黃土高原旱地小麥覆膜增產(chǎn)與氮肥增效分析

李廷亮，謝英荷，高志強，洪堅平，孟麗霞，馬紅梅，孟會生，賈俊香

（1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山西太谷 030801；2山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國家級實驗教學(xué)示范中心，山西太谷 030801；3山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷 030801；4山西省五臺縣氣象局，山西五臺 035502）

0 引言

【研究意義】小麥?zhǔn)屈S土高原地區(qū)主要糧食作物之一，僅山西、陜西、甘肅和寧夏地區(qū)種植面積就達270萬公頃，占中國小麥播種面積10%以上。黃土高原地區(qū)降水資源偏少且季節(jié)分布不均，水分不足直接或間接影響著旱地冬小麥產(chǎn)量形成及肥料利用效率。地膜自從 1978年引入中國，糧食單產(chǎn)普遍提高20%—30%[1]，同時覆膜促進了作物根系對土壤氮素的吸收利用。水肥耦合尤其是水氮協(xié)同供應(yīng)是實現(xiàn)旱地小麥增產(chǎn)增效的關(guān)鍵，“壟膜溝播”和“全膜覆土穴播”是黃土旱塬兩種典型的小麥覆膜方式，明確兩種覆膜方式下冬小麥產(chǎn)量形成規(guī)律、氮肥吸收運移特征以及兩者之間的關(guān)系，對推進黃土高原旱地小麥氮肥高效利用和保障糧食安全具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】旱地小麥高產(chǎn)關(guān)鍵在于水肥管理，地膜覆蓋會影響土壤水熱強度與分布，進而影響土壤養(yǎng)分供應(yīng)和作物產(chǎn)量形成。大量研究表明覆膜栽培可加大作物對深層土壤水分利用，并促進水分消耗由土面蒸發(fā)的物理過程向作物蒸騰的生理過程轉(zhuǎn)化[2-4]。同時可以改善地表溫度、活化土壤養(yǎng)分，調(diào)控根層土壤硝態(tài)氮分布和去向，促進作物地上部氮素積累和轉(zhuǎn)移，進而提高產(chǎn)量和氮肥利用率[5-7]。也有研究表明覆膜栽培降低了旱地小麥氮磷用量，卻提高了小麥的產(chǎn)量[8]?；试诩Z食增產(chǎn)中發(fā)揮了不可替代的作用，20世紀80年代我國化肥使用對糧食單產(chǎn)和總產(chǎn)增加的貢獻率分別為55%—57%和30%—31%，但后期由于化肥大量投入，對產(chǎn)量貢獻率在逐漸降低[9]。小麥地上部氮積累量、氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移量及花后氮素吸收量一定范圍內(nèi)隨施氮量增加而增加[10]，過量施氮則會加大氮素土壤殘留量和表觀損失量。15N示蹤標(biāo)記研究表明，土壤殘留肥料氮只有少量被作物逐年吸收，一部分以有機形態(tài)殘留在土壤剖面中，另一部分發(fā)生了無效損失[11]。合理氮肥調(diào)控和覆膜栽培可以提高植株對氮素的吸收以及生長后期莖葉氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移量，減少土壤肥料氮的殘留[5]。同時研究表明優(yōu)化施肥覆膜種植可構(gòu)建合理的群體結(jié)構(gòu)[12]、增加單穗結(jié)實率[13]和提高灌漿速率[14]，改善產(chǎn)量構(gòu)成三要素。但不同覆膜栽培方式因降水量差異、肥料投入量及比例不同對作物產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收利用的調(diào)控效果也會不同，旱地小麥高產(chǎn)高效的歸結(jié)點是在地表覆蓋水分周年調(diào)控的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)“以水定產(chǎn)”和“以產(chǎn)定肥”的水肥協(xié)調(diào)供應(yīng)效應(yīng)?！颈狙芯壳腥朦c】黃土高原是中國旱作小麥重要生產(chǎn)基地，以往對旱作小麥產(chǎn)量及氮素利用的研究多為不同施肥管理、耕作措施或覆蓋方式方面，而有關(guān)“壟膜溝播”和“全膜覆土穴播”周年覆蓋和監(jiān)控優(yōu)化施肥互作條件下旱地小麥增產(chǎn)和氮肥增效的協(xié)同效應(yīng)研究還鮮為報道。【擬解決的關(guān)鍵問題】本試驗在黃土高原東部旱塬冬麥區(qū)，研究“壟膜溝播”和“全膜覆土穴播”周年覆蓋和監(jiān)控優(yōu)化施肥互作對冬小麥產(chǎn)量形成、小麥氮素吸收轉(zhuǎn)運和土壤硝態(tài)氮殘留特征的影響，以期為我國旱作小麥高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于 2012—2016年在晉南黃土旱塬冬小麥種植區(qū)進行（36°22′ N，111°35′ E，海拔 648 m）。試驗區(qū)年均氣溫12.6℃，≥10℃活動積溫3 327℃，無霜期180—210 d，年均降水量約500 mm，約70%集中在6—9月。供試土壤為石灰性褐土，質(zhì)地為中壤土，2012年播前耕層土壤各養(yǎng)分含量為：有機質(zhì) 14.6 g·kg-1，全氮 0.87 g·kg-1，硝態(tài)氮 10.4 mg·kg-1，速效磷 10.4 mg·kg-1，速效鉀 168.2 mg·kg-1，陽離子交換量 27.3 cmol·kg-1，pH 7.9。 0—20、20—40、40—60、60—80和80—100 cm土層容重分別為1.21、1.35、1.35、1.30和 1.36 g·cm-3，100 cm 以下土層容重按 1.36 g·cm-3計。試驗期間（夏休閑期+生育期）降水量分布見表1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗研究不同施肥覆膜栽培措施下旱地冬小麥的產(chǎn)量形成規(guī)律和氮素吸收利用特征，設(shè)置4個處理。

處理1為農(nóng)戶模式（FP），施肥量為農(nóng)民當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥。種植方式為露地條播（播前淺旋耕，深度13 cm，露地不覆膜平作，行距20 cm），小麥?zhǔn)斋@后，留茬30 cm，秸稈粉碎覆蓋還田。

表1 冬小麥試驗期間降水量分布情況Table 1 The distribution characteristics of precipitation during the experiment period of winter wheat（mm）

處理2為農(nóng)戶施肥+壟膜溝播模式（RFSF1），施肥量同處理 1。種植方式為壟膜溝播（施肥整地后，起壟覆膜，溝內(nèi)膜側(cè)播種，播種2行，行距20 cm，壟寬35 cm，壟高10 cm，溝寬30 cm），小麥?zhǔn)斋@后，留茬 30 cm，繼續(xù)保持殘膜覆蓋，秸稈粉碎覆蓋還田。

處理3為監(jiān)控施肥+壟膜溝播處理（RFSF2），施肥量采用“1 m土壤硝態(tài)氮監(jiān)控施肥，0—40 cm土層磷鉀恒量施肥”技術(shù)[15-16]。

施氮量（kg N·hm-2）=作物目標(biāo)產(chǎn)量需氮量 + 播前1 m 土壤硝態(tài)氮安全閾值（110.0 kg N·hm-2）-播前1 m 土壤硝態(tài)氮（kg N·hm-2）；

施磷（鉀）量（kg·hm-2）=作物目標(biāo)產(chǎn)量需磷（鉀）量×施磷（鉀）系數(shù)；

施磷（鉀）系數(shù)依據(jù)0—40 cm土層速效磷鉀含量確定。其他管理方式同處理2。

處理 4為監(jiān)控施肥+全膜覆土穴播處理（WFFHS），施肥技術(shù)同處理3，種植方式為全膜覆土穴播（施肥整地后，采用120 cm寬幅膜平鋪地面，膜上覆土0.5—1 cm左右，進行穴播種植，播種深度3—5 cm，行距15—16 cm，穴距12 cm，每幅膜播7—8行），小麥?zhǔn)斋@后，留茬30 cm，繼續(xù)保持殘膜覆蓋，秸稈粉碎覆蓋還田。處理1、2、3和4的具體施肥量見表2。

冬小麥供試品種為長8744，播量為150 kg·hm-2，全生育期除自然降水外不灌溉。4年播種時間在9月30日至10月9日，收獲時間在6月5日至 6月10日，6月中旬至9月下旬為夏休閑期。每個處理重復(fù)4次，采用隨機區(qū)組排列，由于黃土旱塬地塊不規(guī)則及大小原因，小區(qū)面積為210—520 m2。

表2 試驗期各處理養(yǎng)分用量Table 2 The application rate of nutrients in different treatments during experiment period（N-P2O5-K2O, kg·hm-2）

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集 分別于冬小麥播前和收獲期采集2 m土壤樣品，每20 cm為一層，用于土壤硝態(tài)氮測定；冬小麥的開花期采集植株樣品，樣品分為莖葉、莖稈和穗3部分，收獲期采集植株樣品，樣品分為籽粒、莖葉、莖稈和穎殼+麥軸 4部分，用于各器官氮素含量測定；在收獲期于各小區(qū)中央收獲3 m×20 m樣方小麥，脫粒計產(chǎn)，并代表性選取3個1 m長的小麥樣段，調(diào)查穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重。

1.3.2 項目測定與方法

（1）植株氮素含量測定 小麥開花期和收獲期地上部各部分樣品分別烘干，粉碎，用濃 H2SO4-H2O2法消解，AA3連續(xù)流動分析儀（德國BRAN＋LUBBE公司）測定全氮。

（2）土壤硝態(tài)氮測定 稱取5 g新鮮土壤，加入50 mL 0.01mol·L-1CaCl2溶液，振蕩30 min，過濾，用AA3流動分析儀測定，并用烘干法測定土壤水分。

1.3.3 計算方法

各器官植株氮素積累量（kg·hm-2）= 干物質(zhì)質(zhì)量（kg·hm-2）×氮素含量（g·kg-1）/103；

花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量（kg·hm-2）= 花期地上部氮素積累量（kg·hm-2）-成熟期地上部營養(yǎng)器官氮素積累量（kg·hm-2）；

花后土壤氮素吸收量（kg·hm-2）= 籽粒氮素積累量（kg·hm-2）-花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量（kg·hm-2）；

氮素轉(zhuǎn)移貢獻率（%）=花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量（kg·hm-2）/籽粒氮素積累量（kg·hm-2）×100；

氮素吸收貢獻率（%）=花后土壤氮素吸收量（kg·hm-2）/籽粒氮素積累量（kg·hm-2）×100；

氮收獲指數(shù)（%）=籽粒氮素積累量（kg·hm-2）/地上部氮素積累量（kg·hm-2）×100；

氮素生理效率（kg·kg-1）=籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)/地上部氮素積累量（kg·hm-2）×100；

土壤硝態(tài)氮累積量（kg·hm-2）=土層厚度（cm）×土壤容重（g·cm-3）×土壤硝態(tài)氮含量（g·kg-1）/10；

氮表觀礦化量（kg·hm-2）=對照區(qū)地上部吸氮量（kg·hm-2）+對照區(qū)收獲后土壤殘留 Nmin 量（kg·hm-2）-對照區(qū)播前土壤無機氮量（kg·hm-2）；

氮表觀損失量（kg·hm-2）=[（施氮量（kg·hm-2）+播前土壤 Nmin量（kg·hm-2）+氮表觀礦化量（kg·hm-2）]-[作物吸收氮量（kg·hm-2）+收獲后土壤殘留 Nmin 量（kg·hm-2）]；

氮肥表觀利用率（%）=[施氮區(qū)地上部吸氮量（kg·hm-2）-對照區(qū)地上部吸氮量（kg·hm-2）]/施氮量（kg·hm-2）×100；

氮肥表觀殘留率（%）=（施氮區(qū)土壤殘留Nmin量(kg·hm-2)-對照區(qū)土壤殘留 Nmin 量(kg·hm-2)）/施氮量(kg·hm-2) ×100；

氮肥表觀損失率（%）= 100-氮肥表觀利用率（%）-氮肥表觀殘留率（%）。

1.4 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)使用 Microsoft Excel 2003整理，利用SPSS 20.0軟件進行檢驗統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果

2.1 覆膜施肥對黃土高原冬小麥產(chǎn)量形成的影響

試驗期間，農(nóng)戶模式處理冬小麥籽粒產(chǎn)量在1 967—4 350 kg·hm-2，均值 3367 kg·hm-2（表 3）。在農(nóng)戶施肥基礎(chǔ)上采用壟膜溝播種植，籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量分別提高 8.6%和 9.6%。在壟膜溝播種植方式基礎(chǔ)上進行監(jiān)控優(yōu)化施肥，籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量分別較農(nóng)戶模式提高 24.7%和 29.6%。在監(jiān)控施肥基礎(chǔ)上采用全膜覆土穴播種植，籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量分別較農(nóng)戶模式提高42.1%和44.2%。不同覆膜施肥處理間平均產(chǎn)量差異達顯著水平，其中WFFHS處理增產(chǎn)幅度最大，平均籽粒產(chǎn)量為4 785 kg·hm-2。F值檢驗表明，黃土高原旱地冬小麥產(chǎn)量具有極顯著的年際差異性，同時年份和覆膜施肥處理之間交互作用對冬小麥產(chǎn)量也具有極顯著的影響。

表3 黃土高原典型種植方式下冬小麥的產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成Table 3 Yield and its components of winter wheat under classic plant patterns in the Loess Plateau

從產(chǎn)量構(gòu)成看，試驗期間公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重的變異系數(shù)分別為18.3%、14.0%和13.3%，年度和不同覆膜施肥處理及其交互作用對公頃穗數(shù)均具有極顯著影響，年際差異對穗粒數(shù)和千粒重的影響大于不同覆膜施肥處理的影響，不同覆膜施肥處理總體上對冬小麥穗粒數(shù)沒有顯著影響。相關(guān)分析表明，籽粒產(chǎn)量與公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重的相關(guān)系數(shù)分別為0.822**、0.274和0.801**（n=16，r0.01=0.623）。表明黃土旱塬冬小麥產(chǎn)量形成主要取決于公頃穗數(shù)，其次是千粒重。不同處理間以WFFHS處理的穗數(shù)和千粒重最高，平均分別為581×104穗/hm2和44.3 g，全膜覆土穴播種植高產(chǎn)的原因很大程度上取決于其播種行距減小，冬小麥可充分利用水分和光照資源，群體穗數(shù)增加，因此覆膜和合理構(gòu)建群體是提高旱塬冬小麥產(chǎn)量的重要措施。不同覆膜施肥措施下黃土高原冬小麥?zhǔn)斋@指數(shù)沒有顯著變化，平均值為46.6%。

2.2 覆膜施肥對黃土高原冬小麥氮素積累轉(zhuǎn)移的影響

試驗期間，冬小麥地上部氮素積累量和籽粒吸氮量分別在 48.4—170.3 kg·hm-2和 39.1—139.8 kg·hm-2，總體表現(xiàn)為與對應(yīng)生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量一致的變化規(guī)律（表4）。覆膜結(jié)合監(jiān)控施肥可顯著提高冬小麥地上部和籽粒氮素積累量，其中以 WFFHS處理最高，平均氮素積累量和籽粒吸氮量分別較相同施肥量的 RFSF 2處理高 16.2%和 19.3%（P＜0.05）；冬小麥氮收獲指數(shù)較穩(wěn)定，對施肥、覆膜以及年際變化均無顯著響應(yīng)，維持在74.7%—83.6%，平均80.7%；氮素生理效率在34.2—46.0 kg·kg-1，不同處理之間平均氮素生理效率表現(xiàn)為覆膜種植較露地條播種植有 6.4%—9.2%的降幅；花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量與生物產(chǎn)量和經(jīng)濟產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)分別達0.959**和0.960**（n=16，r0.01=0.623），覆膜結(jié)合監(jiān)控施肥可顯著提高花前營養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移量，較農(nóng)戶模式提高了43.7%—100.1%。RFSF 2 和WFFHS處理的氮素轉(zhuǎn)移貢獻率為81.4%—88.8%，兩處理之間差異不顯著，但顯著高于FP和RFSF 1處理；花后氮素土壤吸收量表現(xiàn)為RFSF 2 和WFFHS處理總體低于FP和RFSF 1處理，且對應(yīng)的吸收貢獻率差異達顯著水平。

表4 黃土高原典型種植方式下冬小麥氮素積累轉(zhuǎn)移特征Table 4 N accumulation and translocation of winter wheat under classic plant patterns in the Loess Plateau

2.3 覆膜施肥對黃土高原麥田土壤硝態(tài)氮殘留的影響

圖1為2012年播前至2016年收獲期黃土旱塬麥田2 m土層硝態(tài)氮變化特征。2012年播前試驗田2 m土層硝態(tài)氮為145 kg·hm-2，其中70%集中在0—100 cm土層，表明長期施肥已導(dǎo)致黃土高原麥田土壤硝態(tài)氮在1 m土層殘留，殘留量達100 kg·hm-2以上，累積峰值在20—60 cm土層。經(jīng)過連續(xù)4年種植，F(xiàn)P和PFSF1處理發(fā)生了明顯的硝態(tài)氮殘留，主要集中在0—120 cm土層，其中農(nóng)戶模式處理2 m土壤硝態(tài)氮累積量最高，達 277 kg·hm-2，較 2012年播前增加了87.7%，在農(nóng)戶模式基礎(chǔ)上進行壟膜溝播種植 2 m土層硝態(tài)氮累積量可減少6.2%。而覆膜結(jié)合監(jiān)控施肥處理較2012年播前僅增加了15.7%—24.2%，其中以監(jiān)控施肥全膜覆土穴播種植硝態(tài)氮殘留量最低。比較2016年收獲期和2012年播前各處理在120—200 cm土層的硝態(tài)氮累積量，發(fā)現(xiàn)不同處理間有 10.2%—133.7%的增幅，表明試驗期間土壤殘留硝態(tài)氮有隨降水向下淋移的趨勢。

圖1 黃土高原典型種植方式下麥田2 m土層硝態(tài)氮殘留特征Fig. 1 Content of residual nitrate nitrogen in 2 m soil layers of wheat field under classic plant patterns in the Loess Plateau

2.4 覆膜施肥對黃土高原麥田土壤氮素平衡的影響

表5為4季冬小麥生產(chǎn)過程中2 m土層總體氮素平衡情況。因石灰性旱作土壤中礦質(zhì)態(tài)氮主要以硝態(tài)氮形式存在，故氮平衡中礦質(zhì)態(tài)氮以硝態(tài)氮含量計?？芍?，監(jiān)控施肥處理連續(xù)4年累積施氮量較傳統(tǒng)施肥減少31%。不同種植方式下累積氮表觀礦化量表現(xiàn)為全膜覆土穴播 ＞ 壟膜溝播 ＞ 露地條播，且差異達顯著水平。考慮到試驗田秸稈全部還田，作物氮素累積攜出量=前3季小麥籽粒吸氮量+第4季小麥地上部吸氮量，不同處理間作物氮素累積攜出量差異達顯著水平，以WFFHS處理最高，達430.5 kg·hm-2，高于4年累積施氮量（415 kg·hm-2），表明監(jiān)控施肥全膜覆土穴播種植更大程度地利用了歷年土壤殘留硝態(tài)氮和有機質(zhì)的礦化氮，同時表明監(jiān)控施肥條件下，連續(xù)覆膜種植在實現(xiàn)小麥高產(chǎn)的同時有降低土壤有機質(zhì)含量的風(fēng)險。監(jiān)控施肥覆膜種植較農(nóng)戶模式處理可減少2 m土層硝態(tài)氮殘留量，降低幅度為33.8%—38.4%（P＜0.05），其中以監(jiān)控施肥全膜覆土穴播種植處理最低。監(jiān)控施肥覆膜種植亦可減少氮素的表觀損失量，較農(nóng)戶模式處理低 29.5%—32.8%（P＜0.05），但壟膜溝播種植（RFSF1）處理較相同施肥量的農(nóng)戶模式處理氮素累積表觀損失量增加了18.7%（P＜0.05）?？傮w來看，各處理氮肥表觀利用率在 28.8%—56.7%，氮肥表觀殘留率在 12.1%—28.9%，氮肥表觀損失率在31.2%—49.6%，監(jiān)控施肥全膜覆土穴播處理具有相對低的氮肥表觀殘留率（12.1%）和氮肥表觀損失率（31.2%）以及相對高的氮肥表觀利用率（56.7%）。

表5 黃土高原典型種植方式下麥田土壤氮素平衡（kg·hm-2）Table 5 Soil N balance in wheat yield under classic plant patterns in the Loess Plateau

3 討論

3.1 黃土高原冬小麥產(chǎn)量形成特征

不同區(qū)域降水時空分布和土壤貯水能力差異是造成黃土高原旱地冬小麥產(chǎn)量差異的主要原因，合理的水肥管理是提高旱地小麥生產(chǎn)力的重要措施。本研究表明，農(nóng)戶模式種植條件下，黃土高原冬小麥產(chǎn)量在1 967—4 350 kg·hm-2，平均 3 367 kg·hm-2。通過監(jiān)控施肥結(jié)合覆膜種植，產(chǎn)量可提高至 2 666—6 277 kg·hm-2，其中監(jiān)控施肥對籽粒產(chǎn)量形成的貢獻率為14.8%，覆膜和監(jiān)控施肥協(xié)同貢獻率達24.7%—42.1%。監(jiān)控施肥條件下，全膜覆土穴播種植平均產(chǎn)量達4 785 kg·hm-2，較壟膜溝播種植有更顯著的增產(chǎn)效益。全膜覆土穴播種植高產(chǎn)是建立在生育期高耗水的基礎(chǔ)，耗水強度的增加，促進了作物源的建成，有利于碳水化合物合成和干物質(zhì)的積累[2,17-18]。

以往研究表明[19-20]公頃穗數(shù)是對施肥耕作等栽培管理措施響應(yīng)最為敏感的因素，調(diào)控公頃穗數(shù)是實現(xiàn)旱地小麥增產(chǎn)主要途徑。本研究從產(chǎn)量三要素的變異系數(shù)以及與籽粒產(chǎn)量的相關(guān)性角度分析，表明黃土高原冬小麥產(chǎn)量形成主要取決于公頃穗數(shù)，其次是千粒重。本研究中全膜覆土穴播種植因其合理的群體構(gòu)建和良好的水熱條件，具有最高成穗數(shù)和千粒重，平均分別達 581×104穗/hm2和44.3 g。覆膜可加快小麥中前期生長，延緩后期衰老，同時提高旱地冬小麥的灌漿速率，而小麥的灌漿速率與千粒重形成呈極顯著正相關(guān)[21-22]，因此覆膜有利于旱地小麥千粒重的提高。

3.2 黃土高原冬小麥氮素積累轉(zhuǎn)移特征

冬小麥地上部氮素的積累與轉(zhuǎn)移是其產(chǎn)量形成的生理基礎(chǔ)。本研究中，冬小麥地上部氮素積累量和籽粒吸氮量與對應(yīng)生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量具有一致的變化規(guī)律，覆膜結(jié)合監(jiān)控施肥可顯著提高冬小麥地上部和籽粒氮素積累量，其中以監(jiān)控施肥全膜覆土穴播種植處理最高，表明冬小麥地上部及籽粒氮素積累量與干物質(zhì)的積累和轉(zhuǎn)移有關(guān)。有研究表明覆膜栽培提高了冬小麥地上部氮素積累量，但產(chǎn)量表現(xiàn)為未增加或一定程度上增加，結(jié)果降低了氮素生理效率或氮素生理效率無明顯變化[23]。本研究表明覆膜栽培提高了旱地冬小麥籽粒產(chǎn)量，并更大程度上提高了地上部氮素吸收量，因此降低了氮素生理效率。但也有研究表明，地膜覆蓋提高了冬小麥產(chǎn)量，卻降低了地上部氮素積累量，進而提高了籽粒產(chǎn)量形成的氮生理效率，同時降低了籽粒中蛋白質(zhì)含量[24-25]。具體原因可能與土壤氮素供應(yīng)水平等其他環(huán)境因子有關(guān)，有待進一步研究。

小麥籽粒中的氮素一部分來自營養(yǎng)器官氮素的花后再轉(zhuǎn)移，一部分來自花后土壤吸收氮素的同化。本研究表明農(nóng)戶模式小麥籽粒中 3/4氮素來源于營養(yǎng)器官的轉(zhuǎn)移，1/4氮素來源于花后根系土壤吸收，覆膜結(jié)合監(jiān)控施肥可顯著提高花前地上部積累氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移量，其轉(zhuǎn)移貢獻率在81.4%—88.8%，但其花后吸收貢獻率在11.2%—18.6%，顯著低于農(nóng)戶模式處理處理。李帥等[26]研究也表明優(yōu)化施肥可顯著提高冬小麥營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移效率。而邱臨靜等[27]研究表明壟上覆膜種植花前營養(yǎng)器官貯存氮向籽粒再轉(zhuǎn)運的比例小于常規(guī)平作露地栽培，壟上覆膜主要是顯著提高了花后累積氮素對籽粒氮的貢獻率。李華等[28]研究表明地表覆蓋對轉(zhuǎn)移氮貢獻率和氮轉(zhuǎn)移效率的影響隨年度而變化。分析原因冬小麥營養(yǎng)器官花后氮素轉(zhuǎn)移貢獻率與小麥對花前、花后吸收氮素的同化能力有關(guān)，所有影響小麥對階段吸收氮素同化能力的因素都會影響到籽粒的氮轉(zhuǎn)運貢獻率和吸收貢獻率。

3.3 黃土高原麥田土壤硝態(tài)氮殘留特征

地膜覆蓋因促進土壤有機氮礦化可增加表層土壤硝態(tài)氮累積，同時因促進小麥根系的生長降低了深層土壤硝態(tài)氮累積[29]。覆膜栽培可有效協(xié)調(diào)土壤氮素利用、地上部氮素積累和產(chǎn)量形成之間的關(guān)系。本研究表明，長期過量施肥已導(dǎo)致黃土高原麥田土壤硝態(tài)氮在1 m 土層的累積，累積量在100 kg·hm-2以上。章孜亮等[15-16]提出黃土高原地區(qū)為避免土壤硝態(tài)氮淋失，冬小麥播前1 m土體硝態(tài)氮累積量安全閾值為110 kg·hm-2，收獲時為 55 kg·hm-2。西歐國家為了防止氮肥造成水體污染，也規(guī)定作物收獲后1 m土體肥料氮殘留量不超過 50 kg·hm-2[15]。由此表明試驗區(qū)土壤硝態(tài)氮已具有一定的淋失風(fēng)險。

通過連續(xù)4年種植發(fā)現(xiàn)農(nóng)戶模式處理2 m土層硝態(tài)氮累積量達 277 kg·hm-2，較 2012年播前增加了87.7%，主要集中在0—120 cm 土層，貢獻率達75%；監(jiān)控施肥覆膜處理2 m土層硝態(tài)氮累積量較2012年播前僅增加15.7%—24.2%，監(jiān)控施肥全膜覆土穴播處理硝態(tài)氮殘留量最低，為170.7 kg·hm-2。試驗期間土壤殘留硝態(tài)氮有隨降水向下淋移的趨勢，表現(xiàn)為 2016年收獲期各處理在120—200 cm土層較2012年播前有10.2%—133.7%的增幅，這主要與夏閑期降水量及降水強度有關(guān)。夏夢潔等[30]通過15N標(biāo)記硝態(tài)氮去向的方法研究表明，黃土高原旱地麥田休閑期硝態(tài)氮淋溶作用不可忽視，在夏閑期降水量僅為157 mm的欠水年，15N標(biāo)記的肥料氮可向下遷移至80 cm土層。DAI等[31]研究也表明黃土高原夏季每1 mm降水可引起硝態(tài)氮在土壤剖面中向下移動3.6 mm。

3.4 黃土高原麥田土壤氮素平衡

土壤氮素平衡可進一步反應(yīng)肥料氮素和土壤氮素在小麥-土壤系統(tǒng)的動向和分配比例。本研究中，覆膜監(jiān)控施肥處理連續(xù) 4年累計施氮量較傳統(tǒng)施肥減少31%，而累計籽粒產(chǎn)量卻提高了14.8%—30.9%，表明在黃土高原旱作區(qū)，小麥覆膜減氮平衡施肥增產(chǎn)的可能性。這在其他研究中也有類似的結(jié)果[15-16]。本試驗中，不同處理累積氮表觀礦化量表現(xiàn)為全膜覆土穴播＞壟膜溝播＞露地條播，原因是覆膜條件下良好的水熱條件影響了土壤微生物生物量及群落結(jié)構(gòu)，進而影響有機氮的礦化過程[32]。監(jiān)控施肥全膜覆土穴播種植更大程度上利用了歷年土壤殘留硝態(tài)氮和有機質(zhì)的礦化氮，連續(xù)覆膜種植在實現(xiàn)小麥高產(chǎn)的同時有降低土壤有機質(zhì)含量的風(fēng)險。氨揮發(fā)和硝態(tài)氮淋溶是北方農(nóng)田系統(tǒng)氮素損失的主要途徑，占到施氮量的20%—30%[33]。地膜覆蓋可增加土壤中N2O排放通量及氨揮發(fā)量[34-35]。本研究表明壟膜溝播處理較相同施肥量的露地條播處理氮素累積表觀損失量高 18.7%（P＜0.05）。但監(jiān)控施肥覆膜種植可減少氮素的表觀損失。

本試驗通過4年種植總體評價土壤氮素平衡，充分考慮土壤殘留氮素的后效作用，更能準(zhǔn)確說明肥料利用的真實情況。表明各處理氮肥表觀利用率在28.8%—56.7%，氮肥表觀殘留率在 12.1%—28.9%，氮肥表觀損失率在31.2%—49.6%。其中監(jiān)控施肥全膜覆土穴播處理具有相對低的氮肥表觀殘留率（12.1%）、氮肥表觀損失率（31.2%）和相對高的氮肥表觀利用率（56.7%）。

4 結(jié)論

覆膜監(jiān)控施肥種植可顯著提高黃土高原旱地冬小麥產(chǎn)量，提高幅度24.7%—42.1%。冬小麥產(chǎn)量形成主要取決于公頃穗數(shù)，其次是千粒重。黃土高原旱地冬小麥地上部氮素積累量、花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量與籽粒產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)。覆膜栽培更大程度上提高了冬小麥地上部氮素吸收量，但降低了氮素生理效率。農(nóng)戶模式小麥籽粒中3/4氮素來源于營養(yǎng)器官的轉(zhuǎn)移，1/4氮素來源于花后根系土壤吸收，覆膜監(jiān)控施肥可提高花前營養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移貢獻率至 81.4%—88.8%。

通過連續(xù)4年種植，農(nóng)戶模式2 m土層硝態(tài)氮累積量增加了87.7%，而覆膜監(jiān)控施肥種植在減氮31%基礎(chǔ)上，且因地上部吸收氮素的增加而具有相對較低的硝態(tài)氮殘留量。全膜覆土穴播監(jiān)控施肥種植更大程度上利用了歷年土壤殘留硝態(tài)氮和有機質(zhì)的礦化氮，具有相對低的氮素表觀殘留率（12.1%）和氮素表觀損失率（31.2%）以及相對高的氮素表觀利用率（56.7%），進而獲得較高產(chǎn)量，可作為黃土旱塬麥區(qū)一種有效的栽培措施。