肥沙混施對鹽堿地冬小麥耗水特性與生長的影響

李曉爽 黨紅凱 宋 妮 申孝軍 高 陽 孫景生

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，新鄉(xiāng)453003;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京100081;3.河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所，衡水053000)

0 引言

我國鹽堿地分布廣泛，占總耕地面積的26%以上，其中具有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力的約1.33 ×107hm2，約占我國總耕地面積的10%［1］，僅環(huán)渤海低平原地區(qū)就有2.67×106hm2中低產(chǎn)鹽堿田和6.67 ×105hm2鹽堿荒地［2］，制約著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展和作物產(chǎn)量的提高。我國人均耕地資源十分緊張，改良中低產(chǎn)田鹽堿地、改造鹽堿荒地變良田，對保障糧食安全具有重要意義。黑龍港環(huán)渤海低平原區(qū)常年降水量為450 ～600 mm，且降水主要集中在夏季，冬小麥生長季降水不足120 mm，而6 000 kg/hm2以上的麥田，其蒸散量在400 mm 以上［3］。該地區(qū)自然降水先天不足，又無地表徑流，為穩(wěn)定小麥產(chǎn)量，農(nóng)田水分虧缺額主要依賴地下水超采，長期以來形成了世界上最大的地下水漏斗群，造成一系列生態(tài)問題。近年更有春季降水呈現(xiàn)下降趨勢［4］，增加了冬小麥干旱的風(fēng)險［5］。針對作物需水規(guī)律和地力水平，通過改良鹽堿麥區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量，提高土壤水的利用效率，是實現(xiàn)該區(qū)冬小麥可持續(xù)生產(chǎn)亟需解決的技術(shù)難題。利用客土改良土壤質(zhì)量、改善作物生長環(huán)境是提高作物產(chǎn)量的有效途徑。土壤表層摻沙是改良農(nóng)田水鹽障礙的有效方法［6］，在一定范圍內(nèi)隨著土壤摻沙比例的增加，黏粒含量減小，提高了土體中大孔隙數(shù)量［7］，土壤入滲能力增加［8］，吸濕系數(shù)下降［9］，土壤蒸發(fā)能力減弱，土壤含水率提高，土壤飽和導(dǎo)水率不斷上升［10］;摻沙改土可以調(diào)節(jié)細質(zhì)地土壤的質(zhì)地和孔隙結(jié)構(gòu)［6］，降低土壤電導(dǎo)率和pH 值［11］，從而提高農(nóng)作物產(chǎn)量［12］。在國外也有相關(guān)報道［13］。然而，客土來源限制該技術(shù)的推廣。由于黃河沖刷在下游地區(qū)產(chǎn)生大量淤泥，清淤耗費的成本巨大，泥沙占用良田，遇風(fēng)天形成沙暴，嚴重影響下游的生態(tài)環(huán)境。黃河泥沙也是重要的土壤資源，將其作為客土用于鹽堿地改良，有利于解決生態(tài)環(huán)境等問題，同時解決了客土改良技術(shù)中關(guān)鍵的限制因子——客土來源問題。

施用由畜禽糞便和秸稈經(jīng)過處理并加入微生物制成的生物菌肥，不僅可以降低畜禽糞便污染，減少農(nóng)田無機肥料使用量，還可以間接減輕由于無機肥料施用過量造成的面源污染。近年來，有研究報道生物有機肥配施無機肥可有效改善土壤結(jié)構(gòu)和水力學(xué)特性［14］，增加土壤蓄水供水能力［15］，提高土壤大團聚體含量、穩(wěn)定性和微生物量碳含量［16］，并且能顯著降低氨揮發(fā)損失，提高氮肥利用率，實現(xiàn)作物高產(chǎn)與肥料高效的協(xié)同［17］。另外，生物有機肥還可以明顯減輕鹽堿脅迫對種子出苗、幼苗生長及生理指標的抑制作用［18］，提高冬小麥葉綠素含量、干物質(zhì)積累量、水分利用效率和產(chǎn)量［19］，改善籽粒品質(zhì)。已有研究表明，耕層摻黃河泥沙、同時配施生物有機肥綜合了二者的優(yōu)點，提高了小麥光合性能，促進源庫轉(zhuǎn)化［20］。然而，從生態(tài)環(huán)境與栽培措施的角度，促進作物生長、提高作物產(chǎn)量的工作機制尚不明確。特別是針對鹽堿地特點，通過配施有機肥和黃河泥沙改良土壤，研究冬小麥耗水與產(chǎn)量形成特點更是少有報道。

本研究在河北省滄州市鹽堿麥區(qū)采取增施有機肥、摻沙及摻沙配施有機肥等土壤改良措施，監(jiān)測不同處理條件下冬小麥耗水特性和產(chǎn)量特征，探討土壤改良措施對鹽堿地冬小麥耗水與產(chǎn)量形成的影響機制，探尋鹽堿麥區(qū)中低產(chǎn)田的產(chǎn)量與水分利用效率提高的限制因子，為中低產(chǎn)區(qū)鹽堿地麥田改良及水肥高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

大田試驗于2015—2018 年小麥生長季在河北省滄州市南皮縣(116°77'E，38°6'N，海拔9.5 m)進行，試驗田土壤母質(zhì)為黃河和海河的沖積物，土壤類型為鹽化潮土(表1)。該區(qū)氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫞箨懠撅L(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫12.3℃，年平均降水量550 mm (數(shù)據(jù)由1956—2015 年連續(xù)60 年的南皮縣氣象資料統(tǒng)計所得)，年平均蒸發(fā)量1 865 mm，無霜期180 d。冬小麥播種前(前茬為夏玉米)0 ～20 cm 耕作層土壤地力為:土壤含鹽量1.2 ～2.8 g/kg(屬于輕中度鹽堿土壤)、有機質(zhì)質(zhì)量 比1.19 ～1.30 g/kg、全 氮 質(zhì) 量 比0.079 ～0.086 g/kg、速效氮質(zhì)量比49 ～53 mg/kg、速效磷質(zhì)量比6.2 ～6.9 mg/kg、速效鉀125 ～130 mg/kg。2015—2018 年試驗區(qū)地下水埋深3.89 ～6.71 m，降水量及分布情況見表2。試驗所用黃河泥沙來自山東省濱州市小開河水文站沉淀池，粒徑0.05 ～0.1 mm 的 泥 沙 顆 粒 占84.52%、0.1 ～0.25 mm 的泥沙顆粒占10.67%、0 ～0.002 mm 的顆粒占1.76%。

表1 試驗地土壤性質(zhì)Tab.1 Soil characteristics of experimental site

表2 2015—2018 年和長期冬小麥生長季降水量分布Tab.2 Monthly precipitation for growing seasons of 2015—2018 of winter wheat and long-term average mm

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置配施生物有機肥、摻黃河泥沙(簡稱摻沙)、配施生物有機肥+摻黃河泥沙(簡稱摻沙配肥)和常規(guī)耕作栽培管理(對照)共4 個處理，分別用FF、SS、SF 和CK 表示。小區(qū)面積11 m ×6.6 m，每個處理3 次重復(fù)。其中FF 整地前底施生物有機肥3 600 kg/hm2(含有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)大于等于45%，氮磷鉀質(zhì)量分數(shù)大于等于6%);根據(jù)試驗區(qū)土壤物化性狀結(jié)合前人研究結(jié)論把SS 處理鋪沙厚度定為7 cm［21-23］，人工均勻攤鋪7 cm 后旋耕摻混(僅在2015 年小麥播種前摻沙一次);SF 處理首先在小區(qū)土層上面人工攤鋪厚度為7 cm 的黃河泥沙，然后撒施生物有機肥3 600 kg/hm2，最后對30 cm 土層旋耕摻混。其余年份施肥后旋耕一次，旋耕深度12 ～15 cm。所有處理整地前底施磷酸二銨(含N 質(zhì)量分數(shù)18%，P2O5質(zhì)量分數(shù)46%)300 kg/hm2、氯化鉀(含K2O 質(zhì)量分數(shù)60%)150 kg/hm2、尿素(N 質(zhì)量分數(shù)大于等于46.2%)210 kg/hm2，翌年拔節(jié)期灌水時追施尿素300 kg/hm2。冬小麥品種選用小偃60，足墑播種，行距采用15 cm 等行距。田間管理和春灌一水時間及定額見表3。

表3 2015—2018 年田間管理情況Tab.3 Seeding and harvesting dates and irrigation management in wheat growing seasons

1.3 指標測定與計算方法

1.3.1 冬小麥物質(zhì)生產(chǎn)轉(zhuǎn)化

冬小麥干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量、收獲指數(shù)、開花后源生產(chǎn)能力轉(zhuǎn)化率、莖鞘物質(zhì)輸出率和單位面積穗粒數(shù)的計算方法見文獻［20］。

1.3.2 土壤含水率、土壤貯水量和農(nóng)田耗水量

在冬小麥各主要生育時期采用干燥法測定0 ～200 cm 土層的土壤含水率，0 ～60 cm 每10 cm 土層為一層、60 ～200 cm 每20 cm 土層為一層共計13 個土層，分別取土樣，各處理取樣位置均位于種植行間，土壤貯水消耗量計算公式為［21］

式中 h——土層深度，cm

ρ——土壤容重，g/cm3，各土層容重見表1

ω——土壤質(zhì)量含水率，%

農(nóng)田耗水量采用水量平衡方法計算［21］，計算公

式為

式中 ET1-2——階段耗水量，mm

γi——第i 層土壤干容重，g/cm3

Hi——第i 層土壤厚度，cm

θi1——第i 層土壤時段初的含水率，以占干土質(zhì)量的百分數(shù)計

θi2——第i 層土壤時段末的含水率，以占干土質(zhì)量的百分數(shù)計

M——時段內(nèi)的灌水量，mm

P——時段內(nèi)有效降水量，mm

K——時段內(nèi)的地下水補給量，mm

當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?.5 m 時，K 可忽略不計，本試驗的地下水埋深在3.8 m 以下，故地下水補給量可視為0。

日耗水量等于各生育階段麥田耗水量除以生育階段天數(shù);耗水模系數(shù)等于各生育階段麥田耗水量除以麥田總耗水量。

1.3.3 水分利用效率和灌溉效益

水分利用效率和灌溉水利用效率的計算公式為［21］

式中 WUE——水分利用效率，kg/(hm2·mm)

Y——籽粒產(chǎn)量，kg/hm2

ET——小麥生育期間實際耗水量，為各階段耗水量之和，mm

IWUE——灌溉水利用效率，kg/(hm2·mm)

I——實際灌水量，mm

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003 軟件對數(shù)據(jù)進行處理，采用SPSS 19 統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗(LSD 法，α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對鹽堿地冬小麥耗水特性的影響

2.1.1 不同處理對0 ～200 cm 各土層土壤貯水消耗量的影響

圖1 是不同處理小麥全生育期0 ～200 cm 土層剖面土壤貯水消耗量的分布圖。由圖1 可看出，同一年份不同處理各土層土壤貯水消耗量不同，60 ～100 cm 較高，0 ～60 cm 與120 ～200 cm 較低。同一處理間比較，各土層土壤貯水消耗量以CK 處理最低，以60 ～120 cm 土層尤為明顯，其次為160 ～200 cm。說明改良處理提高了根系活性，促進了對深層土壤水分的吸收利用。受降雨年型等因素影響，同年份處理間比較，土壤貯水消耗量差異程度不同。2015—2016 年差異較大，2017—2018 年差異較小。各年份同一處理均值比較，CK 處理最小，平均貯水消耗量147.41 mm;SF 處理最高，平均貯水消耗量157.23 mm;SS 處理和FF 處理相當(dāng)。

圖1 不同處理對不同土層土壤貯水消耗量的影響Fig.1 Effects of different treatment on soil water consumption amount at different soil layers

2.1.2 不同處理對麥田耗水量的影響

由表4(表中RIW 為灌水量占總耗水量的比例，%;RPW 為降水量占總耗水量的比例，%;RSW為土壤貯水消耗量占總耗水量的比例，%)可以看出，不同年份處理間比較，總耗水量變幅為352.85 ～394.89 mm，不同處理間總耗水量均以CK 最低(352.85 ～386.17 mm)。各處理年際間比較，總耗水 量 以2015—2016 年 最 高，變 幅 為386.17 ～394.89 mm;2017—2018 年最低，變幅為352.85 ～361.89 mm。不同年份處理間總耗水量由大到小依次為SF、FF、SS、CK。從農(nóng)田耗水組成來看，所有處理耗水主要來源于降水和土壤貯水。不同處理灌水量和降水量占總耗水量的比例均以CK 最高;土壤貯水消耗量及其占總耗水量的比例均以SF 處理最高，CK 處理最低。灌水量和降水量占總耗水量的比例均以CK 處理最大，SF 處理最小;土壤貯水消耗量占蒸散量的比例均以SF 處理最大，CK 處理最小。以上結(jié)果表明，相同的灌水量和降水量條件下，摻沙或配肥增加了作物對土壤貯水的利用;其中，SS、FF、SF 處理的貯水消耗量占農(nóng)田蒸散量比例相比CK 處理分別提高了2.18% ～4.40%、1.38% ～5.05%和2.89% ～5.24%。表明通過摻沙或配肥處理可以調(diào)控土壤貯水消耗量，降低冬小麥生育后期的土壤含水率，從而騰出更大的庫容容納更多的水分，有利于提高土壤貯水利用比例，充分利用降水，節(jié)約灌溉水。

表4 耗水量的水分來源及其占總耗水量的比例Tab.4 Sources of water consumption and their percentage of total water consumption amount under different treatments

2.1.3 不同處理對不同生育階段麥田耗水量、耗水模系數(shù)及日耗水量的影響

由表5(表中CA 為耗水量，CP 為耗水模系數(shù)，CD 為日耗水量)可以看出，所有處理的耗水量、耗水模系數(shù)隨冬小麥生育進程增加而增加，由大到小依次為開花-成熟期、拔節(jié)-開花期、返青-拔節(jié)期、冬前-返青期、播種-冬前期，說明冬小麥耗水主要集中在拔節(jié)-成熟階段，耗水量占冬小麥全生育期耗水量的70%以上。播種-拔節(jié)期的耗水量、日耗水量和耗水模系數(shù)以CK 最大，其次為FF 處理，說明摻沙處理可以抑制該階段土壤蒸發(fā)，以保證后期生長階段的水分供應(yīng)。拔節(jié)-成熟期的耗水量、日耗水量和耗水模系數(shù)由大到小依次為SF、FF、SS、CK，說明在該階段摻沙或配肥處理的土壤水分消耗增大，增大的原因是摻沙或配肥提高了作物群體結(jié)構(gòu)［20］，作物需水量增加。摻沙或配肥處理減少了冬小麥冬前-拔節(jié)期的水分消耗，促進了拔節(jié)-成熟期的水分消耗。由表4、5 可以看出，總耗水量較高的處理在拔節(jié)-成熟期的耗水量、耗水模系數(shù)和日耗水量也較高。提高拔節(jié)-成熟期的耗水量、耗水模系數(shù)和日耗水量，有利于籽粒產(chǎn)量的提高。

表5 不同處理對各生育階段麥田耗水量、耗水模系數(shù)和日耗水量的影響Tab.5 Effects of different treatments on water consumption amount，water consumption percentage and diurnal water consumption amount at different growth stages in wheat field

2.2 不同處理對冬小麥干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響

由表6 可知，2015—2018 年各處理冬小麥干物質(zhì)積累量從開花期到成熟期逐漸增加，并在成熟期達到最大值。處理間比較，SF 處理在開花期和成熟期的干物質(zhì)積累量均為最大，且產(chǎn)量最高。本研究條件下，產(chǎn)量和成熟期干物質(zhì)積累量之間呈線性關(guān)系(圖2)，CK 處理干物質(zhì)積累量最小，產(chǎn)量也最低(圖2 最低的點);和CK 處理相比，SF 處理在開花期、成熟期干物質(zhì)積累量及籽粒產(chǎn)量分別比CK 處理增加39%、32%和35%。隨著生物量和產(chǎn)量同時增加，SF 處理的收獲指數(shù)較高，花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)化率最高;CK 處理的花后物質(zhì)轉(zhuǎn)化率最小，收獲指數(shù)也最小。和CK 處理相比，SF 處理的收獲指數(shù)和開花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)化率分別比CK 處理增加2 個百分點和6 個百分點?？梢?，冬小麥的籽粒產(chǎn)量不僅受其營養(yǎng)生長時期的生物量積累影響，還與花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)化率線性相關(guān)(圖3)。由于本地區(qū)5 月底到6 月初易遭遇干熱風(fēng)，進而縮短灌漿期，因此如何提高該階段營養(yǎng)物質(zhì)向籽粒中轉(zhuǎn)化對產(chǎn)量形成尤為重要。

表6 2015—2018 年各處理對冬小麥干物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)化及產(chǎn)量構(gòu)成的影響Tab.6 Effects of dry matter accumulation，transformation and yield composition of winter wheat treated during 2015—2018

對冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的分析表明，籽粒產(chǎn)量隨單位面積穗粒數(shù)的增加而線性增加(圖4)，但與千粒質(zhì)量之間的關(guān)系表現(xiàn)不顯著。SF 處理的單位面積穗粒數(shù)最大，其次是FF 處理，以CK 處理的最小。和CK 處理相比，3 個小麥生長季SF 處理的單位面積穗粒數(shù)增加22%以上，籽粒產(chǎn)量以SF 處理最高，比CK 處理提高35% ～51%?？梢姡瑔挝幻娣e穗粒數(shù)高，則產(chǎn)量高，提高單位面積穗粒數(shù)是提高產(chǎn)量的關(guān)鍵。

2.3 不同處理對物質(zhì)生產(chǎn)與水分利用效率的影響

2.3.1 耗水量與干物質(zhì)積累和籽粒產(chǎn)量的關(guān)系

圖2 2015—2018 年冬小麥籽粒產(chǎn)量與干物質(zhì)積累量的關(guān)系Fig.2 Relationship between grain yield and dry matter accumulation in winter wheat from 2015 to 2018

圖3 2015—2018 年冬小麥收獲指數(shù)與花后干物質(zhì)轉(zhuǎn)化率的關(guān)系Fig.3 Relationship of conversion rate of post-anthesis source productivity with harvest index of winter wheat under different treatments during 2015—2018

圖5 是冬小麥不同生育階段耗水量與干物質(zhì)積累量的關(guān)系。由圖5 可以看出，各生育階段冬小麥干物質(zhì)積累量與耗水量存在不同開口方向和相關(guān)水平的二次曲線關(guān)系。本試驗水平下，播種-拔節(jié)期與揚花-灌漿期耗水量與干物質(zhì)積累量為開口向下的二次曲線關(guān)系，干物質(zhì)數(shù)據(jù)分布在對稱軸附近及左側(cè)(播種-拔節(jié)期對稱軸X =177.7 mm，揚花-灌漿期對稱軸X=189.5 mm)，表明這兩個階段隨著耗水量的增加，干物質(zhì)積累量增加速率有減緩甚至降低的趨勢，且減緩趨勢受外界干擾較大(相關(guān)系數(shù)較小);本結(jié)果與這兩個階段干物質(zhì)積累速率較慢的生長特點有關(guān)。拔節(jié)-揚花期和灌漿-成熟期，階段耗水量與干物質(zhì)積累量為開口向上的二次曲線關(guān)系，干物質(zhì)數(shù)據(jù)分布在對稱軸附近及右側(cè)(拔節(jié)-揚花期對稱軸X=118.8 mm，灌漿-成熟期對稱軸X =341.0 mm)，表明這兩個階段，隨著耗水量的增加干物質(zhì)快速增加，且增加趨勢受外界干擾較小(各時期相關(guān)系數(shù)以拔節(jié)-揚花期最高);本結(jié)果與小麥拔節(jié)-揚花期為干物質(zhì)快速積累期，灌漿-成熟期為粒質(zhì)量快速增長期的發(fā)育規(guī)律一致。

圖4 2015—2018 年冬小麥籽粒產(chǎn)量與總穗粒數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship of kernel numbers per area with grain production under different treatments for winter wheat during 2015—2018

圖6 為總耗水量與籽粒產(chǎn)量的關(guān)系。由圖6 可見，小麥全生育期總耗水量與籽粒產(chǎn)量為開口向上的二次曲線關(guān)系，且產(chǎn)量數(shù)據(jù)均在對稱軸的左側(cè)(對稱軸X =363.2 mm)，說明在本研究總耗水量352.85 ～394.89 mm 條件下，隨著耗水量的增加，產(chǎn)量會快速增加，而該增加趨勢受外界干擾因素較大(相關(guān)系數(shù)較小)。結(jié)合表5、6，冬小麥拔節(jié)-揚花期滿足冬小麥對水分的需求量，有利于干物質(zhì)積累量的提高，進而提高籽粒產(chǎn)量。

圖5 2015—2018 年冬小麥不同生育階段耗水量與干物質(zhì)積累量的關(guān)系Fig.5 Relationships of aerial dry matter before jointing，maturity and post heading accumulation with their corresponding ET for different treatments during 2015—2018

圖6 冬小麥全生育期總耗水量與籽粒產(chǎn)量的關(guān)系Fig.6 Relationship of grain yield with seasonal total water consumption under different treatments from 2015 to 2018

2.3.2 不同處理對冬小麥籽粒產(chǎn)量和水分利用效率的影響

由表7 可看出，各處理農(nóng)田水分利用效率變幅為9.01 ～13.96 kg/(hm2·mm)，各處理水分利用效率年際間表現(xiàn)不同，2015—2016 年和2016—2017年由大到小依次為SF、FF、SS、CK，2017—2018 年由大到小依次為SF、SS、FF、CK，說明降水年型對FF和SS 處理有影響，而SF 處理對降水年型反應(yīng)不靈敏，效果穩(wěn)定。水分利用效率均以SF 處理最高，F(xiàn)F處理和SS 處理相當(dāng)，分別高于對照33% ～48%、9% ～32%、9% ～18%。灌溉水分利用效率表現(xiàn)規(guī)律與水分利用率表現(xiàn)規(guī)律一致。表明在本試驗條件下，摻黃河泥沙或配施生物有機肥處理是高產(chǎn)節(jié)水途徑，其中以既摻黃河泥沙又配施生物有機肥處理最佳，籽粒產(chǎn)量、水分利用效率及灌溉水利用效率均最高，分別為4 483.3 ～5 449.5 kg/hm2、12.02 ～13.96 kg/(hm2·mm)和59.78 ～72.66 kg/(hm2·mm)，分別比CK 處理高35% ～51%、33% ～48%和35% ～51%。WUE 與冬小麥總耗水量、籽粒產(chǎn)量均呈二次曲線關(guān)系(圖7)。隨著籽粒產(chǎn)量提高，WUE 快速增加;而隨總耗水量增加，處理間WUE 增減表現(xiàn)不同。結(jié)合表4 與表6 總耗水量與產(chǎn)量結(jié)果，處理間總耗水量的變化幅度遠低于籽粒產(chǎn)量變化幅度，說明籽粒產(chǎn)量既受總耗水量的影響，也受土壤改良因子影響。本研究條件下，WUE 變化主要取決于籽粒產(chǎn)量水平。

表7 2015—2018 年不同處理冬小麥水分利用效率和灌溉水分利用效率Tab.7 Effects of different treatments on water use efficiency and irrigation water use efficiency of winter wheat kg/(hm2·mm)

圖7 2015—2018 年冬小麥全生育期WUE 和耗水量、籽粒產(chǎn)量的關(guān)系Fig.7 Relationship of WUE with seasonal total water consumption and grain yield under different treatments from 2015 to 2018

3 討論

3.1 肥沙混施處理對鹽堿地冬小麥產(chǎn)量的影響

本研究連續(xù)3 年產(chǎn)量水平為3 317.77 ～5 449.52 kg/hm2，其中摻沙配肥處理產(chǎn)量達4 483.25 ～5 449.52 kg/hm2。本研究各處理產(chǎn)量均低于張明明等［23］結(jié)果(5 982.50 kg/hm2)，摻沙配肥處理產(chǎn)量低于巨兆強等［24］覆膜種植所取得的產(chǎn)量(5 869.69 kg/hm2)，但與其常規(guī)種植產(chǎn)量(5 314.51 kg/hm2)相當(dāng)。僅從生態(tài)類型區(qū)不能發(fā)現(xiàn)以上3 個研究結(jié)果差異的原因。但進一步分析可見，本研究土壤含鹽量(1.2 ～2.8 g/kg)高于文獻［23 -24］的土壤含鹽量(1.08 ～1.15 g/kg);且本研究的地力條件(速效氮質(zhì)量比為49 ～53 mg/kg)不及巨兆強等［24］(速效氮質(zhì)量比為98 mg/kg)高。對比本研究摻沙配肥處理比常規(guī)小麥產(chǎn)量提高35%以上的結(jié)果，可以認為本研究利用黃河泥沙改善土壤質(zhì)量，是提高小麥產(chǎn)量的有效途徑。

進一步對比分析本研究中配施生物有機肥、摻黃河泥沙和摻沙配肥處理，2015—2018 年配施生物有機肥處理較對照分別增產(chǎn)28%、11%和35%;摻黃河泥沙處理分別較對照增產(chǎn)10.5%、15.4% 和18.2%，摻沙配肥處理分別較對照增產(chǎn)36.6%、51.5%和35.1%。處理間增產(chǎn)差異較大與配施生物有機肥(開花期生物產(chǎn)量5 808.91、5 497.67、4 324.06 kg/hm2)、摻黃河泥沙處理(開花期生物產(chǎn)量4 986.42、4 772.78、4 376.52 kg/hm2)、摻沙配肥處理(開花期生物產(chǎn)量6 455.30、6 141.52、5 243.57 kg/hm2)開花期干物質(zhì)積累量差異較大有關(guān)，摻黃河泥沙處理相對其他處理增產(chǎn)幅度小的原因是干物質(zhì)前期生產(chǎn)不足。分析各處理開花前貯藏干物質(zhì)向小麥籽粒中轉(zhuǎn)運率，配施生物有機肥處理較對照提高0.13 ～0.66 個百分點;摻黃河泥沙處理較對照提高3.58 ～3.59 個百分點;摻沙配肥處理分別較對照提高5.00 ～7.20 個百分點?？梢?，提高小麥開花前干物質(zhì)的積累與提高開花前貯藏干物質(zhì)向小麥籽粒中轉(zhuǎn)運是提高小麥最終籽粒產(chǎn)量的關(guān)鍵因素［25］。此結(jié)論與謝娟娜等［26］研究結(jié)果一致。3 個生長季摻黃河泥沙同時配施生物有機肥處理單位面積總穗數(shù)和總穗粒數(shù)分別 比CK 平 均 高23.9%、22.7%、29.7% 和33.6%、34.5%、22.2%。穗數(shù)與穗粒數(shù)密切相關(guān)，產(chǎn)量與總穗粒數(shù)呈線性正相關(guān)，總穗粒數(shù)是影響產(chǎn)量的關(guān)鍵因子，與孟祥浩等［27］研究結(jié)果一致。顯然摻黃河泥沙同時配施生物有機肥處理能促苗早發(fā)，利于成苗成穗是提高開花期生物產(chǎn)量的關(guān)鍵。綜上可見，土壤通過調(diào)節(jié)水分和養(yǎng)分的分配影響干物質(zhì)積累及分配，從而決定作物產(chǎn)量的形成。因此，干物質(zhì)是產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)［28］。

此外，本研究土壤改良對產(chǎn)量幅度的提高遠高于張濟世等［29］在濱海鹽漬土施加改良劑磷石膏、脫硫石膏和糠醛渣分別提高小麥產(chǎn)量26.7%、17.8%和17.8%的結(jié)果，也高于王立艷等［30］在濱海鹽堿地施用氮肥、有機肥及土壤改良劑種植冬小麥分別增產(chǎn)9.52% ～29.52%、2.30% ～17.82%、2.19% ～11.48%的結(jié)果。配施生物有機肥處理平均增產(chǎn)高于李娟等［19］增產(chǎn)7.4%的研究結(jié)果。與文獻［29 -30，19］改良土壤相比，本研究采用的黃河泥沙環(huán)保、生態(tài)、安全且操作方便，近濱海鹽堿區(qū)(如海興縣)與黃河灌區(qū)堆沙區(qū)距離較近，采用本方法具有可行性，是可以大面積推廣的治理鹽堿地有效方法之一。

3.2 栽培環(huán)境對耗水量特征與小麥產(chǎn)量的影響

2015—2016 年、2016—2017 年和2017—2018年降水量依次為155.2、184.8、114.2 mm;各處理總耗水量依次為386.17 ～394.89 mm、382.41 ～392.09 mm 和352.85 ～361.89 mm，籽粒產(chǎn)量分別為3 988.23 ～ 5 449.52 kg/hm2、3 535.24 ～5 354.42 kg/hm2、3 317.77 ～4 483.25 kg/hm2。耗水量高的年份產(chǎn)量水平也較高，而生育期降水量卻與耗水量和產(chǎn)量無明顯關(guān)聯(lián)性。從降水時空分布來看，2015—2018 年冬小麥播種前后均有大于50 mm 的降水，特別是2017—2018 年，播前10 月上旬持續(xù)降水達137.5 mm，延誤播期(11 月8 日播種)，冬前積溫明顯不足，造成冬前苗弱分蘗少，成穗數(shù)低。因此，如何結(jié)合降水年型采取適宜的栽培與應(yīng)對措施，以提高降水的高效利用，還需要做更深入的研究。本研究條件下以摻沙配肥處理的水分利用效率最高，為12.02 ～13.96 kg/(hm2·mm)，高于世界水平(10.9 kg/(hm2·mm))，但低于山前平原區(qū)(15.0 kg/(hm2·mm))水 平 和 低 平 原(17.0 kg/(hm2·mm))水 平［31］。說 明 本 研 究 條 件下，無論對降水的高效利用還是對水分利用效率的提升，均有進一步挖掘的空間。

本研究條件下，耕層摻黃河泥沙或配施生物有機肥均可減少冬小麥播種至返青期土壤無效蒸發(fā)，增加拔節(jié)至成熟期的植株蒸騰，調(diào)節(jié)土壤蓄水和供水能力，重新對土壤水分進行時空分配，從而改變作物耗水模式，使有限水分更多用于干物質(zhì)的生產(chǎn)，提高水分利用效率。3 個生長季的試驗結(jié)果表明，在灌溉和降水量相同時，不同處理冬小麥總耗水量差異不大，而不同處理在不同冬小麥生育期的農(nóng)田耗水規(guī)律有差異。耕層摻沙或配施生物有機肥處理能調(diào)節(jié)不同生育期耗水比例，在總耗水量較小情況下，在播種至返青期減少水分的消耗，而將保留在下層土壤中的更多水分用于拔節(jié)至成熟期的生理消耗，以保證最終增產(chǎn)，這與NIAZI 等［11］和MATHUR等［12］的研究結(jié)論基本一致。各處理土壤貯水消耗量對總耗水量的貢獻率為32.06% ～47.72%，是冬小麥水分消耗的重要來源。摻黃河泥沙或配施生物有機肥處理能改善拔節(jié)前0 ～200 cm 土壤墑情，增加生育期對土壤貯水的使用，提高深層用水比例。其中摻沙配肥處理促進了土壤貯水消耗，在3 個冬小麥生長季的土壤貯水消耗量均最高。這是因為耕層摻沙后土壤砂粒含量增大，提高土壤入滲能力［7］，提高摻沙層以下土壤對水分的蓄持能力［6］，改善土壤水分條件。同時，配施生物有機肥顯著提高了土壤孔隙度，降低土壤容重［15］，提高土壤蓄水保水能力［32］?？梢?，摻沙配肥處理影響土壤調(diào)配水分的能力，改善水分時空分配格局。冬小麥拔節(jié)期0 ～200 cm 土層摻沙配肥處理、摻沙處理和配施生物有機肥處理3 年平均較對照蓄水量分別高11.97、7.83、8.34 mm，收獲時各土層的水分明顯較對照減少，增強對深層土壤水分的利用。摻沙配肥處理的綜合效果高于單純摻沙或配施生物有機肥處理的效果。

從本研究僅在春季拔節(jié)期灌1 次水取得的產(chǎn)量結(jié)果看，各處理產(chǎn)量水平遠低于董寶娣等［33］生育期3 次灌水取得的最高產(chǎn)量(8 094.89 kg/hm2)，低于東營市營口區(qū)進行10 個品種小麥試驗，澆拔節(jié)水(60 mm)和開花水(75 mm)取得的產(chǎn)量(7 000 kg/hm2以上)［34］，略低于巨兆強等［24］在中國科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗站常規(guī)管理獲得的產(chǎn)量(5 314.51 kg/hm2)。陳敏等［35］在山東德州含鹽量0.3% ～0.6%的農(nóng)田上種植冬小麥獲得產(chǎn)量為2 850 kg/hm2;在非鹽堿麥田上，YIN 等［36］取得產(chǎn)量為3 836 ～4 718 kg/hm2，宋亞麗等［37］取得產(chǎn)量3 650.7 kg/hm2。陳銘達等［38］在濱海鹽堿地于返青后期的關(guān)鍵生育期補充灌溉一次的冬小麥產(chǎn)量比雨養(yǎng)種植的小麥增產(chǎn)35.87% ～38.43%，此結(jié)論也與本研究結(jié)果一致。說明拔節(jié)期灌1 次水，能滿足拔節(jié)到揚花期小麥對水分的需求，有利于高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，進而實現(xiàn)產(chǎn)量與水分利用效率的同步提高［39］。

3.3 肥沙混施條件下耗水量與作物生長的互作效應(yīng)

連續(xù)3 年摻黃河泥沙同時配施生物有機肥處理的平均耗水量分別較對照增加8.7、9.7、9.0 mm，而平均產(chǎn)量分別較對照增加1 461.3、1 819.2、1 165.5 kg/hm2，生物量增加更是高達 3 116.49、3 322.25、2 609.75 kg/hm2，水分生產(chǎn)效率提高 3.62%、4.52%、3.01%。這相當(dāng)于摻黃河泥沙同時配施生物有機肥處理1 mm 的耗水量籽粒增產(chǎn)3.47、4.41、2.99 kg/hm2，而生物量則分別增產(chǎn)7.34、7.89、6.65 kg/hm2。從單位干物質(zhì)積累量所需的水分來看，摻黃河泥沙同時配施生物有機肥處理3 個生長季每生產(chǎn)1 kg 生物量所需的平均水量比對照處理分別節(jié)省1.35、1.65、1.65 mm。

本研究限水灌溉條件下，水分虧缺既制約了前期地上部干物質(zhì)積累量，又阻礙了后期產(chǎn)量的進一步提高。3 種處理總耗水量差異較小，但產(chǎn)量差異較大。在足墑播種后，于拔節(jié)期灌水75 mm，籽粒產(chǎn)量可達3 317.77 ～5 449.52 kg/hm2，以摻沙配肥處理產(chǎn)量最高，達4 483.25 ～5 449.52 kg/hm2。土壤含水率較少時，小麥的產(chǎn)量和耗水量呈正比關(guān)系，與房全孝等［40］研究結(jié)果一致，與曹彩云等［41］結(jié)果不同。文獻［41］在灌水量0 ～300 mm、蒸散量358 ～556.6 mm 條件下，發(fā)現(xiàn)隨著供水量的增加，農(nóng)田蒸散量快速增加，而籽粒產(chǎn)量隨著蒸散量增加而增大，但到一定水平(灌水量150 mm)后，會呈現(xiàn)較為平穩(wěn)或略有下降的趨勢。綜合本研究75 mm 灌水量的處理結(jié)果，WUE 和作物耗水量、產(chǎn)量這三者之間表現(xiàn)為二次曲線的關(guān)系。在本研究供水條件下，隨著籽粒產(chǎn)量提高，WUE 快速增加;隨著耗水量增加，WUE 增大或減小處理間表現(xiàn)不同。但關(guān)于WUE 隨籽粒產(chǎn)量和耗水量變化而發(fā)生變化的拐點值，特別是在盡可能減少干擾的條件下不同品種、年型和水肥處理等情況下的拐點值確定需要進行更深入的研究。本研究結(jié)果表明，摻沙配肥處理在冬小麥生育前期覆蓋率較低時減少土壤無效蒸發(fā)，而在生育后期增加植株蒸騰，使有限水分更多用于干物質(zhì)的生產(chǎn);利用更多的土壤水，減少灌溉損失和土壤蒸發(fā)，在水分利用效率最高前提下獲得最大的干物質(zhì)積累量，在有限水分條件下維持較長時間的灌漿期，從而獲得較高的干物質(zhì)積累和物質(zhì)轉(zhuǎn)化，最終提高作物生產(chǎn)能力35%以上。此外，充分挖掘和利用深層土壤水分騰出庫容有利于在接下來的雨季或另一個灌溉期對土壤貯水進行充分補償［42］，也是提高周年水分利用效率的有效措施。

4 結(jié)論

(1)連續(xù)3 年產(chǎn)量為3 317.77 ～5 449.52 kg/hm2，各處理間以摻黃河泥沙配施生物有機肥處理籽粒產(chǎn)量最高(4 483.25 ～5 449.52 kg/hm2)，該處理與對照相比，籽粒產(chǎn)量提高35% ～51%;總耗水量變幅為352.85 ～394.89 mm，不同處理間總耗水量均以CK最低，以摻黃河泥沙又配施生物有機肥處理最高(361.81 ～394.89 mm);農(nóng)田水分利用效率變幅為9.01 ～13.96 kg/(hm2·mm)，以摻黃河泥沙配施生物有機肥處理(12.02 ～13.96 kg/(hm2·mm))最高，比CK 高33% ～48%，其次為配施有機肥處理和摻黃河泥沙處理，分別比對照高9% ～32%、9% ～18%。

(2)摻沙或配施肥處理增加了冬小麥拔節(jié)前0 ～200 cm 土層貯水量，增大了拔節(jié)至成熟階段的耗水量及其占總耗水量的比例，促進冬小麥對土壤貯水和深層土壤水分的利用，最終提高冬小麥的生物量和籽粒產(chǎn)量。

(3)冬小麥籽粒產(chǎn)量與干物質(zhì)積累量、總穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān);WUE 與冬小麥耗水量、產(chǎn)量呈二次曲線關(guān)系。本研究條件下，隨著籽粒產(chǎn)量提高，WUE 快速增加;隨著耗水量增加，處理間WUE 增減表現(xiàn)不同。

(4)2015—2018 年連續(xù)3 年摻黃河泥沙配施生物有機肥處理的耗水量分別較對照增加8.7、9.7、9.0 mm，而產(chǎn)量分別較對照增加1 461.3、1 819.2、1 165.5 kg/hm2，生物量增加更是高達3 116.49、3 322.25、2 609.75 kg/hm2，水 分 生 產(chǎn) 效 率 提 高3.62%、4.52%、3.01%。綜合考慮產(chǎn)量、收獲指數(shù)和水分利用效率，摻黃河泥沙配施生物有機肥處理是本研究條件下的最佳處理。