黄土塬区高底墒条件下养分差别对冬小麦产量的影响

李 刚, 王亚萍, 李 超, 刘文兆

(西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100)

黄土塬区是我国北方小麦主要栽植区之一，水分与养分条件是影响该区域冬小麦产量的两个主要因素。土壤水分状况影响养分的吸收、运转和利用[1]，而增施肥料可促进作物吸水，达到以肥调水、提高水分利用效率、充分发挥“土壤水库”作用的目的[2]。二者对冬小麦的生长发育及产量形成产生耦合效应，水分和养分只有在合理范围内，才能互相促进，发挥对小麦的增产作用[1,3-4]。不同肥水条件下，作物产量表现不同，同时也会影响到水分、养分的利用效率。因此，合理调控水肥，提高水肥利用效率是发展旱作农业的关键。已有研究表明，在不同的土壤水分条件下，形成最大产量需要的养分量不同，当底墒为600 mm时，冬小麦产量、水分利用效率均在240 kg/hm2施氮量时达到最大，而底墒较低时，则需要更高的施氮量[5]。有灌水试验研究发现，拔节期灌溉可显著提高120 kg/hm2施氮水平下冬小麦的产量、水分利用效率和有效穗数，而在180 kg/hm2施氮量时没有显著影响[6]。金修宽等[7]研究发现，当施氮量为240 kg/hm2时，于冬小麦拔节、开花期补灌至田间持水量的60%时，可获得最高的产量、水分利用效率与氮素利用效率。在多种灌水水平下，随施肥量增加，冬小麦产量增加，但施肥增产的边际效率逐渐减小[8]。前人多通过生育期灌水与施肥量的差异来研究冬小麦的水肥耦合效应，而黄土塬区地下水深埋，灌溉受到限制，充足的底墒作为作物耗水的重要来源，是取得高产稳产的基础条件[9]。同时该区域存在施肥过量的现象，带来严重的环境污染[10]。因此，适墒适肥，优化水肥配给模式是冬小麦取得高产、高效的重要途径之一。本试验年份降水多，播前底墒高，通过田间试验探究在该水分条件下养分对冬小麦产量的影响，以期为因墒施肥、提升底墒利用效率，充分挖掘黄土塬区降水生产潜力提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2016年7月—2017年6月在黄土高塬沟壑区的陕西长武国家野外试验站进行，试验地海拔1 220 m；暖温带半湿润偏旱性季风气候，年均气温9.1℃，降水年际及季节变化大，年均降水量578 mm，多集中在7—9月，无霜期171 d，为典型的一年一熟雨养旱作农业区；地带性土壤为中壤质黑垆土，母质为马兰黄土，土层深厚，地下水埋深40—80 m，土壤容重1.3 g/cm3，田间持水量22.4%，萎蔫湿度

6.7%～7.0%[11-12]。2016年9月—2017年6月，冬小麦生长期间降水量为301 mm，高于多年同期平均值212 mm，逐月分布见图1。

图1 试验期间逐月降水量

1.2 试验设计

2016年7-9月为不同底墒形成期，通过夏闲期种植玉米耗水与播前灌水形成不同底墒基础，为消除养分差异，播种前把所有小区耕层土壤整平混匀。供试冬小麦品种为长旱58，于2016年9月28日播种，人工开沟播种，播种量为170 kg/hm2，行距20 cm，翌年6月25日收获。

试验设计为底墒、施肥量两因素，底墒计算深度为2 m，设计为3水平：W1(相对湿度72%)，W2(相对湿度82%)，W3(相对湿度94%)；施肥水平设3个，分别为：F1不施肥；F2中肥(N，90 kg/hm2；P2O5，50.6 kg/hm2；K2O，16.9 kg/hm2)；F3高肥(N，180 kg/hm2；P2O5，101.3 kg/hm2；K2O，33.8 kg/hm2)。试验共F1W1，F1W2，F1W3，F2W1，F2W2，F2W3，F3W1，F3W2，F3W39组底墒、养分差别处理，设置3个重复，由田间小区进行试验研究，每小区面积27 m2，各处理根据不同小区底墒情况进行布设，田间管理同当地农户一致。各处理播前2 m土壤水分状况见表1。

表1 播种前0-200 cm各土层土壤含水量

1.3 田间测定与计算

1.3.1 土壤含水量及贮水量 采用烘干法测定土壤含水量，播种期和收获期各测定1次，测定深度为5 m，其中1 m以上土层每10 cm，1 m以下土层每20 cm测定1次，称量土壤湿重后105℃烘至恒重，再称量干重，计算土壤质量含水量。

土壤贮水量计算公式如下：

SW=0.1×θ×ρ×H

(1)

式中：SW为贮水量(mm)；θ为土壤质量含水量(%)；ρ为土壤容重(g/cm3)，试验田土壤取值1.3 g/cm3；H为土层深度(cm)。

1.3.2 冬小麦耗水量与水分利用效率 采用农田水量平衡法计算冬小麦生育期耗水量(ET)。研究区域无灌溉条件，地下水埋藏较深，很难被作物利用，地下水供给可忽略不计；同时试验田地势平坦，小区四周起垄，地表无径流产生；一般情况下农田水分入渗深度有限，以5 m深度计，降水难能造成渗漏损失。因此，黄土塬区旱作农田ET计算表达式可简化为：

ET=P+ΔSW

(2)

式中：ET为全生育期耗水量(mm)；P为生育期降水量(mm)；ΔSW为计算时段5 m土层土壤贮水量初始值与期末值之差(mm)。水分利用效率(WUE)、降水利用效率(PUE)分别由公式(3)—(4)进行计算：

WUE=Y/ET

(3)

PUE=Y/P

(4)

式中：WUE为作物水分利用效率[kg/(hm2·mm)]；PUE为作物降水利用效率[kg/(hm2·mm)]；Y为作物籽粒产量(kg/hm2)；ET为全生育期耗水量(mm)；降水等气象资料由试验站内气象观测场提供。

1.3.3 产量及产量构成 产量及产量构成测定按照《农业气象观测规范》[13]进行。产量、穗数为每小区取3行样品进行测定，同时取样测量千粒重。每小区取10株典型小麦样进行收获期株高、穗粒数的测定。

1.3.4 数据处理及分析 采用Microsoft Excel 2010，SPSS 21.0等软件进行数据处理及统计分析。

2 结果与分析

2.1 相同底墒条件下养分对产量及产量构成的影响

表2为试验各处理间产量及产量构成比较，可以看出：在3种底墒条件下，施肥均能显著提高冬小麦产量。在W1底墒水平时，中肥F2与高肥F3产量无显著差异但都显著高于不施肥处理F1，F2和F3产量较F1分别提高60%，94%；在W2，W3底墒水平时，产量均随施肥量增加而增加，且施肥处理F2，F3较F1显著增加，F3产量也显著高于F2，生物量也有类似规律。由此可见，在3种底墒条件下，养分投入均能显著提高冬小麦产量、生物量，但是随施肥量的增加，单位施肥量的增产幅度下降。

表2 相同底墒条件下养分处理间产量及产量构成多重比较

注：小写字母不同表示在0.05显著水平下有差异，株高、穗粒数每小区测定样本为10株。

此外，从表2还可以看出，收获指数在W1底墒时3种肥力水平间无显著差异，在W2，W3底墒时F2，F3肥力水平收获指数相近且显著高于F1。在3种底墒水平下，施肥处理株高均显著高于不施肥处理，表明施肥对冬小麦株高也有显著影响。总的来看，不同底墒、施肥处理产生不同耦合效应进而影响产量，在W1底墒时，施肥可显著提高有效穗数，穗粒数、千粒重较不施肥有所增加但差异并不显著；在W2，W3底墒时，穗粒数、穗数、千粒重施肥处理较不施肥均有所增加，W2底墒时施肥可显著增加穗粒数，W3底墒时施肥处理下的穗数、千粒重较不施肥显著提高。

2.2 相同养分条件下底墒对产量及产量构成的影响

由表2数据可知，在F1养分条件下，W1底墒时产量最高，W2，W3底墒水平下产量较W1减产50%左右，底墒增加产量反而降低。进一步分析其产量构成发现，F1W2处理下的冬小麦株高、穗粒数、千粒重均为所有处理中最低值，但穗数较多；F1W3时穗数为所有处理最低，穗粒数、千粒重较W1均有所下降，进而导致产量较F1W1显著下降。F2，F3养分条件下，冬小麦产量随底墒增加而略有增加，但并不显著。

水肥通过影响作物产量构成进而影响作物产量，在F2，F3养分条件下，虽然不同底墒水平下的产量无显著差异，但穗数、穗粒数、千粒重却有差别。F2养分时，株高、穗粒数、千粒重随底墒增加而增加，穗数在W2底墒时最高，W3底墒时最低。F3养分条件下，随底墒增加，穗数、千粒重增加，穗粒数、株高下降。当不施肥时，处理F1W2，F1W3产量与收获指数均显著低于处理F1W1，因底墒不同产量差别较大，而在2种施肥条件下，冬小麦产量受底墒影响较小，3种底墒下产量接近，无显著差异。

2.3 不同底墒与养分处理对冬小麦的影响

通过对施肥量、播前底墒2因素作用下的冬小麦产量、各性状指标进行方差分析(表3)，可以看出，从平均意义上讲，施肥对冬小麦产量、产量构成、株高、收获指数均有极显著影响，而底墒对穗数有极显著影响、对收获指数有显著影响。施肥量与底墒的交互作用对产量、收获指数、穗数均有极显著影响，对生物量、株高、穗粒数有显著影响，对千粒重无明显作用。由此可见，此试验条件下，不同的播前底墒与施肥量组合对冬小麦产量产生不同的效应，整体上表现为施肥产量高于不施肥，而底墒对产量影响较小，但可显著影响作物收获指数与成穗数。

注：*表示在0.05水平下达显著水平，**表示在0.01水平下达显著水平。

冬小麦的籽粒产量是在产量构成三要素的共同作用下形成的，不同处理条件下，冬小麦的籽粒产量会产生较大差异，产量构成三要素也必然有所差异。对所有处理产量构成要素进行变异性分析，结果表明，因不同底墒与施肥组合导致的变异性均表现为穗数>穗粒数>千粒重，相应变异系数为20.5%，17.1%，7.7%，即不同底墒施肥量组合主要是通过改变冬小麦有效穗数、穗粒数来影响产量的。

2.4 冬小麦生育期水量平衡及水分利用分析

2.4.1 冬小麦耗水组成及水分利用分析 本次试验冬小麦生育期降水量301 mm，较多年平均降水量高出89 mm，为丰水年，生育期内降水分布不均，仅6月份便有107 mm降水。因部分小区存在深层水分渗漏，耗水量难以确定，只分析表4中4个处理的耗水量—产量关系。由表4可以看出，当施肥量为F3时，随底墒的增加，耗水量、土壤供水量增加，水分利用效率接近。当底墒为W1时，F2，F3施肥处理下的ET，WUE，PUE均高于不施肥处理；在不同的施肥处理下，高肥F3的土壤供水量、耗水量高于中肥F2，水分利用效率F2W1，F3W1间没有差异。由此可见，施肥可增加冬小麦耗水量，提高水分利用效率、降水利用效率。相同底墒下，随施肥量增加，耗水量、土壤供水量均有所增加。

表4 2016-2017年冬小麦生育期耗水量组成及水分利用

试验中获得高产的F3W1，F3W2处理土壤供水量占全生育期耗水量24%～32%范围内，平均耗水深度均超过2 m。即使是产量、水分利用效率俱佳的F3W1处理，土壤水库依然提供了占生育期耗水量24%的水分。另外，F1W1处理耗水量较少，生育期内土壤水分增加46 mm，即由于多降水与耗水量少产生土壤水分补给。

2.4.2 冬小麦生育期深层土壤水分下渗分析 本试验夏闲期(7—9月)降水恰与生育期降水量相同，为301 mm，在播种前对部分小区进行了灌水以形成较高底墒，灌水量为60 mm，因此土壤水分条件较好。土壤水分测定深度为5 m，通过对比播种与收获时期的水分剖面分布(图2)，发现高底墒时，部分小区存在深层水分下渗现象。图2A为F1W3处理1个试验小区，在播前2—4 m土层范围内土壤含水量超过田间持水量，4 m土层以下低于田间持水量，而收获时情况相反，即4 m以上土层水分产生入渗，补给到4 m以下土层。图2B为F3W3处理一试验小区，与F1W3处理土壤水分剖面类似，收获时3.6 m以下土层水分得到补充。2种情况水分入渗深度均在5 m以下，难以为冬小麦吸收利用。在收获时，F1W3处理小区整层土壤含水量高于15%，而F3W3处理1—2 m土层含水量较低，形成明显的低湿层，表现出不施肥与施高肥时的土壤水分消耗差异。

3 讨 论

底墒对冬小麦产量形成的作用毋庸置疑[14-17]。冬小麦耗水一般在3 m土层内，主要用水层在2 m以内。本试验中2 m土层相对含水量分别为72%，82%，94%，相对较高，可定义为高底墒。试验不施肥处理F1W2，F1W3处理产量低于F1W1处理，底墒增加产量下降，主要与播种时水肥不协调有关。殷修帅等[6]通过2 a试验发现当不施用氮肥时，拔节期灌水较不灌水处理产量分别下降42%，35%，与本试验结果有相似之处。冬小麦苗期至返青期主要消耗表层水分，拔节期开始耗水逐渐延伸至2 m及以下[15]，本试验中不施肥时W2，W3底墒水平高，冬小麦前期生长优于W1处理，植株群体数量多，过早地消耗了耕层有限的养分与水分，同时由于不施肥，根系下扎浅，难以吸收利用深层土壤储水，在孕穗、灌浆期出现水肥供应不足，最终导致有效穗数、穗粒数、千粒重降低，影响了作物产量，且由于前期旺长，收获指数也降低。

图2 冬小麦播前、收获时期深层土壤水分入渗剖面比较

在雨养条件下，养分便成为限制产量增长的主导因素，施肥可显著提高作物产量与水分利用效率[18]，而随肥料的施用，生产力逐步提高，首要限制因子由肥到水转变[19]。试验中的高肥施肥量为当地中上水平，李开元等[20]在长武的研究表明在不同水文年与土壤水分条件下，施肥均可引起产量的显著提高，而水分只在干旱年份才能显著提升产量。张福锁等[21]认为旱地小麦生产的第一因素在年降水量低于300 mm时为水分，在降水量300～800 mm时，肥力是制约因素。本次试验养分对冬小麦产量影响大于底墒，2015—2016年该试验地研究表明，冬小麦产量随底墒增加而线性增加[22]，本试验中高肥处理产量随底墒并未表现出此特点，这与该年份生育期内降水充足且底墒较高有关，2015—2016年冬小麦生育期降水216 mm，为正常年份，本次试验为丰水年，尤其是6月4—5日降水70 mm，有效弥补了灌浆后期的土壤供水不足。因而在多降水与较高底墒形成的充足供水条件下，养分是限制小麦产量的主导因素，底墒差异并没有显著影响小麦产量。

生育期降水作为除底墒之外唯一的水分来源，影响旱作冬小麦产量。孟晓瑜等[5]研究发现，充足底墒下生育期降水亏缺会造成产量降低，不同降水年型下底墒、施肥量对冬小麦的产量、耗水特点亦有很大不同[14,19]。施用磷肥可促进作物吸收土壤水分，提高底墒利用率[18]，无论何种降水年型，土壤供水都是冬小麦必不可少的一部分，生育期降水多且分布合理，土壤供水少，反之土壤供水多[11]，本试验生育期降水量充足，若获得高产仍需土壤提供24%～32%的水分，而在平水年或干旱年作物需吸收更多的土壤储水。

4 结 论

在旱作农业为主的长武黄土塬区，冬小麦产量受底墒、养分、生育期降水量共同作用。不同底墒下施肥均可显著提高小麦产量，不施肥时，产量因底墒不同差别较大，而施肥时产量接近。施肥可增加冬小麦耗水，提高水分利用效率与降水利用效率，对冬小麦产量、产量构成、株高均有极显著影响，而底墒对穗数、收获指数有显著影响。播前底墒与施肥量的不同组合对冬小麦产量产生不同的效应，在不施肥与高底墒时由于水肥配合不当，较其他处理产量与收获指数显著下降。在试验年份的降水条件下，高底墒会造成土壤水分的深层渗漏，下渗深度可超过5 m，造成农田水资源的浪费。