施肥對半干旱區(qū)旱地全膜覆土穴播苦蕎產量及水肥利用率的影響

方彥杰, 張緒成, 于顯楓, 侯慧芝, 王紅麗, 馬一凡

(甘肅省農業(yè)科學院旱地農業(yè)研究所, 甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點實驗室, 蘭州 730070)

水和肥是制約旱地農業(yè)發(fā)展的主要因素，充分發(fā)揮水肥增產效應是提高我國半干旱區(qū)旱地農業(yè)生產力、糧食安全與區(qū)域農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵[1-2]。最大限度地利用天然降水、提高土壤水分利用效率對促進旱地農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近年來，甘肅省半干旱區(qū)集成旱地麥類及矮稈密植作物高產、集雨保墑、增溫于一體的地表全膜覆土種植技術，有效協(xié)調了外界環(huán)境與作物的供需水關系，發(fā)揮了增產、提高水分和養(yǎng)分利用效率的作用[3-4]，在西北半干旱區(qū)大面積推廣應用[5]。然而，受黃土高原土壤比較貧瘠、有機質含量較低[6]、供肥和保肥能力差的限制，該區(qū)苦蕎種植過程中普遍存在施肥比例失調、偏施化肥、少施或不施有機肥、氮肥過量等問題[7]，不僅增加了農業(yè)生產成本、降低了肥料利用效率，還造成了土壤環(huán)境污染，威脅到農業(yè)可持續(xù)發(fā)展[8-9]。研究表明，施肥是實現(xiàn)旱地作物增產和土壤水分、養(yǎng)分有效利用的主要措施[10-11]；另有研究得出，露地條件下施肥處理較不施肥處理的地上部生物量增加了18.59%～66.78%，籽粒產量提高了27.51%～54.22%，水分利用效率提高了22.68%～48.87%[12]；也有研究表明，在施用有機肥的基礎上，通過氮、磷、鉀肥配施，能使植株充分利用土壤水分[13-14]，能有效地改善作物的土壤水肥環(huán)境，促進增產，起到以肥促水的作用[15-16]。因此，如何充分利用有限的土壤水分、優(yōu)化化肥投入成為半干旱區(qū)旱地苦蕎增產、提高水肥高效利用亟待解決的根本問題[17-20]。

苦蕎是半干旱區(qū)主要的小雜糧作物之一，在我國種植歷史悠久，以傳統(tǒng)種植模式為主，單產水平較低，資源利用率不高[21]。如何降低旱地苦蕎生產成本，提高產量和資源利用效率，成為當前苦蕎生產需要解決的首要問題。全膜覆土穴播種植技術有顯著增產增效作用，但國內關于地膜覆蓋模式下苦蕎養(yǎng)分管理的研究還不多。本文在甘肅省定西市典型半干旱區(qū)研究了旱地苦蕎全膜覆土穴播的增產增效作用，設置了苦蕎全膜覆土穴播種植條件下施肥量試驗，分析了不同施肥量對半干旱區(qū)旱地苦蕎全膜覆土穴播產量、土壤水分及水肥利用效率的影響，旨在確立半干旱區(qū)苦蕎全膜覆土穴播適宜的施肥量，為旱地苦蕎科學合理施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2015—2017年在甘肅省定西市安定區(qū)團結鎮(zhèn)唐家堡村甘肅省農業(yè)科學院定西試驗站進行。該區(qū)海拔1 970 m，年平均氣溫6.2 ℃，年輻射總量5 898 MJ·m-2，年日照時數2 500 h，≥10 ℃積溫2 075.1 ℃，無霜期140 d，屬中溫帶半干旱氣候。作物一年一熟，為典型旱地雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)。年均降水量415 mm，6—9月降水量占年降水量的68%。試驗區(qū)土壤為黃綿土，0～30 cm土層平均容重1.25 g·cm-3，田間持水量為21.18%，凋萎系數為7.2%。土壤有機質11.99 g·kg-1、全N 1.16 g·kg-1、全P 0.25 g·kg-1、全K 17.3 g·kg-1、NH4+-N 4.8 mg·kg-1、NO3--N 0.8 mg·kg-1、速效P 8.67 mg·kg-1、速效K 121.50 mg·kg-1、pH 8.35。

1.2 試驗設計

試驗以苦蕎品種云蕎2號為供試材料，該品種由云南省農業(yè)科學院生物技術與種質資源研究所選育，甘肅省定西市農業(yè)科學院提供。采用全膜覆土穴播種植方式，設置高量HF(N 120 kg·hm-2+ P2O590 kg·hm-2+ K2O 60 kg·hm-2)、中量MF(N 80 kg·hm-2+ P2O560 kg·hm-2+ K2O 40 kg·hm-2)、低量LF(N 40 kg·hm-2+ P2O530 kg·hm-2+ K2O 20 kg·hm-2)和不施化肥(CK)共4個處理，每個處理設置3次重復。小區(qū)面積35 m2(5 m × 7 m)，采用隨機區(qū)組設計。每年均在3月下旬整地施肥覆膜，全部化肥作為基肥結合整地一次性施入。試驗用白色地膜(聚乙烯)厚0.01 mm，肥料為尿素(N≥46.0%)、磷酸二銨(總養(yǎng)分含量(N-P2O5，18-46)≥64%，)、氯化鉀(K2O≥51.0%)。播深3～4 cm，每穴5～7粒，行距30 cm，穴距12 cm，密度180萬株·hm-2?？嗍w收獲后當年不揭膜，待第2年整地前揭膜。3年播種收獲期為：2015年5月6日播種，8月31日收獲；2016年5月29日播種，9月5日收獲；2017年5月26日播種，9月12日收獲。

1.3 試驗區(qū)苦蕎生育期降水及平均氣溫

據甘肅省農業(yè)科學院定西試驗站多年氣象資料統(tǒng)計可知，苦蕎生育期多年平均降水量為189.3 mm，多年平均氣溫為16.78 ℃。2015年測定苦蕎生育期平均氣溫為16.32 ℃，降水量為193.4 mm，屬平水年；2016年測定苦蕎生育期平均氣溫為19.04 ℃，降水量為149.3 mm，屬干旱高溫欠水年；2017年測定苦蕎生育期平均氣溫為17.80 ℃，降水量為242.9 mm，屬豐水年。2016年和2017年降水分布不均，季節(jié)性高溫現(xiàn)象突出，對苦蕎的生長和年際間處理差異有明顯影響。

1.4 測定指標與方法

1.4.1生物量和產量 每小區(qū)隨機采樣10株，用烘干法測定苦蕎各關鍵生育期地上部分的生物量。籽粒產量按小區(qū)面積實際測產。收獲指數(harvest index，HI)計算公式如下。

HI= 籽粒產量/地上部分生物量×100%

1.4.2土壤水分 用烘干法測定苦蕎播期、收后及關鍵生育期0～300 cm土層土壤含水量，每20 cm為一個層次，測定位置在苦蕎兩播種穴中間。土壤貯水量(soil water storage，SWS)計算公式如下。

SWS(mm)=WS×γ×d/100

式中，WS為土壤質量含水量(g·kg-1)；γ為土壤容重(g·cm-3)；d為土壤深度(cm)。

1.4.3降水利用效率 降水利用效率(precipitation use efficiency，PUE)計算公式如下。

PUE(kg·hm-2·mm-1)=Y/P

式中，Y為苦蕎籽粒產量(kg·hm-2)；P為苦蕎生育期降水量(mm)。

1.4.4休閑效率 休閑效率(fallow efficiency，F(xiàn)E)計算公式如下。

FE=(SWSBF-SWSHA-1)/R×100%

式中，SWSBF為當季作物播前貯水量，SWSHA-1為上季作物收獲后貯水量，R為休閑期降水量。

1.4.5水分利用效率 水分利用效率(water use efficiency，WUE))計算公式如下。

WUE(kg·hm-2·mm-1)=Y/ET

式中，Y為苦蕎籽粒產量(kg·hm-2)，ET為苦蕎生育期耗水量(mm)。

1.4.6肥料利用效率 肥料農學效率(agronomic efficiency，AE)計算公式如下。

AE(kg·kg-1)=(施肥區(qū)苦蕎產量-無肥區(qū)苦蕎產量)/施肥量

肥料偏生產力(partial factor productivity，PFP)計算公式如下。

PFP(kg·kg-1)= 施肥區(qū)苦蕎產量/施肥量

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2010、DPS進行數據統(tǒng)計分析，差異顯著性用LSD法檢驗。

2 結果與分析

2.1 施肥對苦蕎產量、生物量和收獲指數的影響

由表1可知，不同施肥量對全膜覆土穴播苦蕎產量、生物量及收獲指數影響顯著。2015—2017年，產量和生物量均表現(xiàn)為LF最高，分別在2 158.2～2 774.7 kg·hm-2和33 299.4～38 699.8 kg·hm-2之間。2015年,LF產量和生物量較其他處理分別增加了3.3%～17.2%、1.1%～5.0%;2016年,LF產量和生物量較其他處理分別增加1.1%～30.5%、8.3%～19.4%; 2017年,LF產量和生物量較其他處理分別增加14.4%～28.8%、9.6%～11.8%。2015年,LF產量與MF和HF差異顯著(P<0.05)，生物量與MF差異顯著(P<0.05)；2016年LF產量僅與HF差異顯著(P<0.05)，生物量與CK、MF和HF均差異顯著(P<0.05)。收獲指數2015年和2017年LF均最高，分別為7.9%和7.0%，較其他處理分別高0.4%～15.8%、4.3%～15.2%；2016年,CK最高為6.9%，LF為6.5%，且LF與CK和MF無顯著差異。試驗中發(fā)現(xiàn)，2015年和2017年MF和HF均發(fā)生了不同程度的倒伏，影響了籽粒形成，對苦蕎產量、生物量等有影響。對3年數據分析可知，LF產量和生物量均顯著高于其他處理(P<0.05)。

表1 施肥對苦蕎產量、生物量及收獲指數的影響

2.2 施肥對苦蕎麥田土壤水分效應的影響

2.2.1施肥對土壤生育期貯水量的影響 由圖1可知，年際間隨著生育期的推進，2015年和2016年各處理0～300 cm 土層貯水量基本呈下降趨勢，但2017年由于受降水量的影響，呈“增加-降低-增加”趨勢，其中苗期高于播種期，并且在盛花期后增加明顯。2015年,各處理0～300 cm 土層貯水量差別較大，播期各處理均高于CK，分別高5.0、9.3、9.0 mm；在苗期、分枝期、盛花期及成熟期，由于耗水量不同，LF和HF土層貯水量低于CK，但是MF仍高于CK；生育期土層平均貯水量MF最高，較CK高6.5 mm，較LF和HF分別高13.5和15.7 mm。2016年,各處理0～300 cm 土層貯水量差異明顯，播期LF最高，較其他處理分別高4.9、6.4和23.9 mm；苗期、分枝期、盛花期MF最高；成熟期則又表現(xiàn)為LF最高，較其他處理分別高12.1、12.5、24.1 mm；生育期土層平均貯水量LF最高，較CK高19.0 mm，較MF和HF分別高1.7和25.2 mm。2017年,各處理間土層貯水量差異不明顯，播期表現(xiàn)為LF最高，但在苗期、分枝期降為最低，盛花期和灌漿期生育期又升至最高；生育期土層平均貯水量HF最高，較CK高1.1 mm，較LF和MF分別高5.6和4.8 mm。

圖1 苦蕎生育期0～300 cm 土層土壤貯水量變化

2.2.2施肥對苦蕎田土壤水分平衡的影響 由2015—2017年苦蕎麥田0～300 cm 土壤水分供需分析結果(表2)可知，在土壤水分供應量一致的條件下，2015年播前—2016年播前階段，生育期耗水量施肥處理較CK分別多27.2、7.6、14.5 mm，但休閑期耗水量LF較其他處理低14.8、17.4、14.1 mm，差異顯著(P<0.05)?？偤乃侩S著處理施肥量增加而增加，各處理0～300 cm土壤水分均表現(xiàn)為虧缺，處理間差異明顯，LF與CK基本一致，MF和HF較CK分別增加10.9和28.0 mm。2016年播前—2017年播前階段，生育期耗水量LF最高，分別較其他處理多14.4、8.5、7.4 mm；休閑期耗水量處理間差異不顯著，總耗水量和盈虧量表現(xiàn)一致，LF均最高，較其他處理分別高21.0、9.3、10.9 mm，各處理0～300 cm土壤水分均表現(xiàn)為虧缺。2017年播前—2017年收獲階段，處理間生育期耗水量差異顯著(P<0.05)，LF盈余5.2 mm，其他處理虧缺44.8～144.8 mm?？嗍w麥田0～300 cm 土壤水分3年總盈虧量表現(xiàn)為虧缺，LF虧缺量最低，分別較其他處理減少38.7、100.3、156.6 mm。

表2 苦蕎麥田土壤水分供需狀況

2.3 施肥對苦蕎麥田降水利用效率和休閑效率的影響

2.3.1施肥對苦蕎麥田降水利用效率的影響 表3為苦蕎麥田0～300 cm土層降水利用效率變化情況。2015年和2016年,處理間生育期降水利用效率、休閑期降水利用效率和年降水利用效率均表現(xiàn)為LF>CK>MF>HF。2015年,LF生育期降水利用效率、休閑期降水利用效率和年降水利用效率較其他處理分別提高3.3%～17.2%、3.4%～17.3%和32.8%～16.7%，生育期降水利用效率和休閑期降水利用效率處理間差異顯著(P<0.05)，年降水利用效率LF與HF、MF差異顯著(P<0.05)；2016年,LF生育期降水利用效率、休閑期降水利用效率和年降水利用效率較其他處理分別提高3.4%～17.3%、1.3%～30.7%和0.5%～29.6%，生育期降水利用效率和年降水利用效率LF與HF、MF差異顯著(P<0.05)，休閑期降水利用效率LF、CK、MF與HF差異顯著(P<0.05)。2017年,處理間生育期降水利用效率、休閑期降水利用效率和年降水利用效率均表現(xiàn)為LF>MF>CK>HF，LF生育期降水利用效率、休閑期降水利用效率和年降水利用效率較其他處理分別提高14.3%～28.7%、14.4%～28.8%和14.4%～22.7%，且與其他處理均差異顯著(P<0.05)。

表3 苦蕎麥田降水利用效率變化情況

2.3.2施肥對苦蕎麥田休閑效率的影響 3年間，苦蕎麥田經過冬春休閑期，各施肥處理0～300 cm土層貯水均得到恢復。由表4可以看出，年際間休閑期貯水量增加量及休閑效率2015—2016年高于2016—2017年。2015—2016年,LF休閑效率最高，較其他處理分別提高11.2%、11.9%、14.2%，且差異顯著(P<0.05)。2016—2017年,休閑效率LF最低，較其他處理分別降低3.0%、10.9%、18.5%，且與CK和HF差異顯著(P<0.05)。

表4 苦蕎麥田休閑效率變化情況

2.4 施肥對全膜覆土穴播苦蕎水肥利用效率的影響

不同施肥處理對全膜覆土穴播苦蕎麥田0～3 m土層土壤水分利用效率影響比較顯著(表5)，年際間施肥量對苦蕎籽粒產量、水分利用效率和肥料利用效率差異顯著(P<0.01)(表6)。2015年,隨著施肥量增加WUE降低，LF和CK一致，較MF、HF分別高9.8%和18.5%，差異顯著(P<0.05)。2016年,WUE表現(xiàn)為CK最高，LF次之，LF較CK減小1.3%，較MF、HF增加3.9%、24.4%，且與MF、HF差異顯著(P<0.05)；2017年,LF最高，分別較其他處理增加48.4%、55.9%、62.1%，且差異顯著(P<0.05)。由于2015和2016年MF、HF，2017年HF苦蕎籽粒產量低于CK，肥料農學效率為負值，2015—2017年間，AE和PFP均表現(xiàn)為LF>MF>HF，差異明顯。可知隨著施肥量的增加，3年苦蕎的肥料農學效率和肥料偏生產力和均呈下降趨勢，并且無論何種降水年份，低量施肥(LF)均能夠增加苦蕎水分利用效率及肥料利用效率。

表5 苦蕎籽粒水分與肥料利用效率

表6 年份與施肥量對苦蕎籽粒產量、水分利用效率和肥料利用效率的交互影響

3 討論

3.1 合理施肥能夠改善土壤水分條件，是提高苦蕎產量的關鍵

合理施肥能夠改善作物生長土壤水分環(huán)境，對關鍵生育期土壤貯水量和耗水量影響明顯[22]。本研究結果表明，施肥對2015—2017年全膜覆土穴播苦蕎各生育時期0～300 cm 土層貯水量動態(tài)變化的影響不一致，這種年際間的變化規(guī)律與降水年型、年內降水分配有關[23]，2017年(豐水年)花后(灌漿期和成熟期)降雨顯著高于2015(平水年)和2016年(欠水年)。研究還表明，2016年低量施肥處理能夠增加生育期0～300 cm土層平均貯水量，比其他處理多1.7 ～25.2 mm，說明在半干旱區(qū)欠水年份，低量施肥處理更能夠改善土壤水分條件?？梢?，在水分較低的情況下，全膜覆土穴播種植模式下低量施肥處理能夠“以肥調水”[24]，肥水交互作用表現(xiàn)為耦合正效應，提高苦蕎土壤貯水能力，增強了對干旱的耐受能力[1,4,25]。

研究表明，在土壤干旱、水分有限的情況下，營養(yǎng)虧缺對植物生長有不利影響，施肥可以促進作物對深層土壤水分的利用，有利于作物生長并提高產量[26]，但是過量施肥不僅不能使作物產量持續(xù)增加，反而會出現(xiàn)下降[27]，已有研究表明，氮、磷、鉀、灌水對露地苦蕎的產量影響較顯著，存在耦合效應[28]。本研究結果顯示，無論在何種降水年份，全膜覆土穴播低量施肥較其他處理均能夠增加苦蕎產量和生物量，分別提高1.1%～30.5%、1.1%～19.4%。2015和2017年收獲指數與生物量、產量表現(xiàn)相似，提高0.4%～15.8%；但是2016年由于生育期高溫干旱，全膜覆土穴播低量施肥處理收獲指數較不施肥處理低。分析認為是由于2016年度苦蕎花期季節(jié)性高溫干旱突出，授粉不良，造成生物量差異顯著(P<0.05)，產量差異不顯著，收獲指數降低?？芍?，在半干旱區(qū)，自然降水不能夠確保作物生育期需水，但低量施肥處理能夠改善苦蕎營養(yǎng)條件，調控苦蕎營養(yǎng)生長和生殖發(fā)育協(xié)調生長，增加干物質積累，提高產量和收獲指數，肥料的增產效應比較顯著，可最大限度地發(fā)揮肥料的補償效應[29]，而較多的施肥量容易造成苦蕎營養(yǎng)生長強于生殖生長，易發(fā)生植株倒伏，進而降低產量。

同一種植模式下，由于施肥量不同，造成處理間生物量和產量的差異，對土壤水分的消耗量不同[28]，進而影響土壤水分盈虧量表現(xiàn)不一致[20]。2015年播前—2016年播前階段，施肥處理苦蕎生育期耗水量較不施肥增加7.6～27.2 mm；2016年播前—2017年播前階段，低量施肥處理較其他處理增加9.3～21.0 mm；2017豐水年，LF盈余5.2 mm，其他處理虧缺44.8～144.8 mm。各處理3年總盈虧量均表現(xiàn)為虧缺，高量施肥和中量施肥增加了0～300 cm土壤水分的虧缺?？梢?，不合理施肥明顯增加了土壤水分的消耗量，使土壤虧缺量增加。

3.2 全膜覆土穴播種植模式下低量施肥能夠增強土壤水分的利用，顯著提高苦蕎水肥利用效率

合理施肥可促進苦蕎根系對土壤水分的吸收利用，增加土壤生產力，提高土壤水肥資源利用率[14]。本研究結果表明，無論何種降水年份，苦蕎麥田0～300 cm土層降水利用效率、休閑期降水利用效率和年降水利用效率均表現(xiàn)為低量施肥處理最高，說明全膜覆土穴播模式下低量施肥處理能充分利用不同時期降水，增加產量，提高旱地苦蕎麥田的降水利用效率。由于年際間休閑期降水量及氣溫的差異，2015—2016年和2016—2017年休閑效率差異顯著，并且全膜覆土穴播低量施肥處理在干旱年能夠調節(jié)休閑期土壤水分，增強休閑期土壤水分恢復力，提高休閑效率。已有研究表明，在不同的降水年份，地膜覆蓋壟溝種植谷子施肥處理間水分利用效率表現(xiàn)不一致，豐水年高肥處理顯著高于中、低肥處理，欠水年中肥處理最高且顯著高于高肥處理，與低肥處理差異不顯著，并且隨著施肥量的增加肥料利用效率下降[21]。本研究結果表明，2015—2017年，全膜覆土穴播模式下低量施肥處理較其他處理增加水分利用效率3.9%～62.1%，肥料農學效率和肥料偏生產力顯著高于中量施肥和高量施肥處理?？梢?，在半干旱區(qū)，無論何種降水年份，旱地全膜覆土穴播模式下低量施肥能夠提高苦蕎對水分的利用能力，改善苦蕎生長條件，進而提高降水利用效率、水分利用效率及肥料利用效率。

綜上可見，全膜覆土穴播種植模式下低量施肥能夠“以肥調水”，改善0～300 cm土層土壤水分條件，尤其在高溫干旱年份苦蕎生育期0～300 cm土層土壤貯水能力，為苦蕎生長提供了更好的水分環(huán)境，最大限度地發(fā)揮肥料的補償效應，促進苦蕎生長，干物質積累量增加1.1%～19.4%，產量增加1.1%～30.5%、土壤水分利用效率提高3.9%～62.1%，顯著提高生育期降水利用效率、休閑期降水利用效率、年降水利用效率、收獲指數、肥料農學效率和肥料偏生產力。因此，低量施肥(純N：40 kg·hm-2，P2O5：30 kg·hm-2，K2O：20 kg·hm-2)是半干旱區(qū)全膜覆土穴播種植模式下苦蕎合理的施肥量，能夠達到增產和土壤水肥高效利用的目標。