摘要
提高作物产量和水分利用效率是西北黄土旱塬玉米可持续生产的重要目标。通过 5 年田间定位试验，研究不同降水年型膜下秸秆还田的氮肥-水分-产量变化关系，旨在为黄土高原旱作农业区秸秆还田条件下的氮肥管理提供理论依据。本研究设置不施氮（CK）、常量施 N+ 秸秆还田（N 225 kg·hm-2+9000 kg·hm-2，F+TS）， 80%N+ 秸秆还田（N180 kg·hm-2+9000 kg·hm-2，80%F+TS），60%N+ 秸秆还田（N 135 kg·hm-2+9000 kg·hm-2， 60%F+TS）共 4 个处理。测定播前、抽雄－吐丝期和收获 0 ～ 200 cm 土层土壤含水量，调查玉米产量，计算农田耗水量、水分利用效率等指标。结果显示：春玉米土壤水分变化主要发生在 0 ～ 100 cm 土层，干旱年土壤含水量随深度增加逐渐降低，平水年土壤含水量随深度增加呈先增加后降低趋势，丰水年土壤含水量无明显变化。不同降水年型均以 80%F+TS 处理平均产量最高，为 12801.4 kg·hm-2，较正常施氮与秸秆还田配施平均增产 7.4%，较不施肥（CK）增产 51.4%。耗水量变化为丰水年 > 干旱年 > 平水年，干旱年各施肥处理耗水量显著低于 CK （P<0.05）；平水年 F+TS 和 80%F+TS 处理耗水量显著高于 60%F+TS 和 CK 处理（P<0.05），丰水年各施肥处理耗水量无显著差异（P>0.05）。水分利用效率在干旱年和丰水年均以 80%F+TS 最高，平水年以 60%F+TS 最高。相关性分析表明，耗水量和水分利用效率与产量呈极显著正相关（P<0.01）。因此，西北黄土旱塬旱作玉米田土壤含水量变化主要发生在 0 ～ 100 cm 土层，土壤含水量及耗水量因降水年型而异，产量和水分利用效率在不同降水年型均以 80%F+TS 处理最高。因此，西北黄土旱塬区在 9000 kg·hm-2 秸秆还田条件下，在常量施氮 225 kg·hm-2 基础上减 N 20% 优化了玉米耗水结构，提高了不同降水年型春玉米产量和水分利用效率。研究结果可为西北黄土旱塬及其类似生态区提供新的施氮与秸秆管理策略。
Abstract
Improving crop yield and water use efficiency is an important goal for the sustainable production of maize in the Northwest Loess Plateau．Through a 5-year field positioning experiment，the relationships among nitrogen fertilizer， water and yield changes under the condition of straw returning to the field under the film in different precipitation years were studied，aiming to provide a theoretical basis for nitrogen fertilizer management under the condition of straw returning to the field in the dry farming area of the Loess Plateau．In this study，a total of six treatments were set up，including no nitrogen application（CK），constant nitrogen application + straw returning to the field（N 225 kg·hm-2+9000 kg·hm-2， F+TS），80% nitrogen application + straw returning to the field（N 180 kg·hm-2+9000 kg·hm-2，80%F+TS），and 60% nitrogen application+ straw returning to the field（N 135 kg·hm-2+9000 kg·hm-2，60%F+TS）．The soil water content in the 0-200 cm soil layer before sowing，during the tasseling-silking stage and at harvest was measured．The maize yield was investigated，and the indexes such as farmland water consumption and water use efficiency were calculated． The results showed that the change of soil water content of spring maize mainly occurred in the 0-100 cm soil layer．In dry years，the soil water content gradually decreased with the increase of depth．In normal water years，the soil water content first increased and then decreased with the increase of depth．In wet years，there was no obvious change in the soil water content．In different rainfall years，the 80%F+TS treatment had the highest average yield，which was 12801.4 kg·hm-2， increasing by 7.4% on average compared with the combination of normal nitrogen application and straw returning to the field， and increasing by 51.4%，compared with CK．The change of water consumption was wet year > dry year > normal water year． The water consumption of each fertilization treatment in dry years was significantly lower than that of CK（P<0.05）．In normal water years，the water consumption of the F+TS and 80%F+TS treatments was significantly higher than that of the 60%F+TS and CK treatments（P<0.05）．There was no significant difference in the water consumption of each fertilization treatment in wet years（P>0.05）．The water use efficiency was the highest in the 80%F+TS treatment in both dry years and wet years，and the highest in the 60%F+TS treatment in normal water years．Correlation analysis showed that water consumption and water use efficiency had a very significant positive correlation with yield（P<0.01）．Therefore，the change of soil water content in the dryland maize fields in the Northwest Loess Plateau regions mainly occurred in the 0-100 cm soil layer．The soil water content and water consumption varied with different rainfall years．The yield and water use efficiency were the highest in the 80%F+TS treatment in different precipitation years．Therefore，in the dry loess hilly regions of northwest China，under the condition of 9000 kg·hm-2 straw returning to the field，reducing nitrogen by 20% on the basis of the constant nitrogen application of 225 kg·hm-2 could optimize the water consumption structure of maize and improve the yield and water use efficiency of spring maize in different rainfall years．The research results provided a new nitrogen application and straw management strategy for the Northwest Loess Plateau and its similar ecological regions.
推进化学氮肥减量施用是加快农业全面绿色转型的必然要求。玉米是甘肃省第一大粮食作物，常年播种面积稳定在 100 万 hm2，其中旱地玉米面积稳定在 66.7 万 hm2 以上，总产 640 万 t，是确保全省粮食总产稳定在 1200 万 t 以上的主体。氮是作物必需营养元素，也是限制作物产量的主要因子。地膜覆盖栽培的增温保墒效应使作物产量得以持续提升，同时也刺激施氮量急剧增加。氮肥适量施用能提高作物产量，但过量施氮并不能使作物增产，反而消耗大量土壤水分，降低水分利用效率[1]，尤其在因水分短缺使肥料养分难以被作物充分吸收利用的北方旱作区尤为突出[2]。调查研究表明，西北黄土旱塬区农田平均施 N 量为 276.0 kg·hm-2，最高可达 450 kg·hm-2，远高于地膜玉米适宜施氮量阈值 150～225 kg·hm-2[3]。秸秆还田替代化学氮肥在促进土壤蓄水保墒及提高作物生产力，减轻面源污染等方面具有正向作用[4-6]。已有研究表明，西北旱作区有机物料替代部分含 N 化肥可使玉米产量和水分利用效率分别提高 15.6%～18.2% 和 15.7%～22.3%[7]。李波等[8]报道了东北半湿润区秸秆深埋能有效提高春玉米田土壤持水能力和剖面土壤耗水量，而生育期总耗水量降低。曾莉等[9]认为，秸秆还田配合施氮会增加土壤耗水量，降低水分利用效率，而周怀平等[10]认为，长期秸秆还田降低生育期耗水量，提高玉米水分利用效率，同时还认为，经过连续 19 年定位秸秆还田后，较试验前 3 m 土层土壤贮水量增加，显著提高 100 cm 土层以上土壤贮水量，减少该土层以下土壤贮水量。同时，本团队前期研究结果已明确：在施 N 225 kg·hm-2 条件下，9000 kg·hm-2 秸秆还田替代 20% 化肥 N，实现旱地玉米增产 6.8%[11]。然而，针对西北黄土高原降水不足及其年际、年内分配不均的生产实际问题[12]，如何通过优化水氮利用以提高玉米产量至关重要。然而，针对不同降水年型条件下的秸秆与氮肥管理对玉米耗水量、水分利用效率和产量的影响尚不清楚。因此，本研究在西北黄土旱塬布置了为期 5 年的田间定位试验，探讨不同降水年型下等量秸秆还田与减 N 配施的土壤水分变化特征及产量效应，为旱作农业的可持续高效发展提供理论支撑。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验于 2016—2020 年在农业农村部西北旱作营养与施肥科学观测实验站（甘肃省庆阳市镇原县上肖镇梧桐村，35°29′42〞N，107°29′36〞E）进行，土壤类型为发育良好的覆盖黑垆土，质地疏松深厚，0～20 cm 土层平均容重为 1.25 g·cm-3，田间持水量在 21.0%～23.8%，饱和含水量平均为 32.9%，萎蔫系数在 9.0%～12.0%。该区近 30 年 （1991—2020 年）年均降水量和年均温分别为 503.3 mm 和 10.3℃，降水季节和年际间分配不均，年降水量 60% 以上的降水主要集中在 7—9 月，年蒸发量 1532 mm，无霜期 170 d，海拔 1279 m，500 mm 以上降雨量保证率为 57.1%，为暖温带半湿润偏旱大陆性季风气候，地下水埋深 50～100 m，人为不灌溉，属典型的旱作雨养农田区。
1.2 降水年型划分
降水年型依据干燥指数（DI）=（P−M）/σ 进行划分，式中，P 为当年降水量（mm）；M 为多年平均降水量（mm）；σ 为多年平均降水均方差。DI ＜-0.35 为干旱型，DI ＞ 0.35 为丰水型，-0.35 ≤ DI ≤ 0.35 为平水型。借用降水年型划分方法，按照生产年和生育期降水量把不同年份春玉米生长期划分为不同降水年型，划分结果（表1）如下：按春玉米生育期降水量划分为干旱年型（2016 年）、平水年型（2017、2019 年），丰水年型（2018、 2020 年）。试验期间年均降水量和生育期降水量分别为 568.5 和 411.1 mm，生育期除丰水年型外， ≤ 5 mm 降水频次平均为 16.1%，而 7 月是黄土旱塬玉米抽雄 − 扬花期，此阶段降水量多寡直接影响玉米产量，其中 2016 和 2018 年一次性发生＞ 50 mm 的高强度降水各 1 次，分别为 65.0 mm（2016 年 7 月 19 日） 和 54.0 mm（2018 年 7 月 11 日），分别占生育期降水量的 22.8% 和 10.8%。
1.3 试验设计及种植方式
1.3.1 试验设计
试验采用随机区组设计。春玉米长期连作定位试验始于 2016 年，设 4 个处理，每年均按照试验设计投入氮、磷化肥和玉米秸秆（表2）。3 次重复，小区面积 4.4 m×5 m=22.0 m2。
表1试验区降水量（2016—2020 年）
注：D，干旱年型；H，丰水年型；N，平水年型。
表2试验处理及用量
1.3.2 种植方式
采用厚度 0.01 mm 聚乙烯地膜全地面覆盖，幅宽 1.2 m。参试品种为耐密、抗逆性好的丰产玉米品种‘先玉 335’（Zea mays L.，Xianyu 335）。密度 7.5 万株·hm-2，行距 55.0 cm，株距 24.2 cm，8 行区。2016 年 4 月下旬人工穴播，确保每穴 1 苗，9 月中旬收获。氮、磷肥和玉米秸秆[春季覆膜前采用自力牌滚筒式电动铡草机（9Z−0.4 型）粉碎 3～5 cm，耕层（0～25 cm）翻压还田]按试验设计用量施入，整个生育期不再追氮肥，试验期间不施钾肥。其他管理措施同当地玉米高产田一致。
1.4 测定指标及计算方法
1.4.1 降水量
采用水量器（MM−950，美国）记录当地逐日降水量。
1.4.2 产量测定
每个小区选择长势均匀一致处作为采样区，在此区域内按整行逐株取 30 株测产，脱粒后用谷物水分测定仪（PM−8188−A，泰州市维科特仪器仪表有限公司，江苏，中国）测定含水量，然后换算成标准含水量（14 %）下的公顷产量。
1.4.3 土壤水分
采用土钻人工分层取土，烘干称重法测定。分别在播种、吐丝期和收获期由地表向下依次取 0～200 cm 土层水分，每 20 cm 作为一个取样层，所取土样测其湿重后，在 105℃烘箱内烘至恒重后称干重。3 个重复分别测定，取样位置为膜上玉米株间。
1.5 计算公式
土壤重量含水量（%）=（湿土重量 − 烘干土重量）/ 烘干土重量 ×100
利用公式（1）计算土壤贮水量[13]：
(1)
式中，SWS 为 0～200 cm 土层土壤贮水量（mm）；D 为土壤容重（1.3 g·cm-3）；H 为土层厚度（每层 20 cm）；W 为土壤重量含水量（%）。
利用公式（2）[14]计算生育期耗水量：
(2)
式中，ET 为作物生育期耗水量（mm）；P 为作物生长期总降水量（mm）；R 为径流量（mm）；U 为地下水补给量（mm）；F 为深层渗漏量（mm）；ΔW 为 0～200 cm 土层玉米播种时与收获时的土壤贮水量之差（mm）。研究区域地下水埋深 80 m 以下，其上移补给可忽略不计；同时，试验田地势平坦，土壤疏松多孔，无地表径流产生，所以 F、U、R 可忽略不计[15]。因此，该公式可简化为
(3)
(4)
式中，Y 为含水量 14% 时玉米籽粒产量，ET 为玉米生育期耗水量（mm）。
1.6 数据处理
采用 Excel 2010 整理数据并作图，DPS 19.05 进行统计分析，显著性检验采用 LSD（P＜0.05）法。
2 结果与分析
2.1 秸秆深埋还田与减 N 配施对春玉米土壤剖面水分分布的影响
秸秆深埋还田与施氮量的不同使春玉米吐丝期 0～200 cm 土层土壤剖面水分分布出现明显差异。结果（图1）表明，春玉米土壤水分变化主要发生在 0～100 cm 土层内，且该范围土层水分盈亏与氮肥施用量及降水年型有关，100～200 cm 为土壤水分稳定层。从不同降水年型及施肥措施对比来看，干旱年型的 2016 年 0～40 cm 土层土壤含水量较高（测定时间为 7 月 21 日）与 7 月 19 日一次性降水 65.0 mm 有关。虽然降水补充了土壤水分，但 0～80 cm 土层随深度增加，土壤含水量逐渐降低。肥料处理间 0～200 cm 土层土壤平均含水量变幅在 15.4%～16.4%，肥料处理间以 80%F+TS 含水量较低。平水年型的 2017 和 2019 年在 0～100 cm 土层随深度增加，土壤含水量呈先增加后降低的趋势，100 cm 以下土层含水量趋于稳定。肥料处理间 2017 和 2019 年 0～200 cm 土层含水量变幅分别为 11.9%～12.6% 和 17.7%～19.4%，以 80%F+TS 含水量较低。丰水年型的 2018 和 2020 年不同土层土壤含水量均较高，肥料处理间 0～200 cm 土层平均含水量变幅分别为 20.9%～21.1% 和 21.5%～21.7%，无明显差异。
图1各处理春玉米抽雄－吐丝期土壤剖面水分分布
2.2 降水年型对玉米产量、耗水量及水分利用效率的影响
不同处理春玉米产量、耗水量及水分利用效率方差分析结果（表3）表明，降水量、肥料及降水量和肥料互作对春玉米产量、耗水量影响极显著 （P<0.01），降水和肥料对水分利用效率影响极显著 （P<0.01），而二者互作对水分利用效率无显著影响 （P>0.05）。
表3各处理对春玉米产量、耗水量和水分利用效率影响的方差分析
对不同降水年型各施肥措施的春玉米产量、耗水量和水分利用效率研究结果（图2）表明，不同降水年型各施肥措施玉米产量无明显差异，以 80%F+TS 处理产量最高，干旱年、平水年和丰水年较其他施肥措施产量增幅分别为 7.3%～8.8%、 9.3%～16.3%、4.1%～5.0%，较 CK 依次增加 27.3%、65.0%、55.3%，产量增幅随降水条件改善呈先增后降趋势，不施肥（CK）处理产量增加与施肥措施存在类似变化趋势。不同降水年型各施肥处理平均耗水量变化为丰水年 >干旱年 >平水年。具体来看，干旱年各施肥措施耗水量显著低于不施肥（CK）处理（P<0.05），施肥处理以 80%F+TS 耗水量最高，显著高于 60%F+TS 处理 6.3%，与 F+TS 处理无显著差异。平水年 80%F+TS 和 F+TS 处理耗水量显著高于 60%F+TS 和不施肥（CK）处理（P<0.05），分别提高 10.9%、7.7% 和 31.8%、 28.0%。丰水年 80%F+TS 处理耗水量分别明显低于 60%F+TS 和 F+TS 处理 3.2% 和 2.8%。水分利用效率在不同降水年型与 CK 差异显著，平水年 100%F+TS 和 80%F+TS 与 60%F+TS 处理水分利用效率差异显著。
图2不同降水年型各施肥处理对春玉米产量、耗水量和水分利用效率的影响
注：不同小写字母表示各处理间差异显著（P<0.05）。
2.3 春玉米产量、耗水量与水分利用效率相关性分析
相关性分析（图3）表明，春玉米产量与耗水量和水分利用效率呈极显著正相关（P<0.001），相关系数分别为 0.76 和 0.69。
图3春玉米产量、耗水量和水分利用效率相关性分析
注：*** 表示相关关系达 0.001 水平。
3 讨论
化肥是提高春玉米产量的有效途径之一，为了获取更高产量，氮肥过量施用不仅使氮肥利用率降低，还导致土壤氮素养分流失和水体富营养化[16]，严重违背了农业可持续发展理念[17]。秸秆还田与减氮配施是改善这一现象的有效举措，但秸秆还田对作物产量的影响因还田方式、秸秆种类、土壤类型、生态条件等存在一定差异。一定范围内秸秆还田量与作物绝对产量成正相关，当秸秆还田达一定量后，作物边际产量会减少，甚至减产。王小彬等[18]认为，秸秆还田配施适量的氮肥可以稳定或者提高作物产量，而戴相林等[19]认为，秸秆还田结合适量减氮对作物产量无负影响。李有兵等[20]认为，秸秆还田配合减 N 降低作物产量，这与地区气候、秸秆还田方式及数量、土壤性质、减 N 幅度等因素造成某些还田方式影响土壤蓄水保墒、温度等使得产量不增加甚至减产有关[21-22]。本研究结果显示，减 N 20% 与秸秆还田配施相较于正常施氮与秸秆还田配施，在干旱、平水和丰水年型春玉米产量分别提高 8.8%、9.3% 和 4.1%，平均增加 7.4%。同时发现，在干旱年和丰水年玉米产量相较于平水年更高。究其原因，可能与降水时期及其分布有关，如干旱年的 2016 年 7 月降水 105.2 mm，占生育期降水量的 36.9%，丰水年的 2018 年和 2020 年 7 月分别降水 253.9 和 126.5 mm，占生育期降水量的 50.6% 和 28.1%，平水年的 2017 年和 2019 年 7 月降水量分别为 64.1 和 65.5 mm，占生育期降水量的 14.6% 和 17.3%。7 月是陇东黄土旱塬玉米抽雄－扬花期，也是玉米需水关键期，此时期充足的降水为玉米高产提供了水分保障。
土壤水分是影响西北黄土旱塬春玉米产量高低的关键因素，对于雨养农业而言，土壤含水量与降水量、作物耗水量和蒸发量密切相关[23]。本研究结果表明，干旱年型 0～100 cm 土层土壤含水量随土层深度增加而降低，平水年型 0～100 cm 土层土壤含水量均随土层深度增加呈先增后降趋势，丰水年 0～100 cm 土层土壤含水量无明显变化。干旱年和平水年降水少且分布不均，降水不能补充春玉米耗水需求，出现下层水分亏缺，丰水年生育期降水量、降水次数及分布相对均匀（表1），使其在土壤中再分配致使 0～100 cm 土层土壤水分达到动态平衡[24]。赵亚丽等[25]、余坤等[26] 研究认为，秸秆还田土壤含水量更高，表明秸秆还田改变了土壤孔隙度的大小和类型，使大小孔隙度兼备，更有利于深层土壤水分的储备。李波等[8]对半湿润区秸秆还田研究发现，秸秆还田可以提高土壤对雨水的拦蓄能力，增加土壤持水能力。本研究结果也发现，秸秆还田处理在不同降水年型 0～200 cm 土层土壤含水量较高，与赵亚丽等[25]研究结果基本一致。与秸秆不还田处理相比，秸秆还田与减 N 配施处理显著增加了水分利用效率，原因在于秸秆还田能有效抑制水分的无效蒸发，增加土壤的蓄水保墒能力[27]。同时，改善了土壤结构，为土壤微生物的活动提供了良好的条件，进而提高了春玉米的产量和水分利用效率[28-29]。
4 结论
陇东黄土旱塬玉米田土壤含水量变化主要发生在 0～100 cm 土层内，土壤含水量及耗水量因降水年型而异，不同降水年型均以 80%F+TS 显著提高春玉米产量和水分利用效率。因此，西北黄土旱塬区在 9000 kg·hm-2 秸秆还田条件下，在常量施氮 225 kg·hm-2 基础上减 N 20% 优化了玉米耗水量结构，提高不同降水年型春玉米产量和水分利用效率，可作为半湿润偏旱区春玉米高产高效用水和秸秆资源化利用技术推广应用。