夏闲期深松耕作和氮肥用量对旱地小麦土壤水分及氮素利用的影响

梁艳妃，孙敏，高志强，张慧芋，张娟，李念念，杨清山

(山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801)

水分不足和土壤肥力低是黄土高原半干旱地区旱地小麦发展的主要限制因子，该区小麦生产主要依赖集中在7～9月的自然降雨，属于典型的雨养农业区[1]。水分和氮素是调节产量的重要因素，两者之间有着明显的交互作用[2～4]。一方面土壤水分影响植株氮素累积、转运；另一方面适当增加施氮量在一定程度上可以降低土壤水分亏缺对产量的负效应。但目前生产中，为了追求高产，水肥投入过多，则导致肥料利用率下降[5]。姜丽娜等[6]研究表明，增施氮肥可以显著增加小麦营养器官氮素向籽粒的转运量和花后氮素累积量；花后氮素累积量以施氮量360 kg·hm-2最高，氮素养分利用效率、农学利用效率及生产效率均以施氮量120 kg·hm-2处理下最高。张宏等[7]研究表明，在陕西关中麦区，施氮240 kg·hm-2较120 kg·hm-2处理可显著增加氮素累积量，但花后营养器官氮素向籽粒的转运量之间无显著差异。段文学等[8]研究表明，在施氮量150 kg·hm-2处理下可显著提高小麦各生育时期植株氮素累积量、花前氮素转运量及花后氮素累积量。不同的栽培措施对土壤水分、养分等的影响不同，导致小麦生长发育、干物质累积与分配不同，导致小麦对氮素的吸收累积和转运的不同，从而影响对氮素的吸收利用，最终影响产量。因此最大限度地保蓄有限的降水，减少地表水分无效蒸发，优化养分投入是旱地小麦增产和水分、养分高效利用的关键。有研究表明产量的47%来自于播前底墒，这已被旱作栽培工作者重视，在旱地麦田夏闲期采用耕作或覆盖方式研究其蓄水保墒效果，且已取得较大进展。为此，本文研究旱地麦田深松蓄水条件下，不同施氮量对植株氮素累积转运的影响，旨在为旱地小麦蓄水合理施肥实现增产提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验点位于山西省闻喜县旱地小麦试验基地(东经110°15′-112°04′，北纬34°35′-35°49′)，试验田为丘陵旱地，无灌溉条件，夏季休闲。其中，小麦播种前试验田0～20 cm土层土壤含有有机质10.55 g·kg-1、全氮0.68 g·kg-1、碱解氮37.65 mg·kg-1、速效磷17.64 mg·kg-1。试验点位于黄土高原半干旱地区东塬，该地区属于暖温带大陆性季风气候，海拔 450～700 m，年均气温12.9 ℃，年均日照时数2242.0 h，太阳总辐射量502～523 KJ·cm-2，无霜期190～230 d左右，年均降雨量456.90 mm，60%左右集中于7～9月。图1为试验田2015-2016年降雨情况。

图1 2015-2016夏闲期及小麦生育期内降水量/mmFig.1 Precipitation during the fallow period and growing stages from 2015 to 2016注：FP: 夏闲期; STW: 播种-冬前; WTJ: 越冬-拔节期; JTA: 拔节-开花期; ATM: 开花-成熟期。 Note：FP: Fallow period; STW: Sowing to Before winter; WTJ: Before winter to Jointing; JTA: Jointing to Anthesis; ATM: Anthesis to maturity.

1.2 试验设计

供试品种为运旱20410。试验采用裂区设计，耕作方式为主区，设夏闲期深松(深度为30～40 cm，SS)和对照(当地传统耕作：遇雨浅旋、整地等待播种，CK)2个水平；施氮量为副区，设低氮(90 kg·hm-2，LN)，中氮(150 kg·hm-2，MN)，高氮(210 kg·hm-2，HN)3个水平，共6个处理，重复3次，小区面积30 m2(3 m×10 m)。前茬小麦收获时留高茬(20～30 cm)，约7月中旬进行耕作处理，8月下旬浅旋、粑耱平整土地，播前按试验设计将氮肥(尿素，46%N)均匀撒入相应小区，同时每小区撒入纯磷肥(过磷酸钙，16%P2O5)、纯钾肥(氯化钾，52%K2O)各150 kg·hm-2，播量为90 kg·hm-2，基本苗225×104株·hm-2，膜际条播，行距30 cm。于小麦花后10～15 d揭生育期覆盖的地膜，适时收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤贮水量的测定

于小麦关键生育时期用土钻每20 cm一土层取0～300 cm原状土样，用铝盒带回实验室，称湿土重，烘干法计算各土层土壤贮水量。

1.3.2 植株含氮率测定

于冬前期、拔节期、开花期以及收获期取20株样品，按照叶片、茎秆+叶鞘、颖壳+穗轴和籽粒四个部分分样，105 ℃杀青30 min后，70 ℃烘至恒重，称量干物质重。样品磨碎，用H2SO4-H2O2-靛酚蓝比色法消煮，测定含氮率。参照赵俊晔等的方法计算植株氮素转运。

1.3.3 籽粒产量的测定

在收获期对各小区收割16 m2测产，调查1 m2内穗数、穗粒数、千粒重，计算经济产量。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2003进行数据处理，用DPS软件进行统计分析，用LSD法进行差异显著性检验，显著性水平取α=0.05。

土壤贮水量、氮素累积及转运的计算公式参照白冬等[9]、范雪梅等[10]的方法。

2 结果与分析

2.1 夏闲期深松和施氮量对土壤贮水量变化的影响

2.1.1 夏闲期深松和施氮量对各生育时期0～300 cm土壤贮水量变化的影响

与对照相比，夏闲期深松显著提高各生育时期土壤贮水量(表1)。无论深松与否，越冬-孕穗期土壤贮水量以中氮处理显著最高。夏闲期深松条件下，越冬期低氮与高氮处理下差异显著；对照条件下，孕穗期低氮处理与高氮处理之间差异显著。而花后土壤贮水量均以中氮处理最低，以低氮处理显著最高。可见，夏闲期深松可有效提高各生育时期土壤水分，同时配施150 kg·hm-2氮肥改善花前土壤水分状况。

表1 夏闲期不同耕作方式和施氮量对各生育时期0～300 cm土壤贮水量的影响Table 1 Impacts of tillage during fallow period and nitrogen application rate on soil water storage in wheat plant /mm

注：同列数字后不同小写字母表示处理间差异显著(α=0.05)。下同。

Note:Values followed by different letters in a column indicate significant difference at α=0.05.The same below.

2.1.2 夏闲期深松和施氮量对孕穗期0～300 cm各土层土壤贮水量变化的影响

随土层深度的增加，孕穗期土壤贮水量呈先降后升的变化趋势(图2)。无论深松与否，中氮处理较低、高氮处理提高0～300 cm各土层土壤贮水量，且80～120 cm、140～180 cm、280～300 cm各土层处理间差异显著。

图2 休闲期不同耕作模式和施氮量对孕穗期0～300 cm土壤蓄水量的影响Fig.2 Effect of different tilla ge in fallow period and nitrogen fertilization on soil water storage at the depth of 0～300 cm at wintering stage

2.2 夏闲期深松和施氮量对植株氮素吸收的影响

2.2.1 对各生育时期氮素累积量的影响

耕作方式及施氮量对植株氮素累积量影响显著(表2)。夏闲期深松较对照，各生育时期氮素累积量均显著提高。无论深松与否，各生育时期植株氮素累积量均以中氮处理显著最高；氮素累积量均以低氮处理显著最低，除对照条件下孕穗及开花期与高氮处理之间无显著差异。可见，夏闲期提前深松有利于氮素累积，为籽粒蛋白质合成提供氮源，其中以深松配施150 kg·hm-2氮肥播种效果较好。

2.2.2 对各生育阶段氮素累积量及其所占比例的影响

耕作方式及施氮量显著影响冬小麦各生育阶段氮素累积量及比例(表3)。群体氮素累积量、累积比例均以拔节-开花阶段最高，播种-拔节阶段次之。与对照相比，深松可显著提高越冬-拔节、开花-成熟阶段氮素累积量及比例；拔节-开花阶段氮素累积量所占比例显著降低。中氮处理可显著提高各阶段氮素累积量，越冬-开花阶段氮素累积量以低氮处理显著最低，开花-成熟阶段以高氮处理显著最低。中氮可显著降低拔节-开花阶段氮素累积量所占比例。可见，夏闲期深松蓄水条件下，配施150 kg·hm-2氮肥更有利于促进小麦各生育阶段氮素的累积。

表2夏闲期不同耕作方式和施氮量对各生育时期氮素累积量的影响

Table2 Impacts of tillage during fallow period and N application rate on N accumulation amount in wheat plant at different growth stages

耕作Tillage施氮量/kg·hm-2Nitrogen application冬前Before winter拔节期Jointing 孕穗期Booting开花期Anthesis 成熟期Maturity深松SS对照CK 低氮(LN)24.16e36.01d80.45c95.24c114.54d中氮(MN)35.93a46.15a100.01a111.06a134.70a高氮(HN)32.31b43.55b85.92b105.86b120.39b低氮(LN)20.44f30.64f68.33d86.99d102.51f中氮(MN)31.64c39.80c89.35b105.82b118.77c高氮(HN)27.39d34.34e68.58d89.58d103.04e

2.3 夏闲期深松和施氮量对植株氮素转运的影响

2.3.1 对花前氮素转运和花后氮素累积的影响

与对照相比，夏闲期深松可显著提高花前氮素转运量对籽粒的贡献率、花后氮素累积量及对籽粒的贡献率，花后氮素累积量提高1～8 kg·hm-2，贡献率提高16%～37%，中氮条件下深松和对照处理之间花前氮素转运量无显著差异(表4)。与低、高氮处理相比，中氮显著提高花前氮素转运量与花后氮素累积量，提高量分别达4～18 kg·hm-2、1～9 kg·hm-2。与低、中氮处理相比，高氮可显著提高花前氮素转运量对籽粒的贡献率，提高量达1%～9%。与低、中氮处理相比，高氮处理可显著降低花后氮素累积量对籽粒的贡献率。可见，夏闲期深松蓄水条件下，配施150 kg·hm-2氮肥提高花前氮素转运量、花后氮素累积量及其对籽粒的贡献率。

表3夏闲期不同耕作方式和施氮量对各生育阶段氮素累积量及其所占比例的影响

Table3 Impacts of tillage during fallow period and N application rate on N accumulation amount and its ratio in wheat plant during different growth periods

耕作Tillage施氮量/kg·hm-2Nitrogen application冬前-拔节Before winter- Jointing拔节-开花Jointing-Anthesis开花-成熟Anthesis-Maturity数量Amount比例Ratio数量Amount比例Ratio数量Amount比例Ratio深松SS对照CK低氮(LN)36.01d31.51d59.22d51.78b19.30b16.60b中氮(MN)46.15a34.26b64.91b48.18d23.62a17.56a高氮(HN)43.55b36.18a62.30c51.75c14.53b12.08c低氮(LN)30.64f29.94e56.35e54.92a15.52c15.14c中氮(MN)39.80c33.51c66.02a53.06b15.95d13.43d高氮(HN)34.34e33.32c55.25e53.62b13.46e13.06e

表4夏闲期耕作方式和施氮量对花前氮素转运和花后氮素累积的影响

Table4 Impacts of tillage during fallow period and N application rate on N remobilization before anthesis and N accumulation amount after anthesis

耕作Tillage施氮量/kg·hm-2Nitrogen application花前运转量/kg·hm-2NTBA花前运转量対籽粒的贡献率/%Contribution ofNTBA to N in grains花后积累量/kg·hm-2NAAA花后积累量対籽粒的贡献率/%Contribution ofNAAA to N in grains深松SS对照CK低氮(LN)64.13d76.87e19.30b23.13b中氮(MN)73.71a75.72e23.63a24.28a高氮(HN)71.34b83.08a14.53c16.92e低氮(LN)62.36e80.07d15.52e19.93c中氮(MN)72.30a81.93c15.95d18.07d高氮(HN)66.51c82.74b13.46f17.26e

注：NTBA: nitrogen translation before anthesis; NAAA, nitrogen accumulation after anthesis

2.3.2 对花前各器官氮素转运的影响

花前植株各器官氮素累积量、转运量及其对籽粒的贡献率以茎秆+叶鞘最高，以颖壳+穗轴最低，叶片居中(表5)。夏闲期深松较对照，可提高叶片、茎秆+叶鞘花前氮素转运量及其对籽粒的贡献率，叶片、茎秆+叶鞘花前氮素转运量分别提高2～3 kg·hm-2、1～4 kg·hm-2。中氮处理可显著提高叶片和茎秆+叶鞘的花前氮素转运量，而低氮显著最低。深松条件下，中氮处理显著降低了茎秆+叶鞘氮素转运量对籽粒的贡献率，低氮处理显著降低了叶片氮素转运量对籽粒的贡献率。可见，夏闲期深松蓄水条件下，配施150 kg·hm-2氮肥有利于叶片和茎秆+叶鞘中氮素向籽粒中转运。

2.4 夏闲期耕作配施氮肥对氮效率的影响

夏闲期深松较对照可显著提高产量，提高9%～17%(表6)。无论深松与否，中氮处理较低、高氮显著提高产量，分别提高9%～15%、10%～26%。夏闲期深松较对照，可提高氮素吸收效率和氮素生产效率。无论深松与否，增加施氮量可使氮素吸收效率、氮肥生产效率降低。与对照相比，增加施氮量可降低深松条件下的氮素利用效率。可见，夏闲期深松配施150 kg·hm-2氮肥有利于提高氮素吸收效率和氮肥生产效率。

3 讨论与结论

3.1 各生育时期0～300 cm 土层贮水量

黄土高原旱作麦区夏闲期是土壤水分恢复的关键时期，最大限度的蓄积此期的自然降水可改善底墒，这对旱地小麦生产非常重要。在旱地麦田夏闲期采用耕作或覆盖方式研究其蓄水保墒效果，且

表5夏闲期深松和施氮量对花前各营养器官氮素累积、转运及其对籽粒的贡献率的影响

Table5 Effect of tillage in fallow period and nitrogen application rate on N accumulation、remobilization and contribution ratio to grain of wheat before anthesis

耕作Tillage施氮量/kg·hm-2Nitrogen application叶片Leaf茎秆+叶鞘Steam+sheath颖壳+穗轴Glume+spike转运量/kg·hm-2NTBA贡献率/%Contribution of NTBA to N in grain转运量/kg·hm-2NTBA贡献率/%Contribution of NTBA to N in grain转运量/kg·hm-2NTBA贡献率/%Contribution of NTBA to N in grain深松SS对照CK低氮(LN)16.42c19.69d42.17c50.63d5.54d6.63d中氮(MN)19.57a20.10c45.61a46.85e8.52b8.75c高氮(HN)18.11b21.33b44.49b52.41b8.76b10.32b低氮(LN)14.24e18.29e41.35d53.09a6.78c8.71c中氮(MN)19.59a21.70a45.68a50.62d9.05a10.03b高氮(HN)15.70d20.12c40.18e51.52c8.76b11.23a

表6 夏闲期耕作和施氮量对氮效率的影响Table 6 Impacts of tillage during fallow period and N application on yield and nitrogen use efficiency

已取得较大进展。侯贤清等[11]研究表明，与免耕处理相比，夏闲期深松能有效地蓄雨保墒。王小彬等[12]研究表明，夏闲期深松较对照土壤贮水量增加9～24 mm。李友军等[13]研究表明，拔节-成熟耗水高峰阶段，深松覆盖、传统耕作的土壤贮水量分别下降107. 2 mm和96 mm。强秦等[14]研究表明，返青-成熟阶段土壤含水量随小麦生长发育进程推进而不断减少，80 cm以上土层含水量由返青期的19%～16%下降到成熟期的9%～7%。毛红玲等[15]研究表明，与翻耕处理相比，夏闲期深松可提高0～300 cm 土壤贮水量达21 mm。。刘爽等[16]研究表明，豫西旱作麦田夏闲期深松后采用秸秆覆盖提高了播前含水量1个百分点；郑国璋等[17]研究表明，晋南旱作麦田夏闲期深翻后平覆盖和垄覆盖较不覆盖可分别提高播前土壤蓄水量27 mm、39 mm。本试验表明，夏闲期深松可有效提高各生育时期土壤水分，同时配套150 kg·hm-2的施氮量改善花前土壤水分状况。本研究团队多年研究结果表明，夏闲期深松可有效地蓄积降水于深层土壤，且蓄水效果延续至开花期，实现伏雨春夏用[18～20]。

3.2 旱地小麦植株氮素吸收、转运

郑成岩等[21]研究表明深松+旋耕处理和深松+条旋耕处理较旋耕、条旋耕处理可显著提高开花期氮素累积量、花前营养器官氮素转运量，进而提高产量。王静等[22]研究表明深松处理可以通过增强根系对水分和养分的吸收来提高花前氮素转运量以及花后氮素的高吸收。WANG等[23]研究表明，深松可提高花后氮素累积量及其对籽粒的贡献率，提高量分别达50%和38%。李华等[24]在陕西渭北旱塬的研究表明，地膜覆盖可提高旱地小麦植株氮素吸收，促进生长后期茎、叶氮素转运。充足的土壤水分促进小麦生长发育，影响植株氮素的吸收利用，从而影响产量。马春英等[25]研究认为，水分亏缺时，氮素向籽粒的转移受到限制，降低产量和氮肥生产效率会；水分充足条件下，应适当增加施氮量，否则水分利用率会降低。赵满兴等[26]研究认为增施氮肥可显著提高地上部氮素累积量，施氮量180 kg·hm-2处理下籽粒氮素累积量最高，再增施氮肥会降低籽粒氮素累积量。李世娟等[27]研究表明，提高拔节至开花阶段的吸氮比例，有利于籽粒产量提高。本研究结果表明，夏闲期深松有利于氮素累积，配套150 kg·hm-2的施氮量更有利于促进小麦各生育阶段氮素的累积，为籽粒蛋白质合成提供氮源。这可能由于深松提高土壤有效贮水量，促进水分和氮素吸收，而在施氮量适宜的基础上，促进根系的生长，进一步提高旱地小麦对所供应土壤氮和肥料氮的吸收能力，促进了营养生长和生殖生长，促进了叶片、茎秆+叶鞘中氮素向籽粒中运转，提高了花前氮素转运量及对籽粒的贡献率，进而提高了产量。

3.3 旱地小麦产量

王红丽等[28]研究表明，覆盖栽培可充分满足作物生长水分需求，优化产量构成因素，提高产量。深松促进小麦对水分的吸收利用，进而获得较高的产量[29～30]。何建宁等[31]研究表明，与旋耕、翻耕相比，间隔2年深松+条旋耕可显著提高籽粒产量。毛红玲等[15]研究表明，与免耕处理相比，夏闲期深松可提高产量6%～9%。本研究表明，夏闲期深松较对照可显著提高产量，提高9%～17%。孟自力等[32]研究表明，施氮量为270 kg·hm-2可以提高商麦156光合特性和IPAR，优化冠层结构，增加产量。刘慧婷等[33]研究表明，N120和N240处理较N0处理显著提高籽粒产量。本研究表明，中氮处理较低、高氮处理显著提高产量，分别提高9%～15%、10%～26%。

综上，本研究结果表明，夏闲期深松蓄水条件下，配施150 kg·hm-2的氮肥提高了小麦花前各生育时期土壤贮水量，进一步提高氮素累积量及向籽粒的转运量，提高产量，为获得小麦高产奠定基础。