李景潤，謝軍紅，李玲玲 ，王林林 ，周永杰 ，王進斌，陳 倩

(1.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，蘭州 730070；2.甘肅農業(yè)大學 農學院,蘭州 730070)

干旱是制約中國西北地區(qū)土地生產力及農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素[1]，集約利用有限降水對旱作農業(yè)生產具有重要意義。黃土高原半干旱區(qū)水資源不足，年際間變率大、年內分布不均加之高強度的水分蒸發(fā)和嚴重的土壤侵蝕，造成嚴重的環(huán)境-作物供需水矛盾，限制了旱作農田糧食產量和水分利用效率的提高[2-4]。研究發(fā)現：地膜覆蓋、耕作、施肥均能顯著提高作物產量和水分利用效率，深松耕通過打破土壤犁底層，形成良好的耕層結構，有利于增強土壤滲透性，促進水分運移，繼而影響作物產量[5-7]，少免耕等保護性耕作通過減少對土壤的擾動，降低土壤水分散失，從而提高土壤表層的含水量[8]，而長期頻繁單一的旋耕、傳統耕作容易造成耕層變淺，犁底層上移，土壤結構變差，阻止水分入滲破壞，影響蓄水保墑效果，降低作物產量及水分利用效率[9-10]。氮素是玉米生長發(fā)育必需的元素之一，是作物增產的關鍵，合理施氮通過調節(jié)干物質積累、轉移與分配，能提高作物經濟產量，進而提高水分利用效率，過量施氮在降低肥料利用率的同時，還可能引起土壤酸化以及溫室效應等環(huán)境問題[11-13]。楊蕊菊等[14]研究認為，水肥協同高效利用是提高黃土高原半干旱區(qū)有限水資源高效利用的主要措施。全膜雙壟溝播玉米是黃土高原半干旱區(qū)一種典型的高產、高水分利用效率種植模式[15]，但長期的旋耕破壞土壤結構，影響全膜雙壟溝播玉米可持續(xù)生產能力，過量施氮不利于產量的提高反而降低肥料利用效率，增加環(huán)境風險[16]。因此，旱作全膜雙壟溝播生產可持續(xù)能力亟待通過耕作與施氮來優(yōu)化。為此，本研究依托不同的耕作措施和施氮水平的長期定位試驗，通過比較不同處理對土壤水分的時空動態(tài)、耗水量、產量及水分利用效率的影響，揭示全膜雙壟溝播玉米耗水特性及產量構成對耕作措施的響應機理，為旱區(qū)集約用水提供技術理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在甘肅農業(yè)大學旱作綜合試驗站進行。試區(qū)為典型的雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)，平均海拔2 000 m，年無霜期140 d，年平均日照時數2 476 h，太陽輻射593 kJ·cm-2，年均氣溫6.4 ℃，年降水量399 mm(研究期內降雨量見圖1)，≥10 ℃積溫 2 239.1 ℃，土壤類型為黃綿土，貯水性能良好，適宜作物生長。全膜雙壟溝播玉米是試驗區(qū)典型的種植模式。

1.2 試驗設計

試驗依托布設于2012年的全膜雙壟溝播玉米耕法長期定位試驗。采用隨機區(qū)組設計，處理為4種耕作方法：翻耕(T1)、旋耕(T2)、深松耕(T3)與免耕(T4)，小區(qū)面積88 m2(4.4 m× 20 m)，3次重復。2014年將4個主區(qū)處理一分為二，增加2個施氮副區(qū)處理：基施純氮200 kg·hm-2(N2)和基施純氮200 kg·hm-2+拔節(jié)期純氮100 kg·hm-2(N3)，共8個處理。參試玉米品種為‘先玉335’，密度為5.25 萬株·hm-2，磷肥基肥撒施，用量為150 kg·hm-2。玉米于4月下旬播種，10月上旬收獲。作物生長期內人工除草，其他管理同一般大田。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 降水量 用雨量筒測定試驗區(qū)每日降水量。

1.3.2 土壤含水量 于玉米播種前、收獲后以及拔節(jié)期、開花期、灌漿期、成熟期分別測定0～200 cm土壤含水量，測定層次為0～5 cm、5～10 cm、10～30 cm、30～50 cm、50～80 cm、80～110 cm、110～140 cm、140～170 cm和170～200 cm。其中0～30 cm采用烘干法測定，30～200 cm用TRIME(型號：TRIME-PICO TDR，德國)測定。

1.3.3 土壤貯水量 土壤貯水量計算公式為：V=∑Wi×Hi×1/10。式中，V為土壤貯水量(mm)，Wi為土壤某一層次體積含水量(%)，Hi為土壤i層次厚度(mm)。

1.3.4 耗水量的計算 作物耗水量用農田水分平衡法計算。由于試驗小區(qū)平整、試驗區(qū)未產生深層滲漏和地下水補給。因此，適用于計算本試驗的作物耗水量、階段耗水量的方程為：ETi=Pi-ΔWi。ETi表示i時段作物耗水量；Pi為i階段的降水量；ΔWi為i時段末與i時段初的土壤貯水量之差，單位為mm。

1.3.5 水分利用效率WUE=Y/ET，WUE表示水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)；Y為籽粒產量(kg·hm-2)；ET為作物耗水量(mm)。

1.3.6 產量及產量構成 以小區(qū)為單位，在玉米成熟后剔除邊行，單打單收，按貯藏籽粒含水量(14%)計公頃產量折算為公頃籽粒產量 (kg·hm-2)[17]。生物產量各小區(qū)隨機稱取30株，最后折算為公頃產量(kg·hm-2)，同時各小區(qū)取10株，風干后考種，測定果穗數(單株個數)、穗粒數(粒)、百粒質量(g)。

1.3.7 收獲指數 收獲指數=籽粒產量/生物產量。

1.3.8 氮肥偏生產力NPEP=Y/N。NPEP表示氮肥偏生產力(kg·kg-1)，Y為施氮區(qū)籽粒產量(kg·hm-2)，N為施氮量(kg·hm-2)。

1.4 數據分析

采用Excel 2016和SigmaPlot 12.5進行數據整理與作圖，用SPSS 19.0進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 耕作措施與施氮量對土壤貯水量的影響

如圖2，不同耕作措施與施氮量對土壤貯水量影響顯著。N2水平下，玉米拔節(jié)期，2019年土壤貯水量較2018年平均增加17.5%，開花期，2019年土壤貯水量較2018年平均降低11.6%；2018年，免耕處理的貯水量分別較旋耕和深松耕高9.4%和8.5%；2019年，4種耕作措施下的土壤貯水量差異不顯著。N3水平下，2019年玉米拔節(jié)期平均貯水量較2018年增加11.9%，而開花期較2018年降低16.6%；4種耕作措施間，2018年免耕貯水量比深松耕增加11.8%；2019年，免耕的貯水量比另外3個處理高6.1%～ 10.6%。

2.2 耕作措施與施氮量對土壤含水量的影響

0～200 cm土層土壤含水量垂直變化受耕作與施氮量的影響較大，且在年際間差異明顯。由圖3、圖4可看出，2018年0～100 cm土層土壤含水量從玉米播種前到成熟期呈增加趨勢，且免耕增加幅度最大，100～200 cm土層土壤含水量從播種前到拔節(jié)期有所下降，之后又逐漸增高，其中，N2水平下旋耕的含水量較其他處理低 17.4%～46.0%，同一種耕作措施下，N3與N2的土壤含水無差異。由圖5、圖6可看出，N2水平下，2019年玉米拔節(jié)期和開花期0～200 cm土壤平均含水量較2018年增加17.5%和14.1%，N2、N3施氮水平下，玉米播種前、拔節(jié)期、開花期0～200 cm的土壤含水量均保持在15.9%～ 26.4%，而玉米成熟期土壤含水量在0～70 cm較其他時期相比呈下降趨勢，70～200 cm土壤含水量保持在18.9%～26.3%。

2.3 耕作措施與施氮量對玉米產量及產量構成的影響

如表1，耕作與施氮對玉米的生物產量無影響，但對玉米的籽粒產量、收獲指數及百粒質量影響較大。其中，2018年，N2水平下，免耕處理的籽粒產量較傳統翻耕增加11.5%，N3水平下，深松耕與免耕分別較傳統翻耕增產15.5%和 12.4%，同一種耕作措施下，增施氮肥能提高深松耕玉米的籽粒產量，增產率為11.8%；2019年，只有免耕在N2水平下的籽粒產量較傳統翻耕增產16.2%，其他處理間差異不顯著。在N3水平下，2018年深松耕和免耕處理玉米的收獲指數較傳統翻耕增加26.7%和20.6%。2019年，增施氮肥提高深松耕的穗粒數，N3水平較N2水平增加21.0%，其他處理間差異不顯著。相同的耕作條件下，翻耕與旋耕的百粒質量在N3水平較N2水平分別提高7.9%和9.0%，2019年N3水平下深松耕較旋耕的百粒質量提高36.5%，其他處理間差異不顯著。2018年，不同耕作措施對籽粒產量和收獲指數影響顯著，不同施氮量對籽粒產量、果穗數和百粒質量影響顯著，耕作措施與施氮互作效應對籽粒產量和百粒質量影響極顯著；2019年，僅耕作措施對籽粒產量影響顯著。

表1 不同處理玉米產量及產量構成Table 1 Yield and its components of maize under different treatments

2.4 耕作措施與施氮量對水氮利用效率的影響

如表2，免耕較其他耕作相比能顯著降低玉米的耗水量，同時提高玉米水分利用效率。其中，2018年N2水平下，免耕的耗水量分別比翻耕與旋耕低12.8%和20.6%，N3水平下，免耕耗水量較深松耕降低12.5%；2019年N2與N3水平下，四種耕作措施間耗水量差異不顯著；增施氮肥一定程度上增加玉米的耗水量，增加程度在12.4～63.5 mm。對于玉米的水分利用效率，2018年，免耕在N2和N3水平下較傳統翻耕分別增加31.9%和23.2%；2019年兩個施氮水平下，耕作措施對水分利用效率影響不顯著。增施氮肥對玉米的水分利用效率影響不大，但顯著降低氮肥偏生產力，降低幅度為39.8%～43.8%；在同一施氮水平下，免耕則表現出增加氮肥偏生產力的作用，2018年免耕的氮肥偏生產力較翻耕在N2水平下增加11.6%，N3水平下增加12.3%，2019年N2水平下，免耕的氮肥偏生產力分別較翻耕、旋耕、深松耕增加16.0%、14.6%和15.7%。2018年，耕作措施和耕作施氮互作效應對耗水量、水分利用效率、氮肥偏生產力影響極顯著，施氮水平對氮肥偏生產力影響極顯著；2019年，耕作措施對氮肥偏生產力有顯著影響，施氮水平對耗水量有顯著影響，而對氮肥偏生產力影響極顯著，耕作施氮互作效應對氮肥偏生產力影響極 顯著。

表2 不同處理玉米水氮利用效率Table 2 Water and nitrogen use efficiency of maize under different treatments

3 討 論

3.1 不同耕作與施氮量對土壤水分變化及玉米產量的影響

在干旱及半干旱地區(qū)有限降雨量條件下，土壤水分是影響作物生長的一個重要因素[18]。研究表明，良好的耕作措施能夠改善土壤質量，提高土壤持水性能，為作物生長發(fā)育提供良好的土壤環(huán)境，從而達到增產效果[19-20]。郭賢仕等[21]研究認為，免耕能使土壤水分保持穩(wěn)定，較其他耕作有更好的保水效果。本試驗中，2 a免耕處理的平均含水量比傳統翻耕與旋耕提高4.3%～17.5%，在N2水平下，免耕處理2 a的平均籽粒產量較翻耕增加13.7%，2018年N3水平下，深松耕與免耕的籽粒產量比翻耕增加12.4%～15.5%，說明深松耕和免耕較傳統耕作具有增產作用，這是由于深松耕有效打破土壤犁底層，降低土壤機械阻力促進水分及養(yǎng)分的移動，而免耕則因為避免對土壤的擾動從而減少土壤水分蒸發(fā)，增強土壤蓄水能力，兩種耕作措施在一定程度上均提高了土壤水分，達到增產效果[22-24]，相反地，土壤進行傳統翻耕與旋耕后，由于裸露的土壤面積增加，降低土壤質量，影響作物對水分與養(yǎng)分的吸收，最終造成減產[25]。據報道，適宜的施氮量能夠增強作物吸收養(yǎng)分與水分的能力，加速干物質積累向籽粒的轉移，從而提高作物產量[1]。王友華等[26]研究認為，當施氮量在90～270 kg·hm-2時，玉米產量會隨氮肥用量的增加而提高，施氮量為360 kg·hm-2時玉米產量則會降低。本試驗2018年深松耕在N3水平下的籽粒產量較N2水平提高11.8%，2019年同一種耕作下，N2和N3水平的玉米籽粒產量無差異。說明施氮量對玉米產量的影響在耕作措施和年份間有差異，在較低的施氮水平下，增施氮肥能夠增加玉米籽粒產量，而施氮量超過一定的范圍為240 kg·hm-2時，增產效果不明顯[27]。其原因可能是氮肥施用過量抑制了玉米干物質的有效轉移，使得籽粒產量的增加與生物產量不同步[28]，導致籽粒產量沒有 增加。

3.2 不同耕作與施氮量對土壤水氮利用效率的影響

如何提高作物的水分利用效率是旱區(qū)農業(yè)發(fā)展亟需解決的問題[17]。耕作與施氮量對玉米水氮利用有顯著影響。張海林等[29]和Qin等[30]的研究表明，免耕與傳統耕作相比，耗水量減少15%，水分利用效率提高10%，深松耕在一定程度上增強水分入滲，其在增加了土壤水分含量的同時也提高了水分利用效率。本研究發(fā)現，2018年免耕處理的水分利用效率比傳統翻耕與旋耕高21.3%～34.0%，2019年深松耕的水分利用效率較旋耕提高49.6%，同時，深松耕與免耕的耗水量較傳統耕作降低14.6%～23.7%，因此，相對于傳統耕作，深松耕與免耕在降低作物耗水量的同時，明顯的產量效應促進了水分利用效率的提高，說明，免耕和深松耕明顯地協調了產量和耗水量的關系，這與尚金霞等[31]的研究結果相似。氮肥偏生產力是反映氮肥利用效率的重要指標，影響作物對氮素的吸收與利用，從而影響作物產量[32]。田肖肖等[33]研究結果表明，免耕顯著提高夏玉米的籽粒產量及水氮利用效率。張磊等[34]研究表明，隨著施氮量的增加氮素利用效率會呈下降趨勢。本試驗中，同一施氮水平下，免耕與傳統翻耕相比，氮肥偏生產力在不同程度上均有所提高，但相同的耕作條件下N3水平與N2水平相比，顯著降低氮肥偏生產力，2018年，不同耕作措施下氮肥偏生產力N3水平較N2水平降低30.6%，2019年降低了33.3%。研究發(fā)現，氮肥的增產作用與土壤水分條件、降水年型以及施氮水平有關[35]。本研究中，在200 kg·hm-2施氮水平下免耕、深松耕良好的土壤水分條件，提高干物質的有效轉化，促進氮肥利用效率的提高，300 kg·hm-2施氮水平由于并沒有起到增加籽粒產量的作用，導致氮肥利用效率較低。

4 結 論

在黃土高原半干旱區(qū)，耕作措施和氮肥用量是影響全膜雙壟溝播玉米產量和水氮利用效率的重要因素。耕作措施對玉米產量影響顯著，N3水平較N2水平極大降低了氮肥偏生產力，耕作措施與施氮的互作效應對籽粒產量、耗水量及水氮利用效率有顯著影響。綜合考慮本地區(qū)作物高產與水氮高效利用，深松耕或免耕結合200 kg·hm-2的施氮量能有效提高土壤水分含量，達到增產效果，同時通過較低的耗水量提高了水分利用效率。因此，適宜在該地區(qū)的全膜雙壟溝播玉米種植的耕作方法為免耕和深松耕，適宜的施氮水平為200 kg·hm-2。