周年土壤耕作組合對(duì)伊犁河谷冬小麥-夏大豆氮素吸收、利用與產(chǎn)量的影響

安崇霄,杜孝敬,徐文修*,符小文,黃紅梅,房彥飛

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆伊寧縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,新疆 伊犁 835100)

氮素是作物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素[1],但在氮肥高投入的情形下,氮肥利用率低下仍是目前限制農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素[2-3]。土壤耕作是作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要手段之一[4-5],因此,探尋提高氮素利用和促進(jìn)植株生長發(fā)育相適宜的土壤耕作方式尤為重要。

將不同耕作措施進(jìn)行合理的組合可減輕單一耕作方式的弊端[6]。深松能增加耕層厚度,促進(jìn)根系下扎[7-9];翻耕可改善土壤活性[10],促進(jìn)植物對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的吸收[11-12]。但也有研究認(rèn)為深松由于耕層松緊不一,土塊較大,在干旱時(shí)土壤持水能力相對(duì)減弱[13],會(huì)給作物生長發(fā)育帶來不利影響;長期且頻繁的同一深度翻耕會(huì)造成土壤出現(xiàn)犁底層[14],阻礙植株根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收。許菁等[15]研究發(fā)現(xiàn),冬小麥-夏玉米輪作,在玉米收獲后進(jìn)行土壤深松和免耕,可以提高冬小麥和夏玉米花后干物質(zhì)的積累量,提高單季和周年產(chǎn)量。冬小麥-夏玉米輪作下采用合適的耕作組合可顯著提高周年作物根系特性,延緩葉片衰老進(jìn)而提高周年產(chǎn)量[16-17]。目前關(guān)于周年土壤耕作組合措施對(duì)輪作體系的研究僅見于黃淮海地區(qū)的冬小麥-夏玉米,研究內(nèi)容多集中在土壤物理性質(zhì)以及作物生長發(fā)育等方面,缺少植株氮素利用等方面的研究。

伊犁河谷地處新疆北部,是典型的綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。在全球氣候日益變暖的背景下,無霜期變長,有效積溫增加,改變了冬小麥-夏大豆的種植方式[18-19]。本試驗(yàn)通過研究一年兩熟農(nóng)作體系中周年土壤耕作組合對(duì)兩茬作物干物質(zhì)積累及氮素吸收、利用和產(chǎn)量的影響,揭示周年土壤耕作組合對(duì)冬小麥-夏大豆氮素利用和產(chǎn)量的影響規(guī)律,為北疆麥-豆輪作體系下的周年土壤耕作組合提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017年10月至2019年10月連續(xù)2年在伊犁哈薩克自治州伊寧縣農(nóng)業(yè)科技示范園(81°33′E,43°56′N,海拔790 m)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于伊犁河谷中部,年平均日照可達(dá)2 800～3 000 h,年平均氣溫 8.9 ℃,年均降雨量257 mm,全年無霜期169～175 d。試驗(yàn)地平整,土壤為灰鈣土,0～30 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量16.50 g·kg-1,堿解氮含量76.7 g·kg-1,速效磷含量14.8 mg·kg-1,速效鉀含量139 mg·kg-1,pH8.00。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在冬小麥-夏大豆周年輪作體系下,采取裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì),秋季耕作處理為主區(qū),夏季耕作處理為副區(qū)。秋季深松處理(S)機(jī)械作業(yè)深度為50 cm,土壤只松不翻,土層不亂;翻耕處理(T)為犁翻深28 cm,土層翻轉(zhuǎn)135°,翻后聯(lián)合整地機(jī)整地。每個(gè)處理面積為360 m2,對(duì)每個(gè)處理等份劃出3個(gè)小區(qū),冬小麥?zhǔn)斋@后在每個(gè)處理原區(qū)位各自的3個(gè)小區(qū)上分別進(jìn)行夏季翻耕(T1)、翻耕覆膜(TF)和免耕(N),然后進(jìn)行夏大豆播種。每種土壤耕作措施的區(qū)域再等份劃出3個(gè)小區(qū),共18個(gè)小區(qū)。

冬小麥秋播時(shí)間為2017年10月19日和2018年10月16日,收獲時(shí)間為2018年7月3日和2019年7月1日;夏大豆播種時(shí)間為2018年7月5日和2019年7月3日,收獲時(shí)間為2018年10月14日和2019年10月18日。供試冬小麥品種為‘新冬42號(hào)’,夏大豆品種為‘黑河45號(hào)’;冬小麥為條播,夏大豆為 30 cm 等行距播種。周年灌溉方式為滴灌,滴灌帶間距為60 cm。冬小麥-夏大豆周年內(nèi)施尿素(N≥46.40%)總用量525 kg·hm-2,其中冬小麥播前尿素150 kg·hm-2同時(shí)配施重過磷酸鈣(P2O5≥44%)204 kg·hm-2作為底肥一次施入,冬小麥追施尿素225 kg·hm-2,分別在拔節(jié)期、抽穗期各50%施入;剩余150 kg·hm-2尿素作為夏大豆花期追肥。冬小麥和夏大豆追肥均為隨水滴施尿素,其他管理同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及測(cè)定方法

1.3.1 土樣采集和養(yǎng)分含量測(cè)定在每一個(gè)小區(qū)采用五點(diǎn)取樣法,采集0～30 cm耕層的混合土樣。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用K2Cr2O7-H2SO4法測(cè)定;速效氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定;速效磷含量采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定;速效鉀含量采用醋酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測(cè)定。

1.3.2 植株干物質(zhì)含量的測(cè)定從冬小麥孕穗期和夏大豆的苗期開始,冬小麥每7 d、夏大豆每10 d各取樣1次,在每個(gè)小區(qū)選具有代表性的連續(xù)植株10株進(jìn)行破壞性取樣,冬小麥植株分為莖、葉片、鞘、穗、籽粒等器官,夏大豆植株分為莖、葉片、葉柄、豆莢、豆粒等器官,將分裝的樣品放入105 ℃烘箱中殺青 30 min,降至80 ℃烘干至恒重,冷卻后取出迅速測(cè)定各器官的干物重。

應(yīng)用Logistic方程對(duì)冬小麥、夏大豆單株干物質(zhì)積累過程進(jìn)行擬合。Logistic方程為y=k/[1+e(a-bt)],式中:y為冬小麥或夏大豆td后單株干物質(zhì)積累量(g·株-1);t為冬小麥孕穗期后或夏大豆出苗后的時(shí)間(d);k表示冬小麥或夏大豆單株干物質(zhì)理論最大積累量(g·株-1);a、b為待定系數(shù)。干物質(zhì)積累最大生長速率的出現(xiàn)時(shí)間Tm=a/b;干物質(zhì)積累持續(xù)時(shí)間Tg=(a+4.59512)/b[20];干物質(zhì)積累平均速率Va=k/Tg;干物質(zhì)積累最大相對(duì)生長速率Vm=bk/4;干物質(zhì)積累最快生長時(shí)段的起始時(shí)間t1=(a-1.317)/b,最快生長時(shí)段的終止時(shí)間t2=(a+1.317)/b;干物質(zhì)積累快增期持續(xù)時(shí)間T2=t2-t1;干物質(zhì)快速積累生長特征值(GT)指干物質(zhì)(或養(yǎng)分)積累已達(dá)到最大積累量的65%以上,GT=Vm×T2。

1.3.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的測(cè)定在冬小麥和夏大豆完全成熟后,分別于各小區(qū)選取具有代表性的 3個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行實(shí)收計(jì)產(chǎn),每個(gè)樣點(diǎn)的面積:冬小麥為1.2 m2(2 m×0.6 m),夏大豆為2.4 m2(2 m×1.2 m)。

1.3.4 植株全氮含量測(cè)定和氮素相關(guān)計(jì)算公式分別將冬小麥和夏大豆成熟期的干物質(zhì)樣品粉碎,粉碎后采取濃硫酸消煮-半微量凱氏定氮法測(cè)定植株的含氮量。

氮素吸收效率(NAE)=成熟期地上部植株氮素積累量/供氮量,

氮素轉(zhuǎn)化效率(NTE)=籽粒產(chǎn)量/成熟期地上部植株氮素積累總量,

氮素收獲指數(shù)(NHI)=成熟期籽粒氮素吸收量/成熟期地上部植株氮素吸收總量×100,

氮素利用效率(NUE)=氮素吸收效率(NAE)×氮素轉(zhuǎn)化效率(NTE),

100 kg籽粒需氮量(100 kg GNR)=成熟期地上部植株氮素積累總量/籽粒產(chǎn)量×100。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010軟件作圖,用SPSS 19.0軟件通過單因素ANOVA方差分析,LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 周年土壤耕作組合對(duì)冬小麥-夏大豆干物質(zhì)積累特性的影響

由表1可知:秋季采取深松和翻耕的冬小麥干物質(zhì)積累平均速率(Va)、最大相對(duì)生長速率(Vm)和干物質(zhì)快速積累生長特征值(GT)均無顯著差異,但深松處理的冬小麥單株干物質(zhì)理論最大積累量(k)和干物質(zhì)積累的持續(xù)總時(shí)間(Tg)比翻耕處理的分別高9.26%和延長2.20 d,且顯著差異。說明深松能夠通過延長干物質(zhì)積累總時(shí)間來促進(jìn)冬小麥干物質(zhì)的積累。

表1 周年不同土壤耕作組合對(duì)冬小麥-夏大豆單株干物質(zhì)積累的Logistic模擬及其特征值Table 1 Logistic simulation and characteristic value of dry matter accumulation per plant of winter wheat and summer soybean under different soil tillage combinations

周年土壤耕作組合對(duì)夏大豆干物質(zhì)積累模擬特征值的影響2年試驗(yàn)結(jié)果基本一致(表1)。不同年份間當(dāng)夏季采取同一耕作措施時(shí),STF與TTF處理的夏大豆單株干物質(zhì)理論最大積累量(k)及各項(xiàng)特征參數(shù)無顯著差異,ST1與TT1處理的、SN與TN處理的最大生長速率的出現(xiàn)時(shí)間(Tm)無顯著差異,其余各項(xiàng)特征參數(shù)均存在顯著差異,其中ST1處理的2年夏大豆單株干物質(zhì)理論最大積累量平均值比TT1處理的高15.78%,SN處理的比TN處理的高19.40%。當(dāng)不同年份間秋季采取同一耕作措施時(shí),夏大豆2年單株干物質(zhì)積累量及各項(xiàng)特征參數(shù)平均值均以TF處理的最高,TF處理比T1和N處理干物質(zhì)積累總持續(xù)時(shí)間延長5.27和11.65 d(P<0.05)。

2.2 周年土壤耕作組合對(duì)冬小麥-夏大豆植株氮素積累及分配的影響

如表2所示:不同年份間冬小麥在成熟期籽粒和植株氮素積累量均以S處理最高,其2年平均值分別比T處理的高22.59%和23.19%(P<0.05)。不同年份間冬小麥不同器官氮素積累量也均以S處理最高,各器官氮素分配比例由大到小依次為籽粒、莖、鞘、葉、穗。

表2 不同耕作措施對(duì)冬小麥成熟期氮素積累及分配的影響Table 2 Effects of different tillage measures on nitrogen accumulation and distribution of winter wheat at maturity

從表3可見:夏季采取同一耕作措施,ST1處理的夏大豆2年籽粒和植株氮素積累量分別比TT1處理的高18.97%和21.06%(P<0.05),SN處理的比TN處理的分別高28.70%和32.81%(P<0.05),而STF與TTF處理間無顯著差異。說明秋季深松比翻耕對(duì)夏季翻耕和免耕處理的夏大豆籽粒和植株氮素積累的后效作用更為顯著,但對(duì)夏季翻耕覆膜處理的夏大豆籽粒和植株氮素積累無影響。當(dāng)秋季采取同一耕作措施時(shí),不同年份間夏大豆各處理籽粒和植株氮素積累量均以TF處理最高,并與其他2個(gè)處理呈顯著差異。不同組合處理間夏大豆植株各器官氮素分配比例由大到小依次為籽粒、莢皮、葉、莖、葉柄;植株各器官氮素積累量均以STF與TTF處理最高,并顯著高于其他4個(gè)組合處理(P<0.05)。說明夏季翻耕覆膜能夠有效提升夏大豆各器官氮素的積累,進(jìn)而增加夏大豆籽粒和植株的氮素積累量。

表3 周年不同土壤耕作組合對(duì)夏大豆成熟期氮素積累及分配的影響Table 3 Effects of different annual soil tillage combinations on nitrogen accumulation and distribution in summer soybean at maturity

2.3 周年土壤耕作組合對(duì)冬小麥-夏大豆產(chǎn)量及氮素利用的影響

氮素吸收效率和氮素轉(zhuǎn)化效率是氮素利用效率的重要組成部分,兩者的乘積即為氮素利用效率[21]。由表4可知:冬小麥產(chǎn)量、氮素吸收效率、氮素利用效率和100 kg籽粒需氮量2年平均值均以S處理最高,分別比T處理高9.58%、20.00%、9.57%和10.41%(P<0.05)。說明深松能提高冬小麥產(chǎn)量和氮素吸收、利用效率。

表4 不同耕作措施對(duì)冬小麥產(chǎn)量及氮素利用的影響Table 4 Effects of different tillage measures on yield and nitrogen utilization of winter wheat

周年土壤耕作組合對(duì)夏大豆產(chǎn)量、氮素吸收效率和氮素利用效率均有極顯著影響(表5)。當(dāng)夏季采取同一耕作措施時(shí),不同年份間除STF與TTF處理的夏大豆產(chǎn)量、氮素吸收效率和氮素利用效率無顯著差異外,ST1處理的夏大豆產(chǎn)量、氮素吸收效率和氮素利用效率2年平均值相比TT1處理的分別高出 17.54%、18.41%和17.55%,SN處理比TN處理分別高24.67%、32.84%和24.69%,且均差異顯著。說明秋季深松相比翻耕對(duì)夏季翻耕和免耕處理的夏大豆氮素吸收、利用效率以及產(chǎn)量的后效作用更為顯著。當(dāng)秋季采取同一耕作措施時(shí),不同年份間夏大豆各處理產(chǎn)量、氮素吸收效率、氮素利用效率2年平均值均以TF處理最高,分別比T1和N處理高24.80%、37.87%、24.80%和44.81%、62.27%、44.81%,且均差異顯著;但TF處理的氮素轉(zhuǎn)化效率與氮素收獲指數(shù)顯著降低,這可能是翻耕覆膜顯著增加了植株各器官氮素積累量,從而降低了氮素轉(zhuǎn)化效率和收獲指數(shù)。

表5 周年不同土壤耕作組合對(duì)夏大豆產(chǎn)量及氮素利用的影響Table 5 Effects of different annual soil tillage combinations on yield and nitrogen use efficiency of summer soybean

3 討論

在小麥-玉米輪作體系中,前茬采用深松(耕)耕作措施能夠通過影響其前茬及后茬作物生長發(fā)育來實(shí)現(xiàn)周年增產(chǎn)[22-24]。本研究結(jié)果表明,秋季深松比翻耕能使冬小麥保持較高的干物質(zhì)積累量及特征參數(shù)、產(chǎn)量和植株氮素吸收、利用效率,有效促進(jìn)夏季翻耕和免耕處理下的夏大豆干物質(zhì)積累和植株氮素吸收、利用效率以及產(chǎn)量,這與前人研究結(jié)果相似。深松雖然能打破犁地底層,增厚土層的同時(shí)起到蓄水作用[25-26],進(jìn)而為后茬植株根系生長繼續(xù)提供良好的土壤環(huán)境[27];但夏季翻耕基礎(chǔ)上覆膜具有顯著的增溫保墑功能,且膜下滴灌水能直接作用于根部[28],為作物提供更有利的生長環(huán)境,有可能減小秋季耕作的后效作用。本研究中,當(dāng)秋季采取同一耕作措施時(shí),夏大豆干物質(zhì)積累量及各項(xiàng)參數(shù)、產(chǎn)量和氮素吸收、利用效率均以翻耕覆膜處理最高,這與已有研究結(jié)果[29-30]相似,進(jìn)一步表明翻耕后覆膜能通過地膜的增溫保墑功能提升植株干物質(zhì)積累和氮素吸收、利用效率。

綜上所述,秋季深松對(duì)冬小麥-夏大豆周年作物氮素吸收、利用效率和產(chǎn)量的影響優(yōu)于翻耕。綜合考慮深松作業(yè)的周期性與高耗能性,若秋季采取翻耕,夏季可采取翻耕覆膜土壤耕作措施,這樣既可以獲得較高的植株氮素吸收、利用效率以及干物質(zhì)積累與產(chǎn)量,也可以減少作業(yè)成本和能源消耗。