覆膜對旱地麥田土壤水分及氮素平衡的影響

趙曉東,李廷亮,謝英荷,余 高,岳 麗,高慧洲,加武斌

1 山西農業大學資源環境學院, 太谷 030801 2 農業部環境保護科研監測所, 天津 300191

旱地小麥占全國小麥種植面積的55%—60%,達22645×103hm2左右,是北方干旱半干旱地區的主要糧食作物之一。我國北方地區地下水位較深,一般不能直接參與土壤-植物—大氣(SPAC)水分循環,也無灌溉條件,自然降水是旱地麥田土壤水分的主要來源[1],是典型的雨養農業地區。鄧振鏞等[2]調查研究發現,北方地區能被農作物吸收利用的降雨僅占總降雨量的20%—25%,60%—70% 的降雨因無效蒸發而損失[3],10%—15%形成地表徑流而損失。同時,降雨量年際變化率大且分布不均,7—9月份的降雨量占全年降雨量的50%左右[4]。因此,在降雨量稀少、季節分布不均和供需錯位等自然環境條件下,水分脅迫已經成為我國北方地區的主要限制因子之一[5]。

氮素是植物必需的大量營養元素,是限制植物生長和形成產量的首要因素[6],硝態氮作為旱地小麥吸收利用的主要氮素來源,在冬小麥生產過程中發揮著關鍵的作用。已有研究表明[7- 8],耕層土壤的硝態氮均能不同程度地反映土壤的供氮能力,但其相關系數并不高,因此對2m土層剖面硝態氮進行監控具有一定的研究價值。同時,研究氮肥施入土壤后的轉化和去向,可以為農田土壤合理施肥提供一定的理論依據[9]。因此對土壤中氮素的輸入輸出情況進行動態監測具有一定的理論和實際意義。目前,國內外關于農田土壤氮素平衡的研究主要集中于施氮量的不同[9- 12],而對不同覆膜方式影響土壤中氮素平衡的研究相對較少,且具有地域差異性。同時,多數研究主要關注覆膜對農田土壤耕層水分利用的影響,而關于降水生產效率、休閑效率及覆膜對深層土壤水分變化利用的影響關注較少。因此,本試驗以山西晉南旱塬麥田長期定位試區為依托,進行了不同覆膜方式對旱地麥田2m深層水分及氮素平衡影響的研究,以期為旱地麥田高產高效提供科學的理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2014—2015年度在山西省洪洞縣劉家垣鎮東梁村旱地冬麥區進行,該區域屬于暖溫帶大陸性季風氣候,年平均日照時數在2419h左右,有效積溫4700℃,年平均氣溫在12.6℃左右,無霜期180—210d,冬小麥生育期降雨量為95.90mm(表1)。

表1 冬小麥生育期降雨量/mm

供試土壤類型為石灰性褐土,質地為中壤土,pH為7.59,耕層土壤有機質含量為14.35g/kg,全氮為0.75g/kg,硝態氮為12.25mg/kg,有效磷為12.61mg/kg,有效鉀為235.66mg/kg,CEC為31.17cmol/kg,0—20、20—40、40—60、60—80cm土壤容重分別為1.36、1.32、1.45、1.39g/cm3,80—200cm土層均以1.48g/cm3計算。

1.2 試驗設計

本試驗共設4個處理,4次重復,采用隨機區組排列,小區面積為170—470m2。試驗方案見表2,處理一為農戶模式,即按照當地農民的習慣施肥量和常用種植方式設置的對照處理；處理二為測控施肥,即測土配方施肥量+露地條播；處理三為壟膜溝播,即在測控施肥的基礎上,在小麥生育期進行了壟膜溝播種植(壟上覆膜、溝內膜側播種,壟寬與溝寬分別為35cm和30cm,播種2行,行距20cm)；處理四為平膜穴播,是指在測控施肥的基礎上,在小麥生育期全地面平鋪地膜,且在膜上覆土,播種行距和穴距分別為16cm和12cm。

本試驗于2014年10月1日播種,在播種的同時進行地膜覆蓋,2015年6月7日收獲,供試小麥品種為長8744號,播量均為150kg/hm2,冬小麥生育期不進行灌溉。所施氮肥為尿素(含N 46%),磷肥為過磷酸鈣(含P2O511%),鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%),均作為底肥在播前施入土壤并翻入耕層耙平。

表2 試驗方案

1.3 樣品采集

播前、收獲后,分別在各小區每20cm為一層,共采集2m土層混合土樣,測定土壤含水量、硝態氮的含量。在小麥收獲期,各小區隨機收獲2m2×3=6m2脫粒計產；同時收獲各小區中所標記的3×1m的小麥樣段,并測算小麥產量構成三要素(公頃穗數、穗粒數、千粒重)等指標。

1.4 分析項目及測定方法

(1)土壤含水量的測定：烘干法；

(2)土壤硝態氮測定：稱取充分混勻的新鮮土樣5g,加入0.01mol/L CaCl250mL浸提,振蕩30min,過濾,取濾液,使用AA3(Auto Analyzer 3)型流動分析儀測定土壤硝態氮含量。

1.5 計算方法

(1)收獲指數(HI%)=籽粒產量/地上部分生物量×100

(2)土壤貯水量(mm)=土壤質量含水量(%) ×土壤容重 (g/cm3) × 土層厚度(cm) /10

(3)水分利用率= 籽粒產量(kg/hm2)/耗水量(mm)

ET1-2=ΔW+P0+K-R

式中，ET1-2為階段耗水量(mm)；ΔW為該階段土壤貯水量的變化量(mm),即土壤貯水消耗量；R為地表徑流量(mm)；P0為有效降水量(mm)；K為該時段內的地下水補給量(mm),本試驗所在地平坦,同時地下水埋藏很深,因此徑流和地下補給量忽略不計。小麥生育期降雨量由當地氣象部門提供。

(4)降水生產效率(kg hm-2mm-1)=籽粒產量(kg/hm2)/降水量(mm)

(5)水分休閑效率(%)=夏季休閑期土壤0—200cm土層貯水增加量(mm)/夏閑期降水量(mm)×100%

(6)土壤硝態氮累積量(kg/hm2)=土層厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×土壤硝態氮含量(g/kg)/10

(7)氮表觀礦化量(kg/hm2)=對照區地上部分吸氮量 + 對照區收獲后土壤殘留Nmin量-對照區播前土壤無機氮量

(8)氮表觀損失量(kg/hm2)=(施氮量+播前土壤Nmin量+氮表觀礦化量)-(作物吸收氮量+收獲后土壤殘留Nmin量)

1.6 數據分析

運用Excel 2003和DPS軟件進行實驗數據處理和統計分析,用Duncan新復極差法進行分析比較。

2 結果與分析

2.1 不同覆膜方式對旱地小麥產量及產量構成的影響

2.1.1 不同覆膜方式對小麥產量的影響

不同覆膜方式下小麥籽粒產量、生物產量和收獲指數的測定結果見圖1,由圖1可知,各處理小麥的籽粒產量和生物產量分別在4350.19—5662.15kg/hm2和9633.07—12823.33kg/hm2之間,且各覆膜處理較不覆膜處理均有不同程度的提高[13]。其中平膜穴播和壟膜溝播處理與相同測控施肥量的不覆膜處理相比,籽粒產量分別增加22.71%(P<0.01)和9.46%(P<0.05),生物產量分別增加25.45%(P<0.01)和13.22%(P<0.01),這與Du等[14]研究一致,表明覆膜能夠合理調控農田生態系統的小氣候,更有利于小麥增產。同時,從收獲指數來看,隨著覆膜處理對產量的提高,其收獲指數出現微弱的下降,但差異不顯著。

圖1 不同覆膜方式下小麥籽粒產量、生物產量和收獲指數Fig.1 Grain yield, biomass and harvest index of wheat under different film mulching methods不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01),小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.1.2 不同覆膜方式對小麥產量構成的影響

不同覆膜方式下旱地小麥公頃穗數、穗粒數和千粒重的測定結果見表3,由表3可知,各處理公頃穗數、穗粒數和千粒重分別在525.00—662.60(104個/hm2)、23.60—25.60(個/穗)和41.30—43.80(g/1000粒)之間。同時,各覆膜處理與不覆膜相比,產量構成三要素均有不同程度的提高。其中,平膜穴播和壟膜溝播處理與相同測控施肥量的不覆膜處理相比,公頃穗數分別提高20.99%(P<0.01)和17.09%(P<0.01)。與農戶模式相比,覆膜處理的公頃穗數提高22.15%—26.21%(P<0.01),說明在施肥量減少的情況下(農戶模式的施肥量高于各覆膜處理)覆膜依舊提高了小麥的公頃穗數。由表3也可知,平膜穴播處理較測控施肥和農戶模式的千粒重有一定的提高,分別提高4.83%(P<0.05)和5.97%(P<0.05)。各處理之間穗粒數的差異均不顯著,對小麥產量的影響不大。

表3 不同覆膜方式下小麥公頃穗數、穗粒數和千粒重

不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01),小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

表4為小麥籽粒產量與產量構成之間的相關性分析結果,可知,小麥籽粒產量與公頃穗數、穗粒數及千粒重之間均達顯著相關水平,而公頃穗數與籽粒產量之間的相關性最高(相關系數r值為0.838**),說明公頃穗數能在很大程度上決定小麥產量,是小麥增產的關鍵因素之一。

表4 小麥籽粒產量與產量構成的相關性分析

**表示極顯著相關(P<0.01),*表示顯著相關(P<0.05)

圖2 不同覆膜方式下冬小麥播前、收獲后0—200cm土層貯水量變化情況Fig.2 Changes of soil water storage of 0—200cm soil profile before sowing and after harvest of winter wheat under different film mulching methods

2.2 不同覆膜方式對旱地麥田土壤水分效應的影響

2.2.1不同覆膜方式對0—200cm土層土壤貯水量的影響

不同覆膜方式下冬小麥種植前后0—200cm土層貯水量變化情況見圖2、圖3,由圖2、圖3可知,各處理收獲后的貯水量與播前相比,均有較大程度的降低,降幅為125.57—192.98mm。同時,收獲后兩種覆膜處理的2m土層貯水總量較不覆膜均有極顯著的降低,較相同測控施肥量的不覆膜處理降低11.96%—15.06%(P<0.01),較農戶模式降低12.62%—15.70%(P<0.01)。張保軍等人[15]在陜西淳化縣進行了穴播地膜小麥土壤水分動態變化方面的研究,結果表明,在小麥越冬期地膜覆蓋條件下的土壤含水量均高于露地條播,返青和拔節期40—60cm土層以上覆膜處理的土壤含水量略高于不覆膜處理,在孕穗期,覆膜處理低于不覆膜處理。分析原因可能為小麥進入營養生長和生殖生長期后對水分的強烈需求導致土壤水分的總體減少,而覆膜由于對農田土壤水分具有較強的調控能力,在小麥水分臨界期會調控農田土壤水分以供給小麥吸收利用,從而促進小麥增產,這與本研究結果大致相似。

2.2.2不同覆膜方式對土壤耗水量及水分利用率的影響

不同覆膜方式下旱地麥田土壤耗水量和水分利用率的測定結果見圖4,由圖4可知,經過冬小麥的一個生育期,平膜穴播和壟膜溝播處理的耗水量均高于不覆膜處理。其中平膜穴播處理較不覆膜提高29.47%—34.56%(P<0.01)；壟膜溝播處理與不覆膜的測控施肥和農戶模式相比,分別提高19.06%和23.74%(P<0.05)。由圖4也可知,兩種覆膜處理較不覆膜處理的水分利用率雖有微弱的降低,但差異均不顯著。

圖3 不同覆膜方式下冬小麥收獲后2m土層貯水總量變化情況Fig.3 Total amount of soil water storage of 2m soil profile under different film mulching methods after harvest of wheat

圖4 不同覆膜方式下旱地麥田2m土層耗水量及水分利用率變化情況Fig.4 Changes of WUE and water consumed of 2m soil profile in dry wheat land under different film mulching methods

圖5 不同覆膜方式下冬小麥種植前后0—100cm與100—200cm土層土壤水分的消耗情況Fig.5 Consumed of soil water storage of 0—100cm and 100—200cm soil profile before sowing and after harvest of winter wheat under different film mulching methods

圖5為不同覆膜方式下冬小麥種植前后0—100cm與100—200cm土層中土壤水分的消耗變化情況,可知,收獲期各處理0—100cm土層的水分消耗明顯高于100—200cm土層,說明小麥生長發育所消耗的水分主要來源于上層土體,這與陳玉華等[16]的研究結果基本一致,這主要是因為小麥根系雖然下扎深度超過2m,但90%的根系依舊集中在1m土層以上[17]。由圖5也可知,平膜穴播和壟膜溝播處理在100—200cm土層的水分消耗情況分別占總量的39.50%和48.88%,而測控施肥和農戶模式處理在100—200cm土層分別占總量的35.75%和30.84%,說明覆膜促進了小麥對深層土壤水分的調用。

2.2.3不同覆膜方式對旱地麥田降水生產效率和休閑效率的影響

不同覆膜方式下旱地麥田降水生產效率測定結果見表5,由表5可知,覆膜處理的降水生產效率較不覆膜處理均有顯著的提高,且以平膜穴播處理效果最優。其中平膜穴播處理與測控施肥和農戶模式相比,各時期(休閑期、生育期和年)均分別提高22.71%(P<0.01)和30.16%(P<0.01)；壟膜溝播處理較不覆膜處理提高9.46%—16.11%(P<0.05)。說明覆膜能有效蓄水保墑,從而提高旱地麥田的降水生產效率。

表5 不同覆膜方式下旱地麥田2m土層降水生產效率變化情況

不同覆膜方式下旱地麥田休閑效率的測定結果見表6,由表6可知,兩種覆膜處理與不覆膜相比,休閑效率均有不同程度的提高,且以平膜穴播處理提高幅度最大,較相同測控施肥量的不覆膜處理提高23.22%,較農戶模式提高39.22%。壟膜溝播處理較測控施肥和農戶模式分別提高9.95%和24.22%?？傮w來看,覆膜處理能在小麥休閑期有效蓄水保墑,從而為小麥生長發育提供良好的水分條件。

表6 不同覆膜方式下旱地麥田2m土層休閑效率變化情況

2.3 不同覆膜方式對2m土層土壤氮素平衡的影響

不同覆膜方式下冬小麥全生育期2m土層的氮素平衡計算情況見表7,可知,氮輸入分為3條途徑：施氮肥、播前土壤中的無機氮量和礦化氮。農戶模式的氮主要輸入途徑為施氮肥和播前土壤中的無機氮,分別占總輸入量的38.68%和45.78%；其余3個處理主要以播前土壤中無機氮量和礦化氮作為氮輸入的主要途徑,分別占氮輸入總量的47.94%—50.62%和34.11%—37.44%。

土壤中氮素的礦化是有機氮經過微生物的驅動,分解成簡單化合物,并釋放出礦質養分的過程,其礦化程度受農田微域環境的影響很大。由表7也可知,兩種覆膜處理的礦化氮均高于不覆膜處理,較農戶模式提高96.71%—119.16%(P<0.01)；較相同測控施肥量的不覆膜處理雖然差異不顯著,但仍提高1.12%—12.66%。說明覆膜可以有效調節農田土壤的微域環境,有利于氮的礦化。

氮輸出途徑為：全生育期的作物吸收攜出、殘留的無機氮和氮表觀損失量。作物吸收攜出是小麥在全生育期因生長發育對氮素吸收利用而產生的一條氮輸出途徑,是氮素的有效輸出。由表7也可知,平膜穴播和壟膜溝播處理的小麥吸氮量顯著高于不覆膜處理,較測控施肥提高9.98%—19.72%(P<0.05),較農戶模式提高43.58%—56.29%(P<0.01)。說明覆膜可以合理調節土壤水熱條件,有利于作物對氮的吸收利用。

表7 不同覆膜方式下冬小麥全生育期2m土層中的氮素平衡

氮盈余包括殘留的無機氮和氮表觀損失量,是農業面源污染的主要污染源之一。由表7還可知,覆膜處理的氮素殘留與不覆膜處理相比差異雖不顯著,但仍呈現出一定的降低趨勢,降低幅度達1.75%—4.99%。而兩種覆膜處理的氮表觀損失量雖高于相同測控施肥量的不覆膜處理,但差異并不顯著?？傮w來看,合理的覆膜+施肥可以有效降低氮素盈余,是控制面源污染、保護農業生態環境的重要措施。

3 結論與討論

大量研究表明[18-21],覆膜因其優越的增溫保墑作用,有效地調節農田小氣候,提高作物穗數、穗粒數、籽粒容重等產量構成指標,從而起到增產作用。但也有研究表明[22],在小麥生長前期地膜覆蓋可以增加作物耗水量,提高水分利用效率,但前期水分的過度消耗,不僅會導致小麥需水臨界期提前,而且會導致小麥生長后期土壤水分條件的惡化,如無降水或無及時補充灌溉,土壤剖面中下部豐富的作物根系無法發揮作用,造成同化產物的浪費,影響作物后期生長和產量形成,導致小麥產量下降。何剛等[23]研究也發現,在豐水年由于水分不能作為小麥生產的限制因子,因此地膜覆蓋的保水增產目的難以實現；在特別干旱的年份,地膜過度增加地溫[24],從而縮短了灌漿時間,最終導致旱地小麥減產。本試驗地點的年平均降雨量為550mm,且本試驗年份的年降雨量為509mm,水分依舊是限制旱地麥田高產高效的主要因子,因此在本試驗條件下平膜穴播和壟膜溝播處理依舊呈現出良好的增產效果,其籽粒產量較不覆膜處理顯著提高9.46%—22.71%。

楊長剛等人[25]在甘肅定西的研究發現,各覆膜處理的收獲指數均低于不覆膜處理,這與本研究結果一致,這主要是因為覆膜加劇了小麥生長冗余,導致了干物質生產的浪費[26],通過栽培和育種的方式減緩小麥的生長冗余現象,從而將浪費的干物質量轉化為經濟產量,是提高小麥產量的重要途徑。Mayer等[27]研究發現,每平方米穗數和千粒重是影響冬小麥增產的主要因素,而穗粒數對產量提高的影響較小。趙倩等人[28]的研究表明,穗數在產量構成三要素中的栽培潛力最大,是增產的主要制約因素,這與本研究結果類似,因此采用合理的栽培措施以提高小麥的分蘗成穗率,從而間接地促進公頃穗數,對小麥增產起著決定性的作用。

楊長剛等人[29]在2009—2010年進行了有關覆膜對旱作小麥水分利用影響方面的研究,結果表明,各覆膜方式均提高了旱地麥田的耗水量,但水分利用率因年份而異,在2010年覆膜比露地條播處理低4.40%。任書杰等人[30]的研究表明,在干旱年份覆膜會顯著增加小麥耗水量,但無論底墑如何,全生育期覆膜對提高水分利用率沒有實際意義。李鳳民等人[22]的研究結果也表明,地膜覆蓋顯著增加小麥的耗水量,但收獲期水分利用效率顯著低于不覆膜處理。本試驗結果與前人基本相似,原因可能是覆膜因相對較高的籽粒產量和生物產量,導致其對水分的過量消耗,從而降低了對水分的利用效率。但也有研究表明[31-32],覆膜能有效蓄水保墑、提高小麥生育期的耗水量,從而提高其水分利用率。

許多研究均表明[33-35],覆膜能促進深層土壤(100—200cm)中水分向上層土壤(0—100cm)的轉移,本研究也得出了相似的結論,原因可能有以下兩方面：第一,覆膜加快了水分在土壤-植物-大氣(SPAC)的運轉[33],從而導致深層土壤貯水量的下降；第二,覆膜促進了小麥根系的下扎深度,從而促進了小麥對深層水分的吸收利用。

巨曉棠等[12]研究表明,施氮量、播前無機氮和礦化氮均在氮輸入項中起著重要的作用,總輸入量隨著施氮量的增加而增加,且播前無機氮量和氮素礦化量占總輸入量的比例隨著施氮量的增加而下降,這與本研究結果基本一致。土壤中氮素的大量盈余可以為后季作物提供一定的氮肥環境,但容易在高強度降水或大量灌溉的條件下發生淋溶[9],或者通過氨揮發和反硝化作用而損失[36],從而對環境造成一定的潛在威脅。覆膜可以有效提高作物產量,同時降低農田土壤中硝態氮的殘留[37]。He等[38]研究表明,地膜覆蓋可以有效抑制旱地麥田土壤水分蒸發,在促進冬小麥增產的同時,也降低了2m土層硝態氮的殘留與損失。本研究結果表明,覆膜在一定程度上降低了土壤硝態氮的殘留,但并沒有降低氮的損失,這與陳小莉等人[39]的研究結果相似,這可能與土壤中氮礦化及作物對氮的吸收攜出有關。

綜上所述,平膜穴播和壟膜溝播處理均能有效提高冬小麥對土壤水分和氮素的吸收利用能力,從而提高了其公頃穗數,最終促進了小麥增產,且以平膜穴播覆膜方式效果最優。因此,這兩種覆膜方式適宜在晉南乃至我國旱地麥區推廣應用。但覆膜導致深層土壤貯水量降低這一發現也值得關注,長期覆膜是否會引發農田土壤水分嚴重缺失有待深入研究。

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