尹嘉德，侯慧芝，張緒成

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅蘭州 730070； 2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所，甘肅蘭州 730000)

甘肅隴中旱作區(qū)是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，年均降雨量約400 mm，春小麥為該區(qū)主要糧食作物之一[1]，全生育期降雨量通常不足200 mm。受降水總量不足、降水與小麥需水時期不吻合、土壤含水量低、春季低溫和夏季高溫脅迫等因素的影響，隴中旱作區(qū)春小麥產(chǎn)量低而不穩(wěn)[2-3]。覆膜栽培有效提高了小麥生育前期的土壤含水量，但因植株生長旺盛、土壤溫度升高等因素的影響，小麥生育中后期的土壤耗水量和蒸騰作用加強[4-5]，促使土壤水分耗竭，進而加劇了春小麥后期生殖生長階段的水分脅迫[5-6]。因此，需要通過優(yōu)化栽培措施來提高作物對環(huán)境的適應(yīng)能力，緩解水肥供需矛盾對作物生長的影響。近年來，全膜覆土穴播技術(shù)在西北黃土高原半干旱區(qū)得到大面積推廣應(yīng)用，改善了土壤水熱環(huán)境[4-6]，活化了土壤養(yǎng)分[7-9]，促進了作物生長發(fā)育[10-12]，提高了作物養(yǎng)分和水分利用效率[12-14]，能夠保蓄降雨并大幅提高農(nóng)田降雨利用率，有效緩解灌漿期高溫脅迫傷害，提高作物產(chǎn)量[15-17]。旱地施有機肥不僅能夠提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[18]，還能有效地改善土壤理化性質(zhì)[19]，提升土壤保水蓄水能力和延長土壤肥效[20]，并在一定程度上調(diào)節(jié)作物生長發(fā)育期間需水和土壤供水間的矛盾[21]。通過覆膜和施肥來提高作物產(chǎn)量和水分利用效率已成為國內(nèi)外旱作農(nóng)業(yè)耕作栽培研究的熱點。目前，關(guān)于全膜覆土穴播技術(shù)或有機肥對土壤水分及作物生長和產(chǎn)量等影響方面的研究較多，但有關(guān)增施有機肥對全膜覆土穴播春小麥土壤水分利用影響的研究報道較少。因此，本研究于2016-2017年在隴中旱作區(qū)設(shè)置田間定位試驗，研究增施有機肥對全膜覆土穴播春小麥田土壤水分及作物相關(guān)生理指標(biāo)和產(chǎn)量等的影響，以期為隴中旱作區(qū)春小麥生產(chǎn)資源高效利用、生態(tài)安全及高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016-2017年在甘肅中東部旱作農(nóng)業(yè)區(qū)甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院定西試驗站(E104°35′，N35°35′)進行。該區(qū)屬于中溫帶半干旱氣候區(qū)，海拔1 970 m，年均氣溫6.2 ℃，年輻射總量5 898 MJ·m-2，年均日照時數(shù)2 500 h，≥10 ℃積溫2 075.1 ℃，無霜期140 d。該區(qū)域作物一年一熟，為典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，年平均降水量為415 mm，降水季節(jié)分布不均勻，6-9月份降水量占全年總降水量的68%，降水相對變率為24%，400 mm降水保證率為48%。試驗區(qū)土壤為黃綿土，質(zhì)地為粘壤土，0～300 cm土壤平均容重為1.17 g·cm-3，田間持水量為21.18%，永久凋萎系數(shù)為7.2%。2016年小麥全生育期內(nèi)降水182.1 mm，降雨集中在5月春小麥的拔節(jié)至抽穗期；2017年小麥全生育期內(nèi)降雨142.6 mm，降雨集中在5月底至6月中旬，成熟期降雨較少。

1.2 試驗設(shè)計

以甘肅省農(nóng)科院選育的春小麥品種“隴春27”為試驗材料，進行連續(xù)2年的定位試驗。采用單因素完全隨機法，設(shè)全膜覆土平作穴播(PMS)、全膜覆土平作穴播+有機肥(PMO)、裸地平作(CK)3個處理，每處理設(shè)3次重復(fù)。小區(qū)面積6 m×10 m，行距20 cm，穴距12.5 cm，每穴8～10株，每公頃450萬株。試驗用化肥為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%～16%)、氯化鉀(含K2O 60%)，有機肥為風(fēng)干發(fā)酵腐熟完全的羊糞，含全氮0.5%、P2O50.35%、K2O 0.4%。覆膜處理均為秋覆膜，地膜平鋪于整個地面，在膜上覆土厚1～2 cm，肥料全部作為底肥施入，3個處理施用化肥的量，折合為純N、P2O5和K2O均為每公頃150、75和45 kg，PMO處理在此基礎(chǔ)上增施羊糞30 000 kg·hm-2。各處理的樣品采集及指標(biāo)測定均在每個生育時期的同一天進行。2016年3月20日播種，分別于播前(3月18日)、苗期(4月23日)、拔節(jié)期(5月13日)、抽穗期(5月28日)、灌漿期(7月01日)、成熟期(7月24日)采樣測定，7月24日收獲；2017年3月24日播種，分別于播前(3月23日)、苗期(4月22日)、拔節(jié)期(5月9日)、抽穗期(5月29日)、灌漿期(7月9日)、成熟期(7月25日)采樣測定，7月25日收獲。除人工除草外不采取其他田間管理措施。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤貯水量和耗水量測定 分別于播前及小麥苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期測定0～300 cm土壤含水量，每20 cm為1個步長分層測定，計算水分利用效率和各生育時期貯水量。計算公式：

SWS=Ws×b×d/10。式中，SWS為土壤貯水量(mm)，Ws為土壤含水量(%)，b為土壤容重(g·cm-3)，d為土壤深度(cm)。

△ET =SWSa-SWSb。式中，△ET為生育期階段耗水量(mm)，SWSa為某生育時期開始時的土壤貯水量(mm)，SWSb位某生育時期結(jié)束時的土壤貯水量(mm)。

1.3.2 干物質(zhì)積累量測定 分別在小麥苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期于各小區(qū)選取10株長勢均勻的植株，烘干后測定植株干重。

1.3.3 SPAD值測定 分別在小麥苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期于各小區(qū)選取3株長勢均勻的植株，通過SPAD-502 plus葉綠素儀測定小麥葉片的SPAD值，每片葉測3個位點，取平均值。

1.3.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測定 灌漿末期，每小區(qū)選取1 m2樣方統(tǒng)計成穗數(shù)，并換算成公頃穗數(shù)；然后，每小區(qū)分別取20株成熟小麥植株進行常規(guī)室內(nèi)考種，考種指標(biāo)包括穗粒數(shù)、千粒重、單株生物量；各小區(qū)單收單打，待曬干后統(tǒng)計產(chǎn)量，并換算成每公頃產(chǎn)量。

1.3.5 水分利用效率計算 WUE=Y/ET，ET=SWSBF-SWSHA+P。式中，WUE為水分利用效率(kg·mm·hm-2)，Y為小麥的籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)；ET為生育期耗水量(mm)，SWSBF為播前土壤貯水量(mm)，SWSHA為收后土壤貯水量(mm)，P為生育期降雨量(mm)。

1.3.6 收獲指數(shù)計算 HI=Yd/DW。式中，HI為收獲指數(shù)，Yd為作物籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)，DW為地上干物質(zhì)總量(kg·hm-2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 19.0和Microsoft Excel 2010軟件分析處理數(shù)據(jù)并制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 增施有機肥對全膜覆土穴播春小麥0～300 cm土壤貯水量的影響

旱地春小麥田0～300 cm土壤貯水量與小麥發(fā)育進程和降雨量關(guān)系密切，增施有機肥可顯著提高全膜覆土穴播春小麥0～300 cm土壤貯水量(圖1)。各處理0～300 cm土壤貯水量在小麥生育前期的變化幅度較??；中后期隨降雨量和作物耗水量的增加，變化幅度增大，其中PMO處理土壤貯水量的增幅大于PMS和CK處理，但整體呈下降趨勢，且PMO處理降幅最小，PMS處理降幅最大。2年試驗期間，PMO處理小麥播種期0～300 cm土壤貯水量較PMS和CK處理分別提高1.45%～9.32%和5.99%～15.23%，而出苗期、抽穗期、灌漿期、成熟期則分別提高2.74%～9.23%和13.69%～18.08%、4.38%～12.62%和11.79%～17.59%、6.10%～17.52%和11.94%～18.31%、7.82%～19.28%和6.25%～16.76%，差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。2017年P(guān)MO處理0～300 cm土壤貯水量較PMS和CK處理的增加幅度顯著高于2016年。

2.2 增施有機肥對全膜覆土穴播春小麥階段耗水量的影響

旱地春小麥生育期階段耗水量與生育進程密切相關(guān)，增施有機肥對全膜覆土穴播春小麥階段耗水量的影響顯著(表1)。2016年，PMO處理在小麥播種-苗期、拔節(jié)-抽穗、抽穗-灌漿階段0～300 cm土壤耗水量分別較PMS處理降低6.57、30.8和5.48 mm，差異顯著(P<0.05)；其在播種-苗期和拔節(jié)-抽穗階段小麥田0～300 cm土壤耗水量分別較CK降低34.50 mm和29.72 mm，差異也達(dá)到顯著水平(P<0.05)。2017年，PMO處理在拔節(jié)-抽穗和抽穗-灌漿階段0～300 cm土壤耗水量分別較PMS處理降低37.03和24.61 mm，差異顯著(P<0.05)；其在播種-苗期、拔節(jié)-抽穗和抽穗-灌漿階段0～300 cm土壤耗水量分別較CK降低13.01、39.22和9.37 mm，差異顯著(P<0.05)。

2.3 增施有機肥對全膜覆土穴播春小麥葉片SPAD值的影響

由圖2可知，增施有機肥對全膜覆土穴播春小麥葉片SPAD值影響顯著，除2016年拔節(jié)期外，其他生育時期春小麥葉片的SPAD值均隨作物生育進程推進呈先增后降的趨勢，在灌漿期達(dá)到最高值。2016年，PMO處理春小麥葉片的SPAD值在苗期、拔節(jié)期和成熟期較PMS處理分別提高0.84%、2.90%和2.39%(P<0.05)；2017年，PMO處理春小麥葉片的SPAD值在苗期、灌漿期和成熟期較PMS處理分別提高3.63%、2.72%和6.26%(P<0.05)。2年試驗期間，PMO處理春小麥葉片SPAD均值在苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期分別較CK處理提高9.34%、6.43%、9.08%、6.94%和13.96%(P<0.05)。說明增施有機肥能顯著提高小麥葉片的SPAD值。

圖1 不同生育時期春小麥田0～300 cm土壤貯水量的變化Fig.1 Soil water storage dynamics in 0-300 cm soil profile at different spring wheat growth stages under different treatments

表1 春小麥不同生育階段0～300 cm土壤耗水量Table 1 Effect of different treatments on soil water consumption at 0-300 cm at different stages of spring wheat

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一年度內(nèi)不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Different letters in each column indicate significant differences among different treatments with in same year at 0.05 level. The same in tables 2 and 3.

2.4 增施有機肥對全膜覆土穴播春小麥地上干物質(zhì)積累量的影響

不同處理對春小麥地上干物質(zhì)積累的影響顯著(表2)。2年試驗期間，PMO處理在春小麥苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期的單株干物質(zhì)積累量均值分別較CK增加220.84%、200.00%、177.86%、117.16%和157.89%(P<0.05)。春小麥生育前期(出苗期和拔節(jié)期)PMO處理的單株干重與PMS處理的差異不顯著(P>0.05)，而生育后期(抽穗期、灌漿期和成熟期)其單株干物質(zhì)積累量顯著高于PMS處理(P<0.05)。說明增施有機肥能明顯促進小麥生育后期的地上干物質(zhì)累積。

2.5 增施有機肥對全膜覆土穴播春小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響

降雨量與春小麥?zhǔn)斋@指數(shù)顯著相關(guān)(表3)，2016年為平水年，PMO處理春小麥?zhǔn)斋@指數(shù)與CK處理差異顯著；2017年為欠水年，PMO處理春小麥?zhǔn)斋@指數(shù)與PMS 和CK處理均無顯著差異 (P>0.05)。分析各處理產(chǎn)量及其構(gòu)成因子發(fā)現(xiàn)，PMO處理春小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均高于PMS和CK處理，且與CK處理間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，產(chǎn)量顯著高于PMS和CK處理(P<0.05)，說明PMO處理的增產(chǎn)表現(xiàn)最佳。

圖2 不同處理春小麥葉片的SPAD值Fig.2 Effect of different treatments on SPAD value of spring wheat leaf 表2 不同處理春小麥單株干物質(zhì)積累量Table 2 Effect of different treatments on dry matter weight per plant of spring wheat g

表3 不同處理下春小麥產(chǎn)量和水分利用效率Table 3 Effect of different treatments on yield and WUE of spring wheat

2年試驗期間，PMS處理生育期耗水量均值較CK處理增加16.8%，差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)；PMO處理產(chǎn)量均值分別較CK和PMS處理增加53.74%和9.11%，差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)；PMO處理和PMS處理的水分利用效率均值分別較CK處理提高54.19%和21.07%，且PMO較PMS處理提高27.39%，差異顯著(P<0.05)。因此，與CK和PMS處理相比，PMO處理能夠顯著提高春小麥產(chǎn)量和水分利用效率。

3 討 論

本研究采用秋覆膜的方式研究有機肥對土壤貯水量的影響，結(jié)果顯示，從播種期到灌漿期，PMO處理與PMS處理麥田0～300 cm土壤貯水量明顯高于CK處理；與PMS和CK處理比較，PMO處理在春小麥抽穗期、灌漿期和成熟期的0～300 cm土壤貯水量明顯提升；2017年降雨較少，偏干旱，PMO處理土壤貯水量的增幅明顯高于其他處理，可能是因為連續(xù)2年增施高量有機肥改善了土壤水分環(huán)境，這與已有研究結(jié)果一致[18-21]。2016年拔節(jié)期，PMO處理麥田0～300 cm土壤貯水量明顯低于PMS處理；在出苗-拔節(jié)階段，PMO處理0～300 cm土壤貯水量明顯低于PMS和CK處理，同時，PMO處理 0～300 cm土壤耗水量也顯著高于PMS和CK處理，這是由于增施有機肥能促進春小麥快速生長，使耗水量增加，由此也說明PMO處理具有較好的土壤水分供應(yīng)能力；在拔節(jié)-抽穗和抽穗-灌漿階段，PMO處理麥田0～300 cm土壤耗水量顯著低于PMS和CK處理，主要是由于該階段降雨集中，PMO處理能有效地利用并儲存降雨；在灌漿-成熟階段，PMO處理麥田土壤貯水量顯著高于PMS處理，但土壤耗水量無顯著差異，表明PMO處理調(diào)節(jié)小麥耗水能力優(yōu)于PMS處理。旱地覆蓋地膜能明顯降低小麥生育后期土壤貯水量[5,12]，這對灌漿將產(chǎn)生限制作用，而PMO處理能提高小麥全生育期的土壤含水量，增強土壤保墑能力，緩解旱地地膜覆蓋作物生長前后期供水不平衡的矛盾，進而促進作物正常生長，這是PMO處理下作物產(chǎn)量增加和水分利用效率提高的關(guān)鍵。

本研究表明， PMO處理小麥葉片的SPAD值在全生育期均顯著高于CK處理，其中，在小麥生育中后期，PMO處理的SPAD值顯著高于PMS處理，這是因為PMO與PMS兩個覆膜處理能明顯提高土壤貯水量和水分利用效率，也與PMO處理增施有機肥，改善了旱地覆膜小麥生長后期土壤水分的供應(yīng)不足等問題有關(guān)。拔節(jié)期和抽穗期是小麥生理需水的關(guān)鍵期、臨界期，此期水分充足，可大幅提高產(chǎn)量。PMO處理從拔節(jié)期到成熟期生物量和土壤貯水量均最高，從抽穗期以后生育期階段耗水量均低于PMS處理，說明全膜覆土條件下增施有機肥能夠提高春小麥生育期供水能力，有效地保蓄降雨和調(diào)節(jié)春小麥生育期需水與土壤供水矛盾，促進生物量積累。因此，PMO處理能夠調(diào)節(jié)作物對土壤水分的利用，提高小麥光合作用且促進植株建成，為小麥獲得高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

本研究中，因降雨量和降雨時期的明顯差異，使得2年試驗期間植株成熟期的生物量有顯著差異，PMO處理的收獲指數(shù)均高于PMS處理。與CK處理相比，PMO處理可顯著提高春小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，PMS能顯著提高春小麥產(chǎn)量，這主要是由于覆膜能有效改善土壤水分狀況，提高水分利用效率[12,17]；與PMS處理相比，PMO處理能有效改善小麥生育中后期的土壤水分狀況，保證作物正常生長，使產(chǎn)量和水分利用效率顯著提高。綜上所述，在全膜覆土穴播條件下增施有機肥能有效提升春小麥生育期土壤貯水量和緩解生育期水分供需矛盾，有效提高各生育期的SPAD值、地上生物量的積累量及水分利用效率，促進產(chǎn)量增加。鑒于有機肥肥效較緩慢，其對土壤水分的長效機制、全膜覆土穴播條件下春小麥田的最佳用量和作用效果以及對土壤養(yǎng)分的調(diào)控機制等，均需要進一步研究探討。