優化施肥對旱地小麥產量及土壤剖面水肥變化的影響

竇 露，謝英荷，李廷亮，李 超，黃 濤，柳玉鳳，紀美娟

（山西農業大學資源環境學院，山西 太谷 030801）

我國小麥種植區有1/3 分布在旱地雨養農田。晉南麥區是典型的黃土高原雨養農田區，降雨稀少且季節分配不均，水分和養分是限制旱地冬小麥產量效益的主要因素[1]。壟膜溝播是旱地麥田常見的覆蓋方式[2]，其能夠改善土壤水熱狀況，進而影響養分的轉化速率，具有穩產增產的效果[3-4]。不同肥料類型對土壤養分轉化情況及作物產量效益也不同。大量研究表明，有機肥或生物菌肥有助于提高旱地作物產量和土壤可持續生產能力[5-6]。前人在褐潮土、紅壤[7]、南方赤紅壤[8]、黑土[9]、褐土區[10]、黃土高原黑壚土[11]等不同土壤類型上試驗表明，有機無機肥長期配施的小麥產量以及土壤生產力均顯著高于單施化肥，并且能夠促進土壤水肥協調供應，保持土壤肥力可持續性。生物有機肥是有機肥與生物菌劑混合而成的一種肥料，既有有機肥豐富的碳源，還可以調節根際微生物區系組成、礦化土壤難溶養分、提高肥料利用率，最終可實現產、質雙增的效果[12-13]。

本研究運用優化施肥技術在黃土高原旱地冬麥區進行試驗，為明確壟膜溝播條件下不同施肥方式對小麥產量效益和水肥運移狀況的影響，旨在為當地小麥的高產高效環境友好施肥提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

研究區位于山西省臨汾市洪洞縣冬小麥試驗地，年平均氣溫在12.4 ℃左右，有效積溫3 326 ℃，年降雨量469.7 mm，其中，3/4 的降雨集中在7—9月。供試土壤質地為石灰性褐土，2017年播前土壤耕層速效磷含量為12.8 mg/kg，速效鉀含量為176.8 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試冬小麥品種為晉麥47。

1.3 試驗設計

試驗設4 個處理，4 次重復。處理1 是農戶施肥，施肥量為當地農戶經驗施肥；處理2 是測控施肥，即采用“1 m 土層硝態氮監控施肥，0～40 cm 土層磷、鉀衡量施肥”技術；處理3 是無機肥+ 有機肥，即在測控施肥基礎上進行有機無機配施；處理4 是無機肥+生物有機肥，即在測控施肥基礎上進行生物有機肥無機肥配施。有機肥養分含量：N 1.36%，P2O52.71%，K2O 1.63%；生物有機肥所含菌液為山西農業大學資源環境學院課題組自制，菌種包括：固氮菌、溶磷菌、解鉀菌。處理2，3，4 遵循N，P2O5，K2O 等養分量施肥，其中處理 3 和 4 除使用一定量的有機肥和生物有機肥外，其余不足養分用無機化肥補齊。具體養分用量列于表1。

4 個處理的種植方式均為壟膜溝播，所有肥料均作為基肥在小麥播種前一次性施入各小區內。試驗區小麥播種時間為2017年9月30日，播種量為150 kg/hm2。小麥整個生育期除自然降雨外無灌溉，無追肥。

表1 養分用量kg/hm2

1.4 樣品采集與測定方法

分別于冬小麥播前（2017年9月） 和收獲（2018年6月）后，在各小區采集 0～200 cm 各土層的樣品，每20 cm 為一個土樣，帶回實驗室去除雜質并過篩，新鮮土樣用于測定土壤含水量，風干后的土樣用于測定土壤速效磷、土壤速效鉀含量。在小麥收獲期（6月10日）選取3 m×20 m 樣方進行收獲，脫粒計產。

土壤水分含量采用烘干法測定；土壤速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3法測定；土壤速效鉀含量采用1 mol/L NH4OAc 浸提，火焰光度計法測定。

1.5 數據分析

采用Excel 2010 和SPSS 對試驗數據進行處理和統計分析。

其中，0～20，20～40，40～60，60～80 cm 土壤容重分別為 1.21，1.35，1.35，1.30 g/cm3，80～200 cm土層容重按1.36 g/cm3計算。

2 結果與分析

2.1 3種優化施肥方式對旱地冬小麥產量的影響

3 種優化施肥方式對旱地冬小麥產量的影響結果如圖1所示，無機肥+生物有機肥和無機肥＋有機肥較農戶施肥分別提高籽粒產量22.5%，17.5%，且差異均達顯著水平（P＜0.05）；分別提高地上部生物產量12.6%，13.2%，但差異不顯著（P＞0.05）；優化施肥各處理收獲指數均略高于農戶施肥，但差異不顯著（P＞0.05）。

2.2 3種優化施肥方式對旱地冬小麥0～200cm土層土壤蓄水量的影響

3 種優化施肥方式下冬小麥播前、收獲0～200 cm 土層土壤蓄水量如圖2所示，經過冬小麥整個生育期消耗，收獲期各處理0～200 cm 土層土壤蓄水量均有所降低，相比農戶施肥，0～200 cm 土層土壤蓄水量無機肥+有機肥和無機肥＋生物有機肥分別增加5.0%，13.0%，這與ZHANG 等[13]的研究結果一致，說明有機肥和生物有機肥均可以提高旱地土壤貯水量，提升水分利用效率。從整個土層蓄水量來看，播前到收獲各土層蓄水減少量主要集中在0～100 cm 土層，這是因為小麥根系活動主要在0～100 cm 土層，吸取深層水分能力較弱。

2.3 3種優化施肥對旱地冬小麥0～200cm土層土壤速效磷貯量的影響

經過冬小麥整個生育期，3 種優化施肥方式下0～200 cm 各土層土壤速效磷貯量變化趨勢如圖3所示，0～200 cm 各土層速效磷貯量變化為正值（20～40 cm 土層除外），說明0～200 cm 各土層土壤速效磷貯量整體為增加趨勢；且平均40%的增加量集中在0～40 cm 土層，這是由于土壤速效磷移動性差，所以不容易隨降水向深層土體移動。

土壤速效磷生育期前后變化總貯量如圖4所示，無機肥＋生物有機肥顯著增加了0～40 cm 土層速效磷貯量，其占總量的65%；0～200 cm 土壤速效磷總量無機肥＋生物有機肥較農戶施肥、測控施肥、無機肥＋有機肥分別提高68%，68%，78%，且差異均達顯著水平。說明生物有機肥施加到土壤中可以活化土壤難溶性磷，有利于增加植物可利用有效磷含量。

2.4 3種優化施肥方式對旱地冬小麥0～200cm土層土壤速效鉀貯量的影響

由圖5可知，經過冬小麥生育期耗竭，不同施肥處理0～200 cm 各土層土壤速效鉀貯量呈現不同變化趨勢，無機肥＋有機肥和無機肥＋生物有機肥處理的各土層總體變化表現為增加，平均增加幅度分別為5%和14%，而農戶施肥和測控施肥各土層總體變化呈降低趨勢；各處理隨土層深度加深土壤速效鉀變化量逐漸趨于穩定，且主要集中在0～100 cm 土層。

圖6結果顯示，0～200 cm 土層土壤速效鉀貯量總增加量依次為無機肥＋生物有機肥＞無機肥＋有機肥＞測控施肥＞農戶施肥，說明在不施鉀肥條件下，土壤鉀庫經作物吸收有明顯耗竭作用；而無機肥＋有機肥和無機肥＋生物有機肥這2 種優化施肥方式能夠在補充作物生育期所消耗鉀素的同時，提高土壤速效鉀貯量。

3 結論與討論

作物生產的主要目標是提高產量[15]，而施肥又是旱地冬小麥產量提高的關鍵因素[16]。曹寒冰等[17]通過運用“旱地小麥監控施氮技術”在旱地試驗中結果表明，優化施化肥可以穩定小麥產量。陳歡等[17]研究表明，長期有機肥和化肥配施有利于小麥穩產增產。本研究通過優化施肥技術在減氮63%的基礎與較傳統農戶施肥相比，冬小麥籽粒增產6.0%～22.5%，其中，無機肥＋有機肥和無機肥＋生物有機肥增產效果較優。前人研究表明[19-21]，有機無機肥配施能夠在減少12.9%～21.3%氮肥用量的情況下增產2.0%～18.3%，并且在極端氣候年份增產作用更明著。邢鵬飛等[22]連續4 a 在棕壤上定位試驗表明，有機肥替代化肥30%時，小麥總產量可提高5.95%。本研究在黃土旱塬麥田試驗中結果表明，有機肥或生物有機肥替代43%的化肥時，較等養分量的測控施肥提高11%～16%。大量試驗表明，有機無機肥配施比單施化肥或單施有機肥增產效果更優，因為化肥肥效快，可以滿足當季小麥產量形成所需養分，有機肥可以供給土壤大量有機物質但肥效釋放緩慢，而二者結合施用既能提高土壤肥料當季利用率，又可以提高土壤可持續生產力。

降水豐缺和土壤蓄水能力強弱會引起黃土高原旱地冬小麥產量的差異，合理的水分養分管理是提高旱地小麥生產力的重要措施。王浩等[23]在渭北旱作區研究表明，平衡施肥可以提高作物生育期土壤貯水量。張玉革等[24]研究發現，施用有機肥對土壤貯水量的影響優于化肥。本研究也顯示，優化施肥條件下，有機肥或生物有機肥配施化肥降低了小麥全生育水分損失量，提高了旱地麥田水分貯量，因為合理的養分配比能夠增加小麥根系數量和活力，促進對水分的吸收利用，減少土壤無效水分蒸發，配施有機肥或生物有機肥能夠更進一步影響作物生理生化過程，抑制作物因蒸騰作用所消耗的土壤水分[25]。

土壤中磷的貯量是決定土壤磷供應能力的根本因素，土壤磷庫的擴大和土壤磷供應能力的增強是提高農田肥力的重要目標[26]。大量研究表明，長期施用磷肥，尤其是有機肥化肥配施會顯著提高土壤速效磷含量[27]。周建斌等[28]研究表明，化肥配施有機肥處理能顯著提高0～40 cm 土層土壤速效磷的含量，因為磷在土壤中移動性很差，主要對表層有影響。本研究表明，不同施肥方式主要影響0～40 cm土層土壤速效磷，3 種優化施肥處理中，生物有機肥處理顯著提高了0～200 cm 土層土壤速效磷貯量，說明生物有機肥與化肥結合可以增加磷的生物有效性，因為本試驗所用菌液含溶磷菌，有助于土壤中難溶性磷鹽分解釋放。

鉀素是植物所必需的大量元素，已有研究顯示，全國土壤鉀平衡狀況為虧缺[29]，徐明剛等[30]研究發現，農田速效鉀含量在不施肥時耗竭嚴重，施用鉀肥可以保持平衡，而有機肥結合化肥則有助于速效鉀累積。王宏庭等[31]在山西石灰性褐土16 a 定位試驗發現，只施NP 肥使土壤鉀素每年減少104.3 kg/hm2，李娜[32]研究也得出了類似的結論。本研究也發現，農戶施肥處理在不施鉀肥的條件下收獲期較播前0～200 cm 土層速效鉀總貯量減少189.4 kg/hm2，而生物有機肥與化肥配施土壤速效鉀貯量有顯著增加，因為生物有機肥中含有解鉀菌，在有機肥的綜合作用下有助于土壤速效鉀貯量的增加。