旱地麥田夏覆蓋和磷肥調控對小麥籽粒碳氮積累的影響

原亞琦，孫 敏，林 文，高志強，張錦朝，高艷梅，王 帥

(山西農業大學 農學院，山西 太谷 030801)

山西省約60%降雨集中在7-9月，此時正值旱地小麥休閑期，與小麥生育期需水錯位，導致中后期水分不足而嚴重限制了該地區冬小麥的生產[1]。長期以來，傳統耕作采用休閑期深松[2-3]、深翻[4-5]等措施調整土壤結構、增加降水的蓄納能力、提高播前土壤蓄水量。然而，裸露地面蒸發強烈，耕作層土壤水分80%以上為無效蒸發，冬小麥受其影響產量降低且不平穩[1,6]。地膜覆蓋是旱作地區增產的重要技術措施，它可以協調土壤水分環境，使土壤貯水量增加10%～60%，蒸發量降低50%以上，從而使后期深層土壤水分得到充分利用，增產效果顯著[4,7-9]。因此，休閑期麥田深翻且地膜覆蓋既能增加土壤對降雨的蓄積，又能減少土壤表面水分蒸發，有效提高播前底墑，最終實現小麥的高產和穩產。小麥增產的實質是籽粒碳氮積累的增加。然而，有研究表明，休閑期地膜覆蓋，增加了淀粉含量但降低了成熟期籽粒蔗糖和可溶性糖含量[10]，同時籽粒含氮量下降[11]。因此，單純的夏覆蓋條件下籽粒的產量和品質難以同步提升。

增施磷肥可促進小麥根系深扎，有利于深層根系的豐富，實現水分和養分空間上的耦合，促進中后期深層土壤水分充分吸收利用，從而提高產量和水分利用效率[12-13]。同時，磷肥不僅能統籌利用水分和養分，實現增產，而且影響籽粒碳氮積累過程。付國占等[14]研究表明，增施磷肥能提高強筋小麥籽粒蛋白質含量。姜宗慶等[15]研究表明，施磷量為(P2O5)0～140 kg/hm2，小麥籽粒淀粉含量隨施磷量增加而下降，但施磷量超過140 kg/hm2時淀粉含量略有上升。

本試驗采用休閑期麥田深翻后地膜覆蓋保水的措施，設置不同梯度施磷量，探究夏覆蓋及施磷肥對籽粒碳氮積累的影響，旨在為山西省南部旱地小麥提供產量和品質同步提升的耕作栽培技術。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014-2015年在山西農業大學聞喜試驗基地進行。該地位于北緯35°21′13.64″，東經111°13′50.46″，海拔約468 m。試驗地為夏閑地，于2014年6月15日測定20 cm土層內土壤肥力為：有機質10.55 g/kg、堿解氮37.65 mg/kg、速效磷17.64 mg/kg。全年降水量情況如圖1所示。

圖1 聞喜試驗點全年降雨量Fig.1 Precipitation at the experimental site in Wenxi

1.2 試驗材料

供試小麥品種為運旱20410，由聞喜縣農業委員會提供。

1.3 試驗設計

試驗采用二因素裂區設計，前茬小麥收獲時留20～30 cm高茬，收獲后深翻35～40 cm，以7月15日深翻后覆蓋為主區，設全覆蓋(用滲水地膜將小區全面覆蓋，WM)、半覆蓋(用滲水地膜覆蓋小區一半面積，覆蓋與不覆蓋間隔 60 cm，HM)、不覆蓋(CK)3種覆蓋方式；以播前施磷量(磷肥使用過磷酸鈣，時間為播種前1 d)為副區，設低磷(75 kg/hm2，LP)、中磷(135 kg/hm2，MP)、高磷(180 kg/hm2，HP)3個梯度，共9個處理。10月1日播種，播種時所有處理基施180 kg/hm2N和150 kg/hm2K2O(氮、鉀肥分別為尿素和氯化鉀)，機械條播，行距20 cm，小區面積為150 m2(50 m×3 m)，重復3次，6月10日收獲。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 土壤蓄水量的測定 分別于小麥休閑期(覆蓋處理后15，30，45，60，77 d)和生育時期用土鉆取0～100 cm(每20 cm為一土層)土樣。采用環刀法測定土壤容重，用烘干法測定土壤含水量[16]。

1.4.2 糖含量測定 開花期掛牌標記，花后每隔5 d取樣一次，每次取20穗，分離籽粒，(105±5 )℃殺青30 min，80 ℃烘至恒質量。可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定，蔗糖含量采用間苯二酚比色法測定，淀粉含量采用酸水解法測定[17]。

1.4.3 蛋白質及其組分含量測定 取樣和樣品處理與糖含量測定相同，蛋白質含量采用H2SO4-H2O2-靛酚藍比色法測定[18]；蛋白質組分采用連續提取法提取，測定方法同蛋白質含量。

1.4.4 成熟期考種及產量測定 成熟期調查單位面積穗數、每穗平均粒數及千粒質量，每小區取 50 株測定生物產量；收割20 m2，計算經濟產量。

1.5 數據統計

采用Micsoft Excel 2003錄入數據并計算，統計學分析采用SPSS 22.0數據處理系統。

休閑期蓄水效率 =休閑期土壤蓄水增加量/休閑期降雨量×100%[19]

①

作物耗水量(mm)=成熟期與播種期土壤蓄水量之差+生育期降水量[20]

②

水分利用效率[20]=作物籽粒產量/作物耗水量×100%

③

籽粒淀粉(蛋白質)產量(kg/hm2)=籽粒產量×籽粒淀粉(蛋白質)含量[21]

④

2 結果與分析

2.1 夏覆蓋和磷肥對土壤水分的影響

2.1.1 夏覆蓋的保水效果 與不覆蓋相比，夏覆蓋處理后30 d到播種期0～100 cm土壤蓄水量顯著提高。覆蓋較不覆蓋，播種期增加27.47～43.09 mm，休閑期蓄水效率顯著提高，達7.51%～11.79%，且全覆蓋顯著高于半覆蓋(表1)。可見，夏季覆蓋能有效蓄積降水，提高底墑，為旱地小麥播種提供有利條件。

表1 夏覆蓋對休閑期和播種期土壤蓄水量的影響Tab.1 Effect of mulch in summer on soil water storage in fallow period and sowing stage mm

注：測量值=平均值±標準差；同一列數字后不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著性。表2-4同。

Note: Measured value=Mean±SD.Values followed by different small letters in the same column are significantly different atP<0.05. The same as Tab.2-4.

2.1.2 夏覆蓋和磷肥對生育時期土壤水分的影響 在相同施低磷和中磷條件下，與不覆蓋相比，夏覆蓋越冬期-抽穗期土壤蓄水量提高，而開花期和成熟期降低，且同等磷肥條件下越冬期-抽穗期全覆蓋高于半覆蓋,開花期和成熟期全覆蓋低于半覆蓋；高磷條件下，與不覆蓋相比，全覆蓋越冬期-拔節期、成熟期土壤蓄水量提高，抽穗期、開花期降低；半覆蓋越冬期、抽穗期低于不覆蓋，其他生育期高于不覆蓋(表2)。覆蓋條件下，越冬期-抽穗期土壤蓄水量中磷最高(P<0.05)，越冬期以高磷最低(P<0.05)，拔節期以低磷最低(P<0.05)；不覆蓋條件下，越冬期-抽穗期土壤蓄水量以高磷最高(P<0.05)，越冬期和抽穗期以中磷最低(P<0.05)，返青期和拔節期以低磷最低(P<0.05)。可見，夏季覆蓋條件下配施135 kg/hm2磷肥，有利于提高花前土壤水分，而不覆蓋條件下配施180 kg/hm2磷肥效果較好。

表2 夏覆蓋和磷肥對旱地小麥各生育時期土壤蓄水量的影響Tab.2 Effect of mulch in summer and phosphorus fertilizer on soil water storage in different growth stages of dryland wheat mm

2.2 夏覆蓋和磷肥對小麥產量和水分利用效率的影響

與不覆蓋對照相比，夏覆蓋生育期總耗水量、產量和水分利用效率提高，同等磷肥條件下產量和水分利用效率分別提高27%～51%和18%～29%，其中，同等磷肥條件下，全覆蓋的總耗水量和產量高于半覆蓋，水分利用效率則相反。耗水量、產量和高磷條件下的水分利用效率以全覆蓋最高，低磷和中磷條件水分利用效率以半覆蓋最高。覆蓋條件下，耗水量、產量和水分利用效率以中磷最高(P<0.05)(水分利用效率全覆蓋下中磷和高磷差異性不顯著)，產量和水分利用效率分別提高7%～17%和0.1%～2.0%，產量和水分利用效率以低磷最低(P<0.05)；不覆蓋對照條件下，耗水量、產量和水分利用效率均以高磷最高，且產量顯著高于其他處理，以低磷最低。夏覆蓋和不覆蓋中，產量最高的處理分別是全覆蓋中磷、不覆蓋高磷，兩者產量差值達46%，水分利用效率差值達22%。可見，夏覆蓋下配施135 kg/hm2磷肥有利于產量和水分利用效率的提高(表3)。

表3 夏覆蓋和磷肥對旱地小麥產量、水分利用效率的影響Tab.3 Effect of mulch in summer and phosphorus fertilizer on grain yield, water use efficiency of dryland wheat

2.3 夏覆蓋和磷肥對小麥籽粒碳氮積累的影響

2.3.1 夏覆蓋和磷肥對籽粒碳氮積累動態變化的影響 由圖2可知，籽粒淀粉含量花后5～35 d以中磷最高，低磷最低。籽粒蛋白質含量花后5～15 d以中磷最高，花后5～10 d以低磷最低，花后15 d以高磷最低，花后20～35 d以中磷最低，花后20，30～35 d以低磷最高，花后25 d以高磷最高。可見，夏季采用全覆蓋保水條件，135 kg/hm2磷肥促進灌漿初期和中期、180 kg/hm2磷肥促進灌漿后期籽粒淀粉積累，而135 kg/hm2磷肥促進灌漿初期、180 kg/hm2磷肥促進灌漿中期、75 kg/hm2磷肥促進灌漿后期籽粒蛋白質積累。

2.3.2 夏覆蓋和磷肥對籽粒淀粉、蛋白質含量及其產量的影響 由表4可知，與不覆蓋對照相比，夏覆蓋籽粒淀粉含量及其產量、蛋白質產量提高，且同等磷肥條件下全覆蓋高于半覆蓋，而籽粒蛋白質含量降低，且同等磷肥條件下半覆蓋高于全覆蓋。覆蓋條件下，籽粒淀粉含量及其產量、蛋白質產量中磷最高(P<0.05)(淀粉含量中磷和高磷差異不顯著)，而籽粒蛋白質含量高磷最高，中磷最低；不覆蓋條件下，籽粒淀粉含量及其產量、蛋白質產量高磷最高，淀粉和蛋白質產量低磷最低，而籽粒蛋白質含量高磷最低(P<0.05)，低磷最高(P<0.05)。可見，夏覆蓋配施135 kg/hm2磷肥籽粒的淀粉含量及其產量、蛋白質產量提高，但籽粒蛋白質含量降低，而不覆蓋配施180 kg/hm2磷肥較好。

圖2 全覆蓋配施磷肥對旱地小麥花后籽粒淀粉、蛋白質含量的影響Fig.2 Effect of full-mulch in summer and phosphorus fertilizer on starch and protein content in dryland wheat grain after anthesis

表4 夏覆蓋和磷肥對旱地小麥籽粒淀粉、蛋白質含量及其產量的影響Tab.4 Effect of mulch in summer and P fertilizer on starch and protein content and yield of grain of dryland wheat grain

2.4 各生育時期土壤蓄水量、籽粒產量與碳氮積累間的關系

2.4.1 土壤蓄水量與籽粒產量和碳氮積累的相關關系 由表5可知，夏覆蓋配施磷肥條件下，播種期、返青期、拔節期和開花期土壤蓄水量與產量、籽粒淀粉和蛋白質含量呈顯著或極顯著關系，其中，播種期、開花期土壤蓄水量分別與籽粒蛋白質含量、產量無顯著關系；播種期、返青期和拔節期土壤蓄水量與籽粒產量和籽粒淀粉含量呈極顯著正相關關系，開花期土壤蓄水量與籽粒淀粉含量呈顯著負相關關系；返青期和拔節期土壤蓄水量與籽粒蛋白質含量呈顯著或極顯著負相關關系，開花期土壤蓄水量與籽粒蛋白質含量則呈顯著正相關關系。可見，播種期、返青期、拔節期土壤蓄水量提高，有利于旱地小麥產量和籽粒淀粉含量的增加，開花期土壤蓄水量則相反；返青期和拔節期土壤蓄水量的提高，不利于籽粒蛋白質含量的增加，開花期土壤蓄水量則相反。

表5 小麥各生育時期土壤蓄水量與籽粒產量、蛋白質和淀粉含量的相關關系Tab.5 Relationship between soil water storage and grain yield, starch and protein content in different growth stages of wheat

注：*.P<0.05水平差異顯著；**.P<0.01水平差異極顯著。

Note:*.Significant difference atP<0.05;**.Significant difference atP<0.01.

2.4.2 籽粒產量與蛋白質產量、淀粉產量的關系 以產量為橫坐標，籽粒蛋白質產量、淀粉產量為縱坐標，擬合曲線得到以籽粒產量為自變量的線性函數，隨著自變量的增大，因變量蛋白質產量、淀粉產量呈遞增趨勢。籽粒蛋白質和淀粉產量在產量4 178 kg/hm2處最低，但產量不是最低；蛋白質和淀粉產量在產量6 100 kg/hm2處最大，且產量達到最高，即全覆蓋+中磷處(圖3)。可見，全覆蓋配施135 kg/hm2磷肥能夠實現產量和品質同步提高。

圖3 夏覆蓋和施磷肥下旱地小麥籽粒產量與蛋白質、淀粉產量的關系Fig.3 Relationship between grain yield, protein yield and starch yield of dryland wheat under summer mulch and phosphorus application amount

3 結論與討論

深翻能夠打破犁地層，增加耕作層厚度和疏松度，增強通氣透水性，有效納蓄降雨。王秋菊等[22]研究表明，深翻0～30 cm土壤通氣系數和飽和透水系數10～20 cm，20～30 cm土層分別是淺旋的5.42,3.14,2.86,3.87 倍。黨建友等[23]對于山西省南部丘陵旱地深翻時間研究表明，8月上中旬深翻較7月中旬深翻0～200 cm土壤多蓄水23～45 mm。休閑期地膜覆蓋能有效積蓄天然降水，減少土壤水分蒸發，提高播前底墑。廖允成等[19]研究表明，休閑期地膜秸稈2種覆蓋較露地栽培能多蓄水108 mm，蓄水效率達73.2%，最終提高底墑。鄭國璋等[24]研究表明，休閑期地膜覆蓋較不覆蓋0～100 cm土壤蓄水量增加28 mm。本研究結果表明，夏季深翻后覆蓋能有效蓄積降水，播種期較不覆蓋0～100 cm土壤蓄水量增加27.47～43.09 mm，休閑期蓄水效率顯著提高7.51%～11.79%，且全覆蓋播種期底墑高于半覆蓋。說明山西省南部旱地麥田休閑期采用深翻后覆蓋能夠提高播前底墑，全覆蓋效果較好。

孟曉瑜等[25]和呂麗華等[26]研究表明，底墑決定了水分和磷肥利用的程度，磷肥能促進小麥根系的發育，增加對土壤深層水分吸收的能力，緩解干旱對產量的不利影響。邢丹等[27]研究表明，一定氮肥條件下，增施磷肥小麥籽粒產量顯著提高，但施磷量存在閾值，即超過閾值籽粒產量不升反降。本研究表明，夏覆蓋增加底墑基礎上，配施磷肥有利于花前土壤水分、籽粒產量和水分利用效率的提高，全覆蓋配施135 kg/hm2磷肥效果最好，而不覆蓋條件下配施180 kg/hm2磷肥效果較好，產量和水分利用效率的差值分別達46%和22%。說明底墑充足條件下，較低的施磷量，就可實現較高的花前土壤蓄水量、產量和水分利用效率。

底墑和磷肥影響小麥干物質的累積、向籽粒的轉移量及其比例，進而影響籽粒產量[25,28]。本研究表明，全覆蓋條件下，135 kg/hm2磷肥分別促進灌漿初期和中期籽粒淀粉積累、灌漿初期蛋白質積累。夏覆蓋配施135 kg/hm2磷肥成熟期籽粒的淀粉含量及其產量、蛋白質產量提高，但籽粒蛋白質含量降低，且全覆蓋高于半覆蓋，籽粒蛋白質含量相反，而不覆蓋配施180 kg/hm2磷肥較好。說明底墑制約籽粒淀粉、蛋白質的積累，淀粉含量和蛋白質含量的不同步是由產量提高幅度大于植株吸氮量增加幅度，籽粒蛋白質被稀釋造成的[29]；磷肥通過增強植株對土壤水分的吸收能力，進而提高其抗旱性，促進籽粒灌漿進程順利進行。

此外，播種期、返青期和拔節期土壤蓄水量與籽粒產量、淀粉含量呈極顯著正相關關系，返青期和拔節期土壤蓄水量與籽粒蛋白質含量呈顯著或極顯著負相關關系；開花期土壤蓄水量與籽粒淀粉含量呈顯著負相關、與籽粒蛋白質含量呈顯著正相關。說明播前底墑、器官建成階段前期土壤蓄水量提高有利于于小麥增產，但會降低籽粒營養品質；開花期土壤蓄水量虧缺能提高其籽粒營養品質，即適度干旱有利于籽粒品質的提高[30]。以籽粒產量、淀粉和蛋白質產量擬合回歸方程得到線性函數，產量最高處理為全覆蓋配施135 kg/hm2磷肥處，說明夏覆蓋配施磷肥的耕作栽培技術能夠實現產量和品質的同步提升。

旱地麥田夏覆蓋配施磷肥條件下，播前底墑提高有利于增產；返青期、拔節期土壤蓄水量提高導致籽粒淀粉含量增加，籽粒蛋白質含量下降，而開花期土壤蓄水量則相反。休閑期深翻配套覆蓋較不覆蓋顯著增加播前底墑，全覆蓋底墑增幅高于半覆蓋；覆蓋條件下，施中磷(135 kg/hm2)較施低磷(75 kg/hm2)、高磷(180 kg/hm2)增加了小麥越冬期、返青期、拔節期和抽穗期土壤蓄水量，降低了開花期和成熟期土壤蓄水量。綜上所述，全覆蓋配施135 kg/hm2磷肥可增加返青期和拔節期的土壤蓄水量，提高籽粒產量、淀粉產量；降低開花期土壤水分，提高籽粒蛋白質產量。