夏閑期不同覆蓋方式對旱地小麥水氮利用和產(chǎn)量的影響

陳秀文，趙護兵，毛安然，李紫燕，翟丙年

（西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100）

小麥是全球主要糧食作物之一，近幾年中國小麥產(chǎn)量一直穩(wěn)居世界第一［1］。中國35%的人口以小麥為主食［2］，由于中國人口的持續(xù)增加和人民生活水平的不斷提高，小麥的需求量和消耗量也在不斷增長，因此，利用有限的土地資源生產(chǎn)更多的小麥就成為當前小麥生產(chǎn)面臨的重大挑戰(zhàn)［3］。黃土高原是我國主要糧食產(chǎn)區(qū)之一，其面積約有4 000萬hm2［4］，其中冬小麥的種植面積為1 760萬hm2，約占總面積的44%［5］。由于該區(qū)是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，且每年降水分布不均衡，2/3的降水主要分布在夏季休閑期（即7～9月份），冬小麥生育期內(nèi)的降水卻很少，因此，最大程度地保蓄夏閑期降水對該區(qū)冬小麥生產(chǎn)有重要的意義［6］。最大程度地保蓄夏閑期降水可以顯著提高播前底墑［7］，這對旱地小麥的產(chǎn)量形成非常重要。研究表明，播前底墑與冬小麥的產(chǎn)量具有顯著的正相關關系［8］，甚至冬小麥產(chǎn)量的47%都是來自播前底墑［9］。夏季休閑期地膜覆蓋與不覆蓋相比，冬小麥播前0～280 cm土層的底墑顯著提高［10］，水分利用效率提高5%［11］，冬小麥產(chǎn)量提高 11%［12］。

夏閑期覆蓋是保蓄夏閑期降水，提高播前底墑的重要途徑，目前對旱地冬小麥的夏閑期覆蓋保水栽培措施研究主要集中在塑料地膜覆蓋保水方面，但對秸稈覆蓋的保水研究較少［13-15］。本研究在黃土高原旱地冬小麥種植區(qū)陜西省永壽縣御駕宮村進行大田試驗，以夏閑期壟膜溝秸覆蓋、夏閑期全膜覆蓋和夏閑期秸稈覆蓋為研究對象，研究夏閑期不同覆蓋方式對旱地冬小麥的產(chǎn)量、保水效果和氮素利用的影響，旨在探尋旱地冬小麥夏閑期覆蓋的最優(yōu)方式，為旱地冬小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)與環(huán)境友好型的農(nóng)業(yè)發(fā)展技術提供新的途徑和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2017～2018年在陜西省咸陽市永壽縣御駕宮村進行。該地區(qū)位于黃土高原的南部，屬于暖溫帶半濕潤大陸性氣候，年平均氣溫為10.8℃，年平均降水量為550 mm，且2/3的降水主要集中在夏季休閑期（即7～9月份），是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。潛在蒸發(fā)量為807.4 mm，無霜期為210 d。供試土壤的基本理化性狀為：pH值為8.18，有機質含量為11.7 g/kg，全氮含量為0.87 g/kg，硝態(tài)氮含量為14.5 mg/kg，銨態(tài)氮含量為2.7 mg/kg，有效磷含量為10.7 mg/kg，速效鉀含量為99.9 mg/kg，容重為1.25 g/cm3。2017年小麥收獲后到2018年小麥收獲后累積降水量586 mm，其中小麥生育期降水量314 mm，2017年夏季休閑期降水量272 mm。

1.2 試驗設計與材料

該試驗為6年定位試驗，共設5個處理，本研究在前5年（2012～2017年）基礎上進行。前5年各處理分別是無氮處理，農(nóng)戶常規(guī)對照模式，周年壟覆溝播，周年全膜穴播和周年秸稈覆蓋（3個覆蓋處理均為夏閑期和生長期全年覆蓋）。第6年（2017～2018年）處理將前5年周年覆蓋改為夏閑期覆蓋，5個處理分別是無氮處理（不施氮肥，夏閑期不覆蓋），農(nóng)戶常規(guī)對照模式（施氮肥，但是在夏閑期不覆蓋），夏閑期壟膜溝秸覆蓋，夏閑期全膜覆蓋，夏閑期秸稈覆蓋（3個覆蓋處理只在夏閑期覆蓋，在冬小麥播種前去除覆蓋物，小麥播種同農(nóng)戶常規(guī)播種方式一致）。在6年試驗中，每年5個處理全部施用磷肥，施用量（P2O5）為127.5 kg/hm2，農(nóng)戶常規(guī)對照模式和3個覆蓋處理共計4個處理，每年施純氮150 kg/hm2，供試氮肥為尿素（N 46%），磷肥為過磷酸鈣（P2O512%）。無氮處理和農(nóng)戶常規(guī)對照模式在冬小麥收獲后一星期內(nèi)把秸稈全部移走；夏閑期壟膜溝秸覆蓋處理是在小麥收獲后起壟覆蓋（40 cm寬農(nóng)用普通白色地膜，壟上覆膜，溝內(nèi)覆秸稈）；夏閑期全膜覆蓋是在小麥收獲后整地覆1 m寬農(nóng)用普通白色地膜，膜上覆土1 cm，每隔20 cm打一行孔，孔距（相鄰兩孔距離）為12 cm，以備夏閑期降水入滲；夏閑期秸稈覆蓋是在小麥收獲后覆蓋秸稈，秸稈用量為10 t/hm2。每個處理重復4次，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積48 m2（12 m×4 m）。

本試驗季冬小麥于2017年9月23日播種，2018年6月15日收獲。試驗品種為洛旱6號，氮肥、磷肥均作為基肥施入，在播前均勻撒入相應小區(qū)后翻入耕層并耙平，播種量為150 kg/hm2，播種行距20 cm。小麥生長季進行“一噴三防”作業(yè)。

1.3 測定項目與方法

產(chǎn)量和生物量：在小麥成熟后每小區(qū)隨機取3 m2長勢均勻的小麥植株，計算產(chǎn)量和生物量。

土壤蓄水量：在播前和收獲后用土鉆取0～200 cm土樣（每20 cm為一層），用烘干法測定土壤含水量，土壤含水量以水分占干土重的百分數(shù)來表示。

籽粒、秸稈和穎殼含氮量：在測完產(chǎn)量之后選取適量籽粒、秸稈和穎殼，磨碎后用濃硫酸和過氧化氫消煮，消煮完全后用連續(xù)流動分析儀測定籽粒、秸稈和穎殼含氮量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

式中：WS為蓄水量，mm；ρ為土壤容重，g/cm；h為土壤深度，cm；w為土壤含水量，%；i為土層；10為換算系數(shù)。

式中：ET為生育期耗水量，mm；WSBS為播前土壤蓄水量，mm；P為生育期降水量，mm；WSAH為收獲后土壤蓄水量，mm。

式中：WUE為水分利用效率，kg/（hm2·mm）；Y為產(chǎn)量，kg/hm2。

籽粒吸氮量（g/kg）=籽粒氮含量×產(chǎn)量/1 000

地上部吸氮量（kg/hm2）=（籽粒氮含量×產(chǎn)量+秸稈氮含量×秸稈生物量+穎殼氮含量×穎殼生物量）/1 000。

氮素利用效率（%）=（施氮區(qū)地上部氮素累積量-不施氮區(qū)地上部氮素累積量）/純氮×100。

采用Excel 2016軟件處理數(shù)據(jù)，SPSS 21.0軟件進行統(tǒng)計分析，用LSD法進行差異顯著性檢驗，顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 夏閑期不同覆蓋方式對冬小麥地上部生物量和產(chǎn)量的影響

圖1 夏閑期不同覆蓋方式對冬小麥地上部生物量和產(chǎn)量的影響

產(chǎn)量和地上部生物量的變化趨勢一致（圖1）。夏閑期壟膜溝秸覆蓋處理相比較農(nóng)戶常規(guī)對照，產(chǎn)量和地上部生物量有降低的趨勢，其中產(chǎn)量降低了3.2%，地上部生物量降低了4.5%。而夏閑期全膜覆蓋與秸稈覆蓋相比較農(nóng)戶常規(guī)對照，產(chǎn)量和地上部生物量有增加的趨勢，產(chǎn)量分別增加了2.2%和15.3%，地上部生物量分別增加了0.7%和13.6%，且夏閑期秸稈覆蓋處理的增幅大于夏閑期全膜覆蓋處理。無氮處理的產(chǎn)量和生物量均顯著低于其他4個處理。

2.2 夏閑期不同覆蓋方式對土壤蓄水量、耗水量及水分利用效率的影響

與夏閑期無覆蓋的農(nóng)戶常規(guī)對照模式相比，夏閑期覆蓋增加了夏閑期和收獲期的土壤蓄水量（表1）。夏閑期壟膜溝秸覆蓋、夏閑期全膜覆蓋和夏閑期秸稈覆蓋較農(nóng)戶常規(guī)對照，夏閑期末土壤蓄水量分別增加了65.7、107.6和145.0 mm，增幅分別為33.1%、119.2%和195.1%，且夏閑期秸稈覆蓋與夏閑期壟膜溝秸覆蓋處理相比，差異達顯著水平；成熟期土壤蓄水量分別增加了18.9、31.5和32.3 mm，增幅分別為6.8%、11.3%和11.6%，但是3種覆蓋處理與農(nóng)戶常規(guī)對照相比，差異均未達顯著水平。無氮處理在夏閑期末的土壤蓄水量低于其他4個處理，且與夏閑期秸稈覆蓋的差異達顯著水平；但在成熟期的土壤蓄水量顯著高于其他4個處理。

表1 夏閑期不同覆蓋方式對土壤蓄水量、耗水量及水分利用效率的影響

與農(nóng)戶常規(guī)對照相比，夏閑期秸稈覆蓋處理顯著提高了生育期耗水量；但是夏閑期全膜覆蓋呈提高的趨勢，差異未達顯著水平；夏閑期壟膜溝秸覆蓋有降低生育期耗水量的趨勢。無氮處理的生育期耗水量低于其他4個處理，且與夏閑期秸稈覆蓋的差異達顯著水平。夏閑期各覆蓋處理相比較農(nóng)戶常規(guī)對照模式，水分利用效率都有提高的趨勢，無氮處理的水分利用效率均顯著低于其他4個處理。

2.3 夏閑期不同覆蓋方式對冬小麥氮素吸收、氮肥利用率的影響

與農(nóng)戶常規(guī)對照相比，夏閑期秸稈覆蓋處理有增加冬小麥籽粒吸氮量和地上部吸氮量的趨勢（表2）。其中，籽粒吸氮量增加了3.3%，地上部吸氮量增加了4.7%。而夏閑期壟膜溝秸覆蓋和夏閑期全膜覆蓋處理有降低籽粒吸氮量和地上部吸氮量的趨勢。其中，夏閑期壟膜溝秸覆蓋處理籽粒吸氮量降低了15.9%，地上部吸氮量降低了23.7%；夏閑期全膜覆蓋處理籽粒吸氮量降低了17.8%，地上部吸氮量降低了18.2%。無氮處理的籽粒吸氮量和地上部吸氮量均顯著低于其他4個處理。

與農(nóng)戶常規(guī)對照相比，夏閑期秸稈覆蓋處理有增加氮肥利用率的趨勢，其氮肥利用率增加了6.4%。而夏閑期壟膜溝秸覆蓋和全膜覆蓋處理有降低氮肥利用率的趨勢，其中，夏閑期壟膜溝秸覆蓋處理降低了35.1%，夏閑期全膜覆蓋處理降低了26.4%。

表2 夏閑期不同覆蓋方式對冬小麥氮素吸收、氮肥利用率的影響

3 討論

3.1 夏閑期不同覆蓋方式對冬小麥產(chǎn)量的影響

王紅麗等［16］研究表明，全膜穴播較露地對照增產(chǎn)49%～88%。在陜西省長武縣的定位試驗表明，地膜覆蓋5年平均增產(chǎn)6%［17］。在陜西關中平原的試驗表明，在冬小麥和玉米輪作體系中，壟覆溝播能提高冬小麥的產(chǎn)量［2］。山西晉南的試驗研究表明，夏季休閑期深翻覆膜較不覆膜可提高穗數(shù)、穗粒數(shù)和產(chǎn)量，且除穗粒數(shù)之外差異均達顯著水平［10］。在本研究中，夏閑期全膜覆蓋提高了冬小麥的產(chǎn)量，這與前人的研究結果一致；但是夏閑期壟膜溝秸覆蓋卻降低了冬小麥的產(chǎn)量，這是因為本試驗前5年是周年壟覆溝播處理。前人在研究中發(fā)現(xiàn)，壟覆溝播增加產(chǎn)量的最優(yōu)管理方案是播種量為113～123 kg/hm2，施氮量為197～214 kg/hm2［18］。而本研究前5年的播種量為150 kg/hm2，施氮量為150 kg/hm2，過高的播種量和過低的施氮量導致土壤中的氮素虧缺，從而造成本季試驗冬小麥減產(chǎn)。為了在壟覆溝播模式下冬小麥持續(xù)增產(chǎn)，本試驗研究結果表明，要合理增施氮肥和減少種植密度［19］，這與前人的研究結果一致。

土壤水分和氮肥是限制旱地冬小麥產(chǎn)量提高的兩大主要因素［20］。研究表明，施用氮肥有明顯的增產(chǎn)效果，平均每1 kg氮素增產(chǎn)小麥15.5～33 kg［21］。在本研究中，施用氮肥也顯著地提高了冬小麥的產(chǎn)量。在3種夏閑期覆蓋處理中，夏閑期秸稈覆蓋處理的增產(chǎn)作用最顯著，與農(nóng)戶常規(guī)對照模式相比，產(chǎn)量增加了15.3%。這主要是因為夏閑期秸稈覆蓋處理與其他2種覆蓋處理相比，在整個夏閑期儲蓄了更多的自然降水，在夏閑期末土壤蓄水量比上季收獲時增加了145.0 mm，而夏閑期全膜覆蓋與夏閑期壟膜溝秸覆蓋分別僅僅增加了107.6和65.7 mm。其次，秸稈是土壤氮素的重要來源之一［22］。本研究前5年的周年秸稈覆蓋使播前土壤中礦質氮含量從第1季的155 kg/hm2增加到第5季的168 kg/hm2，而周年壟覆溝播的播前土壤礦質氮含量從第1季的155 kg/hm2下降至第5季的79.0 kg/hm2，周年全膜穴播的播前土壤礦質氮含量從第1季的155 kg/hm2下降至第5季的68.4 kg/hm2。因此，到本試驗年夏閑期秸稈覆蓋處理中有更多的土壤水分和氮素供冬小麥生長，從而使冬小麥增產(chǎn)更多。

地膜覆蓋具有明顯的增溫和保墑效果，可使小麥增產(chǎn)30%以上［23］，是當前黃土高原旱作區(qū)應用最廣泛的覆蓋技術［24］。但是由于覆膜引起的“白色污染”和大量的土壤水肥消耗問題，已經(jīng)制約了該技術的大面積推廣，目前已經(jīng)引起科研人員的普遍關注［25］。目前，黃土高原地區(qū)小麥生產(chǎn)面臨著綠色生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，秸稈覆蓋是實現(xiàn)西北旱地小麥綠色生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。然而由于黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)有效積溫有限，所以周年秸稈覆蓋會降低土壤溫度，從而影響小麥的發(fā)芽出苗和前期營養(yǎng)生長，導致小麥減產(chǎn)［26］。而夏閑期秸稈覆蓋既可以解決秸稈覆蓋保水與降溫之間的矛盾，還是有利于旱地小麥綠色生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的無污染途徑，適合此地區(qū)推廣應用。

3.2 夏閑期不同覆蓋方式對土壤蓄水量、耗水量及水分利用效率的影響

黃土高原旱地麥田土壤水分補給的唯一來源是降水，特別是該區(qū)每年2/3的降水分布在夏季休閑期，該時期土壤水分的多少決定著冬小麥播前的土壤墑情［27］，因此最大程度地保蓄夏閑期降水對旱地冬小麥的高產(chǎn)高效有重要意義［28］。Stagnari等［29］研究表明，秸稈覆蓋具有顯著的蓄水保墑作用，且王慶杰等［30］研究表明，土壤含水量與秸稈覆蓋量之間呈線性關系，含水量隨著秸稈覆蓋量的增加而增加。也有研究表明，夏閑期地膜覆蓋與不覆蓋相比，夏閑期末0～2 m土壤蓄水量增加了7～123 mm，夏閑期蓄水保墑率為34%～58%［31］，水分利用效率提高了7%～20%［32］，生育期耗水量增加了6～31 mm［33］。在本研究中，3種夏閑期覆蓋處理較農(nóng)戶常規(guī)對照模式，其播種期和收獲期土壤蓄水量都有增加的趨勢，不論是播種期還是成熟期，夏閑期秸稈覆蓋的土壤蓄水量增幅最大，這是因為秸稈覆蓋的滲水能力比地膜覆蓋強，而且本研究的秸稈覆蓋用量很大，為10 t/hm2，而夏閑期全膜覆蓋是在膜上打了孔用來滲水，夏閑期壟膜溝秸覆蓋只是在溝內(nèi)覆了少量的秸稈，所以夏閑期秸稈覆蓋的保水效果最好。此外，由于無氮處理的產(chǎn)量顯著低于其他4個處理，所以生育期耗水量比較低，水分利用效率也顯著低于其他4個處理，導致無氮處理在成熟期的土壤蓄水量顯著高于其他4個處理。夏閑期壟膜溝秸覆蓋較農(nóng)戶常規(guī)對照，降低了冬小麥生育期耗水量，這是因為夏閑期壟膜溝秸覆蓋降低了冬小麥產(chǎn)量。

3.3 夏閑期不同覆蓋方式對冬小麥氮素吸收、氮肥利用率的影響

植株氮素的吸收、利用與土壤水分狀況有很大關系［34］，氮肥利用效率是植株礦質養(yǎng)分吸收和利用能力的重要指標。研究發(fā)現(xiàn)，與不施氮相比，施用氮肥可顯著提高小麥地上部分的氮素累積量和氮肥利用效率［35］。在本研究中，無氮處理的籽粒含氮量和地上部吸氮量也顯著低于其余4個施氮處理，這與前人的研究結果相同。在河北省吳橋縣的研究表明，在施氮量相同的情況下，水分高的處理可提高花后氮素累積量［36］。任愛霞等［32］研究表明，夏閑期覆膜較不覆膜可顯著促進植株氮素吸收。而在本研究中，2種夏閑期地膜覆蓋方式的籽粒吸氮量、地上部吸氮量和氮素利用效率較農(nóng)戶常規(guī)對照模式均有降低的趨勢，這與前人的研究有所不同。主要原因如前文所述，前5年周年覆膜導致土壤中氮素虧缺，雖然地膜覆蓋具有良好的保水效果，但是冬小麥生長后期氮肥不足影響了植株對氮素的吸收。

趙建明等［37］的研究表明，秸稈覆蓋可以增加土壤有機氮的礦化，在地表進行秸稈覆蓋可以提高土壤肥力。在安徽的3年定位試驗研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)秸稈覆蓋可顯著提高0～5、5～15、15～25 cm土層土壤礦質氮含量，而且隨著秸稈覆蓋時間的延長和秸稈用量的增加，這3個土層的土壤礦質氮含量的增幅也在增加［22］。秸稈覆蓋在地表時，腐解速度會變慢，覆蓋物與土壤微生物之間的接觸會減少，微生物不會和小麥發(fā)生爭氮現(xiàn)象，所以土壤中有更多的氮素可供小麥生長和發(fā)育［38］。除此之外，秸稈是土壤氮素的重要來源之一，秸稈覆蓋會釋放有機氮，釋放的有機氮會隨著降水進入土壤，進入土壤的有機氮是作物生長后期可以吸收利用的潛在氮源。有研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋在土壤表面的秸稈提供的15N，其中有10.2% 進入到了冬小麥中［39］。在本研究中，由于前5年全年的秸稈覆蓋，使土壤中的氮素有所增加。因此，在本年度的試驗中，夏閑期秸稈覆蓋處理較農(nóng)戶常規(guī)對照模式，其籽粒吸氮量、地上部吸氮量、氮素利用效率均有提高的趨勢。

4 結論

本研究通過夏閑期不同覆蓋處理對旱地冬小麥播前及收獲后蓄水量、耗水量、產(chǎn)量及生物量、籽粒含氮量以及地上部吸氮量等的研究發(fā)現(xiàn)，夏閑期覆蓋能夠有效保蓄夏閑期降水，提高播前和收獲期土壤蓄水量。夏閑期壟膜溝秸覆蓋處理的地上部生物量、產(chǎn)量、籽粒含氮量、地上部吸氮量較農(nóng)戶常規(guī)對照模式都有降低的趨勢；而夏閑期全膜覆蓋和秸稈覆蓋處理都有增加的趨勢，且夏閑期秸稈覆蓋處理的增加幅度更大。綜合比較，夏閑期秸稈覆蓋不僅能夠獲得較高產(chǎn)量，而且還具有良好的環(huán)境效應。因此，這種覆蓋栽培技術是一種綠色可持續(xù)的種植模式，有利于干旱地區(qū)冬小麥可持續(xù)生產(chǎn)，適合在西北旱地小麥生產(chǎn)區(qū)域推廣。