秸稈帶狀覆蓋下冬小麥干物質(zhì)積累及氮磷鉀素的吸收利用

常 磊，韓凡香，柴雨葳，王仕娥，楊德龍，程宏波，黃彩霞，柴守璽

(1.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

黃土高原旱地是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，水資源不足是該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因子，降水少且年際間變化幅度大造成其產(chǎn)量低而不穩(wěn)。地膜覆蓋和秸稈覆蓋是減少農(nóng)田棵間蒸發(fā)和提高水分利用效率的關(guān)鍵途徑之一[1]，但傳統(tǒng)的秸稈覆蓋是將秸稈粉碎后全地面覆蓋，該方式在西北熱量不足的地區(qū)，會因過度降低土壤溫度而影響小麥出苗和延緩生長，造成減產(chǎn)[2]。為解決秸稈覆蓋保墑和降溫的矛盾，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)提出了“種的地方不覆、覆的地方不種”的秸稈局部帶狀覆蓋種植新技術(shù)。目前，該技術(shù)已在西北雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)進行了推廣應(yīng)用。了解秸稈帶狀覆蓋冬小麥特性，明確氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收利用規(guī)律，對秸稈帶狀覆蓋技術(shù)的養(yǎng)分管理至關(guān)重要。

干物質(zhì)作為作物光合作用產(chǎn)物的最終形式，是作物經(jīng)濟產(chǎn)量的基礎(chǔ)[3]，而氮、磷、鉀是作物生長必需的大量礦質(zhì)營養(yǎng)元素，對小麥的生理生化過程和機體建成有重要的調(diào)控作用，且作物干物質(zhì)積累和養(yǎng)分積累存在密切關(guān)系，養(yǎng)分積累是作物干物質(zhì)形成和累積的基礎(chǔ)，也是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，同時，作物干物質(zhì)的積累和養(yǎng)分吸收利用受品種、氣候類型、土壤類型、栽培措施等因素的影響[4-10]。有研究表明，地表覆蓋顯著影響小麥干物質(zhì)的分配和轉(zhuǎn)運[11]，促進籽粒灌漿，最終提高作物產(chǎn)量[12]。吳 禎等[3]研究發(fā)現(xiàn)，窄幅條播可提高冬小麥花后干物質(zhì)同化量及其對籽粒的貢獻率而獲得高產(chǎn)。王健波等[13]研究表明，免耕覆蓋能提高小麥地上部的干物質(zhì)積累總量，促進開花后干物質(zhì)的積累。李 華等[11]研究表明，覆膜可增加冬小麥各生育期氮素的積累，提高氮素轉(zhuǎn)移量，覆草能顯著增加冬小麥生長后期氮素的積累。關(guān)于光照、溫度、覆蓋措施、密度等因素對小麥干物質(zhì)積累和養(yǎng)分吸收利用的影響，前人開展了較多研究[14-17]，但有關(guān)秸稈帶狀覆蓋下小麥花后干物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運及氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收利用的研究較少。因此，本研究系統(tǒng)分析了西北雨養(yǎng)條件下秸稈帶狀覆蓋農(nóng)田冬小麥干物質(zhì)積累以及氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收利用規(guī)律，以期為秸稈帶狀覆蓋冬小麥栽培技術(shù)的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014-2015年在甘肅省通渭縣甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地進行。該地海拔1 750 m，年均氣溫7.2 ℃，年日照時數(shù)2 100～2 430 h，無霜期120～170 d，屬中溫帶半干旱氣候區(qū)。作物一年一熟，為典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。多年平均降水量為390.7 mm，且降雨主要集中在7～9月(占全年降水量的60%～65%)。年均蒸發(fā)量1 500 mm，極易發(fā)生春旱。試驗區(qū)土壤為黃綿土，0～30 cm土壤平均容重為1.25 g·cm-3。

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)玉米秸稈帶狀覆蓋(SM)、全膜覆土穴播(PMF)和露地種植(CK)3個處理。玉米秸稈帶狀覆蓋(SM)：分秸稈覆蓋帶和種植帶，兩帶總幅寬60 cm，相間排列，播種帶30 cm，覆蓋帶30 cm，每個播種帶種植3行小麥，播種時預(yù)留覆蓋帶，于小麥3葉期將玉米整稈放置于覆蓋帶，覆蓋量約52 500株·hm-2(折合秸稈量約9 000 kg·hm-2，約為1 hm2旱地玉米的秸稈量)，覆蓋時將秸稈覆蓋帶和播種帶的2個邊行各留2～5 cm的間距，以防秸稈壓苗；全膜覆土穴播(PMF)：播前全地面平作覆膜，膜面覆土1 cm左右；露地種植(CK)：露地條播，平作。SM和PMF處理的冬小麥采用穴播的方式，行距20 cm，穴距12 cm；CK采用條播的方式，行距20 cm。采用隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，小區(qū)面積為56 m2(7 m×8 m)。供試冬小麥品種為蘭天26號。各小區(qū)的播種量和施肥量均相同，播種量為202.5 kg·hm-2，氮肥和磷肥用量均為105 kg·hm-2(為純氮磷量)，全部基施。灌漿后期進行“一噴三防”。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 干物質(zhì)測定

于小麥開花期(6月2日)取莖葉和穗的樣品，成熟期(7月10日)取莖葉、穗軸+穎殼和籽粒的樣品。每小區(qū)設(shè)3次重復(fù)。取樣后分裝于自封袋，帶回實驗室稱鮮重，于105 ℃殺青、80 ℃烘至恒重，稱干重。干物質(zhì)積累及轉(zhuǎn)運參數(shù)計算公式[11]：

營養(yǎng)器官開花前貯藏同化物轉(zhuǎn)運量=開花期植株干重-成熟期營養(yǎng)器官干重；

營養(yǎng)器官開花前貯藏同化物轉(zhuǎn)運效率=(開花期植株干重-成熟期營養(yǎng)器官干重)/開花期植株干重×100%；

開花后同化物輸入籽粒量=成熟期籽粒干重-營養(yǎng)器官花前貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運量；

對籽粒產(chǎn)量的貢獻率=開花前營養(yǎng)器官貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運量/成熟期籽粒干重×100%。

1.3.2 植株養(yǎng)分測定

于小麥開花期、成熟期采用盲抽法在樣區(qū)內(nèi)隨機采集100穗左右的小麥全株，即不看麥穗大小，直接用手將小麥植株由基部連根拔起，于根莖結(jié)合處(分蘗節(jié))將根剪下，將莖葉和穗分別裝入預(yù)先編號的大、小網(wǎng)袋。植物樣品烘干經(jīng)球磨儀(RetschMM400，德國)粉碎后采用H2SO4-H2O2法消解，采用連續(xù)流動分析儀(AA3，SEAL公司，德國)測定消解液中氮、磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；采用火焰光度計(Sherwood M410，英國)測定消解液中鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。氮磷鉀積累量及轉(zhuǎn)運參數(shù)計算公式[18]：

開花前氮(磷)素積累量=開花期地上部氮(磷)素積累量；

開花后氮(磷)素積累量=收獲期地上部氮(磷)素積累量-開花期地上部氮(磷)素積累量；

氮(磷)素轉(zhuǎn)運量=開花期地上部氮(磷)素積累量-收獲期營養(yǎng)器官氮(磷)素積累量；

氮(磷)素轉(zhuǎn)運效率=氮(磷)素轉(zhuǎn)運量/開花期地上部氮(磷)素積累量×100%；

轉(zhuǎn)運氮(磷)素對籽粒貢獻率=氮(磷)素轉(zhuǎn)運量/籽粒氮(磷)素積累量×100%；

開花后累積氮(磷)素對籽粒貢獻率=開花后氮(磷)素積累量/籽粒氮(磷)素積累量×100%。

鉀素在開花后因外排而發(fā)生損失，相關(guān)參數(shù)的計算公式[14]：

開花前鉀素積累量=開花期地上部(莖葉、穗)鉀素積累量；

鉀素轉(zhuǎn)運量=開花期地上部(莖葉、穗)鉀素積累量-收獲期營養(yǎng)器官(莖葉、穎殼)鉀素積累量；

開花后鉀素?fù)p失量=開花期地上部(莖葉、穗)鉀素積累量-收獲期地上部(莖葉、穎殼、籽粒)鉀素積累量；

籽粒鉀素占轉(zhuǎn)運鉀素的比例=籽粒鉀素積累量/鉀素轉(zhuǎn)運量×100%；

鉀素轉(zhuǎn)運效率=鉀素轉(zhuǎn)運量/開花期地上部(莖葉、穗)鉀素積累量。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析，采用LSD法進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋方式對干物質(zhì)分配與轉(zhuǎn)運的影響

不同覆蓋方式對小麥干物質(zhì)積累量在各器官中的分配比例有一定影響(表1)。成熟期干物質(zhì)在各器官中的積累量及分配比例總體表現(xiàn)為：籽粒>莖葉>穗軸+穎殼，其中，在籽粒中的分配比例占43.15%～48.35%。與CK相比，SM處理能降低莖葉+穗軸+穎殼的干物質(zhì)分配比例，提高籽粒的干物質(zhì)分配比例。

表1 冬小麥成熟期干物質(zhì)在不同器官中的分配比例Table 1 Dry matter distribution in different organs at maturity of winter wheat

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同覆蓋方式間差異顯著(P<0.05)。下同。

Small letters following values in same column mean significant differences at 0.05 level.The same in tables 2-8.

由表2可知，秸稈和地膜覆蓋對冬小麥開花前干物質(zhì)積累量、轉(zhuǎn)運效率及對籽粒的貢獻率、開花后干物質(zhì)積累量對籽粒的貢獻率的影響存在明顯差異，開花前貯藏干物質(zhì)轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻率為35.6%～54.9%，而開花后光合同化的干物質(zhì)對籽粒的貢獻率均高于45.0%。各處理開花前營養(yǎng)器官貯藏的同化物轉(zhuǎn)運量表現(xiàn)為CK>PMF>SM，但處理間無顯著差異；開花前營養(yǎng)器官貯藏的同化物對籽粒的貢獻率表現(xiàn)為CK>PMF>SM；各處理開花后同化物在籽粒中的積累量表現(xiàn)為SM>PMF>CK，開花后干物質(zhì)對籽粒的貢獻率也表現(xiàn)為SM>PMF>CK，且SM與PMF處理間差異不顯著，但兩者均顯著高于CK處理。說明開花前積累的干物質(zhì)對冬小麥的產(chǎn)量有一定貢獻，但產(chǎn)量高低主要取決于開花后干物質(zhì)的積累和分配；與CK相比，SM處理能促進冬小麥開花后干物質(zhì)的積累，顯著提高開花后干物質(zhì)積累量對籽粒的貢獻率?？梢姡斩拵罡采w條件下小麥開花后的干物質(zhì)積累量是籽粒干物質(zhì)的主要來源。

表2 冬小麥開花后干物質(zhì)的積累和轉(zhuǎn)運狀況Table 2 Dry matter distribution and accumulation after anthesis in winter wheat

2.2 不同覆蓋方式對氮、磷、鉀素分配與轉(zhuǎn)運的影響

2.2.1 對氮素分配與轉(zhuǎn)運的影響

不同生育時期，各器官氮素分配比例不同，且隨生育時期推進其分配重心也存在差異(表3)。各器官中氮素的分配比例在開花期表現(xiàn)為莖葉>穗，成熟期則表現(xiàn)為籽粒>莖葉>穎殼+穗軸；與CK相比，成熟期SM處理籽粒的氮素積累量和分配比例均較高。

小麥開花后地上部的氮素積累與干物質(zhì)的變化規(guī)律相似(表4)，地表覆蓋顯著影響小麥器官的氮素積累。開花前營養(yǎng)器官的氮素積累量以PMF處理最高，較CK增加28.3%，SM處理則較CK減少5.4%，但成熟期，各營養(yǎng)器官的氮素積累量表現(xiàn)為PMF>SM>CK，SM和PMF處理籽粒的氮素積累量分別較CK處理增加35.9%和11.4%，差異達到顯著水平。生殖生長開始后，開花前積累在各器官的氮素開始向籽粒轉(zhuǎn)運，其中PMF處理轉(zhuǎn)運量最高，較CK處理高14.1%，而SM處理則較CK處理低21.6%。與氮素轉(zhuǎn)運不同，開花后氮素積累量以SM處理最高，是CK處理的3.36倍，其對籽粒的貢獻率也最大，是CK處理的2.45倍?？梢?，秸稈覆蓋能促進小麥開花后的氮素積累，有利于小麥籽粒產(chǎn)量的形成。

表3 冬小麥開花期與成熟期氮素的積累和分配比例Table 3 Nitrogen accumulation and distribution ratio among different organs at anthesisand maturity of winter wheat

2.2.2 對磷素分配與轉(zhuǎn)運的影響

不同生育時期，各器官的磷素分配比例與氮素類似(表5)。各器官中磷素分配比例在開花期表現(xiàn)為莖葉>穗，成熟期表現(xiàn)為籽粒>莖葉>穎殼+穗軸；與CK相比，成熟期SM處理莖葉及穎殼+穗軸中磷素的分配比例較高，籽粒中的分配比例與CK處理間無明顯差異。

由表6可知，小麥開花前地上部分營養(yǎng)器官磷素積累量以PMF處理最高，SM處理次之，CK最低。成熟期，營養(yǎng)器官的磷素積累量表現(xiàn)為PMF>SM>CK，處理間存在顯著差異；籽粒磷素積累量以SM處理最高，較CK處理高37.4%，差異顯著，但與PMF處理無顯著差異。生殖生長開始后，開花前積累在營養(yǎng)器官的磷素開始向籽粒轉(zhuǎn)運，其中，PMF處理開花后磷素轉(zhuǎn)運量顯著高于CK處理，較CK增加29.3%，而SM處理與CK處理間無顯著差異。與磷素轉(zhuǎn)運不同，PMF和SM處理的開花后磷素積累量顯著高于CK處理，積累磷素對籽粒的貢獻率以SM處理最高，顯著高于PMF和CK處理。

表4 冬小麥花后氮素的積累和轉(zhuǎn)運狀況Table 4 Nitrogen accumulation and translocation of winter wheat at post-anthesis

表5 冬小麥開花期與成熟期磷素的積累和分配比例Table 5 Phosphorous accumulation and distribution ratio at anthesis and maturity

表6 冬小麥花后磷素的積累和轉(zhuǎn)運狀況Table 6 Phosphorous accumulation and translocation of winter wheat at post-anthesis

2.2.3 對鉀素分配與轉(zhuǎn)運的影響

不同生育時期，各器官的鉀素分配比例與磷素類似(表7)。各器官鉀素的分配比例在開花期表現(xiàn)為莖葉>穗，成熟期表現(xiàn)為莖葉>籽粒>穎殼+穗軸；同樣，與CK相比，成熟期PMF處理籽粒的鉀素分配比例較高。

由表8可知，開花前營養(yǎng)器官鉀素積累量以PMF處理最高，SM處理次之，兩者分別比CK處理高46.8%和9.9%，差異均達到顯著水平。成熟期，鉀素主要集中在營養(yǎng)器官，PMF和SM處理營養(yǎng)器官鉀素積累量分別較CK處理高37.0%和33.5%，差異顯著。開花后，開花前積累在營養(yǎng)器官的鉀素開始向籽粒轉(zhuǎn)運，其中PMF處理的鉀素轉(zhuǎn)運量顯著高于CK，而SM處理略低于CK。與氮、磷素的積累和轉(zhuǎn)運不同，成熟期冬小麥地上部鉀素積累量低于開花期，表明開花期積累在營養(yǎng)器官的鉀素未完全轉(zhuǎn)運至籽粒，而在小麥生長后期存在鉀素流失，且PMF處理損失最高，較CK高98.8%，SM處理損失較小，為5.0 kg·hm-2，較CK處理低71.3%。表明秸稈覆蓋開花前積累在營養(yǎng)器官中的鉀素多數(shù)都轉(zhuǎn)運至籽粒。

表7 冬小麥開花期與成熟期鉀素的積累和分配比例Table 7 Potassium accumulation and distribution ratioat anthesis and maturity

表8 冬小麥花后鉀素的積累和損失狀況Table 8 Potassium accumulation and loss of winter wheat at post-anthesis

3 討 論

地表覆蓋影響小麥開花前、開花后葉片、莖葉等營養(yǎng)器官養(yǎng)分的積累及營養(yǎng)物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)運[3,19-20]，但不同學(xué)者關(guān)于覆蓋條件下開花前、開花后小麥干物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運的研究結(jié)果不盡相同。有學(xué)者認(rèn)為，作物開花前積累干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運對籽粒的貢獻率約為7%～57%[11]，但產(chǎn)量高低取決于開花后干物質(zhì)的積累和轉(zhuǎn)運，開花后轉(zhuǎn)運干物質(zhì)貢獻率達60%以上[21]，亦有研究表明，籽粒產(chǎn)量的最終形成是開花前和開花后光合產(chǎn)物共同作用的結(jié)果[22]。吳金芝等[23]研究表明，免耕覆蓋能改善小麥生育后期旗葉的光合性能，促進干物質(zhì)積累。李華等[11]研究表明，覆草能顯著增加冬小麥生長后期干物質(zhì)的積累量。本研究顯示，與對照相比，秸稈帶狀覆蓋明顯增強了冬小麥開花后干物質(zhì)的積累能力及其對籽粒的貢獻，這與王健波等[13]的研究結(jié)果一致。這說明，開花后較高的干物質(zhì)積累量及對籽粒的貢獻率，是秸稈帶狀覆蓋處理獲得高產(chǎn)的生理基礎(chǔ)。

氮、磷、鉀素在作物器官內(nèi)的積累和運轉(zhuǎn)狀況直接或間接影響作物產(chǎn)量[24-25]，地表覆蓋能影響同化物在各器官的分配和轉(zhuǎn)運。屈會峰等[26]研究表明，秸稈覆蓋提高冬小麥產(chǎn)量，同時增加地上部吸氮量，但也有研究表明，地膜覆蓋未明顯提高小麥吸氮量和氮效率[27]。本研究中，秸稈帶狀覆蓋處理冬小麥開花后氮、磷積累量及其對籽粒貢獻率最高，氮、磷積累量較對照分別提高32.6%和19.0%。與氮、磷素不同，鉀素主要累積在根、莖、葉等營養(yǎng)器官，籽粒不是鉀素的主要累積器官[28]，秸稈覆蓋能改善土壤墑情，有利用于更多鉀素向籽粒轉(zhuǎn)運。這說明，秸稈帶狀覆蓋能明顯增加植株氮、磷和鉀素的積累，且增加氮、磷素在籽粒中的分配比例，提高粒重，從而達到增產(chǎn)的目的。