长期施肥对冬小麦产量和水分利用效率的影响

罗照霞，杨志奇，俄胜哲，袁金华，车宗贤，郭永杰

(1.天水市农业科学研究所，甘肃天水 741000；2.甘肃省农业科学院 土壤肥料与节水农业研究所，兰州 730070)



长期施肥对冬小麦产量和水分利用效率的影响

罗照霞1，杨志奇1，俄胜哲2，袁金华2，车宗贤2，郭永杰2

(1.天水市农业科学研究所，甘肃天水 741000；2.甘肃省农业科学院 土壤肥料与节水农业研究所，兰州 730070)

对长期定位施肥试验第32年度的测定数据进行分析，探讨长期施肥对黄绵土区冬小麦产量和土壤水分的变化及其利用效率的影响。结果表明，施肥提高了冬小麦籽粒产量，有机肥与化肥配施的增产效果更显著。肥料单施增产率在60%以上，肥料配施增产率在120%以上。冬小麦产量以有机肥配施氮磷钾处理最高(4 932.00 kg/hm2)，较对照(不施肥料)提高189.16%，水分利用效率也最高[9.65 kg/(hm2·mm)]，较对照提高174.15%。不同施肥处理0～20 cm土层土壤含水量较播前下降缓慢，20～80 cm土层土壤含水量则均迅速下降。冬小麦收获后0～100 cm土壤有效储水量较播前下降，下降最大的是有机肥配施氮磷钾处理，为56.6 mm，土壤耗水量最大，为511.00 mm。可见，肥料配施提高作物产量，但也增加了土壤耗水量，土壤干燥化程度也将加剧。

长期施肥；冬小麦；产量；土壤水分；水分利用效率

水分不足是干旱半干旱地区农业生产的主要限制因子，这种环境下的农业生产必须以水分的高效利用为中心。提高作物本身的水分利用效率应是实现高效用水的中心和潜力所在[1]。施肥是旱农地区提高生产水平的主要措施，根据土壤水分合理施肥，以肥调水，以水促肥，水肥耦合，促进作物高产和水分利用效率的提高成为农业综合发展的关键技术[2-5]。肥料的投入极大地促进作物产量和经济效益的提高，提高作物水分利用效率。关于肥料对作物产量和水分利用效率的影响众多学者已做大量研究，任书杰等[6]和孙继颖等[7]研究认为，氮肥可显著抑制植株蒸腾失水，提高作物的抗旱能力和耗水量，明显提高水分利用率。因为磷的不可移动性，水分和养分不能达到空间耦合，不同土层施磷对作物的效应不同。研究施磷对土壤养分和水分的影响结果表明，磷肥可降低土壤无效水的消耗，提高水分利用率，增加小麦对土壤深层水分的利用能力[8-12]。陈光荣等[13]研究表明，施钾量、补水时期以及交互作用可显著提高作物产量和水分利用效率。合理的氮磷化肥配施具有时效互补性和功能互补性，可显著提高作物的经济产量和水分利用效率[14-16]。施有机肥或有机肥与无机肥配合施用，更有利于作物生长发育、产量和水分利用效率的提高[17-19]。以往的研究以短期试验或肥料单独施用的效应居多，肥料长期定位试验也大多是定位监测作物产量和土壤肥力及其理化性质的变化，对施肥与水分利用效率及产量关系的研究报道较少。为此，本研究在长期定位试验条件下，分析施肥对作物产量和水分利用效率的变化，以期为旱地农业水肥管理以及科学施肥提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

指示冬小麦品种为‘天选51号’，为天水市农业科学研究所中梁试验站自育品种，供试有机肥为精鸡粪，全氮、全磷和全钾的质量分数分别为0.3%、0.12%和1.11%，氮肥为尿素(含N≥46.4%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O512%)，钾肥为硫酸钾(K2O≥50%)。

1.2 试验区概况

试验开始于1981年，试验地位于天水市农业科学研究所中梁试验站试验示范基地(34°5′N，104°5′E)，该区属半干旱山区，海拔1 650 m，多年平均降雨量550 mm左右，年平均气温为11.5 ℃，无霜期185 d。试验地土壤属中壤黄绵土，1981年试验初期土壤0～20 cm基础理化性状如下：pH 8.54，有机质质量分数11.87 g/kg，全氮0.82 g/kg，全磷0.66 g/kg，全钾16.60 g/kg，速效氮73 mg/kg，速效磷8.6 mg/kg，速效钾190 mg/kg，有机碳9.14 g/kg。

1.3 试验设计

试验采用裂区设计，主处理为施有机肥(M)和不施有机肥处理，副处理设4个施肥水平，分别为不施肥、氮肥、氮磷肥和氮磷钾肥。试验共8个处理：CK(不施肥)、单施氮肥(N)、氮磷肥配施(NP)、氮磷钾肥配施(NPK)、单施有机肥(M)、有机肥和氮肥配施(MN)、有机肥和氮磷肥配施(MNP)、有机肥和氮磷钾肥配施(MNPK)。试验施有机肥30 000 kg/hm2、N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2，所有肥料均作基肥，于作物播种前结合整地一次性施入。每个处理重复3次，小区面积33.32 m2。冬小麦于2012-09-24播种，2013-07-05收获。冬小麦行距16.5 cm，播量450万粒/hm2，人工撒播，其他田间管理措施同当地大田。冬小麦生育期(2012年9月至2013年7月)内降雨量454.4 mm，比同期多年平均值低100 mm左右。

1.4 测定项目及计算方法

冬小麦成熟后按小区收获计产。

于冬小麦播种前及收获后，用土钻采集试验小区0～100 cm土壤样品，以20 cm为一分层单位，用烘干法测定土壤含水量，降水量采用当地气象站监测数据。

土壤储水量计算公式为[20]：

W=h×a×b×10

式中，W为土壤储水量(mm)，h为土层厚度(cm)，a为土壤体积质量(g/cm3)，b为土壤质量含水量(%)。

生育期耗水量计算公式为[21]：

ETa=W1-W2+P+I

式中，ETa为土壤耗水量(mm)，W1为播种前1 m土层储水量(mm)，W2为收获后1 m土层储水量(mm)，P为冬小麦生育期降水量(mm)，I为生育期灌水量，本地为雨养农业区，I忽略不计。

水分利用效率(WUE)计算[22]为：

WUE=Y/ETa

式中，Y为各小麦单位面积产量(kg/hm2)。

采用Microsoft Office Excel 2007对试验数据进行处理，DPS 3.01进行显著性分析，LSD法检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 施肥对冬小麦土壤剖面水分分布的影响

图1结果显示，2012年冬小麦播种前，不同施肥处理下0～20 cm土层土壤含水量均最大，维持在20.1%～22.3%，随着土层深度的增加土壤含水量逐渐减小。不论施有机肥与否，肥料配施处理土壤含水量均低于肥料单施处理。不施有机肥与施有机肥处理相比，相同施肥量条件下施有机肥处理土壤含水量高于不施有机肥处理，这与长期施有机肥使土壤结构改善，蓄水能力增加有关。20～80 cm土层土壤含水量下降幅度不大，不施有机肥处理下降幅度大于施有机肥处理，不施有机肥下降在0.5%～0.9%，施有机肥处理下降在0.2%～0.7%，80～100 cm土层土壤含水量下降较大，下降最快的是有机肥配施氮肥处理，其次是单施氮肥处理，分别较60～80 cm土层土壤含水量下降2.3和1.8个百分点，NP和NPK处理分别下降1.6和1.4个百分点，MNP和MNPK分别下降1.1和0.9个百分点。

2013年冬小麦收获后土壤剖面含水量与播前相比，0～100 cm土层土壤含水量差异明显(图1)。不同施肥处理0～20 cm土层土壤含水量在19.4%～20.3%，较播种前下降1～2个百分点，不论施有机肥与否，20～80 cm土层土壤含水量均迅速下降，这与作物生长发育期间的水分吸收和土壤蒸发密切相关，除了不施任何肥料处理外，其余各处理80～100 cm土层土壤含水量均呈现缓慢回升趋势，作物在生长期间，根系纵深下扎，深层水分向上运移，故土壤含水量又缓慢回升。

以上结果说明，施有机肥或肥料配施，或有机肥与氮磷、氮磷钾配合施用，均为冬小麦的生长发育提供丰富的养分，促进冬小麦根系的生长，增大根系与土壤的接触面，加强冬小麦对深层土壤水分的吸收利用，但是肥料的长期施用加大作物对土壤水库的耗竭，土壤水库的库容不能在作物收获后得到良好的恢复，亏缺的水分不能及时补充将会影响后茬作物的生长。

图1 不同采样时期土壤含水量Fig.1 Soil water contents at different sampling times

2.2 施肥对冬小麦土壤储水量的影响

不同施肥对作物生长有不同影响，因此不同施肥条件下土壤储水量也有明显差别(表1)。播前0～20 cm冬小麦土壤储水量最小，20～40 cm土壤储水量迅速升高，20～80 cm土壤储水量增长平缓，80～100 cm又突然下降。播前0～100 cm土层不同施肥处理之间相比，氮肥和有机肥单施处理土壤储水量均较不施肥和化肥配施处理高，氮磷配施与氮磷钾配施处理之间土壤储水量变化不大，有机肥配施化肥处理土壤储水量高于化肥单施或配施处理。这与王兵等[23]关于黄土塬区旱作农田长期定位施肥对冬小麦水分利用的影响研究表明，有机肥与化肥配施处理土壤储水量较化肥配施处理显著提高结论一致。

冬小麦收获后，不同处理、不同土层土壤储水量较播前大幅度下降，0～100 cm土层下降在11.99～57.29 mm。与播前土壤储水量不同，收后氮磷配施处理土壤储水量最高，施有机肥条件下，0～20 cm土层土壤储水量变化不大，随着土层深度的增加变化逐渐明显，总体以单施有机肥处理最高，其次为有机肥与氮磷肥配施处理。

表1 不同施肥处理冬小麦土壤储水量Table 1 Soil water storage of different fertilization treatments in winter wheat mm

2.3 不同施肥处理对冬小麦产量与土壤水分利用效率的影响

由表2可知，冬小麦收获后与播种前相比，土壤储水量有不同程度的下降，下降最大的是有机肥配施氮磷钾处理，为56.6 mm，而土壤耗水量最大，为511.00 mm。冬小麦产量越高，相对应处理的土壤储水量下降就越高，土壤耗水量越大。冬小麦产量以有机肥配施氮磷钾处理最高，为4 932.00 kg/hm2，较CK提高189.16%，其次为有机肥配施氮磷处理，产量达4 531.80 kg/hm2，较对照提高165.70%，氮磷钾配施处理产量达4 231.65 kg/hm2，较对照提高148.10%，与对照差异均达显著水平。单施氮肥与有机肥较CK增产率在60%以上，肥料配施较CK增产率在120%以上。所有施有机肥处理的产量明显高于不施有机肥处理的产量，在相同施肥条件下，施用有机肥处理的产量较不施有机肥处理的产量分别提高60.00%、26.87%、15.56%、16.55%，化肥和有机肥混合施用可有效提高肥料的肥效。氮磷配施与氮磷钾配施、有机肥配施氮磷与有机肥配施氮磷钾相比，施钾后产量增加的幅度不大，分别提高7.91%和8.83%，钾肥的增产作用不明显。

在旱地雨养农业区通过科学合理的肥料施用提高水分利用效率，达到以肥调水，以水促肥，增产增收的目的。表2结果显示，所有施肥处理冬小麦水分利用效率均大于不施肥处理。N、NP、NPK处理水分利用效率较不施肥处理分别提高86.08%、138.92%、146.02%，M、MN、MNP、MNPK处理较不施肥分别提高58.24%、130.68%、157.10%、174.15%。相同施肥条件下施有机肥处理较不施有机肥处理分别提高23.97%、7.61%和11.43%。说明单施氮肥、单施有机肥或肥料配施都会不同程度提高土壤水分利用效率，且施用有机肥能显著提高作物的水分利用效率。

表2 不同施肥处理冬小麦产量和水分利用效率Table 2 Winter wheat yield and water use efficiency under different fertilization treatments

注：不同小字母表示在0.05水平差异显著。
Note:Different lower case letters mean significant difference at 0.05 level.

3 结论与讨论

肥料是影响小麦产量的一个重要因素。众多长期肥料定位试验研究发现，氮、磷、钾肥单施、肥料配施及化肥与有机肥配施均能明显提高作物产量，不同降水年型下施肥对小麦的产量影响不同[24-25]。本研究结果表明，化肥单施、化肥配施都能明显提高冬小麦产量，化肥与有机肥配施后增产效果更显著。与不施任何肥料相比，MNPK、MNP、MN、M、NPK、NP、N处理的产量分别提高189.16%、165.69%、143.70%、60.00%、148.10%、129.92%、92.09%，在相同施肥条件下，施有机肥较不施有机肥产量分别提高26.87%、15.56%、16.55%，这一结果说明有机肥的增产作用不容忽视。

施用肥料后小麦产量增加，水分利用效率也相应升高[26-28]，不施有机肥条件下，NPK处理水分利用效率最大，较不施肥处理提高146.02%，施有机肥条件下，MNPK处理水分利用效率最大，较不施肥提高174.15%，施用有机肥后土壤水分利用效率明显提升。王兵等[23]研究认为，在氮磷配施基础上施钾由于提高了产量而使水分利用效率比不施钾处理显著提高，本试验施钾后产量增加幅度不大，因而水分利用效率相互间差异也较小。施用肥料可显著增加作物的产量和水分利用效率，同时也会增加土壤的耗水量，进而加剧土壤干燥化程度。魏孝荣等[10]研究发现，即使在播种下一季作物时，经过一个相当长的雨季对土壤水分的补充，高肥处理的土壤水分仍处于一个相对较低的水平。由土壤水分含量状况可知，冬小麦收获后土壤水分处于较低水平，不同施肥处理在不同土层都较不施肥处理下降很多，对下一季作物的播种和生长极为不利，长期施肥对土壤水库容量会有较大影响。因此，科学合理的配施有机肥与化肥，提高干旱地区水肥利用效率，成为本地区及相似种植区域农业增产节支的主要措施。

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(责任编辑：史亚歌 Responsible editor:SHI Yage)

Effects of Long-term Fertilization on Winter Wheat Yield and Water Use Efficiency .

LUO Zhaoxia1，YANG Zhiqi1，E Shengzhe2，YUAN Jinhua2，CHE Zongxian2and GUO Yongjie2.

(1. Institute of Agricultural Sciences Tianshui，Tianshui Gansu 741000，China；2. Institute of Soil Fertilizer and Water-saving Agriculture，Gansu Acadamy of Agricultural Sciences，Lanzhou 730070，China)

The effects of long-term fertilization on wheat grain yield and changes of soil water content and water use efficiency were studied in loessal soil region on the base of the latest data from a long-term fertilization experiment which has been continued for 32 years on the Loess Plateau. The results showed that both manure and chemical fertilizers could increase wheat grain yield, but manure combined with chemical fertilizer could increase wheat grain more efficiently. Single application of nitrogen or manure increased wheat grain yield above 60%, while, fertilizers combined application (NP,NPK,NM,MNP and MNPK) increased wheat grain yield higher than 120%.The highest yield and water use efficiency, 4 932.00 kg/hm2and 9.65 kg/(hm2·mm) respectively, were observed in MNPK treatment, and they were enhanced by 189.16% and 174.15% compared with CK treatment, respectively. Compared to sowing before,soil water content in the 0-20 cm soil layer of all treatments slowly decreased, however, soil water content in the 20-80 cm soil layer quickly decreased. Soil water storage in 0-100 cm soil layer after harvest obviously decreased compared with the sowing before, the most drop was 56.6 mm in MNPK treatment，in other words, MNPK treatment had the highest soil water consumption, 511.00 mm. The combined application of fertilizers would increase crop yield and water consumption, but aggravate soil dry degree.

Long-term fertilization；Winter wheat；Yield；Soil water；Water use efficiency

2016-05-24 Returned 2016-06-17

Key Projects in the National Science &Technology Pillar Program during the Twelfth Five-year Plan Period(No.2012BAD05B06);Special Fund Project of Gansu Academy of Agricultural Sciences(No.2013GAAS12).

LUO Zhaoxia,female,master,assistant research fellow.Research area:plant nutrition and soil fertilizer.E-mail：13919669125@163.com

CHE Zongxian,male,research fellow.Research area:plant nutrition and soil ecological.E-mail：eshengzhe@163.com

日期：2017-06-29

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20170629.1107.004.html

2016-05-24

2016-06-17

十二五国家科技支撑计划(2012BAD05B06);甘肃省农业科学院农业科技创新专项 (2013GAAS12)。

罗照霞，女，硕士，助理研究员，从事植物营养与土壤肥料研究。E-mail：13919669125@163.com 通信作者：车宗贤，男，研究员，主要从事植物营养与土壤生态研究。E-mail：eshengzhe@163.com

S143

A

1004-1389(2017)07-1007-07