旱地麥田夏覆蓋和磷肥調(diào)控對小麥籽粒碳氮積累的影響

原亞琦，孫 敏，林 文，高志強，張錦朝，高艷梅，王 帥

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801)

山西省約60%降雨集中在7-9月，此時正值旱地小麥休閑期，與小麥生育期需水錯位，導(dǎo)致中后期水分不足而嚴重限制了該地區(qū)冬小麥的生產(chǎn)[1]。長期以來，傳統(tǒng)耕作采用休閑期深松[2-3]、深翻[4-5]等措施調(diào)整土壤結(jié)構(gòu)、增加降水的蓄納能力、提高播前土壤蓄水量。然而，裸露地面蒸發(fā)強烈，耕作層土壤水分80%以上為無效蒸發(fā)，冬小麥?zhǔn)芷溆绊懏a(chǎn)量降低且不平穩(wěn)[1,6]。地膜覆蓋是旱作地區(qū)增產(chǎn)的重要技術(shù)措施，它可以協(xié)調(diào)土壤水分環(huán)境，使土壤貯水量增加10%～60%，蒸發(fā)量降低50%以上，從而使后期深層土壤水分得到充分利用，增產(chǎn)效果顯著[4,7-9]。因此，休閑期麥田深翻且地膜覆蓋既能增加土壤對降雨的蓄積，又能減少土壤表面水分蒸發(fā)，有效提高播前底墑，最終實現(xiàn)小麥的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。小麥增產(chǎn)的實質(zhì)是籽粒碳氮積累的增加。然而，有研究表明，休閑期地膜覆蓋，增加了淀粉含量但降低了成熟期籽粒蔗糖和可溶性糖含量[10]，同時籽粒含氮量下降[11]。因此，單純的夏覆蓋條件下籽粒的產(chǎn)量和品質(zhì)難以同步提升。

增施磷肥可促進小麥根系深扎，有利于深層根系的豐富，實現(xiàn)水分和養(yǎng)分空間上的耦合，促進中后期深層土壤水分充分吸收利用，從而提高產(chǎn)量和水分利用效率[12-13]。同時，磷肥不僅能統(tǒng)籌利用水分和養(yǎng)分，實現(xiàn)增產(chǎn)，而且影響籽粒碳氮積累過程。付國占等[14]研究表明，增施磷肥能提高強筋小麥籽粒蛋白質(zhì)含量。姜宗慶等[15]研究表明，施磷量為(P2O5)0～140 kg/hm2，小麥籽粒淀粉含量隨施磷量增加而下降，但施磷量超過140 kg/hm2時淀粉含量略有上升。

本試驗采用休閑期麥田深翻后地膜覆蓋保水的措施，設(shè)置不同梯度施磷量，探究夏覆蓋及施磷肥對籽粒碳氮積累的影響，旨在為山西省南部旱地小麥提供產(chǎn)量和品質(zhì)同步提升的耕作栽培技術(shù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014-2015年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)聞喜試驗基地進行。該地位于北緯35°21′13.64″，東經(jīng)111°13′50.46″，海拔約468 m。試驗地為夏閑地，于2014年6月15日測定20 cm土層內(nèi)土壤肥力為：有機質(zhì)10.55 g/kg、堿解氮37.65 mg/kg、速效磷17.64 mg/kg。全年降水量情況如圖1所示。

圖1 聞喜試驗點全年降雨量Fig.1 Precipitation at the experimental site in Wenxi

1.2 試驗材料

供試小麥品種為運旱20410，由聞喜縣農(nóng)業(yè)委員會提供。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用二因素裂區(qū)設(shè)計，前茬小麥?zhǔn)斋@時留20～30 cm高茬，收獲后深翻35～40 cm，以7月15日深翻后覆蓋為主區(qū)，設(shè)全覆蓋(用滲水地膜將小區(qū)全面覆蓋，WM)、半覆蓋(用滲水地膜覆蓋小區(qū)一半面積，覆蓋與不覆蓋間隔 60 cm，HM)、不覆蓋(CK)3種覆蓋方式；以播前施磷量(磷肥使用過磷酸鈣，時間為播種前1 d)為副區(qū)，設(shè)低磷(75 kg/hm2，LP)、中磷(135 kg/hm2，MP)、高磷(180 kg/hm2，HP)3個梯度，共9個處理。10月1日播種，播種時所有處理基施180 kg/hm2N和150 kg/hm2K2O(氮、鉀肥分別為尿素和氯化鉀)，機械條播，行距20 cm，小區(qū)面積為150 m2(50 m×3 m)，重復(fù)3次，6月10日收獲。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 土壤蓄水量的測定 分別于小麥休閑期(覆蓋處理后15，30，45，60，77 d)和生育時期用土鉆取0～100 cm(每20 cm為一土層)土樣。采用環(huán)刀法測定土壤容重，用烘干法測定土壤含水量[16]。

1.4.2 糖含量測定 開花期掛牌標(biāo)記，花后每隔5 d取樣一次，每次取20穗，分離籽粒，(105±5 )℃殺青30 min，80 ℃烘至恒質(zhì)量?？扇苄蕴呛坎捎幂焱壬y定，蔗糖含量采用間苯二酚比色法測定，淀粉含量采用酸水解法測定[17]。

1.4.3 蛋白質(zhì)及其組分含量測定 取樣和樣品處理與糖含量測定相同，蛋白質(zhì)含量采用H2SO4-H2O2-靛酚藍比色法測定[18]；蛋白質(zhì)組分采用連續(xù)提取法提取，測定方法同蛋白質(zhì)含量。

1.4.4 成熟期考種及產(chǎn)量測定 成熟期調(diào)查單位面積穗數(shù)、每穗平均粒數(shù)及千粒質(zhì)量，每小區(qū)取 50 株測定生物產(chǎn)量；收割20 m2，計算經(jīng)濟產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Micsoft Excel 2003錄入數(shù)據(jù)并計算，統(tǒng)計學(xué)分析采用SPSS 22.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

休閑期蓄水效率 =休閑期土壤蓄水增加量/休閑期降雨量×100%[19]

①

作物耗水量(mm)=成熟期與播種期土壤蓄水量之差+生育期降水量[20]

②

水分利用效率[20]=作物籽粒產(chǎn)量/作物耗水量×100%

③

籽粒淀粉(蛋白質(zhì))產(chǎn)量(kg/hm2)=籽粒產(chǎn)量×籽粒淀粉(蛋白質(zhì))含量[21]

④

2 結(jié)果與分析

2.1 夏覆蓋和磷肥對土壤水分的影響

2.1.1 夏覆蓋的保水效果 與不覆蓋相比，夏覆蓋處理后30 d到播種期0～100 cm土壤蓄水量顯著提高。覆蓋較不覆蓋，播種期增加27.47～43.09 mm，休閑期蓄水效率顯著提高，達7.51%～11.79%，且全覆蓋顯著高于半覆蓋(表1)。可見，夏季覆蓋能有效蓄積降水，提高底墑，為旱地小麥播種提供有利條件。

表1 夏覆蓋對休閑期和播種期土壤蓄水量的影響Tab.1 Effect of mulch in summer on soil water storage in fallow period and sowing stage mm

注：測量值=平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同一列數(shù)字后不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著性。表2-4同。

Note: Measured value=Mean±SD.Values followed by different small letters in the same column are significantly different atP<0.05. The same as Tab.2-4.

2.1.2 夏覆蓋和磷肥對生育時期土壤水分的影響 在相同施低磷和中磷條件下，與不覆蓋相比，夏覆蓋越冬期-抽穗期土壤蓄水量提高，而開花期和成熟期降低，且同等磷肥條件下越冬期-抽穗期全覆蓋高于半覆蓋,開花期和成熟期全覆蓋低于半覆蓋；高磷條件下，與不覆蓋相比，全覆蓋越冬期-拔節(jié)期、成熟期土壤蓄水量提高，抽穗期、開花期降低；半覆蓋越冬期、抽穗期低于不覆蓋，其他生育期高于不覆蓋(表2)。覆蓋條件下，越冬期-抽穗期土壤蓄水量中磷最高(P<0.05)，越冬期以高磷最低(P<0.05)，拔節(jié)期以低磷最低(P<0.05)；不覆蓋條件下，越冬期-抽穗期土壤蓄水量以高磷最高(P<0.05)，越冬期和抽穗期以中磷最低(P<0.05)，返青期和拔節(jié)期以低磷最低(P<0.05)?？梢姡募靖采w條件下配施135 kg/hm2磷肥，有利于提高花前土壤水分，而不覆蓋條件下配施180 kg/hm2磷肥效果較好。

表2 夏覆蓋和磷肥對旱地小麥各生育時期土壤蓄水量的影響Tab.2 Effect of mulch in summer and phosphorus fertilizer on soil water storage in different growth stages of dryland wheat mm

2.2 夏覆蓋和磷肥對小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

與不覆蓋對照相比，夏覆蓋生育期總耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率提高，同等磷肥條件下產(chǎn)量和水分利用效率分別提高27%～51%和18%～29%，其中，同等磷肥條件下，全覆蓋的總耗水量和產(chǎn)量高于半覆蓋，水分利用效率則相反。耗水量、產(chǎn)量和高磷條件下的水分利用效率以全覆蓋最高，低磷和中磷條件水分利用效率以半覆蓋最高。覆蓋條件下，耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率以中磷最高(P<0.05)(水分利用效率全覆蓋下中磷和高磷差異性不顯著)，產(chǎn)量和水分利用效率分別提高7%～17%和0.1%～2.0%，產(chǎn)量和水分利用效率以低磷最低(P<0.05)；不覆蓋對照條件下，耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率均以高磷最高，且產(chǎn)量顯著高于其他處理，以低磷最低。夏覆蓋和不覆蓋中，產(chǎn)量最高的處理分別是全覆蓋中磷、不覆蓋高磷，兩者產(chǎn)量差值達46%，水分利用效率差值達22%?？梢?，夏覆蓋下配施135 kg/hm2磷肥有利于產(chǎn)量和水分利用效率的提高(表3)。

表3 夏覆蓋和磷肥對旱地小麥產(chǎn)量、水分利用效率的影響Tab.3 Effect of mulch in summer and phosphorus fertilizer on grain yield, water use efficiency of dryland wheat

2.3 夏覆蓋和磷肥對小麥籽粒碳氮積累的影響

2.3.1 夏覆蓋和磷肥對籽粒碳氮積累動態(tài)變化的影響 由圖2可知，籽粒淀粉含量花后5～35 d以中磷最高，低磷最低。籽粒蛋白質(zhì)含量花后5～15 d以中磷最高，花后5～10 d以低磷最低，花后15 d以高磷最低，花后20～35 d以中磷最低，花后20，30～35 d以低磷最高，花后25 d以高磷最高?？梢姡募静捎萌采w保水條件，135 kg/hm2磷肥促進灌漿初期和中期、180 kg/hm2磷肥促進灌漿后期籽粒淀粉積累，而135 kg/hm2磷肥促進灌漿初期、180 kg/hm2磷肥促進灌漿中期、75 kg/hm2磷肥促進灌漿后期籽粒蛋白質(zhì)積累。

2.3.2 夏覆蓋和磷肥對籽粒淀粉、蛋白質(zhì)含量及其產(chǎn)量的影響 由表4可知，與不覆蓋對照相比，夏覆蓋籽粒淀粉含量及其產(chǎn)量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量提高，且同等磷肥條件下全覆蓋高于半覆蓋，而籽粒蛋白質(zhì)含量降低，且同等磷肥條件下半覆蓋高于全覆蓋。覆蓋條件下，籽粒淀粉含量及其產(chǎn)量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量中磷最高(P<0.05)(淀粉含量中磷和高磷差異不顯著)，而籽粒蛋白質(zhì)含量高磷最高，中磷最低；不覆蓋條件下，籽粒淀粉含量及其產(chǎn)量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量高磷最高，淀粉和蛋白質(zhì)產(chǎn)量低磷最低，而籽粒蛋白質(zhì)含量高磷最低(P<0.05)，低磷最高(P<0.05)?？梢姡母采w配施135 kg/hm2磷肥籽粒的淀粉含量及其產(chǎn)量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量提高，但籽粒蛋白質(zhì)含量降低，而不覆蓋配施180 kg/hm2磷肥較好。

圖2 全覆蓋配施磷肥對旱地小麥花后籽粒淀粉、蛋白質(zhì)含量的影響Fig.2 Effect of full-mulch in summer and phosphorus fertilizer on starch and protein content in dryland wheat grain after anthesis

表4 夏覆蓋和磷肥對旱地小麥籽粒淀粉、蛋白質(zhì)含量及其產(chǎn)量的影響Tab.4 Effect of mulch in summer and P fertilizer on starch and protein content and yield of grain of dryland wheat grain

2.4 各生育時期土壤蓄水量、籽粒產(chǎn)量與碳氮積累間的關(guān)系

2.4.1 土壤蓄水量與籽粒產(chǎn)量和碳氮積累的相關(guān)關(guān)系 由表5可知，夏覆蓋配施磷肥條件下，播種期、返青期、拔節(jié)期和開花期土壤蓄水量與產(chǎn)量、籽粒淀粉和蛋白質(zhì)含量呈顯著或極顯著關(guān)系，其中，播種期、開花期土壤蓄水量分別與籽粒蛋白質(zhì)含量、產(chǎn)量無顯著關(guān)系；播種期、返青期和拔節(jié)期土壤蓄水量與籽粒產(chǎn)量和籽粒淀粉含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，開花期土壤蓄水量與籽粒淀粉含量呈顯著負相關(guān)關(guān)系；返青期和拔節(jié)期土壤蓄水量與籽粒蛋白質(zhì)含量呈顯著或極顯著負相關(guān)關(guān)系，開花期土壤蓄水量與籽粒蛋白質(zhì)含量則呈顯著正相關(guān)關(guān)系?？梢姡シN期、返青期、拔節(jié)期土壤蓄水量提高，有利于旱地小麥產(chǎn)量和籽粒淀粉含量的增加，開花期土壤蓄水量則相反；返青期和拔節(jié)期土壤蓄水量的提高，不利于籽粒蛋白質(zhì)含量的增加，開花期土壤蓄水量則相反。

表5 小麥各生育時期土壤蓄水量與籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)和淀粉含量的相關(guān)關(guān)系Tab.5 Relationship between soil water storage and grain yield, starch and protein content in different growth stages of wheat

注：*.P<0.05水平差異顯著；**.P<0.01水平差異極顯著。

Note:*.Significant difference atP<0.05;**.Significant difference atP<0.01.

2.4.2 籽粒產(chǎn)量與蛋白質(zhì)產(chǎn)量、淀粉產(chǎn)量的關(guān)系 以產(chǎn)量為橫坐標(biāo)，籽粒蛋白質(zhì)產(chǎn)量、淀粉產(chǎn)量為縱坐標(biāo)，擬合曲線得到以籽粒產(chǎn)量為自變量的線性函數(shù)，隨著自變量的增大，因變量蛋白質(zhì)產(chǎn)量、淀粉產(chǎn)量呈遞增趨勢。籽粒蛋白質(zhì)和淀粉產(chǎn)量在產(chǎn)量4 178 kg/hm2處最低，但產(chǎn)量不是最低；蛋白質(zhì)和淀粉產(chǎn)量在產(chǎn)量6 100 kg/hm2處最大，且產(chǎn)量達到最高，即全覆蓋+中磷處(圖3)?？梢?，全覆蓋配施135 kg/hm2磷肥能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)量和品質(zhì)同步提高。

圖3 夏覆蓋和施磷肥下旱地小麥籽粒產(chǎn)量與蛋白質(zhì)、淀粉產(chǎn)量的關(guān)系Fig.3 Relationship between grain yield, protein yield and starch yield of dryland wheat under summer mulch and phosphorus application amount

3 結(jié)論與討論

深翻能夠打破犁地層，增加耕作層厚度和疏松度，增強通氣透水性，有效納蓄降雨。王秋菊等[22]研究表明，深翻0～30 cm土壤通氣系數(shù)和飽和透水系數(shù)10～20 cm，20～30 cm土層分別是淺旋的5.42,3.14,2.86,3.87 倍。黨建友等[23]對于山西省南部丘陵旱地深翻時間研究表明，8月上中旬深翻較7月中旬深翻0～200 cm土壤多蓄水23～45 mm。休閑期地膜覆蓋能有效積蓄天然降水，減少土壤水分蒸發(fā)，提高播前底墑。廖允成等[19]研究表明，休閑期地膜秸稈2種覆蓋較露地栽培能多蓄水108 mm，蓄水效率達73.2%，最終提高底墑。鄭國璋等[24]研究表明，休閑期地膜覆蓋較不覆蓋0～100 cm土壤蓄水量增加28 mm。本研究結(jié)果表明，夏季深翻后覆蓋能有效蓄積降水，播種期較不覆蓋0～100 cm土壤蓄水量增加27.47～43.09 mm，休閑期蓄水效率顯著提高7.51%～11.79%，且全覆蓋播種期底墑高于半覆蓋。說明山西省南部旱地麥田休閑期采用深翻后覆蓋能夠提高播前底墑，全覆蓋效果較好。

孟曉瑜等[25]和呂麗華等[26]研究表明，底墑決定了水分和磷肥利用的程度，磷肥能促進小麥根系的發(fā)育，增加對土壤深層水分吸收的能力，緩解干旱對產(chǎn)量的不利影響。邢丹等[27]研究表明，一定氮肥條件下，增施磷肥小麥籽粒產(chǎn)量顯著提高，但施磷量存在閾值，即超過閾值籽粒產(chǎn)量不升反降。本研究表明，夏覆蓋增加底墑基礎(chǔ)上，配施磷肥有利于花前土壤水分、籽粒產(chǎn)量和水分利用效率的提高，全覆蓋配施135 kg/hm2磷肥效果最好，而不覆蓋條件下配施180 kg/hm2磷肥效果較好，產(chǎn)量和水分利用效率的差值分別達46%和22%。說明底墑充足條件下，較低的施磷量，就可實現(xiàn)較高的花前土壤蓄水量、產(chǎn)量和水分利用效率。

底墑和磷肥影響小麥干物質(zhì)的累積、向籽粒的轉(zhuǎn)移量及其比例，進而影響籽粒產(chǎn)量[25,28]。本研究表明，全覆蓋條件下，135 kg/hm2磷肥分別促進灌漿初期和中期籽粒淀粉積累、灌漿初期蛋白質(zhì)積累。夏覆蓋配施135 kg/hm2磷肥成熟期籽粒的淀粉含量及其產(chǎn)量、蛋白質(zhì)產(chǎn)量提高，但籽粒蛋白質(zhì)含量降低，且全覆蓋高于半覆蓋，籽粒蛋白質(zhì)含量相反，而不覆蓋配施180 kg/hm2磷肥較好。說明底墑制約籽粒淀粉、蛋白質(zhì)的積累，淀粉含量和蛋白質(zhì)含量的不同步是由產(chǎn)量提高幅度大于植株吸氮量增加幅度，籽粒蛋白質(zhì)被稀釋造成的[29]；磷肥通過增強植株對土壤水分的吸收能力，進而提高其抗旱性，促進籽粒灌漿進程順利進行。

此外，播種期、返青期和拔節(jié)期土壤蓄水量與籽粒產(chǎn)量、淀粉含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，返青期和拔節(jié)期土壤蓄水量與籽粒蛋白質(zhì)含量呈顯著或極顯著負相關(guān)關(guān)系；開花期土壤蓄水量與籽粒淀粉含量呈顯著負相關(guān)、與籽粒蛋白質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。說明播前底墑、器官建成階段前期土壤蓄水量提高有利于于小麥增產(chǎn)，但會降低籽粒營養(yǎng)品質(zhì)；開花期土壤蓄水量虧缺能提高其籽粒營養(yǎng)品質(zhì)，即適度干旱有利于籽粒品質(zhì)的提高[30]。以籽粒產(chǎn)量、淀粉和蛋白質(zhì)產(chǎn)量擬合回歸方程得到線性函數(shù)，產(chǎn)量最高處理為全覆蓋配施135 kg/hm2磷肥處，說明夏覆蓋配施磷肥的耕作栽培技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)量和品質(zhì)的同步提升。

旱地麥田夏覆蓋配施磷肥條件下，播前底墑提高有利于增產(chǎn)；返青期、拔節(jié)期土壤蓄水量提高導(dǎo)致籽粒淀粉含量增加，籽粒蛋白質(zhì)含量下降，而開花期土壤蓄水量則相反。休閑期深翻配套覆蓋較不覆蓋顯著增加播前底墑，全覆蓋底墑增幅高于半覆蓋；覆蓋條件下，施中磷(135 kg/hm2)較施低磷(75 kg/hm2)、高磷(180 kg/hm2)增加了小麥越冬期、返青期、拔節(jié)期和抽穗期土壤蓄水量，降低了開花期和成熟期土壤蓄水量。綜上所述，全覆蓋配施135 kg/hm2磷肥可增加返青期和拔節(jié)期的土壤蓄水量，提高籽粒產(chǎn)量、淀粉產(chǎn)量；降低開花期土壤水分，提高籽粒蛋白質(zhì)產(chǎn)量。