不同肥料对全膜覆土穴播小麦土壤水分、水分利用效率及产量的影响

李夏瑛 ，郭天文 ，2*，张平良 ，刘晓伟，曾 骏

（1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州730070；2.甘肃省农业科学院，甘肃兰州730070；3.甘肃省农业科学院旱地农业研究所，甘肃兰州730070）

水资源匮乏是限制中国半干旱区旱作农业发展的主要问题[1]，甘肃陇中旱作区自然降水少且分布不均，全年降水的百分之六七十集中在小麦收获后的季节。自然降水和小麦需水期错位[2]、春季低温胁迫、土壤干旱瘠薄是直接影响春小麦高效生产的三大主要障碍和制约其生长的因素，导致小麦产量长期低而不稳[3，4]。全膜覆土穴播技术能有效改善土壤水热小环境[5]，活化了土壤的养分，提高作物产量[6]，全膜覆土穴播种植有利于小麦碳水化合物的合成、增加干物质积累量[7]。良好的春季土壤水分和小麦养分的供应环境是有效保证小麦作物高产的基本条件，也是直接影响甘肃陇中旱作区农业高效生产和可持续发展的一个重要因素，水肥之间相互耦合，同步提高利用率[8-10]。施用化肥可以达到调节水分循环和增产的效果，肥料的调水作用使小麦的产量和生物量都增加[11]；增施有机肥能够提高全膜覆土穴播小麦生育期供水能力，施有机肥还能有效帮助改善土壤物理性质[12]，提高了土壤的肥力和小麦作物蓄水保墒的能力以及有效协调小麦作物的需水与土壤肥力和供水之间的矛盾[13，14]；有机无机肥配施在培肥土壤和提高作物产量方面均优于有机肥和化肥单施的效果[15]，是进一步保证小麦作物的高产稳产和有效推动我国农业高效可持续发展的重要手段和措施，也是化肥减施增效的重要手段。目前，全膜覆土穴播技术对土壤水热效应和增产效应方面有很多研究[5-7，16]，也有增施有机肥的研究[17]，但不同肥料对小麦水分利用效率影响的报道较少。本试验采用定位试验方法，研究不同肥料对全膜覆土穴播小麦贮水量，耗水量的变化规律，揭示不同施肥条件对春小麦干物质累积、土壤水分利用效率及产量的影响，以期为旱作区农业高效可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2017～2019 年在甘肃中部旱作区进行，是从2013 年开始布置的定位试验。该试验研究区土壤类型为黄绵土，0～200cm 土壤平均容重为1.25g/cm3，土壤肥力中等，农业类型为雨养农业，但该区年均降雨量少，大多集中在7、8、9 三个月。2017 年全年降雨量419.9mm，属于平水年，在小麦生育前期（营养生长阶段）降雨量为92mm，在小麦生育后期（生殖生长阶段）降雨量为50.6mm；2018 年总降雨量529.3mm，小麦生育前期（营养生长阶段）降雨量为115.4mm，生育后期降雨量为169mm；2019 年总降雨量509.55mm，小麦生育前期降雨量为176.2mm，生育后期降雨量为77.85mm，2018、2019 年属于湿润年（降雨年型的划分依据为全年降雨量 250～350mm 为枯水年，360～450mm 为平水年，450～600mm 为湿润年，＞600mm 为丰水年），见图1。

1.2 试验设计

本试验供试小麦品种为“定峰11 号”，进行连续3年的定位试验，在全膜覆土穴播种植基础上，设置单一变量即施肥条件：有机肥+ 化肥（OF+NPK）、单施化肥（NPK）、单施有机肥（OF）和一个无肥对照（不施肥（CK）），3 次重复。小区面积 28m2，种植密度为 4.1 万穴 /亩。在播前统一施入氮磷钾肥，风干并且发酵腐熟完全的羊粪作为有机肥施入，含全氮0.5%、P2O50.35%、K2O 0.4%，播前作基肥一次性施入（施用量见表1）。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 土壤贮水量、耗水量和水分利用效率的测定。在小麦播前—成熟期各生育期测定土壤0～200cm 含水量，计算水分利用效率、贮水量和耗水量。

1.3.2 各生育期干物质积累量的测定。在小麦苗期—成熟期各生育期，在各小区随机选取20 株小麦（长势均匀），烘干测定植株干质量。

1.3.3 产量及小麦农艺性状的测定。待小麦成熟，在各小区随机选取20 株，测定影响小麦产量的各构成因子，然后各小区单独割麦单独脱粒并称重，测定实际产量，折合成公顷产量。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010、Spss 21.0 来进行试验数据统计分析和制图。

2 结果与分析

2.1 不同肥料处理全膜覆土穴播春小麦0～200cm 土壤贮水量的影响

研究旱地春小麦0～200cm 土壤贮水量与不同肥料关系发现，土壤贮水量与施肥、生育期降雨量以及小麦耗水量都有必然联系。如图2，有机肥+化肥对全膜覆土穴播小麦0～200cm 土壤贮水量有明显的提高作用。在小麦营养生长阶段各处理土壤贮水量呈下降的趋势，而且孕穗期是春小麦生长旺盛阶段，大量消耗土壤水分，土壤贮水量明显减少；中后期生殖生长阶段小麦耗水量减少，土壤贮水量随着降雨量的增加又稍有上升，其中有机肥+化肥处理土壤贮水量增幅明显高于单施化肥、单施有机肥和无肥对照，但是整体各处理土壤贮水量均呈下降的趋势[17]。3 年小麦生育期间，有机肥+化肥处理较其他3 个处理全生育期0～200cm 土壤贮水量总值分别增加 7.8%、6.24%和3.84%，差异均达到显著水平。

图1 试验区2017～2019 年降雨分布

表1 试验各处理施肥量

2.2 不同肥料对春小麦阶段性耗水量的影响

2.2.1 不同肥料对春小麦生长前期（营养生长阶段）耗水量的影响。由表2 可以看出2017～2019 年单施化肥3 年小麦营养生长时期总耗水量较其他3 个处理明显升高，差异显著（P＜0.05），而其他3 个处理相互之间差异不明显。小麦关键的两个需水期是拔节期和孕穗期，3 个施肥处理因为小麦长势好耗水量均高于无肥对照，单施化肥耗水量高于有机肥+化肥和单施有机肥2 个处理，其原因可能是施有机肥改善了土壤水分环境，提高了土壤贮水量，减少了耗水量，这与尹嘉德[17]等的结果一致。2017、2018、2019 三个年度之间小麦营养生长阶段总耗水量差异显著（P＜0.05）。2017 年是平水年，2018、2019 是湿润年，所以 2018、2019 年耗水量明显高于2017 年，主要原因之一是2017 年土壤有效贮水量较低，有限的土壤贮水量限制了土壤对作物水分的供应。而2018、2019 年都是湿润年，但2018 年小麦生长前期（营养生长阶段）降雨量仅为115.4mm，较2019年176.2mm 的降雨量减少60.8mm，因此造成耗水量差异的原因是降雨量与小麦需水期错位。

2.2.2 不同肥料对春小麦生长后期（生殖生长阶段）耗水量的影响。由表3 可知有机肥+化肥、单施有机肥和单施化肥处理小麦生育后期（生殖生长阶段）0～200cm土壤耗水量均高于无肥对照，差异显著。尽管有机肥+化肥和单施有机肥处理小麦耗水量差异不明显，单施有机肥比单施化肥耗水量高，小麦生长对土壤水分缺乏比较敏感的阶段是孕穗期前后，施有机肥能有效利用雨水提高土壤水分供应能力。2017、2018、2019 三个年度之间小麦生殖生长阶段总耗水量差异显著（P＜0.05），随降雨量增加，农田总耗水量增加，所以湿润年小麦耗水量高于平水年，2018、2019 年小麦生殖生长阶段耗水量差异来源于2018 年小麦生长前期降雨较少小麦出苗不齐，影响小麦后期冠部发育，作物蒸腾面积小，田间郁闭度较低，再加上高温天气，大量水分无效蒸发，造成2018 年后期（生殖生长阶段）耗水量增加。

2.3 不同肥料对全膜覆土穴播春小麦干质量积累量的影响

2017～2019 年全膜覆土穴播春小麦在不同肥料条

图2 2017～2019 年不同生育期春小麦田0～200cm 土壤平均贮水量的变化

表2 春小麦0～200cm 营养生长阶段耗水量

注：不同字母表示不同处理之间或不同年度之间差异显著（P＜0.05）。下同。件下干物质积累如图3 所示，不同施肥处理对小麦各生育期全株干物质积累均表现为“S”型（慢—快—慢）变化规律，全株干物质在拔节期—灌浆期积累最快，灌浆期—成熟期速度变缓[18]。图3 中，不同施肥处理小麦干物质积累量在2017～2019 年均要高于无肥对照，说明施肥能有效提高小麦生物量，这与王邦锡等[11]研究结论一致，其中干物质积累量最高的是有机肥+化肥处理，说明肥料配施对小麦干物质积累效果最显著。由于年度间和小麦生育期内降雨的差异，2017、2018、2019 年不同年份之间小麦干物质积累差异显著。

表3 春小麦0～200cm 生殖生长阶段耗水量

2.4 不同肥料对小麦产量和水分利用效率的影响

2.4.1 不同肥料对小麦3 年产量和水分利用效率的影响。由表4 结果显示，任何施肥条件下小麦产量、水分利用效率均高于无肥对照，单施有机肥、单施化肥、有机肥+化肥3 个处理春小麦较对照3 年平均产量分别提高14.87%、30.34%和34.17%，3 年平均水分利用效率分别提高10.22%、16.1%和26.32%。春小麦收获后与播种前相比，平均土壤贮水量有不同程度的下降，土壤贮水量3 年平均下降最大的是单施有机肥为92.14mm，同时土壤耗水量也最大为336.27mm，但是单施化肥的产量却不是最高的，产量最高的是有机肥+化肥处理，这是因为施化肥虽然可以达到调节水分循环和增产的效果，使小麦的产量和生物量都增长；单施有机肥能显著提高小麦0～200cm 土壤贮水量，并且能调节土壤保水能力，调节小麦作物不同阶段的耗水量；而有机无机肥配施在培肥土壤和提高作物产量方面均优于单施化肥和单施有机肥处理[15]，因此有机肥+化肥处理对提高小麦产量和水分利用效率的效果达到了最优。

图3 2017～2019 年3 年期间各生育期小麦干物质积累

表4 不同肥料处理3 年小麦产量和水分利用效率

2.4.2 年际降水对小麦水分利用效率和产量的影响。不同降雨量、播前土壤贮水量对小麦产量有显著影响（表5）。2019 年小麦产量显著高于 2017 和2018 年，2017 年偏干旱，并且播前土壤贮水量在3 年中也最低，所以产量低于2018 和2019 年两个湿润年，2018年虽然降雨最充足，但由于降雨与小麦需水期错位，并且由于2018 年充足的雨水，使得2019 年播前贮水量高出2018 年71.47mm，所以2019 年产量和水分利用效率远远高于2018 年，2019 年产量和水分利用效率分别比2018 年增加了36.5%和37.2%。

2.5 不同肥料对小麦产量构成因子的影响

作物产量的高低是由诸多与产量密切相关的因子共同影响形成的[19]。表6 是不同肥料条件下小麦各构成因子3 年的平均值，如表所示，将3 种施肥试验与无肥对照相比较，发现施肥会严重影响小麦产量各构成因子，这归因于施肥对小麦产量各构成因子具有明显的调解效应[20]，且有机肥+化肥影响作用巨甚，与无肥对照相比小穗数平均增加了4.6 个，穗粒数增加了14.23 粒，整株重、穗粒重和千粒重等分别增加了0.97g、0.36g 和8.78g；与单施化肥和单施有机肥处理相比产量构成各因子也稍有增加。因此，有机肥+化肥配施不但能提高小麦产量各构成因子，并且能使各构成因子之间更加协调，从而实现高产[19]。

3 讨论

本试验研究了不同肥料对全膜覆土穴播土壤水分状况、产量和水分利用效率，结果显示，小麦从幼苗期生长至孕穗期速度逐渐加快，蒸腾蒸发总耗水量亦逐渐增加，相对应此阶段各处理0～200cm 土壤贮水量开始迅速下降，而当小麦生长进入最旺盛的时期—孕穗期，此时土壤贮水量将下降至最低点，灌浆后小麦生长进入生殖生长速度逐渐缓慢，加上6、7 月份降雨的增加，0～200cm 土壤贮水量开始恢复。4 个处理之间相互比较，有机肥+ 化肥土壤的贮水量最高，可能是因为连续施用有机肥改善了土壤水分环境，而肥料配施的效果优于单施有机肥的效果[15]，因此，有机肥+化肥处理土壤贮水量较化肥和有机肥单施高，有机肥和化肥配施对全膜覆土穴播小麦0～200cm 土壤贮水量有明显的提高作用，这与罗照霞等[21]研究结果一致。

拔节期和孕穗期是小麦生长发育的关键时期，生产上非常重视小麦拔节水和孕穗水[22]，这两个时期大量消耗土壤贮存水分，无论是在小麦营养生长阶段还是生殖生长阶段，施肥处理小麦耗水量均高于对照，这是由于小麦因施肥长势好，消耗土壤水分多造成的。在小麦营养生长阶段，两个施有机肥处理耗水量稍低于单施化肥处理的原因可能是施用有机肥直接改善了土壤水分环境，提高了土壤贮水量，减少了耗水量，在一定程度上说明施有机肥可长效保持土壤水分。孕穗期是小麦生长发育对土壤水分缺乏的敏感时期，有机肥和化肥配施对此阶段小麦耗水影响显著，施有机肥能有效利用并储存雨水，有较好的土壤水分供应能力[17]，能有效供给小麦灌浆期对水分的需求，为小麦丰产丰收奠定基础。2017 年降雨量较少，偏干旱，由于水分胁迫作用2017 年小麦整个生育期耗水量都低于2018 和2019 年，同样2017 年产量也低于2018和2019 年，HUYT 等[23]研究认为不同降水年型下小麦产量规律为湿润年＞平水年＞干旱年，本研究中，同样显示在不同肥料条件下小麦产量湿润年＞平水年，可能的原因是降水增多提高了干旱区土壤含水量，促进了作物水分蒸腾与养分的综合吸收利用，进而促进根系伸展和作物生长，从而大幅度地提高产量[24，25]。有研究指出，尽管全生育期的耗水量相同，由于各生长阶段的分配方式不同，产量也不相同[26]，两个湿润年小麦全生育总期耗水量几乎无差异，产量差异显著的原因是2018 年降雨与小麦需水期错位，2018 年从3 月底小麦播种到4 月11 日总共降雨3.6mm，严重影响了春小麦苗期生长，而在7 月份小麦收获前降雨量高达106.7mm，降雨太集中影响小麦灌浆减少产量，所以2018 年小麦产量低于2019 年，同样，水分利用效率也比2019 年低，2017 年水分利用效率高于2018 年是因为在一定的水分胁迫下，小麦却有较高的水分利用率，这与Panda 等[27]研究结果一致。

表5 年际降水对小麦产量和水分利用效率的影响

表6 不同肥料对小麦产量构成因子的影响

单位公顷穗数和千粒重是小麦产量形成的主要因素，有机肥化肥配施可显著改善春小麦的群体结构，提高公顷穗数和千粒重，促进干物质积累，3 年结果显示小麦干物质从拔节期—成熟期呈递增的趋势，特别在孕穗至灌浆期尤为显著，同时化肥+有机肥处理小麦穗粒数、千粒重等产量构成因子均最高。高会议等[28]认为施肥能有效提高黄土高原土壤生产力和SOC 的积累，且有机肥和无机肥配施效果最佳。3 年试验发现，对于不同降水变化情况下，有机肥+ 化肥处理在改善作物对水分利用效率以及提高作物产量方面效果最佳，这是由于施肥即提高了蒸腾耗水量又减少了无效蒸发，能有效改善小麦生育中后期的土壤水分状况，与已有研究结果高度一致[15，17]，有机肥+化肥可使土壤养分供应缓急相济，使小麦生长加速，产量提高，并且培肥效果优于有机肥和化肥单施[15]，马俊永等[29]研究发现，有机—无机配施可以增加土壤中的有机质、改善土壤理化性状、具有明显的增产优势。所以，为了保证高产的同时又能减少对土壤贮存水分的消耗，应该考虑有机肥与化肥合理搭配的施肥措施，是以实现旱地农业的高效可持续发展。