旱地冬小麥植株磷素吸收利用及產量對覆蓋方式的響應

程宏波

（甘肅農業大學 生命科學技術學院，甘肅 蘭州 730070）

小麥穩產高產一直以來在我國糧食安全中起著重要作用[1]。磷是僅次于氮素的作物生長第2 重要元素，磷肥施入雖是快速、有效增產，緩解土壤供磷不足的有效措施，但傳統種植過程中磷肥過施現象較為普遍[2]，且多年來磷肥用量的增長速率遠高于作物產量增長速率，未根據作物對磷素的需求量，盲目過施磷肥會導致農田磷素大量積累，通過地表徑流進入水體，進而造成水體富養化，加重環境負擔[3]。

農業覆蓋技術作為西北黃土高原旱作雨養農區的重要栽培措施，具有蓄水保墑、調節低溫、穩產增產等的作用[4-5]，一定程度上解決了小麥生育期內水分不足、產量不穩定等問題。研究表明[6]，地膜和秸稈長期覆蓋能有效增加土壤有機質和速效養分含量，進而促進作物養分吸收和生長發育；雷炳樺等[7]和楊小敏等[8]在西北黃土區旱作小麥研究表明，地膜覆蓋和秸稈覆蓋均能促進冬小麥磷元素的積累和轉運，全年地膜全覆蓋使冬小麥籽粒磷素積累量較無覆蓋處理增加23.5%，也印證了覆蓋方式促進作物磷素積累的觀點。以往對籽粒產量形成的磷素需求量和生理效率的研究集中于區域間土壤肥力差異帶來的作物養分效益差異，而有關不同覆蓋措施對籽粒產量形成的磷素需求量和生理效率鮮有報道。

本試驗依托甘肅省通渭縣平襄鎮甘肅農業大學旱作循環農業試驗示范基地，展開不同覆蓋條件對冬小麥植株磷素吸收利用影響的研究，以期為旱作農區推廣覆蓋栽培技術提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018、2019 年在甘肅省定西市通渭縣平襄鎮甘肅農業大學旱作循環農業試驗示范基地（35°11′N，105°19′E）進行，該地屬溫帶半干旱氣候，作物一年一熟，近年平均年降雨量為390.7 mm，但雨水集中在每年的7—10 月，與冬小麥生育時期相錯，為西北黃土高原典型旱作雨養農區。本試驗中，2018 年冬小麥生育時期內總降水量（272.5 mm）大于2019 年（239.5 mm）（圖1）。試驗區土壤為黃綿土，0～20 cm 土層平均容重為1.25 g/cm3；土壤有機碳含量為5.52 g/kg，全氮含量為0.65 g/kg，有效磷含量為10.63 mg/kg，有效鉀含量為107.1 mg/kg，pH 值為8.5。

圖1 冬小麥生育時期有效降雨量Fig.1 Effective precipitation during winter wheat growth period

1.2 試驗材料

供試冬小麥品種為康莊974。

1.3 試驗設計

試驗采用完全隨機區組設計，覆蓋方式設3 組處理，分別為：無覆蓋完全露地種植（CK，旋耕整地，耱平后進行機械式條播，行間距17 cm）、地膜覆蓋（PM，旋耕整地，耱平后全膜覆蓋，地膜覆土1 cm，機械穴播，行間距17 cm）、玉米秸稈帶狀覆蓋（SM，設計種植帶寬70 cm，秸稈覆蓋帶寬50 cm，秋季機械條播5 行小麥于70 cm 種植帶上，行距17 cm，越冬前小麥三葉期后50 cm 覆蓋帶上進行玉米整稈覆蓋，秸稈擺放方向與小麥播種行平行，為防止秸稈壓苗，小麥邊行與秸稈間距離為5 cm，玉米秸稈覆蓋量為風干質量9 000 kg/hm2）。各小區面積均為180 m2（30 m×6 m），每個處理進行3 個重復。各處理小麥播種量均為225 kg/hm2。各處理所施純氮120 kg/hm2、P2O590 kg/hm2，均作為基肥在旋耕整地時一次性施入，生育時期內不再追肥，在開花期進行1～2 次“一噴三防”作業。

1.4 測定項目及方法

冬小麥成熟期各處理按小區全部實收、單獨脫粒計產，現場稱鮮質量，曬干后稱質量，測定產量。在冬小麥收獲前3 d 采用五點取樣法，每小區隨機選5 個點取考種樣，每個點取5～10 株，將每小區的植株樣混勻，在混合樣中隨機選取20 株長勢均勻、健康的植株樣進行室內考種，測定單株干質量、器官干質量、穗數、穗粒數和千粒質量。

1.5 數據處理

采用SPSS 25.0 的LSD 法對數據進行顯著性差異檢驗，并用SigmaPlot 14 繪圖。

2 結果與分析

2.1 產量及其構成因素對覆蓋方式的響應

從表1 可以看出，覆蓋栽培均可顯著提高旱地冬小麥籽粒產量和地上部分生物量，但是秸稈帶狀覆蓋（SM）和地膜覆蓋（PM）實現增產增效的途徑和機理不同。相較于CK，2 a 中PM 處理分別增產14.0%和10.7%，SM 處理分別增產14.0%和5.7%。分析產量三要素可知，覆蓋栽培下冬小麥千粒質量與CK 相近；SM 處理較CK 提高了穗粒數，2 a 分別提高4.9%和2.7%，單位面積穗數則與CK 相近；PM 處理較CK 顯著提高了單位面積穗數，2 a 增幅分別為26.9% 和24.6%，穗粒數則分別顯著降低9.8%和14.6%。分析生物產量和收獲指數可知，相較于CK，2 a 的SM 處理生物產量分別提高3.5%和7.9%，收獲指數相近；PM 處理生物產量分別提高15.2%和40.4%，而收獲指數分別降低0.5、10.5 百分點。

表1 覆蓋對產量三要素的影響Tab.1 Effects of mulching on yield and three essential factors of yield

2.2 植株磷素含量對覆蓋方式的響應

覆蓋對植株磷元素含量的影響如圖2 所示。

圖2 覆蓋對植株磷元素含量的影響Fig.2 Effects of mulching on phosphorus content in plants

從圖2 可以看出，比較冬小麥植株器官養分發現，各器官中全磷含量從大到小均表現為：籽粒＞穎殼＞莖葉。分析各器官磷素積累量可知，與CK相比，PM 處理的籽粒和莖葉全磷含量在2019 年分別顯著降低12.1%和48.0%（P＜0.05），2 a 的穎殼全磷含量分別顯著降低35.5% 和58.3%（P＜0.05）；而2 a中SM處理各器官磷素含量較CK 均無顯著差異。

2.3 磷素吸收對覆蓋方式的響應

由表2 可知，由于2 a 間小麥產量差異較大，2018 年植株和籽粒的磷素表觀積累量、磷肥偏生產力、磷肥吸收效率均顯著高于2019 年，分別提高54.9%、51.6%、55.7%及16.2 百分點；年際間磷素收獲指數差異不大。

表2 覆蓋對小麥磷素吸收的影響Tab.2 Effects of mulching on phosphorus uptake of wheat

分析處理間植株和籽粒磷素表觀積累量差異可知，2 a SM 處理與CK 間均無顯著差異；而2 a PM 處理植株磷素表觀積累量較CK 分別顯著提高8.9% 和16.4%（P＜0.05），2018 年籽粒磷素表觀積累量顯著提高11.5%（P＜0.05）。覆蓋對磷素的吸收效率和收獲指數影響較小，相較于CK，2 a PM 處理磷素收獲指數分別提高2.2、2.3 百分點，SM處理則分別降低1.0、3.8百分點；2019 年處理間磷肥吸收效率無顯著差異，PM 處理在2018 年較CK 顯著提高4.0 百分點（P＜0.05）。分析處理間磷肥偏生產力和磷素平衡可知，2 a 處理間磷素平衡差異均未達到顯著水平；相較于CK，2 a SM 處理磷肥偏生產力略有提高，但未達到顯著水平，而2 a PM 處理磷肥偏生產力則分別顯著提高13.9%和10.8%（P＜0.05）。

2.4 磷素生理效率對覆蓋方式的響應

從表3 可以看出，年際間產量形成的磷素生理效率以及磷素需求量差異不大，2018 年處理之間差異不顯著，而2019 年PM 處理較CK 顯著降低了籽粒需磷量13.9%，相應的，其籽粒產量形成的磷素生理效率較CK 顯著提高了16.9%（P＜0.05）。

表3 覆蓋對磷素生理效率的影響Tab.3 Effects of mulching on phosphorus physiological efficiency

籽粒養分形成的生理效率和需求量表現出處理間差異顯著。2018 年小麥高產導致籽粒養分形成的生理效率明顯高于2019 年，平均高出72.8%。與CK 相比，2 a 的PM 處理籽粒養分形成的生理效率均有顯著提高，2018、2019 年分別顯著提高6.5%和8.0%（P＜0.05），使2 a 籽粒養分形成的需磷量分別 顯著降低6.5% 和7.3%（P＜0.05）；2018 年SM 處理較CK 無顯著差異，2019 年生理效率顯著提高10.2%，相應的需磷量顯著降低9.8%（P＜0.05）。

2.5 收獲期土壤養分對不同覆蓋方式的響應

從表4 可以看出，與CK 相比，2 a 的PM 處理平均顯著降低銨態氮含量36.5%、速效磷含量35.7%（P＜0.05），略提高硝態氮含量6.1%。SM 處理較CK 降低銨態氮含量6.0%、提高速效磷含量14.0%；覆蓋對硝態氮含量的影響在不同年份差異比較大，具體表現為，2018 年SM 處理顯著提高硝態氮含量27.2%，2019 年則顯著降低7.2%（P＜0.05）。覆蓋對收獲期土壤養分含量的影響以2018 年更為突出。

表4 覆蓋對土壤養分含量的影響Tab.4 Effects of mulching on soil nutrient content

3 結論與討論

覆蓋技術通過改善和調節土壤水、肥、氣、熱狀況，改善作物根系土壤微生態環境活動狀態，進而可以影響土壤養分的轉化和供應能力[9]，直接影響作物產量和植株對養分吸收利用的能力[10-11]。結合2 a 平均數據可以看出，覆蓋栽培措施均能夠實現旱地冬小麥顯著增產，但是各器官磷素含量存在有不同程度降低，這可能是覆蓋栽培處理小麥開花前土壤礦質氮和速效磷含量減少，使花后養分供應不足，導致籽粒磷素含量降低[12-13]，但是覆蓋栽培有助于小麥群體生長，使其群體磷素表觀積累量與露地平作并無顯著差異，甚至在雨水相對充足的年份，出現了地膜覆蓋磷素表觀積累量高于露地平作的現象。

為追求高產，傳統小麥栽培中肥料過量施入的現象較為普遍，從而導致土壤養分失衡和氮素過量積累，旱地土壤中殘留的硝態氮和銨態氮雖然具有很高的生物學效應，但其具有潛在的淋溶損失傾向，如果不能及時被作物吸收利用，在地表水分徑流的作用下，很可能被淋洗入滲，造成地下水污染[14]。本試驗中玉米秸稈帶狀覆蓋下土壤銨態氮含量有效降低，地膜覆蓋降幅更為顯著，這與騰珍珍等[15]在北方玉米覆蓋研究的結果一致，而地膜覆蓋銨態氮降幅更為顯著，這與謝永春等[16]在干旱半干旱農區春小麥和冬小麥覆蓋研究的結果一致；麥田加以秸稈覆蓋能有效提高小麥耕層土壤速效磷含量，這與李廷亮等[17]在旱地麥田研究結果一致。

磷肥施入量的增加在一定界值范圍之內雖然能夠顯著提高作物產量，但是加大了地力、環境和農戶成本負擔，且不同區域的土壤、降雨等環境因子不同，因而，小麥產量與需磷量也存在差異。黃倩楠等[18]通過對我國各小麥主產區多點農戶調研和取樣分析得出，每100 kg 小麥籽粒形成的所需磷元素為0.4 kg，而西北旱作農區土壤地力不足，降雨少且季節分配不均，加之惡劣氣候因素，制約小麥生長發育，需磷量也低于國內其他主要麥區，意味著采用科學的田間管理栽培措施較盲目依賴磷肥施用能帶來更高的經濟效應，本試驗不同覆蓋方式均能夠有效提高籽粒產量和養分形成的磷素生理效率，降低其需磷量，促進冬小麥植株內磷元素的積累與轉化。

在西北雨養旱作農區實施地表覆蓋栽培技術，通過不同的調控機制實現冬小麥增產穩產的同時，能有效提高冬小麥籽粒產量形成的磷素生理效率，降低對磷素的需求量，避免了冬小麥生長過程中對磷肥施用的過度依賴，緩解高施肥造成的一系列環境危害，且玉米秸稈作為西北農業生產中主要農作物副產物，是兼具就地取材和緩解環境壓力作用的有機肥原物質，適宜該地區推廣使用，減少農戶投入成本，提高農業經濟效益。