不同施肥量对旱作沟垄集雨种植农田土壤水分及玉米产量的影响

庞津雯，王钰皓，刘 畅，高 原，刘东华，张 艳，杨宝平，贾志宽，张 鹏

（西北农林科技大学农学院/农业农村部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室/西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100）

土壤水分和养分是影响作物产量形成最大且最易得到人为控制的两大因子[1]，而水肥的协调与科学管理是旱区农业稳定和可持续发展的关键手段。中国西北半干旱区属典型的雨养农业区，年降雨量在300～550 mm，降雨时空分布不均，与作物需水期不一致，农作物生育期经常水分亏缺，严重制约了该地区作物生产水平的提高[2-4]。土壤贫瘠、肥力低下是限制半干旱地区作物生产的另一个关键因素[5-6]。自20世纪80年代以来，西北地区传统农业中的养分由单施农家肥逐渐转向以施用化肥为主[5,7-8]，适量施肥增加了土壤蓄水保墒能力，在一定程度上抑制了土壤水分蒸发，提高了水分利用率[7,9]。合理施肥通过调控作物群体密度，能够获得较好的个体和群体关系，从而获得较高的产量[10]。然而，过量施用化肥对土壤物理化学性质和生物多样性产生了不利影响，导致硝态氮淋溶，土壤水分过度消耗[11]。沟垄集雨种植技术是我国西北旱作农业区提高降水利用率和作物产量的有效耕作措施之一，已大面积广泛应用[9,12-15]。该技术可以将垄上的雨水富集于沟中，并加强入渗[16]，通过垄沟内降水的叠加以及抑制垄下土壤中水分的蒸发，能有效改善作物根际土壤水分的条件[11,17]。大量研究表明，沟垄集雨种植可促进作物根系的生长，提高作物水肥利用效率，从而显著提高作物株高、干物质量和经济产量[12,18-19]，尤其在降水量范围为230～440 mm的地区增产效益最为显著[18]。然而，在作物生长发育过程中，水分和养分的作用并不是孤立的，而是相互作用相互影响的[20-21]。因此，制定科学合理的施肥策略，对进一步挖掘沟垄集雨种植在旱区的增产潜力十分重要。覆盖材料、沟垄宽度变化对水温变化及作物产量的影响等方面已有报道[9,14,22]，针对该种植系统适宜施肥量的研究较少。因此，我们通过连续5年的大田定位试验，研究了不同施肥量下沟垄集雨种植系统中的玉米土壤水分消耗特点、水分利用效率和产量，以确定沟垄集雨种植条件下化肥施用量与水分利用效率、玉米产量的关系，为黄土高原旱作区玉米沟垄集雨种条件下施肥策略的制定提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区自然概况

试验于2012—2016年在宁夏回族自治区固原市彭阳县长城村旱地农业试验站 (106°48ˊE，35°51ˊN)进行，该区海拔1658 m，地貌类型属黄土高原腹部梁峁丘陵地。该地区40年平均降水量为430 mm，主要集中在7—9月份。年平均气温6.1℃，年平均日照时数 2518.2 h，年蒸发量 1753.2 mm，干燥度 (≥ 0℃的蒸发量)为1.21～1.99 mm，无霜期 140～160 天。试验田为旱平地，土壤质地为黄绵土，播前各土层土壤理化性状指标详见表1。

表 1 试验地0—60 cm土层土壤基础理化性质Table 1 Physico-chemical properties of soil in 0–60 cm depth

1.2 各试验年份玉米生育期降水情况

试验地玉米生育期多年平均总降雨量为338.7 mm，属于典型半干旱地区，降雨主要集中在7—9月份 (表2)。2012—2016年的生育期降水量在251.6～594.1 mm，依据干旱指数[23]，通过计算标准化降水指数 (SPI值)，将试验年按年降雨量划分为平水年 (2012、2014和2015)、丰水年 (2013)和干旱年 (2016)。除丰水年 (2013) 外，≤ 5 mm 降雨频次平均高达 66%。其中，2013年7月一次性降雨量最高达71.8 mm；干旱年 (2016) 无效降雨总量达年降雨量的27.7%，且在7月份连续发生了两次＞50 mm的高强度降水。

表 2 2012—2016年试验地降水量Table 2 Precipitation in experimental plot from 2012 to 2016

1.3 试验设计

试验采取完全随机区组设计，在垄沟集雨种植模式上设置4个施肥量，分别为不施肥对照 (CK)、低肥 (N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2)、中肥 (N 300 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2)、高肥 (N 450 kg/hm2、P2O5225 kg/hm2)，各处理设3个重复，共12个小区，每个小区间有90 cm过道间隔。小区种植面积为61.2 m2(长 17 m × 宽 3.6 m)。沟垄集雨种植 (图 1) 的沟垄宽均为60 cm、垄高15 cm，垄上覆普通地膜 (膜宽75 cm、厚0.01 mm，甘肃天宝塑业公司)。所用肥料为尿素 (N 46%)和磷酸二铵 (P2O546.0%、N 18.0%)。各施肥处理全部磷肥和60%氮肥作为基肥在播前均匀撒在沟内种植区并深翻，其余40%氮肥在播种69～75天后追施。

图 1 沟垄集雨种植田间示意图Fig.1 Sketch of ridge mulching-furrow planting system used in the experiment

供试玉米品种为‘大丰30’，种植密度为75000株/hm2。播种日期为4月中下旬 (2012—2016年分别为4月29日、4月16日、4月28日、4月22日和4月22日)。收获期为9月底或10月初(2012—2016年分别为10月14日、9月27日、10月4日、10月2日和9月20日)。5年试验期内不同处理均为连续定位试验，玉米生育期内进行人工除草，全程不灌溉。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤水分 土壤水分含量测定采用土钻法，测定深度为0—200 cm土层，其中0—20 cm每10 cm取1个土样，20 cm以下每20 cm取1个土样，取样位置为膜侧 (玉米株间)，每次测定重复3次，取样时期为播种期初始、播后35天 (V4)、75天(V8)、105 天 (VT)和139 天 (成熟期，R6)，所取土样在2 h内测定其湿重，在105℃烘箱内烘至恒重后进行干重称量。

1.4.2 土壤储水量计算 根据公式 (1) 计算出土壤储水量[24]：

式中：SWS为土壤储水量 (mm)；ci为土壤水分重量百分数 (%)；ρi为土壤容重 (g/m3)；hi为土层深度(cm)；n为土层数量；i=10，20，40，…，200。

1.4.3 农田耗水量计算 利用公式 (2)[3,11,25]估算农田耗水量 (ET)：

式中：ET为农田阶段耗水量 (mm)；P为阶段降雨量(mm)；∆SWS为阶段内0—200 cm土层土壤储水量的变化量 (mm)；C为地下水上升补给量 (mm)；D为深层渗漏量 (mm)；R为地表径流 (mm)。依据具体试验地区条件，地下水上升补给量、深层渗漏量和径流量可忽略不计[22]。

1.4.4 干物质积累量及产量测定 在玉米播种后35、55、75、105、129天和成熟期，各重复小区选取3株 (每个处理共9株) 有代表性长势一致的植株，105℃杀青30 min，75℃烘至恒重，测其干重。收获时，每个小区选取3行长势均匀的玉米植株 (约 20 m2) 测定玉米籽粒产量 (14% 含水量)。

1.4.5 水分利用效率计算 作物水分利用效率和降水利用效率分别利用公式 (3)和(4) 进行计算[11,26]。

式中：WUE为籽粒水分利用效率[kg/(mm∙hm2)]；RUE为降水利用效率[kg/(mm∙hm2)]；GY为籽粒产量(kg/hm2)；ET为全生育期耗水量 (mm)；GP为全生育期降雨量 (mm)。

1.5 数据处理

采用SPSS 22对每个样品数据进行统计分析，如果t检验在0.05的概率水平上具有显著性，则利用最小显著差数法 (LSD 0.05) 在处理间进行多重比较。采用SigmaPlot 12.3进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥量对玉米生育期的影响

随着施肥年限的增长，各施肥处理对玉米生育进程的影响逐渐加大。2012和2013年各处理间均无明显差异；2014和2015年，与CK相比，各施肥处理生育期分别平均缩短了3和4天，主要是缩短了抽雄吐丝期 (VT)和乳熟期 (R3)；在 2016 年，高肥处理较CK生育期缩短了6天，而中肥和低肥处理较CK处理生育期均缩短了8天，各施肥处理延长了 6 叶期 (V6)、8 叶期 (V8)和抽雄吐丝期 (VT)，缩短了乳熟期 (R3)和成熟期 (R6)。

2.2 不同施肥量对玉米生育期0—200 cm土层土壤含水量的影响

在四叶期～抽雄吐丝期，各处理土壤含水量均随施肥量的增加呈降低的趋势 (图2)。在四叶期(V4)，2012—2014年各处理间无显著差异；2015年，高肥处理0—200 cm土层的土壤含水量较中肥、低肥和CK处理分别平均降低7.2%、6.6%和5.9%，其余处理间无显著差异；2016年，高肥处理较中、低肥和CK处理分别平均降低2.4%、6.2%和19.9% (P＜0.05)，中肥较低肥处理和CK 分别平均降低 3.4%和16.9% (P＜0.05)，低肥较 CK 平均降低12.7%。在八叶期 (V8)，随着玉米生育进程的加快，各施肥处理土壤含水量在2013—2016年均显著 (P＜0.05) 低于CK，高、中和低肥处理分别平均降低11.6%、8.0%和5.2%，高肥和中肥处理较低肥处理分别平均降低6.0%和2.6%，高肥较中肥处理平均降低3.3%。在抽雄吐丝期 (VT)，各施肥处理土壤含水量在各年份均显著 (P＜0.05) 低于 CK，高、中和低肥处理分别平均降低18.2%、16.2%和12.1%，高肥和中肥处理较低肥处理平均降低了7.3 % (P＜0.05)和3.4%，中肥较低肥处理平均降低3.8%。在成熟期 (R6)，在各年份各施肥处理土壤含水量均显著 (P＜0.05) 低于 CK，分别平均降低 24.7%、24.2%和17.7%；高肥和中肥处理较低肥处理分别平均降低6.3%和5.6%；高肥和中肥处理间无显著差异 (P＞0.05)。

图 2 2012—2016年玉米生育时期0—200 cm土层土壤含水量变化Fig.2 Soil water content in 0–200 cm soil layer at each growth stage of maize in 2012–2016

2.3 不同施肥量对农田耗水量的影响

在各试验年份农田耗水量均随施肥量的增加而发生变化 (表3)，且年份、施肥量以及二者互作效应对耗水量均有极显著 (P＜0.01) 的影响 (表 3)。与CK相比，高、中和低肥处理5年平均耗水量分别显著 (P＜0.05) 提高了 8.6%、7.7%和5.3%。各施肥处理间，中肥处理的耗水量在干旱年 (2016) 较高肥和低肥处理分别增加 14.9和7.5 mm (P＞0.05)，除2016年外高肥、中肥处理在丰水年和平水年耗水量均显著高于 CK 高于低肥处理 (P＜0.05)，平均分别提高13.7和10.2 mm，高肥与中肥处理5年平均值无显著差异。

表 3 2012—2016年不同施肥处理农田耗水量 (mm)Table 3 Soil water consumption under different fertilizer treatments in 2012–2016

2.4 不同施肥量对干物质积累的影响

在各试验年份，各处理玉米单株干物质累积量均随施肥量的增加而增加 (图3)。高肥、中肥和低肥处理5年平均干物质累积量较CK分别显著提高38.3%、35.8%和31.2%。高肥处理较中肥、低肥处理分别提高3.7%和10.1% (P＜0.05)，中肥处理与低肥处理无明显差异。在丰水年，高肥处理收获期的干物质累积量较中肥处理和CK分别显著提高7.6%和18.8%，其余各施肥处理无明显差异，在平水年和干旱年，高肥、中肥处理较低肥分别显著 (P＜0.05)提高10.0%、11.5%，其中平水年提高幅度大于干旱年。肥料的连年累积效应使中、高施肥水平处理苗期生长出现了明显的抑制现象，在2015年和2016年播后35天，高肥和中肥处理较低肥处理单株干物质累积量分别显著 (P＜0.05) 降低，2015 年分别降低44.3%和48.3%2016年分别降低19.5%和12.5%，2016年播种后103～152天，高肥处理较中肥平均降低6.0%。

2.5 不同施肥量对玉米产量的影响

年份、施肥量以及二者互作效应对玉米产量均有极显著 (P＜0.01) 影响 (表 4)。各施肥处理玉米籽粒产量均显著 (P＜0.05) 高于不施肥处理，高肥、中肥和低肥较CK平均提高45.8%、47.9%和45.6%。中肥处理5年平均籽粒产量最高，平均达11.4 t/hm2，较高肥和低肥处理平均分别提高4.0%和4.2%，且变异系数最小，为12.9%，产量最为稳定。在丰水年 (2013年) 低肥处理籽粒产量较高肥、中肥处理分别提高3.2%和6.0% (P＜0.05)，在平水年和干旱年，中肥籽粒产量显著高于高肥和低肥处理，分别平均提高 5.6%和6.4% (P＜0.05)。

表 4 2012—2016不同施肥处理玉米籽粒产量 (t/hm2) 及其变异系数Table 4 Grain yield (2012–2016) and its variation coefficient under different fertilization treatments

2.6 不同施肥量对水分利用效率的影响

不同年份中施肥量对籽粒水分利用效率 (WUE)和降水利用效率 (RUE) 均有极显著的影响 (图 4)。施肥处理的WUE在各年份均显著高于不施肥处理(CK)，高肥、中肥和低肥处理较CK分别提高44.6%、46.7%和47.2% (P＜0.05)。在丰水年，高肥、中肥处理的WUE较低肥分别显著降低7.2%和7.2% (P＜0.05)，高肥和中肥间无显著差异；在平水年，中肥处理较高肥、低肥分别平均提高7.5%(P＜0.05)和4.6%，高肥处理均低于低肥处理，平均低2.9%；在干旱年，各施肥处理间均无显著差异。

与WUE变化趋势相似 (图4)，各施肥处理5年平均RUE均高于CK处理，高肥、中肥和低肥处理分别显著提高 48.6%、50.9%和49.2% (P＜0.05)。各年份 (除2013年外) 各施肥处理间均以中肥处理最高，中肥较高肥和低肥处理平均分别提高5.3%和4.3%。各降雨年型下，各处理RUE在干旱年最高，中肥较高肥、低肥分别显著提高11.5%和5.2% (P＜0.05)，高肥较低肥降低 6.6% (P＜0.05)；在丰水年，各施肥处理间无明显差异；在平水年，中肥较高肥、低肥处理分别平均显著提高6.3%和7.4%(P＜0.05)。

图 4 2012—2016年不同施肥处理籽粒水分利用效率和降雨利用效率变化Fig.4 Water use efficiency (WUE) and rainfall use efficiency (RUE) under different fertilizer rates in 2012—2016

3 讨论

3.1 不同施肥量对沟垄集雨种植土壤含水量及农田耗水量的影响

在农作物生产中，水肥是影响作物生长的最主要的限制因子之一，水肥管理也一直是作物生产中最为重要的措施之一[27]。土壤培肥与沟垄覆膜方式有机结合是提高土壤供水供肥能力的有效措施[28]。水肥相互促进，又互相制约，对作物产量的提高起着重要作用[29]。本研究结果表明，在玉米四叶期～抽穗吐丝期土壤含水量随施肥量的增加而降低，各施肥处理平均较CK显著降低13.2%。这有可能是因为施肥改善了土壤肥力，促进了玉米地上部分的生长，从而增加了对土壤水分的吸收，近而降低根系土壤含水量[30]。Gan等[31]研究指出，在沟垄集雨种植系统下，农田耗水量随着施肥量的增加而增加，当施肥量达到一定阈值时，耗水量将不会进一步增加。本研究结果也表明，高肥和中肥处理5年平均耗水量无显著差异。Zhang等[32]研究发现，肥料效应与施肥年限及施肥量均显著相关，这与本试验结果相似，施肥量、年份及其互作对玉米耗水量均存在显著影响，且随施肥量的增加，肥料效应逐渐减弱。这可能是因为连年高量施肥处理会造成土壤质量的下降，从而不利于肥料效应的发挥。杨封科等[28]也得出类似研究结果。然而丰水年则与Zhong等[33]的农田耗水量随施肥量的增加而降低的研究结果不同，这可能是因无效降水和高强度降水占总降水量比例较高(＞15.5%) 所致。另外，随着施肥量的增加，土壤中水分的利用率有所提高 (数据未列出)，尤其在生育期遭遇干旱或降雨较少时，土壤水分利用率高于31.0%，造成了土壤贮水的大幅消耗。这可能是因为施肥一方面促进玉米地上部干物质累积和根系的生长，提高了对水分的吸收能力[33]；另一方面施肥可有效地提高作物的叶面积指数和蒸腾速率[34]，故而提高土壤水分利用率，增加农田耗水量。

3.2 不同施肥量对沟垄集雨种植农田玉米产量及水分利用效率的影响

沟垄集雨种植可显著改善土壤水肥状况，进而提高作物干物质的转化效率[9]。而施肥能够有效改善旱区作物的生长状况，增加干物质积累及转化效率，起到以肥调水的作用，促进土壤微生物量、作物产量及水分利用效率等的提高[30,35]。本研究结果表明，与CK相比，各施肥处理对玉米的干物质积累均有一定的促进作用，且随着施肥量的增加而增加，从而为最终产量的形成奠定了基础。

许多研究已表明，施用肥料和作物产量之间是抛物线关系，即当施肥量超过某个阈值时，粮食产量下降[11,27,36-37]。本试验结果也表明，从 2014 年开始，从播种期到四叶期 (V4)，高肥处理的玉米植株在前期生长受到了抑制，2015—2016年，这种抑制一直持续到了成熟期 (图3)，高肥处理较中肥处理的干物质累积量、产量、水分利用效率均有不同程度地降低。造成这种现象的原因主要是连年的肥料投入，过量的氮肥投入使土壤溶液中氮浓度增加，从而造成生理性干旱，抑制根系对水分的吸收[33]，进而影响了玉米干物质累积、产量和水分利用效率[38]。另外，在2014—2016年的降雨偏少，且6—8月份一直处于干旱状态 (表2)，这严重影响了玉米生长发育，同时也造成了水肥供应与需求不匹配的问题，使水肥互作产生负效应，降低了增产效应。这与连延浩等[9]的研究结果相似，在水资源充足的条件下，肥料的增产效应随着施肥量的增加会逐渐增大，但是当水资源匮乏时，肥料的增产效应会降低，甚至出现负效应。

Ren等[18]前期研究指出，在沟垄集雨种植系统中施肥增产效果会受到区域自然降雨量等因素的影响。本研究表明，施肥量、降雨年型及其互作对玉米产量和水分利用效率均存在显著影响 (P＜0.001)，在丰水年，低肥处理 (N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2)的产量最高 (12.77 t/hm2)，而在平水年和干旱年，中肥处理 (N 300 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2) 产量最高 (平均11.2 t/hm2)，且产量变异系数最小。李博宇等[39]在半干旱区的研究也表明，当氮肥施用量达到300 kg/hm2时，玉米产量最高，与本试验研究结果一致。本试验中各处理在2012年 (生育期降雨量为411.4 mm) 时平均产量最高，而各处理水分利用效率则在试验年份内随着生育期降雨的多少会发生变化。因此，当降雨量不均匀或生长季节降雨不足时，可以通过适当增加氮肥施用量，提高作物产量和作物水分利用效率[33]。

4 结论

在半干旱地区，施肥量对沟垄集雨种植模式春玉米产量及水分利用效率的影响受制于降雨量。在丰水年，较低的施肥量 (N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2) 即可获得理想产量和水分利用效率；而在平水年和干旱年，中量施肥水平 (N 300 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2) 获得的产量和水分利用效率最高。高施肥量 (N 450 kg/hm2、P2O5225 kg/hm2) 会造成土壤水分的大量消耗。