長期施肥對冬小麥產量和水分利用效率的影響

羅照霞，楊志奇，俄勝哲，袁金華，車宗賢，郭永杰

(1.天水市農業科學研究所，甘肅天水 741000；2.甘肅省農業科學院 土壤肥料與節水農業研究所，蘭州 730070)

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長期施肥對冬小麥產量和水分利用效率的影響

羅照霞1，楊志奇1，俄勝哲2，袁金華2，車宗賢2，郭永杰2

(1.天水市農業科學研究所，甘肅天水 741000；2.甘肅省農業科學院 土壤肥料與節水農業研究所，蘭州 730070)

對長期定位施肥試驗第32年度的測定數據進行分析，探討長期施肥對黃綿土區冬小麥產量和土壤水分的變化及其利用效率的影響。結果表明，施肥提高了冬小麥籽粒產量，有機肥與化肥配施的增產效果更顯著。肥料單施增產率在60%以上，肥料配施增產率在120%以上。冬小麥產量以有機肥配施氮磷鉀處理最高(4 932.00 kg/hm2)，較對照(不施肥料)提高189.16%，水分利用效率也最高[9.65 kg/(hm2·mm)]，較對照提高174.15%。不同施肥處理0～20 cm土層土壤含水量較播前下降緩慢，20～80 cm土層土壤含水量則均迅速下降。冬小麥收獲后0～100 cm土壤有效儲水量較播前下降，下降最大的是有機肥配施氮磷鉀處理，為56.6 mm，土壤耗水量最大，為511.00 mm。可見，肥料配施提高作物產量，但也增加了土壤耗水量，土壤干燥化程度也將加劇。

長期施肥；冬小麥；產量；土壤水分；水分利用效率

水分不足是干旱半干旱地區農業生產的主要限制因子，這種環境下的農業生產必須以水分的高效利用為中心。提高作物本身的水分利用效率應是實現高效用水的中心和潛力所在[1]。施肥是旱農地區提高生產水平的主要措施，根據土壤水分合理施肥，以肥調水，以水促肥，水肥耦合，促進作物高產和水分利用效率的提高成為農業綜合發展的關鍵技術[2-5]。肥料的投入極大地促進作物產量和經濟效益的提高，提高作物水分利用效率。關于肥料對作物產量和水分利用效率的影響眾多學者已做大量研究，任書杰等[6]和孫繼穎等[7]研究認為，氮肥可顯著抑制植株蒸騰失水，提高作物的抗旱能力和耗水量，明顯提高水分利用率。因為磷的不可移動性，水分和養分不能達到空間耦合，不同土層施磷對作物的效應不同。研究施磷對土壤養分和水分的影響結果表明，磷肥可降低土壤無效水的消耗，提高水分利用率，增加小麥對土壤深層水分的利用能力[8-12]。陳光榮等[13]研究表明，施鉀量、補水時期以及交互作用可顯著提高作物產量和水分利用效率。合理的氮磷化肥配施具有時效互補性和功能互補性，可顯著提高作物的經濟產量和水分利用效率[14-16]。施有機肥或有機肥與無機肥配合施用，更有利于作物生長發育、產量和水分利用效率的提高[17-19]。以往的研究以短期試驗或肥料單獨施用的效應居多，肥料長期定位試驗也大多是定位監測作物產量和土壤肥力及其理化性質的變化，對施肥與水分利用效率及產量關系的研究報道較少。為此，本研究在長期定位試驗條件下，分析施肥對作物產量和水分利用效率的變化，以期為旱地農業水肥管理以及科學施肥提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

指示冬小麥品種為‘天選51號’，為天水市農業科學研究所中梁試驗站自育品種，供試有機肥為精雞糞，全氮、全磷和全鉀的質量分數分別為0.3%、0.12%和1.11%，氮肥為尿素(含N≥46.4%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%)，鉀肥為硫酸鉀(K2O≥50%)。

1.2 試驗區概況

試驗開始于1981年，試驗地位于天水市農業科學研究所中梁試驗站試驗示范基地(34°5′N，104°5′E)，該區屬半干旱山區，海拔1 650 m，多年平均降雨量550 mm左右，年平均氣溫為11.5 ℃，無霜期185 d。試驗地土壤屬中壤黃綿土，1981年試驗初期土壤0～20 cm基礎理化性狀如下：pH 8.54，有機質質量分數11.87 g/kg，全氮0.82 g/kg，全磷0.66 g/kg，全鉀16.60 g/kg，速效氮73 mg/kg，速效磷8.6 mg/kg，速效鉀190 mg/kg，有機碳9.14 g/kg。

1.3 試驗設計

試驗采用裂區設計，主處理為施有機肥(M)和不施有機肥處理，副處理設4個施肥水平，分別為不施肥、氮肥、氮磷肥和氮磷鉀肥。試驗共8個處理：CK(不施肥)、單施氮肥(N)、氮磷肥配施(NP)、氮磷鉀肥配施(NPK)、單施有機肥(M)、有機肥和氮肥配施(MN)、有機肥和氮磷肥配施(MNP)、有機肥和氮磷鉀肥配施(MNPK)。試驗施有機肥30 000 kg/hm2、N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2，K2O 75 kg/hm2，所有肥料均作基肥，于作物播種前結合整地一次性施入。每個處理重復3次，小區面積33.32 m2。冬小麥于2012-09-24播種，2013-07-05收獲。冬小麥行距16.5 cm，播量450萬粒/hm2，人工撒播，其他田間管理措施同當地大田。冬小麥生育期(2012年9月至2013年7月)內降雨量454.4 mm，比同期多年平均值低100 mm左右。

1.4 測定項目及計算方法

冬小麥成熟后按小區收獲計產。

于冬小麥播種前及收獲后，用土鉆采集試驗小區0～100 cm土壤樣品，以20 cm為一分層單位，用烘干法測定土壤含水量，降水量采用當地氣象站監測數據。

土壤儲水量計算公式為[20]：

W=h×a×b×10

式中，W為土壤儲水量(mm)，h為土層厚度(cm)，a為土壤體積質量(g/cm3)，b為土壤質量含水量(%)。

生育期耗水量計算公式為[21]：

ETa=W1-W2+P+I

式中，ETa為土壤耗水量(mm)，W1為播種前1 m土層儲水量(mm)，W2為收獲后1 m土層儲水量(mm)，P為冬小麥生育期降水量(mm)，I為生育期灌水量，本地為雨養農業區，I忽略不計。

水分利用效率(WUE)計算[22]為：

WUE=Y/ETa

式中，Y為各小麥單位面積產量(kg/hm2)。

采用Microsoft Office Excel 2007對試驗數據進行處理，DPS 3.01進行顯著性分析，LSD法檢驗差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 施肥對冬小麥土壤剖面水分分布的影響

圖1結果顯示，2012年冬小麥播種前，不同施肥處理下0～20 cm土層土壤含水量均最大，維持在20.1%～22.3%，隨著土層深度的增加土壤含水量逐漸減小。不論施有機肥與否，肥料配施處理土壤含水量均低于肥料單施處理。不施有機肥與施有機肥處理相比，相同施肥量條件下施有機肥處理土壤含水量高于不施有機肥處理，這與長期施有機肥使土壤結構改善，蓄水能力增加有關。20～80 cm土層土壤含水量下降幅度不大，不施有機肥處理下降幅度大于施有機肥處理，不施有機肥下降在0.5%～0.9%，施有機肥處理下降在0.2%～0.7%，80～100 cm土層土壤含水量下降較大，下降最快的是有機肥配施氮肥處理，其次是單施氮肥處理，分別較60～80 cm土層土壤含水量下降2.3和1.8個百分點，NP和NPK處理分別下降1.6和1.4個百分點，MNP和MNPK分別下降1.1和0.9個百分點。

2013年冬小麥收獲后土壤剖面含水量與播前相比，0～100 cm土層土壤含水量差異明顯(圖1)。不同施肥處理0～20 cm土層土壤含水量在19.4%～20.3%，較播種前下降1～2個百分點，不論施有機肥與否，20～80 cm土層土壤含水量均迅速下降，這與作物生長發育期間的水分吸收和土壤蒸發密切相關，除了不施任何肥料處理外，其余各處理80～100 cm土層土壤含水量均呈現緩慢回升趨勢，作物在生長期間，根系縱深下扎，深層水分向上運移，故土壤含水量又緩慢回升。

以上結果說明，施有機肥或肥料配施，或有機肥與氮磷、氮磷鉀配合施用，均為冬小麥的生長發育提供豐富的養分，促進冬小麥根系的生長，增大根系與土壤的接觸面，加強冬小麥對深層土壤水分的吸收利用，但是肥料的長期施用加大作物對土壤水庫的耗竭，土壤水庫的庫容不能在作物收獲后得到良好的恢復，虧缺的水分不能及時補充將會影響后茬作物的生長。

圖1 不同采樣時期土壤含水量Fig.1 Soil water contents at different sampling times

2.2 施肥對冬小麥土壤儲水量的影響

不同施肥對作物生長有不同影響，因此不同施肥條件下土壤儲水量也有明顯差別(表1)。播前0～20 cm冬小麥土壤儲水量最小，20～40 cm土壤儲水量迅速升高，20～80 cm土壤儲水量增長平緩，80～100 cm又突然下降。播前0～100 cm土層不同施肥處理之間相比，氮肥和有機肥單施處理土壤儲水量均較不施肥和化肥配施處理高，氮磷配施與氮磷鉀配施處理之間土壤儲水量變化不大，有機肥配施化肥處理土壤儲水量高于化肥單施或配施處理。這與王兵等[23]關于黃土塬區旱作農田長期定位施肥對冬小麥水分利用的影響研究表明，有機肥與化肥配施處理土壤儲水量較化肥配施處理顯著提高結論一致。

冬小麥收獲后，不同處理、不同土層土壤儲水量較播前大幅度下降，0～100 cm土層下降在11.99～57.29 mm。與播前土壤儲水量不同，收后氮磷配施處理土壤儲水量最高，施有機肥條件下，0～20 cm土層土壤儲水量變化不大，隨著土層深度的增加變化逐漸明顯，總體以單施有機肥處理最高，其次為有機肥與氮磷肥配施處理。

表1 不同施肥處理冬小麥土壤儲水量Table 1 Soil water storage of different fertilization treatments in winter wheat mm

2.3 不同施肥處理對冬小麥產量與土壤水分利用效率的影響

由表2可知，冬小麥收獲后與播種前相比，土壤儲水量有不同程度的下降，下降最大的是有機肥配施氮磷鉀處理，為56.6 mm，而土壤耗水量最大，為511.00 mm。冬小麥產量越高，相對應處理的土壤儲水量下降就越高，土壤耗水量越大。冬小麥產量以有機肥配施氮磷鉀處理最高，為4 932.00 kg/hm2，較CK提高189.16%，其次為有機肥配施氮磷處理，產量達4 531.80 kg/hm2，較對照提高165.70%，氮磷鉀配施處理產量達4 231.65 kg/hm2，較對照提高148.10%，與對照差異均達顯著水平。單施氮肥與有機肥較CK增產率在60%以上，肥料配施較CK增產率在120%以上。所有施有機肥處理的產量明顯高于不施有機肥處理的產量，在相同施肥條件下，施用有機肥處理的產量較不施有機肥處理的產量分別提高60.00%、26.87%、15.56%、16.55%，化肥和有機肥混合施用可有效提高肥料的肥效。氮磷配施與氮磷鉀配施、有機肥配施氮磷與有機肥配施氮磷鉀相比，施鉀后產量增加的幅度不大，分別提高7.91%和8.83%，鉀肥的增產作用不明顯。

在旱地雨養農業區通過科學合理的肥料施用提高水分利用效率，達到以肥調水，以水促肥，增產增收的目的。表2結果顯示，所有施肥處理冬小麥水分利用效率均大于不施肥處理。N、NP、NPK處理水分利用效率較不施肥處理分別提高86.08%、138.92%、146.02%，M、MN、MNP、MNPK處理較不施肥分別提高58.24%、130.68%、157.10%、174.15%。相同施肥條件下施有機肥處理較不施有機肥處理分別提高23.97%、7.61%和11.43%。說明單施氮肥、單施有機肥或肥料配施都會不同程度提高土壤水分利用效率，且施用有機肥能顯著提高作物的水分利用效率。

表2 不同施肥處理冬小麥產量和水分利用效率Table 2 Winter wheat yield and water use efficiency under different fertilization treatments

注：不同小字母表示在0.05水平差異顯著。
Note:Different lower case letters mean significant difference at 0.05 level.

3 結論與討論

肥料是影響小麥產量的一個重要因素。眾多長期肥料定位試驗研究發現，氮、磷、鉀肥單施、肥料配施及化肥與有機肥配施均能明顯提高作物產量，不同降水年型下施肥對小麥的產量影響不同[24-25]。本研究結果表明，化肥單施、化肥配施都能明顯提高冬小麥產量，化肥與有機肥配施后增產效果更顯著。與不施任何肥料相比，MNPK、MNP、MN、M、NPK、NP、N處理的產量分別提高189.16%、165.69%、143.70%、60.00%、148.10%、129.92%、92.09%，在相同施肥條件下，施有機肥較不施有機肥產量分別提高26.87%、15.56%、16.55%，這一結果說明有機肥的增產作用不容忽視。

施用肥料后小麥產量增加，水分利用效率也相應升高[26-28]，不施有機肥條件下，NPK處理水分利用效率最大，較不施肥處理提高146.02%，施有機肥條件下，MNPK處理水分利用效率最大，較不施肥提高174.15%，施用有機肥后土壤水分利用效率明顯提升。王兵等[23]研究認為，在氮磷配施基礎上施鉀由于提高了產量而使水分利用效率比不施鉀處理顯著提高，本試驗施鉀后產量增加幅度不大，因而水分利用效率相互間差異也較小。施用肥料可顯著增加作物的產量和水分利用效率，同時也會增加土壤的耗水量，進而加劇土壤干燥化程度。魏孝榮等[10]研究發現，即使在播種下一季作物時，經過一個相當長的雨季對土壤水分的補充，高肥處理的土壤水分仍處于一個相對較低的水平。由土壤水分含量狀況可知，冬小麥收獲后土壤水分處于較低水平，不同施肥處理在不同土層都較不施肥處理下降很多，對下一季作物的播種和生長極為不利，長期施肥對土壤水庫容量會有較大影響。因此，科學合理的配施有機肥與化肥，提高干旱地區水肥利用效率，成為本地區及相似種植區域農業增產節支的主要措施。

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(責任編輯：史亞歌 Responsible editor:SHI Yage)

Effects of Long-term Fertilization on Winter Wheat Yield and Water Use Efficiency .

LUO Zhaoxia1，YANG Zhiqi1，E Shengzhe2，YUAN Jinhua2，CHE Zongxian2and GUO Yongjie2.

(1. Institute of Agricultural Sciences Tianshui，Tianshui Gansu 741000，China；2. Institute of Soil Fertilizer and Water-saving Agriculture，Gansu Acadamy of Agricultural Sciences，Lanzhou 730070，China)

The effects of long-term fertilization on wheat grain yield and changes of soil water content and water use efficiency were studied in loessal soil region on the base of the latest data from a long-term fertilization experiment which has been continued for 32 years on the Loess Plateau. The results showed that both manure and chemical fertilizers could increase wheat grain yield, but manure combined with chemical fertilizer could increase wheat grain more efficiently. Single application of nitrogen or manure increased wheat grain yield above 60%, while, fertilizers combined application (NP,NPK,NM,MNP and MNPK) increased wheat grain yield higher than 120%.The highest yield and water use efficiency, 4 932.00 kg/hm2and 9.65 kg/(hm2·mm) respectively, were observed in MNPK treatment, and they were enhanced by 189.16% and 174.15% compared with CK treatment, respectively. Compared to sowing before,soil water content in the 0-20 cm soil layer of all treatments slowly decreased, however, soil water content in the 20-80 cm soil layer quickly decreased. Soil water storage in 0-100 cm soil layer after harvest obviously decreased compared with the sowing before, the most drop was 56.6 mm in MNPK treatment，in other words, MNPK treatment had the highest soil water consumption, 511.00 mm. The combined application of fertilizers would increase crop yield and water consumption, but aggravate soil dry degree.

Long-term fertilization；Winter wheat；Yield；Soil water；Water use efficiency

2016-05-24 Returned 2016-06-17

Key Projects in the National Science &Technology Pillar Program during the Twelfth Five-year Plan Period(No.2012BAD05B06);Special Fund Project of Gansu Academy of Agricultural Sciences(No.2013GAAS12).

LUO Zhaoxia,female,master,assistant research fellow.Research area:plant nutrition and soil fertilizer.E-mail：13919669125@163.com

CHE Zongxian,male,research fellow.Research area:plant nutrition and soil ecological.E-mail：eshengzhe@163.com

日期：2017-06-29

網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20170629.1107.004.html

2016-05-24

2016-06-17

十二五國家科技支撐計劃(2012BAD05B06);甘肅省農業科學院農業科技創新專項 (2013GAAS12)。

羅照霞，女，碩士，助理研究員，從事植物營養與土壤肥料研究。E-mail：13919669125@163.com 通信作者：車宗賢，男，研究員，主要從事植物營養與土壤生態研究。E-mail：eshengzhe@163.com

S143

A

1004-1389(2017)07-1007-07