生育期深層土壤水分下滲分析 本試驗(yàn)夏閑期(7—9月)降水恰與生育期降水量相同，為301 mm，在播種前對(duì)部分小區(qū)進(jìn)行了灌水以形成較高底墑，灌水量為60 mm，因此土壤水分條件較好。土壤水分測定深度為5 m，通過對(duì)比播種與收獲時(shí)期的水分剖面分布(圖2)，發(fā)現(xiàn)高底墑時(shí)，部分小區(qū)存在深層水分下滲現(xiàn)象。圖2A為F1W3處理1個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，在播前2—4 m土層范圍內(nèi)土壤含水量超過田間持水量，4 m土層以下低于田間持水量，而收獲時(shí)情況相反，即4 m以上土層水分產(chǎn)生入滲，補(bǔ)給到4 m以下土層。圖2B為F3W3處理一試驗(yàn)小區(qū)，與F1W3處理土壤水分剖面類似，收獲時(shí)3.6 m以下土層水分得到補(bǔ)充。2種情況水分入滲深度均在5 m以下，難以為冬小麥吸收利用。在收獲時(shí)，F(xiàn)1W3處理小區(qū)整層土壤含水量高于15%，而F3W3處理1—2 m土層含水量較低，形成明顯的低濕層，表現(xiàn)出不施肥與施高肥時(shí)的土壤水分消耗差異。

3 討 論

底墑對(duì)冬小麥產(chǎn)量形成的作用毋庸置疑[14-17]。冬小麥耗水一般在3 m土層內(nèi)，主要用水層在2 m以內(nèi)。本試驗(yàn)中2 m土層相對(duì)含水量分別為72%，82%，94%，相對(duì)較高，可定義為高底墑。試驗(yàn)不施肥處理F1W2，F(xiàn)1W3處理產(chǎn)量低于F1W1處理，底墑增加產(chǎn)量下降，主要與播種時(shí)水肥不協(xié)調(diào)有關(guān)。殷修帥等[6]通過2 a試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)不施用氮肥時(shí)，拔節(jié)期灌水較不灌水處理產(chǎn)量分別下降42%，35%，與本試驗(yàn)結(jié)果有相似之處。冬小麥苗期至返青期主要消耗表層水分，拔節(jié)期開始耗水逐漸延伸至2 m及以下[15]，本試驗(yàn)中不施肥時(shí)W2，W3底墑水平高，冬小麥前期生長優(yōu)于W1處理，植株群體數(shù)量多，過早地消耗了耕層有限的養(yǎng)分與水分，同時(shí)由于不施肥，根系下扎淺，難以吸收利用深層土壤儲(chǔ)水，在孕穗、灌漿期出現(xiàn)水肥供應(yīng)不足，最終導(dǎo)致有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重降低，影響了作物產(chǎn)量，且由于前期旺長，收獲指數(shù)也降低。

圖2 冬小麥播前、收獲時(shí)期深層土壤水分入滲剖面比較

在雨養(yǎng)條件下，養(yǎng)分便成為限制產(chǎn)量增長的主導(dǎo)因素，施肥可顯著提高作物產(chǎn)量與水分利用效率[18]，而隨肥料的施用，生產(chǎn)力逐步提高，首要限制因子由肥到水轉(zhuǎn)變[19]。試驗(yàn)中的高肥施肥量為當(dāng)?shù)刂猩纤?，李開元等[20]在長武的研究表明在不同水文年與土壤水分條件下，施肥均可引起產(chǎn)量的顯著提高，而水分只在干旱年份才能顯著提升產(chǎn)量。張福鎖等[21]認(rèn)為旱地小麥生產(chǎn)的第一因素在年降水量低于300 mm時(shí)為水分，在降水量300～800 mm時(shí)，肥力是制約因素。本次試驗(yàn)養(yǎng)分對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響大于底墑，2015—2016年該試驗(yàn)地研究表明，冬小麥產(chǎn)量隨底墑增加而線性增加[22]，本試驗(yàn)中高肥處理產(chǎn)量隨底墑并未表現(xiàn)出此特點(diǎn)，這與該年份生育期內(nèi)降水充足且底墑?shì)^高有關(guān)，2015—2016年冬小麥生育期降水216 mm，為正常年份，本次試驗(yàn)為豐水年，尤其是6月4—5日降水70 mm，有效彌補(bǔ)了灌漿后期的土壤供水不足。因而在多降水與較高底墑形成的充足供水條件下，養(yǎng)分是限制小麥產(chǎn)量的主導(dǎo)因素，底墑差異并沒有顯著影響小麥產(chǎn)量。

生育期降水作為除底墑之外唯一的水分來源，影響旱作冬小麥產(chǎn)量。孟曉瑜等[5]研究發(fā)現(xiàn)，充足底墑下生育期降水虧缺會(huì)造成產(chǎn)量降低，不同降水年型下底墑、施肥量對(duì)冬小麥的產(chǎn)量、耗水特點(diǎn)亦有很大不同[14,19]。施用磷肥可促進(jìn)作物吸收土壤水分，提高底墑利用率[18]，無論何種降水年型，土壤供水都是冬小麥必不可少的一部分，生育期降水多且分布合理，土壤供水少，反之土壤供水多[11]，本試驗(yàn)生育期降水量充足，若獲得高產(chǎn)仍需土壤提供24%～32%的水分，而在平水年或干旱年作物需吸收更多的土壤儲(chǔ)水。

4 結(jié) 論

在旱作農(nóng)業(yè)為主的長武黃土塬區(qū)，冬小麥產(chǎn)量受底墑、養(yǎng)分、生育期降水量共同作用。不同底墑下施肥均可顯著提高小麥產(chǎn)量，不施肥時(shí)，產(chǎn)量因底墑不同差別較大，而施肥時(shí)產(chǎn)量接近。施肥可增加冬小麥耗水，提高水分利用效率與降水利用效率，對(duì)冬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成、株高均有極顯著影響，而底墑對(duì)穗數(shù)、收獲指數(shù)有顯著影響。播前底墑與施肥量的不同組合對(duì)冬小麥產(chǎn)量產(chǎn)生不同的效應(yīng)，在不施肥與高底墑時(shí)由于水肥配合不當(dāng)，較其他處理產(chǎn)量與收獲指數(shù)顯著下降。在試驗(yàn)?zāi)攴莸慕邓畻l件下，高底墑會(huì)造成土壤水分的深層滲漏，下滲深度可超過5 m，造成農(nóng)田水資源的浪費(fèi)。