耕作方式与长期定位施肥对雨养农田冬小麦产量的调控效应

张建军，樊廷录，赵刚，党翼，王磊，王勇，李尚中,程万莉

(1.甘肃省农业科学院旱地农业研究所，甘肃 兰州 730070;2.甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室，甘肃 兰州 730070)

黄土高原旱地是西北重要的农作物种植区，不仅农作物种类多，耕作方式也多种多样[1]。作物产量是衡量一种耕作方式好坏的主要标志之一[2]。施肥是影响土壤质量演化及其可持续利用最为深刻的农业措施[3]，长期定位试验能够系统的研究土壤肥力演变和肥效变化规律，科学评价种植制度与施肥技术体系的效应。大量长期试验[4-7]明确了化肥和有机肥对作物的增产效果，但也有研究认为，长期施肥条件下作物产量主要受施肥模式、耕作栽培制度、土壤质量等多个因素的综合作用[8]。关于耕作制度对作物产量影响的研究表明，免耕和轮作[9-13]可不同程度地提高作物产量，也有研究认为多年免耕导致减产[14-15]。

国内的长期定位试验起步较晚，且多数为不同肥料单施及配施的定位试验，涉及耕作方式、肥料及其互作的长期定位试验甚少。尽管在陕西长武和甘肃高平等类区已有关于长期定位施肥对作物产量影响的一些共性结论[16-17]，但因生产年型、肥料种类及施用方式、耕作制度等的不同均会引起产量及其性状的显著变化。鉴于此，本课题组在陇东黄土高原半湿润偏旱区进行了不同肥料种类与耕作制度对作物产量及产量性状影响的长期定位试验(始于2005年)。基于本研究资料，此前围绕土壤理化性状及产量的部分研究结果做过有关报道[18-19]。本研究通过对该长期定位试验冬小麦产量的历年连续资料及2016年生理生态指标的分析，揭示长期施肥及耕作制度对冬小麦产量的调控效应，以期为西北黄土高原雨养农业区可持续利用的耕作制度及施肥模式的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2005年3月到2016年7月在甘肃省农业科学院旱地农业研究所镇原旱地农业试验基地(35°29′42″ N，107°29′36″ E)进行，该区年均降水量540 mm，7-9月降水占年降水量的60%左右，年蒸发量1532 mm，年均气温8.3 ℃，无霜期170 d，海拔1279 m，为暖温带半湿润偏旱大陆性季风气候，属典型的旱作雨养农业区。供试土壤为发育良好的覆盖黑垆土，试验田土壤基础肥力及冬小麦生产年收获期土壤养分平均含量见表1。

1.2 试验设计

试验采用二因素裂区设计，耕作方式为主处理，分别为传统耕作和免耕耕作；施肥为副处理，分别为:1)不施肥对照(CK)；2)施纯N 150 kg·hm-2(N)；3)施纯P2O5105 kg·hm-2(P)；4)施农家肥(腐熟的纯牛粪)22500 kg·hm-2(M)；5)施纯N 150 kg·hm-2+纯P2O5105 kg·hm-2(NP)；6)施纯N 150 kg·hm-2+纯P2O5105 kg·hm-2+农家肥 22500 kg·hm-2(NMP)。小区面积8 m×9 m=72 m2，3次重复。常规耕作于作物收获后深翻和播前旋耕各一次；免耕耕作在作物收获后至播种前，不搅动土壤。氮肥基追比为5∶5，追肥于返青期开沟施入。农家肥和磷肥在播前作为基肥一次性施入，传统耕作结合播前旋耕施入，免耕耕作撒施后结合播种开沟施入。种植方式采用1年春玉米-3年冬小麦轮作，试验起始年2005及2009、2013年均为春玉米。为了有效控制因品种差异导致的试验结果误差，本研究采用同一冬小麦品种陇鉴301，播量157.5 kg·hm-2，人工开沟播种。该品种具有抗逆性强，丰产性好的特征，其他管理措施按常规要求实施。本研究采用“生产年”概念划分生产年型(表2)，即从上季小麦收获后的7月至翌年6月为小麦生产年，以生产年平均降水量增减在10%以内为常态年，减少10%以上为干旱年，增加10%以上为丰水年[17]。本试验仅对3个轮作周期中的9年冬小麦产量性状变化进行分析。

表1 试验前及生产年0～40 cm土层养分平均含量Table 1 Average nutriment content of 0-40 cm soil layer at pre-planting and production years

1.3 测定项目

1)冠层温度(canopy temperature,CT)：2016年在冬小麦灌浆中后期，采用国产BAU-1型手持式红外测温仪，选择晴朗无云的天气测定冠层温度，分辨率为0.1 ℃，响应时间为2～3 s，测定时视场角取5°，手持测温仪置于1.5 m高度左右，以30°瞄准小区内中间的冠层，其测定点为群体生长一致、有代表性的部位。为减少测定误差, 每个小区重复测定30次，平均值作该次测定的CT值。

2)光合参数：2016年在冬小麦灌浆中后期，采用美国生产的Li-6400光合测定仪，选择晴好天气测定旗叶的光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)。每小区测定长势一致的3个植株标记旗叶的光合参数，每片旗叶重复读取3个观测值，取其平均值作为1个测定值。

3) SPAD (soil and plant analyzer development)测定：2016年在冬小麦灌浆中后期，选择晴朗无阴雨的上午(9-11时)，用SPAD分析仪(SPAD-5200)测定冬小麦功能叶叶片的SPAD读数值，每小区读取20次，取其平均值作为1个测定值。

4)土壤养分含量测定：于试验前及每个生产年冬小麦收获后按照“S”形多点混合法，采集试验地0～40 cm土层土壤，风干、研磨过筛后备用。参照文献[20]，进行有机质、速效氮、速效磷、速效钾含量测定。

5)产量：成熟时各小区实收计产，水泥晒场自然风干后，70 ℃烘干12 h，然后折算成公顷产量。

1.4 数据分析方法及软件

采用Microsoft Excel 2010软件处理数据和绘图，DPS 7.05软件进行显著性分析，LSD法进行多重比较(P<0.05和P<0.01)

表2 试验年度的降水量及其类型划分Table 2 Precipitations during the experiment and rainfall years

注：生产年平均降水量517.9 mm，生育期平均降水量212.9 mm；NY，DY，WY分别为常态年，干旱年和丰水年。

Note：The average annual precipitation (from July to next June) over the 9 years was 517.9 mm and the average precipitation during wheat growth was 212.9 mm; NY: Normal year; DY: Dry year; WY: Wet year.

2 结果与分析

2.1 不同耕作及施肥处理冬小麦产量变化

年份(P<0.0001)、耕作方式(P<0.0001)和施肥(P<0.0001)对旱地冬小麦产量影响极显著(表3)，除耕作方式×施肥、耕作方式×施肥×年份的交互作用不显著外，年份×耕作方式、年份×施肥的交互作用对冬小麦产量影响均极显著。

相同耕作措施，生产年内冬小麦产量受到耕作及施肥措施的影响，年际间则主要随降水量变化而变化(表2)。生产年内，在耕作方式一定的情况下，冬小麦产量均受到施肥措施的影响，NMP和NP显著提高了冬小麦产量(表3和表4)，以NMP最高，其次为NP，而肥料单施以M产量最高，其次为P，第3为N，CK绝大多数年份产量最低。 从平均产量来看，无论何种耕作方式，冬小麦产量均随施肥措施变化而变化，表现为NMP>NP>M>P>CK>N的变化趋势，此产量变化趋势与9个冬小麦生产年收获期土壤有机质及速效氮磷钾平均含量密切相关。其中，传统耕作NMP、NP、M、P依次较CK分别增加88.0%、71.9%、30.8%、15.6%；免耕耕作NMP、NP、M、P依次较CK分别增加109.3%、86.9%、44.6%、15.8%。相同施肥措施下，冬小麦的绝对产量传统耕作高于免耕耕作，NMP、NP、M、P、N、CK传统耕作较免耕耕作依次分别增加14.8%、18.2%、16.3%、28.3%、34.6%、21.1%。可以看出施肥和耕作交互作用不显著，产量的差异主要在于不同耕作方式土壤水肥供给能力差异所致。

表3 年份、耕作方式和施肥对冬小麦产量的方差分析Table 3 Analysis of variance on years, tillage method and fertilizer on yield of winter wheat

**表示0.01概率水平下显著。

** indicate significant correlations at 0.01 probability level.

2.2 不同生产年型对冬小麦产量的影响

不同生产年型耕作及施肥措施对冬小麦产量影响差异较大(表5)，即无论何种生产年型，耕作及施肥单因素对产量影响显著(P<0.05)，互作对产量影响不显著(P>0.05)。耕作方式间无论何种降水年型，相同施肥措施为传统耕作高于免耕耕作，肥料处理间变化顺序为NMP>NP>M，说明有机无机肥配施具有丰产性和稳产性高的特点；而无机N、P肥单施冬小麦产量因耕作方式和生产年型而变化，N耕作方式间均为丰水年>平水年>干旱年；P传统耕作为丰水年>平水年>干旱年，免耕耕作为平水年>丰水年>干旱年；无论耕作方式如何，生产年型间，干旱年和平水年为P>CK>N，P处理传统耕作和免耕耕作依次较CK增加18.2%、15.1%和11.7%、23.3%，N处理传统耕作和免耕耕作较CK依次减少2.6%、0.1%和7.5%、8.3%；丰水年为P>N>CK，传统耕作P、N处理丰水年较CK分别增加13.5%、1.2%，免耕耕作分别增加5.2%、5.0%。

无论何种耕作方式，M、P、N及CK以平水年变异系数最小，干旱和丰水年变异系数增加，说明平水年产量相对稳定，干旱年和丰水年产量波动较大；NMP、NP处理变异系数随降水量增加而增加，均低于肥料单施，再次佐证了有机无机配施的稳产性。

2.3 不同生产年型对冬小麦产量性状的影响

不同生产年型耕作和施肥措施对冬小麦产量性状影响差异较大(表6)，即无论何种生产年型，施肥对冬小麦产量性状影响显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)，耕作及耕作与施肥互作对产量性状影响差异不显著(P>0.05)。不论耕作和施肥措施如何，冬小麦有效穗随降水量增加显著增加，穗粒数随降水量呈先增后减的变化趋势，千粒重干旱年高于平水年和丰水年。其中，有效穗传统耕作NMP、NP、M、P、N、CK干旱年较平水年依次减少1.5%、13.0%、35.4%、41.9%、46.9%、29.8%，丰水年较平水年依次增加35.3%、32.1%、5.8%、4.9%、3.1%、1.0%；免耕耕作NMP、NP、M、P、N、CK干旱年较平水年依次减少10.2%、14.9%、16.2%、45.1%、15.8%、28.1%；丰水年较平水年依次增加74.3%、63.3%、11.8%、1.6%、3.0%、6.6%。穗粒数有随降水量增加呈先减后增的趋势，传统耕作不同施肥措施干旱年、丰水年较平水年平均穗粒数分别增加3.8和2.5粒，免耕耕作不同施肥措施干旱年、丰水年较平水年平均穗粒数分别增加6.1和4.8粒；传统耕作平均千粒重在干旱年为38.3 g，平水年为36.1 g，丰水年为36.7 g，平水年较干旱年减少6.0%，丰水年较平水年增加1.5%，免耕耕作在干旱年平均为39.0 g，平水年为36.4 g，丰水年为36.4 g，平水年较干旱年减少6.9%，丰水年与平水年持平。可见，在本试验条件下，在施肥和耕作措施一定的情况下，冬小麦的产量构成主要受降水量的影响；降水量不变的情况下，施肥和耕作措施明显提高了干旱年冬小麦产量三因素，表明生产年型和施肥及耕作措施间存在显著互作效应，这种互作效应因为改善了冬小麦产量三因素，因而提高了产量。

2.4 不同耕作及施肥处理对冬小麦生理生态指标的影响

表7显示,耕作方式及施肥措施间冬小麦冠层温度差异极显著(P<0.01)，耕作方式与施肥互作对冠层温度影响差异不显著(P>0.05)。相同耕作方式条件下，不同施肥措施以NMP处理冠层温度较高，CK最低。耕作方式间冬小麦叶片叶绿素相对含量(SPAD)差异不显著(P>0.05)，施肥及施肥与耕作方式二者互作差异极显著(P<0.01)，相同耕作方式条件下，不同施肥措施以NMP处理SPAD值最高，N单施高于M、P单施及CK。耕作方式对光合速率、气孔导度及蒸腾速率影响显著或极显著，施肥对蒸腾速率影响极显著，施肥和耕作方式互作对光合速率、气孔导度及蒸腾速率影响均不显著。相同耕作方式条件下，不同施肥措施中以NMP处理的光合速率、气孔导度和蒸腾速率均最高。

表7 不同耕作方式及施肥处理灌浆中后期生理生态指标变化(2016年)Table 7 Change of physiological index of winter wheat with filling stage different tillage method and fertilizer treatment in 2016

3 讨论

3.1 耕作及施肥措施对冬小麦产量的影响

作物产量变化主要受施肥模式、耕作栽培制度、土壤质量等多个因素综合作用的结果[21]。已有研究表明：施用有机肥或化肥作物增产幅度往往因有机肥和化肥种类及投入量有差异。有机无机肥配合施用，既能弥补有机肥前期肥效不足的缺点，又能延长无机肥的肥效，较单施无机肥或有机肥更全面、更高效[22]。本研究9年定位试验结果再次印证了上述观点，即有机无机配施表现最突出，其次为无机氮磷肥配施。无机N、P肥单施冬小麦产量因耕作方式和生产年型而变化，单施氮肥的增产效果在耕作方式间均为丰水年>平水年>干旱年；单施磷肥增产效果在传统耕作条件下表现为丰水年>平水年>干旱年，免耕条件下表现为平水年>丰水年>干旱年；干旱年和平水年氮磷化肥单施的增产效果表现为P>CK>N，这与文献[23]在类似区域的研究结论一致，也可以从9个冬小麦生产年收获期土壤有机质及速效氮磷钾平均养分含量，单施磷肥优于单施氮肥处理得到印证。耕作方式与作物产量的变化关系一直以来存在较大分歧，有研究认为，连续免耕作物产量降低[14-15]，但也有研究认为免耕可使作物产量增加[12,24-25]。本研究结果显示：从9年平均产量来看，无论施肥措施如何，传统耕作增产效果均高于免耕耕作，年际间传统耕作和免耕耕作冬小麦产量主要随降水量的变化而变化，表现为丰水年>平水年>干旱年，表明在干旱条件下，耕作和施肥措施的增产效果受土壤水分含量的制约。

3.2 耕作及施肥措施对冬小麦产量性状的影响

孙本普等[26-27]认为有效穂数是构成产量的主导因素，其次是穗粒数和千粒重。有机肥能明显提高千粒重[28]，显著提高有效穗数[29]，而有机无机配施可增加穗粒数[30]。本研究结果表明：无论何种耕作方式及生产年型均以有机无机肥配施处理有效穗数、穗粒数、千粒重较高，原因是有机无机肥配施能使肥效相互促进，保证了冬小麦整个生育期养分的充足供应，而改善了这3种产量性状。不同耕作方式及生产年型，施肥措施间有效穗随降水量增加显著增加；穗粒数随降水量增加呈先减少后增加趋势，千粒重变化不一致。可见，生产年型和耕作施肥制度是影响冬小麦产量构成的关键因素。因此，有必要开展不同气候条件下，耕作和施肥制度对冬小麦产量构成因素影响的研究，只有了解了不同生产年型及耕作施肥制度下的作物产量构成因素与产量之间的关系，才能制定出促进冬小麦增产的适宜的耕作制度及施肥措施。

3.3 耕作及施肥措施对冬小麦生理生态指标的影响

已有研究表明：作物冠层温度不仅受到水分和蒸腾的影响，还受光照强度、气温、耕作制度以及肥料等因素的制约。张文忠等[31]认为光照强度越强，冠层温度越高，同时气温升高，冠层温度上升。张冬玲等[32]认为冠层温度与有效穗数显著正相关。本研究结果显示：相同耕作方式各施肥措施均以有机无机配施冠层温度较高，原因可能是有机无机配施改善了土壤水肥供给条件，有效穗显著增加，再加上灌浆中后期气温升高，群体密度过大，通风性变差所致。但已有研究认为冠层温度与产量显著负相关[32-33]，与有效穗显著正相关[32]，而产量与有效穗显著正相关[26]，这就需要对冠层温度和有效穗对产量贡献的直接效应大小进行深入研究。SPAD值与作物氮素含量高低密切相关[28]。本研究结果表明：相同耕作方式以有机无机配施SPAD值最高，N肥单施高于M、P肥单施及CK，这也进一步说明单施N造成氮素过多累积于土壤，冬小麦贪青晚熟，籽粒灌浆不充分，千粒重降低，导致产量降低。合理施肥有利于提高并维持生育后期的群体光合性能，发挥增产潜力，获得高产[34]。本研究结果显示：相同耕作方式以有机无机配施在各施肥措施间光合速率、气孔导度及蒸腾速率均最高，表明有机无机配施可延缓冬小麦植株衰老，维持合理冠层结构，提高叶片光能利用率，进而实现高产。

4 结论

在550 mm左右降水量的陇东半湿润偏旱雨养农业区，无论耕作方式及生产年型如何，有机无机或无机化肥配施是保证冬小麦高产、稳产的有效措施，以有机无机配施最为突出，其次为无机氮磷肥配施，无机N、P肥单施冬小麦产量因耕作方式和生产年型变化而变化，单施磷肥较单施氮肥增产作用显著，耕作方式间传统耕作优于免耕耕作。

降水年型能够影响冬小麦产量结构，具体表现为不同耕作方式以有机无机或无机氮磷肥配施有效穗随降水量增加而增加，穗粒数和千粒重有随降水量增加呈先减后增的趋势，而肥料单施产量构成因素变化不一致。

在550 mm左右降水量的陇东半湿润偏旱雨养农业区，无论何种耕作方式及生产年型，均应充分考虑氮磷化肥与有机肥的平衡施用问题。