不同氮肥用量配施有机肥对渭北旱塬冬小麦水分利用的影响

金忠宇,翟丙年,于昕阳,闫明灏,李展飞

(1 西北农林科技大学 资源环境学院,陕西 杨凌 712100;2 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西 杨凌 712100)

不同氮肥用量配施有机肥对渭北旱塬冬小麦水分利用的影响

金忠宇1,2,翟丙年1,2,于昕阳1,2,闫明灏1,2,李展飞1,2

(1 西北农林科技大学 资源环境学院,陕西 杨凌 712100;2 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西 杨凌 712100)

【目的】 研究施用氮肥时配施有机肥对渭北旱塬土壤含水量及冬小麦生长的影响，寻求适合该地区的合理的施肥方式，以提高水分利用效率。【方法】 2011-2013年在位于渭北旱塬的陕西白水县，采用大田试验研究不同施氮水平(0，75，150，225，300 kg/hm2)下施用有机肥对0～200 cm土层土壤含水量、贮水量及冬小麦产量、水分利用效率、生理指标等的影响。【结果】 1)各施氮水平下配施有机肥均有利于耕层土壤保水，在增加小麦产量的同时也加剧了0～200 cm土层水分的消耗。2)夏闲期降水量限制了小麦对土壤水分的利用深度，140 cm以上土层土壤含水量随着施氮水平的提高而增大。3)各施氮水平下配施有机肥的小麦拔节期叶片瞬时和潜在水分利用效率更高，在施氮水平为150 kg/hm2时均最高。4)各施氮水平下配施有机肥时小麦扬花期植株各器官含水量均较高，以施氮水平为225 kg/hm2时最高。【结论】 综合考虑产量及环境风险，建议渭北旱塬地区冬小麦种植过程中配施有机肥时施氮量以150 kg/hm2为宜。

旱地；冬小麦；有机肥；氮肥；水分利用

渭北旱塬地区降水少且季节分配不均，60%～75%的年降水量集中在7-9月份[1]，雨季与小麦生育期错位，有灌溉条件的地区较少。因此，改善水分供应状况成为该区农业可持续发展的关键[2]。由于水肥之间具有耦合效应，所以可通过合理施肥来保蓄水分，并提高作物水分利用的土层深度。贾树龙等[3]和杨建昌等[4]研究表明，氮素营养可以改善水分胁迫条件下作物植株体内的水分状况；樊军等[5]认为，干旱条件下增施氮肥可促进作物对土壤深层水分的利用，从而实现增产；郭胜利等[6]研究认为，增施氮肥加重了作物的水分胁迫甚至对地区水文产生不良影响。

有机肥可以改善土壤理化性质，增加降水入渗、抑制蒸发、提高土壤有效水含量、提高作物水分利用率，其保水及增产作用已被众多研究所证实[7-11]。有机肥与化肥配合施用可以调整肥料的C/N，化学氮肥能促进有机氮的矿化，提高有机肥的肥效，而有机氮的存在可促进化学氮的生物固定，减少无机氮的损失。但关于不同施氮水平配施有机肥对旱地土壤水分动态变化及作物生长影响的研究不多。因此，本研究于2011-2013年在渭北旱区进行肥料配比试验，研究不同施氮水平配施有机肥对土壤水分及作物生长的影响，明确适宜该区的氮肥与有机肥配比及其作用效果，以期为旱地的粮食生产及环境安全提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2011-2013年在地处渭北旱塬的陕西省白水县进行。白水县地处东经109°16′～109°45′，北纬35°04′～35°27′，海拔850 m，多年平均降水量577.8 mm，降水年际变化大且主要集中在 7-9月份，年平均气温11.4 ℃，无霜期207 d左右，光照充足，年日照时数达2 616 h，大部分小麦产区无灌溉条件。本研究依据郝明德等[12]提出的划分方法，将小麦收获后7月至翌年6月降水量相累加，2011-2012年为710.1 mm(>636.4 mm)，属丰水年；2012-2013年为391.4 mm(<520.6 mm)，属干旱年(图1)。

图1 2011-2013年陕西白水县的降水量
Fig.1 2011-2013 precipitation in Baishui,Shaanxi

供试土壤为黄绵土，0～20 cm耕层土壤平均养分含量为：有机质14.36 g/kg，全氮0.81 g/kg，速效氮3.7 mg/kg，速效磷9.23 mg/kg，速效钾 177.16 mg/kg(2011年秋布置试验时土样分析值)。

1.2 试验设计

田间小区试验为裂区设计，在施磷(P2O5)90 kg/hm2和钾(K2O)60 kg/hm2的基础上，设5个氮水平为主处理，施氮量分别为0 kg/hm2(N0)、75 kg/hm2(N75)、150 kg/hm2(N150)、225 kg/hm2(N225)和300 kg/hm2(N300)；设施用有机肥(M)和不施有机肥为2个副处理，施用量为17.5和0 t/hm2(2011-2012为鸡粪)及30和0 t/hm2(2012-2013为猪粪)，组成N0、N75、N150、N225、N300、M-N0、M-N75、M-N150、M-N225、M-N300共10个处理，小区面积6 m×10 m，4次重复。

1.3 小麦种植方式与施肥

试验中，小麦播种采用机播，常规平作，行宽15 cm。氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O512%)，钾肥为硫酸钾(含K2O 50%)。2011-2012年施用鸡粪，其含全N 18.3 g/kg，有机质475 g/kg，全P 21.28 g/kg，全K 20.23 g/kg；2012-2013年施用猪粪，其含全N 8.04 g/kg，有机质288 g/kg，全P 12.47 g/kg，全K 14.53 g/kg。70%氮肥播前撒施，30%氮肥拔节期追施，有机肥和磷钾肥于播前一次撒施并翻入土中。供试小麦为晋麦47，播量150 kg/hm2，田间管理同大田。

1.4 样品采集与数据处理

2011-2013年，在9月播种前及翌年6月收获后，用土钻采集试验小区0～200 cm土壤样品(20 cm/层)，采用烘干法测定土壤含水量；0～200 cm土层贮水量通过各土层含水量和容重数据分别计算相加获得，收获前后土壤贮水量差再加上试验期间的降水量即为作物耗水量；拔节期叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度采用LI-6400型光合测定仪测定；小麦扬花期，在各试验小区采集1 m长样段植物样品进行器官分离，并用烘干法测定各器官水分含量；小麦成熟时，在各试验小区选取3个1 m×1 m的代表性样方，单独收割、晾晒，称量生物量后，脱粒计产。

式中：Pn为叶片净光合速率(μmol/(m2·s))，Tr为叶片蒸腾速率(mmol/(m2·s))，Gs为叶片气孔导度(mol/(m2·s))。

数据运用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05数据统计软件进行分析，LSD法进行差异显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤剖面含水量的影响

为研究配施有机肥对土壤含水量的影响，将不同主处理土壤含水量进行平均，对不同副处理土壤含水量进行比较，以下简称“单施处理”和“配施有机肥处理”。图1显示，2011-2012年小麦生育期降水量达710.1 mm，水分成为主要增产因素，小麦对0～200 cm土层水分均有较多消耗。由图2可知，小麦收获时，单施化肥处理和配施有机肥处理0～200 cm土层平均含水量较播前分别降低12.89%和13.74%。高水高肥对小麦的增产作用提高了水分利用的强度和深度，同时由于2012年夏闲期降水不足，使得2012-2013年播前土壤水分的恢复深度仅在140 cm，2012-2013年播前单施化肥处理、配施有机肥处理各土层平均含水量分别较2011-2012年收获后提高了4.57%和4.63%，其中配施有机肥处理的含水量恢复稍多，这与有机肥的保水作用和小麦植株体残留量较高有关，但这种恢复作用也与产量提高所致的土壤水分亏缺较大有关。2012-2013年收获后单施化肥处理、配施有机肥处理各土层平均含水量较2012-2013年播前分别降低了2.81%和2.72%，且主要集中于0～140 cm土层，可见夏闲期降雨量和入渗深度限制了小麦的水分利用量和利用深度。

2013年收获后，单施化肥处理与配施有机肥处理0～200 cm土层含水量变化趋势一致，0～80 cm土层土壤含水量随着土层深度的增加急剧减少，配施有机肥处理土壤含水量仅在0～20 cm土层高于单施化肥处理。2013年收获后，各土层平均含水量，单施化肥处理为10.09%，配施有机肥处理为 9.46%。这种差异的产生与播前含水量不同有关，同时也由于配施有机肥处理的小麦在群体数量、产量、生物量、根系深度上较单施处理大，用于生长和蒸腾的耗水相应也较多。

2013年收获后，对副处理含水量进行平均，对不同主处理进行比较可知，不同主处理0～200 cm土层含水量变化趋势基本一致，呈先降后升趋势(图3)。施氮量为0，75，150，225，300 kg/hm2的各处理，0～140 cm土层平均含水量分别为9.19%，9.21%，9.49%，9.87%和10.17%，可知土壤含水量随着施氮水平的提高而增加，主要是因为不同施氮水平的植株地上和地下部面积不同，从而影响了土壤水分蒸发及降水保蓄。不同施氮处理含水量在80 cm土层左右达到最低，之后含水量随着土层深度的增加逐渐增大，可能是由于干旱年份土壤含水量较低，影响了小麦对于土壤水分的有效利用深度，使得深层土壤水分的调动受到限制。

图2 2011-2013年冬小麦田单施化肥及配施有机肥处理0～200 cm土层含水量的变化
Fig.2 Change of water content at soil depth of 0-200 cm in different vice treatments from 2011 to 2013

图3 2013年冬小麦收获后不同施氮水平0～200 cm土层含水量的变化

2.2 不同施肥处理对土壤贮水量的影响

土壤水分在小麦生育期会以径流、蒸腾、蒸发、入渗等形式损失掉，由于小麦在各施肥处理下的长势不同，不仅植株叶片的蒸腾强度有所差异，小麦植株对地表的覆盖作用也会使以径流、蒸发和入渗形式损失的水分有所不同。

由表1可以看出，经过2年的小麦种植，不同处理间0～200 cm土层贮水量存在差异。耕层(0～20 cm)平均土壤贮水量以配施有机肥处理较高，为 29.08 mm；其次为单施化肥处理，为28.70 mm。主要原因为有机胶体的最大吸水量是黏土矿物的5～10倍，配施有机肥处理耕层土壤平均有机质含量达到13.62 g/kg，高于单施化肥处理(12.86 g/kg)，所以施用有机肥有利于耕层土壤保水。配施有机肥处理0～200 cm土层贮水量普遍低于单施化肥处理，且在施氮量为150 kg/hm2时二者差异达到显著水平。干旱年份(2012-2013年)施用有机肥及干旱胁迫促进了小麦根系的生长，水分利用强度的增大加深了水分亏缺层，深层水分通过毛细作用向浅层移动，消耗了深层土壤水分，造成整体贮水量降低。不同施氮处理0～200 cm土层平均贮水量由高到低表现为225 kg/hm2>300 kg/hm2>150 kg/hm2>0 kg/hm2>75 kg/hm2，分别为267.2，261.1，252.6，248.1，243.9 mm，说明合理的施氮水平有利于土壤水分的保蓄。

表1 2013年冬小麦收获后各施肥处理0～200 cm土层的贮水量Table 1 Water storage at soil depth of 0-200 cm in different treatments after wheat harvest in 2013

注：同行数据后标不同小写字母者表示差异显著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters in each same row mean significant difference at theP<0.05 level.

2.3 不同施肥处理对小麦籽粒产量及水分利用效率的影响

水分是影响干旱和半干旱区植物生长的关键因素，植物对土壤水分的利用通过植物生长发育的差异，反映于作物的产量、生物量和水分利用效率上。

表2 各施肥处理2011-2013年小麦产量、耗水量和籽粒产量水分利用效率Table 2 2011-2013 wheat yield,water consumption and WUE in different treatments

注：同列数据后标不同小写字母者表示差异显著(P<0.05)。下表同。

Note:Different lowercase letters in each same column mean significant difference (P<0.05).The same below.

由表2可知，2011-2012和2012-2013年单施化肥处理籽粒平均产量分别为5 770和2 316 kg/hm2，配施有机肥处理籽粒平均产量分别为6 016和2 660 kg/hm2，配施有机肥处理较单施化肥处理两年分别增产4.26%和14.86%；不论配施有机肥与否，施氮量为150～225 kg/hm2时，小麦产量均较高。2011-2012和2012-2013年，单施化肥处理的平均田间耗水量分别为550.5和226.7 mm，配施有机肥处理的平均田间耗水量分别为572.2和226 mm，不同处理田间耗水量变化与产量的变化趋势并不一致，可见产量并不是衡量作物田间耗水量的唯一指标，配施有机肥处理在丰水年加剧了土壤水分的消耗，干旱年减少了土壤耗水量并实现了增产。2011-2012和2012-2013年，单施化肥处理的平均籽粒产量水分利用效率分别为10.5和 10.28 kg/(hm2·mm)，配施有机肥处理的平均籽粒产量水分利用效率分别为10.52和11.82 kg/(hm2·mm)，干旱年配施有机肥处理的平均籽粒产量水分利用效率较单施化肥处理提高了15%。不论配施有机肥与否，籽粒产量水分利用效率随着施氮水平的提高先增大后降低，丰水年、干旱年籽粒产量水分利用效率分别在施氮量为150和225 kg/hm2时达最大，与产量的变化趋势一致。由此可见，施用化肥及配施有机肥都能提高小麦籽粒产量水分利用效率。

2.4 干旱年不同施肥处理对小麦植株水分代谢的影响

由表3可知，单施化肥处理的瞬时和潜在水分利用效率分别为3.45 g/kg和79.99 μmol/mol，配施有机肥处理的瞬时和潜在水分利用效率分别为4.00 g/kg和91.68 μmol/mol，配施有机肥处理冬小麦的瞬时和潜在水分利用效率比单施化肥处理分别高出15.02%和14.6%。不论配施有机肥与否，瞬时和潜在水分利用效率均随着施氮水平的提高先升后降，并在施氮量为150 kg/hm2时达到最大值。

表3 2012-2013年不同施肥处理冬小麦拔节初期叶片相关生理指标的变化Table 3 Changes of related physiological indicators of winter wheat leaves in different treatments in early jointing stage of 2012-2013

小麦扬花期是植株由营养生长向生殖生长转变的重要时期，小麦耗水决定于土壤的供水能力及植株对土壤水分的吸收能力，在植株含水量方面会有集中反应。由表4可知，单施化肥处理和配施有机肥处理小麦扬花期茎、叶、穗平均含水量分别为 34.89%，4.65%，29.09%和45.9%，7.08%，37.05%，配施有机肥处理茎、叶、穗平均含水量较单施化肥处理分别高出24%，52.3%和27.4%。不论配施有机肥与否，小麦扬花期茎、叶、穗平均含水量随施氮水平的提高总体表现为先升高后降低的变化趋势，并在施氮量为225 kg/hm2时达到最大。可见，合适的施氮水平及配施有机肥均会提高小麦扬花期各器官含水量。

表4 2012-2013年不同施肥处理冬小麦扬花期各器官的含水量Table 4 Water content in different organs of winter wheat in flowering stage of 2012-2013

3 讨论与结论

施有机肥可提高土壤含水量[13-18]，改善土壤养分状况，提高作物水分利用率[19-23]。本研究中，有机肥对小麦水分利用效率的提高作用主要体现在干旱年份，在丰水年份其作用不明显。配施有机肥后耕层(0～20 cm)土壤贮水量有所提高，但0～200 cm土层含水量及贮水量降低，这与相关研究结果有所不同。原因可能是试验第一年为丰水年，高水高肥促进了小麦对土壤水分的利用，同时由于有机肥施用年限短、施用量小，故其对土壤理化性状的改善作用未能充分体现，只在土壤表层产生一定保水效果。本研究中，施用化肥时，配施有机肥在增产的同时土壤水分的总消耗量并未显著增加，且提高了作物籽粒产量水分利用效率，在干旱年份可起到保产作用，这与相关研究结果基本一致[15-16，24]。由于干旱年份土壤水分不足，过量施用的氮肥不能为作物充分利用而残留在土体中，随夏闲期降雨淋溶进入深层土壤后会造成环境污染。结合2011-2013年的试验结果，综合考虑产量和环境风险，本试验条件下配施有机肥时施氮量以150 kg/hm2为宜。

拔节期是小麦生长中心发生转换的关键时期[25]，拔节至扬花阶段干旱对发根的影响最大[26]，大部分小麦抗旱品种会降低蒸腾速率以减少水分消耗，以适应干旱等逆境胁迫[27]。本试验中，施氮水平对拔节期小麦光合作用和呼吸作用会产生影响，施氮量为150 kg/hm2时，不论施用有机肥与否，冬小麦叶片瞬时和潜在水分利用效率均最大；小麦扬花期，配施有机肥处理冬小麦各器官含水量较单施化肥处理高，合理施氮的同时配施有机肥保证了作物扬花后的生殖生长，对产量的形成具有重要意义。

本试验结果表明，丰水年份水分为增产主因，干旱年份养分为增产主因。干旱年份小麦夏闲期播前降水量限制了小麦生育期水分的利用深度和强度，配施有机肥及合理的施氮量对小麦生育期生长与收获期的产量形成均有良好效果，但生育期间的水分胁迫问题还应同时结合秸秆还田、地膜覆盖等有效的保水和改土措施来共同解决，以保证关键时期的土壤水分供应，达到旱地粮食稳产增产的目的。

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Effect of organic manure application combined with nitrogen fertilizer at different rates on water utilization of winter wheat in Weibei Dryland

JIN Zhong-yu1,2,ZHAI Bing-nian1,2,YU Xin-yang1,2,YAN Ming-hao1,2,LI Zhan-fei1,2

(1CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China；2KeyLaboratoryofPlantNutritionandtheAgri-environmentinNorthwestChina,MinistryofAgriculture,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 This research investigated the influence of organic manure and nitrogen fertilizer on winter wheat production in Weibei Dryland to a reasonable fertilization way for the improvement of water utilization efficiency. 【Method】 From 2011 to 2013,an experiment was carried out in Baishui,Shaanxi on Weibei Dryland to investigate the effect of combination of nitrogen fertilizer at different rates (0,75,150,225,and 300 kg/hm2)with organic manure on water content in the soil depth of 0-200 cm,water storage,and yield,water use efficiency and physiological indicators of winter wheat.【Result】 1) The organic manure was beneficial to topsoil for retaining water,it increased winter wheat yield and decreased water consumption in the soil depth of 0-200 cm.2) Precipitation in summer fallow period limited the water use by wheat plants in deep soil layer.The water content above the 140 cm increased as the increase of nitrogen fertilizer rate.3) The leaf water use efficiency and intrinsic water use efficiency in jointing stage of wheat with organic manure were high with the maximum when 150 kg/hm2N was used.4) The water contents of various wheat organs at flowering stage were improved by using organic manure with the maximum level when 225 kg/hm2N was used. 【Conclusion】 Considering the yield and environmental risks,the nitrogen fertilizer rate of 150 kg/hm2N was suggested in combination with organic manure in Weibei Dryland.

dryland;winter wheat;organic manure;nitrogen;water utilization

时间:2015-11-11 16:16

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.12.014

2014-04-10

国家小麦现代产业技术体系建设专项(Z225020803)；国家科教支撑计划项目(2015BAD23B04)；公益性行业(农业)科研专项(201503124)；农业科研杰出人才及其创新团队培养计划项目

金忠宇(1989-)，男，河北秦皇岛人，硕士，主要从事旱地水肥管理研究。

翟丙年(1967-)，男，陕西宝鸡人，教授，博士，主要从事植物营养调控与旱地水肥管理研究。

S512.1+10.62；S512.1+10.1

A

1671-9387(2015)12-0091-08

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20151111.1616.028.html