減氮覆膜對黃土旱塬小麥產(chǎn)量及硝態(tài)氮殘留的影響

姜麗偉，李廷亮，2，3，謝英荷，2，3，張奇茹，劉 凱，曹 靜，邵靖琳，王嘉豪，呂卓呈

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國家級實驗教學(xué)示范中心，山西太谷 030801；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西省土壤肥料研究生教育創(chuàng)新中心，山西太谷 030801）

小麥?zhǔn)俏覈闹饕Z食作物之一，在我國種植面積廣闊，占糧食作物總面積的22%左右，且產(chǎn)量占到糧食總產(chǎn)的20%以上，是我國主要的商品糧和戰(zhàn)略儲備糧品種[1]，小麥的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對保證國家糧食安全和國民生活有著重要意義。為使糧食達(dá)到增產(chǎn)目的，我國從20 世紀(jì)50 年代起大量施用化肥。近30 a 來，我國化肥施用量持續(xù)增長，20 世紀(jì)80 年代增長率達(dá)到6.6%，90 年代達(dá)到4.7%，21 世紀(jì)初達(dá)到1.2%[2]。但隨著化肥施用量不斷增加糧食產(chǎn)量卻不再增加，反而有下降趨勢[3]，同時也對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，使其短期內(nèi)難以逆轉(zhuǎn)[4-6]。特別是氮肥的過量施用，導(dǎo)致氮素在土壤中累積，對地下水構(gòu)成嚴(yán)重威脅[7]。而山西省小麥種植區(qū)集中在晉南地區(qū)，該區(qū)小麥種植面積占全省的79.6%[8]，但晉南小麥種植區(qū)也存在農(nóng)民過量施肥的現(xiàn)象[9]，因此，明確晉南地區(qū)的小麥合理種植方式與施肥量對山西省的小麥生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

從源頭上減少氮肥的投入是有效降低土壤中硝態(tài)氮殘留最直接的方法，但減氮不是盲目的減少氮肥用量，而是在穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理的氮磷鉀平衡投入，以促進(jìn)土壤肥力的不斷提升，維持農(nóng)業(yè)的綠色生產(chǎn)。除養(yǎng)分之外，水分也是制約旱地小麥生長發(fā)育的重要因子。大量研究表明，地膜覆蓋可以改善土壤濕度，起到蓄水保墑作用，從而提高作物產(chǎn)量[10-14]；同時還可以抑制雜草和返鹽，降低病蟲害[15]，提高當(dāng)季肥料利用率[16]。因此，將減氮測控施肥與地膜覆蓋結(jié)合運用，通過優(yōu)化地表覆蓋措施，對于改善土壤養(yǎng)分狀況以促進(jìn)該地區(qū)冬小麥生產(chǎn)并且改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

本研究在晉南旱地小麥種植區(qū)分析了農(nóng)戶模式、減氮測控施肥和減氮測控施肥＋壟膜溝播3 個不同處理對小麥產(chǎn)量以及土壤中硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀等的影響，旨在為黃土旱塬麥田減肥增效的綠色生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于山西省臨汾市洪洞縣劉家垣鎮(zhèn)東梁村（36°22′N、111°35′E，海拔648 m），為長期定位試驗區(qū)。該區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.63 ℃，無霜期180～210 d，日照時數(shù)2 149 h，有效積溫4 500 ℃，年平均降水量500 mm 左右。供試土壤為石灰性褐土，土壤質(zhì)地為中壤土，耕層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表1 所示。

表1 試驗地基礎(chǔ)理化性質(zhì)

1.2 試驗材料

供試小麥品種為晉麥47。

1.3 試驗設(shè)計

試驗于2016 年9 月—2018 年6 月進(jìn)行，共設(shè)3 個處理，分別為農(nóng)戶模式、減氮測控施肥模式（減氮測控）和減氮測控施肥+壟膜溝播（壟膜溝播）。其中，農(nóng)戶模式為當(dāng)?shù)胤N植區(qū)農(nóng)戶的常規(guī)施肥；減氮測控施肥的肥料用量依據(jù)當(dāng)?shù)啬繕?biāo)產(chǎn)量和對當(dāng)年播前土壤養(yǎng)分測定含量確定；減氮測控施肥+壟膜溝播即為在減氮測控施肥的基礎(chǔ)上進(jìn)行壟膜溝播種植。每個處理3 次重復(fù),每塊地設(shè)置一個重復(fù),采用隨機(jī)區(qū)組排列，由于地塊大小的原因，小區(qū)面積為210～520 m2。小麥于每年9 月20 日播種，播量150 kg/hm2，6 月收獲，整個生育期無灌溉，肥料用量與種植方式如表2 所示。

表2 旱地冬小麥減氮覆膜試驗方案

1.4 樣品采集與項目測定方法

1.4.1 樣品采集

1.4.1.1 植物樣采集 小麥?zhǔn)斋@期，在各小區(qū)隨機(jī)收獲30 m（215 m×2 m）的小麥，3 次重復(fù)，脫粒計算產(chǎn)量。

1.4.1.2 土壤樣品采集 土壤樣品采樣時間為2017、2018 年冬小麥?zhǔn)斋@后，對不同處理小區(qū)進(jìn)行多點土樣采集，土樣每層20 cm，采集0～200 cm 土壤樣品用于測定土壤硝態(tài)氮，其中，0～40 cm 土壤樣品用于測定土壤有效磷和速效鉀含量。

1.4.2 測定項目及方法 土壤中硝態(tài)氮含量采用1 mol/L KCl 浸提，用紫外分光光度計進(jìn)行測定[17]；土壤中有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，用鉬藍(lán)比色法進(jìn)行測定[17]；土壤中速效鉀含量采用1 mol/L NH4OAc 浸提，用火焰光度計進(jìn)行測定[17]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)運用Microsoft Excel 2019 和SPSS 19.0 軟件進(jìn)行處理，處理間的多重比較采用LSD 法（P＜0.05）進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 減氮覆膜對旱地小麥產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益的影響

表3 不同處理冬小麥產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益分析結(jié)果

從表3 可以看出，試驗期間不論是籽粒產(chǎn)量還是生物產(chǎn)量，2 a 均表現(xiàn)為農(nóng)戶模式<減氮測控<壟膜溝播。其中，籽粒產(chǎn)量減氮測控較農(nóng)戶模式平均增產(chǎn)5.3%，但二者間無顯著差異；壟膜溝播處理籽粒產(chǎn)量顯著高于農(nóng)戶模式與減氮測控處理，分別平均增產(chǎn)32.3%和25.6%；生物產(chǎn)量在試驗2 a 期間減氮測控雖均高于農(nóng)戶模式，但未表現(xiàn)出顯著差異，壟膜溝播均顯著高于農(nóng)戶模式與測控處理（P＜0.05），分別平均高于農(nóng)戶模式與測控處理22.4%和22.1%。說明在減氮的情況下，并未造成小麥減產(chǎn)，仍然收到了穩(wěn)產(chǎn)的效果。

從經(jīng)濟(jì)效益來看，試驗期間減氮測控在2016—2017 年較農(nóng)戶模式高出6.6%，在2017—2018 年顯著高于農(nóng)戶模式39.5%（P＜0.05）；從2 a 平均來看，壟膜溝播處理的經(jīng)濟(jì)效益分別較農(nóng)戶模式與減氮測控增加41.7%和25.3%，其中，壟膜溝播處理與農(nóng)戶模式之間差異顯著（P＜0.05），減氮測控與農(nóng)戶模式、壟膜溝播之間均無顯著性差異。

2.2 減氮覆膜對0～200 cm 土壤硝態(tài)氮殘留的影響

從圖1 和表4 可以看出，2 a收獲后0～200 cm土壤中硝態(tài)氮殘留量均表現(xiàn)為壟膜溝播<減氮測控<農(nóng)戶模式。2017 年收獲后硝態(tài)氮殘留量減氮測控比農(nóng)戶模式低4.5%，壟膜溝播分別較農(nóng)戶模式與減氮測控低20.3%、16.5%，且差異性顯著（P＜0.05）；2018 年收獲后硝態(tài)氮殘留量減氮測控比農(nóng)戶模式顯著降低33.7%（P＜0.05）。壟膜溝播2 a 平均分別較農(nóng)戶模式與減氮測控降低44.5%、16.3%，且差異顯著（P＜0.05）。其中，農(nóng)戶模式在100～200 cm 土層中有大量殘留積累，分別較減氮測控和壟膜溝播高出88.7%、155.9%。經(jīng)過2 a 的種植，2018 年收獲后農(nóng)戶模式0～200 cm 土壤中硝態(tài)氮總殘留量較2017 年增加了14.6%，而測控減氮與壟膜溝播分別較2017 年降低20.4%和20.2%。說明減氮測控可有效降低0～200 cm 土壤中硝態(tài)氮的殘留量，其中，在減氮測控施肥基礎(chǔ)上進(jìn)行壟膜溝播效果更為顯著。

表4 2016—2018 年收獲后0～200 cm土壤硝態(tài)氮殘留量變化 kg/hm2

2.3 減氮覆膜對0～40 cm 土壤有效磷含量的影響

由圖2、3 可知，試驗期間2 a 收獲后0～40 cm土壤的有效磷含量均表現(xiàn)為0～20 cm 中含量高于20～40 cm，2017 年收獲后各處理0～20 cm 土壤有效磷含量表現(xiàn)為減氮測控和壟膜溝播顯著高于農(nóng)戶模式（P＜0.05），分別高出56.4%、50.8%；在20～40 cm 土壤中則表現(xiàn)為壟膜溝播>減氮測控>農(nóng)戶模式，壟膜溝播與減氮測控分別較農(nóng)戶模式高出184.7%和105.8%，減氮測控與農(nóng)戶模式之間未表現(xiàn)出差異性，壟膜溝播與農(nóng)戶模式之間差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

2018 年收獲后0～20 cm 土壤中有效磷含量減氮測控與農(nóng)戶模式之間差異顯著（P＜0.05），壟膜溝播與其他2 個處理間無顯著差異；在20～40 cm土壤中減氮測控比農(nóng)戶模式高出14.9%，但無顯著差異，而壟膜溝播處理則顯著高于農(nóng)戶模式、減氮測控處理（P＜0.05），分別高78.3%、55.19%。說明減氮測控顯著增加了0～20 cm 土壤有效磷含量，而在20～40 cm 土壤中壟膜溝播較農(nóng)戶模式顯著提高土壤有效磷含量。

2.4 減氮覆膜對0～40 cm 土壤速效鉀含量的影響

從圖4、5 可以看出，試驗期間冬小麥?zhǔn)斋@后0～40 cm 土壤中速效鉀含量表現(xiàn)為農(nóng)戶模式<減氮測控<壟膜溝播，其中，20～40 cm 土壤速效鉀含量各處理間2 a 均無顯著性差異。0～20 cm 土壤中2017 年收獲后速效鉀含量減氮測控比農(nóng)戶模式高出2.4%，但二者間差異不顯著；壟膜溝播分別顯著高于農(nóng)戶模式與減氮測控42.9%、26.9%（P＜0.05）。2018 年收獲后0～20 cm 土壤速效鉀壟膜溝播比農(nóng)戶模式提高11.8%，且差異顯著P＜0.05）；減氮測控雖高于農(nóng)戶模式，但無顯著性差異。說明減氮測控與壟膜溝播可顯著提高土壤表層速效鉀含量，而對20～40 cm 土壤中速效鉀含量影響不顯著。

3 討論

3.1 減氮覆膜對小麥產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益的影響

李強(qiáng)等[18]研究表明，在旱地冬小麥種植區(qū)傳統(tǒng)施肥的基礎(chǔ)上，適當(dāng)減少氮肥施用量并不會降低小麥產(chǎn)量。葉優(yōu)良等[19]在山東泰安和兗州田間試驗表明，與農(nóng)民習(xí)慣施肥相比，優(yōu)化施肥在氮肥用量減少38.6%～53.3%后，冬小麥產(chǎn)量提高0.87%～10.4%。本研究通過連續(xù)2 a 的試驗結(jié)果顯示，減氮測控處理較農(nóng)戶模式在總施氮量減少41.7%的情況下，籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量均有所增加。表明黃土旱塬冬小麥種植區(qū)合理地減氮施肥并不會降低小麥產(chǎn)量。

合理的水肥管理可有效提高旱地小麥的生產(chǎn)能力[12]，本研究中壟膜溝播處理籽粒產(chǎn)量與生物產(chǎn)量均有明顯提高。增產(chǎn)的原因主要因為覆膜可以提高土壤含水量，為小麥的生長發(fā)育提供較為豐富的水分。大量研究也表明[14，20-21]，地膜覆蓋可以通過提高土壤溫度和含水量來有效調(diào)節(jié)耕地的微氣候，提高農(nóng)作物公頃穗數(shù)等其他產(chǎn)量構(gòu)成要素，從而提高產(chǎn)量。陳輝林等[22]在渭北旱塬區(qū)連續(xù)2 a 對冬小麥不同種植模式的研究也表明，推薦施肥＋覆膜處理較常規(guī)施肥平均增產(chǎn)51.3%。屈會峰等[23]在減少氮肥施用量23.1%的情況下，地膜覆蓋可使小麥產(chǎn)量增加6.8%～15.7%。由此可見，地膜覆蓋可有效提高作物產(chǎn)量，與本研究結(jié)果一致。

本研究對不同處理的小麥經(jīng)濟(jì)效益分析表明，壟膜溝播較農(nóng)戶模式和減氮測控純收入平均提高41.7%和25.3%。覆膜處理雖然有購買地膜的投入，但一方面覆膜處理在減氮測控基礎(chǔ)上相對于農(nóng)戶減少了化肥的投入，降低了部分成本；另一方面覆膜處理后籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量有明顯增加。因此，壟膜溝播處理較不覆膜處理的純收入有明顯提升。

3.2 減氮覆膜對0～200 cm 土壤硝態(tài)氮殘留量的影響

氮素是作物生長發(fā)育必不可少的元素之一[24]，增施氮肥為提高旱地小麥產(chǎn)量的重要措施之一，但晉南地區(qū)小麥種植中存在嚴(yán)重的過量施氮現(xiàn)象，造成氮素一方面浪費嚴(yán)重[7]，另一方面硝態(tài)氮易在土壤剖面中殘留積累，累積量平均占可浸取態(tài)總礦質(zhì)氮的75%以上[25]。因此，適量減施氮肥對該地區(qū)小麥綠色生產(chǎn)具有重要意義。

大量研究表明，減氮優(yōu)化施肥可有效減少土壤中硝態(tài)氮的殘留[26-29]，本試驗結(jié)果顯示，農(nóng)戶模式處理下的土壤硝態(tài)氮含量在試驗期間均遠(yuǎn)高于其他2 個處理，表明農(nóng)戶模式處理由于過量施入氮肥不能被小麥有效利用，從而在土壤中造成大量殘留。本試驗連續(xù)2 a 小麥?zhǔn)斋@后0～200 cm 土壤剖面硝態(tài)氮殘留量顯示，各處理硝態(tài)氮含量均有增加，其中，農(nóng)戶模式增加幅度最大，2018 年收獲后0～200 cm土壤中農(nóng)戶模式硝態(tài)氮殘留明顯高于減氮測控和壟膜溝播處理，在100～200 cm 土壤中表現(xiàn)更為明顯。由此可見，隨著耕作時間的延長土壤中殘留硝態(tài)氮不斷向下遷移，連續(xù)2 a 的定位試驗中不覆膜處理硝態(tài)氮殘留深度不斷下降，壟膜溝播處理降低了表層以下土壤硝態(tài)氮的累積，這與李華等[30]的研究結(jié)論一致。王秀康等[31]通過施氮覆膜處理對玉米耕層硝態(tài)氮分布影響研究得出，在整個玉米生育期同樣施肥追肥條件下，不覆膜處理玉米根層土壤剖面硝態(tài)氮從上層逐漸向下層遷移，覆膜后可減緩硝態(tài)氮向下淋溶，該研究結(jié)果也與本研究結(jié)果一致。

3.3 減氮覆膜對0～40 cm 土壤有效磷、速效鉀含量的影響

土壤磷素是作物的主要養(yǎng)分之一，磷的平衡狀況直接影響作物產(chǎn)量和潛在土壤磷素肥力[32]。而磷肥施入土壤后易被土壤吸附固持，大部分磷難以被當(dāng)季植物吸收利用[33]。何進(jìn)勤等[34]通過對馬鈴薯全生育期覆膜研究表明，覆膜種植提高了表層（0～20 cm）有效磷含量；周麗娜等[35]對寧南山區(qū)春玉米進(jìn)行地膜覆蓋研究表明，覆膜處理較不覆膜處理可顯著提高土壤有效磷含量；劉蘋等[36]對棉田相同施肥量下進(jìn)行覆膜種植，研究得出，覆膜可增加土壤中有效磷含量。本研究2 a 試驗結(jié)果顯示，表層（0～20 cm）中壟膜溝播顯著高于農(nóng)戶模式，原因可能為減氮測控與壟膜溝播進(jìn)行了減氮增施磷肥，對磷肥的施入量大于農(nóng)戶模式，同時壟膜溝播又可調(diào)節(jié)土壤水分和溫度，從而促進(jìn)了磷的礦化，提高了有效磷的含量。梅四衛(wèi)等[37]研究得出，對春玉米進(jìn)行地膜覆蓋可有效提高土壤有效磷含量，與本研究結(jié)論一致。

我國北方土壤富含鉀元素，每公頃地0～20 cm土層鉀儲存量高達(dá)15 000 kg，但有效鉀只占全鉀的1%～2%[38]，并且隨著栽培技術(shù)與作物品種的不斷發(fā)展與改進(jìn)后產(chǎn)量不斷提高，導(dǎo)致土壤鉀素不斷消耗，含量下降[39-40]。王文達(dá)等[41]對玉米進(jìn)行地膜覆蓋種植后得出，地膜覆蓋可顯著提高土壤速效鉀含量。本試驗中，農(nóng)戶處理不施鉀肥，其速效鉀含量在2 a 內(nèi)均處于較低水平，而減氮測控與壟膜溝播都有鉀肥的適量投入，0～20 cm 土壤速效鉀含量均高于農(nóng)戶模式，尤其是壟膜溝播由于地膜覆蓋的作用，促進(jìn)了土壤中含鉀礦物的風(fēng)化，速鉀含量顯著高于農(nóng)戶處理。何剛等[42]研究表明，地膜覆蓋改變了土壤的溫度和濕度，使土壤中的緩效養(yǎng)分轉(zhuǎn)變?yōu)樗傩юB(yǎng)分，從而提高了土壤中的速效鉀含量，隨著地膜覆蓋時間的延長，速效鉀在土壤表層富集量增大，與本研究結(jié)果一致。對于20～40 cm 土壤中各處理間速效鉀含量基本相差不大，其原因還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在晉南黃土旱塬區(qū)，與農(nóng)戶模式相比，減氮測控施肥在減少氮素40%左右，適當(dāng)增加磷鉀肥投入的情況下，小麥產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益并無明顯降低；在減氮測控施肥基礎(chǔ)上進(jìn)行地膜覆蓋更具有明顯增產(chǎn)效果，并且這2 種施肥種植模式均可顯著減少2 m 土壤中的硝態(tài)氮殘留，同時可以平衡維持土壤中的有效磷、速效鉀含量；其中，覆膜后效果更好。因此，減氮測控施肥+壟膜溝播處理在晉南麥區(qū)具有一定的推廣應(yīng)用價值。