旱地冬小麥植株磷素吸收利用及產(chǎn)量對覆蓋方式的響應(yīng)

程宏波

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)一直以來在我國糧食安全中起著重要作用[1]。磷是僅次于氮素的作物生長第2 重要元素，磷肥施入雖是快速、有效增產(chǎn)，緩解土壤供磷不足的有效措施，但傳統(tǒng)種植過程中磷肥過施現(xiàn)象較為普遍[2]，且多年來磷肥用量的增長速率遠高于作物產(chǎn)量增長速率，未根據(jù)作物對磷素的需求量，盲目過施磷肥會導(dǎo)致農(nóng)田磷素大量積累，通過地表徑流進入水體，進而造成水體富養(yǎng)化，加重環(huán)境負擔[3]。

農(nóng)業(yè)覆蓋技術(shù)作為西北黃土高原旱作雨養(yǎng)農(nóng)區(qū)的重要栽培措施，具有蓄水保墑、調(diào)節(jié)低溫、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)等的作用[4-5]，一定程度上解決了小麥生育期內(nèi)水分不足、產(chǎn)量不穩(wěn)定等問題。研究表明[6]，地膜和秸稈長期覆蓋能有效增加土壤有機質(zhì)和速效養(yǎng)分含量，進而促進作物養(yǎng)分吸收和生長發(fā)育；雷炳樺等[7]和楊小敏等[8]在西北黃土區(qū)旱作小麥研究表明，地膜覆蓋和秸稈覆蓋均能促進冬小麥磷元素的積累和轉(zhuǎn)運，全年地膜全覆蓋使冬小麥籽粒磷素積累量較無覆蓋處理增加23.5%，也印證了覆蓋方式促進作物磷素積累的觀點。以往對籽粒產(chǎn)量形成的磷素需求量和生理效率的研究集中于區(qū)域間土壤肥力差異帶來的作物養(yǎng)分效益差異，而有關(guān)不同覆蓋措施對籽粒產(chǎn)量形成的磷素需求量和生理效率鮮有報道。

本試驗依托甘肅省通渭縣平襄鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作循環(huán)農(nóng)業(yè)試驗示范基地，展開不同覆蓋條件對冬小麥植株磷素吸收利用影響的研究，以期為旱作農(nóng)區(qū)推廣覆蓋栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018、2019 年在甘肅省定西市通渭縣平襄鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作循環(huán)農(nóng)業(yè)試驗示范基地（35°11′N，105°19′E）進行，該地屬溫帶半干旱氣候，作物一年一熟，近年平均年降雨量為390.7 mm，但雨水集中在每年的7—10 月，與冬小麥生育時期相錯，為西北黃土高原典型旱作雨養(yǎng)農(nóng)區(qū)。本試驗中，2018 年冬小麥生育時期內(nèi)總降水量（272.5 mm）大于2019 年（239.5 mm）（圖1）。試驗區(qū)土壤為黃綿土，0～20 cm 土層平均容重為1.25 g/cm3；土壤有機碳含量為5.52 g/kg，全氮含量為0.65 g/kg，有效磷含量為10.63 mg/kg，有效鉀含量為107.1 mg/kg，pH 值為8.5。

圖1 冬小麥生育時期有效降雨量Fig.1 Effective precipitation during winter wheat growth period

1.2 試驗材料

供試冬小麥品種為康莊974。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，覆蓋方式設(shè)3 組處理，分別為：無覆蓋完全露地種植（CK，旋耕整地，耱平后進行機械式條播，行間距17 cm）、地膜覆蓋（PM，旋耕整地，耱平后全膜覆蓋，地膜覆土1 cm，機械穴播，行間距17 cm）、玉米秸稈帶狀覆蓋（SM，設(shè)計種植帶寬70 cm，秸稈覆蓋帶寬50 cm，秋季機械條播5 行小麥于70 cm 種植帶上，行距17 cm，越冬前小麥三葉期后50 cm 覆蓋帶上進行玉米整稈覆蓋，秸稈擺放方向與小麥播種行平行，為防止秸稈壓苗，小麥邊行與秸稈間距離為5 cm，玉米秸稈覆蓋量為風(fēng)干質(zhì)量9 000 kg/hm2）。各小區(qū)面積均為180 m2（30 m×6 m），每個處理進行3 個重復(fù)。各處理小麥播種量均為225 kg/hm2。各處理所施純氮120 kg/hm2、P2O590 kg/hm2，均作為基肥在旋耕整地時一次性施入，生育時期內(nèi)不再追肥，在開花期進行1～2 次“一噴三防”作業(yè)。

1.4 測定項目及方法

冬小麥成熟期各處理按小區(qū)全部實收、單獨脫粒計產(chǎn)，現(xiàn)場稱鮮質(zhì)量，曬干后稱質(zhì)量，測定產(chǎn)量。在冬小麥收獲前3 d 采用五點取樣法，每小區(qū)隨機選5 個點取考種樣，每個點取5～10 株，將每小區(qū)的植株樣混勻，在混合樣中隨機選取20 株長勢均勻、健康的植株樣進行室內(nèi)考種，測定單株干質(zhì)量、器官干質(zhì)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 25.0 的LSD 法對數(shù)據(jù)進行顯著性差異檢驗，并用SigmaPlot 14 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素對覆蓋方式的響應(yīng)

從表1 可以看出，覆蓋栽培均可顯著提高旱地冬小麥籽粒產(chǎn)量和地上部分生物量，但是秸稈帶狀覆蓋（SM）和地膜覆蓋（PM）實現(xiàn)增產(chǎn)增效的途徑和機理不同。相較于CK，2 a 中PM 處理分別增產(chǎn)14.0%和10.7%，SM 處理分別增產(chǎn)14.0%和5.7%。分析產(chǎn)量三要素可知，覆蓋栽培下冬小麥千粒質(zhì)量與CK 相近；SM 處理較CK 提高了穗粒數(shù)，2 a 分別提高4.9%和2.7%，單位面積穗數(shù)則與CK 相近；PM 處理較CK 顯著提高了單位面積穗數(shù)，2 a 增幅分別為26.9% 和24.6%，穗粒數(shù)則分別顯著降低9.8%和14.6%。分析生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)可知，相較于CK，2 a 的SM 處理生物產(chǎn)量分別提高3.5%和7.9%，收獲指數(shù)相近；PM 處理生物產(chǎn)量分別提高15.2%和40.4%，而收獲指數(shù)分別降低0.5、10.5 百分點。

表1 覆蓋對產(chǎn)量三要素的影響Tab.1 Effects of mulching on yield and three essential factors of yield

2.2 植株磷素含量對覆蓋方式的響應(yīng)

覆蓋對植株磷元素含量的影響如圖2 所示。

圖2 覆蓋對植株磷元素含量的影響Fig.2 Effects of mulching on phosphorus content in plants

從圖2 可以看出，比較冬小麥植株器官養(yǎng)分發(fā)現(xiàn)，各器官中全磷含量從大到小均表現(xiàn)為：籽粒＞穎殼＞莖葉。分析各器官磷素積累量可知，與CK相比，PM 處理的籽粒和莖葉全磷含量在2019 年分別顯著降低12.1%和48.0%（P＜0.05），2 a 的穎殼全磷含量分別顯著降低35.5% 和58.3%（P＜0.05）；而2 a中SM處理各器官磷素含量較CK 均無顯著差異。

2.3 磷素吸收對覆蓋方式的響應(yīng)

由表2 可知，由于2 a 間小麥產(chǎn)量差異較大，2018 年植株和籽粒的磷素表觀積累量、磷肥偏生產(chǎn)力、磷肥吸收效率均顯著高于2019 年，分別提高54.9%、51.6%、55.7%及16.2 百分點；年際間磷素收獲指數(shù)差異不大。

表2 覆蓋對小麥磷素吸收的影響Tab.2 Effects of mulching on phosphorus uptake of wheat

分析處理間植株和籽粒磷素表觀積累量差異可知，2 a SM 處理與CK 間均無顯著差異；而2 a PM 處理植株磷素表觀積累量較CK 分別顯著提高8.9% 和16.4%（P＜0.05），2018 年籽粒磷素表觀積累量顯著提高11.5%（P＜0.05）。覆蓋對磷素的吸收效率和收獲指數(shù)影響較小，相較于CK，2 a PM 處理磷素收獲指數(shù)分別提高2.2、2.3 百分點，SM處理則分別降低1.0、3.8百分點；2019 年處理間磷肥吸收效率無顯著差異，PM 處理在2018 年較CK 顯著提高4.0 百分點（P＜0.05）。分析處理間磷肥偏生產(chǎn)力和磷素平衡可知，2 a 處理間磷素平衡差異均未達到顯著水平；相較于CK，2 a SM 處理磷肥偏生產(chǎn)力略有提高，但未達到顯著水平，而2 a PM 處理磷肥偏生產(chǎn)力則分別顯著提高13.9%和10.8%（P＜0.05）。

2.4 磷素生理效率對覆蓋方式的響應(yīng)

從表3 可以看出，年際間產(chǎn)量形成的磷素生理效率以及磷素需求量差異不大，2018 年處理之間差異不顯著，而2019 年P(guān)M 處理較CK 顯著降低了籽粒需磷量13.9%，相應(yīng)的，其籽粒產(chǎn)量形成的磷素生理效率較CK 顯著提高了16.9%（P＜0.05）。

表3 覆蓋對磷素生理效率的影響Tab.3 Effects of mulching on phosphorus physiological efficiency

籽粒養(yǎng)分形成的生理效率和需求量表現(xiàn)出處理間差異顯著。2018 年小麥高產(chǎn)導(dǎo)致籽粒養(yǎng)分形成的生理效率明顯高于2019 年，平均高出72.8%。與CK 相比，2 a 的PM 處理籽粒養(yǎng)分形成的生理效率均有顯著提高，2018、2019 年分別顯著提高6.5%和8.0%（P＜0.05），使2 a 籽粒養(yǎng)分形成的需磷量分別 顯著降低6.5% 和7.3%（P＜0.05）；2018 年SM 處理較CK 無顯著差異，2019 年生理效率顯著提高10.2%，相應(yīng)的需磷量顯著降低9.8%（P＜0.05）。

2.5 收獲期土壤養(yǎng)分對不同覆蓋方式的響應(yīng)

從表4 可以看出，與CK 相比，2 a 的PM 處理平均顯著降低銨態(tài)氮含量36.5%、速效磷含量35.7%（P＜0.05），略提高硝態(tài)氮含量6.1%。SM 處理較CK 降低銨態(tài)氮含量6.0%、提高速效磷含量14.0%；覆蓋對硝態(tài)氮含量的影響在不同年份差異比較大，具體表現(xiàn)為，2018 年SM 處理顯著提高硝態(tài)氮含量27.2%，2019 年則顯著降低7.2%（P＜0.05）。覆蓋對收獲期土壤養(yǎng)分含量的影響以2018 年更為突出。

表4 覆蓋對土壤養(yǎng)分含量的影響Tab.4 Effects of mulching on soil nutrient content

3 結(jié)論與討論

覆蓋技術(shù)通過改善和調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱狀況，改善作物根系土壤微生態(tài)環(huán)境活動狀態(tài)，進而可以影響土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和供應(yīng)能力[9]，直接影響作物產(chǎn)量和植株對養(yǎng)分吸收利用的能力[10-11]。結(jié)合2 a 平均數(shù)據(jù)可以看出，覆蓋栽培措施均能夠?qū)崿F(xiàn)旱地冬小麥顯著增產(chǎn)，但是各器官磷素含量存在有不同程度降低，這可能是覆蓋栽培處理小麥開花前土壤礦質(zhì)氮和速效磷含量減少，使花后養(yǎng)分供應(yīng)不足，導(dǎo)致籽粒磷素含量降低[12-13]，但是覆蓋栽培有助于小麥群體生長，使其群體磷素表觀積累量與露地平作并無顯著差異，甚至在雨水相對充足的年份，出現(xiàn)了地膜覆蓋磷素表觀積累量高于露地平作的現(xiàn)象。

為追求高產(chǎn)，傳統(tǒng)小麥栽培中肥料過量施入的現(xiàn)象較為普遍，從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡和氮素過量積累，旱地土壤中殘留的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮雖然具有很高的生物學(xué)效應(yīng)，但其具有潛在的淋溶損失傾向，如果不能及時被作物吸收利用，在地表水分徑流的作用下，很可能被淋洗入滲，造成地下水污染[14]。本試驗中玉米秸稈帶狀覆蓋下土壤銨態(tài)氮含量有效降低，地膜覆蓋降幅更為顯著，這與騰珍珍等[15]在北方玉米覆蓋研究的結(jié)果一致，而地膜覆蓋銨態(tài)氮降幅更為顯著，這與謝永春等[16]在干旱半干旱農(nóng)區(qū)春小麥和冬小麥覆蓋研究的結(jié)果一致；麥田加以秸稈覆蓋能有效提高小麥耕層土壤速效磷含量，這與李廷亮等[17]在旱地麥田研究結(jié)果一致。

磷肥施入量的增加在一定界值范圍之內(nèi)雖然能夠顯著提高作物產(chǎn)量，但是加大了地力、環(huán)境和農(nóng)戶成本負擔，且不同區(qū)域的土壤、降雨等環(huán)境因子不同，因而，小麥產(chǎn)量與需磷量也存在差異。黃倩楠等[18]通過對我國各小麥主產(chǎn)區(qū)多點農(nóng)戶調(diào)研和取樣分析得出，每100 kg 小麥籽粒形成的所需磷元素為0.4 kg，而西北旱作農(nóng)區(qū)土壤地力不足，降雨少且季節(jié)分配不均，加之惡劣氣候因素，制約小麥生長發(fā)育，需磷量也低于國內(nèi)其他主要麥區(qū)，意味著采用科學(xué)的田間管理栽培措施較盲目依賴磷肥施用能帶來更高的經(jīng)濟效應(yīng)，本試驗不同覆蓋方式均能夠有效提高籽粒產(chǎn)量和養(yǎng)分形成的磷素生理效率，降低其需磷量，促進冬小麥植株內(nèi)磷元素的積累與轉(zhuǎn)化。

在西北雨養(yǎng)旱作農(nóng)區(qū)實施地表覆蓋栽培技術(shù)，通過不同的調(diào)控機制實現(xiàn)冬小麥增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的同時，能有效提高冬小麥籽粒產(chǎn)量形成的磷素生理效率，降低對磷素的需求量，避免了冬小麥生長過程中對磷肥施用的過度依賴，緩解高施肥造成的一系列環(huán)境危害，且玉米秸稈作為西北農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要農(nóng)作物副產(chǎn)物，是兼具就地取材和緩解環(huán)境壓力作用的有機肥原物質(zhì)，適宜該地區(qū)推廣使用，減少農(nóng)戶投入成本，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益。