减氮结合覆盖对旱地冬小麦花后生理性状及产量的影响

刘吉飞，赵护兵*，杨 静，屈会峰，雷炳桦

(1.西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100； 2.陕西乾县农业技术推广站，陕西 乾县 713300)

我国化肥施用过量，农作物每公顷平均化肥用量折纯为328.5 kg，远高于世界平均水平(120 kg/hm2)，是美国的2.6倍，是欧盟的2.5倍，造成农作物成本增加和环境污染，减氮提效意义重大[1]。赵护兵等[2]人在渭北旱塬的调研发现当地农户冬小麦种植普遍存在氮肥过量施用的现状，平均纯氮用量195 kg/hm2，建议西北典型区域旱地农户纯氮投入150 kg/hm2为宜。

土壤水分供应不足、养分贫瘠是限制旱地作物生产的关键因素，改善土壤水分、养分状况是提高旱地作物生产力的重要措施。地表覆盖是调控土壤水分[3-5]、养分状况[6-7]，提高作物产量的有效措施。在旱地，地表覆盖可以减少土壤水分蒸发、增加植物蒸腾、改善土壤温度、活化土壤养分，从而提高作物产量[8-10]。开花至灌浆期作为冬小麦养分累积最关键的时期，该期生理性状对冬小麦产量至关重要，而有关地表覆盖对该期生理性状影响的研究却很少，对于生理性状影响因素的研究主要集中在水分[11]、小麦品种[12]、氮素水平[13]、氮素形态[14]及播种量[15]等方面。

基于渭北旱塬农户施氮过量与地表覆盖增产机理研究较少的现状，本试验设置了减氮结合不同覆盖处理，通过大田试验研究其对冬小麦花后旗叶叶绿素相对含量SPAD值、光合速率、硝酸还原酶(NR)活性、根系活力及产量等生理指标的影响，以期通过分析这些生理性状的变化来为地表覆盖的增产效应提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2012年9月至2016年6月在陕西省咸阳市永寿县御驾宫村进行。该区位于黄土高原南部，属暖温带半湿润大陆性气候，年均气温10.8℃，年均降水量601.6 mm，且主要集中在7～9月份，潜在蒸发量为807.4 mm，无霜期210 d，是典型的旱作农业区。供试土壤基本理化性状为：pH值8.18，有机质平均含量为11.7 g/kg，全氮0.87 g/kg，硝态氮14.5 mg/kg，铵态氮2.7 mg/kg，有效磷10.7 mg/kg，速效钾99.9 mg/kg，容重1.25 g/cm3。2012～2016年播种前与收获后土壤矿质氮累积量变化如表1所示。

表1 2012～2016年冬小麦播种前与收获后0～20 cm土壤矿质氮累积量 (kg/hm2)

注：同列数据后不同小写字母表示差异显著(α=0.05)，下同；表中播种前指播种施肥前采样。

2012～2016年降水量分别为373.1、615.5、541.9和414.2 mm，冬小麦生育期降水量分别为135.9、310.2、313.6和185.8 mm。根据Sun等[16]的降水分类方法及当地长期的降水资料(1957～2014年)，年降水量>671 mm为丰水年，年降水量<492 mm为欠水年，年降水量介于二者之间为平水年，故2012～2013和2015～2016年属欠水年，2013～2014和2014～2015年属平水年。

1.2 试验设计

试验共设6个处理，其中常规播种设置3个氮肥水平，分别为无氮对照(不施氮肥)；农户模式(纯氮用量195 kg/hm2)；农户减氮(纯氮用量150 kg/hm2)；减氮基础上又设3种覆盖处理，分别为垄覆沟播(播前起垄，垄上覆膜，沟内播种)；全膜穴播(播前整平覆膜，膜面覆土1 cm后穴播)；秸秆覆盖(在传统平作地表全年覆盖秸秆，秸秆用量10 t/hm2)。每个处理4次重复，随机区组排列，每小区种19行，行距20 cm，播种量150 kg/hm2(即每行38 g)，小区面积48 m2(4 m×12 m)。其中，垄覆沟播处理垄宽35 cm，垄高6 cm，沟宽30 cm，每沟两行，行距20 cm，各行距离垄底5 cm，每小区种12行，播种量150 kg/hm2(即每行60 g)；全膜穴播处理，行距20 cm，穴距12 cm(相邻两穴边距)，每小区19行，穴播量9～15粒。该试验为4年定位试验。

供试品种为运旱20410。氮肥(N)、磷肥(P2O5)125 kg/hm2均作为基肥施用，不追肥，不灌水，在播前一周均匀撒入相应小区并翻入耕层耙平。在各生长季进行“一喷三防”作业。供试氮肥为尿素(N 46%)，磷肥为过磷酸钙(P2O516%)。

本文包含了2012～2016年4季的产量相关指标与2015～2016季冬小麦生育期的各生理指标，具体如下：

冬小麦于2016年5月2日进入开花期，5月8日花期结束。于5月6日9:00～11:00采用光合测定系统(Li-6400XT型)测定旗叶光合速率，之后在每小区随机取小麦15株，在旗叶中部用叶绿素仪(SPAD-520型)测定叶绿素含量SPAD值，去极值后求平均值。

于5月8日9:00～10:00将冬小麦连根带土采集，及时带回实验室，用活体法测定旗叶硝酸还原酶(NR)活性；5月10日9:00挖出0～20 cm耕层，放入便携式冷冻保温箱带回实验室，抖土法挑出根系洗净，用TTC法测定根系活力，抖土法取到的耕层土壤置于4℃冰箱用于测定含水量及硝态氮、铵态氮。

在苗期每小区选择7行长势一致的植株标记，完熟时避开边上两行及每行两端1 m，随机挑选3块1 m2的小麦收割计产。

1.3 数据处理

采用Excel 2007软件处理，DPS 19.5软件进行统计分析，采用LSD法进行差异显著性检验，显著水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 产量及主要农艺指标

由表2可见，4年来覆盖处理下冬小麦产量表现比较稳定，其中农户施氮150 kg/hm2已经基本满足了作物生长的需求，增施氮肥对籽粒产量及收获期生物量的贡献较小。前3季，减氮结合覆盖都能促进冬小麦收获期生物量增加，增产效应虽不尽一致，但通过覆盖处理基本实现减氮不减产的目的。其中全膜穴播增产效果最明显，较农户模式连续3年增产分别为175、725和1 022 kg/hm2；秸秆还田也基本保持稳产且在2012～2013的干旱年份与2014～2015的平水年份分别增产325和571.6 kg/hm2；垄覆沟播连续几年都出现减产趋势，但并未达到显著水平。第4季不同覆盖处理较农户减氮处理减产达357.5～647.5 kg/hm2。

4年度单位面积穗数、穗粒数、千粒重的处理间变异系数依次为21.6%～28.2%、10.3%～16.0%、2.0%～4.1%，表明处理间产量差异主要由穗数差异引起，其次为穗粒数，而千粒重处理间差异较为稳定。

表2 2012～2016年冬小麦产量及农艺指标

4年相关分析表明，籽粒产量与生物产量呈极显著正相关(相关系数为0.98～0.99)，收获指数与籽粒产量、生物产量的相关性只有在2013～2014季达到显著负相关(相关系数分别为-0.80与-0.91)，其他年份均不显著。表明在渭北旱塬减氮覆盖生长冗余较小，对干物质向籽粒的转移影响不大。

2.2 减氮结合覆盖对花期旗叶净光合速率与SPAD值的影响

氮素是叶绿素的主要组成成分，叶绿素又通过光合作用合成累积干物质，因而氮素水平与叶绿素及光合作用紧密相关。叶绿素的含量明显受氮素水平的影响，前人报道较多。

本试验结果(表3)表明，施用氮肥使花期冬小麦旗叶SPAD值显著高于无氮对照，但农户模式(195 kg/hm2)与农户减氮(150 kg/hm2)相比，虽然施氮量有所增加，但叶绿素含量基本未变，说明该地区施氮150 kg/hm2已经满足作物生长所需，过量施氮对叶绿素影响较小。叶绿素随生育期的进行逐步降解并进入衰老，施氮有延迟衰老的功效。在小麦开花期，不同处理小麦旗叶光合速率虽未达到显著差异，但与旗叶SPAD值呈显著正相关关系(图1)。

表3 2015～2016季减氮结合覆盖对冬小麦花期旗叶光合效率的影响

图1 花期旗叶SPAD值与净光合速率的相关性注：*表示显著性达到0.05水平，下同。

2.3 减氮结合覆盖对冬小麦花期旗叶硝酸还原酶活性、根系活力、耕层土壤硝态氮与铵态氮含量及含水量的影响

硝酸还原酶是作物氮代谢运转的关键酶，其活性与氮肥施用及土壤供氮能力紧密相关。本研究结果表明，在小麦开花期，叶片硝酸还原酶活性随施氮水平的增加而显著提高，与耕层土壤矿质氮含量呈显著正相关，同时也与耕层土壤硝态氮含量显著正相关(图2)。另外，覆盖处理较农户减氮使根际土壤硝态氮含量有所下降，却使根际土壤铵态氮含量有所提升，这与覆盖处理的保水效果紧密相关，进而提高了叶片硝酸还原酶活性，其中全膜穴播与秸秆覆盖较农户减氮分别提高了4.2%与5.8%，但垄覆沟播处理，由于其种植密度相对过于集中，从而导致单位面积氮素供应不足，造成叶片硝酸还原酶活性显著低于其他处理。

图2 花期耕层土壤氮含量与旗叶硝酸还原酶活性的相关性

根系既是作物获取水分和无机养分的重要器官，也是多种物质合成转化的器官，因此其活力对整个植株生长代谢有着重要作用。本试验的研究结果(表4)表明，施用氮肥能够显著提高作物根系活力，同时也发现过量施氮与覆盖都会对根系活力产生显著的抑制作用，其中农户模式、垄覆沟播、全膜穴播、秸秆覆盖处理较农户减氮处理分别降低了30.6%、38.5%、36.6%和35.2%。

表4 2015～2016季减氮结合覆盖对硝酸还原酶活性、根系活力、耕层土壤硝态氮和铵态氮含量及含水量的影响

3 小结与讨论

3.1 减氮结合不同覆盖对冬小麦产量的影响

植物吸收的氮素有超过50%来自土壤[17]，而能够被植物吸收的土壤氮素又以矿质氮为主[18]。本研究中，全膜穴播处理连续3季对冬小麦籽粒产量及生物量有着促进作用，但也导致播前土壤矿质氮含量逐年降低，由初始的155 kg/hm2降至106.9 kg/hm2，从而导致第4季出现减产现象。徐春梅等[19]在水稻的研究中发现，种植密度与氮肥用量的合理搭配是增产的关键因素；师日鹏等[15]的研究表明，垄覆沟播群体产量的最优管理方案为播种量113～123 kg/hm2，施氮量197～214 kg/hm2，而本研究过高的播种量与相对较低的施肥量是造成连续3年减产的主要原因，并且其播前土壤矿质氮也由初始的155 kg/hm2降至79.0 kg/hm2。由此结果知，覆膜的增产是建立在对土壤养分高消耗的前提下，因此，要考虑如何协调覆膜条件下更加合理的施肥量及播种量，并进一步提高氮肥利用率与土壤贡氮能力来实现农业生产的可持续发展。本研究中，秸秆覆盖虽未能持续增产，但其并未造成播前土壤矿质氮含量下降。但由于其降低夏闲期地表温度，抑制蒸发，增加氮肥淋溶，造成氮肥累积下移[20]，不利于作物生长；另外，高亚军等[21-22]的研究也表明秸秆覆盖造成减产的原因复杂，覆盖改变了水氮交互效应，覆盖条件下氮肥效应更加突出。因此，覆盖条件下150 kg/hm2氮肥施用增产效果并不明显。

3.2 减氮结合覆盖对花期旗叶净光合速率与SPAD值的影响

开花期至灌浆期作为冬小麦产量形成的最关键时期，也是各生理性状最活跃的时期，这一时期冬小麦的各生理性状对作物产量形成起着决定性作用[23]。本研究结果与前人[24]一致，施用氮肥促使开花期与灌浆期旗叶SPAD值及开花期旗叶光合速率显著高于无氮对照，但随着施氮量的过量增加旗叶SPAD值与光合速率出现了下降趋势，说明该地区施氮150 kg/hm2已经满足了作物生长所需，过量施氮造成了不必要的浪费。另外，本研究发现覆盖对旗叶叶绿素与光合速率都有一定的抑制作用，垄覆沟播尤为严重，这与其种植密度相对集中于沟内导致遮荫及养分竞争密切相关。另外，由相关性分析结果(表5)发现，开花期和灌浆期旗叶SPAD值与籽粒产量成极显著正相关(其相关系数分别为0.99、0.99)，与收获期生物量、收获指数、穗数都成极显著相关关系；光合速率也与籽粒产量显著正相关。

表5 2015～2016年冬小麦花后各生理性状及收获指标之间的相关关系

注：*表示显著性相关(P<0.05)，**表示极显著相关(P<0.01)。

3.3 减氮结合覆盖对冬小麦花期旗叶硝酸还原酶活性、根系活力、根际土壤硝态氮与铵态氮含量及含水量的影响

根系活力在一定程度上反应了根吸收能力。前人研究[25]已经证明根系活力随氮素水平升高而显著升高。本试验结果表明，该区农田施氮150 kg/hm2时根系活力最高，过量施肥导致根系活力显著降低。另外，李震等[26]的研究发现，不同覆盖处理在烤烟移栽后45、60、75 d均能显著提高其根系活力及硝酸还原酶活性，而本研究发现，覆盖造成冬小麦花期根系活力显著降低，这可能由于冬小麦属须根系作物且根系下扎较浅，从而导致养分竞争相对较大，造成了不同覆盖处理降低了根系活力。另外，吕丽红等[27]、牛俊义[28]的研究发现覆膜能够促进冬小麦根系生长，提高了根系生物量，进一步解释了本文中根系活力降低但叶片硝酸还原酶活性并未降低的这一矛盾现象，其中全膜穴播与秸秆覆盖处理的叶片硝酸还原酶活性还有显著提高，但垄覆沟播处理由于种植密集于沟内，土壤水肥供给明显不足，进而造成根系活力与叶片硝酸还原酶活性并未有所提高。另外，通过相关性分析(表5)得到，开花期根系活力与作物收获指数显著正相关(r=0.79*),说明根系活力的提高有利于茎叶营养物质向籽粒的运输。

本研究通过减氮结合覆盖处理对冬小麦花期旗叶叶绿素、光合速率、硝酸还原酶活性、根系活力、耕层土壤供氮能力及产量等的研究发现，农户氮肥过量施用对籽粒产量贡献甚微，而通过减氮覆盖措施不仅能极大地减少氮肥用量，同时也能保证籽粒产量不减反增。另外，各种覆盖措施虽能提高作物产量，但增产效应未能达到显著水平，其中垄覆沟播由于起垄造成冬小麦生长相对过于集中，在开花灌浆期养分、水分供应相对不足，而使旗叶硝酸还原酶活性与根系活力显著降低，光合作用也低于其他处理，严重制约了后期籽粒产量的形成，不利于渭北旱作区冬小麦的大面积播种或者需要通过进一步调整寻求更加合理的播种管理模式。

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