垄沟种植及其施肥优化对旱地小麦产量和水肥利用效率的影响

杨中帅，吴金芝，黄 明，李友军，付国占，赵凯男，张振旺，侯园泉

(河南科技大学 农学院，河南 洛阳 471023)

旱地小麦占我国麦播总面积的1/3[1]，但其生产中普遍存在干旱少雨、土壤贫瘠以及过量施肥等问题，导致产量和水肥效率一直处于较低水平，这不仅对保障我国粮食安全不利，还会影响农民的种麦积极性[1-2]。因此，研究并优化旱地小麦栽培和施肥措施以提高产量和水肥利用效率具有重要意义。

近年来，人们围绕旱地小麦高产高效和合理施肥技术进行了较多的研究，如探讨了垄沟种植、减量施肥、定位施肥的效果及其机理。其中，垄沟种植作为旱作区主要的集雨保水措施，在旱地小麦生产中被广泛应用，主要是因为其可以通过垄沟地表促进雨水流向沟内并渗入土壤深层，改善集水保水效果及土壤供水能力，有效缓解旱区作物水分供需错位矛盾，最终提高小麦产量[3-4]。赵护兵等[5-6]调查表明，为了追求高产，农户习惯重施化肥，使旱地小麦施肥量偏高。Huang等[7]研究表明，优化施肥可在较农户氮磷肥用量分别降低44%和39%的条件下使肥料利用效率显著增加，小麦籽粒产量提高7%。裴雪霞等[8]研究也表明，氮磷钾肥分别减少25%，30%和17%的条件下，小麦产量并不降低。这些结果表明，旱地小麦生产中有较大的减肥空间，适量减肥不减产甚至会增产。定位施肥作为科学施肥的重要组成部分，其将肥料集中施于根区，利于提高肥料利用效率[9]，在国内外的粮食生产中均有较好的增产作用[10-17]。黄明等[18]研究表明，在覆膜条件下，垄沟种植结合定位施肥不仅提高了旱地小麦产量、水分利用效率，而且还提高了肥料利用效率[19]。然而，当前广泛采用的覆膜垄沟种植已造成了严重的“白色污染”[20]。近年来，随着施肥、播种一体化机械的发展，不覆膜垄沟种植定位施肥得到了广泛应用[21]。然而，当前的研究多是基于覆膜垄沟种植技术进行，而不覆膜条件下垄沟种植及其与减肥、定位施肥结合对旱地小麦产量和水肥效率的影响鲜见报道。因此，本研究在黄土高原南部和黄淮海平原交汇处的典型旱地小麦种植区，通过连续3 a的定位试验，设置常规平作、垄沟种植、垄沟种植减肥和垄沟种植定位施肥4种栽培模式，分析了麦田土壤水分变化以及小麦群体茎蘖数、干物质积累量、籽粒产量和水肥效率，探讨多种技术的组合模式较常规平作的优势，以期为旱地小麦高产栽培提供理论依据和技术参考。

1 材料和方法

1.1 试验地点

试验于2016年9月到2019年6月在河南省洛宁县小界乡梅窑村(N34°47′、E111°71′，海拔560 m)进行。该地位于黄土高原南缘，属典型的半湿润易旱区，年均气温13.7 ℃，年降水量400～800 mm。冬小麦/夏休闲是当地的主要种植制度。试验地土壤为褐土，试验开始前0～20 cm土层中基础养分状况：土壤有机质含量12.6 g/kg，全氮含量0.86 g/kg，pH值7.9，硝态氮含量10.8 mg/kg，速效磷含量16.8 mg/kg，速效钾含量136.2 mg/kg；20～40 cm土层中基础养分状况：土壤有机质含量9.5 g/kg，全氮含量0.72 g/kg，pH值8.1，硝态氮含量6.4 mg/kg，速效磷含量8.4 mg/kg，速效钾含量108.3 mg/kg。试验期间降水量见图1。

1.2 试验设计与田间管理

试验设常规平作、垄沟种植、垄沟种植减肥、垄沟种植定位施肥4个处理。①常规平作(CK)：按照当地传统习惯，7月底8月初翻耕，深度25 cm，8月底或9月初根据墒情耙地收墒，小麦播种前人工撒施肥料并立即旋耕将肥料混入土壤，采用常规等行距播种机播种，行距20 cm，施肥量为当地农户习惯用量，氮磷钾肥设置为纯N 240 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2和K2O 60 kg/hm2。②垄沟种植(FP)：休闲季耕作措施2016-2017年同常规平作，后2 a免耕，施肥量同常规平作，小麦播种前人工撒施肥料，然后立即旋耕混入土壤，采用2BMQF-6/12A免耕施肥播种

一体机(洛阳市鑫乐机械设备有限公司)一次性完成开沟、起垄、播种、镇压，垄宽20 cm、高10 cm、沟宽14 cm，小麦条播于沟内，平均行距17 cm。③垄沟种植减肥(FPRF)：施肥量较垄沟种植减少25%，即纯N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2和K2O 45 kg/hm2，其他管理同垄沟种植。④垄沟种植定位施肥(FPOF)：小麦播前不进行旋耕，采用免耕施肥播种一体机一次性完成开沟、施肥、起垄、播种、镇压，施肥量及其他管理同垄沟种植减肥。为了更接近农田实际情况和方便大型农机具进行田间农事操作，参考于淑婷等[22]方法，各处理采用大区对比设置，每个处理面积为150 m×6.6 m=990 m2，并于生长季的四叶期，在每个处理中选择3 个具有代表性且长20 m、宽4 m的区域进行定位标记，作为本研究中的小区重复。分别于2016年10月8日、2017年10月26日和2018年10月9日播种，于2017年6月7日、2018年6月8日和2019年6月7日收获。2016-2017年度和2017-2018年度试验品种为洛旱6号，2018-2019年度试验品种为洛旱22，前后3 a播量分别为150，225，187.5 kg/hm2。病虫草害防治等其他管理同当地农户。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分和生育期耗水量 于小麦播种前和成熟期，在每个标记区域采集0～200 cm土样，每20 cm为一层，每层取约300 g作为分析样品，迅速装入预先标记好的塑料袋并系紧袋口密封，带回实验室后取约30 g样品于105 ℃烘48 h，测定土壤含水量。按照李俊红等[23]和黄明等[18]描述的方法计算土壤蓄水量和小麦生育期耗水量。

WC=WSs-WSh;WH=WSs-WSph;

ET=WC200+P+I+U-R-F

式中，WS为土壤蓄水量(mm)，下标字母i表示土层深度，下标字母s、h和ph分别表示播前、收获和前茬收获；D为土壤容重(g/cm3)；H为土层厚度(cm)；W为土壤质量含水量(%)；WC为生育期土壤耗水量(mm)；WH为休闲季土壤蓄水量(mm)；ET为生育期作物耗水量(mm)；P为生育期降水量(mm)；I为灌溉量(mm)；U为地下水补给量(mm)；R为径流量(mm)；F为深层渗漏量(mm)。本试验地地势平坦，土层深厚，地下水埋深>100 m，因此I、U、R、F均可忽略不计，值为0。

1.3.2 群体茎蘖数 在四叶期，于每个定位区域内选择并标记具有代表性且长1 m、宽2行的样点2个，用于调查基本苗以及越冬期、拔节期、开花期、成熟期的群体茎蘖数。

1.3.3 干物质积累 分别于越冬期、拔节期、开花期和成熟期，在每个标记区域中选取具有代表性植株样点20个，每个样点取1～2株小麦，合并统计茎蘖数后将地上部分于105 ℃杀青30 min，80 ℃下烘干至恒质量称质量。地上部干物质积累量为各器官干质量之和[24]。

1.3.4 产量及其构成因素和收获指数 在成熟期，从每个标记区域内随机收割2个1 m×1 m的样方，风干后脱粒。将同一标记区域内2个样方的籽粒混合后称风干籽粒质量。取风干籽粒约50 g，65 ℃下烘干测定其含水量。籽粒计产按12.5%的含水量进行。同时，从每个标记区域内选取2行长50 cm且有代表性的小麦植株，测定穗数、穗粒数、千粒质量。收获指数=籽粒产量/干物质产量。

1.3.5 水分利用效率和肥料利用效率 按照黄明等[18]描述的方法计算水分利用效率：WUE(kg/(hm2·mm))=Y/ET。式中，Y为籽粒产量(kg/hm2)，ET为生育期耗水量(mm)。采用何刚等[25]描述的方法计算氮(磷、钾)肥偏生产力：氮(磷、钾)肥偏生产力(kg/kg)=籽粒产量/施氮(磷、钾)肥量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010处理数据，Graph Pad Prism 8软件制图，SPSS Statistics 19.0软件进行差异显著性检验(LSD法)。

2 结果与分析

2.1 垄沟种植及其施肥优化对旱地小麦产量和收获指数的影响

由表1可知，不同处理对小麦产量及其构成因素和收获指数的影响极显著(P<0.01)，且对产量构成因素和收获指数的调控作用表现为穗粒数>穗数>千粒质量>收获指数。与常规平作相比，垄沟种植除2016-2017年度的穗粒数和收获指数以及2017-2018年度的千粒质量外，产量三因素、收获指数和产量均显著增加(P<0.05)，其中产量提高10.1%～11.2%；垄沟种植减肥除2016-2017年度收获指数略有降低，2017-2018年度千粒质量显著降低3.9%外(P<0.05)，产量三因素、收获指数和产量均显著增加(P<0.05)，其中3个年度平均产量提高5.9%；垄沟种植定位施肥的穗数、穗粒数和千粒质量分别显著提高8.9%，7.0%和3.8%(P<0.05)，收获指数增长幅度达到3.4百分点，最终使产量显著提高12.9%。从3 a均值看，垄沟种植减肥的穗数和产量较垄沟种植分别显著降低3.5%，4.5%(P<0.05)，穗粒数、千粒质量和收获指数无显著差异(P>0.05)；垄沟种植定位施肥较垄沟种植，穗粒数和产量分别显著提高3.7%,1.9%，较垄沟种植减肥产量显著提高6.7%(P<0.05)。可见，垄沟种植可提高小麦产量，且以垄沟种植定位施肥效果最好。

表1 不同处理对小麦产量和收获指数的影响Tab.1 Effects of different treatments on the grain yield and its components，and harvest index of wheat

2.2 垄沟种植及其施肥优化对冬小麦群体茎蘖数和干物质积累的影响

由图2-A、B、C、D可以看出，除2016-2017年度苗期和2018-2019年度开花期增幅不显著外，3个垄沟种植处理的茎蘖数在不同年度不同生育时期较常规平作均显著增加(P<0.05)，从3 a均值来看，苗期、越冬期、拔节期和开花期分别提高10.2%～13.7%,16.3%～20.5%,13.8%～21.3%和7.6%～12.7%。3 a总体来看，开花期垄沟种植定位施肥的群体茎蘖数较垄沟种植显著提高3.8%(P<0.05)。不同生育时期的干物质积累量测定结果(图2-E、F、G、H)表明，与常规平作相比，垄沟种植和垄沟种植定位施肥的干物质积累量在不同年度不同生育时期均显著增加，其中越冬期、拔节期、开花

期和成熟期分别提高10.6%～14.9%,9.5%～22.2%,6.2%～19.3%，7.3%～11.0%；垄沟种植减肥也可在一定程度上增加干物质积累量，开花期和成熟期的3 a均值分别提高4.5%，2.9%。垄沟种植定位施肥较垄沟种植，除2016-2017年度和2017-2018年度开花期的干物质积累量分别显著(P<0.05)提高5.5%，3.8%外，二者无显著差异(P>0.05)。说明垄沟种植有利于提高旱地小麦群体茎蘖数和干物质积累量，垄沟种植定位施肥在减肥25%的情况下仍可与垄沟种植持平甚至提高。

2.3 垄沟种植及其施肥优化对麦季水分利用和休闲季土壤蓄水量的影响

不同处理对小麦水分利用效率和休闲季土壤蓄水量的影响极显著(表2)。与常规平作相比，垄沟种植、垄沟种植减肥和垄沟种植定位施肥的生育期土壤水分消耗量分别提高3.9%～8.1%，3.9%～8.4%和4.9%～9.7%，垄沟种植和垄沟种植定位施肥的小麦水分利用效率提高7.2%～8.6%和8.1%～12.7%，而垄沟种植减肥的水分利用效率仅在2016-2017年度显著(P<0.05)增加10.7%。与垄沟种植相比，垄沟种植减肥的小麦水分利用效率除2016-2017年度外显著降低5.4%～7.7%，垄沟种植定位施肥3 a提高1.1%；较垄沟种植减肥相比垄沟种植定位施肥水分利用效率显著(P<0.05)提高6.3%。垄沟种植、垄沟种植减肥和垄沟种植定位施肥的休闲季蓄水量无显著差异(P>0.05)，但较常规平作分别显著提高7.1%～15.2%,7.7%～11.3%和11.6%～16.0%(P<0.05)，从而使播种前的土壤蓄水量显著提高5.4%～5.5%,4.4%～4.7%和6.0%～6.6%(P<0.05)。

表2 不同处理对麦季水分利用和休闲季土壤水分恢复的影响Tab.2 Effects of different treatments on the water use during wheat season and the soil water harvest during fallow period

2.4 垄沟种植及其施肥优化对旱地小麦肥料偏生产力的影响

由表3可以看出，旱地小麦氮、磷、钾肥偏生产力在不同年份间的差异均达到极显著水平(P<0.01)，其值分别为14.0～47.2 kg/kg，28.1～94.4 kg/kg和56.1～189.0 kg/kg。不同处理之间比较，氮、磷、钾肥偏生产力3个试验年度均表现为垄沟种植定位施肥>垄沟种植减肥>垄沟种植>常规平作。从3 a数据看，与常规平作相比，垄沟种植、垄沟种植减肥和垄沟种植定位施肥的氮磷钾肥偏生产力分别提高10.3%～11.4%，35.6%～50.1%，49.4%～53.6%。垄沟种植减肥和垄沟种植定位施肥氮、磷、钾肥偏生产力较垄沟种植分别提高22.9%～34.6%，35.2%～37.8%，垄沟种植定位施肥的氮磷钾肥偏生产力较垄沟种植减肥提高2.4%～10.2%。可见，垄沟种植和减肥都可以显著提高小麦氮磷钾肥偏生产力，且以垄沟种植定位施肥效果最优。

表3 不同处理对冬小麦氮磷钾肥偏生产力的影响

表3(续)

3 讨论与结论

3.1 垄沟种植及其施肥优化对小麦产量的影响

前人研究表明，垄沟种植较常规平作，在豫西不覆膜旱作条件下可使小麦穗数增加4%，产量增加10%[26]，在陕西覆膜条件下使穗数、生物量、产量分别显著增加11%，7%和8%[27]。在本试验条件下，垄沟种植小麦产量较常规平作显著提高10.8%，进一步证明了垄沟种植可以提高小麦产量，其增产的原因不仅是穗数、穗粒数和千粒质量提高，还与其显著提高不同生育时期的干物质积累量和收获指数有关，这与以往的研究并不完全相同，垄沟种植在不同生产条件下的增产机理还有待进一步研究。

本研究还表明，垄沟种植条件下，减肥25%在第1个试验年度表现为不减产，但在后2个试验年度表现为显著减产，说明垄沟种植小麦生产中的减肥量应适当，否则会造成减产。而减肥25%下通过施肥位置优化(定位施肥)可显著提高小麦产量三因素和收获指数，较垄沟种植减肥增产6.7%，较垄沟种植还增产1.9%，从而实现产量与常量施肥持平甚至显著提高，说明定位施肥可显著提高垄沟种植小麦产量。前人的研究也证实了优化施肥位置可提高小麦产量[15-16，18，28]。在不覆膜的条件下，方日尧等[16]在黄土高原的研究发现，播前20 cm深度施肥比表面撒施可使穗数增加8%～10%，产量提高13%～14%；段文学等[28]在黄淮海平原的研究指出，播前20 cm深度施肥与表面撒施和10 cm深度施肥相比，使生物量提高8%～15%，产量提高7%～12%；江尚焘等[15]在长江中下游的研究表明，种子正下方5 cm条施磷肥较撒施的生物量提高38%，增产11%。黄明等[18]在黄土高原的试验表明，在覆膜条件下，定位施肥在偏旱的年份可使小麦穗数和生物量分别显著提高19%，15%，产量显著提高8%。

3.2 垄沟种植及其施肥优化对麦季水分利用和休闲季土壤蓄水量的影响

本研究表明，3种垄沟种植处理较常规平作均有利于麦季水分利用和休闲季土壤水分恢复，休闲季土壤蓄水量显著增加7.1%～16.0%，播前底墒显著提高4.4%～6.6%，与常规平作相比，垄沟种植和垄沟种植定位施肥水分利用效率分别显著提高7.2%～8.6%和8.1～12.7%，垄沟种植减肥在2016-2017年度显著提高10.7%，在其余年份无显著性差异，这既因为垄沟种植可促进垄上雨水流向沟内利于土壤蓄水[29]，又因为休闲季秸秆覆盖会减少蒸发利于土壤蓄水[30]。前人也得到了类似的结论，如在陕西长武覆膜条件下，垄沟种植夏闲期蓄水量增加9%，播前土壤蓄水量提高5%[29]；在河南洛阳不覆膜条件下，垄沟种植的水分利用效率提高3%[26]。本试验还发现，3个垄沟种植处理虽然均会增加土壤水分消耗，但在后2个生长季收获后0～200 cm土层蓄水量显著高于常规平作，与前人研究结果基本一致。如刘晓英等[31]在北京昌平地区的研究表明，垄沟种植使冬小麦对0～160 cm土壤的耗水量增加7%～10%；李廷亮等[4]在覆膜条件下的研究表明，垄沟种植在旱地冬小麦生育期间具有很好的集雨保墒效果，可有效减少土壤水分损耗，收获后0～200 cm土层蓄水量显著高于其他处理，从而提高水分利用率。

本研究还表明，与垄沟种植相比，垄沟种植减肥在后2个试验年度的水分利用效率显著降低5.4%～7.7%，这与前人在垄沟种植条件下发现水分利用效率随施肥量减少而降低的研究结果一致[32]。然而，垄沟种植定位施肥不仅较垄沟种植减肥利于土壤水分利用，水分利用效率显著提高6.3%，而且较垄沟种植也使水分利用效率提高1.1%，表明通过定位施肥可消减因减肥所引起的小麦水分利用效率降低效应，主要是因为垄沟种植定位施肥的生物量大、休闲季还田覆盖的秸秆量高，有利于减少蒸发、蓄水保墒[30]，从而提高下季播前底墒，改善水分条件，促进产量形成，最终实现水分高效。

3.3 垄沟种植及其施肥优化对冬小麦肥料利用效率的影响

肥料偏生产力是评价肥料利用效率的常用指标，反映了单位施肥量生产作物产量的能力，其高低不仅取决于施肥量，还与栽培措施或养分管理措施是否利于高产有关[33-34]。本研究表明，3种垄沟种植处理较常规平作，氮磷钾肥偏生产力均显著提高，这与垄沟种植改善了土壤水分状况，提高了产量有关。李强等[35]得到了覆膜垄沟种植使小麦氮肥偏生产力提高16%～50%的结果，与本研究的结论一致。

研究普遍认为，适量减肥会促进小麦对肥料的吸收利用，进而提高养分的利用效率[36-37]，但其增效作用既与施肥量高低有关，还与施肥对产量的影响效果有关[8，38]。本研究发现，与垄沟种植相比，垄沟种植条件下减肥25%，肥料偏生产力显著提高27.6%，垄沟种植定位施肥的肥料偏生产力显著提高36.0%；与垄沟种植减肥相比，垄沟种植定位施肥的肥料偏生产力还会提高6.6%，主要是因为定位施肥优化了施肥位点，促进作物对肥料养分的吸收利用，利于干物质积累和籽粒产量形成，最终实现增产。江尚焘等[15]、黄明等[19]的研究也证明，定位施肥可显著提高小麦肥料偏生产力。

综上，与常规平作相比，垄沟种植可促进休闲季土壤蓄水，提高播前和成熟期土壤蓄水量，从而提高小麦主要生育时期的群体茎蘖数和干物质积累量，显著增加穗数、穗粒数、千粒质量和收获指数，进而使小麦产量和水分利用效率分别显著提高10.1%～11.2%，7.2%～8.6%。与垄沟种植相比，垄沟种植减肥可显著提高肥料偏生产力，产量和水分利用效率有所降低，但较常规平作分别显著提高5.9%，2.9%。垄沟种植定位施肥较垄沟种植减肥可提高群体茎蘖数、干物质积累量，从而使产量和水分利用效率达到垄沟种植水平，且其肥料偏生产力较垄沟种植显著提高36.0%。综上，垄沟种植定位施肥可在减肥25%的条件下稳定旱地小麦产量和水分利用效率，并可显著提高肥料偏生产力，是适宜于旱区推广的冬小麦栽培措施。