化肥與有機(jī)肥或秸稈配施提高隴東旱塬黑壚土上作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性

王 婷，丁寧平，李利利，周海燕，尚來(lái)貴

（1 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070；2 甘肅省平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，平?jīng)?744000；3 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，蘭州 730000）

干旱缺水和土壤肥力低是制約我國(guó)西北黃土高原旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素[1]，充分利用自然降水、培肥土壤是實(shí)現(xiàn)旱地糧食增產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施[2]。肥料的增產(chǎn)效應(yīng)易受氣候、季相變化及其交互作用影響[3]。長(zhǎng)期土壤肥力定位試驗(yàn)具有較長(zhǎng)的時(shí)間尺度，記載著作物生長(zhǎng)、土壤肥力和氣候變化的豐富信息[4]。利用長(zhǎng)期定位試驗(yàn)因氣候等因素帶來(lái)的產(chǎn)量不穩(wěn)定性，從而能夠較為準(zhǔn)確評(píng)估長(zhǎng)期不同施肥模式下作物的產(chǎn)量和水肥效應(yīng)等科學(xué)問(wèn)題。

大量的研究報(bào)道了黃土高原區(qū)長(zhǎng)期施用有機(jī)肥、化肥平衡施肥、有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)土壤的培肥作用和作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)效應(yīng)[5-11]。隨著施肥年限的延長(zhǎng)，單施氮肥的增產(chǎn)作用下降，而秸稈還田及有機(jī)無(wú)機(jī)配合則有逐年遞增趨勢(shì)[12-14]。施肥是提高糧食產(chǎn)量的主要措施，然而氮肥效益的發(fā)揮與農(nóng)田水分狀況密切相關(guān)，尤其體現(xiàn)在黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中[15]。不同年份降水量下作物產(chǎn)量的水肥效應(yīng)也是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。李曉州等[16]利用位于黃土高原南部的陜西省長(zhǎng)武縣1984 年建立的小麥長(zhǎng)期施肥定位試驗(yàn)，分析和比較了不同年份降水量下不同氮磷用量的小麥產(chǎn)量及其穩(wěn)定性，提出了小麥最高產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的氮磷施用量以及最佳經(jīng)濟(jì)施肥量。胡雨彤等[1]研究表明，連續(xù)種植30 年冬小麥，氮磷配施和氮磷鉀配施下小麥產(chǎn)量、肥料貢獻(xiàn)率和降水利用率顯著高于氮磷鉀單施處理。李婷等[17]的結(jié)果表明平水年和干旱年施肥可增加作物產(chǎn)量和水分利用效率。樊廷錄等[6]通過(guò)研究甘肅隴東旱塬黑壚土連續(xù)24 年的玉米小麥輪作系統(tǒng)長(zhǎng)期定位施肥效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)降水對(duì)化肥尤其是氮肥的增產(chǎn)效果有顯著影響，而有機(jī)肥或秸稈配施化肥處理的產(chǎn)量受降水影響較小。

黑壚土是中國(guó)黃土高原地區(qū)主要土壤類(lèi)型之一，集中在甘肅隴東與陜北黃土旱塬區(qū)，保持一年一熟和兩年三熟的種植方式。甘肅省是重要的糧食生產(chǎn)基地。該區(qū)處于半干旱向半濕潤(rùn)地區(qū)的過(guò)渡帶，降水變異大；糧食作物以冬小麥為主，而降水分布與小麥生長(zhǎng)期需水錯(cuò)位，產(chǎn)量年際變化大[18]。如何根據(jù)不同降水年型合理施肥、提高水肥利用效率一直是該區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展迫切需要解決的問(wèn)題。盡管已有較多的有關(guān)不同降水年型下水、肥和產(chǎn)量之間關(guān)系的研究報(bào)道，但主要集中在降水量相對(duì)豐富的陜西渭河平原，而針對(duì)隴東旱塬黑壚土的研究仍然較少。本研究通過(guò)對(duì)甘肅平?jīng)龊趬劳炼ㄎ慌喾试囼?yàn)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，結(jié)合歷史同期氣象觀測(cè)資料，研究不同降水年型下春玉米-冬小麥輪作系統(tǒng)長(zhǎng)期施肥的產(chǎn)量變化及其穩(wěn)定性、肥料貢獻(xiàn)率和降水利用率特征，分析不同降水年型下產(chǎn)量與施肥量和降水量之間的關(guān)系，以期為當(dāng)?shù)夭煌邓晷拖碌暮侠硎┓侍峁﹨⒖家罁?jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)院高平試驗(yàn)站(107°30′E、35°16′N(xiāo))，海拔1340 m，年平均氣溫8.6℃，年降水量526 mm，其中60%的降水集中在7～9 月，≥ 10℃積溫2800℃，屬黃土高原半濕潤(rùn)偏旱區(qū)。試驗(yàn)地土壤為黑壚土，黃土母質(zhì)。定位試驗(yàn)始于1979 年，試驗(yàn)開(kāi)始前耕層 (0—20 cm) 土壤性質(zhì)為:有機(jī)質(zhì)10.75 g/kg、全氮0.95 g/kg、全磷0.57 g/kg、堿解氮65.9 mg/kg、有效磷6.77 mg/kg、速效鉀163 mg/kg、pH 8.20。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6 個(gè)處理:1) 不施肥對(duì)照 (CK)；2) 單施化肥氮 (N)；3) 化肥氮磷配施 (NP)；4) 氮磷肥配合秸稈還田 (SNP)；5) 單施有機(jī)肥 (M)；6) 氮磷肥配合有機(jī)肥 (MNP)。試驗(yàn)為大區(qū)設(shè)計(jì)，無(wú)重復(fù)，每處理面積666.7 m2。供試化肥為尿素和過(guò)磷酸鈣，相關(guān)處理用量為N 90 kg/hm2、P2O575 kg/hm2。有機(jī)肥為牛、羊糞為主的廄肥，養(yǎng)分含量多年平均為N 0.16%、P2O50.16%、K 1.48%[9]，施用量為廄肥75000 kg/hm2。秸稈為當(dāng)季作物小麥或玉米的秸稈，收獲后切碎翻入土壤，翻壓量為3750 kg/hm2，玉米和小麥秸稈多年平均氮、磷和鉀含量分別為0.80%、0.04%、0.99%和0.52%、0.03%、1.06%。試驗(yàn)用所有物料播前全部一次性基施，SNP 處理磷肥為每2 年施用一次，其余施肥處理均為每年施肥。試驗(yàn)區(qū)為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，不灌水。

1979—1996 年試驗(yàn)按2 年春玉米、4 年冬小麥輪作種植，1997—1998 年冬小麥連作，1999 年和2000 年分別種植高粱和大豆，2001—2018 年試驗(yàn)仍按2 年春玉米、4 年冬小麥輪作種植。38 年的春玉米-冬小麥輪作周期中，種植冬小麥26 年，春玉米12 年。玉米露地穴播，密度5.25 萬(wàn)株/hm2；小麥機(jī)械條播，播量187.5 kg/hm2。冬小麥年，生育期10 月到翌年6 月，收獲后休閑 (7～9 月)；春玉米年，生育期為4～9 月，收獲后休閑 (10 月到翌年3 月)。

1.3 產(chǎn)量測(cè)定

每季作物成熟期全區(qū)收獲實(shí)測(cè)產(chǎn)量。春玉米按40 m2樣方、冬小麥按20 m2樣方，每個(gè)處理各5 個(gè)樣方進(jìn)行考種。

1.4 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

1.4.1 降水年型劃分 降水年型劃分采用生育年降水量概念[19]，計(jì)算公式為:

式中，DI 表示干旱指數(shù)，PAn表示生育年降水量，M1表示1979—2018 年生育年平均降水量，σ 表示多年生育年降水量的標(biāo)準(zhǔn)差。DI ＞ 0.35 為豐水年，-0.35 ≤ DI ≤ 0.35 為平水年，DI ＜ -0.35 為干旱年。

根據(jù)涇川氣象站歷年氣象數(shù)據(jù)，1979—2018 年生育年平均降水量為526 mm。降水年型劃分為:干旱年共16 年，冬小麥和春玉米種植年份分別是1982、1987、1993、1994、1995、1997、2004、2008、2009 年和1979、1980、1985、1986、1991、2006、2012 年，平均降水量分別為428 mm 和414 mm；平水年共9 年，冬小麥和春玉米種植年份分別是1981、1989、1996、2002、2014、2015、2016 年和1992、2005 年，平均降水量534 mm 和540 mm；豐水年共13 年，冬小麥和春玉米種植年份分別是1983、1984、1988、1990、1998、2001、2003、2007、2010、2013 年和2011、2017、2018 年，平均降水量656 mm 和630 mm。

1.4.2 產(chǎn)量、穩(wěn)定性和產(chǎn)量可持續(xù)性 根據(jù)劃分的降水年型將所在年份的產(chǎn)量分類(lèi)平均，得出干旱年、平水年、豐水年的平均產(chǎn)量。產(chǎn)量穩(wěn)定性以統(tǒng)計(jì)學(xué)上的變異系數(shù) (coefficient of variation，CV) 表示，可衡量年際間產(chǎn)量的變異程度，CV 越大則說(shuō)明產(chǎn)量穩(wěn)定性越低。計(jì)算公式為[20]:

產(chǎn)量可持續(xù)性采用可持續(xù)產(chǎn)量指數(shù)來(lái)表征，指數(shù)越高則說(shuō)明該系統(tǒng)的可持續(xù)越好。計(jì)算公式為[21]:ˉY

式 (2)、(3) 中，σ 為標(biāo)準(zhǔn)差 (kg/hm2)， 為平均產(chǎn)量 (kg/hm2)，Ymax為所有年份中產(chǎn)量的最大值(kg/hm2)。

1.4.3 肥料貢獻(xiàn)率和降水利用率 肥料貢獻(xiàn)率指施用肥料增加的作物產(chǎn)量占總產(chǎn)量的百分比，反映了年投入肥料的生產(chǎn)能力[22]。計(jì)算公式為:

式 (4) 中，Y 為施肥區(qū)作物產(chǎn)量，Y0為無(wú)肥區(qū)作物產(chǎn)量。

降水利用率[kg/(mm·hm2)] = 當(dāng)年產(chǎn)量/生育期降水量

肥料貢獻(xiàn)率和降水利用率的年際變異以CV 值表征。

1.4.4 降水、施肥和產(chǎn)量關(guān)系模型 不同降水年型下產(chǎn)量與降水和肥料多元一次回歸方程:

式 (5) 中，Y 為產(chǎn)量；b0為常數(shù)項(xiàng)；bi為回歸方程系數(shù)；X1，X2，…，Xi為自變量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

用Microsoft Excel 2010 軟件計(jì)算和處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，SigmaPlot 14.0 繪圖。采用SPSS20.0 軟件對(duì)不同降水年型下各處理增產(chǎn)效應(yīng)進(jìn)行T 檢驗(yàn)顯著性分析，并使用逐步回歸分析降水量、施肥量與產(chǎn)量的關(guān)系。用LSD 法檢驗(yàn)回歸方程在P ＜ 0.05 水平上的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水年型對(duì)不同處理冬小麥和春玉米產(chǎn)量的影響

表1 表明，N 處理冬小麥產(chǎn)量較CK 在干旱年、平水年和豐水年分別平均增產(chǎn)40.3%、8.6%和42.4%，年降水量顯著影響著氮肥的增產(chǎn)效果。NP、SNP、M 和MNP 處理冬小麥產(chǎn)量較N 處理在干旱年和平水年增產(chǎn)幅度較大，而豐水年增產(chǎn)幅度較小，其干旱年分別增產(chǎn)130%、140%、89.8%和151%，平水年分別增產(chǎn)108%、113%、123%和174%，豐水年分別增產(chǎn)52.1%、70.6%、58.9% 和102%。其中，SNP 和MNP 處理冬小麥產(chǎn)量在所有降水年型增產(chǎn)幅度均明顯高于NP 和M 處理。不同降水年型間，NP 和SNP 處理的增產(chǎn)效應(yīng)差異不顯著。然而，M 和MNP 處理產(chǎn)量平水年比干旱年分別顯著增加了23.5%和14.7%，豐水年分別顯著增加了22.8%和18.1%。說(shuō)明，氮磷配施、氮磷肥配合秸稈還田的增產(chǎn)效應(yīng)受降水量的影響較小，有機(jī)肥或者有機(jī)肥 +氮磷配施效果對(duì)降水量的響應(yīng)較為敏感，其效果隨降水量的增加而增加。

相同降水年型下，N 處理春玉米干旱年和豐水年產(chǎn)量較不施肥分別增加25.4%和17.1%，而平水年減少了11.4% (表1)。NP、SNP、M 和MNP 處理產(chǎn)量較N 處理顯著提高了玉米產(chǎn)量，但與冬小麥相反，其增產(chǎn)效應(yīng)在干旱年和平水年增產(chǎn)幅度較小，而豐水年增產(chǎn)幅度較大，其干旱年分別增產(chǎn)56.3%、69.5%、62.8%和99.9%，平水年分別增產(chǎn)81.3%、91.1%、90.6% 和104%，豐水年分別增產(chǎn)105%、105%、118% 和127%。相同施肥處理下，平水年N、NP、SNP、M 和MNP 處理春玉米產(chǎn)量分別較干旱年減少35.4%、25.1%、27.2%、24.4%和34.2%，豐水年各處理分別較干旱年增加2.0%、33.9%、23.4%、36.3%和15.8%。

2.2 不同降水年型作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性

由表2 看出，干旱年各處理冬小麥產(chǎn)量變異(DCV) 強(qiáng)弱表現(xiàn)為N ＞ CK ＞ NP ＞ MNP ≈ SNP ＞ M，平水年變異 (NCV) 強(qiáng)弱為N ＞ CK ＞ NP ＞ MNP ≈ M ＞SNP，豐水年變異 (WCV) 強(qiáng)弱為N ＞ CK ＞ M ＞ NP ＞MNP ＞ SNP，說(shuō)明與CK、N 和NP 處理相比，SNP、M 和MNP 處理能提高冬小麥的產(chǎn)量穩(wěn)定性。相同施肥處理下，NP、SNP、M 和MNP 處理不同降水年型間產(chǎn)量變異系數(shù) (YCV) 范圍2.1%～9.5%，CK 和N 處理變異系數(shù)分別為15.2%和17.8%，說(shuō)明氮磷配施或有機(jī)肥、秸稈配施氮磷肥處理小麥產(chǎn)量穩(wěn)定性受年際間降水變化的影響較小。

冬小麥不同降水年型下，SNP 處理的產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù) (SYI) 值最高，干旱年、平水年和豐水年分別為52.6%、59.1%和48.5%，平均為53.4%，然后依次是MNP、M、NP、CK，SYI 值平均分別為50.9%、49.4%、46.6%和36.6%。N 處理SYI 值最低，并且在不同年型間表現(xiàn)出較大不同，在干旱年、平水年和豐水年分別為38.7%、10.3%和20.4%。上述結(jié)果說(shuō)明，秸稈 + 氮磷和有機(jī)肥 + 氮磷配施是保障旱地農(nóng)田生產(chǎn)力可持續(xù)的有效措施。同一施肥處理干旱年、平水年和豐水年SYI 值總體表現(xiàn)為先增加后下降趨勢(shì)。

表 1 不同降水年型冬小麥和春玉米的產(chǎn)量Table 1 Yields of winter wheat and spring maize under different precipitation years

相同降水年型下，與CK 處理相比，干旱年M、MNP 和SNP 處理的玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性較低 (表2)。隨降水增加，NP、SNP、M 和MNP 處理玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性隨之提高。說(shuō)明降水可促進(jìn)玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性提高。相同施肥處理下，不同降水年型間N、M、MNP、NP和SNP 施肥處理產(chǎn)量YCV 值范圍為19.3%～24.0%，說(shuō)明年際間降水變化對(duì)產(chǎn)量穩(wěn)定性有較大影響。

春玉米不同降水年型各處理SYI 值表現(xiàn)為豐水年 ＞ 干旱年 ＞ 平水年 (表2)。豐水年SYI 值表現(xiàn)為N ＞ SNP ＞ NP ＞ MNP ＞ M ＞ CK，其范圍為58.1%～87.6%。干旱年為NP ＞ N ＞ SNP ＞ CK ＞MNP ＞ M，其范圍為46.8%～65.7%。平水年為SNP ＞NP ＞ MNP ＞ M ＞ N ＞ CK，其范圍為23.3%～44.8%。結(jié)果說(shuō)明SNP 和NP 處理產(chǎn)量受降水影響相對(duì)較小，在水分少或多的年份均能保持較高的產(chǎn)量可持續(xù)性，而有機(jī)肥處理在水分充足的情況下，對(duì)玉米的持續(xù)增產(chǎn)有積極意義。

2.3 不同降水年型下的肥料貢獻(xiàn)率

不同降水年型下，冬小麥和春玉米肥料貢獻(xiàn)率(FCR) 均表現(xiàn)為N 處理低于NP、SNP、M 和MNP 處理 (圖1)。干旱年冬小麥和春玉米N、NP、SNP、M 和MNP 處理FCR 分別為23.6%、69.0%、70.2%、62.9%、71.7%和18.1%、48.9%、49.2%、47.2%、57.4%。平水年分別為-8.7%、53.0%、56.5%、56.5%、64.6%和-3.5%、44.4%、47.3%、46.7%、50.5%，豐水年分別為8.5%、54.1%、58.9%、52.7%、64.0%和15.6%、27.8%、21.9%、23.5%、22.5%。同一施肥處理下，NP、SNP、M 和MNP 處理冬小麥平水年和豐水年FCR 分別較干旱年下降9.9%～23.3%和10.6%～23.3%，而春玉米豐水年較干旱年和平水年分別增加6.0%～25.0% 和20.4%～27.7%。結(jié)果表明，與長(zhǎng)期單施氮肥相比，氮磷配施或有機(jī)肥、秸稈配施氮磷肥提高了肥料貢獻(xiàn)率和降水利用率。

2.4 不同降水年型下的降水利用率

不同降水年型下，冬小麥和春玉米降水利用率(RUE) 均表現(xiàn)為CK 和N 處理低于NP、SNP、M 和MNP 處理 (圖2)。冬小麥CK 和N 處理RUE 平均分別為2.7 kg/(mm·hm2) 和3.5 kg/(mm·hm2)，春玉米CK 和N 處理RUE 平均分別為6.9 kg/(mm·hm2) 和7.7 kg/(mm·hm2)。干旱年冬小麥NP、SNP、M 和MNP 處理RUE 分別比N 處理增加140%、153%、100% 和164%，春玉米分別增加56.0%、70.5%、62.1% 和99.2%。平水年冬小麥NP、SNP、M 和MNP 處理RUE 分別比N 處理增加112%、118%、129% 和180%，春玉米分別增加81.1%、90.9%、90.5%和103.6%。豐水年冬小麥NP、SNP、M 和MNP 處理RUE 分別比N 處理增加53.4%、72.7%、59.6% 和105%，春玉米分別增加104%、104%、116%和125%。同一處理冬小麥RUE 隨降水增加而下降，春玉米平水年RUE 低于干旱年和豐水年。

表 2 不同降水年型下冬小麥和春玉米的產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性指數(shù) (%)Table 2 Yield stability and sustainable indexes of winter wheat and spring maize under different precipitation years

圖 1 不同降水年型下各施肥處理的冬小麥和春玉米肥料貢獻(xiàn)率Fig. 1 Fertilizer contribution rate of winter wheat and maize under different fertilization treatments in different precipitation patterns

圖 2 不同降水年型下各施肥處理的冬小麥和春玉米降水利用率Fig. 2 Rainfall use efficiency (RUE) of winter wheat and maize under different fertilization treatments in different precipitation years

2.5 降水量、施肥量與產(chǎn)量的關(guān)系

用逐步回歸法建立不同降水年型下冬小麥產(chǎn)量(Y)、氮磷肥料用量 (N、P2O5) 和生育年降水 (PAn) 三者之間的多元一次回歸方程。結(jié)果表明，冬小麥在干旱年，Y = -941.017 + 14.212N + 5.628PAn(R2= 0.426，F(xiàn) = 18.919，P ＜ 0.001)；在平水年，Y = 2203.134 +13.527P2O5(R2= 0.392，F(xiàn) = 25.767，P ＜ 0.001)；在豐水年，Y = -3499.8 + 15.514N + 8.063PAn(R2=0.449，F(xiàn) = 23.243，P ＜ 0.001)。春玉米在干旱年，Y =-1393.965 + 26.586N + 12.039PAn(R2= 0.449，F(xiàn) =15.904，P ＜ 0.001)；在平水年，Y = 5221.13 +18.375P2O5(R2= 0.777，F(xiàn) = 13.928，P ＜ 0.001)；在豐水年，Y = 5623.979 + 29.345P2O5(R2= 0.546，F(xiàn) =19.215，P ＜ 0.001)。在干旱年，冬小麥和春玉米產(chǎn)量均與施氮量和生育年降水呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，偏相關(guān)系數(shù)分別為0.621、0.321 和0.642、0.322。在平水年，冬小麥和春玉米產(chǎn)量均僅與施磷量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，偏相關(guān)系數(shù)分別為0.626 和0.881。在豐水年，冬小麥產(chǎn)量與施氮量和降水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，偏相關(guān)系數(shù)分別為0.622 和0.394。春玉米產(chǎn)量?jī)H與施磷量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，偏相關(guān)系數(shù)為0.739。

3 討論

3.1 長(zhǎng)期施肥下的產(chǎn)量穩(wěn)定性與可持續(xù)性

有關(guān)該長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的已有研究表明，相對(duì)于不施肥處理，各施肥處理均使作物增產(chǎn)，氮磷肥與有機(jī)肥/秸稈配施處理尤為顯著[10,14,23]。本研究進(jìn)一步證實(shí)，不同降水年型下，秸稈還田的SNP 處理和含有機(jī)肥的M 和MNP 處理冬小麥和春玉米的平均產(chǎn)量均高于CK、N 和NP，增產(chǎn)幅度高于N 和NP。這是因?yàn)殚L(zhǎng)期施用有機(jī)肥及秸稈還田顯著增加了土壤有機(jī)質(zhì)、全氮[14]、有效磷[11]和速效鉀含量[8]，維持了土壤養(yǎng)分供給能力。本研究中，年降水量對(duì)CK 和N 處理的小麥產(chǎn)量影響顯著，而對(duì)NP、SNP、M 和MNP 處理的影響較小，與胡雨彤等[1]發(fā)現(xiàn)豐水年和平水年冬小麥產(chǎn)量高于干旱年，且豐水年產(chǎn)量顯著高于干旱年這一結(jié)論不同。該研究是在關(guān)中平原進(jìn)行的，其降水量較高，且化肥施用量也高于本試驗(yàn)。本研究中，NP、SNP、M 和MNP 處理冬小麥產(chǎn)量較N 處理在干旱年和平水年增產(chǎn)幅度較大 (89.8%～173.5%)，而豐水年增產(chǎn)幅度較小 (52.1%～101.9%)。由于供試土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效氮和有效磷含量均較為缺乏[24]，土壤肥力越低，產(chǎn)量對(duì)外源養(yǎng)分投入的依賴(lài)性就越高[7]。因此，土壤養(yǎng)分，特別是氮素是本試驗(yàn)中限制小麥和玉米生長(zhǎng)的重要因素。年降水量影響外源養(yǎng)分和土壤養(yǎng)分的有效性。另一方面，受施肥養(yǎng)分供給能力制約，NP、SNP、M 和MNP 處理并沒(méi)有表現(xiàn)出隨著降水的增加冬小麥產(chǎn)量表現(xiàn)為顯著增加。李曉州等[16]研究認(rèn)為黃土高原冬小麥在不同降水年型下，平水年最佳經(jīng)濟(jì)施氮量為161 kg/hm2、施磷量為151 kg/hm2，干旱年最佳氮、磷施用量為135 kg/hm2、143 kg/hm2，豐水年最佳經(jīng)濟(jì)氮、磷量分別為167 kg/hm2、153 kg/hm2。這與本試驗(yàn)的氮、磷投入量相差較大。這也可能是單施有機(jī)肥M 處理效果好于N、NP 處理的原因。說(shuō)明在水分不成為限制產(chǎn)量增加的因素情況下，冬小麥仍然具有一定的增產(chǎn)空間，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化施肥，以達(dá)到水肥協(xié)調(diào)供應(yīng)，增加產(chǎn)量的目的。與冬小麥相反，相同降水年型下，NP、SNP、M 和MNP 處理春玉米增產(chǎn)效應(yīng)在干旱年和平水年增產(chǎn)幅度較小 (56.3%～103.8%)，而豐水年增產(chǎn)幅度較大 (105.3%～127.0%)，結(jié)果說(shuō)明降水保障了氮磷配施或施用有機(jī)肥/秸稈 + 氮磷配施春玉米產(chǎn)量增加。玉米產(chǎn)量在不同降水年型下存在差異的原因可能和玉米生長(zhǎng)季水熱供應(yīng)因素與其需水需肥特征匹配的吻合度有關(guān)[18]。此外，水肥交互作用[25]也影響產(chǎn)量的形成。平水年較干旱年和豐水年各處理均表現(xiàn)為負(fù)增產(chǎn)效應(yīng) (24.4%～34.2%)，具體原因在于12 年的春玉米種植期內(nèi)，僅有2 年為平水年，其中1992 年玉米種植季由于品種更替原因?qū)е碌彤a(chǎn) (產(chǎn)量范圍1213.5～3531.0 kg/hm2)，嚴(yán)重拉低了平水年平均產(chǎn)量，這有待今后持續(xù)觀測(cè)與研究。

作物產(chǎn)量穩(wěn)定性是判斷農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)[26]，而產(chǎn)量可持續(xù)性是衡量農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是否能持續(xù)生產(chǎn)的一個(gè)重要參數(shù)[27]。本研究中，相同降水年型，NP、SNP、M 和MNP 處理冬小麥26 年種植期產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性指數(shù)均高于CK 和N 處理，且其隨降水略減但變幅較小。這與李秀英等[28]和Manna 等[29]研究認(rèn)為化肥NPK 均衡施用及NPK 配施有機(jī)肥可提高小麥產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性的結(jié)論較為一致。對(duì)于春玉米，秸稈或有機(jī)肥 + 氮磷處理在豐水年能極大提高玉米產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性，而在干旱年其配施效果并不明顯。原因在于作物可持續(xù)性指數(shù)因施肥、作物種類(lèi)和水熱等氣象因子不同而呈顯著差異[30]，在不同的降水年型下有機(jī)無(wú)機(jī)合理配施才能保持農(nóng)田生產(chǎn)力的穩(wěn)定性，而不均衡施肥導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分不均衡，可持續(xù)性差。門(mén)明新等[26]對(duì)華北平原潮土長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)的結(jié)果表明，產(chǎn)量穩(wěn)定性與施肥量無(wú)明顯關(guān)系，但與氮、磷、鉀肥配比明顯相關(guān)。本研究結(jié)論也進(jìn)一步證實(shí)了我們所提出的在隴東旱塬冬小麥和春玉米生產(chǎn)中針對(duì)不同降水年型應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化施肥的建議。

3.2 長(zhǎng)期施肥不同降水年型的肥料貢獻(xiàn)率和降水利用率

樊廷錄等[6]在黃土高原黑壚土進(jìn)行的24 年定位試驗(yàn)的研究認(rèn)為，在干旱、正常、豐水年型中，氮磷肥與有機(jī)肥/秸稈配施處理的肥料貢獻(xiàn)率均高于單施氮處理。本研究也證實(shí)，與長(zhǎng)期單施氮肥相比，施用氮磷配施有機(jī)肥/秸稈提高了肥料貢獻(xiàn)率和降水利用率，這也與胡雨彤等[1]研究結(jié)論一致。肥料貢獻(xiàn)率和降水利用率受作物類(lèi)型、土壤條件、氣候、施肥措施和其他因素綜合影響[1-5]。本研究表明，冬小麥降水利用率隨降水增加而下降，春玉米平水年降水利用率低于干旱年和豐水年。NP、SNP、M 和MNP 處理冬小麥平水年和豐水年肥料貢獻(xiàn)率低于干旱年，春玉米豐水年肥料貢獻(xiàn)率高于干旱年和平水年。主要原因與不同處理的產(chǎn)量對(duì)降水的響應(yīng)程度差異有關(guān)。對(duì)于冬小麥，CK 處理產(chǎn)量隨降水增加增產(chǎn)幅度較大，而NP、SNP、M 和MNP 處理隨降水增加增產(chǎn)幅度較小，導(dǎo)致了較低的肥料貢獻(xiàn)率。對(duì)于春玉米，豐水年CK 處理產(chǎn)量隨降水增加無(wú)明顯差異，而NP、SNP、M 和MNP 處理產(chǎn)量隨降水增加而增加，因此導(dǎo)致了較高的肥料貢獻(xiàn)率。本研究結(jié)果說(shuō)明，水分并不是唯一限制該地區(qū)冬小麥產(chǎn)量的主導(dǎo)貢獻(xiàn)因素，更多的應(yīng)考慮施肥因素，而對(duì)于春玉米結(jié)果相反，水分成為限制產(chǎn)量提高的主導(dǎo)因素。

3.3 施肥、降水和產(chǎn)量的關(guān)系

在不同的降水年型下合理施肥達(dá)到“以肥調(diào)水，以水促肥”是黃土高原作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵[17]。胡雨彤等[1]研究得出不同降水年型下冬小麥產(chǎn)量主要受氮磷肥施用量、休閑期降水和越冬期降水影響。本研究建立的不同降水年型下施肥、降水和產(chǎn)量多元一次回歸方程表明，氮肥施用和生育年降水是影響干旱年、豐水年冬小麥和干旱年春玉米產(chǎn)量的制約因素。磷肥施用是影響平水年冬小麥、春玉米和豐水年春玉米產(chǎn)量的制約因素。降水制約產(chǎn)量形成的原因主要在于，一方面隴東旱塬降水分布與冬小麥生長(zhǎng)期需水錯(cuò)位，降水對(duì)小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵限制時(shí)期逐步從小麥營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)前期向生殖生長(zhǎng)期推移[18]，另一方面隴東旱塬冬小麥生產(chǎn)中土壤水庫(kù)貯水是冬小麥安全生產(chǎn)的重要保證，僅靠生育期自然降水很難滿足冬小麥生長(zhǎng)需要[31]。氮肥對(duì)干旱年冬小麥和春玉米產(chǎn)量的限制可能是由于土壤水分較低，水氮交互作用較弱，水分限制了氮肥的增產(chǎn)效應(yīng)，而在豐水年由于氮肥投入不足，不能給冬小麥提供足夠的養(yǎng)分，從而限制冬小麥產(chǎn)量形成。同樣，磷肥對(duì)平水年冬小麥、春玉米和豐水年春玉米產(chǎn)量的限制也可能是由于作物不能獲得足夠的養(yǎng)分而造成。綜上來(lái)看，實(shí)踐中應(yīng)多采取保墑蓄水措施，使土壤水庫(kù)發(fā)揮節(jié)水調(diào)水作用。在進(jìn)一步優(yōu)化施肥時(shí)，應(yīng)考慮氮、磷肥的適當(dāng)投入，以保證作物高產(chǎn)。

4 結(jié)論

38 年的冬小麥-春玉米輪作期，在干旱年、平水年和豐水年，氮磷肥配合施用有機(jī)肥或者秸稈還田較單施氮肥顯著提高了作物產(chǎn)量及其穩(wěn)定性和可持續(xù)性，提高了肥料對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率和降水利用率，增產(chǎn)效應(yīng)冬小麥在干旱年和平水年大于豐水年，而春玉米在干旱年和平水年增產(chǎn)幅度較小，豐水年增產(chǎn)幅度較大。

降水年型對(duì)冬小麥產(chǎn)量穩(wěn)定性和可持續(xù)性影響較小，對(duì)春玉米影響較大。冬小麥?zhǔn)┓侍幚矸柿县暙I(xiàn)率和降水利用率隨降水增加而降低，而春玉米肥料貢獻(xiàn)率隨降水增加而增加，降水利用率表現(xiàn)為干旱年 ＞ 豐水年 ＞ 平水年。

在隴東旱塬實(shí)行秸稈 + 氮磷或有機(jī)肥 + 氮磷的施肥策略是保障旱地農(nóng)田生產(chǎn)力可持續(xù)的有效措施，然而在冬小麥豐水年和春玉米干旱年，仍需進(jìn)一步優(yōu)化施肥，促進(jìn)水肥耦合，以保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。