减氮结合不同覆盖对冬小麦产量、水氮利用及根系的影响

屈会峰，刘吉飞，赵护兵

(西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

减氮结合不同覆盖对冬小麦产量、
水氮利用及根系的影响

屈会峰，刘吉飞，赵护兵*

(西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100)

【目的】研究减氮结合不同覆盖措施对黄土高原旱地冬小麦的保水增产效应，探索旱地冬小麦在减氮结合不同覆盖模式下的高产、高效与环境友好型的栽培施肥技术。【方法】于2014-2016年在陕西省永寿县进行田间试验，研究减氮结合不同覆盖措施对冬小麦产量、水氮利用效率和根系的影响。【结果】在150 kg·hm-2施氮条件下，与农户减氮相比，垄覆沟播氮肥生理效率在第1年增加12 %，耗水量在第2年显著增加7 %；全膜穴播产量、播前贮水量和氮肥生理效率在第1年分别增加15 %、15 %和16 %，在第2年分别增加12 %、10 %和35 %；秸秆覆盖产量和播前贮水量在第1年分别增加9 %和16 %，水分利用效率和地上部吸氮量在第2年分别增加12 %和17 %。垄覆沟播和全膜穴播总根长在第1年分别减少35 %、26 %；秸秆覆盖总根干重、总根长在第1年分别减少63 %、43 %；第2年分别减少41 %和17 %。【结论】农户减氮相比农户模式冬小麦产量、水氮利用及根系生长均无显著影响。在150 kg·hm-2施氮条件下，与农户减氮相比，垄覆沟播提高了氮肥生理效率和耗水量；全膜穴播显著提高冬小麦产量、播前贮水量和水分利用效率，同时能够提高对氮素的吸收和利用效率；秸秆覆盖显著提高播前贮水量和水分利用效率，进而提高冬小麦产量；垄覆沟播、全膜穴播和秸秆覆盖均显著降低冬小麦总根干重和总根长。因此，减氮结合覆盖是实现旱地冬小麦增产增效的重要措施。

减氮；覆盖；产量；水分；氮肥；根系

【研究意义】由于人口不断增加和经济快速发展，导致粮食消耗量和需求量持续增长，保证粮食作物可持续增产成为全球面临的重大问题之一[1-2]。旱地约占世界陆地面积的40 %，养育着34 %的世界人口[3]，旱地农业对保证全球粮食安全有重要意义。【前人研究进展】限制旱地作物生长的两个主要因素是水分和养分，所以旱地农业的核心问题时水分和养分的调控[4-5]。旱地小麦的生产占据着中国小麦十分重要的位置。在天然降雨的情况下，旱地水分和养分的耦合效应对提高旱地冬小麦的产量、肥料利用效率以及改善土壤结构、提高土壤生产力有重要意义[6-8]。旱地冬小麦由于缺少水资源，导致产量偏低，覆盖栽培能够减少水分亏缺度，增加产量[9-11]。合理施肥，能充分利用土壤水分，提高产量及水分利用效率[12]。优化作物栽培方式，提高土壤水分和养分利用率是实现粮食作物高产稳产的主要途径。地表覆盖能够调控土壤水分和养分状况，是提高作物产量的有效措施之一。地膜覆盖在旱地是一种广泛使用的地表覆盖方式，它能够减少水分蒸发、改善地面温度，进而提高作物产量[13-14]。近年来，对小麦根系的研究已成为小麦高产、优质栽培的一个较为活跃的研究领域，施肥特别是氮磷钾合理施用，能促进冬小麦根系生长发育，使土壤水分得到充分利用，提高产量及水分利用效率[15]。苗果园等[16]研究了水肥对小麦根系整体影响及其与地上部的相关性，孙海国等[17]和张永清等[18]分别研究了缺磷胁迫和水分胁迫条件下小麦根系的生长，李金才[19]和周政玫等[20]分别研究了土壤渍水对小麦根系衰老和营养代谢的影响。【本研究切入点】在旱作区，水资源匮乏，农业生产的关键是水分和养分的合理分配，旱地农田水肥耦合效应不仅与降雨量而且和土壤底墒及根系等都有密切关系[21-22]，具有区域差异性。【拟解决的关键问题】本试验在陕西省永寿县御驾宫村黄土高原渭北旱地冬小麦种植区布置田间试验，研究减氮结合不同覆盖措施对冬小麦的产量构成、水氮需求规律以及根系生长的影响，旨在为旱地冬小麦高产、高效与环境友好型的栽培施肥技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点基本情况

试验地位于黄土高原典型旱作雨养农业区陕西省永寿县御驾宫村，东经35.7°，北纬108.2°，海拔995 m。该区属暖温带半湿润大陆性气候，年均气温在10.8 ℃左右，年平均降雨量为601.6 mm左右，主要集中在7-9月份。潜在蒸发量为807.4 mm，0～20 cm耕层土壤pH 8.1，有机质平均含量为11.7 g·kg-1，全氮0.87 g·kg-1，硝态氮14.5 mg·kg-1，铵态氮2.7 mg·kg-1，速效磷10.7 mg·kg-1，速效钾99.9 mg·kg-1，容重为1.25 g·cm-3。试验于2014年9月到2016年6月，共计2季。

1.2 试验设计

试验共设6个处理(表1)，采用完全随机区组设计，重复4次，小区面积12 m×4 m=48 m2，小麦品种为运旱20410。冬小麦生育期间无任何补充灌溉，人工控制杂草，不施入任何除草剂，且无明显病虫害发生。氮磷肥均作为底肥使用，氮肥用尿素(N含量46 %)，磷肥用过磷酸钙(P2O5含量12 %)，2种肥料在小麦播种前均匀撒入小区，翻入土壤耕层后耙平。

表1 永寿试验田不同栽培模式试验方案

1.3 测定项目及方法

1.3.1 样品采集 小麦收获期采集植物样品，每个小区中间选取3 m2样方，小麦植株连根拔起，于根茎结合处剪掉根系后，将穗、茎风干，分别称量籽粒、颖壳和茎叶干重。取100 g籽粒、50 g颖壳和50 g茎叶烘干后作为化学分析样品。小麦开花期采集根系样品，取样时，每处理取两钻，两钻合一为同一土层根系样品，每20 cm为一个层次。

1.3.2 样品测定 在播前及收获后取2 m深土样，每20 cm为一层，并测定土壤水分含量，用H2SO4-H2O2消解植物样品，用连续流动分析仪(Auto analysis 3)测定消解液的氮和磷素，用火焰光度计测定消解液的钾素。根系样品用镊子去除杂质和杂根，之后将其分层平铺于根系扫描仪玻璃板上，再采用根系分析软件对之进行分析，从而获得各处理不同阶段不同土层的根长，然后烘干后称重，即得到根干重。

1.4 试验统计方法

试验数据均用Excel和SPSS数据处理统计软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 减氮结合不同覆盖措施对冬小麦产量、生物量的影响

减氮结合不同覆盖措施对冬小麦产量及其三要素的影响因年而异(表2)。在不同氮肥水平下，农户减氮的产量相比农户模式无显著性差异。在150 kg·hm-2的施氮条件下，第1年垄覆沟播相比农户减氮仅穗数显著减少12 %；全膜穴播相比农户减氮显著增产15 %，穗数显著增加21 %，穗粒数显著增加27 %，千粒重无显著性差异；秸秆覆盖相比农户减氮显著增产9 %，穗数显著增加26 %，穗粒数显著增加21 %，千粒重无显著性差异；第2年垄覆沟播相比农户减氮产量及其三要素均无显著性差异；全膜穴播相比农户减氮显著增产12 %，穗数、穗粒数和千粒重均无显著性差异；秸秆覆盖相比农户减氮产量及其三要素均无显著性差异。

减氮结合不同覆盖措施能够增加冬小麦生物量。在不同氮肥水平下，农户减氮的生物量相比农户模式无显著性差异。在150 kg·hm-2的施氮条件下，第1年垄覆沟播的生物量相比农户减氮无显著性差异；全膜穴播的生物量相比农户减氮显著增加23 %；秸秆覆盖的生物量相比农户减氮显著增加13 %。第2年垄覆沟播的生物量相比农户减氮无显著性差异；全膜穴播的生物量相比农户减氮显著增加17 %；秸秆覆盖的生物量相比农户减氮显著增加12 %。2年生物量产量趋势相同，在减氮条件下，全膜穴播和秸秆覆盖能够显著提高冬小麦产量和生物量。

2.2 减氮结合不同覆盖措施对冬小麦水分及其利用效率的影响

由表3可知，在不同氮肥水平下，2年的农户减氮小麦播前贮水量、耗水量和水分利用效率相比农户模式均无显著性差异。在150 kg·hm-2的施氮条件下，与农户减氮相比，第1年垄覆沟播的播前贮水量、耗水量和水分利用效率均无显著性差异；全膜穴播的播前贮水量显著增加15 %，耗水量显著增加11 %，水分利用率无显著性差异；秸秆覆盖的播前贮水量显著增加16 %，耗水量显著增加11 %，水分利用率无显著性差异。第2年垄覆沟播的播前贮水量无显著性差异，耗水量显著增加7 %，水分利用率无显著性差异；全膜穴播的播前贮水量显著增加10 %，耗水量显著增加26 %，水分利用率显著增加15 %；秸秆覆盖的播前贮水量无显著性差异，耗水量显著增加11 %，水分利用率显著增加12 %。

表2 减氮结合不同覆盖措施对冬小麦产量、生物量的影响

注：同列的不同小写字母表示不同处理间的差异达到5 %的显著水平。

Note：Different small letters in the same column indicate significant differences among treatments atP<0.05.

表3 减氮结合不同覆盖措施对冬小麦水分及其利用效率的影响

2.3 减氮结合不同覆盖措施对冬小麦氮素吸收、氮肥利用率的影响

由表4可知，在不同氮肥水平下，2年的农户减氮地上部吸氮量、籽粒含氮量和氮肥利用率相比农户模式均无显著性差异。在150 kg·hm-2的施氮条件下，与农户减氮相比，第1年垄覆沟播的地上部吸氮量和籽粒含氮量均无显著性差异，氮肥利用率显著增加12 %；全膜穴播的地上部吸氮量显著增加25 %，籽粒含氮量无显著性差异，氮肥利用率显著增加16 %；秸秆覆盖的地上部吸氮量显著增加29 %，籽粒含氮量显著增加17 %，氮肥利用率无显著性差异。第2年垄覆沟播的地上部吸氮量无显著性差异，籽粒含氮量显著减少14 %，氮肥利用率显著增加24 %；全膜穴播的地上部吸氮量显著增加24 %，籽粒含氮量显著减少20 %，氮肥利用率显著增加35 %；秸秆覆盖的地上部吸氮量显著增加17 %，籽粒含氮量显著减少9 %，氮肥利用率无显著性差异。

表4 减氮结合不同覆盖措施对冬小麦氮素吸收、氮肥利用率的影响

表5减氮结合不同覆盖措施下0～100cm土层冬小麦开花期内总根干重、总根长的动态变化

Table 5 Dynamic changes of root dry weight and total root length during flowering stage of winter wheat under 0-100 cm soil layer under different nitrogen reduction and different cover measures

年份Years处理Treatments总根干重(g·m-2)Rootdryweight总根长(×103m·m-2)Rootlengthdensity2014-2015无氮对照86.1ab6.2abc农户模式71.9ab7.9ab农户减氮103.8a8.4a垄覆沟播72.1ab5.5bc全膜穴播100.1a6.2abc秸秆覆盖38.8b4.8c2015-2016无氮对照97.6ab5.0ab农户模式131.7a6.5ab农户减氮105.7a5.3ab垄覆沟播107.5a6.5a全膜穴播117.3a5.3ab秸秆覆盖62.3b4.4c

2.4 减氮结合不同覆盖措施对冬小麦开花期总根干重、总根长的影响

根系总干重、根系总根长是根系研究的重要指标。减氮结合不同覆盖措施下冬小麦根系总干重、根系总根长的变化趋势如表5。在不同氮肥水平处理下，两年的农户减氮根系总干重、根系总根长相比农户模式均无显著性差异。在150 kg·hm-2的施氮条件下，与农户减氮相比，第1年垄覆沟播的总根干重无显著性差异，总根长显著减少35 %；全膜穴播的总根干重无显著性差异，总根长显著减少26 %；秸秆覆盖的总根干重显著减少63 %，总根长显著减少43 %。第2年垄覆沟播和全膜穴播的总根干重、总根长均无显著性差异；秸秆覆盖的总根干重显著减少41 %，总根长显著减少17 %。

3 讨 论

(1)地膜覆盖可以降低土壤水分散失，改良土壤水分环境，促进小麦个体发育和群体构建，提高作物体内干物质积累及干物质向籽粒的转运能力，从而增加作物产量[23-24]。Rehman等[25]在小麦生育期覆盖地膜增产5 %，Li等[26]在春小麦生育期覆盖地膜也增产23 %。本试验在150 kg·hm-2的施氮条件下，第1年全膜穴播显著增产15 %，第2年显著增产12 %，与上述研究结果一致。另有研究表明，休闲期降雨量与小麦产量呈正相关[27]。本试验第1年休闲期降雨量较多为318 mm，且全年降雨量较多，秸秆覆盖显著增产9 %，与上述结果一致。因此，地膜覆盖措施有利于提高冬小麦产量，秸秆覆盖措施在降雨较多的年份增加冬小麦产量。

(2)侯贤清等[28]研究认为休闲期翻耕覆盖显著改善了冬小麦苗期的土壤水分状况，能有效蓄雨保墒，提高旱地冬小麦播前的土壤贮水量。本试验在150 kg·hm-2的施氮条件下，第1年全膜穴播和秸秆覆盖的播前贮水量分别显著增加15 %和16 %，第2年全膜穴播显著增加10 %，与上述研究结果一致。地面覆盖具有保温保墒、增产增收效果[29-35]。本试验第1年各处理间水分利用效率均无显著性差异，第2年全膜穴播和秸秆覆盖分别显著增加15 %和12 %，与上述结果一致，这主要是由于第2年降雨量较少，覆盖措施的保墒作用更明显。

(3)小麦籽粒氮素积累量和籽粒产量取决于植株对氮素的吸收及氮素向籽粒的转运， 而影响植株氮素吸收转运的重要因素是土壤水分状况[36-37]。本研究表明在150 kg·hm-2的施氮条件下，第1年全膜穴播和秸秆覆盖地上部吸氮量分别显著增加25 %和29 %，第2年分别显著增加24 %和17 %，第1年垄覆沟播和全膜穴播的氮肥利用率分别显著增加12 %和16 %，第2年分别显著增加24 %和35 %。主要是由于覆盖改善了土壤水分状况，促进了氮素吸收进而促进根系生长发育及对氮素的吸收与代谢，从而提高了植株氮素积累量及氮肥生理效率。

(4)作物根干重密度和根长密度是根系研究的重要指标。有研究表明，覆膜使土壤温度急剧升高，造成了根系的大量死亡和根系活性下降[38]。本试验在150 kg·hm-2的施氮条件下，第1年垄覆沟播和全膜穴播的根系总根长分别显著减少35 %、26 %，与上述研究结果一致。由于秸秆覆盖模式下，耕层温度降低，根区低温会阻止根系伸长[39-41]。本试验第1年秸秆覆盖根系总干重显著减少63 %，第2年秸秆覆盖根系总干重显著减少41 %，与前人研究结果一致。根系生长发育与冬小麦不同生育期有关，本研究只测得开花期数据，因此相关的研究有待于进一步研究。

4 结 论

农户减氮相比农户模式冬小麦产量、水氮利用及根系生长均无显著影响。在150 kg·hm2施氮条件下，与农户减氮相比，垄覆沟播提高了氮肥生理效率和耗水量；全膜穴播显著提高了冬小麦产量、播前贮水量和水分利用效率，同时能够提高对氮素的吸收和利用效率；秸秆覆盖显著提高了播前贮水量和水分利用效率，进而提高冬小麦产量。垄覆沟播、全膜穴播和秸秆覆盖均降低冬小麦总根干重和总根长。因此，减氮结合覆盖是实现旱地冬小麦增产增效的重要措施。

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EffectofNitrogenReductionCombinedwithDifferentCoverMeasuresonYield,UtilizationofWaterandNitrogenandRootofWinterWheat

QU Hui-feng, LIU Ji-fei, ZHAO Hu-bing*

(College of Resources and Environment，Northwest A&F University，Yangling Shaanxi 712100，China)

【Objective】The effects of nitrogen reduction combined with different mulching methods on water-saving and yield-increasing of winter wheat were studied in dry land of Loess Plateau, to explore dry land winter wheat yielding under reduced nitrogen binding overlay mode, efficient and environmentally friendly cultivation fertilization techniques. 【Methods】A field test was conducted in Yongshou county Shaanxi province in 2014-2016 years, to determine the effects of nitrogen reduction and different mulching methods on winter wheat yield, water use efficiency and root growth. 【Result】Under the nitrogen application rate of 150 kg·hm-2, compared with the household nitrogen reduction, the physiological efficiency of nitrogen fertilizer of ridge mulching and furrow sowing increased by 12 % in the first year, water consumption increased by 7 % in second year. The yield and water storage before sowing and physiological efficiency of nitrogen fertilizer of whole film mulching increased by 15 %, 15 % and 16 % in the first year, while increasing by 12 %, 10 % and 35 % in second year. The yield and water storage before sowing of straw mulching increased by 9 % and 16 % in the first year, water use efficiency and above-ground nitrogen uptake increased by 12 % and 17 % in the second year respectively. The total root length of ridge mulching and furrow sowing and whole film mulching decreased 35 % and 26 % in the first year. The total dry weight and total root length of straw mulching decreased 63 % and 43 % in the first year, while decreasing by 41 %, 10 % and 17 % in second year. 【Conclusion】Compared with the farmer model，there was no significant effect of nitrogen reduction on yield, water use and root growth of winter wheat compared with farmer model. Under the nitrogen application rate of 150 kg / hm2.Compared with the farmer nitrogen reduction, the ridge mulching and furrow sowing increased the nitrogen fertilizer physiological efficiency and water consumption. The whole film mulching significantly increased winter wheat yield, water storage and water use efficiency, and the nitrogen absorption and utilization efficiency can be improved. Straw mulching significantly increased water storage and water use efficiency before sowing, thereby increasing winter wheat yield. Reducing total root dry weight and total root length of winter wheat by ridge mulching and furrow sowing, whole film mulching and straw mulching. Therefore, the nitrogen reduction combined with different cover measures is an important measure to achieve efficiency of dry land winter wheat yield.

Nitrogen reduction; Cover; Yield; Water; Nitrogen fertilizer; Root system

1001-4829(2017)10-2270-07

10.16213/j.cnki.scjas.2017.10.019

2016-10-27

国家自然科学基金(31272250)；国家科学技术支撑计划(2015BAD23B04)；农业公益性行业科研专项(201503124)

屈会峰(1992-)，男，山东枣庄人，在读硕士研究生，主要从事土壤植物营养方面的研究，Tel：18042636973，E-mail：quhuifeng1992@126.com;*为通讯作者：Tel：18991295902，E-mail：zhaohubing@hotmail.com。

S512;S318

A

(责任编辑 李 洁)