地膜玉米免耕轮作春小麦水氮生产力对灌水施氮水平的响应

田雪梅，郭 瑶，王巧梅，周 宁，赵 财,樊志龙，范 虹，柴 强

(甘肃农业大学农学/院甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃兰州 730070)

我国水资源短缺，人均占有量少，淡水资源仅占全球水资源总量的6%[1]，且农业灌溉用水占62.2%，农业节水形势严峻[2]；另一方面，我国占世界9%的耕地用去了世界约30%的化肥，肥料平均利用率较发达国家低10%以上[3]。因此，农业水肥高效利用研究亟待深入。诸多农田节水技术中，地膜覆盖应用普遍，但该技术多用于喜温、稀植类作物，且多为每年更换新膜，投入成本较大[4]，一膜能否多年利用是作物生产中值得探讨的问题。免耕能显著提高土壤蓄水保墒能力，降低棵间蒸发，增强土壤贮水性能，增加作物产量，且在干旱较严重情况下稳产效果较好[5]。轮作能使得土壤全氮含量增加10%～20%，增加土壤供氮能力[6]。玉米-小麦的轮作可提高小麦生育期内土壤贮水量，近而提高土壤供水强度[7]。适宜的水氮配比可使作物高产[8]。但上述技术应用效果研究大都是单一的，缺乏技术集成效应探讨，其中免耕、轮作、旧膜再利用、水氮耦合及水氮减量等技术综合应用能否节约水氮资源、提高水氮利用效率，对于作物高产高效生产而言，是非常值得研究的。前人大多用水分利用效率[7]、养分利用效率[9]等指标来衡量水氮资源利用效率的高低，弱化了人工投入资源经济性的衡量，而作物灌溉水生产力与氮肥偏生产力两个指标表征单位资源投入与籽粒产量的关系，从投入产出角度分析节水、节肥技术的经济可行性，可为系统评价技术综合效益提供支撑。

西北干旱内陆灌区是我国地膜使用强度最大的地区，且资源性缺水严重[10]，研究不同水肥高效利用技术的集成效应，对于解决该区作物生产的水肥利用问题具有重要作用。本研究以地膜玉米为前茬，分析了在不同耕作措施和水氮条件下轮作小麦的产量、水氮生产力，以期为西北干旱内陆灌区玉米-小麦轮作水氮高效利用技术体系的建立提供实践支持。

1 材料与方法

1.1 试区概况

试验于2016-2018年度在甘肃省武威市黄羊镇进行，该地区位于甘肃河西走廊东端(37°30′N，103°5′E)，是典型的大陆性荒漠气候，年均降雨量约156 mm，蒸发量约2 400 mm，资源性缺水严重，且降雨主要集中在7-9月份，雨热分布错位，不能满足小麦生长发育的需要，是典型的绿洲灌溉农业区。小麦、玉米为该区的主要粮食作物。玉米大多覆膜栽培，耕作以传统深翻耕为主。试验地0～30 cm土壤全氮含量0.88 g·kg-1，速效钾含量156.2 mg·kg-1，有效磷含量29.2 mg·kg-1。2016-2018年3-7月降雨量分布如图1。

图1 2016-2018年度武威试验站3-7月降雨量

1.2 试验设计

试验采用三因素裂区设计。主区为前茬地膜玉米收获后的2种不同耕作方式，即免耕一膜两年用(NT)和传统耕作(CT)；裂区为2个灌水水平，分别为2 400 m3·hm-2(传统水平，I2)、1 920 m3·hm-2(较传统灌水减量20%，I1)，在苗期、孕穗期和灌浆期灌水比三年均为5∶6∶5；裂裂区为3个施纯氮水平，分别为225 kg·hm-2(传统施氮，N3)、180 kg·hm-2(较传统施氮减量20%，N2)、135 kg·hm-2(较传统施氮减量40%，N1)。共12个处理，每个处理3次重复，小区面积52 m2(5.2 m×10 m)。各处理均施磷肥P2O5150 kg·hm-2，与氮肥播种前一次性穴施，冬季灌水1 200 m3·hm-2。灌溉方式采用管灌，以水表计灌溉量。小麦生育期人工控制杂草、病虫害，其他田间管理均与当地高产田一致。

1.3 试验准备

试验于2015-2018年进行，其中2015年为预备试验。期间前茬为覆膜玉米，施肥(360 kg·hm-2)、灌水量(4 080 m3·hm-2，采用膜下滴灌)均与当地玉米田保持一致，2015玉米收获后一半免耕留茬，地膜完整度保持在70%以上，一半回收残膜后深翻耕，2016年在该地块进行小麦穴播，同时准备2017年小麦旧膜穴播的预备试验，以此类推。

供试春小麦品种为甘春30。小麦于2016年3月28日、2017年3月26日和2018年的3月13日穴播，于2016年7月21日、2017年7月20日和2018年7月18日收获，播种密度均为465万粒·hm-2，行距12 cm。免耕茬口留膜宽1.40 m，厚0.01 mm。

1.4 测定指标与方法

成熟期采用小区单打单收计产，重复3次，风干脱粒后测定其14%含水量的籽粒产量(GY)，并计算灌溉水生产力(IWP，籽粒产量/总灌水量)[11]与氮肥偏生产力(PFP，施氮处理产量/施氮量)[12]。

1.5 数据处理

试验数据采用Microsoft Office Excel 2010进行整理汇总，用SPSS 17.0统计分析软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对小麦籽粒产量的影响

年份、耕作方式、灌水水平、施氮水平及四者间交互作用对小麦籽粒产量影响均显著(表1)。由于降雨等气象因子不同，2018年的平均籽粒产量较其他两年下降18.0%～18.4%(图2)。三年中，相对于传统耕作，免耕一膜两年用处理增产 5.5%～10.4%；减量20%灌水处理的籽粒产量较传统灌水处理提高2.3%～8.8%；减量20%施氮处理在2016、2017年较传统施氮处理分别增产 4.3%和2.6%，但差异不显著，2018年减产 10.7%。三年中减量20%灌水处理较减量40%施氮处理增产11.1%～16.6%。年份、灌水与施氮的互作对小麦籽粒产量影响显著，耕作措施与灌水水平、耕作措施与施氮水平间的交互作用不显著。相同耕作方式下，减量20%灌水、减量20%施氮处理与减量20%灌水、传统施氮处理及传统灌水、减量20%施氮处理在2016、2017年差异均不显著，2018年较前者减产5.7%，较后者增产12.5%。免耕措施下，减量20%施氮、减量20%灌水处理与传统灌水、传统施氮处理间无显著性差异；减量20%施氮、减量20%灌水处理与传统灌水、减量20%施氮处理相比，2016、2017年均差异不显著，2018年增产25.3%。三年中籽粒产量较高的处理均出现在免耕减量灌水条件下的传统施氮和减量20%施氮处理(NTI1N3、NTI1N2)及免耕传统灌水条件下传统施氮和减量20%施氮处理(NTI2N3、NTI2N2)。可见，将免耕、减量20%施氮与减量20%灌水集于一体，可对春小麦产生增产量加和效应，也说明免耕旧膜再利用结合减量灌水和施肥20%适合于春小麦高产高效栽培。

图柱上不同字母表示同一年中不同处理间在0.05水平差异显著。下同。

Different letters above the chart column represent significant difference within the same year among the treatments at 0.05 level. The same in figure 3 and 4.

图2 不同处理的春小麦籽粒产量

Fig.2 Grain yield of spring wheat under different treatments

表1 春小麦籽粒产量、灌溉水生产力与氮肥偏生产力的显著性分析(P值)Table 1 Significance analysis of grain yield, irrigation productivity and partial factor productivity(P value)

NS：P>0.05.

2.2 不同处理小麦的灌溉水生产力差异

年份、耕作方式、灌水水平、施氮水平及四者间的交互作用对小麦的灌溉水生产力影响均显著(表1)。2016-2018年相较于传统耕作，免耕一膜两年用处理小麦的灌溉水生产力提高5.8%～ 10.3%。减量20%灌水较传统灌水处理三年中提高18.0%～25.6%。减量20%施氮处理较传统施氮处理在2016、2017年分别增加3.9%、 2.3%，但差异均不显著，2018年减小10.4%。减量20%灌水处理灌溉水生产力三年中较减量40%施氮处理增加10.6%～16.4%。

年份与耕作方式、年份与施氮水平的互作效应均显著，年份与灌溉水平互作及耕作方式、灌溉水平与施氮水平三者中两两互作效应均不显著。相同耕作方式下，减量20%灌水、减量20%施氮处理相对于减量20%灌水、传统施氮处理在2016、2017年无显著变化，2018年减小5.3%，三年中较传统灌水、减量20%施氮处理增加 12.3%～29.9%。免耕下，减量20%灌水、减量20%施氮处理较传统灌水、传统施氮处理提高 7.6%～20.3%；较传统灌水、减量施氮处理增加11.6%～44.6%，较减量20%灌水、传统施氮处理无显著变化。由于减量20%灌水处理的灌溉量小，三年所有处理中免耕结合减量灌水的小麦灌溉水生产力在传统施氮、减量20%施氮条件下均最高，且两种施氮水平间无显著差异。这说明免耕一膜两年用配以节水、减氮20%措施在减少资源投入、提高水资源利用效率方面可行性很高。

图3 不同处理的春小麦灌溉水生产力

2.3 不同处理对小麦氮肥偏生产力的影响

年份、耕作方式、灌水水平、施氮水平及四因素间互作对小麦的氮肥偏生产力影响均显著(表2)。由图4可以看出，2016-2018年，免耕处理的小麦氮肥偏生产力较传统翻耕处理提高 6.4%～10.5%；减量20%灌水处理较传统灌水处理提高 2.0%～10.4%；减量20%施氮处理较传统施氮处理提高11.6%～30.4%，较减量40%施氮处理降低12.5%～16.7%。

年份、施氮水平与耕作方式及年份、施氮水平与灌水水平间交互效应均显著，年份、耕作方式与灌水水平间的交互作用不显著。在相同耕作方式下，减量20%灌水、减量20%施氮处理的小麦氮肥偏生产力较减量20%灌水、传统施氮处理增加18.4%～24.1%，较传统灌水、减量20%施氮处理在2016、2017年无显著变化，在2018年增加 12.5%。免耕下，减量20%灌水、减量20%施氮处理的氮肥偏生产力较传统灌水、施氮处理增加 16.5%～30.4%；较传统灌水、减量20%施氮处理在2016、2017年变化不显著，2018年增加 25.3%；较减量20%灌水、传统施氮处理增加 23.8%～23.9%。

综合来看，免耕与减量施氮均可提高小麦氮肥偏生产力，其中减量40%施氮时小麦氮肥偏生产力最高，传统灌水与减量灌水对小麦的氮肥偏生产力无显著影响，因此免耕旧膜次年再利用集成水氮减量措施在减投资源的基础上能提高氮肥利用效率，有利于氮肥资源高效利用。

图4 不同处理的春小麦氮肥偏生产力

3 讨论

3.1 免耕地膜覆盖及水氮水平对小麦籽粒产量的影响

产量的形成是一个连续渐进的过程，籽粒是小麦最后形成的器官，籽粒产量的高低是小麦植株个体发育、栽培技术、环境条件及生产目标的最终体现[13]。由于2018年降雨较少，基本无有效降雨，且灌浆期遭遇干热风，阻碍当年籽粒产量形成，造成严重减产。覆膜玉米茬免耕一膜两年轮作穴播较传统翻耕有利于小麦增产，这与蔡 艳等[6]、樊志龙等[14]的研究结果一致；地膜覆盖可减少水分流失，降低耗水，在干旱年份也可保水、增产[15-16]；免耕旧膜次年再利用还可提高土壤温度，促进水肥协调，有利于作物生长发育和高产[17]。由于免耕一膜两用优化了土壤水肥性质，在此耕作措施下水氮减量20%处理的籽粒产量与传统水氮处理间无显著差异，表明在免耕条件下适量减少水氮用量不会影响春小麦产量形成[18]，过量灌水和施氮反而增大生产成本[8，14]。另外，免耕旧膜使用相较于覆新膜，未表现出明显的减产，且节省新膜投入及土地耕作费用，整体增益可观。因此，免耕旧膜再利用配以减量20%灌水和减氮20%在西北绿洲灌区作为小麦减投高产措施可推广利用。

3.2 小麦农田灌溉水生产力对免耕地膜覆盖及水氮水平的响应

耕作方式、灌水、施肥水平均对小麦的灌溉水生产力产生显著性影响[11]。研究表明，高灌水可提高作物的灌溉水生产力，是因为增加灌水对籽粒产量的增加效应较大[20]。本研究中免耕一膜两年用与减量灌水处理均可增加小麦灌溉水生产力，究其原因可能是旧膜免耕穴播栽培、减少冬春季蒸发，使得耗水中有效蒸腾大于无效蒸腾[11,20]降低作物生长中非生产性水损失。不同施氮梯度间，减量20%施氮处理较传统施氮处理，2016-2017年度差异不显著，2018年减小10.4%，主要是2018年度雨水稀缺导致籽粒产量减小。减量40%施氮处理显著降低小麦灌溉水生产力，可能是氮素不足，导致减产严重。增施氮肥可通过提高土壤水势，增强土壤供水能力，提高作物对土壤水分的利用[21]，充分体现出水氮耦合效应，从而提高灌溉水利用效率。由此可见，在西北绿洲灌区，推行免耕一膜两年用结合减量20%灌水和减量20%施氮在资源减耗方面可行性较强。

3.3 免耕地膜覆盖及水氮水平对小麦氮肥偏生产力的调控效应

氮肥偏生产力可充分反映作物施氮后的实际生产水平，综合反映当地土壤基础养分和化肥施用量，由施肥量与籽粒产量决定高低[22]。本研究表明，耕作方式、灌水水平和施氮水平及三者间互作，及施氮水平与耕作方式、施氮水平与灌水水平间的互作均对小麦氮肥偏生产力产生显著影响，其中免耕可提高作物氮肥偏生产力，减量灌水处理未表现出明显的负效应。一方面是地膜覆盖有效改善了土壤水温条件[23]，增强养分供应能力；另一方面，轮作促进小麦吸收上茬玉米残留在 0～70 cm土壤的氮素[6,24]，有利小麦氮肥偏生产力提高[12]。传统施氮与减量20%施氮间籽粒产量无显著差异，这是减量20%施氮处理的氮肥偏生产力较高的主要原因。另外，减量40%施氮虽明显提高小麦的氮肥偏生产力，但明显降低了籽粒产量，于农业生产无益。这说明过量施氮会造成资源浪费[9]，加大环境污染风险，所以要兼顾生产效益与环境保护，减量施氮就势在必行。一定范围内，小麦的氮肥生产效率随灌水量的增加而增加，随施氮量的增加而减小[21]，可能是增加灌水使得小麦籽粒产量增加，从而增加小麦氮肥偏生产力，说明水分和氮肥对作物氮肥偏生产力的增加效应是水氮各自单因素效应及二者互作效应共同作用的结果[25]。因此，水、氮单方面高或者低都不能带来较高的产投比，只有当二者均适宜即高效的水氮模式下，才能获得较高的水氮生产力，增大资源产投比，实现节本增效，故免耕旧膜再利用集成水氮减量有助于提高小麦氮肥偏生 产力。

综上所述，前茬地膜玉米免耕轮作穴播春小麦配套灌水1 920 m3·hm-2、施氮180 kg·hm-2可作为西北干旱内陆灌区节水节氮、高产低耗的小麦种植模式，适宜大面积推广。