旱地不同覆蓋方式對冬小麥氮肥利用的影響

楊慧敏，王 濤，竇瑛霞，趙護兵，王朝輝

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100)

小麥是世界上種植最廣泛的糧食作物[1]，年產(chǎn)量6.2億t[2]，其中旱地小麥的種植面積約占75%[3]。因此，旱地小麥生產(chǎn)在確保全球糧食安全方面發(fā)揮著重要作用。黃土高原是我國典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，小麥是該區(qū)主要的糧食作物，每年種植面積達270萬hm2，約占全國小麥播種面積的10%[4]。

降水是黃土高原地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要的水分來源，該區(qū)降水量少且季節(jié)分布不均，導(dǎo)致旱地小麥生長常處于干旱脅迫狀態(tài)[5]。土壤水分通過改變小麥的生理代謝，影響植株生長發(fā)育，進而改變產(chǎn)量[6]，因此改善土壤水分對旱地小麥種植十分重要。地表覆蓋能抑制土表水分蒸發(fā)，減少土壤水分無效散失，從而有效蓄積自然降水和改善土壤水分狀況，為旱地小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量形成創(chuàng)造良好條件。西北旱地冬小麥生產(chǎn)過程中常用的覆蓋方式有全膜穴播、壟覆溝播和秸稈覆蓋[7-8]。全膜穴播主要通過阻斷水分從土壤向空氣的蒸發(fā)路徑，減少水分散失，進而增加土壤蓄水量，提高作物產(chǎn)量[9]。壟覆溝播則把地膜與壟作相結(jié)合，通過地表微壟覆膜集雨，溝內(nèi)播種，達到水分高效利用的目的[10]。秸稈覆蓋后利于降水均勻入滲，增加土壤含水量，同時秸稈覆蓋能改善土壤的理化性質(zhì)[11]。

氮素吸收利用是小麥產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)之一。地表覆蓋后土壤蓄水保墑能力增強，同時促進土壤氮素溶解和轉(zhuǎn)移，有利于小麥對氮素吸收累積[12-14]，顯著提高小麥產(chǎn)量[14]。利用15N示蹤技術(shù)可以定量研究氮素的去向問題，精準計算氮肥利用率[15]。目前，國內(nèi)外關(guān)于地表覆蓋對小麥影響的研究多集中于土壤水分、植株生長發(fā)育和產(chǎn)量等方面，在養(yǎng)分吸收利用上雖有報道，但對不同覆蓋方式下小麥吸收的氮素來源及去向缺乏定量分析。本研究在西北旱地冬小麥種植區(qū)，基于15N示蹤技術(shù)，定量分析不同覆蓋方式下冬小麥植株對土壤氮和氮肥的吸收利用特點，以期為旱地冬小麥選擇適宜的覆蓋栽培方式提供理論 依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2019年9月至2020年6月在陜西省咸陽市永壽縣(34°44′N，108°12′E，海拔998 m)進行。該地屬于大陸季風(fēng)氣候，年平均溫度 10.7 ℃，年平均降雨量495.4 mm，本試驗?zāi)昴杲涤炅?65.6 mm，主要集中在7-9月份。試驗地0～20 cm土壤中，pH值為8.0，硝態(tài)氮含量為14.5 mg·kg-1，銨態(tài)氮含量為2.7 mg·kg-1，總氮含量為0.87 g·kg-1，有效磷含量為10.7 mg·kg-1，速效鉀含量為99.9 mg·kg-1，有機質(zhì)含量為11.7 g·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

田間微區(qū)試驗共設(shè)置4個處理，分別為常規(guī)播種(NM)、壟覆溝播(RM+FS)、全膜穴播(PM)和秸稈覆蓋(SM)。常規(guī)播種即常規(guī)平作裸播；壟覆溝播：施肥旋耕后起壟覆蓋白色地膜(寬40 cm，厚0.008 mm)，壟寬35 cm，壟高6 cm，溝寬30 cm，溝內(nèi)種2行小麥；全膜穴播：播前整地后覆蓋白色地膜(寬100 cm，厚0.008 mm)，在膜上覆土1 cm，打孔播種，孔距12 cm，每穴約播15粒種子；秸稈覆蓋：常規(guī)平作裸播結(jié)束后，立即在地表以10 t·hm-2均勻覆蓋小麥秸稈。微區(qū)設(shè)置在對應(yīng)大區(qū)中，大區(qū)試驗是從2012年開始的長期定位試驗，每個處理進行4次重復(fù)，共16個微區(qū)，采用完全隨機區(qū)組排列。微區(qū)用長100 cm、寬50 cm、高30 cm的鐵皮框制成，將鐵皮框垂直嵌入地面25 cm。

小麥品種為洛旱6號，采用人工播種，播種量150 kg·hm-2，行距20 cm。在小麥生長期間，使用除草劑去除雜草。各處理播前基施15N標記的粉末狀尿素(購于上海化工研究院，豐度10%，含N 46%)和過磷酸鈣(含P2O512%)，各處理施純N 150 kg·hm-2和P2O5127.5 kg·hm-2。

1.3 樣品采集與測定

小麥收獲期在植株根莖結(jié)合處剪斷，地上部全部收獲。將其分為穗和秸稈，待風(fēng)干后將穗脫粒，并測定各部位生物量。

小麥籽粒、秸稈和穎殼烘干后粉碎，用H2SO4-H2O2消解后凱氏定氮法測定氮含量。

將籽粒、秸稈和穎殼的樣品烘干磨碎，過100目篩后，取適量樣品包裹于錫杯中通過元素分析-穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜聯(lián)用儀(SerCon Integra2)，采用高溫燃燒法測定15N豐度。

1.4 數(shù)據(jù)計算

植株各部位氮素中肥料氮的比例Ndff=(樣品的15N豐度-15N天然豐度)/(標記肥料的15N豐度-15N天然豐度)×100%

植株各部位氮素累積量=該部位全氮含量×該部位生物量/1 000

植株各部位肥料氮累積量=該部位氮素累積量×該部位Ndff

氮肥利用率=植株地上部肥料氮累積量/施氮量×100%

1.5 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)處理用Excel軟件，統(tǒng)計分析用DPS 7.05軟件，LSD法進行處理間差異顯著性分析，顯著性水平設(shè)置為α= 0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋方式對冬小麥各部位生物量的 影響

全膜穴播和秸稈覆蓋下小麥產(chǎn)量均顯著高于常規(guī)播種，壟覆溝播的產(chǎn)量與常規(guī)播種、全膜穴播和秸稈覆蓋相比差異均不顯著(表1)。與常規(guī)播種相比，壟覆溝播、全膜穴播和秸稈覆蓋分別增產(chǎn)4.9%、15.4%和12.4%。全膜穴播的小麥秸稈生物量、穎殼生物量和地上部總生物量均顯著高于常規(guī)播種和壟覆溝播，但與秸稈覆蓋差異不顯著。秸稈覆蓋的小麥秸稈生物量、穎殼生物量和地上部總生物量均顯著高于常規(guī)播種。與常規(guī)播種相比，壟覆溝播、全膜穴播和秸稈覆蓋秸稈生物量分別提高4.8%、33.5%和22.0%，穎殼生物量分別提高3.1%、18.4%和13.1%，地上部總生物量分別提高4.6%、23.9%和16.8%。

表1 不同覆蓋方式下冬小麥各部位生物量Table 1 Biomass of different winter wheat organs under different mulching methods kg·hm-2

2.2 不同覆蓋方式對冬小麥氮素吸收和分布的 影響

籽粒、秸稈和穎殼氮含量在不同覆蓋方式下差異均不顯著，但表現(xiàn)出降低的趨勢(表2)。與常規(guī)播種相比，壟覆溝播、全膜穴播和秸稈覆蓋的籽粒氮含量分別降低19.6%、8.9%和7.2%。籽粒、秸稈、穎殼氮素累積量及地上部氮素總累積量在不同覆蓋方式下差異均不顯著，且籽粒氮素累積量和地上部氮素總累積量變化趨勢一致。與常規(guī)播種相比，全膜穴播和秸稈覆蓋籽粒氮素累積量分別提高6.0%和5.6%，地上部氮素總累積量分別提高8.0%和5.5%；而壟覆溝播籽粒氮素累積量和地上部氮素總累積量分別降低13.9%和10.8%。籽粒、秸稈和穎殼氮素累積量占地上部氮素總累積量的比例在不同覆蓋方式下差異均不顯著。其中，在不同覆蓋方式下地上部累積的氮素主要集中在籽粒中，籽粒氮素的占比高達 78.6%～80.5%，秸稈氮素的占比為13.8%～16.7%，而穎殼氮素的占比最小，僅為4.2%～ 6.3%。

表2 不同覆蓋方式下冬小麥各部位氮素吸收和分布Table 2 N accumulation and distribution of different winter wheat organs under different mulching methods

2.3 不同覆蓋方式對冬小麥肥料氮吸收和分布的影響

小麥各部位氮素中肥料氮的比例在不同覆蓋方式間差異均不顯著(表3),全部集中在27.5%～36.0%。與常規(guī)播種相比，壟覆溝播、全膜穴播和秸稈覆蓋下籽粒氮素中肥料氮的比例分別提高22.5%、29.8%和16.3%。

小麥各部位中肥料氮累積量、地上部肥料氮總累積量及各部位中肥料氮占地上部肥料氮總累積量的比例在不同覆蓋方式間差異均不顯著。與常規(guī)播種相比，壟覆溝播、全膜穴播和秸稈覆蓋籽粒中肥料氮累積量分別提高4.2%、39.3%和 20.5%；秸稈中肥料氮累積量分別提高32.0%、 58.6%和24.2%；地上部肥料氮總累積量分別提高7.1%、38.8%和19.3%。在不同覆蓋方式下地上部累積的肥料氮主要集中在籽粒，籽粒、秸稈和穎殼中肥料氮占比分別為77.9%～80.7%、13.9%～17.0%和4.0%～6.3%。

小麥氮肥利用率在不同覆蓋方式間差異不顯著。與常規(guī)播種相比，壟覆溝播、全膜穴播和秸稈覆蓋下小麥氮肥利用率分別提高7.1%、38.8%和19.3%。

表3 不同覆蓋方式下冬小麥各部位對肥料氮的吸收和分布Table 3 15N-labeled fertilizer accumulation and distribution of different winter wheat organs under different mulching methods

3 討 論

3.1 不同覆蓋方式對冬小麥產(chǎn)量影響的分析

與不覆蓋相比，不同覆蓋方式可以緩解旱地小麥水分脅迫，促進小麥增產(chǎn)，其中秸稈覆蓋增產(chǎn)13%[11]，全膜覆土穴播增產(chǎn)44%，壟覆溝播增產(chǎn)4%[16]。在本研究中，地膜和秸稈覆蓋產(chǎn)量較常規(guī)播種提高4.9%～15.4%，與前人結(jié)果基本一致。這是因為地表覆蓋會影響土壤水分和土壤溫度，進而影響小麥產(chǎn)量[17-18]。本研究進一步表明，在3種覆蓋方式中，全膜穴播的增產(chǎn)效果最好，是因為全膜覆蓋后0～2 m各土層保水增溫效果更好[19]。土壤水分條件的改善可以改變小麥干物質(zhì)的形成及其在穗中分配的比例[20]，有利于增產(chǎn)；與不覆蓋相比，全膜穴播增溫作用明顯[21]，提高土壤溫度可以活化土壤養(yǎng)分，促進根系對土壤水分和養(yǎng)分的吸收[22]，進而提高作物產(chǎn)量。而壟覆溝播的增產(chǎn)幅度最小，是因為起壟覆膜所占據(jù)的無效種植面積大，導(dǎo)致增產(chǎn)不明顯。秸稈覆蓋后小麥也增產(chǎn)，可能是覆蓋秸稈后減少水分蒸發(fā)，增加雨水入滲，提高了水分含量；但耕層溫度下降，小麥生長發(fā)育受到延緩，使得小麥產(chǎn)量較全膜穴播增幅降低[23]。

地膜和秸稈覆蓋均可以提高旱地小麥產(chǎn)量，但對環(huán)境的影響不同。長期地膜覆蓋后殘膜難以撿拾，造成的白色污染問題嚴重；同時加劇土壤貧瘠現(xiàn)象，惡化土壤環(huán)境[24]，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。秸稈覆蓋則是農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的重要方式，有利于發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)[25]，適合大面積地推廣應(yīng)用。

3.2 不同覆蓋方式對冬小麥氮素吸收利用影響的分析

小麥植株各部位氮含量和氮素累積量與其干物質(zhì)量密切相關(guān)[26]。長期定位試驗表明，小麥籽粒氮含量與產(chǎn)量呈負相關(guān)，產(chǎn)量每公頃增加1 000 kg后，籽粒氮含量降低1.1 g·kg-1[27-28]。本研究結(jié)果與前人研究一致，3種覆蓋方式小麥產(chǎn)量較常規(guī)播種提高后，籽粒氮含量全部降低，這歸因于產(chǎn)量提高對籽粒氮含量的稀釋效應(yīng)[29]。在3種覆蓋方式中，秸稈覆蓋籽粒氮含量最高，一方面是因為秸稈覆蓋后秸稈腐解釋放有機氮，作為潛在氮源存在于土壤[30-31]；另一方面則是秸稈覆蓋時秸稈覆在地表，減少與土壤微生物的接觸面積，避免了爭氮現(xiàn)象[32]。全膜穴播氮素累積量最高，是因為其產(chǎn)量最高，且氮素累積量由產(chǎn)量和氮含量共同決定。壟覆溝播籽粒氮含量和氮素累積量最低，這是因為壟覆溝播后兩行小麥被壟分隔，相距45 cm，壟上氮不能被小麥根系充分吸收，導(dǎo)致近根區(qū)氮素供應(yīng)不足，小麥吸氮量減少[33]。

3.3 不同覆蓋方式對冬小麥肥料氮吸收利用影響的分析

通過15N示蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)，小麥植株氮素中 22.5%～34.6%來源于氮肥，65.3%～77.5%來源于土壤氮[34]，與本研究結(jié)果基本一致，說明在不同覆蓋方式下，土壤氮均是主要的氮素來源。有研究表明，施入氮肥后，小麥仍以吸收土壤氮為主，是因為土壤氮庫含氮量至少是施肥量的10倍以上，氮肥對土壤氮的稀釋作用有限[35]，所以在小麥生產(chǎn)過程中要注意培肥地力。不同覆蓋方式下植株氮素中肥料氮的比例不同，是因為該試驗在長期定位基礎(chǔ)上進行，不同覆蓋方式下小麥吸氮量不同，因此每季小麥收獲后土壤氮庫有差異，當再施入等量氮肥后，氮肥與土壤氮并存，氮肥代替部分土壤氮被小麥不同程度地吸收利用。全膜穴播植株氮素中肥料氮的比例最大，是因為其土壤氮庫含氮量少于其他處理的氮庫，且當季小麥生長需氮量最多，則吸收氮肥最多，氮肥利用率最高。秸稈覆蓋植株氮素中肥料氮的比例較小，是因為秸稈覆蓋后秸稈會釋放氮素到土壤中，與土壤氮和氮肥一起供小麥吸收利用[30-31]。本研究結(jié)果進一步顯示，在不同覆蓋方式下，肥料氮在各部位中分配表現(xiàn)為籽粒>秸稈>穎殼，表明氮素會優(yōu)先分配給籽粒，這與前人研究一致[12]。而關(guān)于覆蓋方式對氮素具體轉(zhuǎn)運過程的影響還有待進一步研究。氮肥利用率由小麥地上部肥料氮總累積量和施氮量共同決定，且本研究施氮量全部相同，因此氮肥利用率取決于小麥對肥料氮的吸收 情況。

4 結(jié) 論

在西北旱地種植區(qū)，與常規(guī)播種相比，全膜穴播、秸稈覆蓋和壟覆溝播均可以提高冬小麥產(chǎn)量，且全膜穴播和秸稈覆蓋增產(chǎn)顯著；施氮量相同時，3種覆蓋方式均可以提高冬小麥各部位氮素中肥料氮的比例、籽粒肥料氮累積量、地上部肥料氮累積量和氮肥利用率。綜合考慮，秸稈覆蓋不僅可以提高產(chǎn)量和氮肥利用率，而且有良好的環(huán)境效應(yīng)。因此，秸稈覆蓋可以作為一種綠色可持續(xù)發(fā)展方式，在西北旱地冬小麥種植區(qū)推廣。