黃土塬區高底墑條件下養分差別對冬小麥產量的影響

李 剛, 王亞萍, 李 超, 劉文兆

(西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃土塬區是我國北方小麥主要栽植區之一，水分與養分條件是影響該區域冬小麥產量的兩個主要因素。土壤水分狀況影響養分的吸收、運轉和利用[1]，而增施肥料可促進作物吸水，達到以肥調水、提高水分利用效率、充分發揮“土壤水庫”作用的目的[2]。二者對冬小麥的生長發育及產量形成產生耦合效應，水分和養分只有在合理范圍內，才能互相促進，發揮對小麥的增產作用[1,3-4]。不同肥水條件下，作物產量表現不同，同時也會影響到水分、養分的利用效率。因此，合理調控水肥，提高水肥利用效率是發展旱作農業的關鍵。已有研究表明，在不同的土壤水分條件下，形成最大產量需要的養分量不同，當底墑為600 mm時，冬小麥產量、水分利用效率均在240 kg/hm2施氮量時達到最大，而底墑較低時，則需要更高的施氮量[5]。有灌水試驗研究發現，拔節期灌溉可顯著提高120 kg/hm2施氮水平下冬小麥的產量、水分利用效率和有效穗數，而在180 kg/hm2施氮量時沒有顯著影響[6]。金修寬等[7]研究發現，當施氮量為240 kg/hm2時，于冬小麥拔節、開花期補灌至田間持水量的60%時，可獲得最高的產量、水分利用效率與氮素利用效率。在多種灌水水平下，隨施肥量增加，冬小麥產量增加，但施肥增產的邊際效率逐漸減小[8]。前人多通過生育期灌水與施肥量的差異來研究冬小麥的水肥耦合效應，而黃土塬區地下水深埋，灌溉受到限制，充足的底墑作為作物耗水的重要來源，是取得高產穩產的基礎條件[9]。同時該區域存在施肥過量的現象，帶來嚴重的環境污染[10]。因此，適墑適肥，優化水肥配給模式是冬小麥取得高產、高效的重要途徑之一。本試驗年份降水多，播前底墑高，通過田間試驗探究在該水分條件下養分對冬小麥產量的影響，以期為因墑施肥、提升底墑利用效率，充分挖掘黃土塬區降水生產潛力提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2016年7月—2017年6月在黃土高塬溝壑區的陜西長武國家野外試驗站進行，試驗地海拔1 220 m；暖溫帶半濕潤偏旱性季風氣候，年均氣溫9.1℃，降水年際及季節變化大，年均降水量578 mm，多集中在7—9月，無霜期171 d，為典型的一年一熟雨養旱作農業區；地帶性土壤為中壤質黑壚土，母質為馬蘭黃土，土層深厚，地下水埋深40—80 m，土壤容重1.3 g/cm3，田間持水量22.4%，萎蔫濕度

6.7%～7.0%[11-12]。2016年9月—2017年6月，冬小麥生長期間降水量為301 mm，高于多年同期平均值212 mm，逐月分布見圖1。

圖1 試驗期間逐月降水量

1.2 試驗設計

2016年7-9月為不同底墑形成期，通過夏閑期種植玉米耗水與播前灌水形成不同底墑基礎，為消除養分差異，播種前把所有小區耕層土壤整平混勻。供試冬小麥品種為長旱58，于2016年9月28日播種，人工開溝播種，播種量為170 kg/hm2，行距20 cm，翌年6月25日收獲。

試驗設計為底墑、施肥量兩因素，底墑計算深度為2 m，設計為3水平：W1(相對濕度72%)，W2(相對濕度82%)，W3(相對濕度94%)；施肥水平設3個，分別為：F1不施肥；F2中肥(N，90 kg/hm2；P2O5，50.6 kg/hm2；K2O，16.9 kg/hm2)；F3高肥(N，180 kg/hm2；P2O5，101.3 kg/hm2；K2O，33.8 kg/hm2)。試驗共F1W1，F1W2，F1W3，F2W1，F2W2，F2W3，F3W1，F3W2，F3W39組底墑、養分差別處理，設置3個重復，由田間小區進行試驗研究，每小區面積27 m2，各處理根據不同小區底墑情況進行布設，田間管理同當地農戶一致。各處理播前2 m土壤水分狀況見表1。

表1 播種前0-200 cm各土層土壤含水量

1.3 田間測定與計算

1.3.1 土壤含水量及貯水量 采用烘干法測定土壤含水量，播種期和收獲期各測定1次，測定深度為5 m，其中1 m以上土層每10 cm，1 m以下土層每20 cm測定1次，稱量土壤濕重后105℃烘至恒重，再稱量干重，計算土壤質量含水量。

土壤貯水量計算公式如下：

SW=0.1×θ×ρ×H

(1)

式中：SW為貯水量(mm)；θ為土壤質量含水量(%)；ρ為土壤容重(g/cm3)，試驗田土壤取值1.3 g/cm3；H為土層深度(cm)。

1.3.2 冬小麥耗水量與水分利用效率 采用農田水量平衡法計算冬小麥生育期耗水量(ET)。研究區域無灌溉條件，地下水埋藏較深，很難被作物利用，地下水供給可忽略不計；同時試驗田地勢平坦，小區四周起壟，地表無徑流產生；一般情況下農田水分入滲深度有限，以5 m深度計，降水難能造成滲漏損失。因此，黃土塬區旱作農田ET計算表達式可簡化為：

ET=P+ΔSW

(2)

式中：ET為全生育期耗水量(mm)；P為生育期降水量(mm)；ΔSW為計算時段5 m土層土壤貯水量初始值與期末值之差(mm)。水分利用效率(WUE)、降水利用效率(PUE)分別由公式(3)—(4)進行計算：

WUE=Y/ET

(3)

PUE=Y/P

(4)

式中：WUE為作物水分利用效率[kg/(hm2·mm)]；PUE為作物降水利用效率[kg/(hm2·mm)]；Y為作物籽粒產量(kg/hm2)；ET為全生育期耗水量(mm)；降水等氣象資料由試驗站內氣象觀測場提供。

1.3.3 產量及產量構成 產量及產量構成測定按照《農業氣象觀測規范》[13]進行。產量、穗數為每小區取3行樣品進行測定，同時取樣測量千粒重。每小區取10株典型小麥樣進行收獲期株高、穗粒數的測定。

1.3.4 數據處理及分析 采用Microsoft Excel 2010，SPSS 21.0等軟件進行數據處理及統計分析。

2 結果與分析

2.1 相同底墑條件下養分對產量及產量構成的影響

表2為試驗各處理間產量及產量構成比較，可以看出：在3種底墑條件下，施肥均能顯著提高冬小麥產量。在W1底墑水平時，中肥F2與高肥F3產量無顯著差異但都顯著高于不施肥處理F1，F2和F3產量較F1分別提高60%，94%；在W2，W3底墑水平時，產量均隨施肥量增加而增加，且施肥處理F2，F3較F1顯著增加，F3產量也顯著高于F2，生物量也有類似規律。由此可見，在3種底墑條件下，養分投入均能顯著提高冬小麥產量、生物量，但是隨施肥量的增加，單位施肥量的增產幅度下降。

表2 相同底墑條件下養分處理間產量及產量構成多重比較

注：小寫字母不同表示在0.05顯著水平下有差異，株高、穗粒數每小區測定樣本為10株。

此外，從表2還可以看出，收獲指數在W1底墑時3種肥力水平間無顯著差異，在W2，W3底墑時F2，F3肥力水平收獲指數相近且顯著高于F1。在3種底墑水平下，施肥處理株高均顯著高于不施肥處理，表明施肥對冬小麥株高也有顯著影響。總的來看，不同底墑、施肥處理產生不同耦合效應進而影響產量，在W1底墑時，施肥可顯著提高有效穗數，穗粒數、千粒重較不施肥有所增加但差異并不顯著；在W2，W3底墑時，穗粒數、穗數、千粒重施肥處理較不施肥均有所增加，W2底墑時施肥可顯著增加穗粒數，W3底墑時施肥處理下的穗數、千粒重較不施肥顯著提高。

2.2 相同養分條件下底墑對產量及產量構成的影響

由表2數據可知，在F1養分條件下，W1底墑時產量最高，W2，W3底墑水平下產量較W1減產50%左右，底墑增加產量反而降低。進一步分析其產量構成發現，F1W2處理下的冬小麥株高、穗粒數、千粒重均為所有處理中最低值，但穗數較多；F1W3時穗數為所有處理最低，穗粒數、千粒重較W1均有所下降，進而導致產量較F1W1顯著下降。F2，F3養分條件下，冬小麥產量隨底墑增加而略有增加，但并不顯著。

水肥通過影響作物產量構成進而影響作物產量，在F2，F3養分條件下，雖然不同底墑水平下的產量無顯著差異，但穗數、穗粒數、千粒重卻有差別。F2養分時，株高、穗粒數、千粒重隨底墑增加而增加，穗數在W2底墑時最高，W3底墑時最低。F3養分條件下，隨底墑增加，穗數、千粒重增加，穗粒數、株高下降。當不施肥時，處理F1W2，F1W3產量與收獲指數均顯著低于處理F1W1，因底墑不同產量差別較大，而在2種施肥條件下，冬小麥產量受底墑影響較小，3種底墑下產量接近，無顯著差異。

2.3 不同底墑與養分處理對冬小麥的影響

通過對施肥量、播前底墑2因素作用下的冬小麥產量、各性狀指標進行方差分析(表3)，可以看出，從平均意義上講，施肥對冬小麥產量、產量構成、株高、收獲指數均有極顯著影響，而底墑對穗數有極顯著影響、對收獲指數有顯著影響。施肥量與底墑的交互作用對產量、收獲指數、穗數均有極顯著影響，對生物量、株高、穗粒數有顯著影響，對千粒重無明顯作用。由此可見，此試驗條件下，不同的播前底墑與施肥量組合對冬小麥產量產生不同的效應，整體上表現為施肥產量高于不施肥，而底墑對產量影響較小，但可顯著影響作物收獲指數與成穗數。

注：*表示在0.05水平下達顯著水平，**表示在0.01水平下達顯著水平。

冬小麥的籽粒產量是在產量構成三要素的共同作用下形成的，不同處理條件下，冬小麥的籽粒產量會產生較大差異，產量構成三要素也必然有所差異。對所有處理產量構成要素進行變異性分析，結果表明，因不同底墑與施肥組合導致的變異性均表現為穗數>穗粒數>千粒重，相應變異系數為20.5%，17.1%，7.7%，即不同底墑施肥量組合主要是通過改變冬小麥有效穗數、穗粒數來影響產量的。

2.4 冬小麥生育期水量平衡及水分利用分析

2.4.1 冬小麥耗水組成及水分利用分析 本次試驗冬小麥生育期降水量301 mm，較多年平均降水量高出89 mm，為豐水年，生育期內降水分布不均，僅6月份便有107 mm降水。因部分小區存在深層水分滲漏，耗水量難以確定，只分析表4中4個處理的耗水量—產量關系。由表4可以看出，當施肥量為F3時，隨底墑的增加，耗水量、土壤供水量增加，水分利用效率接近。當底墑為W1時，F2，F3施肥處理下的ET，WUE，PUE均高于不施肥處理；在不同的施肥處理下，高肥F3的土壤供水量、耗水量高于中肥F2，水分利用效率F2W1，F3W1間沒有差異。由此可見，施肥可增加冬小麥耗水量，提高水分利用效率、降水利用效率。相同底墑下，隨施肥量增加，耗水量、土壤供水量均有所增加。

表4 2016-2017年冬小麥生育期耗水量組成及水分利用

試驗中獲得高產的F3W1，F3W2處理土壤供水量占全生育期耗水量24%～32%范圍內，平均耗水深度均超過2 m。即使是產量、水分利用效率俱佳的F3W1處理，土壤水庫依然提供了占生育期耗水量24%的水分。另外，F1W1處理耗水量較少，生育期內土壤水分增加46 mm，即由于多降水與耗水量少產生土壤水分補給。

2.4.2 冬小麥生育期深層土壤水分下滲分析 本試驗夏閑期(7—9月)降水恰與生育期降水量相同，為301 mm，在播種前對部分小區進行了灌水以形成較高底墑，灌水量為60 mm，因此土壤水分條件較好。土壤水分測定深度為5 m，通過對比播種與收獲時期的水分剖面分布(圖2)，發現高底墑時，部分小區存在深層水分下滲現象。圖2A為F1W3處理1個試驗小區，在播前2—4 m土層范圍內土壤含水量超過田間持水量，4 m土層以下低于田間持水量，而收獲時情況相反，即4 m以上土層水分產生入滲，補給到4 m以下土層。圖2B為F3W3處理一試驗小區，與F1W3處理土壤水分剖面類似，收獲時3.6 m以下土層水分得到補充。2種情況水分入滲深度均在5 m以下，難以為冬小麥吸收利用。在收獲時，F1W3處理小區整層土壤含水量高于15%，而F3W3處理1—2 m土層含水量較低，形成明顯的低濕層，表現出不施肥與施高肥時的土壤水分消耗差異。

3 討 論

底墑對冬小麥產量形成的作用毋庸置疑[14-17]。冬小麥耗水一般在3 m土層內，主要用水層在2 m以內。本試驗中2 m土層相對含水量分別為72%，82%，94%，相對較高，可定義為高底墑。試驗不施肥處理F1W2，F1W3處理產量低于F1W1處理，底墑增加產量下降，主要與播種時水肥不協調有關。殷修帥等[6]通過2 a試驗發現當不施用氮肥時，拔節期灌水較不灌水處理產量分別下降42%，35%，與本試驗結果有相似之處。冬小麥苗期至返青期主要消耗表層水分，拔節期開始耗水逐漸延伸至2 m及以下[15]，本試驗中不施肥時W2，W3底墑水平高，冬小麥前期生長優于W1處理，植株群體數量多，過早地消耗了耕層有限的養分與水分，同時由于不施肥，根系下扎淺，難以吸收利用深層土壤儲水，在孕穗、灌漿期出現水肥供應不足，最終導致有效穗數、穗粒數、千粒重降低，影響了作物產量，且由于前期旺長，收獲指數也降低。

圖2 冬小麥播前、收獲時期深層土壤水分入滲剖面比較

在雨養條件下，養分便成為限制產量增長的主導因素，施肥可顯著提高作物產量與水分利用效率[18]，而隨肥料的施用，生產力逐步提高，首要限制因子由肥到水轉變[19]。試驗中的高肥施肥量為當地中上水平，李開元等[20]在長武的研究表明在不同水文年與土壤水分條件下，施肥均可引起產量的顯著提高，而水分只在干旱年份才能顯著提升產量。張福鎖等[21]認為旱地小麥生產的第一因素在年降水量低于300 mm時為水分，在降水量300～800 mm時，肥力是制約因素。本次試驗養分對冬小麥產量影響大于底墑，2015—2016年該試驗地研究表明，冬小麥產量隨底墑增加而線性增加[22]，本試驗中高肥處理產量隨底墑并未表現出此特點，這與該年份生育期內降水充足且底墑較高有關，2015—2016年冬小麥生育期降水216 mm，為正常年份，本次試驗為豐水年，尤其是6月4—5日降水70 mm，有效彌補了灌漿后期的土壤供水不足。因而在多降水與較高底墑形成的充足供水條件下，養分是限制小麥產量的主導因素，底墑差異并沒有顯著影響小麥產量。

生育期降水作為除底墑之外唯一的水分來源，影響旱作冬小麥產量。孟曉瑜等[5]研究發現，充足底墑下生育期降水虧缺會造成產量降低，不同降水年型下底墑、施肥量對冬小麥的產量、耗水特點亦有很大不同[14,19]。施用磷肥可促進作物吸收土壤水分，提高底墑利用率[18]，無論何種降水年型，土壤供水都是冬小麥必不可少的一部分，生育期降水多且分布合理，土壤供水少，反之土壤供水多[11]，本試驗生育期降水量充足，若獲得高產仍需土壤提供24%～32%的水分，而在平水年或干旱年作物需吸收更多的土壤儲水。

4 結 論

在旱作農業為主的長武黃土塬區，冬小麥產量受底墑、養分、生育期降水量共同作用。不同底墑下施肥均可顯著提高小麥產量，不施肥時，產量因底墑不同差別較大，而施肥時產量接近。施肥可增加冬小麥耗水，提高水分利用效率與降水利用效率，對冬小麥產量、產量構成、株高均有極顯著影響，而底墑對穗數、收獲指數有顯著影響。播前底墑與施肥量的不同組合對冬小麥產量產生不同的效應，在不施肥與高底墑時由于水肥配合不當，較其他處理產量與收獲指數顯著下降。在試驗年份的降水條件下，高底墑會造成土壤水分的深層滲漏，下滲深度可超過5 m，造成農田水資源的浪費。