耕作措施与施氮量对旱作玉米产量及土壤水氮利用效率的影响

李景润，谢军红，李玲玲 ，王林林 ，周永杰 ，王进斌，陈 倩

(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，兰州 730070；2.甘肃农业大学 农学院,兰州 730070)

干旱是制约中国西北地区土地生产力及农业可持续发展的主要因素[1]，集约利用有限降水对旱作农业生产具有重要意义。黄土高原半干旱区水资源不足，年际间变率大、年内分布不均加之高强度的水分蒸发和严重的土壤侵蚀，造成严重的环境-作物供需水矛盾，限制了旱作农田粮食产量和水分利用效率的提高[2-4]。研究发现：地膜覆盖、耕作、施肥均能显著提高作物产量和水分利用效率，深松耕通过打破土壤犁底层，形成良好的耕层结构，有利于增强土壤渗透性，促进水分运移，继而影响作物产量[5-7]，少免耕等保护性耕作通过减少对土壤的扰动，降低土壤水分散失，从而提高土壤表层的含水量[8]，而长期频繁单一的旋耕、传统耕作容易造成耕层变浅，犁底层上移，土壤结构变差，阻止水分入渗破坏，影响蓄水保墒效果，降低作物产量及水分利用效率[9-10]。氮素是玉米生长发育必需的元素之一，是作物增产的关键，合理施氮通过调节干物质积累、转移与分配，能提高作物经济产量，进而提高水分利用效率，过量施氮在降低肥料利用率的同时，还可能引起土壤酸化以及温室效应等环境问题[11-13]。杨蕊菊等[14]研究认为，水肥协同高效利用是提高黄土高原半干旱区有限水资源高效利用的主要措施。全膜双垄沟播玉米是黄土高原半干旱区一种典型的高产、高水分利用效率种植模式[15]，但长期的旋耕破坏土壤结构，影响全膜双垄沟播玉米可持续生产能力，过量施氮不利于产量的提高反而降低肥料利用效率，增加环境风险[16]。因此，旱作全膜双垄沟播生产可持续能力亟待通过耕作与施氮来优化。为此，本研究依托不同的耕作措施和施氮水平的长期定位试验，通过比较不同处理对土壤水分的时空动态、耗水量、产量及水分利用效率的影响，揭示全膜双垄沟播玉米耗水特性及产量构成对耕作措施的响应机理，为旱区集约用水提供技术理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在甘肃农业大学旱作综合试验站进行。试区为典型的雨养农业区，平均海拔2 000 m，年无霜期140 d，年平均日照时数2 476 h，太阳辐射593 kJ·cm-2，年均气温6.4 ℃，年降水量399 mm(研究期内降雨量见图1)，≥10 ℃积温 2 239.1 ℃，土壤类型为黄绵土，贮水性能良好，适宜作物生长。全膜双垄沟播玉米是试验区典型的种植模式。

1.2 试验设计

试验依托布设于2012年的全膜双垄沟播玉米耕法长期定位试验。采用随机区组设计，处理为4种耕作方法：翻耕(T1)、旋耕(T2)、深松耕(T3)与免耕(T4)，小区面积88 m2(4.4 m× 20 m)，3次重复。2014年将4个主区处理一分为二，增加2个施氮副区处理：基施纯氮200 kg·hm-2(N2)和基施纯氮200 kg·hm-2+拔节期纯氮100 kg·hm-2(N3)，共8个处理。参试玉米品种为‘先玉335’，密度为5.25 万株·hm-2，磷肥基肥撒施，用量为150 kg·hm-2。玉米于4月下旬播种，10月上旬收获。作物生长期内人工除草，其他管理同一般大田。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 降水量 用雨量筒测定试验区每日降水量。

1.3.2 土壤含水量 于玉米播种前、收获后以及拔节期、开花期、灌浆期、成熟期分别测定0～200 cm土壤含水量，测定层次为0～5 cm、5～10 cm、10～30 cm、30～50 cm、50～80 cm、80～110 cm、110～140 cm、140～170 cm和170～200 cm。其中0～30 cm采用烘干法测定，30～200 cm用TRIME(型号：TRIME-PICO TDR，德国)测定。

1.3.3 土壤贮水量 土壤贮水量计算公式为：V=∑Wi×Hi×1/10。式中，V为土壤贮水量(mm)，Wi为土壤某一层次体积含水量(%)，Hi为土壤i层次厚度(mm)。

1.3.4 耗水量的计算 作物耗水量用农田水分平衡法计算。由于试验小区平整、试验区未产生深层渗漏和地下水补给。因此，适用于计算本试验的作物耗水量、阶段耗水量的方程为：ETi=Pi-ΔWi。ETi表示i时段作物耗水量；Pi为i阶段的降水量；ΔWi为i时段末与i时段初的土壤贮水量之差，单位为mm。

1.3.5 水分利用效率WUE=Y/ET，WUE表示水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)；Y为籽粒产量(kg·hm-2)；ET为作物耗水量(mm)。

1.3.6 产量及产量构成 以小区为单位，在玉米成熟后剔除边行，单打单收，按贮藏籽粒含水量(14%)计公顷产量折算为公顷籽粒产量 (kg·hm-2)[17]。生物产量各小区随机称取30株，最后折算为公顷产量(kg·hm-2)，同时各小区取10株，风干后考种，测定果穗数(单株个数)、穗粒数(粒)、百粒质量(g)。

1.3.7 收获指数 收获指数=籽粒产量/生物产量。

1.3.8 氮肥偏生产力NPEP=Y/N。NPEP表示氮肥偏生产力(kg·kg-1)，Y为施氮区籽粒产量(kg·hm-2)，N为施氮量(kg·hm-2)。

1.4 数据分析

采用Excel 2016和SigmaPlot 12.5进行数据整理与作图，用SPSS 19.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 耕作措施与施氮量对土壤贮水量的影响

如图2，不同耕作措施与施氮量对土壤贮水量影响显著。N2水平下，玉米拔节期，2019年土壤贮水量较2018年平均增加17.5%，开花期，2019年土壤贮水量较2018年平均降低11.6%；2018年，免耕处理的贮水量分别较旋耕和深松耕高9.4%和8.5%；2019年，4种耕作措施下的土壤贮水量差异不显著。N3水平下，2019年玉米拔节期平均贮水量较2018年增加11.9%，而开花期较2018年降低16.6%；4种耕作措施间，2018年免耕贮水量比深松耕增加11.8%；2019年，免耕的贮水量比另外3个处理高6.1%～ 10.6%。

2.2 耕作措施与施氮量对土壤含水量的影响

0～200 cm土层土壤含水量垂直变化受耕作与施氮量的影响较大，且在年际间差异明显。由图3、图4可看出，2018年0～100 cm土层土壤含水量从玉米播种前到成熟期呈增加趋势，且免耕增加幅度最大，100～200 cm土层土壤含水量从播种前到拔节期有所下降，之后又逐渐增高，其中，N2水平下旋耕的含水量较其他处理低 17.4%～46.0%，同一种耕作措施下，N3与N2的土壤含水无差异。由图5、图6可看出，N2水平下，2019年玉米拔节期和开花期0～200 cm土壤平均含水量较2018年增加17.5%和14.1%，N2、N3施氮水平下，玉米播种前、拔节期、开花期0～200 cm的土壤含水量均保持在15.9%～ 26.4%，而玉米成熟期土壤含水量在0～70 cm较其他时期相比呈下降趋势，70～200 cm土壤含水量保持在18.9%～26.3%。

2.3 耕作措施与施氮量对玉米产量及产量构成的影响

如表1，耕作与施氮对玉米的生物产量无影响，但对玉米的籽粒产量、收获指数及百粒质量影响较大。其中，2018年，N2水平下，免耕处理的籽粒产量较传统翻耕增加11.5%，N3水平下，深松耕与免耕分别较传统翻耕增产15.5%和 12.4%，同一种耕作措施下，增施氮肥能提高深松耕玉米的籽粒产量，增产率为11.8%；2019年，只有免耕在N2水平下的籽粒产量较传统翻耕增产16.2%，其他处理间差异不显著。在N3水平下，2018年深松耕和免耕处理玉米的收获指数较传统翻耕增加26.7%和20.6%。2019年，增施氮肥提高深松耕的穗粒数，N3水平较N2水平增加21.0%，其他处理间差异不显著。相同的耕作条件下，翻耕与旋耕的百粒质量在N3水平较N2水平分别提高7.9%和9.0%，2019年N3水平下深松耕较旋耕的百粒质量提高36.5%，其他处理间差异不显著。2018年，不同耕作措施对籽粒产量和收获指数影响显著，不同施氮量对籽粒产量、果穗数和百粒质量影响显著，耕作措施与施氮互作效应对籽粒产量和百粒质量影响极显著；2019年，仅耕作措施对籽粒产量影响显著。

表1 不同处理玉米产量及产量构成Table 1 Yield and its components of maize under different treatments

2.4 耕作措施与施氮量对水氮利用效率的影响

如表2，免耕较其他耕作相比能显著降低玉米的耗水量，同时提高玉米水分利用效率。其中，2018年N2水平下，免耕的耗水量分别比翻耕与旋耕低12.8%和20.6%，N3水平下，免耕耗水量较深松耕降低12.5%；2019年N2与N3水平下，四种耕作措施间耗水量差异不显著；增施氮肥一定程度上增加玉米的耗水量，增加程度在12.4～63.5 mm。对于玉米的水分利用效率，2018年，免耕在N2和N3水平下较传统翻耕分别增加31.9%和23.2%；2019年两个施氮水平下，耕作措施对水分利用效率影响不显著。增施氮肥对玉米的水分利用效率影响不大，但显著降低氮肥偏生产力，降低幅度为39.8%～43.8%；在同一施氮水平下，免耕则表现出增加氮肥偏生产力的作用，2018年免耕的氮肥偏生产力较翻耕在N2水平下增加11.6%，N3水平下增加12.3%，2019年N2水平下，免耕的氮肥偏生产力分别较翻耕、旋耕、深松耕增加16.0%、14.6%和15.7%。2018年，耕作措施和耕作施氮互作效应对耗水量、水分利用效率、氮肥偏生产力影响极显著，施氮水平对氮肥偏生产力影响极显著；2019年，耕作措施对氮肥偏生产力有显著影响，施氮水平对耗水量有显著影响，而对氮肥偏生产力影响极显著，耕作施氮互作效应对氮肥偏生产力影响极 显著。

表2 不同处理玉米水氮利用效率Table 2 Water and nitrogen use efficiency of maize under different treatments

3 讨 论

3.1 不同耕作与施氮量对土壤水分变化及玉米产量的影响

在干旱及半干旱地区有限降雨量条件下，土壤水分是影响作物生长的一个重要因素[18]。研究表明，良好的耕作措施能够改善土壤质量，提高土壤持水性能，为作物生长发育提供良好的土壤环境，从而达到增产效果[19-20]。郭贤仕等[21]研究认为，免耕能使土壤水分保持稳定，较其他耕作有更好的保水效果。本试验中，2 a免耕处理的平均含水量比传统翻耕与旋耕提高4.3%～17.5%，在N2水平下，免耕处理2 a的平均籽粒产量较翻耕增加13.7%，2018年N3水平下，深松耕与免耕的籽粒产量比翻耕增加12.4%～15.5%，说明深松耕和免耕较传统耕作具有增产作用，这是由于深松耕有效打破土壤犁底层，降低土壤机械阻力促进水分及养分的移动，而免耕则因为避免对土壤的扰动从而减少土壤水分蒸发，增强土壤蓄水能力，两种耕作措施在一定程度上均提高了土壤水分，达到增产效果[22-24]，相反地，土壤进行传统翻耕与旋耕后，由于裸露的土壤面积增加，降低土壤质量，影响作物对水分与养分的吸收，最终造成减产[25]。据报道，适宜的施氮量能够增强作物吸收养分与水分的能力，加速干物质积累向籽粒的转移，从而提高作物产量[1]。王友华等[26]研究认为，当施氮量在90～270 kg·hm-2时，玉米产量会随氮肥用量的增加而提高，施氮量为360 kg·hm-2时玉米产量则会降低。本试验2018年深松耕在N3水平下的籽粒产量较N2水平提高11.8%，2019年同一种耕作下，N2和N3水平的玉米籽粒产量无差异。说明施氮量对玉米产量的影响在耕作措施和年份间有差异，在较低的施氮水平下，增施氮肥能够增加玉米籽粒产量，而施氮量超过一定的范围为240 kg·hm-2时，增产效果不明显[27]。其原因可能是氮肥施用过量抑制了玉米干物质的有效转移，使得籽粒产量的增加与生物产量不同步[28]，导致籽粒产量没有 增加。

3.2 不同耕作与施氮量对土壤水氮利用效率的影响

如何提高作物的水分利用效率是旱区农业发展亟需解决的问题[17]。耕作与施氮量对玉米水氮利用有显著影响。张海林等[29]和Qin等[30]的研究表明，免耕与传统耕作相比，耗水量减少15%，水分利用效率提高10%，深松耕在一定程度上增强水分入渗，其在增加了土壤水分含量的同时也提高了水分利用效率。本研究发现，2018年免耕处理的水分利用效率比传统翻耕与旋耕高21.3%～34.0%，2019年深松耕的水分利用效率较旋耕提高49.6%，同时，深松耕与免耕的耗水量较传统耕作降低14.6%～23.7%，因此，相对于传统耕作，深松耕与免耕在降低作物耗水量的同时，明显的产量效应促进了水分利用效率的提高，说明，免耕和深松耕明显地协调了产量和耗水量的关系，这与尚金霞等[31]的研究结果相似。氮肥偏生产力是反映氮肥利用效率的重要指标，影响作物对氮素的吸收与利用，从而影响作物产量[32]。田肖肖等[33]研究结果表明，免耕显著提高夏玉米的籽粒产量及水氮利用效率。张磊等[34]研究表明，随着施氮量的增加氮素利用效率会呈下降趋势。本试验中，同一施氮水平下，免耕与传统翻耕相比，氮肥偏生产力在不同程度上均有所提高，但相同的耕作条件下N3水平与N2水平相比，显著降低氮肥偏生产力，2018年，不同耕作措施下氮肥偏生产力N3水平较N2水平降低30.6%，2019年降低了33.3%。研究发现，氮肥的增产作用与土壤水分条件、降水年型以及施氮水平有关[35]。本研究中，在200 kg·hm-2施氮水平下免耕、深松耕良好的土壤水分条件，提高干物质的有效转化，促进氮肥利用效率的提高，300 kg·hm-2施氮水平由于并没有起到增加籽粒产量的作用，导致氮肥利用效率较低。

4 结 论

在黄土高原半干旱区，耕作措施和氮肥用量是影响全膜双垄沟播玉米产量和水氮利用效率的重要因素。耕作措施对玉米产量影响显著，N3水平较N2水平极大降低了氮肥偏生产力，耕作措施与施氮的互作效应对籽粒产量、耗水量及水氮利用效率有显著影响。综合考虑本地区作物高产与水氮高效利用，深松耕或免耕结合200 kg·hm-2的施氮量能有效提高土壤水分含量，达到增产效果，同时通过较低的耗水量提高了水分利用效率。因此，适宜在该地区的全膜双垄沟播玉米种植的耕作方法为免耕和深松耕，适宜的施氮水平为200 kg·hm-2。