耕作方式和秸稈覆蓋對旱地麥豆輪作下小麥籽粒 產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量和土壤硝態(tài)氮殘留的影響

黃明，吳金芝*，李友軍*，王賀正，付國占，陳明燦，李學(xué)來，馬俊利

(1.河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.河南省洛寧縣農(nóng)業(yè)局農(nóng)廣校，河南 洛寧 471799； 3.河南省孟津縣農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測站，河南 孟津 471199)

我國旱地小麥(Triticumaestivum)的種植面積約6.0×106hm2，占全國小麥總種植面積的1/3，其產(chǎn)量高低和品質(zhì)優(yōu)劣直接關(guān)系到人們的糧食安全和膳食健康。然而，由于降水與小麥生長季錯位、土壤肥力低且追肥困難等問題，致使小麥生育后期缺水、脫肥嚴重。因此，干旱年份小麥產(chǎn)量低[1]，而濕潤年份相對較高的土壤水分降低了籽粒蛋白質(zhì)含量[2]。傳統(tǒng)的旱地小麥生產(chǎn)中，廣泛采用翻耕或旋耕，播種后地表裸露，缺乏培肥、保墑措施，一方面加速了土壤有機氮的消耗和土壤貧瘠化，降低了耕地質(zhì)量和土壤持續(xù)供肥能力，另一方面土壤易旱，限制了小麥對土壤氮素的吸收利用，從而導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮殘留嚴重，環(huán)境問題突出[3-4]。因此，如何蓄水保墑、培肥地力，改善植株水肥吸收特性，在提高產(chǎn)量、品質(zhì)的同時降低土壤硝態(tài)氮殘留對旱地小麥可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。

土壤耕作和秸稈覆蓋都是農(nóng)藝保墑、小麥增產(chǎn)的重要措施，主要通過提高土壤水分含量，改變麥田土壤結(jié)構(gòu)和水、肥、氣、熱狀況[5]，提高土壤有機質(zhì)含量、培肥地力并維持土壤的持久生產(chǎn)力[6]，調(diào)節(jié)土壤酶活性、微生物特性[7]，從而影響小麥的生長發(fā)育、干物質(zhì)生產(chǎn)[8]、氮素吸收利用[9-16]和土壤硝態(tài)氮的殘留、淋失[12-16]。小麥與大豆(Glycinemax)輪作是一種典型的禾本科與豆科作物、非固氮與固氮作物、高淀粉類與高蛋白類作物輪換種植模式，因其具有較好的保持水土、培肥地力和提高產(chǎn)量的作用，廣泛分布于旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)[17-19]。然而，以往對耕作方式和秸稈覆蓋的研究多圍繞免耕或深松等保護性耕作進行，且多是耕作與秸稈還田的綜合效應(yīng)，而對于旋耕以及麥豆輪作下耕作與秸稈覆蓋互作的氮素吸收利用和硝態(tài)氮殘留效應(yīng)的研究較少，特別是有關(guān)秸稈覆蓋與蛋白質(zhì)含量關(guān)系的研究尚鮮見報道。因此，本研究在黃淮南部和黃土高原南部交匯的典型旱地小麥種植區(qū)，利用始于2009年的旱地麥豆輪作栽培模式田間定位試驗，研究了翻耕、翻耕覆蓋、旋耕和旋耕覆蓋對小麥產(chǎn)量、氮素積累分配轉(zhuǎn)運、籽粒蛋白質(zhì)含量和土壤硝態(tài)氮殘留的影響，以期為旱地小麥高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、環(huán)境友好栽培提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究于2014年10月-2016年6月在始于2009年10月的麥豆輪作栽培模式定位試驗田中進行，試驗地位于河南省洛陽市的河南科技大學(xué)試驗場(112.25° E; 34.36° N)，土壤為壤質(zhì)土，種植制度為冬小麥/夏大豆輪作。2009年試驗開始前0～20 cm土層pH 8.1，含有機質(zhì)15.9 g·kg-1，堿解氮36.3 mg·kg-1，速效磷21.0 mg·kg-1，速效鉀120.0 mg·kg-1。與1954-2016年均值相比，2015年3-5月多降水149 mm，其他月份相當(dāng)，屬于濕潤年份；2015年12月至2016年4月小麥開花前降水僅10 mm，屬于干旱年份。

1.2試驗設(shè)計

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)為耕作方式，設(shè)翻耕和旋耕兩個水平，翻耕采用鏵式犁耕翻(深25～30 cm)，旋耕1遍(深15 cm)、機械播種；旋耕采用旋耕機作業(yè)2遍(深15 cm)后機械播種，耕作前將前茬作物的秸稈清出并收集備用。副區(qū)為秸稈覆蓋，設(shè)無覆蓋和秸稈覆蓋(straw mulching，SM)兩個水平，秸稈覆蓋是在完成耕作播種作業(yè)后，立即將前茬作物的秸稈(5 cm左右)全部均勻覆蓋于原小區(qū)。共有翻耕(plough tillage，PT)、翻耕覆蓋(plough tillage with straw mulching，PTSM)、旋耕(rotary tillage，RT)和旋耕覆蓋(rotary tillage with straw mulching，RTSM)4個處理，3次重復(fù)，共12個小區(qū)，對于同一小區(qū)，每季的所有作業(yè)程序都相同，且在前茬作物秸稈清出原小區(qū)后施肥，施肥后立即耕作。小區(qū)面積為60 m2(20 m×3 m)。供試小麥品種為洛旱6號，10月中旬播種，翌年6月初收獲；大豆品種為中黃13，6月上旬播種，10月上旬收獲。本研究中大豆分別于2014年6月5和2015年6月8日播種，2014年10月8日和2015年10月9日收獲，小麥分別于2014年10月15日和2015年10月17日播種，2015年6月2日和2016年6月1日收獲。播量為180 kg·hm-2，行距20 cm，播深4～5 cm。從2009年10月開始，一直未進行灌溉，麥季基施復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=20∶15∶10)900 kg·hm-2，大豆季基施復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=20∶15∶10)300 kg·hm-2。其他田間管理同豐產(chǎn)田。

1.3 測定項目與方法

1.3.1小麥植株氮素積累和轉(zhuǎn)運的測定和計算 分別于拔節(jié)、開花和成熟期，在每個小區(qū)取4個行長50 cm且具有代表性的小麥植株樣品，統(tǒng)計莖孽數(shù)后90 ℃殺青30 min，65 ℃烘至恒重，測定干重并計算干物質(zhì)積累量。樣品殺青后，開花期進一步分成莖葉鞘(簡稱莖葉)和穗，成熟期分成莖葉鞘、穗軸+穎殼(簡稱穎殼)和籽粒。樣品粉碎后先用H2SO4-H2O2法消解，再用凱氏法測定消解液中的全氮含量[20]。某一器官的氮素積累量是該器官干物質(zhì)積累量與其全氮含量的乘積。

按霍中洋等[20]描述的方法計算氮素積累和轉(zhuǎn)運指標(biāo)?；ㄇ暗胤e累量=開花期莖葉氮素積累量+開花期穎殼氮素積累量；花后氮素轉(zhuǎn)運量=花前氮素積累量-成熟期莖葉氮素積累量-成熟期穎殼氮素積累量；轉(zhuǎn)運率=花后氮素轉(zhuǎn)運量/花前氮素積累量×100%；貢獻率=花后氮素轉(zhuǎn)運量/成熟期籽粒氮素積累量×100%。

1.3.2籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的測定 在小麥成熟期，從每個小區(qū)隨機收割2個1 m×1 m樣方，風(fēng)干后脫粒稱重，并測定風(fēng)干籽粒含水量。籽粒產(chǎn)量(yield，Y，kg·hm-2)以12.5%的含水量表示。同時從每個小區(qū)選有代表性的小麥4行，每行取長0.5 m的植株樣，測定生物干重、穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。收獲指數(shù)(harvest index，HI，%)，HI=0.875Y/Yb×100，式中：Yb為生物干重。

1.3.3籽粒蛋白質(zhì)含量和氮素利用效率的計算 籽粒全氮含量乘以5.7即為籽粒蛋白質(zhì)含量(protein content，PC，%)[21]；根據(jù)霍中洋等[20]描述的方法計算蛋白質(zhì)產(chǎn)量(protein yield，PY，kg·hm-2)，PY=0.875Y×PC/100；氮素吸收效率(nitrogen uptake efficiency，NUE，%)，NUE=Nu/Nr；氮素肥偏生產(chǎn)力(partial factor productivity of applied N，PFPN，kg·kg-1)，PFPN=Y/Nr。式中：Nu和Nr分別表示地上部氮素積累量和施氮量。

1.3.4土壤硝態(tài)氮殘留量的測定和計算 在2015-2016年度的小麥成熟期，每20 cm一層采集0～200 cm土層土壤樣品，每個小區(qū)隨機采3個樣點。稱取5 g鮮土，置于50 mL 1 mol·L-1KCl溶液中振蕩浸提1 h，用紫外分光光度法[22]測定浸提液中的硝態(tài)氮含量。同時測定土壤含水量，土壤硝態(tài)氮含量以干重計。硝態(tài)氮殘留量(nitrate residue，NR，kg·hm-2)用Dai等[23]描述的方法計算。NR=Hi×Di×Ci×0.1，式中：Hi為某一土壤深度(cm)；Di為該土層的土壤容重(g·cm-3)；Ci是對應(yīng)的土壤硝態(tài)氮含量(mg·kg-1)，0.1為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SAS 8.0軟件進行方差分析和顯著性測驗，用LSD法進行多重比較。用Microsoft Excel 2007進行圖表繪制。所有數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作方式和秸稈覆蓋對小麥產(chǎn)量和收獲指數(shù)的影響

耕作方式和秸稈覆蓋顯著影響小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素和收獲指數(shù)(表1)。產(chǎn)量表現(xiàn)為旋耕覆蓋>翻耕覆蓋>翻耕>旋耕，但在相同覆蓋條件下，耕作方式間差異不顯著。與翻耕相比，旋耕的穗數(shù)、穗粒數(shù)、籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)無顯著差異，但干旱年千粒重降低2.1%。2年總體來看，翻耕覆蓋的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)較翻耕分別提高9.2%、5.8%、4.5%、11.5%和3.2%，旋耕覆蓋較旋耕分別提高12.6%、10.8%、7.6%、23.0%和5.4%，旋耕覆蓋的千粒重以及干旱年收獲指數(shù)較翻耕覆蓋也顯著提高。說明秸稈覆蓋能改善小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素、提高收獲指數(shù)，從而顯著提高籽粒產(chǎn)量，尤以旋耕覆蓋效果最優(yōu)。

表1 耕作方式和秸稈覆蓋對小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素和收獲指數(shù)的影響Table 1 Effects of tillage method and straw mulching on grain yield, yield components and harvest index of wheat

注：同年度同列數(shù)據(jù)后的不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Note：Different small letters after the data of each year in the same column indicate significant differences among treatments at theP<0.05 level. The same below.

2.2 耕作方式和秸稈覆蓋對小麥氮素積累、分配和轉(zhuǎn)運的影響

2.2.1耕作方式和秸稈覆蓋對不同生育時期氮素積累的影響 耕作方式和秸稈覆蓋對小麥氮素積累的調(diào)節(jié)效應(yīng)在不同生育時期表現(xiàn)不同，但影響規(guī)律在兩生長季表現(xiàn)一致(圖1)。與翻耕相比，旋耕的氮素積累量開花前無顯著變化，開花至成熟期卻顯著降低，前后2年分別降低68.2%和52.1%。與不覆蓋相比，無論翻耕還是旋耕，秸稈覆蓋后小麥的氮素積累量在各個生育時期均增加，特別是在出苗-拔節(jié)、開花-成熟期增幅達到顯著水平。就耕作與覆蓋對小麥氮素積累量影響的綜合效應(yīng)而言，旋耕覆蓋較翻耕覆蓋、翻耕和旋耕，出苗-拔節(jié)期分別提高6.7%、21.5%和25.7%，拔節(jié)-開花期提高13.9%、32.9%和16.4%，除出苗-拔節(jié)期翻耕和旋耕間、拔節(jié)-開花期翻耕覆蓋和旋耕間差異不顯著外(P>0.05)，同一時期其他處理間差異均達顯著水平；開花-成熟期翻耕覆蓋較旋耕覆蓋、翻耕和旋耕分別提高32.7%、38.8%和241.9%，除翻耕和旋耕覆蓋間差異不顯著外，其他處理間差異均顯著。說明秸稈覆蓋有利于促進小麥地上部氮素的吸收積累，且與耕作具有較強的互作效應(yīng)，小麥開花前以旋耕覆蓋效果最優(yōu)，開花后以翻耕覆蓋效果突出，但旋耕不利于小麥開花后的氮素積累。

2.2.2耕作方式和秸稈覆蓋對小麥成熟期不同器官氮素分配的影響 雖然耕作方式和秸稈覆蓋不影響小麥氮素在成熟期不同器官中分配比例，但對氮素積累總量和不同器官氮素分配量具有顯著調(diào)節(jié)作用，且2年規(guī)律一致(表2)。2年總體來看，翻耕的小麥氮素積累總量及其在籽粒、穎殼、莖葉中的分配量較旋耕分別提高15.4%、15.0%、36.2%和9.6%，翻耕覆蓋較翻耕提高21.4%、21.3%、39.9%和14.0%，旋耕覆蓋較旋耕也提高了38.8%、38.6%、89.1%和19.8%，但兩覆蓋處理間差異不顯著(P>0.05)?？梢?，旋耕降低了小麥成熟期籽粒氮素的分配量，而秸稈覆蓋可有效提高地上部的氮素積累總量，從而在不影響籽粒氮素分配比例的同時使分配量顯著增加，尤以旋耕覆蓋增幅最大。

圖1 耕作方式和秸稈覆蓋對小麥不同生育時期氮素積累量的影響Fig.1 Effects of tillage method and straw mulching on N accumulation during different growth stage of wheat STJ：出苗-拔節(jié)期 Seedling to jointing；JTA：拔節(jié)-開花期 Jointing to anthesis；ATM：開花-成熟期 Anthesis to maturity. 不同字母表示同一生育期內(nèi)處理間差異顯著(P<0.05)。Different letters indicate significant differences among treatments at the P<0.05 level during a growth stage.

年度 Years處理Treatments總量Total (kg·hm-2)籽粒 Grain分配量Distribution amount (kg·hm-2)分配比例Distribution rate (%)穎殼 Glume分配量Distribution amount (kg·hm-2)分配比例Distribution rate (%)莖葉 Stem and leaf分配量Distribution amount (kg·hm-2)分配比例Distribution rate (%)2014-2015(濕潤年Wet year)PT156.6±4.4b126.6±4.0b80.8±0.5a10.3±0.5b6.6±0.1a19.7±0.8b12.6±0.6aPTSM193.7±3.1a157.3±4.9a81.2±1.3a14.3±0.7a7.4±0.5a22.2±1.2a11.5±0.8aRT135.2±5.1c110.1±4.5c81.4±0.8a7.3±0.9c5.4±0.5a17.8±0.9c13.2±0.9aRTSM191.2±6.6a155.5±5.9a81.3±0.4a14.3±0.8a7.5±0.3a21.4±1.1a11.2±0.6a2015-2016(干旱年Dry year)PT149.9±7.3b124.5±6.8b83.1±0.5a8.5±0.7b5.7±0.2a16.8±0.4bc11.2±0.7aPTSM178.5±5.1a147.2±3.2a82.5±0.6a12.0±0.8a6.7±0.3a19.4±1.1a10.9±0.3aRT130.3±1.2c108.3±1.4c83.1±0.9a6.5±0.4c5.0±0.3a15.5±0.8c11.9±0.6aRTSM177.3±7.4a147.1±6.2a83.0±0.1a11.8±0.6a6.7±0.4a18.5±1.2ab10.4±0.4a

2.2.3耕作方式和秸稈覆蓋對小麥營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運的影響 耕作方式和秸稈覆蓋對小麥營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量及其對籽粒貢獻率的影響規(guī)律在兩年中表現(xiàn)一致(表3)。與翻耕相比，旋耕的營養(yǎng)器官氮素積累量開花期略有增加，成熟期顯著降低。翻耕覆蓋較旋耕覆蓋，開花期顯著降低，成熟期無顯著差異。旋耕的2年平均氮素轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率及轉(zhuǎn)運氮素對籽粒的貢獻率較翻耕分別提高10.0%、5.8%和26.3%，而旋耕覆蓋較翻耕覆蓋提高14.1%、4.1%和14.7%。同一耕作方式下，秸稈覆蓋的氮素轉(zhuǎn)運量顯著增加，而氮素轉(zhuǎn)運率降低或顯著降低，營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)運氮素對籽粒的貢獻率也顯著降低。其中翻耕覆蓋較翻耕，前后2年的氮素轉(zhuǎn)運量分別增加13.0%和12.2%，轉(zhuǎn)運氮素對籽粒的貢獻率降低9.2%和5.1%；旋耕覆蓋較旋耕，前后2年的轉(zhuǎn)運量分別增加16.4%和17.1%，貢獻率降低17.6%和13.7%?？梢?，麥豆輪作下小麥營養(yǎng)器官的氮素轉(zhuǎn)運特性因耕作方式和秸稈覆蓋而異，其中，旋耕較翻耕提高了氮素轉(zhuǎn)運率，而秸稈覆蓋在氮素轉(zhuǎn)運率有所降低的情況下提高了轉(zhuǎn)運量。

2.3 耕作方式和秸稈覆蓋對小麥氮素利用效率和籽粒蛋白質(zhì)含量的影響

2年總體來看，與翻耕相比，旋耕的小麥氮素吸收效率、氮肥偏生產(chǎn)力、籽粒蛋白質(zhì)含量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量分別降低13.5%、5.4%、8.6%和13.0%，翻耕覆蓋分別提高21.8%、12.3%、7.4%和21.3%，旋耕覆蓋分別提高20.6%、17.8%、3.1%和20.5%。旋耕覆蓋的上述指標(biāo)較旋耕也分別提高39.5%、24.6%、12.8%和38.5%。與深翻覆蓋相比，旋耕覆蓋的氮素吸收效率、氮肥偏生產(chǎn)力和蛋白質(zhì)產(chǎn)量無顯著差異，但在偏濕潤的2014-2015年生長季籽粒蛋白質(zhì)含量降低5.2%(表4)。說明旋耕對小麥的氮素吸收利用和籽粒蛋白質(zhì)形成不利，而秸稈覆蓋能顯著提高小麥氮素吸收利用效率，利于通過籽粒蛋白質(zhì)含量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量，特別是旋耕覆蓋效果突出。

表3 耕作方式和秸稈覆蓋對小麥營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運及其對籽粒貢獻的影響Table 3 Effects of tillage method and straw mulching on N translocation from vegetative organ to grain and its contribution

表4 耕作方式和秸稈覆蓋對小麥氮素利用效率和籽粒蛋白質(zhì)的影響Table 4 Effects of tillage method and straw mulching on N use efficiency and grain protein in wheat

2.4 耕作方式和秸稈覆蓋對小麥成熟期土壤硝態(tài)氮殘留的影響

2015-2016年度小麥成熟期對土壤硝態(tài)氮含量的測定結(jié)果(圖2)表明，翻耕和旋耕0～200 cm土層硝態(tài)氮殘留量分別為234和301 kg·hm-2，其中主要殘留于60～180 cm土層，且在120～140 cm土層出現(xiàn)累積峰。與翻耕相比，旋耕80～200 cm土層的硝態(tài)氮殘留量較翻耕顯著增加，其中60～80 cm、80～100 cm、100～120 cm、120～140 cm、140～160 cm、160～180 cm和180～200 cm土層分別降低13.7%、33.7%、31.8%、3.10%、60.7%、36.2%和28.5%。秸稈覆蓋對土壤硝態(tài)氮殘留量具有顯著的降低作用，從而使翻耕覆蓋和旋耕覆蓋均無明顯的累積峰，總體表現(xiàn)為旋耕覆蓋略低于翻耕覆蓋，且二者在160～180 cm土層差異顯著。同一耕作方式下，與無秸稈覆蓋相比，秸稈覆蓋下40～200 cm各測定土層的硝態(tài)氮殘留量均顯著降低，從而使翻耕覆蓋0～200 cm土層的硝態(tài)氮殘留量較翻耕降低30.3%，旋耕覆蓋較旋耕也降低51.4%。說明長期秸稈覆蓋可降低土壤硝態(tài)氮殘留，尤其以旋耕覆蓋的效果更明顯。

3 討論

圖2 耕作方式和秸稈覆蓋對小麥成熟期 土壤硝態(tài)氮殘留量的影響Fig.2 Effects of tillage method and straw mulching on soil nitrate residue at maturity of wheat

3.1 耕作方式和秸稈覆蓋對小麥產(chǎn)量的影響

土壤耕作主要通過影響土壤系統(tǒng)實現(xiàn)對小麥產(chǎn)量的影響，適宜的耕作方式有利于改善土壤特性、蓄積降水，調(diào)節(jié)小麥根系和地上部分的生長發(fā)育[7]，提高小麥籽粒產(chǎn)量[8]，但其影響效應(yīng)在短期內(nèi)是有限的[24]。本研究通過旱地麥豆輪作定位栽培模式試驗發(fā)現(xiàn)，旋耕的小麥產(chǎn)量與翻耕相比略有降低，產(chǎn)量構(gòu)成因素?zé)o顯著變化。這說明旋耕對旱地麥豆輪作下小麥產(chǎn)量的調(diào)節(jié)作用可能需要更長的時間才能表現(xiàn)出來。國內(nèi)的耕作試驗也得到了類似的結(jié)果，比如，在甘肅慶陽小麥-大豆輪作區(qū)，連續(xù)10年的定位耕作對小麥產(chǎn)量無顯著影響[19]；在山東旱地麥玉輪作區(qū)，2年的試驗表明旋耕并不降低小麥產(chǎn)量[13]。

秸稈覆蓋對小麥產(chǎn)量的影響效應(yīng)尚無定論，多數(shù)研究表明秸稈覆蓋可提高小麥產(chǎn)量[25-26]，但也有不增產(chǎn)甚至減產(chǎn)的報道[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，無論是濕潤年還是干旱年，秸稈覆蓋均可協(xié)同提高小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和收獲指數(shù)，從而顯著提高籽粒產(chǎn)量，特別是旋耕覆蓋相對翻耕覆蓋具有增產(chǎn)優(yōu)勢。主要是因為秸稈覆蓋不僅能抑制蒸發(fā)、蓄水保墑[24]，而且能顯著提高耕層土壤養(yǎng)分含量，從而促進小麥根系生長發(fā)育并向下層土壤分布[26]，進而調(diào)控小麥地上部生長發(fā)育和相關(guān)生理功能[28-29]，優(yōu)化產(chǎn)量構(gòu)成因素，最終實現(xiàn)小麥增產(chǎn)。覆蓋于地表的秸稈及其腐解物，經(jīng)后茬耕作進入土壤中的位置因耕作方式而異，其中，旋耕覆蓋的主要位于0～15 cm土層，較翻耕覆蓋的0～30 cm土層淺，具有土溫較高、秸稈腐解物集中、腐解速率高的特點[30]，對土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機碳、顆粒有機碳[31]和土壤養(yǎng)分含量[28]的提升幅度高于翻耕覆蓋，更有利于提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力，因而在提高小麥產(chǎn)量中作用更為突出。

3.2 耕作方式和秸稈覆蓋對小麥氮素吸收利用和籽粒蛋白質(zhì)含量的影響

適宜的土壤耕作有利于提高旱地小麥植株氮素積累量、莖鞘和葉片的花前氮素轉(zhuǎn)運量以及莖鞘轉(zhuǎn)運氮素對籽粒的貢獻率，從而提高成熟期籽粒氮素的積累量和氮素的吸收效率[8-9]，最終提高籽粒蛋白質(zhì)產(chǎn)量[2]。秸稈還田條件下，旋耕播種小麥在開花和成熟期的氮素積累量均顯著低于翻耕[12]，開花后功能葉片的含氮量隨灌漿進程的推進直線下降，成熟期籽粒蛋白質(zhì)含量也有所下降[27]。本研究表明，旋耕較翻耕提高了營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運率，但顯著降低了開花后的氮素積累量和成熟期的籽粒氮素積累量。這就顯著降低了小麥氮素吸收效率、蛋白質(zhì)含量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量，說明在旱地小麥旋耕播種條件下，促進花后的氮素吸收積累是優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的關(guān)鍵。其主要是因為旋耕作業(yè)層為0～15 cm，施入的肥料主要集中在土壤表層，從而使根際土壤中的硝態(tài)氮含量較深翻降低[32]，這對小麥根系吸收利用土壤氮素是很不利的，特別是通過旋耕混肥的常規(guī)栽培會顯著降低小麥花后氮素吸收量，造成籽粒蛋白質(zhì)形成過程中氮素供應(yīng)不足[1]。

本研究還發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋可提高小麥氮素吸收效率及不同生育時期的氮素積累量，尤其以開花后效果突出，并且能提高營養(yǎng)器官的氮素轉(zhuǎn)運量，最終顯著提高了籽粒蛋白質(zhì)含量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量。然而，黃土高原地區(qū)的6年定位試驗結(jié)果卻認為，夏閑期秸稈覆蓋不影響甚至?xí)档托←湹厣喜糠值牡胤e累量，致使蛋白質(zhì)含量降低了4%[27]。本研究與該研究結(jié)果不一致，主要是因為該試驗是在夏閑期進行秸稈覆蓋，覆于地表的秸稈在2～3個月的夏閑期腐解不完全，這些秸稈及其腐解物翻入土壤后，在小麥生長過程中仍會腐解并消耗一定量的水分和氮素，導(dǎo)致小麥缺水脫氮素，但在夏閑季秸稈覆蓋保水的基礎(chǔ)上種植具有固氮作用的大豆能有效解決這一問題，并顯著提高小麥的氮素積累量和籽粒蛋白質(zhì)含量[27]。說明旱地小麥氮素積累和蛋白質(zhì)形成的秸稈覆蓋效應(yīng)與土壤氮素供應(yīng)密切相關(guān)。本試驗中采用麥豆輪作，既發(fā)揮了種植豆科作物提高土壤碳氮含量[19]和速效磷含量[18]，促進小麥地上部生長發(fā)育的作用，又能在小麥生長季將具有較高含氮量的大豆秸稈覆于地表，在抑制水分蒸發(fā)的同時，有效緩解了秸稈腐解過程中與作物生長發(fā)育爭水、爭氮素的問題，從而促進小麥對氮素的吸收積累，提高籽粒蛋白質(zhì)含量。

3.3 耕作方式和秸稈覆蓋對麥田土壤硝態(tài)氮殘留的影響

硝態(tài)氮是旱地麥田土壤無機氮存在的主要形態(tài)，也是最易被小麥吸收利用的氮素形態(tài)，但其極易發(fā)生反硝化和淋溶，過高的硝態(tài)氮殘留量會造成大氣和地下水污染[3-4]。土壤耕作和秸稈覆蓋既會改變土壤的理化性質(zhì)、微生物活性，調(diào)節(jié)土壤水分運動和氮素轉(zhuǎn)化，也會影響作物對土壤氮素的吸收利用效率，此二者都會影響到硝態(tài)氮在土體中的積累與分布[12,33]。本試驗條件下，與翻耕相比，旋耕小麥的平均氮素積累量降低15.4%，定位試驗7年后0～200 cm土層硝態(tài)氮殘留量增加28.6%，其中80～200 cm土層增幅均達顯著水平，說明旋耕會增加硝態(tài)氮殘留和淋溶。鄭成巖等[13]在山東省兗州市的研究也發(fā)現(xiàn)旋耕麥田0～80 cm土層中的硝態(tài)氮殘留量高于翻耕田，主要是因為旋耕較翻耕降低了深層土壤水分含量，在一定程度上阻礙了深層土壤硝態(tài)氮向上的移動，不利于小麥根系對土壤硝態(tài)氮的吸收。

多數(shù)研究認為，秸稈覆蓋可有效降低土壤硝態(tài)氮殘留，在陜西渭北旱塬，生育期進行秸稈覆蓋，施氮量較低時不影響小麥成熟期土壤硝態(tài)氮殘留，施氮225～240 kg·hm-2時顯著降低，且40～100 cm和140～200 cm土層表現(xiàn)為顯著降低[14]；在陜西長武，連續(xù)6年進行夏閑期秸稈覆蓋與裸地對照相比，在施氮150 kg·hm-2的情況下，小麥成熟期0～300 cm土層硝態(tài)氮殘留量降低32%，而秸稈覆蓋結(jié)合豆科綠肥種植的處理僅降低18%[16]；在山西晉中旱塬，6年定位秸稈覆蓋后春玉米田0～300 cm土層硝態(tài)氮殘留量較無覆蓋降低418 kg·hm-2，降幅為51%，但秸稈覆蓋時硝態(tài)氮會向下層淋溶，由無覆蓋的60～220 cm土層下移至160～300 cm土層[34]。本試驗條件下，秸稈覆蓋可有效降低麥豆輪作下麥田土壤硝態(tài)氮殘留量，且旋耕覆蓋的效果優(yōu)于翻耕覆蓋。進一步分析發(fā)現(xiàn)，翻耕覆蓋較翻耕、旋耕覆蓋較旋耕，小麥成熟期的氮素積累量分別提高21.8%、39.5%，而0～200 cm土層硝態(tài)氮殘留量分別降低31.3%、51.4%，秸稈覆蓋后土壤硝態(tài)氮的降低量與小麥地上部積累氮素的增加量呈反比。說明通過秸稈覆蓋降低土壤硝態(tài)氮殘留主要歸因于小麥地上部分氮素積累量的增加，即土壤硝態(tài)氮被作物吸收而降低。另外，秸稈覆蓋提高土壤有機質(zhì)含量的同時使氮固持量增加[33]，秸稈覆蓋導(dǎo)致的土壤氮礦化量降低[35]，以及秸稈降解過程中的氮素消耗[36]，也都會降低土壤硝態(tài)氮殘留量，但這些因素在秸稈覆蓋降低麥豆輪作下土壤硝態(tài)氮殘留中的作用大小如何，還需進一步深入研究。

4 結(jié)論

與翻耕相比，旋耕不影響小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素，雖然提高了營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)運率及轉(zhuǎn)運氮素對籽粒氮素的貢獻率，但不利于花后的氮素積累，不僅降低了籽粒蛋白質(zhì)含量，還會導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮累積。旋耕覆蓋與翻耕覆蓋相比，小麥產(chǎn)量和氮素利用效率無顯著差異，但偏濕潤年份的籽粒蛋白質(zhì)含量降低5.2%。同一耕作方式下，秸稈覆蓋可顯著提高小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和收獲指數(shù)，促進小麥的氮素吸收利用，降低土壤硝態(tài)氮殘留量，從而提高小麥產(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)含量和氮素吸收效率，其中，翻耕覆蓋較翻耕分別提高11.5%、7.4%和13.5%，旋耕覆蓋較旋耕分別提高23.0%、12.8%和39.5%，但兩處理成熟期0～200 cm土層硝態(tài)氮殘留量分別降低31.3%和51.4%。因此，在旱地麥豆輪作條件下，秸稈覆蓋是實現(xiàn)小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)和環(huán)境友好的有效途徑，特別是旋耕覆蓋效果突出。