不同耕作施肥方式對稻茬小麥氮素利用及土壤容重的影響

王 科，李 浩，鄧勁松，張 成，鐘文挺，孫加威，任嘵波

（1.成都市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，成都 610041；2.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 310058）

小麥在成都平原糧食生產(chǎn)上占有重要地位[1-2]。近年來，小麥機械化生產(chǎn)的大面積推廣與應(yīng)用，為成都市農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、農(nóng)民增產(chǎn)增收和糧食安全提供了有力支撐。合理的耕作與施肥方式可以改變土壤的孔隙結(jié)構(gòu)[3]，協(xié)調(diào)土壤中水、肥、氣和熱的關(guān)系，提高作物對水分、養(yǎng)分的利用效率[4]，進而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[5]。

長期的淺旋耕作，會導(dǎo)致耕層變淺、犁底層加厚變硬，同時也使得亞表層土壤養(yǎng)分（0～10 cm）遠高于下層土壤[6]，造成作物根系分布淺層化，進而限制作物對水分和養(yǎng)分的吸收[7-8]。劉戰(zhàn)東等[9]研究認為深翻耕作可以疏松耕層土壤，緩解其緊實性，吳萍萍等[10]認為深耕可使10～20 cm土層的養(yǎng)分含量大幅度增加，改善作物根系的生長條件，提高作物對水分和養(yǎng)分的利用效率。周寶元等[11]研究認為深松耕作能維持植株開花后較高的葉面積指數(shù)和光合速率，顯著提高花后干物質(zhì)積累量和同化量。肥料的施用是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的保障，深耕和肥料深施均有提高肥料利用效率的作用，有研究認為深耕可促進小麥植株和籽粒對氮、磷的吸收[12]，氮肥深施可以穩(wěn)定土壤供肥能力，減少損失量，使基施氮肥的回收率提高到37.2%[13]，最終有效提高作物氮素吸收利用效率。雖然有關(guān)耕作方式結(jié)合施肥措施對作物產(chǎn)量及氮肥利用率的影響研究[4，14]有一些報道，但針對不同生態(tài)區(qū)不同生產(chǎn)條件下的應(yīng)用效果，還需進一步研究。

成都市小麥生產(chǎn)中長期采用淺旋耕作方式，因此需要進一步研究深耕和肥料深施配合的耕作施肥方式，以改善土壤耕層結(jié)構(gòu)、促進作物養(yǎng)分吸收、提高肥料利用效率，穩(wěn)定小麥目標產(chǎn)量。本文以2018—2019年稻麥輪作系統(tǒng)中的稻茬小麥和氮素為研究對象，設(shè)置了免耕-表施肥-稻草蓋種，免耕-淺施肥-淺旋蓋種，深翻-深施肥-淺旋蓋種3種復(fù)合耕作施肥方式，同一種處理下安排了缺氮處理，通過比較不同耕作施肥方式對小麥干物質(zhì)量、植株氮素吸收轉(zhuǎn)運量、土壤容重和硝態(tài)氮含量的影響，探尋其作用機制，以期為成都平原稻茬小麥的生產(chǎn)選擇更好的耕作施肥模式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試土壤:試驗地位于成都市邛崍市固驛鎮(zhèn)仁壽村的國家農(nóng)業(yè)示范區(qū)內(nèi)（30°23′N，103°35′E），土壤類型為水稻土，質(zhì)地為中壤。2018年9月試驗地前茬水稻選用久保田4LBZ-145C型履帶式半喂入聯(lián)合收割機收割，同時將水稻秸稈粉碎為5～8 cm小段，均勻拋灑入田面。試驗前耕層土壤（0～20 cm）容重 1.28 g/cm3、pH 6.91、有機質(zhì) 31.8 g/kg、全氮1.55 g/kg、堿解氮 156 mg/kg、有效磷 32.8 mg/kg、速效鉀158 mg/kg。

供試作物:小麥品種為川麥104，由四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所選育。

供試肥料:尿素（N 46%），過磷酸鈣（含P2O512%），氯化鉀（含K2O 60%），均購于當?shù)剞r(nóng)資市場。供試農(nóng)機為久保田4LBZ-145C型履帶式半喂入聯(lián)合收割機收割、1L-420型翻耕機和1GQN-180型旋耕機。

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)置3種不同耕作施肥方式:T1，免耕-表施肥-稻草蓋種；T2，免耕-淺施肥-淺旋蓋種；T3，深翻-深施肥-淺旋蓋種；不同處理N、P2O5、K2O施用量相同，分別為 135、67.5、67.5 kg/hm2，同時設(shè)置 3種不同耕作施肥方式的缺氮肥處理，該處理只用于氮肥利用效率的計算。各處理磷肥（P2O5）、鉀肥（K2O）作底肥施用，氮肥分底肥、分蘗肥兩次施用，底、追比為7∶2，所有處理重復(fù)3次，共9個小區(qū)，小區(qū)面積為8×10=80 m2，各處理具體作業(yè)流程見表1。2018年10月23日深翻炕田（T3），2018年11月2日播種，小麥播種量均為180 kg/hm2，2019年1月16日追施分蘗肥（氮肥），2019年5月11日收獲。灌水條件為雨養(yǎng)灌溉，小麥生育期內(nèi)按照當?shù)厣a(chǎn)習(xí)慣進行管理并防治病蟲害。

表1 不同耕作施肥方式作業(yè)流程Table 1 Operation flow of different tillage and fertilization Methods

1.3 測定項目及方法

1.3.1 植株干物質(zhì)和氮含量

在小麥孕穗期、開花期、灌漿期（花后26 d）和成熟期在每個小區(qū)調(diào)查莖蘗苗數(shù)，同時采集有代表性植株樣20株，按器官分開，105℃殺青30 min，75℃烘至恒重，以此為基礎(chǔ)計算干物質(zhì)量，并磨細過0.25 mm篩，樣品經(jīng)濃H2SO4-H2O2消解，以凱氏定氮法測株全氮[15]。

1.3.2 土壤容重和硝態(tài)氮

小麥開花期在每個小區(qū)分別按0～10、10～20 cm土層取環(huán)刀土，在105℃烘干至恒重計算土壤容重，各小區(qū)重復(fù)5次。小麥孕穗期、開花期、灌漿期（花后26 d）和成熟期采用五點取樣法采集耕層（0～20 cm）土壤樣品迅速帶回實驗室，用0.01 mol/L CaCl2浸提，離子色譜法測定土壤硝態(tài)氮含量[15]，同時105℃烘干至恒重計算土壤水分含量。

1.4 各指標計算公式

地上部氮積累量（kg/hm2）=∑地上部各器官干物質(zhì)量×各器官氮含量；氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）=籽粒產(chǎn)量/氮肥施用量；氮肥農(nóng)學(xué)利用率（kg/kg）=施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量）/氮肥施用量；氮肥當季利用率=施氮區(qū)植株地上部吸氮量-無氮區(qū)植株地上部吸氮量）/施氮量×100%；氮肥生理利用率（kg/kg）=（施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量）/（施氮區(qū)植株地上部吸氮量-無氮區(qū)植株地上部吸氮量）；營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量（kg/hm2）=開花期營養(yǎng)器官氮素積累量-成熟期營養(yǎng)器官氮素積累量；營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移率=營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量/開花期營養(yǎng)器官氮素積累量×100%；營養(yǎng)器官氮素貢獻率=營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量/成熟期籽粒氮素積累量×100%。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013軟件進行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，DPS 14.05軟件統(tǒng)計分析，LSD法顯著性測驗（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作施肥方式對小麥成熟期干物質(zhì)量積累與分配的影響

由表1可知，不同耕作施肥方式對小麥成熟期干物質(zhì)量積累與分配影響顯著。地上部干物質(zhì)量及各營養(yǎng)器官干物質(zhì)量均表現(xiàn)為T3＞T2＞T1，其中地上部干物質(zhì)量T3處理比T1、T2處理分別高17.5%和7.3%，而籽粒干物質(zhì)量T3處理比T1、T2處理分別高26.2%和10.4%，處理間差異顯著。小麥籽粒收獲指數(shù)表現(xiàn)為T3＞T2＞T1，而營養(yǎng)器官干物質(zhì)量（莖稈和葉片）分配率均表現(xiàn)為T1＞T2＞T3，表明T3處理可以促進小麥營養(yǎng)器官干物質(zhì)量向籽粒轉(zhuǎn)移，顯著增加小麥籽粒收獲指數(shù)。

2.2 不同耕作施肥方式對小麥不同時期氮積累及分配的影響

由圖1可知，隨生育期的推進小麥的植株全氮積累量逐漸增加，小麥莖稈和葉片的氮素積累量隨生育期的推進呈先增后減的趨勢，在開花期達到最高。從氮素的分配來看，孕穗期和開花期小麥吸收的氮素主要集中在葉片，分別占植株的53.4%和45.0%，灌漿期和成熟期主要分布在穗子或籽粒，分別占植株的66.9%和78.5%，開花期后植株氮素逐漸向籽粒（穗子）轉(zhuǎn)移。T3處理下植株全氮積累量在各生育時期均顯著高于T1和T2處理，表現(xiàn)為T3＞T2＞T1，其中在孕穗期T3處理較T1和T2處理顯著提高25.1%和17.2%，在開花期顯著提高21.5%和14.0%，在灌漿期提高16.7%和6.4%，在成熟期顯著提高22.3%和11.5%。這表明采用深翻-深施肥-淺旋蓋種的耕作施肥方式能促進小麥對氮素的吸收，提升小麥植株全氮積累量。

表2 小麥成熟期干物質(zhì)量在不同器官中的積累和分配Table 2 Accumulation and distribution of dry matter in different organs of wheat at the maturity stage

2.3 耕作施肥方式對小麥氮素轉(zhuǎn)運的影響

圖1 不同耕作施肥方式下小麥的氮素吸收與分配Figure 1 Effect of different tillage and fertilization methods on N accumulation and distribution of wheat

圖2 不同耕作施肥方式下小麥花前營養(yǎng)器官氮積累量對籽粒的貢獻Figure 2 Dry matter contribution of pre-anthesis assimilates to seed affected by different tillage and fertilization methods of wheat

由圖2可知，T3處理下小麥開花期營養(yǎng)器官向籽粒的氮轉(zhuǎn)運量顯著高于T1和T2處理，T3處理比T1和T2處理分別高17.5%和11.9%。各處理營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)移到籽粒的這部分氮素占成熟期籽粒氮積累量的60.0%～70.2%。營養(yǎng)器官氮轉(zhuǎn)運量中莖稈和葉片分別占40.5%和59.5%。這表明小麥籽粒氮素積累主要來源花前營養(yǎng)器官的積累，葉片對氮素轉(zhuǎn)運的貢獻最大，T3處理可促進開花后營養(yǎng)器官向籽粒轉(zhuǎn)運氮素。

2.4 耕作施肥方式對小麥氮肥利用效率的影響

由表3可知，不同耕作施肥方式下稻茬小麥的氮肥表觀利用率、偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)效率及生理利用率均表現(xiàn)為T3＞T2＞T1，不同處理間差異達到顯著水平。T3處理的氮肥偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)效率及生理利用率較T1處理分別提高18.8%，57.0%和20.7%，較T2處理分別提高10.8%、26.2%和12.7%，T3處理下氮肥的表觀利用效率較T1和T2處理提升8.4%和6.9%。這說明采用深翻-深施肥-淺旋蓋種的耕作施肥方式可提升稻茬小麥對氮肥的利用效率。

2.5 不同耕作施肥方式對土壤含水量、容重、總孔隙度的影響

由表4可知，在小麥開花期，T3處理與T1和T2處理相比，0～10 cm土壤含水量降低7.4%和7.0%，差異顯著，各處理間10～20 cm土壤含水量無明顯差異。T3處理0～10 cm土壤容重較T1和T2處理分別顯著降低16.4%和12.1%，10～20 cm土壤容重也有降低趨勢。土壤總孔隙度的變化特征與土壤容重相反，T3處理0～10 cm土壤總孔隙度顯著高于T1和T2處理，10～20 cm土壤總孔隙度也有增大的趨勢。T1和T2處理各土層土壤含水量、容重和總孔隙度間無明顯差異。這表明采用深翻-深施肥-淺旋蓋種的耕作施肥方式可以降低耕作層土壤容重，適當降低土壤含水量，提高土壤總孔隙度，進而改善稻茬小麥根系生長環(huán)境。

表3 不同耕作施肥方式下小麥的氮肥的利用效率Table 3 Nitrogen use efficiency of wheat under different tillage and fertilization methods

表4 不同處理下開花期土壤含水量、容重、總孔隙度Table 4 Soil moisture content，bulk density and total porosity at flowering stage under different treatments

2.6 不同耕作施肥方式對土壤硝態(tài)氮的影響

如圖3，不同耕作施肥方式下土壤硝態(tài)氮含量從孕穗期到成熟期均呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢。除小麥成熟期外，其余各采樣時期土壤硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)為T3＞T2＞T1，在孕穗期T3處理土壤硝態(tài)氮較T1和T2處理分別高9.3%和3.0%，在開花期分別高26.4%和10.6%，在灌漿期分別高31.2%和13.4%，成熟期T3處理硝態(tài)氮含量略低于T2處理，顯著高于T1處理。這表明采用深翻-深施肥-淺旋蓋種的耕作施肥方式可以顯著提高并維持小麥生育期內(nèi)土壤硝態(tài)氮含量，保證小麥生長期間的氮素供應(yīng)。

3 討論

耕作方式可以直接改變土壤容重、孔隙和水分等土壤物理條件[8，16]，施肥方式對土壤養(yǎng)分供應(yīng)、作物養(yǎng)分吸收和轉(zhuǎn)運等影響明顯[17]。因此合理組配耕作與施肥方式對提高作物養(yǎng)分利用效率和產(chǎn)量有重要作用。前人對于不同耕作施肥方式對作物生長發(fā)育已有較多研究，由于研究的土壤狀況、種植制度、環(huán)境條件等的差異，并未形成統(tǒng)一結(jié)論。

圖3 不同耕作施肥方式下土壤硝態(tài)氮含量變化Figure 3 Soil nitrate nitrogen content under different tillage and fertilization methods

孔凡磊等[18]研究發(fā)現(xiàn)免耕覆蓋的耕作方式會影響早春至返青期冬小麥的生長，推遲小麥生育進程，降低小麥群體數(shù)量和產(chǎn)量而旋耕和翻耕則對冬小麥生育進程影響不大，旋耕和翻耕下地表無秸稈覆蓋且土層較為疏松，在返青后土壤溫度提高快而有利于小麥生長有關(guān)[19]。而王祥菊等[20]研究認為，水稻秸稈還田條件下翻耕的小麥穗數(shù)、每穗粒數(shù)和產(chǎn)量要高于少免耕方式。常年淺旋或免耕耕作會造成犁底層變厚變硬，土壤養(yǎng)分表聚[21]，使得作物根系發(fā)育受到明顯抑制，造成根系淺層化分布[22]。梁海等[23]認為深耕可使深層緊實的土壤結(jié)構(gòu)向適宜作物生長的疏松程度變化，改善土壤結(jié)構(gòu)與養(yǎng)分供應(yīng)能力，減少根系下扎的機械阻力[24]，改善作物根系生長環(huán)境，增加深層土壤含水量，提高作物對自然降水的利用效率[25-26]，最終提高作物的產(chǎn)量。小麥產(chǎn)量與籽粒氮素積累量及氮素利用率呈正相關(guān)關(guān)系[27]，鄭成巖等[28]認為深耕能促進成熟期小麥氮素向籽粒的分配，提升小麥對氮素的利用效率。而黃明等[29]認為旋耕較深耕提高了小麥營養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運量，與本研究的結(jié)論相反。本試驗中深翻-深施肥-淺旋蓋種的耕作施肥方式較其他兩種耕作施肥方式可增加小麥籽粒收獲指數(shù)，促進各生育時期小麥對氮素的吸收，提升小麥整株全氮積累量，同時提高了開花后營養(yǎng)器官氮素向籽粒轉(zhuǎn)運的量。

深翻可疏松耕層土壤，緩解其緊實性，提高土壤關(guān)鍵酶活性和呼吸速率[16，30]，擴大土壤溫度日變幅，優(yōu)化土壤微生物環(huán)境，提升土壤氮素轉(zhuǎn)化效率。本文進一步明確深翻-深施肥-淺旋蓋種的耕作施肥方式顯著降低了0～10 cm土壤容重，并提高了該層土壤總孔隙度，改善了耕層土壤結(jié)構(gòu)，氮肥通過機械深旋實現(xiàn)了深施，這也增加了肥料施用的均勻性，進而也提高小麥生育期內(nèi)土壤硝態(tài)氮含量，保證小麥生長期內(nèi)的氮素供應(yīng)的穩(wěn)定，這些對小麥開花前的氮素積累和開花后氮素轉(zhuǎn)運打下了基礎(chǔ)。土壤深翻與氮肥深施的配合也顯著提升了小麥籽粒產(chǎn)量，提升小麥對氮肥的利用效率，進而減少氮肥的土壤環(huán)境損失，是一種環(huán)境友好的耕作模式。在本試驗生產(chǎn)條件下深翻耕作的小麥干物質(zhì)量要優(yōu)于免耕、旋耕等方式，產(chǎn)量也較高，但上述結(jié)果與前人研究既有相似也有相反的結(jié)果。本研究中深翻-深施肥-淺旋蓋種的耕作施肥方式雖增加了機械翻耕調(diào)墑和肥料深施的作業(yè)流程，使其機械投入成本有所增加，但該模式下小麥地雜草生長量減少，這就減少了農(nóng)藥和人工的投入，小麥產(chǎn)量增長10%左右，亦可使收益增長。另外有研究表明，基因型不同的小麥品種在不同氣候環(huán)境、水分條件、施肥方式、耕作栽培措施下其產(chǎn)量、品質(zhì)、氮吸收利用效率、水分利用效率會表現(xiàn)出明顯差異性[31-33]。因此，在生產(chǎn)上應(yīng)根據(jù)小麥品種并結(jié)合當?shù)厣a(chǎn)條件選用合適的耕作方式。

4 結(jié)論

相較免耕-表施肥-稻草蓋種及免耕-淺施肥-淺旋蓋種的耕作與施肥方式，深翻-深施肥-淺旋蓋種模式顯著降低了亞表層土壤容重，提高了土壤總孔隙度，提高了小麥生育期內(nèi)土壤硝態(tài)氮含量，明顯改善了土壤理化性質(zhì)，提高了小麥植株的氮積累量，促進了花后營養(yǎng)器官氮素向籽粒轉(zhuǎn)移，明顯提升氮肥利用效率和小麥產(chǎn)量。因此，在本試驗條件下，綜合考慮氮素利用、產(chǎn)量和土壤條件，深翻-深施肥-淺旋蓋種模式為最佳耕作施肥方式，可供生產(chǎn)中參考。