施肥对半干旱区旱地全膜覆土穴播苦荞产量及水肥利用率的影响

方彦杰, 张绪成, 于显枫, 侯慧芝, 王红丽, 马一凡

(甘肃省农业科学院旱地农业研究所, 甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室, 兰州 730070)

水和肥是制约旱地农业发展的主要因素，充分发挥水肥增产效应是提高我国半干旱区旱地农业生产力、粮食安全与区域农业可持续发展的关键[1-2]。最大限度地利用天然降水、提高土壤水分利用效率对促进旱地农业的可持续发展具有重要意义。近年来，甘肃省半干旱区集成旱地麦类及矮秆密植作物高产、集雨保墒、增温于一体的地表全膜覆土种植技术，有效协调了外界环境与作物的供需水关系，发挥了增产、提高水分和养分利用效率的作用[3-4]，在西北半干旱区大面积推广应用[5]。然而，受黄土高原土壤比较贫瘠、有机质含量较低[6]、供肥和保肥能力差的限制，该区苦荞种植过程中普遍存在施肥比例失调、偏施化肥、少施或不施有机肥、氮肥过量等问题[7]，不仅增加了农业生产成本、降低了肥料利用效率，还造成了土壤环境污染，威胁到农业可持续发展[8-9]。研究表明，施肥是实现旱地作物增产和土壤水分、养分有效利用的主要措施[10-11]；另有研究得出，露地条件下施肥处理较不施肥处理的地上部生物量增加了18.59%～66.78%，籽粒产量提高了27.51%～54.22%，水分利用效率提高了22.68%～48.87%[12]；也有研究表明，在施用有机肥的基础上，通过氮、磷、钾肥配施，能使植株充分利用土壤水分[13-14]，能有效地改善作物的土壤水肥环境，促进增产，起到以肥促水的作用[15-16]。因此，如何充分利用有限的土壤水分、优化化肥投入成为半干旱区旱地苦荞增产、提高水肥高效利用亟待解决的根本问题[17-20]。

苦荞是半干旱区主要的小杂粮作物之一，在我国种植历史悠久，以传统种植模式为主，单产水平较低，资源利用率不高[21]。如何降低旱地苦荞生产成本，提高产量和资源利用效率，成为当前苦荞生产需要解决的首要问题。全膜覆土穴播种植技术有显著增产增效作用，但国内关于地膜覆盖模式下苦荞养分管理的研究还不多。本文在甘肃省定西市典型半干旱区研究了旱地苦荞全膜覆土穴播的增产增效作用，设置了苦荞全膜覆土穴播种植条件下施肥量试验，分析了不同施肥量对半干旱区旱地苦荞全膜覆土穴播产量、土壤水分及水肥利用效率的影响，旨在确立半干旱区苦荞全膜覆土穴播适宜的施肥量，为旱地苦荞科学合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015—2017年在甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村甘肃省农业科学院定西试验站进行。该区海拔1 970 m，年平均气温6.2 ℃，年辐射总量5 898 MJ·m-2，年日照时数2 500 h，≥10 ℃积温2 075.1 ℃，无霜期140 d，属中温带半干旱气候。作物一年一熟，为典型旱地雨养农业区。年均降水量415 mm，6—9月降水量占年降水量的68%。试验区土壤为黄绵土，0～30 cm土层平均容重1.25 g·cm-3，田间持水量为21.18%，凋萎系数为7.2%。土壤有机质11.99 g·kg-1、全N 1.16 g·kg-1、全P 0.25 g·kg-1、全K 17.3 g·kg-1、NH4+-N 4.8 mg·kg-1、NO3--N 0.8 mg·kg-1、速效P 8.67 mg·kg-1、速效K 121.50 mg·kg-1、pH 8.35。

1.2 试验设计

试验以苦荞品种云荞2号为供试材料，该品种由云南省农业科学院生物技术与种质资源研究所选育，甘肃省定西市农业科学院提供。采用全膜覆土穴播种植方式，设置高量HF(N 120 kg·hm-2+ P2O590 kg·hm-2+ K2O 60 kg·hm-2)、中量MF(N 80 kg·hm-2+ P2O560 kg·hm-2+ K2O 40 kg·hm-2)、低量LF(N 40 kg·hm-2+ P2O530 kg·hm-2+ K2O 20 kg·hm-2)和不施化肥(CK)共4个处理，每个处理设置3次重复。小区面积35 m2(5 m × 7 m)，采用随机区组设计。每年均在3月下旬整地施肥覆膜，全部化肥作为基肥结合整地一次性施入。试验用白色地膜(聚乙烯)厚0.01 mm，肥料为尿素(N≥46.0%)、磷酸二铵(总养分含量(N-P2O5，18-46)≥64%，)、氯化钾(K2O≥51.0%)。播深3～4 cm，每穴5～7粒，行距30 cm，穴距12 cm，密度180万株·hm-2。苦荞收获后当年不揭膜，待第2年整地前揭膜。3年播种收获期为：2015年5月6日播种，8月31日收获；2016年5月29日播种，9月5日收获；2017年5月26日播种，9月12日收获。

1.3 试验区苦荞生育期降水及平均气温

据甘肃省农业科学院定西试验站多年气象资料统计可知，苦荞生育期多年平均降水量为189.3 mm，多年平均气温为16.78 ℃。2015年测定苦荞生育期平均气温为16.32 ℃，降水量为193.4 mm，属平水年；2016年测定苦荞生育期平均气温为19.04 ℃，降水量为149.3 mm，属干旱高温欠水年；2017年测定苦荞生育期平均气温为17.80 ℃，降水量为242.9 mm，属丰水年。2016年和2017年降水分布不均，季节性高温现象突出，对苦荞的生长和年际间处理差异有明显影响。

1.4 测定指标与方法

1.4.1生物量和产量 每小区随机采样10株，用烘干法测定苦荞各关键生育期地上部分的生物量。籽粒产量按小区面积实际测产。收获指数(harvest index，HI)计算公式如下。

HI= 籽粒产量/地上部分生物量×100%

1.4.2土壤水分 用烘干法测定苦荞播期、收后及关键生育期0～300 cm土层土壤含水量，每20 cm为一个层次，测定位置在苦荞两播种穴中间。土壤贮水量(soil water storage，SWS)计算公式如下。

SWS(mm)=WS×γ×d/100

式中，WS为土壤质量含水量(g·kg-1)；γ为土壤容重(g·cm-3)；d为土壤深度(cm)。

1.4.3降水利用效率 降水利用效率(precipitation use efficiency，PUE)计算公式如下。

PUE(kg·hm-2·mm-1)=Y/P

式中，Y为苦荞籽粒产量(kg·hm-2)；P为苦荞生育期降水量(mm)。

1.4.4休闲效率 休闲效率(fallow efficiency，FE)计算公式如下。

FE=(SWSBF-SWSHA-1)/R×100%

式中，SWSBF为当季作物播前贮水量，SWSHA-1为上季作物收获后贮水量，R为休闲期降水量。

1.4.5水分利用效率 水分利用效率(water use efficiency，WUE))计算公式如下。

WUE(kg·hm-2·mm-1)=Y/ET

式中，Y为苦荞籽粒产量(kg·hm-2)，ET为苦荞生育期耗水量(mm)。

1.4.6肥料利用效率 肥料农学效率(agronomic efficiency，AE)计算公式如下。

AE(kg·kg-1)=(施肥区苦荞产量-无肥区苦荞产量)/施肥量

肥料偏生产力(partial factor productivity，PFP)计算公式如下。

PFP(kg·kg-1)= 施肥区苦荞产量/施肥量

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010、DPS进行数据统计分析，差异显著性用LSD法检验。

2 结果与分析

2.1 施肥对苦荞产量、生物量和收获指数的影响

由表1可知，不同施肥量对全膜覆土穴播苦荞产量、生物量及收获指数影响显著。2015—2017年，产量和生物量均表现为LF最高，分别在2 158.2～2 774.7 kg·hm-2和33 299.4～38 699.8 kg·hm-2之间。2015年,LF产量和生物量较其他处理分别增加了3.3%～17.2%、1.1%～5.0%;2016年,LF产量和生物量较其他处理分别增加1.1%～30.5%、8.3%～19.4%; 2017年,LF产量和生物量较其他处理分别增加14.4%～28.8%、9.6%～11.8%。2015年,LF产量与MF和HF差异显著(P<0.05)，生物量与MF差异显著(P<0.05)；2016年LF产量仅与HF差异显著(P<0.05)，生物量与CK、MF和HF均差异显著(P<0.05)。收获指数2015年和2017年LF均最高，分别为7.9%和7.0%，较其他处理分别高0.4%～15.8%、4.3%～15.2%；2016年,CK最高为6.9%，LF为6.5%，且LF与CK和MF无显著差异。试验中发现，2015年和2017年MF和HF均发生了不同程度的倒伏，影响了籽粒形成，对苦荞产量、生物量等有影响。对3年数据分析可知，LF产量和生物量均显著高于其他处理(P<0.05)。

表1 施肥对苦荞产量、生物量及收获指数的影响

2.2 施肥对苦荞麦田土壤水分效应的影响

2.2.1施肥对土壤生育期贮水量的影响 由图1可知，年际间随着生育期的推进，2015年和2016年各处理0～300 cm 土层贮水量基本呈下降趋势，但2017年由于受降水量的影响，呈“增加-降低-增加”趋势，其中苗期高于播种期，并且在盛花期后增加明显。2015年,各处理0～300 cm 土层贮水量差别较大，播期各处理均高于CK，分别高5.0、9.3、9.0 mm；在苗期、分枝期、盛花期及成熟期，由于耗水量不同，LF和HF土层贮水量低于CK，但是MF仍高于CK；生育期土层平均贮水量MF最高，较CK高6.5 mm，较LF和HF分别高13.5和15.7 mm。2016年,各处理0～300 cm 土层贮水量差异明显，播期LF最高，较其他处理分别高4.9、6.4和23.9 mm；苗期、分枝期、盛花期MF最高；成熟期则又表现为LF最高，较其他处理分别高12.1、12.5、24.1 mm；生育期土层平均贮水量LF最高，较CK高19.0 mm，较MF和HF分别高1.7和25.2 mm。2017年,各处理间土层贮水量差异不明显，播期表现为LF最高，但在苗期、分枝期降为最低，盛花期和灌浆期生育期又升至最高；生育期土层平均贮水量HF最高，较CK高1.1 mm，较LF和MF分别高5.6和4.8 mm。

图1 苦荞生育期0～300 cm 土层土壤贮水量变化

2.2.2施肥对苦荞田土壤水分平衡的影响 由2015—2017年苦荞麦田0～300 cm 土壤水分供需分析结果(表2)可知，在土壤水分供应量一致的条件下，2015年播前—2016年播前阶段，生育期耗水量施肥处理较CK分别多27.2、7.6、14.5 mm，但休闲期耗水量LF较其他处理低14.8、17.4、14.1 mm，差异显著(P<0.05)。总耗水量随着处理施肥量增加而增加，各处理0～300 cm土壤水分均表现为亏缺，处理间差异明显，LF与CK基本一致，MF和HF较CK分别增加10.9和28.0 mm。2016年播前—2017年播前阶段，生育期耗水量LF最高，分别较其他处理多14.4、8.5、7.4 mm；休闲期耗水量处理间差异不显著，总耗水量和盈亏量表现一致，LF均最高，较其他处理分别高21.0、9.3、10.9 mm，各处理0～300 cm土壤水分均表现为亏缺。2017年播前—2017年收获阶段，处理间生育期耗水量差异显著(P<0.05)，LF盈余5.2 mm，其他处理亏缺44.8～144.8 mm。苦荞麦田0～300 cm 土壤水分3年总盈亏量表现为亏缺，LF亏缺量最低，分别较其他处理减少38.7、100.3、156.6 mm。

表2 苦荞麦田土壤水分供需状况

2.3 施肥对苦荞麦田降水利用效率和休闲效率的影响

2.3.1施肥对苦荞麦田降水利用效率的影响 表3为苦荞麦田0～300 cm土层降水利用效率变化情况。2015年和2016年,处理间生育期降水利用效率、休闲期降水利用效率和年降水利用效率均表现为LF>CK>MF>HF。2015年,LF生育期降水利用效率、休闲期降水利用效率和年降水利用效率较其他处理分别提高3.3%～17.2%、3.4%～17.3%和32.8%～16.7%，生育期降水利用效率和休闲期降水利用效率处理间差异显著(P<0.05)，年降水利用效率LF与HF、MF差异显著(P<0.05)；2016年,LF生育期降水利用效率、休闲期降水利用效率和年降水利用效率较其他处理分别提高3.4%～17.3%、1.3%～30.7%和0.5%～29.6%，生育期降水利用效率和年降水利用效率LF与HF、MF差异显著(P<0.05)，休闲期降水利用效率LF、CK、MF与HF差异显著(P<0.05)。2017年,处理间生育期降水利用效率、休闲期降水利用效率和年降水利用效率均表现为LF>MF>CK>HF，LF生育期降水利用效率、休闲期降水利用效率和年降水利用效率较其他处理分别提高14.3%～28.7%、14.4%～28.8%和14.4%～22.7%，且与其他处理均差异显著(P<0.05)。

表3 苦荞麦田降水利用效率变化情况

2.3.2施肥对苦荞麦田休闲效率的影响 3年间，苦荞麦田经过冬春休闲期，各施肥处理0～300 cm土层贮水均得到恢复。由表4可以看出，年际间休闲期贮水量增加量及休闲效率2015—2016年高于2016—2017年。2015—2016年,LF休闲效率最高，较其他处理分别提高11.2%、11.9%、14.2%，且差异显著(P<0.05)。2016—2017年,休闲效率LF最低，较其他处理分别降低3.0%、10.9%、18.5%，且与CK和HF差异显著(P<0.05)。

表4 苦荞麦田休闲效率变化情况

2.4 施肥对全膜覆土穴播苦荞水肥利用效率的影响

不同施肥处理对全膜覆土穴播苦荞麦田0～3 m土层土壤水分利用效率影响比较显著(表5)，年际间施肥量对苦荞籽粒产量、水分利用效率和肥料利用效率差异显著(P<0.01)(表6)。2015年,随着施肥量增加WUE降低，LF和CK一致，较MF、HF分别高9.8%和18.5%，差异显著(P<0.05)。2016年,WUE表现为CK最高，LF次之，LF较CK减小1.3%，较MF、HF增加3.9%、24.4%，且与MF、HF差异显著(P<0.05)；2017年,LF最高，分别较其他处理增加48.4%、55.9%、62.1%，且差异显著(P<0.05)。由于2015和2016年MF、HF，2017年HF苦荞籽粒产量低于CK，肥料农学效率为负值，2015—2017年间，AE和PFP均表现为LF>MF>HF，差异明显。可知随着施肥量的增加，3年苦荞的肥料农学效率和肥料偏生产力和均呈下降趋势，并且无论何种降水年份，低量施肥(LF)均能够增加苦荞水分利用效率及肥料利用效率。

表5 苦荞籽粒水分与肥料利用效率

表6 年份与施肥量对苦荞籽粒产量、水分利用效率和肥料利用效率的交互影响

3 讨论

3.1 合理施肥能够改善土壤水分条件，是提高苦荞产量的关键

合理施肥能够改善作物生长土壤水分环境，对关键生育期土壤贮水量和耗水量影响明显[22]。本研究结果表明，施肥对2015—2017年全膜覆土穴播苦荞各生育时期0～300 cm 土层贮水量动态变化的影响不一致，这种年际间的变化规律与降水年型、年内降水分配有关[23]，2017年(丰水年)花后(灌浆期和成熟期)降雨显著高于2015(平水年)和2016年(欠水年)。研究还表明，2016年低量施肥处理能够增加生育期0～300 cm土层平均贮水量，比其他处理多1.7 ～25.2 mm，说明在半干旱区欠水年份，低量施肥处理更能够改善土壤水分条件。可见，在水分较低的情况下，全膜覆土穴播种植模式下低量施肥处理能够“以肥调水”[24]，肥水交互作用表现为耦合正效应，提高苦荞土壤贮水能力，增强了对干旱的耐受能力[1,4,25]。

研究表明，在土壤干旱、水分有限的情况下，营养亏缺对植物生长有不利影响，施肥可以促进作物对深层土壤水分的利用，有利于作物生长并提高产量[26]，但是过量施肥不仅不能使作物产量持续增加，反而会出现下降[27]，已有研究表明，氮、磷、钾、灌水对露地苦荞的产量影响较显著，存在耦合效应[28]。本研究结果显示，无论在何种降水年份，全膜覆土穴播低量施肥较其他处理均能够增加苦荞产量和生物量，分别提高1.1%～30.5%、1.1%～19.4%。2015和2017年收获指数与生物量、产量表现相似，提高0.4%～15.8%；但是2016年由于生育期高温干旱，全膜覆土穴播低量施肥处理收获指数较不施肥处理低。分析认为是由于2016年度苦荞花期季节性高温干旱突出，授粉不良，造成生物量差异显著(P<0.05)，产量差异不显著，收获指数降低。可知，在半干旱区，自然降水不能够确保作物生育期需水，但低量施肥处理能够改善苦荞营养条件，调控苦荞营养生长和生殖发育协调生长，增加干物质积累，提高产量和收获指数，肥料的增产效应比较显著，可最大限度地发挥肥料的补偿效应[29]，而较多的施肥量容易造成苦荞营养生长强于生殖生长，易发生植株倒伏，进而降低产量。

同一种植模式下，由于施肥量不同，造成处理间生物量和产量的差异，对土壤水分的消耗量不同[28]，进而影响土壤水分盈亏量表现不一致[20]。2015年播前—2016年播前阶段，施肥处理苦荞生育期耗水量较不施肥增加7.6～27.2 mm；2016年播前—2017年播前阶段，低量施肥处理较其他处理增加9.3～21.0 mm；2017丰水年，LF盈余5.2 mm，其他处理亏缺44.8～144.8 mm。各处理3年总盈亏量均表现为亏缺，高量施肥和中量施肥增加了0～300 cm土壤水分的亏缺。可见，不合理施肥明显增加了土壤水分的消耗量，使土壤亏缺量增加。

3.2 全膜覆土穴播种植模式下低量施肥能够增强土壤水分的利用，显著提高苦荞水肥利用效率

合理施肥可促进苦荞根系对土壤水分的吸收利用，增加土壤生产力，提高土壤水肥资源利用率[14]。本研究结果表明，无论何种降水年份，苦荞麦田0～300 cm土层降水利用效率、休闲期降水利用效率和年降水利用效率均表现为低量施肥处理最高，说明全膜覆土穴播模式下低量施肥处理能充分利用不同时期降水，增加产量，提高旱地苦荞麦田的降水利用效率。由于年际间休闲期降水量及气温的差异，2015—2016年和2016—2017年休闲效率差异显著，并且全膜覆土穴播低量施肥处理在干旱年能够调节休闲期土壤水分，增强休闲期土壤水分恢复力，提高休闲效率。已有研究表明，在不同的降水年份，地膜覆盖垄沟种植谷子施肥处理间水分利用效率表现不一致，丰水年高肥处理显著高于中、低肥处理，欠水年中肥处理最高且显著高于高肥处理，与低肥处理差异不显著，并且随着施肥量的增加肥料利用效率下降[21]。本研究结果表明，2015—2017年，全膜覆土穴播模式下低量施肥处理较其他处理增加水分利用效率3.9%～62.1%，肥料农学效率和肥料偏生产力显著高于中量施肥和高量施肥处理。可见，在半干旱区，无论何种降水年份，旱地全膜覆土穴播模式下低量施肥能够提高苦荞对水分的利用能力，改善苦荞生长条件，进而提高降水利用效率、水分利用效率及肥料利用效率。

综上可见，全膜覆土穴播种植模式下低量施肥能够“以肥调水”，改善0～300 cm土层土壤水分条件，尤其在高温干旱年份苦荞生育期0～300 cm土层土壤贮水能力，为苦荞生长提供了更好的水分环境，最大限度地发挥肥料的补偿效应，促进苦荞生长，干物质积累量增加1.1%～19.4%，产量增加1.1%～30.5%、土壤水分利用效率提高3.9%～62.1%，显著提高生育期降水利用效率、休闲期降水利用效率、年降水利用效率、收获指数、肥料农学效率和肥料偏生产力。因此，低量施肥(纯N：40 kg·hm-2，P2O5：30 kg·hm-2，K2O：20 kg·hm-2)是半干旱区全膜覆土穴播种植模式下苦荞合理的施肥量，能够达到增产和土壤水肥高效利用的目标。