灌溉与施氮对留茬免耕春小麦耗水规律、产量和水分利用效率的影响

刘青林，张恩和＊，王琦，王田涛，刘朝巍，尹辉，俞华林

（1.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州730070；2.甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州730070；3.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 冻土工程国家重点实验室 青藏高原冰冻圈观测试验研究站，甘肃 兰州730000）

石羊河流域是甘肃省河西走廊三大内陆河流域之一，位于甘肃省河西走廊地区东部，祁连山北麓，与巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠相邻，属于干旱区，光热条件好，昼夜温差大，绿洲和荒漠对峙、并存而组成复合体，绿洲面积虽仅占干旱区土地面积的4%～5%，却集中了该地区90%以上的人口与95%以上的社会财富［1］。农业是石羊河绿洲的主要产业支柱，农业生产主要依赖于地下水和地表水灌溉，农业用水量占水资源利用总量的70%～90%［2］。然而，不合理灌溉、施肥和气候变化等因素引发绿洲萎缩、土地沙漠化、水资源供需矛盾、地下水位下降和水质恶化等一系列社会经济问题［1，2］。

甘肃省石羊河流域武威灌区常年平均降水量164mm，主要集中在夏季，春小麦生育期（3－7月）降水量不能满足生长发育需求，并且开花后易受干旱、干热风等不利因素的影响。该研究区春小麦（Triticum aestivum）生育期灌水4～5次，灌溉量达到327～350mm［3］。灌水次数多和灌水量大影响作物对土壤水分的吸收利用，导致大量水分移至根系层下，植物无法吸收利用，造成水资源浪费和地下水质恶化［4］。在不引起作物减产和硝态氮淋溶的条件下，减少灌水量和提高灌溉水利用效益已成为石羊河流域农业发展最急迫的任务。

留茬免耕保护性耕作技术是以免耕播种机为主要作业机具，通过对农田实行免耕技术，用立茬覆盖地表，不进行冬灌，翌年不进行土地耕翻，直接使用免耕播种机一次性完成开沟、施肥、播种、覆土、镇压的一种新型的播种技术。大量研究证明，留茬免耕保护性耕作技术能减少土壤风蚀，减少地面水分蒸发，降低农业生产成本，提高水分利用效率，改善土壤结构，增加土壤肥力，提高作物产量，是农业可持续发展的一项重要措施［5－7］。冯福学等［8］研究结果表明，秸杆立茬处理播种期的0～150cm土壤贮水量比传统耕作增加1～35mm，收获期增加5～39 mm，冬小麦产量增加4%～17%，水分利用效率提高8%～18%。

我国多数研究者在留茬免耕条件下，研究耕作方式、灌水量、灌水时期等因素对小麦产量和水分利用效率的影响，有关不同灌溉与施氮对土壤水分状况、作物耗水强度、产量和水分利用效率影响的综合研究相对较少，尤其在石羊河流域绿洲灌区。为此，在甘肃省武威市凉州区设立留茬免耕保护性耕作条件下的大田试验，研究不同灌溉和施氮对春小麦土壤水分含量、植株耗水量、籽粒产量和水分利用效率的影响，为进一步完善留茬免耕技术和水肥管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2009年3－7月在甘肃省武威市凉州区甘肃农业大学武威试验站（101°49′E，36°29′N）进行，该区位于甘肃河西走廊东端，属于温带大陆性干旱气候，多年平均降水量为164mm，主要集中在7－9月，依赖石羊河和地下水灌溉，常年平均地下水位25～30m，地下水补给到作物根系层的补给量忽略不计。供试土壤为灰钙质轻砂壤土，0～40cm土层土壤全氮0.94～1.16g／kg，全磷0.47～0.48g／kg，全钾7.70～9.27g／kg，速效磷38.54～43.90mg／kg，速效钾125.80～145.23mg／kg，有机质含量120.49～135.86g／kg。

1.2 试验设计与管理

试验采用裂区设计，3个主区灌溉量水平分别为常规灌溉（I1.0）、节水20% 灌溉（I0.8）和节水40% 灌溉（I0.6），不包括生育期降水量，4个副区施 N 水平分别为 N0、N140、N221和 N300（折合纯氮0，140，221和300 kg／hm2），I1.0为灌溉水平对照，N0为施氮水平对照，灌溉主区随机排列，每个主区随机布置4个施氮水平。为了消除小区之间水分与N素侧向移动，主区之间设置1.25m人行道，副区之间设置1m走道。2009年春小麦全生育期3个灌溉量分别为327，261和196mm。灌溉水源为附近井水，采用压管将井水灌入田间，用水表进行计量，地下水氮含量忽略不计。气象资料由距试验地50m的自动气象站提供，2009年春小麦生育期降水量为31.7 mm。灌水量及灌水时间和施氮量及施氮时间见表1。

1.3 种植管理

2008年春小麦机械收获后，留茬高度为25～30cm，不进行冬灌，2009年土地不进行翻耕，直接播种小麦。为了保证各处理出苗的均匀性，播种前6d（2009年3月18日）各小区进行等量灌溉，灌水量为60mm。春小麦播种时间为2009年3月24日，品种为永良4号，播种量为337.5kg／hm2，行距15cm，种子与基肥采用条播方式施入，为了保证播种的均匀性，称取每行播种量，按行播种，施入土壤深度为5cm，基肥纯P（过磷酸钙，含P2O516%）和纯K（硫酸钾，含K2O为30%）用量分别为41和39kg／hm2。5月10日和6月10日手工除草2次，7月15日收获。

表1 灌水量及灌水时间和施氮量及施氮时间Table 1 Rate and date of nitrogen and irrigation supply

1.4 样品采集及测定

春小麦收获期，每一小区去除0.5m边行，进行人工脱粒，测定春小麦籽粒产量。土壤0～120cm含水量采用烘干法测定，测定日期为播种前1d、收获后1d、灌水前24h和灌溉后24h，按20cm分层。土壤贮水量、耗水量、耗水强度和水分利用效率计算方法如下［9］：

式中，WU为春小麦生育期耗水量 （mm），P为生育期降水量（mm），I为生育期内灌溉量 （mm），ΔW为土壤供水量（mm），即播种前与收获后两时段0～120cm土壤贮水量的差值。

1.5 数据分析

利用完全随机模型分析灌溉与施氮对春小麦土壤含水量、贮水量及耗水强度的影响，采用SPSS 15.0与Excel软件进行方差分析和显著性检验；方差分析多重比较用Duncan法（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 灌溉和施氮对土壤含水量的影响

在同一施氮水平下，将灌水前24h和收获后24h测定不同灌溉处理的土壤水分含量求平均值（共计4次），得到灌溉I0.6、I0.8和I1.0的平均土壤含水量分布图1（灌溉之间－灌水前）；在同一灌溉水平下，将灌水前24h和收获后24h测定不同施氮处理的土壤水分含量求平均值，得到施氮N0、N140、N221和N300的平均土壤含水量分布图1（施氮之间－灌水前）。同理，得到灌水后24h和播种前24h测定的不同灌溉处理平均土壤含水量的分布图1（灌溉之间－灌水后）和不同施氮处理平均土壤含水量的分布图1（施氮之间－灌水后）。

图1 灌溉和施氮对土壤剖面平均土壤含水量的影响Fig.1 Effect of irrigation and nitrogen supply levels on averaged soil water content in soil profiles

在0～80cm土层深度，灌溉前3个灌溉处理之间土壤水分含量变化不明显（图1）；在80～120cm土层深度，常规灌溉的土壤水分含量明显高于节水20%灌溉，节水20%灌溉的土壤水分含量明显高于节水40%灌溉。灌水前24h不同施氮处理之间的土壤水分含量变化不明显。灌溉前24h和收获后24h土壤含水量反映灌溉水经过长期渗漏、植物蒸腾和土壤蒸发后土壤水分状况，结果显示灌溉对深层（80～120cm）土壤水分有明显增加作用。植物蒸腾和土壤蒸发量较大，使不同灌溉之间浅层土壤（0～80cm）含水量相差不明显。施氮影响作物生长和对土壤水分吸收，经过试验测定，施氮对灌溉前24h，0～120cm土壤水分影响不明显。灌水后24h和播种前24h结果显示，在0～80cm土层深度，常规灌溉的土壤水分含量明显高于节水20%灌溉，节水20%灌溉的土壤水分含量明显高于节水40%灌溉；在80～120cm土层深度，3个灌溉处理之间土壤水分含量变化不明显。在0～120cm土层深度，4个施氮处理之间土壤水分含量变化不明显。灌水后24h内植物蒸腾量和土壤蒸发量相对较低，灌水后土壤水分含量反映灌溉水经过短期渗漏后土壤水分状况，较大灌溉使田间含有较大土壤水分。试验田地处干旱区，光照充足，大量土壤水分随地面蒸发和植物蒸腾而消耗，使灌溉前24h不同灌溉处理浅层土壤含水量相差不明显，土壤含水量只有在深层土壤有差异。刘浩等［10］研究指出，植物植株间蒸发主要受浅层土壤水分控制，灌水后蒸发强度随灌水量变化较为明显，随着土壤浅层含水量的减少，蒸发速度降低。试验开始测定结果［11］显示，80～120cm土层土壤容重（1.69g／cm3）较大，结构致密，土壤颗粒之间的空隙较小，水分运动阻力较大，形成一个隔水层，浅层（0～80cm）土壤水分随灌溉量增加而增加。

2.2 灌溉和施氮对土壤贮水量的影响

土壤贮水量是土壤水分收支平衡状况的综合反映，水分收入大于支出，土壤贮水量增加，反之则降低。灌水量显著影响小麦生育期内土壤贮水量，总体趋势为土壤贮水量随灌溉量增加而增加（表2）。同时，土壤贮水量随着小麦生育进程推进呈逐渐降低的趋势，小麦成熟期土壤贮水量达到最低。

表2 灌溉与施氮对小麦不同生育期土壤贮水量的影响Table 2 Effect of irrigation and nitrogen supply levels on soil water storage at different growth stages mm

从3月24日（播种期）到5月2日（拔节期），没有进行灌水，水分主要由土壤底墒水提供，植株生长较慢，对氮素和水分的吸收较少，各灌溉处理之间和各施氮处理之间的土壤贮水量差异不显著。

抽穗期（5月25日）和灌浆期（6月14日），植株生长旺盛，水肥需求量较大，同时气温较高，蒸散量较强，水肥供应量显著影响土壤贮水量，从而影响植株生长。就平均施氮水平而言，土壤贮水量随灌溉量增加而显著增加。在同一灌溉水平下，不施氮处理的土壤贮水量显著高于施氮处理。说明适当增施氮肥促进抽穗期和灌浆期植株对土壤水分的吸收，从而使施氮处理土壤贮水量显著低于不施氮处理。

成熟期（7月15日），平均施氮水平下，常规灌溉处理的土壤贮水量显著高于节水40%灌溉和节水20%灌溉，节水40%灌溉与节水20%灌溉之间差异不显著。同一灌溉水平下，不同施氮处理之间土壤贮水量差异不显著；灌水和施肥对成熟期土壤贮水量影响小于抽穗期和灌浆期，成熟期过多水肥投入造成资源浪费，引发生态问题。

2.3 灌溉和施氮对小麦耗水强度的影响

在播种－拔节期，地温较低和植株弱小，春小麦耗水强度最低，平均值为0.84mm／d，灌溉处理之间和施氮处理之间的耗水强度相差不显著（表3）。从春小麦全生育期来看，抽穗－灌浆期的耗水强度最大，说明小麦抽穗后籽粒形成和灌浆是小麦对水肥需求关键期，在小麦田间管理上，应重视这一时期的水肥供应，从而增加籽粒产量，提高水分利用效率。

表3 不同处理对小麦各生育期耗水强度的影响Table 3 Water consumption rate at different growth stages as affected by irrigation rates and nitrogen ratesmm／d

在拔节－抽穗期，就平均值而言，耗水强度随灌水量的增加而显著增加。施氮300kg N／hm2和施氮221kg N／hm2的耗水强度显著高于不施氮处理，施氮处理之间的耗水强度差异不显著。在抽穗－灌浆期和灌浆－成熟期，耗水强度随灌水量的增加而显著增加，施氮对耗水强度影响不显著。就全生育期平均值而言，耗水强度随灌水量的增加而显著增加，次序是常规灌溉＞节水20%灌溉＞节水40%灌溉，施氮对耗水强度影响不显著。灌溉促进植物生长，增加蒸腾耗水和蒸散损耗，使常规灌溉的全生育期耗水强度比节水20%灌溉和节水40%灌溉分别提高9.3%和26.6%。施氮对小麦整个生育期耗水强度无显著影响。

2.4 灌溉与施氮对水分利用效率的影响

水分利用效率是描述作物籽粒产量与水分利用关系的重要指标。在同一灌溉水平下，将4个施氮处理的水分利用效率求均值，得到I1.0、I0.8和I0.6处理的平均水分利用效率；在同一施氮水平下，将3个灌溉处理的水分利用效率求均值，得到施氮N0、N140、N221与N300的平均水分利用效率。田间试验结果表明，就平均施氮水平而言，各灌溉的水分利用效率变化范围为13.61～13.97kg／（hm2·mm），不同灌溉之间的水分利用效率差异不显著。甘肃省河西地区光照充足、气温较高、蒸发量较大，常规灌溉并不能使土壤水分长久保持在土壤中，通过田间蒸发损耗较多的灌溉水。灌水量越大，耗水量越多，使不同灌溉水平之间的水分利用效率相差不显著。增加灌水量只是增加了农田的总耗水量，对提高作物水分利用效率没有明显作用。在平均灌溉水平下，水分利用效率随施氮量增加先增加后降低，施氮量达到221kg N／hm2时，春小麦水分利用效率达到最大值（14.51kg／hm2·mm），当施氮量超过221kg N／hm2时，水分利用效率不再增加，并且显著降低。施氮对耗水强度影响不显著，但施氮对水分利用效率影响显著（表3，图2）。由此可见，施用氮肥并没有增加植株的耗水量，而显著增加了籽粒产量，从而提高水分利用效率。

图2 灌溉与施氮对水分利用效率的影响Fig.2 Effect of irrigation and nitrogen supply levels on water use efficiency

图3 春小麦产量与灌溉量的回归方程Fig.3 The regression equation for grain yield（Y）and irrigation rate（I）at 4nitrogen rates

2.5 灌溉与施氮对春小麦产量的影响

在各施氮水平下，将春小麦籽粒产量与灌溉量进行回归分析，得到籽粒产量（Y）与灌溉量（I）的线性关系（图3），通过直线回归方程可以看出，产量（Y）与灌溉量（I）之间具有较好的相关性（R2＝0.938～0.974），春小麦籽粒产量随灌溉量增加而增加，常规灌溉、节水20%灌溉和节水40%灌溉的平均籽粒产量分别为6 758，6 245和5 108kg／hm2。常规灌溉处理籽粒产量比节水20%灌溉和节水40%灌溉分别增加8.2%和32.2%。充足的灌水促进营养器官的生长代谢和干物质的积累运移，增加籽粒产量；节水灌溉降低土壤养分的有效性，影响小麦对养分的吸收、转运、转化和同化，最终影响小麦的籽粒产量。

对3个灌溉水平下籽粒产量与施氮量进行回归分析，得到I1.0、I0.8与I0.6灌溉水平下的产量（Y）与施氮量（N）呈二次抛物线方程（图4），产量（Y）与施氮量（N）之间的相关性较好（R2＝0.751～0.888）。试验表明，当施氮量小于221kg N／hm2时，小麦籽粒产量随施氮量增加而增加；当施氮量超过221kg N／hm2时，籽粒产量随施氮量增加不再显著增加。就平均值而言，施氮221kg N／hm2的籽粒产量比施氮0，140和300kg N／hm2分别增加12.1%、6.2%和4.1%。说明适当施氮促进植株光合产物和矿质营养物质的运移和积累，有利于籽粒产量形成，而过量施氮超过作物生长需求，不能被作物有效吸收利用，从而造成部分氮素在土壤中积累，增加硝态氮淋溶的危险。

图4 春小麦产量与施氮量的回归方程Fig.4 The regression equation for grain yield（Y）and nitrogen rate（N）at 3irrigation rates

3 讨论

Bailey［12］研究表明，大部分谷物的根系分布在0～120cm土层，甜菜（Brassica campestris）根系分布在0～160cm土层，0～120cm土层是谷物土壤水分消耗的源和土壤水分蓄积的库。郑成岩等［13］研究表明，增加灌水量会抑制冬小麦对100～180cm土层土壤水分的利用，但增施氮肥会提高小麦对0～80cm土层土壤水分的利用，增加灌溉量和施肥量会增加土壤耗水量。本研究结果表明，河西绿洲灌区春小麦生育期（3－7月）降水量少（2009年春小麦生育期降水量31.7 mm）、气温较高和蒸发量较大，耕层土壤水分除供给作物生长吸收外，剩余水分通过渗漏、地面蒸发和植物蒸腾消耗，当灌溉量超过作物需水量时，增加灌水量造成水分浪费。增加灌水量影响灌水前24h深层（80～120cm）土壤含水量和灌水后24h浅层（0～80cm）土壤含水量，施氮处理对深度（0～120cm）土壤含水量影响不显著。Angadi和Entz［14］研究表明，作物根系主要集中在0～80cm土层，土壤轻度干旱时，根系在80～100cm土层的分布明显增多，根系向深层土壤发育有利于吸收较多的水分，增加植株对深层土壤水分的吸收利用。

在春小麦拔节－抽穗期，小麦根、茎、叶继续生长，扩大营养体以增强光合作用，同时植株的生长中心由营养生长转入生殖生长，需要大量养分和水分。抽穗－灌浆期是小麦营养和生殖生长并进阶段，该阶段气温较高，蒸腾和蒸发量较大，该时期是春小麦需水关键期［15］。水肥供应不仅影响植株抽穗期的根系发育、叶片生长、养分吸收，而且影响作物成熟期的生物量及经济产量［16］。本试验条件下，就全生育期而言，土壤贮水量和植株耗水强度均随灌水量的增加而增加，不施氮处理的土壤贮水量高于施氮处理，施氮对植株耗水强度影响不显著。增施氮肥可提供给作物更多的氮素养分，使根系生长旺盛，功能增强，加速土壤水分的消耗，降低土壤贮水量。

水分是影响土壤养分转化及作物吸收养分的重要因素。灌溉是小麦高产的重要保证，并不是灌溉水越多，产量和WUE就越高［17］。陈晓远和罗远培［18］认为在小麦孕穗、抽穗、开花和灌浆的需水高峰期，充足水分供应能增加穗粒数并提高粒重。本试验条件下，常规灌溉保证生育关键时期土壤水分的供应，促进植株生长旺盛。在平均施氮水平下，常规灌溉处理的平均籽粒产量（6 758kg／hm2），分别比节水20%灌溉和节水40%灌溉增加8.2%和32.2%。较高的蒸散量使不同灌溉水平之间的水分利用效率相差不显著，说明适宜灌溉促进作物生长，加速营养物质运移和光合产物积累，有利于提高作物产量，大量灌溉增加蒸发和蒸腾耗水，不利于土壤水分的有效保持。甘肃石羊河流域绿洲灌区是极端干旱的沙漠地区，水资源不足是该区域农业生产发展的主要限制因素［19］。尽管常规灌溉处理的产量最高，但在水分利用效率相同的情况下，节水20%灌溉比常规灌溉减少灌水量66mm，常规灌溉比节水20%灌溉处理增产8.2%是以牺牲25.3%灌溉水为代价，从生态环境和经济效益方面综合考虑，节水20%灌溉更符合当地农业生产实际。

蒿宝珍等［20］的研究结果表明，适量增施氮肥可以提高叶片叶绿素含量，改善光合性能，提高叶片净光合速率，延缓叶片衰老，有利于小麦生育后期维持一定的光合面积和光合时间，促进籽粒灌浆，而过量施氮则不利于营养器官中的碳水化合物向籽粒转移，最终导致产量降低。本研究结果表明，施氮221kg N／hm2的籽粒产量比不施氮和施氮140kg N／hm2分别增产12.1%和6.2%；当施氮量超过221kg N／hm2时，增施氮肥提高作物叶面积指数，加速土壤水分消耗，降低光合产物从营养器官向生殖器官的转移，导致施氮300kg N／hm2的产量比施氮221kg N／hm2降低4.1%。虽然施氮不能显著增加小麦生育期内植株耗水量，但适宜施氮量（221kg N／hm2）显著增加春小麦籽粒产量，从而有利于水分利用效率的提高。

4 结论

灌水后24h和播种前24h结果显示，浅层（0～80cm）土壤水分随灌溉量增加而增加，灌溉对深层（80～120 cm）土壤水分影响不显著。灌水前24h和收获后24h结果显示，深层土壤水分随灌溉量增加而增加，灌溉对浅层土壤水分影响不显著。灌水前和灌水后结果显示，施氮对土壤水分影响不显著。就全生育期平均值而言，耗水强度随灌水量的增加而显著增加，次序为常规灌溉＞节水20%灌溉＞节水40%灌溉，施氮对耗水强度影响不显著。较高的蒸散量使不同灌溉水平之间的水分利用效率相差不显著，各灌溉的水分利用效率变化范围为13.61～13.97kg／（hm2·mm），但节水20%灌溉比常规灌溉减少灌水量66mm。在平均灌溉水平下，水分利用效率随施氮量增加先增加后降低，施氮量达到221kg N／hm2时，春小麦水分利用效率达到最大值（14.51kg／hm2·mm）。春小麦籽粒产量随灌溉量增加而增加，常规灌溉的平均籽粒产量比节水20%灌溉和节水40%灌溉分别增加8.2%和32.2%。当施氮量超过221kg N／hm2时，春小麦籽粒产量达到最大值（6 365kg／hm2），就平均值而言，施氮221kg N／hm2的籽粒产量比施氮0，140和300kg N／hm2分别增产12.1%，6.2%和4.1%。在甘肃省石羊河流域绿洲灌区，从经济、生态和环境等方面综合考虑，适用于留茬免耕农田的水肥组合是节水20%灌溉和施氮221kg N／hm2。

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