集雨种植模式下不同施肥水平对土壤水分消耗及冬小麦产量的影响

王　珂，卫　婷，董昭芸，张　鹏，贾志宽

(1.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院， 陕西 杨凌 712100；

2.农业部旱地作物生产与生态重点开放实验室， 陕西 杨凌 712100)



集雨种植模式下不同施肥水平对土壤水分消耗及冬小麦产量的影响

王珂1,2，卫婷1,2，董昭芸1,2，张鹏1,2，贾志宽1,2

(1.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院， 陕西 杨凌 712100；

2.农业部旱地作物生产与生态重点开放实验室， 陕西 杨凌 712100)

摘要：于2012—2014年在宁南旱塬区布设旱地冬小麦垄膜沟播试验，研究了集雨种植模式下不同施肥水平对小麦不同生育阶段土壤水分、产量和水肥利用率的影响。试验设置集雨(R)和传统平作(B)两种种植模式，每种种植模式设置高(N+P：270+180 kg·hm-2)、中(N+P：180+120 kg·hm-2)、低(N+P：90+60 kg·hm-2)和不施肥4种施肥水平。结果表明：集雨种植模式在冬小麦生育前期可以显著提高0～200 cm土层的土壤贮水量，两年的平均产量较平作提高了10.57%(P<0.05)，水分利用效率提高了3.83%，肥料农学效率提高了54.99%(P<0.05)。施肥对冬小麦生育期土壤水分有明显影响，冬小麦生育前期随着施肥量的增加土壤贮水量呈增加趋势，生育后期土壤贮水量随着施肥量的增加而减少。无论是集雨还是平作种植模式，各施肥处理的冬小麦经济产量和水分利用效率随着施肥量的增加呈增加趋势，但相邻肥力梯度间增幅随施肥量的增加逐渐降低，高肥处理虽产量和水分利用效率最高，但较中肥处理增产幅度不显著(P>0.05)，集雨种植中肥处理的肥料农学效率最高，两年平均为3.91 kg·kg-1。由此认为，集雨种植模式配合中量施肥(N+P：180+120 kg·hm-2)可显著提高半干旱区旱作冬小麦产量及水肥利用效率。

关键词：集雨种植；施肥水平；土壤水分；旱作小麦；产量；半干旱区

我国北方旱作区土壤贫瘠、抗蚀抗旱能力差，粮食产量低而不稳[1]；作物水肥利用率低是该区农业生产发展中面临的重要问题[2-3]。旱作农业中,水肥具有明显的耦合关系，肥料的增产作用不仅在于肥料本身，更重要的还在于与土壤水分的互作[4-6]。北方旱作区除水资源不足外，供肥能力差是限制作物产量提高的另一因素。目前广泛推广的旱地垄沟集雨种植技术通过沟内集雨及垄上覆盖抑制土壤水分蒸发,使作物需水条件得到显著改善[7-11]。在此基础上，如何优化养分投入数量是旱地冬小麦增产和水分、养分高效利用的关键[12]。

以往旱地集雨种植模式的研究与生产实践多关注集雨保墒效果等问题，至于配套的相应施肥水平以及对作物产量的水肥耦合效果未见相关文献报道。本研究在宁南旱塬区布设旱地冬小麦垄膜沟播试验，研究不同施肥量处理对土壤水分消耗及小麦产量的影响，为完善旱地集雨种植技术及制定相应的施肥策略提供理论与实践依据。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验于2012年9月—2014年6月在宁夏回族自治区彭阳县长城村旱地农业试验区进行。试验区地处106°48′E，35°51′N，海拔1 658 m，地貌类型属黄土高原腹部梁峁丘陵地。该地区年平均降水量430 mm左右，其中70%的降雨集中在7—9月份。年平均气温6.1℃，年平均日照时数2 518.2 h，年蒸发量1 753.2 mm，干燥度(≥0℃的蒸发量)为1.21～1.99，无霜期140～160 d。试验田为旱平地，土壤质地为黄绵土。耕层(0～20 cm)土壤基础养分为：有机质15.06 g·kg-1，碱解氮63.61 mg·kg-1，速效磷37.59 mg·kg-1，速效钾161.17 mg·kg-1。2012—2014年试验期的降雨量具体分布见表1。

表1　2012—2014年冬小麦生育期降雨量分布/mm

1.2试验设计

本试验设置集雨种植和传统平作两种栽培方式，每种栽培方式设置高、中、低三种施肥水平：高(N+P：270+180 kg·hm-2，H)、中(N+P：180+120 kg·hm-2，M)、低(N+P：90+60 kg·hm-2，L)，不施肥作为对照。采用随机区组设计，共8个处理，各处理3次重复：集雨高肥(RH)、集雨中肥(RM)、集雨低肥(RL)、集雨无肥(R0)，平作高肥(BH)、平作中肥(BM)、平作低肥(BL)、平作无肥(B0)。田间试验中各处理种植小区面积为72 m2(12 m×6 m)，集雨处理沟垄宽度均为60 cm，垄上覆膜，垄高为15 cm；播前整地、起垄、覆膜、施肥，集雨种植区肥料均作基肥(包括垄面积的施肥量)一次全部施于种植沟内，第一年于2012年9月16日播种，2013年7月3日收获，第二年于2013年9月16日播种，2014年7月5日收获，冬小麦生育期不进行灌溉。供试品种为陇鉴301，播量为190 kg·hm-2，播种方式为条播，集雨处理每种植沟内条播4行小麦，集雨和平作各处理行距均为20 cm。

1.3试验方法

产量：平作处理小麦收获后每小区取长势有代表性的相邻5行，长度为1 m区域的小麦，取样面积为1 m2(行长1 m×宽1 m)。集雨处理每小区取一个种植沟中4行，长度为1 m区域的小麦，为了准确评价集雨各处理对因垄膜沟播导致种植面积减少的产量补偿效应,集雨处理以沟垄总面积计算冬小麦产量，即面积为1.2 m2(行长1 m×宽1.2 m)，每小区取3个重复。

土壤水分测定：在冬小麦播前(2012-09-16，2013-09-15)、苗期(2012-10-13，2013-10-11)、返青期(2013-03-27，2014-03-24)、拔节期(2013-04-22，2013-04-26)、抽穗期(2013-05-18，2013-05-23)、灌浆期(2013-06-13，2014-06-18)、收获期(2013-07-03，2014-07-05)分别测定0～200 cm土层土壤水分，每20 cm取样，采用烘干法在105℃烘干后称重，测定各土层土壤含水量，平作处理取样点位于小麦行间，集雨处理在种植沟内沿垄侧和沟内正中点分别取样，取平均值，田间取样重复3次，土壤容重采用环刀法，每20 cm取样，测定各土层土壤容重，并按以下公式计算土壤贮水量。

式中，W为土壤贮水量(mm)；Hi为土层深度(cm)；Ai为土壤容重(g·cm-3)；Bi为土壤含水量(%)。

土壤耗水量：ETa=W1-W2+p

式中，ETa为土壤耗水量(mm)；W1为播前土壤贮水量(mm)；W2为收获后土壤贮水量(mm)；p为生育期有效降水量(mm)，式中土壤贮水量及耗水量均以2m土层含水量计算。

水分利用效率：WUE=Y/ETa

式中，WUE为水分利用效率(kg·mm-1·hm-2)；Y为沟垄总面积计算的籽粒产量(kg·hm-2)。

肥料农学效率：AE=(Y1-Y2)/m

式中，AE为肥料农学效率(kg·kg-1)；Y1为施肥区作物产量(kg·hm-2)；Y2为不施肥区作物产量(kg·hm-2)；m为纯养分投入量(kg·hm-2)，本文所用的养分投入量为投入N和P2O5用量之和。

1.4数据分析

采用Microsoft Excel和Dps 6.55处理软件进行数据处理和分析。

2结果与分析

2.1不同施肥处理对冬小麦不同生育阶段0～200 cm土层土壤贮水状况的影响

在冬小麦主要生育阶段测定了不同处理0～200 cm 土层的土壤贮水量，冬小麦整个生育期内，0～200 cm土壤贮水量总体呈逐渐减少的趋势，因两年降雨年型不同(见表1)，2013年在灌浆期、2014年在拔节期土壤贮水量有所增加。

从表2可以看出，在同一施肥水平下，从苗期到拔节期测定的0～200 cm土壤贮水量集雨处理较平作处理高，2012—2013年度返青期测定的土壤贮水量集雨处理较对应平作处理增加量最大，达15.54～37.93 mm，其中RM处理高出BM处理37.93 mm(P<0.05)，差异最大；2013—2014年度土壤贮水量差异最大的时期出现在拔节期，集雨处理较平作高20.00～25.37 mm(P<0.05)。进入抽穗期，集雨处理较平作处理差异不显著，原因是集雨处理作物吸收土壤水分多，耗水量大，缩小了与平作的差异。灌浆期测定的土壤贮水量集雨较平作差异增加，2013—2014年度集雨较平作高12.40～16.56 mm，差异不显著，2012—2013年度平作处理显著高于集雨(P<0.05)，其中BH处理高出RH处理43.23 mm，差异最大，2012—2013年度差异大于2013—2014年度，原因是在2012—2013年度降雨量主要集中在灌浆期，从抽穗(2013-05-18)到灌浆(2013-06-13)期间有90.4 mm的降雨量。收获期测定的土壤贮水量集雨处理与对应平作处理差距达到最大，2012—2013年度RH、RM、RM和R0较对应平作处理分别减少45.06、36.69、38.13 mm和25.63 mm，均达到显著水平(P<0.05)；2013—2014年度集雨较平作差异小于2012—2013年度，RH、RM、RM和R0土壤贮水量较对应平作处理分别减少4.37、8.68、15.80 mm(P<0.05)和15.40 mm。

在集雨种植方式下，从苗期到返青期测定的各施肥处理0～200 cm土壤贮水量无明显差异，进入拔节期各施肥处理差异逐渐变大，拔节期测定的土壤贮水量各处理高低顺序为：RH>RM>RL>R0。2012—2013年度RH、RM和RL较R0土壤贮水量分别高27.23(P<0.05)、16.78 mm(P<0.05)和2.67 mm，RH较RM高10.45 mm(P<0.05)；2013—2014年度RH、RM和RL较R0土壤贮水量分别高18.01(P<0.05)、14.66 mm(P<0.05)和6.01 mm。从抽穗期到收获期测定的土壤贮水量集雨各处理高低顺序为：R0>RL>RM>RH，抽穗期测定的土壤贮水量RH较RL和R0低16.23～24.82 mm，差异显著(P<0.05)，RH与RM差异不显著。2012—2013年度灌浆期测定的土壤贮水量RH与其他处理差异显著(P<0.05)，RH处理较RM、RL和R0处理分别低40.51、46.73 mm和56.62 mm；2013—2014年度灌浆期测定的土壤贮水量RH、RM和RL较R0分别低30.89、29.17 mm和26.78 mm，差异均达到显著水平(P<0.05)。收获期测定的土壤贮水量RH较RL和R0低13.00～33.31 mm，差异显著(P<0.05)，RH与RM差异不显著。平作各施肥处理规律与集雨种植处理相似，2012—2013年度拔节和抽穗期测定的土壤贮水量平作各施肥处理的差异大于集雨各施肥处理，但在灌浆期和收获期测定的土壤贮水量平作各施肥处理的差异小于集雨各施肥处理；2013—2014年度拔节期测定的土壤贮水量平作各施肥处理的差异小于集雨各施肥处理，但后期测定的土壤贮水量平作各施肥处理的差异大于集雨各施肥处理。年际之间规律的差异可能是由于2012—2013年降雨量主要集中在抽穗到灌浆期，2013—2014年降雨量主要集中在拔节期。

表2　不同施肥处理冬小麦各生育阶段0～200 cm土壤贮水量(mm)

注：同列数据后不同小写字母表示同一种种植模式下不同施肥处理间差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different letters indicate significant differences (P<0.05) under the same planting mode in same line. The same below.

2.2集雨施肥对冬小麦产量、肥料农学效率及水分利用率的影响

2.2.1集雨施肥对冬小麦产量的影响由表3可知，同一施肥水平下，集雨种植方式冬小麦产量高于传统平作。2012—2013年度，集雨施肥处理平均产量为6 146.0 kg·hm-2，比平作处理提高12.44%，在高、中、低、无4种施肥水平下，集雨处理分别比平作处理产量增产14.69%(P<0.05)、15.71%(P<0.05)、11.54%(P<0.05)和7.02%；2013—2014年度，集雨施肥处理平均产量为6 242.9 kg·hm-2，比平作处理增产8.70%，在高、中、低、无4种施肥水平下，集雨处理分别比平作处理产量增产9.89%(P<0.05)、10.17%(P<0.05)、8.41%(P<0.05)和5.86%，其中RM的增产效果最显著，其次为RH。

同一种植方式下，随着施肥量的增加冬小麦产量均呈增加趋势。集雨种植方式下，除RH与RM之间差异不显著，其余处理间差异均达到显著水平(P<0.05)，2012—2013年度，RL较R0增产10.70%(P<0.05)，RM较RL增产10.59%(P<0.05)，RH较RM差异不显著；2013—2014年度，RL较R0增产10.28%(P<0.05)，RM较RL增产9.73%(P<0.05)，RH较RM增产4.68%，且差异不显著。平作各施肥处理冬小麦产量规律与集雨相似，各处理间差异幅度略小于集雨处理。

2.2.2集雨施肥对冬小麦水分利用效率的影响结果表明(表3)，同一施肥水平下，集雨种植方式冬小麦水分利用效率大于传统平作。2012—2013年度，集雨施肥处理平均水分利用效率为15.74 kg·mm-1·hm-2，比平作处理提高1.83%，其中RM较BM提高4.98%(P<0.05)；2013—2014年度，集雨施肥处理平均水分利用效率为14.96 kg·mm-1·hm-2，比平作处理提高5.83%，在高、中、低、无4种施肥水平下，集雨处理分别比对应的平作处理水分利用效率提高8.76%(P<0.05)、7.89%(P<0.05)、4.26%和1.87%，其中RH和RM提高效果最显著。

表3　种植方式及施肥水平对冬小麦产量、肥料农学效率及水分利用率的影响

同一种植方式下，各施肥处理水分利用效率与产量规律基本一致，大小顺序为RH>RM>RL>R0，BH>BM>BL>B0。集雨种植方式下，2012—2013年度，RL较R0提高5.42%，RM较RL提高8.80%(P<0.05)，RH较RM提高1.48%(P>0.05)；2013—2014年度，RL较R0提高9.24%(P<0.05)，RM较RL提高7.94(P<0.05)，RH较RM提高3.16%(P>0.05)；平作各施肥处理冬小麦水分利用效率规律与集雨相似，各处理间差异幅度小于集雨处理。

2.2.3集雨施肥对冬小麦肥料农学效率的影响肥料农学效率是衡量肥料利用率的重要指标，从表3可以看出：同一施肥水平下，集雨种植方式冬小麦肥料农学效率显著大于传统平作(P<0.05)。2012—2013年度，集雨施肥处理平均肥料农学效率为3.67 kg·kg-1，比平作处理提高了74.36%，在高、中、低3种施肥水平下，集雨处理分别比平作处理肥料农学效率提高了56.51%、81.36%和84.46%；2013—2014年度，集雨施肥处理平均肥料农学效率为3.60 kg·kg-1，比平作处理提高了35.62%，在高、中、低3种施肥水平下，集雨处理分别比平作处理肥料农学效率提高了28.20%、36.68%和41.60%。

同一种植方式下，各施肥处理肥料农学效率大小规律为RM>RL>RH；BM>BL>BH。集雨种植方式下，2012—2013年度，RM较RH提高了25.30%(P<0.05)，RL较RH提高了19.54%(P<0.05)；2013—2014年度RM较RH提高了18.15%(P<0.05)，RL较RH提高了15.64%(P<0.05)，两年RM与RL差异均不显著。平作种植方式下，2012—2013年度，BM较BH提高了8.10%(P<0.05)；2013—2014年度BM较BH提高了10.82%(P<0.05)。

3讨论

相关研究表明，采用沟垄集雨种植能够使无效、微效降雨有效化, 增加土壤有效水分供应量, 使集于沟中的降雨入渗更深, 沟垄覆膜集雨栽培较露地栽培具有聚水保墒作用[13-15]。本试验苗期到拔节期各集雨处理0～200 cm土壤贮水量较对应平作处理高8.11～37.94 mm，随生育期推进，冬小麦营养和生殖生长达到旺盛期，集雨处理冬小麦生物量大于平作处理，集雨施肥各处理生物产量显著高于对应平作处理，两年增幅都在10%以上，集雨处理较平作耗水量增大，使土壤贮水量降低，到小麦收获期集雨处理土壤贮水量小于平作处理。

本试验结果表明，施肥对冬小麦生育期土壤水分有明显影响，苗期和返青期测定的0～200 cm土壤贮水量各施肥处理间无明显差异，到小麦拔节期各处理出现显著差异，集雨种植各施肥处理土壤贮水量高低顺序为：RH>RM>RL>R0，从抽穗期到收获期测定的土壤贮水量高低顺序则为：R0>RL>RM>RH；平作各施肥处理土壤贮水量规律与集雨相似。形成以上结果的原因可能是,越冬前,因麦苗植株小、气温低,耗水强度低,施肥所造成的差异不明显；小麦返青拔节后,气温回升,地面蒸发量增加，由于施肥处理增加了小麦分蘖数及叶面积,因而使麦田保持较高的覆盖度,相对减少了这一时期土壤水分的蒸发损失；冬小麦生育后期,由于施肥促进了小麦营养体的生长,加强了根系吸水能力和植株的蒸腾耗水强度,从而增加了土壤水分的消耗量[16-17]。这与戴万宏[18]等研究结果相似，拔节之前,增加施肥量并没有使土壤含水量降低,相反有所升高，小麦拔节之后的情况则相反,增施肥料明显增加了土壤水分的消耗量,使土壤贮水量较对照明显降低。

集雨处理相对较好的水分条件, 使冬小麦在生理生长及产量方面均好于对照,在我国干旱半干旱地区, 雨水利用效率低下,作物生产潜力由于缺水而下降60%～75%[19]。本试验结果表明，集雨种植对冬小麦产量的提高较传统平作有明显作用，产量较平作处理提高 了7.02%～21.9%，Li X Y[20]等的研究也表明垄膜集雨种植可显著提高作物产量，提高幅度可达21%～92%。本试验结果表明,施肥的增产效果显著,随着施肥量的增加产量呈增加趋势，但相邻肥力梯度间增幅随施肥量的增加逐渐降低，高施肥虽较中施肥量增产，但增产幅度不显著,说明中施肥量(N+P:180+120 kg·hm-2)可能就是经济的施肥上限量。张福锁[21]等研究表明如果将氮肥施用量分成3级,150～250 kg·hm-2为适中,小于150 kg·hm-2为不足,大于250 kg·hm-2为超量，适中肥量(150～250 kg·hm-2)增产潜力最大。

任小龙[22]等研究结果表明沟垄覆盖栽培模式可以有效改善作物的水分状况，增加籽粒产量，提高农田水分利用效率，本试验结果表明，集雨种植对冬小麦水分利用效率的提高均较传统平作有明显作用，水分利用效率提高0.47%～7.55%。前人研究认为, 施肥能促进冬小麦生长发育,根系深扎,增强作物对深层水分的利用,可以显著提高水分利用效率[18,23]，本试验各施肥处理水分利用效率随着施肥量的增加而增加，相邻肥力梯度间增幅随施肥量的增加逐渐降低，高施肥处理虽水分利用效率最高，但与中肥比较提高幅度不显著，这与产量的规律一致。

肥料农学效率反映了单位施肥量增加作物产量的能力[24]，是评价肥料增产效应较为准确的指标[21]，植物对养分的吸收、运转和利用都依赖于土壤水分，土壤的水分状况在很大程度上决定着作物对养分的吸收利用[25]，集雨种植能改善土壤水分状况，进而促进土壤养分有效性的发挥和利用。试验结果表明，集雨种植模式肥料农学效率较传统平作提高28.46%～81.36%。本试验无论是集雨处理还是平作处理，中肥的肥料农学效率最大，其次是低肥，高肥最低，可能是由于过量施肥使化肥养分利用率降低所致。

4结论

各集雨施肥处理能改善农田土壤的水分状况，在冬小麦生育前期集雨处理可以显著提高0～200 cm土层的土壤贮水量，且集雨种植模式下冬小麦生长后期对水分的吸收利用优于传统平作。

施肥对冬小麦生育期土壤水分有明显影响，拔节期所测土壤贮水量随着施肥量的增加呈增加趋势，冬小麦生育后期土壤贮水量随着施肥量的增加而减少。

集雨种植对冬小麦产量、水分利用效率和肥料农学效率的提高均较传统平作有明显作用，集雨种植模式下中量施肥提高效果最为显著。

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Effects of fertilizer application rates on soil water use and wheat yield

under ridge-furrow practice with plastic mulching of the ridge

WANG Ke1,2, WEI Ting1,2, DONG Zhao-yun1,2, ZHANG Peng1,2, JIA Zhi-kuan1,2

(1.TheChineseInstituteofWater-savingAgriculture,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;

2.KeyLaboratoryofCropPhysi-ecologyandTillageinNorthwesternLoessPlateau,MinisterofAgriculture,Yangling,Shaanxi712100,China)

Abstract：The objective of this study was to explore the effects of the different chemical fertilizer application levels on soil moisture, grain yield, water use efficiency (WUE) and fertilizer agronomic efficiency(AE) under Ridge-furrow Rainfall Harvesting Planting pattern. A 2-year field experiment was conducted in semi-arid areas of southern Ningxia from Sept. 2012 to June 2014. Two cultivation patterns (R: ridge-furrow cultivation and F: conventional flat cultivation) and four chemical fertilizer rates (H: 270+180 kg·hm-2, M: 180+120 kg·hm-2, L: N+P: 90+60 kg·hm-2, 0) were performed in this study. The results showed that soil water storages at 0～200 cm layers were significantly higher in R treatments than that of B treatments at the early growth stage of winter wheat. Yield, WUE and AE of wheat were larger in R, which were 10.57% (P<0.05), 3.83% and 54.99% (P<0.05) higher than that of B, respectively. Fertilization had significant effect on soil water storage during wheat growth period. At the early growth stage of winter wheat, soil water storage increased as fertilizer level increased. At late growth stage, soil water storage decreased as fertilizer level increased. Under both cultivation patterns, yield and WUE of winter wheat increased with the rising of fertilizer application. However, the increase amplitude of yield and WUE between adjacent fertility gradient became smaller gradually with the increasing of fertilizer application. RH was the recommended treatment in terms of yield and WUE. AE of wheat was the largest in RM which averaged 3.91 kg·kg-1in two trial years. Therefore, the ridge-furrow rainfall harvesting planting pattern with middle fertilizer application (180+120 kg·hm-2) could significantly increase grain yield and WUE of winter wheat.

Keywords:ridge and furrow rainfall harvesting planting pattern; fertilizer application levels; soil moisture; rainfed wheat; yield; semiarid areas

中图分类号：S318；S512.1

文献标志码：A

通信作者：贾志宽(1962—)，男，教授,博士生导师，主要从事旱区农业水分高效利用研究。E-mail：zhikuan@tom.com。

作者简介：王珂(1989—)，女，山西运城人，硕士研究生，主要从事旱地节水农业研究。 E-mail:729036134@qq.com。

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划课题“西北旱作区抗逆稳产旱作农业技术集成与示范”(2012BAD09B03)；“十二五”国家科技支撑计划课题“西北旱区农业水土资源潜力与高效利用模式集成及应用”(2011BAD29B09)；“十二五”国家863课题“旱作冬小麦水肥联合调控效应研究”(2011AA100504)

收稿日期：2015-02-09

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.15

文章编号：1000-7601(2016)01-0093-06