全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2015, 41(11): 17261739 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2013AA102902-5), 国家科技支撑计划项目(2015BAD22B02), 国家自然科学基金项
目(31571620)和国家公益性行业(农业)科研专项经费项目(201303104)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 李军, E-mail: junli@nwsuaf.edu.cn
第一作者联系方式: E-mail: zhangyujiao@nwsuaf.edu.cn, Tel: 15029904879
Received(收稿日期): 2014-12-17; Accepted(接受日期): 2015-07-20; Published online(网络出版日期): 2015-08-05.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20150805.0925.008.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2015.01726
渭北旱塬免耕/深松轮耕麦田产量和土壤水分对施肥的响应模拟
张玉娇 1 李 军 1,* 郭 正 2 岳志芳 2
1西北农林科技大学农学院, 陕西杨凌 712100; 2西北农林科技大学林学院, 陕西杨凌 712100
摘 要: 为探索不同肥力水平对渭北旱塬连作冬小麦田在长周期免耕/深松轮耕措施下土壤蓄水保墒和作物增产效
应的影响, 在模拟精度验证基础上, 应用 WinEPIC模型长周期定量模拟研究了 1980–2009年渭北旱塬免耕/深松轮耕
连作麦田 5个不同施肥水平下(T1, N 75 kg hm–2+P2O5 60 kg hm–2; T2, N 120 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2; T3, N 150 kg
hm–2+P2O5 120 kg hm–2; T4, N 180 kg hm–2+P2O5 150 kg hm–2; T5, N 255 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2)冬小麦产量和土壤水
分效应。在 30 年模拟期间, 各处理的冬小麦产量、年度耗水量和水分利用效率均呈波动下降趋势, 下降幅度表现为
T5>T4>T3>T2>T1。0~5 m土层土壤有效含水量呈季节性波动降低趋势, 且随施肥水平的升高而降低, 5个处理的麦
田平均干燥化速率依次为每年 13.5、17.1、17.4、20.1和 23.9 mm。0~1.5 m土层土壤湿度随季节降水波动; 各处理
在不同深度形成稳定的土壤干层, 其中 T1在 1.5~2.0 m, T2和 T3在 1.5~3.0 m, T4和 T5在 1.5~4.0 m。上述结果表明,
随着肥力水平的增加, 旱作冬小麦产量和耗水量也增加, 土壤干层加厚。综合考虑认为, 在渭北旱塬免耕/深松轮耕
长期连作小麦田适宜的施肥量为纯氮 150 kg hm–2+P2O5 120 kg hm–2。
关键词: 渭北旱塬; 冬小麦产量; 施肥水平; 保护性耕作; WinEPIC模型模拟; 土壤水分
Simulating Wheat Yield and Soil Moisture under Alternative No-tillage and
Subsoil Tillage in Response to Fertilization Levels in Weibei Highlands
ZHANG Yu-Jiao1, LI Jun1,*, GUO Zheng2, and YUE Zhi-Fang2
1College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2College of Forestry, Northwest A&F University, Yangling 712100,
China
Abstract: This study aimed at understanding the responses of grain yield and soil moisture to fertilization level in dryland winter
wheat under long-term alternative no-tillage and subsoil tillage. The WinEPIC model was employed on the basis of precision veri-
fication with five fertilization levels (T1, N 75 kg ha–1+P2O5 60 kg ha–1; T2, N 120 kg ha–1+P2O5 90 kg ha–1; T3, N 150 kg
ha–1+P2O5 120 kg ha–1; T4, N 180 kg ha–1+P2O5 150 kg ha–1; and T5, N 255 kg ha–1+P2O5 90 kg ha–1) and the simulation period
was from 1980 to 2009. During the 30-year period, water consumption in the growing season and water use efficiency of winter
wheat tended to decrease in a fluctuating manner at different fertilization levels with the ranking sequence of T5>T4>T3>T2>T1.
In the 0–5 m soil depth, the monthly available soil moisture tended to decrease in a seasonally fluctuating manner and reduced
with the increase of fertilization amount. The soil desiccation rates from T1 to T5 were 13.5, 17.1, 17.4, 20.1, and 23.9 mm per
year, respectively. During the simulation period, the soil humidity in 0–1.5 m soil layer fluctuated with the seasonal rainfall. A
stable dry soil layer was found under all fertilization levels which was 1.5–2.0 m under T1, 1.5–3.0 m under T2 and T3, and
1.5–4.0 m under T4 and T5. These results indicate that grain yield and water consumption of winter wheat may increase with more
fertilizer input, however, the dried soil layer is thickened. In a comprehensive consideration, we suggest N 150 kg ha–1+P2O5 120
kg ha–1 to be the optimal fertilization rates in winter wheat under long-term alternative no-tillage and subsoil tillage in Weibei
Highlands.
Keywords: Weibei Highlands; Yield of winter wheat; Fertilization; Conservation tillage; WinEPIC simulation; Soil moisture
第 11期 张玉娇等: 渭北旱塬免耕/深松轮耕麦田产量和土壤水分对施肥的响应模拟 1727


渭北旱塬是我国北方典型雨养旱作农区[1-2], 干
旱缺水是当地粮食生产主要限制因素[3]。冬小麦是
该地区主要的粮食作物, 产量低而不稳[4-5]。研究表
明, 干旱胁迫不仅限制冬小麦的生长, 影响植株的
株高、地上部干重、根干重和总生物量, 还导致冬
小麦穗数、千粒重和穗粒数等产量构成因素的显著
降低[6]。施肥能够有效增加土壤生产力和有机碳含
量, 提高小麦产量[7]。施用氮肥对小麦产量和品质影
响显著, 适宜的氮磷钾配比及用量可促进冬小麦对
养分的吸收, 形成较大的群体数量和干物质, 提高
产量和肥料利用率, 产量随施肥量增加而提高[8-9]。
目前, 关于施肥增产的相关研究较多, 产量随施肥
量增加而提高 , 但超过一定限度后 , 增产不显著 ,
甚至减产 [9-11], 且施肥量增加会导致产麦田深层土
壤水分消耗, 发生持续性土壤干燥化[12]。保护性轮
耕将翻耕、深松、免耕等保护性耕作措施合理组合
与轮换, 能够克服各项单一土壤耕作措施弊端, 改
善耕层土壤结构与通气状况, 有利于充分和持续均
衡发挥保持水土和蓄水保墒效应, 促进作物生长发育
和提高作物产量[13-17]。柏炜霞等[18]研究表明, 免耕/深
松和深松/翻耕轮耕处理比传统连续翻耕增产 9.1%和
7.6%, 水分利用效率提高 9.6%和 11.0%。但由于轮耕
试验周期比较长、实施难度较大, 相关土壤轮耕和施
肥效应相结合的长期田间试验研究还不多见。
环境政策综合气候模型 EPIC (Environmental
Policy Integrated Climate)是美国农业部农业研究局
研制的农田生产和水土资源管理综合评价动力学模
型, 能够长周期连续定量模拟和评价“气候—土壤—
作物—管理”综合连续系统响应, 可用来定量评价农
田作物生产力和水土资源管理策略的效果[19-23]。本
研究采用的 WinEPIC3060 模型, 对土壤水分动力学
过程描述比较细致, 可以输出逐日分层土壤水分数
据, 适用于作物生产系统综合性模拟分析和应用研
究, 特别适合于旱地不同田间管理措施下土壤水分
生态环境效应的模拟和分析研究。WinEPIC模型能够
精确有效地模拟土壤中氮磷运转和不同耕作方式[24-25],
可较为精确地模拟不同施肥条件下作物轮作的产量
和土壤水分状况[26]。在模型中免耕、深松处理主要
是通过各土壤耕作处理参数差异体现的, 免耕时不
同的土壤耕作深度、秸秆和土壤混合效率、土壤紧
实度与深松、翻耕处理等能影响夏闲期土壤耕层结
构、土壤水分入渗和水分蒸发。本研究旨在定量分
析和评价不同降水年型下不同施肥水平下免耕 /深
松轮耕麦田的蓄水保墒效果和增产效应, 筛选该旱
作麦田最佳施肥量, 为渭北旱塬麦田蓄水保墒和增
产增收提供科学依据。
1 WinEPIC模型模拟方法
1.1 参数设置
选择陕西省合阳县为试验点。合阳县位于渭北
旱塬东部, 为暖温带半湿润易旱区, 海拔 850 m, 无
霜期 192 d, 年平均气温 11.8℃, 年平均降水量 571.9
mm, 主要集中在 7 月至 9 月, 年际间变化较大。运
行 WinEPIC 模型的必要参数包括当地逐日气象要
素、土壤剖面理化特性、作物生长参数和肥料参数
等模型数据集。由于缺乏合阳气象站多年逐日气象
数据, 本研究借用临近的白水气象站数据。白水县
与合阳县直线距离约 52 km, 同属于渭北旱塬暖温
带半湿润易旱气候区, 农业气象和农业生产条件基
本相同。白水站逐日实时气象要素包括 1980—2009
年逐日太阳辐射值、最高气温、最低气温、降水量、
相对湿度、风速、风向等。根据渭北旱塬冬小麦田
间试验测定数据和文献资料, 确定了渭北旱塬冬小
麦生理生态参数[18,22-23]。合阳县农田代表性土壤为
黑垆土, 土层疏松深厚, 土壤容重 1.31 g cm–3, 田间
持水量 25.2%, 饱和含水量平均为 33.9%。根据合阳
大田试验土壤数据, 土壤剖面理化性状参数包括土
壤质地、田间持水量、土壤含水量、容重和氮磷钾
等, 参考《陕西土壤》[27]中黑垆土土壤普查数据来
确定。本研究根据渭北旱塬农业生产的施肥习惯 ,
在 EPIC 模型中肥料数据库添加了尿素和磷酸二铵
两种肥料, 并对这两种肥料的参数进行修订, 包括
矿质氮和矿质磷等, 建立肥料参数数据库。
1.2 试验设计
试验区为冬小麦连作田, 前茬收获后秸秆全部
粉碎还田 , 播前采用免耕与深松交替的耕作模式 ,
其中深松为每隔 60 cm宽深松土壤 30~35 cm。根据
渭北旱塬麦田长期定位试验施肥处理和大田生产施
肥水平, 设置 5 种不同施肥水平, 即 T1 (N 75 kg
hm–2, P2O5 60 kg hm–2)、T2 (N 120 kg hm–2, P2O5 90
kg hm–2)、T3 (N 150 kg hm–2, P2O5 120 kg hm–2)、T4
(N 180 kg hm–2, P2O5 150 kg hm–2)、T5 (N 255 kg hm–2,
P2O5 90 kg hm–2), 其中氮磷肥分别为尿素和磷酸二
铵, 于每年 9月 25日播种施肥。供试冬小麦品种为
晋麦 47, 播量为 150 kg hm–2。
在实时气象条件下, 逐日定量模拟了 T1、T2、
1728 作 物 学 报 第 41卷


T3、T4 和 T5 施肥处理下旱作麦田作物生长和产量
响应、土壤水分动态变化过程。为了充分反映麦田
土壤水分消耗和降水补充平衡状况, 在模型输出的
麦田 0~5 m 土层土壤湿度逐日数据序列中, 选择每
月 15日麦田 0~5 m土层土壤有效含水量代表麦田该
月土壤有效含水量特征, 以便比较不同年份和不同
季节麦田土壤水分变化动态; 选择每年 8月 15日麦
田土壤湿度剖面分布数据来代表该年麦田土壤湿度
剖面分布特征, 比较分析不同耕作处理麦田土壤湿
度剖面分布逐年变化特征。
1.3 模型精度验证
WinEPIC 模型在长武旱塬麦玉轮作试验中, 不
同施肥条件下产量和土壤水分模拟值和观测值相关
系数均为 0.818~0.886 (P<0.01) [12,26]; 在其他地区农
田、草地和果园等不同土地利用类型条件下的模拟
验证相关系数均在 0.78以上(P<0.05) [28-31]。WinEPIC
模型能够较为准确地模拟大田作物产量和土壤水分
变化状况。
利用 2008—2013年合阳试点保护性耕作田间定
位试验数据为观测值 , 选取每年的产量和每隔3个
月的土壤水分数据验证 T1、T3和 T5施肥处理下免
耕/深松轮耕麦田冬小麦产量和0~3 m土层土壤有效
含水量模拟值(表1)。比较模拟值和观测值发现, 对
小麦产量和土壤有效含水量的模拟效果均令人满意,
模拟值与观测值相关系数均超过0.80, 达到极显著
水平(表2)。冬小麦产量模拟值平均值低于其观测值,
相对误差介于–3.12%和–12.03%之间(表2), 模型的
模拟精度是误差产生的重要原因; 对0~3 m 的土壤
有效含水量的吻合度较高(图1), 相对误差介于0.50%
和2.60%之间(表2)。
2 结果与分析
2.1 不同施肥处理下免耕/深松轮耕麦田耗水量
30 年模拟期内年度降水量平均值为 569.8 mm,
变化范围为 369.7~836.3 mm, 变异系数为 21.9%, 且
呈波动性下降趋势(图 2-A)。前 10 年(1980—1989)
平均降水量为 628.0 mm, 后 10年(2000—2009)平均
降水量为 573.3 mm, 后期较前期减少 54.7 mm。

表 1 不同施肥水平下免耕/深松麦田 0~3 m土层有效含水量模拟值与观测值变化
Table 1 Variation of simulated and observed available soil water amounts in 0–3 m soil layer of no-tillage/subsoil tillage system
under different fertilization levels (mm)
施肥水平
Fertilization level
最小值
Min.
最大值
Max.
平均值
Mean
标准差
SD
变异系数
CV (%)
T1 模拟值 Simulated 178.9 265.2 208.0 25.8 12.39
实测值 Observed 170.4 246.6 202.8 20.7 10.19
T3 模拟值 Simulated 82.3 167.1 114.7 26.0 22.66
实测值 Observed 84.9 155.3 111.7 23.0 20.58
T5 模拟值 Simulated 81.5 156.8 109.4 22.3 20.38
实测值 Observed 88.3 148.2 108.8 20.3 18.66
T1: N 75 kg hm–2+P2O5 60 kg hm–2; T3: N 150 kg hm–2+P2O5 120 kg hm–2; T5: N 255 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2.

表 2 不同施肥水平下免耕/深松麦田冬小麦产量与 0~3 m土层有效含水量模拟值与观测值
Table 2 Simulated and observed wheat yields and available soil water amount in 0–3 m soil layer under different fertilization levels
in no-tillage/subsoil tillage system
指标
Indicator
施肥水平
Fertilization
level
模拟值
Simulated
观测值
Observed
相对误差
Relative error
(%)
RMSE
回归方程
Regress equation
相关系数
r
T1 2.40 2.73 –12.03 0.507 y=0.9273x+0.5028 0.87**
T3 3.57 3.69 –3.12 1.412 y=1.2434x–0.6985 0.86**
小麦产量
Wheat yield
(t hm–2) T5 4.01 4.21 –4.91 0.818 y=0.9745x+0.3089 0.83**
T1 208.0 202.8 2.59 21.551 y=0.7540x+45.9170 0.89**
T3 114.7 111.7 2.64 9.964 y=0.8412x+15.269 0.90**
土壤有效含水量
Available soil water
amount (mm) T5 109.4 108.8 0.50 8.575 y=0.8737x+13.267 0.92**
相对误差=(模拟值观测值)/观测值; RMSE: 均方根误差; **表示相关性在 P<0.01水平显著。
T1: N 75 kg hm–2+P2O5 60 kg hm–2; T3: N 150 kg hm–2+P2O5 120 kg hm–2; T5: N 255 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2. Relative error =
(simulated  observed)/observed; RMSE: root mean square error. ** indicates a significant correlation at P< 0.01.
第 11期 张玉娇等: 渭北旱塬免耕/深松轮耕麦田产量和土壤水分对施肥的响应模拟 1729



图 1 不同施肥水平下免耕/深松麦田产量和 0~3 m土壤有效含水量模拟值与观测值比较
Fig. 1 Comparison of simulated and observed wheat yields and available soil water amounts in 0–3 m soil layer under different
fertilization levels in no-tillage/subsoil tillage system

根据冬小麦生产年度降水量(Pi)及多年降水量
的平均值 ( P )和均方差 (), 将其分为丰水年
( 0.33iP P   )、平水年( 0.33 0.33iP P P     )
和干旱年( 0.33iP P   ) 3 种年型[32]。模拟期内 3
年为平水年, 年度降水量为 528.6~611.0 mm; 2012
年为丰水年, 年度降水量超过 611.0 mm; 2014年为
干旱年, 年度降水量低于 528.6 mm。
冬小麦生产年度麦田耗水量与上年降水量有密
切关系。与平水年相比, 干旱年型麦田耗水量急剧
降低, 丰水年型耗水量明显升高(表 3)。由于年降水
量趋势性降低, 麦田耗水量也随着降水量年度变化
呈现波动性降低趋势。干旱年型 T5耗水量高于其他
施肥水平 , 差异显著 ; 平水年型 , 各施肥水平的耗
水量差异不显著; 丰水年型降水量明显增加, T4 耗
水量也明显增加, 与其他施肥水平差异显著。
随着降水量的减少, 冬小麦生产年度耗水量呈
现波动性降低趋势(图 2-B)。5 个施肥水平间差异显
著, T5的平均年耗水量最高, T4次之, T1最低(表 4)。
在 30 年模拟期内, 后 10 年的年度耗水量平均值低
于前 10年平均值, T1~T5分别降低 85.0、84.3、87.3、
72.9和 76.0 mm。
2.2 不同施肥水平下冬小麦产量和水分利用效
率
模拟期内 5个施肥水平的旱作麦田冬小麦产量
均随降水量年际变化呈现剧烈同步波动性变化趋势,
且施肥量越高, 冬小麦产量相应也越高(图 3和表 5)。
T2、T3、T4和 T5较 T1分别增产 39.9%、77.7%、
88.7%和 102.4%, 各施肥水平间产量有显著差异。但
是各施肥水平的小麦产量随时间均呈现明显的减产
趋势, T1~T5前 10年的平均产量分别为 2.62、3.55、
4.45、4.69和 5.01 t hm–2, 而后 10年的平均产量分
别为 1.81、2.56、3.16、3.37和 3.60 t hm–2, 减产率
依次为 31.1%、27.9%、29.1%、28.0%和 28.1%。
水分利用效率(WUE)是指作物消耗单位水分所
形成的经济产量。在模拟期内, T2、T3、T4和 T5的
WUE分别较 T1提高 14.2%、27.2%、38.1%和 46.8%,
各施肥水平间差异显著, 且施肥量越高 WUE 增长率
也越高(表 5)。30 年间小麦 WUE 均呈现波动性降低
趋势, T1~T5 前 10 年的 WUE 平均值分别为 8.44、
9.61、10.69、11.46和 12.24 kg hm–2 mm–1 (图 3), 而
后 10年降为 5.25、5.99、6.69、7.37和 7.83 kg hm–2
mm–1, 减少 37.8%、37.6%、37.5%、35.7%和 36.0%。
1730 作 物 学 报 第 41卷



图 2 模拟期间年度降水量(A)及各处理 0~5 m土层耗水量模拟值(B)
Fig. 2 Annual precipitation during the simulation period (A) and simulated water consumption in 0–5 m soil layer (B)
年度指小麦生长季, 如 1981表示 1980年 7月至 1981年 6月期间。土壤耗水量数据来自合阳试验点; 降水量为邻近的白水县数据,
由白水气象站提供。
Annual refers to wheat growing season, for example, the period from July 1980 to June 1981 is abbreviated with 1981. The water
consumption data were from Heyang site and the precipitations were from neighboring Baishui, provided by Baishui weather station.
T1: N 75 kg hm–2+P2O5 60 kg hm–2; T2: N 120 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2; T3: N 150 kg hm–2+P2O5 120 kg hm–2; T4: N 180 kg hm–2+P2O5
150 kg hm–2; T5: N 255 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2.

表 3 不同降水年型免耕/深松麦田平均耗水量模拟值比较
Table 3 Comparison of average simulated water consumptions in different rainfall years under no-tillage/subsoil tillage (mm)
施肥水平
Fertilization level
干旱年
Dry year
平水年
Normal year
丰水年
Rainy year
T1 518.1 b 633.7 a 652.7 b
T2 520.5 b 636.5 a 664.6 ab
T3 521.3 b 638.7 a 658.0 b
T4 526.1 b 631.6 a 687.4 a
T5 537.0 a 633.6 a 664.8 ab
同一列中数据后不同字母表示施肥水平间有显著差异(P<0.05)。
T1: N 75 kg hm–2+P2O5 60 kg hm–2; T2: N 120 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2; T3: N 150 kg hm–2+P2O5 120 kg hm–2; T4: N 180 kg hm–2+P2O5 150
kg hm–2; T5: N 255 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2. Values followed by different letters within the same column are significantly different at P < 0.05.

表 4 不同施肥水平 0~5 m土层年度耗水量模拟值的变化
Table 4 Variation of simulated water consumption in 0–5 m soil layer during winter wheat growing season under different
fertilization levels (mm)
施肥水平
Fertilization level
最小值
Min.
最大值
Max.
平均值
Mean
标准差
SD
变异系数
CV(%)
T1 320.2 853.6 577.0 b 151.6 26.3
T2 321.3 873.1 582.7 ab 155.3 26.6
T3 317.8 873.1 583.0 ab 156.1 26.8
T4 319.2 913.5 599.2 a 157.5 26.3
T5 313.5 933.4 608.8 a 162.5 26.7
平均值后不同字母表示施肥水平间有显著差异(P < 0.05)。
T1: N 75 kg hm–2+P2O5 60 kg hm–2; T2: N 120 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2; T3: N 150 kg hm–2+P2O5 120 kg hm–2; T4: N 180 kg
hm–2+P2O5 150 kg hm–2; T5: N 255 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2. Means followed by different letters are significantly different at P < 0.05.
第 11期 张玉娇等: 渭北旱塬免耕/深松轮耕麦田产量和土壤水分对施肥的响应模拟 1731


与平水年型相比 , 干旱年型的小麦产量和
WUE急剧降低 , 而丰水年型明显升高(表 6), 反映
出小麦产量和 WUE 与年度降水量密切相关。无论
哪种降水年型 , T2、T3、T4 和 T5 的小麦产量和
WUE 均明显高于 T1。在 30 年模拟期间 , 小麦产
量和 WUE 均随着施肥量的增加而升高 , 5 个施肥
水平间差异显著 , 以 T5 的产量和 WUE 最高 , T4
次之 , T1 最低。

图 3 不同施肥水平下冬小麦产量和水分利用效率模拟值动态
Fig. 3 Dynamics of simulated average yield and water use efficiency in winter wheat under different fertilization levels
T1: N 75 kg hm–2+P2O5 60 kg hm–2; T2: N 120 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2; T3: N 150 kg hm–2+P2O5 120 kg hm–2; T4: N 180 kg hm–2+P2O5
150 kg hm–2; T5: N 255 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2.

表 5 不同施肥处理下冬小麦产量和水分利用效率模拟值变化
Table 5 Variation of simulated yield and water use efficiency in winter wheat under different fertilization levels
指标
Indicator
施肥水平
Fertilization level
最小值
Min.
最大值
Max.
平均值
Mean
标准差
SD
变异系数
CV (%)
T1 0.26 5.01 1.99 e 1.17 58.6
T2 0.51 6.12 2.78 d 1.39 50.0
T3 0.78 7.06 3.53 c 1.53 43.3
T4 0.87 7.36 3.75 b 1.58 42.1
产量
Yield (t hm–2)
T5 1.07 7.70 4.03 a 1.61 40.0
T1 3.02 16.60 6.82 e 3.03 44.4
T2 3.16 18.42 7.79 d 3.41 43.8
T3 3.78 19.88 8.68 c 3.71 42.8
T4 4.03 20.93 9.42 b 3.86 41.0
水分利用效率
Water use efficiency
(kg hm–2 mm–1)
T5 4.13 21.43 10.01 a 4.13 41.3
平均值后不同字母表示施肥水平间有显著差异(P < 0.05)。
T1: N 75 kg hm–2+P2O5 60 kg hm–2; T2: N 120 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2; T3: N 150 kg hm–2+P2O5 120 kg hm–2; T4: N 180 kg
hm–2+P2O5 150 kg hm–2; T5: N 255 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2. Means followed by different letters are significantly different at P < 0.05.
1732 作 物 学 报 第 41卷


表 6 不同降水年型冬小麦产量和水分利用效率模拟值比较
Table 6 Comparison of simulated wheat yield and water use efficiency (WUE) in different precipitation years
产量 Yield (t hm–2) 水分利用效率 WUE (kg hm–2 mm–1) 施肥水平
Fertilization
level
干旱年
Dry year
平水年
Normal year
丰水年
Rainy year
干旱年
Dry year
平水年
Normal year
丰水年
Rainy year
T1 1.55 2.01 2.50 5.79 6.74 8.05
T2 2.20 2.83 3.45 6.64 7.84 9.12
T3 2.80 3.68 4.30 7.45 8.71 10.11
T4 3.03 3.94 4.54 8.12 9.73 10.87
T5 3.31 4.24 4.81 8.66 10.25 11.53
T1: N 75 kg hm–2+P2O5 60 kg hm–2; T2: N 120 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2; T3: N 150 kg hm–2+P2O5 120 kg hm–2; T4: N 180 kg
hm–2+P2O5 150 kg hm–2; T5: N 255 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2.

2.3 不同施肥处理下冬小麦水分胁迫和氮素胁
迫
干旱胁迫是指由于土壤供水量低于作物需水量
对作物生长产生的胁迫, WinEPIC 模型通过计算逐
日土壤有效含水量和逐日作物需水量判断作物生长
是否遭受干旱胁迫。在模拟期内, 不同施肥水平间
干旱胁迫日数差异显著, 并随施肥量增加而增加(表
7)。不同施肥水平下干旱胁迫日数变化趋势类似(图
4), 且与冬小麦生产年度降水量变化呈相反趋势 ,
即降水量呈逐年趋势性减少, 而干旱胁迫日数呈趋
势性增加, T1~T5的平均干旱胁迫日数从前 10年的
5.5、8.7、10.5、15.6和 21.4 d增加到后 10年的 36.2、
41.5、44.8、48.4和 56.7 d。
随着作物持续高强度耗水作用, 土壤水库贮水
量逐渐降低, 在模拟中后期阶段土壤供水量难以满
足作物需水量, 干旱胁迫逐渐显现并逐年加剧。施
肥量越高, 氮素胁迫(由于土壤氮素供应不足对作物
生长产生的胁迫)日数越大。WinEPIC模型中通过计
算逐日作物氮素需求量和逐日土壤氮素供给量判断
作物生长是否受到氮素胁迫。在 30年模拟期内, 不
同施肥水平间冬小麦生育期氮素胁迫日数差异显著
(表 7), 且变化趋势类似(图 4), 均呈现波动性上升趋
势, 其主要原因是随着土壤氮素逐年消耗, 在模拟
中后期采用全部化肥播种期基施的施肥方式, 至小
麦生长旺盛期土壤供氮量无法满足作物需氮量, 氮
素胁迫逐渐显现并呈现波动性加剧趋势。随着施肥
量增加, 氮素胁迫程度逐渐降低, 增加施氮量能明
显延迟氮素胁迫出现的时间, 降低氮素胁迫程度。
2.4 不同施肥处理免耕/深松麦田逐月土壤有效
含水量
土壤有效含水量是土壤总含水量减去凋萎湿度
含水量后可供作物吸收利用的有效水分含量。不同
施肥水平下 0~5 m土层逐月有效含水量呈现季节性
波动变化趋势(图 5)。在 30年模拟时段内, T2、T3、
T4 和 T5 的土壤有效含水量明显低于 T1 (表 8), T2
和 T3的土壤有效含水量变化曲线接近重合(图 5)。

表 7 不同施肥水平下冬小麦水分胁迫日数和氮素胁迫日数模拟值变化
Table 7 Variations in simulated water stress days and nitrogen stress days of winter wheat field under different fertilization levels (d)
指标
Indicator
施肥水平
Fertilization level
最小值
Min.
最大值
Max.
平均值
Mean
标准差
SD
T1 0 76 23.4 18.9
T2 0 83 28.3 21.0
T3 0 84 31.1 21.9
T4 0 87 35.1 22.4
水分胁迫日数
Water stress days
T5 0 93 42.2 24.7
T1 0 73 35.3 23.1
T2 0 65 30.7 21.5
T3 0 63 27.6 20.2
T4 0 61 25.5 19.6
氮素胁迫日数
Nitrogen stress days
T5 0 58 21.1 18.0
T1: N 75 kg hm–2+P2O5 60 kg hm–2; T2: N 120 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2; T3: N 150 kg hm–2+P2O5 120 kg hm–2; T4: N 180 kg
hm–2+P2O5 150 kg hm–2; T5: N 255 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2.
第 11期 张玉娇等: 渭北旱塬免耕/深松轮耕麦田产量和土壤水分对施肥的响应模拟 1733



图 4 不同施肥水平下免耕/深松麦田水分胁迫和氮素胁迫天数模拟值动态
Fig. 4 Dynamics of simulated water stress days and nitrogen stress days in different fertilization levels under no-tillage/subsoil
tillage system
T1: N 75 kg hm–2+P2O5 60 kg hm–2; T2: N 120 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2; T3: N 150 kg hm–2+P2O5 120 kg hm–2; T4: N 180 kg hm–2+P2O5
150 kg hm–2; T5: N 255 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2.

表 8 不同施肥水平下 0~5 m土层逐月土壤有效含水量模拟值变化
Table 8 Variation of simulated monthly available soil water amount in 0–5 m soil layer under different fertilization levels (mm)
施肥水平
Fertilization level
最小值
Min.
最大值
Max.
平均值
Mean
标准差
SD
变异系数
CV (%)
夏闲期
Summer fallow
T1 513.0 936.4 592.3 a 72.2 12.2 597.9 a
T2 410.0 936.4 505.5 b 86.5 17.1 509.7 b
T3 402.0 936.4 493.5 b 87.8 17.8 498.0 b
T4 322.0 936.4 420.1 c 101.2 24.1 420.0 c
T5 213.0 936.4 315.4 d 121.6 38.6 308.9 d
同一列中数据后不同字母表示施肥水平间有显著差异(P<0.05)。
T1: N 75 kg hm–2+P2O5 60 kg hm–2; T2: N 120 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2; T3: N 150 kg hm–2+P2O5 120 kg hm–2; T4: N 180 kg
hm–2+P2O5 150 kg hm–2; T5: N 255 kg hm–2+P2O5 90 kg hm–2. Values followed by different letters within the same column are significantly
different at P<0.05.

渭北旱塬降水集中在7月至9月, 正值冬小麦的
休闲期, 此时0~5 m土壤有效含水量多出现高峰。在
模拟初期, 当地年降水量较高, 初始土壤水分和养
分含量均较高, 因而模拟期第1~第2年(1980—1981)
的0~5 m 逐月土壤有效含水量随着作物生长而剧烈
波动性降低, 施肥水平对土壤有效含水量影响不大;
随着模拟年限延长, 土壤养分和水分亏缺现象逐渐
显现, 且年降水量趋势性降低, 施肥对麦田土壤水
分影响逐渐增大 , 模拟中前期5个施肥水平间差异
逐渐显现, 土壤有效含水量随着施肥量的增加而降
低, 0~5 m 土层土壤有效含水量表现为 T1>T2>T3>
T4>T5, 不同施肥水平变化趋势相似, 其中 T2和 T3
施肥处理逐月有效含水量变化曲线十分接近趋向于
重合(图 5)。在模拟第 1 年, 5 个施肥水平的 0~5 m
土壤有效含水量均为 936.4 mm, 但模拟结束时
(2009年 6月), T1~T5的土壤含水量分别为 543.9、
441.1、433.1、353.1和 244.3 mm, 比模拟开始时平
均每年减少 13.5、17.1、17.4、20.1和 23.9 mm。T1、
1734 作 物 学 报 第 41卷






图 5 不同施肥水平的麦田 0~5 m土层逐月土壤有效含水量模拟值动态
Fig. 5 Dynamics of simulated monthly available soil water amount in 0–5 m soil layer under different fertilization levels

第 11期 张玉娇等: 渭北旱塬免耕/深松轮耕麦田产量和土壤水分对施肥的响应模拟 1735


T2、T3和 T4的土壤有效含水量明显高于 T5, 且 T5
的土壤干燥化速度明显快于其他施肥水平, T1 的土
壤干燥化速度最慢, 麦田蓄水保墒效果较好。
5 个施肥水平下 , 以 T1 施肥处理夏闲期蓄墒
效果好 , T2 和 T3 次之 , T5 最差(表 8)。不同降水年
型夏闲期土壤有效贮水量有明显变化 , 在干旱年
型各施肥处理夏闲期土壤有效贮水量表现为
T1>T2和 T3>T4>T5, 说明低肥有利于夏闲期麦田
蓄水保墒。
2.5 不同施肥处理麦田土壤湿度剖面分布年度
变化
在模拟初期(1981—1987), 0~5 m土层土壤湿度
逐年降低 , 由模拟初期、中期(1991—1997)到末期
(2001—2007), 0~5 m土壤湿度也呈现递减趋势, 各
施肥水平下表现一致(图 6)。0~5 m土壤湿度均随着
施肥水平提高和模拟年限延长, 土壤干层逐年加深
和加厚, 之后形成稳定的土壤干层。模拟初期麦田
0~5 m土壤湿度随着年度降水而变化, T1、T2、T3、
T4 和 T5 施肥水平下, 土壤水分利用最大深度分别
达到 2 m (第 4~第 5年)、3 m (第 5~第 6年)、3 m (第
5~第 6年)、3 m (第 7~第 8年)和 5 m (第 8~第 9年);
到模拟中后期, 5个施肥水平下, 土壤湿度长期保持
在稳定低湿状态(0.085~0.089 m m–1左右)的土层深
度分别是 1.5~2.0、1.5~3.0、1.5~3.0、1.5~4.0和 1.5~
4.0 m。可见, 随模拟时间的延长深层土壤湿度也保
持稳定状态, 已不随降水发生年度变化, 只有 0~1.5
m 土壤湿度随降水发生年度变化, 尤以距地表 1 m
内的土壤湿度变化剧烈, 在降水量较高的雨季或严
重干旱年份, 1.0~1.5 m土层的土壤湿度也会发生明
显变化。在 30年模拟期内, 随着肥力水平的提高和
降水量的趋势性降低, 麦田土壤干燥化程度逐渐加
剧, 土壤干层逐渐加厚。

图 6 模拟初、中、后期不同施肥水平下 0~5 m土壤剖面分布特征变化
Fig. 6 Dynamics of soil moisture distribution in 0–5 m soil profile under different fertilization levels during initial, metaphase,
and telophase simulations
1736 作 物 学 报 第 41卷


3 讨论
氮素作为最主要的作物大量营养元素, 对提高
作物产量和改善品质具有重要作用[33]。轮耕有利于改
善耕层土壤结构与通气状况, 促进作物生长发育[17],
起到增产的作用。本研究在 1980—2009年模拟研究
期间 , T1~T5 肥力水平下冬小麦平均产量分别为
1.99、2.78、3.53、3.75和 4.03 t hm–2, WUE平均值
分别为 6.82、7.79、8.68、9.42和 10.01 kg hm–2 mm–1,
随着施肥量增加, 免耕/深松麦田产量和水分利用效
率随之升高, 这与王学春等[23]研究结论相似。免耕/
深松能够有效地提高麦田夏闲期土壤蓄水能力, 故
其产量较单一翻耕方式高。肥力越高, 作物耗水量
越大, 土壤有效含水量越低[30]。在本研究 30年模拟
研究期间, 冬小麦生产年度耗水量因年降水量变化
而有明显波动性降低趋势, T1~T5的 0~5 m土层生长
季耗水量平均值依次为 577.0、582.7、583.0、599.2
和 608.8 mm。耗水量随着施肥量的增加而升高, 这
一结果与在晋中半干旱区的研究结果[30]不同, 这可
能是免耕 /深松轮耕模式的蓄水效果及与施肥量的
互作效应带来的影响。由于 30年模拟期间冬小麦生产
年度降水量和耗水量均呈现波动性减少趋势, 导致冬
小麦产量和WUE模拟值均呈现波动性降低趋势。
在秸秆还田或覆盖条件下, 免耕、翻耕和深松
等不同保护性耕作措施各有优缺点, 免耕和深松有
利于减缓土壤侵蚀和蓄水保墒, 可使麦田降水蓄存
率由翻耕的 25%~35%提高到 50%~65%, 土壤贮水
量增加 60~120 mm [34-40]。研究表明, 2年免耕 1年深
松能保持较高的入渗率 , 增加入渗量和入渗速度 ,
增强土壤的水分入渗能力, 使土壤的蓄水、保墒能
力增强[41-42]。在本研究中, 土壤有效含水量随着肥
力水平的增加而降低, 0~5 m土层逐月土壤有效含
水量表现为 T1>T2>T3>T4>T5, 进一步印证随着施
肥量的增加, 作物耗水量增多, 土壤有效贮水量降
低[38]。无论在整个冬小麦生产年度还是夏闲期, 麦
田土壤贮水量均随着施肥量的增加而减少。王学春
等[12]研究表明, 低肥麦田的土壤有效含水量比高肥
麦田高 100~200 mm, 土壤干燥化速率慢(每年 46.7
mm)。我们通过研究 30年 0~5 m土层土壤湿度剖面
分布变化动态, 发现 0~1.0 m 土层土壤湿度年度变
化剧烈 ; 在降水量较高的雨季或严重干旱年份 ,
1.0~1.5 m 土层土壤湿度也会发生明显变化, 5 个施
肥处理均在模拟过程中发生了土壤湿度降低和土壤
干燥化程度加剧现象, 形成一定程度的稳定土壤干
层。T1为 1.5~2.0 m土层, T2和 T3为 1.5~3.0 m土
层, T4和 T5为 1.5~4.0 m土层。随着施肥水平提高,
土壤干层逐年加深加厚[30]。降雨量减少和作物耗水
量增加是土壤干层形成的主要原因, 合理控制农田
施肥量是控制农田土壤干层形成的有效途径[37-38]。
关于麦田土壤贮水量、产量和 WUE 模拟值趋
势性降低效应。在初期阶段, 麦田初始土壤含水量
较高, 且同期年降水量也较高, 所以麦田土壤有效
含水量较高; 但随着麦田肥力水平的提高, 麦田的
耗水量增加以及作物多年生产耗水, 导致麦田土壤
干燥化逐渐显现和加剧, 深层土壤供水能力逐渐削
弱, 土壤干层加厚。小麦生长则主要依靠当季降水
供给, 并且伴随自然降水趋势性减少导致麦田耗水
量降低, 由于干旱胁迫程度逐渐加剧, 最终导致麦
田产量和 WUE剧烈波动性降低。本研究中, 各施肥
水平下 0~5 m土层逐月土壤有效含水量呈现季节波
动性减少趋势, 30年间 T1~T5的土壤有效含水量分
别减少 392.5、495.3、503.3、583.3和 629.1 mm, 平
均每年减少 13.5、17.1、17.4、20.1和 23.9 mm, 相
当于麦田每年减少一场中等强度降水量。随着麦田
土壤有效贮水量下降和土壤供水年际调剂能力削弱,
麦田耗水量趋势性降低导致冬小麦产量和 WUE 同
步趋势性下降, 且产量和WUE年际波动性加剧, 这
也是旱作高产麦田土壤水分过耗导致的不良土壤水
分环境效应。
本研究采用WinEPIC模型长周期定量模拟不同
施肥水平下免耕 /深松麦田蓄水保墒和作物产量变
化动态, 弥补了传统田间试验中试验周期长、试验
难度较大等方面的不足, 能够较为快速、准确地获
得不同施肥条件下渭北旱塬旱作麦田较长时间序列
下免耕 /深松轮耕麦田的小麦生产力和水肥利用规
律。在本研究模型精度验证所采用的大田试验施肥
处理中包含了钾肥, 但 WinEPIC 模型中并不包含钾
素模块, 模拟结果对钾肥施用量并没有响应, 因而
模拟试验施肥处理中没有涉及钾肥相关内容。由于
黄土高原土壤富钾, 钾素尚不成为作物生长发育的
限制因素。今后需要进一步修订 EPIC模型, 补充和
完善钾素模块, 以便详细描述氮磷钾肥互作效应及
其对作物生长和土壤水分利用的影响。
4 结论
通过30年的模型模拟研究, 发现在免耕/深松轮
耕模式下, 施肥量越高小麦产量和 WUE 越高, 作
第 11期 张玉娇等: 渭北旱塬免耕/深松轮耕麦田产量和土壤水分对施肥的响应模拟 1737


物耗水量越大, 导致土壤有效含水量降低, 土壤干
燥化程度严重 , 土壤干层加厚 , 最终作物产量和
WUE增幅缩小, 施肥节水和增产报酬递减。在 5个
施肥处理中, T3的土壤有效含水量和土壤干层与 T2
接近, 深层土壤水分消耗较为适度, 但小麦产量增
幅明显, 节水和增产效果最好。从施肥对作物增产
影响和土壤水分可持续利用角度统筹考虑, 渭北旱
塬免耕 /深松轮耕麦田较为适宜的施肥水平为纯氮
150 kg hm–2、P2O5 120 kg hm–2。
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