地膜玉米免耕輪作小麥的減水減氮效應(yīng)*

郭 瑤, 陳桂平, 殷 文, 趙 財(cái), 于愛忠, 樊志龍, 胡發(fā)龍, 范 虹, 柴 強(qiáng)

地膜玉米免耕輪作小麥的減水減氮效應(yīng)*

郭 瑤?, 陳桂平?, 殷 文, 趙 財(cái), 于愛忠, 樊志龍, 胡發(fā)龍, 范 虹, 柴 強(qiáng)**

(甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 蘭州 730070)

針對(duì)長(zhǎng)期連作作物生產(chǎn)力低下等突出問題, 研究前茬地膜覆蓋作物免耕留膜, 輪作后茬作物的生產(chǎn)效應(yīng), 對(duì)于優(yōu)化栽培模式, 建立甘肅河西綠洲灌區(qū)作物生產(chǎn)的節(jié)本增效技術(shù)具有重要意義。2016—2017年, 通過(guò)田間定位試驗(yàn), 研究了前茬地膜覆蓋玉米茬口兩種耕作方式(免耕留膜, NT; 傳統(tǒng)耕作, CT)、兩種灌水水平(傳統(tǒng)灌水, 2400 m3?hm?2, I2; 傳統(tǒng)灌水減量20%, 1920 m3?hm?2, I1)和3個(gè)施氮水平(傳統(tǒng)施氮, 225 kg?hm?2, N3; 傳統(tǒng)施氮減量20%, 180 kg·hm?2, N2; 傳統(tǒng)施氮減量40%, 135 kg?hm?2, N1)對(duì)輪作小麥產(chǎn)量、光能與灌溉水利用及經(jīng)濟(jì)效益的影響, 以期為優(yōu)化試區(qū)小麥的栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。研究結(jié)果表明, 前茬玉米免耕留膜較傳統(tǒng)耕作小麥全生育期總?cè)~日積提高21.6%~26.1%(<0.05), 特別是小麥灌漿至成熟期提高41.3%~45.2% (<0.05), 具有延緩衰老的作用。小麥灌漿至成熟期, 免耕留膜集成減量20%水氮供應(yīng)(NTI1N2)處理比傳統(tǒng)耕作和水氮供應(yīng)(CTI2N3)提高葉日積34.8%~50.7%。免耕留膜較傳統(tǒng)耕作提高籽粒產(chǎn)量、光能利用率和灌溉水利用效率分別為10.1%~10.4%、5.6%~12.3%和10.1%~10.3% (<0.05); NTI1N2較CTI2N3處理小麥增產(chǎn)15.2%~22.0%、光能利用率提高8.1%~18.5%、灌溉水利用效率提高44.0%~52.5% (<0.05)。免耕留膜結(jié)合減量水氮供應(yīng)可降低生產(chǎn)成本, 提高純收益和產(chǎn)投比, NTI1N2較CTI2N3處理純收益和產(chǎn)投比分別提高22.9%~23.9%和34.8%~35.1%, 單方水效益提高53.6%~68.9% (<0.05)。因此, 前茬地膜覆蓋玉米免耕留膜配套減量20%灌水(1920 m3?hm?2)與施氮(180 kg?hm?2)可作為甘肅河西綠洲灌區(qū)發(fā)展節(jié)本增效小麥生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。

輪作; 地膜玉米; 小麥; 水氮耦合; 光能利用; 水分生產(chǎn)力; 經(jīng)濟(jì)效益

河西綠洲灌區(qū)光熱充裕, 滿足作物生產(chǎn)需求, 但蒸發(fā)遠(yuǎn)大于降雨量, 水分是該區(qū)作物生產(chǎn)的約束性因子, 受土壤耕作措施、種植模式、覆蓋措施、施肥水平等因素的調(diào)控。而土壤水分的變化與作物生產(chǎn)密切相關(guān)[1]。因此, 通過(guò)優(yōu)化耕作措施及水氮供應(yīng), 提高有限供水條件下灌溉水生產(chǎn)效率是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)方向。在有效協(xié)調(diào)資源、環(huán)境與技術(shù)相互關(guān)系的基礎(chǔ)之上, 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)純收益是生產(chǎn)者的終極目標(biāo), 而降低生產(chǎn)成本是提高純收益有效途徑之一[2]。玉米()作為河西綠洲灌區(qū)主栽作物, 長(zhǎng)期過(guò)量施肥與連作種植導(dǎo)致產(chǎn)量下降, 造成經(jīng)濟(jì)效益降低[3-4]。在全面推行玉米無(wú)膜不植生產(chǎn)背景下, 應(yīng)用前茬玉米免耕留膜等保護(hù)性耕作技術(shù)輪作小麥(), 能減少機(jī)械作業(yè)量、降低土壤無(wú)效蒸發(fā)、改善土壤水分狀況、減少灌溉與施肥量、創(chuàng)造有利于作物生長(zhǎng)的土壤環(huán)境[5], 是弱化地膜污染、減少資源投入與提高經(jīng)濟(jì)效益的高效措施。同時(shí), 前茬地膜有效防止休閑期水土流失, 增強(qiáng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性。因此, 通過(guò)優(yōu)化地膜再利用技術(shù), 提高水分生產(chǎn)效益、降低成本從而增加純收益, 是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)的重要研究方向。

光能是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的重要生產(chǎn)要素, 而光能利用率的理論值為5%~6%左右[6], 研究證實(shí)光能利用率低是限制作物高產(chǎn)的另一個(gè)重要因素[7-8]。相反, 光合有效輻射利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于農(nóng)作物生育期間光能利用率[9], 因而, 提高農(nóng)田光能利用率的研究非常迫切。目前, 有關(guān)農(nóng)田作物生產(chǎn)效益和光能利用率的研究主要集中在種植模式[10]、栽培密度[11]、灌溉制度[12]、施肥制度[13]等方面, 并證實(shí)合理的種植密度配套適宜的灌水施肥量可提高農(nóng)田光能利用、水分生產(chǎn)力及經(jīng)濟(jì)效益。而如何優(yōu)化耕作措施及水氮供應(yīng)水平調(diào)控其作物生產(chǎn)效應(yīng)尚不明晰。因此, 本研究在典型的干旱西北綠洲灌區(qū), 以地膜玉米茬免耕留膜輪作小麥為研究對(duì)象, 將水氮耦合集成于輪作栽培模式中, 重點(diǎn)探討不同水氮供應(yīng)水平下, 前茬玉米免耕留膜輪作小麥的生產(chǎn)效應(yīng), 以期為區(qū)域內(nèi)小麥高產(chǎn)高效栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015—2017年進(jìn)行, 2015年與2016年在兩塊試驗(yàn)田分別進(jìn)行覆膜種植玉米預(yù)備試驗(yàn), 采用平作全膜覆蓋。2015年4月24日播種玉米, 9月28日玉米收獲后, 免耕留膜處理小區(qū)地膜的完整度保持在70%以上, 傳統(tǒng)耕作處理則在玉米收獲后進(jìn)行舊膜回收再深翻耕。2016年3月28日采用簡(jiǎn)易滾動(dòng)播種器免耕直接穴播春小麥。同時(shí), 2016年4月20日在相鄰田塊布置2017年免耕種植春小麥的預(yù)備試驗(yàn), 覆膜玉米灌水、施肥等田間管理措施與2015年保持一致, 2016年9月20日玉米收獲后茬口處理與2015年相同, 2017年3月26日免耕直接穴播春小麥。具體的種植制度安排如圖1所示。

本試驗(yàn)采用3因素裂區(qū)設(shè)計(jì), 主區(qū)為前茬地膜覆蓋玉米收獲后的2種耕作措施: 前茬地膜玉米免耕留膜(NT)與傳統(tǒng)耕作(CT); 第1副區(qū)為2個(gè)灌水水平: 傳統(tǒng)灌水(I2, 2400 m3?hm?2)與傳統(tǒng)灌水減量20% (I1, 1920 m3?hm?2); 第2副區(qū)為3個(gè)施純氮水平: 傳統(tǒng)施氮(N3, 225 kg?hm?2)、傳統(tǒng)施氮減量20% (N2, 180 kg?hm?2)與傳統(tǒng)施氮減量40% (N1, 135 kg?hm?2), 共組成12個(gè)處理(表1), 每個(gè)處理3次重復(fù), 共36個(gè)小區(qū)。具體田間處理代碼如表1所示。

本研究選用小麥品種為‘隴春30號(hào)’, 種植密度為465萬(wàn)株?hm?2, 小區(qū)面積為55 m2(10 m×5.5 m), 相鄰小區(qū)之間有0.5 m寬×0.5 m深的隔溝, 防止灌溉用水發(fā)生潛在的相互滲透。各試驗(yàn)處理冬儲(chǔ)灌均為1200 m3?hm?2, 根據(jù)灌水水平處理, 在不同小麥生長(zhǎng)階段實(shí)施灌溉定額(表1)。灌溉方式為滴灌, 用水表控制灌溉量。基肥包括磷肥(150 kg?hm?2)和全部氮肥于播前施入, 氮肥為尿素, 磷肥為過(guò)磷酸鈣。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1 葉日積(LAD)

自小麥播種30 d后, 每隔大約2周, 在每個(gè)裂區(qū)中運(yùn)用“S”型法采集植株樣20株, 全生育期共采用6次。測(cè)定每株樣品各葉片的葉長(zhǎng)(l)和最大葉寬(w), 并計(jì)算綠色葉面積指數(shù)(LAI):

式中: 0.83為小麥LAI的校正系數(shù),為小麥基本苗,和分別為小麥葉片的長(zhǎng)和寬,為葉片個(gè)數(shù)。利用LAI計(jì)算LAD:

式中: LAI為第個(gè)生育階段的平均綠色葉面積指數(shù),D為第個(gè)生育階段平均綠色葉面積指數(shù)所持續(xù)的時(shí)間。

表1 2016—2017年小麥試驗(yàn)處理代碼及灌溉和施氮量

1.3.2 光能利用率(LUE)

小麥成熟后按小區(qū)收獲, 測(cè)定其籽粒產(chǎn)量與生物產(chǎn)量, 并通過(guò)小型氣象站獲取小麥生育期內(nèi)的太陽(yáng)輻射值, 借助下列公式計(jì)算光能利用率。

式中:為小麥籽粒與秸稈產(chǎn)量(kg?hm?2), 收獲時(shí)每小區(qū)單獨(dú)測(cè)定;為能量折算值(小麥籽粒取1.63×107J?kg?1, 小麥秸稈取1.46×107J?kg?1; Δ為通過(guò)氣象資料獲得的小麥生育期內(nèi)的太陽(yáng)輻射值(MJ?m?2)[2]。

1.3.3 經(jīng)濟(jì)效益

在本研究實(shí)施過(guò)程中, 詳細(xì)記載不同栽培措施下小麥播前整地、田間管理、施肥、灌溉、病蟲害防治、收獲等各個(gè)環(huán)節(jié)的用工、肥料、農(nóng)藥、灌溉量等投入情況, 收獲時(shí)測(cè)定每個(gè)裂區(qū)小麥籽粒與秸稈產(chǎn)量, 計(jì)算不同耕作措施及水肥投入水平下的生產(chǎn)成本與產(chǎn)值。并計(jì)算純收益、產(chǎn)投比及灌溉水利用效率和單方水效益。

純收益=總產(chǎn)值?總投入 (4)

產(chǎn)投比=總產(chǎn)值/總投入 (5)

灌溉水利用效率=籽粒產(chǎn)量/總灌水量 (6)

單方水效益=純收益/總灌水量 (7)

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016整理、匯總、圖表制作, 使用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行相關(guān)性分析, 運(yùn)用Duncan方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮耦合對(duì)地膜玉米免耕輪作小麥葉日積的影響

兩年試驗(yàn)研究中, 耕作措施與施氮水平對(duì)小麥總?cè)~日積產(chǎn)生顯著影響, 但灌水對(duì)其影響不顯著(表2)。前茬玉米免耕留膜較傳統(tǒng)耕作總?cè)~日積提高21.6%~26.1% (<0.05)。施氮水平對(duì)小麥生育期總?cè)~日積的影響年際間有差異, 2016年減量20%較傳統(tǒng)施氮總?cè)~日積降低7.1%, 2017年差異不顯著。綜合3個(gè)因素, 免耕留膜減量20%水氮(NTI1N2)較傳統(tǒng)耕作和水氮供應(yīng)(CTI2N3)總?cè)~日積提高17.9%~23.4% (<0.05)。

耕作方式、灌水水平、施氮量均顯著影響小麥拔節(jié)期之前的葉日積, 前茬玉米免耕留膜較傳統(tǒng)耕作葉日積提高21.3%~23.3% (<0.05); 減量與傳統(tǒng)灌水下, 免耕留膜較傳統(tǒng)耕作葉日積分別提高22.2%~31.0%與15.8%~20.5% (<0.05)。減量40%、減量20%和傳統(tǒng)施氮處理下, 免耕留膜較傳統(tǒng)耕作葉日積分別提高21.1%~34.8%、21.6%~31.2%和23.8%~27.5% (<0.05)。免耕留膜減量20%水氮供應(yīng)(NTI1N2)較傳統(tǒng)耕作和水氮供應(yīng)(CTI2N3)處理葉日積分別提高7.4%~10.3%和16.8%~20.2% (<0.05)。

小麥拔節(jié)期至灌漿初期葉日積, 前茬玉米免耕留膜較傳統(tǒng)耕作提高14.6%~20.9% (<0.05)。免耕留膜與傳統(tǒng)耕作相比, 在減量和傳統(tǒng)灌水條件下葉日積分別提高9.7%~19.8%和19.5%~22.1% (<0.05), 在減量40%、減量20%和傳統(tǒng)施氮條件下葉日積分別提高15.1%~22.3%、20.7%~22.0%和8.9%~18.7% (<0.05)。與傳統(tǒng)耕作灌水施氮處理(CTI2N3)相比, 免耕留膜減量20%水氮供應(yīng)(NTI1N2)處理葉日積提高12.0%~15.9% (<0.05)。

隨著生育期的推進(jìn), 自灌漿開始小麥冠層變小, 雖然葉日積呈下降趨勢(shì), 但兩年研究發(fā)現(xiàn), 免耕留膜較傳統(tǒng)耕作仍保持較大的葉日積, 提高41.3%~45.2% (<0.05)。減量和傳統(tǒng)灌水條件下, 免耕留膜較傳統(tǒng)耕作葉日積分別提高52.5%~57.5%和27.7%~38.3% (<0.05)。減量40%、減量20%和傳統(tǒng)施氮條件下, 免耕留膜較傳統(tǒng)耕作處理葉日積分別提高39.1%~44.9%、47.2%~48.4%和36.3%~43.5% (<0.05)。免耕留膜與減量20%水氮供應(yīng)(NTI1N2)較傳統(tǒng)耕作和水氮供應(yīng)(CTI2N3)處理葉日積提高34.8%~50.7%。這些結(jié)果表明, 前茬地膜覆蓋玉米配套減量20%水氮供應(yīng)仍可保持小麥灌漿中后期及成熟期較大的葉日積, 延長(zhǎng)了光合作用時(shí)間, 為獲得高產(chǎn)創(chuàng)造了更大的光合源。

2.2 水氮耦合對(duì)地膜玉米免耕輪作小麥產(chǎn)量的影響

前茬玉米免耕留膜較傳統(tǒng)耕作顯著提高小麥籽粒產(chǎn)量, 集成減量灌水施氮進(jìn)一步加強(qiáng)增產(chǎn)效應(yīng)(表3)。2016年與2017年, 免耕留膜較傳統(tǒng)耕作提高小麥籽粒產(chǎn)量10.1%~10.4% (<0.05), 減量20%灌水較傳統(tǒng)灌水處理小麥增產(chǎn)2.4%~4.3% (<0.05), 減量40%施氮較減量20%和傳統(tǒng)施氮處理小麥籽粒產(chǎn)量降低10.0%~13.6%和6.1%~11.4% (<0.05), 減量20%施氮與傳統(tǒng)施氮處理小麥籽粒產(chǎn)量無(wú)顯著差異。免耕留膜與傳統(tǒng)耕作相比, 在減量20%和傳統(tǒng)灌水條件下小麥籽粒產(chǎn)量分別提高9.4%~10.1%和13.0%~14.8% (<0.05), 在減量40%、減量20%和傳統(tǒng)施氮條件下分別增產(chǎn)9.8%~10.9%、6.5%~11.1%和9.3%~14.2% (<0.05)。免耕留膜減量20%水氮(NTI1N2)較傳統(tǒng)耕作和水氮供應(yīng)(CTI2N3)增產(chǎn)15.2%~22.0% (<0.05)。這些結(jié)果表明, 在干旱條件下, 充分利用前茬地膜覆蓋玉米免耕留膜茬口, 可實(shí)現(xiàn)灌溉與氮肥的同步減量投入, 仍可提高后茬小麥籽粒產(chǎn)量。

表2 耕作措施、灌溉和氮素水平對(duì)小麥不同生育期葉日積的影響

各處理名稱見表1。P1、P2、P3、P4、P5、P6分別為2016年5月6日、5月20日、6月6日、6月22日、7月7日、7月20日, 2017年5月3日、5月23日、6月9日、6月24日、7月7日、7月18日, 相對(duì)應(yīng)小麥的生長(zhǎng)階段分別為幼苗、拔節(jié)期、孕穗期、灌漿初期、灌漿中期和成熟期。同一年份同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同處理在<0.05水平差異顯著。*:<0.05顯著; **:<0.01顯著; NS: 不顯著。Treatments abbreviations are described in Table 1. P1, P2, P3, P4, P5, and P6 denote sampling dates of 6 May, 20 May, 6 June, 22 June, 7 July, and 20 July in 2016, respectively; and 3 May, 23 May, 9 June, 24 June, 7 July, and 18 July in 2017, respectively, corresponding to growth stages of wheat of seedling, jointing, booting, early-filling, middle-filling, and full-ripening, respectively. Within a column for a given year, different lowercase letters indicate significant differences among treatments at<0.05 probability level. *:<0.05; **:<0.01; NS: not significant.

表3 不同耕作措施、灌溉與施氮水平對(duì)小麥產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的影響

各處理名稱見表1。同一年份同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同處理在<0.05水平差異顯著。*:<0.05顯著; **:<0.01顯著; NS: 不顯著。Treatments abbreviations are described in Table 1. Within a column for a given year, different lowercase letters indicate significant differences among treatments at<0.05 probability level. *:<0.05; **:<0.01; NS: not significant.

2.3 水氮耦合對(duì)地膜玉米免耕輪作小麥的光能利用率及灌溉水生產(chǎn)力的影響

2.3.1 光能利用率

光能利用率是衡量植物將光能轉(zhuǎn)化為自身干物質(zhì)的效率水平指標(biāo)。2016年和2017年小麥全生育期內(nèi)太陽(yáng)能總輻射量分別為1854 MJ?m?2和1744 MJ?m?2。小麥的光能利用率受耕作措施、施氮水平及耕作措施、灌水與施氮水平兩兩及三者交互作用的影響。前茬玉米免耕留膜較傳統(tǒng)耕作光能利用率提高5.6%~12.3% (<0.05), 減量20%和傳統(tǒng)施氮較減量40%施氮小麥光能利用率分別高8.3%~9.1%和6.4%~9.2% (<0.05), 但是減量20%施氮與傳統(tǒng)施氮處理小麥光能利用率差異不顯著(圖2)。免耕留膜措施下減量灌水顯著提高光能利用率, 較傳統(tǒng)耕作灌水處理提高6.7%~13.2%, 免耕留膜集成減量20%水氮供應(yīng)(NTI1N2)較傳統(tǒng)耕作和水氮供應(yīng)(CTI2N3)處理顯著提高光能利用率8.1%~18.5%。

各處理名稱見表1。不同小寫字母表示處理間在<0.05水平差異顯著。Treatments abbreviations are described in Table 1. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at<0.05 probability level.

2.3.2 灌溉水利用效率

前茬玉米免耕留膜可顯著提高小麥灌溉水利用效率, 較傳統(tǒng)耕作提高10.1%~10.4%, 減量灌水較傳統(tǒng)灌水提高灌溉水利用效率27.8%~30.4% (<0.05), 減量40%施氮較減量20%和傳統(tǒng)施氮處理灌溉水利用效率降低9.4%~13.5%和6.0%~11.6% (<0.05), 但是減量20%與傳統(tǒng)施氮處理差異不顯著(圖3)。免耕留膜集成減量20%水氮(NTI1N2)可實(shí)現(xiàn)與免耕留膜集成減量20%灌水與傳統(tǒng)施氮(NTI1N3)相當(dāng)?shù)墓喔人眯? 兩者較傳統(tǒng)耕作和水氮供應(yīng)(CTI2N3)處理分別提高44.0%~52.5%和45.2%~53.9% (<0.05)。說(shuō)明前茬玉米免耕留膜配套減量20%水氮供應(yīng)有利于增強(qiáng)后茬小麥單位灌溉水生產(chǎn)的籽粒產(chǎn)量。

各處理名稱見表1。不同小寫字母表示處理間在<0.05水平差異顯著。Treatments abbreviations are described in Table 1. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at<0.05 probability level.

2.4 水氮耦合對(duì)地膜玉米免耕輪作小麥經(jīng)濟(jì)效益與單方水效益的影響

2.4.1 經(jīng)濟(jì)效益

因機(jī)械、勞力與農(nóng)資投入不同, 各處理的總投入差異較大(表3)。前茬玉米免耕留膜較傳統(tǒng)耕作處理總投入降低5.0%~5.6% (<0.05)。減量和傳統(tǒng)灌水條件下, 免耕留膜較傳統(tǒng)耕作總投入分別降低5.0%~5.7%和4.9%~5.6% (<0.05)。減量40%、減量20%和傳統(tǒng)施氮條件下, 免耕留膜較傳統(tǒng)耕作處理總投入分別減少5.1%~5.8%、5.0%~5.6%和4.9%~5.5% (<0.05)。其中機(jī)械與勞動(dòng)力的投入免耕留膜較傳統(tǒng)耕作降低12.4%~13.7% (<0.05), 灌水對(duì)機(jī)械、勞力和農(nóng)資投入差異均不顯著, 但減量40%施氮處理農(nóng)資的投入較傳統(tǒng)施氮降低7.0%~7.1%。前茬玉米免耕留膜較傳統(tǒng)耕作主要是降低機(jī)械與勞力方面的投入, 而減量施氮較傳統(tǒng)施氮降低了農(nóng)資投入。

隨著總投入的降低, 其總產(chǎn)值反而有所增加, 免耕留膜較傳統(tǒng)耕作總產(chǎn)值增加2218~3163 ￥?hm?2, 增幅為8.5%~12.2% (<0.05)。減量和傳統(tǒng)灌水條件下, 免耕留膜較傳統(tǒng)耕作總產(chǎn)值分別增加1816~3436 ￥?hm?2和2620~2891 ￥?hm?2, 增加比例分別為6.8%~13.4%和10.3%~11.1% (<0.05)。減量40%、減量20%和傳統(tǒng)施氮條件下, 免耕留膜較傳統(tǒng)耕作處理總產(chǎn)值分別提高2209~3042 ￥?hm?2、2319~2396 ￥hm?2和2126~4052 ￥?hm?2, 提高比例分別為9.1%~12.6%、8.4%~8.8%和7.9%~15.5% (< 0.05)。前茬玉米免耕留膜配套減量20%水氮(NTI1N2)較傳統(tǒng)耕作和水氮供應(yīng)(CTI2N3)處理總產(chǎn)值增加3099~3371 ￥?hm?2, 增加比例為11.9%~ 13.0% (<0.05)。

前茬玉米免耕留膜較傳統(tǒng)耕作增加純收益2708~3583 ￥?hm?2, 提高比例為15.5%~20.6% (<0.05)。免耕留膜與傳統(tǒng)耕作相比, 減量和傳統(tǒng)灌水處理純收益分別增加2306~3855 ￥?hm?2和3110~3311 ￥?hm?2, 提高比例分別為12.8%~22.3%和18.6%~19.0% (<0.05); 減量40%、減量20%和傳統(tǒng)施氮條件下純收益分別增加2699~3462 ￥?hm?2、2809~2816 ￥?hm?2和2616~4472 ￥?hm?2, 提高幅度分別為17.1%~21.7%、15.0%~15.2%和14.6%~25.5% (<0.05)。將減量20%灌水與減量20%施氮集成于免耕留膜措施(NTI1N2)中, 較傳統(tǒng)耕作和水氮供應(yīng)(CTI2N3)處理純收益增加3893~4095 ￥?hm?2, 提高幅度為22.9%~23.9%。與純收益相似, 免耕留膜較傳統(tǒng)耕作提高產(chǎn)投比22.4%~26.9% (<0.05)。免耕留膜與傳統(tǒng)耕作相比, 減量和傳統(tǒng)灌水處理產(chǎn)投比分別提高19.6%~28.7%和25.0%~25.5% (<0.05); 減量40%、減量20%和傳統(tǒng)施氮條件下產(chǎn)投比分別提高24.3%~28.2%、21.1%~21.9%和21.2%~31.9% (< 0.05)。免耕留膜配套減量20%水氮(NTI1N2)較傳統(tǒng)耕作和水氮供應(yīng)(CTI2N3)處理提高產(chǎn)投比34.8%~35.1% (<0.05)。

綜上所述, 前茬玉米免耕留膜配套減量20%水氮供應(yīng)處理總投入較低, 但是總產(chǎn)值、純收益和產(chǎn)投比較高, 說(shuō)明西北內(nèi)陸灌區(qū)在不影響作物生產(chǎn)力的前提下, 通過(guò)充分利用前茬地膜覆蓋玉米的免耕茬口, 減少機(jī)械和水肥投入, 實(shí)現(xiàn)后茬小麥較高的總產(chǎn)值、純收益和產(chǎn)投比, 增加農(nóng)民收入, 在一定程度上可替代傳統(tǒng)精耕細(xì)作生產(chǎn)方式, 從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。

2.4.2 單方水效益

單方水效益表示單位灌溉耗水生產(chǎn)的純收益。免耕留膜較傳統(tǒng)耕作單方水效益提高14.8%~18.5% (<0.05), 減量灌水較傳統(tǒng)灌水處理提高30.7%~ 33.6% (<0.05), 減量40%施氮較減量20%和傳統(tǒng)施氮處理單方水效益分別降低11.3%~14.3%和8.4%~11.2% (<0.05), 但是減量20%施氮與傳統(tǒng)施氮處理差異不顯著(圖4)。免耕留膜集成減量20%水氮(NTI1N2), 達(dá)到與免耕留膜配套減量20%灌水與傳統(tǒng)施氮(NTI1N3)相當(dāng)?shù)膯畏剿б? 二者較傳統(tǒng)耕作傳統(tǒng)水氮(CTI2N3)處理分別提高單方水效益53.6%~68.9%和56.0%~69.8% (<0.05)。說(shuō)明前茬玉米免耕留膜集成減量20%水氮供應(yīng)有利于提高后茬小麥單位灌水耗水產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。

2.5 小麥葉日積與籽粒產(chǎn)量及光能利用率的相關(guān)關(guān)系

2016年與2017年, 不同耕作措施、水氮供應(yīng)水平下小麥全生育期群體總?cè)~日積和其籽粒產(chǎn)量(圖5A)及光能利用率(圖5B)呈顯著二次相關(guān)性(<0.05)。當(dāng)總?cè)~日積在0~347 (2016年)和0~390 (2017年)范圍內(nèi), 隨小麥群體總?cè)~日積的增大群體呈增產(chǎn)趨勢(shì), 當(dāng)超過(guò)347和390時(shí)籽粒產(chǎn)量則呈下降趨勢(shì); 相似地, 當(dāng)總?cè)~日積在0~359 (2016年)和0~322 (2017年)范圍內(nèi), 隨小麥群體總?cè)~日積的增大群體光能利用率呈提高趨勢(shì), 當(dāng)超過(guò)347和390時(shí)則呈下降趨勢(shì)。說(shuō)明并非冠層光合源越大越有利于捕獲光能及產(chǎn)量形成; 而是在適宜的農(nóng)藝措施調(diào)控下, 保持適宜的冠層光合源結(jié)構(gòu)有助于提高群體產(chǎn)量、促進(jìn)光能利用。本研究通過(guò)前茬玉米免耕留膜集成水氮同步減量20%調(diào)控后茬小麥適宜冠層結(jié)構(gòu), 保持灌漿與成熟期較大葉日積, 延長(zhǎng)籽粒灌漿, 為提高產(chǎn)量和光能利用率奠定基礎(chǔ)。

各處理名稱見表1。不同小寫字母表示處理間在<0.05水平差異顯著。Treatment abbreviations are described in Table 1. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at<0.05 probability level.

3 討論

河西綠洲灌區(qū)年蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨量, 水是限制農(nóng)作物生產(chǎn)的主要因素, 在溫度較低的小麥生育前期, 前茬地膜覆蓋作物免耕留膜相比于傳統(tǒng)耕作露地栽培能有效提高土壤濕度和溫度, 促進(jìn)后茬作物生長(zhǎng)[14-15]。雖然小麥苗期的葉日積相對(duì)較小, 但免耕留膜仍高于傳統(tǒng)耕作, 這是因?yàn)榍安缬衩酌飧裟た梢詼p少土壤水分蒸發(fā)、保持土壤水分并提高土壤溫度, 從而為小麥苗期生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的水熱條件[5,14-15]。拔節(jié)期后小麥對(duì)水氮的需求增加, 減量灌溉施氮處理防止小麥貪青生長(zhǎng)而產(chǎn)生倒伏[16]。免耕留膜通過(guò)充分發(fā)揮水氮運(yùn)籌的調(diào)控效應(yīng), 降低了減量灌溉和施氮對(duì)小麥灌漿后期生長(zhǎng)的抑制作用, 從而提高小麥產(chǎn)量及土壤水分和氮素的利用率[5,17]。說(shuō)明免耕留膜配套減量灌水與施氮可抑制小麥早期的徒增, 防止生長(zhǎng)中期水氮的過(guò)度消耗, 避免生育后期水分與養(yǎng)分的供應(yīng)不足, 延緩小麥根、莖、葉衰老[18], 增大葉日積, 促進(jìn)光合作用, 提高干物質(zhì)積累, 實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分與水分的合理分配。兩年研究表明, 與傳統(tǒng)耕作和水氮供應(yīng)處理(CTI2N3)相比, 前茬玉米免耕留膜配套減量20%水氮處理(NTI1N2)使葉日積增大17.9%~23.4%, 尤其是灌漿中后期及成熟期的葉日積增幅達(dá)34.8%~50.7%, 這源于前茬玉米免耕留膜配套減量20%水氮處理仍能保持后茬小麥生育后期較大的綠色葉面積[18]。葉日積增大延長(zhǎng)生殖生長(zhǎng)期光合作用的持續(xù)時(shí)間和葉片的功能期[19], 是典型的延遲衰老表現(xiàn)。由于小麥養(yǎng)分的吸收取決于莖和根部的養(yǎng)分供應(yīng), 延緩小麥灌漿后衰老有利于促進(jìn)小麥灌漿期養(yǎng)分的吸收[20], 促進(jìn)籽粒灌漿, 提高小麥產(chǎn)量和光能利用率[21-22]。

已有研究表明, 作物產(chǎn)量是眾多因素相互影響的結(jié)果, 光合作用同化的氮素向籽粒的分配、轉(zhuǎn)移是提高產(chǎn)量的重要途徑之一[23]。土壤氮素的淋失隨灌水量的增加而加劇, 并不利于作物的吸收利用[24]; 在適宜施氮量的基礎(chǔ)上, 增施氮肥使?fàn)I養(yǎng)器官氮素代謝旺盛, 導(dǎo)致氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)量下降, 不利于籽粒灌漿導(dǎo)致減產(chǎn)[23], 因而, 適量的水氮投入有利于促進(jìn)作物對(duì)水分與養(yǎng)分的有效利用而提高產(chǎn)量。本研究中, 前茬玉米免耕留膜具有較好的土壤水分、養(yǎng)分環(huán)境, 優(yōu)化土壤理化特性, 為后茬小麥生長(zhǎng)提供了良好的土壤環(huán)境[5,17], 加之土壤水氮適宜, 利于營(yíng)養(yǎng)器官氮素的累積, 同時(shí)提高營(yíng)養(yǎng)器官向穗部轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率, 籽粒大而飽滿, 最終實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)[17]。因而, 本研究中前茬免耕留膜集成20%水氮供應(yīng)能獲得較高的小麥籽粒產(chǎn)量。說(shuō)明合理的耕作措施及水氮供應(yīng)可提高生育后期小麥氮素的有效利用, 從而提高產(chǎn)量和水分利用。

在有效協(xié)調(diào)資源、環(huán)境與技術(shù)相互關(guān)系的基礎(chǔ)之上, 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)純收益是生產(chǎn)者的終極目標(biāo), 也是衡量作物可持續(xù)生產(chǎn)的重要指標(biāo)之一[2]。前茬地膜覆蓋作物免耕留膜措施節(jié)約生產(chǎn)成本包括: 第一, 降低播種時(shí)期的勞動(dòng)力和機(jī)械作業(yè)的投入; 第二, 免耕留膜通過(guò)實(shí)現(xiàn)周年覆蓋, 在前茬玉米收獲后, 保持休閑期的土壤水分用于后茬小麥生產(chǎn), 因而降低了灌水投入; 第三, 前茬玉米殘留的氮肥降低了小麥季氮肥的投入[17], 實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效, 降低小麥生產(chǎn)成本, 利于作物生長(zhǎng), 提高作物產(chǎn)量和純收益, 對(duì)小麥生產(chǎn)具有重要意義。免耕留膜可有效降低休閑期與小麥生育期土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)耗水[5], 集成減量灌水進(jìn)一步降低了生育期的總耗水, 是提高單方水效益的重要途徑。已有研究[25-26]表明, 過(guò)量的氮肥投入降低土壤水分的有效利用, 過(guò)量氮肥供應(yīng)也可導(dǎo)致磷、鉀等其他元素的短缺, 削弱作物正常的生長(zhǎng)發(fā)育, 降低產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益, 從而降低單方水效益。本研究表明, 前茬玉米免耕留膜配套減量20%水氮(NTI1N2)處理較傳統(tǒng)耕作和水氮供應(yīng)(CTI2N3)處理可增加純收益, 提高產(chǎn)投比、水分生產(chǎn)力及單方水效益。說(shuō)明在河西綠洲灌區(qū)利用前茬地膜覆蓋玉米茬口特性, 即免耕留膜措施集成減量20%水氮供應(yīng), 通過(guò)三者協(xié)同調(diào)控小麥生長(zhǎng)發(fā)育, 增加產(chǎn)量與產(chǎn)值, 降低生產(chǎn)成本, 提高純收益及單方水效益, 也充分發(fā)揮了輪作倒茬的作用, 是替代小麥傳統(tǒng)栽培的可行措施, 具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。

4 結(jié)論

前茬玉米免耕留膜較傳統(tǒng)耕作顯著增大小麥全生育期總?cè)~日積, 減量20%水氮集成于免耕留膜措施進(jìn)一步保持小麥灌漿至成熟期較大的葉日積, 具有延緩衰老的作用。免耕留膜比傳統(tǒng)耕作小麥籽粒產(chǎn)量、光能利用率和灌溉水利用效率分別提高10.1%~10.4%、5.6%~12.3%和10.1%~10.3% (<0.05),將減量20%水氮供應(yīng)集成于免耕留膜措施進(jìn)一步提高小麥的產(chǎn)量、光能及灌溉水利用效率, 較傳統(tǒng)耕作和水氮供應(yīng)處理小麥增產(chǎn)15.2%~22.0%、光能利用率提高8.1%~18.5%、灌溉水利用效率提高44.0%~52.5%。免耕留膜結(jié)合減量20%水氮供應(yīng)可降低生產(chǎn)成本, 提高純收益、產(chǎn)投比和單方水效益。因此, 前茬玉米免耕留膜配套減量20%水氮供應(yīng)(灌水1920 m3?hm?2, 施氮180 kg?hm?2)可作為甘肅河西綠洲灌區(qū)發(fā)展節(jié)本增效小麥生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。

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Effects of reducing water and nitrogen supplies in rotated wheat with previous plastic mulched maize*

GUO Yao?, CHEN Guiping?, YIN Wen, ZHAO Cai, YU Aizhong, FAN Zhilong, HU Falong, FAN Hong, CHAI Qiang**

(Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science / Agronomy College, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

To combat low crop productivity in long-term continuous cropping systems, it is necessary to study the effects of no-tillage and continued mulched plastic to optimize cultivation and establish cost-saving and benefits-increasing technology in Hexi irrigated areas in Gansu Province. A field experiment was conducted in northwestern irrigated areas in 2016–2017 to evaluate the yield, light energy, irrigation water utilization, and economic benefits of all combinations of two tillage practices, two irrigation levels, and three nitrogen application levels on wheat. The two tillage practices included no-tillage and continued mulched plastic in previous maize (NT) and conventional tillage in previous maize after removing the mulched plastic from soil (CT). The two levels of irrigation included the local conventional irrigation amount, 2400 m3·hm-2(high: I2), and the local conventional irrigation amount reduced by 20%, 1920 m3·hm-2(low: I1). The three levels of nitrogen application included the local conventional nitrogen amount, 225 kg·hm-2(high: N3), the local conventional nitrogen amount reduced by 20%, 180 kg·hm-2(medium: N2), and the local conventional nitrogen amount reduced by 40%, 135 kg·hm-2(low: N1). The results showed that NT increased the leaf area duration (LAD) of wheat across all growth stages by 21.6% to 26.1%, and the LAD remained high from the wheat filling to the maturity stage, increasing by 41.3% to 45.2 % (<0.05), compared with CT, and delaying senescence. A 20% reduction in irrigation and N application combined with NT (NTI1N2) resulted in a greater LAD (by 34.8% to 50.7%) from the wheat filling to the maturity stage than CT with conventional high levels of irrigation and nitrogen (CTI2N3). NT increased wheat grain yield, light use efficiency, and irrigation water use efficiency by 10.1% to 10.4%, 5.6% to 12.3%, and 10.1% to 10.3% (<0.05) compared with CT, respectively. The grain yield, light use efficiency, and irrigation water use efficiency were significantly increased by 15.2% to 22.0%, 8.1% to 18.5%, and 44.0% to 52.5% with NTI1N2 compared with CTI2N3, respectively. NT integrated with reduced irrigation and nitrogen application reduced the production cost and improved the net return and input-output ratio. The NTI1N2 treatment increased the net return and input-output ratio by 22.9% to 23.9% and 34.8% to 35.1%, respectively. In addition, the benefit per cubic meter of water increased by 53.6% to 68.9% with NTI1N2 compared with CTI2N3 treatment. These results suggest that no-tillage and continued mulched plastic in previous maize with low irrigation (1920 m3·hm-2) and medium nitrogen (180 kg·hm-2) can reduce costs and increase the benefits of wheat production in Hexi irrigated areas in Gansu Province.

Crop rotation; Plastic mulched maize; Wheat; Water-nitrogen coupling; Light utilization; Water productivity; Economic benefits

10.13930/j.cnki.cjea.200451

郭瑤, 陳桂平, 殷文, 趙財(cái), 于愛忠, 樊志龍, 胡發(fā)龍, 范虹, 柴強(qiáng). 地膜玉米免耕輪作小麥的減水減氮效應(yīng)[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2021, 29(2): 389-399

GUO Y, CHEN G P, YIN W, ZHAO C, YU A Z, FAN Z L, HU F L, FAN H, CHAI Q. Effects of reducing water and nitrogen supplies in rotated wheat with previous plastic mulched maize[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(2): 389-399

S341.1; S152.7

* 甘肅省科技計(jì)劃項(xiàng)目(20JR5RA037, 20JR5RA025)、國(guó)家綠肥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-22-G-12)、甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新能力提升項(xiàng)目(2020B-126)和甘肅省科協(xié)青年人才托舉工程項(xiàng)目(2020-12)資助

柴強(qiáng), 主要從事多熟種植、循環(huán)農(nóng)業(yè)、保護(hù)性耕作技術(shù)與理論研究。E-mail: chaiq@gsau.edu.cn

? 同等貢獻(xiàn)者: 郭瑤, 主要從事節(jié)水農(nóng)業(yè)研究, E-mail: guoyaogsau@126.com; 陳桂平, 主要從事多熟種植研究, E-mail: chengp@gsau.edu.cn

2020-06-14

2020-09-15

* This study was financially supported by the Science and Technology Project of Gansu Province (20JR5RA037, 20JR5RA025), the Green Manure Industry Research System of China (CARS-22-G-12), Gansu Provincial Scientific Project of Colleges and Universities (2020B-126), and Gansu Young Science and Technology Talents Supporting Project (2020-12).

, E-mail: chaiq@gsau.edu.cn

? Equivalent contributors

Jun. 14, 2020;

Sep. 15, 2020