地膜玉米免耕輪作春小麥水氮生產力對灌水施氮水平的響應

田雪梅，郭 瑤，王巧梅，周 寧，趙 財,樊志龍，范 虹，柴 強

(甘肅農業(yè)大學農學/院甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅蘭州 730070)

我國水資源短缺，人均占有量少，淡水資源僅占全球水資源總量的6%[1]，且農業(yè)灌溉用水占62.2%，農業(yè)節(jié)水形勢嚴峻[2]；另一方面，我國占世界9%的耕地用去了世界約30%的化肥，肥料平均利用率較發(fā)達國家低10%以上[3]。因此，農業(yè)水肥高效利用研究亟待深入。諸多農田節(jié)水技術中，地膜覆蓋應用普遍，但該技術多用于喜溫、稀植類作物，且多為每年更換新膜，投入成本較大[4]，一膜能否多年利用是作物生產中值得探討的問題。免耕能顯著提高土壤蓄水保墑能力，降低棵間蒸發(fā)，增強土壤貯水性能，增加作物產量，且在干旱較嚴重情況下穩(wěn)產效果較好[5]。輪作能使得土壤全氮含量增加10%～20%，增加土壤供氮能力[6]。玉米-小麥的輪作可提高小麥生育期內土壤貯水量，近而提高土壤供水強度[7]。適宜的水氮配比可使作物高產[8]。但上述技術應用效果研究大都是單一的，缺乏技術集成效應探討，其中免耕、輪作、舊膜再利用、水氮耦合及水氮減量等技術綜合應用能否節(jié)約水氮資源、提高水氮利用效率，對于作物高產高效生產而言，是非常值得研究的。前人大多用水分利用效率[7]、養(yǎng)分利用效率[9]等指標來衡量水氮資源利用效率的高低，弱化了人工投入資源經濟性的衡量，而作物灌溉水生產力與氮肥偏生產力兩個指標表征單位資源投入與籽粒產量的關系，從投入產出角度分析節(jié)水、節(jié)肥技術的經濟可行性，可為系統(tǒng)評價技術綜合效益提供支撐。

西北干旱內陸灌區(qū)是我國地膜使用強度最大的地區(qū)，且資源性缺水嚴重[10]，研究不同水肥高效利用技術的集成效應，對于解決該區(qū)作物生產的水肥利用問題具有重要作用。本研究以地膜玉米為前茬，分析了在不同耕作措施和水氮條件下輪作小麥的產量、水氮生產力，以期為西北干旱內陸灌區(qū)玉米-小麥輪作水氮高效利用技術體系的建立提供實踐支持。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試驗于2016-2018年度在甘肅省武威市黃羊鎮(zhèn)進行，該地區(qū)位于甘肅河西走廊東端(37°30′N，103°5′E)，是典型的大陸性荒漠氣候，年均降雨量約156 mm，蒸發(fā)量約2 400 mm，資源性缺水嚴重，且降雨主要集中在7-9月份，雨熱分布錯位，不能滿足小麥生長發(fā)育的需要，是典型的綠洲灌溉農業(yè)區(qū)。小麥、玉米為該區(qū)的主要糧食作物。玉米大多覆膜栽培，耕作以傳統(tǒng)深翻耕為主。試驗地0～30 cm土壤全氮含量0.88 g·kg-1，速效鉀含量156.2 mg·kg-1，有效磷含量29.2 mg·kg-1。2016-2018年3-7月降雨量分布如圖1。

圖1 2016-2018年度武威試驗站3-7月降雨量

1.2 試驗設計

試驗采用三因素裂區(qū)設計。主區(qū)為前茬地膜玉米收獲后的2種不同耕作方式，即免耕一膜兩年用(NT)和傳統(tǒng)耕作(CT)；裂區(qū)為2個灌水水平，分別為2 400 m3·hm-2(傳統(tǒng)水平，I2)、1 920 m3·hm-2(較傳統(tǒng)灌水減量20%，I1)，在苗期、孕穗期和灌漿期灌水比三年均為5∶6∶5；裂裂區(qū)為3個施純氮水平，分別為225 kg·hm-2(傳統(tǒng)施氮，N3)、180 kg·hm-2(較傳統(tǒng)施氮減量20%，N2)、135 kg·hm-2(較傳統(tǒng)施氮減量40%，N1)。共12個處理，每個處理3次重復，小區(qū)面積52 m2(5.2 m×10 m)。各處理均施磷肥P2O5150 kg·hm-2，與氮肥播種前一次性穴施，冬季灌水1 200 m3·hm-2。灌溉方式采用管灌，以水表計灌溉量。小麥生育期人工控制雜草、病蟲害，其他田間管理均與當?shù)馗弋a田一致。

1.3 試驗準備

試驗于2015-2018年進行，其中2015年為預備試驗。期間前茬為覆膜玉米，施肥(360 kg·hm-2)、灌水量(4 080 m3·hm-2，采用膜下滴灌)均與當?shù)赜衩滋锉３忠恢拢?015玉米收獲后一半免耕留茬，地膜完整度保持在70%以上，一半回收殘膜后深翻耕，2016年在該地塊進行小麥穴播，同時準備2017年小麥舊膜穴播的預備試驗，以此類推。

供試春小麥品種為甘春30。小麥于2016年3月28日、2017年3月26日和2018年的3月13日穴播，于2016年7月21日、2017年7月20日和2018年7月18日收獲，播種密度均為465萬?！m-2，行距12 cm。免耕茬口留膜寬1.40 m，厚0.01 mm。

1.4 測定指標與方法

成熟期采用小區(qū)單打單收計產，重復3次，風干脫粒后測定其14%含水量的籽粒產量(GY)，并計算灌溉水生產力(IWP，籽粒產量/總灌水量)[11]與氮肥偏生產力(PFP，施氮處理產量/施氮量)[12]。

1.5 數(shù)據處理

試驗數(shù)據采用Microsoft Office Excel 2010進行整理匯總，用SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對小麥籽粒產量的影響

年份、耕作方式、灌水水平、施氮水平及四者間交互作用對小麥籽粒產量影響均顯著(表1)。由于降雨等氣象因子不同，2018年的平均籽粒產量較其他兩年下降18.0%～18.4%(圖2)。三年中，相對于傳統(tǒng)耕作，免耕一膜兩年用處理增產 5.5%～10.4%；減量20%灌水處理的籽粒產量較傳統(tǒng)灌水處理提高2.3%～8.8%；減量20%施氮處理在2016、2017年較傳統(tǒng)施氮處理分別增產 4.3%和2.6%，但差異不顯著，2018年減產 10.7%。三年中減量20%灌水處理較減量40%施氮處理增產11.1%～16.6%。年份、灌水與施氮的互作對小麥籽粒產量影響顯著，耕作措施與灌水水平、耕作措施與施氮水平間的交互作用不顯著。相同耕作方式下，減量20%灌水、減量20%施氮處理與減量20%灌水、傳統(tǒng)施氮處理及傳統(tǒng)灌水、減量20%施氮處理在2016、2017年差異均不顯著，2018年較前者減產5.7%，較后者增產12.5%。免耕措施下，減量20%施氮、減量20%灌水處理與傳統(tǒng)灌水、傳統(tǒng)施氮處理間無顯著性差異；減量20%施氮、減量20%灌水處理與傳統(tǒng)灌水、減量20%施氮處理相比，2016、2017年均差異不顯著，2018年增產25.3%。三年中籽粒產量較高的處理均出現(xiàn)在免耕減量灌水條件下的傳統(tǒng)施氮和減量20%施氮處理(NTI1N3、NTI1N2)及免耕傳統(tǒng)灌水條件下傳統(tǒng)施氮和減量20%施氮處理(NTI2N3、NTI2N2)。可見，將免耕、減量20%施氮與減量20%灌水集于一體，可對春小麥產生增產量加和效應，也說明免耕舊膜再利用結合減量灌水和施肥20%適合于春小麥高產高效栽培。

圖柱上不同字母表示同一年中不同處理間在0.05水平差異顯著。下同。

Different letters above the chart column represent significant difference within the same year among the treatments at 0.05 level. The same in figure 3 and 4.

圖2 不同處理的春小麥籽粒產量

Fig.2 Grain yield of spring wheat under different treatments

表1 春小麥籽粒產量、灌溉水生產力與氮肥偏生產力的顯著性分析(P值)Table 1 Significance analysis of grain yield, irrigation productivity and partial factor productivity(P value)

NS：P>0.05.

2.2 不同處理小麥的灌溉水生產力差異

年份、耕作方式、灌水水平、施氮水平及四者間的交互作用對小麥的灌溉水生產力影響均顯著(表1)。2016-2018年相較于傳統(tǒng)耕作，免耕一膜兩年用處理小麥的灌溉水生產力提高5.8%～ 10.3%。減量20%灌水較傳統(tǒng)灌水處理三年中提高18.0%～25.6%。減量20%施氮處理較傳統(tǒng)施氮處理在2016、2017年分別增加3.9%、 2.3%，但差異均不顯著，2018年減小10.4%。減量20%灌水處理灌溉水生產力三年中較減量40%施氮處理增加10.6%～16.4%。

年份與耕作方式、年份與施氮水平的互作效應均顯著，年份與灌溉水平互作及耕作方式、灌溉水平與施氮水平三者中兩兩互作效應均不顯著。相同耕作方式下，減量20%灌水、減量20%施氮處理相對于減量20%灌水、傳統(tǒng)施氮處理在2016、2017年無顯著變化，2018年減小5.3%，三年中較傳統(tǒng)灌水、減量20%施氮處理增加 12.3%～29.9%。免耕下，減量20%灌水、減量20%施氮處理較傳統(tǒng)灌水、傳統(tǒng)施氮處理提高 7.6%～20.3%；較傳統(tǒng)灌水、減量施氮處理增加11.6%～44.6%，較減量20%灌水、傳統(tǒng)施氮處理無顯著變化。由于減量20%灌水處理的灌溉量小，三年所有處理中免耕結合減量灌水的小麥灌溉水生產力在傳統(tǒng)施氮、減量20%施氮條件下均最高，且兩種施氮水平間無顯著差異。這說明免耕一膜兩年用配以節(jié)水、減氮20%措施在減少資源投入、提高水資源利用效率方面可行性很高。

圖3 不同處理的春小麥灌溉水生產力

2.3 不同處理對小麥氮肥偏生產力的影響

年份、耕作方式、灌水水平、施氮水平及四因素間互作對小麥的氮肥偏生產力影響均顯著(表2)。由圖4可以看出，2016-2018年，免耕處理的小麥氮肥偏生產力較傳統(tǒng)翻耕處理提高 6.4%～10.5%；減量20%灌水處理較傳統(tǒng)灌水處理提高 2.0%～10.4%；減量20%施氮處理較傳統(tǒng)施氮處理提高11.6%～30.4%，較減量40%施氮處理降低12.5%～16.7%。

年份、施氮水平與耕作方式及年份、施氮水平與灌水水平間交互效應均顯著，年份、耕作方式與灌水水平間的交互作用不顯著。在相同耕作方式下，減量20%灌水、減量20%施氮處理的小麥氮肥偏生產力較減量20%灌水、傳統(tǒng)施氮處理增加18.4%～24.1%，較傳統(tǒng)灌水、減量20%施氮處理在2016、2017年無顯著變化，在2018年增加 12.5%。免耕下，減量20%灌水、減量20%施氮處理的氮肥偏生產力較傳統(tǒng)灌水、施氮處理增加 16.5%～30.4%；較傳統(tǒng)灌水、減量20%施氮處理在2016、2017年變化不顯著，2018年增加 25.3%；較減量20%灌水、傳統(tǒng)施氮處理增加 23.8%～23.9%。

綜合來看，免耕與減量施氮均可提高小麥氮肥偏生產力，其中減量40%施氮時小麥氮肥偏生產力最高，傳統(tǒng)灌水與減量灌水對小麥的氮肥偏生產力無顯著影響，因此免耕舊膜次年再利用集成水氮減量措施在減投資源的基礎上能提高氮肥利用效率，有利于氮肥資源高效利用。

圖4 不同處理的春小麥氮肥偏生產力

3 討論

3.1 免耕地膜覆蓋及水氮水平對小麥籽粒產量的影響

產量的形成是一個連續(xù)漸進的過程，籽粒是小麥最后形成的器官，籽粒產量的高低是小麥植株個體發(fā)育、栽培技術、環(huán)境條件及生產目標的最終體現(xiàn)[13]。由于2018年降雨較少，基本無有效降雨，且灌漿期遭遇干熱風，阻礙當年籽粒產量形成，造成嚴重減產。覆膜玉米茬免耕一膜兩年輪作穴播較傳統(tǒng)翻耕有利于小麥增產，這與蔡 艷等[6]、樊志龍等[14]的研究結果一致；地膜覆蓋可減少水分流失，降低耗水，在干旱年份也可保水、增產[15-16]；免耕舊膜次年再利用還可提高土壤溫度，促進水肥協(xié)調，有利于作物生長發(fā)育和高產[17]。由于免耕一膜兩用優(yōu)化了土壤水肥性質，在此耕作措施下水氮減量20%處理的籽粒產量與傳統(tǒng)水氮處理間無顯著差異，表明在免耕條件下適量減少水氮用量不會影響春小麥產量形成[18]，過量灌水和施氮反而增大生產成本[8，14]。另外，免耕舊膜使用相較于覆新膜，未表現(xiàn)出明顯的減產，且節(jié)省新膜投入及土地耕作費用，整體增益可觀。因此，免耕舊膜再利用配以減量20%灌水和減氮20%在西北綠洲灌區(qū)作為小麥減投高產措施可推廣利用。

3.2 小麥農田灌溉水生產力對免耕地膜覆蓋及水氮水平的響應

耕作方式、灌水、施肥水平均對小麥的灌溉水生產力產生顯著性影響[11]。研究表明，高灌水可提高作物的灌溉水生產力，是因為增加灌水對籽粒產量的增加效應較大[20]。本研究中免耕一膜兩年用與減量灌水處理均可增加小麥灌溉水生產力，究其原因可能是舊膜免耕穴播栽培、減少冬春季蒸發(fā)，使得耗水中有效蒸騰大于無效蒸騰[11,20]降低作物生長中非生產性水損失。不同施氮梯度間，減量20%施氮處理較傳統(tǒng)施氮處理，2016-2017年度差異不顯著，2018年減小10.4%，主要是2018年度雨水稀缺導致籽粒產量減小。減量40%施氮處理顯著降低小麥灌溉水生產力，可能是氮素不足，導致減產嚴重。增施氮肥可通過提高土壤水勢，增強土壤供水能力，提高作物對土壤水分的利用[21]，充分體現(xiàn)出水氮耦合效應，從而提高灌溉水利用效率。由此可見，在西北綠洲灌區(qū)，推行免耕一膜兩年用結合減量20%灌水和減量20%施氮在資源減耗方面可行性較強。

3.3 免耕地膜覆蓋及水氮水平對小麥氮肥偏生產力的調控效應

氮肥偏生產力可充分反映作物施氮后的實際生產水平，綜合反映當?shù)赝寥阑A養(yǎng)分和化肥施用量，由施肥量與籽粒產量決定高低[22]。本研究表明，耕作方式、灌水水平和施氮水平及三者間互作，及施氮水平與耕作方式、施氮水平與灌水水平間的互作均對小麥氮肥偏生產力產生顯著影響，其中免耕可提高作物氮肥偏生產力，減量灌水處理未表現(xiàn)出明顯的負效應。一方面是地膜覆蓋有效改善了土壤水溫條件[23]，增強養(yǎng)分供應能力；另一方面，輪作促進小麥吸收上茬玉米殘留在 0～70 cm土壤的氮素[6,24]，有利小麥氮肥偏生產力提高[12]。傳統(tǒng)施氮與減量20%施氮間籽粒產量無顯著差異，這是減量20%施氮處理的氮肥偏生產力較高的主要原因。另外，減量40%施氮雖明顯提高小麥的氮肥偏生產力，但明顯降低了籽粒產量，于農業(yè)生產無益。這說明過量施氮會造成資源浪費[9]，加大環(huán)境污染風險，所以要兼顧生產效益與環(huán)境保護，減量施氮就勢在必行。一定范圍內，小麥的氮肥生產效率隨灌水量的增加而增加，隨施氮量的增加而減小[21]，可能是增加灌水使得小麥籽粒產量增加，從而增加小麥氮肥偏生產力，說明水分和氮肥對作物氮肥偏生產力的增加效應是水氮各自單因素效應及二者互作效應共同作用的結果[25]。因此，水、氮單方面高或者低都不能帶來較高的產投比，只有當二者均適宜即高效的水氮模式下，才能獲得較高的水氮生產力，增大資源產投比，實現(xiàn)節(jié)本增效，故免耕舊膜再利用集成水氮減量有助于提高小麥氮肥偏生 產力。

綜上所述，前茬地膜玉米免耕輪作穴播春小麥配套灌水1 920 m3·hm-2、施氮180 kg·hm-2可作為西北干旱內陸灌區(qū)節(jié)水節(jié)氮、高產低耗的小麥種植模式，適宜大面積推廣。