秸秆覆盖条件下施氮对冬小麦产量及土壤水分利用的影响

秸秆覆盖条件下施氮对冬小麦产量及土壤水分利用的影响

杨君林^1，2　高亚军²　李生秀²　刘炜²

（1甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所　甘肃兰州　730000；2西北农林科技大学资源环境学院　陕西杨凌　712100）

摘要：通过2年的田间试验研究了秸秆覆盖栽培、施氮和补充灌水3个因子冬小麦产量和土壤水分特征的影响。试验包括栽培模式、施氮量和灌水处理，栽培模式设秸秆覆盖和无覆盖2种栽培方式；施氮量（0kg/hm²、75kg/hm²、150kg/hm²、225kg/hm²和300kg/hm²）5个水平；灌水设不灌水和灌水（40mm）2个水平。结果表明：当氮肥施用水平较低时，秸秆覆盖有明显的减产作用，随着氮肥用量的增加，秸秆覆盖则有不同程度的增产作用。而相对湿润年份，随着施氮量的增加，秸秆覆盖并没有表现出增产效果。当施氮量较高时，秸秆覆盖可明显提高小麦穗粒数及千粒重，也有利于提高小麦收获指数。小麦收获后，在土壤100～140cm深度范围内出现一个低水层：秸秆覆盖对该层出现的深度影响不甚明显；增施氮肥能促进土壤水分的消耗。在相对干旱的2004—2005年，施氮量较高时秸秆覆盖的水分生产效率显著高于无覆盖；在相对湿润的2005—2006年，秸秆覆盖对小麦水分生产效率没有显著影响。无论有无秸秆覆盖，增施氮肥均能显著提高小麦的水分生产效率。

关键词：冬小麦；秸秆覆盖；产量；水分生产效率

自然降水是旱地农业唯一可利用的水资源。如何高效利用自然降水资源，最大程度发挥其增产作用，一直是旱地农业生产者以及科研人员寻求解决的关键问题。高效利用自然降水的途径主要包括集水、蓄水、保水和充分用水等。目前，在我国北方旱地已逐渐发展形成了许多新的栽培模式，取得了显著的效果。采用地膜覆盖、秸秆覆盖、沟垄种植等方法，将自然降水就地拦蓄、入渗利用或采用冬小麦需水关键时期进行补灌，成为当前解决北方旱地水资源短缺的有力措施。尽管围绕解决旱地农业的持续发展中水资源不足问题，世界各国积累了丰富的经验，有关的研究不少，但仍存在一些问题。由于这方面的科研工作滞后于生产，一些应用仅建立在经验的基础上而缺少科学体系的指导与阐释。多种栽培模式同一地点连续种植相对比的试验较少；覆盖后无效甚至减产的现象时有发生。为此，本文通过连续两年的田间试验结果比较了秸秆覆盖栽培模式下冬小麦产量和水分生产效率，并分析引起冬小麦生长的差异的原因，以期丰富旱地农业的理论与实践。

注：本文发表于《节水农作制度理论与技术》，中国农业科学院出版社出版，2008年.

1　材料和方法

1.1　试验设计

试验于2004—2006年在位于陕西省杨凌西北农林科技大学农作一站进行，该试验站位于黄土高原南部，渭河三级阶地，海拔524.7m左右，本地区属于大陆性季风气候，冬小麦生长期间大于5℃的积温在1000～1300℃，年平均气温13℃左右，年平均降雨量550～600 mm，且主要集中在7、8、9三个月（占全年降雨量的60%～65%），属半湿润易旱地区，供试小麦品种为“小偃22～3”，供试土壤为塿土，基本性状见表1。

研究因素、水平及处理详见下表，不完全组合，共16个处理，重复3次，其中秸秆覆盖用量为（4500 kg/hm²，6～7cm长），每小区5m×4m=20m²。氮肥以尿素为氮源（含氮46%），磷肥以普通的过磷酸钙为底肥（含P₂O₅16%），施磷量为150 kg/hm²。小区间距为1 m。10月7日施肥:将所有肥料撒施在土表，用旋耕机将其与耕层土壤混合均匀，10月12日播种:用条播机播种，小麦品种为小偃22-3，播量150kg/hm²。试验田四周种植保护行。

2004—2005年小麦播前0～200cm土壤贮水量为479.3mm，生长期间降雨量200.9mm；2005—2006年小麦播前0～200cm土壤贮水量为525mm，生长期间降雨量282.05 mm（表3）。

表1　试验地土壤基本性状

Table 1 Soil properties

1.2　测定项目和方法

小麦播前和收获后在各小区中采土样，取至200cm深，每20cm土层取样一次，烘干法测定土壤含水量，并用水量平衡方程式计算土壤含水量:耗水量=播种时土壤0～200cm贮水量+有效降雨量-收获期土壤0～200cm储水量。收获时除两个边行外全区收获，单区脱粒，晒干后称重，记产.计算水分生产效率:水分生产效率=小麦籽粒产量/土壤耗水量。

2　结果与分析

2.1　秸秆覆盖栽培下施氮对冬小麦产量的影响

如表4所示，秸秆覆盖对小麦产量的

表2　试验设计方案

Table 2 Experiment design

表3　冬小麦生育期降水　（mm）

Table 3　Precipitatyon during w inter whecct grouty perlkd（mm）

影响与氮肥施用量有密切关系。氮肥施用水平较低时，秸秆覆盖有明显的减产作用，随着氮肥用量的增加，秸秆覆盖耕作则有不同程度的增产作用。以2004—2005年为例，灌水条件下，不施氮肥时覆盖减产28.0%，施氮225kg/ha时覆盖增产8.8%；不灌水条件下有同相同的规律。然而，2005—2006年，随着施氮量的增加，秸秆覆盖并没有表现出增产效果。这可能与当年小麦生育期降水量较前一年高（2005—2006年生育期降水为282.5mm，2004—2005年为200.9mm）、土壤底墒也较前一年好（2005—2006年小麦播前0～200cm贮水量为525.0mm，2004—2005年为479.3mm）有关，因为充足的土壤水分会掩盖秸秆覆盖的效果。生物学产量与籽粒产量的规律基本一致。

灌水条件下：不论覆盖还是无覆盖，2004—2005年最高产量施氮量大致为225～350 kg/ha，2005—2006年则降至150 kg/ha，这可能与前一年氮肥在土壤中残留有关。不灌水条件下：当施氮量由150 kg/ ha增加到300kg/hm²时，2004—2005年秸秆覆盖处理的小麦产量仍在提高，而无覆盖处理的产量则在降低，表明秸秆覆盖由于改善了土壤水分状况而提高了氮肥的增产效果；当施氮量由150kg/hm²增加到300kg/hm²时，2005—2006年无覆盖处理产量仍有提高，而覆盖处理产量已无明显提高，这与当年降水和底墒丰富有关。

表4　秸秆覆盖栽培条件下的小麦产量　kg/hm²

Table 4 The w inter wheat yield under straw mulch kg/hm²

2.2　秸秆覆盖栽培下施氮对冬小麦产量构成因素及收获指数的影响

从表5中的结果表明，施氮量较高时，秸秆覆盖可明显提高小麦穗粒数及千粒重，这是覆盖增产效果随施氮量提高而提高的主要原因；施氮量较高时，秸秆覆盖也有利于提高小麦收获指数。这一规律在2004—2005年比2005—2006年更明显。

表5　不同处理对小麦产量构成因素和收获指数的影响

Table 5　Effect of different treatments on yield and harvest index of winter wheat

不论覆盖无覆盖，不论灌水不灌水，随着施氮量的增加，小麦穗粒数呈增加趋势，而千粒重则有降低的趋势。两年结果规律一致。

2.3　秸秆覆盖栽培下施氮对冬小麦田土壤水分状况的影响

图1是2004—2005年小麦收获后土壤剖面的水分分布状况，2005—2006年结果与此基本相似，因此在此略去。

小麦收获后，在土壤100～140cm深度范围内出现一个低水层：秸秆覆盖对该层出现的深度影响不甚明显；生育期补充灌水可显著提高该层出现的深度（约20 cm）；不施氮肥时，低水层在较浅深度出现，施氮量较高时，低水层可降低20～40 cm，这表明该低水层与植物的水分吸收紧密相关。

增施氮肥促进了小麦生长，使土壤水分消耗明显增加（表6），因而小麦收获后施氮肥土壤剖面含水量及0～200 cm土壤贮水量（图2）均显著低于不施氮土壤。

图1　2004—2005年冬小麦收获后土壤水分含量

Fig1　Soil water content after w inter wheat harvest

施氮量较低时，秸秆覆盖土壤贮水量高与无覆盖土壤，这与覆盖条件下小麦消耗的水分较少同时又具有保蓄土壤水分能力有关。

2.4　秸秆覆盖栽培下施氮对水分生产效率的影响

从表6可以看出，在相对干旱的2004—2005年，施氮量较高时秸秆覆盖的水分生产效率显著高于无覆盖；在相对湿润的2005—2006年，秸秆覆盖对小麦水分生产效率没有显著影响。无论有无秸秆覆盖，增施氮肥均能显著提高小麦的水分生产效率。比如，覆盖栽培下施氮225kg/hm²时每千克纯氮比不施氮时水分生产效率平均可增加0.031kg/(mm·hm²)。

图2　2004－2005年不同施氮量对冬小麦收获后贮水量的影响

Fig.2　Water capacity in different N fertilizer after w inter wheat harvest

3　结论

第一，氮肥施用水平较低时，秸秆覆盖有明显的减产作用，随着氮肥用量的增加，秸秆覆盖则有不同程度的增产作用。相对湿润年份，随着施氮量的增加，秸秆覆盖并没有表现出增产效果。

第二，不灌水条件下，秸秆覆盖由于改善了土壤水分状况而提高了氮肥的增产效果，因此最高产量施氮量高于无覆盖。不论覆盖还是无覆盖，连续使用氮肥可降低最高产量施氮量水平。

第三，施氮量较高时，秸秆覆盖可明显提高小麦穗粒数及千粒重，也有利于提高小麦收获指数。不论覆盖无覆盖，不论灌水不灌水，随着施氮量的增加，小麦穗粒数呈增加趋势，而千粒重则有降低的趋势。

第四，小麦收获后，在土壤100～140 cm深度范围内出现一个低水层：秸秆覆盖对该层出现的深度影响不甚明显；生育期补充灌水可显著提高该层出现的深度（约20cm）；增施氮肥促进土壤水分的消耗，可使低水层深度降低20～40cm。

第五，在相对干旱的2004—2005年，施氮量较高时秸秆覆盖的水分生产效率显著高于无覆盖；在相对湿润的2005—2006年，秸秆覆盖对小麦水分生产效率没有显著影响。无论有无秸秆覆盖，增施氮肥均能显著提高小麦的水分生产效率。

表6　秸秆覆盖栽培模式下氮肥处理对水分生产效率的影响

Table 6 Effect of mulching methods in different N fertilizer on wheat water-use-efficiency