覆蓋栽培對渭北旱地冬小麥生產(chǎn)力及土壤肥力的影響

劉高遠，楊 玥，張 齊，楊莉莉，梁連友,2，馬 強，同延安,2*

（1 西北農(nóng)林科技大學資源與環(huán)境學院，陜西楊凌 712100；2 富平現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合試驗示范站，陜西富平 711799；3 富平農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，陜西富平 711799）

我國旱地面積占國土面積70%以上，干旱半干旱耕地是冬小麥、玉米等糧食作物的主要產(chǎn)地，占可耕地面積近55%，已成為中國農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標集中的重要產(chǎn)區(qū)[1–2]。在西北地區(qū)，旱地農(nóng)田面積占全國耕地總面積的1/3以上，且尚有2600～3300萬 hm2土地可供開墾與農(nóng)耕[3]。然而，由于該區(qū)水分缺乏與土壤貧瘠同時存在，作物實際產(chǎn)量未達到其生產(chǎn)潛力的50%，嚴重制約旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增長及穩(wěn)定性[4]。因此，尋求有效的栽培管理措施以提高土壤肥力及生產(chǎn)力是旱地農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵，也是該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問題。

土壤養(yǎng)分是反映土壤肥力變化的重要指標，也是揭示土壤條件動態(tài)的敏感性指標，其養(yǎng)分含量和分布特征直接影響土壤肥力和農(nóng)田生態(tài)恢復力度與方向[5–6]。土壤有機碳 (SOC) 與作物養(yǎng)分吸收、土壤物理特性 (改善土壤結(jié)構(gòu)) 及生物學特性 (提高生物多樣性和增強微生物活性) 密切相關(guān)[7]?；钚杂袡C碳(LOC) 是SOC的重要組成部分之一，周轉(zhuǎn)速率快且對田間管理措施反應敏感，其強烈的氧化作用在土壤食物網(wǎng)循環(huán)過程中具有重要地位，因而常常被作為評價土壤肥力和作物生產(chǎn)力的早期指標[8]。土壤酶活性是植物、動物和微生物活動的產(chǎn)物[9]，是土壤微生物特性及理化特性的總體現(xiàn)，能準確反映早期農(nóng)田土壤肥力水平的變化[10]。因此，許多學者常常把土壤養(yǎng)分、SOC、LOC含量及酶活性水平作為評價土壤肥力及作物生產(chǎn)力變化的綜合指標[11–12]。大量研究表明，覆蓋栽培可以改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤養(yǎng)分含量、促進有機質(zhì)更新及增強微生物繁殖速率[13–14]，在土壤肥力保持與提升方面具有重要作用。Jordán等[15]通過3年大田試驗發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋 (× 10 t/hm2)顯著提高了土壤有機質(zhì)含量，增加土壤水分儲量與有效性，并且改善了土壤容重、孔隙度和團聚體穩(wěn)定性。Zhang等[4]通過4年大田試驗發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈覆蓋后脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性分別較不覆蓋增加了19.6%、39.4%和44.3%，且明顯提高了玉米產(chǎn)量和水分利用率。羅珠珠等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在免耕 +秸稈和免耕 + 地膜覆蓋栽培6年后，土壤速效養(yǎng)分和SOC含量均有所增加，且二者均顯著提高了作物(春小麥與豌豆) 產(chǎn)量。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，壟溝覆蓋 (壟上覆膜且溝內(nèi)秸稈或覆草) 和秸稈覆蓋較露地栽培增加了土壤養(yǎng)分和有機質(zhì)含量，提高了水分利用率[17–18]，增加了微生物數(shù)量及酶活性，促進了有效性養(yǎng)分的釋放及有毒物質(zhì)的降解，進而改善了土壤環(huán)境[19]。然而，一些學者則認為覆蓋栽培也可能會降低作物的養(yǎng)分吸收量，甚至會造成減產(chǎn)，這很大程度上取決于區(qū)域氣候環(huán)境條件[20–21]。因此，針對不同區(qū)域選擇適宜的覆蓋栽培方式對提高作物生產(chǎn)力及土壤肥力是非常關(guān)鍵的。

渭北旱塬位于我國黃土高原南部，被稱為陜西省的“第二糧倉”，在確保我國糧食供應與安全方面占有舉足輕重的地位。該地區(qū)年降雨量約500 mm且多集中在7—9月，年水分蒸發(fā)量明顯高于降雨量，屬于典型旱作農(nóng)業(yè)區(qū)；同時，由于該區(qū)表層土壤土質(zhì)疏松、SOC含量低、保水保肥性差，造成冬小麥生育中后期缺水、倒伏等現(xiàn)象，影響產(chǎn)量甚至絕收。干旱脅迫和地力貧瘠成為當?shù)囟←溕a(chǎn)的主要限制因素[2,6]。而以往的研究主要集中在不同覆蓋栽培下作物產(chǎn)量、水分利用率及土壤結(jié)構(gòu)變化特征[22–24]，以不同方式覆蓋栽培對土壤肥力進行評價的研究較少，尤其是缺乏土壤養(yǎng)分及生物學特性資料[21,25]。本研究以渭北旱塬旱地冬小麥為例，探討覆蓋栽培對冬小麥生產(chǎn)力、土壤養(yǎng)分、SOC、LOC及酶活性的影響，進一步揭示不同覆蓋栽培方式下土壤肥力的變化特征，旨在篩選出與當?shù)囟←溤耘嘞噙m應的增產(chǎn)增效生產(chǎn)模式，為旱區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量及生產(chǎn)性能的提高提供相關(guān)理論依據(jù)與技術(shù)支撐，以指導我國旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2014年9月—2017年6月在陜西渭南富平縣淡村鎮(zhèn)富平現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合試驗示范站(34°74′N,109°10′E) 進行。該區(qū)位于關(guān)中平原與陜北高原的過渡帶，海拔472 m，年平均氣溫12.5℃，≥10℃積溫4400.4℃，無霜期為222 d，年平均降水量約為500～550 mm，多集中在7—9月份，年蒸發(fā)量為1826.7 mm，屬于典型旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。該區(qū)土壤類型為灰土婁 土，屬土婁土亞類土婁黃土土屬，0—20 cm呈灰黃棕色，粉砂質(zhì)壤土，疏松；20—29 cm呈濁黃橙色，粉砂質(zhì)粘壤土，塊狀結(jié)構(gòu)，緊實。該土壤類型易導致農(nóng)作物生育期內(nèi)發(fā)生倒伏。試驗前耕層土壤容重為1.32 g/cm3、pH為8.34、有機質(zhì)含量11.40 g/kg、全氮 0.58 g/kg、全磷 0.41 g/kg、全鉀 12.02 g/kg、速效氮 9.18 mg/kg、有效磷 9.35 mg/kg、速效鉀 122.3 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗設傳統(tǒng)栽培 (CK)、秸稈覆蓋 (NPS)、地膜覆蓋 (NPP) 和壟溝覆蓋 (RFPS，壟上覆蓋地膜且溝內(nèi)覆蓋秸稈)，共4個處理，重復3次，12個小區(qū)，小區(qū)面積為 90 m2(18 m × 5 m)，完全隨機排列設計。種植制度為冬小麥—休閑，耕作方式為免耕。肥料品種與施用方法：氮肥為尿素 (含N 46.4%)，磷肥為磷酸二銨 (含P2O544%)，各小區(qū)肥料于冬小麥播種前一次性作為基肥施入，具體施肥方案見表1。NPS處理中秸稈為上季該小區(qū)冬小麥秸稈，覆蓋前進行風干和粉碎處理 (約為5～10 cm)，于當季冬小麥播種后均勻撒施于各小區(qū)，年平均用量約為5000 kg/hm2。NPP處理在冬小麥播種前15天覆蓋地膜(厚度為 0.008 mm，寬度為 45 cm)，地膜間距為60 cm，地膜行間進行播種。RFPS處理在冬小麥播種前15天進行田間起壟工作，起壟的規(guī)格為高15 cm、寬35 cm，壟上覆蓋地膜 (地膜規(guī)格同NPP)；之后，壟溝內(nèi)進行播種，播后溝內(nèi)覆蓋秸稈 (秸稈處理與施用同NPS處理)，年平均施用量約為6500 kg/hm2。本試驗所選冬小麥品種為小堰22 (當?shù)爻Ｓ闷贩N)，播種量為 180 kg/hm2。試驗期間 (2014 年9月—2017年6月)，每年冬小麥播種期 (10月上旬)和收獲期 (6月上中旬) 基本一致。冬小麥生長期間所需水分均來自于降雨，其他田間管理與當?shù)乇３忠恢隆?/p>

表1 施肥與田間管理方案Table1 Fertilizer application and field management

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 樣品采集 植株樣品采集時間分別為 2015 年6月5日、2016年6月9日和2017年6月11日。于冬小麥收獲前1天，分別在各小區(qū)中央選取3行進行人工收割。曬干后，分別測定莖稈與籽粒產(chǎn)量，以采樣面積產(chǎn)量折算每公頃地上部干物質(zhì)累積量。人工收割時，各小區(qū)另取15株小麥，每個處理重復3次，于105℃殺青30 min，80℃烘干、粉碎，測定籽粒與秸稈養(yǎng)分吸收量，根據(jù)單位面積干物質(zhì)產(chǎn)量計算籽粒與秸稈累積量。

土樣采集時間分別為2015年6月7日、2016年6月10日和2017年6月14日。于冬小麥收獲后用口徑為5 cm、長度為1 m的土鉆，以20 cm為間隔，分別采集0—100 cm土層土樣，每個小區(qū)隨機取3個點，分別用于土壤質(zhì)量含水量 (GSW) 的測定。同時，采用“5點式”取樣法采集表層 (0—20 cm) 及亞表層土壤 (20—40 cm) 樣品，每個小區(qū)同層混勻，為1個樣品，重復3次。土樣去除雜質(zhì)后，一部分自然風干、研磨，分別過1 mm和0.25 mm篩用于土壤養(yǎng)分、SOC與LOC測定；另一部分鮮樣冷藏，過1 mm篩用于土壤酶活性測定。另外，各小區(qū)分別用體積為200 cm3的環(huán)刀采集表層及亞表層土樣用于土壤容重 (BD) 的測定。

1.3.2 測定項目與方法 土樣分析：土壤養(yǎng)分 (全氮、全磷、全鉀、速效氮、有效磷和速效鉀) 及SOC的測定參考《土壤農(nóng)化分析》[26]。蔗糖酶活性用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，單位以Glucose mg/(g·24h)表示[27]；脲酶活性用靛酚藍比色法測定，單位以NH3-N mg/(g·24h) 表示[27]；堿性磷酸酶用酸苯二鈉比色法，以 Phenol mg/(g·24h) 表示[27]；LOC 測定采用KMnO4氧化法，并以試驗前SOC為參照計算碳庫管理指數(shù) (CPMI)，具體參考Zhang等[4]的測定方法。

植株樣分析：樣品殺青及烘干后，將莖稈剪成2 cm小段，與籽粒分別進行磨碎，用H2SO4–H2O2法消解，消煮液測定全氮、全磷和全鉀含量。其中，全氮和全磷用流動分析儀測定，全鉀用火焰光度計測定。

水分利用率：各個小區(qū)GSW和BD的分析參考Mccarty等[28]測定方法。冬小麥生育期內(nèi)水分利用率(WUE) 計算公式[18]：

式中：SWS為土壤儲水量；SD為土層深度；ET為生育期內(nèi)總耗水量；ΔSWS為收獲后與播種前土壤儲水量之差；Pe為生育期有效降水量；Y為籽粒產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

通過Excel 2013進行數(shù)據(jù)收集與整理。采用SPSS 19.0處理軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析 (oneway ANOVA)，運用最小顯著差異法 (Fisher’s LSD)檢驗各處理平均值在5%水平上的差異顯著性，OriginPro 2016 進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆蓋栽培對冬小麥產(chǎn)量、水分利用率及養(yǎng)分吸收量的影響

2.1.1 冬小麥產(chǎn)量與水分利用率 由 2015—2017 年試驗結(jié)果 (表2) 可以看出，不同覆蓋栽培均顯著提高了冬小麥產(chǎn)量。與CK相比，RFPS處理分別增加了56.0%、57.6%和43.2%，NPP處理分別增加了43.6%、45.9%和35.8%，NPS處理分別增加了8.1%、11.1%和20.5%；覆蓋栽培以RFPS最高，NPP次之，其次是NPS，處理之間差異顯著。不同覆蓋栽培對冬小麥水分利用率的影響表明，在2015—2017年，RFPS處理分別較CK顯著提高了42.8%、45.3%和36.5%，NPP處理分別較CK顯著提高了35.9%、39.2%和29.5%；2015和2016年NPS處理冬小麥水分利用率與CK差異不顯著，但2017年較CK顯著提高了18.2%。覆蓋栽培處理之間冬小麥水分利用率總體表現(xiàn)為 RFPS ＞ NPP ＞ NPS，差異達到顯著水平。

表2 不同覆蓋栽培下冬小麥產(chǎn)量與水分利用率Table2 Yield and water use efficiency of winter wheat under different mulching modes

2.1.2 養(yǎng)分吸收量 不同覆蓋栽培對冬小麥氮、磷和鉀吸收量的影響不同 (表 3)。3 年 (2015—2017 年) 試驗結(jié)果表明，不同覆蓋栽培均顯著提高了冬小麥吸氮量。與CK籽粒吸氮量相比，RFPS分別提高了74.5%、76.5%和73.7%，NPP處理分別提高了60.4%、63.2%和62.5%，NPS處理分別提高了24.0%、24.1%和31.0%，且覆蓋栽培之間差異顯著；同時，覆蓋栽培均顯著提高了秸稈吸氮量，以RFPS和NPP處理顯著高于NPS處理。由2015—2017年試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，覆蓋栽培均提高了冬小麥吸磷量。其中，RFPS處理籽粒吸磷量較CK分別顯著提高了36.1%、47.8%和47.1%，NPP處理較CK分別顯著提高了31.0%、33.8%和31.9%，且二者均顯著提高了秸稈吸磷量；而NPS處理吸磷量與CK之間無顯著差異。試驗期間 (2015—2017年)，覆蓋栽培均顯著提高了冬小麥吸鉀量。與CK籽粒吸鉀量相比，RFPS處理分別提高了29.7%、39.4%和40.6%，NPP處理分別提高了28.5%、32.6%和31.0%，NPS處理分別提高了23.8%、30.4%和26.0%，覆蓋栽培之間差異并不顯著；覆蓋栽培均顯著增加了秸稈吸鉀量，以RFPS處理顯著高于NPP和NPS處理。

(ⅱ) f=ξη。即證對任意x∈X,f(x)=ξη(x)=ξ({x}-)。由Y為T0空間,只需證clY{f(x)}=clY{ξ({x}-)}。注意到clY{ξ({x}-)}=clYf({x}-)。又只需證clY{f(x)}=clYf({x}-)即可。

表3 不同覆蓋栽培對冬小麥氮、磷與鉀吸收量的影響 (kg/hm2)Table3 Effects of different mulching modes on N, P and K uptakes of winter wheat

2.2 覆蓋栽培對土壤養(yǎng)分的影響

2.2.1 全氮、全磷和全鉀 不同覆蓋栽培對表層及亞表層土壤全氮、全磷和全鉀含量影響不同 (表4)。由2015—2017年試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，RFPS處理表層土壤全氮含量分別較CK顯著增加了4.3%、6.2%和9.0%，且2016和2017年亞表層土壤全氮含量分別較CK顯著提高了11.7%和15.6%；NPP和NPS處理的全氮含量與CK之間無顯著差異，但NPP處理在一定程度上降低了全氮含量。3年試驗結(jié)果表明，2015年不同處理表層土壤全磷差異不明顯，而2016和2017年RFPS處理表層土壤全磷含量分別較CK顯著增加了4.5%和6.3%；各處理亞表層土壤全磷含量與CK之間差異未達到顯著水平。在試驗期間 (2015—2017年)，RFPS處理表層土壤全鉀含量分別較CK顯著增加了5.8%、7.9%和10.3%，而處理NPP、NPS和CK之間無顯著差異；不同處理亞表層土壤全鉀變化較小，差異均未達到顯著水平。

2.2.2 速效氮、有效磷和速效鉀 不同覆蓋栽培均提高了0—40 cm土層速效養(yǎng)分含量，RFPS和NPS處理較CK提高較為明顯，而NPP處理與CK之間差異不顯著 (表5)。3年試驗結(jié)果表明，與CK表層土壤速效氮含量相比，2015—2017年 RFPS 處理分別顯著提高了46.0%、53.3%和38.6%，NPS處理分別顯著提高了25.0%、30.3%和24.5%，且RFPS處理增幅顯著高于NPP和NPS處理。亞表層土中，RFPS處理的速效氮含量分別較CK顯著提高了31.8%、29.8%和22.1%；2015和2016年NPS處理的速效氮含量與CK無顯著差異，但2017年較CK顯著提高了15.2%。與CK表層土壤有效磷含量相比，2015—2017年RFPS處理分別顯著增加了33.2%、41.0%和39.3%，NPS處理分別顯著增加了18.9%、20.9%和19.8%，且覆蓋栽培之間差異顯著。亞表層土中，RFPS處理的有效磷含量分別較CK顯著增加了14.3%、16.9%和18.8%；2015和2016年NPS處理與CK無顯著差異，而2017年較CK顯著增加了13.5%。2015—2017年 RFPS處理表層土壤速效鉀含量分別較CK顯著增加了11.6%、18.6%和28.0%；2015年NPS處理表層土壤速效鉀含量與CK無顯著差異，但2016和2017年分別較CK顯著增加了13.8%和24.0%。與CK相比，覆蓋栽培對亞表層土壤速效鉀含量影響較小，差異均未達到顯著水平。

表4 不同覆蓋栽培下土壤全氮、全磷和全鉀含量 (g/kg)Table4 Soil total N, P and K contents under different mulching modes

表5 不同覆蓋栽培下土壤速效氮、有效磷和速效鉀含量 (mg/kg)Table5 Soil available N, P and K contents under different mulching modes

2.3 覆蓋栽培對SOC、LOC及CPMI的影響

不同覆蓋栽培對SOC含量的影響明顯不同 (表6)。試驗結(jié)果表明，2015—2017年 RFPS處理表層SOC含量分別較CK顯著增加了4.8%、5.6%和5.0%；2015年NPS處理表層SOC含量與CK差異不顯著，但2016和2017年分別較CK顯著增加了4.6%和4.5%；而NPP處理表層SOC含量與CK之間無顯著差異，且一定程度上降低了SOC含量。與表層土相比，各處理亞表層SOC含量變化較小，差異均未達到顯著水平。

表6 不同覆蓋栽培下土壤有機碳、活性有機碳及碳庫管理指數(shù)Table6 Contents of SOC, LOC and CPMI under different mulching modes

不同覆蓋栽培表層土壤LOC含量與CPMI結(jié)果表明 (表6)，在2015—2017年，RFPS處理表層土壤LOC含量分別較CK顯著提高了10.6%、14.9%和19.5%，相應地CPMI處理分別顯著提高了12.5%、17.3%和24.0%；2015年NPS處理表層土壤LOC含量與CK之間差異不顯著，但2016和2017年分別較CK顯著增加了12.9%和16.8%，相應地CPMI處理分別顯著增加了15.0%和20.0%；NPP處理表層土壤LOC含量及CPMI處理與CK之間均無顯著差異。覆蓋栽培對亞表層土壤LOC含量及CPMI影響較小，各處理較CK均有所增加，但差異均未達到顯著水平。

2.4 覆蓋栽培對土壤酶活性的影響

2.4.1 蔗糖酶活性 圖1顯示，試驗期間 (2015—2017年)，RFPS處理蔗糖酶活性分別較CK顯著增加了19.4%、24.6%和29.7%；2015年NPP和NPS處理蔗糖酶活性與CK之間無顯著差異，而2016年分別較CK顯著增加了9.1%和13.5%，2017

年分別較CK顯著增加了13.6%和15.9%。不同覆蓋栽培下亞表層土壤蔗糖酶活性的結(jié)果顯示 (圖1)，在2015—2017年，RFPS處理蔗糖酶活性分別較CK顯著增加了33.4%、37.4%和43.5%；2015年NPS處理蔗糖酶活性與CK之間無顯著差異，但2016和2017年分別較CK顯著提高了16.5%和19.2%；NPP處理蔗糖酶活性與CK之間差異不顯著。

2.4.2 脲酶活性 在 2015～2017 年試驗期間，不同覆

圖1 不同覆蓋栽培下土壤蔗糖酶活性 (37℃)Fig.1 Soil invertase activity under different mulching modes (37℃)

2.4.3 磷酸酶活性 圖3顯示，在 2015—2017 年，RFPS處理表層土壤磷酸酶活性分別較CK顯著增加了19.8%、26.6%和35.6%；2015年NPS處理磷酸酶活性與CK之間無顯著差異，而2016和2017年分

圖2 不同覆蓋栽培下土壤脲酶活性 (37℃)Fig.2 Soil urease activity under different mulching modes (37℃)

[注（Note）：方柱上不同字母表示處理間在P＜0.05水平上差異顯著 Different letters above the bars are significantly different among treatments at P＜0.05 level.]

圖3 不同覆蓋栽培下土壤磷酸酶活性 (37℃)Fig.3 Soil phosphatase activity under different mulching modes (37℃)

[注（Note）：方柱上不同字母表示處理間在P＜0.05水平上差異顯著 Different letters above the bars are significantly different among treatments at P＜0.05 level.]別較CK顯著增加了12.4%和16.7%；NPP處理磷酸酶活性與CK之間無顯著差異。2015—2017年不同覆蓋栽培下亞表層土壤磷酸酶活性，RFPS處理磷酸酶活性分別較CK顯著增加了16.7%、20.2%和23.9%；2015年NPS處理磷酸酶活性與CK間無顯著差異，但2016和2017年分別較CK顯著提高了11.1%和12.7%；NPP處理與CK之間差異未達到顯著水平。

3 討論

3.1 冬小麥產(chǎn)量、水分利用率和養(yǎng)分吸收量

作物產(chǎn)量與水分利用率是土壤肥力及生產(chǎn)性能的綜合體現(xiàn)。大量研究表明，覆蓋栽培可以有效地提高土壤水分有效性、作物產(chǎn)量及水分利用率[29]。劉金海等[30]研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋和秸稈覆蓋栽培下冬小麥產(chǎn)量分別較露地栽培顯著提高了56.8%和14.7%，且二者較不覆蓋均明顯提高了水分利用率。Chen等[18]通過3年大田試驗研究發(fā)現(xiàn)，壟溝覆蓋栽培冬小麥年平均產(chǎn)量和水分利用率分別較露地平作顯著提高了30.3%和22.5%。這些研究結(jié)論與本結(jié)果基本一致(表2)。本研究還發(fā)現(xiàn)，不同覆蓋栽培處理對冬小麥產(chǎn)量和水分利用率的影響順序為RFPS ＞ NPP ＞NPS，且處理之間差異顯著。這主要是由于壟溝覆蓋不僅具有較好的集水性和保水性，使雨水入滲到更深土層，而且還可以降低無效的行間蒸發(fā)，相應地增強了冬小麥對土壤肥水的吸收和利用能力[31]；地膜覆蓋冬小麥的產(chǎn)量顯著高于秸稈覆蓋，這可能與地膜覆蓋具有較高的水分利用率 (表2)、養(yǎng)分吸收量(表 3) 及良好的溫度條件有關(guān)[32]。

作物養(yǎng)分吸收是決定作物生產(chǎn)力的重要因素，是土壤理化性質(zhì)及生物學特性的綜合反映[14,33]。本研究發(fā)現(xiàn)，RFPS和NPP處理較CK均顯著提高了冬小麥養(yǎng)分吸收量；NPS處理較CK顯著提高了冬小麥對氮和鉀的吸收量，而對磷的吸收量相對較低 (表3)。這可能是由于作物養(yǎng)分吸收量與土壤水分儲量及有效性密切相關(guān)，較高的水分利用率一定程度上可以提高作物對養(yǎng)分的吸收能力[34]。相對于地膜覆蓋，秸稈覆蓋保水性略差且水分利用率較低 (表2)，降低了養(yǎng)分吸收量[29]；另一方面，秸稈中含氮和鉀較高 (表3)，而含磷較少且易被土壤吸附固定，因此降低了作物對磷的吸收[35]。壟溝覆蓋較其他覆蓋方式顯著提高了水分利用率 (表2)，相應地增強了土壤養(yǎng)分有效性及干物質(zhì)轉(zhuǎn)運能力[17,36]。

3.2 土壤養(yǎng)分

土壤養(yǎng)分是評價土壤肥力的重要指標之一，其含量和有效性直接關(guān)系到土壤環(huán)境好壞、供肥能力強弱及作物產(chǎn)量高低[5,37]。Zhang等[4]通過3年大田試驗發(fā)現(xiàn)，秸稈還田土壤速效氮和有效磷含量分別較不還田增加了27.5%和10.8%，且產(chǎn)量增加了22.5%～22.8%。付威等[38]研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋改善了土壤物理性質(zhì)，且增加了土壤速效養(yǎng)分含量。高亞軍等[39]研究發(fā)現(xiàn)，渭北旱塬冬小麥壟溝覆蓋提高了土壤速效氮含量。這些研究結(jié)論與本試驗結(jié)果相一致 (表5)。本研究還發(fā)現(xiàn)，在試驗期間 (2015—2017年)，隨著栽培年限的增加，RFPS處理明顯提高了表層土全量養(yǎng)分和0—40 cm土層速效養(yǎng)分含量，NPS處理提高了0—40 cm土層速效養(yǎng)分含量，前者增幅明顯高于后者，而NPP處理0—40 cm土層養(yǎng)分變化較小且降低了表層土全氮含量。這主要是由于秸稈覆蓋可以改良土壤理化性質(zhì) (團聚體結(jié)構(gòu)、土壤容重、孔隙度等)[18]，減少水分蒸散，促進根系、凋落物及秸稈腐解，增強了速效養(yǎng)分的釋放與供應[2,22]；地膜覆蓋增強了有機物 (根系殘茬、凋落物等) 礦化速率，提高了有效養(yǎng)分釋放，但這些有機物數(shù)量相對于秸稈覆蓋是非常低的[40]，而且礦化量增加可能會導致土壤有機氮降低[41]；壟溝覆蓋增強了雨水入滲，溝內(nèi)秸稈覆蓋提高了保水性，改善了更深層土壤微生態(tài)環(huán)境，促進了難溶性物質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化，增加了穩(wěn)態(tài)養(yǎng)分含量，從而提高了土壤養(yǎng)分有效性和庫容量[31]。

3.3 SOC、LOC和CPMI

SOC是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的核心，其含量及活性高低是影響土壤質(zhì)量的重要指標[42]。尤其是LOC，直接參與土壤生物化學轉(zhuǎn)化過程，是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的重要驅(qū)動力[10]。付鑫等[43]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋顯著地提高了表層SOC含量13.2%，而地膜覆蓋對表層SOC的積累無促進作用，甚至降低了表層及亞表層SOC含量。張英英等[44]在15年長期定位試驗中發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋較不覆蓋SOC、LOC及CPMI顯著增加了16.3%、28.3%和37.0%。梁貽倉等[45]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋顯著提高了SOC、LOC和CPMI，而地膜覆蓋對其影響則較小。這些結(jié)論與本試驗結(jié)果基本一致 (表6)。本研究還發(fā)現(xiàn)，在試驗期間(2015—2017年)，隨著種植年限的增加，RFPS較NPP和CK顯著提高了表層土SOC、LOC及CPMI，且明顯提高了亞表層土LOC及CPMI。這主要是由于壟溝覆蓋具有更高的水分保持與供應能力 (表2)及良好的溫度條件，增加了冬小麥生物量且豐富了土壤有機碳源 (根系殘茬、凋落物、秸稈等) 的投入，提高了微生物數(shù)量及活性，增強了有機物的轉(zhuǎn)化能力和活性[46]。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，RFPS處理較NPS處理可能更有利于提高SOC、LOC和CPMI，這可能與不同覆蓋方式下有機物礦化速率和礦化量有關(guān)[45,47]。

3.4 土壤酶活性

土壤酶活性是作物吸收養(yǎng)分的重要驅(qū)動因子，被認為是有機質(zhì)分解的“傳感器”[48]。覆蓋栽培可以改善土壤質(zhì)量及環(huán)境條件，因而對土壤酶活性具有很大的影響[49–50]。Zhang等[4]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋較不覆蓋0—60 cm土層脲酶、磷酸酶和轉(zhuǎn)化酶活性分別增加了19.6%、39.4和44.3%。杜社妮等[51]研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋提高了土壤蔗糖酶和磷酸酶活性，而對脲酶活性影響較小。李榮等[52]研究指出，壟上覆地膜且溝內(nèi)覆玉米秸稈可以明顯提高土壤肥力及酶活性水平。本研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋栽培均提高了土壤蔗糖酶、脲酶及磷酸酶活性，且表層土壤增幅高于亞表層。這主要是由于覆蓋栽培能夠改善土壤理化性質(zhì)，增加根系生物量，增強土壤呼吸，促進根系酶或分泌物的釋放，從而提高了土壤酶活性[53]；而相對于亞表層土壤，表層土壤具有較高的微生物數(shù)量和活躍度，且土壤酶活性存在表層富集效應，因而表層土壤酶活性高于亞表層[54]。本研究還發(fā)現(xiàn)，隨著栽培年限的增加，RFPS與NPS處理均顯著增強了表層土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性，且前者增幅顯著高于后者。這主要是由于秸稈覆蓋提高了表層土壤持水性和有機底物，增加了微生物數(shù)量及生物量碳氮，為酶活性累積提供了良好的環(huán)境條件[10,29]；而壟溝覆蓋較秸稈覆蓋受外界變化干擾小，土壤性質(zhì)趨于穩(wěn)定，更易于形成優(yōu)越的微環(huán)境，促進微生物生長與繁殖，進而增強了亞表層土壤酶活性[31]。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)，隨著栽培年限的增加，NPP處理明顯提高了表層土壤蔗糖酶活性，但對脲酶和磷酸酶活性影響較小。這一結(jié)果可能與土壤多糖分解速率[55]、尿素和磷酸基團含量有關(guān)[51]。

4 結(jié)論

1) 3種覆蓋栽培方式均提高了冬小麥籽粒產(chǎn)量(P＜0.05) 和水分利用率，其增幅順序為壟溝覆蓋 ＞地膜覆蓋 ＞ 秸稈覆蓋 (P＜0.05)；同時，3 種覆蓋栽培方式均有效地增加了冬小麥籽粒和秸稈氮磷鉀吸收量，尤其是壟溝覆蓋和地膜覆蓋 (P＜0.05)。

2) 壟溝覆蓋顯著增加了表層土壤養(yǎng)分、有機碳、活性有機碳及酶活性水平 (P＜0.05)，其增幅明顯高于地膜覆蓋和秸稈覆蓋，而且改善了亞表層土壤肥力狀況；地膜覆蓋顯著提高了表層土壤蔗糖酶活性水平 (P＜0.05)，而對土壤養(yǎng)分、有機碳、活性有機碳和其他酶活性影響較小，甚至一定程度上降低了全氮和有機碳含量；隨著栽培年限的增加，秸稈覆蓋顯著提高了表層土壤速效養(yǎng)分、有機碳、活性有機碳和酶活性水平 (P＜0.05)，但對亞表層土壤微環(huán)境影響較小。

綜上所述，壟溝覆蓋栽培方式對提高渭北旱地冬小麥生產(chǎn)力及土壤肥力水平具有顯著效果，可在當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣使用。