減氮覆膜對黃土旱塬小麥產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收利用的影響

劉凱 ，謝英荷 ，2?，李廷亮 ，2，馬紅梅 ，2，張奇茹 ，姜麗偉 ，曹靜 ，邵靖琳

1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷 030801；2山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山西太谷 030801

0 引言

【研究意義】小麥?zhǔn)俏覈饕募Z食作物，黃土高原地區(qū)是我國重要的小麥種植區(qū)，種植面積達(dá) 270萬公頃，占全國小麥種植面積的 10%以上[1]。在黃土高原旱地區(qū)，土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量較低，有機(jī)質(zhì)含量僅為1.1%，超過一半土壤的有機(jī)質(zhì)含量低于1%[2]，嚴(yán)重限制了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展。盲目施用化學(xué)肥料成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增產(chǎn)增收的重要手段，尤其是氮肥的施用量已遠(yuǎn)超作物需求量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國在2015年的化學(xué)氮肥消費(fèi)量為 3.10×107t，占全球總消費(fèi)量的 28.5%，較1978年增加3.15倍[3]。大量施用氮肥在增加作物產(chǎn)量的同時也增加了農(nóng)民的投入，還造成了土壤氮素的殘留與淋溶、氨揮發(fā)、氧化亞氮排放、水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題。因此，在維持小麥產(chǎn)量穩(wěn)定的前提下，探尋科學(xué)的減氮施肥方法和種植模式成為當(dāng)前急需解決的問題。【前人研究進(jìn)展】劉艷妮等[4]研究表明在黃土高原旱地小麥3年試驗(yàn)中，當(dāng)施氮量達(dá)150 kg·hm-2時，繼續(xù)增加氮肥的施用量對小麥產(chǎn)量沒有顯著的提升作用，當(dāng)施氮量超過225 kg·hm-2時，繼續(xù)增加施氮量反而會減少小麥產(chǎn)量，建議在該地區(qū)豐水年、欠水年和平水年推薦施氮量分別為 170、99、150 kg·hm-2。易瓊等[5]研究表明，在農(nóng)戶施肥基礎(chǔ)上減少氮肥施用量20%—30%后，農(nóng)作物產(chǎn)量并沒有降低，氮肥當(dāng)季利用率、氮素農(nóng)學(xué)利用率以及氮素偏因子生產(chǎn)力則有所增加，且氮肥分次追施，能增加作物產(chǎn)量，節(jié)約成本。雒文鶴等[6]在關(guān)中平原地區(qū)研究表明，當(dāng)減量施氮50%即施氮150 kg·hm-2時，可在獲得較高籽粒產(chǎn)量的同時提高氮肥的利用效率，并使土壤中硝態(tài)氮含量和硝態(tài)氮淋失量處于相對較低水平。常鳳等[7]在傳統(tǒng)施肥模式下減氮 20%，氮肥的利用效率提高9.22%—13.64%，氮肥利用效率增加1.44—2.29 kg·kg-1，產(chǎn)量增加6.6%。李銀坤等[8]在傳統(tǒng)施肥模式的基礎(chǔ)上減氮1/3，不僅沒有顯著影響到作物的產(chǎn)量和生物量，而且使0—180 cm土層的硝態(tài)氮?dú)埩袅吭谙挠衩缀投←溂痉謩e降低18.1%—66.7%和37.3%—87.2%。李強(qiáng)等[9]在黃土高原 6年試驗(yàn)研究表明，減少氮肥施用量結(jié)合地膜覆蓋可使小麥產(chǎn)量、氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥生理利用率分別提高38.6%、49.6%和 35.1%?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】對于減氮措施已有不少的研究，但前人的研究大多集中于不同氮肥施用量或在傳統(tǒng)施肥基礎(chǔ)上定量減施對作物生長、產(chǎn)量和水肥利用效率等方面的影響，并未考慮氮、磷、鉀肥的協(xié)同平衡科學(xué)施用和每年土壤中硝態(tài)氮?dú)埩舻膯栴}?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究在黃土旱塬冬小麥種植區(qū)進(jìn)行了連續(xù)7年的田間定位試驗(yàn)，研究了采用減氮定量監(jiān)控施肥技術(shù)以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行覆膜種植后小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成、冬小麥對氮磷鉀肥吸收利用效率和0—2 m土層氮素累積變化狀況，以期為黃土旱塬冬小麥減氮增效的持續(xù)安全生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于山西洪洞縣劉家垣鎮(zhèn)東梁村（36°22′N，111°35′E，海拔648 m），為長期定位試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，年均溫12.6℃，年平均日照時數(shù)2 419 h，≥10℃活動積溫3 327℃，無霜期 180—210 d，年均降雨量約500 mm，約70%集中在6—9月。供試土壤為石灰性褐土，土壤質(zhì)地為中壤土，2012年播前耕層土壤pH為7.9，有機(jī)質(zhì)為14.6 g·kg-1，全氮為0.8 g·kg-1，硝態(tài)氮為 10.4 mg·kg-1，速效磷為 10.4 mg·kg-1，速效鉀為 208.2 mg·kg-1。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)始于2012年9月，2019年6月結(jié)束，設(shè)置3個處理。

處理1為農(nóng)戶施肥種植模式（農(nóng)戶模式FP），常規(guī)平作，不覆膜，行距20 cm，施肥量為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣的施肥量，具體為 N：150 kg·hm-2，P2O5：60 kg·hm-2。

處理2為減氮定量監(jiān)控施肥（減氮處理MF），耕作方式同農(nóng)戶模式，施肥采用“0—100 cm土層硝態(tài)氮監(jiān)控施肥，0—40 cm土層磷鉀恒量施肥”技術(shù)[10]，其中施氮量（以純N計(jì)）=作物目標(biāo)產(chǎn)量需氮量-播前0—100 cm土層硝態(tài)氮累積量+播前0—100 cm 土層硝態(tài)氮安全閾值（110.0 kg·hm-2），目標(biāo)產(chǎn)量是依據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶前3年的平均產(chǎn)量數(shù)據(jù)，同時結(jié)合當(dāng)年夏閑期實(shí)際降雨量進(jìn)行確定；施磷（鉀）量=作物目標(biāo)產(chǎn)量需磷（鉀）量×施磷（鉀）系數(shù)；施磷（鉀）系數(shù)依據(jù)0—40 cm土層速效磷鉀量確定。

處理 3為減氮定量監(jiān)控施肥+壟膜溝播（減氮覆膜 RFSF），在減氮測控施肥的基礎(chǔ)上，壟上覆膜，溝內(nèi)播種，壟寬35 cm，溝寬30 cm。

每個處理均設(shè)置對照處理（CK），每個處理4次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)面積為360 m2，所有種植方式為播前淺旋耕，深度12—15 cm。試驗(yàn)中施用的氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O511%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%），均作底肥均勻施入土壤，翻入耕層后耙平。冬小麥品種為晉麥47號，播種量為150 kg·hm-2，播種時間為每年10月初，收獲時間為次年6月初，6—9月為夏閑期，冬小麥在整個生育期不灌溉。具體施肥量見表2。

表2 試驗(yàn)各處理養(yǎng)分用量Table 2 The application rate of nutrients under different treatments（N-P2O5-K2O, kg·hm-2）

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集 分別于2012—2019年冬小麥播種前和收獲后，以20 cm為一層，每小區(qū)進(jìn)行多點(diǎn)采樣，采集0—2 m土層土樣用于測定土壤硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀含量；在開花期采集冬小麥莖葉、莖稈和穗 3部分樣品，在收獲期采集冬小麥籽粒、莖葉、莖稈和穎殼+麥軸 4部分樣品，測定各器官的氮磷鉀含量；在小區(qū)內(nèi)選取3個長為1 m的小麥樣段，調(diào)查穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重，收獲期在各小區(qū)中央選取3 m×20 m樣方，收獲后脫粒機(jī)產(chǎn)。

1.3.2 測定項(xiàng)目與方法 土壤硝態(tài)氮采用 CaCl2浸提，流動分析儀測定。土壤有效磷采用NaHCO3浸提，鉬藍(lán)比色法測定。土壤速效鉀采用NH4OAc浸提，火焰光度法測定。

1.4 計(jì)算公式

（1）籽粒收獲指數(shù)=籽粒產(chǎn)量/地上部分生物量×100；

（2）植株各器官氮（磷、鉀）素積累量（kg·hm-2）=干物質(zhì)質(zhì)量（kg·hm-2）×氮（磷、鉀）素含量（g·kg-1）/103；

（3）N（P、K）肥表觀回收率=[施N（P、K）肥后作物收獲時地上部N（P、K）吸收總量-未施N（P、K）肥作物收獲期地上部分的 N（P、K）吸收總量]/化學(xué)純N（P、K）的施入量；

（4）N（P、K）偏生產(chǎn)力（kg·kg-1）=施 N（P、K）肥后所獲得的作物產(chǎn)量（kg·hm-2）/化肥N（P、K）的施入量（kg·hm-2）；

（5）花前營養(yǎng)器官氮（磷）素轉(zhuǎn)移量（kg·hm-2）=花期地上部氮素積累量（kg·hm-2）-成熟期地上部營養(yǎng)器官氮素積累量（kg·hm-2）；

（6）花后土壤氮（磷）素吸收量（kg·hm-2）=籽粒氮素積累量（kg·hm-2）-花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量（kg·hm-2）；

（7）氮（磷）素轉(zhuǎn)移貢獻(xiàn)率（%）=花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量（kg·hm-2）/籽粒氮素積累量（kg·hm-2）×100；

（8）氮（磷）素吸收貢獻(xiàn)率（%）=花后土壤氮素吸收量（kg·hm-2）/籽粒氮素積累量（kg·hm-2）×100；

（9）土壤硝態(tài)氮累積量（kg·hm-2）=土層厚度（cm）×土壤容重（g·cm-3）×土壤硝態(tài)氮含量（g·kg-1）/10。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用 Microsoft Excel 2016 整理作圖，并用 SPSS19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用 LSD 法檢驗(yàn)P<0.05水平上的差異性。

2 結(jié)果

2.1 減氮覆膜對小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

不同處理的冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成分析結(jié)果如表3所示。由表3看出，冬小麥籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量農(nóng)戶模式分別為 1 967—4 499和 3 908—10 482 kg·hm-2，均值為3 095和7 118 kg·hm-2，減氮處理為2 010—4 614 和 3 656—10 222 kg·hm-2，均值為 3 138 和 7 348 kg·hm-2，說明在黃土旱塬冬小麥種植區(qū)通過減氮定量監(jiān)控施肥技術(shù)在減氮 33.5%的情況下可保證冬小麥產(chǎn)量穩(wěn)定。在減氮處理基礎(chǔ)上進(jìn)行覆膜種植后，小麥籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量較相同施肥量的不覆膜處理分別提高 24.3%和 25.5%，較農(nóng)戶模式分別提高 26.0%和29.5%，差異均呈顯著水平。

表3 2012—2019年不同種植模式下冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成Table 3 Yield and yield composition of winter wheat under different planting modes from 2012 to 2019

表3也可以看出，7年試驗(yàn)中各處理的增產(chǎn)效應(yīng)因降雨年型而不同，在降雨量較高的2013—2014年和2014—2015年，減氮處理較農(nóng)戶增產(chǎn)6.4%和6.1%，減氮覆膜較農(nóng)戶顯著增產(chǎn) 24.1%和 16.1%，較相同施肥量的不覆蓋處理也顯著增產(chǎn)16.7%和9.5%；在降雨量較少的2015—2016年和2018—2019年，減氮處理與農(nóng)戶相比雖然差異不顯著，但產(chǎn)量卻減少了3.1%和7.4%，而減氮覆膜處理較農(nóng)戶增產(chǎn)30.9%和24.6%，較相同施肥量的不覆蓋處理增產(chǎn) 35.1%和 34.5%，且差異均達(dá)到了顯著水平，覆膜處理的增產(chǎn)幅度明顯高于降雨量較高的2013—2015年，說明減氮處理在降雨量較高年份不會造成減產(chǎn)，但在降雨量較少的年份有一定的減產(chǎn)趨勢，而地膜覆蓋處理則在降雨少的干旱年份增產(chǎn)效應(yīng)更為顯著。

由表3也可以看出，公頃穗數(shù)減氮覆膜處理各年份均顯著高于相同施肥量的不覆膜處理和農(nóng)戶模式，分別提高 22.4%和 25.5%，但減氮處理和農(nóng)戶模式間無顯著差異。千粒重等其他指標(biāo)各處理間均無顯著差異，說明公頃穗數(shù)是決定小麥產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素。

2.2 減氮覆膜對小麥氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收及利用效率的影響

不同處理對冬小麥氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收及利用效率的影響分析結(jié)果如表4所示。由表4看出，籽粒的氮、磷、鉀素吸收量總體表現(xiàn)為減氮覆膜>減氮處理>農(nóng)戶模式，與對應(yīng)的籽粒產(chǎn)量有一致的變化規(guī)律。減氮處理較農(nóng)戶模式可提高籽粒氮素吸收量8.9%，而二者的磷素和鉀素吸收量無顯著差異；減氮覆膜可顯著提高小麥籽粒的氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量，較相同施肥量的不覆膜處理分別提高20.9%、35.0%和33.1%。

表4 2012—2019年不同種植模式下氮磷鉀吸收利用效率Table 4 Absorption and utilization efficiency of NPK under different planting modes from 2012 to 2019

秸稈的磷、鉀素吸收量減氮處理與農(nóng)戶模式間無顯著差異，而減氮處理的秸稈鉀素吸收量較農(nóng)戶模式顯著提高26.1%；減氮覆膜可顯著提高小麥秸稈的氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收量，較相同施肥量的不覆膜處理分別提高22.7%、15.6%和6.7%。

氮、磷素的表觀回收率總體表現(xiàn)為減氮覆膜>減氮處理>農(nóng)戶模式，減氮處理較農(nóng)戶模式氮、磷素的表觀回收率分別顯著提高 7.6%和 2.7%；減氮覆膜的氮、磷、鉀素的表觀回收率較相同施肥量的不覆膜處理顯著提高3.7%、2.7%和4.8%。

由于農(nóng)戶模式較高的氮肥施用量，氮肥偏生產(chǎn)力比減氮處理降低了 35.5%；地膜覆蓋可顯著提升氮、磷、鉀肥的偏生產(chǎn)力，減氮覆膜較相同施肥量的不覆膜處理分別顯著提高22.8%、22.8%和22.0%。

2.3 減氮覆膜對小麥氮素、磷素轉(zhuǎn)移吸收的影響

不同處理的冬小麥氮素、磷素轉(zhuǎn)移吸收分析結(jié)果如表5所示。由表5可見，小麥花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量農(nóng)戶模式為 27.4—65.6 kg·hm-2，平均為 43.4 kg·hm-2，占總吸收量的 74.7%，減氮處理的花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量較農(nóng)戶模式顯著提高 24.2%，轉(zhuǎn)移貢獻(xiàn)率顯著增加4.5%，減氮覆膜的花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量較相同施肥量的不覆膜處理和農(nóng)戶模式分別提高25.4%和55.8%，占總吸氮量的比重分別顯著提高4.5%和9.0%，說明減氮處理和地膜覆蓋均可以促進(jìn)氮素花前營養(yǎng)器官的轉(zhuǎn)移量；花后氮素土壤吸收量3個處理之間無顯著差異。

表5 2012—2019年不同種植模式下氮磷素轉(zhuǎn)移特征Table 5 Nitrogen and phosphorus transfer characteristics under different planting modes from 2012 to 2019

花前營養(yǎng)器官磷素轉(zhuǎn)移量減氮覆膜較相同施肥量的不覆膜處理和農(nóng)戶模式顯著提高 57.5%和 47.3%，說明地膜覆蓋可促進(jìn)小麥花前營養(yǎng)器官磷素轉(zhuǎn)移量；花后磷素土壤吸收量減氮處理和減氮覆膜較農(nóng)戶模式顯著提高20%和36%，說明減氮處理可促進(jìn)小麥花后土壤磷素吸收量。

2.4 減氮覆膜對黃土旱塬麥田土壤肥力的影響

表 6為 2012年播前與 2018年播前各處理表層（0—20 cm）土壤養(yǎng)分含量狀況。由表可以看出，經(jīng)過7年試驗(yàn)，土壤有機(jī)質(zhì)含量各處理較2012年播前均無顯著差異。硝態(tài)氮含量減氮處理與減氮覆膜處理較2012年播前顯著降低46.2%和50.0%，較農(nóng)戶模式顯著降低了 50.9%和 54.4%，而農(nóng)戶模式與試驗(yàn)初期無顯著差異。有效磷含量減氮處理與減氮覆膜較 2012年播前顯著提高 124.0%和 102.9%，農(nóng)戶模式與試驗(yàn)初期差異不顯著。速效鉀含量減氮處理及減氮覆膜較2012年播前顯著提高23.1%和24.1%，而農(nóng)戶模式與試驗(yàn)初期無顯著差異。

2.5 減氮覆膜對小麥?zhǔn)斋@期0—2 m土層硝態(tài)氮?dú)埩袅康挠绊?/h3>

圖 1為 2012年播前和 2019年收獲時期各處理0—2 m土層硝態(tài)氮?dú)埩舴植紙D。由圖可知，2012年播前0—2 m土層的硝態(tài)氮總殘留量為146.5 kg·hm-2，0—1 m土層的殘留量為101.5 kg·hm-2，占總殘留量的69.3%，峰值出現(xiàn)于40—60 cm土層。經(jīng)過連續(xù)7年試驗(yàn)后，各處理0—2 m土層硝態(tài)氮?dú)埩袅枯^2012年都有所增加，增加幅度為34.1%—172.8%，而農(nóng)戶模式增幅最大，農(nóng)戶模式0—2 m土層硝態(tài)氮?dú)埩袅繛?99.7 kg·hm-2，較2012年播前增加了172.8%，0—1 m土層的殘留量為236.0 kg·hm-2，占總殘留量的59.0%。減氮處理 0—2 m土層硝態(tài)氮總殘留量為 262.2 kg·hm-2，較農(nóng)戶模式降低了34.4%，0—1 m土層的殘留量為163.9 kg·hm-2，占總殘留量的62.5%。減氮覆膜0—2 m土層硝態(tài)氮總殘留量為196.4 kg·hm-2，較相同施肥量的不覆膜處理降低了 25.1%，較農(nóng)戶模式降低了50.9%，0—1 m土層的殘留量為100.8 kg·hm-2，占總殘留量的 51.3%。說明減氮處理較農(nóng)戶模式可顯著降低0—2 m土層硝態(tài)氮總殘留量，而在減氮處理基礎(chǔ)上進(jìn)行覆膜后效果更顯著。

3 討論

3.1 減氮覆膜的冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

合理的氮肥施用量有利于冬小麥提高植株高度，增加莖葉基寬和群體分蘗數(shù)，促進(jìn)莖葉中干物質(zhì)的積累，進(jìn)而增加冬小麥產(chǎn)量，但過量的施用氮肥會降低小麥有效成蘗率，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低[11]。周蘇玫等[12]研究表明，在適墑條件下，在傳統(tǒng)施肥基礎(chǔ)上減少氮肥施用量27.8%，可充分發(fā)揮旗葉功能期的光合潛力，從而增加小麥穗粒數(shù)和千粒重，進(jìn)而提高小麥產(chǎn)量。雷炳樺等[13]在陜西咸陽5年試驗(yàn)研究中表明，農(nóng)戶模式與農(nóng)戶減氮模式對冬小麥的干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量無顯著影響，其他研究也有類似發(fā)現(xiàn)[14-15]。本研究通過7年試驗(yàn)表明，在黃土旱塬小麥種植區(qū)，在氮肥減施33.5%的情況下，適量增施了磷鉀肥，由于養(yǎng)分的協(xié)同效應(yīng)，致使產(chǎn)量與農(nóng)戶處理間并未造成顯著差異。

本研究也發(fā)現(xiàn)旱地小麥種植區(qū)降雨量依舊是決定產(chǎn)量的主要因素，降雨量的年際變化是引起小麥產(chǎn)量波動的主要原因，小麥產(chǎn)量在降雨量較多年份（2013—2014年和2016—2017年）是降雨量較少年份（2012—2013年和2018—2019年）的2.8—3.1倍。同時各處理的增產(chǎn)效應(yīng)因降雨年型而不同，相較于傳統(tǒng)農(nóng)戶施肥模式，減氮處理在降雨量較高年份也具有一定的增產(chǎn)效應(yīng)，主要因?yàn)闇p氮處理較農(nóng)戶模式在減少氮肥施用量的同時增加了磷鉀肥的施用量，充足的水分條件將有效提高施入磷鉀肥的有效性，從而增加小麥的根表面積和根系生物量，增強(qiáng)對土壤水分和養(yǎng)分的吸收利用效率[16]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小麥產(chǎn)量增加。

地膜覆蓋能減少水分蒸發(fā)，增加耕層含水量，同時由于毛管作用增加了對土壤深層水的利用，促進(jìn)冬小麥對養(yǎng)分的吸收利用，從而增加冬小麥的籽粒產(chǎn)量[17-18]。馬小龍等[19]對黃土高原旱地小麥種植區(qū)的180個農(nóng)戶調(diào)查表明，覆膜栽培可較傳統(tǒng)不覆膜提高冬小麥產(chǎn)量9.4%。高艷梅等[20]研究表明，地膜覆蓋的增產(chǎn)效果隨著降雨量減少有所增加，在豐水年小麥增產(chǎn)為11%，而在欠水年增產(chǎn)可達(dá)36%。本研究表明，在減氮處理基礎(chǔ)上進(jìn)行覆膜種植后，7年平均籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量分別顯著提高 24.3%和 25.5%，不同降雨年型對地膜覆蓋的增產(chǎn)作用影響較大，在降雨量較多的2013—2014年、2014—2015年和2016—2017年，地膜覆蓋的平均增產(chǎn)率為 19.1%，而在降雨量較少的2012—2013年、2015—2016年和2018—2019年，地膜覆蓋的平均增產(chǎn)率為 34.1%，因此在黃土旱塬小麥種植區(qū)，降雨量少的干旱年份地膜覆蓋的增產(chǎn)效果更加顯著，這與前人研究結(jié)果相一致。

3.2 減氮覆膜的黃土旱塬小麥氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收及利用效率

合理施肥將有利于冬小麥對氮素的吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)，從而促進(jìn)小麥產(chǎn)量形成。易瓊等[5]研究表明，在傳統(tǒng)習(xí)慣施肥基礎(chǔ)上減氮20%—30%，在保證小麥產(chǎn)量的同時不會降低籽粒對氮素的吸收利用。本研究表明，減氮處理較農(nóng)戶模式在總施氮量減少 33.5%、平衡施用磷鉀肥的情況下，可提高籽粒氮素吸收量8.9%，小麥植株氮素的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)與土壤水分有直接關(guān)系，地膜覆蓋良好的保水性能可提高小麥生育期氮素的吸收累積量，同時顯著提高植株氮素向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)量。任愛霞等[21]在山西省聞喜縣通過 3年田間試驗(yàn)研究表明，地膜覆蓋可使小麥籽粒氮素積累量顯著提高19—31 kg·hm-2，提高比例為15%—50%，使小麥植株氮素積累量提高 1—28 kg·hm-2，提高比例為2%—49%。本研究結(jié)果表明，大多數(shù)年份地膜覆蓋使冬小麥籽粒和秸稈的吸氮量得到增加，平均值為20.9%和22.7%，與前人研究結(jié)果相似。

小麥籽粒中磷鉀含量的多少與土壤中磷鉀含量有直接關(guān)系，地表覆蓋可改變土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力和小麥對養(yǎng)分的吸收能力。屈會峰等[22]研究表明，壟膜溝播可使籽粒和秸稈吸磷量分別增加 6.7%和14.8%，覆蓋措施使秸稈吸鉀量增加27.0%—31.7%。本研究表明，減氮覆膜處理的籽粒磷、鉀吸收量和秸稈磷、鉀吸收量較不覆膜分別增加35.0%、33.1%和15.6%、6.7%，說明在相同施肥量下地膜覆蓋可顯著增加冬小麥籽粒和秸稈對磷、鉀的養(yǎng)分吸收量。

本研究表明，減氮處理的氮肥表觀回收率和偏生產(chǎn)力較農(nóng)戶模式顯著提高7.6%和55%，主要因?yàn)闇p氮處理在減少氮肥施用量的同時保證了小麥產(chǎn)量穩(wěn)定，減氮覆膜的氮、磷、鉀肥表觀回收率及其偏生產(chǎn)力較不覆膜分別提高3.7%、2.7%、4.8%和22.8%、22.8%、22.0%，這與地膜覆蓋對土壤養(yǎng)分活化、有效增加冬小麥產(chǎn)量有關(guān)。黃明等[23]在黃土高原中部連續(xù)3年旱地田間試驗(yàn)表明，壟膜溝播較不覆膜可使氮、磷、鉀肥的偏生產(chǎn)力分別提高7.1%、8.1%、6.7%，與本試驗(yàn)結(jié)果相一致。

3.3 減氮覆膜的黃土旱塬小麥氮素、磷素轉(zhuǎn)移與吸收

小麥籽粒中的氮素一部分來自營養(yǎng)器官氮素的花后再轉(zhuǎn)移，一部分來自花后土壤吸收氮素的同化。邱臨靜等[24]在黃土高原旱地小麥區(qū)研究表明，小麥籽粒中有 56.91%—81.11%的氮來自花前營養(yǎng)器官貯存氮素轉(zhuǎn)移，花后積累氮的貢獻(xiàn)率占18.89%—43.09%。李帥等[25]研究表明，通過減氮優(yōu)化施肥可促進(jìn)營養(yǎng)器官的氮素轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率可提高4.01%—6.23%。李廷亮等[26]在黃土旱地冬小麥種植區(qū)經(jīng)過4年田間試驗(yàn)研究表明，傳統(tǒng)農(nóng)戶模式籽粒中的氮含量 3/4來自于營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)移，1/4來自于花后根系的吸收，地膜覆蓋增加花前轉(zhuǎn)移貢獻(xiàn)率，為81.4%—88.8%，降低花后吸收貢獻(xiàn)率，為 11.2%—18.6%。張勉等[27]在山西聞喜連續(xù)3年旱地小麥試驗(yàn)研究表明，夏季覆蓋可改善土壤水分條件，從而提高花前營養(yǎng)器官氮素轉(zhuǎn)移量 11.7%—34.7%。本研究表明，小麥籽粒中有74.7%—83.7%的氮素來自于營養(yǎng)器官的轉(zhuǎn)移，有16.3%—25.3%氮素來自于花后根系的土壤吸收，減氮處理的營養(yǎng)器官轉(zhuǎn)移量較農(nóng)戶模式提高 24.2%，轉(zhuǎn)移貢獻(xiàn)率提高4.5%，減氮覆膜可增加小麥花前氮素吸收量 25.4%，貢獻(xiàn)率均值為 83.7%，但降低了花后的貢獻(xiàn)率，均值為16.3%。

關(guān)于花前營養(yǎng)器官磷素的轉(zhuǎn)移和花后根系對土壤磷素吸收的報道尚少。本研究表明減氮處理的花后土壤磷素吸收量較農(nóng)戶模式提高20%，這可能與減氮定量監(jiān)控施肥平衡施肥有關(guān)，合理的肥料施用促進(jìn)了冬小麥花后對磷素的吸收利用。減氮覆膜的花前營養(yǎng)器官磷素轉(zhuǎn)移量較減氮處理和農(nóng)戶模式顯著提高57.5%和 47.3%，花后磷素土壤吸收量較農(nóng)戶模式顯著提高36%，這可能與地膜覆蓋良好的保水和保溫作用有關(guān)。

3.4 減氮覆膜下黃土旱塬麥田的土壤養(yǎng)分及硝態(tài)氮?dú)埩袅?/h3>

小麥秸稈和根茬是麥田土壤有機(jī)物質(zhì)的重要來源。田慎重等[28]研究表明，秸稈還田較不還田處理可顯著提高土壤有機(jī)碳含量6.1%—32.3%，與試驗(yàn)初期相比，秸稈還田可維持土壤有機(jī)碳含量。本研究經(jīng)過7年試驗(yàn)后，各處理表層有機(jī)質(zhì)含量較2012年播前無顯著變化，這與每年小麥?zhǔn)斋@后秸稈還田有關(guān)，連年的秸稈還田有效的補(bǔ)充了土壤有機(jī)質(zhì)損耗。試驗(yàn)中，減氮處理由于減少氮肥施用量、適量增施磷鉀肥，使表層土壤硝態(tài)氮含量較2012年播前有顯著降低，而磷鉀含量卻有明顯提高。

本研究表明，農(nóng)戶模式0—2 m土層硝態(tài)氮?dú)埩袅繛?99.7 kg·hm-2，較2012年播前增加了172.8%，且主要集中在0—1 m土層中。而減氮處理在7年平均減施氮素33.5%的情況下，0—2 m土層硝態(tài)氮總殘留量為262.2 kg·hm-2，較農(nóng)戶模式降低了34.4%，說明適量減施氮肥可有效降低土壤中硝態(tài)氮的殘留量。王西娜等[29]在冬小麥播種前通過15N標(biāo)記的研究方法表明，過量施入氮肥是導(dǎo)致肥料氮大量殘留的主要原因，殘留氮素的有效性很低，只有少量可被作物逐年吸收利用，其余一部分以有機(jī)形態(tài)殘留在土壤中，另一部分發(fā)生無效損失。同時磷肥可促進(jìn)了根系的生長，增加根系長度、表面積和體積，從而增加了對深層養(yǎng)分的吸收利用，降低了土層中殘留的硝態(tài)氮含量[30]。章孜亮等[31]通過對 1 m 土層硝態(tài)氮的測定與監(jiān)控施用氮肥，收獲期1 m土層硝態(tài)氮?dú)埩袅科骄鶠?7.0 kg·hm-2，較農(nóng)戶習(xí)慣施肥降低 66.9%，與本研究結(jié)果相一致。

本試驗(yàn)中，減氮覆膜處理0—2 m土層硝態(tài)氮總殘留量為196.4 kg·hm-2，較相同施肥量的不覆膜處理降低25.1%，0—1 m土層的殘留量為100.8 kg·hm-2，占總殘留量的51.3%，這與地膜覆蓋良好的保水效果有關(guān)，在良好的水分條件下，促進(jìn)了冬小麥的生長發(fā)育和對氮素的吸收利用，從而顯著降低了土壤中的氮素殘留量。同時地膜覆蓋可增強(qiáng)土壤水分的橫向運(yùn)動，使深層土壤水分在水勢梯度的作用下不斷移至土壤表層，并參與膜下水循環(huán)，緩解硝態(tài)氮向深層淋溶[32-33]。

在本試驗(yàn)期間，各處理硝態(tài)氮?dú)埩粲须S降水向下淋移趨勢，表現(xiàn)為2012年播前1—2 m的硝態(tài)氮?dú)埩袅空伎倸埩袅康?0.7%，到2019年冬小麥?zhǔn)斋@時期各處理提高為37.5%—48.7%，這與肥料施肥量和夏閑期的降水有關(guān)。在黃土高原麥田區(qū)，農(nóng)戶長期過量施用肥料已造成土壤硝態(tài)氮在1 m土層的累積，累積量在100 kg·hm-2，具有淋失風(fēng)險[34]。戴健等[35]在陜西楊凌田間試驗(yàn)研究表明，土層中硝態(tài)氮淋失的深度和淋失量與施氮量呈顯著的拋物線關(guān)系，當(dāng)施氮量超過 160 kg·hm-2時，每增加 100 kg·hm-2的氮肥投入時，硝態(tài)氮的淋失深度和淋失量增加27 cm和80.4 kg·hm-2，平均每10 mm的降水可使硝態(tài)氮向下淋溶2—4 mm，硝態(tài)氮淋溶已不容忽視。

4 結(jié)論

連續(xù)7年試驗(yàn)，減氮處理較農(nóng)戶模式在適度減少總施氮量，平衡施用磷鉀肥的情況下，保證了冬小麥籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量的穩(wěn)定性，增加了籽粒吸氮量，提高了氮肥的表觀回收率和偏生產(chǎn)力，提高了磷肥的表觀回收率，增加花前營養(yǎng)器中養(yǎng)分的官轉(zhuǎn)移量，降低了土層中硝態(tài)氮?dú)埩袅俊?/p>

在減氮處理基礎(chǔ)上進(jìn)行覆膜種植后，提高了冬小麥的籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量和公頃穗數(shù)，增加了籽粒和秸稈的氮磷鉀吸收量，提高了氮磷鉀肥的利用效率，進(jìn)一步降低了土層中硝態(tài)氮?dú)埩袅俊?/p>

因此，在黃土旱塬冬小麥種植區(qū)通過減氮定量監(jiān)控施肥結(jié)合地膜覆蓋，可實(shí)現(xiàn)小麥增產(chǎn)、氮肥增效和降低環(huán)境風(fēng)險，可在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。