摘、要：【目的】针对中国西北旱地小麦低产田块多、分布范围广、农户地块间产量差异大的问题,探索影响旱地小麦产量的关键因素,为缩小产量差异,普遍提高旱地小麦产量提供理论依据。【方法】对分布在中国西北黄土高原地区的山西、陕西、甘肃旱地小麦主产区的180个农户麦田0—100 cm土壤和小麦植株的取样分析,结合对农户施肥情况的实地调查,研究了旱地小麦产量差异与栽培、施肥及主要土壤肥力因素的关系。【结果】山西、陕西和甘肃冬小麦产量分别介于2 529—8 419、1 344—8 073和2 984—7 145 kg·hm-2。覆膜栽培的小麦产量较传统栽培提高9.4%。传统栽培的高产组产量较中低产组分别高37.5%和77.2%,覆膜栽培分别高25.4%和66.2%。传统栽培高产组的平均施氮量比中低产组分别高44.4%和74.4%,覆膜栽培分别高9.9 %和13.5 %;传统栽培高产组施磷量比中低产组平均提高31.1%,覆膜栽培提高35.4%;但传统栽培高产组的施钾量却比低产组低62.1%,覆膜栽培高产组比低产组高96.0%。传统栽培不同产量水平间0—100 cm土壤有机质含量没有显著差异,覆膜栽培0—20 cm土壤有机质含量高产组比低产组显著高20.8%。传统栽培40—80 cm土壤全氮存在显著差异,其中40—60 cm土层高产组比中、低产组分别高出7.5%和18.6%;覆膜栽培0—60 cm土层全氮存在显著差异,其中0—20 cm土层高产比中、低产组分别高出3.2%和14.2%。传统栽培土壤矿质氮无显著差异,覆膜栽培80—100 cm土层高产比低产组高1.6倍。传统栽培0—40 cm土层速效磷含量存在显著差异,其中高产组0—20 cm土层比中、低产组分别高74.3%和86.9 %;覆膜栽培土壤速效磷含量没有显著差异。传统栽培40—60 cm土壤速效钾含量高产组比中、低产组显著高22.5%和16.0%,覆膜栽培土壤速效钾没有显著差异。土壤pH在不同产量水平和栽培模式间亦无显著差异。【结论】引起产量变异的主要原因有栽培模式、氮磷钾肥用量、土壤有机质以及速效磷含量。因此,缩小西北旱地农户间产量差异、实现小麦增产的关键在于加强旱地麦田水分管理,采用保水栽培;适当提高传统栽培小麦中低产田块的氮磷肥用量、控制钾肥用量,在稳定覆膜栽培小麦中低产田块氮肥的基础上,适当提高磷钾肥用量;加强旱地麦田有机培肥,在提高土壤有机质含量、蓄水保墒和氮素供应能力的同时,提升传统栽培小麦中低产田土壤的有效磷供应能力,以达到通过促进小麦生长,提高籽粒产量的目的。
0 引言
【研究意义】小麦是世界三大粮食作物之一,提高小麦产量对满足日益增长的粮食需求至关重要。到2030年,世界人口将增长到90亿左右,相应粮食总产较当前增加近一倍才能满足人们的食物需求[1]。这一目标的实现对中国来说,粮食增长速度每年至少应保持在2%左右[2],故在有限的耕地面积上生产更多的粮食至关重要[3]。确定和改善耕地生产能力的制约因素[4],培肥土壤和提高管理水平可以缩小农户实际产量和地块潜在产量之间的差距,对作物增产有重要意义[2, 5]。旱地占中国耕地面积的43.4%,黄土高原是中国旱地的集中所在,人口约为1.1亿,总面积约为6 656 km2[6],尽管水土流失严重、降雨稀缺、土壤贫瘠,小麦种植面积却占总耕地面积的56%左右[7],平均产量约为3 600 kg·hm-2,地块间产量却介于1 400—8 400 kg·hm-2不等[6],相差明显。可见,查明旱地小麦产量差异的形成原因,缩小高低产量间的差距,对保障区域粮食安全具有重要意义。【前人研究进展】近年来作物产量差的研究受到了许多国家的普遍关注[8-10]。就小麦而言,农户现实产量与气候潜力产量的差异研究表明,欧洲小麦气候潜力产量达8 t·hm-2,农户平均产量5 t·hm-2,相差3 t·hm-2[11],美国俄克拉荷马州小麦气候潜力产量为6.9 t·hm-2,农户平均产量为2.1 t·hm-2,产量差高达4.8 t·hm-2[4],中国华北平原小麦潜力产量可达8.3 t·hm-2,农户平均产量为5.1 t·hm-2,产量差为3.2 t·hm-2[12],可见与潜力产量相比,各地小麦均还存在巨大的增产空间。关于农户之间的产量差异,即在田间实际生产条件下已经实现的产量之间的差异,在不同国家之间,同一国家或区域内部也广泛存在。欧洲农户小麦平均产量为7 862 kg·hm-2,中国平均为4 709 kg·hm-2,产量差高达3 153 kg·hm-2[13];陕西渭北旱塬农户小麦产量调查显示,农户平均产量为 3 472 kg·hm-2,农户间最大产量差异达4 000 kg·hm-2之多,有超过60%的农户产量低于全国平均水平[14]。可见,缩小农户间巨大的产量差异,是提升区域小麦生产水平的亟待解决的关键问题。无论是实际产量之间,还是实际产量与潜力产量之间的差异,就全球大部分作物而言产量差异产生的原因60%—80%来源于气候变化、肥料施用和灌溉管理[5]。在一定气候条件下,农户之间产量差异的原因主要来自耕作方式、农艺措施、养分管理、生产技术以及投入成本、市场等因素[8, 15-16]。水分是限制产量的重要因素,特别在旱地条件下更是如此,研究表明北美、印度北部的旱地小麦产量仅为潜力产量的50%,水分胁迫是作物产量低的主要原因[17-18],确保小麦生育后期的水分供应是提高小麦产量、减少产量差异的重要措施[19]。品种对作物产量的影响也不可忽略,同一区域不同品种产量会有巨大差异,江苏省84个小麦品种产量从4.43 kg·hm-2到8.18 kg·hm-2不等[20]。但在西澳大利亚的研究发现引起小麦产量的变异80%来自环境变化,6%为耕作方式,品种仅可解释3%的变异[21]。在中国,土壤贫瘠是影响旱地小麦产量的重要因素,研究发现土壤有机质每提高0.1%可使小麦增产600 kg·hm-2,全氮每提高0.01%可增产790 kg·hm-2 [22] 。另外,陈健等[23]研究结果表明土壤盐碱度、返青期追施氮肥类型、返青期是否水分胁迫等多个因子可以解释63%的产量差异。除此之外,病虫害亦是造成产量差的主要原因,相关资料表明中国每年因杂草病害造成的粮食作物减产可达10%以上[24-25]。【本研究切入点】关于作物的产量差异已引起广泛重视,并从气候、土壤、施肥、灌水、品种、植物保护等方面进行了大量研究,但关于土壤养分与产量关系的研究多以表层0—20 cm土壤的养分情况为主,缺乏较深土壤层次的土壤肥力因素对作物产量影响的研究,且已有研究多以长期或短期的田间试验为对象,缺少以农户实际地块为研究对象的多点大区域研究,在中国西北地区小麦栽培方式多样、养分投入水平和土壤肥力因地而异,这些因素会如何影响小麦的产量?一直缺少系统研究。【拟解决的关键问题】本文通过采集分布在中国西北黄土高原的山西、陕西、甘肃三省180个旱地小麦种植户的麦田间0—100 cm土壤和地上部植株样品进行分析,并结合对农户施肥情况的实地调查,研究了农户小麦产量差异与栽培、施肥及主要土壤肥力因素的关系,以期为缩小农户之间的产量差异,提高旱地小麦产量提供理论依据。1 材料与方法
1.1 研究地域概况
研究地域位于黄土高原典型旱作农业区的三省七县,即山西洪洞、闻喜、垣曲,陕西合阳、耀州、永寿以及甘肃通渭,东西横跨570公里（东经105°7′52"—111°43′19"）,南北间距170公里（北纬34°44′14"—36°23′2"）（图1）。冬小麦是当地的主要粮食作物,播种时间为9月下旬或10月初,收获时间为6月初至6月底。该区域年均气温6.6—14℃,年平均降雨量为466 mm,且60%—70%的降雨集中在7、8、9月,各地区2015年降雨分布见图2。传统和覆膜栽培是研究区域主要的冬小麦栽培方式。传统栽培为农户普遍采用的平作栽培,行宽20 cm,前茬作物为夏玉米或冬小麦。覆膜栽培主要有两种类型,一种是全膜覆土栽培,前茬作物为夏玉米,主要分布在甘肃;另一种是播前起垄, 垄上覆膜沟内播种,前茬作物为冬小麦。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1西北旱地冬小麦采样与调查地点在研究区域的分布
-->Fig. 1Distribution of sampling and investigation sites in the winter wheat production area of northwestern dryland of China
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2调研地点降雨量及其在夏闲期和小麦生长期的分配
-->Fig. 2Precipitation and its distribution during the summer fallow and winter wheat growing seasons in the study area
-->
1.2 调查、取样与测定
1.2.1 调研 对分布在同一纬度、小麦种植面积较大的山西、陕西和甘肃小麦种植农户进行调查（图1）,用两倍标准差法剔除异常值[4, 26],共得到180个农户的数据,覆膜栽培为90户,其中采自山西洪洞刘家塬土壤23户、垣曲鲁家坡23户、闻喜邱家岭26户、甘肃通渭常河18户;传统栽培为90户,山西省土壤采自山西洪洞刘家塬3户、垣曲鲁家坡11户、闻喜邱家岭7户,陕西省土壤采自合阳合家庄24户、耀县寺沟27户、永寿御驾宫21户。调查内容包括小麦品种、肥料用量、机械使用、栽培管理措施、病虫害防治等指标,并于冬小麦成熟期每20 cm为一层,采集各农户田块0—100 cm剖面土壤。两种栽培模式下0—20、20—40cm土壤养分平均含量见表1。Table 1
表1
表1供试土壤性质
Table 1Basic nutrient status in the plough layer soil of the experimental field
| 土层 Layer (cm) | 栽培条件 Cultivating condition | 有机质 Organic matter (g·kg-1) | 全氮 Total N (g·kg-1) | 矿质氮 Mineral N (mg·kg-1) | 速效磷 Available P (mg·kg-1) | 速效钾 Available K (mg·kg-1) | pH |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0-20 | 传统 Traditional | 12.00±2.77 | 0.79±0.15 | 15.3±12.0 | 16.4±9.0 | 122.9±45.2 | 8.4±0.2 |
| 覆膜 Plastic film mulching | 11.09±3.66 | 0.72±0.18 | 28.3±33.0 | 11.5±10.0 | 135.0±46.5 | 8.3±0.1 | |
| 20-40 | 传统 Traditional | 8.56±2.48 | 0.58±0.11 | 11.3±11.7 | 6.0±5.1 | 92.0±30.3 | 8.5±0.2 |
| 覆膜 Plastic film mulching | 8.07±3.19 | 0.55±0.14 | 7.7±10.1 | 3.5±2.8 | 99.2±29.3 | 8.4±0.2 |
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1.2.2 小麦植株取样与测定 冬小麦收获时,在每个试验地块划出能代表该地块小麦长势的50 m2（10 m×5 m）采样区,首先在其中随机选择3个1 m2的样方,测定每个样方内的小麦穗数,计算公顷穗数。然后采用“盲抽法”随机采集包括100个穗的小麦植株,即不看麦穗大小,直接用手从10—20个样点将小麦植株由基部连根拔起,同一小区的盲抽植株混合后于根茎结合处剪掉根系,作为一个考种和化学分析样品。将穗剪下装入标记好的小网袋,茎叶全部装入做好标记的大网袋,绑紧袋口。风干后,称量茎叶风干重、穗风干重后,穗脱粒,称量风干籽粒重,测定千粒重,计算穗粒数。采用烘干法烘干后,测定风干茎叶、颖壳、籽粒的含水量,进而计算小麦的产量、生物量。小麦的生物量、产量、千粒重均以烘干重表示。
1.2.3 土壤取样与测定 在小麦取样区内随机选择3个样点,以20 cm为一层采取0—100 cm 的土壤样品,同层土壤均匀混合,作为一个分析样品,迅速装入做好标记的塑料袋中带回实验室,待风干后分别过0.15 mm和1 mm筛子。0.15 mm的土样用来测定有机质、全氮,1 mm的土样用来测定硝铵态氮、速效磷、速效钾、pH。
有机质用重铬酸钾外加热法测定;全氮用浓硫酸加混合催化剂（K2SO4﹕CuSO4=10﹕1）消煮至灰白,定容到100 mL后用连续流动分析仪（AA3,德国）测定;硝铵态氮用1 mol·L-1的KCl浸提,土水比为1﹕10,震荡1 h后过滤,连续流动分析仪测定。速效磷用0.5 mol·L-1的NaHCO3浸提,土水比为1﹕20,震荡30 min后过滤,连续流动分析仪测定;速效钾用1 mol·L-1的NH4OAc浸提,土水比为1﹕10,震荡30 min后过滤,火焰光度计测定。所有震荡浸提的转速均为120 r/min。土壤pH用pH计测定,土水比为1﹕2.5。
1.3 数据计算与统计分析
将180个农户按传统栽培和覆膜栽培分成两组,每组按产量高低排序,等农户数分成高、中、低3组,即两种栽培模式高中低产组各有30个农户。产量（kg·hm-2）=公顷穗数（×104/hm2）×穗粒数×千粒重（g）
生物量（kg·hm-2）=产量/收获指数
收获指数（%）=盲抽籽粒干重/（盲抽籽粒+颖壳+茎叶干重）×100%
用Microsoft Excel 2013整理数据,SigmaPlot 12.5作图,DPS 7.05统计分析。
2 结果
2.1 产量与生物量的关系
对山西、陕西、甘肃三省180个冬小麦种植户的调研表明,三省冬小麦的籽粒产量介于1 344—8 419 kg·hm-2,平均为4 980 kg·hm-2,最高与最低产量相差5.2倍（图3-A）。山西、陕西和甘肃冬小麦产量分别介于2 529—8 419、1 344—8 073和2 984—7 145 kg·hm-2,平均为4 878、5 130和4 598 kg·hm-2。传统栽培和覆膜栽培的产量分别介于2 525—8 419和1 344—8 073 kg·hm-2,平均为4 756和5 205 kg·hm-2,覆膜栽培的平均产量较传统栽培提高9.4%,由此可见,三省间的产量差异虽不显著（P=0.402）,但在不同农户及不同栽培模式间存在较大差异。虽然不同农户、不同栽培模式之间小麦籽粒产量差异很大,但均与小麦的生物量呈极显著的正相关（图3）。总体来看,冬小麦干物质每增加1 000 kg·hm-2,籽粒产量增加425 kg·hm-2。对于传统、覆膜栽培模式而言,干物质每增加1 000 kg·hm-2,籽粒产量分别增加404和446 kg·hm-2,覆膜栽培的作物籽粒产量形成潜力较传统栽培提高10.4%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3农户冬小麦籽粒产量与生物量（A）及不同栽培模式下籽粒产量与生物量的关系（B）
-->Fig. 3Relationship between farmers’ winter wheat yields and the corresponding biomasses and that under different cultivating conditions*表示回归关系在0.05水平上显著。下同* indicates the regression is significant at 5% level. The same as below
-->
2.2 产量与栽培模式
传统栽培和覆膜栽培对冬小麦籽粒产量有显著影响（图4）。对于传统栽培,高、中、低产组的产量分别介于5 018—8 419、4 137—4 967和2 525—4 117 kg·hm-2,平均为6 226、4 527、3 513 kg·hm-2,差异显著,且高产组较中、低产组分别高37.5%、77.2%。覆膜栽培,高、中、低产组的产量分别介于5 830—8 073、4 715—5 721和1 344—4 611 kg·hm-2,平均籽粒产量分别为6 510、5 190和3 916 kg·hm-2,差异亦显著,且高产组比中、低产组分别高25.4%、66.2%。比较两种栽培模式,覆膜栽培的高、中、低产组产量比传统栽培相应组分别提高4.5%、14.6%和11.4%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4传统与覆膜栽培条件下高产、中产和低产组的产量差异
-->Fig. 4Yield differences among high-, middle- and low-yielding groups under traditional and plastic film mulching cultivations图中误差线为均数标准误,小写字母表示同一栽培模式下不同产量水平间的差异在0.05水平上差异显著,大写字母表示同一产量水平在传统与覆膜栽培之间的差异在0.05水平上显著Error bars in the figure are the standard error of means, lowercase letters indicate that the differences among yield levels under the same cultivation are significant at the 0.05 level, and uppercase letters represent that the differences between traditional and plastic film mulching cultivations at the same yield level are significant at the 0.05 level
-->
2.3 产量与施肥
调查发现（图5）,传统栽培高、中、低产组的施氮量分别介于55—591、 104—300和54—290 kg·hm-2,平均分别为233、162和134 kg·hm-2。高产组的平均施氮量比中、低产组分别高44.4%和74.4%,差异显著;尽管中低产组的施氮量差异不显著,但前者仍比后者平均高出20.9%,覆膜栽培高、中、低产组的施氮量介于69—294、34—207和68—218 kg·hm-2,平均分别为143、130和126 kg·hm-2。高产组的平均施氮量比中、低产分别高9.9 %、13.5 %,差异显著,中产组的平均施氮量比低产组高3.3%。比较两种栽培模式的氮肥用量,传统栽培的高、中、低组氮肥用量比覆膜栽培相应组分别高62.9%、24.6%和6.3%,平均高出32.3%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5传统与覆膜栽培条件下高、中、低产量等级间的氮、磷、钾肥用量差异
-->Fig. 5Difference of N, P and K application among high-, middle- and low-yielding groups in traditional and plastic film mulching cultivations图中误差线为均数标准误,小写字母表示相同栽培模式下同一养分的用量在不同产量水平间的差异在0.05 水平上差异显著,大写字母表示同种养分的用量在传统与覆膜栽培之间的差异在0.05 水平上显著Error bars in the figure are the standard error of means, lowercase letters indicate that the differences among the fertilizer rates of a certain nutrient over the different yield levels under the same cultivation are significant at the 0.05 level, and uppercase letters represent that the differences for the fertilizer rates of a same nutrient between traditional and plastic film mulching cultivations are significant at the 0.05 level
-->
传统栽培高、中、低产组的施磷量分别为0—437、0—338和0—384 kg·hm-2,平均为168、121和136 kg·hm-2,高产组施磷量比中、低产组平均提高31.2%,中低产组间差异不显著。覆膜栽培高、中、低产组施磷量分别介于0—417、21—276和0—345 kg·hm-2,平均为134、99和99 kg·hm-2,高产组比中、低产组平均提高35.4%,中、低产组间差异不显著。比较两种栽培模式的施磷量可知,传统栽培的高、中、低组施磷量比覆膜栽培相应组分别高25.4%、22.2%和37.4%,平均亦高27.9%。
钾肥用量在不同栽培模式、产量水平之间呈现出不同的规律。传统栽培高、中、低产组中分别在0—48、0—120和0—120 kg·hm-2之间,平均为10、18、25 kg·hm-2,低产组施钾量比高产组还高1.5倍;覆膜栽培的高、中、低产组钾肥用量则介于0—60、0—113和0—43 kg·hm-2,平均为27、22和14 kg·hm-2,高产组比低产组显著高92.9%。传统栽培和覆膜的平均施钾量分别为18和21 kg·hm-2,覆膜比传统栽培高16.7%。
可见,高产小麦的施氮量较高,这种差异在传统栽培中更明显。高产小麦的磷肥用量也较高,但中低产小麦磷肥用量差异不显著。传统栽培中,产量随钾肥用量的增加而降低,覆膜栽培中小麦产量随施钾用量的增加而增加,说明传统栽培条件施用钾肥增产效果不明显,覆膜栽培条件下增施钾肥有利于产量提高。覆膜栽培降低了旱地小麦的氮磷用量,却提高了小麦的产量。
2.4 产量与不同土层土壤养分
2.4.1 产量与有机质 研究结果显示（图6）,传统栽培0—100 cm不同土层高、中、低产组的有机质含量没有显著差异,0—20,20—40 cm土层的平均值分别为12.0和8.6 g·kg-1,40—100 cm的平均值为6.0 g·kg-1。覆膜栽培0—20 cm土层有机质含量高、中、低产组间存在显著差异,平均分别为12.0、11.2、10.0 g·kg-1,高产组比低产组显著高出20.8%,20—100 cm不同土层高、中、低产组的有机质含量没有显著差异,20—40 cm土层的平均值为8.1 g·kg-1,40—100 cm平均值为5.5 g·kg-1。传统栽培60—80 cm土层的有机质较覆膜栽培显著高12.6%,其他土层差异不显著,传统栽培和覆膜栽培0—60 cm土层的平均值分别为8.98和8.36 g·kg-1,80—100 cm的平均值为5.69和5.41 g·kg-1。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图6传统与覆膜栽培条件下高、中和低组0—100 cm不同土层的有机质含量
-->Fig. 6Concentration of soil organic matter in 0-100 cm soil layers in high-, middle- and low-yielding under traditional and plastic film mulching cultivations图中的误差线为均数标准误,线段表示同一栽培模式中该土层的平均值差异在不同产量水平间达到显著（P<0.05）且LSD值为线段长度,“*”表示同一土层的平均值的差异在传统与覆膜栽培模式之间达到显著（P<0.05）。下同Error bars in the figure are the standard error of means, line segments in the figure indicate that the differences of the average soil nutrient content among different yield levels are significant at P < 0.05, the length of line segment is the LSD value, and * represents that the differences of the average nutrient content over yield levels for the same soil layer are significant between traditional and plastic film mulching cultivation at P < 0.05. The same as below
-->
传统栽培条件下土壤有机质含量高低不是产量高低差异的决定因素,而在覆膜栽培条件下,0—20 cm土壤有机质是引起产量差的重要原因,有机含量高时,产量也高。有机质含量也不是两种栽培模式产量差异的原因。
2.4.2 产量与全氮 分析0—100 cm不同土层的全氮表明（图7）,传统栽培高、中、低产组间40—80 cm土层全氮含量存在显著差异,其中40—60 cm土层的平均值分别为0.47、0.44和0.40 g·kg-1,高产比中、低产组分别高出7.5%和18.6%;60—80 cm土层中分别为0.43、0.39和0.37 g·kg-1,高产比中、低产组分别高出9.6%和15.4%;其他土层差异不显著,0—20,20—40 cm土层的平均值分别为0.79和0.58 g·kg-1,80—100 cm土层的平均值为0.39 g·kg-1。覆膜栽培高、中、低产组0—60 cm土层存在显著差异,0—20 cm土层全氮含量平均分别为0.76、0.74和0.66 g·kg-1,高产比中、低产组分别高3.2%和14.2%;20—40 cm土层全氮含量平均分别为0.59,0.55和0.50 g·kg-1 ,高产比中、低产组分别高7.4%和19.2% ;40—60 cm土层全氮含量平均分别为0.47,0.43和0.40 g·kg-1,高产比中、低产组分别高7.6%和17.9%;60—100 cm土层差异不显著,平均值为0.40 g·kg-1。两种栽培模式间,传统栽培0—20 cm土层全氮含量较覆膜栽培显著高9.7%,其他土层差异不显著,传统栽培和覆膜栽培20—100 cm的平均值分别为0.45和0.44 g·kg-1。说明土壤全氮含量是形成产量差的主要因素之一,40—80 cm土壤全氮含量对传统栽培的产量影响较大,而覆膜栽培0—60 cm全氮含量对产量的影响较大,全氮含高者,产量亦高。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图7传统与覆膜栽培条件下高、中和低组0—100cm土层全氮含量
-->Fig. 7Concentration of total nitrogen in 0-100 cm soil layers in high-, middle- and low-yielding under traditional and plastic film mulching cultivations
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2.4.3 产量与矿质氮 矿质氮含量在0—100 cm土壤剖面中变异较大（图8）,传统栽培高、中、低产组0—100 cm土层矿质氮含量不显著,0—20、20—40 cm的平均值分别为15.3和11.3 mg·kg-1,40—100 cm平均为7.0 mg·kg-1。覆膜栽培80—100 cm土层存在显著差异,高、中、低产组矿质氮含量分别为10.4、7.2和4.0 mg·kg-1,高产比低产组高出1.6倍、比中产组高44.0%,0—20 cm的平均值分别为30.3、32.5和22.2 mg·kg-1,20—80 cm的平均值为7.3、6.7和4.1 mg·kg-1。覆膜栽培0—20 cm的矿质氮含量较传统栽培显著高85%,平均值分别为28.3和15.3 mg·kg-1,而传统栽培20—40 cm的矿质氮含量较覆膜栽培显著高47.1%,平均值分别为11.3和7.7 mg·kg-1,40—60 cm矿质氮含量亦较覆膜栽培显著高43.7%,其余土层差异不显著,传统栽培和覆膜栽培60—100 cm的平均值分别为7.5和6.2 mg·kg-1。
由此可见,土壤的矿质态氮不能解释旱地小麦产量之间的差异,但两种栽培模式0—20、20—40和40—60 cm土壤矿质氮却存在明显的差异,覆膜栽培显著高于传统栽培。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图8传统与覆膜栽培条件下高、中和低组0—100 cm土层矿质氮含量
-->Fig. 8Concentration of mineral nitrogen in 0-100 cm soil layers in high-, middle- and low-yielding under traditional and plastic film mulching cultivations
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2.4.4 产量与速效磷 如图9所示,传统栽培高、中、低产组间0—40 cm土层速效磷含量存在显著差异,其中0—20 cm土层的平均值分别为23.3、13.4和12.5 mg·kg-1,高产组比中、低产组分别高出74.3%和86.9%,20—40 cm土层的平均值为7.6、5.9和4.4 mg·kg-1,高产组比中、低产组分别高出28.3%和74.3%,其他土层差异不显著,40—100 cm土层的平均值为1.5 mg·kg-1。覆膜栽培高、中、低产组间不同土层的速效磷含量没有显著差异,0—20 cm土层的平均值为11.5 mg·kg-1,20—40 cm土层的平均值为3.5 mg·kg-1,40—100 cm土层的平均值为1.5 mg·kg-1。但传统栽培0—20 cm、20—40 cm土层速效磷平均含量较覆膜栽培显著高出42.4%和69.0%。
两种栽培模式速效磷含量最高值均出现在0—20 cm土层土壤,且传统栽培中含量高者产量也高。除此之外,传统栽培20—40 cm土壤也是产量高者速效磷量较高。这表明传统栽培条件下0—20 cm和20—40 cm土层速效磷含量是引起产量差的重要原因,而引起覆膜栽培产量差的原因主要在于0—20 cm土层速效磷的含量。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图9传统与覆膜栽培条件下高、中和低组0—100 cm土层速效磷含量
-->Fig. 9Concentration of available phosphorus in 0-100 cm soil layers in high-, middle- and low-yielding under traditional and plastic film mulching cultivations
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2.4.5 产量与速效钾 结果表明（图10）,传统栽培高、中、低产组40—60 cm土层速效钾含量存在显著差异,分别为86.2、70.4和74.3 mg·kg-1,高产组比中、低产组高22.5%和16.0%,其他土层差异不显著,0—20 cm土层的平均值为122.9 mg·kg-1,20—40 cm的平均值为92.3 mg·kg-1,60—100 cm的平均值为73.8 mg·kg-1。覆膜栽培高、中、低产组不同土层的速效钾含量没有显著差异,0—20 cm土层的平均值为135.0 mg·kg-1,20—40 cm土层的平均值为99.0 mg·kg-1,40—100 cm土层的平均值为79.7 mg·kg-1。两种栽培模式间40—60 cm、60—80 cm土壤速效钾含量存在明显差异,覆膜栽培较传统栽培分别显著提高8.6%和10.2%。
可见,表层0—40 cm土壤速效钾与产量高低没有确定的关系,40 cm以下的深层土壤速效钾的提高,有利于旱地覆膜栽培小麦产量的提高。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图10传统与覆膜栽培条件下高、中和低组0—100 cm土层速效钾含量
-->Fig. 10Concentration of available potassium in 0-100 cm soil layers in high-, middle- and low-yielding under traditional and plastic film mulching cultivations
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2.4.6 产量与pH 传统栽培高、中、低产组0—100 cm土壤pH介于7.8—10.1和7.7—10.1和8.0—9.8（图11）,平均都为8.5,产量水平和土层间的差异均不显著。覆膜栽培的情况也是如此,高、中、低产量组0—100 cm土壤pH介于7.9—9.6、7.7—9.9和7.8—9.7,平均为8.4、8.4和8.5。两种栽培模式不同土层的pH也无显著差异。由此可知,旱地土壤pH不是小麦产量差异的原因。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图11传统与覆膜栽培条件下高、中和低组0—100 cm土层土壤pH
-->Fig. 11Soil pH in 0-100 cm soil layer in high-, middle- and low-yielding under traditional and plastic film mulching cultivations
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3 讨论
3.1 产量与生物量
生物量是作物一生积累同化产物的总量,是籽粒产量形成的物质基础,收获指数反映了作物将同化产物向籽粒分配,形成籽粒产量的能力,生物量与收获指数在一定生态条件下协调、平衡,最终决定了作物的产量。DAI等[27]对美国5类小麦的生物量和收获指数的研究发现,收获指数介于0.33—0.61,平均为0.45,并认为尽管收获指数和籽粒产量可能存在一定的联系,但收获指数高并不一定意味着籽粒产量就高。不少****认为提高收获指数可以达到增产的目的[28-30],本研究也发现在当前应用各地推荐的主栽品种的背景下,小地域范围内收获指数存在差异,提高收获指数可以达到提高小麦产量的目的,但对于整个区域而言,小麦生物量与籽粒产量呈极显著的正相关,小麦收获指数趋于定值,平均为0.43,意味着小麦产量的提高将主要取决于生物量的提高。这可能是因为从区域角度看小麦产量更多地受区域气候、土壤和栽培因素影响,调查发现农户栽培的品种虽多达18种,但均为通过国家审定的主栽品种,这就保证了品种本身的高产潜力,因此区域的气候、土壤和栽培因素的变化造成的旱地小麦生物量的变化成了影响小麦产量的重要因素（图3-A）,实现区域小麦增产、缩小农户产量差异的关键在于增加干物质累积量。3.2 产量与栽培、施肥
西北旱地降雨少且集中在小麦收获后的夏闲期,高产栽培的关键在于水肥管理[31]。栽培模式会影响土壤水热强度与分布,进而影响土壤对作物的养分供应,导致作物干物质累积及籽粒产量不同。大量研究表明地膜覆盖可提高早春的土壤温度,有效防止土壤水分蒸发,提升土壤深层水分至作物可用土层,改变土壤中微生物区系、活化养分,促进作物生长、提高产量[32-33]。亦有研究表明地膜覆盖对旱地小麦的增产作用因降雨年型而异,在干旱年份尤其是早春干旱,地膜覆盖会导致作物减产,湿润年份增产效果不明显,平水年才有明显的增产作用[34]。本研究所涉及的研究区域当年降雨量介于467—716 mm,不论高产,还是中、低产组,地膜覆盖产量均明显高于传统栽培产量,且传统栽培条件下农户的小麦产量差异要大于覆膜栽培,说明栽培模式是影响旱地小麦产量的一个重要因素,覆膜栽培可以提高旱地小麦产量,是缩小农户之间的产量差异的重要途径。化肥在粮食增产中发挥了巨大的作用。本研究中,高产小麦的施氮量较高,这种现象在传统栽培中更明显。这首先是因为增施氮肥可以促进作物对土壤水分和其他养分的吸收利用,促进干物质累积及向籽粒转移,进而提高产量[35] 。此外,土壤水分和施氮量有显著的交互效应,有研究表明在不同底墒条件下,形成高产要求的施氮量不同,在底墒充足时,形成较高的冬小麦产量所需的氮肥用量较低,但在底墒相对较低时,则要求较高的氮肥投入[36]。由于覆膜栽培有明显的蓄水保墒作用[37-39],从而可使土壤底墒更好[40],这就使得覆膜栽培可以较少的氮肥投入获得高产,而在传统栽培中则需要较多的氮肥投入。高产小麦的施磷量较高,除了与施氮增产相似的原因外[41-42],在旱地增施磷肥,可促进小麦根系发育,增强小麦利用土壤深层水分的能力,从而改善植株的水分状况,增大气孔导度,降低了其对干旱的敏感性[43],提高抗旱性、增加产量。传统栽培中旱地小麦产量随钾肥用量增加而降低,覆膜栽培中随钾肥用量增加而增加,说明由于当地土壤钾素较为丰富,传统栽培条件下施用钾肥并不能达到增产目的。覆膜栽培条件下增施钾肥有利于产量提高,原因可能在于地表覆膜限制了土壤表面的水分蒸发,从而提高了土壤含水量,在通过增强作物蒸腾作用提高对土壤水分吸收利用的同时,提高了作物对土壤钾供应的需求[44],因而表现出施用钾肥增产的明显效果。
3.3 产量与土壤养分
有机质是土壤肥力的基础和土壤培肥的核心问题,一直受到广泛关注和重视。本文研究表明,传统栽培不同产量水平间田块的土壤有机质含量差异不显著,而覆膜栽培0—20 cm土层有机质含量高时,产量水平亦高,由低产田有机质含量提高1.16 g·kg-1,达到中产水平时,可使小麦增产1 274 kg·hm-2,而中产田有机质含量提高0.92 g·kg-1,达到高产水平时,可使小麦增产1 320 kg·hm-2,说明中低产田块有机质含量的提升使小麦增产的潜力很大。这进一步表明覆膜栽培提高了作物的生产潜力,对土壤肥力水平要求较高,才使不同有机质含量水平的土瓖表现出了产量水平的差异,而传统栽培作物产量水平总体较低,不能使土壤肥力的增产效应充分发挥,两种栽培模式下有机质之所以表现出不同的作用效果主要是由于在黄土高原地区,土壤肥力水平低、土壤水分缺乏。在生产力不高的传统栽培情况下,生态系统处于相对平衡的状态,地膜覆盖使得农田水热资源重新分配,地表水热条件得到改善,土壤微生物群落结构发生重大变化,土壤有机质分解和有机态养分的释放大幅度提升[45-46],表现出了土壤有机质对作物增产的作用。覆膜栽培0—20 cm土壤全氮含量高产>中产>低产的原因也在于此。虽然0—20 cm土层的矿质氮、速效磷含量差异不显著,但产量高的地块其含量也相应较高,这更进一步说明了旱地土壤有机质的提升可以促进土壤氮、磷供应能力增强,提高土壤的增产潜力,在优化栽培、缓解水分的限制作用后,可以对作物增产起到重要作用。传统栽培高产田块0—20、20—40 cm土层的速效磷含量显著高于中、低产田,且40—100 cm土层速效磷含量较高时产量亦高,这主要是由于在旱地传统栽培条件下土壤水分条件较差,而土壤磷含量较高、供磷充足有利于促进小麦根系生长发育和下扎以充分利用深层水分,从而获得较高的产量,也说明深层土壤速效磷含量增加对传统栽培的旱地小麦籽粒产量提高有重要作用。一些研究也观测到 40 cm以下土层速效磷、速效钾含量对作物产量发挥着重要作用[47]。本研究结果表明,该研究区域麦田土壤pH稳定,没有受到栽培、施肥的显著影响,但无论栽培模式如何,高产田块40—60 cm土层的速效钾含量均高于低产田块的速效钾含量。同时,由于西北旱地土壤速效钾含量较高,表层（0—20 cm）平均为129 mg·kg-1,所以表层土壤速效钾含量在不同产量水平间差异不显著。但调查结果显示有超过一半的农户常年不施钾肥,这使不同产量等级地块的深层土壤速效钾表现出一定的差异。两种栽培模式下产量较高的地块,40—80 cm土层速效钾含量较高。传统栽培40—60 cm土层高产地块速效钾含量显著高于中低产地块含量,这说明高产的旱地小麦可能是因为根系能由深层土壤吸收利用更多的钾,因此应重视西北旱地钾肥的施用,以避免长期不施钾肥可能对土壤钾造成的消耗,特别是深层速效钾的消耗。深层矿质氮对产量亦有积极作用,本研究显示40—80 cm土壤矿质氮含量较高的地块产量亦高,特别是覆膜栽培高产地块矿质氮含量显著高于低产田块,这说明保证深层土壤一定的矿质氮供应水平对旱地小麦产量增加至关重要。
4 结论
研究表明西北旱地不同区域农户田块间小麦产量存在显著差异,生物量是籽粒产量增加的基础,栽培条件、氮磷钾肥施用,以及土壤有机质、速效磷含量是引起产量差异的主要原因。缩小西北旱地农户间产量差异、实现小麦增产的关键在于加强旱地麦田水分管理,采用保水栽培;适当提高传统栽培小麦中低产田块的氮磷肥用量、控制钾肥用量,在稳定覆膜栽培小麦中低产田块氮肥的基础上,适当提高磷钾肥用量;加强旱地麦田有机培肥,在提高土壤有机质含量、蓄水保墒和氮素供应能力的同时,提升传统栽培小麦中低产田土壤的有效磷供应能力,以达到通过促进小麦生长,提高籽粒产量的目的。The authors have declared that no competing interests exist.
