氮肥調控與地膜覆蓋對晉南旱地小麥產量及氮肥利用效率的影響

馮悅晨，于志勇，周懷平，解文艷，楊振興

（山西農業大學資源環境學院，山西 太原 030031）

冬小麥是晉南地區重要的糧食作物，對保障我國糧食安全有著重要作用，然而土壤貧瘠和水分不足嚴重制約著該地區冬小麥的生產發展，施用化肥和采用地膜覆蓋措施成為該地區糧食增產的重要措施［1-2］。化肥在我國糧食增產方面起到巨大的推動作用，而農作物的產量與施肥量呈二次拋物線關系，當肥料施用量達到作物產量的最高值時，繼續增加肥料施用量不僅不會增加作物產量，反而會造成肥料浪費和環境污染，甚至會造成作物產量的下降［3］。研究表明，近年來我國的化肥使用量增加了34%，但糧食產量卻下降了1.4%，化肥的利用效率和增產效應明顯下降［4］。因此，研究氮肥調控與地膜覆蓋對晉南旱地小麥產量及氮肥利用效率的影響對指導當地旱作小麥減肥增產具有重要意義。

氮肥是冬小麥生長發育最重要的營養元素，在農業生產過程中盲目施用氮肥已成為最常見的增產手段［5］。研究發現，我國施入農田的氮肥只有35%可以被作物吸收利用，其余很大一部分以氨揮發、淋溶、表觀硝化-反硝化和徑流等形式損失［6］。因此，在晉南冬小麥種植區必須合理使用氮肥，提高氮肥利用率。研究表明，在傳統施肥基礎上減少氮肥施用量20%，不僅不會影響作物的產量，同時還能減少土壤中氮素的殘留量，提高氮肥的農學效率和偏生產力［7-8］。地膜覆蓋是增加作物產量的重要手段，地膜覆蓋可明顯改善耕層土壤的溫度和水分條件，從而增加微生物的活動，加快土壤有機質的分解，增加土壤養分含量，在覆膜的基礎上增加氮肥的施用量，再加上氮肥具有的激發效應，可加快這種作用［8-10］。地膜覆蓋使大部分降水集中到溝槽中，增強水分在土壤中的橫向運動，從而延緩土壤硝態氮的深層淋溶，同時地膜覆蓋可增加作物對氮元素的吸收和利用，提高作物產量，從而減少土壤中氮元素的殘留和積累［11-13］。前人對氮肥調控的研究多集中于不同的氮肥施用量或在傳統農戶施肥基礎上定量減施氮肥對冬小麥生長發育及產量的影響上，而未結合研究區域的氣侯特點、土壤養分供應狀況和作物的養分需求特征，因此，其研究結果對實際生產指導具有一定的局限性。

本研究在前期對晉南冬小麥種植區土壤養分調查的基礎上，依據冬小麥生育期的氮肥需求特征，在測土配方施肥與地膜覆蓋條件下連續2 年監測冬小麥群體動態、干物質量積累和產量情況以及氮肥利用效率，以期為黃土旱塬冬小麥減肥增效生產提供一定理論依據和示范推廣模式。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西洪洞縣甘亭鎮李村（36°10′N，111°37′E，海拔464 m）。試驗區屬于溫帶季風氣候，年均溫12.6℃，年平均日照時數2419 h，≥10 ℃活動積溫3327 ℃，無霜期180～210 d，年均降水量約500 mm，約70%集中在6～9 月。供試土壤為石灰性褐土，土壤質地為中壤土，2017 年播前耕層土壤理化性狀如表1所示。

表1 2017 年播前耕層土壤理化性狀

1.2 試驗設計與管理

試驗始于2017 年10 月，于2019 年6 月結束，設置5 個處理。處理1 為農戶種植模式（農戶模式T1），常規平作，不覆膜，行距20 cm，施肥量為當地農民習慣的施肥量，具體為N：150 kg·hm-2，P2O5：60 kg·hm-2。處理2 為測土配方施肥模式（測土配方T2），耕作方式同農戶模式，常規平作，不覆膜，行距20 cm，施肥量根據土壤中養分含量和冬小麥預期產量養分需求量來測算。處理3 為測土配方+壟膜溝播模式（壟膜溝播T3），在測土配方施肥模式的基礎上，壟上覆膜，溝內播種，壟寬35 cm，溝寬30 cm。處理4 為測土配方+全膜穴播模式（全膜穴播T4），在測土配方施肥模式的基礎上，全地面平鋪地膜，膜上覆土厚度0.5～1 cm，播種深度3～5 cm，行距15～16 cm，穴距12 cm，采用120 cm 寬幅膜，每幅膜播7～8 行。對照（CK）不施肥。每個處理4 次重復，每塊地設置1 個重復，采用隨機區組排列。試驗中施用的氮肥為尿素（N 46%），磷肥為過磷酸鈣（P2O512%），均作底肥均勻施入土壤，播前淺旋耕，深度12～15 cm，旋耕后耙平。冬小麥品種為“晉麥47 號”，播量為150 kg·hm-2，播種時間為每年10月初，收獲時間為次年6 月初，6～9 月為夏閑期，冬小麥在整個生育期不灌溉。具體施肥量見表2。

表2 試驗地各處理養分用量（N-P2O5-K2O，kg·hm-2）

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集

試驗期間分別于小麥的返青期（3 月8～16日）、拔節期（4 月10～15 日）、揚花期（5 月3～6 日）和收獲期（6 月5～10 日）在各處理對應小區隨機采集地上部小麥植株樣品10 株，烘干粉碎后測定干物質積累量和植株全氮含量；分別于2017～2019 年冬小麥播種前和收獲后，以20 cm為一層，每小區進行多點采樣，采集0～2 m 土壤樣品用于測定土壤硝態氮。

1.3.2 測定項目與方法

小麥群體的測定：從三葉期開始，每個小區選3 個樣點，每點長1 m，基本苗由3 樣點的苗數平均值折算而成，并進行標記，在冬小麥拔節期、孕穗期、灌漿期、成熟期進行葉蘗動態監測。

小麥地上部干物質量的測定：將各生育期采集的地上部小麥植株于105℃的烘箱中殺青30 min，60℃烘干至恒重，冷卻后稱其干物質的重量。

產量和考種：小麥收獲期，在各小區隨機收獲15 m×2 m=30 m2的小麥，脫粒計算產量；并收獲各小區所標記的3 m×1 m的小麥樣段，測算公頃穗數、穗粒數和千粒重等指標。

小麥地上部全氮含量的測定：采用H2SO4-混合加速劑消解，用全自動蒸氮儀FOSS-Kjeltec 8400測定植株和籽粒全氮含量。

土壤硝態氮的測定：用2 mol·L-1KCl 進行振蕩提取，用全自動間斷化學分析儀（SMARTCHEM 200，法國Alliance 公司產）測定土壤NO3--N 含量。

1.3.3 計算方法

N 收獲指數（%）=籽粒氮素積累量（kg·hm-2）/地上部氮素積累量（kg·hm-2）×100；

N 生理效率（kg·kg-1）=籽粒產量（kg·hm-2）/地上部氮素積累量（kg·hm-2）×100；

N 肥表觀回收率=［施N 肥后作物收獲時地上部的吸N 總量-未施N 肥作物收獲期地上部分的吸N 總量］/化肥N的投入量；

N 偏生產力（kg·kg-1）=施N 肥后所獲得的生物產量（kg·hm-2）/化肥N的投入量（kg·hm-2）。

1.3.4 計算方法和數據處理

試驗數據用Excel 2016 整理作圖，并用 SPSS 19.0 軟件進行統計分析，采用 LSD 法檢驗P＜0.05水平上的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 氮肥調控與地膜覆蓋對冬小麥群體動態的影響

經過連續2 年耕作，不同年份的冬小麥群體動態和成穗率如表3 所示。由表3 可知，在冬小麥的整個生育期內，冬小麥的群體動態呈現先升高后降低的趨勢，在返青期達到最高，由返青期到成熟期又逐漸降低。在冬小麥越冬期，T1 與T2 無顯著差異，均值分別為488.4 萬和490.0 萬株·hm-2，覆膜種植較不覆膜群體動態增加16.4%～18.8%，且差異顯著。從拔節期到收獲期，T1 與T2的冬小麥群體動態無顯著差異，在其基礎上進行覆膜種植后，T3 較不覆膜增加5.1%～16.8%，T4 較不覆膜增加14.3%～30.8%，且差異均達顯著水平，說明地膜覆蓋可顯著增加冬小麥返青期到成熟期的群體動態。各處理對冬小麥的成穗率無顯著影響。

表3 各生育期群體總莖（穗）數的動態變化及成穗率

2.2 氮肥調控與地膜覆蓋對冬小麥干物質積累的影響

經過連續兩年耕作，不同年份的冬小麥干物質積累量如表4 所示。從表4 可看出，各處理冬小麥的干物質積累量從越冬期至收獲期均呈上升趨勢，尤其是在拔節期至收獲期增加更為明顯。T2處理拔節期的干物質積累量高于T1 處理，且均值呈顯著性差異，其余生育期和T1 處理無顯著差異；在T2 基礎上進行覆膜種植，T3 和T4 處理整個生育期內的干物質積累量分別增加5.7%～21.8%和9.3%～31.4%，且差異均達顯著水平。收獲期較T2 處理分別顯著增加7.5%和12.2%；T4 處理收獲期的干物質積累較T3 處理顯著增加4.4%；說明地膜覆蓋可顯著增加冬小麥生育期內的干物質積累量，全膜穴播的增加效果更加顯著。

表4 不同種植模式對旱地冬小麥干物質積累的影響 （kg·hm-2）

2.3 氮肥調控與地膜覆蓋對冬小麥產量的影響

經過連續2 年耕作，不同年份的冬小麥產量和千粒重如表5 所示。從表5 可看出，不同年份冬小麥的產量均表現為T4＞T3＞T2＞T1。T1的冬小麥產量為3013.3～4219.5 kg·hm-2，均值為3616.4 kg·hm-2。T2 較T1 在2 年內減少氮肥施用量23%的情況下，冬小麥產量增加了2.4%，充分證明了在晉南地區通過測土配方施肥在保障冬小麥產量穩定的情況下，減少氮肥施用量的可行性。在T2的基礎上進行地膜覆蓋后，T3 和T4的冬小麥產量較不覆膜都有所增加，增加幅度分別為18.5%和33.4%，T4 對冬小麥產量的增加效果更加明顯，說明在晉南地區在測土配方施肥的基礎上進行地膜覆蓋后可顯著增加冬小麥的產量。T1的兩年千粒重分別為43.2 和38.8 g，均值為41.0 g，T2 兩年千粒重分別為43.2 和38.6 g，均值為40.9 g，T1 和T2間無顯著差異。與T2 相比，冬小麥千粒重在T3 和T4 處理分別顯著增加了7.1%和11.4%。說明地膜覆蓋會顯著增加冬小麥的千粒重，全膜穴播的增加幅度更加顯著。

表5 不同種植模式下冬小麥的產量和千粒重

2.4 氮肥調控與地膜覆蓋對氮肥利用效率的影響

經過連續2 年耕作，不同年份的氮肥利用效率如表6 所示。從表6 可看出，T1的氮肥收獲指數均值為44.9%、氮生理效率為34.1 kg·kg-1、氮肥表觀回收率為13.6%、氮肥偏生產力為24.1 kg·kg-1，T2 較T1 在2 年總施氮量減少23%的情況下，氮肥收獲指數提高了6.0%，氮生理效率降低了3.4%，氮肥偏生產力提高了34.4%，且差異呈顯著水平。在 T2 基礎上進行覆膜種植，T3 和T4的氮肥收獲指數較T2 分別提高了3.2%和3.6%，氮生理效率分別降低了5.0%和9.7%，氮肥表觀回收率分別提高了80.1%和198.1%，氮肥偏生產力提高了18.2%和33.0%。

表6 不同種植模式下氮肥利用效率

3 討論

3.1 氮肥調控對晉南旱地小麥產量及氮肥利用效率的影響

測土配方施肥以土壤有效養分分析為基礎，依據作物養分需求規律以及肥料效應規律，針對特定區域和作物提出的肥料施用量、施用時間和施用的方法，實現作物生產按需供肥，達到高產高效和優質的目的［14］。本研究發現，在連續兩年種植過程中，測土配方模式較農戶模式在氮肥總施用量減少23.0%的情況下，收獲期冬小麥的群體總莖（穗）數和干物質積累量無顯著差異，且產量增加了2.4%，氮肥收獲指數提高了6.0%，氮肥偏生產力提高了34.4%。說明在晉南旱地冬小麥種植區，通過測土配方施肥可減少氮肥施用量，實現冬小麥群體結構和干物質積累量的穩定，提高冬小麥產量和氮肥利用效率。雷炳樺等［15］在5 年試驗研究中表明，農戶模式與農戶減氮模式對冬小麥的干物質積累量和產量無顯著影響，這與本研究的結果一致。合理的施用氮肥有助于提高冬小麥的產量，但過量施用氮肥會降低小麥有效成蘗率，最終導致產量降低［16］。農戶模式過量施用氮肥延緩了植株衰老，降低花后營養器官氮素向籽粒的轉移率，不利于籽粒中氮素的積累，從而降低氮肥收獲指數［17］。測土配方施肥較農戶模式在減少氮肥施用量的同時又保證了冬小麥的籽粒產量，因此提高了氮肥的偏生產力。

3.2 地膜覆蓋對晉南旱地小麥產量及氮肥利用效率的影響

水分是限制旱地作物產量最主要的因素，地膜覆蓋可通過改善土壤水熱狀況從而促進作物生長發育、提高作物產量［18］。在測土配方施肥基礎上進行覆膜種植，壟膜溝播和全膜穴播與不覆膜播種相比，冬小麥收獲期群體結構分別增加7.3%和14.3%，干物質積累量分別增加7.5%和12.2%；說明較裸地種植，地膜覆蓋可顯著增加冬小麥生育期內的群體動態和干物質積累量。在晉南旱地小麥種植區，降水量不足和季節分布不均勻是限制冬小麥生長發育的重要因素，而地膜可有效阻礙土壤與大氣之間的水分交換，將土壤的有效水分保留在土壤中，從而增加冬小麥的群體動態和干物質積累量［19-20］。壟膜溝播和全膜穴播冬小麥的產量較不覆膜分別增加18.5%和33.6%，氮肥收獲指數分別提高了3.2%和3.6%，氮生理效率分別降低了5.0%和9.7%，氮肥表觀回收率分別提高了79.7%和198.1%，氮肥偏生產力分別提高了18.2%和33.0%。地膜覆蓋可使地膜和土壤水分之間形成一個相對獨立的水分循環系統，增加土壤水分的橫向運動，同時也能增加對地下水的利用效率，良好的保水和保溫效果可進一步活化土壤養分，增加冬小麥對土壤養分的吸收利用效率，從而增加冬小麥產量［21-22］。此外，地膜覆蓋良好的保水作用提高了冬小麥花前營養器官氮素向籽粒的轉移率和花后的吸氮量，從而提高了氮肥的收獲指數［23］。地膜覆蓋對冬小麥產量增加的速率要小于地上部氮素的吸收速率，從而降低了地膜覆蓋下冬小麥的生理效率。地膜覆蓋良好的水肥調節作用可有效增加冬小麥地上部的總吸氮量和產量，因此在相同的氮肥施用量前提下，地膜覆蓋可顯著增加氮肥的表觀回收率和偏生產力。本研究中全膜穴播較壟膜溝播冬小麥收獲期的干物質積累量、產量、氮肥表觀回收率和氮肥偏生產力分別顯著增加4.4%、12.7%、65.5%和12.5%，全膜穴播較壟膜溝播具有更好的保水性能和提升土壤溫度，對提高作物產量和肥料的利用效率具有重要意義［24-25］，全膜穴播的效果要好于壟膜溝播。

4 結論

在晉南旱地冬小麥種植區經過連續2 年冬小麥種植后，測土配方施肥在2 年總施氮量減少23%的情況下，收獲期冬小麥的群體總莖（穗）數和干物質積累量無顯著差異，產量增加了2.4%，氮肥收獲指數提高了6.0%，氮生理效率降低了3.4%，氮肥偏生產力提高了34.4%，進一步證明了在晉南旱地冬小麥種植區在保障冬小麥產量的前提下減少氮肥施用量的可行性。

在測土配方施肥基礎上進行覆膜種植后，地膜覆蓋較不覆膜可使冬小麥群體結構增加5.1%～30.8%，干物質積累量增加5.7%～31.4%，產量增加18.5%～33.6%，氮肥收獲指數提高3.2%～3.6%，氮生理效率降低5.0%～9.7%，氮肥表觀回收率提高79.7%～198.1%，氮肥偏生產力提高18.2%～33.0%。

可見，在晉南旱地冬小麥種植區采用測土配方施肥結合地膜覆蓋的種植方式，可以在保證冬小麥產量的同時減少氮肥施用量，從而減小因氮肥不合理施用而導致的環境污染，該種植模式可在晉南地區進行推廣應用。