冬小麦夏玉米种植制度中节水管理的应用和氮肥用量对作物产量以及水分利用率的影响

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1、冬小麦夏玉米种植制度中节水管理的应用和氮肥用量对作物产量以及水分利用率的影响摘要：盈亏灌溉(DI)是一种灌溉用水总量低于作物全部水分需求的节水灌溉策略。有 些研究人员认为如果盈亏灌溉节水与水利或者集雨技术联合使用会更大的增加水 的利用效率。这六年田间研究的目标是比较在冬小麦夏玉米轮作中盈亏灌溉结合 秸秆地膜(SM)或塑料薄膜覆垄与秸秆地膜犁沟(RF)对籽粒产量和水分利用效率的 影响。还研究了节水管理措施和氮肥水平之间的相互作用。结果表明，在RF + DI 和SM + DI处理下的是盈亏灌溉DI和常规沟灌(CFI)处理下的1.6倍。在六年的研 究中，在RF + DI处理下的玉米总的产量比在CFI

2、处理下高5580 kg/ha，比在DI 处理下的产量高了 6500 kg/ha。在RF + DI和SM + DI处理下的小麦产量与CFI处 理下的产量相近但略高于在DI处理下的产量。收获时，RF + DI，SM + DI，DI， CFI的不同处理下0-200cm 土壤中的含水量没有明显的不同。与未做施肥处理的相 比，施用氮肥的玉米和小麦的产量得到了显著的增加；然而，当施氮量超过了120 kg N /ha后则产量没有进一步的提升。总之，这些结果表明在冬小麦夏玉米轮作中， DI与SM或RF措施相结合会增加作物产量和水分利用率。与CFI措施相比，SM + DI和RF+ DI措施在六年的时间里减少了约

3、350mm灌溉用水。1、引言在过去的一个世纪里，扩大灌溉在世界粮食增产中发挥了重要作用。目前， 灌溉用水超过全球淡水消耗量的 60%。在西亚和北非等水资源缺乏的地方，灌溉 用水占总用水量的 75%。农业淡水水资源配置需要减少，以确保未来的国内需求 得到满足，特别是在缺水的地区。与此同时，世界粮食需求预计在2005-2050间将 翻一番。用更少的水来增加粮食生产是很重要的。在许多地方，盈亏灌溉是一种用以减少用水量，提高水分利用效率的优化策 略。在盈亏灌溉系统中，灌溉用水总量低于作物全部水分需求。研究表明，盈亏 灌溉可以提高小麦，玉米的水分利用效率达 10-42%。也有研究显示，如果盈亏灌 溉节水

4、与水利措施(覆盖)或者集雨技术(塑料薄膜覆垄和秸秆地膜犁沟)结合， 可以将产量和水分利用效率进一步提高。冬小麦夏玉米双轮作是一种密集和高产生产系统，占华北平原小麦总产量 50%和玉米生产总量的 35%。作物的轮作需要超过 800 mm 的降雨，但每年的降水 量区域范围从500-650 mm 不等，这相当于年度亏缺150-300 mm 水。为了弥补这 个差距，小麦和玉米都需要灌溉。畦灌或漫灌是主要使用的方式，因此水损失是 一个严重的问题。在华北平原以及全球的其他地方，大规模的开采地下水用于灌 溉导致地下水水位迅速下降。有机物(秸秆)或塑料薄膜覆盖可以广泛用于保护土壤水分和抑制杂草的生长。 覆盖也

5、影响通风和土壤温度。有机薄膜通常使土壤在冬天里比裸土更温暖，在夏 天里比裸土更凉爽；而塑料薄膜覆盖通常会全年增加土壤的温度。土壤温度的变 化是由于覆盖显著地影响土壤生物和化学过程，如 C、N 矿化。小麦和玉米的残留 部分有较高的C/N。分解的小麦秸秆或玉米秸秆覆盖可以使土壤固定N,减少N 对作物的可用性。因为覆盖物影响到许多的土壤特性和过程，。因此，弄明白覆盖 和氮肥利用率之间的互作效应是很重要的。这六年田间研究的目标是比较在冬小麦夏玉米轮作中盈亏灌溉结合秸秆地膜 (SM)或塑料薄膜覆垄与秸秆地膜犁沟(RF)对籽粒产量和水分利用效率的影响。还 研究了节水管理措施和氮肥利用率之间的相互作用。研究

6、结果表明在已经使用赤 水灌溉的地区对于提高水分利用效率可能是有用的。2、材料和方法2.1 地点说明这项研究开始于2003年6月,在陕西杨凌西北农林科技大学的实验场进行的。 该地区位于中国陕西南部边缘的黄土高原。气候条件属于温带半湿润,年平均气 温为13。0年平均降雨量为632 mm，大约60%的降水量是集中在7月和9月之间。 平均年蒸发量是990 mm。当地的钙质粘壤土被划分为湿土，相当于美国农业部系 统中的湿润薄层干淋溶土。种植前的土壤化学性质如表 1 所示。表1 2003年种植前供试土壤化学性质pHOrganic matter(g/kg)Total N(g/kg)no3-n(kg/ha)N

7、H -N4(mg/kg)Olsen-P(mg/kg)NH4OAc-K(mg/kg)8.2515.20.6730.41.917.21692.2 试验设计本研究采用裂区设计，四个主处理包括（1）传统的漫灌（CFI）, （2）盈亏灌溉，（3） 秸秆地膜+盈亏灌溉， （4）垄沟+ 盈亏灌溉，后三个处理为节水管理措施。副处理有 三种氮肥水平分别为：0、120和240 kg N/ha。主区大小为12mx4.5m,裂区大小 为4mx4.5m。整个六年研究的小区位置保持不变，每个处理重复四次。CFI和DI处理为没有秸秆或地膜覆盖的苗床。在CFI处理中，小麦在冬季获 得 40 mm 的灌溉水。促进植物生长，在早

8、期生长期就对玉米进行灌溉。灌溉量年 际间不同（0-60mm/年），这取决于每年的降雨量。玉米是完全依赖于降雨满足在 生殖阶段的需水量的。在DI处理中，小麦不灌溉，玉米灌溉的量是CFI处理的一 半。SM + DI处理为覆盖4500 kg/ha晒干秸秆的水平苗床。从2003年至2007年小 麦秸秆都用于小麦和玉米。 2008 年初，小麦田用玉米秸秆覆盖，玉米用小麦秸秆 覆盖。在所有的处理中，护根覆盖被切成5 cm长、从出苗后开始应用60天。RF + DI处理为交替的垄（30 cm宽，15 cm高）和沟（宽30 cm）,每公顷垄沟用2250 kg 秸秆覆盖。SM + DI处理的灌溉量与DI处理相同。

9、每个地块的灌溉都是独立的， 每个处理的小区都有0.8 -.5米的边界以防止串肥。小麦（小堰 22）在十月上旬播种，次年六月上旬收获。所有处理的播种量都 是225 kg/ha。CFI、DI和SM + DI处理的行距都为20 cm,每个小区有21行。在 RF + DI处理中，两行小麦播种在每个沟里，没有小麦种垄上，每个小区16行。 所有肥料均匀撒在土壤表面，在播种时渗入上层15 cm的土壤里，氮肥用尿素和 磷肥（每公顷80公斤P2O5）用过磷酸钙，本研究不施用钾肥。小麦的杂草用除草 剂控制。在小麦播种前对土壤喷施农药，防治蛴螬、蝼蛄。用三唑酮（ 3-甲基-2- 丁烯醛）控制条锈病。小麦收获后立即免

10、耕种植玉米（2007 前，山丹 902；之后，郑单 958）。行距 为60 cm，种植密度为57780株/公顷。在RF + DI处理中每个沟播种一行。播种是 不施氮肥。在苗期的时候施用每个处理1/3的N肥，孕穗期施用剩余的2/3,用锄 头把氮肥施在幼苗旁边的土壤中。玉米是在十月上旬收获。玉米田的杂草用手拔， 不使用除草剂或杀虫剂。2.3土壤取样和降水数据在小麦和玉米的种植几年，用土钻取样从20 cm增加到200 cm的深度以减少小区干扰。我们只收集了2004、2005 和2006 年玉米收获后、2005、2006 和 2009 年小麦收获后的土样，因此，我们只能计算这些年的水分利用效率。用质量

11、含水 量表示土壤含水量。以1.15 kg/m3的土壤容重值将每个土层的土壤重量含水量换算 为土壤体积含水量。降水量数据记录在一个离小区约400 m的气象站里。生长季6 个月的累积降水量如图1所示。(lulu) =图 1 2003-2009 年小麦和玉米生长季降水量2.4计算和统计用以下方程每种计算作物总用水量：TWU = P + I +AW-R-D-CRTWU是作物生长总用水量，毫米；P是降水量，毫米；I是灌溉水量，毫米;AW是播种时0到200 cm 土壤含水量减去收获时土壤含水量；R径流量，毫米； D是排水量，毫米；CR是根系吸收量，毫米。由于水平坡度，土层深厚以及黄土 较大的持水能力，田间

12、没有径流。排水量和根系吸收量一般认为是可以忽略的， 在计算中没有考虑。假设排水量是可以忽略不计的是因为实验站点的年蒸发量（990 mm）比年降水量比更大（632mm）。此外，灌水量在本研究中也较小（CFI 处理中小于100 mm/年）。这样的灌水量不太可能会导致排水低于200 cm。水分利 用率是产量与作物生长总用水量。节水管理措施与氮肥施用量这两个因素一起进 行分析。采用裂区试验设计，用Windows系统的SAS V8.1处理数据。3. 结果3.1 玉米产量2003 年以及从 2005年到 2008 年间，节水管理措施对玉米产量有明显的影响， 如表(2)。RF + DI和SM + DI处理下

13、的玉米平均产量与DI和CFI处理下的相比有 显著(P 0.05)的差异。节水管理措施和氮肥互作效应显著的只有 在 2006年，这可能与在 2006 年夏季玉米生长季节降雨量极低相关 (图.1)表2节水管理措施和氮肥对玉米产量的影响(kg/ha)处理200320042005200620072008平均CV(%)总产量变化百分数节水措施 (W)CFI5590 B8330 A4570 C2920 D3960 C6640 A5330 C36.632010 CRF + DI6550 A9000 A5510 A4510 A5390 A6630 AB6270 A24.837590 A17.4SM + DI6

14、110 AB8650 A5220 B3920 B4170 B6760 A5800 B30.534820 B8.8DI7980 A4350 C3390 C4170 B6020 B5180 C35.531090 C-2.9氮肥 (N)N05410 b7690 b4660 b2610 b2800 b5870 b4840 b40.029030 bN1206290 a8880 a5010 a4150 a5490 a6820 a6110 a27.136650 a26.2N2406540 a8900 a5060 a4300 a4980 a6850 a6100 a27.636620 a26.1IW x N互作

15、NSNSNS*NSNSNS注：玉米产量一列数字后不同字母表示在0.05水平下的差异显著性(LSD)。对于WXN互作，NS表示没有 显著差异。CFI:常规沟灌；RF：秸秆地膜犁沟灌溉；SM：秸秆地膜灌溉；DI：盈亏灌溉。*表示差异显著性在 0.05 水平3.2 小麦产量2003年至2006年节水管理措施对小麦产量没有显著的影响， 但在2007年和 2008年有显著的(P 0.05)的差异。 在 2005 年和 2008 年的试验中存在显著的节水管理措施和氮肥的互作效应。表3节水管理措施和氮肥对小麦籽粒产量的影响（kg/ha）处理200420052006200720082009平均CV(%)总产量

16、变化百分数节水措施（W）CFI4840 A4950 A4280 A4470 A3260 BC3130 AB4160 A18.924940 A一RF + DI4780 A4730 A4030 A3970 A4510 A3320 A4220 A13.325330 A1.6SM + DI5010 A4930 A3860 A3920 A3720 B2990 B4070 A1924410 A2.1DI4320 A4890 A3910 A3720 A3110 C2880 B3810 B19.722840 B8.4氮肥 （N）N03400 b3260 b2480 b2400 b2060 b1270 c248

17、0 b31.814860 b一N1205450 a5770 a4810 a4930 a4510 a3800 b4880 a14.329270 a97.0N2405370 a5590 a4770 a4730 a4380 a4170 a4830 a11.529010 a95.2W x N互作NSNS*NSNS*NS一一一注：玉米产量一列数字后不同字母表示在0.05水平下的差异显著性（LSD ）。对于W XN互作，NS表示没有 显著差异。CFI :常规沟灌；RF :秸秆地膜犁沟灌溉；SM :秸秆地膜灌溉；DI :盈亏灌溉。*表示差异显著性在0.05水平；*表示差异显著性在0.01水平3.3土壤含水量

18、节水管理措施通常对0-200 cm土壤含水量没有显著的影响（表4）。唯一的例外 是2003年的玉米收获后,DI处理下的土壤含水量显著（P 0.0少于CFI, RM + DI， SM + DI处理下的。在2004、2005和2006年小麦收获后，做施氮处理的土壤含水 量要少于未施氮的。氮肥的应用对2003年和2005年玉米收获后的土壤含水量没 有显著影响，但在2004年却显著降低了土壤含水量。结果可能是与2004年玉米 生长季节的降水较低相关 （图1）。表4节水管理措施和N肥在0-200cm 土壤层的蓄水效应（mm）时间氮肥(kg/ha)节水措施平均CFIRF+DISM+DIDI05305365

19、09489516 a120525534530483518 a2003.10.5240523517516500514 aAverage526 a529 a518 a491 b2004.6.20348345359357352 a时间氮肥(kg/ha)节水措施平均CFIRF+DISM+DIDI120322297305318310 b240327309305348322 bAverage332 a317 a323 a341 a0502502515502505 a2004.10.4120481467485498483 b240462480489488480 bAverage482 a483 a496 a

20、496 a0387380369375378 a2005.6.2120306321292338314 b240320311310304311 bAverage338 a337 a324 a339 a0535539553543543 a2005.10.9120544559550538548 a240537546543515535 aAverage538 a548 a549 a532 a0409479427399428 a2006.6.6120344383386386375 b240365362368379368 bAverage373 a408 a394 a388 a注：同一行或一列后不同字母表示

21、在0.05水平下的差异显著性。CFI:常规沟灌；RF：秸秆地膜犁沟灌溉;SM：秸秆地膜灌溉；DI：盈亏灌溉。3.4水分利用率2004年到2006年间RF + DI和SM + DI处理下玉米的水分利用效率处理显著(P 0.05)高 于DI和CFI处理下的水分利用效率 俵5)。在2009年不同的节水管理措施间的小麦水分 利用效率有显著(P 0.05)差异，但在2005年和2006年却没有显著差异。2009年, 最高水平在RF + DI处理下的水分利用率最高，在CFI处理下的水分利用率最低。 氮肥的应用显著(P 0.05)的增加了小麦和玉米的水分利用效率。N120和N240处 理对水分利用率的影响随

22、生长季节变化。对玉米而言， 2004、2005和2006年有显 著(P SM + DI DI CFI 。氮肥的应用增加了总的水分利用效 率。而在 N120 和 N240 处理间水分利用率没有显著差别(表 6)。表5节水管理措施和氮肥在不同年份对玉米和小麦的水分利用率的影响(kg/ (mm ha)。200420052006平均200520062009平均节水措施(W)CFI31.0 B14.8 B15.6 C20.5 C13.0 A11.5 A8.9 C11.1 BRF + DI42.2 A20.0 A25.2 A29.1 A13.8 A13.0 A11.7 A12.8 ASM + DI41.1

23、 A19.8 A23.0 A28.0 A13.4 A12.0 A10.3 B11.9 BDI35.0 B14.6 B19.2 B22.9 B14.0 A12.7 A9.2 C12.0 AB氮肥 (N)N031.9 c14.1 b13.0 c19.7 b9.9 b8.9 b4.1 c7.6 bN12041.3 a19.2 a23.3 b27.9 a15.6 a14.0 a12.4 b14.0 aN24038.9 b18.6 a25.9 a27.8 a15.1 a14.1 a13.6 a14.3 aW x N互作*NS*NS玉米小麦处理注：玉米产量一列数字后不同字母表示在0.05水平下的差异显著性

24、(LSD)。对于WXN互作，NS表示没有 显著差异。CFI:常规沟灌；RF：秸秆地膜犁沟灌溉；SM：秸秆地膜灌溉；DI：盈亏灌溉。*表示差异显著性在 0.05 水平； *表示差异显著性在 0.01 水平表6节水管理措施和氮肥对玉米和小麦的超过六年的平均水分利用率的影响处理2003 年土壤蓄水量(mm)2003-2009年总 降水量 (mm)灌溉量(mm)2009年小麦收获 后土壤蓄水量(mm)水分消耗量(mm)水分利用率(kg/(mm ha)节水措施CFI3493560465306 A406814.0 DRF + DI3493560113326 A369617.0 ASM + DI349356

25、0113327 A369516.1 BDI3493560113310 A371214.5 C氮肥N03493560268353 a382411.5 bN1203493560268297 b388017.0 aN2403493560268302 b387517.0 a灌溉；SM：秸秆地膜灌溉；DI：盈亏灌溉。4、讨论1980 前在中国北方，秸秆通常用作动物饲料。在过去的30 年里，农事操作已 经改变了，现在一些农民饲养奶牛或马。秸秆的处理是一个严重的问题。许多农 民焚烧小麦和玉米秸秆，这引起了空气污染，土壤有机质含量下降。为了提高土 壤肥力和节约用水，当地政府鼓励农民将秸秆还田。秸秆覆盖的使用就

26、是按照了 这建议。许多研究已经证实，秸秆覆盖有利于保持土壤水分，减少杂草的生长。 然而，秸秆覆盖对作物产量的影响是不一致的。稻壳和秸秆覆盖在半干旱地区的 印度和湿润的亚热带地区的孟加拉国可以提高小麦产量。相比之下，其他的研究 报告表明秸秆覆盖会减少冬小麦产量。我们的研究结果表明，相对于 CFI 处理， SM+DI 处理中，小麦产量下降而玉米产量增加。对于小麦产量这种下降的一种解 释是秸秆覆盖降低了土壤温度和在早春延迟了小麦生长。在附近的一个田块，在 SM处理下，3月0-0 cm 土壤平均温度是8.5C，而CFI处理是9.5C。在SM处 理下，10-20 cm 土壤平均温度是7.3C,而CFI处

27、理是8.0C。相反，在SM处理 下，较低的土壤温度和较大的土壤含水量可能对夏玉米生长有益。在半湿润和副 热带地区与不覆盖相比，秸秆覆盖条件下较低的土壤温度有利于增加马铃薯产量。 这些结果表明，秸秆覆盖对作物产量的影响取决于作物和气候条件。在 RF + DI 中，在播种时，塑料薄膜覆垄将降雨和径流沟引入沟中。该方法不 仅收获了水，也降低了土壤水分蒸发，提高土壤温度。以前的研究表明， RF + DI 显著提高了小麦和玉米产量。所以，RF + DI从2000年在中国西北甘肃和陕西省 等已被广泛采用。在我们的研究中，与CFI处理相比，RF + DI处理六年多使玉米 总产量增加了 17.4%,小麦总产量

28、增加了 1.6%与CFI处理相比（表2和表3）。玉 米产量的增幅比小麦大可能是因为小麦种植面积的减少达24%，（CFI田块21 行, RF + DI田块16行），而种植玉米的面积没有变化。王等人（2009）发现，在1:1 的RF情况下（60cm垄，60cm沟）的玉米产量和水分利用率比1:2的RF情况下 （30cm垄，60cm沟）低。产量和水分利用率的降低可能是由于1:1的RF减少了 种植面积。显然，RF + DI对作物产量的影响是一个特定地点的沟垄比。在降雨量 小的地区，一个相对高的沟垄为植物生长收集更多的水；降雨量大的地区，低沟 垄比可以增加种植面积和产量。因此，沟垄的最佳比例应由各个位置确

29、定。RF + DI处理玉米产量和水分利用率比SM + DI处理更大，这表明，塑料薄膜 覆垄与秸秆地膜犁沟（RF + DI处理）结合比SM + DI处理在土壤水分和温度条件 上更优化了玉米生长。观察表明，玉米水分利用率高于小麦是可以预期的，因为 玉米是c4作物而小麦是C3作物。与CFI方法相比，SM + DI和RF + DI处理不仅增加了玉米和小麦的产量，6 年多也总共节约了 350mm的灌溉水（表6）。DI处理相对传统的灌溉方法提高水 分利用效率，减少水的使用；然而，DI处理的小麦和玉米产量比SM + DI和RF + DI处理都要低。这表明，DI方法在这一地区并不是最有效的管理措施。本研究处

30、理中的常规灌溉并不是一个完整的灌溉，这种处理的灌溉率低于该区域正常灌溉 水平。因此，这些结果表明，在该地区增加作物产量和水分利用率有着巨大的潜 力。氮肥的施用降低0-200cm深度的储水，特别是在小麦收获后（表4），有种解 释是，施氮肥提高了冬小麦的叶面积指数和蒸腾速率。施氮显著提高小麦和玉米 的产量和水分利用率，说明施氮肥是提高所研究区域粮食产量的有效途径。邓等 人（2006）回顾四篇发表的研究报告，发现在中国北部和西北部，施用氮肥使小 麦和马铃薯水分利用率平均增加 20%。 N120 处理的小麦总产量是未施肥对照的 1.97倍，而玉米总产量仅为1.2 6倍。玉米对氮肥的响应比小麦低可能是因

31、为夏季 较高的土壤温度加速了土壤氮矿化。这会增加土壤速效氮，从而减少玉米对肥料 氮的吸收。 N240 和 N120 处理的籽粒产量和水分利用率无显著差异，这表明过量 施氮对产量没有促进作用。节水管理措施和施氮对玉米产量在 2006 有显著的交互作用，这可能是因为那 年玉米生长的夏天年降雨量只有228mm，比平均值低43%（图1）。我们前面提到 只在夏玉米生长季的第一个月进行灌溉，在这之后，玉米完全是靠储存在土壤中 的水和降雨。小麦在 2005 和 2008 年的节水管理措施和氮肥之间有着显著的互作 关系，我们无法解释为什么交互效应只有在这两年显著。玉米产量在 2003 和 2008 年的变化超

32、过了小麦，这个结果可能是因为在夏玉 米生长季节的降水变化比在冬小麦生长季大。本研究的六年，在玉米生长季节降 水量变化范围为228-711mm，变异系数为39.6% （图1）。而在小麦生长季降雨量 是相对稳定的，变化范围为148-191mm，变异系数为11.2%。很明显，土地和水资源是有限的，农业为了养活世界的人口需要进一步强化 农业。作为一个密集的生产系统，本研究所说的麦-玉轮作系统每年两熟，增加了 每公顷的粮食总产量。冬小麦-夏玉米种植制度是在半干旱的亚热带和半湿润亚热 带地区与稻-麦种植制度保持水文平衡一个合适的选择。因此，该系统有望在全球 范围内的食品和营养安全发挥着越来越重要的作用，在

33、这一地区的不同地点发展 节水管理措施需要进一步的研究。5结论六年中SM + DI和RF+ DI处理不仅增加了总谷物的产量，还比CFI处理节约 了约350mm的灌溉用水。DI处理相对于CFI处理而言增加了水分利用效率和土壤 含水量；然而，DI处理的总收产量还不如SM + DI和RF+ DI处理的。因此，我 们得出结论， 在这个地区的冬小麦夏玉米轮作中使用水资源保护和收集措施与盈 亏灌溉相结合是一种增加产量和水分利用效率的有效方式。致谢本研究受国家自然科学基金( 30230230)、国家 863 高技术研究发展计划 (2006AA100202),和国家“ 一五”科技支撑计划项目(2008BADA4B09)资 助。对田霄鸿、高亚军，翟丙年，王林权等博士，以及为田间试验做了协助的同 学表示感谢。