西北旱塬免耕的產量效應受降水特征和施肥顯著影響

關鍵詞： 黑壚土；傳統耕作；免耕；施肥；冬小麥?春玉米輪作；土壤養分；產量；水分利用效率

黃土旱塬是西北區重要的糧食生產基地，素有“油盆糧倉”之稱。降水稀少和土壤肥力低下是制約該雨養農業區作物產量潛力發揮的瓶頸[1]。如何運用合理的耕作及施肥措施，高效蓄積利用有限的自然降水與培肥土壤是實現西北旱塬糧食綠色可持續生產的重要措施[2]。

西北旱塬區大量研究已經證實了增施有機肥、化肥平衡施肥、有機無機肥配施對土壤培肥和作物高產穩產的效應[3?6]。但是，不同施肥措施對作物產量穩定性和可持續性影響的結論不盡一致。例如，俄勝哲等[7]研究認為，單施氮肥的增產作用隨施肥年限延長而下降，有機無機肥配施則相反。張鑫[8]報道了長期有機肥與化肥配施下大豆平均增產率高達188.0%。胡雨彤等[1]研究表明，連續30年氮磷配施冬小麥產量、肥料貢獻率和水分利用率顯著高于氮磷單施。李婷等[9]報道了平水年和干旱年施肥均可增加作物產量和水分利用效率。Manna 等[10]和陳歡等[11]研究表明，有機無機肥配施和氮磷鉀配施方式可顯著提高作物產量穩定性和生產可持續性。60多年的長期定位試驗結果[12]也表明，有機無機肥配施顯著提高作物產量的穩定性，但麥玉輪作體系的結果則相反[13?14]。已有研究認為，黃土旱塬雨養農田氮肥貢獻率隨施氮量增加呈遞減趨勢，施用化肥尤其是氮肥可能是造成作物產量穩定性降低的主要原因[15?16]。不同試驗中肥料增產效果存在差異的原因可能是耕作方式、氣候因素及其交互作用不同[17]。

除了受到施肥管理方式的影響外，降水是影響雨養農業區作物可持續生產的重要因素。作物產量同時還受年降水量和降水時期分布的調控[18]。越來越多的研究發現，不同耕作方式和施肥類型會影響作物對水分的吸收利用，導致不同降水年型下作物產量的波動。例如，樊廷錄等[19]通過連續24年的觀測結果發現，隴東旱塬黑壚土麥玉輪作體系氮肥增產效果受降水影響最顯著，但有機無機肥配施則相反。李超等[20]研究結果認為，黃土旱塬區雨養條件下冬小麥產量與底墑呈線性關系，播前底墑每增加1mm，冬小麥產量可提高11.9 kg/hm²。此外，不同耕作方式下土壤結構差異顯著，這會影響土壤養分供應與釋放，加之年際間降水的波動，也會導致作物產量對耕作措施響應的差異。免耕是一種保護性耕作方法，其核心在于減少對土壤的耕翻擾動，保留作物殘茬覆蓋地表[21]。大量研究[22?24]表明，免耕技術通過改善土壤物理、化學和生物學特性而有利于作物生長，從而提高作物產量，在應對氣候變化和資源節約型農業發展中免耕展現出顯著的優勢[25]。耕作方式的差異也會影響土壤有機質礦化和養分供應強度，導致作物對水分和養分吸收利用的差異，進而影響作物產量和可持續性生產[26?27]。盡管大量研究報道了降水年型、土壤水分、肥料和產量間的關系[28]，但針對不同降水年型、耕作方式與施肥互作對作物可持續增產效應的研究還少見報道。因此，探究耕作與土壤培肥措施及其交互作用對作物產量穩定性和可持續性的影響，對旱塬雨養農業高產高效發展具有重要的實踐指導意義。

西北黃土旱塬區處于中溫帶的半干旱向半濕潤區過渡帶，降水年際及季節分布不均，常與冬小麥和春玉米關鍵需水期錯位，致使產量年際變化大。依據不同降水年型，采取合理的耕作施肥制度、提高水分利用效率和培肥土壤一直是該區農業可持續發展迫切需要解決的重大科學問題。長期定位試驗為準確評估不同耕作制度下作物產量和水肥效應提供了有效平臺，能夠有效探究氣候、耕作及種植制度等因素對作物產量穩定性的影響。為此，本研究基于甘肅隴東旱塬黑壚土長期定位耕作施肥試驗的監測數據，結合歷史同期降水資料，分析長期麥玉輪作體系耕作與施肥處理下的作物產量及其穩定性、肥料貢獻率和水分利用效率及土壤表層養分含量變化特征，以期為西北旱塬雨養農業區建立合理的耕作施肥制度提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

長期耕作與施肥定位試驗起始于2005年，位于隴東黃土高原的甘肅省慶陽市鎮原縣上肖鎮梧桐村的農業農村部西北旱作營養與施肥科學觀測實驗站內（35°29′42″ N，107°29′36″ E；海拔1279m）。該區域近30 年年均降水量510 mm，年降水量的60% 以上發生在7—9 月，年際間及季節性降水變率大，年潛在蒸發量1532 mm，年均溫9.3℃，無霜期170天，為暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，屬典型旱作雨養農業區。試驗初始0—40 cm 土層土壤基本化學性狀為：有機質14.46 g/kg，全氮1.11 g/kg，全磷0.77 g/kg，全鉀28.22 g/kg，堿解氮78.7 mg/kg，速效磷13.9 mg/kg，速效鉀150 mg/kg。免耕方式下0—20 cm 土層土壤平均容重為1.45 g/cm³，傳統耕作方式下為1.34 g/cm³，冬小麥生長季15 cm 土層土壤平均含水量和平均溫度免耕分別為25.1% 和7.9℃，傳統耕作分別為17.5% 和8.6℃，冬小麥返青至孕穗期的3—5 月份免耕15 cm 土層土壤溫度為9.4℃，傳統耕作為12.3℃。

1.2 試驗設計

試驗采用雙因素裂區設計，耕作方式為主處理，分別為傳統耕作和免耕，傳統耕作于作物收獲后深翻和播前旋耕各一次；免耕在作物收獲后至播種前，不擾動土壤，田間雜草采用人工和化學方法控制；施肥為副處理，分別為：不施肥對照（CK）；施化肥氮（N 150 kg/hm²，N）；施磷肥（P₂O₅ 105 kg/hm²，P）；施農家肥（腐熟純牛糞22500 kg/hm²，M）；氮磷配施（N 150 kg/hm²+ P₂O₅ 105 kg/hm²，NP）；氮磷肥配施有機肥 （N 150 kg/hm²+P₂O₅ 105 kg/hm²+農家肥22500 kg/hm²，NPM）。小區面積72m² （8 m×9 m ），3次重復。氮肥基追比為5∶5，冬小麥追肥于返青期遇雨人工撒施，玉米于拔節期人工穴施。農家肥和磷肥在播前作為基肥一次性施入，傳統耕作下的肥料在播種前結合旋耕施入，免耕下的肥料在播種當日與種子一起開溝（深約5 cm）耙耱施入。作物輪作方式為1 年春玉米—3年冬小麥。為有效控制因品種差異導致的試驗結果誤差，本研究采用同一冬小麥品種為‘隴鑒301’，播量157.5 kg/hm²，人工開溝播種；春玉米品種為‘沈單16’，密度5.0×104 株/hm²，行距50 cm，株距40 cm。玉米和冬小麥品種均具有抗逆性強，豐產性好的特征。傳統耕作和免耕冬小麥留茬高度約3～5 cm，根系自然腐解還田，剩余冬小麥秸稈全部移出，玉米留茬高度約5～8cm，傳統耕作玉米和冬小麥茬翻入土壤，免耕玉米和冬小麥茬留于地表。其它管理措施按常規要求實施。

1.3 樣品分析測定

1.3.1 產量測定 每年收獲期測定冬小麥和玉米籽粒產量，用PM8188—A谷物水分儀測定含水率，按14% 安全含水量計算產量。

2 結果與分析

2.1 作物產量對不同耕作施肥制度的響應

降水年型、耕作方式和施肥對玉米和冬小麥產量影響顯著（圖1）。9年冬小麥和5年春玉米平均產量均以NPM處理最高，分別為3441和8991 kg/hm²，其次為NP 和M 處理。按降水年型將不同作物產量相加求得不同降水年型各肥料處理對應的平均產量。結果顯示，盡管降水年型不同，兩種耕作方式下不同施肥處理作物增產趨勢基本一致。3 種降水年型不同耕作方式均以有機無機肥（NPM） 配施處理產量最高。相對于傳統耕作，干旱及平水年型，免耕冬小麥平均產量分別顯著降低了15.6% 和25.7%，干旱年型玉米平均產量顯著降低了17.9%，平水年降低了4.6%。但在豐水年型，傳統耕作和免耕兩種耕作方式下冬小麥和玉米的平均產量無顯著差異。與CK處理相比，傳統耕作和免耕在干旱、平水、豐水年型中，NPM 處理玉米的增產率分別為28.6%、81.1%、77.7% 和56.5%、92.7%、107.7%，冬小麥的增產率分別為105.9%、119.7%、100.2% 和125.1%、130.9%、199.7%，產量增幅整體上隨降水量的增加而增加。

兩種耕作方式3 種降水年型下，冬小麥和春玉米肥料貢獻率（FCR） 均以NPM 處理最高，顯著高于化肥單施的N 和P 處理（表2）。冬小麥在傳統耕作和免耕條件下，在干旱年、平水年、豐水年較N 處理肥料貢獻率增幅分別為150.0%～400.0% 和133.3%～500.0%，較P 處理增幅分別為150.0%～400.0% 和200.0%～600.0%；春玉米較N 處理肥料貢獻率增幅分別為100.0%～300.0% 和66.7%～100.0%，較P 處理增幅均為100.0%～400.0%。產量可持續性指數（SYI） 冬小麥和春玉米在兩種耕作方式下，均以NPM處理具有較高的SYI，但降水年型間表現不同。冬小麥在傳統耕作方式下SYI 隨降水條件變好而降低，免耕條件下SYI 隨降水條件變好呈先增加后降低趨勢，而春玉米在兩種耕作方式下，SYI 均隨降水量的增加而增加。

2.2不同耕作施肥制度下水分利用效率變化

不同降水年型下，耕作方式和施肥措施顯著影響作物水分利用效率（圖2）。作物的水分利用效率范圍為3.7～23.9 kg/（hm²·mm）。不同施肥措施下水分利用效率差異顯著，以化肥單施處理N、P較低，單施有機肥M 處理高于單施化肥處理，均顯著低于NP和NPM 處理。與施用化肥和對照處理相比，有機肥能夠顯著提高冬小麥和玉米的水分利用效率，增幅達21.0%～45.0%。在干旱年和平水年，相對于傳統耕作，免耕處理分別顯著降低了冬小麥水分利用效率6.7% 和24.0%，以及干旱年的玉米水分利用效率17.0%。在豐水年，冬小麥和玉米水分利用效率在免耕和傳統耕作下無顯著差異。

2.3不同耕作施肥制度對土壤養分含量的影響

不同施肥處理17年后土壤養分含量變化顯著（表3）。各施肥處理有機質含量均顯著增加，而不施肥CK 處理土壤有機質平均含量僅有12.7g/kg。另外，不同施肥處理中均以有機無機肥配施（NPM） 處理有機質含量增幅最大，傳統耕作和免耕下分別較不施肥CK 處理顯著增加20.6% 和60.5%，單施有機肥（M） 處理次之。兩種耕作方式施用含氮化肥（N、NP） 及有機肥（M、NPM） 處理下土壤全氮含量顯著高于單施P 及CK 處理，以NPM 處理土壤全氮含量最高，其次為M 處理，顯著高于N 和NP處理，單施P 與CK 處理全氮含量基本維持在同一水平。堿解氮含量與全氮含量變化趨勢基本一致，與試驗起始值相比，傳統耕作處理土壤堿解氮平均含量降低10.2%，免耕基本持平。兩種耕作方式均以有機無機肥（NPM） 配施處理土壤堿解氮含量最高，其次為有機肥單施（M） 處理。與傳統耕作相比，免耕能夠顯著提高土壤有機質、全氮、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量。經過17年耕作施肥后，傳統耕作方式施肥處理的全鉀平均含量比免耕處理下降了20.8%～22.7%。

3討論

3.1施用有機肥對土壤養分含量、水分利用效率的提升作用

本研究結果顯示，在半干旱向半濕潤過渡的黃土旱塬，施用有機肥處理（M、NPM） 在3種降水年型和兩種耕作方式中的增產效果最好，導致這一現象的原因可以歸結于土壤肥力和水分利用效率的提升。在免耕和傳統耕作方式下，連續17年施用有機肥（NPM、M）處理的土壤有機質與氮磷鉀含量較化肥（N、P）單施及（NP）配施處理均有顯著提高。土壤有機質與土壤物理、化學和生物學特性密切相關，直接或間接影響作物生長發育和產量形成，被認為是土壤肥力最重要屬性和土壤質量的關鍵評價指標。長期施用有機肥能顯著提高土壤大團聚體含量，提高土壤養分有效性，進而提高作物產量及其穩產性能[33]。有機肥處理下土壤有機質含量提高主要是因為有機肥中含有豐富的碳源，能夠刺激微生物活性，增加其對作物殘茬和有機肥中碳源的分解并轉化為土壤有機質[34?35]。同時，施用有機肥顯著提高了土壤全量氮磷鉀及堿解氮、有效磷和速效鉀含量，實現土壤有機質與土壤氮磷鉀養分含量的全面提升，使土壤肥力顯著增強，這能夠有效緩解不同耕作方式和降水對作物產量的影響，所以本研究中有機肥處理的作物產量及其穩產性都顯著高于化肥處理。

除提高土壤有機質和養分含量外，與化肥處理相比，施用有機肥顯著提高了作物水分利用效率。有機肥處理提高作物水分利用效率的原因，主要是長期施用有機肥能夠優化土壤物理與生物化學環境，能夠有效提高土壤持水性，減少水分散失[36]。此外，有機肥處理提升土壤肥力能為作物提供充足、均衡、可持續的土壤養分供給，有利于作物根系生長及其對水分的吸收利用，進而提高作物水分利用效率[37?38]。本研究結果也顯示有機肥處理的肥料貢獻率最高，說明長期施用有機肥可以增強肥水正向交互作用，進而促進隴東旱塬作物產量穩定性和可持續性。

3.2 不同耕作方式下作物產量對降水年型的響應

免耕技術具有提高土壤耕性、增加土壤有機質含量、減少土壤風蝕和水蝕等優點。大量試驗證明在半濕潤的黃淮海平原地區，免耕可以實現作物穩產高產的效果[26?27，39]。與黃淮海平原地區不同，本研究通過17 年的長期定位試驗發現，在半干旱向半濕潤過渡的黃土旱塬區，相對于傳統耕作，免耕處理顯著降低了干旱和平水年的作物產量，而在豐水年型無明顯差異。這些結果說明在西北黃土旱塬區推行免耕制度可能會存在作物減產的風險，更應當根據具體降水年型實行合理的耕作制度。導致半干旱區免耕處理下干旱年和平水年作物產量降低的原因可能有以下3個方面。一方面，土壤緊實加上低溫脅迫可能會抑制冬小麥的生長，進而降低作物產量。本研究中，干旱和平水年型，降水量有限，免耕處理可能會由于土壤容重增加導致土壤緊實度增加和熱容量降低，抑制作物根系生長，顯著影響土壤中的水分和養分運移。本試驗觀測結果顯示，冬小麥生長季的10月至翌年6月土壤（15cm） 平均溫度免耕較傳統耕作降低0.7℃，尤其是冬小麥返青至孕穗期的3—5月免耕較傳統耕作降低2.9℃，生育前期的低溫降低了作物早期的生長速率， 使生長狀況不如傳統耕作[40?41]，限制了作物產量的形成[42]。本試驗結果也顯示免耕下土壤（0—20cm） 容重較傳統耕作增加8.2%。另一方面，在降水量相對少的情況下，免耕處理的微生物活性會受到抑制，這會減緩土壤養分的循環與轉化，進而導致免耕處理下土壤養分供應減弱，進而降低作物產量[43]。而免耕處理在水分相對匱乏情況下，土壤對于養分的固持能力會有所下降，可能導致肥料養分尤其是氮素的損失，這也可能會導致作物減產[44?45]。此外，免耕的養分表聚效應，在干旱脅迫下，養分的運移受限，下層的養分含量低，抑制了作物養分吸收，導致作物產量降低[46?47]。在干旱條件下，免耕無法提供足夠的水分貯存，甚至會因為地表殘留物增加了蒸發量，導致作物可利用水分減少，進而導致作物減產[48]。本研究結果中作物水分利用效率在干旱年型下均有所降低，可以證明上述觀點。在豐水年，傳統和免耕耕作的土壤養分和水分供應充足，水分不是作物產量的限制因子。以上這些結果表明，就雨養農業而言，降水量是影響不同耕作方式下作物水分利用效率及其產量形成的關鍵因素。因此，在西北旱塬區更應根據降水情況進行合理耕作方式的選擇，以確保作物的高產和穩產。

4結論

在中溫帶半干旱向半濕潤過渡的黃土旱塬區，相對于傳統耕作，在豐水年免耕對黃土旱塬黑壚土區作物產量無顯著影響，但在干旱年和平水年會顯著降低作物水分利用效率和小麥及玉米產量。傳統耕作結合有機無機肥配施（NPM）顯著提高土壤有機質和養分庫容，顯著增加作物產量，并提高產量的穩定性和可持續性及肥料貢獻率，達到了更優的“以肥調水，以水促肥”效果。因此，黃土旱塬區需要根據降水情況選擇合適的耕作制度，以實現作物的高產穩產。