減氮結合覆蓋對旱地冬小麥花后生理性狀及產量的影響

劉吉飛，趙護兵*，楊 靜，屈會峰，雷炳樺

(1.西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100； 2.陜西乾縣農業技術推廣站，陜西 乾縣 713300)

我國化肥施用過量，農作物每公頃平均化肥用量折純為328.5 kg，遠高于世界平均水平(120 kg/hm2)，是美國的2.6倍，是歐盟的2.5倍，造成農作物成本增加和環境污染，減氮提效意義重大[1]。趙護兵等[2]人在渭北旱塬的調研發現當地農戶冬小麥種植普遍存在氮肥過量施用的現狀，平均純氮用量195 kg/hm2，建議西北典型區域旱地農戶純氮投入150 kg/hm2為宜。

土壤水分供應不足、養分貧瘠是限制旱地作物生產的關鍵因素，改善土壤水分、養分狀況是提高旱地作物生產力的重要措施。地表覆蓋是調控土壤水分[3-5]、養分狀況[6-7]，提高作物產量的有效措施。在旱地，地表覆蓋可以減少土壤水分蒸發、增加植物蒸騰、改善土壤溫度、活化土壤養分，從而提高作物產量[8-10]。開花至灌漿期作為冬小麥養分累積最關鍵的時期，該期生理性狀對冬小麥產量至關重要，而有關地表覆蓋對該期生理性狀影響的研究卻很少，對于生理性狀影響因素的研究主要集中在水分[11]、小麥品種[12]、氮素水平[13]、氮素形態[14]及播種量[15]等方面。

基于渭北旱塬農戶施氮過量與地表覆蓋增產機理研究較少的現狀，本試驗設置了減氮結合不同覆蓋處理，通過大田試驗研究其對冬小麥花后旗葉葉綠素相對含量SPAD值、光合速率、硝酸還原酶(NR)活性、根系活力及產量等生理指標的影響，以期通過分析這些生理性狀的變化來為地表覆蓋的增產效應提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2012年9月至2016年6月在陜西省咸陽市永壽縣御駕宮村進行。該區位于黃土高原南部，屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候，年均氣溫10.8℃，年均降水量601.6 mm，且主要集中在7～9月份，潛在蒸發量為807.4 mm，無霜期210 d，是典型的旱作農業區。供試土壤基本理化性狀為：pH值8.18，有機質平均含量為11.7 g/kg，全氮0.87 g/kg，硝態氮14.5 mg/kg，銨態氮2.7 mg/kg，有效磷10.7 mg/kg，速效鉀99.9 mg/kg，容重1.25 g/cm3。2012～2016年播種前與收獲后土壤礦質氮累積量變化如表1所示。

表1 2012～2016年冬小麥播種前與收獲后0～20 cm土壤礦質氮累積量 (kg/hm2)

注：同列數據后不同小寫字母表示差異顯著(α=0.05)，下同；表中播種前指播種施肥前采樣。

2012～2016年降水量分別為373.1、615.5、541.9和414.2 mm，冬小麥生育期降水量分別為135.9、310.2、313.6和185.8 mm。根據Sun等[16]的降水分類方法及當地長期的降水資料(1957～2014年)，年降水量>671 mm為豐水年，年降水量<492 mm為欠水年，年降水量介于二者之間為平水年，故2012～2013和2015～2016年屬欠水年，2013～2014和2014～2015年屬平水年。

1.2 試驗設計

試驗共設6個處理，其中常規播種設置3個氮肥水平，分別為無氮對照(不施氮肥)；農戶模式(純氮用量195 kg/hm2)；農戶減氮(純氮用量150 kg/hm2)；減氮基礎上又設3種覆蓋處理，分別為壟覆溝播(播前起壟，壟上覆膜，溝內播種)；全膜穴播(播前整平覆膜，膜面覆土1 cm后穴播)；秸稈覆蓋(在傳統平作地表全年覆蓋秸稈，秸稈用量10 t/hm2)。每個處理4次重復，隨機區組排列，每小區種19行，行距20 cm，播種量150 kg/hm2(即每行38 g)，小區面積48 m2(4 m×12 m)。其中，壟覆溝播處理壟寬35 cm，壟高6 cm，溝寬30 cm，每溝兩行，行距20 cm，各行距離壟底5 cm，每小區種12行，播種量150 kg/hm2(即每行60 g)；全膜穴播處理，行距20 cm，穴距12 cm(相鄰兩穴邊距)，每小區19行，穴播量9～15粒。該試驗為4年定位試驗。

供試品種為運旱20410。氮肥(N)、磷肥(P2O5)125 kg/hm2均作為基肥施用，不追肥，不灌水，在播前一周均勻撒入相應小區并翻入耕層耙平。在各生長季進行“一噴三防”作業。供試氮肥為尿素(N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O516%)。

本文包含了2012～2016年4季的產量相關指標與2015～2016季冬小麥生育期的各生理指標，具體如下：

冬小麥于2016年5月2日進入開花期，5月8日花期結束。于5月6日9:00～11:00采用光合測定系統(Li-6400XT型)測定旗葉光合速率，之后在每小區隨機取小麥15株，在旗葉中部用葉綠素儀(SPAD-520型)測定葉綠素含量SPAD值，去極值后求平均值。

于5月8日9:00～10:00將冬小麥連根帶土采集，及時帶回實驗室，用活體法測定旗葉硝酸還原酶(NR)活性；5月10日9:00挖出0～20 cm耕層，放入便攜式冷凍保溫箱帶回實驗室，抖土法挑出根系洗凈，用TTC法測定根系活力，抖土法取到的耕層土壤置于4℃冰箱用于測定含水量及硝態氮、銨態氮。

在苗期每小區選擇7行長勢一致的植株標記，完熟時避開邊上兩行及每行兩端1 m，隨機挑選3塊1 m2的小麥收割計產。

1.3 數據處理

采用Excel 2007軟件處理，DPS 19.5軟件進行統計分析，采用LSD法進行差異顯著性檢驗，顯著水平設定為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 產量及主要農藝指標

由表2可見，4年來覆蓋處理下冬小麥產量表現比較穩定，其中農戶施氮150 kg/hm2已經基本滿足了作物生長的需求，增施氮肥對籽粒產量及收獲期生物量的貢獻較小。前3季，減氮結合覆蓋都能促進冬小麥收獲期生物量增加，增產效應雖不盡一致，但通過覆蓋處理基本實現減氮不減產的目的。其中全膜穴播增產效果最明顯，較農戶模式連續3年增產分別為175、725和1 022 kg/hm2；秸稈還田也基本保持穩產且在2012～2013的干旱年份與2014～2015的平水年份分別增產325和571.6 kg/hm2；壟覆溝播連續幾年都出現減產趨勢，但并未達到顯著水平。第4季不同覆蓋處理較農戶減氮處理減產達357.5～647.5 kg/hm2。

4年度單位面積穗數、穗粒數、千粒重的處理間變異系數依次為21.6%～28.2%、10.3%～16.0%、2.0%～4.1%，表明處理間產量差異主要由穗數差異引起，其次為穗粒數，而千粒重處理間差異較為穩定。

表2 2012～2016年冬小麥產量及農藝指標

4年相關分析表明，籽粒產量與生物產量呈極顯著正相關(相關系數為0.98～0.99)，收獲指數與籽粒產量、生物產量的相關性只有在2013～2014季達到顯著負相關(相關系數分別為-0.80與-0.91)，其他年份均不顯著。表明在渭北旱塬減氮覆蓋生長冗余較小，對干物質向籽粒的轉移影響不大。

2.2 減氮結合覆蓋對花期旗葉凈光合速率與SPAD值的影響

氮素是葉綠素的主要組成成分，葉綠素又通過光合作用合成累積干物質，因而氮素水平與葉綠素及光合作用緊密相關。葉綠素的含量明顯受氮素水平的影響，前人報道較多。

本試驗結果(表3)表明，施用氮肥使花期冬小麥旗葉SPAD值顯著高于無氮對照，但農戶模式(195 kg/hm2)與農戶減氮(150 kg/hm2)相比，雖然施氮量有所增加，但葉綠素含量基本未變，說明該地區施氮150 kg/hm2已經滿足作物生長所需，過量施氮對葉綠素影響較小。葉綠素隨生育期的進行逐步降解并進入衰老，施氮有延遲衰老的功效。在小麥開花期，不同處理小麥旗葉光合速率雖未達到顯著差異，但與旗葉SPAD值呈顯著正相關關系(圖1)。

表3 2015～2016季減氮結合覆蓋對冬小麥花期旗葉光合效率的影響

圖1 花期旗葉SPAD值與凈光合速率的相關性注：*表示顯著性達到0.05水平，下同。

2.3 減氮結合覆蓋對冬小麥花期旗葉硝酸還原酶活性、根系活力、耕層土壤硝態氮與銨態氮含量及含水量的影響

硝酸還原酶是作物氮代謝運轉的關鍵酶，其活性與氮肥施用及土壤供氮能力緊密相關。本研究結果表明，在小麥開花期，葉片硝酸還原酶活性隨施氮水平的增加而顯著提高，與耕層土壤礦質氮含量呈顯著正相關，同時也與耕層土壤硝態氮含量顯著正相關(圖2)。另外，覆蓋處理較農戶減氮使根際土壤硝態氮含量有所下降，卻使根際土壤銨態氮含量有所提升，這與覆蓋處理的保水效果緊密相關，進而提高了葉片硝酸還原酶活性，其中全膜穴播與秸稈覆蓋較農戶減氮分別提高了4.2%與5.8%，但壟覆溝播處理，由于其種植密度相對過于集中，從而導致單位面積氮素供應不足，造成葉片硝酸還原酶活性顯著低于其他處理。

圖2 花期耕層土壤氮含量與旗葉硝酸還原酶活性的相關性

根系既是作物獲取水分和無機養分的重要器官，也是多種物質合成轉化的器官，因此其活力對整個植株生長代謝有著重要作用。本試驗的研究結果(表4)表明，施用氮肥能夠顯著提高作物根系活力，同時也發現過量施氮與覆蓋都會對根系活力產生顯著的抑制作用，其中農戶模式、壟覆溝播、全膜穴播、秸稈覆蓋處理較農戶減氮處理分別降低了30.6%、38.5%、36.6%和35.2%。

表4 2015～2016季減氮結合覆蓋對硝酸還原酶活性、根系活力、耕層土壤硝態氮和銨態氮含量及含水量的影響

3 小結與討論

3.1 減氮結合不同覆蓋對冬小麥產量的影響

植物吸收的氮素有超過50%來自土壤[17]，而能夠被植物吸收的土壤氮素又以礦質氮為主[18]。本研究中，全膜穴播處理連續3季對冬小麥籽粒產量及生物量有著促進作用，但也導致播前土壤礦質氮含量逐年降低，由初始的155 kg/hm2降至106.9 kg/hm2，從而導致第4季出現減產現象。徐春梅等[19]在水稻的研究中發現，種植密度與氮肥用量的合理搭配是增產的關鍵因素；師日鵬等[15]的研究表明，壟覆溝播群體產量的最優管理方案為播種量113～123 kg/hm2，施氮量197～214 kg/hm2，而本研究過高的播種量與相對較低的施肥量是造成連續3年減產的主要原因，并且其播前土壤礦質氮也由初始的155 kg/hm2降至79.0 kg/hm2。由此結果知，覆膜的增產是建立在對土壤養分高消耗的前提下，因此，要考慮如何協調覆膜條件下更加合理的施肥量及播種量，并進一步提高氮肥利用率與土壤貢氮能力來實現農業生產的可持續發展。本研究中，秸稈覆蓋雖未能持續增產，但其并未造成播前土壤礦質氮含量下降。但由于其降低夏閑期地表溫度，抑制蒸發，增加氮肥淋溶，造成氮肥累積下移[20]，不利于作物生長；另外，高亞軍等[21-22]的研究也表明秸稈覆蓋造成減產的原因復雜，覆蓋改變了水氮交互效應，覆蓋條件下氮肥效應更加突出。因此，覆蓋條件下150 kg/hm2氮肥施用增產效果并不明顯。

3.2 減氮結合覆蓋對花期旗葉凈光合速率與SPAD值的影響

開花期至灌漿期作為冬小麥產量形成的最關鍵時期，也是各生理性狀最活躍的時期，這一時期冬小麥的各生理性狀對作物產量形成起著決定性作用[23]。本研究結果與前人[24]一致，施用氮肥促使開花期與灌漿期旗葉SPAD值及開花期旗葉光合速率顯著高于無氮對照，但隨著施氮量的過量增加旗葉SPAD值與光合速率出現了下降趨勢，說明該地區施氮150 kg/hm2已經滿足了作物生長所需，過量施氮造成了不必要的浪費。另外，本研究發現覆蓋對旗葉葉綠素與光合速率都有一定的抑制作用，壟覆溝播尤為嚴重，這與其種植密度相對集中于溝內導致遮蔭及養分競爭密切相關。另外，由相關性分析結果(表5)發現，開花期和灌漿期旗葉SPAD值與籽粒產量成極顯著正相關(其相關系數分別為0.99、0.99)，與收獲期生物量、收獲指數、穗數都成極顯著相關關系；光合速率也與籽粒產量顯著正相關。

表5 2015～2016年冬小麥花后各生理性狀及收獲指標之間的相關關系

注：*表示顯著性相關(P<0.05)，**表示極顯著相關(P<0.01)。

3.3 減氮結合覆蓋對冬小麥花期旗葉硝酸還原酶活性、根系活力、根際土壤硝態氮與銨態氮含量及含水量的影響

根系活力在一定程度上反應了根吸收能力。前人研究[25]已經證明根系活力隨氮素水平升高而顯著升高。本試驗結果表明，該區農田施氮150 kg/hm2時根系活力最高，過量施肥導致根系活力顯著降低。另外，李震等[26]的研究發現，不同覆蓋處理在烤煙移栽后45、60、75 d均能顯著提高其根系活力及硝酸還原酶活性，而本研究發現，覆蓋造成冬小麥花期根系活力顯著降低，這可能由于冬小麥屬須根系作物且根系下扎較淺，從而導致養分競爭相對較大，造成了不同覆蓋處理降低了根系活力。另外，呂麗紅等[27]、牛俊義[28]的研究發現覆膜能夠促進冬小麥根系生長，提高了根系生物量，進一步解釋了本文中根系活力降低但葉片硝酸還原酶活性并未降低的這一矛盾現象，其中全膜穴播與秸稈覆蓋處理的葉片硝酸還原酶活性還有顯著提高，但壟覆溝播處理由于種植密集于溝內，土壤水肥供給明顯不足，進而造成根系活力與葉片硝酸還原酶活性并未有所提高。另外，通過相關性分析(表5)得到，開花期根系活力與作物收獲指數顯著正相關(r=0.79*),說明根系活力的提高有利于莖葉營養物質向籽粒的運輸。

本研究通過減氮結合覆蓋處理對冬小麥花期旗葉葉綠素、光合速率、硝酸還原酶活性、根系活力、耕層土壤供氮能力及產量等的研究發現，農戶氮肥過量施用對籽粒產量貢獻甚微，而通過減氮覆蓋措施不僅能極大地減少氮肥用量，同時也能保證籽粒產量不減反增。另外，各種覆蓋措施雖能提高作物產量，但增產效應未能達到顯著水平，其中壟覆溝播由于起壟造成冬小麥生長相對過于集中，在開花灌漿期養分、水分供應相對不足，而使旗葉硝酸還原酶活性與根系活力顯著降低，光合作用也低于其他處理，嚴重制約了后期籽粒產量的形成，不利于渭北旱作區冬小麥的大面積播種或者需要通過進一步調整尋求更加合理的播種管理模式。

[1] 中華人民共和國農業部.農業部關于印發《到2020年化肥使用量零增長行動方案》和《到2020年農藥使用量零增長行動方案》的通知[Z].北京：種植業管理司,2015-03-18.

[2] 趙護兵，王朝輝，高亞軍，等.西北典型區域旱地冬小麥農戶施肥調查分析[J].植物營養與肥料學報,2013,19(4):840-848.

[3] 柴守璽,楊長剛,張淑芳,等.不同覆膜方式對旱地冬小麥土壤水分和產量的影響[J].作物學報,2015，41(5):787-796.

[4] 張淑芳,柴守璽,藺艷春,等.干旱年份地膜覆蓋模式對春小麥土壤水分和產量的影響[J].中國農業氣象,2011，32(3):368-374.

[5] Zhang S L,L?vdahl L,Grip H,et al.Effects of mulching and catch cropping on soil temperature,soil moisture and wheat yield on the Loess Plateau of China[J].Soil and Tillage Research,2009，102(1):78-86.

[6] 趙護兵,劉國彬,許明祥.黃土丘陵區植被恢復與流域養分環境演變研究進展[J].水土保持通報,2004，24(2):72-75.

[7] 李強,王朝輝,戴健,等.氮肥調控與地表覆蓋對旱地冬小麥氮素吸收及殘留淋失的影響[J].中國農業科學,2013，46(7):1380-1389.

[8] Li F M,Song Q H,Jemba P K,et al.Dynamics of soil microbial biomass C and soil fertility in cropland mulched with plastic film in a semiarid agro-ecosystem[J].Soil Biology & Biochemistry,2004，36(11):1893-1902.

[9] Zhou L M,Li F M,Jin S L,et al.How two ridges and the furrow mulched with plastic film affect soil water,soil temperature and yield of maize on the semiarid Loess Plateau of China[J].Field Crops Research,2009，113(1):41-47.

[10] Wang X K,Li Z B,Xing Y Y,et al.Effects of mulching and nitrogen on soil temperature,water content,nitrate-N content and maize yield in the Loess Plateau of China[J].Agricultural Water Management,2015，161(1):53-64.

[11] 郭天財,馮偉,趙會杰,等.水氮運籌對干旱年型冬小麥旗葉生理性狀及產量的交互效應[J].應用生態學報,2004，15(3):453-457.

[12] 柴彥君,袁家富,熊又升,等.不同冬小麥品種氮效率及其生理差異的研究[J].中國土壤與肥料,2011,(1):21-25.

[13] 曹翠玲,李生秀.供氮水平對小麥生殖生長時期葉片光合速率、NR活性和核酸含量及產量的影響[J].植物學報,2003，20(3):319-324.

[14] 曹翠玲,李生秀.氮素形態對作物生理特性及生長的影響[J].華中農業大學學報,2004，23(5):581-586.

[15] 師日鵬,李娜,周芳,等.播種量和施氮量對壟溝覆膜栽培冬小麥花后生理性狀的影響[J].應用生態學報,2012，23(3):758-764.

[16] Sun H Y,Shen Y J,Yu Q,et al.Effect of precipitation change on water balance and WUE of the winter wheat-summer maize rotation in the North China Plain[J].Agricultural Water Management,2010，97(8):1139-1145.

[17] 曹學昌.應用15N研究小麥吸氮動態及不同時期追施氮肥的作用[J].山東農業科學,1988，(5)：11-13.

[18] 朱新開,周正權,胡宏,等.土壤氮素與小麥產量和品質關系及在施氮推薦中的應用[J].天津農學院學報,2002，9(1):13-17.

[19] 徐春梅,周昌南,鄭根深,等.施氮量和栽培密度對超級早稻不同器官氮素積累與轉運及其吸收利用率的影響[J].中國土壤與肥料,2011,(1):15-20.

[20] 何剛.夏閑期不同地表覆蓋對旱地冬小麥產量及水肥利用的影響[D].楊凌：西北農林科技大學,2016.

[21] 高亞軍,李生秀.旱地冬秸稈覆蓋條件下作物減產的原因及作用機制分析[J].農業工程學報,2005，21(7):15-19.

[22] 高亞軍,李生秀,李世清,等.農田秸稈覆蓋對冬小麥水氮效應的影響[J].應用生態學報,2005，26(8):1450-1454.

[23] 山東農學院.作物栽培學(上冊)[M].北京:農業出版社,1992.67-68.

[24] 楊永輝,吳普特,武繼承,等.冬小麥光合特征及葉綠素含量對保水劑和氮肥的響應[J].應用生態學報,2011，22(1):79-85.

[25] 羅安程,楊肖娥.氮鉀供應水平與水稻生育后期對不同形態氮吸收的關系[J].中國農業科學,1998，31(3):62-65.

[26] 李震,蔣士東,高遲鑾,等.不同覆蓋方式對烤煙生理特性及產質量的影響[J].作物研究,2014，28(5):491-495.

[27] 呂麗紅，王俊,凌莉，等.半干旱地區地膜覆蓋、底墑和氮肥對春小麥根系生長的集成效應[J].西北農林科技大學學報(自然科學版),2003，31(3):102-106.

[28] 牛俊義.地膜春小麥根系生長、物質分配及葉片衰老研究[D].蘭州：甘肅農業大學,2002.