楊 娜，王 珂，席吉龍，姚景珍，張建誠，黃明鏡，李永山

(1.有機旱作山西省重點實驗室(山西省農(nóng)業(yè)科學院旱地農(nóng)業(yè)研究中心)，太原 030031)2.山西省農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所，山西 運城 044000)

山西省小麥播種面積中60%為旱作[1]，且大部分在晉南[2]，該地區(qū)的氣候特點是“十年九旱”，因此，水是產(chǎn)量的主要制約因子[3]。免耕屬于保護性耕作的一種，2002年農(nóng)業(yè)部在保護性耕作定義中指出，免耕等保護性耕作是提高土壤肥力和抗旱能力的先進農(nóng)業(yè)耕作技術[4]。大量研究表明，免耕能夠增加土壤貯水量，提高水分利用率和作物產(chǎn)量[5,6]。傳統(tǒng)深翻、耙耱保墑等技術在夏季休閑期蓄水率為35.%-38.6%[7]，而免耕和少免耕能減少徑流和蒸發(fā)[8，9]，提高播前土壤有效水分含量[10]。近年來，有機肥與化肥配施是農(nóng)業(yè)研究的主要方向，配施有機肥能夠提高土壤貯水能力和水分利用效率，干旱年份更明顯[11]。前人對免耕和施有機肥綜合技術措施的研究側重于土壤呼吸速率[12]、土壤酶活性[13]、微生物[14，15]等方面，對旱地冬小麥土壤水分生育期變化的研究以不同降水年型[16]、耕作方式[17]間或免耕配施無機肥[18]的研究較多，而對免耕配施有機肥和化肥的水分變化研究報道較少，加之受小麥品種、生態(tài)環(huán)境等的影響，前人研究結果也有一定的地域局限性。因此本研究依托山西省農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所在2007年建立的長期不同耕作和施肥措施的定位試驗，于2018-2019年研究旱地冬小麥的耗水量、水分利用效率和產(chǎn)量對不同耕作和施肥措施的響應，探討旱地冬小麥高效用水的機制，以期為晉南旱地冬小麥長期保護性耕作的推廣和應用提供更多理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于山西省農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所牛家凹試驗農(nóng)場(111.09°E，35.19°N)，位于山西省運城市夏縣。試驗地年平均降雨量525 mm，降雨量年內分布不均勻，6-9月降雨量占全年總降雨量的64.2%，年均氣溫13.5 ℃，無霜期205 d，海拔407.5 m，為溫帶大陸性季風氣候，氣候特點是“十年九旱”。試驗年度休閑期(6月上旬至9月下旬)降雨量為253.1 mm，較多年平均(343.9 mm)少90.8 mm，生育期(10月上旬至次年5月下旬)降雨量為82.7 mm，較多年平均(185.6 mm)少102.9 mm，是典型的干旱年型。試驗地地勢平坦，土壤為黃褐土。試驗年度降水見圖1。

圖1 2018-2019年度降雨量Fig.1 Annual rainfall in 2018-2019

1.2 試驗設計

試驗開始于2007年，種植作物為冬小麥，設定4個處理，分別為：免耕+化肥(收獲時留茬15 cm，小麥休閑期內不擾動土壤，播種、施肥一次完成，NT)、深翻+化肥(收獲時留茬15 cm，7月中旬進行深翻處理，8月中下旬耙耱平整土地，播種、施肥一次完成，T)、免耕+化肥+有機肥(田間操作與NT處理相同，施肥增施有機肥，NTM)、深翻+化肥+有機肥(田間操作與T處理相同，施肥增施有機肥，TM)。每年肥料施入量為：純氮 165 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2、雞糞11 t/hm2。

1.3 測定內容與方法

(1)土壤水分測定。用烘干稱重法測定土壤水分，每10 cm為一個土層測定水分，計算土壤含水量。

土壤貯水量A=WHρ×10/100

式中：W為土壤含水量，%；H為土層厚度，mm；ρ為土壤容重，g/cm3[19]。

各生育期土壤水分測定時間：播前(2018年9月28日)，返青期(2019年3月8日)，孕穗期(2019年4月23日)，灌漿期(2019年5月17日)，收獲(2019年6月2日)。

(2)產(chǎn)量測定。收獲期對每個處理進行單收單打計產(chǎn)。

(3)耗水量計算。

生育期耗水量ET=W0-Wt+I+P+K

式中：W為播前土壤貯水量，mm；Wt為收獲期土壤貯水量，mm；I為灌溉水量。

本研究對象為旱地冬小麥，因此I=0，P為生育期內總降雨量，K為地下水補給量，本地區(qū)地下水位在幾十米以下，故可以忽略不計[19,20]。

某生育階段土壤貯水消耗量(mm)=該生育階段初始土壤貯水量(mm)-該生育階段終止土壤貯水量(mm)[21]

(4)貯水效率。

貯水效率(%)=收獲時土壤貯水量(mm)/生育期降雨量(mm)×

100%[9]

(5)水分利用效率計算。

水分利用效率WUE=Y/ET

式中：Y為冬小麥產(chǎn)量，kg/hm2；ET為小麥生育期總耗水量，mm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用Excel和SPSS21.0進行處理和統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對0～100 cm土壤貯水量和貯水效率的影響

由表1可以看出，長期定位10年后，免耕處理(NTM和NT)0～100 cm土層的播前土壤貯水量顯著高于深翻(T和TM)，NTM和NT處理分別較傳統(tǒng)深翻+化肥處理(T)高46.56 mm和39.38 mm。收獲時(NTM和NT)0～100 cm土層土壤貯水量分別高于傳統(tǒng)深翻(T)18.19 mm和13.28 mm。播種時水分充足有利于根系生長，促進苗全苗壯，保證群體。免耕+化肥(NT)和深翻+有機肥+化肥(TM)均可顯著提高0～100 cm土壤貯水效率，而免耕+有機肥+化肥(NTM)效果最佳。0～50 cm土層免耕+有機肥+化肥模式(NTM)貯水效率增加最顯著，較傳統(tǒng)深翻(T)顯著增加14.98%，其次為免耕+化肥(NT)，比深翻+化肥(T)增加9.27%，深翻+化肥+有機肥(TM)比深翻+化肥(T)增加11.5%。50～100 cm土層不同措施的土壤貯水效率與深翻+化肥(T)相比均有所增加，但處理間差異不顯著。結果表明，免耕和有機肥在小麥生育期增加0～50 cm土壤貯水效率效果明顯，且以免耕+有機肥+化肥(NTM)效果最佳。

表1 不同措施對0～100 cm土層土壤貯水量和貯水效率的影響Tab.1 Effects of different measures on water storage capacity and water storage efficiency of 0～100 cm soil

2.2 不同處理對小麥不同生育期土壤貯水量的影響

由圖2可知，不同處理對各生育期不同土層土壤貯水量的影響趨勢基本一致，即：深翻處理的土壤貯水量在小麥各生育時期均低于免耕處理。播前0～50 cm土層各處理土壤貯水量差異不顯著，而50～100 cm和0～100 cm土層土壤貯水量表現(xiàn)為NTM>NT>T>TM，且免耕處理(NTM和NT)顯著高于深翻(T和TM)；2-3月試驗區(qū)降雨量稀少，返青期0～50 cm土層土壤貯水量表現(xiàn)為NT>NTM>T>TM，NT和NTM差異不顯著，50～100 cm和0～100 cm土層土壤貯水量表現(xiàn)為NTM>NT>T>TM，其中NT和NTM差異不顯著；而4-5月試驗區(qū)降雨較為充足，孕穗期、灌漿期和成熟期各處理的土壤貯水量差異不顯著。說明干旱條件下免耕的土壤貯水效果更明顯。

圖2 不同措施對各生育期不同土層土壤貯水量的影響Fig.2 effects of different measures on soil water storage in different soil layers in different growth periods 注：不同字母表示同一土層同一生育期不同處理在0.05水平差異顯著。下圖同。

2.3 不同處理對冬小麥各生育階段不同土層土壤貯水消耗量的影響

由圖3可知，不同處理對不同生育階段不同土層土壤貯水消耗量的影響不同。不同處理對不同生育階段0～100 cm土層土壤貯水消耗量的影響為：播種至成熟整個生育期0～100 cm土層土壤貯水消耗量大小為NTM>NT>T>TM，其中免耕+有機肥+化肥(NTM)和免耕+化肥(NT)處理差異不顯著，二者與T和TM處理相差約26.1～53.8 mm，T和TM處理間相差25.4 mm；播前至返青期以NTM處理最大，返青至孕穗以NT最大，但與NTM差異不顯著，孕穗至成熟以T處理消耗最大。不同措施對不同生育階段0～50 cm土層土壤貯水消耗量表現(xiàn)為：播種至成熟全生育期土壤貯水消耗量大小為NT>T>TM>NTM，其中NT和T處理土壤貯水消耗量基本相同，二者與TM和NTM處理相差約5 mm；播種至返青階段以TM消耗最大，T處理與其差異不顯著，NTM與NT處理消耗量比T和TM少約15～16 mm；返青至孕穗階段以NT最大；孕穗至灌漿為負值；灌漿至成熟以T處理最大。不同措施對不同生育階段50～100 cm土壤貯水消耗量的影響為：播種至成熟全生育期、播種至返青階段和返青至孕穗階段土壤貯水消耗量大小均為NTM>NT>T>TM，且三個階段免耕處理(NTM和NT)土壤貯水消耗量顯著高于深翻處理(T和TM)，但NTM和NT處理間差異不顯著。孕穗至灌漿階段各處理不同土層土壤貯水消耗量均為負值，主要是由于孕穗至灌漿階段充足降雨所致，但各處理間差異不顯著。灌漿至成熟階段各處理不同土層土壤貯水消耗量均較小。綜合以上分析表明，0～100 cm土層土壤貯水消耗量以免耕+有機肥+化肥(NTM)處理最大，免耕+化肥(NT)次之，二者之間差異不顯著，0～50 cm土層處理間土壤貯水消耗量差異不顯著，而50～100 cm土層土壤貯水消耗量表現(xiàn)為免耕顯著高于深翻，說明免耕有利于提高冬小麥對深層土壤水分的利用。

圖3 不同處理對各生育時期不同土層土壤貯水消耗量的影響Fig.3 Effects of different measures on water storage consumption of soil in different soil layers in different growth periods

2.4 不同處理對小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

由表2可知，經(jīng)過10年長期定位，2018-2019年度NTM和NT處理生育期耗水量較T處理增加17.91%和16.46%。不同處理冬小麥產(chǎn)量大小為NT>T>NTM>TM，免耕+化肥(NT)處理的產(chǎn)量顯著高于其他處理26.72%-161.27%，T和NTM處理產(chǎn)量差異不顯著，深翻+有機肥+化肥(TM)產(chǎn)量最低；水分利用率從大到小與產(chǎn)量表現(xiàn)一致，范圍在5.12～12.43 kg/(hm2·mm)之間，其中最高的是免耕+化肥(NT)，為20.56 kg/(hm2·mm)，較深翻+化肥(T)處理增加了1.66 kg/(hm2·mm)；所有處理中增施有機肥處理水分利用率均較僅施化肥處理低。2018-2019年度為干旱年，說明在干旱年型，化肥施用量不變時增施有機肥并未使旱地冬小麥水分利用率提高。耕作方式間水分利用率和產(chǎn)量以免耕處理(NTM、NT)較高，這是由于休閑期免耕減少了前期的水分蒸發(fā)，增加了水分從無效消耗向有效消耗的轉變，從而提高了水分利用率[13]。

表2 不同處理耗水量及水分利用率(2018-2019年)Tab.2 WUE and ET of different treatments(2018-2019)

2.5 產(chǎn)量及構成因素與貯水量、耗水量的相關性分析

由表3可知，生物產(chǎn)量與播前土壤貯水量和生育期耗水量顯著正相關，生物產(chǎn)量與播前土壤貯水量的決定系數(shù)為0.91，與生育期耗水量的決定系數(shù)為0.94；同時，播前土壤貯水量與穗數(shù)存在極顯著的相關性，決定系數(shù)為0.98，說明播前土壤貯水量對旱地冬小麥的穗數(shù)具有重要作用。而生育期耗水量與產(chǎn)量、穗數(shù)和千粒重存在顯著的相關性，生育期耗水量與產(chǎn)量的決定系數(shù)為0.82、與穗數(shù)的決定系數(shù)為0.84、與千粒重的決定系數(shù)為0.98，說明生育期耗水量對千粒重的影響最大。

表3 產(chǎn)量與土壤貯水量耗水量的相關性Tab.3 correlation between yield and soil water storage and consumption

3 討 論

3.1 免耕和有機肥對土壤貯水效率的影響

受全球氣候變暖的影響，總降水量減少[22]，干旱程度加重。前人的大量研究表明免耕能夠減緩干旱對小麥生產(chǎn)的影響：免耕能夠提高土壤蓄水量[23],干旱少雨條件下免耕蓄水保墑效果更明顯[24]，劉樹堂等[25]研究認為有機肥和無機肥配施能夠增加土壤的保水性。本研究2018-2019年度結果表明，免耕+有機肥+化肥(NTM)和免耕+化肥(NT)播前0～100 cm土壤貯水量顯著高于深翻+化肥(T)，主要是由于50～100 cm土層土壤貯水量顯著增加所致；0～100 cm土層免耕+有機肥+化肥(NTM)和免耕+化肥(NT)比深翻+化肥(T)生育期土壤貯水效率提高22%和16.06%，深翻+有機肥+化肥(TM)土壤貯水效率比深翻+化肥(T)高11.5%。免耕能夠減少地表徑流[26]和土壤侵蝕[27]，提高土壤貯水量[28]。長期定位免耕增加了播前0～100 cm土層土壤的貯水量，尤其是50～100 cm土層土壤貯水量，有利于冬小麥生根、發(fā)芽，促進小麥苗全苗壯，為產(chǎn)量提供群體保證。

3.2 免耕和有機肥對旱地小麥水分消耗和產(chǎn)量的影響

本研究結果表明，4種耕作和施肥模式下，旱地冬小麥生育期耗水規(guī)律基本一致，免耕和有機肥使旱地冬小麥播前-返青階段的土壤貯水消耗量降低，返青-孕穗階段土壤貯水消耗量增加，生育期總耗水量增加。免耕的增產(chǎn)趨勢明顯，在干旱年份最顯著[4]。水分和養(yǎng)分之間存在強烈的交互作用，水分既能影響土壤養(yǎng)分的有效性，也能影響對作物生長以及養(yǎng)分吸收等，從而影響產(chǎn)量。本試驗年度為干旱年，免耕+化肥(NT)較傳統(tǒng)深翻+化肥(T)產(chǎn)量增加26.72%，而免耕+化肥+有機肥(NTM)與傳統(tǒng)深翻+化肥(T)產(chǎn)量差異不顯著，深翻+有機肥+化肥(TM)產(chǎn)量低于深翻+化肥，這可能是由于干旱年份土壤水分虧缺，而養(yǎng)分含量較高，水分與養(yǎng)分的協(xié)同性減弱，影響冬小麥植株對養(yǎng)分的吸收，導致成熟期籽粒中氮素積累量減少，產(chǎn)量降低[29]。李科等[30]認為有機肥與無機肥配合比例不恰當，會導致水分利用率降低，同時肥料之間的協(xié)同作用也不能充分發(fā)揮，增產(chǎn)效果不顯著，甚至還會減產(chǎn)。說明有機肥和化肥配施比例和降雨年型對旱地小麥產(chǎn)量都有重要影響。

4 結 論

(1)長期定位免耕和施有機肥提高生育期0～100 cm土層土壤貯水效率，免耕+有機肥+化肥效果最明顯。免耕增加旱地冬小麥生育期耗水量，提高土壤水分利用率。免耕增加0～50 cm土層土壤貯水效率的效果優(yōu)于50～100 cm土層，4種耕作和施肥模式中以免耕+有機肥+化肥(NTM)模式生育期貯水效率最高。說明免耕和有機肥對提高旱地冬小麥生育期貯水效率具有重要作用。

(2)4種耕作和施肥模式下，2018-2019年度免耕+有機肥+化肥(NTM)和免耕+有機肥(NT)，增加了播前土壤貯水量，促進穗數(shù)和千粒重的增加，但由于試驗年度干旱造成水分虧缺，造成免耕+有機肥+化肥(NTM)模式水分與養(yǎng)分的協(xié)同作用減弱，產(chǎn)量反而降低。因此，旱地冬小麥施肥量應依據(jù)不同年型進行適量增減或改變有機肥與無機肥配施比例，既能達到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的，又能高效利用資源。