田雪梅，郭 瑤，王巧梅，周 寧，趙 財,樊志龍，范 虹，柴 強(qiáng)

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)/院甘肅省干旱生境作物學(xué)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(nóng)業(yè)灌溉用水占62.2%，農(nóng)業(yè)節(jié)水形勢嚴(yán)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(dá)國家低10%以上[3]。因此，農(nóng)業(yè)水肥高效利用研究亟待深入。諸多農(nóng)田節(jié)水技術(shù)中，地膜覆蓋應(yīng)用普遍，但該技術(shù)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(chǎn)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(qiáng)土壤貯水性能，增加作物產(chǎn)量，且在干旱較嚴(yán)重情況下穩(wěn)產(chǎn)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(nèi)土壤貯水量，近而提高土壤供水強(qiáng)度[7]。適宜的水氮配比可使作物高產(chǎn)[8]。但上述技術(shù)應(yīng)用效果研究大都是單一的，缺乏技術(shù)集成效應(yīng)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(shù)綜合應(yīng)用能否節(jié)約水氮資源、提高水氮利用效率，對于作物高產(chǎn)高效生產(chǎn)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(biāo)來衡量水氮資源利用效率的高低，弱化了人工投入資源經(jīng)濟(jì)性的衡量，而作物灌溉水生產(chǎn)力與氮肥偏生產(chǎn)力兩個指標(biāo)表征單位資源投入與籽粒產(chǎn)量的關(guān)系，從投入產(chǎn)出角度分析節(jié)水、節(jié)肥技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性，可為系統(tǒng)評價技術(shù)綜合效益提供支撐。

西北干旱內(nèi)陸灌區(qū)是我國地膜使用強(qiáng)度最大的地區(qū)，且資源性缺水嚴(yán)重[10]，研究不同水肥高效利用技術(shù)的集成效應(yīng)，對于解決該區(qū)作物生產(chǎn)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(chǎn)量、水氮生產(chǎn)力，以期為西北干旱內(nèi)陸灌區(qū)玉米-小麥輪作水氮高效利用技術(shù)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(jìn)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(yán)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(nóng)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(shè)計

試驗采用三因素裂區(qū)設(shè)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(fù)，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(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田一致。

1.3 試驗準(zhǔn)備

試驗于2015-2018年進(jìn)行，其中2015年為預(yù)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(dāng)?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(jìn)行小麥穴播，同時準(zhǔn)備2017年小麥舊膜穴播的預(yù)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(biāo)與方法

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

1.5 數(shù)據(jù)處理

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

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對小麥籽粒產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn) 5.5%～10.4%；減量20%灌水處理的籽粒產(chǎn)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(chǎn) 4.3%和2.6%，但差異不顯著，2018年減產(chǎn) 10.7%。三年中減量20%灌水處理較減量40%施氮處理增產(chǎn)11.1%～16.6%。年份、灌水與施氮的互作對小麥籽粒產(chǎn)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(chǎn)5.7%，較后者增產(chǎn)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(chǎn)25.3%。三年中籽粒產(chǎn)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)?？梢姡瑢⒚飧?、減量20%施氮與減量20%灌水集于一體，可對春小麥產(chǎn)生增產(chǎn)量加和效應(yīng)，也說明免耕舊膜再利用結(jié)合減量灌水和施肥20%適合于春小麥高產(chǎn)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(chǎn)量

Fig.2 Grain yield of spring wheat under different treatments

表1 春小麥籽粒產(chǎn)量、灌溉水生產(chǎn)力與氮肥偏生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)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(yīng)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(jié)合減量灌水的小麥灌溉水生產(chǎn)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(chǎn)力

2.3 不同處理對小麥氮肥偏生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)力，其中減量40%施氮時小麥氮肥偏生產(chǎn)力最高，傳統(tǒng)灌水與減量灌水對小麥的氮肥偏生產(chǎn)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(chǔ)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(chǎn)力

3 討論

3.1 免耕地膜覆蓋及水氮水平對小麥籽粒產(chǎn)量的影響

產(chǎn)量的形成是一個連續(xù)漸進(jìn)的過程，籽粒是小麥最后形成的器官，籽粒產(chǎn)量的高低是小麥植株個體發(fā)育、栽培技術(shù)、環(huán)境條件及生產(chǎn)目標(biāo)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(fēng)，阻礙當(dāng)年籽粒產(chǎn)量形成，造成嚴(yán)重減產(chǎn)。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(chǎn)，這與蔡 艷等[6]、樊志龍等[14]的研究結(jié)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(chǎn)[15-16]；免耕舊膜次年再利用還可提高土壤溫度，促進(jìn)水肥協(xié)調(diào)，有利于作物生長發(fā)育和高產(chǎn)[17]。由于免耕一膜兩用優(yōu)化了土壤水肥性質(zhì)，在此耕作措施下水氮減量20%處理的籽粒產(chǎn)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(chǎn)量形成[18]，過量灌水和施氮反而增大生產(chǎn)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(chǎn)，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(chǎn)措施可推廣利用。

3.2 小麥農(nóng)田灌溉水生產(chǎn)力對免耕地膜覆蓋及水氮水平的響應(yīng)

耕作方式、灌水、施肥水平均對小麥的灌溉水生產(chǎn)力產(chǎn)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(chǎn)力，是因為增加灌水對籽粒產(chǎn)量的增加效應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)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(dǎo)致籽粒產(chǎn)量減小。減量40%施氮處理顯著降低小麥灌溉水生產(chǎn)力，可能是氮素不足，導(dǎo)致減產(chǎn)嚴(yán)重。增施氮肥可通過提高土壤水勢，增強(qiáng)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(yīng)，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(jié)合減量20%灌水和減量20%施氮在資源減耗方面可行性較強(qiáng)。

3.3 免耕地膜覆蓋及水氮水平對小麥氮肥偏生產(chǎn)力的調(diào)控效應(yīng)

氮肥偏生產(chǎn)力可充分反映作物施氮后的實際生產(chǎn)水平，綜合反映當(dāng)?shù)赝寥阑A(chǔ)養(yǎng)分和化肥施用量，由施肥量與籽粒產(chǎn)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(chǎn)力產(chǎn)生顯著影響，其中免耕可提高作物氮肥偏生產(chǎn)力，減量灌水處理未表現(xiàn)出明顯的負(fù)效應(yīng)。一方面是地膜覆蓋有效改善了土壤水溫條件[23]，增強(qiáng)養(yǎng)分供應(yīng)能力；另一方面，輪作促進(jìn)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(chǎn)力提高[12]。傳統(tǒng)施氮與減量20%施氮間籽粒產(chǎn)量無顯著差異，這是減量20%施氮處理的氮肥偏生產(chǎn)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(chǎn)力，但明顯降低了籽粒產(chǎn)量，于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(fēng)險，所以要兼顧生產(chǎn)效益與環(huán)境保護(hù)，減量施氮就勢在必行。一定范圍內(nèi)，小麥的氮肥生產(chǎn)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(chǎn)量增加，從而增加小麥氮肥偏生產(chǎn)力，說明水分和氮肥對作物氮肥偏生產(chǎn)力的增加效應(yīng)是水氮各自單因素效應(yīng)及二者互作效應(yīng)共同作用的結(jié)果[25]。因此，水、氮單方面高或者低都不能帶來較高的產(chǎn)投比，只有當(dāng)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(chǎn)力，增大資源產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)陸灌區(qū)節(jié)水節(jié)氮、高產(chǎn)低耗的小麥種植模式，適宜大面積推廣。