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化肥配施有机肥或秸秆还田提高陇东旱塬黑垆土小麦玉米的产量稳定性和可持续性

王婷 丁宁平 李利利 周海燕 尚来贵

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化肥配施有机肥或秸秆还田提高陇东旱塬黑垆土小麦玉米的产量稳定性和可持续性

    作者简介: 王婷E-mail:wt1982_2000_2000@163.com;
    通讯作者: 丁宁平, E-mail:pldnp138@sina.com
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(31560584);甘肃省农业科学院科研条件建设及成果转化项目(2017GAAS26)。

Combining chemical fertilizer with organic matter to increase the yield and its stability and sustainability of maize-wheat system in Loess Plateau of east Gansu Province

    Corresponding author: DING Ning-ping, E-mail:pldnp138@sina.com ;
  • 摘要: 【目的】明确陇东旱塬长期施肥黑垆土春玉米-冬小麦轮作系统作物产量和水肥效应与降雨年型的响应关系,为该地区不同降雨年型下的合理施肥提供参考依据。【方法】位于甘肃平凉的长期肥料定位试验始于1979年,试验设6个处理:不施肥 (CK)、单施化学氮肥 (N)、氮磷化肥配施 (NP)、氮磷化肥配施秸秆 (SNP)、单施有机肥 (M) 和氮磷化肥配施有机肥 (MNP)。调查了试验38年玉米和小麦产量,依据降水将生育年划分为干旱年、平水年和丰水年,分析不同降雨年型下春玉米-冬小麦轮作系统长期施肥的产量变化及其稳定性和可持续性、肥料贡献率和降水利用率特征,探讨不同降雨年型下产量、施肥和降水之间的关系。【结果】与N处理相比,NP、SNP、M和MNP处理冬小麦在干旱年、平水年和丰水年分别增产89.8%~151%、108%~174%和52.1%~102%,春玉米分别增产56.3%~99.9%、81.3~104%和105%~127%。年降雨量对冬小麦产量稳定性和可持续性影响较小,对春玉米影响较大。与N处理相比,三种降水年型下NP、SNP、M和MNP处理冬小麦和春玉米的肥料贡献率和降水利用率均显著提高,其中冬小麦在干旱年、丰水年肥料贡献率和降水利用率分别增加166%~198%、520%~654%和100%~164%、53.4%~105%,春玉米分别增加161~218%、262%~289%和56.0%~99.2%、104%~125%。相同施肥处理下,NP、SNP、M和MNP处理冬小麦平水年和丰水年肥料贡献率分别较干旱年下降9.9%~23.3%和10.6%~23.3%,而春玉米丰水年较干旱年和平水年分别增加6.0%-25.0%和20.4%~27.7%。NP、SNP、M和MNP处理冬小麦平水年和丰水年水分利用率分别较干旱年下降2.2%~26.6%和22.3%~37.7%,而春玉米分别下降了41.9%~49.5%和10.9%~24.4%。回归分析表明,不论年降雨量多寡,冬小麦和春玉米产量主要受施肥和生育期降水影响。【结论】陇东旱塬不论年降水量多寡,氮磷与秸秆或有机肥配施与单施氮肥相比,均可显著提高作物产量、产量稳定性和可持续性,并提高肥料对产量的贡献率及降水利用率。因此,氮磷配合的基础上配合秸秆及有机肥是保障该地区农田生产力可持续的有效措施。同时,不同降水年型应进一步优化施肥策略以获得更高产量。
  • 图 1  不同降雨年型下各施肥处理的冬小麦和春玉米肥料贡献率

    Figure 1.  Fertilizer contribution rate of winter wheat and maize under different fertilization treatments in different precipitation patterns

    图 2  不同降雨年型下各施肥处理的冬小麦和春玉米降水利用率

    Figure 2.  Rainfall use efficiency (RUE) of winter wheat and maize under different fertilization treatments in different precipitation years

    表 1  不同降水年型冬小麦和春玉米产量及其相对干旱年的增加率

    Table 1.  Yield and its increase rate relative to dry year of winter wheat and spring maize under the different precipitation years

    处理
    Treatment
    干旱年Dry year 平水年Normal year 丰水年Wet year
    产量 (kg/hm2)
    Yield
    产量 (kg/hm2)
    Yield
    增产 (%)
    Increase
    产量 (kg/hm2)
    Yield
    增产 (%)
    Increase
    冬小麦Winter wheat
    CK1158 ± 1421571 ± 255 35.8*1672 ± 22344.4*
    N1624 ± 2321706 ± 466 5.12380 ± 45946.6*
    NP3737 ± 3923551 ± 428 –5.03620 ± 352–3.1
    SNP3890 ± 3403636 ± 313 –6.54060 ± 3644.4
    M3081 ± 2513806 ± 394 23.5*3782 ± 40522.8*
    MNP4069 ± 3584665 ± 483 14.7*4806 ± 45018.1*
    春玉米 Spring maize
    CK3508 ± 357 3207 ± 1410 –8.63833 ± 5769.3
    N4401 ± 4272841 ± 996–35.44487 ± 1602.0
    NP6880 ± 510 5151 ± 1414–25.19214 ± 61233.9*
    SNP7459 ± 822 5428 ± 1465–27.29202 ± 59523.4*
    M7167 ± 887 5415 ± 1651–24.49766 ± 76336.3*
    MNP 8797 ± 1011 5791 ± 1598–34.210186 ± 678 15.8*
    注(Note):干旱年、平水年和丰水年冬小麦分别为 9、7、10 年,春玉米分别为 7、2 和 3 年 The number of dry,normal and wet years is 9,7 and 10 for winter wheat and is 7,2 and 3 for spring maize;*—同一处理下,与干旱年相比增产效应在 0.05 水平上显著 Yield increase is significant relative to dry year for the same treatment (P < 0.05);
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    表 2  不同降水年型下冬小麦和春玉米的产量稳定性和可持续性指数 (%)

    Table 2.  Yield stability and sustainable indexes of Winter wheat and Maize under the different precipitation years

    处理
    Treatment
    干旱年Dry year平水年Normal year丰水年Wet yearYCV
    DCVSYINCVSYIWCVSYI
    冬小麦Winter wheat
    CK36.743.843.028.042.238.115.2
    N42.938.772.210.361.020.417.8
    NP31.545.831.949.330.844.6 2.1
    SNP26.252.622.859.128.448.5 4.5
    M24.548.627.455.633.844.1 9.5
    MNP26.452.027.453.529.647.3 7.1
    春玉米Spring maize
    CK26.954.662.223.326.158.1 7.3
    N25.756.049.633.7 6.287.619.3
    NP19.665.738.844.111.580.323.5
    SNP29.255.038.244.811.281.720.9
    M32.846.843.139.713.573.024.0
    MNP30.451.639.043.911.576.422.2
    注(Note):DCV、NCV、WCV、YCV 分别表示干旱年、平水年、丰水年和降雨年型间的变异系数 DCV,NCV,WCV and YCV represent the variation coefficient of wet,normal,wet years and among the precipitation years;SYI—可持续性指数 Sustainable index.
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    [12] 黄兴成李渝白怡婧张雅蓉刘彦伶张文安蒋太明 . 长期不同施肥下黄壤综合肥力演变及作物产量响应. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.18174
    [13] 李猛张恩平张淑红周芳王月谭福雷韩丹丹 . 长期不同施肥设施菜地土壤酶活性与微生物碳源利用特征比较. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.16044
    [14] 廖育林鲁艳红聂军谢坚周兴杨曾平 . 长期施肥稻田土壤基础地力和养分利用效率变化特征. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.15325
    [15] 张电学韩志卿王介元陈洪斌 . 燕山山麓平原高产粮区长期施肥对作物产量和土壤肥力的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2000.0304
    [16] 俄胜哲杨生茂郭永杰索东让杨思存崔云玲王成宝 . 长期施肥对河西绿洲灌漠土作物产量及土壤养分自然供给能力的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2010.0402
    [17] 金欣姚珊BatbayarJavkhlan贾丽洁张树兰杨学云 . 冬小麦–夏休闲体系作物产量和土壤磷形态对长期施肥的响应. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.18260
    [18] 史天昊段英华王小利徐明岗黄绍敏石孝均 . 我国典型农田长期施肥的氮肥真实利用率及其演变特征. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2015.0615
    [19] 刘恩科赵秉强胡昌浩李秀英李燕婷 . 长期施氮、磷、钾化肥对玉米产量及土壤肥力的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2007.0505
    [20] 陈安磊谢小立王凯荣高超 . 长期有机物循环利用对红壤稻田土壤供磷能力的影响 . 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2008.0509
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-15
  • 网络出版日期:  2019-10-15

化肥配施有机肥或秸秆还田提高陇东旱塬黑垆土小麦玉米的产量稳定性和可持续性

    作者简介:王婷E-mail:wt1982_2000_2000@163.com
    通讯作者: 丁宁平, pldnp138@sina.com
  • 1. 甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所,兰州 730070
  • 2. 甘肃省平凉市农业科学研究院,平凉 744000
  • 3. 甘肃农业大学农学院,兰州 730000
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(31560584);甘肃省农业科学院科研条件建设及成果转化项目(2017GAAS26)。
  • 摘要: 【目的】明确陇东旱塬长期施肥黑垆土春玉米-冬小麦轮作系统作物产量和水肥效应与降雨年型的响应关系,为该地区不同降雨年型下的合理施肥提供参考依据。【方法】位于甘肃平凉的长期肥料定位试验始于1979年,试验设6个处理:不施肥 (CK)、单施化学氮肥 (N)、氮磷化肥配施 (NP)、氮磷化肥配施秸秆 (SNP)、单施有机肥 (M) 和氮磷化肥配施有机肥 (MNP)。调查了试验38年玉米和小麦产量,依据降水将生育年划分为干旱年、平水年和丰水年,分析不同降雨年型下春玉米-冬小麦轮作系统长期施肥的产量变化及其稳定性和可持续性、肥料贡献率和降水利用率特征,探讨不同降雨年型下产量、施肥和降水之间的关系。【结果】与N处理相比,NP、SNP、M和MNP处理冬小麦在干旱年、平水年和丰水年分别增产89.8%~151%、108%~174%和52.1%~102%,春玉米分别增产56.3%~99.9%、81.3~104%和105%~127%。年降雨量对冬小麦产量稳定性和可持续性影响较小,对春玉米影响较大。与N处理相比,三种降水年型下NP、SNP、M和MNP处理冬小麦和春玉米的肥料贡献率和降水利用率均显著提高,其中冬小麦在干旱年、丰水年肥料贡献率和降水利用率分别增加166%~198%、520%~654%和100%~164%、53.4%~105%,春玉米分别增加161~218%、262%~289%和56.0%~99.2%、104%~125%。相同施肥处理下,NP、SNP、M和MNP处理冬小麦平水年和丰水年肥料贡献率分别较干旱年下降9.9%~23.3%和10.6%~23.3%,而春玉米丰水年较干旱年和平水年分别增加6.0%-25.0%和20.4%~27.7%。NP、SNP、M和MNP处理冬小麦平水年和丰水年水分利用率分别较干旱年下降2.2%~26.6%和22.3%~37.7%,而春玉米分别下降了41.9%~49.5%和10.9%~24.4%。回归分析表明,不论年降雨量多寡,冬小麦和春玉米产量主要受施肥和生育期降水影响。【结论】陇东旱塬不论年降水量多寡,氮磷与秸秆或有机肥配施与单施氮肥相比,均可显著提高作物产量、产量稳定性和可持续性,并提高肥料对产量的贡献率及降水利用率。因此,氮磷配合的基础上配合秸秆及有机肥是保障该地区农田生产力可持续的有效措施。同时,不同降水年型应进一步优化施肥策略以获得更高产量。

    English Abstract

    • 干旱缺水和土壤肥力低是制约我国西北黄土高原旱地农业发展的主要因素[1],充分利用自然降雨,培肥土壤是实现旱地粮食增产和农业可持续发展的重要措施[2]。肥料的增产效应易受气候、季相变化及其交互作用影响[3]。长期土壤肥力定位试验具有较长的时间尺度,记载着作物生长、土壤肥力和气候变化的丰富信息[4]。利用长期定位试验克服因气候等因素带来的产量不稳定性影响,从而能够较为准确评估长期不同施肥模式下作物的产量和水肥效应等科学问题。

      大量研究报道了黄土高原区长期施用有机肥、化肥平衡施肥、有机无机肥配施对土壤的培肥作用和作物高产稳产效应[5-11]。随着施肥年限的延长,单施氮肥的增产作用下降,而秸秆还田及有机无机配合则有逐年递增趋势[12-14]。施肥是提高粮食产量的主要措施,然而氮肥效益的发挥与农田水分状况密切相关,尤其体现在黄土高原雨养农业生态系统中[15]。不同年降雨量下作物产量的水肥效应也是研究的一个热点。李晓州等[16]利用位于黄土高原南部的陕西省长武县1984年建立的小麦长期施肥定位试验,分析和比较了不同年降雨量下不同氮磷用量的小麦产量及其稳定性,提出了小麦最高产量对应的氮磷施用量以及最佳经济施肥量。胡雨彤等[1]研究表明,连续种植30年冬小麦,氮磷配施和氮磷钾配施下小麦产量、肥料贡献率和降水利用率显著高于氮磷钾单施处理。李婷等[17]的结果表明了平水年和干旱年施肥可增加作物产量和水分利用效率。樊廷录等[6]通过研究甘肃陇东旱塬黑垆土连续24年的玉米小麦轮作系统长期定位施肥效应,发现降水对化肥尤其是氮肥的增产效果有显著影响,而有机肥/秸秆 + 化肥处理的产量受降水影响较小。

      黑垆土是中国黄土高原地区主要土壤类型之一,集中在甘肃陇东与陕北黄土旱塬区,盛行一年一熟和两年三熟的种植制度,是甘肃省重要的粮食生产基地。该区处于半干旱向半湿润地区的过渡带,降水变率大;粮食作物以冬小麦为主,而降雨分布与小麦生长期需水错位,产量年际变化大[18]。如何根据不同降雨年型合理施肥、提高水肥利用效率一直是该区农业可持续发展迫切需要解决的问题。尽管已有较多的有关不同降雨年型下水、肥和产量之间关系的研究报道,但主要集中在降雨量相对丰富的陕西渭河平原,而针对陇东旱塬黑垆土此方面研究仍然较少。本研究通过对甘肃平凉黑垆土定位培肥试验的长期监测,结合历史同期气象观测资料,研究不同降雨年型下春玉米-冬小麦轮作系统长期施肥的产量变化及其稳定性、肥料贡献率和降水利用率特征,分析不同降雨年型下产量与施肥量和降水量之间的关系,以期为当地不同降雨年型下的合理施肥提供参考依据。

      • 试验点位于平凉市农业科学院高平试验站 (107º30′E,35º16′N),海拔1340 m,年平均气温8.6℃,年降雨量526 mm,其中60%的降雨集中在7~9月,≥ 10℃积温2800℃,属黄土高原半湿润偏旱区。试验地土壤为黑垆土,黄土母质。定位试验始于1979年,试验开始前耕层 (0—20 cm) 土壤性质为:有机质10.75 g/kg、全氮0.95 g/kg、全磷0.57 g/kg、碱解氮65.9 mg/kg、有效磷6.77 mg/kg、速效钾163 mg/kg、pH 8.20。

      • 试验共6个处理:1) 不施肥对照 (CK);2) 单施化肥氮 (N);3) 化肥氮磷配施 (NP);4) 氮磷肥配合秸秆还田 (SNP);5) 单施有机肥 (M);6) 氮磷肥配合有机肥 (MNP)。试验为大区设计,无重复,每处理面积666.7 m2。供试化肥为尿素和过磷酸钙,相关处理用量为N 90 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2。有机肥为牛、羊粪为主的厩肥,养分含量多年平均为N 0.16%、P2O5 0.16%、K 1.48%[9],施用量为厩肥75000 kg/hm2。秸秆为当季作物小麦或玉米的秸秆,收获后切碎翻入土壤,翻压量为3750 kg/hm2,玉米和小麦秸秆多年平均氮、磷和钾含量分别为0.80%、0.04%、0.99%和0.52%、0.03%、1.06%。试验用所有物料播前全部一次性基施,SNP处理磷肥为每2年施用一次,其余施肥处理均为每年施肥。试验区为雨养农业,不灌水。

        1979—1996年试验按2年春玉米、4年冬小麦轮作种植,1997—1998年冬小麦连作,1999年和2000年分别种植高粱和大豆,2001—2018年试验仍按2年春玉米、4年冬小麦轮作种植。38年的春玉米-冬小麦轮作周期中,种植冬小麦26年,春玉米12年。玉米露地穴播,密度5.25万株/hm2;小麦机械条播,播量187.5 kg/hm2。冬小麦年,生育期10月到翌年6月,收获后休闲 (7—9月);春玉米年,生育期为4—9月,收获后休闲 (10月到翌年3月)。

      • 每季作物成熟期全区收获实测产量。春玉米按40 m2样方、冬小麦按20 m2样方,各5个样方进行考种。

      • 降雨年型划分采用生育年降水量概念[19],计算公式为:

        式 (1) 中,DI表示干旱指数,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标准差。DI > 0.35为丰水年,–0.35 ≤ DI ≤ 0.35为平水年,DI < –0.35为干旱年。

        根据泾川气象站历年气象数据,1979—2018年生育年平均降水量为526 mm。降雨年型划分为:干旱年16年,冬小麦和春玉米分别是1982、1987、1993、1994、1995、1997、2004、2008、2009年和1979、1980、1985、1986、1991、2006、2012年,平均降水量分别为428 mm和414 mm;平水年9年,冬小麦和春玉米分别是1981、1989、1996、2002、2014、2015、2016年和1992、2005年,平均降水量534 mm和540 mm;丰水年13年,冬小麦和春玉米分别是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。

      • 根据划分的降雨年型将所在年份的产量分类平均,得出干旱年、平水年、丰水年的平均产量。产量稳定性以统计学上的变异系数 (coefficient of variation,CV) 表示,可衡量年际间产量的变异程度,CV越大则说明产量稳定性越低。计算公式为[20]

        产量可持续性采用可持续产量指数来表征,指数越高则说明该系统的可持续越好。计算公式为[21]

        式 (2)、(3) 中,σ为标准差 (kg/hm2),$ {\bar{\rm Y}}$为产量平均数 (kg/hm2),Ymax为所有年份中产量的最大值 (kg/hm2)。

      • 肥料贡献率指施用肥料增加的作物产量占总产量的百分比,反映了年投入肥料的生产能力[22]。计算公式为:

        式 (4) 中,Y为施肥区作物产量,Y0为无肥区作物产量。

        降水利用率[kg/(mm·hm2)] = 当年产量/生育期降水量

        肥料贡献率和降水利用率的年际变异以CV值表征。

      • 降水、施肥和产量关系模型不同降雨年型下产量与降水和肥料多元一次回归方程:

        式 (5) 中:Y为产量;b0为常数项;bi为回归方程系数;X1,X2,…,Xi为自变量。

      • 用Microsoft Excel 2010软件计算和处理试验数据,SigmaPlot 14.0绘图。采用SPSS20.0软件对不同降雨年型下各处理增产效应进行T检验显著性分析,并使用逐步回归分析降雨量、施肥量与产量的关系。用LSD法检验回归方程在P < 0.05水平上的显著性。

      • N处理产量较CK在干旱年、平水年和丰水年分别平均增产40.3%、8.6%和42.4%,年降雨量显著影响着氮肥的增产效果。NP、SNP、M和MNP处理冬小麦产量较N处理在干旱年和平水年增产幅度较大,而丰水年增产幅度较小,其干旱年分别增产130%、140%、89.8%和151%,平水年分别增产108%、113%、123%和174%,丰水年分别增产52.1%、70.6%、58.9%和102%。其中,SNP和MNP处理冬小麦产量在所有降雨年型增产幅度均明显高于NP和M处理。不同降水年型间,NP和SNP处理的增产效应差异不显著。然而,M和MNP处理产量平水年比干旱年分别显著增加了23.5%和14.7%,丰水年分别显著增加了22.8%和18.1%。说明,氮磷配施、氮磷肥配合秸秆还田的增产效应受降雨量的影响较小,有机肥或者有机肥 + 氮磷配施效果对降雨量的影响较为敏感,其效果随降雨量的增加而增加。

        相同降雨年型下,春玉米单施N处理干旱年和丰水年产量较不施肥分别增加25.4%和17.1%,而平水年减少了11.4% (表1)。NP、SNP、M和MNP处理产量较单施N显著提高了玉米产量,但与冬小麦相反,其增产效应在干旱年和平水年增产幅度较小,而丰水年增产幅度较大,其干旱年分别增产56.3%、69.5%、62.8%和99.9%,平水年分别增产81.3%、91.1%、90.6%和104%,丰水年分别增产105%、105%、118%和127%。相同施肥处理下,平水年N、NP、SNP、M和MNP处理春玉米产量分别较干旱年减少35.4%、25.1%、27.2%、24.4%和34.2%,丰水年各处理分别较干旱年显著增加2.0%、33.9%、23.4%、36.3%和15.8%。

        表 1  不同降水年型冬小麦和春玉米产量及其相对干旱年的增加率

        Table 1.  Yield and its increase rate relative to dry year of winter wheat and spring maize under the different precipitation years

        处理
        Treatment
        干旱年Dry year 平水年Normal year 丰水年Wet year
        产量 (kg/hm2)
        Yield
        产量 (kg/hm2)
        Yield
        增产 (%)
        Increase
        产量 (kg/hm2)
        Yield
        增产 (%)
        Increase
        冬小麦Winter wheat
        CK1158 ± 1421571 ± 255 35.8*1672 ± 22344.4*
        N1624 ± 2321706 ± 466 5.12380 ± 45946.6*
        NP3737 ± 3923551 ± 428 –5.03620 ± 352–3.1
        SNP3890 ± 3403636 ± 313 –6.54060 ± 3644.4
        M3081 ± 2513806 ± 394 23.5*3782 ± 40522.8*
        MNP4069 ± 3584665 ± 483 14.7*4806 ± 45018.1*
        春玉米 Spring maize
        CK3508 ± 357 3207 ± 1410 –8.63833 ± 5769.3
        N4401 ± 4272841 ± 996–35.44487 ± 1602.0
        NP6880 ± 510 5151 ± 1414–25.19214 ± 61233.9*
        SNP7459 ± 822 5428 ± 1465–27.29202 ± 59523.4*
        M7167 ± 887 5415 ± 1651–24.49766 ± 76336.3*
        MNP 8797 ± 1011 5791 ± 1598–34.210186 ± 678 15.8*
        注(Note):干旱年、平水年和丰水年冬小麦分别为 9、7、10 年,春玉米分别为 7、2 和 3 年 The number of dry,normal and wet years is 9,7 and 10 for winter wheat and is 7,2 and 3 for spring maize;*—同一处理下,与干旱年相比增产效应在 0.05 水平上显著 Yield increase is significant relative to dry year for the same treatment (P < 0.05);
      • 表2看出,干旱年各处理冬小麦产量变异 (DCV) 强弱表现为N > CK > NP > MNP ≈ SNP > M,平水年变异 (NCV) 强弱为N > CK > NP > MNP ≈ M > SNP,丰水年变异 (WCV) 强弱为N > CK > M > NP > MNP > SNP,说明与CK、N和NP处理相比,SNP、M和MNP处理能提高冬小麦的产量稳定性。相同施肥处理下,NP、SNP、M和MNP处理不同降雨年型间产量变异系数 (YCV) 范围2.1%~9.5%,小于CK和N处理变异系数分别为15.2%和17.8%,说明氮磷配施或有机肥、秸秆配施氮磷肥处理小麦产量稳定性受年际间降水变化的影响较小。

        表 2  不同降水年型下冬小麦和春玉米的产量稳定性和可持续性指数 (%)

        Table 2.  Yield stability and sustainable indexes of Winter wheat and Maize under the different precipitation years

        处理
        Treatment
        干旱年Dry year平水年Normal year丰水年Wet yearYCV
        DCVSYINCVSYIWCVSYI
        冬小麦Winter wheat
        CK36.743.843.028.042.238.115.2
        N42.938.772.210.361.020.417.8
        NP31.545.831.949.330.844.6 2.1
        SNP26.252.622.859.128.448.5 4.5
        M24.548.627.455.633.844.1 9.5
        MNP26.452.027.453.529.647.3 7.1
        春玉米Spring maize
        CK26.954.662.223.326.158.1 7.3
        N25.756.049.633.7 6.287.619.3
        NP19.665.738.844.111.580.323.5
        SNP29.255.038.244.811.281.720.9
        M32.846.843.139.713.573.024.0
        MNP30.451.639.043.911.576.422.2
        注(Note):DCV、NCV、WCV、YCV 分别表示干旱年、平水年、丰水年和降雨年型间的变异系数 DCV,NCV,WCV and YCV represent the variation coefficient of wet,normal,wet years and among the precipitation years;SYI—可持续性指数 Sustainable index.

        冬小麦不同降雨年型下,SNP处理的产量可持续指数 (SYI) 值最高,干旱年、平水年和丰水年分别为52.6%、59.1%和48.5%,平均为53.4%,然后依次是MNP、M、NP、CK,SYI值平均分别为50.9%、49.4%、46.6%和36.6%。N处理SYI值最低,并且在不同年型间表现出较大不同,在干旱年、平水年和丰水年分别为38.7%、10.3%和20.4%。上述结果说明秸秆 + 氮磷和有机肥 + 氮磷配施是保障旱地农田生产力可持续的有效措施。同一施肥处理干旱年、平水年和丰水年SYI值总体表现为先增加后下降趋势。

        相同降雨年型下,与CK处理相比,干旱年M、MNP和SNP处理的玉米稳定性较低 (表2)。随降雨增加,NP、SNP、M和MNP处理玉米产量稳定性随之提高。说明降雨可促进玉米产量稳定性提高。相同施肥处理下,不同降雨年型间N、M、MNP、NP和SNP施肥处理产量YCV值范围为19.3%~24.0%,说明年际间降水变化对产量稳定性有较大影响。

        春玉米不同降雨年型各处理SYI值表现为丰水年 > 干旱年 > 平水年 (表2)。丰水年SYI值表现为N > SNP > NP > MNP > M > CK,其范围58.1%~87.6%。干旱年为NP > N > SNP > CK > MNP > M,其范围46.8%~65.7%。平水年为SNP > NP > MNP > M > N > CK,其范围23.3%~44.8%。结果说明SNP和NP处理产量受降雨影响相对较小,在水分少或多的年份均能保持较高的产量可持续性,而有机肥处理在水分充足的情况下,对玉米的持续增产有积极意义。

      • 不同降雨年型下,冬小麦和春玉米肥料贡献率 (FCR) 均表现为N处理低于NP、SNP、M和MNP处理 (图1)。干旱年冬小麦和春玉米N、NP、SNP、M和MNP处理FCR分别为23.6%、69.0%、70.2%、62.9%、71.7%和18.1%、48.9%、49.2%、47.2%、57.4%。平水年分别为–8.7%、53.0%、56.5%、56.5%、64.6%和–3.5%、44.4%、47.3%、46.7%、50.5%,丰水年分别为8.5%、54.1%、58.9%、52.7%、64.0%和15.6%、27.8%、21.9%、23.5%、22.5%。同一施肥处理下,NP、SNP、M和MNP处理冬小麦平水年和丰水年FCR分别较干旱年下降9.9%—23.3%和10.6%—23.3%,而春玉米丰水年较干旱年和平水年分别增加6.0%—25.0%和20.4%~27.7%。结果表明,与长期单施氮肥相比,氮磷配施或施用有机肥/秸秆 + 氮磷配施提高了肥料贡献率和降水利用率。

        图  1  不同降雨年型下各施肥处理的冬小麦和春玉米肥料贡献率

        Figure 1.  Fertilizer contribution rate of winter wheat and maize under different fertilization treatments in different precipitation patterns

      • 不同降雨年型下,冬小麦和春玉米降水利用率 (RUE) 均表现为CK和N处理低于NP、SNP、M和MNP处理 (图2)。冬小麦CK和N处理RUE平均分别为2.7 kg/(mm·hm2) 和3.5 kg/(mm·hm2),春玉米CK和N处理RUE平均分别为6.9 kg/(mm·hm2) 和7.7 kg/(mm·hm2)。干旱年冬小麦NP、SNP、M和MNP处理RUE分别比N处理增加140%、153%、100%和164%,春玉米分别增加56.0%、70.5%、62.1%和99.2%。平水年冬小麦NP、SNP、M和MNP处理RUE分别比N处理增加112%、118%、129%和180%,春玉米分别增加81.1%、90.9%、90.5%和103.6%。丰水年冬小麦NP、SNP、M和MNP处理RUE分别比N处理增加53.4%、72.7%、59.6%和105%,春玉米分别增加104%、104%、116%和125%。同一处理冬小麦RUE随降水增加而下降,春玉米平水年RUE低于干旱年和丰水年。

        图  2  不同降雨年型下各施肥处理的冬小麦和春玉米降水利用率

        Figure 2.  Rainfall use efficiency (RUE) of winter wheat and maize under different fertilization treatments in different precipitation years

      • 用逐步回归法建立不同降雨年型下冬小麦产量 (Y)、氮磷肥料 (N、P2O5) 和生育年降水 (PAn) 三者之间的多元一次回归方程。结果表明,冬小麦在干旱年,Y = –941.017 + 14.212N + 5.628PAn (R2 = 0.426,F = 18.919,P < 0.001);在平水年,Y = 2203.134 + 13.527P2O5 (R2 = 0.392,F = 25.767,P < 0.001);在丰水年,Y = –3499.8 + 15.514N + 8.063PAn (R2 = 0.449,F = 23.243,P < 0.001)。春玉米在干旱年,Y = –1393.965 + 26.586N + 12.039PAn (R2 = 0.449,F = 15.904,P < 0.001);在平水年,Y = 5221.13 + 18.375P2O5 (R2 = 0.777,F = 13.928,P < 0.001);在丰水年,Y = 5623.979 + 29.345P2O5 (R2 = 0.546,F = 19.215,P < 0.001)。在干旱年,冬小麦和春玉米产量均与施氮量和生育年降水呈极显著正相关关系,偏相关系数分别为0.6210.321和0.642、0.322春玉米。在平水年,冬小麦和春玉米产量均仅与施磷量呈极显著正相关关系,偏相关系数分别为0.626和0.881。在丰水年,冬小麦产量与施氮量和降水量呈极显著正相关关系,偏相关系数分别为0.622和0.394。春玉米产量仅与施磷量呈极显著正相关关系,偏相关系数为0.739。

      • 有关该长期定位试验的已有研究表明,相对于不施肥处理,各施肥处理均使作物增产,氮磷肥与有机肥/秸秆配施处理尤为显著[10, 14, 23]。本研究进一步证实,不同降雨年型下,秸秆还田SNP和含有机肥、M和MNP的冬小麦和春玉米的平均产量均高于CK、N和NP,增产幅度高于N和NP。这是因为长期施用有机肥及秸秆还田显著增加了土壤有机质、全氮[14]、有效磷[11]和速效钾含量[8],维持了土壤养分供给能力。本研究中,年降雨量对对照和单施氮肥处理的小麦产量影响显著,而对NP、SNP、M和MNP处理的影响较小,与胡雨彤等[1]发现丰水年和平水年冬小麦产量高于干旱年,且丰水年产量显著高于干旱年这一结论不同。该研究是在关中平原进行的,其降雨量较高,且化肥施用量也高于本试验。本研究中,NP、SNP、M和MNP处理冬小麦产量较N处理在干旱年和平水年增产幅度较大 (89.8%~173.5%),而丰水年增产幅度较小 (52.1%~101.9%)。由于供试土壤有机质、全氮、有效氮和有效磷含量均较为缺乏[24],土壤肥力越低,产量对外源养分投入的依赖性就越高[7]。因此,土壤养分,特别是氮素是本试验中限制小麦和玉米生长的重要因素。年降雨量影响着外源养分和土壤养分的有效性。另一方面,受施肥养分供给能力制约,NP、SNP、M和MNP处理并没有表现出随着降雨的增加,冬小麦产量表现为显著增加。李晓州等[16]研究认为黄土高原冬小麦在不同降水年型下,平水年最佳经济施氮量为161 kg/hm2、施磷量为151 kg/hm2,干旱年最佳氮、磷量为135 kg/hm2、143 kg/hm2,丰水年最佳经济氮、磷量分别为167 kg/hm2、153 kg/hm2。这与我们试验的氮、磷投入量相差较大。这也可能是单施有机肥M处理效果好于N、NP处理的原因。说明在水分不成为限制产量增加的因素情况下,冬小麦仍然具有一定的增产空间,应进一步优化施肥,以达到水肥协调供应,增加产量的目的。与冬小麦相反,相同降水年型下,NP、SNP、M和MNP处理春玉米增产效应在干旱年和平水年增产幅度较小 (56.3%~103.8%),而丰水年增产幅度较大 (105.3%~127.0%),结果说明降雨促进了氮磷配施或施用有机肥/秸秆 + 氮磷配施春玉米产量增加。玉米产量在不同降雨年型下存在差异的原因可能和玉米生长季水热供应因素与其需水需肥特征匹配的吻合度有关[18]。此外,水肥交互作用[25]也影响产量的形成。平水年较干旱年和丰水年各处理均表现为负增产效应 (24.4%~34.2%),具体原因在于12年的春玉米种植期内,仅有2年为平水年,且其中1992年玉米种植季由于品种更替原因导致低产 (产量范围1213.5~3531.0 kg/hm2),严重拉低了平水年平均产量,这有待今后持续观测与研究。

        作物产量稳定性是判断农田生态系统质量好坏的重要指标[26],而产量可持续性是衡量系统是否能持续生产的一个重要参数[27]。本研究中,相同降雨年型下,NP、SNP、M和MNP处理冬小麦26年种植期产量稳定性和可持续性指数均高于CK和N处理,且其随降雨略减但变幅较小。这与李秀英等[28]和Manna等[29]研究认为化肥NPK均衡施用及NPK配施有机肥可提高小麦产量稳定性和可持续性的结论较为一致。对于春玉米,秸秆或有机肥 + 氮磷处理在丰水年能极大提高玉米产量稳定性和可持续性,而在干旱年其配施效果并不明显。原因在于作物可持续性指数因施肥、作物种类和水热等气象因子不同而呈显著差异[30],在不同的降雨年型下有机无机合理配施才能保持农田生产力的稳定性,而不均衡施肥导致农业生态系统养分不均衡,可持续性差。门明新等[26]对华北平原潮土长期施肥试验的结果表明产量稳定性与施肥量无明显关系,但与氮、磷、钾肥配比明显相关。本研究结论也进一步证实了我们所提出的在陇东旱塬冬小麦和春玉米生产中针对不同降雨年型应进一步优化施肥的建议。

      • 樊廷录等[6]对黄土高原黑垆土24年定位试验的研究认为,在干旱、正常、丰水年型中,氮磷肥与有机肥/秸秆配施处理的肥料贡献率均高于单施N处理。本研究也证实,与长期单施氮肥相比,施用有机肥/秸秆 + 氮磷配施提高了肥料贡献率和降水利用率,这也与胡雨彤等[1]研究结论一致。肥料贡献率和降水利用率受作物类型、土壤条件、气候、施肥措施和其他因素综合影响[1-5]。本研究表明,冬小麦降水利用率随降雨增加而下降,春玉米平水年降水利用率低于干旱年和丰水年。NP、SNP、M和MNP处理冬小麦平水年和丰水年肥料贡献率低于干旱年,春玉米丰水年肥料贡献率高于干旱年和平水年。主要原因在于不同处理的产量对降雨的响应程度差异有关。对于冬小麦,CK处理产量随降雨增加增产幅度较大,而NP、SNP、M和MNP处理随降雨增加增产幅度较小,导致了较低的肥料贡献率。对于春玉米,丰水年CK处理产量随降雨增加无明显差异,而NP、SNP、M和MNP处理产量随降雨增加而增加,因此导致了较高的肥料贡献率。本研究结果说明,水分并不是唯一限制该地区冬小麦产量的主导贡献因素,更多的应考虑施肥因素,而对于春玉米结果相反,水分成为限制产量提高的主导因素。

      • 在不同的降雨年型下合理施肥达到“以肥调水,以水促肥”是黄土高原作物高产稳产的关键[17]。胡雨彤等[1]研究得出不同降水年型下冬小麦产量主要受氮磷肥施用量、休闲期降水和越冬期降水影响。本研究建立的不同降雨年型下施肥、降雨和产量多元一次回归方程表明,氮肥施用和生育年降水是影响干旱年、丰水年冬小麦和干旱年春玉米产量的制约因素。磷肥施用是影响平水年冬小麦、春玉米和丰水年春玉米产量的制约因素。降水制约产量形成的原因主要在于,一方面陇东旱塬降雨分布与冬小麦生长期需水错位,降雨对小麦产量的关键限制时期逐步从小麦营养生长前期向生殖生长期推移[18],另一方面陇东旱塬冬小麦生产中土壤水库贮水是冬小麦安全生产的重要保证,仅靠生育期自然降水很难满足冬小麦生长需要[33]。氮肥对干旱年冬小麦和春玉米产量的限制可能是因为由于土壤水分较低,水氮交互作用较弱,水分限制了氮肥的增产效应,而在丰水年由于氮肥投入不足,不能给冬小麦提供足够的养分,从而限制冬小麦产量形成。同样,磷肥对平水年冬小麦、春玉米和丰水年春玉米产量的限制也可能是由于作物不能获得足够的养分而造成。综上来看,实践中应多采取保墒蓄水措施,使土壤水库发挥节水调水作用。在进一步优化施肥时,应考虑氮、磷肥的适当投入,以保证作物高产。

      • 38年的冬小麦-春玉米轮作期,在干旱年、平水年和丰水年,氮磷肥配合施用有机肥或者秸秆还田较单施氮肥显著提高了作物产量及其稳定性和可持续性,提高了肥料对籽粒的贡献率和降水利用率,增产效应冬小麦在干旱年和平水年大于丰水年,而春玉米在干旱年和平水年增产幅度较小,丰水年增产幅度较大。

        降雨年型对冬小麦产量稳定性和可持续性影响较小,对春玉米影响较大。冬小麦施肥处理肥料贡献率和降水利用率随降雨增加而降低,而春玉米肥料贡献率随降雨增加而增加,降水利用率表现为干旱年 > 丰水年 > 平水年。

        在陇东旱塬实行秸秆 + 氮磷或有机肥 + 氮磷的施肥策略是保障旱地农田生产力可持续的有效措施,然而在冬小麦丰水年和春玉米干旱年,仍需进一步优化施肥,促进水肥耦合,以保证作物高产稳产。

    参考文献 (33)
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