耕作方式和氮肥用量對旱地小麥產(chǎn)量、蛋白質含量和土壤硝態(tài)氮殘留的影響

黃明，吳金芝，李友軍，付國占，趙凱男，張振旺，楊中帥，侯園泉

耕作方式和氮肥用量對旱地小麥產(chǎn)量、蛋白質含量和土壤硝態(tài)氮殘留的影響

黃明，吳金芝，李友軍，付國占，趙凱男，張振旺，楊中帥，侯園泉

河南科技大學農學院，河南洛陽 471023

【目的】明確旱地小麥增產(chǎn)提質和環(huán)境友好協(xié)同的耕作與氮肥組合模式。【方法】2016—2017年（欠水年）和2017—2018年（豐水年），在豫西典型旱地小麥種植區(qū)設置夏閑季深松（ST，麥收后2周左右并隔年進行）和翻耕（PT，傳統(tǒng)的7月底8月初等雨連年進行）2種耕作方式為主處理和小麥播種前施氮0（N0）、120 kg·hm-2（N120）、180 kg·hm-2（N180）和240 kg·hm-2（N240）4個氮肥用量為副處理的二因素裂區(qū)田間定位試驗，研究其對旱地小麥產(chǎn)量、籽粒蛋白質含量及其產(chǎn)量、植株氮素吸收利用和收獲期0—200 cm土層硝態(tài)氮殘留的影響。【結果】降水年型、耕作方式和氮肥用量及后二者互作對旱地小麥拔節(jié)后氮素積累量、籽粒產(chǎn)量、蛋白質產(chǎn)量、氮效率和土壤硝態(tài)氮殘留量均有顯著影響。深松與翻耕相比，顯著提高了拔節(jié)后植株氮素積累量、花前氮素轉運量及N240下的氮收獲指數(shù)，不同氮肥處理的平均氮肥吸收效率、氮肥農學效率、氮肥利用率和氮肥偏生產(chǎn)力分別顯著提高8.6%—15.3%、23.9%—86.5%、8.1%—26.1%和9.1%—20.3%，最終在不降低籽粒蛋白質含量的同時，使產(chǎn)量在欠水年和豐水年分別提高11.9%和12.4%，蛋白質產(chǎn)量提高12.4%和13.5%，收獲期0—200 cm土層硝態(tài)氮殘留量降低11.9%和25.4%。相同耕作方式下，隨著氮肥用量的增加，植株氮素積累量、花前氮素轉運量、花后氮素對籽粒的貢獻率、籽粒蛋白質含量和收獲期土壤硝態(tài)氮殘留量顯著增加，花前氮素對籽粒的貢獻率、氮素籽粒生產(chǎn)效率、氮肥吸收效率和氮肥偏生產(chǎn)力逐漸降低，氮肥農學效率、氮肥利用率、籽粒產(chǎn)量和蛋白質產(chǎn)量的變化因降水年型和耕作方式而異。從互作效應看，兩年中STN240處理的植株氮素積累量最高，其產(chǎn)量和蛋白質產(chǎn)量（除欠水年與ST180處理外）、蛋白質含量（除豐水年與PTN240處理外）均顯著高于其他處理，氮肥利用率及其豐水年的氮肥農學效率不低于或顯著高于翻耕下的所有施氮處理，收獲期的土壤硝態(tài)氮殘留量較PT240處理降低16.4%。從整體效應看，翻耕配施氮肥180 kg·hm-2可獲得最高的籽粒產(chǎn)量以及較優(yōu)的蛋白質產(chǎn)量、氮肥農學效率和氮肥利用率；深松配施氮肥240 kg·hm–2可通過深松提高氮效率并降低土壤硝態(tài)氮殘留，通過增加氮肥用量提高蛋白質含量，最終使產(chǎn)量和蛋白質產(chǎn)量較其他處理分別提高2.6%—45.0%和7.3%—81.4%?！窘Y論】深松有利于提高旱地小麥產(chǎn)量、蛋白質產(chǎn)量和氮效率，降低土壤硝態(tài)氮殘留，但其適宜的氮肥用量高于翻耕。翻耕配施氮肥180 kg·hm-2是兼顧高產(chǎn)高效，深松配施氮肥240 kg·hm-2是兼顧高產(chǎn)優(yōu)質高效和低硝態(tài)氮殘留的耕作與氮肥組合。

耕作方式；氮肥用量；旱地；小麥；產(chǎn)量；蛋白質；硝態(tài)氮殘留

0 引言

【研究意義】我國旱地小麥產(chǎn)區(qū)普遍存在水資源缺乏且與小麥需水關鍵期錯位、耕作管理粗放、施肥不科學等問題，致使欠水年小麥產(chǎn)量低，豐水年蛋白質含量低[1]。耕作和施氮是提高小麥產(chǎn)量和蛋白質含量的有效途徑，但不合理的耕作和施氮會降低氮效率，導致土壤硝態(tài)氮高量殘留，污染環(huán)境甚至威脅飲用水安全[2-3]。因此，優(yōu)化耕作技術和氮肥用量以提高小麥產(chǎn)量和蛋白質含量，降低麥田硝態(tài)氮殘留是當前旱地小麥生產(chǎn)中亟待解決的問題。【前人研究進展】當前旱地小麥生產(chǎn)中仍主要采用7月底8月初等雨翻耕、播前旋耕或耙地的耕作方式，雖然能夠較好地翻埋雜草、控制病蟲害，但會致使土壤容重增加、通透性和孔隙度降低，已產(chǎn)生了嚴重的生產(chǎn)負效應[4-5]。李慧等[6]研究表明，旱地麥田深松后土壤容重比翻耕降低0.7%—14.5%。HE等[7]研究也表明，深松+條旋耕較翻耕顯著降低了30—45 cm土層的容重和滲透阻力，從而改善根系形態(tài)、增強根系活性、延緩根系衰老，增產(chǎn)11.9%。黃明等[8]研究表明，深松較翻耕，小麥不同生育時期旗葉凈光合速率平均提高9.9%，增產(chǎn)9.3%。在水澆地的研究也表明，深松較常規(guī)耕作，0—40 cm土層土壤容重降低3.7%—6.5%，60—100 cm土層降低1.5%—2.3%，小麥最高增產(chǎn)31.9%[9]，土壤緊實度降低20.9%、三相比R值降低12.9%，小麥根系干重密度增加29.8%，增產(chǎn)22.0%[10]。除產(chǎn)量外，耕作對作物氮素吸收利用、籽粒蛋白質含量和農田土壤硝態(tài)氮殘留也具有調節(jié)作用。如在地中海地區(qū)，由于保護性耕作提高了大麥的氮吸收能力，定位耕作10年后土壤硝態(tài)氮殘留量從翻耕的852 kg·hm-2降低到免耕的270 kg·hm-2[11]；在黃土高原南部，深松麥田0—100 cm各土層的硝態(tài)氮含量較旋耕均顯著降低[2]，翻耕小麥地上部氮素積累量較旋耕增加18.2%，成熟期0—200 cm土層硝態(tài)氮殘留量降低22.2%[12]；在山東旱地，深松較旋耕，小麥地上部氮素積累量拔節(jié)—成熟期增加36.8%，播種—成熟期增加12.9%—16.4%，0—60 cm各土層的硝態(tài)氮殘留量顯著降低[5]。在山西旱地條件下，深松降低了小麥籽粒蛋白質含量[13-14]，而在河南砂姜黑土區(qū)拔節(jié)期澆1水的條件下，深松小麥的籽粒蛋白質含量較翻耕和旋耕分別提高3.6%和12.4%[15]。研究還認為，耕作方式和氮肥用量互作顯著影響小麥產(chǎn)量和籽粒蛋白質含量，但與深松配套的氮肥用量因研究區(qū)域和生產(chǎn)條件而異。如在山西旱地，夏閑期深松配施氮肥150 kg·hm-2時產(chǎn)量提高9%—26%[16]，配施氮肥225 kg·hm-2時有利于提高籽粒蛋白質及其組分含量[14]；在河南，砂姜黑土區(qū)深松配施氮肥330 kg·hm-2時較配施氮肥225和112.5 kg·hm-2分別增產(chǎn)7.3%和17.2%，較相同施氮量的翻耕增產(chǎn)18.6%，而配施氮肥225 kg·hm-2時籽粒蛋白質含量較其他處理提高3.6%—33.8%[15]，但也有深松配施氮肥120 kg·hm-2即可獲得最高產(chǎn)量的報道[17]。此外，耕作的效果還與作業(yè)時間有關。如趙紅梅等[13]研究表明，耕作時間對小麥籽粒蛋白質產(chǎn)量具有調節(jié)作用，麥收后45 d耕作優(yōu)于麥收后15 d耕作；張霞等[18]研究表明，相對于連年翻耕，深松/免耕隔年輪耕在小麥連作和小麥/玉米輪作下的小麥產(chǎn)量顯著增加14.3%—19.3%；HE等[19]進行的多年多點試驗表明，與翻耕相比，4年免耕加1年深松小麥增產(chǎn)20.9%?！颈狙芯壳腥朦c】盡管目前關于耕作方式和氮肥用量及其互作影響小麥氮素吸收利用、產(chǎn)量、蛋白質含量的研究較多，但主要圍繞產(chǎn)量形成和氮素吸收利用，多在同時耕作或連年耕作的條件下進行，且與深松配套的氮肥用量尚無定論，特別是有關耕作方式與氮肥用量互作對旱地土壤硝態(tài)氮殘留的影響尚鮮見報道?！緮M解決的關鍵問題】本研究在豫西典型旱地小麥種植區(qū)設置連續(xù)2年的田間定位試驗，研究小麥收獲后2周左右隔年深松和傳統(tǒng)的7月底8月初等雨連年翻耕對不同氮肥用量下小麥產(chǎn)量、蛋白質含量及其產(chǎn)量、植株氮素積累轉運、氮效率和土壤硝態(tài)氮殘留的影響，以明確適宜旱地小麥的耕作與氮肥組合，為實現(xiàn)旱地小麥高產(chǎn)高效優(yōu)質和環(huán)境友好協(xié)同提供理論依據(jù)和技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況和降水分布特征

試驗地位于黃土高原南部與黃淮海平原西部交匯區(qū)的豫西典型旱地小麥種植區(qū)的河南省洛寧縣小界鄉(xiāng)梅窯村，屬于半濕潤易旱區(qū)，海拔350—550 m，年均氣溫13.7℃，日照時數(shù)2 217.6 h，無霜期216 d，年降水量400—800 mm，60%左右集中于7—9月。一年一作冬小麥，夏季休閑是當?shù)氐闹饕N植模式。試驗開始前耕層0—20 cm土層土壤含有機質11.3 g·kg-1、全氮0.74 g·kg-1、堿解氮37.6 mg·kg-1、速效磷17.6 mg·kg-1，速效鉀128.3 mg·kg-1。試驗期間的降水量見圖1。當?shù)?000—2018年度的平均降水量為569.5±156 mm，按照國內常用的降水年型劃分標準[20]，年降水量＞621 mm為豐水年，年降水量＜518 mm為欠水年，介于二者之間為平水年，2016—2017和2017—2018年度小麥生長季降水量分別為231和186 mm，夏閑季降水量為240和492 mm，年降水量為471和678 mm，分別為欠水年和豐水年。

1.2 試驗設計與田間管理

試驗采用二因素裂區(qū)設計，主區(qū)為深松和翻耕2種耕作方式，副區(qū)為N0、N120、N180和N240 4個氮肥用量。耕作在夏閑季進行，即（1）麥收后2周左右隔年深松，簡稱深松（subsoiling tillage，ST）：前茬小麥收獲時留茬15 cm，秸稈全量還田、均勻覆蓋于地表，并于麥收后2周左右有適量降雨時使用深松機每間隔35 cm深松35±2 cm，深松僅在第1年（2016—2017年度）進行，第2年（2017—2018年度）夏閑季免耕；（2）當?shù)仄毡椴捎玫?月底8月初等雨翻耕，簡稱翻耕（ploughing tillage，PT），深度25±3 cm。本研究分別于2016年6月12日深松，2016年7月22日和2017年8月4日翻耕。副區(qū)中N0、N120、N180和N240處理的氮肥用量分別為0、120、180和240 kg·hm-2。每個處理4次重復，小區(qū)面積72 m2（10 m×7.2 m）。所用氮磷鉀肥分別為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O512%）和硫酸鉀（含K2O 50%），小麥播前3 d按試驗設計將氮肥以及75 kg P2O5·hm-2和45 kg K2O·hm-2人工均勻撒施于相應小區(qū)，然后旋耕（15 cm）將肥料混入土壤。小麥品種為洛旱22，播量為187.5 kg·hm–2，分別于2016年10月10日和2017年10月26日播種，2017年6月1日和2018年6月4日收獲。其他管理按照當?shù)刎S產(chǎn)麥田進行。

折線為2000—2018年連續(xù)18年降水量的平均值The broken line shows the average precipitation of 18 years from 2000 to 2018

1.3 土壤硝態(tài)氮殘留量的測定和計算

在收獲期，用直徑為4 cm的土鉆每20 cm為一層，分別從每個小區(qū)采集0—200 cm土樣，將各土壤樣品帶回實驗室后放入冰箱4℃保存，用1 mol·L-1KCl溶液浸提、紫外分光光度法[21]測定硝態(tài)氮含量。硝態(tài)氮殘留量用Huang等[22]的方法計算，NR＝Hi×Di× Ci×0.1，式中，NR為硝態(tài)氮殘留量（kg·hm-2），Hi為土層深度（cm）；Di為該土層的土壤容重（g·cm-3）；Ci是對應的土壤硝態(tài)氮含量（mg·kg-1），0.1為轉換系數(shù)。

1.4 小麥植株氮素積累的測定

分別于拔節(jié)期、開花期和成熟期，在每個小區(qū)取具有代表性且行長50 cm的小麥植株樣品4個，統(tǒng)計莖蘗數(shù)后剪去根系并進一步處理，開花期分成莖葉鞘和穗，成熟期分成莖葉鞘、穗軸＋穎殼和籽粒。105℃殺青30 min，80℃烘至恒重，測定干重后將樣品粉碎，用于測定全氮含量。全氮含量用H2SO4-H2O2法消解、凱氏法測定[12]。某一器官的氮素積累量是該器官干物質積累量與其全氮含量的乘積，某一生育時期的氮素積累量為此時期不同器官氮素積累量之和[12]。

1.5 籽粒產(chǎn)量的測定

在成熟期，從每個小區(qū)隨機收割4個1 m×1 m的樣方，風干后脫粒。將同一小區(qū)4個樣方的籽?；旌虾蠓Q風干籽粒重，然后取風干籽粒約50 g，65°C烘至恒重，測定風干籽粒含水量，從而計算樣方籽粒干重，最后以12.5%的含水量折算產(chǎn)量（kg·hm-2）。

1.6 參數(shù)計算

蛋白質含量（%）=籽粒全氮含量×5.7[12]；

蛋白質產(chǎn)量（kg·hm-2）=籽粒干物質量×蛋白質含量[12]；

花前氮素轉運量（kg·hm-2）=開花期氮素積累量-成熟期營養(yǎng)器官氮素積累量[12]；

花前氮素對籽粒的貢獻率（%）=花前氮素轉運量/成熟期籽粒氮素積累量×100[12]；

花后氮素積累量（kg·hm-2）=成熟期氮素積累量-開花期氮素積累量[12]；

花后氮素對籽粒的貢獻率（%）=花后氮素積累量/

成熟期籽粒氮素積累量×100[12]；

氮收獲指數(shù)（%）=成熟期籽粒氮素積累量/成熟期氮素積累總量×100[12]；

氮素籽粒生產(chǎn)效率（kg·kg-1）=籽粒產(chǎn)量/成熟期氮素積累量[12, 23]；

氮肥吸收效率（kg·kg-1）=成熟期氮素積累量/施氮量[12, 23]；

氮肥利用率（%）=（施氮區(qū)氮素積累量-不施氮區(qū)氮素積累量）/施氮量×100[23]；

氮肥農學效率（kg·kg-1）=（施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量）/施氮量[23]；

氮肥偏生產(chǎn)力（kg·kg-1）=籽粒產(chǎn)量/施氮量[12, 23]。

1.7 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2007和DPS7.05軟件處理數(shù)據(jù)和繪圖，用LSD法進行顯著性檢驗。

2 結果

2.1 耕作方式和氮肥用量對小麥籽粒產(chǎn)量、蛋白質含量和蛋白質產(chǎn)量的影響

除耕作方式及其與氮肥用量互作對蛋白質含量無顯著影響外，降雨年型、耕作方式、氮肥用量及后二者互作對小麥籽粒產(chǎn)量、蛋白質含量及其產(chǎn)量均有極顯著的調控作用（表1）。與欠水年相比，相同處理下豐水年的產(chǎn)量和蛋白質產(chǎn)量（除豐水年N0外）增加，施氮處理的蛋白質含量降低。深松與翻耕相比，欠水年和豐水年不同氮肥用量下平均產(chǎn)量分別提高11.9%和12.4%，蛋白質產(chǎn)量提高12.4%和13.5%，而蛋白質含量無顯著差異。隨著氮肥用量的增加，蛋白質含量顯著提高，但產(chǎn)量和蛋白質產(chǎn)量的變化因耕作方式而異。翻耕條件下，兩年度的產(chǎn)量和欠水年蛋白質產(chǎn)量均以N180顯著高于其他氮肥處理，豐水年N240的蛋白質產(chǎn)量略高于N180，但二者均顯著高于N120和N0，說明翻耕下高產(chǎn)優(yōu)質難以協(xié)同，氮肥用量為180 kg·hm-2時可實現(xiàn)高產(chǎn)。深松條件下，兩年度N240的產(chǎn)量和蛋白質產(chǎn)量除欠水年與N180無顯著差異外，均顯著高于其他氮肥處理，平均產(chǎn)量較N0、N120和N180分別提高45.0%、8.2%和2.6%，蛋白質產(chǎn)量提高81.4%、19.3%和7.3%，說明深松配施氮肥240 kg·hm-2能實現(xiàn)小麥產(chǎn)量、蛋白質含量和蛋白質產(chǎn)量的協(xié)同提高。從互作效應看，STN240處理是提高旱地小麥產(chǎn)量和蛋白質含量的最優(yōu)組合，其產(chǎn)量和蛋白質產(chǎn)量除欠水年與STN180處理無顯著差異，蛋白質含量除豐水年略低于PTN240處理外，均顯著高于其他處理。

表1 不同處理對小麥籽粒產(chǎn)量和籽粒蛋白質含量及其產(chǎn)量的影響

同列數(shù)據(jù)后的不同小寫字母表示同一年度處理間差異在＜0.05水平顯著。*和**分別表示方差在＜0.05和＜0.01水平顯著。下同

Different small letters after the data within the same column and each year indicate significant difference among treatments at＜0.05. * and ** indicate statistical significance of variance at＜0.05 and＜0.01, respectively. The same as below

2.2 耕作方式和氮肥用量對小麥氮素積累、轉運和氮收獲指數(shù)的影響

2.2.1 不同生育時期的氮素積累量 由圖2可以看出，耕作方式和氮肥用量及其互作對小麥開花期和成熟期的氮素積累量具有顯著的調控作用，且兩年度規(guī)律基本一致。深松較翻耕，兩年度氮素積累量拔節(jié)期無顯著差異，開花期均值在N0、N120、N180和N240下分別提高7.7%、11.0%、6.5%和9.8%，成熟期分別提高9.0%、14.6%、8.7%和14.2%，深松提高小麥氮素積累量的作用隨生育進程的推進而增強，且N120和N240下的增幅大于N180。3個生育時期中，小麥氮素積累量均隨氮肥用量的增加而增加，且深松下N240較N180的增幅大于翻耕。從互作效應看，STN240處理的氮素積累量拔節(jié)期較PTN0、PTN120、PTN180、PTN240、STN0、STN120和STN180處理分別提高47.4%、12.1%、5.9%、2.1%、49.5%、12.5%和5.7%，開花期分別提高71.8%、29.3%、14.7%、11.0%、59.5%、17.7%和7.7%，成熟期分別提高107.3%、40.4%、19.7%、14.2%、90.1%、22.5%和10.2%，說明深松配施氮肥240 kg·hm-2可促進小麥氮素積累，且增幅隨生育進程的推進而加大。

誤差線表示標準差，其上標注的不同字母表示同一生育時期內處理間差異顯著（P＜0.05）。*和**分別表示方差在P＜0.05和P＜0.01水平顯著。下同

2.2.2 氮素積累轉運特性和氮收獲指數(shù) 由表2可知，深松較翻耕，兩年度花前氮素轉運量均值在N0、N120、N180和N240下分別提高5.1%、9.2%、5.9%和16.3%，花后氮素積累量分別提高26.7%、38.0%、17.5%和26.3%，表明花后氮素積累的增幅較花前氮素再轉運的增幅大，但花前氮素轉運或花后積累氮素對籽粒的貢獻率除欠水年N0和豐水年N120下外均無顯著差異，最終使籽粒氮素積累量分別提高7.0%、15.3%、8.8%和19.1%。雖然耕作方式總體上不影響小麥氮收獲指數(shù)（＞0.05），但深松的氮收獲指數(shù)較翻耕，N0下豐水年顯著降低4.5%，N240下豐水年和欠水年分別顯著提高5.5%和3.4%，N120和N180下無顯著變化。相同耕作方式下，隨著氮肥用量的提高，花前氮素轉運量和花后氮素積累量除翻耕下欠水年N240較N180分別降低7.6%（＜0.05）和3.3%（＞0.05）外均增加或顯著增加，花后氮素對籽粒的貢獻率亦呈增加趨勢，而花前氮素對籽粒的貢獻率降低，氮收獲指數(shù)N120和N180間無顯著差異，但均顯著高于N240。從互作效應看，兩年度中花前氮素轉運量、花后氮素積累量及其對籽粒的貢獻率和籽粒氮素積累量均以STN240處理最高，其花前氮素轉運量均值較PTN0、PTN120、PTN180、PTN240、STN0、STN120和STN180處理分別提高49.6%、21.9%、9.0%、16.3%、42.3%、11.7%和2.9%，花后氮素積累量提高541.8%、94.4%、39.9%、26.3%、406.5%、40.9%和19.1%，籽粒氮素積累量提高94.2%、37.3%、16.7%、19.1%、81.4%、19.1%和7.3%?？梢姡钏珊驮黾拥视昧烤商岣呋ㄇ暗剞D運量和花后氮素積累量，增施氮肥還可以提高花后氮素對籽粒的貢獻率，從而提高成熟期籽粒氮素積累量，以STN240處理效果最優(yōu)。

2.3 耕作方式和氮肥用量對小麥氮效率的影響

降雨年型、耕作方式、氮肥用量及后二者互作對小麥氮效率均有顯著的調節(jié)作用（表3）。與欠水年相比，豐水年的氮效率極顯著增加，但兩年度中不同處理間的規(guī)律基本相似。兩年總體來看，深松較翻耕，氮素籽粒生產(chǎn)效率維持穩(wěn)定，氮肥吸收效率、農學效率、利用率和偏生產(chǎn)力在N120下分別提高15.3%、62.4%、26.1%和14.3%，N180下提高8.6%、23.9%、8.1%和9.1%，N240下提高14.4%、86.5%、20.5%和20.3%，表明深松有利于提高小麥氮效率，且以N240下的增幅最高。相同耕作方式下，隨著氮肥用量的提高，氮肥吸收效率和偏生產(chǎn)力以及豐水年的氮素籽粒生產(chǎn)效率和氮肥利用率顯著降低，但翻耕下和欠水年深松下N180的氮肥農學效率和利用率較N120無顯著降低甚至顯著提高，表明適量增施氮肥可以提高氮肥農學效率和利用率。從互作效應看，STN240處理的氮肥利用率及其豐水年的氮肥農學效率不低于或顯著高于翻耕下的所有施氮處理。說明增加氮肥用量會降低小麥氮肥吸收效率和偏生產(chǎn)力，甚至降低氮素籽粒生產(chǎn)效率、氮肥農學效率和利用率，但翻耕改深松后可減小增施氮肥所引起的氮效率下降幅度，深松配施氮肥240 kg·hm-2甚至可提高氮肥利用率和農學效率，利于實現(xiàn)旱地小麥氮高效的生產(chǎn)目標。

表2 不同處理對小麥氮素積累轉運特性和氮收獲指數(shù)的影響

表3 不同處理對小麥氮效率的影響

2.4 耕作方式和氮肥用量對麥田土壤硝態(tài)氮殘留的影響

由圖3可以看出，相同處理下，欠水年0—200 cm不同土層的硝態(tài)氮殘留高于豐水年，說明豐水年較高的產(chǎn)量（表1）和植株氮素積累量（圖2）會降低土壤硝態(tài)氮殘留量。同一耕作方式下，0—200 cm土層硝態(tài)氮殘留量隨施氮量的增加而增加，與N0相比，欠水年N120、N180和N240的硝態(tài)氮殘留量分別提高118.7%、229.2%和281.2%，豐水年分別提高107.7%、191.1%和244.4%。相同氮肥用量下，深松較翻耕，N0、N120、N180、N240下0—200 cm土層土壤硝態(tài)氮殘留分別降低22.3%、20.7%、14.9%、16.4%，其中，欠水年和豐水年0—100 cm土層分別降低17.5%、13.7%、17.7%、14.2%和34.4%、27.0%、15.2%、15.0%，100—200 cm土層分別降低13.7%、12.7%、4.5%、7.1%和29.3%、34.2%、23.1%、30.2%，欠水年施氮處理以0—100 cm土層降低幅度大，豐水年施氮處理以100—200 cm土層的降低幅度大。說明深松能降低因增施氮肥而引起的土壤硝態(tài)氮殘留，有利于旱地小麥環(huán)境友好生產(chǎn)。

3 討論

3.1 耕作方式和氮肥用量對旱地小麥產(chǎn)量的影響

大量研究表明，深松較翻耕具有降低土壤容重[9]和緊實度[10]，提高土壤含水量[7-8, 24]、養(yǎng)分含量[25]和微生物特性[5]，改善小麥根系特性[7]，延緩地上部衰老，提高光合生產(chǎn)能力[8]，調節(jié)物質積累轉運特性[8, 16]等一系列的生理生態(tài)優(yōu)勢，最終協(xié)調產(chǎn)量構成因素、提高產(chǎn)量[9-10,24-26]，且其效應與進行深松作業(yè)的時間有關[26]。本研究表明，麥收后2周左右適墑隔年深松較傳統(tǒng)的等雨翻耕增產(chǎn)11.9%—12.4%，增產(chǎn)的主要原因在于其不僅具有上述生理生態(tài)優(yōu)勢，而且將耕作時間從較傳統(tǒng)翻耕的7月底8月初提前到6月中旬，利于蓄積6—7月份的降水，從而提高了播前和開花期的土壤水分含量[27]，進而提高產(chǎn)量。此外，該深松技術在夏閑季秸稈覆蓋還田的基礎上間隔1年深松1次，較好發(fā)揮了深松、免耕和秸稈覆蓋技術的生理生態(tài)優(yōu)勢，是其增產(chǎn)的又一原因，以往的研究也得到了類似的結論。如在陜西合陽，夏閑季深松/免耕輪耕相對于連年翻耕，小麥產(chǎn)量增加14.3%—19.3%[18]；HE等[7]在山東旱地的研究表明，麥田隔2年深松+連年條旋耕較連年翻耕增產(chǎn)11.9%。

耕作可影響土壤水分等生態(tài)環(huán)境，進而與氮肥互作影響小麥產(chǎn)量形成[14-16]，但影響效應因降水年型而異[16]。在本試驗條件下，隨氮肥用量的增加，翻耕小麥的產(chǎn)量呈先增加后降低趨勢，兩年度均以N180最高；深松小麥的產(chǎn)量在欠水年先增加后穩(wěn)定，N180和N240間無顯著差異，在豐水年持續(xù)顯著增加，表明翻耕以及深松在欠水年配施氮肥180 kg·hm-2即可獲得高產(chǎn)，而深松在豐水年應適當增加氮肥用量才能獲得最高產(chǎn)。其原因主要是深松較翻耕改善了土壤生態(tài)環(huán)境[5]，促進了小麥根系[7]和地上部生長發(fā)育[8]，在豐水年大幅提高產(chǎn)量的情況下，對養(yǎng)分特別是氮素的需求量也相應增加[28]。熊淑萍等[15]在小麥拔節(jié)期灌1水條件下的研究發(fā)現(xiàn)，播前深松配施氮肥330 kg·hm-2、翻耕配施氮肥225 kg·hm-2可分別獲得最高產(chǎn)量，該研究中深松的適宜氮肥用量高于翻耕，與本研究結果一致，但其兩種耕作方式下的適宜氮肥用量均高，主要是因為灌溉條件下水分較優(yōu)，深松和翻耕的最高產(chǎn)量分別為7 890 kg·hm-2和8 870 kg·hm-2，高于本研究，所需的氮肥用量也增加。然而，在小麥產(chǎn)量＜5 000 kg·hm-2的山西旱地和土壤肥力水平相對較高、供氮能力較強但產(chǎn)量＜6 000 kg·hm-2的河南開封水澆地，與深松相適宜的氮肥用量分別為150 kg·hm-2[16]和120 kg·hm-2[17]，低于本試驗和熊淑萍等[15]的研究結果。這些結果說明耕作與氮肥的適宜組合與小麥產(chǎn)量高低有關，產(chǎn)量高所需的氮肥高，反之亦然。然而，小麥產(chǎn)量受研究區(qū)域、降水條件、土壤肥力等因素的影響，因此還需拓展性研究以明確不同生產(chǎn)條件下與深松配套的氮肥用量。

3.2 耕作方式和氮肥用量對旱地小麥籽粒蛋白質含量的影響

耕作因改變土壤水、肥、氣、熱等微生態(tài)環(huán)境以及植株氮素吸收、積累、運轉、分配和蛋白質形成的關鍵生理特性，對小麥籽粒蛋白質含量有一定影響[12]。本研究表明，深松較翻耕，協(xié)同提高了花前氮素轉運量和花后氮素積累量，從而使籽粒蛋白質產(chǎn)量顯著提高12.4%—13.5%，最終在增產(chǎn)的同時不降低蛋白質含量，這與深松改善了土壤水分并具有一系列的生理生態(tài)優(yōu)勢有關。如在山西旱地的研究表明，深松較翻耕提高了土壤水分含量，促進了花前氮素轉運以及豐水年的花后氮素積累[13-14]，降低了花后旗葉脯氨酸含量，提高了花后旗葉和籽粒GS活性[29]，從而利于籽粒蛋白質形成[13-14, 29-30]。亦有研究表明，深松較翻耕由于提高了土壤含水量，顯著提高花前氮素轉運量及其對籽粒的貢獻率，使成熟期籽粒氮素積累量增加9.7%[31]。由于水分多寡直接影響小麥蛋白質形成，本研究中豐水年的籽粒蛋白質含量較欠水年低，張慧芋等[32]也得到了類似的結論，說明提高豐水年的蛋白質含量更為重要。前人的研究表明，優(yōu)化耕作時間可改善小麥氮素吸收利用特性，提高蛋白質含量[29-30]。如豐水年麥收后15 d[29]或麥收后30 d深松[30]可改善植株的氮素積累轉運特性，顯著提高蛋白質含量，但麥收后45 d深松則降低[13]。本研究在麥收后2周左右進行深松，優(yōu)化了耕作時間是其維持籽粒蛋白質含量不降低的又一原因。此外，雖然僅在第1年進行了深松，但兩年度耕作方式對小麥氮素積累轉運和蛋白質含量的影響規(guī)律相似，說明深松的作用具有后效。鄭成巖等[33]的研究也表明，隔2年深松+連年條旋耕較連年翻耕不僅促進了花前氮素向籽粒的再分配，花后氮素累積量及其對籽粒的貢獻率也分別提高50%和38%[4]。因此，在旱地小麥生產(chǎn)中間隔1年或2年深松1次即可滿足增產(chǎn)提質的需要。

耕作方式和氮肥用量互作對小麥蛋白質含量有顯著影響[34]，但達到最高蛋白質含量的氮肥用量并不相同，這主要受水分條件調控。如旱地條件下夏閑期深松配施氮肥150 kg·hm-2可促進小麥各生育階段的氮素累積，提高蛋白質含量[16]，而水地條件下深松配施氮肥225 kg·hm-2才能獲得最高蛋白質含量[15]。本研究表明，麥田深松后配施氮肥240 kg·hm-2不僅能保持較優(yōu)的花前氮素再轉運和花后氮素積累能力，還能較PT240處理顯著提高氮收獲指數(shù)，從而提高蛋白質產(chǎn)量，最終實現(xiàn)產(chǎn)量和蛋白質含量協(xié)同提高，這既與深松改善了小麥氮素積累轉運特性[14,33]和蛋白質形成關鍵酶活性[29]有關，也與增施氮肥增加了不同生育時期的氮素積累量、花前氮素轉運量以及籽粒蛋白質含量[35]有關。

3.3 耕作方式和氮肥用量對旱地小麥氮效率和麥田土壤硝態(tài)氮素殘留的影響

氮效率是衡量耕作或施肥措施合理與否的重要指標。有研究表明，耕作方式和氮肥用量及其互作對氮效率具有顯著的調控效應[36]。本研究表明，深松既能減緩由于氮肥用量增加所引起的氮效率降低，又可在提高氮素積累量的基礎上維持氮素籽粒生產(chǎn)效率穩(wěn)定，有利于獲得高產(chǎn)。鄭成巖等[33]的研究也表明，深松+條旋耕的氮素籽粒生產(chǎn)效率和氮肥偏生產(chǎn)力分別較翻耕顯著提高5.2%和4.2%。然而，孫敏等[36]研究表明，深松對氮效率的影響因降水而異，欠水年和平水年的氮效率不如深翻，但豐水年氮肥吸收效率和偏生產(chǎn)較深翻分別提高5.6%和3.7%。本試驗條件下，欠水年的氮效率明顯低于豐水年，但不同處理間的規(guī)律在兩年度中相似。在耕作與氮肥互作方面，梁艷妃等[16]研究表明，深松配施氮肥75、150 kg·hm-2可提高氮素籽粒生產(chǎn)效率和氮肥吸收效率。本研究表明，隨著氮肥用量的提高，小麥的氮素籽粒生產(chǎn)效率、氮肥吸收效率和偏生產(chǎn)力逐漸降低，而氮肥農學效率和利用率呈降低-穩(wěn)定-降低的趨勢，N180較N120無顯著降低甚至顯著提高。STN240處理的氮肥利用率及其豐水年的氮肥農學效率不低于或顯著高于翻耕下的所有施氮處理，且其豐水年的氮肥農學效率、利用率和偏生產(chǎn)力分別為14.45 kg·kg-1、60.3%和35.7 kg·kg-1，均超過全國平均水平的11.1 kg·kg-1[37]、38.2%[37]和23.1 kg·kg-1[38]，可實現(xiàn)旱地小麥氮高效生產(chǎn)。

提高氮效率是降低農田土壤硝態(tài)氮殘留的主要途徑，適宜的耕作可通過提高氮效率降低土壤硝態(tài)氮殘留[4,11-12,33]。本研究表明，隨著施氮量的增加，土壤硝態(tài)氮殘留量顯著增加，而深松0—200 cm土層硝態(tài)氮殘留量較翻耕降低14.9%—22.3%，且欠水年和豐水年分別以0—100 cm和100—200 cm土層的降幅大，表明耕作對麥田硝態(tài)氮殘留的影響與土壤水分狀況有關。在山東旱地的研究也表明，深松較翻耕改變了土壤水分的分布，從而使0—80 cm土層的硝態(tài)氮殘留量降低[4]，120—160 cm各土層升高[33]。本研究中，深松小麥成熟期氮素積累量較翻耕的增加量與土壤硝態(tài)氮殘留量負相關（=0.887，＜0.01），表明深松降低硝態(tài)氮殘留的作用主要是因為其促進了氮素吸收[11-12]，這與鄭成巖等[33]將深松降低土壤硝態(tài)氮殘留歸因于其既會產(chǎn)生較大的土壤比表面積和短的彌散路徑，也會調節(jié)土壤水分運動和氮素轉化，以及作物對土壤氮素的吸收，從而影響硝態(tài)氮在土體中的積累與分布的研究結果一致。然而，本研究中植株氮素的增加量僅占土壤硝態(tài)氮降低量的46.5%—81.4%，說明土壤硝態(tài)氮殘留量的降低還與其他因素有關，如深松較翻耕減緩了土壤有機氮的礦化[39]等，但其機理還有待進一步深入研究。

麥收后2周左右隔年深松并配施氮肥240 kg·hm-2不僅能提高小麥產(chǎn)量、蛋白質含量、氮效率，還能在一定程度上降低土壤硝態(tài)氮殘留，實現(xiàn)增產(chǎn)增效提質和環(huán)境友好同步，將會得到很好地應用。然而，在本研究中深松下的植株氮素積累量、產(chǎn)量、蛋白質產(chǎn)量和土壤硝態(tài)氮殘留量均在N240下達到最大值，未能反映出氮肥量超過240 kg·hm-2的變化，還有待設置高氮量的試驗以進一步明確深松配套的氮肥用量。

4 結論

耕作方式和氮肥用量對旱地小麥氮素吸收利用、產(chǎn)量、蛋白質含量和土壤硝態(tài)氮殘留均有顯著影響。深松較翻耕可改善小麥氮素積累轉運特性，提高小麥氮效率，最終顯著提高產(chǎn)量和蛋白質產(chǎn)量、穩(wěn)定蛋白質含量、降低土壤硝態(tài)氮殘留量。增加氮肥用量能提高小麥蛋白質含量，但會降低氮效率，增加硝態(tài)氮殘留。翻耕配施氮肥180 kg·hm-2可獲得最高產(chǎn)量和較優(yōu)的蛋白質產(chǎn)量以及氮肥農學效率和利用率，而深松配施氮肥240 kg·hm-2的氮素積累轉運特性以及氮效率較優(yōu)，土壤硝態(tài)氮殘留量較低，并可獲得最高的產(chǎn)量、蛋白質產(chǎn)量和較高的蛋白質含量。綜合考慮，翻耕配施氮肥180 kg·hm-2是兼顧旱地小麥高產(chǎn)高效，深松配施氮肥240 kg·hm-2是兼顧高產(chǎn)高效優(yōu)質和環(huán)境友好的耕作與施氮組合。

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Effects of Tillage Practices and Nitrogen Fertilizer Application Rates on Grain Yield, Protein Content in Winter Wheat and Soil Nitrate Residue in Dryland

HUANG Ming, WU JinZhi, LI YouJun, FU GuoZhan, ZHAO KaiNan, ZHANG ZhenWang, YANG ZhongShuai, HOU YuanQuan

College of Agriculture, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, Henan

【Objective】The objective of the present study was to clarify the suitable combined pattern of tillage and nitrogen (N) rate for dryland wheat to achieve the target of high-yield, high-quality and environment-friendly production. 【Method】In the dry year 2016-2017 and wet year 2017-2018, a field experiment was carried out in the typical dryland in the western region of Henan province. In the experiment, the two tillage practices, including subsoiling (ST) and ploughing (PT), were set as main treatment, and the four N fertilizer application rates of 0 (N0), 120 (N120), 180 (N180) and 240 kg·hm-2(N240), respectively were set as secondary treatment. The subsoiling operation in ST was interval one year and conducted about two weeks after the previous wheat harvest, and the ploughing operation in PT was carried out each year around late July to early August after once heavy precipitation. The grain yield, grain protein content and its yield, and plant N absorption and utilization in wheat were tested, as well as the nitrate residue in the 0-200 cm soil layer in dryland. 【Result】The plant N accumulation after jointing stage, grain yield, protein yield and N use efficiency in wheat and the nitrate residue in 0-200 cm soil layer at harvest could be significantly regulated by annual precipitation type, tillage practice and N rate, and the interaction of tillage practice and N rate. Compared with PT, ST increased the shoot N accumulation after jointing and the pre-anthesis N translocation under all the four N treatments, and the N harvest index under N240, as well as increasing the N uptake efficiency, N agronomy efficiency, N recovery efficiency and N partial factor productivity by 8.6%-15.3%, 23.9%-86.5%, 8.1%-26.1% and 9.1%-20.3%averaged across different N treatments, respectively. Therefore, compared with PT, the grain yield under ST was significantly increased by 11.9% and 12.4%, respectively, and the grain protein content was kept no significant change, while the average protein yield was increased by 12.4% and 13.5%, but the average nitrate residue was respectively reduced by 11.9% and 25.4% in 0-200 cm soil layer averaged across all the four N treatments in the dry year and the wet year. With the increase of N rate, the shoot N accumulation, pre-anthesis N translocation amount, contribution rate of post-anthesis N accumulation to grain, and grain protein content in wheat and the soil nitrate residue at harvest were significantly increased, and there was a significant decrease on the contribution rate of pre-anthesis N translocation to grain, N grain production efficiency, N uptake efficiency and N partial factor productivity, but the changes in N agronomy efficiency, N recovery efficiency, grain yield and protein yield varied with annual precipitation type and tillage practice. The STN240 had the highest shoot N accumulation in the two years. In addition to no significant difference of grain and protein yield between ST240 and ST180 in the dry year and also of the protein content between ST240 and PT240 in the wet year, the grain yield, protein content and protein yield in ST240 were significantly higher than the other treatments in the two experimental years, the N recovery efficiency of and N agronomy efficiency in the wet year under ST240 were not less than or even significantly higher than that in the N application treatments under PT, and therefore decreased the nitrate residue in 0-200 cm soil at harvest by 16.4% compared with PT240. In general, the N rate at 180 kg·hm-2under PT could reach the highest grain yield and the optimal protein yield, N agronomy efficiency and N recovery efficiency. Compared with other treatments, the N rate at 240 kg·hm-2under ST was the best combination, which could increase the N efficiency and reduce soil nitrate residue via subsoiling during summer fallow period, as well as improving the protein content through the increased N fertilizer rate, and finally increased the grain yield and protein yield by 2.6%-45.0% and 7.3%-81.4%, respectively. 【Conclusion】 Subsoiling tillage could help synchronously to improve the grain yield, protein yield and N efficiency and reduce soil nitrate residue. The suitable N application rate for subsoiling tillage should be higher than that for ploughing tillage. The PTN180 was an optimal combination of tillage practice and N rate for high-yield and high-efficiency, and the STN240 was an optimal model for realizing the collaborative target of high-yield, high-quality, high-efficiency, and low-nitrate residue in dryland wheat production system.

tillage practice; N fertilizer application rate; dryland; wheat; yield; protein; nitrate residue

2020-04-03；

2020-06-03

國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0300404）、河南省特色骨干學科建設——旱地綠色智慧農業(yè)學科群（17100001）、河南科技大學博士科研啟動基金（13480082）

黃明，E-mail：huangming_2003@126.com。通信作者吳金芝，E-mail：yywujz@126.com。通信作者李友軍，E-mail：lyj@haust.edu.cn

（責任編輯 楊鑫浩）