增施有机肥对全膜覆土穴播春小麦水分利用和产量的影响

尹嘉德，侯慧芝，张绪成

(1.甘肃农业大学农学院，甘肃兰州 730070； 2.甘肃省农业科学院旱地农业研究所，甘肃兰州 730000)

甘肃陇中旱作区是典型的雨养农业区，年均降雨量约400 mm，春小麦为该区主要粮食作物之一[1]，全生育期降雨量通常不足200 mm。受降水总量不足、降水与小麦需水时期不吻合、土壤含水量低、春季低温和夏季高温胁迫等因素的影响，陇中旱作区春小麦产量低而不稳[2-3]。覆膜栽培有效提高了小麦生育前期的土壤含水量，但因植株生长旺盛、土壤温度升高等因素的影响，小麦生育中后期的土壤耗水量和蒸腾作用加强[4-5]，促使土壤水分耗竭，进而加剧了春小麦后期生殖生长阶段的水分胁迫[5-6]。因此，需要通过优化栽培措施来提高作物对环境的适应能力，缓解水肥供需矛盾对作物生长的影响。近年来，全膜覆土穴播技术在西北黄土高原半干旱区得到大面积推广应用，改善了土壤水热环境[4-6]，活化了土壤养分[7-9]，促进了作物生长发育[10-12]，提高了作物养分和水分利用效率[12-14]，能够保蓄降雨并大幅提高农田降雨利用率，有效缓解灌浆期高温胁迫伤害，提高作物产量[15-17]。旱地施有机肥不仅能够提高作物产量和水分利用效率[18]，还能有效地改善土壤理化性质[19]，提升土壤保水蓄水能力和延长土壤肥效[20]，并在一定程度上调节作物生长发育期间需水和土壤供水间的矛盾[21]。通过覆膜和施肥来提高作物产量和水分利用效率已成为国内外旱作农业耕作栽培研究的热点。目前，关于全膜覆土穴播技术或有机肥对土壤水分及作物生长和产量等影响方面的研究较多，但有关增施有机肥对全膜覆土穴播春小麦土壤水分利用影响的研究报道较少。因此，本研究于2016-2017年在陇中旱作区设置田间定位试验，研究增施有机肥对全膜覆土穴播春小麦田土壤水分及作物相关生理指标和产量等的影响，以期为陇中旱作区春小麦生产资源高效利用、生态安全及高产稳产的可持续发展提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016-2017年在甘肃中东部旱作农业区甘肃省农业科学院定西试验站(E104°35′，N35°35′)进行。该区属于中温带半干旱气候区，海拔1 970 m，年均气温6.2 ℃，年辐射总量5 898 MJ·m-2，年均日照时数2 500 h，≥10 ℃积温2 075.1 ℃，无霜期140 d。该区域作物一年一熟，为典型旱地雨养农业区，年平均降水量为415 mm，降水季节分布不均匀，6-9月份降水量占全年总降水量的68%，降水相对变率为24%，400 mm降水保证率为48%。试验区土壤为黄绵土，质地为粘壤土，0～300 cm土壤平均容重为1.17 g·cm-3，田间持水量为21.18%，永久凋萎系数为7.2%。2016年小麦全生育期内降水182.1 mm，降雨集中在5月春小麦的拔节至抽穗期；2017年小麦全生育期内降雨142.6 mm，降雨集中在5月底至6月中旬，成熟期降雨较少。

1.2 试验设计

以甘肃省农科院选育的春小麦品种“陇春27”为试验材料，进行连续2年的定位试验。采用单因素完全随机法，设全膜覆土平作穴播(PMS)、全膜覆土平作穴播+有机肥(PMO)、裸地平作(CK)3个处理，每处理设3次重复。小区面积6 m×10 m，行距20 cm，穴距12.5 cm，每穴8～10株，每公顷450万株。试验用化肥为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%～16%)、氯化钾(含K2O 60%)，有机肥为风干发酵腐熟完全的羊粪，含全氮0.5%、P2O50.35%、K2O 0.4%。覆膜处理均为秋覆膜，地膜平铺于整个地面，在膜上覆土厚1～2 cm，肥料全部作为底肥施入，3个处理施用化肥的量，折合为纯N、P2O5和K2O均为每公顷150、75和45 kg，PMO处理在此基础上增施羊粪30 000 kg·hm-2。各处理的样品采集及指标测定均在每个生育时期的同一天进行。2016年3月20日播种，分别于播前(3月18日)、苗期(4月23日)、拔节期(5月13日)、抽穗期(5月28日)、灌浆期(7月01日)、成熟期(7月24日)采样测定，7月24日收获；2017年3月24日播种，分别于播前(3月23日)、苗期(4月22日)、拔节期(5月9日)、抽穗期(5月29日)、灌浆期(7月9日)、成熟期(7月25日)采样测定，7月25日收获。除人工除草外不采取其他田间管理措施。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤贮水量和耗水量测定 分别于播前及小麦苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期测定0～300 cm土壤含水量，每20 cm为1个步长分层测定，计算水分利用效率和各生育时期贮水量。计算公式：

SWS=Ws×b×d/10。式中，SWS为土壤贮水量(mm)，Ws为土壤含水量(%)，b为土壤容重(g·cm-3)，d为土壤深度(cm)。

△ET =SWSa-SWSb。式中，△ET为生育期阶段耗水量(mm)，SWSa为某生育时期开始时的土壤贮水量(mm)，SWSb位某生育时期结束时的土壤贮水量(mm)。

1.3.2 干物质积累量测定 分别在小麦苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期于各小区选取10株长势均匀的植株，烘干后测定植株干重。

1.3.3 SPAD值测定 分别在小麦苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期于各小区选取3株长势均匀的植株，通过SPAD-502 plus叶绿素仪测定小麦叶片的SPAD值，每片叶测3个位点，取平均值。

1.3.4 产量及其构成因素测定 灌浆末期，每小区选取1 m2样方统计成穗数，并换算成公顷穗数；然后，每小区分别取20株成熟小麦植株进行常规室内考种，考种指标包括穗粒数、千粒重、单株生物量；各小区单收单打，待晒干后统计产量，并换算成每公顷产量。

1.3.5 水分利用效率计算 WUE=Y/ET，ET=SWSBF-SWSHA+P。式中，WUE为水分利用效率(kg·mm·hm-2)，Y为小麦的籽粒产量(kg·hm-2)；ET为生育期耗水量(mm)，SWSBF为播前土壤贮水量(mm)，SWSHA为收后土壤贮水量(mm)，P为生育期降雨量(mm)。

1.3.6 收获指数计算 HI=Yd/DW。式中，HI为收获指数，Yd为作物籽粒产量(kg·hm-2)，DW为地上干物质总量(kg·hm-2)。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 19.0和Microsoft Excel 2010软件分析处理数据并制图。

2 结果与分析

2.1 增施有机肥对全膜覆土穴播春小麦0～300 cm土壤贮水量的影响

旱地春小麦田0～300 cm土壤贮水量与小麦发育进程和降雨量关系密切，增施有机肥可显著提高全膜覆土穴播春小麦0～300 cm土壤贮水量(图1)。各处理0～300 cm土壤贮水量在小麦生育前期的变化幅度较小；中后期随降雨量和作物耗水量的增加，变化幅度增大，其中PMO处理土壤贮水量的增幅大于PMS和CK处理，但整体呈下降趋势，且PMO处理降幅最小，PMS处理降幅最大。2年试验期间，PMO处理小麦播种期0～300 cm土壤贮水量较PMS和CK处理分别提高1.45%～9.32%和5.99%～15.23%，而出苗期、抽穗期、灌浆期、成熟期则分别提高2.74%～9.23%和13.69%～18.08%、4.38%～12.62%和11.79%～17.59%、6.10%～17.52%和11.94%～18.31%、7.82%～19.28%和6.25%～16.76%，差异均达到显著水平(P<0.05)。2017年PMO处理0～300 cm土壤贮水量较PMS和CK处理的增加幅度显著高于2016年。

2.2 增施有机肥对全膜覆土穴播春小麦阶段耗水量的影响

旱地春小麦生育期阶段耗水量与生育进程密切相关，增施有机肥对全膜覆土穴播春小麦阶段耗水量的影响显著(表1)。2016年，PMO处理在小麦播种-苗期、拔节-抽穗、抽穗-灌浆阶段0～300 cm土壤耗水量分别较PMS处理降低6.57、30.8和5.48 mm，差异显著(P<0.05)；其在播种-苗期和拔节-抽穗阶段小麦田0～300 cm土壤耗水量分别较CK降低34.50 mm和29.72 mm，差异也达到显著水平(P<0.05)。2017年，PMO处理在拔节-抽穗和抽穗-灌浆阶段0～300 cm土壤耗水量分别较PMS处理降低37.03和24.61 mm，差异显著(P<0.05)；其在播种-苗期、拔节-抽穗和抽穗-灌浆阶段0～300 cm土壤耗水量分别较CK降低13.01、39.22和9.37 mm，差异显著(P<0.05)。

2.3 增施有机肥对全膜覆土穴播春小麦叶片SPAD值的影响

由图2可知，增施有机肥对全膜覆土穴播春小麦叶片SPAD值影响显著，除2016年拔节期外，其他生育时期春小麦叶片的SPAD值均随作物生育进程推进呈先增后降的趋势，在灌浆期达到最高值。2016年，PMO处理春小麦叶片的SPAD值在苗期、拔节期和成熟期较PMS处理分别提高0.84%、2.90%和2.39%(P<0.05)；2017年，PMO处理春小麦叶片的SPAD值在苗期、灌浆期和成熟期较PMS处理分别提高3.63%、2.72%和6.26%(P<0.05)。2年试验期间，PMO处理春小麦叶片SPAD均值在苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期分别较CK处理提高9.34%、6.43%、9.08%、6.94%和13.96%(P<0.05)。说明增施有机肥能显著提高小麦叶片的SPAD值。

图1 不同生育时期春小麦田0～300 cm土壤贮水量的变化Fig.1 Soil water storage dynamics in 0-300 cm soil profile at different spring wheat growth stages under different treatments

表1 春小麦不同生育阶段0～300 cm土壤耗水量Table 1 Effect of different treatments on soil water consumption at 0-300 cm at different stages of spring wheat

同列数据后不同小写字母表示同一年度内不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。

Different letters in each column indicate significant differences among different treatments with in same year at 0.05 level. The same in tables 2 and 3.

2.4 增施有机肥对全膜覆土穴播春小麦地上干物质积累量的影响

不同处理对春小麦地上干物质积累的影响显著(表2)。2年试验期间，PMO处理在春小麦苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期的单株干物质积累量均值分别较CK增加220.84%、200.00%、177.86%、117.16%和157.89%(P<0.05)。春小麦生育前期(出苗期和拔节期)PMO处理的单株干重与PMS处理的差异不显著(P>0.05)，而生育后期(抽穗期、灌浆期和成熟期)其单株干物质积累量显著高于PMS处理(P<0.05)。说明增施有机肥能明显促进小麦生育后期的地上干物质累积。

2.5 增施有机肥对全膜覆土穴播春小麦产量及水分利用效率的影响

降雨量与春小麦收获指数显著相关(表3)，2016年为平水年，PMO处理春小麦收获指数与CK处理差异显著；2017年为欠水年，PMO处理春小麦收获指数与PMS 和CK处理均无显著差异 (P>0.05)。分析各处理产量及其构成因子发现，PMO处理春小麦穗数、穗粒数和千粒重均高于PMS和CK处理，且与CK处理间差异达到显著水平(P<0.05)，产量显著高于PMS和CK处理(P<0.05)，说明PMO处理的增产表现最佳。

图2 不同处理春小麦叶片的SPAD值Fig.2 Effect of different treatments on SPAD value of spring wheat leaf 表2 不同处理春小麦单株干物质积累量Table 2 Effect of different treatments on dry matter weight per plant of spring wheat g

表3 不同处理下春小麦产量和水分利用效率Table 3 Effect of different treatments on yield and WUE of spring wheat

2年试验期间，PMS处理生育期耗水量均值较CK处理增加16.8%，差异达到显著水平(P<0.05)；PMO处理产量均值分别较CK和PMS处理增加53.74%和9.11%，差异均达到显著水平(P<0.05)；PMO处理和PMS处理的水分利用效率均值分别较CK处理提高54.19%和21.07%，且PMO较PMS处理提高27.39%，差异显著(P<0.05)。因此，与CK和PMS处理相比，PMO处理能够显著提高春小麦产量和水分利用效率。

3 讨 论

本研究采用秋覆膜的方式研究有机肥对土壤贮水量的影响，结果显示，从播种期到灌浆期，PMO处理与PMS处理麦田0～300 cm土壤贮水量明显高于CK处理；与PMS和CK处理比较，PMO处理在春小麦抽穗期、灌浆期和成熟期的0～300 cm土壤贮水量明显提升；2017年降雨较少，偏干旱，PMO处理土壤贮水量的增幅明显高于其他处理，可能是因为连续2年增施高量有机肥改善了土壤水分环境，这与已有研究结果一致[18-21]。2016年拔节期，PMO处理麦田0～300 cm土壤贮水量明显低于PMS处理；在出苗-拔节阶段，PMO处理0～300 cm土壤贮水量明显低于PMS和CK处理，同时，PMO处理 0～300 cm土壤耗水量也显著高于PMS和CK处理，这是由于增施有机肥能促进春小麦快速生长，使耗水量增加，由此也说明PMO处理具有较好的土壤水分供应能力；在拔节-抽穗和抽穗-灌浆阶段，PMO处理麦田0～300 cm土壤耗水量显著低于PMS和CK处理，主要是由于该阶段降雨集中，PMO处理能有效地利用并储存降雨；在灌浆-成熟阶段，PMO处理麦田土壤贮水量显著高于PMS处理，但土壤耗水量无显著差异，表明PMO处理调节小麦耗水能力优于PMS处理。旱地覆盖地膜能明显降低小麦生育后期土壤贮水量[5,12]，这对灌浆将产生限制作用，而PMO处理能提高小麦全生育期的土壤含水量，增强土壤保墒能力，缓解旱地地膜覆盖作物生长前后期供水不平衡的矛盾，进而促进作物正常生长，这是PMO处理下作物产量增加和水分利用效率提高的关键。

本研究表明， PMO处理小麦叶片的SPAD值在全生育期均显著高于CK处理，其中，在小麦生育中后期，PMO处理的SPAD值显著高于PMS处理，这是因为PMO与PMS两个覆膜处理能明显提高土壤贮水量和水分利用效率，也与PMO处理增施有机肥，改善了旱地覆膜小麦生长后期土壤水分的供应不足等问题有关。拔节期和抽穗期是小麦生理需水的关键期、临界期，此期水分充足，可大幅提高产量。PMO处理从拔节期到成熟期生物量和土壤贮水量均最高，从抽穗期以后生育期阶段耗水量均低于PMS处理，说明全膜覆土条件下增施有机肥能够提高春小麦生育期供水能力，有效地保蓄降雨和调节春小麦生育期需水与土壤供水矛盾，促进生物量积累。因此，PMO处理能够调节作物对土壤水分的利用，提高小麦光合作用且促进植株建成，为小麦获得高产奠定基础。

本研究中，因降雨量和降雨时期的明显差异，使得2年试验期间植株成熟期的生物量有显著差异，PMO处理的收获指数均高于PMS处理。与CK处理相比，PMO处理可显著提高春小麦穗数、穗粒数和千粒重，PMS能显著提高春小麦产量，这主要是由于覆膜能有效改善土壤水分状况，提高水分利用效率[12,17]；与PMS处理相比，PMO处理能有效改善小麦生育中后期的土壤水分状况，保证作物正常生长，使产量和水分利用效率显著提高。综上所述，在全膜覆土穴播条件下增施有机肥能有效提升春小麦生育期土壤贮水量和缓解生育期水分供需矛盾，有效提高各生育期的SPAD值、地上生物量的积累量及水分利用效率，促进产量增加。鉴于有机肥肥效较缓慢，其对土壤水分的长效机制、全膜覆土穴播条件下春小麦田的最佳用量和作用效果以及对土壤养分的调控机制等，均需要进一步研究探讨。