灌溉與施氮對留茬免耕春小麥耗水規律、產量和水分利用效率的影響

劉青林，張恩和＊，王琦，王田濤，劉朝巍，尹輝，俞華林

（1.甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅農業大學草業學院，甘肅 蘭州730070；3.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所 凍土工程國家重點實驗室 青藏高原冰凍圈觀測試驗研究站，甘肅 蘭州730000）

石羊河流域是甘肅省河西走廊三大內陸河流域之一，位于甘肅省河西走廊地區東部，祁連山北麓，與巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠相鄰，屬于干旱區，光熱條件好，晝夜溫差大，綠洲和荒漠對峙、并存而組成復合體，綠洲面積雖僅占干旱區土地面積的4%～5%，卻集中了該地區90%以上的人口與95%以上的社會財富［1］。農業是石羊河綠洲的主要產業支柱，農業生產主要依賴于地下水和地表水灌溉，農業用水量占水資源利用總量的70%～90%［2］。然而，不合理灌溉、施肥和氣候變化等因素引發綠洲萎縮、土地沙漠化、水資源供需矛盾、地下水位下降和水質惡化等一系列社會經濟問題［1，2］。

甘肅省石羊河流域武威灌區常年平均降水量164mm，主要集中在夏季，春小麥生育期（3－7月）降水量不能滿足生長發育需求，并且開花后易受干旱、干熱風等不利因素的影響。該研究區春小麥（Triticum aestivum）生育期灌水4～5次，灌溉量達到327～350mm［3］。灌水次數多和灌水量大影響作物對土壤水分的吸收利用，導致大量水分移至根系層下，植物無法吸收利用，造成水資源浪費和地下水質惡化［4］。在不引起作物減產和硝態氮淋溶的條件下，減少灌水量和提高灌溉水利用效益已成為石羊河流域農業發展最急迫的任務。

留茬免耕保護性耕作技術是以免耕播種機為主要作業機具，通過對農田實行免耕技術，用立茬覆蓋地表，不進行冬灌，翌年不進行土地耕翻，直接使用免耕播種機一次性完成開溝、施肥、播種、覆土、鎮壓的一種新型的播種技術。大量研究證明，留茬免耕保護性耕作技術能減少土壤風蝕，減少地面水分蒸發，降低農業生產成本，提高水分利用效率，改善土壤結構，增加土壤肥力，提高作物產量，是農業可持續發展的一項重要措施［5－7］。馮福學等［8］研究結果表明，秸桿立茬處理播種期的0～150cm土壤貯水量比傳統耕作增加1～35mm，收獲期增加5～39 mm，冬小麥產量增加4%～17%，水分利用效率提高8%～18%。

我國多數研究者在留茬免耕條件下，研究耕作方式、灌水量、灌水時期等因素對小麥產量和水分利用效率的影響，有關不同灌溉與施氮對土壤水分狀況、作物耗水強度、產量和水分利用效率影響的綜合研究相對較少，尤其在石羊河流域綠洲灌區。為此，在甘肅省武威市涼州區設立留茬免耕保護性耕作條件下的大田試驗，研究不同灌溉和施氮對春小麥土壤水分含量、植株耗水量、籽粒產量和水分利用效率的影響，為進一步完善留茬免耕技術和水肥管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2009年3－7月在甘肅省武威市涼州區甘肅農業大學武威試驗站（101°49′E，36°29′N）進行，該區位于甘肅河西走廊東端，屬于溫帶大陸性干旱氣候，多年平均降水量為164mm，主要集中在7－9月，依賴石羊河和地下水灌溉，常年平均地下水位25～30m，地下水補給到作物根系層的補給量忽略不計。供試土壤為灰鈣質輕砂壤土，0～40cm土層土壤全氮0.94～1.16g／kg，全磷0.47～0.48g／kg，全鉀7.70～9.27g／kg，速效磷38.54～43.90mg／kg，速效鉀125.80～145.23mg／kg，有機質含量120.49～135.86g／kg。

1.2 試驗設計與管理

試驗采用裂區設計，3個主區灌溉量水平分別為常規灌溉（I1.0）、節水20% 灌溉（I0.8）和節水40% 灌溉（I0.6），不包括生育期降水量，4個副區施 N 水平分別為 N0、N140、N221和 N300（折合純氮0，140，221和300 kg／hm2），I1.0為灌溉水平對照，N0為施氮水平對照，灌溉主區隨機排列，每個主區隨機布置4個施氮水平。為了消除小區之間水分與N素側向移動，主區之間設置1.25m人行道，副區之間設置1m走道。2009年春小麥全生育期3個灌溉量分別為327，261和196mm。灌溉水源為附近井水，采用壓管將井水灌入田間，用水表進行計量，地下水氮含量忽略不計。氣象資料由距試驗地50m的自動氣象站提供，2009年春小麥生育期降水量為31.7 mm。灌水量及灌水時間和施氮量及施氮時間見表1。

1.3 種植管理

2008年春小麥機械收獲后，留茬高度為25～30cm，不進行冬灌，2009年土地不進行翻耕，直接播種小麥。為了保證各處理出苗的均勻性，播種前6d（2009年3月18日）各小區進行等量灌溉，灌水量為60mm。春小麥播種時間為2009年3月24日，品種為永良4號，播種量為337.5kg／hm2，行距15cm，種子與基肥采用條播方式施入，為了保證播種的均勻性，稱取每行播種量，按行播種，施入土壤深度為5cm，基肥純P（過磷酸鈣，含P2O516%）和純K（硫酸鉀，含K2O為30%）用量分別為41和39kg／hm2。5月10日和6月10日手工除草2次，7月15日收獲。

表1 灌水量及灌水時間和施氮量及施氮時間Table 1 Rate and date of nitrogen and irrigation supply

1.4 樣品采集及測定

春小麥收獲期，每一小區去除0.5m邊行，進行人工脫粒，測定春小麥籽粒產量。土壤0～120cm含水量采用烘干法測定，測定日期為播種前1d、收獲后1d、灌水前24h和灌溉后24h，按20cm分層。土壤貯水量、耗水量、耗水強度和水分利用效率計算方法如下［9］：

式中，WU為春小麥生育期耗水量 （mm），P為生育期降水量（mm），I為生育期內灌溉量 （mm），ΔW為土壤供水量（mm），即播種前與收獲后兩時段0～120cm土壤貯水量的差值。

1.5 數據分析

利用完全隨機模型分析灌溉與施氮對春小麥土壤含水量、貯水量及耗水強度的影響，采用SPSS 15.0與Excel軟件進行方差分析和顯著性檢驗；方差分析多重比較用Duncan法（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 灌溉和施氮對土壤含水量的影響

在同一施氮水平下，將灌水前24h和收獲后24h測定不同灌溉處理的土壤水分含量求平均值（共計4次），得到灌溉I0.6、I0.8和I1.0的平均土壤含水量分布圖1（灌溉之間－灌水前）；在同一灌溉水平下，將灌水前24h和收獲后24h測定不同施氮處理的土壤水分含量求平均值，得到施氮N0、N140、N221和N300的平均土壤含水量分布圖1（施氮之間－灌水前）。同理，得到灌水后24h和播種前24h測定的不同灌溉處理平均土壤含水量的分布圖1（灌溉之間－灌水后）和不同施氮處理平均土壤含水量的分布圖1（施氮之間－灌水后）。

圖1 灌溉和施氮對土壤剖面平均土壤含水量的影響Fig.1 Effect of irrigation and nitrogen supply levels on averaged soil water content in soil profiles

在0～80cm土層深度，灌溉前3個灌溉處理之間土壤水分含量變化不明顯（圖1）；在80～120cm土層深度，常規灌溉的土壤水分含量明顯高于節水20%灌溉，節水20%灌溉的土壤水分含量明顯高于節水40%灌溉。灌水前24h不同施氮處理之間的土壤水分含量變化不明顯。灌溉前24h和收獲后24h土壤含水量反映灌溉水經過長期滲漏、植物蒸騰和土壤蒸發后土壤水分狀況，結果顯示灌溉對深層（80～120cm）土壤水分有明顯增加作用。植物蒸騰和土壤蒸發量較大，使不同灌溉之間淺層土壤（0～80cm）含水量相差不明顯。施氮影響作物生長和對土壤水分吸收，經過試驗測定，施氮對灌溉前24h，0～120cm土壤水分影響不明顯。灌水后24h和播種前24h結果顯示，在0～80cm土層深度，常規灌溉的土壤水分含量明顯高于節水20%灌溉，節水20%灌溉的土壤水分含量明顯高于節水40%灌溉；在80～120cm土層深度，3個灌溉處理之間土壤水分含量變化不明顯。在0～120cm土層深度，4個施氮處理之間土壤水分含量變化不明顯。灌水后24h內植物蒸騰量和土壤蒸發量相對較低，灌水后土壤水分含量反映灌溉水經過短期滲漏后土壤水分狀況，較大灌溉使田間含有較大土壤水分。試驗田地處干旱區，光照充足，大量土壤水分隨地面蒸發和植物蒸騰而消耗，使灌溉前24h不同灌溉處理淺層土壤含水量相差不明顯，土壤含水量只有在深層土壤有差異。劉浩等［10］研究指出，植物植株間蒸發主要受淺層土壤水分控制，灌水后蒸發強度隨灌水量變化較為明顯，隨著土壤淺層含水量的減少，蒸發速度降低。試驗開始測定結果［11］顯示，80～120cm土層土壤容重（1.69g／cm3）較大，結構致密，土壤顆粒之間的空隙較小，水分運動阻力較大，形成一個隔水層，淺層（0～80cm）土壤水分隨灌溉量增加而增加。

2.2 灌溉和施氮對土壤貯水量的影響

土壤貯水量是土壤水分收支平衡狀況的綜合反映，水分收入大于支出，土壤貯水量增加，反之則降低。灌水量顯著影響小麥生育期內土壤貯水量，總體趨勢為土壤貯水量隨灌溉量增加而增加（表2）。同時，土壤貯水量隨著小麥生育進程推進呈逐漸降低的趨勢，小麥成熟期土壤貯水量達到最低。

表2 灌溉與施氮對小麥不同生育期土壤貯水量的影響Table 2 Effect of irrigation and nitrogen supply levels on soil water storage at different growth stages mm

從3月24日（播種期）到5月2日（拔節期），沒有進行灌水，水分主要由土壤底墑水提供，植株生長較慢，對氮素和水分的吸收較少，各灌溉處理之間和各施氮處理之間的土壤貯水量差異不顯著。

抽穗期（5月25日）和灌漿期（6月14日），植株生長旺盛，水肥需求量較大，同時氣溫較高，蒸散量較強，水肥供應量顯著影響土壤貯水量，從而影響植株生長。就平均施氮水平而言，土壤貯水量隨灌溉量增加而顯著增加。在同一灌溉水平下，不施氮處理的土壤貯水量顯著高于施氮處理。說明適當增施氮肥促進抽穗期和灌漿期植株對土壤水分的吸收，從而使施氮處理土壤貯水量顯著低于不施氮處理。

成熟期（7月15日），平均施氮水平下，常規灌溉處理的土壤貯水量顯著高于節水40%灌溉和節水20%灌溉，節水40%灌溉與節水20%灌溉之間差異不顯著。同一灌溉水平下，不同施氮處理之間土壤貯水量差異不顯著；灌水和施肥對成熟期土壤貯水量影響小于抽穗期和灌漿期，成熟期過多水肥投入造成資源浪費，引發生態問題。

2.3 灌溉和施氮對小麥耗水強度的影響

在播種－拔節期，地溫較低和植株弱小，春小麥耗水強度最低，平均值為0.84mm／d，灌溉處理之間和施氮處理之間的耗水強度相差不顯著（表3）。從春小麥全生育期來看，抽穗－灌漿期的耗水強度最大，說明小麥抽穗后籽粒形成和灌漿是小麥對水肥需求關鍵期，在小麥田間管理上，應重視這一時期的水肥供應，從而增加籽粒產量，提高水分利用效率。

表3 不同處理對小麥各生育期耗水強度的影響Table 3 Water consumption rate at different growth stages as affected by irrigation rates and nitrogen ratesmm／d

在拔節－抽穗期，就平均值而言，耗水強度隨灌水量的增加而顯著增加。施氮300kg N／hm2和施氮221kg N／hm2的耗水強度顯著高于不施氮處理，施氮處理之間的耗水強度差異不顯著。在抽穗－灌漿期和灌漿－成熟期，耗水強度隨灌水量的增加而顯著增加，施氮對耗水強度影響不顯著。就全生育期平均值而言，耗水強度隨灌水量的增加而顯著增加，次序是常規灌溉＞節水20%灌溉＞節水40%灌溉，施氮對耗水強度影響不顯著。灌溉促進植物生長，增加蒸騰耗水和蒸散損耗，使常規灌溉的全生育期耗水強度比節水20%灌溉和節水40%灌溉分別提高9.3%和26.6%。施氮對小麥整個生育期耗水強度無顯著影響。

2.4 灌溉與施氮對水分利用效率的影響

水分利用效率是描述作物籽粒產量與水分利用關系的重要指標。在同一灌溉水平下，將4個施氮處理的水分利用效率求均值，得到I1.0、I0.8和I0.6處理的平均水分利用效率；在同一施氮水平下，將3個灌溉處理的水分利用效率求均值，得到施氮N0、N140、N221與N300的平均水分利用效率。田間試驗結果表明，就平均施氮水平而言，各灌溉的水分利用效率變化范圍為13.61～13.97kg／（hm2·mm），不同灌溉之間的水分利用效率差異不顯著。甘肅省河西地區光照充足、氣溫較高、蒸發量較大，常規灌溉并不能使土壤水分長久保持在土壤中，通過田間蒸發損耗較多的灌溉水。灌水量越大，耗水量越多，使不同灌溉水平之間的水分利用效率相差不顯著。增加灌水量只是增加了農田的總耗水量，對提高作物水分利用效率沒有明顯作用。在平均灌溉水平下，水分利用效率隨施氮量增加先增加后降低，施氮量達到221kg N／hm2時，春小麥水分利用效率達到最大值（14.51kg／hm2·mm），當施氮量超過221kg N／hm2時，水分利用效率不再增加，并且顯著降低。施氮對耗水強度影響不顯著，但施氮對水分利用效率影響顯著（表3，圖2）。由此可見，施用氮肥并沒有增加植株的耗水量，而顯著增加了籽粒產量，從而提高水分利用效率。

圖2 灌溉與施氮對水分利用效率的影響Fig.2 Effect of irrigation and nitrogen supply levels on water use efficiency

圖3 春小麥產量與灌溉量的回歸方程Fig.3 The regression equation for grain yield（Y）and irrigation rate（I）at 4nitrogen rates

2.5 灌溉與施氮對春小麥產量的影響

在各施氮水平下，將春小麥籽粒產量與灌溉量進行回歸分析，得到籽粒產量（Y）與灌溉量（I）的線性關系（圖3），通過直線回歸方程可以看出，產量（Y）與灌溉量（I）之間具有較好的相關性（R2＝0.938～0.974），春小麥籽粒產量隨灌溉量增加而增加，常規灌溉、節水20%灌溉和節水40%灌溉的平均籽粒產量分別為6 758，6 245和5 108kg／hm2。常規灌溉處理籽粒產量比節水20%灌溉和節水40%灌溉分別增加8.2%和32.2%。充足的灌水促進營養器官的生長代謝和干物質的積累運移，增加籽粒產量；節水灌溉降低土壤養分的有效性，影響小麥對養分的吸收、轉運、轉化和同化，最終影響小麥的籽粒產量。

對3個灌溉水平下籽粒產量與施氮量進行回歸分析，得到I1.0、I0.8與I0.6灌溉水平下的產量（Y）與施氮量（N）呈二次拋物線方程（圖4），產量（Y）與施氮量（N）之間的相關性較好（R2＝0.751～0.888）。試驗表明，當施氮量小于221kg N／hm2時，小麥籽粒產量隨施氮量增加而增加；當施氮量超過221kg N／hm2時，籽粒產量隨施氮量增加不再顯著增加。就平均值而言，施氮221kg N／hm2的籽粒產量比施氮0，140和300kg N／hm2分別增加12.1%、6.2%和4.1%。說明適當施氮促進植株光合產物和礦質營養物質的運移和積累，有利于籽粒產量形成，而過量施氮超過作物生長需求，不能被作物有效吸收利用，從而造成部分氮素在土壤中積累，增加硝態氮淋溶的危險。

圖4 春小麥產量與施氮量的回歸方程Fig.4 The regression equation for grain yield（Y）and nitrogen rate（N）at 3irrigation rates

3 討論

Bailey［12］研究表明，大部分谷物的根系分布在0～120cm土層，甜菜（Brassica campestris）根系分布在0～160cm土層，0～120cm土層是谷物土壤水分消耗的源和土壤水分蓄積的庫。鄭成巖等［13］研究表明，增加灌水量會抑制冬小麥對100～180cm土層土壤水分的利用，但增施氮肥會提高小麥對0～80cm土層土壤水分的利用，增加灌溉量和施肥量會增加土壤耗水量。本研究結果表明，河西綠洲灌區春小麥生育期（3－7月）降水量少（2009年春小麥生育期降水量31.7 mm）、氣溫較高和蒸發量較大，耕層土壤水分除供給作物生長吸收外，剩余水分通過滲漏、地面蒸發和植物蒸騰消耗，當灌溉量超過作物需水量時，增加灌水量造成水分浪費。增加灌水量影響灌水前24h深層（80～120cm）土壤含水量和灌水后24h淺層（0～80cm）土壤含水量，施氮處理對深度（0～120cm）土壤含水量影響不顯著。Angadi和Entz［14］研究表明，作物根系主要集中在0～80cm土層，土壤輕度干旱時，根系在80～100cm土層的分布明顯增多，根系向深層土壤發育有利于吸收較多的水分，增加植株對深層土壤水分的吸收利用。

在春小麥拔節－抽穗期，小麥根、莖、葉繼續生長，擴大營養體以增強光合作用，同時植株的生長中心由營養生長轉入生殖生長，需要大量養分和水分。抽穗－灌漿期是小麥營養和生殖生長并進階段，該階段氣溫較高，蒸騰和蒸發量較大，該時期是春小麥需水關鍵期［15］。水肥供應不僅影響植株抽穗期的根系發育、葉片生長、養分吸收，而且影響作物成熟期的生物量及經濟產量［16］。本試驗條件下，就全生育期而言，土壤貯水量和植株耗水強度均隨灌水量的增加而增加，不施氮處理的土壤貯水量高于施氮處理，施氮對植株耗水強度影響不顯著。增施氮肥可提供給作物更多的氮素養分，使根系生長旺盛，功能增強，加速土壤水分的消耗，降低土壤貯水量。

水分是影響土壤養分轉化及作物吸收養分的重要因素。灌溉是小麥高產的重要保證，并不是灌溉水越多，產量和WUE就越高［17］。陳曉遠和羅遠培［18］認為在小麥孕穗、抽穗、開花和灌漿的需水高峰期，充足水分供應能增加穗粒數并提高粒重。本試驗條件下，常規灌溉保證生育關鍵時期土壤水分的供應，促進植株生長旺盛。在平均施氮水平下，常規灌溉處理的平均籽粒產量（6 758kg／hm2），分別比節水20%灌溉和節水40%灌溉增加8.2%和32.2%。較高的蒸散量使不同灌溉水平之間的水分利用效率相差不顯著，說明適宜灌溉促進作物生長，加速營養物質運移和光合產物積累，有利于提高作物產量，大量灌溉增加蒸發和蒸騰耗水，不利于土壤水分的有效保持。甘肅石羊河流域綠洲灌區是極端干旱的沙漠地區，水資源不足是該區域農業生產發展的主要限制因素［19］。盡管常規灌溉處理的產量最高，但在水分利用效率相同的情況下，節水20%灌溉比常規灌溉減少灌水量66mm，常規灌溉比節水20%灌溉處理增產8.2%是以犧牲25.3%灌溉水為代價，從生態環境和經濟效益方面綜合考慮，節水20%灌溉更符合當地農業生產實際。

蒿寶珍等［20］的研究結果表明，適量增施氮肥可以提高葉片葉綠素含量，改善光合性能，提高葉片凈光合速率，延緩葉片衰老，有利于小麥生育后期維持一定的光合面積和光合時間，促進籽粒灌漿，而過量施氮則不利于營養器官中的碳水化合物向籽粒轉移，最終導致產量降低。本研究結果表明，施氮221kg N／hm2的籽粒產量比不施氮和施氮140kg N／hm2分別增產12.1%和6.2%；當施氮量超過221kg N／hm2時，增施氮肥提高作物葉面積指數，加速土壤水分消耗，降低光合產物從營養器官向生殖器官的轉移，導致施氮300kg N／hm2的產量比施氮221kg N／hm2降低4.1%。雖然施氮不能顯著增加小麥生育期內植株耗水量，但適宜施氮量（221kg N／hm2）顯著增加春小麥籽粒產量，從而有利于水分利用效率的提高。

4 結論

灌水后24h和播種前24h結果顯示，淺層（0～80cm）土壤水分隨灌溉量增加而增加，灌溉對深層（80～120 cm）土壤水分影響不顯著。灌水前24h和收獲后24h結果顯示，深層土壤水分隨灌溉量增加而增加，灌溉對淺層土壤水分影響不顯著。灌水前和灌水后結果顯示，施氮對土壤水分影響不顯著。就全生育期平均值而言，耗水強度隨灌水量的增加而顯著增加，次序為常規灌溉＞節水20%灌溉＞節水40%灌溉，施氮對耗水強度影響不顯著。較高的蒸散量使不同灌溉水平之間的水分利用效率相差不顯著，各灌溉的水分利用效率變化范圍為13.61～13.97kg／（hm2·mm），但節水20%灌溉比常規灌溉減少灌水量66mm。在平均灌溉水平下，水分利用效率隨施氮量增加先增加后降低，施氮量達到221kg N／hm2時，春小麥水分利用效率達到最大值（14.51kg／hm2·mm）。春小麥籽粒產量隨灌溉量增加而增加，常規灌溉的平均籽粒產量比節水20%灌溉和節水40%灌溉分別增加8.2%和32.2%。當施氮量超過221kg N／hm2時，春小麥籽粒產量達到最大值（6 365kg／hm2），就平均值而言，施氮221kg N／hm2的籽粒產量比施氮0，140和300kg N／hm2分別增產12.1%，6.2%和4.1%。在甘肅省石羊河流域綠洲灌區，從經濟、生態和環境等方面綜合考慮，適用于留茬免耕農田的水肥組合是節水20%灌溉和施氮221kg N／hm2。

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