0 引言
【研究意义】甘肃黄土旱塬半湿润偏旱区位于甘肃省东部的庆阳、平凉地区,该区地表水和地下水资源匮乏,农业生产用水完全依靠有限的自然降水,属典型的旱作雨养农业区。该区冬春季干旱多风,降水时空分布不均且变率较大,年降雨量450—600 mm,蒸发量大,小麦主要耗水阶段（3—6月）的降水只占年降水的20%—40%,而其中仅有约60%可供冬小麦利用,大部分降水集中在7—9月的休闲期,降水与冬小麦生长需求严重错位[1-4],易造成冬小麦生育期水分亏缺[5]。加之土壤比较贫瘠,水分成为影响该地区农业生产发展的主要限制因素。因此,在中国西北黄土旱塬区,寻求有效的耕作施肥制度最大限度蓄住天上水,保住土壤水,提高作物水分利用效率已成为该区冬小麦高产稳产的关键。【前人研究进展】长期肥料试验是土壤学、农学和生态学等研究领域的基础性工作,是揭示长期不同施肥模式对土壤生产力、养分循环与平衡、耕地质量、作物产量及农田生态环境影响的重要研究手段,对指导合理施肥、保护生态环境和农业可持续发展等,均具有十分重要的理论意义和实践价值[6-8]。已有研究表明[9-14],较传统耕作,休闲期免耕具有良好的抑蒸保墒作用,休闲期深松可提高降水的蓄保能力。柏炜霞等[15]研究表明,免耕/深松和深松/翻耕轮耕处理比传统连续翻耕增产9.1%和7.6%,水分利用效率提高9.6%和11.0%。张海林等[16]研究表明,免耕土壤蓄水量比传统耕作增加约10%,水分利用效率提高约10%。免耕在保持土壤水分,提高土壤的蓄水能力方面具有显著作用。目前,中国西北黄土高原旱作区20年以上的肥料定位试验有甘肃平凉（始于1979年）和天水（始于1982 年）、陕西长武（始于1984年）和安塞（始于1983年）[17-18]。这些长期定位试验,主要监测不同施肥措施下作物产量、土壤肥力及理化性质等的变化,很少有涉及耕作与施肥及其互作效应对作物耗水特性影响的系统报道。【本研究切入点】中国西北黄土旱塬已有的长期肥料研究主要集中在施肥的产量效应、养分含量及土壤物理结构的变化方面,而对耕作与施肥及其互作条件下的作物水分利用效率、阶段耗水特性及产量与耗水量的变化关系等方面未见系统报道。【拟解决的关键问题】本研究以布置在甘肃省镇原县黑垆土上的耕作与肥料长期定位试验（始于2005年）为平台,通过对耕作与施肥及其互作条件下的冬小麦产量、水分利用效率、阶段耗水特性及产量与耗水量变化关系的研究,探讨肥力差异与耕作措施的互作效应对冬小麦耗水特性的影响,筛选耕作与施肥的最佳组合模式,为实现西北黄土旱塬有限水资源的高效利用和旱地农业可持续发展提供理论依据。1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验于2005—2016年在位于甘肃省庆阳市镇原县（35°29'42″ N,107°29'36″ E）的农业部西北植物营养与施肥科学观测实验站进行,该区多年年均降雨量540 mm左右,其中7—9月份占60%,年蒸发量1 532 mm,年均气温8.3℃,无霜期170 d,海拔1 279 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。为便于分析,本文采用“生产年”概念划分不同降水年型（表1）,即从上季小麦收获后的7月至翌年的6月为小麦生产年,以生产年平均降水量增减在10%以内为常态年,减少10%以上为干旱年,增加10%以上为丰水年[19]。Table 1
表1
表1试验年度的降水年型
Table 1Precipitation in experiment years
| 项目 Item | 频率 Frequency | 生产年平均降水量 Average precipitation of production year (mm) | 备注（生产年） Remark (production years) |
|---|---|---|---|
| 干旱年 Dry year | 3 | 420.5 (363.4-458.9) | 2007-2008, 2009-2010, 2015-2016 |
| 平水年 Normal year | 4 | 513.5 (483.0-552.9) | 2005-2006, 2006-2007, 2010-2011, 2014-2015 |
| 丰水年 Wet year | 2 | 675.8 (652.1-699.5) | 2011-2012, 2013-2014 |
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1.2 试验设计
试验采用二因素裂区设计,耕作为主处理,设2个水平,分别为传统耕作和免耕;施肥为副处理,设6个水平,分别为（1）不施肥处理（对照,CK）;（2）施氮处理 150 kg N·hm-2（N）;（3）施磷处理105 kg P2O5·hm-2 （P）;（4）施农家肥（腐熟的纯牛粪）处理22 500 kg·hm-2 （M）;（5）施氮磷处理 150 kg N·hm-2+105 kg P2O5·hm-2 （NP）;（6）施氮磷肥+农家肥处理 150 kg N·hm-2+105 kg P2O5·hm-2+农家肥（腐熟的纯牛粪）22 500 kg·hm-2 （NMP）。小区面积72 m2（8 m×9 m）,3次重复。常规耕作分别于作物收获后和播前各耕作一次;免耕在作物收获后至播种前,不搅动土壤,利用前作残茬覆盖地表。小区为固定小区,施肥采用定位施肥,氮肥50%作基肥,50%作追肥于返青期开沟施入。农家肥和磷肥播前一次性撒施,传统耕作结合播前旋耕施入,免耕撒施后采用耙磨结合播前开沟施入。作物种植方式采用1年玉米—3年冬小麦轮作,人工开沟播种。为了有效控制因品种差异导致的试验结果误差,本研究执行期间采用同一冬小麦品种陇鉴301,播量157.5 kg·hm-2,该品种为自育冬小麦品种,是试验研究常用品种,其具有抗逆性强,丰产性好的特征,其他管理措施按常规要求实施。1.3 测定项目
1.3.1 土壤含水量测定及水分利用效率计算 采用烘干称重法测定。每一个生产年在冬小麦播种、苗期、返青期、拔节期、开花期、收获期,采用土钻人工分层取土测定每个小区0—200 cm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（mm）=播前土壤储水量-收获后土壤储水量+生育期降雨量。
WUE（kg·hm-2·mm-1）=籽粒产量/耗水量
1.3.2 产量测定 成熟时按每个小区实收计产,水泥晒场自然风干后,采用PM-8188-A谷物水分测量仪测定籽粒含水量,然后折算成14%含水量条件下的公顷产量。
1.4 数据分析方法及软件
采用Microsoft Excel 2010软件处理数据及绘图,DPS 7.05软件进行统计分析,最小显著极差法（LSD）进行差异显著性检验（P<0.05和P<0.01）。2 结果
2.1 不同处理不同年份冬小麦产量及水分利用效率变化
对9年冬小麦产量的综合分析表明,年份（P<0.0001）、耕作方式（P<0.0001）和施肥（P<0.0001）对旱地冬小麦产量影响极显著,除耕作方式×施肥、耕作方式×施肥×年份对产量的交互作用不显著外,其余两因素交互作用均极显著（表2）。Table 2
表2
表2年份、耕作方式和施肥对冬小麦产量的方差分析
Table 2Analysis of variance on years, tillage method and fertilizer on yield of winter wheat
| 变异来源 Source of variance | 自由度 df | F值 F-value | P值 P-value |
|---|---|---|---|
| 年份（A）Year (A) | 8 | 226.2647 | 0.0001 |
| 耕作方式（B）Tillage method (B) | 1 | 199.4895 | 0.0001 |
| 施肥（C）Fertilizer (C) | 5 | 318.1628 | 0.0001 |
| A×B | 8 | 18.7854 | 0.0001 |
| A×C | 40 | 8.2959 | 0.0001 |
| B×C | 5 | 0.4663 | 0.8011 |
| A×B×C | 40 | 1.3022 | 0.1211 |
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在产量方面（表3）,在耕作措施一定的情况下,生产年内冬小麦产量主要随施肥措施的变化而变化,年际间则主要随降水量的变化而变化。生产年份内,不论耕作方式如何,冬小麦产量均随施肥措施的不同而显著不同,均以NMP处理产量最高,其次为NP处理,都与对照达到显著水平（P<0.05）。而肥料单施以M处理产量最高,P处理大于N处理,不施肥的CK绝大多数年份产量最低。年际间在耕作与施肥量不变的情况下,冬小麦产量表现为丰水年>平水年>干旱年,差异达极显著水平。从平均产量来看,不同耕作方式各肥料措施产量顺序为NMP>NP>M>P>CK>N。传统耕作NMP、NP、M、P处理依次较CK增加88.0%、71.9%、30.8%、15.6%,而N处理产量与CK差异不显著,较P处理降低了13.9%;免耕NMP、NP、M、P处理依次较CK增加了109.3%、86.9%、44.6%、15.8%,N处理较CK、P处理分别减少了4.9%、21.9%。NMP、NP、M、P、N、CK处理传统耕作较免耕依次增加了14.8%、18.2%、16.3%、28.3%、34.6%、21.1%,表现为传统耕作较免耕增产幅度大的基本规律。
Table 3
表3
表3不同耕作方式及施肥措施不同年份冬小麦产量变化
Table 3Changes of yield with different tillage methods and fertilizer treatments in different years (kg·hm-2)
| 耕作方式 Tillage Method | 处理 Treatment | 2005-2006 | 2006-2007 | 2007-2008 | 2009-2010 | 2010-2011 | 2011-2012 | 2013-2014 | 2014-2015 | 2015-2016 | 平均产量 Mean yield |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 传统耕作 Traditional tillage | CK | 1596.0b | 2254.5a | 2764.5b | 664.5c | 1534.5d | 3537.7c | 1187.4b | 2383.9c | 1736.6b | 1962.2eC±869.0 |
| N | 1612.0c | 2314.5a | 2944.5ab | 700.5bc | 1550.0d | 3546.9c | 1234.3b | 2287.5c | 1385.7b | 1952.9eC±898.1 | |
| P | 1704.0d | 2332.5a | 3159.0ab | 967.5bc | 2332.5c | 4018.1c | 1345.6b | 2575.7c | 1979.7b | 2268.3dBC±928.9 | |
| M | 2184.0bc | 2631.0a | 3342.0ab | 1222.5b | 2644.5c | 4761.9b | 1404.9b | 2977.0b | 1937.5b | 2567.3cB±1078.0 | |
| NP | 2583.0ab | 2668.5a | 3780.0a | 2808.0a | 3301.5b | 5712.0a | 2875.4a | 3786.2a | 2840.6a | 3372.8bA±986.4 | |
| NMP | 2814.0a | 2833.5a | 3828.0ab | 3283.5a | 3861.0a | 6168.2a | 3121.0a | 3839.5a | 3456.7a | 3689.1aA±1015.9 | |
| 免耕 No tillage | CK | 1848.9b | 1782.0b | 1806.0bc | 510.0c | 1513.5d | 2470.9d | 773.1d | 1584.9b | 1445.7c | 1526.1cdC±586.3 |
| N | 1711.4b | 2004.0ab | 2013.5b | 570.0c | 1564.5d | 2793.1d | 614.2d | 887.7c | 897.4d | 1450.6dC±758.6 | |
| P | 1803.0ab | 2473.5a | 1602.0c | 876.0bc | 2245.5c | 2331.4d | 1080.8c | 1774.6b | 1724.6bc | 1767.9cC±541.0 | |
| M | 2046.8ab | 2485.5a | 1975.5bc | 1126.5b | 2530.5b | 3965.2c | 1533.5b | 2214.6a | 1987.0b | 2207.2bB±792.3 | |
| NP | 2462.4a | 2511.0a | 3027.0a | 2349.0a | 2559.0b | 4744.8b | 2882.7a | 2309.0a | 2831.0a | 2852.9aA±751.4 | |
| NMP | 2467.7a | 2580.0a | 3010.5a | 2760.0a | 3502.5a | 5514.4a | 3060.3a | 2562.1a | 3293.8a | 3194.6aA±937.3 | |
| P值 P Value | |||||||||||
| 方差分析 ANOVA | 耕作方式（B） Tillage method (B) | 0.6674 | 0.2238 | 0.0009 | 0.1167 | 0.1442 | 0.0096 | 0.1094 | 0.0095 | 0.0430 | — |
| 肥料（C） Fertilizer (C) | 0.0001 | 0.0977 | 0.0003 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | — | |
| B×C | 0.0360 | 0.8960 | 0.5544 | 0.6413 | 0.0169 | 0.0635 | 0.0016 | 0.0164 | 0.9584 | — | |
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水分利用效率表现出与产量一致的变化规律,不同年份不同耕作方式均以NMP处理水分利用效率最高（表4）。从平均水分利用效率来看,变化顺序均为NMP>NP>M>P>CK>N,差异显著。传统耕作中NMP、NP、M、P处理较CK依次分别增加84.0%、64.0%、24.0%、16.0%,N处理较CK减少了4.0%;免耕中NMP、NP、M、P处理较CK依次分别增加84.1%、61.4%、34.1%、13.6%,N处理较CK减少了11.4%。相同施肥措施下,传统耕作水分利用效率高于免耕,NMP、NP、M、P、N、CK依次分别增加13.6%、15.5%、5.1%、16.0%、23.1%、13.6%。
Table 4
表4
表4不同年份冬小麦水分利用效率变化
Table 4Changes of water use efficiency of winter wheat in different years (kg·hm-2·mm-1)
| 耕作方式 Tillage Method | 肥料 Fertilization | 2005-2006 | 2006-2007 | 2007-2008 | 2009-2010 | 2010-2011 | 2011-2012 | 2013-2014 | 2014-2015 | 2015-2016 | 平均水分利用效率 Average WUE |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 传统耕作 Traditional tillage | CK | 4.6d | 5.4d | 5.8b | 2.1d | 5.3d | 6.4f | 3.2c | 5.9d | 6.3bc | 5.0dD±1.5 |
| N | 4.4de | 5.8cd | 5.9b | 2.1d | 4.9d | 6.8e | 2.9c | 5.5e | 5.3c | 4.8dD±1.5 | |
| P | 4.2e | 7.1bc | 6.4b | 3.0c | 7.1c | 7.4d | 3.9b | 5.8de | 7.0b | 5.8cC±1.6 | |
| M | 5.4c | 8.3ab | 6.7ab | 2.9c | 6.9c | 8.6c | 3.8b | 6.9c | 6.7bc | 6.2cC±1.9 | |
| NP | 6.5b | 9.7a | 7.7a | 6.3b | 9.1b | 9.8b | 6.0a | 8.6b | 10.2a | 8.2bB±1.6 | |
| NMP | 8.2a | 9.9a | 7.8a | 8.0a | 10.7a | 10.8a | 6.4a | 9.1a | 11.8a | 9.2aA±1.7 | |
| 免耕 No tillage | CK | 5.2c | 5.6b | 4.1c | 1.5c | 7.4b | 5.1d | 2.0e | 3.5c | 5.1d | 4.4eCD±1.8 |
| N | 4.8d | 6.1b | 3.8c | 1.6c | 6.5c | 5.4d | 1.5f | 2.3d | 3.4e | 3.9eD±1.9 | |
| P | 4.6d | 8.6a | 4.5bc | 2.6b | 7.5b | 4.4e | 2.8d | 4.1b | 5.8cd | 5.0dC±2.0 | |
| M | 5.3bc | 8.6a | 5.6ab | 3.1b | 6.6c | 7.6c | 3.8c | 5.4a | 6.9bc | 5.9cB±1.8 | |
| NP | 5.7ab | 9.5a | 6.2a | 6.9a | 7.8b | 8.4b | 5.6b | 5.6a | 8.2b | 7.1bA±1.4 | |
| NMP | 6.1a | 9.7a | 6.2a | 7.1a | 10.7a | 10.0a | 6.3a | 5.7a | 10.9a | 8.1aA±2.1 | |
| P值P Value | |||||||||||
| 方差分析 ANOVA | 耕作方式（B） Tillage method (B) | 0.1654 | 0.2112 | 0.0081 | 0.3555 | 0.1297 | 0.0024 | 0.0103 | 0.0074 | 0.0029 | 0.0368 |
| 肥料（C） Fertilizer (C) | 0.0001 | 0.0001 | 0.0017 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | |
| B×C | 0.0001 | 0.1236 | 0.9618 | 0.2306 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.6834 | 0.7261 | |
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试验结果再次佐证了水肥调控,有机无机肥配施或无机肥配施是半湿润偏旱区冬小麦高产稳产的重要途径。
2.2 不同处理对冬小麦各生育阶段耗水量及总耗水量的影响
不同耕作方式及施肥措施冬小麦0—200 cm土层总耗水量显著不同,耗水量与生育阶段降雨量密切相关（表5）。不同耕作方式及降雨年型NMP处理总耗水量相对较高,均高于CK,传统耕作干旱年、平水年、丰水年较CK分别增加了3.0%、4.4%、31.4%,免耕分别增加了10.2%、1.5%、25.7%,耕作方式间总耗水量干旱年传统耕作高于免耕,丰水年和平水年免耕高于传统耕作,降雨年型间各施肥措施总耗水量变化不规律。Table 5
表5
表5不同降雨年型冬小麦各生育阶段耗水量及其占总耗水量的比例
Table 5Water consumption amounts and ratios to total water consumption in different periods of winter wheat growth period in different precipitation years (mm)
| 降水年型 Type of preciptation | 耕作方式 Tillage Method | 处理 Treatment | 播种—返青期 Sowing to Revival | 返青期—拔节期 Revival to Jointing | 拔节期—开花期 Jointing to Anthesis | 开花期—收获期 Anthesis to Maturity | 总耗水量 Total consumption | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 降雨量 Precipitation | 耗水量 Consumption | 比例 Ratio (%) | 降雨量 Precipitation | 耗水量 Consumption | 比例 Ratio (%) | 降雨量 Precipitation | 耗水量 Consumption | 比例 Ratio (%) | 降雨量 Precipitation | 耗水量 Consumption | 比例 Ratio (%) | ||||
| 平水年 Normal year (2014-2015) | 传统耕作 Traditional tillage | CK | 59.1 | 171.6a | 42.5 | 86 | 68.0e | 16.8 | 28 | 109.6d | 27.1 | 94.3 | 54.9d | 13.6 | 404.1d |
| N | 59.1 | 161.6b | 38.9 | 86 | 60.8f | 14.6 | 28 | 127.5c | 30.7 | 94.3 | 66.0c | 15.9 | 415.9c | ||
| P | 59.1 | 163.4b | 36.8 | 86 | 77.5d | 17.5 | 28 | 135.9ab | 30.6 | 94.3 | 67.3c | 15.2 | 444.1b | ||
| M | 59.1 | 144.7c | 33.5 | 86 | 82.9c | 19.2 | 28 | 135.0ab | 31.3 | 94.3 | 68.8c | 15.9 | 431.4c | ||
| NP | 59.1 | 109.6d | 24.0 | 86 | 90.0b | 19.7 | 28 | 136.3ab | 29.9 | 94.3 | 120.3b | 26.4 | 456.2a | ||
| NMP | 59.1 | 57.3e | 13.6 | 86 | 94.9a | 22.5 | 28 | 139.3a | 33.0 | 94.3 | 130.4a | 30.9 | 421.9c | ||
| 免耕 No tillage | CK | 59.1 | 120.6b | 27.2 | 86 | 129.8a | 29.3 | 28 | 109.1c | 24.6 | 94.3 | 83.3d | 18.8 | 442.8a | |
| N | 59.1 | 126.7b | 32.8 | 86 | 71.6c | 18.5 | 28 | 105.6d | 27.4 | 94.3 | 82.2d | 21.3 | 386.0c | ||
| P | 59.1 | 134.1a | 31.0 | 86 | 73.3c | 16.9 | 28 | 124.1b | 28.7 | 94.3 | 101.3c | 23.4 | 432.8a | ||
| M | 59.1 | 123.7b | 30.2 | 86 | 48.0e | 11.7 | 28 | 111.9c | 27.3 | 94.3 | 126.5b | 30.8 | 410.1b | ||
| NP | 59.1 | 100.3c | 24.3 | 86 | 59.9d | 14.5 | 28 | 122.5b | 29.7 | 94.3 | 129.6b | 31.4 | 412.3b | ||
| NMP | 59.1 | 92.3d | 20.5 | 86 | 87.0b | 19.4 | 28 | 136.0a | 30.3 | 94.3 | 134.2a | 29.9 | 449.5a | ||
| 干旱年 Dry year (2007-2008) | 传统耕作 Traditional tillage | CK | 46.6 | 120.4a | 25.3 | 18.7 | 112.0a | 23.5 | 4.2 | 128.0c | 26.9 | 53.2 | 116.2c | 24.4 | 476.6b |
| N | 46.6 | 117.6b | 23.6 | 18.7 | 106.7b | 21.4 | 4.2 | 138.5b | 27.7 | 53.2 | 136.3b | 27.3 | 499.1a | ||
| P | 46.6 | 118.5b | 24.0 | 18.7 | 103.4b | 20.9 | 4.2 | 133.4b | 27.0 | 53.2 | 138.3b | 28.0 | 493.6a | ||
| M | 46.6 | 112.3b | 22.5 | 18.7 | 114.5a | 23.0 | 4.2 | 130.9b | 26.2 | 53.2 | 141.1b | 28.3 | 498.8a | ||
| NP | 46.6 | 93.5c | 19.0 | 18.7 | 104.7b | 21.3 | 4.2 | 136.5b | 27.8 | 53.2 | 156.2a | 31.8 | 490.9a | ||
| NMP | 46.6 | 96.4c | 19.6 | 18.7 | 90.6c | 18.5 | 4.2 | 140.3a | 28.6 | 53.2 | 163.5a | 33.3 | 490.8a | ||
| 免耕 No tillage | CK | 46.6 | 104.1a | 23.6 | 18.7 | 119.6b | 27.2 | 4.2 | 96.9c | 22.0 | 53.2 | 119.9d | 27.2 | 440.5d | |
| N | 46.6 | 101.4a | 19.1 | 18.7 | 155.3a | 29.3 | 4.2 | 128.3b | 24.2 | 53.2 | 144.9a | 27.3 | 529.9a | ||
| P | 46.6 | 84.7b | 23.8 | 18.7 | 56.9d | 16.0 | 4.2 | 87.7d | 24.6 | 53.2 | 126.7d | 35.6 | 356.0c | ||
| M | 46.6 | 49.2c | 13.9 | 18.7 | 72.8c | 20.6 | 4.2 | 102.6c | 29.1 | 53.2 | 128.2c | 36.3 | 352.8c | ||
| NP | 46.6 | 79.9b | 16.4 | 18.7 | 125.3b | 25.7 | 4.2 | 140.2a | 28.7 | 53.2 | 132.8b | 29.3 | 488.2b | ||
| NMP | 46.6 | 81.7b | 16.8 | 18.7 | 114.1b | 23.5 | 4.2 | 143.3a | 29.5 | 53.2 | 146.5b | 30.2 | 485.6b | ||
| 降水年型 Type of preciptation | 耕作方式 Tillage Method | 处理 Treatment | 播种—返青期 Sowing toRevival | 返青期—拔节期 Revival to Jointing | 拔节期—开花期 Jointing to Anthesis | 开花期—收获期 Anthesis to Maturity | 总耗水量 Total consumption | ||||||||
| 降雨量 Precipitation | 耗水量 Consumption | 比例 Ratio (%) | 降雨量 Precipitation | 耗水量 Consumption | 比例 Ratio (%) | 降雨量 Precipitation | 耗水量 Consumption | 比例 Ratio (%) | 降雨量 Precipitation | 耗水量 Consumption | 比例 Ratio (%) | ||||
| 丰水年 Wet year (2013-2014) | 传统耕作 Traditional tillage | CK | 146.2 | 110.2a | 29.7 | 25.4 | 61.0d | 16.4 | 66.1 | 104.5c | 28.2 | 44.8 | 95.4d | 25.7 | 371.1c |
| N | 146.2 | 97.2c | 22.8 | 25.4 | 70.6c | 16.6 | 66.1 | 127.1b | 29.9 | 44.8 | 130.7c | 30.7 | 425.6b | ||
| P | 146.2 | 117.0a | 33.9 | 25.4 | 69.2c | 20.1 | 66.1 | 96.6d | 28.0 | 44.8 | 62.2f | 18.0 | 345.0d | ||
| M | 146.2 | 104.9b | 28.4 | 25.4 | 70.1c | 19.0 | 66.1 | 114.2c | 30.9 | 44.8 | 80.5e | 21.8 | 369.7c | ||
| NP | 146.2 | 94.8c | 19.8 | 25.4 | 90.3a | 18.8 | 66.1 | 134.3b | 28.0 | 44.8 | 159.8b | 33.3 | 479.2a | ||
| NMP | 146.2 | 78.6d | 16.1 | 25.4 | 82.7b | 17.0 | 66.1 | 153.9a | 31.6 | 44.8 | 172.4a | 35.4 | 487.6a | ||
| 免耕 No tillage | CK | 146.2 | 102.8a | 26.6 | 25.4 | 48.4d | 12.5 | 66.1 | 112.3c | 29.0 | 44.8 | 123.1d | 31.8 | 386.6d | |
| N | 146.2 | 96.0b | 23.4 | 25.4 | 51.0d | 12.5 | 66.1 | 131.1b | 32.0 | 44.8 | 131.3c | 32.1 | 409.5c | ||
| P | 146.2 | 91.9b | 23.8 | 25.4 | 58.4c | 15.1 | 66.1 | 112.2c | 29.1 | 44.8 | 123.5d | 32.0 | 386.0d | ||
| M | 146.2 | 85.0c | 21.1 | 25.4 | 60.9c | 15.1 | 66.1 | 133.6b | 33.1 | 44.8 | 124.0d | 30.7 | 403.5c | ||
| NP | 146.2 | 89.5c | 17.4 | 25.4 | 92.5a | 18.0 | 66.1 | 153.8a | 29.9 | 44.8 | 178.9b | 34.8 | 514.8a | ||
| NMP | 146.2 | 78.6d | 16.2 | 25.4 | 83.2b | 17.1 | 66.1 | 137.7b | 28.3 | 44.8 | 186.3a | 38.3 | 485.8b | ||
| 平水年 Normal year (2014-2015) | 方差分析 ANOVA | 耕作方式（A） Tillage method (A) | 0.0008 | 0.0003 | 0.0034 | 0.0001 | 0.0002 | ||||||||
| 肥料（B) Fertilizer (B) | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0801 | ||||||||||
| A×B | 0.0002 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0101 | ||||||||||
| 干旱年 Dry year (2007-2008) | 耕作方式（A） Tillage method (A) | 0.0188 | 0.0108 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0059 | |||||||||
| 肥料（B) Fertilizer (B) | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0731 | ||||||||||
| A×B | 0.0065 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | ||||||||||
| 丰水年 Wet year (2013-2014) | 耕作方式（A） Tillage method (A) | 0.002 | 0.0345 | 0.0011 | 0.0009 | 0.0198 | |||||||||
| 肥料（B) Fertilizer (B) | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | ||||||||||
| A×B | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | 0.0001 | ||||||||||
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播种—返青期冬小麦要经过冬春季土壤冻融阶段,此阶段冬小麦大约有4个月左右时间基本停止生长,土壤水分消耗以无效土壤水分蒸发为主,阶段耗水量占总耗水量的比例相对较高。另外,因有机无机肥配施的水肥效应,冬前苗壮,植被覆盖度高,冬春季耗水量明显低于CK。
返青—拔节期,气温逐渐回升,施肥群体生长发育较快,此阶段耗水量表现为大多数施肥处理高于CK,而有机无机肥配施或无机肥配施处理冬小麦群体大,生长发育快,耗水量明显增加。
拔节—成熟期是冬小麦耗水关键阶段,两个生长发育阶段（拔节期—孕穗期和孕穗期—收获期）绝大多数施肥处理的耗水量高于CK,尤其以有机无机肥配施及无机肥配施处理表现最为突出。拔节期—孕穗期耗水量是冬小麦返青后耗水最多的生育阶段,且此阶段降雨量在干旱年最低。因此,有限水分首先用于满足拔节至开花期的干物质生产;孕穗期—收获期不同耕作方式及降雨年型下,绝大多数施肥处理耗水量高于CK,其中以有机无机肥配施或无机肥配施表现尤为突出,原因是此阶段该处理群体密度大,冠层温度高,土壤水分蒸腾蒸散速度快所致。
可见,在甘肃黄土旱塬区,无论何种耕作方式及降雨年型,冬小麦播种—返青期CK由于地表裸露蒸发量较大,耗水量明显大于施肥处理;NMP处理在播种—返青期可以降低土壤水分无效消耗,传统耕作在丰水年、平水年、干旱年较CK分别减少了28.6%、66.6%、19.9%,免耕分别减少了23.5%、23.5%、21.5%;返青期—成熟期是冬小麦耗水关键期,传统耕作NMP处理在丰水年、平水年、干旱年较CK分别增加了56.8%、56.8%、10.7%,免耕分别增加了43.5%、10.9%,20.1%。原因是有机无机配施处理群体密度大,冠层温度高,土壤水分蒸腾蒸散速度快所致。
2.3 不同处理冬小麦收获期土壤含水量的变化
收获期土壤含水量的高低基本可以反映作物的生长发育状况。图1显示,平水年型不同耕作方式及施肥处理60 cm左右土层处为土壤含水量变化的拐点,以NMP处理含水量最低,40—80 cm平均含水量传统耕作为6.85%,免耕为7.5%;60—200 cm肥料单施及CK土壤含水量差异不明显,而NP、NMP处理土壤含水量明显低于肥料单施及CK。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1平水年型冬小麦收获期0—200 cm土层土壤水分的垂直分布
-->Fig. 1Vertical change of soil moisture at harvest period of winter wheat in normal year
-->
丰水年型,不同耕作方式及施肥处理60 cm左右土层处为土壤含水量变化的拐点,不同耕作方式均以NMP处理含水量最低,40—80 cm平均含水量传统耕作为8.92%,免耕为8.37%,均高于平水年;60—200 cm不同耕作方式与平水年相似,同样为NMP处理含水量最低,其次为NP处理,肥料单施及CK含水量基本趋于一致（图2）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图 2丰水年型冬小麦收获期0—200 cm土层土壤水分的垂直分布
-->Fig. 2Vertical change of soil moisture at harvesting period of winter wheat in wet year
-->
干旱年型,不同耕作方式及施肥处理60 cm左右土层处为土壤含水量变化的拐点,不同耕作方式均以NMP处理含水量最低,40—80 cm平均含水量传统耕作为5.25%,免耕为5.31%,低于丰水年和平水年;60—200 cm不同耕作方式与平水年相似,同样为NMP处理含水量最低,其次为NP处理,肥料单施及CK含水量基本趋于一致（图3）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3干旱年型冬小麦收获期0—200 cm土层土壤水分的垂直分布
-->Fig. 3Vertical change of soil moisture at harvesting period of winter wheat in dry year
-->
可见,无论何种降雨年型,不同耕作方式及施肥措施均在40—60 cm土层含水量呈拐点变化趋势,但拐点处土壤含水量不同,为丰水年>平水年>干旱年,且0—200 cm土层均以有机无机肥配施平均含水量最低。
2.4 不同处理冬小麦产量与耗水量变化关系
边际水分利用效率是指单位耗水量的增加所引起的产量增量。无论何种降雨年型,不同耕作及施肥措施冬小麦产量与各自耗水量均存在显著或极显著的线性相关关系（图4—5）。不同耕作方式各施肥措施的边际水分利用效率大小顺序为NMP>NP>M>P>CK>N,传统耕作NMP处理为0.88 kg·m-3,N处理为0.49 kg·m-3,NMP、NP、M、P处理较CK分别增加74.3%、59.3%、23.1%、14.8%,N处理较CK减少了4.2%;免耕NMP为0.76 kg·m-3,N为0.43 kg·m-3,NMP、NP、M、P处理较CK分别增加78.0%、60.0%、35.9%、16.6%,N处理较CK减少了11.2%。相同施肥措施传统耕作高于免耕,NMP、NP、M、P、N、CK传统耕作较免耕分别增加了16.3%、18.2%、7.6%、17.0%、28.1%、18.8%,即传统耕作结合有机无机肥配施的施肥措施在提高作物边际水分利用效率中的作用表现突出。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4传统耕作与施肥冬小麦产量与耗水量变化关系
-->Fig. 4Correlations of yield and water consumption of winter wheat in traditional tillage and fertilizer treatment
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5免耕与施肥冬小麦产量与耗水量变化关系
-->Fig. 5Correlations of yield and water consumption of winter wheat in no tillage and fertilizer treatment
-->
3 讨论
3.1 耕作方式及施肥措施对冬小麦产量的影响
作物产量变化受不同的施肥模式、栽培管理制度、土壤质量及气候等多个因素的综合作用[20]。已有研究表明,施用有机肥或化肥作物增产幅度往往因有机肥和化肥种类及投入量而有差异。有机无机肥配合施用,既有化肥成分又有有机肥成分,两者适当配合,既能弥补有机肥前期肥效不足的缺点,又能延长无机肥的肥效,较单施无机肥或有机肥更全面、更高效[21],本研究连续9年的定位试验结果再次印证了上述观点,即有机无机肥配施表现最为突出,其次为无机肥配施。同时,本研究还认为不同年份长期单施氮肥冬小麦产量低于磷肥,笔者认为,可能是由于长期单施氮肥,土壤氮素累积过多,造成冬小麦贪青晚熟,籽粒灌浆不足,千粒重下降,产量降低,这与樊廷录等[22]的长期施氮逐渐失去了增产效果的研究结论一致。3.2 耕作及施肥措施与作物水分利用效率的变化关系
适宜的土壤耕作措施,通过机械的作用,能够改变土壤的物理状况,为作物生长发育创造良好的土壤水、肥、气、热环境,促进作物生长发育[23]。国内外许多研究表明免耕较传统耕作可提高作物水分利用效率[24-28]。本研究结果显示,不同耕作方式及施肥措施冬小麦水分利用效率变化顺序为NMP>NP>M>P>CK>N,且在不同年份均以NMP处理最高,传统耕作下平均水分利用效率较CK增加84.0%,免耕下增加84.1%。而相同施肥措施下传统耕作水分利用效率高于免耕,这与已有研究结论不一致,原因可能是研究区域土壤质地、降雨特性及杂草控制等方面差异所致。3.3 耕作及施肥措施与作物耗水结构的变化关系
已有研究表明,正常和干旱年份免耕土壤水分平均比传统耕作增加7.1%和15.4%,免耕土壤蓄水保墒作用在干旱少雨条件下愈加明显[29];金复鑫等[30]指出,免耕冬小麦全生育期0—100 cm土层平均含水量比翻耕高13.7%。本研究结果表明,不同耕作方式及降雨年型NMP处理总耗水量相对较高,均高于CK,传统耕作干旱年、平水年、丰水年较CK分别增加了3.0%、4.4%、31.4%,免耕分别增加了10.2%、1.5%、25.7%。耕作方式间总耗水量变化趋势基本为干旱年传统耕作高于免耕,丰水年和平水年免耕高于传统耕作,降雨年型间各施肥措施总耗水量变化不规律。从收获期0—200 cm土层含水量垂直变化来看,无论何种降雨年型,不同耕作方式及施肥措施均在60 cm左右土层为含水量变化的拐点,但拐点处土壤含水量不同,为丰水年>平水年>干旱年,且0—200 cm土层均以有机无机肥配施（NMP）平均含水量最低,表明有机无机配施增加了深层土壤水分的利用,干旱年份对深层土壤水分的利用会更加突出。对阶段耗水量而言,NMP在播种—返青期耗水量低于CK,而返青—收获期则高于CK。表明有机无机肥配施可优化小麦生育期耗水结构,降低冬小麦越冬至返青期土壤水分无效蒸发损失,将更多的水分用在返青至成熟阶段,有利于冬小麦成穗和形成籽粒,为高产奠定基础。另外,边际水分利用效率大小顺序为NMP>NP>M>P>CK>N,传统耕作NMP较CK增加了74.3%,免耕较CK增加了78.0%;传统耕作高于免耕,传统耕作NMP较免耕增加了16.3%。
4 结论
在550 mm左右降雨量的陇东半湿润偏旱雨养农业区,无论何种耕作方式及降雨年型,采用有机无机肥配施或无机肥配施是持续提高作物产量的有效措施,其中以有机无机肥配施最为突出,其次为无机肥配施,且单施磷较单施氮增产作用更明显,耕作方式间传统耕作高于免耕。在施肥措施一定的情况下,采用提高水分利用效率的耕作措施是冬小麦高产的主攻方向。优化施肥显著提高冬小麦水分利用效率,不同年份及耕作措施冬小麦的平均水分利用效率均表现为NMP>NP>M>P>CK>N,有机无机肥配施（NMP）处理显著高于CK及其他施肥处理。NMP处理有利于降低播种—返青期阶段耗水量及其占总耗水量的比例,增加返青—成熟期阶段耗水量和0—200 cm土层贮水量的消耗,提高冬小麦边际水分利用效率。无论何种降雨年型、耕作方式及施肥措施,冬小麦收获期土壤含水量均在60 cm土层呈现拐点变化趋势,尽管拐点处含水量不同,但均表现为丰水年>平水年>干旱年。而耕作方式间则表现为传统耕作冬小麦平均水分利用效率、边际水分利用效率高于免耕。
传统耕作方式结合有机无机肥配施是本试验条件下的最优耕作施肥组合模式,可作为类似黄土旱塬的半湿润偏旱区土壤耕作施肥模式。
The authors have declared that no competing interests exist.
