张建军^*, 樊廷录, 赵刚, 党翼, 王磊, 李尚中
甘肃省农业科学院旱地农业研究所 / 甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室, 甘肃兰州730070
^*通讯作者(Corresponding author): 张建军, E-mail: hnszhjj@163.com 收稿日期:2016-01-28 接受日期:2017-03-01网络出版日期:2017-04-11基金:本研究由国家科技支撑计划项目(2015BAD22B02-02, 2012BAD09B03)和西北旱作营养与施肥科学观测实验站基金资助

摘要在陇东黄土旱塬覆盖黑垆土大田, 利用陇鉴301进行了连续10年的定位试验, 观测长期施用不同氮源有机肥(发酵有机肥、农家肥)或小麦秸秆还田各处理对冬小麦产量相关性状和水分利用效率的影响。结果显示, 小麦产量和水分利用效率年际间变化较大, 与降雨量有直接关系; 不同有机氮源替代部分含氮化肥处理对提高冬小麦产量和水分利用效率具有明显作用。在干旱、平水和丰水年型, 较不施肥对照分别增产53.1%~103.7%、40.3%~79.3%和73.1%~94.8%, 较单施化肥对照分别增产6.6%~41.8%、7.0%~36.8%和-2.9%~9.3%。以发酵有机肥做替代物处理的产量和水分利用效率最高, 增产幅度最大, 10年平均产量较不施肥和单施化肥对照分别增加88.9%和25.4%, 水分利用效率和边际水分利用率也最高, 分别为10.8 kg mm^-1 hm^-2和1.03 kg m^-3; 并且产量构成因素和植株生理指标也优于其他处理。因此, 发酵有机肥是陇东半湿润偏旱雨养农业区(年降水量约550 mm)冬小麦生产上替代部分含氮化肥的首选有机氮源。

关键词:黄土旱塬; 冬小麦连作; 定位施肥; 产量; 水分效率
Yield and Water Use Efficiency of Winter Wheat in Response to Long-Term Application of Organic Fertilizer from Different Nitrogen Resources Replacing Partial Chemical Nitrogen in Dry Land of Eastern Gansu Province
ZHANG Jian-Jun^*, FAN Ting-Lu, ZHAO Gang, DANG Yi, WANG Lei, LI Shang-Zhong
Institute of Dryland Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of High Efficiency Water Utilization of Dry Land Farming, Lanzhou 730070, China

AbstractThe objective of this study was to find the possibility of organic fertilizers replacing partial chemical fertilizer continuous winter wheat cropping system through evaluating yield and water use efficiency (WUE). Using winter wheat variety “Longjian 301”, we carried out a ten-year field experiment in the Loess Plateau of eastern Gansu province with two controls (no-fertilizer and chemical fertilizer) and three treatments of organic fertilizer (fermented organic fertilizer, farm manure, and wheat straw) replacing partial chemical fertilizer. The yield and water use efficacy of winter wheat varied greatly across years, with a direct effect of precipitation amount on them. Organic fertilizer replacing partial chemical fertilizer had positive effects on winter wheat yield and WUE, and the yield-increased rates were 53.1%-103.7%, 40.3%-79.3%, and 73.1%-94.8% over the no-fertilizer control and 6.6%-41.8%, 7.0%-36.8%, and -2.9% to 9.3% compared with chemical fertilizer control in dry, normal and wet year, respectively. Among all treatments, the fermented organic fertilizer treatment showed the highest yield and WUE, as well as the largest yield-increased rate. In this treatment, the average yield of 10 years increased by 88.9% and 25.4% compared with no-fertilizer and the chemical fertilizer controls, respectively, and WUE and marginal water use efficiency were 10.8 kg mm^-1 hm^-2 and 1.03 kg m^-3, respectively. Meanwhile, the yield components and plant physiological parameters in this treatment were also superior to those in other treatments. As a result, we suggest fermented organic fertilizer replacing partial chemical fertilizer in the semi-humid rain-fed area of eastern Gansu province, where annual precipitation is around 550 mm.

Keyword:Dry Loess Pleatu; Continuous cropping winter wheat; Long-term fixed fertilization; Yield; Soil water efficiency
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20世纪80年代以来, 我国农田大量使用化肥, 对提高粮食总产、解决粮食安全问题做出了巨大贡献^[1]。在黄土旱塬区, 近几十年来过量施用化肥、不施或少施农家肥致使作物养分需求失衡, 降低了土壤和环境的养分供应能力, 还造成低资源利用率和高环境风险^{[2, 3, 4, 5]}, 成为区域农业可持续发展的关键科学问题, 倍受关注。2015年, 国家农业部关于《到2020年化肥使用量零增长行动方案》的通知, 提出了合理利用有机养分资源, 有机无机相结合, 部分替代化肥减量增效目标, 使有机氮源部分替代化肥的研究成为农业科技界关注的热点问题之一^[6]。如何在水分限制条件下, 通过合理有机无机配施提高作物产量和水分利用效率一直是国内外, 特别是我国北方黄土旱塬区可持续农业研究的重点。已有研究表明, 水分和养分是影响黄土旱塬农业生产的主要胁迫因子^[7], 水分能提高养分的有效性^[8], 养分反过来增加作物产量和水分利用效率^[9]。区域内相关的长期定位试验研究也表明, 有机肥在一定程度上能协调作物需水与土壤供水之间的矛盾, 有机肥和化肥配施对作物增产效果显著^{[10, 11]}。英国洛桑试验站100多年的小麦连作定位试验结果也证明了厩肥和化肥配施可显著增加小麦产量^[12]。但有机氮源部分替代化肥对陇东旱塬冬小麦生产及其产量影响的研究报道还很少见。因此, 本文基于本课题组在陇东黄土旱塬开展的连续10年(始于2005年)的定位试验的研究结果, 旨在探索不同类型有机氮源部分替代含氮化肥后冬小麦产量和水分利用效率的变化, 明确不同氮源有机肥对农田生产力可持续性的影响, 以及适合该地区替代化肥的有机氮源类型。
1 材料与方法1.1 试验地概况甘肃省庆阳市镇原县(35º 29′ 42′ ′ N, 107º 29′ 36′ ′ E)农业部西北植物营养与施肥科学观测试验站, 土壤类型为发育良好的覆盖黑垆土。该区多年年均降雨量540 mm, 其中7月至9月份占60%, 年蒸发量1532 mm, 年均气温8.3 ℃, 无霜期170 d, 海拔1279 m, 为暖温带半湿润偏旱大陆性季风气候, 属典型的旱作雨养农业区。试验期内年均降雨量500.9 mm, 冬小麦生育期平均降雨量197.3 mm。10年试验期内, 干旱、平水和丰水年份分别是2、5和3年(表1)。
表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 试验年度的降水量及其类型划分 Table 1 Precipitations during the experiment and types of production years 生产年 Production year 生产年总降水量 Total precipitation (mm) 占生产年均降水量百分比 Percentage over the average total precipitation (%) 生育期降水量 Precipitation during wheat growth (mm) 占生育期年均降水量百分比 Percentage over the average precipitation during growth (%) 降水年型 Type of precipitation year 2005-2006 541.9 108.2 131.5 66.6 NY 2006-2007 483.0 96.4 177.2 89.8 NY 2007-2008 458.9 91.6 117.1 59.4 DY 2008-2009 301.9 60.3 156.1 79.1 DY 2009-2010 363.4 72.5 178.3 90.4 NY 2010-2011 476.1 95.0 143.5 72.7 NY 2011-2012 642.9 128.3 343.1 173.9 WY 2012-2013 488.4 97.5 184.0 93.3 NY 2013-2014 699.5 139.6 277.2 140.5 WY 2014-2015 552.9 110.4 265.3 134.5 WY The average annual precipitation (from July to next June) over the 10 years was 500.9 mm and the average precipitation during wheat growth was 197.3 mm. Normal, dry and wet years were classified according to the percentage over the average total precipitation, i.e., precipitation variation within 10% for “ normal year” , less than 10% for “ dry year” , and more than 10% for “ wet year” [12]. NY: normal year; DY: dry year; WY: wet year. 试验期内10个生产年(7月至翌年的6月)的平均降水量为500.9 mm, 小麦生育期的平均降水量为197.3 mm。按生产年的平均降水量来划分降水年型, 增减10%以内为“ 平水” , 减少10%以上为“ 干旱” , 增加10%以上为“ 丰水” [13]。NY: 平水年; DY: 干旱年; WY: 丰水年。

表1 试验年度的降水量及其类型划分 Table 1 Precipitations during the experiment and types of production years

1.2 试验设计试验采用随机区组设计, 小区面积24 m² (4 m × 6 m), 3次重复。2005— 2015年连续10年设一个不施肥处理(CK1)和4个等量氮、磷养分处理(表2), 每年均施入化肥和不同氮源有机肥(发酵有机肥、普通农家肥、小麦秸秆)。化肥中氮肥为尿素(含N 46%), 基追比为7∶ 3, 追肥于返青期施入; 磷肥为过磷酸钙(含P₂O₅ 12%), 一次性基施, 不施钾肥; 发酵有机肥为酵素饼, 由菜籽饼发酵而成, 含纯N 5.0%、P₂O₅ 2.5%、有机质≥ 50%、有益生物活性菌≥ 2× 10⁸个 g^-1、腐殖酸≥ 10%; 普通农家肥为干土粪, 平均养分含量为有机质14.7%、纯N 0.27%、P₂O₅ 0.25%; 小麦秸秆(含纯N 0.93%, P₂O₅ 0.36%)于夏休闲期结合土壤耕翻施入。依据当地实际情况和经济因素确定农家肥施用量, 除小麦秸秆外, 其他有机氮源作为基肥播前一次性施入。
表2
Table 2
表2(Table 2)

表2 不同处理无机和有机氮源种类及用量 Table 2 Chemical and organic fertilizer types and amounts used in different treatments (kg hm-2) 处理 Treatment 总氮 Total nitrogen 总磷 Total phosphorous 化肥 Chemical fertilizer 有机肥 Organic fertilizer N P2O5 T1 180 105 120.0 75.0 1200 T2 180 105 125.5 83.5 6000 T3 180 105 72.0 5.0 40000 CK2 180 105 180.0 105.0 0 CK1 0 0 0 0 0 The organic fertilizer were different in treatments. T1, T2, and T3 were fermented manure, wheat straw, and common manure, respectively. 不同处理施用的有机氮源种类不同, 分别是发酵有机肥(T1)、小麦秸秆(T2)和普通农家肥(T3)。

表2 不同处理无机和有机氮源种类及用量 Table 2 Chemical and organic fertilizer types and amounts used in different treatments (kg hm-2)

为了有效控制因品种差异导致的试验结果误差, 本试验采用同一冬小麦品种“ 陇鉴301” 连作, 该品种具有耐连作、抗逆性强、丰产性好的特性, 是常用的指示作物品种。播量187.5 kg hm^-2, 播期为9月中下旬, 收获期为翌年6月下旬, 其他栽培管理措施相同。
1.3 观测指标及测定方法1.3.1 水分利用效率(WUE)计算方法 小麦播前和收获时分别用土钻取土烘干称重测定每个小区0~2 m土层的土壤含水量, 每20 cm为一个测定层。小麦生育期降雨量通过MM-950自动气象站记录仪获得。利用土壤水分平衡方程计算每个小区作物耗水量(ET)。ET = 播前土层土壤贮水量 - 收获后土层土壤贮水量 + 生育期降雨量; WUE = 小麦籽粒产量(kg hm^-2) / 耗水量(mm)。边际水分利用效率(kg m^-3)指单位耗水量的增加所引起的产量增量。
1.3.2 冠层温度 2014年于小麦灌浆中后期, 采用国产BAU-1型手持式红外测温仪测定冠层温度, 分辨率为0.1℃, 响应时间为2~3 s, 选择晴朗无云的天气测定各小区的CT值, 重复30次。
1.3.3 光合参数 2014年在冬小麦灌浆中后期, 采用地面遥感光谱仪Greenseeker (美国), 选择晴朗无雨的上午测定植被归一化指数(normalized difference vegetation index, NDVI)。在晴好天气下, 采用Li-6400光合测定仪(Li-Cor, 美国)测定旗叶的光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)和蒸腾速率(T_r), 每小区测定长势一致的3个植株标记旗叶的光合参数, 每片旗叶重复读取3个观测值, 取其平均值。
1.3.4 产量 成熟期按小区实收计产, 于水泥晒场自然风干, 70℃烘干12 h, 然后折算成公顷产量。
1.4 统计分析采用Microsoft Excel 2010软件处理数据和绘图, 用DPS 7.05软件统计分析, 用最小显著极差法(LSD)进行多重比较。

2 结果与分析2.1 长期定位施肥冬小麦产量和水分利用效率变化冬小麦产量以T1处理最高, 不施肥的CK1处理最低; 各处理的产量随年限变化明显不同, 随施肥年限延长, T2和单施化肥的CK2产量趋于接近, 而T1和T3的增产效果越来越明显(表3)。从10年的平均产量看, 表现为T1> T3> T2> CK2> CK1, 其中T1的平均产量达3804.7 kg hm^-2, 较CK2和CK1分别增加25.4%和88.9%; 其次是T3, 平均产量为3495.0 kg hm^-2, 较CK2和CK1分别增加15.2%和73.6%; T2产量略高于CK2, 增加2.6%。
表3
Table 3
表3(Table 3)

表3 长期施肥条件下旱地冬小麦产量和水分利用效率的变化 Table 3 Yield and Water use efficiency (WUE) changes in dryland winter wheat under long-term fertilization 年份 Year 产量 Yield (kg hm-2) 水分利用效率 WUE (kg mm-1 hm-2) T1 T2 T3 CK2 CK1 T1 T2 T3 CK2 CK1 2005-2006 3055.5 a 2380.0 b 2653.5 ab 2299.5 b 1798.5 c 7.7 a 6.2 bc 6.9 ab 5.7 cd 4.8 d 2006-2007 4083.0 a 3289.0 b 3393.8 b 3040.4 b 2369.6 c 12.3 a 9.8 b 11.7 ab 11.3 ab 6.9 c 2007-2008 4589.1 a 3897.4 b 4314.1 a 3804.4 b 2409.0 c 10.4 a 8.7 b 8.6 b 8.4 b 6.3 c 2008-2009 2642.3 a 1699.6 b 1752.8 b 1642.0 b 1543.1 b 14.4 a 10.1 b 10.3 b 10.4 b 9.2 c 2009-2010 3690.2 a 3058.7 b 3151.4 b 2822.6 b 1565.4 c 15.3 a 12.6 b 13.2 ab 11.6 b 7.8 c 2010-2011 3157.5 a 2490.0 b 3105.0 a 1804.5 c 1681.5 c 9.9 a 8.1 b 9.3 a 6.5 bc 5.9 c 2011-2012 6805.1 a 6559.8 a 6694.2 a 6563.1 a 3827.4 b 12.3 a 10.8 b 11.4 ab 11.0 ab 6.5 c 2012-2013 2110.1 a 1239.5 b 2015.4 a 1475.9 b 1221.2 b 10.9 a 5.5 b 9.2 a 6.0 b 5.0 b 2013-2014 3284.6 a 2614.3 c 3248.2 ab 2860.4 bc 2069.0 d 6.2 a 4.8 cd 5.9 ab 5.1 bc 4.4 d 2014-2015 4629.5 a 3898.4 b 4621.9 a 4036.4 b 1656.1 c 8.9 b 8.5 b 10.2 a 9.0 b 4.1 c 平均 Mean 3804.7 3112.7 3495.0 3034.9 2014.1 10.8 8.5 9.7 8.5 6.1 In each year, values marked with different letters are significantly different at P< 0.05. 同一年份中相同指标数据后不同字母表示处理间差异显著(P< 0.05)。

表3 长期施肥条件下旱地冬小麦产量和水分利用效率的变化 Table 3 Yield and Water use efficiency (WUE) changes in dryland winter wheat under long-term fertilization

水分利用效率与产量变化趋势一致, 处理间排序也相同, 均以T1最高, CK1最低。水分利用效率的10年平均值, 以T1处理最高, 为10.8 kg mm^-1 hm^-2, 较CK2和CK1分别增加27.4%和77.5%; T3处理次之, 为9.7 kg mm^-1 hm^-2, 较CK2和CK1分别增加13.8%和58.5%。
可见, 长期实行化肥与有机肥配施对冬小麦增产、稳产及提高水分利用效率有明显效果, 仅靠秸秆还田(T2)作为有机氮、磷的补充, 与只施用化肥(CK2)相比, 产量无显著提高, 至第9和第10年时, T2的产量还略低于CK2。与此相反, 施用有机肥T1和T2处理的产量和水分利用效率在绝大多数年份显著高于CK2, 尤其是施用发酵有机肥的T1处理。
2.2 不同降水年型施肥对各处理产量的影响10年试验期可分为干旱、平水和丰水年型, 不同降水年型各处理的产量表现不尽相同(表4)。在干旱年型, T1的平均产量显著高于其他处理, 与CK1和CK2相比, 增产率分别为103.7%和41.8%; T2和T3处理的平均产量接近, 增产率相当。在平水年型, T1、T2和T3的平均产量呈逐渐变化趋势(T1> T3> T2), 均显著高于CK1和CK2; 与CK1相比, T1和T3的增产率分别为79.3%和63.3%; 与CK2相比, T1和T3的增产率分别为36.8%和24.6%。在丰水年型, 除CK1外的各处理平均产量无显著差异, 但从产量绝对值看, 仍以T1最高, T3次之, 而T2略低于CK2; 与CK1相比, T1和T3的增产率分别为94.8%和92.9%; 与CK2相比, T1和T3的增产率分别为9.3%和8.3%。
表4
Table 4
表4(Table 4)

表4 不同降水年型长期施肥对冬小麦产量的影响 Table 4 Yield of winter wheat with different precipitation in long-term fertilization 处理 Treatment 干旱年Dry year 平水年Normal year 丰水年Wet year 平均产量Average yield (kg hm-2) 增产 Increased over 平均产量Average yield (kg hm-2) 增产 Increased over 平均产量Average yield (kg hm-2) 增产 Increased over CK1 (%) CK2 (%) CK1 (%) CK2 (%) CK1 (%) CK2 (%) T1 3166.3 a 103.7 41.8 3399.0 a 79.3 36.8 4903.7 a 94.8 9.3 T2 2379.2 b 53.1 6.6 2659.2 bc 40.3 7.0 4357.5 a 73.1 -2.9 T3 2452.1 b 57.8 9.8 3096.4 ab 63.3 24.6 4857.4 a 92.9 8.3 CK2 2232.3 b 43.6 — 2484.9 c 31.1 — 4486.6 a 78.2 — CK1 1554.3 c — — 1896.0 d — — 2517.5 b — — In each precipitation year, values marked with different letters are significantly different at P< 0.05. 数据后不同字母表示相同降水年型的不同处理间差异显著(P< 0.05)。

表4 不同降水年型长期施肥对冬小麦产量的影响 Table 4 Yield of winter wheat with different precipitation in long-term fertilization

2.3 不同降水年型施肥对冬小麦水分利用效率的影响水分利用效率变化与产量变化基本一致, 发酵有机肥处理随降水量增加, 水分利用效率呈减小趋势, 且不同降水年型不同肥料处理以T1平均水分利用效率最高, 在干旱、平水、丰水年分别为12.4、11.2、9.1 kg mm^-1hm^-2; CK1最低, 分别为7.8、6.1、5.0 kg mm^-1 hm^-2, 其中干旱年、平水年、丰水年处理T1水分利用效率较CK1和CK2分别增加60.0%、84.5%、82.0%和31.9%、36.5%、8.3%, 处理T3较CK1和CK2分别增加21.9%、65.5%、80.0%和0.5%、22.4%、7.1%。处理T2在干旱年、平水年、丰水年较CK1分别增加21.3%、38.8%、60.0%, 而较CK2在干旱年持平, 平水年增加2.7%, 丰水年减少4.8% (表5)。
表5
Table 5
表5(Table 5)

表5 不同降水年型长期施肥对冬小麦水分利用效率的影响 Table 5 Water use efficiency (WUE) of winter wheat with different precipitations in long-term fertilization 处理 Treatment 干旱年Dry year 平水年Normal year 丰水年Wet year 水分利用效率WUE (kg mm-1 hm-2) 增产 Increased over 水分利用效率WUE (kg mm-1 hm-2) 增产 Increased over 水分利用效率WUE (kg mm-1 hm-2) 增产 Increased over CK1 (%) CK2 (%) CK1 (%) CK2 (%) CK1 (%) CK2 (%) T1 12.4 a 60.0 31.9 11.2 a 84.5 36.5 9.1 a 82 8.3 T2 9.4 b 21.3 0 8.4 c 38.8 2.7 8.0 a 60 -4.8 T3 9.5 b 21.9 0.5 10.1 b 65.5 22.4 9.0 a 80 7.1 CK2 9.4 b 21.3 — 8.2 c 35.2 — 8.4 a 68 — CK1 7.8 c — — 6.1 d — — 5.0 b — — In each precipitation year, values marked with different letters are significantly different at P< 0.05. 数据后不同字母表示相同降水年型的不同处理间差异显著(P< 0.05)。

表5 不同降水年型长期施肥对冬小麦水分利用效率的影响 Table 5 Water use efficiency (WUE) of winter wheat with different precipitations in long-term fertilization

2.4 不同降水年型施肥对冬小麦产量构成的影响随降水量增加, 不同处理的有效穗增加, 穗粒数和千粒重变化不规律。不同降水年型均以T1产量构成因素较高, CK1最低。其中不同降水年型T1处理有效穗平均为499.5× 10⁴株 hm^-2, 干旱年较平水年减少22.0%, 丰水年较平水年增加45.3%, 穗粒数平均为32粒, 干旱年较平水年减少0.3粒, 丰水年较平水年增加3.6粒, 千粒重平均为41.4 g, 干旱年较平水年增加5.1%, 丰水年较平水年增加13.6% (表6)。
表 6
Table 6
表 6(Table 6)

表 6 Table 6

表 6 Table 6

2.5 不同降水年型施肥对冬小麦灌浆期生理生态指标的影响2014年测定了冬小麦植株和群体的生理参数。冠层温度和植被归一化指数(NDVI)在不同处理间差异显著, 均以T1处理最高, 其中冠层温度较CK1和CK2分别增加2℃和0.6℃, 而NDVI较CK1和CK2分别增加89.5%和56.5%; 光合速率、气孔导度和蒸腾速率也显示T1高于其他处理, 较CK1分别高27.9%、63.6%和63.6%, 较CK2分别高65.9%、66.7%和56.3% (表7)。2013— 2014为丰水年型, 小麦群体较大, T1的有效穗数显著高于其他处理, 且处理间差异明显大于干旱和平水年型, 因此认为, T1的增产原因可能与发酵有机肥延缓植株衰老, 提高叶片光能利用率, 促进冬小麦生长发育有关。
表7
Table 7
表7(Table 7)

表7 不同处理冬小麦灌浆中后期的生理指标(2014) Table 7 Physiological parameters at middle to late filling stage of winter wheat in different treatments (2014) 处理 treatment 冠层温度 Canopy temperature (° C) 植被归一化指数 NDVI 光合速率 Pn (μ mol m-2 s-1) 气孔导度 Gs (mol m-2 s-1) 蒸腾速率 Tr (mmol m-2 s-1) T1 25.6 a 0.72 a 7.2 a 0.068 a 2.5 a T2 24.2 bc 0.42 b 6.4 a 0.053 ab 2.2 ab T3 24.1 bc 0.66 a 6.5 a 0.063 a 2.4 a CK2 25.0 ab 0.46 b 4.4 b 0.041 b 1.6 bc CK1 23.6 c 0.38 b 4.4 b 0.039 b 1.5 c In each year values marked with different letters are significantly different at P< 0.05. 同一年份中相同指标数据后不同字母表示处理间差异显著(P< 0.05)。

表7 不同处理冬小麦灌浆中后期的生理指标(2014) Table 7 Physiological parameters at middle to late filling stage of winter wheat in different treatments (2014)

2.6 不同施肥处理冬小麦产量与耗水量的变化关系不同降水年型各处理的产量与相应耗水量存在显著或极显著的线性相关关系(图1)。各处理的边际水分利用效率排序为T1 (1.03 kg m^-3) > T3 (0.95 kg m^-3) > CK2 (0.87 kg m^-3) > T2 (0.85 kg m^-3) > CK1 (0.59 kg m^-3), T1较CK2和CK1分别高18.4%和74.6%, 说明T1在提高单位水分利用效率中的作用最明显。
图1
Fig. 1

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	图1 旱地长期施肥小麦产量与耗水量的关系Fig. 1 Relationship between winter wheat yield and water consumption in dry land under long-term fertilization

3 讨论3.1 有机氮源替代部分含氮化肥的增产效应关于长期肥料试验的增产作用, 沈善敏^[11]在总结包括英国Rothamsted试验站、美国Morrow试验站在内的国内外众多长期定位试验后得出结论, 不论有机肥料还是化学肥料, 对所有作物均具有明显的增产效果, 作物增产幅度因有机肥和化肥的种类及其投入量而有差异。Fan等^[14]在类区黑垆土上实施的始于1979年的肥料长期定位试验结果显示, 长期施用化肥冬小麦产量随着试验年限的延续逐渐降低, 而化肥配合有机肥则使产量表现增长趋势^{[15, 16]}。在本研究中, 除个别丰水年型外, 3个有机氮源处理均比单施化肥的CK2增产, 增产幅度以总施氮量一致的施用发酵有机肥(T1)处理最大, 且与其他处理差异显著; T1的增产效应在干旱、平水和丰水年型表现一致, 较CK2的平均增产率达29.3%。增产的原因可能是发酵有机肥养分释放快, 及时替代了部分化肥氮, 保证了作物氮素养分的足量供给, 充分发挥了有机无机肥配施互促增效作用, 而非增加养分总投入。
3.2 有机氮源的适宜类型秸秆还田、普通农家肥和发酵有机肥是目前陇东旱塬广泛应用的有机肥种类。秸秆还田的增产作用已经被证实^{[17, 18]}, 但也有导致小麦减产的报道^{[19, 20]}。秸秆还田必须补充氮肥, 否则会因土壤C/N比失衡而降低土壤供肥能力^[21]。秸秆还田的增产作用也因作物和种植制度不同而表现不同^{[22, 23]}, 并与播种质量、土壤墒情、土壤温度和养分等因素有关^[24]。其中, 水分条件是秸秆在土壤中腐解的决定性因素之一^[25]。本研究结果显示, 小麦秸秆作为替代有机氮源, 与施用等量氮磷化肥处理相比, 冬小麦产量在干旱年和平水年表现为增加的正向效应, 而在丰水年表现为略微减产的负向效应, 其原因可能是降水充沛年份, 光照减少, 温度降低, 再加上秸秆腐解消耗部分氮肥, 造成氮素不能满足冬小麦持续增产对氮素养分的需求, 导致小麦光合速率降低, 最终减产, 但需要进一步研究证实。本研究中秸秆还田的增产作用次于发酵有机肥和普通农家肥, 排第3位。
施用普通农家肥是陇东旱塬最古老传统的土壤培肥措施, 增产效果已众所周知^{[26, 27]}。本研究中施用普通农家肥40 000 kg hm^-2的处理(T3), 产量仅次于发酵有机肥, 位居第2。在多数年份与施用发酵有机肥处理(T1)产量无显著差异, 平均产量较CK1和CK2分别高73.5%和15.2%。
发酵有机肥与普通农家肥相比, 具有腐熟彻底, 养分含量损失少易释放, 无臭味, 且含有大量有益微生物, 肥效长, 施用更方便等优点^[28], 近年来应用越来越广泛。本研究表明, 发酵有机肥可作为有机氮替代源长期施用, 对冬小麦的增产、稳产作用明显, 在3种氮源有机肥中增产效果最显著, 平均较氮磷化肥对照(CK2)增产25.4%, 较不施肥对照(CK1)增产88.9%, 且产量构成因素和生理生态指标均较优, 进一步说明发酵有机肥配施化肥能增加冬小麦的稳产性和丰产性。本研究结果还表明, 采用不同有机氮源替代部分含氮化肥基本能满足冬小麦高产需要的养分供给, 具有明显的增产作用。但有机肥成分复杂, 本试验各处理只对总氮、总磷进行控制, 未考虑其他成分, 处理间产量差异是否与有机、无机肥的配施比例和养分平衡有关, 尚需进一步试验研究。
3.3 有机氮源替代部分含氮化肥对冬小麦水分利用效率的影响改善水分供应状况是旱作农业可持续发展的关键^[29]。施用有机肥可充分改善土壤理化性状、增加土壤水库库容, 抑制土壤水分无效蒸发、增加降水入渗、提高土壤有效水含量和作物水分利用率, 协调作物需水与土壤供水之间的矛盾, 对旱地农业持续增产具有重要意义^[30]。增施有机肥能显著提高冬小麦的水分利用效率^{[14, 24, 27, 31, 32, 33, 34]}。本研究结果显示, 无论何种降水年型, 发酵有机肥处理的水分利用效率和边际水分利用效率均最高, 分别为10.8 kg mm^-1 hm^-2和1.03 kg m^-3, 较CK1分别增加77.5%和74.6%, 较CK2分别增加27.4%和18.4%, 印证了上述结论。

4 结论在550 mm降雨量的陇东半湿润偏旱雨养农业区, 不同氮源有机肥替代部分含氮化肥均对冬小麦稳产性具有积极作用, 主要通过增加作物养分供给, 促进作物生长, 使冬小麦有效穗数增加而增产。其中, 发酵有机肥部分替代无机氮, 平均产量和水分利用效率在3个有机氮源中最高, 较单施化肥处理分别提高25.4%和27.4%, 且在各种降水年型表现稳定; 普通农家肥替代处理的平均产量和水分利用效率次之, 较单施化肥处理分别提高15.2%和13.8%; 而小麦秸秆翻压还田替代处理平均产量最次, 较单施化肥处理提高2.6%, 水分利用效率相当, 但年际间变异较大。本研究结果表明, 有机氮源替代部分无机氮在陇东旱塬冬小麦丰产栽培中具有重要的推广应用价值, 可以认为是国家“ 一控(水)、两减(化肥和农药)、三基本(畜禽粪便、秸秆、地膜)” 绿色农业发展战略中“ 替代减量” 的重要措施。
The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.


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[1]	陈伦寿. 施肥理论与实践. 北京, 农业出版社, 1984. pp 7-19 Chen L S. Theory and Practice of Fertilization. Beijing: Agriculture Press, 1984. pp 7-19(in Chinese)[本文引用:1]
[2]	鲁如坤, 刘鸿翔, 闻大中, 钦绳武, 郑剑英, 王周琼. 我国典型地区农业生态系统养分循环和平衡研究: III. 全国和典型地区养分循环和平衡现状. 土壤通报, 1996, 27: 193-196 Lu R K, Liu H X, Wen D Z, Qin S W, Zheng J Y, Wang Z Q. Study on nutriment cycling and balance in agricultural eco-system in typical areas in China: III. Nutriment cycling and balance status of typical parts of the country. Chin J Soil Sci, 1996, 27: 193-196 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[3]	孙志梅, 武志杰, 陈利军, 刘永刚. 农业生产中的氮肥施用现状及其环境效应研究进展. 土壤通报, 2006, 37: 782-786 Sun Z M, Wu Z J, Chen L J, Liu Y G. Research advances in nitrogen fertilization and its environmental effects. Chin J Soil Sci, 2006, 37: 782-786 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[4]	马文奇, 张福锁, 张卫锋. 关乎我国资源、环境、粮食安全和可持续发展的化肥产业. 资源科学, 2005, 27(3): 33-40 Ma W Q, Zhang F S, Zhang W F. Fertilizer production and consumption and the resources, environment, food security and sustainable development in China. Resour Sci, 2005, 27(3): 33-40 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[5]	王激清, 马文奇, 张福锁, 江荣风. 养分资源综合管理与中国粮食安全. 资源科学, 2008, 30: 415-422 Wang J Q, Ma W Q, Zhang F S, Jiang R F. Integrated soil nutrients management and China’s food security. Resour Sci, 2008, 30: 415-422 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[6]	陈芳, 肖同建, 朱震, 杨兴明, 冉炜, 沈其荣. 生物有机肥对甜瓜根结线虫病的田间防治效果研究. 植物营养与肥料学报, 2011, 17: 1262-1267 Chen F, Xiao T J, Zhu Z, Yang X M, Ran W, Shen Q R. Effect of bio-organic fertilizers on root-knot nematode of muskmelon in field. Plant Nutr Fert Sci, 2011, 17: 1262-1267 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[7]	Morgan J A. Interaction of water supply and N in wheat. Plant Physiol, 1984, 76: 112-117[本文引用:1]
[8]	张立新, 吕殿青, 王九军, 赵二龙, 徐福利, 李立科. 渭北旱塬不同水肥配比冬小麦根系效应的研究. 干旱地区农业研究, 1996, 14(4): 22-28 Zhang L X, Lyu D Q, Wang J J, Zhao E L, Xu F L, Li L K. Research on responses of winter wheat root system to different soil water and fertilizer application on Weibei rainfed highland . Agric Res Arid Areas, 1996, 14(4): 22-28 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[9]	徐萌, 山仑. 不同水分条件下无机营养对春小麦水分状况和渗透调节的影响. 植物学报, 1992, 34: 596-602 Xu M, Shan L. Effects of mineral nutrition on water status and osmotic adjustment in spring wheat under different moisture conditions. Acta Bot Sin, 1992, 34: 596-602 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[10]	黄大明. 土壤养分循环及有机肥效率研究进展. 土壤科学, 1994, 25(7): 2-3 Huang D M. Research advance of nutrient cycling and organic fertilizer use efficiency. Soil Sci, 1994, 25(7): 2-3 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[11]	沈善敏. 长期土壤肥力试验的科学价值. 植物营养与肥料学报, 1995, l: 1-9 Shen S M. The scientific value of long-term soil fertility experiment. Plant Nutr Fert Sci #/magtechI #, 1995, l: 1-9 (in Chinese with English abstract)[本文引用:2]
[12]	Halvorson A D, Reule C A, Peterson G A. Long-term N fertilization effects on soil organic C and N. Agron J, 1996, 54: 276-280[本文引用:1]
[13]	郝明德, 王旭刚, 党廷辉, 李丽霞, 高长青. 黄土高原旱地小麦多年定位施用化肥的产量效应分析. 作物学报, 2004, 30: 1108-1112 Hao M D, Wang X G, Dang T H, Li L X, Gao C Q. Analysis of long-term fertilization effect on yield of wheat in dry-land on Loess Plateau. Acta Agron Sin, 2004, 30: 1108-1112 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[14]	Fan T L, Stewart B A, Wang Y, Luo J J, Zhou G Y. Long-term fertilization effects on grain yield, water-use efficiency and soil fertility in the dryland of Loess Plateau in China. Agric Ecosyst Environ, 2005, 106: 313-329[本文引用:2]
[15]	Yadav R L, Dwivedi B S, Prasad K, Tomar O K, Shurpali N J, Pand ey P S. Yield trends and changes in soil organic-C and available NPK in a long-term rice-wheat system under integrated use of manures and fertilizers. Field Crops Res, 2000, 68: 219-246[本文引用:1]
[16]	Manna M C, Swarup A, Wanjari R H, Ravankar H N, Mishra B, Saha M N, Singh Y V, Sahi D K, Sarap P A. Long-term effect of fertilizer and manure application on soil organic carbon storage, soil quality and yield sustainability under sub-humid and semi-arid tropical India. Field Crops Res, 2005, 93: 264-280[本文引用:1]
[17]	Wang X B, Wu H J, Dai K, Zhang D C, Feng Z H, Zhao Q S, Wu X P, Jin K, Cai D X, Oenema O, W B Hoogmoed. Tillage and crop residue effects on rainfed wheat and maize production in northern China. Field Crops Res, 2012, 132: 106-116[本文引用:1]
[18]	刘义国, 刘永红, 刘洪军, 商健, 于淙超, 林琪. 秸秆还田量对土壤理化性状及小麦产量的影响. 中国农学通报, 2013, 29(3): 131-135 Liu Y G, Liu Y H, Liu H J, Shang J, Yu Z C, Lin Q. Effects of straw returning amount on soil physical and chemical properties and yield of wheat. Chin Agric Sci Bull, 2013, 29(3): 131-135 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[19]	张锋, 李鹏, 张凤云, 李新华, 孙明柱, 高国强. 玉米秸秆还田对不同类型小麦产量和品质的影响. 山东农业科学, 2011, (3): 30-32 Zhang F, Li P, Zhang F Y, Li X H, Sun M Z, Gao G Q. Effects of corn stalk returning on yield and quality of different types of wheat. Shand ong Agric Sci, 2011, (3): 30-32 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[20]	刘巽浩, 高旺盛, 朱文珊. 秸秆还田的机理与技术模式. 北京: 中国农业出版社, 2001. pp 14-15 Liu X H, Gao W S, Zhu W S. Mechanism and Technology Mode of Straw Returning into Field. Beijing: China Agriculture Press, 2001. pp 14-15(in Chinese)[本文引用:1]
[21]	Kumar K, Goh K M. Nitrogen release from crop residues and organic amendments as affected by biochemical composition. Commun Soil Sci Plant Anal, 2003, 34: 2441-2460[本文引用:1]
[22]	王志勇, 白由路, 杨俐苹, 卢艳丽, 王磊, 王贺. 低土壤肥力下施钾和秸秆还田对作物产量及土壤钾素平衡的影响. 植物营养与肥料学报, 2012, 18: 900-906 Wang Z Y, Bai Y L, Yang L P, Lu Y L, Wang L, Wang H. Effects of application of potassium fertilizer and straw returning on crop yields and soil potassium balance in low-yielding fields. Plant Nutr Fert Sci, 2012, 18: 900-906 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[23]	Wu J, Guo X S, Wang Y Q, Xu Z Y, Zhang X L, Lu J W. Decomposition characteristics of rapeseed and wheat straw under different water regimes and straw incorporating models. J Food Agric Environ, 2011, 9: 572-577[本文引用:1]
[24]	曹靖, 胡恒觉. 不同肥料组合对冬小麦水分供需状况的研究. 应用生态学报, 2000, 11: 713-717 Cao J, Hu H J. Effect of different fertilizer combinations on water supply-demand status of winter wheat. Chin J Appl Ecol, 2000, 11: 713-717 (in Chinese with English abstract)[本文引用:2]
[25]	Davidson E A, Verchot L V, Cattânio J H, Ackerman L L, Carvalho J E M. Effects of soil water content on soil respiration in forests and cattle pastures of eastern Amazonia. Biogeochemistry, 2000, 48: 53-69[本文引用:1]
[26]	陶磊, 褚贵新, 刘涛, 唐诚, 李俊华, 梁永超. 有机肥替代部分化肥对长期连作棉田产量、土壤微生物数量及酶活性的影响. 生态学报, 2014, 34: 6137-6146 Tao L, Chu G X, Liu T, Tang C, Li J H, Liang Y C. Impacts of organic organic manure partial substitution for chemical fertilizer on cotton yield, soil microbial community and enzyme activities in mono-cropping system in drip irrigation condition. Acta Ecol Sin, 2014, 34: 6137-6146 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[27]	唐小明. 有机肥的保水培肥效果及对冬小麦产量的影响. 水土保持研究, 2003, 10(1): 130-132 Tang X M. Effects of manure on soil water-conversation and fertilizer betterment winter wheat yield in loess plateau dryland . Res Soil Water Conserv, 2003, 10(1): 130-132 (in Chinese with English abstract)[本文引用:2]
[28]	Wang B S, Sun N B, Jiang H C, Feng X Y. Characters of bio-organic fertilizer and trails on its effect when applied to peach. Agric Sci Techol, 2013, 14: 1132-1136[本文引用:1]
[29]	李凤民, 王静, 赵松林. 半干旱黄土高原集水旱地农业的发展. 生态学报, 1999, 19: 259-264 Li F M, Wang J, Zhao S L. The rainwater harvesting technology approach for dryland agriculture in semi-arid loess plateau of China. Acta Ecol Sin, 1999, 19: 259-264 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[30]	Hati K, Swarup A, Dwivedi A, Misra A, Band yopadhyay K. Changes in soil physical properties and organic carbon status at the topsoil horizon of a vertisol of central India after 28 years of continuous cropping, fertilization and manuring. Agric Ecosyst Environ, 2007, 119: 127-134[本文引用:1]
[31]	苏秦, 贾志宽, 韩清芳, 李永平, 王俊鹏, 杨宝平. 宁南旱区有机培肥对土壤水分和作物生产力影响的研究. 植物营养与肥料学报, 2009, 15: 1466-1469 Su Q, Jia Z K, Han Q F, Li Y P, Wang J P, Yang B P. Effects of organic fertilization on soil moisture and crop productivity in semi-arid areas of southern Ningxia. Plant Nutr Fert Sci, 2009, 15: 1466-1469 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[32]	李忠芳, 徐明岗, 张会民, 孙楠, 娄翼来. 长期施肥条件下我国南方双季稻产量的变化趋势. 作物学报, 2013, 39: 943-949 Li Z F, Xu M G, Zhang H M, Sun N, Lou Y L. Yield trends of double-cropping rice under long-term fertilizations in southern China. Acta Agron Sin, 2013, 39: 943-949 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[33]	李秀英, 李燕婷, 赵秉强, 李小平, 王丽霞, 张振山. 褐潮土长期定位不同施肥制度土壤生产功能演化研究. 作物学报, 2006, 32: 683-689 Li X Y, Li Y T, Zhao B Q, Li X P, Wang L X, Zhang Z S. The dynamic of crop yield under different fertilization systems in drab fluvo-aquic soil. Acta Agron Sin, 2006, 32: 683-689 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[34]	王晓娟, 贾志宽, 梁连友, 韩清芳, 杨保平, 丁瑞霞, 崔荣美, 卫婷. 旱地施有机肥对土壤水分和玉米经济效益影响. 农业工程学报, 2012, 28(6): 144-149 Wang X J, Jia Z K, Liang L Y, Han Q F, Yang B P, Ding R X, Cui R M, Wei T. Effects of organic fertilizer application on soil moisture and economic returns of maize in dryland farming. Trans CSAE, 2012, 28(6): 144-149 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]