长期定位免耕和施有机肥对旱地冬小麦土壤水分和产量的影响

杨 娜，王 珂，席吉龙，姚景珍，张建诚，黄明镜，李永山

(1.有机旱作山西省重点实验室(山西省农业科学院旱地农业研究中心)，太原 030031)2.山西省农业科学院棉花研究所，山西 运城 044000)

山西省小麦播种面积中60%为旱作[1]，且大部分在晋南[2]，该地区的气候特点是“十年九旱”，因此，水是产量的主要制约因子[3]。免耕属于保护性耕作的一种，2002年农业部在保护性耕作定义中指出，免耕等保护性耕作是提高土壤肥力和抗旱能力的先进农业耕作技术[4]。大量研究表明，免耕能够增加土壤贮水量，提高水分利用率和作物产量[5,6]。传统深翻、耙耱保墒等技术在夏季休闲期蓄水率为35.%-38.6%[7]，而免耕和少免耕能减少径流和蒸发[8，9]，提高播前土壤有效水分含量[10]。近年来，有机肥与化肥配施是农业研究的主要方向，配施有机肥能够提高土壤贮水能力和水分利用效率，干旱年份更明显[11]。前人对免耕和施有机肥综合技术措施的研究侧重于土壤呼吸速率[12]、土壤酶活性[13]、微生物[14，15]等方面，对旱地冬小麦土壤水分生育期变化的研究以不同降水年型[16]、耕作方式[17]间或免耕配施无机肥[18]的研究较多，而对免耕配施有机肥和化肥的水分变化研究报道较少，加之受小麦品种、生态环境等的影响，前人研究结果也有一定的地域局限性。因此本研究依托山西省农业科学院棉花研究所在2007年建立的长期不同耕作和施肥措施的定位试验，于2018-2019年研究旱地冬小麦的耗水量、水分利用效率和产量对不同耕作和施肥措施的响应，探讨旱地冬小麦高效用水的机制，以期为晋南旱地冬小麦长期保护性耕作的推广和应用提供更多理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于山西省农业科学院棉花研究所牛家凹试验农场(111.09°E，35.19°N)，位于山西省运城市夏县。试验地年平均降雨量525 mm，降雨量年内分布不均匀，6-9月降雨量占全年总降雨量的64.2%，年均气温13.5 ℃，无霜期205 d，海拔407.5 m，为温带大陆性季风气候，气候特点是“十年九旱”。试验年度休闲期(6月上旬至9月下旬)降雨量为253.1 mm，较多年平均(343.9 mm)少90.8 mm，生育期(10月上旬至次年5月下旬)降雨量为82.7 mm，较多年平均(185.6 mm)少102.9 mm，是典型的干旱年型。试验地地势平坦，土壤为黄褐土。试验年度降水见图1。

图1 2018-2019年度降雨量Fig.1 Annual rainfall in 2018-2019

1.2 试验设计

试验开始于2007年，种植作物为冬小麦，设定4个处理，分别为：免耕+化肥(收获时留茬15 cm，小麦休闲期内不扰动土壤，播种、施肥一次完成，NT)、深翻+化肥(收获时留茬15 cm，7月中旬进行深翻处理，8月中下旬耙耱平整土地，播种、施肥一次完成，T)、免耕+化肥+有机肥(田间操作与NT处理相同，施肥增施有机肥，NTM)、深翻+化肥+有机肥(田间操作与T处理相同，施肥增施有机肥，TM)。每年肥料施入量为：纯氮 165 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2、鸡粪11 t/hm2。

1.3 测定内容与方法

(1)土壤水分测定。用烘干称重法测定土壤水分，每10 cm为一个土层测定水分，计算土壤含水量。

土壤贮水量A=WHρ×10/100

式中：W为土壤含水量，%；H为土层厚度，mm；ρ为土壤容重，g/cm3[19]。

各生育期土壤水分测定时间：播前(2018年9月28日)，返青期(2019年3月8日)，孕穗期(2019年4月23日)，灌浆期(2019年5月17日)，收获(2019年6月2日)。

(2)产量测定。收获期对每个处理进行单收单打计产。

(3)耗水量计算。

生育期耗水量ET=W0-Wt+I+P+K

式中：W为播前土壤贮水量，mm；Wt为收获期土壤贮水量，mm；I为灌溉水量。

本研究对象为旱地冬小麦，因此I=0，P为生育期内总降雨量，K为地下水补给量，本地区地下水位在几十米以下，故可以忽略不计[19,20]。

某生育阶段土壤贮水消耗量(mm)=该生育阶段初始土壤贮水量(mm)-该生育阶段终止土壤贮水量(mm)[21]

(4)贮水效率。

贮水效率(%)=收获时土壤贮水量(mm)/生育期降雨量(mm)×

100%[9]

(5)水分利用效率计算。

水分利用效率WUE=Y/ET

式中：Y为冬小麦产量，kg/hm2；ET为小麦生育期总耗水量，mm。

1.4 数据处理

数据用Excel和SPSS21.0进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对0～100 cm土壤贮水量和贮水效率的影响

由表1可以看出，长期定位10年后，免耕处理(NTM和NT)0～100 cm土层的播前土壤贮水量显著高于深翻(T和TM)，NTM和NT处理分别较传统深翻+化肥处理(T)高46.56 mm和39.38 mm。收获时(NTM和NT)0～100 cm土层土壤贮水量分别高于传统深翻(T)18.19 mm和13.28 mm。播种时水分充足有利于根系生长，促进苗全苗壮，保证群体。免耕+化肥(NT)和深翻+有机肥+化肥(TM)均可显著提高0～100 cm土壤贮水效率，而免耕+有机肥+化肥(NTM)效果最佳。0～50 cm土层免耕+有机肥+化肥模式(NTM)贮水效率增加最显著，较传统深翻(T)显著增加14.98%，其次为免耕+化肥(NT)，比深翻+化肥(T)增加9.27%，深翻+化肥+有机肥(TM)比深翻+化肥(T)增加11.5%。50～100 cm土层不同措施的土壤贮水效率与深翻+化肥(T)相比均有所增加，但处理间差异不显著。结果表明，免耕和有机肥在小麦生育期增加0～50 cm土壤贮水效率效果明显，且以免耕+有机肥+化肥(NTM)效果最佳。

表1 不同措施对0～100 cm土层土壤贮水量和贮水效率的影响Tab.1 Effects of different measures on water storage capacity and water storage efficiency of 0～100 cm soil

2.2 不同处理对小麦不同生育期土壤贮水量的影响

由图2可知，不同处理对各生育期不同土层土壤贮水量的影响趋势基本一致，即：深翻处理的土壤贮水量在小麦各生育时期均低于免耕处理。播前0～50 cm土层各处理土壤贮水量差异不显著，而50～100 cm和0～100 cm土层土壤贮水量表现为NTM>NT>T>TM，且免耕处理(NTM和NT)显著高于深翻(T和TM)；2-3月试验区降雨量稀少，返青期0～50 cm土层土壤贮水量表现为NT>NTM>T>TM，NT和NTM差异不显著，50～100 cm和0～100 cm土层土壤贮水量表现为NTM>NT>T>TM，其中NT和NTM差异不显著；而4-5月试验区降雨较为充足，孕穗期、灌浆期和成熟期各处理的土壤贮水量差异不显著。说明干旱条件下免耕的土壤贮水效果更明显。

图2 不同措施对各生育期不同土层土壤贮水量的影响Fig.2 effects of different measures on soil water storage in different soil layers in different growth periods 注：不同字母表示同一土层同一生育期不同处理在0.05水平差异显著。下图同。

2.3 不同处理对冬小麦各生育阶段不同土层土壤贮水消耗量的影响

由图3可知，不同处理对不同生育阶段不同土层土壤贮水消耗量的影响不同。不同处理对不同生育阶段0～100 cm土层土壤贮水消耗量的影响为：播种至成熟整个生育期0～100 cm土层土壤贮水消耗量大小为NTM>NT>T>TM，其中免耕+有机肥+化肥(NTM)和免耕+化肥(NT)处理差异不显著，二者与T和TM处理相差约26.1～53.8 mm，T和TM处理间相差25.4 mm；播前至返青期以NTM处理最大，返青至孕穗以NT最大，但与NTM差异不显著，孕穗至成熟以T处理消耗最大。不同措施对不同生育阶段0～50 cm土层土壤贮水消耗量表现为：播种至成熟全生育期土壤贮水消耗量大小为NT>T>TM>NTM，其中NT和T处理土壤贮水消耗量基本相同，二者与TM和NTM处理相差约5 mm；播种至返青阶段以TM消耗最大，T处理与其差异不显著，NTM与NT处理消耗量比T和TM少约15～16 mm；返青至孕穗阶段以NT最大；孕穗至灌浆为负值；灌浆至成熟以T处理最大。不同措施对不同生育阶段50～100 cm土壤贮水消耗量的影响为：播种至成熟全生育期、播种至返青阶段和返青至孕穗阶段土壤贮水消耗量大小均为NTM>NT>T>TM，且三个阶段免耕处理(NTM和NT)土壤贮水消耗量显著高于深翻处理(T和TM)，但NTM和NT处理间差异不显著。孕穗至灌浆阶段各处理不同土层土壤贮水消耗量均为负值，主要是由于孕穗至灌浆阶段充足降雨所致，但各处理间差异不显著。灌浆至成熟阶段各处理不同土层土壤贮水消耗量均较小。综合以上分析表明，0～100 cm土层土壤贮水消耗量以免耕+有机肥+化肥(NTM)处理最大，免耕+化肥(NT)次之，二者之间差异不显著，0～50 cm土层处理间土壤贮水消耗量差异不显著，而50～100 cm土层土壤贮水消耗量表现为免耕显著高于深翻，说明免耕有利于提高冬小麦对深层土壤水分的利用。

图3 不同处理对各生育时期不同土层土壤贮水消耗量的影响Fig.3 Effects of different measures on water storage consumption of soil in different soil layers in different growth periods

2.4 不同处理对小麦产量和水分利用效率的影响

由表2可知，经过10年长期定位，2018-2019年度NTM和NT处理生育期耗水量较T处理增加17.91%和16.46%。不同处理冬小麦产量大小为NT>T>NTM>TM，免耕+化肥(NT)处理的产量显著高于其他处理26.72%-161.27%，T和NTM处理产量差异不显著，深翻+有机肥+化肥(TM)产量最低；水分利用率从大到小与产量表现一致，范围在5.12～12.43 kg/(hm2·mm)之间，其中最高的是免耕+化肥(NT)，为20.56 kg/(hm2·mm)，较深翻+化肥(T)处理增加了1.66 kg/(hm2·mm)；所有处理中增施有机肥处理水分利用率均较仅施化肥处理低。2018-2019年度为干旱年，说明在干旱年型，化肥施用量不变时增施有机肥并未使旱地冬小麦水分利用率提高。耕作方式间水分利用率和产量以免耕处理(NTM、NT)较高，这是由于休闲期免耕减少了前期的水分蒸发，增加了水分从无效消耗向有效消耗的转变，从而提高了水分利用率[13]。

表2 不同处理耗水量及水分利用率(2018-2019年)Tab.2 WUE and ET of different treatments(2018-2019)

2.5 产量及构成因素与贮水量、耗水量的相关性分析

由表3可知，生物产量与播前土壤贮水量和生育期耗水量显著正相关，生物产量与播前土壤贮水量的决定系数为0.91，与生育期耗水量的决定系数为0.94；同时，播前土壤贮水量与穗数存在极显著的相关性，决定系数为0.98，说明播前土壤贮水量对旱地冬小麦的穗数具有重要作用。而生育期耗水量与产量、穗数和千粒重存在显著的相关性，生育期耗水量与产量的决定系数为0.82、与穗数的决定系数为0.84、与千粒重的决定系数为0.98，说明生育期耗水量对千粒重的影响最大。

表3 产量与土壤贮水量耗水量的相关性Tab.3 correlation between yield and soil water storage and consumption

3 讨 论

3.1 免耕和有机肥对土壤贮水效率的影响

受全球气候变暖的影响，总降水量减少[22]，干旱程度加重。前人的大量研究表明免耕能够减缓干旱对小麦生产的影响：免耕能够提高土壤蓄水量[23],干旱少雨条件下免耕蓄水保墒效果更明显[24]，刘树堂等[25]研究认为有机肥和无机肥配施能够增加土壤的保水性。本研究2018-2019年度结果表明，免耕+有机肥+化肥(NTM)和免耕+化肥(NT)播前0～100 cm土壤贮水量显著高于深翻+化肥(T)，主要是由于50～100 cm土层土壤贮水量显著增加所致；0～100 cm土层免耕+有机肥+化肥(NTM)和免耕+化肥(NT)比深翻+化肥(T)生育期土壤贮水效率提高22%和16.06%，深翻+有机肥+化肥(TM)土壤贮水效率比深翻+化肥(T)高11.5%。免耕能够减少地表径流[26]和土壤侵蚀[27]，提高土壤贮水量[28]。长期定位免耕增加了播前0～100 cm土层土壤的贮水量，尤其是50～100 cm土层土壤贮水量，有利于冬小麦生根、发芽，促进小麦苗全苗壮，为产量提供群体保证。

3.2 免耕和有机肥对旱地小麦水分消耗和产量的影响

本研究结果表明，4种耕作和施肥模式下，旱地冬小麦生育期耗水规律基本一致，免耕和有机肥使旱地冬小麦播前-返青阶段的土壤贮水消耗量降低，返青-孕穗阶段土壤贮水消耗量增加，生育期总耗水量增加。免耕的增产趋势明显，在干旱年份最显著[4]。水分和养分之间存在强烈的交互作用，水分既能影响土壤养分的有效性，也能影响对作物生长以及养分吸收等，从而影响产量。本试验年度为干旱年，免耕+化肥(NT)较传统深翻+化肥(T)产量增加26.72%，而免耕+化肥+有机肥(NTM)与传统深翻+化肥(T)产量差异不显著，深翻+有机肥+化肥(TM)产量低于深翻+化肥，这可能是由于干旱年份土壤水分亏缺，而养分含量较高，水分与养分的协同性减弱，影响冬小麦植株对养分的吸收，导致成熟期籽粒中氮素积累量减少，产量降低[29]。李科等[30]认为有机肥与无机肥配合比例不恰当，会导致水分利用率降低，同时肥料之间的协同作用也不能充分发挥，增产效果不显著，甚至还会减产。说明有机肥和化肥配施比例和降雨年型对旱地小麦产量都有重要影响。

4 结 论

(1)长期定位免耕和施有机肥提高生育期0～100 cm土层土壤贮水效率，免耕+有机肥+化肥效果最明显。免耕增加旱地冬小麦生育期耗水量，提高土壤水分利用率。免耕增加0～50 cm土层土壤贮水效率的效果优于50～100 cm土层，4种耕作和施肥模式中以免耕+有机肥+化肥(NTM)模式生育期贮水效率最高。说明免耕和有机肥对提高旱地冬小麦生育期贮水效率具有重要作用。

(2)4种耕作和施肥模式下，2018-2019年度免耕+有机肥+化肥(NTM)和免耕+有机肥(NT)，增加了播前土壤贮水量，促进穗数和千粒重的增加，但由于试验年度干旱造成水分亏缺，造成免耕+有机肥+化肥(NTM)模式水分与养分的协同作用减弱，产量反而降低。因此，旱地冬小麦施肥量应依据不同年型进行适量增减或改变有机肥与无机肥配施比例，既能达到高产稳产的目的，又能高效利用资源。