耕作方式與長期定位施肥對雨養農田冬小麥產量的調控效應

張建軍，樊廷錄，趙剛，黨翼，王磊，王勇，李尚中,程萬莉

(1.甘肅省農業科學院旱地農業研究所，甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省旱作區水資源高效利用重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

黃土高原旱地是西北重要的農作物種植區，不僅農作物種類多，耕作方式也多種多樣[1]。作物產量是衡量一種耕作方式好壞的主要標志之一[2]。施肥是影響土壤質量演化及其可持續利用最為深刻的農業措施[3]，長期定位試驗能夠系統的研究土壤肥力演變和肥效變化規律，科學評價種植制度與施肥技術體系的效應。大量長期試驗[4-7]明確了化肥和有機肥對作物的增產效果，但也有研究認為，長期施肥條件下作物產量主要受施肥模式、耕作栽培制度、土壤質量等多個因素的綜合作用[8]。關于耕作制度對作物產量影響的研究表明，免耕和輪作[9-13]可不同程度地提高作物產量，也有研究認為多年免耕導致減產[14-15]。

國內的長期定位試驗起步較晚，且多數為不同肥料單施及配施的定位試驗，涉及耕作方式、肥料及其互作的長期定位試驗甚少。盡管在陜西長武和甘肅高平等類區已有關于長期定位施肥對作物產量影響的一些共性結論[16-17]，但因生產年型、肥料種類及施用方式、耕作制度等的不同均會引起產量及其性狀的顯著變化。鑒于此，本課題組在隴東黃土高原半濕潤偏旱區進行了不同肥料種類與耕作制度對作物產量及產量性狀影響的長期定位試驗(始于2005年)。基于本研究資料，此前圍繞土壤理化性狀及產量的部分研究結果做過有關報道[18-19]。本研究通過對該長期定位試驗冬小麥產量的歷年連續資料及2016年生理生態指標的分析，揭示長期施肥及耕作制度對冬小麥產量的調控效應，以期為西北黃土高原雨養農業區可持續利用的耕作制度及施肥模式的選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2005年3月到2016年7月在甘肅省農業科學院旱地農業研究所鎮原旱地農業試驗基地(35°29′42″ N，107°29′36″ E)進行，該區年均降水量540 mm，7-9月降水占年降水量的60%左右，年蒸發量1532 mm，年均氣溫8.3 ℃，無霜期170 d，海拔1279 m，為暖溫帶半濕潤偏旱大陸性季風氣候，屬典型的旱作雨養農業區。供試土壤為發育良好的覆蓋黑壚土，試驗田土壤基礎肥力及冬小麥生產年收獲期土壤養分平均含量見表1。

1.2 試驗設計

試驗采用二因素裂區設計，耕作方式為主處理，分別為傳統耕作和免耕耕作；施肥為副處理，分別為:1)不施肥對照(CK)；2)施純N 150 kg·hm-2(N)；3)施純P2O5105 kg·hm-2(P)；4)施農家肥(腐熟的純牛糞)22500 kg·hm-2(M)；5)施純N 150 kg·hm-2+純P2O5105 kg·hm-2(NP)；6)施純N 150 kg·hm-2+純P2O5105 kg·hm-2+農家肥 22500 kg·hm-2(NMP)。小區面積8 m×9 m=72 m2，3次重復。常規耕作于作物收獲后深翻和播前旋耕各一次；免耕耕作在作物收獲后至播種前，不攪動土壤。氮肥基追比為5∶5，追肥于返青期開溝施入。農家肥和磷肥在播前作為基肥一次性施入，傳統耕作結合播前旋耕施入，免耕耕作撒施后結合播種開溝施入。種植方式采用1年春玉米-3年冬小麥輪作，試驗起始年2005及2009、2013年均為春玉米。為了有效控制因品種差異導致的試驗結果誤差，本研究采用同一冬小麥品種隴鑒301，播量157.5 kg·hm-2，人工開溝播種。該品種具有抗逆性強，豐產性好的特征，其他管理措施按常規要求實施。本研究采用“生產年”概念劃分生產年型(表2)，即從上季小麥收獲后的7月至翌年6月為小麥生產年，以生產年平均降水量增減在10%以內為常態年，減少10%以上為干旱年，增加10%以上為豐水年[17]。本試驗僅對3個輪作周期中的9年冬小麥產量性狀變化進行分析。

表1 試驗前及生產年0～40 cm土層養分平均含量Table 1 Average nutriment content of 0-40 cm soil layer at pre-planting and production years

1.3 測定項目

1)冠層溫度(canopy temperature,CT)：2016年在冬小麥灌漿中后期，采用國產BAU-1型手持式紅外測溫儀，選擇晴朗無云的天氣測定冠層溫度，分辨率為0.1 ℃，響應時間為2～3 s，測定時視場角取5°，手持測溫儀置于1.5 m高度左右，以30°瞄準小區內中間的冠層，其測定點為群體生長一致、有代表性的部位。為減少測定誤差, 每個小區重復測定30次，平均值作該次測定的CT值。

2)光合參數：2016年在冬小麥灌漿中后期，采用美國生產的Li-6400光合測定儀，選擇晴好天氣測定旗葉的光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)。每小區測定長勢一致的3個植株標記旗葉的光合參數，每片旗葉重復讀取3個觀測值，取其平均值作為1個測定值。

3) SPAD (soil and plant analyzer development)測定：2016年在冬小麥灌漿中后期，選擇晴朗無陰雨的上午(9-11時)，用SPAD分析儀(SPAD-5200)測定冬小麥功能葉葉片的SPAD讀數值，每小區讀取20次，取其平均值作為1個測定值。

4)土壤養分含量測定：于試驗前及每個生產年冬小麥收獲后按照“S”形多點混合法，采集試驗地0～40 cm土層土壤，風干、研磨過篩后備用。參照文獻[20]，進行有機質、速效氮、速效磷、速效鉀含量測定。

5)產量：成熟時各小區實收計產，水泥曬場自然風干后，70 ℃烘干12 h，然后折算成公頃產量。

1.4 數據分析方法及軟件

采用Microsoft Excel 2010軟件處理數據和繪圖，DPS 7.05軟件進行顯著性分析，LSD法進行多重比較(P<0.05和P<0.01)

表2 試驗年度的降水量及其類型劃分Table 2 Precipitations during the experiment and rainfall years

注：生產年平均降水量517.9 mm，生育期平均降水量212.9 mm；NY，DY，WY分別為常態年，干旱年和豐水年。

Note：The average annual precipitation (from July to next June) over the 9 years was 517.9 mm and the average precipitation during wheat growth was 212.9 mm; NY: Normal year; DY: Dry year; WY: Wet year.

2 結果與分析

2.1 不同耕作及施肥處理冬小麥產量變化

年份(P<0.0001)、耕作方式(P<0.0001)和施肥(P<0.0001)對旱地冬小麥產量影響極顯著(表3)，除耕作方式×施肥、耕作方式×施肥×年份的交互作用不顯著外，年份×耕作方式、年份×施肥的交互作用對冬小麥產量影響均極顯著。

相同耕作措施，生產年內冬小麥產量受到耕作及施肥措施的影響，年際間則主要隨降水量變化而變化(表2)。生產年內，在耕作方式一定的情況下，冬小麥產量均受到施肥措施的影響，NMP和NP顯著提高了冬小麥產量(表3和表4)，以NMP最高，其次為NP，而肥料單施以M產量最高，其次為P，第3為N，CK絕大多數年份產量最低。 從平均產量來看，無論何種耕作方式，冬小麥產量均隨施肥措施變化而變化，表現為NMP>NP>M>P>CK>N的變化趨勢，此產量變化趨勢與9個冬小麥生產年收獲期土壤有機質及速效氮磷鉀平均含量密切相關。其中，傳統耕作NMP、NP、M、P依次較CK分別增加88.0%、71.9%、30.8%、15.6%；免耕耕作NMP、NP、M、P依次較CK分別增加109.3%、86.9%、44.6%、15.8%。相同施肥措施下，冬小麥的絕對產量傳統耕作高于免耕耕作，NMP、NP、M、P、N、CK傳統耕作較免耕耕作依次分別增加14.8%、18.2%、16.3%、28.3%、34.6%、21.1%。可以看出施肥和耕作交互作用不顯著，產量的差異主要在于不同耕作方式土壤水肥供給能力差異所致。

表3 年份、耕作方式和施肥對冬小麥產量的方差分析Table 3 Analysis of variance on years, tillage method and fertilizer on yield of winter wheat

**表示0.01概率水平下顯著。

** indicate significant correlations at 0.01 probability level.

2.2 不同生產年型對冬小麥產量的影響

不同生產年型耕作及施肥措施對冬小麥產量影響差異較大(表5)，即無論何種生產年型，耕作及施肥單因素對產量影響顯著(P<0.05)，互作對產量影響不顯著(P>0.05)。耕作方式間無論何種降水年型，相同施肥措施為傳統耕作高于免耕耕作，肥料處理間變化順序為NMP>NP>M，說明有機無機肥配施具有豐產性和穩產性高的特點；而無機N、P肥單施冬小麥產量因耕作方式和生產年型而變化，N耕作方式間均為豐水年>平水年>干旱年；P傳統耕作為豐水年>平水年>干旱年，免耕耕作為平水年>豐水年>干旱年；無論耕作方式如何，生產年型間，干旱年和平水年為P>CK>N，P處理傳統耕作和免耕耕作依次較CK增加18.2%、15.1%和11.7%、23.3%，N處理傳統耕作和免耕耕作較CK依次減少2.6%、0.1%和7.5%、8.3%；豐水年為P>N>CK，傳統耕作P、N處理豐水年較CK分別增加13.5%、1.2%，免耕耕作分別增加5.2%、5.0%。

無論何種耕作方式，M、P、N及CK以平水年變異系數最小，干旱和豐水年變異系數增加，說明平水年產量相對穩定，干旱年和豐水年產量波動較大；NMP、NP處理變異系數隨降水量增加而增加，均低于肥料單施，再次佐證了有機無機配施的穩產性。

2.3 不同生產年型對冬小麥產量性狀的影響

不同生產年型耕作和施肥措施對冬小麥產量性狀影響差異較大(表6)，即無論何種生產年型，施肥對冬小麥產量性狀影響顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)，耕作及耕作與施肥互作對產量性狀影響差異不顯著(P>0.05)。不論耕作和施肥措施如何，冬小麥有效穗隨降水量增加顯著增加，穗粒數隨降水量呈先增后減的變化趨勢，千粒重干旱年高于平水年和豐水年。其中，有效穗傳統耕作NMP、NP、M、P、N、CK干旱年較平水年依次減少1.5%、13.0%、35.4%、41.9%、46.9%、29.8%，豐水年較平水年依次增加35.3%、32.1%、5.8%、4.9%、3.1%、1.0%；免耕耕作NMP、NP、M、P、N、CK干旱年較平水年依次減少10.2%、14.9%、16.2%、45.1%、15.8%、28.1%；豐水年較平水年依次增加74.3%、63.3%、11.8%、1.6%、3.0%、6.6%。穗粒數有隨降水量增加呈先減后增的趨勢，傳統耕作不同施肥措施干旱年、豐水年較平水年平均穗粒數分別增加3.8和2.5粒，免耕耕作不同施肥措施干旱年、豐水年較平水年平均穗粒數分別增加6.1和4.8粒；傳統耕作平均千粒重在干旱年為38.3 g，平水年為36.1 g，豐水年為36.7 g，平水年較干旱年減少6.0%，豐水年較平水年增加1.5%，免耕耕作在干旱年平均為39.0 g，平水年為36.4 g，豐水年為36.4 g，平水年較干旱年減少6.9%，豐水年與平水年持平。可見，在本試驗條件下，在施肥和耕作措施一定的情況下，冬小麥的產量構成主要受降水量的影響；降水量不變的情況下，施肥和耕作措施明顯提高了干旱年冬小麥產量三因素，表明生產年型和施肥及耕作措施間存在顯著互作效應，這種互作效應因為改善了冬小麥產量三因素，因而提高了產量。

2.4 不同耕作及施肥處理對冬小麥生理生態指標的影響

表7顯示,耕作方式及施肥措施間冬小麥冠層溫度差異極顯著(P<0.01)，耕作方式與施肥互作對冠層溫度影響差異不顯著(P>0.05)。相同耕作方式條件下，不同施肥措施以NMP處理冠層溫度較高，CK最低。耕作方式間冬小麥葉片葉綠素相對含量(SPAD)差異不顯著(P>0.05)，施肥及施肥與耕作方式二者互作差異極顯著(P<0.01)，相同耕作方式條件下，不同施肥措施以NMP處理SPAD值最高，N單施高于M、P單施及CK。耕作方式對光合速率、氣孔導度及蒸騰速率影響顯著或極顯著，施肥對蒸騰速率影響極顯著，施肥和耕作方式互作對光合速率、氣孔導度及蒸騰速率影響均不顯著。相同耕作方式條件下，不同施肥措施中以NMP處理的光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均最高。

表7 不同耕作方式及施肥處理灌漿中后期生理生態指標變化(2016年)Table 7 Change of physiological index of winter wheat with filling stage different tillage method and fertilizer treatment in 2016

3 討論

3.1 耕作及施肥措施對冬小麥產量的影響

作物產量變化主要受施肥模式、耕作栽培制度、土壤質量等多個因素綜合作用的結果[21]。已有研究表明：施用有機肥或化肥作物增產幅度往往因有機肥和化肥種類及投入量有差異。有機無機肥配合施用，既能彌補有機肥前期肥效不足的缺點，又能延長無機肥的肥效，較單施無機肥或有機肥更全面、更高效[22]。本研究9年定位試驗結果再次印證了上述觀點，即有機無機配施表現最突出，其次為無機氮磷肥配施。無機N、P肥單施冬小麥產量因耕作方式和生產年型而變化，單施氮肥的增產效果在耕作方式間均為豐水年>平水年>干旱年；單施磷肥增產效果在傳統耕作條件下表現為豐水年>平水年>干旱年，免耕條件下表現為平水年>豐水年>干旱年；干旱年和平水年氮磷化肥單施的增產效果表現為P>CK>N，這與文獻[23]在類似區域的研究結論一致，也可以從9個冬小麥生產年收獲期土壤有機質及速效氮磷鉀平均養分含量，單施磷肥優于單施氮肥處理得到印證。耕作方式與作物產量的變化關系一直以來存在較大分歧，有研究認為，連續免耕作物產量降低[14-15]，但也有研究認為免耕可使作物產量增加[12,24-25]。本研究結果顯示：從9年平均產量來看，無論施肥措施如何，傳統耕作增產效果均高于免耕耕作，年際間傳統耕作和免耕耕作冬小麥產量主要隨降水量的變化而變化，表現為豐水年>平水年>干旱年，表明在干旱條件下，耕作和施肥措施的增產效果受土壤水分含量的制約。

3.2 耕作及施肥措施對冬小麥產量性狀的影響

孫本普等[26-27]認為有效穂數是構成產量的主導因素，其次是穗粒數和千粒重。有機肥能明顯提高千粒重[28]，顯著提高有效穗數[29]，而有機無機配施可增加穗粒數[30]。本研究結果表明：無論何種耕作方式及生產年型均以有機無機肥配施處理有效穗數、穗粒數、千粒重較高，原因是有機無機肥配施能使肥效相互促進，保證了冬小麥整個生育期養分的充足供應，而改善了這3種產量性狀。不同耕作方式及生產年型，施肥措施間有效穗隨降水量增加顯著增加；穗粒數隨降水量增加呈先減少后增加趨勢，千粒重變化不一致。可見，生產年型和耕作施肥制度是影響冬小麥產量構成的關鍵因素。因此，有必要開展不同氣候條件下，耕作和施肥制度對冬小麥產量構成因素影響的研究，只有了解了不同生產年型及耕作施肥制度下的作物產量構成因素與產量之間的關系，才能制定出促進冬小麥增產的適宜的耕作制度及施肥措施。

3.3 耕作及施肥措施對冬小麥生理生態指標的影響

已有研究表明：作物冠層溫度不僅受到水分和蒸騰的影響，還受光照強度、氣溫、耕作制度以及肥料等因素的制約。張文忠等[31]認為光照強度越強，冠層溫度越高，同時氣溫升高，冠層溫度上升。張冬玲等[32]認為冠層溫度與有效穗數顯著正相關。本研究結果顯示：相同耕作方式各施肥措施均以有機無機配施冠層溫度較高，原因可能是有機無機配施改善了土壤水肥供給條件，有效穗顯著增加，再加上灌漿中后期氣溫升高，群體密度過大，通風性變差所致。但已有研究認為冠層溫度與產量顯著負相關[32-33]，與有效穗顯著正相關[32]，而產量與有效穗顯著正相關[26]，這就需要對冠層溫度和有效穗對產量貢獻的直接效應大小進行深入研究。SPAD值與作物氮素含量高低密切相關[28]。本研究結果表明：相同耕作方式以有機無機配施SPAD值最高，N肥單施高于M、P肥單施及CK，這也進一步說明單施N造成氮素過多累積于土壤，冬小麥貪青晚熟，籽粒灌漿不充分，千粒重降低，導致產量降低。合理施肥有利于提高并維持生育后期的群體光合性能，發揮增產潛力，獲得高產[34]。本研究結果顯示：相同耕作方式以有機無機配施在各施肥措施間光合速率、氣孔導度及蒸騰速率均最高，表明有機無機配施可延緩冬小麥植株衰老，維持合理冠層結構，提高葉片光能利用率，進而實現高產。

4 結論

在550 mm左右降水量的隴東半濕潤偏旱雨養農業區，無論耕作方式及生產年型如何，有機無機或無機化肥配施是保證冬小麥高產、穩產的有效措施，以有機無機配施最為突出，其次為無機氮磷肥配施，無機N、P肥單施冬小麥產量因耕作方式和生產年型變化而變化，單施磷肥較單施氮肥增產作用顯著，耕作方式間傳統耕作優于免耕耕作。

降水年型能夠影響冬小麥產量結構，具體表現為不同耕作方式以有機無機或無機氮磷肥配施有效穗隨降水量增加而增加，穗粒數和千粒重有隨降水量增加呈先減后增的趨勢，而肥料單施產量構成因素變化不一致。

在550 mm左右降水量的隴東半濕潤偏旱雨養農業區，無論何種耕作方式及生產年型，均應充分考慮氮磷化肥與有機肥的平衡施用問題。