減氮結(jié)合覆蓋對旱地冬小麥花后生理性狀及產(chǎn)量的影響

劉吉飛，趙護兵*，楊 靜，屈會峰，雷炳樺

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100； 2.陜西乾縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，陜西 乾縣 713300)

我國化肥施用過量，農(nóng)作物每公頃平均化肥用量折純?yōu)?28.5 kg，遠高于世界平均水平(120 kg/hm2)，是美國的2.6倍，是歐盟的2.5倍，造成農(nóng)作物成本增加和環(huán)境污染，減氮提效意義重大[1]。趙護兵等[2]人在渭北旱塬的調(diào)研發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶冬小麥種植普遍存在氮肥過量施用的現(xiàn)狀，平均純氮用量195 kg/hm2，建議西北典型區(qū)域旱地農(nóng)戶純氮投入150 kg/hm2為宜。

土壤水分供應(yīng)不足、養(yǎng)分貧瘠是限制旱地作物生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，改善土壤水分、養(yǎng)分狀況是提高旱地作物生產(chǎn)力的重要措施。地表覆蓋是調(diào)控土壤水分[3-5]、養(yǎng)分狀況[6-7]，提高作物產(chǎn)量的有效措施。在旱地，地表覆蓋可以減少土壤水分蒸發(fā)、增加植物蒸騰、改善土壤溫度、活化土壤養(yǎng)分，從而提高作物產(chǎn)量[8-10]。開花至灌漿期作為冬小麥養(yǎng)分累積最關(guān)鍵的時期，該期生理性狀對冬小麥產(chǎn)量至關(guān)重要，而有關(guān)地表覆蓋對該期生理性狀影響的研究卻很少，對于生理性狀影響因素的研究主要集中在水分[11]、小麥品種[12]、氮素水平[13]、氮素形態(tài)[14]及播種量[15]等方面。

基于渭北旱塬農(nóng)戶施氮過量與地表覆蓋增產(chǎn)機理研究較少的現(xiàn)狀，本試驗設(shè)置了減氮結(jié)合不同覆蓋處理，通過大田試驗研究其對冬小麥花后旗葉葉綠素相對含量SPAD值、光合速率、硝酸還原酶(NR)活性、根系活力及產(chǎn)量等生理指標(biāo)的影響，以期通過分析這些生理性狀的變化來為地表覆蓋的增產(chǎn)效應(yīng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2012年9月至2016年6月在陜西省咸陽市永壽縣御駕宮村進行。該區(qū)位于黃土高原南部，屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候，年均氣溫10.8℃，年均降水量601.6 mm，且主要集中在7～9月份，潛在蒸發(fā)量為807.4 mm，無霜期210 d，是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。供試土壤基本理化性狀為：pH值8.18，有機質(zhì)平均含量為11.7 g/kg，全氮0.87 g/kg，硝態(tài)氮14.5 mg/kg，銨態(tài)氮2.7 mg/kg，有效磷10.7 mg/kg，速效鉀99.9 mg/kg，容重1.25 g/cm3。2012～2016年播種前與收獲后土壤礦質(zhì)氮累積量變化如表1所示。

表1 2012～2016年冬小麥播種前與收獲后0～20 cm土壤礦質(zhì)氮累積量 (kg/hm2)

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(α=0.05)，下同；表中播種前指播種施肥前采樣。

2012～2016年降水量分別為373.1、615.5、541.9和414.2 mm，冬小麥生育期降水量分別為135.9、310.2、313.6和185.8 mm。根據(jù)Sun等[16]的降水分類方法及當(dāng)?shù)亻L期的降水資料(1957～2014年)，年降水量>671 mm為豐水年，年降水量<492 mm為欠水年，年降水量介于二者之間為平水年，故2012～2013和2015～2016年屬欠水年，2013～2014和2014～2015年屬平水年。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)6個處理，其中常規(guī)播種設(shè)置3個氮肥水平，分別為無氮對照(不施氮肥)；農(nóng)戶模式(純氮用量195 kg/hm2)；農(nóng)戶減氮(純氮用量150 kg/hm2)；減氮基礎(chǔ)上又設(shè)3種覆蓋處理，分別為壟覆溝播(播前起壟，壟上覆膜，溝內(nèi)播種)；全膜穴播(播前整平覆膜，膜面覆土1 cm后穴播)；秸稈覆蓋(在傳統(tǒng)平作地表全年覆蓋秸稈，秸稈用量10 t/hm2)。每個處理4次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，每小區(qū)種19行，行距20 cm，播種量150 kg/hm2(即每行38 g)，小區(qū)面積48 m2(4 m×12 m)。其中，壟覆溝播處理壟寬35 cm，壟高6 cm，溝寬30 cm，每溝兩行，行距20 cm，各行距離壟底5 cm，每小區(qū)種12行，播種量150 kg/hm2(即每行60 g)；全膜穴播處理，行距20 cm，穴距12 cm(相鄰兩穴邊距)，每小區(qū)19行，穴播量9～15粒。該試驗為4年定位試驗。

供試品種為運旱20410。氮肥(N)、磷肥(P2O5)125 kg/hm2均作為基肥施用，不追肥，不灌水，在播前一周均勻撒入相應(yīng)小區(qū)并翻入耕層耙平。在各生長季進行“一噴三防”作業(yè)。供試氮肥為尿素(N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O516%)。

本文包含了2012～2016年4季的產(chǎn)量相關(guān)指標(biāo)與2015～2016季冬小麥生育期的各生理指標(biāo)，具體如下：

冬小麥于2016年5月2日進入開花期，5月8日花期結(jié)束。于5月6日9:00～11:00采用光合測定系統(tǒng)(Li-6400XT型)測定旗葉光合速率，之后在每小區(qū)隨機取小麥15株，在旗葉中部用葉綠素儀(SPAD-520型)測定葉綠素含量SPAD值，去極值后求平均值。

于5月8日9:00～10:00將冬小麥連根帶土采集，及時帶回實驗室，用活體法測定旗葉硝酸還原酶(NR)活性；5月10日9:00挖出0～20 cm耕層，放入便攜式冷凍保溫箱帶回實驗室，抖土法挑出根系洗凈，用TTC法測定根系活力，抖土法取到的耕層土壤置于4℃冰箱用于測定含水量及硝態(tài)氮、銨態(tài)氮。

在苗期每小區(qū)選擇7行長勢一致的植株標(biāo)記，完熟時避開邊上兩行及每行兩端1 m，隨機挑選3塊1 m2的小麥?zhǔn)崭钣嫯a(chǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007軟件處理，DPS 19.5軟件進行統(tǒng)計分析，采用LSD法進行差異顯著性檢驗，顯著水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量及主要農(nóng)藝指標(biāo)

由表2可見，4年來覆蓋處理下冬小麥產(chǎn)量表現(xiàn)比較穩(wěn)定，其中農(nóng)戶施氮150 kg/hm2已經(jīng)基本滿足了作物生長的需求，增施氮肥對籽粒產(chǎn)量及收獲期生物量的貢獻較小。前3季，減氮結(jié)合覆蓋都能促進冬小麥?zhǔn)斋@期生物量增加，增產(chǎn)效應(yīng)雖不盡一致，但通過覆蓋處理基本實現(xiàn)減氮不減產(chǎn)的目的。其中全膜穴播增產(chǎn)效果最明顯，較農(nóng)戶模式連續(xù)3年增產(chǎn)分別為175、725和1 022 kg/hm2；秸稈還田也基本保持穩(wěn)產(chǎn)且在2012～2013的干旱年份與2014～2015的平水年份分別增產(chǎn)325和571.6 kg/hm2；壟覆溝播連續(xù)幾年都出現(xiàn)減產(chǎn)趨勢，但并未達到顯著水平。第4季不同覆蓋處理較農(nóng)戶減氮處理減產(chǎn)達357.5～647.5 kg/hm2。

4年度單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重的處理間變異系數(shù)依次為21.6%～28.2%、10.3%～16.0%、2.0%～4.1%，表明處理間產(chǎn)量差異主要由穗數(shù)差異引起，其次為穗粒數(shù)，而千粒重處理間差異較為穩(wěn)定。

表2 2012～2016年冬小麥產(chǎn)量及農(nóng)藝指標(biāo)

4年相關(guān)分析表明，籽粒產(chǎn)量與生物產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.98～0.99)，收獲指數(shù)與籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量的相關(guān)性只有在2013～2014季達到顯著負相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為-0.80與-0.91)，其他年份均不顯著。表明在渭北旱塬減氮覆蓋生長冗余較小，對干物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)移影響不大。

2.2 減氮結(jié)合覆蓋對花期旗葉凈光合速率與SPAD值的影響

氮素是葉綠素的主要組成成分，葉綠素又通過光合作用合成累積干物質(zhì)，因而氮素水平與葉綠素及光合作用緊密相關(guān)。葉綠素的含量明顯受氮素水平的影響，前人報道較多。

本試驗結(jié)果(表3)表明，施用氮肥使花期冬小麥旗葉SPAD值顯著高于無氮對照，但農(nóng)戶模式(195 kg/hm2)與農(nóng)戶減氮(150 kg/hm2)相比，雖然施氮量有所增加，但葉綠素含量基本未變，說明該地區(qū)施氮150 kg/hm2已經(jīng)滿足作物生長所需，過量施氮對葉綠素影響較小。葉綠素隨生育期的進行逐步降解并進入衰老，施氮有延遲衰老的功效。在小麥開花期，不同處理小麥旗葉光合速率雖未達到顯著差異，但與旗葉SPAD值呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖1)。

表3 2015～2016季減氮結(jié)合覆蓋對冬小麥花期旗葉光合效率的影響

圖1 花期旗葉SPAD值與凈光合速率的相關(guān)性注：*表示顯著性達到0.05水平，下同。

2.3 減氮結(jié)合覆蓋對冬小麥花期旗葉硝酸還原酶活性、根系活力、耕層土壤硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量及含水量的影響

硝酸還原酶是作物氮代謝運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵酶，其活性與氮肥施用及土壤供氮能力緊密相關(guān)。本研究結(jié)果表明，在小麥開花期，葉片硝酸還原酶活性隨施氮水平的增加而顯著提高，與耕層土壤礦質(zhì)氮含量呈顯著正相關(guān)，同時也與耕層土壤硝態(tài)氮含量顯著正相關(guān)(圖2)。另外，覆蓋處理較農(nóng)戶減氮使根際土壤硝態(tài)氮含量有所下降，卻使根際土壤銨態(tài)氮含量有所提升，這與覆蓋處理的保水效果緊密相關(guān)，進而提高了葉片硝酸還原酶活性，其中全膜穴播與秸稈覆蓋較農(nóng)戶減氮分別提高了4.2%與5.8%，但壟覆溝播處理，由于其種植密度相對過于集中，從而導(dǎo)致單位面積氮素供應(yīng)不足，造成葉片硝酸還原酶活性顯著低于其他處理。

圖2 花期耕層土壤氮含量與旗葉硝酸還原酶活性的相關(guān)性

根系既是作物獲取水分和無機養(yǎng)分的重要器官，也是多種物質(zhì)合成轉(zhuǎn)化的器官，因此其活力對整個植株生長代謝有著重要作用。本試驗的研究結(jié)果(表4)表明，施用氮肥能夠顯著提高作物根系活力，同時也發(fā)現(xiàn)過量施氮與覆蓋都會對根系活力產(chǎn)生顯著的抑制作用，其中農(nóng)戶模式、壟覆溝播、全膜穴播、秸稈覆蓋處理較農(nóng)戶減氮處理分別降低了30.6%、38.5%、36.6%和35.2%。

表4 2015～2016季減氮結(jié)合覆蓋對硝酸還原酶活性、根系活力、耕層土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量及含水量的影響

3 小結(jié)與討論

3.1 減氮結(jié)合不同覆蓋對冬小麥產(chǎn)量的影響

植物吸收的氮素有超過50%來自土壤[17]，而能夠被植物吸收的土壤氮素又以礦質(zhì)氮為主[18]。本研究中，全膜穴播處理連續(xù)3季對冬小麥籽粒產(chǎn)量及生物量有著促進作用，但也導(dǎo)致播前土壤礦質(zhì)氮含量逐年降低，由初始的155 kg/hm2降至106.9 kg/hm2，從而導(dǎo)致第4季出現(xiàn)減產(chǎn)現(xiàn)象。徐春梅等[19]在水稻的研究中發(fā)現(xiàn)，種植密度與氮肥用量的合理搭配是增產(chǎn)的關(guān)鍵因素；師日鵬等[15]的研究表明，壟覆溝播群體產(chǎn)量的最優(yōu)管理方案為播種量113～123 kg/hm2，施氮量197～214 kg/hm2，而本研究過高的播種量與相對較低的施肥量是造成連續(xù)3年減產(chǎn)的主要原因，并且其播前土壤礦質(zhì)氮也由初始的155 kg/hm2降至79.0 kg/hm2。由此結(jié)果知，覆膜的增產(chǎn)是建立在對土壤養(yǎng)分高消耗的前提下，因此，要考慮如何協(xié)調(diào)覆膜條件下更加合理的施肥量及播種量，并進一步提高氮肥利用率與土壤貢氮能力來實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。本研究中，秸稈覆蓋雖未能持續(xù)增產(chǎn)，但其并未造成播前土壤礦質(zhì)氮含量下降。但由于其降低夏閑期地表溫度，抑制蒸發(fā)，增加氮肥淋溶，造成氮肥累積下移[20]，不利于作物生長；另外，高亞軍等[21-22]的研究也表明秸稈覆蓋造成減產(chǎn)的原因復(fù)雜，覆蓋改變了水氮交互效應(yīng)，覆蓋條件下氮肥效應(yīng)更加突出。因此，覆蓋條件下150 kg/hm2氮肥施用增產(chǎn)效果并不明顯。

3.2 減氮結(jié)合覆蓋對花期旗葉凈光合速率與SPAD值的影響

開花期至灌漿期作為冬小麥產(chǎn)量形成的最關(guān)鍵時期，也是各生理性狀最活躍的時期，這一時期冬小麥的各生理性狀對作物產(chǎn)量形成起著決定性作用[23]。本研究結(jié)果與前人[24]一致，施用氮肥促使開花期與灌漿期旗葉SPAD值及開花期旗葉光合速率顯著高于無氮對照，但隨著施氮量的過量增加旗葉SPAD值與光合速率出現(xiàn)了下降趨勢，說明該地區(qū)施氮150 kg/hm2已經(jīng)滿足了作物生長所需，過量施氮造成了不必要的浪費。另外，本研究發(fā)現(xiàn)覆蓋對旗葉葉綠素與光合速率都有一定的抑制作用，壟覆溝播尤為嚴重，這與其種植密度相對集中于溝內(nèi)導(dǎo)致遮蔭及養(yǎng)分競爭密切相關(guān)。另外，由相關(guān)性分析結(jié)果(表5)發(fā)現(xiàn)，開花期和灌漿期旗葉SPAD值與籽粒產(chǎn)量成極顯著正相關(guān)(其相關(guān)系數(shù)分別為0.99、0.99)，與收獲期生物量、收獲指數(shù)、穗數(shù)都成極顯著相關(guān)關(guān)系；光合速率也與籽粒產(chǎn)量顯著正相關(guān)。

表5 2015～2016年冬小麥花后各生理性狀及收獲指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系

注：*表示顯著性相關(guān)(P<0.05)，**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。

3.3 減氮結(jié)合覆蓋對冬小麥花期旗葉硝酸還原酶活性、根系活力、根際土壤硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量及含水量的影響

根系活力在一定程度上反應(yīng)了根吸收能力。前人研究[25]已經(jīng)證明根系活力隨氮素水平升高而顯著升高。本試驗結(jié)果表明，該區(qū)農(nóng)田施氮150 kg/hm2時根系活力最高，過量施肥導(dǎo)致根系活力顯著降低。另外，李震等[26]的研究發(fā)現(xiàn)，不同覆蓋處理在烤煙移栽后45、60、75 d均能顯著提高其根系活力及硝酸還原酶活性，而本研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋造成冬小麥花期根系活力顯著降低，這可能由于冬小麥屬須根系作物且根系下扎較淺，從而導(dǎo)致養(yǎng)分競爭相對較大，造成了不同覆蓋處理降低了根系活力。另外，呂麗紅等[27]、?？×x[28]的研究發(fā)現(xiàn)覆膜能夠促進冬小麥根系生長，提高了根系生物量，進一步解釋了本文中根系活力降低但葉片硝酸還原酶活性并未降低的這一矛盾現(xiàn)象，其中全膜穴播與秸稈覆蓋處理的葉片硝酸還原酶活性還有顯著提高，但壟覆溝播處理由于種植密集于溝內(nèi)，土壤水肥供給明顯不足，進而造成根系活力與葉片硝酸還原酶活性并未有所提高。另外，通過相關(guān)性分析(表5)得到，開花期根系活力與作物收獲指數(shù)顯著正相關(guān)(r=0.79*),說明根系活力的提高有利于莖葉營養(yǎng)物質(zhì)向籽粒的運輸。

本研究通過減氮結(jié)合覆蓋處理對冬小麥花期旗葉葉綠素、光合速率、硝酸還原酶活性、根系活力、耕層土壤供氮能力及產(chǎn)量等的研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)戶氮肥過量施用對籽粒產(chǎn)量貢獻甚微，而通過減氮覆蓋措施不僅能極大地減少氮肥用量，同時也能保證籽粒產(chǎn)量不減反增。另外，各種覆蓋措施雖能提高作物產(chǎn)量，但增產(chǎn)效應(yīng)未能達到顯著水平，其中壟覆溝播由于起壟造成冬小麥生長相對過于集中，在開花灌漿期養(yǎng)分、水分供應(yīng)相對不足，而使旗葉硝酸還原酶活性與根系活力顯著降低，光合作用也低于其他處理，嚴重制約了后期籽粒產(chǎn)量的形成，不利于渭北旱作區(qū)冬小麥的大面積播種或者需要通過進一步調(diào)整尋求更加合理的播種管理模式。

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