旱地休閑期間翻耕及覆蓋對(duì)小麥氮素吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)的影響

李 光,白文斌,高志強(qiáng),任愛霞

(1.山西農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所，山西 晉中 030600；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,山西 太谷 030801；3.高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉中 030600)

山西省旱地小麥面積較大，占全省60%以上，該區(qū)屬于黃土高原半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)，無(wú)灌溉條件，夏季多雨但無(wú)效蒸發(fā)量大，冬春干旱多風(fēng)，年降雨量少，與冬小麥生長(zhǎng)需水時(shí)期錯(cuò)位，因此，水分成為限制其產(chǎn)量提高的主要因素。通過在多雨的夏季進(jìn)行蓄水保墑以增加土壤水分是前人一直在研究的課題。Plaza等[1]研究表明，耕作能有效改善土壤物理結(jié)構(gòu)，使土壤收納雨水的能力提高；Zhao等[2]研究表明，夏季采用深翻較對(duì)照可提高土壤播前底墑(達(dá)17%)，從而提高產(chǎn)量(達(dá)28%)。夏季深翻提高了土壤蓄水能力，將雨水保存在土壤中。有研究表明，地表覆蓋不僅能降低土壤表面水分無(wú)效蒸發(fā)，而且能增加對(duì)降水的攔儲(chǔ)和促進(jìn)水分向土壤下層入滲[3]，在北方旱作農(nóng)業(yè)區(qū)被廣泛應(yīng)用[4]。劉爽等[5]研究表明，夏閑期耕作后進(jìn)行秸稈覆蓋可提高播前土壤含水量1%，產(chǎn)量11%；楊海迪等[6]研究表明，夏季采用地膜覆蓋可提高旱地麥田播前0～200 cm土壤蓄水量達(dá)7～123 mm，蓄水保墑率達(dá)34%以上。

植株氮素的吸收運(yùn)轉(zhuǎn)與土壤水分的多少密切相關(guān)[7]。臧賀藏等[8]研究表明，高水分處理可提高水地小麥花后氮素積累量和分配比例，但向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)率和貢獻(xiàn)率降低。Abahrani等[9]研究表明，缺水與充足水分相比，水地小麥花前營(yíng)養(yǎng)器官貯存的氮素較多，向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)也較高。可見，前人研究多集中于水地麥田，對(duì)旱作麥區(qū)蓄水保墑基礎(chǔ)上的植株氮素吸收運(yùn)轉(zhuǎn)報(bào)道較少。因此，本研究在休閑期深翻后采用不同方式覆蓋，分析蓄水保墑效果、氮素吸收運(yùn)轉(zhuǎn)能力、產(chǎn)量水平，明確蓄水保墑的時(shí)間和方式，為旱地小麥高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2009—2011年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)聞喜試驗(yàn)示范基地進(jìn)行，試驗(yàn)地為一年一作麥田，無(wú)灌溉條件，于2010年6月測(cè)定土壤肥力：有機(jī)質(zhì)8.65 g·kg-1，全氮0.74 g·kg-1，堿解氮32.93 mg·kg-1，速效磷20.8 mg·kg-1。

表1為試驗(yàn)點(diǎn)2009—2011年降水情況， 60%的降雨量集中于休閑期7、8、9月，2009—2010年度降雨量較往年(2005—2009年)平均年降雨量低26%，屬于欠水年；2010—2011年度降雨量較往年(2005—2009年)平均年降雨量高26%，屬于豐水年。

供試品種為運(yùn)旱20410，試驗(yàn)采用二因素裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)為休閑期深翻時(shí)間，設(shè)麥?zhǔn)蘸?5 d(7月1日)、麥?zhǔn)蘸?5 d(8月1日)2個(gè)水平；副區(qū)為覆蓋方式，設(shè)滲水地膜覆蓋(WPM)、液態(tài)地膜覆蓋(LF)、不覆蓋(NF)3個(gè)水平，共2×3=6個(gè)處理，重復(fù)3次，小區(qū)面積30 m×3 m=90 m2。前茬小麥?zhǔn)斋@時(shí)留高茬(茬高20～30 cm)，休閑期深翻前撒施生物有機(jī)肥1 500 kg·hm-2，深翻(深度為25～30 cm)，將麥茬秸稈、有機(jī)肥全部翻埋于土壤中，耙平后用滲水地膜(聚乙烯塑料地膜,山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制，具有微通透結(jié)構(gòu)，能滲水、透氣，厚度為0.008 mm，用法同普通地膜)將地面全部覆蓋。基施氮、磷、鉀肥，純氮150 kg·hm-2，P2O5150 kg·hm-2，K2O 150 kg·hm-2，9月29日播種，基本苗225×104株·hm-2，行距20 cm，機(jī)械條播。

表1 聞喜試驗(yàn)點(diǎn)降雨量/mm

注：數(shù)據(jù)來源于山西省聞喜縣氣象站。休閑期：7月上旬至9月下旬；播種～越冬：10月上旬至11月下旬；越冬～拔節(jié)：12月上旬至3月下旬；拔節(jié)～開花：4月上旬至4月下旬；開花～成熟：5月上旬至6月中旬

Note: data source: Meteorological Observation of Wenxi County, Shanxi Province, China. Fallow period: from the early July to the late Sep.; sowing～prewintering: from the early Oct. to the late Nov.; prewintering～elongation: from the early Dec. to the late Mar. in the following year; elongation～anthesis: from the early Apr. to the late Apr.; anthesis～mature: from the early May to the middle Jun. .

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 土壤蓄水量的測(cè)定 于小麥播前用土鉆取0～300 cm(每20 cm為一土層)土樣，采用烘干法測(cè)定土壤蓄水量。

1.2.2 植株干物質(zhì)量及含氮率的測(cè)定 于越冬期、拔節(jié)期、孕穗期、開花期、成熟期分別取小麥地上部分植株20株，將開花期植株分為葉片、莖稈、穎殼+穗軸3部分，成熟期植株分為葉片、莖稈、穎殼+穗軸、籽粒4部分，于105℃殺青30 min，70℃烘至恒重，測(cè)定干物質(zhì)重量。烘干后磨碎，用H2SO4-H2O2—靛酚藍(lán)比色法測(cè)定含氮量[10]。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

土壤蓄水量計(jì)算方法[11]：

Wi=hi×ρi×ωi×10

式中，W為土壤蓄水量(mm)；h為土層深度(cm)；ρ為土壤容重(g·cm-3)；ω為土壤含水量(%)；i為土層，10為換算系數(shù)。

花前氮運(yùn)轉(zhuǎn)量=開花期營(yíng)養(yǎng)器官氮積累量-成熟期營(yíng)養(yǎng)器官氮積累量

花前運(yùn)轉(zhuǎn)氮貢獻(xiàn)率=花前氮運(yùn)轉(zhuǎn)量/籽粒氮積累量×100%

花后氮積累量=成熟期植株氮積累量-開花期植株氮積累量

花后積累氮貢獻(xiàn)率=花后氮積累量/籽粒氮積累量×100%

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel處理，采用DPS，SAS 9.0軟件進(jìn)行分析、計(jì)算、繪圖與統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 休閑期深翻覆蓋對(duì)播前0～300 cm土層土壤蓄水量的影響

隨土層深度的增加，旱地小麥3 m土層土壤蓄水量呈“高-低-高”的變化趨勢(shì)，2009—2010年100～180 cm土層最低，2010—2011年120～200 cm土層最低。兩試驗(yàn)?zāi)晷蓍e期降雨量分別為173.1、401.5 mm，2010年較2009年高228.4 mm，可見，干土層下移且范圍縮小(圖1)。麥?zhǔn)蘸?5 d較15 d深翻后覆蓋提高播前0～300 cm土壤蓄水量，滲水地膜覆蓋除260、300 cm外其余各土層與不覆蓋差異顯著，液態(tài)地膜覆蓋80～180 cm各土層與不覆蓋差異顯著，且滲水地膜高于液態(tài)地膜。可見，休閑期深翻后采用滲水地膜覆蓋有利于改善播前底墑。

2.2 休閑期深翻覆蓋對(duì)植株氮素吸收的影響

各生育階段植株氮素積累量表現(xiàn)為拔節(jié)～開花最高，出苗～拔節(jié)居中，開花～成熟最低(表2)。麥?zhǔn)蘸?5 d較15 d深翻后覆蓋可提高旱地小麥各生育階段氮素積累量，且出苗～拔節(jié)、拔節(jié)～開花處理間差異顯著。麥?zhǔn)蘸?5 d較15 d深翻后覆蓋顯著提高成熟期氮素積累量， 且滲水地膜顯著高于液態(tài)地膜。麥?zhǔn)蘸?5 d深翻后覆蓋，各生育階段氮素積累量以滲水地膜最高，出苗—拔節(jié)、開花—成熟不覆蓋最低，且與滲水地膜處理間差異顯著；麥?zhǔn)蘸?5 d深翻后覆蓋，各生育階段氮素積累量均以滲水地膜最高，液態(tài)地膜居中，不覆蓋最低。可見，麥?zhǔn)蘸?5 d深翻后采用滲水地膜覆蓋有利于旱地小麥各生育階段氮素的吸收，從而提高總氮素積累量。

2.3 休閑期深翻覆蓋對(duì)植株氮素運(yùn)轉(zhuǎn)的影響

2.3.1 開花期植株各器官氮素積累量及其對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率 麥?zhǔn)蘸?5 d較15 d深翻后覆蓋可提高滲水地膜和不覆蓋條件下開花期葉片和莖稈氮素積累量，顯著提高穎殼+穗軸氮素積累量(表3)。無(wú)論麥?zhǔn)蘸?5 d還是45 d深翻，開花期各器官氮素積累量以滲水地膜最高，葉片和莖稈均以不覆蓋最低，穎殼+穗軸以液態(tài)地膜最低，差異均達(dá)顯著水平。可見，麥?zhǔn)蘸?5 d深翻后采用滲水地膜覆蓋有利于開花期各器官氮素吸收。

圖1 休閑期覆蓋對(duì)播前土壤蓄水量的影響Fig.1 Effect of different mulching in the fallow period on soil water storage before sowing

處理時(shí)間Treatment time覆蓋方式Mulching出苗～拔節(jié)Emergence stage～Jointing stage拔節(jié)～開花Jointing stage～Anthesis stage開花～成熟Anthesis stage～Mature stage總氮素積累量Total N accumulation 麥?zhǔn)蘸?5 d15 days afterharvestWPM45.86b88.30a29.22a163.38bLF39.36d78.63b28.64ab146.63eNF31.59e81.83b28.09ab141.51f麥?zhǔn)蘸?5 d45 days afterharvestWPM49.36a93.57a33.74a176.67aLF41.83c85.13b31.90ab158.86cNF39.56d82.43b31.41ab153.4d

注：WPM-滲水地膜覆蓋；LF-液態(tài)地膜覆蓋；NF-不覆蓋。不同字母表示同一列在P<0.05水平差異顯著。下同。

Note: WPM-permeable plastic mulching; LF-liquid mulching; NF-no mulching. Different letters in each column indicate significant difference between treatments (P<0.05). The same below.

麥?zhǔn)蘸?5 d較15 d深翻后覆蓋可顯著提高穎殼+穗軸中氮素對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)。無(wú)論麥?zhǔn)蘸?5 d還是45 d深翻，葉片和莖稈中氮素對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)均以滲水地膜和液態(tài)地膜較高，且與不覆蓋處理間差異顯著。可見，麥?zhǔn)蘸?5 d深翻后覆蓋可提高開花期各器官中氮素對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率，尤其是葉片和莖稈。

2.3.2 花前氮運(yùn)轉(zhuǎn)量和花后氮積累量及其對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率 如表4所示，麥?zhǔn)蘸?5 d較15 d深翻后覆蓋可顯著提高籽粒氮素積累量，且滲水地膜顯著高于液態(tài)地膜，達(dá)17%；可提高籽粒產(chǎn)量，且滲水地膜顯著高于液態(tài)地膜，達(dá)13%。麥?zhǔn)蘸?5 d較15 d深翻后覆蓋可顯著提高花前氮素運(yùn)轉(zhuǎn)量和花后氮素積累量，且滲水地膜顯著高于液態(tài)地膜。花前運(yùn)轉(zhuǎn)氮對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率和花后積累氮對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為麥?zhǔn)蘸?5 d和15 d深翻后覆蓋變化不大，但采用滲水地膜覆蓋方式有利于提高花前運(yùn)轉(zhuǎn)氮對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)，采用液態(tài)地膜覆蓋方式有利于花后積累氮對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)，但差異均不顯著。可見，麥?zhǔn)蘸?5 d滲水地膜覆蓋有利于花前氮素運(yùn)轉(zhuǎn)和花后氮素積累，從而提高籽粒氮素積累和產(chǎn)量。

2.4 土壤水分與氮素吸收運(yùn)轉(zhuǎn)和產(chǎn)量的相關(guān)性分析

2009—2010年，播前3 m土壤蓄水量與花前氮素運(yùn)轉(zhuǎn)量、籽粒氮素積累量和籽粒產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)性，但與花后氮素積累量無(wú)顯著相關(guān)性；2010—2011年，播前80～300 cm土壤蓄水量與花前氮素運(yùn)轉(zhuǎn)量呈顯著或極顯著正相關(guān)，播前3 m土壤蓄水量與花后氮素積累量、籽粒氮素積累量和籽粒產(chǎn)量呈顯著或極顯著正相關(guān)性，且與花后氮素積累量相關(guān)性更大(表5)。可見，播前 3 m土壤水分在降水較少年份主要影響花前氮素運(yùn)轉(zhuǎn)量，而降水較多年份對(duì)花前和花后氮素均有影響，從而影響籽粒氮素和產(chǎn)量。

3 討論與結(jié)論

旱地冬小麥在我國(guó)小麥生產(chǎn)中占有十分重要的地位，北方旱區(qū)休閑期土壤蓄墑率為20%～40%，平均約為30%，即休閑期70%的降水被白白蒸發(fā)掉。因此，充分開發(fā)利用休閑期降水是提高旱地生產(chǎn)潛力的主要方向[12]。農(nóng)田覆蓋具有降低土面蒸發(fā)和保持土壤水分的作用[2]，地膜覆蓋能增加對(duì)降水的攔截，促進(jìn)水分下滲[13]。Chen等[14]和廖允成等[15]研究表明，旱地麥田休閑期采用地膜+秸稈覆蓋能顯著提高休閑期降雨蓄保能力，多蓄水108 mm，底墑提高。楊海迪等[6]研究表明，休閑期采用地膜覆蓋可提高蓄水效率，且休閑期降水越多播前土壤水分越多。本研究中，休閑期45 d采用深翻并進(jìn)行滲水覆蓋，蓄水保墑效果較好，主要由于休閑期45 d大約是伏天開始，雨水會(huì)增多，采用深翻打破犁底層，使雨水及時(shí)下滲，同時(shí)滲水地膜覆蓋將下滲的雨水保在土壤中，因此提高了底墑，且2010—2011年度為降水較多年份(401.5 mm)，底墑?shì)^高，這與前人研究結(jié)果一致。

有研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋農(nóng)田不需要施用氮肥，就可滿足作物對(duì)氮素的需求[16]；在水分逆境下，小麥開花前貯存在葉片、莖稈和葉鞘、穎殼等營(yíng)養(yǎng)器官中氮素的再轉(zhuǎn)運(yùn)量和再轉(zhuǎn)運(yùn)率以及開花前貯存氮素的總轉(zhuǎn)運(yùn)量和總轉(zhuǎn)運(yùn)率降低，從而減少了籽粒氮素積累量和籽粒產(chǎn)量[17]，改善土壤水分狀況可促進(jìn)氮素自營(yíng)養(yǎng)器官向籽粒的轉(zhuǎn)移，增加總氮素產(chǎn)量和生物產(chǎn)量[18-19]。也有研究表明，花后干旱降低了小麥營(yíng)養(yǎng)器官開花前貯存氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移率和轉(zhuǎn)移量，降低了籽粒氮素積累量[20]。本研究表明，休閑期45 d深翻覆蓋促進(jìn)了旱地小麥各生育階段氮素吸收積累，促進(jìn)了開花期葉片和莖稈向籽粒中運(yùn)轉(zhuǎn)，從而提高籽粒氮素積累和產(chǎn)量，且滲水地膜覆蓋效果較好。主要原因是深翻覆蓋后改善了播前底墑，且土壤水分可應(yīng)用至小麥生育后期，從而促進(jìn)氮素吸收及運(yùn)轉(zhuǎn)，這與白冬等[21]的研究結(jié)果一致。

表3 休閑期深翻覆蓋開花期植株各器官氮素積累量及其貢獻(xiàn)率(2010—2011)

表4 休閑期深翻覆蓋對(duì)籽粒氮素積累量和氮素貢獻(xiàn)率的影響(2010—2011)

注：NTBA—translocation amount of accumulated N prior to anthesis from vegetative organs to grains after anthesis;NAAA—nitrogen accumulation amount after anthesis.下同。The same below.

表5 播前土壤蓄水量與花前氮素運(yùn)轉(zhuǎn)、花后氮素積累、籽粒氮素和籽粒產(chǎn)量的相關(guān)性

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)，**表示在0.01水平上顯者相關(guān)。

Note:* show significant corrleation at 0.05 level, ** show significant correlation at 0.01 level.

本研究相關(guān)分析表明，降水較少年份采用蓄保措施后播前土壤水分影響花前氮素運(yùn)轉(zhuǎn)，降水較多年份采用蓄保措施后播前土壤水分既影響花前氮素運(yùn)轉(zhuǎn)又影響花后氮素積累。說明休閑期采用深翻覆蓋，在休閑期降雨量大的前提下，其貯存的深層土壤水分能直接利用到小麥的生育后期，休閑期提前深翻+深施有機(jī)肥+覆蓋可達(dá)到“伏雨春夏用”。在旱作麥區(qū)研究土壤水分與植株氮素吸收運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)系的較少，本研究下一步還需從周年水分運(yùn)用與氮素吸收運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)系的角度出發(fā)，充實(shí)研究結(jié)論。

總之，在本試驗(yàn)條件下，麥?zhǔn)蘸?5 d深翻后采用滲水地膜覆蓋方式，最有利于降水的蓄積和保存，有利于植株氮素的吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)，從而提高籽粒氮素積累量和產(chǎn)量。