不同施肥处理对冬小麦土壤水分及产量的影响

张淑芳,孙玉莲,蔡广珍,孙 磊,马俊强

(甘肃省临夏州气象局,甘肃 临夏 731100)

0 引言

西北地区是我国主要的旱作农业生产地区,而在干旱地区农作物产量提高的主要限制性因子是水和肥[1-4]。自20世纪80年代以来,不同的肥料施入很大幅度地提高了作物的经济产量,同时也促进了作物生长过程中对水分的利用,被认定是实现增产和土壤水分有效利用的主要途径[5-6]。但是肥料和水分对农作物的影响是互相配合的,之间会产生一种耦合效应[7-9],即肥料产生的作用会受到土壤水分的制约,只有在合适的养分和水分条件下作物的产量及土壤水分利用效率才能均达到最高水平[10]。

甘肃省定西是个非常干旱的地方,农业生产严重缺水,一般没有灌溉条件,当地农作物(例如冬小麦)在生长过程中需要的水分基本上全依靠仅有的自然降水。有研究表明，有机肥与氮、磷肥配施能显著增加土壤生物量碳、氮、磷和速效氮、磷等养分含量及其有效性,有利于作物的生长[11-14]。国外施肥研究结果表明：根系形态对于土壤养分变化反应敏感,施肥能促进根系分枝数增加及总根长增长[15,21]；施氮肥可降低氮素的硝化速率和淋失[22-23]。本研究探讨了氮、磷的不同配比对冬小麦土壤水分利用效率及产量的影响,旨在为干旱地区冬小麦合理施肥管理、提高土壤水分利用效率提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验设在甘肃定西,位于甘肃省南部,属中温带半干旱大陆性季风气候，气候特征是光照充足,年降水较少,特别是春、夏两季,年平均降雨量为420 mm;降水时空分布很不均匀,局地性很强；蒸发量也很大,年蒸发量为1531 mm；海拔2000 m,年平均无霜期142 d。本区土壤性质是黄棉土,黄土层较厚,保水肥,通层润、土性温，土壤容重为1.25 g/cm3, pH值为8.36。在整个冬小麦生育期内有效降雨量为147.6 mm，详见图1。

图1 在甘肃定西冬小麦全生育期有效降雨情况

1.2 试验材料与设计

1.2.1 试验材料 供试材料为国审冬小麦新品种陇中1号。

1.2.2 试验设计 本试验施氮肥(纯N)设0(N0)、45(N1)、75(N2)、105(N3)kg/hm2四个水平,施磷肥(P2O5)设0(P0)、45(P1)、75(P2)、105(P3)kg/hm2四个水平；这两个因子的不同水平共组合成16个处理。各处理的肥料在播种前7 d结合春耕全部施入。每个处理3次重复,采用随机区组设计,小区面积为17.0 m2,行长5.0 m,行宽3.4 m,行距20 cm，小区走道宽50 cm。四周保护行4～5行。采用常规播种机进行播种,按每公顷375万基本苗的标准播种。每小区选取2 m2有代表性的地块统计单位面积基本苗数。于2013年9月25日播种,2014年7月5日成熟；分别在拔节期和灌浆期喷洒2.5%敌杀死和18%乐果乳油,用以防治虫害。

1.3 测定项目与计算方法

1.3.1 测定项目 在冬小麦主要生育期取样测定0～200 cm土层的土壤含水量, 土层分层为0～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150、150～180和180～200 cm。用烘干称重法测定土壤含水量。在越冬期,由于地冻，只采集0～20 cm的土层进行测定。各小区冬小麦通过人工收获，单打单收。成熟时各小区取15～20株进行室内考种。

1.3.2 计算方法 有关指标的计算公式为：土壤水分利用效率[kg/(mm·hm2)]=作物经济产量/作物生长期间的耗水量(蒸散量)；作物生长期间的耗水量(蒸散量)(mm)=播种时土壤贮水量+生育期有效降雨量-收获期土壤贮水量。试验数据分析采用统计分析软件Excel。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理土壤含水率的差异

从表1可以看出：在冬小麦全生育期0～200 cm深度土壤的平均含水率以施肥处理N3P2最高(13.40%),以处理N1P0最低(11.47%),因此在冬小麦生产中磷和氮的合理配比能够使土壤含水率增高。从不同土壤层次看,0～20 cm土层以处理N3P3的土壤含水率最高(7.34%)；处理N2P0在20～40 cm土壤的含水率最高(10.4%);处理N3P1在40～60、60～90 cm土壤的含水率最高(分别为11.86%、13.15%);处理N0P3在90～120 cm土壤的含水率最高(14.05%);处理N0P2在120～150 cm土壤的含水率最高(13.98%);150～180、180～200 cm的土壤含水率最高的是处理N3P2(分别为19.05%、20.12%)。总的来看,各处理在0～20 cm的土壤含水率最低,是由表层的蒸散量大于深层造成的；随着土壤层次加深,土壤含水率呈逐渐增长的趋势,故180～200 cm的土壤含水率最大。

2.2 不同施肥处理在每个生育期土壤含水率的变化

从冬小麦各个生育期的土壤平均含水率(图2)可以看出：各个处理0～150 cm土壤含水率的变化趋势基本一致,而150～200 cm土壤含水率的变化趋势各不相同；土层越深，总体上土壤含水率越高。具体来说：在返青期，0～20、20～40、40～60、90～120、150～200 cm土层的土壤含水率分别以处理N0P3、N2P3、N0P3、N0P3、N3P2最高；在拔节期，0～20、20～40、40～60、60～120、120～150、150～180、180～200 cm土层的土壤含水率分别以处理N3P3、N2P0、 N1P0、N3P2、N0P0、N3P2、N2P2最高；在孕穗期，0～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150、150～180、180～200 cm土层的土壤含水率分别以处理N2P1、N0P2、N1P3、N3P1、N1P2、N0P3、N3P3、N2P3最高；在开花期，0～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150、150～200 cm土层的土壤含水率分别以处理N0P0、N3P3、N0P0、N3P3、N1P2、 N0P2、N3P3最高；在成熟期，0～40、40～90、90～120、120～180、180～200 cm土层的土壤含水率分别以处理N0P0、N1P2、N0P3、N2P3、N3P2最高。

表1 不同施肥处理在0～2 m土壤含水率的差异%

由表2可以看出：在冬小麦整个生育期间，0～200 cm的土壤平均含水率以施肥处理N3P2最高,以N1P0最低；随着冬小麦生长发育的推进，0～200 cm的土壤平均含水率呈下降趋势，以返青期最高，以成熟期最低；在冬小麦各个生育期，0～200 cm的土壤含水率均以施肥处理N3P2最高,而在返青期、拔节期、孕穗期、开花期、成熟期分别以处理N3P1、N1P1、N1P0、N3P0、N0P1的土壤含水率最低。说明处理N3P2增加冬小麦生育期间0～200 cm土层土壤含水率的效果最好。

结合图2和表2可以得出以下结论：氮、磷的合理配比能够提高冬小麦整个生育期的土壤含水率,以返青期的提高幅度最大,拔节期次之,开花期的提高幅度最小。

表2 不同施肥处理在冬小麦不同生育期土壤含水率的差异%

图2 不同处理在冬小麦各生育期的土壤剖面含水率

2.3 不同土壤层次、不同施肥处理在不同生育期土壤含水率的差异

从图3可以看出：对于0～90 cm的土壤含水率，每个处理除了在开花期有些上升外,在其他各生育期都呈逐渐降低的趋势；而各处理90～200 cm的土壤含水率在各生育期均趋于平直。具体分层分析,0～20 cm的土壤含水率以处理N3P3最高,以处理N3P1最低;20～40 cm的土壤含水率以处理N2P0最高,以处理N0P3最低;40～90 cm的土壤含水率以处理N3P1最高,处理N3P0在40～60 cm的土壤含水率最低,处理N0P1在60～90、180～200 cm的均最低;处理N1P2在90～120 cm的土壤含水率最高,处理N3P0在90～120、120～150 cm的都最低;120～150 cm的土壤含水率以处理N0P2最高;150～200 cm的土壤含水率以处理N3P2最高,处理N1P0在150～180 cm的土壤含水率最低。

对每个生育期进行分析,对于0～20 cm的土壤含水率，处理N0P3在返青期最高,处理N3P3在拔节期最高,处理N0P2在孕穗期和开花期最高,处理N1P2在成熟期最高;对于40～200 cm的土壤含水率，各处理在每个生育期的表现是各不相同的。总之氮、磷的不同配比会使冬小麦田间土壤含水率在不同土壤层次和不同生育期均有很大的差异。

由图3还可见,0～90、180～200 cm的土壤含水率在各处理间和不同层次间的差异均较小,可能是由于在这些土壤层次冬小麦根系吸收水分较为强烈,缩小了处理间的水分差异;而90～150 cm的土壤含水率在各处理间和不同层次间的差异均较大,这可能与中深层土壤水分受冬小麦植株蒸散的影响等有关。在开花期，除了40～60 cm的土壤含水率有下降趋势外,其余各层的土壤含水率都呈明显的上升趋势,但180～200 cm土壤含水率的变化趋势不是很明显。

2.4 不同施肥处理冬小麦植株生物量的差异

在冬小麦收获15 d后进行各项指标的测定，结果(表3)表明：冬小麦单株生物量以处理N0P3最高,以处理N1P3最低;植株株高以处理N3P0最高,以处理N3P2最低;穗重以处理N0P3最重,以处理N1P3最轻;穗粒数以处理N1P2最多,以处理N1P3最少;穗粒重以处理N0P3最重,以处理N1P0最轻;千粒重以处理N1P1最重,以处理N1P0最轻,这是由于灌浆期灌浆速率迅速而造成千粒重减轻。由于肥料的配比不同,各处理冬小麦植株所吸取的营养成分也不相同,因此它们的各项指标也就有所不同,从而产生了植株农艺性状和经济性状的差异。

2.5 冬小麦在不同施肥处理下产量及水分利用效率的差异

2.5.1 冬小麦产量 由表4可以看出,在不同施肥处理间冬小麦产量有不同程度的差异,以处理N2P3的产量最高(1773.45 kg/hm2),以N1P3的产量最低(1407.60 kg/hm2)。各处理冬小麦产量的不同除了与肥料在干旱下发挥的效应有关外，还与土壤基础肥力有关。

2.5.2 耗水量与水分利用效率 从冬小麦耗水量和水分利用效率(表5)来看,在整个生育期间耗水量最大的是处理N0P1,为201.77 mm；耗水量最小的是处理N3P2,为114.64 mm；水分利用效率最高的是处理N3P2,最低的是处理N1P0。从整体来看,处理N3P2是最合适的氮、磷配比处理,既可降低耗水量，还提高了水分利用效率。

表3 不同施肥处理对冬小麦生物量等指标的影响

表4 旱地冬小麦不同施肥配比的产量结果

3 小结

本施肥试验研究结果表明,合理的氮、磷配比能够使冬小麦田间0～2 m 土层的土壤墒情有所改善,表现最好的是处理N3P2。总的来看,各处理在0～20 cm的土壤含水率最低，在180～200 cm的土壤含水率最高。氮、磷的合理配比能够提高冬小麦整个生育期间的土壤含水率,以返青期的提高幅度最大,拔节期次之,开花期的提高幅度最小。冬小麦在各个生育期0～150 cm的土壤平均含水率具有基本一致的变化趋势,即土层越深土壤含水率越高，而在150～200 cm各处理的变化趋势比较紊乱。在所有施肥处理中，土壤墒情最好的是处理N3P2,产量最高的是处理N2P3,冬小麦水分利用效率最高的是处理N3P2,最低的是处理N1P0。因此冬小麦施肥的配比不仅要考虑增产效果,同时还要考虑水分利用效率、经济成本的合理性。通过综合分析,处理N3P2在各方面的表现都优于其它处理,可以在冬小麦生产上推广应用。

图3 在施肥处理下不同层次土壤含水率随冬小麦生育期的变化表5 不同施肥处理下冬小麦耗水量与水分利用效率

施肥处理播前贮水量/mm成熟期贮水量/mm全生育期有效降雨量/mm全生育期耗水量/mm生育期水分利用效率/[kg/(mm·hm2)]N0P0301.23268.13147.6176.719.78N0P1301.23243.06147.6201.777.53N0P2301.23244.47147.6200.367.74N0P3301.23284.09147.6160.749.07N1P0301.23245.59147.6199.247.42N1P1301.23273.28147.6171.559.31N1P2301.23299.13147.6145.7111.10N1P3301.23260.81147.6184.027.65N2P0301.23266.63147.6178.218.57N2P1301.23274.43147.6170.408.88N2P2301.23301.16147.6143.6711.09N2P3301.23288.16147.6156.6711.32N3P0301.23266.16147.6178.678.72N3P1301.23287.50147.6157.3310.19N3P2301.23309.03147.6135.8011.82N3P3301.23286.94147.6157.899.50

注:土壤贮水量和耗水量以2 m土体计算。