黃土旱塬耕作方式和施肥對冬小麥產量和水分利用特性的影響

張建軍，樊廷錄，黨翼，趙剛，王磊，李尚中，王淑英，王勇

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

黃土旱塬耕作方式和施肥對冬小麥產量和水分利用特性的影響

張建軍1.2，樊廷錄1.2，黨翼1，趙剛1，王磊1，李尚中1，王淑英1，王勇1

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

【目的】探討耕作方式與施肥措施對隴東黃土旱塬黑壚土冬小麥-春玉米輪作農田冬小麥產量、水分利用效率及耗水特性的影響。【方法】以設在半濕潤偏旱區甘肅省鎮原縣連續12年的耕作與肥料長期定位試驗為平臺，采用裂區設計，以傳統耕作和免耕為主處理，CK、N、P、M、NP、NMP為副處理，栽培制度為1年春玉米-3年冬小麥輪作，研究了不同耕作方式及施肥措施條件下的冬小麥產量、水分利用效率、耗水特性及產量與耗水量的關系。【結果】在產量方面，相同耕作方式以有機無機肥配施或無機肥配施高于有機肥或無機肥單施，有機肥單施優于化肥單施，磷肥單施優于氮肥單施；耕作方式間為傳統耕作高于免耕。在水分利用特性方面，無論何種耕作方式及降雨年型，不同施肥措施在不同年份均以NMP水分利用效率最高，顯著高于CK和其他處理，平均水分利用效率大小順序為NMP＞NP＞M＞P＞CK＞N，傳統耕作和免耕NMP較CK分別增加84.0%和84.1%；相同施肥措施中傳統耕作高于免耕，NMP傳統耕作較免耕增加13.6%。不同耕作方式及施肥措施冬小麥階段耗水量與降雨量密切相關，其中NMP總耗水量相對較高，傳統耕作干旱年、平水年、豐水年較CK分別增加了3.0%、4.4%、31.4%，免耕分別增加了10.2%、1.5%、25.7%，且NMP明顯降低了播種—返青階段耗水量及占總耗水量的比例，增加了返青—成熟階段耗水量。耕作方式間總耗水量變化趨勢基本為干旱年傳統耕作高于免耕，豐水年和平水年免耕高于傳統耕作，而降雨年型間總耗水量變化不一致。另外，無論何種降雨年型，不同耕作方式及施肥措施均在60 cm土層含水量呈拐點變化趨勢，但拐點處含水量變化不同，其中NMP低于CK及其他施肥處理，變化順序為豐水年＞平水年＞干旱年。不同施肥措施的邊際水分利用效率以NMP最高，耕作方式為傳統耕作高于免耕。【結論】無論何種耕作方式及降雨年型，不同年份NMP冬小麥產量、水分利用效率及邊際水分利用效率均最高，收獲期60 cm土層處含水量出現低值。總耗水量以NMP相對較高，且NMP有利于降低播種—返青階段耗水量及其占總耗水量的比例，增加返青—成熟階段耗水量和0—200 cm土層貯水量的消耗。耕作方式及施肥措施間冬小麥水分利用效率、邊際水分利用效率均為傳統耕作高于免耕。因此，綜合考慮冬小麥產量、水分利用效率及耗水特性，認為無論何種降雨年型，采用傳統耕作結合有機無機肥配施是本試驗條件下的最優耕作施肥組合模式。

黃土旱塬；耕作與施肥；冬小麥；耗水特性；水分利用效率

0 引言

【研究意義】甘肅黃土旱塬半濕潤偏旱區位于甘肅省東部的慶陽、平涼地區，該區地表水和地下水資源匱乏，農業生產用水完全依靠有限的自然降水，屬典型的旱作雨養農業區。該區冬春季干旱多風，降水時空分布不均且變率較大，年降雨量450—600 mm，蒸發量大，小麥主要耗水階段（3—6月）的降水只占年降水的20%—40%，而其中僅有約60%可供冬小麥利用，大部分降水集中在7—9月的休閑期，降水與冬小麥生長需求嚴重錯位[1-4]，易造成冬小麥生育期水分虧缺[5]。加之土壤比較貧瘠，水分成為影響該地區農業生產發展的主要限制因素。因此，在中國西北黃土旱塬區，尋求有效的耕作施肥制度最大限度蓄住天上水，保住土壤水，提高作物水分利用效率已成為該區冬小麥高產穩產的關鍵。【前人研究進展】長期肥料試驗是土壤學、農學和生態學等研究領域的基礎性工作，是揭示長期不同施肥模式對土壤生產力、養分循環與平衡、耕地質量、作物產量及農田生態環境影響的重要研究手段，對指導合理施肥、保護生態環境和農業可持續發展等，均具有十分重要的理論意義和實踐價值[6-8]。已有研究表明[9-14]，較傳統耕作，休閑期免耕具有良好的抑蒸保墑作用，休閑期深松可提高降水的蓄保能力。柏煒霞等[15]研究表明，免耕/深松和深松/翻耕輪耕處理比傳統連續翻耕增產9.1%和7.6%，水分利用效率提高9.6%和11.0%。張海林等[16]研究表明，免耕土壤蓄水量比傳統耕作增加約10%，水分利用效率提高約10%。免耕在保持土壤水分，提高土壤的蓄水能力方面具有顯著作用。目前，中國西北黃土高原旱作區20年以上的肥料定位試驗有甘肅平涼（始于1979年）和天水（始于1982 年）、陜西長武（始于1984年）和安塞（始于1983年）[17-18]。這些長期定位試驗，主要監測不同施肥措施下作物產量、土壤肥力及理化性質等的變化，很少有涉及耕作與施肥及其互作效應對作物耗水特性影響的系統報道。【本研究切入點】中國西北黃土旱塬已有的長期肥料研究主要集中在施肥的產量效應、養分含量及土壤物理結構的變化方面，而對耕作與施肥及其互作條件下的作物水分利用效率、階段耗水特性及產量與耗水量的變化關系等方面未見系統報道。【擬解決的關鍵問題】本研究以布置在甘肅省鎮原縣黑壚土上的耕作與肥料長期定位試驗（始于2005年）為平臺，通過對耕作與施肥及其互作條件下的冬小麥產量、水分利用效率、階段耗水特性及產量與耗水量變化關系的研究，探討肥力差異與耕作措施的互作效應對冬小麥耗水特性的影響，篩選耕作與施肥的最佳組合模式，為實現西北黃土旱塬有限水資源的高效利用和旱地農業可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于 2005—2016年在位于甘肅省慶陽市鎮原縣（35°29'42″ N，107°29'36″ E）的農業部西北植物營養與施肥科學觀測實驗站進行，該區多年年均降雨量540 mm左右，其中7—9月份占60%，年蒸發量1 532 mm，年均氣溫8.3℃，無霜期170 d，海拔1 279 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。為便于分析，本文采用“生產年”概念劃分不同降水年型（表1），即從上季小麥收獲后的7月至翌年的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[19]。

表1 試驗年度的降水年型Table 1 Precipitation in experiment years

1.2 試驗設計

試驗采用二因素裂區設計，耕作為主處理，設 2個水平，分別為傳統耕作和免耕；施肥為副處理，設6個水平，分別為（1）不施肥處理（對照，CK）；（2）施氮處理 150 kg N·hm-2（N）；（3）施磷處理105 kg P2O5·hm-2（P）；（4）施農家肥（腐熟的純牛糞）處理22 500 kg·hm-2（M）；（5）施氮磷處理 150 kg N·hm-2+105 kg P2O5·hm-2（NP）；（6）施氮磷肥+農家肥處理 150 kg N·hm-2+105 kg P2O5·hm-2+農家肥（腐熟的純牛糞）22 500 kg·hm-2（NMP）。小區面積72 m2（8 m×9 m），3次重復。常規耕作分別于作物收獲后和播前各耕作一次；免耕在作物收獲后至播種前，不攪動土壤，利用前作殘茬覆蓋地表。小區為固定小區，施肥采用定位施肥，氮肥50%作基肥，50%作追肥于返青期開溝施入。農家肥和磷肥播前一次性撒施，傳統耕作結合播前旋耕施入，免耕撒施后采用耙磨結合播前開溝施入。作物種植方式采用1年玉米—3年冬小麥輪作，人工開溝播種。為了有效控制因品種差異導致的試驗結果誤差，本研究執行期間采用同一冬小麥品種隴鑒301，播量157.5 kg·hm-2，該品種為自育冬小麥品種，是試驗研究常用品種，其具有抗逆性強，豐產性好的特征，其他管理措施按常規要求實施。

1.3 測定項目

1.3.1 土壤含水量測定及水分利用效率計算 采用烘干稱重法測定。每一個生產年在冬小麥播種、苗期、返青期、拔節期、開花期、收獲期，采用土鉆人工分層取土測定每個小區0—200 cm土層的土壤含水量，每 20 cm為一個測定層。小麥生育期降雨量通過MM-950自動氣象站記錄儀獲得。利用土壤水分平衡方程計算每個小區作物耗水量（ET）。

ET（mm）=播前土壤儲水量-收獲后土壤儲水量+生育期降雨量。

WUE（kg·hm-2·mm-1）=籽粒產量/耗水量

1.3.2 產量測定 成熟時按每個小區實收計產，水泥曬場自然風干后，采用PM-8188-A谷物水分測量儀測定籽粒含水量，然后折算成14%含水量條件下的公頃產量。

1.4 數據分析方法及軟件

采用Microsoft Excel 2010軟件處理數據及繪圖，DPS 7.05軟件進行統計分析，最小顯著極差法（LSD）進行差異顯著性檢驗（P＜0.05和P＜0.01）。

2 結果

2.1 不同處理不同年份冬小麥產量及水分利用效率

變化

對 9年冬小麥產量的綜合分析表明，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，除耕作方式×施肥、耕作方式×施肥×年份對產量的交互作用不顯著外，其余兩因素交互作用均極顯著（表2）。

在產量方面（表3），在耕作措施一定的情況下，生產年內冬小麥產量主要隨施肥措施的變化而變化，年際間則主要隨降水量的變化而變化。生產年份內，不論耕作方式如何，冬小麥產量均隨施肥措施的不同而顯著不同，均以 NMP處理產量最高，其次為 NP處理，都與對照達到顯著水平（P＜0.05）。而肥料單施以M處理產量最高，P處理大于N處理，不施肥的CK絕大多數年份產量最低。年際間在耕作與施肥量不變的情況下，冬小麥產量表現為豐水年＞平水年＞干旱年，差異達極顯著水平。從平均產量來看，不同耕作方式各肥料措施產量順序為NMP＞NP＞M＞P＞CK＞N。傳統耕作NMP、NP、M、P處理依次較CK增加88.0%、71.9%、30.8%、15.6%，而N處理產量與CK差異不顯著，較P處理降低了13.9%；免耕NMP、NP、M、P處理依次較CK增加了109.3%、86.9%、44.6%、15.8%，N處理較CK、P處理分別減少了4.9%、21.9%。NMP、NP、M、P、N、CK處理傳統耕作較免耕依次增加了14.8%、18.2%、16.3%、28.3%、34.6%、21.1%，表現為傳統耕作較免耕增產幅度大的基本規律。

水分利用效率表現出與產量一致的變化規律，不同年份不同耕作方式均以 NMP處理水分利用效率最高（表 4）。從平均水分利用效率來看，變化順序均為NMP＞NP＞M＞P＞CK＞N，差異顯著。傳統耕作中NMP、NP、M、P處理較CK依次分別增加84.0%、64.0%、24.0%、16.0%，N處理較CK減少了4.0%；免耕中NMP、NP、M、P處理較CK依次分別增加84.1%、61.4%、34.1%、13.6%，N處理較 CK減少了 11.4%。相同施肥措施下，傳統耕作水分利用效率高于免耕，NMP、NP、M、P、N、CK依次分別增加 13.6%、15.5%、5.1%、16.0%、23.1%、13.6%。

試驗結果再次佐證了水肥調控，有機無機肥配施或無機肥配施是半濕潤偏旱區冬小麥高產穩產的重要途徑。

表2 年份、耕作方式和施肥對冬小麥產量的方差分析Table 2 Analysis of variance on years, tillage method and fertilizer on yield of winter wheat

2.2 不同處理對冬小麥各生育階段耗水量及總耗水量的影響

不同耕作方式及施肥措施冬小麥0—200 cm土層總耗水量顯著不同，耗水量與生育階段降雨量密切相關（表5）。不同耕作方式及降雨年型NMP處理總耗水量相對較高，均高于 CK，傳統耕作干旱年、平水年、豐水年較CK分別增加了3.0%、4.4%、31.4%，免耕分別增加了10.2%、1.5%、25.7%，耕作方式間總耗水量干旱年傳統耕作高于免耕，豐水年和平水年免耕高于傳統耕作，降雨年型間各施肥措施總耗水量變化不規律。

播種—返青期冬小麥要經過冬春季土壤凍融階段，此階段冬小麥大約有4個月左右時間基本停止生長，土壤水分消耗以無效土壤水分蒸發為主，階段耗水量占總耗水量的比例相對較高。另外，因有機無機肥配施的水肥效應，冬前苗壯，植被覆蓋度高，冬春季耗水量明顯低于CK。

.0.1量產ield±869±898均平Meany.2eC1962.9eC1952016 -2201536.6b 1785.7b 13015 -2c c 201483.92387.52213-2014 .4b .3b 2011871234012 -22011.7c 3537.9c 3546m-2) ears(kg·h10-2011 .5d .0d 2015341550fertilizertreatmentsindifferenty0 2009-2014.5cc 660.5b708 00-2b ab20072764.52944.5化7變量dsand.5a .5a產2006-20022542314麥etho小冬份年05-2006 .0b .0c同2015961612不施措ithdifferenttillagem肥t en施理N及處CK式fyieldwTreatm方作耕同Changeso3 不式ethod Table3作naltillage方耕itio表作統耕Tillagem傳Trad8.9 92C±.3dB226879.7b 19c 75.725.6b 1345.1c 4018.5c 2332c 7.5b96ab3159.0.5a 2332.0d 1704P 8.0 ±107.3cB256737.5b 1977.0b 29.9b 1404.9b 4761.5c 2644b 1222.5ab3342.0.0a 2631.0bc2184M ±986.4.8bA3372a 40.628a 86.237.4a 2875.0a 5712.5b 3301a 2808.0a 3780.0.5a 2668.0ab2583NP±1015.9 .1aA3689a 56.734a 39.538.0a 3121.2a 6168.0a 3861a 3283.5ab3828.0.5a 2833.0a 2814P NM6.3 58.6C±.1cd±7581526.6dC1450c 45.714897.4d84.9b 15887.7c773.1d614.2d.9d 2470.1d 2793.5d 1513.5d 15640.0c510.0c57bc1806.0b 2013.5.0b 1782.0ab2004.9b 1848.4b 1711CKN耕免Notillage.0±541.9cC176724.6bc1774.6b 17.8c 1080.4d 2331.5c 2245c 6.0b87c 1602.0.5a 2473.0ab1803P .3±792.2bB220787.0b 19a 14.622.5b 1533.2c 3965.5b 2530b 1126.5bc1975.5.5a 2485.8ab2046M .4±751.9aA2852a 31.028a 09.023.7a 2882.8b 4744.0b 2559a 2349.0a 3027.0.0a 2511.4a 2462NP.3±937.6aA3194a 93.832a 62.125.3a 3060.4a 5514.5a 3502a 2760.0a 3010.5.0a 2580.7a 2467P NMaluePV值P 0.0430—0.0001—0.00950.0001940.10010.00960.00010.000.14420.00010.11670.00010.00090.00030.22380.09770.66740.0001）d(B)（B式etho）方（C作料耕Tillagem肥Fertilizer(C)析分A差OV方AN0.9584—0.0164160.00350.060.01690.64130.55440.89600.0360C B×easbelowhesam5,respectively.T＜0.01andP下同＜0.0。著顯異差平水0.05和icatesignificantdifferencesatPP＜0.01P＜nind在示ecolum表別分母字寫小、大ercaselettersinthesam的應對后據數列tcapitalandlow同中表Differen

n量水tal ptio耗4.1d5.9c4.1b總Toconsum404144Ratio(%)例.6.91315.215eriodindifferentprecipitationyears(mm)期獲aturity收比量ption—水c c期耗nsum54.9d 66.067.3花開AnthesistoMCo雨量降94.394.394.3Precipitation .1例比Ratio(%)27.730.630期花thesis開An量ption—toheatgrowthp期水耗nsum節tingCo109.6d127.5c135.9ab拔inJo量雨降282828interwPrecipitation比例Ratio(%).816.614.517期節ption拔—.0e .8f RevivaltoJointing nsum.5d水68Co耗期6077量青返雨降Precipitation tionindifferentperiodsofw86量8686例比mp的例比量Ratio(%)42.538.936.8水n耗期青總aterconsu返Revival量ptio—to占耗171.6a其種ConsumSowing161.6b163.4b量及量水播水雨.1.1.1耗降595959段Precipitation階育生理ent各處Treatm冬mp麥小tionamountsandratiostototalwCKN P型式年方eod作雨作Tillagmeth耕降aterconsu耕統tillage同傳Traditional ) 5 不型年tation年alyear rm表Table5W水水降Typeof precip平No014-2015(21.4c43.915c 68.894.3.331135.0ab 28.219.9c 828633.5144.7c.159M 6.2a45.426120.3b94.3.929136.3ab 28.719.0b 908624.0109.6d.159NP1.9c42.930130.4a94.3.033139.3a28.522.9a 948613.6.3e 57.159P NM2.8a446.0c38.818.32183.3d 82.2d 94.394.3.624.427109.1c105.6d2828.329.518129.8a.6c 71868627.232.8120.6b126.7b.159.159CKN e耕tillag免No2.8a43.423101.3c94.3.728124.1b28.916.3c 738631.0134.1a.159P 0.1b41.830126.5b94.3.327111.9c28.711.0e 488630.2123.7b.159M 2.3b41.431129.6b94.3.729122.5b28.514.9d 598624.3100.3c.159NP9.5a44.929134.2a94.3.330136.0a28.419.0b 878620.5.3d 92.159P NM6.6b479.1a493.6a49.424.327.028116.2c136.3b138.3b53.253.253.2.926.727.027128.0c138.5b133.4b4.2 4.2 4.2 .523.421.920112.0a106.7b103.4b18.718.718.725.323.624.0120.4a117.6b118.5b.646.646.646CKN P作耕e統傳Traditional tillag)年ear旱干Dryy007-2008(28.8a49.328141.1b53.2.226130.9b4.2 .023114.5a18.722.5112.3b.646M 0.9a49.831156.2a53.2.827136.5b4.2 .321104.7b18.719.0.5c 93.646NP0.8a49.333163.5a53.2.628140.3a4.2 .518.6c 9018.719.6.4c 96.646P NM0.5d449.9a52.227.327119.9d144.9a53.253.2.022.224.9c 96128.3b4.2 4.2 .227.329119.6b155.3a18.718.723.619.1104.1a101.4a.646.646CKN e耕tillag免No6.0c35.635126.7d53.2.624.7d 874.2 .016.9d 5618.723.8.7b 84.646P 2.8c35.336128.2c53.2.129102.6c4.2 .620.8c 7218.713.9.2c 49.646M 8.2b48.329132.8b53.2.728140.2a4.2 .725125.3b18.716.4.9b 79.646NP5.6b48.230146.5b53.2.529143.3a4.2 .523114.1b18.716.8.7b 81.646P NM

n量水tal ptio耗1.1c5.6b5.0d總Toconsum374234例.7Ratio(%)25.730.0aturity 18比期獲收量ption—水期耗nsum95.4d 62.2f花130.7c開AnthesistoMCo雨量降44.844.844.8Precipitation比例Ratio(%).228.929.028期花開Anthesis量ption—水.6d期to耗nsum96節tingCo104.5c127.1b拔inJo量雨降66.166.166.1Precipitation比例Ratio(%).416.616.120期節拔量ption—水.0d .6c .2c期耗nsum617069青Co返RevivaltoJointing量雨降25.425.425.4Precipitation比例Ratio(%)29.722.833.9期n青返Revival量ptio—to水.2c種耗110.2a97117.0a播SowingConsum量雨降Precipitation 146.2 146.2 146.2理ent處TreatmCKN P edtable5式方eod作耕e tinu作耕Tillagmeth統on傳Traditional tillag5C)型年年表水水續降Typeof preciptation豐Wetyear 013-2014(29.7c36.821e 80.544.8.930114.2c66.1.019.1c 7025.428.4104.9b146.2 M 9.2a47.333159.8b44.8.028134.3b66.1.818.3a 9025.419.8.8c 94146.2 NP7.6a48.435172.4a44.8.631153.9a66.1.017.7b 8225.416.1.6d 78146.2 P NM6.6d389.5c40.831.132123.1d131.3c44.844.8.029.032112.3c131.1b66.166.1.512.512.4d 48.0d 5125.425.426.623.4102.8a.0b 96146.2 146.2 CKN e耕tillag免No6.0d38.032123.5d44.8.129112.2c66.1.115.4c 5825.423.8.9b 91146.2 P 3.5c40.730124.0d44.8.133133.6b66.1.115.9c 6025.421.1.0c 85146.2 M 4.8a51.834178.9b44.8.929153.8a66.1.018.5a 9225.417.4.5c 89146.2 NP5.8b48.338186.3a44.8.328137.7b66.1.117.2b 8325.416.2.6d 78146.2 P NM0.00020.08010.01010.00010.00010.00010.00340.00010.00010.00030.00010.0001080.00010.00020.00）（Ad(A)式etho)方（B作料B耕Tillagem肥Fertilizer(B)A×析分A差OV方AN)年alyear水rm平No014-2015(20.00590.07310.00010.00010.00010.00010.00010.00010.00010.01080.00010.0001880.01010.00650.00）（Ad(A)式etho)方（B作料B耕Tillagem肥Fertilizer(B)A×)年ear旱干Dryy007-2008(20.01980.00010.00010.00090.00010.00010.00110.00010.00010.03450.00010.00012 0.00010.00010.00）（Ad(A)式etho)方（B作料B耕Tillagem肥Fertilizer(B)A×)年水豐Wetyear 013-2014(2

返青—拔節期，氣溫逐漸回升，施肥群體生長發育較快，此階段耗水量表現為大多數施肥處理高于CK，而有機無機肥配施或無機肥配施處理冬小麥群體大，生長發育快，耗水量明顯增加。

拔節—成熟期是冬小麥耗水關鍵階段，兩個生長發育階段（拔節期—孕穗期和孕穗期—收獲期）絕大多數施肥處理的耗水量高于 CK，尤其以有機無機肥配施及無機肥配施處理表現最為突出。拔節期—孕穗期耗水量是冬小麥返青后耗水最多的生育階段，且此階段降雨量在干旱年最低。因此，有限水分首先用于滿足拔節至開花期的干物質生產；孕穗期—收獲期不同耕作方式及降雨年型下，絕大多數施肥處理耗水量高于 CK，其中以有機無機肥配施或無機肥配施表現尤為突出，原因是此階段該處理群體密度大，冠層溫度高，土壤水分蒸騰蒸散速度快所致。

可見，在甘肅黃土旱塬區，無論何種耕作方式及降雨年型，冬小麥播種—返青期CK由于地表裸露蒸發量較大，耗水量明顯大于施肥處理；NMP處理在播種—返青期可以降低土壤水分無效消耗，傳統耕作在豐水年、平水年、干旱年較CK分別減少了28.6%、66.6%、19.9%，免耕分別減少了23.5%、23.5%、21.5%；返青期—成熟期是冬小麥耗水關鍵期，傳統耕作NMP處理在豐水年、平水年、干旱年較 CK分別增加了56.8%、56.8%、10.7%，免耕分別增加了43.5%、10.9%，20.1%。原因是有機無機配施處理群體密度大，冠層溫度高，土壤水分蒸騰蒸散速度快所致。

圖1 平水年型冬小麥收獲期0—200 cm土層土壤水分的垂直分布Fig. 1 Vertical change of soil moisture at harvest period of winter wheat in normal year

2.3 不同處理冬小麥收獲期土壤含水量的變化

收獲期土壤含水量的高低基本可以反映作物的生長發育狀況。圖1顯示，平水年型不同耕作方式及施肥處理60 cm左右土層處為土壤含水量變化的拐點，以NMP處理含水量最低，40—80 cm平均含水量傳統耕作為6.85%，免耕為7.5%；60—200 cm肥料單施及CK土壤含水量差異不明顯，而NP、NMP處理土壤含水量明顯低于肥料單施及CK。

豐水年型，不同耕作方式及施肥處理60 cm左右土層處為土壤含水量變化的拐點，不同耕作方式均以NMP處理含水量最低，40—80 cm平均含水量傳統耕作為8.92%，免耕為8.37%，均高于平水年；60—200 cm不同耕作方式與平水年相似，同樣為NMP處理含水量最低，其次為NP處理，肥料單施及CK含水量基本趨于一致（圖2）。

干旱年型，不同耕作方式及施肥處理60 cm左右土層處為土壤含水量變化的拐點，不同耕作方式均以NMP處理含水量最低，40—80 cm平均含水量傳統耕作為 5.25%，免耕為 5.31%，低于豐水年和平水年；60—200 cm不同耕作方式與平水年相似，同樣為NMP處理含水量最低，其次為 NP處理，肥料單施及 CK含水量基本趨于一致（圖3）。

圖 2 豐水年型冬小麥收獲期0—200 cm土層土壤水分的垂直分布Fig. 2 Vertical change of soil moisture at harvesting period of winter wheat in wet year

圖3 干旱年型冬小麥收獲期0—200 cm土層土壤水分的垂直分布Fig. 3 Vertical change of soil moisture at harvesting period of winter wheat in dry year

可見，無論何種降雨年型，不同耕作方式及施肥措施均在 40—60 cm土層含水量呈拐點變化趨勢，但拐點處土壤含水量不同，為豐水年＞平水年＞干旱年，且0—200 cm土層均以有機無機肥配施平均含水量最低。

2.4 不同處理冬小麥產量與耗水量變化關系

邊際水分利用效率是指單位耗水量的增加所引起的產量增量。無論何種降雨年型，不同耕作及施肥措施冬小麥產量與各自耗水量均存在顯著或極顯著的線性相關關系（圖4—5）。不同耕作方式各施肥措施的邊際水分利用效率大小順序為 NMP＞NP＞M＞P＞CK＞N，傳統耕作 NMP處理為 0.88 kg·m-3，N處理為0.49 kg·m-3，NMP、NP、M、P處理較CK分別增加74.3%、59.3%、23.1%、14.8%，N處理較CK減少了4.2%；免耕NMP為0.76 kg·m-3，N為0.43 kg·m-3，NMP、NP、M、P處理較CK分別增加 78.0%、60.0%、35.9%、16.6%，N處理較CK減少了 11.2%。相同施肥措施傳統耕作高于免耕，NMP、NP、M、P、N、CK傳統耕作較免耕分別增加了16.3%、18.2%、7.6%、17.0%、28.1%、18.8%，即傳統耕作結合有機無機肥配施的施肥措施在提高作物邊際水分利用效率中的作用表現突出。

圖4 傳統耕作與施肥冬小麥產量與耗水量變化關系Fig. 4 Correlations of yield and water consumption of winter wheat in traditional tillage and fertilizer treatment

圖5 免耕與施肥冬小麥產量與耗水量變化關系Fig. 5 Correlations of yield and water consumption of winter wheat in no tillage and fertilizer treatment

3 討論

3.1 耕作方式及施肥措施對冬小麥產量的影響

作物產量變化受不同的施肥模式、栽培管理制度、土壤質量及氣候等多個因素的綜合作用[20]。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而有差異。有機無機肥配合施用，既有化肥成分又有有機肥成分，兩者適當配合，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[21]，本研究連續9年的定位試驗結果再次印證了上述觀點，即有機無機肥配施表現最為突出，其次為無機肥配施。同時，本研究還認為不同年份長期單施氮肥冬小麥產量低于磷肥，筆者認為，可能是由于長期單施氮肥，土壤氮素累積過多，造成冬小麥貪青晚熟，籽粒灌漿不足，千粒重下降，產量降低，這與樊廷錄等[22]的長期施氮逐漸失去了增產效果的研究結論一致。

3.2 耕作及施肥措施與作物水分利用效率的變化關系

適宜的土壤耕作措施，通過機械的作用，能夠改變土壤的物理狀況，為作物生長發育創造良好的土壤水、肥、氣、熱環境，促進作物生長發育[23]。國內外許多研究表明免耕較傳統耕作可提高作物水分利用效率[24-28]。本研究結果顯示，不同耕作方式及施肥措施冬小麥水分利用效率變化順序為NMP＞NP＞M＞P＞CK＞N，且在不同年份均以NMP處理最高，傳統耕作下平均水分利用效率較CK增加84.0%，免耕下增加 84.1%。而相同施肥措施下傳統耕作水分利用效率高于免耕，這與已有研究結論不一致，原因可能是研究區域土壤質地、降雨特性及雜草控制等方面差異所致。

3.3 耕作及施肥措施與作物耗水結構的變化關系

已有研究表明，正常和干旱年份免耕土壤水分平均比傳統耕作增加7.1%和15.4%，免耕土壤蓄水保墑作用在干旱少雨條件下愈加明顯[29]；金復鑫等[30]指出，免耕冬小麥全生育期0—100 cm土層平均含水量比翻耕高 13.7%。本研究結果表明，不同耕作方式及降雨年型NMP處理總耗水量相對較高，均高于CK，傳統耕作干旱年、平水年、豐水年較CK分別增加了3.0%、4.4%、31.4%，免耕分別增加了10.2%、1.5%、25.7%。耕作方式間總耗水量變化趨勢基本為干旱年傳統耕作高于免耕，豐水年和平水年免耕高于傳統耕作，降雨年型間各施肥措施總耗水量變化不規律。從收獲期0—200 cm土層含水量垂直變化來看，無論何種降雨年型，不同耕作方式及施肥措施均在60 cm左右土層為含水量變化的拐點，但拐點處土壤含水量不同，為豐水年＞平水年＞干旱年，且0—200 cm土層均以有機無機肥配施（NMP）平均含水量最低，表明有機無機配施增加了深層土壤水分的利用，干旱年份對深層土壤水分的利用會更加突出。對階段耗水量而言，NMP在播種—返青期耗水量低于CK，而返青—收獲期則高于CK。表明有機無機肥配施可優化小麥生育期耗水結構，降低冬小麥越冬至返青期土壤水分無效蒸發損失，將更多的水分用在返青至成熟階段，有利于冬小麥成穗和形成籽粒，為高產奠定基礎。

另外，邊際水分利用效率大小順序為 NMP＞NP＞M＞P＞CK＞N，傳統耕作NMP較CK增加了74.3%，免耕較CK增加了78.0%；傳統耕作高于免耕，傳統耕作NMP較免耕增加了16.3%。

4 結論

在550 mm左右降雨量的隴東半濕潤偏旱雨養農業區，無論何種耕作方式及降雨年型，采用有機無機肥配施或無機肥配施是持續提高作物產量的有效措施，其中以有機無機肥配施最為突出，其次為無機肥配施，且單施磷較單施氮增產作用更明顯，耕作方式間傳統耕作高于免耕。在施肥措施一定的情況下，采用提高水分利用效率的耕作措施是冬小麥高產的主攻方向。

優化施肥顯著提高冬小麥水分利用效率，不同年份及耕作措施冬小麥的平均水分利用效率均表現為NMP＞NP＞M＞P＞CK＞N，有機無機肥配施（NMP）處理顯著高于CK及其他施肥處理。NMP處理有利于降低播種—返青期階段耗水量及其占總耗水量的比例，增加返青—成熟期階段耗水量和0—200 cm土層貯水量的消耗，提高冬小麥邊際水分利用效率。無論何種降雨年型、耕作方式及施肥措施，冬小麥收獲期土壤含水量均在60 cm土層呈現拐點變化趨勢，盡管拐點處含水量不同，但均表現為豐水年＞平水年＞干旱年。而耕作方式間則表現為傳統耕作冬小麥平均水分利用效率、邊際水分利用效率高于免耕。

傳統耕作方式結合有機無機肥配施是本試驗條件下的最優耕作施肥組合模式，可作為類似黃土旱塬的半濕潤偏旱區土壤耕作施肥模式。

[1] 肖國舉, 王靜. 黃土高原集水農業研究進展. 生態學報, 2003, 23(5): 1003-1008.

XIAO G J, WANG J. Research on progress of rainwater harvesting agriculture on the Loess Plateau of China. Acta Ecologica Sinica, 2003, 23(5): 1003-1008. (in Chinese)

[2] LI S X, WANG Z H, LI S Q, GAO Y J, TIAN X H. Effect of plastic sheet mulch, wheat straw mulch, and maize growth on water loss by evaporation in dryland areas of China. Agricultural Water Management, 2013, 116(2): 39-49.

[3] 田展, 梁卓然, 史軍, GUNTER FISHER, 顧婷婷. 近50年氣候變化對中國小麥生產潛力的影響分析. 中國農學通報, 2013, 29(9): 61-69.

TIAN Z, LIANG Z R, SHI J, GUNTER F, GU T T. Analysis of impact on China wheat potential productivity of climate change during 1961-2010. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2013, 29(9): 61-69. (in Chinese)

[4] 鄧振鏞, 王強, 張強, 傾繼祖, 楊啟國, 袁志鵬, 劉文婧, 徐金芳.中國北方氣候暖干化對糧食作物的影響及應對措施. 生態學報, 2010, 30(22): 6278-6288.

DENG Z Y, WANG Q, ZHANG Q, QING J Z, YANG Q G, YUAN Z P, LIU W J, XU J F. Impact of climate warming and drying on food crops in northern China and the countermeasures. Acta Ecologica Sinica, 2010, 30(22): 6278-6288. (in Chinese)

[5] 王曉峰, 田霄鴻, 陳自惠, 陳輝林, 王朝輝. 不同覆蓋施肥措施對黃土旱塬冬小麥土壤水分的影響. 應用生態學報, 2009, 20(5): 1105-1111.

WANG X F, TIAN X H, CHEN Z H, CHEN H L, WANG Z H. Effects of mulching and fertilization on winter wheat field soilmoisture in dry highland region of Loess Plateau. Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(5): 1105-1111. (in Chinese)

[6] REGMI A P, LADHA J K, PATHAK H, PASUQUIN E, BUENO C, DAWE D, HOBBS P R, JOSHY D, MASKEY S L, PANDEY S P. Yield and soil fertility trends in a 20-year rice-rice-wheat experiment in Nepal. Soil Science Society of America Journal, 2002, 66(3): 857-867.

[7] DAWE D, DOBERMANN A, MOYA P, ABDULRACHMAN S, SINGH B, LAL P, LI S Y, LIN B, PANAULLAH G, SARIAM O, SINGH Y, SWARUP A, TAN P S, ZHEN Q X. How widespread are yield declines in long-term rice experiments in Asia? Field Crops Research, 2000, 66(2): 175-193

[8] CAMARA K M, PAYNE W A, RASMUSSEN P E. Long-term effects of tillage, nitrogen, rainfall and nitrogen levels on wheat yields in the Pacific Northwest. Agronomy Journal, 2003, 95(4): 828-835.

[9] 侯賢清, 韓清芳, 賈志寬, 李永平, 楊寶平. 半干旱區夏閑期不同耕作方式對土壤水分及小麥水分利用效率的影響. 干旱地區農業研究, 2009, 27(5): 52-58.

HOU X Q, HAN Q F, JIA Z K, LI Y P, YANG B P. Effects of different tillage practices in summer fallow period on soil water and crop water use efficiency in semi-arid areas. Agricultural Research in the Arid Areas, 2009, 27(5): 52-58. (in Chinese)

[10] 李友軍, 黃明, 吳金芝, 姚宇卿, 呂軍杰. 不同耕作方式對豫西旱區坡地水肥利用與流失的影響. 水土保持學報, 2006, 20(2): 42-45, 101.

LI Y J, HUANG M, WU J Z, YAO Y Q, Lü J J. Effects of different tillage on utilization and run-off of water and nutrient in sloping farmland of Yuxi dryland area. Journal of Soil and Water Conservation, 2006, 20(2): 42-45, 101. (in Chinese)

[11] 孫敏, 溫斐斐, 高志強, 任愛霞, 鄧妍, 趙維峰, 趙紅梅, 楊珍平,郝興宇, 苗果園. 不同降水年型旱地小麥休閑期耕作的蓄水增產效應. 作物學報, 2014, 40(8): 1459-1469.

SUN M, WEN F F, GAO Z Q, REN A X, DENG Y, ZHAO W F, ZHAO H M, YANG Z P, HAO X Y, MIAO G Y. Effects of farming practice during fallow period on soil water storage and yield of dryland wheat in different rainfall years. Acta Agronomica Sinica, 2014, 40(8): 1459-1469. (in Chinese)

[12] 劉爽, 武雪萍, 吳會軍, 梁二, 蔡典雄. 休閑期不同耕作方式對洛陽冬小麥農田土壤水分的影響. 中國農業氣象, 2007, 28(3): 292-295.

LIU S, WU X P, WU H J, LIANG E, CAI D X. Influence of different tillage practices during summer fallow on soil moisture in winter wheat field in Luoyang. Chinese Journal of Agrometeorology, 2007, 28(3): 292-295. (in Chinese)

[13] 張玉嬌, 李軍, 郭正, 岳志芳. 渭北旱塬麥田保護性輪耕方式的產量和土壤水分效應長周期模擬研究. 中國農業科學, 2015, 48(14): 2730-2746.

ZHANG Y J, LI J, GUO Z, YUE Z F. Long-term simulation of winter wheat yield and soil water response to conservation tillage rotation in Weibei Highland. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(14): 2730-2746. (in Chinese)

[14] 陳夢楠, 孫敏, 高志強, 任愛霞, 楊珍平, 郝興宇. 旱地麥田休閑期覆蓋對土壤水分積耗的影響及與產量的關系. 中國農業科學, 2016, 49(13): 2572-2582.

CHEN M N, SUN M, GAO Z Q, REN A X, YANG Z P, HAO X Y. Effects of mulching during fallow period on soil water storage and consumption and its relationship with wheat yield of dryland. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(13): 2572-2582. (in Chinese)

[15] 柏煒霞, 李軍, 王玉玲, 王麗. 渭北旱塬小麥玉米輪作區不同耕作方式對土壤水分和作物產量的影響. 中國農業科學, 2014, 47(5): 880-894.

BAI W X, LI J, WANG Y L, WANG L. Effects of different tillage methods on soil water and crop yield of winter wheat-spring mazie rotation region in Weibei Highland. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(5): 880-894. (in Chinese)

[16] 張海林, 陳阜, 秦耀東, 朱文珊. 覆蓋免耕夏玉米耗水特性的研究.農業工程學報, 2002, 18(2): 36-40.

ZHANG H L, CHEN F, QIN Y D, ZHU W S. Water consumption characteristics for summer corn under no-tillage with mulch. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2002, 18(2): 36-40. (in Chinese)

[17] ENKINSON D S. The Rothamsted long-term experiments: Are they still of use? Agronomy Journal, 1991, 83(1): 2-10.

[18] 郭勝利, 周印東, 張文菊, 榮麗媛, 劉振賞, 高長青. 長期施用化肥對糧食生產和土壤質量性狀的影響. 水土保持研究, 2003, 10(1): 16-22.

GUO S L, ZHOU Y D, ZHANG W J, RONG L Y, LIU Z S, Gao C Q. Effects of long-term application of chemical fertilizer on food production and soil quality attributes. Research of Soil and Water Conservation, 2003, 10(1): 16-22. (in Chinese)

[19] 郝明德, 王旭剛, 黨廷輝, 李麗霞, 高長青. 黃土高原旱地小麥多年定位施用化肥的產量效應分析. 作物學報, 2004, 30(11): 1108-1112.

HAO M D, WANG X G, DANG T H, LI L X, GAO C Q. Analysis of long-term fertilization effect on yield of wheat in dry-land on Loess Plateau. Acta Agronomica Sinica, 2004, 30(11): 1108-1112. (inChinese)

[20] 李忠芳, 徐明崗, 張會民, 張文菊, 高靜. 長期施肥下中國主要糧食作物產量的變化. 中國農業科學, 2009, 42(7): 2407-2414.

LI Z F, XU M G, ZHANG H M, ZHANG W J, GAO J. Grain yield trends of different food crops under long-term fertilization in China. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(7): 2407-2414. (in Chinese)

[21] KUMAR K, GOH K M. Nitrogen release from crop residues and organic amendments as affected by biochemical composition. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2003, 34(17): 2441-2460.

[22] 樊廷錄, 周廣業, 王勇, 丁寧平, 高育鋒, 王淑英. 甘肅省黃土高原旱地冬小麥-玉米輪作制長期定位施肥的增產效果. 植物營養與肥料學報, 2004, 10(2): 127-131.

FAN T L, ZHOU G Y, WANG Y, DING N P, GAO Y F, WANG S Y. Long-term fertilization on yield increase of winter wheat-maize rotation system in Loess Plateau dryland of Gansu. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2004, 10(2): 127-131. (in Chinese)

[23] 王玉玲, 李軍. 黃土旱塬區平衡施肥下不同土壤耕作模式的蓄水納墑及作物增產增收效應研究. 植物營養與肥料學報, 2016, 22(1): 151-163.

WANG Y L, LI J. Study on soil water storage, crop yields and incomes under different soil tillage patterns with balance fertilization in the Loess dryland region. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(1): 151-163. (in Chinese)

[24] 余海英, 彭文英, 馬秀. 免耕對北方旱作玉米土壤水分及物理性質的影響. 應用生態學報, 2011, 22(1): 99-104.

YU H Y, PENG W Y, MA X. Effects of no-tillage on soil water content and physical properties of spring corn fields in semiarid region of northern China. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(1): 99-104. (in Chinese)

[25] 李娟, 李軍, 尚金霞, 賈志寬. 輪耕對渭北旱塬春玉米田土壤理化性狀和產量的影響. 中國生態農業學報, 2012, 20(7): 867-873.

LI J, LI J, SHANG J X, JIA Z K. Effects of rotational tillage on soil physiochemical properties and spring maize yield in Weibei Highlands. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012, 20(7): 867-873. (in Chinese)

[26] IOVIENO P, MORRA L, LEONE A, PAGANOA L, ALFANI A. Effect of organic and mineral fertilizers on soil respiration and enzyme activities to two Mediterranean horticultural soils. Biology and Fertility of Soils, 2009, 45(5): 555-561.

[27] TEJADA M, HERNANDEZ M T, GARCIA C. Soil restoration using composted plant residues: Effects on soil properties. Soil and Tillage Research, 2009, 102(1): 109-117.

[28] 秦紅靈, 高旺盛, 馬月存, 馬麗, 尹春梅. 兩年免耕后深松對土壤水分的影響. 中國農業科學, 2008, 41(1): 78-85.

QIN H L, GAO W S, MA Y C, MA L, YIN C M. Effects of subsoiling on soil moisture under no-tillage two years later. Scientia Agricultura Sinica, 2008, 41(1): 78-85. (in Chinese)

[29] RAMON J, AGNèS H. Effects of tillage systems in dryland farming on near-surface water content during the late winter period. Soil & Tillage Research, 2005, 82(2): 173-183.

[30] 金復鑫, 彭文英, 張科利, 王龍. 北京保護性耕作條件下土壤水分動態變化研究. 土壤通報, 2009, 40(1): 28-33.

JIN F X, PENG W Y, ZHANG K L, WANG L. Dynamics of soil moisture content under conditions of conservation tillage in Beijing. Chinese Journal of Soil Science, 2009, 40(1): 28-33. (in Chinese)

（責任編輯 楊鑫浩）

Effects of Long-Term Tillage and Fertilization on Yield and Water Use Efficiency of Winter Wheat in Loess Dry Land Plateau

ZHANG JianJun1,2, FAN TingLu1,2, DANG Yi1, ZHAO Gang1, WANG Lei1, LI ShangZhong1, WANG ShuYing1, WANG Yong1

(1Dryland Agriculture Institute, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070;2Key Laboratory of High Efficiency Water Utilization in Dry Land Farming, Gansu Province, Lanzhou 730070)

Abstract:【Objective】The aim of this experiment is to investigate the effects of tillage and fertilization on yield and water use efficiency of winter wheat under wheat-spring maize rotation at fields in the Loess Plateau of Eastern Gansu.【Method】The work is based on a 12 year field experiment of tillage and fertilization in Zhenyuan, Gansu province, where is a semi-humid arid area. A split plot design was developed in this experiment, with different tillage systems (traditional tillage and no-tillage) as main treatments and different fertilizer application (CK, N, P, M, NP, NMP) as sub-treatments. The yield and water use efficiency of winter wheat under different treatments were measured, and the relationship between yield and water consumption of winter wheat were further studied.【Result】The results showed that the treatments with organic manure had the higher yield of winter wheat in the same tillage system, implying that organic manure was superior to chemical fertilizer alone in the experimental area. The yield under nitrogen fertilization was lower than phosphate fertilizer. The yield of winter wheat under traditional tillage was higher than that of no-tillage. In terms of water use efficiency, water use efficiency under NMP treatment was the highest among different fertilization methods in different years. The average water use efficiency was in the order of NMP＞NP＞M＞P＞CK＞N; the average water use efficiency in treatment of the combination of NMP fertilizer and traditional tillage increased by 84.0% and that of no-tillage increased by 84.1%. The average water use efficiency under traditional tillage was higher than no-tillage, and that increased by 13.6% in the combination of traditional tillage and NMP fertilizer compared with no-tillage. The water consumption of winter wheat was strongly related to rainfall, and the total water consumption by crops under NMP was the highest. The average annual water consumption of NMP was 3.0%, 4.4%, 31.4% higher than that of CK under traditional tillage in three years; 10.2%, 1.5% and 25.7% were increased, respectively, under no-tillage in three years. On the other hand, NMP treatment significantly reduced the water consumption and the ratio of total water consumption during sowing-greening period and increased the water consumption during the greening-mature period. The total water consumption under the traditional tillage system was higher than under the no-tillage system in the drought year, but the no-tillage system had higher total water consumption in the wet year than in the traditional farming year. No consistent trend was found in rainfall year. In addition, regardless of the kind of rainfall year, different tillage and fertilization treatment, water content showed the change point at about 60 cm soil layer, but this point in NMP was lower than CK and other fertilization treatments, but the order of influence of soil water content was wet year＞normal year＞dry year. In the order of change for the abundance and the marginal water use efficiency, NMP treatment had the highest water use efficiency while as for tillage, traditional tillage had significant results.【Conclusion】The yield, water use efficiency of winter wheat under NMP treatment was the highest in different cropping patterns and rainfall years, where the water content showed the lowest at 60 cm soil depth. Besides, the total water consumption under NMP treatment was relatively higher; which might be helpful to reduce the water consumption and the proportion of water consumption at the stage of greening, and increase the consumption of water consumption and the storage of 0-200 cm soil layer. The abundant water use efficiency and marginal water use efficiency of winter wheat were higher under traditional tillage than that of no-tillage. Therefore, considering the winter wheat yield, water use efficiency and water consumption characteristics, regardless of what kind of rainfall years, the use of traditional tillage with organic and inorganic fertilizer under the conditions of this experiment is the best farming.

Loess Dryland Plateau; tillage and fertilizer; winter wheat; water consumption characteristic; water use efficiency (WUE)

2016-08-29；接受日期：2017-01-22

國家科技支撐計劃（2015BAD22B02-02，2012BAD09B03）、西北旱作營養與施肥科學觀測實驗站基金

聯系方式：張建軍，E-mail：hnszhjj@163.com