极端年型旱地麦田深松和覆盖播种水分消耗与植株氮素吸收、利用关系的研究

李念念，孙敏，高志强，张娟，张慧芋，梁艳妃，杨清山，杨珍平，邓妍



极端年型旱地麦田深松和覆盖播种水分消耗与植株氮素吸收、利用关系的研究

李念念，孙敏，高志强，张娟，张慧芋，梁艳妃，杨清山，杨珍平，邓妍

（山西农业大学农学院，山西太谷 030801）

【目的】为明确旱地麦田土壤水分变化与植株氮素吸收利用及产量形成的关系，探索极端年型可采取的耕作蓄水、覆盖播种等应急措施。【方法】2011—2016年于山西运城闻喜县开展大田试验，选取2011—2013、2015—2016 3年降雨量极端年份，在休闲期深松和免耕2个耕作基础上，对全膜覆土穴播、膜际条播、常规条播3类播种方式进行研究，分析极端年型休闲期深松蓄水配套覆盖播种对旱地麦田水分消耗与植株氮素吸收和利用关系的影响。【结果】不同降水年型休闲期深松较免耕，覆盖播种较常规条播，播种—拔节阶段土壤耗水量及其比例降低，拔节—开花和开花—成熟两阶段土壤耗水量及其比例增加，生育期总耗水量增加；各生育阶段吸氮量增加，尤其是拔节—开花阶段吸氮比例；花前各器官氮素运转量及其对籽粒的贡献率增加；深松较免耕显著提高产量16%—30%，覆盖播种较常规条播提高产量13%—28%，同时水分利用效率提高，氮素吸收效率和氮素生产效率显著提高。不同降水年型、深松与否均影响了全膜覆土穴播和膜际条播两播种方式对麦田水分消耗、氮素吸收利用、产量、水分和养分利用效率。丰水年深松条件下，全膜覆土穴播较膜际条播生育期总耗水量增加，拔节—开花阶段吸氮量显著增加，叶片中氮素运转量对籽粒的贡献率显著提高，产量、氮素吸收效率和氮素生产效率显著提高；而欠水年和丰水年在未深松条件下，两覆盖播种间生育期总耗水量差异不显著，膜际条播较全膜覆土穴播花前各器官氮素运转量、茎秆+叶鞘氮素积累量对籽粒的贡献率和花后氮素积累量提高，产量提高、氮素吸收效率也显著提高。此外，丰水年播种—拔节0—120 cm，拔节—开花120—300 cm，开花—成熟180—300 cm土层耗水量与花前各器官氮素运转量和花后氮素积累量相关性达显著或极显著水平；欠水年，播种—拔节0—100 cm，拔节—开花120—240 cm，开花—成熟120—300 cm土层耗水量与花前各器官氮素运转量和花后氮素积累量相关性达显著或极显著水平。【结论】旱地小麦休闲期深松、生育期采用覆盖播种可增加小麦生育期耗水，促进各生育阶段植株对氮素的吸收及运转，从而提高产量、水分和养分效率。休闲期深松条件下，丰水年采用全膜覆土穴播，欠水年采用膜际条播，增产增效明显。

旱地小麦；休闲期深松；覆盖播种；水分消耗；氮素利用；产量

0 引言

【研究意义】山西省属于黄土高原干旱半干旱地区，该区小麦面积的60%为旱作，土壤水分状况是影响产量水平的主要因子[1]。而氮素是植物必须的大量营养元素，是限制植物生长的首要因素，麦田土壤水分状况直接影响植株对氮素的吸收、积累及运转，最终影响小麦产量[2]。因此，采用耕作蓄水和覆盖保水是调节土壤库容、充分接纳降水、增强土壤蓄水能力，促进植株养分运转实现黄土高原地区小麦高产的关键措施。【前人研究进展】王红光等[3]研究表明，免耕有利于增加土壤团聚体含量，进而增加表层土壤水分和养分含量，但多年免耕会增加土壤紧实度，而深松能有效疏松土壤，改善土壤的渗透性能，增强深层土壤蓄水能力；赵亚丽等[4]研究表明，旱地麦田休闲期深耕和深松可以有效降低土壤容重，增加冬小麦农田耗水量，提高土壤贮水消耗量，降低休闲期的农田耗水量；侯贤清等[5-6]研究表明，与传统耕作相比，深松加深了耕层而不翻动土壤，能打破犁底层，通过对自然降水的蓄纳和贮存，提高了旱地蓄水保墒性能，最终提高籽粒产量和水分利用效率。王育红等[7]研究表明，河南省旱作区冬小麦产量深松处理比传统耕作增产效果明显，尤其干旱年型增产效果更明显，连续2年试验的平均产量为4 619.25 kg·hm-2，比对照平均增长18.8%，平均水分利用效率13.2 kg·hm-2·mm-1，比对照平均增长16.8 %。此外，自从地膜覆盖种植引进国内，我国已形成了多种覆膜种植方式，且取得了较大进展。王俊等[8]研究表明，旱地小麦生育期采用地膜覆盖可以降低表层土壤水分的蒸发和散失，促进深层土壤水分的利用，有显著的增产效果。柴守玺等[9]、牛一川等[10]研究表明，在甘肃省旱作麦区采用全膜覆土穴播，能有效地减少水分蒸发，使植株蒸腾速率增强，提高了光合效率，提高了土壤温度，从而使幼穗分化提前，成穗数、穗粒数、粒重等性状都优于露地小麦，提高产量40%以上，水分利用效率27%以上；马爱平等[11]研究表明，山西省旱作农业区冬小麦膜际条播种植模式在干旱年型条件下，拔节期0—60 cm土层水分状况明显优于普通条播，膜际条播可增加小麦穗粒数和千粒重，提高产量和水分利用效率。但有研究表明，膜际条播占用土地面积，在丰水年条件下会减少穗数，导致减产现象；而全膜覆土穴播促进作物生长建立在加剧土壤水分消耗的基础之上，生育后期会出现脱水现象，也会导致减产，同时对下茬作物生产有负面影响[12-13]。水分和养分有强烈的交互作用，水分既影响土壤养分的有效性，也影响作物生长及其养分吸收、转化和同化，从而影响产量。祁有玲等[14]、BAHRANI等[15]研究表明，生育期水分的亏缺会显著影响冬小麦植株对氮素的吸收，降低各营养器官的氮含量，同时也降低了植株开花前贮存在叶片、茎秆和叶鞘、颖壳中氮素的再转运量和再转运率，导致成熟期籽粒中氮素积累量减少，最终产量降低。而YANG等[16]研究发现在小麦灌浆后期水分适度亏缺，有利于同化物向籽粒转运，提高收获指数。任爱霞等[17]研究表明，播种前3 m内各土层土壤蓄水量与各器官花前氮素运转量和花后氮素积累量均呈正相关。同时，旱地小麦产量与开花前各器官氮素的运转量和开花后氮素积累量显著相关，降水少的年份与开花前积累氮素的运转量相关性较高，而降水多的年份与开花后氮素积累量相关性更高[18]。【本研究切入点】面对频发的极端气候，在对小麦生育期土壤水分的变化和植株氮素吸收、利用规律研究基础之上，明确两者在各生育阶段的关系，以便选择适宜的播种技术，保障在极端气候条件下小麦稳产高产。【拟解决的关键问题】本研究在山西省旱作区采用休闲期深松蓄水技术，研究不同覆盖播种方式下小麦生长过程中水分的变化，分析各生育阶段土壤水分利用与氮素吸收、利用的关系，旨在探索山西省旱地小麦养分高效利用种植方式，以应对极端年型对旱作区小麦生产造成的影响，保障旱地小麦高产高效。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2011—2016年度在山西农业大学运城闻喜试验基地（东经111°17´，北纬35°20´）进行，试验地为丘陵旱地，位于黄土高原半干旱地区东塬，海拔450—700 m，属于温带大陆性季风气候，光热资源丰富，年均降雨量450—630 mm，年均气温11—13 ℃，无霜期约190—230 d，年日照数2 200—2 500 h，太阳总辐射量502—523 kJ·cm-2。无灌溉条件，一年一作采用夏季休闲制，即从前茬小麦收获至下茬小麦播种为裸地。

本研究采用国内较常用的降水年型划分标准[19]。表1为试验地降水情况，近15年（2002—2016年）的年均降水量为483.4 mm，选择试验年度中降雨量极端的年型进行分析。2011—2012年降雨量高于年均降水量35.1%，属于丰水年型；其中休闲期降水量占全年的比例高达69.5%，且播种—越冬生育阶段降雨量在各生育阶段中最高，达到123.6 mm；2012—2013年降雨量较年均降水量低37.7%，属于干旱年型，而开花—成熟阶段降雨量较高，为100.1 mm；2015—2016年降雨量与2012—2013年接近，较年均降水量低26.7%，同样属于干旱年型；同样是开花—成熟阶段降雨量较高，达122.8 mm。表2为这3个年份0—20 cm土层土壤基础肥力。

1.2 试验设计

供试小麦品种为“运旱20410”。试验采用二因素裂区设计，以耕作方式为主区，设深松（SS，深度为30—40 cm）、免耕（NT，休闲期不进行耕作）2个水平；以播种方式为副区，设全膜覆土穴播（FHS）、膜际条播（FM）、常规条播（DS）3个水平。试验共6个处理，重复3次，小区面积为150 m2（50 m×3 m）。全膜覆土穴播：地膜全面覆盖地面后，在膜面上覆一层1—2 cm左右厚的细土，然后使用全膜覆土穴播机播种，每穴播种数为10±2粒，行距为20 cm，穴距为15 cm，每小区种植10行，且在冬小麦成熟期收获后（次年6月上旬）回收地膜。膜际条播：起垄、覆膜、播种一次完成，60 cm为一带，起垄，垄底宽40 cm，垄高10 cm，垄顶成圆弧型，覆盖在垄上，地膜两侧覆土，垄沟膜侧种植两行小麦，小麦窄行行距20 cm，宽行行距40 cm，且于冬小麦花后10—15 d（次年5月中旬）回收地膜。常规条播：传统的种植方式，行距20 cm，播种深度3—5 cm，适时收获。

前茬小麦收获时留高茬，茬高为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。具体时间如下：2011年7月10日深松，8月23日浅旋耕、平整土地，10月2日播种，次年6月3日收获；2012年7月15日深松，8月25日浅旋耕、平整土地，10月1日播种，次年6月3日收获；2015年7月8日深松，8月25日浅旋耕、平整土地，10月2日播种，次年6月5日收获。播前基施纯氮（46%N）、纯磷肥（16%P2O5）、纯钾肥（52%K2O）各150 kg·hm-2，全生育期无灌溉、不追肥，其他农药等田间管理措施同当地农户。

表1 闻喜试验点的降水量

数据来源：山西省闻喜县气象站。休闲期：6月21日—9月30日；播种—越冬：10月1日—11月30日；越冬—拔节：12月1日—次年4月10日；拔节—开花：4月11日—5月10日；开花—成熟：5月11日—6月20日

Source: Meteorological observation of Wenxi county, Shanxi province, China. Fallow period: Jun.21 to Sep.30; SS-WS (Sowing stage to pre-wintering stage): Oct.1 to Nov.30; WS–JS (Pre-wintering stage to jointing stage): Dec.1 to Apr.10 in the following year; JS–AS (Jointing stage to anthesis): Apr.11 to May 10; AS–MS (Anthesis to mature): May 11 to Jun.20

表2 闻喜试验点土壤基础肥力

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤容重的测定 于前茬小麦收获，等雨耕作后，选取具有代表性的休闲期深松、休闲期不耕作地块挖一个3 m深的剖面坑，将剖面削齐铲平。按划定的层次自上而下的取样，每20 cm为一土层，采用环刀法测定土壤容重。

1.3.2 土壤水分的测定 分别于前茬小麦收获后30 d、播种期、拔节期、开花期、成熟期，用土钻取0—300 cm土层的土样，分层取土，每20 cm为一土层，于105℃烘干至恒重，计算土壤含水量和土壤蓄水量。

1.3.3 植株干物质和含氮率的测定 分别于拔节期、开花期、成熟期进行取样，其中拔节期取整株样品，开花期植株样品分为叶片、茎秆+叶鞘、颖壳+穗轴3部分，成熟期植株样品分为叶片、茎秆+叶鞘、颖壳+穗轴、籽粒4部分，于105℃杀青30 min后，70℃烘至恒重，称量并记录干物质量；用H2SO4-H2O2-靛酚蓝比色法[20]测定含氮率，计算植株各器官氮素积累量。

1.3.4 产量测定 成熟期调查单位面积穗数、每穗粒数及千粒重，每小区取50株测定生物产量，收割20 m2测定籽粒实际产量。

1.4 计算方法

1.4.1 水分计算方法 参考He等[21]、HUANG等[22]方法计算：

SWSi= Wi×Di×Hi×10/100。式中，SWSi为第i土层土壤蓄水量（mm）；Wi为第i土层土壤质量含水量（%）；Di为第i土层土壤容重（g·cm-3）；Hi为第i土层厚度（cm）。

各生育阶段土壤贮水减少量∆S=S1-S2，式中，S1和S2前分别为阶段初和阶段末的土壤重量含水量。

农田耗水量ET = ∆S + M + P + K。式中，M 为灌水量（mm）；P为有效降水量（mm）；K为地下水补给量（mm）。当地下水埋深大于2.5 m时，K值可以忽略不计。本试验地下水埋深在5 m以下，且小麦生育期内无灌水，故M值和K值均可忽略。

水分利用效率= 籽粒产量/耗水量

1.4.2 氮素计算方法 参考赵俊晔等[20]、PRZULJ等[23]方法计算：

植株氮素积累量=植株干物质量×含氮率

开花前积累氮素的运转量=开花期营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量

开花前积累氮素的运转对籽粒的贡献率=开花前积累氮素的运转量/籽粒氮素积累量×100%

开花后氮素积累量=成熟期植株氮素积累量-开花期氮素积累量

开花后氮素积累对籽粒的贡献率=开花后氮素积累量/籽粒氮素积累量×100%

氮素吸收率=植株氮素积累量/施氮量

氮素收获指数=籽粒氮素积累量/植株氮素积累量

氮素利用效率=籽粒产量/植株氮素积累量

氮素生产效率=籽粒产量/施氮量

1.5 数据处理与分析

试验采用Microsoft Excel 2003处理数据，采用DPS6.50软件进行统计分析，差异显著性检验用LSD法，显著性水平设定为=0.05。

2 结果

2.1 休闲期深松和覆盖播种对旱地麦田水分消耗的影响

2.1.1 对生育期总耗水量的影响 不同降水年型，休闲期深松（SS）较免耕（NT）小麦生育期总耗水量显著增加，覆盖播种较常规条播（DS）生育期总耗水量也增加（图1）。丰水年休闲期深松条件下，全膜覆土穴播（FHS）高于膜际条播（FM），但差异不显著；欠水年和丰水年免耕条件下，全膜覆土穴播（FHS）低于膜际条播（FM），但差异不显著。

同年型不同小写字母表示在0.05水平差异显著。下同

2.1.2 对各生育阶段土壤水分消耗的影响 不同降水年型，休闲期深松（SS）处理较免耕（NT）播种—拔节阶段耗水量所占比例显著降低；拔节—开花阶段耗水量及其所占比例显著增加；开花—成熟阶段耗水量显著增加，耗水量所占比例也提高。覆盖播种较常规条播（DS），播种—拔节阶段耗水量及其所占比例降低，拔节—开花和开花—成熟两阶段耗水量及其所占的比例显著增加。

丰水年深松条件下，全膜覆土穴播（FSH）拔节—开花和开花—成熟两阶段耗水量均显著高于膜际条播（FM），耗水比例也高于膜际条播（FM）；欠水年和丰水年免耕（NT）条件下，全膜覆土穴播（FSH）播种—拔节阶段耗水比例显著高于膜际条播（FM），拔节—开花阶段耗水量及其所占比例均低于膜际条播（FM），且耗水量差异性显著，开花—成熟阶段耗水量及其所占比例均低于膜际条播（FM）（表3）。

表3 休闲期深松和覆盖播种对旱地小麦各生育阶段耗水量及其所占比例的影响

STJ：播种—拔节；JTA：拔节—开花；ATM：开花—成熟。表中同列不同小写字母在0.05水平差异显著。下同

STJ: Sowing stage to jointing stage; JTA: Jointing stage to anthesis; ATM: Anthesis to mature. Table with the same small letter within a column are not significantly different at the 0.05 level. The same as below

2.2 休闲期深松和覆盖播种对植株氮素利用的影响

2.2.1 对各生育阶段植株氮素吸收量的影响 不同降水年型，休闲期深松（SS）较免耕（NT）各生育阶段吸氮量显著增加，拔节—开花阶段吸氮量所占比例提高；覆盖播种较常规条播（DS），各生育阶段吸氮量增加，拔节—开花阶段吸氮量所占比例提高。

丰水年深松条件下，全膜覆土穴播（FSH）各生育阶段吸氮量均高于膜际条播（FM），且拔节—开花阶段两覆盖处理间达显著；欠水年和丰水年免耕条件下，全膜覆土穴播（FSH）各生育阶段吸氮量均低于膜际条播（FM），且拔节—开花阶段两覆盖处理间差异均显著，拔节—开花阶段吸氮量所占比例也低于膜际条播（FM）（表4）。

2.2.2 对植株花前氮素运转和花后氮素积累的影响 不同降水年型，休闲期深松（SS）较免耕（NT）花前各器官氮素运转量、花后氮素积累量均显著增加；花前各器官氮素运转量对籽粒的贡献率提高，颖壳+穗轴差异性显著，而花后氮素积累量对籽粒的贡献率显著降低。覆盖播种较常规条播（DS）花前各器官的氮素运转量显著增加，花后氮素积累量也增加，且深松条件下差异达显著水平；花前叶片对籽粒的贡献率提高，且丰水年差异性显著，颖壳+穗轴氮素运转量对籽粒的贡献率显著提高，而花后氮素积累量对籽粒的贡献率均显著降低。

丰水年深松条件下，全膜覆土穴播（FSH）较膜际条播（FM），花前各器官氮素运转量显著提高，花后氮素积累量提高，叶片和颖壳+穗轴花前氮素运转量对籽粒的贡献率提高，且叶片达显著水平，而花后氮素积累量对籽粒的贡献率显著降低；欠水年和丰水年免耕条件下，全膜覆土穴播（FSH）较膜际条播（FM），花前各器官氮素运转量显著降低，花后氮素积累量下降，花前各器官氮素运转量对籽粒的贡献率降低，且茎秆+叶鞘达显著水平，而花后氮素积累量对籽粒的贡献率显著提高（表5）。

表4 休闲期深松和覆盖播种旱地小麦对各生育阶段吸氮量及其比例的影响

2.3 各生育阶段土壤水分消耗与植株氮素利用的关系

由表6可见，丰水年，播种—拔节阶段花前各器官的氮素运转量与0—120、260—300 cm各土层耗水量，花后氮素积累与0—100、260—300 cm各土层耗水量呈显著或极显著相关关系；拔节—开花阶段花前各器官氮素运转量与120—300 cm各土层耗水量，花后氮素积累量与140—280 cm各土层耗水量呈显著或极显著相关关系；开花—成熟阶段各器官氮素运转量和花后氮素积累量与180—300 cm各土层耗水量呈显著或极显著正相关。欠水年，播种—拔节阶段花前各器官氮素运转量与0—100、220—280 cm各土层耗水量，花后氮素积累量与0—120、200—240 cm各土层耗水量呈显著或极显著相关关系；拔节—播种阶段花前各器官氮素运转量与120—240 cm各土层耗水量，花后氮素积累量与100—240 cm各土层耗水量呈显著或极显著相关关系；开花—成熟阶段花前各器官氮素运转量和花后氮素积累量与120—300 cm各土层耗水量显著或极显著相关。可见，小麦植株花前氮素积累量和花后氮素运转量在生育前期与上层土壤水分变化关系密切（丰水年为0—120 cm，欠水年为0—100 cm）；在生育中期与中下层土壤水分变化关系密切（丰水年为120—300 cm，欠水年为120—240 cm）；在生育后期则与深层土壤水分变化关系密切（丰水年为180—300 cm，欠水年为120—300 cm）。

表5 休闲期深松和覆盖播种对旱地小麦植株开花前各器官氮素运转和开花后氮素积累的影响

PANT：花前各器官运转量Pre-anthesis accumulated nitrogen translocation amount from vegetative organs to grains after anthesis；NAAA：花后积累Nitrogen accumulation amount after anthesis；TA：转运量Translation amount； CP：贡献率Contribution proportion

2.4 休闲期深松和覆盖播种对产量和效率的影响

休闲期深松（SS）较免耕（NT）产量显著提高，3年度分别达16%—31%、21%—30%、16%—26%（表7）。覆盖播种较常规条播（DS）产量显著增加，3年度分别达17%—28%、13%—17%、18%—27%。深松条件下，丰水年全膜覆土穴播（FSH）产量显著高于膜际条播（FM），达12%，欠水年膜际条播（FM）显著高于全膜覆土穴播（FSH），达14%。

休闲期深松（SS）较免耕（NT），水分利用效率、氮素吸收效率和氮素生产效率显著提高；氮素收获指数提高，但不显著。覆盖播种较常规条播（DS）水分利用效率、氮素吸收效率和氮素生产效率显著提高；氮素收获指数提高，但未达到显著水平；氮素利用效率欠水年深松条件下降低，但不显著。丰水年深松条件，全膜覆土穴播（FSH）水分利用效率、氮素吸收效率、氮素收获指数、氮素利用效率、氮素生产效率均高于膜际条播（FM），且两覆盖处理间氮素吸收效率和氮素生产效率达显著水平；欠水年和丰水年免耕条件下，全膜覆土穴播（FSH）水分利用效率、氮素吸收效率、氮素收获指数、氮素生产效率均低于膜际条播（FM），氮素吸收效率两覆盖处理间差异显著，欠水年深松条件下氮素生产效率差异也显著。

2.5 休闲期深松和覆盖播种对经济效益的影响

休闲期深松和覆盖播种经济效益最高（表8）。2011—2012年度，休闲期深松下全膜覆土穴播纯收益较免耕下常规条播增加38%；2012—2013、2015—2016年度，休闲期深松下膜际条播的纯收益较免耕下常规条播分别增加33%和32%，且均以免耕条件下全膜覆土穴播纯收益最低。

表6 各生育阶段0—3 m土壤耗水量与开花前各器官氮素运转量及开花后氮素积累量的相关系数

*，<0.05水平显著；**，<0.01水平显著 *, significant at<0.05; **, significant at<0.01

表7 休闲期深松和覆盖播种对产量和效率的影响

WUE：水分利用效率water use efficiency；NUP：氮素吸收效率nitrogen uptake efficiency；NHI：氮素收获指数nitrogen harvest index；NUE：氮素利用效率nitrogen use efficiency；NPE：氮素生产效率nitrogen productive efficiency

表8 旱地小麦休闲期深松和覆盖播种种植效益

收入为小麦产量收入，市场价格为2.4元/kg；各处理下列投入均相同，其中种子428元/hm2，氮肥240元/hm2，磷肥300元/hm2，钾肥375元/hm2，除草杀虫剂750元/hm2

The income was from benefit of wheat product at the price of 2.4 yuan/kg, seed: 428 yuan/hm2, nitrogenous fertilizer: 240 yuan/hm2, phosphate fertilizer: 300 yuan/hm2, potash fertilizer: 375 yuan/hm2,herbicide and insecticide: 750 yuan/hm2

3 讨论

3.1 深松和覆盖播种对麦田水分消耗、植株氮素利用及产量的影响

旱地小麦产量受降水年型影响有较大波动，2011—2012年为丰水年（降雨量662 mm），2012—2013年（降雨量356 mm）、2015—2016年（降雨量387 mm）为欠水年，产量依次为5 553、3 009和3 886 kg·hm-2。

休闲期深松可以改善麦田土壤结构，一方面高效地减少地表径流和无效蒸发，调节耗水进程，可以为小麦幼苗生长提供良好的环境，尤其是满足小麦对中期和后期关键生育时期的水分需求，增加有效水分的利用，最终提高水分利用效率[3,5]；另一方面通过改善土壤环境，进而影响作物对养分的吸收，休闲期深松促进开花前各器官中积累的氮素向籽粒运转，促进花后氮素积累，增产效果显著[24]。此外，生育期覆盖播种技术也可以改变作物生长发育过程中的耗水模式，采用覆盖播种在生育前期减少了土壤无效蒸发，后期增强了植株的蒸腾作用，使有效的水分更多用于植株氮素的积累，这样有效调节农田小气候，有明显增产效果[25-26]。

本研究结果表明，极端年型下，小麦生育进程耗水规律基本一致，休闲期深松和覆盖播种降低小麦播种—拔节阶段耗水比例，显著增加拔节—开花和开花—成熟两阶段耗水量及其所占的比例，最终增加生育后期总耗水量。可能是因为休闲期深松改善土壤状况，促使小麦根系横、纵向生长，调节各生育阶段耗水，改善旱地小麦中后期水分利用情况，满足生长需求；同时生育期覆盖对土壤水分具有很强的的调控作用，加大了“土壤热梯度”的差异，使水分上移总量有增加，在膜下进行“小循环”的利用模式，这样的提墒效应主要发生在水分的临界期，调用了深层范围内的土壤水分，最终实现增产增效[27-29]。

本研究结果也表明，休闲期深松和覆盖播种增加各生育阶段植株吸氮量，提高了拔节—开花阶段吸氮量所占比例；增加花前各器官氮素运转量和花后氮素积累量，提高了花前各器官氮素运转量对籽粒的贡献率；最终显著提高产量、水分利用效率、氮素吸收效率和氮素生产效率。可见，休闲期深松和覆盖播种在影响旱地水分的条件下，促进植株氮素的吸收和运转，尤其满足中后期水分需求，从而保证该阶段的氮素吸收和运转，对小麦稳产增产有重要意义。此外，本试验2012—2013年降雨量相比其他两年份低，产量也表现最差，尽管土壤有机质含量略强于其他两年份，但水分与养分关系密切，在降雨量较少的背景下，并没有发挥出土壤养分高的优势，故产量仍低于其他两年份。

3.2 全膜覆土穴播和膜际条播增产、增效差异

乔安福等[30]研究表明，地膜覆盖后的小麦干物质、各营养器官干物质转移率和对籽粒的贡献率均高于常规栽培。在甘肃地区，全膜覆土穴播种植方式不仅利于小麦碳水化合物的合成，增加了小麦干物质积累量，且增加了花前各器官对籽粒的贡献率[31]，对氮效率的影响因底墒而异，高底墒条件下，氮效率会明显提高[28,32]。而岳维云等[33]在山西地区试验研究表明，膜际条播方式地上部干物质积累和同化略高于全膜覆土穴播处理。张勉等[34]研究也表明，膜际条播在缺水条件下对产量调控较大。

本研究结果表明，丰水年休闲期深松条件下，全膜覆土穴播，增产增效明显与膜际条播相比，显著增加拔节—开花和开花—成熟两阶段耗水量，提高耗水比例，最终增加生育期总耗水量；同时，增加各生育阶段吸氮量，显著增加花前各器官氮素运转量和花后氮素积累量，提高叶片和颖壳+穗轴花前氮素运转量对籽粒的贡献率，尤其是叶片差异性显著；产量显著提高12%，提高水分利用效率、氮素吸收效率、氮素收获指数、氮素利用效率、氮素生产效率。由于全膜覆土穴播采用全膜地面覆盖，直至收获后（次年6月上旬）回收地膜。生长前期土壤增温效果显著；生长中期，小麦地上部分生长最发达，遮荫效应显著导致增温作用减弱；而后期叶片逐渐衰老死亡，地面覆盖度整体降低，增温效果又趋增强，导致整个生育期增温时间长且效果明显，生育期总耗水量过大[35]。但本试验丰水年深松条件下，水分亏缺不是首要限制因素，生育期充足的水分供应能够在生长后期促使中下部的根系发挥作用，避免了耗水量过大的弊端，保障了干物质的生产，最终提高产量增加收益；结果还表明，叶片和颖壳+穗轴花前氮素运转量对籽粒的贡献率提高，这与薛玲珠等[18]研究结果一致。

欠水年和丰水年免耕条件下，膜际条播较全膜覆土穴播显著降低播种—拔节阶段耗水比例，增加拔节—开花和开花—成熟两阶段耗水量及其所占比例；增加各生育阶段吸氮量，尤其显著增加拔节—开花阶段，且提高该阶段吸氮量所占比例；显著增加花前各器官氮素运转量，也增加花后氮素积累量，提高花前各器官氮素运转量对籽粒的贡献率，且茎秆+叶鞘达显著水平。欠水年深松条件下，膜际条播较全膜覆土穴播产量显著提高14%，水分利用效率、氮素吸收效率、氮素收获指数、氮素生产效率提高，且氮素吸收效率和氮素生产效率差异显著。本试验欠水年和丰水年免耕条件下，可能由于水分成为了限制高产高效的主要因子，膜际条播采用地膜两侧覆土，垄沟膜侧种植两行小麦，地膜回收时间于小麦收获前的5月中旬，这样的半封闭性膜侧条播较全封闭性的全膜覆土穴播土壤水分利用情况更好，尽管水分条件较差，也能保证小麦生育前期的生长，形成高用水群体，有利于光合产物的形成，同时中后期对深层土壤水分的利用增强了花后氮素积累，促进光合产物向籽粒的运转，最终达到高产并增加收益，与本团队[36-37]研究结果一致。此外，本试验表明茎秆+叶鞘器官对籽粒的贡献最大，与张勉等[34]对膜际条播研究结果一致。

3.3 旱地麦田水分消耗与植株氮素利用的关系

水分可以影响小麦的产量和品质，主要是因为水分和氮素的耦合效应，所以水分条件是决定植株氮素吸收利用的主要因子[38]。研究表明，拔节期至成熟期适宜的土壤含水量促进开花后生物量的积累及其向籽粒的运转，因此，在小麦生产中采取适宜的栽培措施使根系深扎，有利于小麦在生育中后期对深层土壤贮水充分利用，促进籽粒形成[29]。

本研究结果表明，开花前各器官氮素运转量和开花后氮素积累量在生育前期与上层土壤水分变化关系密切，在生育中期与中下层土壤水分变化关系密切，在生育后期与深层土壤水分变化关系密切。可见，植株氮素吸收利用主要受到整个生育时期水分的影响，各生育阶段由不同土层的水分供应小麦生长发育，最终影响干物质生产，保证产量。但也有研究表明，作物生育中期和后期水分状况对植株氮素吸收利用影响较大[39]，与本研究结果不同，具体原因可能还需进一步研究总结验证。

同时，本研究结果表明，3年度成熟期土壤蓄水量均值分别为359、324、344 mm，各处理间无显著差异，且各处理间周年耗水量也无显著差异，表明休闲度深松和覆盖播种关键在于调节耗水过程实现高耗水，满足小麦生长需求，并不会破坏土壤墒情影响下茬作物生长，与陈梦楠等[27]在覆膜对水分利用方面的研究结果一致。

4 结论

旱作麦田各生育阶段土壤水分变化与植株氮素吸收利用关系密切，0—100 cm土层的土壤水分变化影响小麦生育前期植株氮素吸收利用；丰水年120—300 cm和180—300 cm土层土壤的水分变化分别影响小麦生育中期和后期植株氮素的吸收和利用；欠水年120—240 cm和120—300 cm土层土壤水分变化分别影响生育中期和生育后期氮素的吸收和利用。休闲期深松和覆盖播种影响土壤水分变化，从而影响氮素的吸收利用，尤其是拔节—开花阶段吸氮量及其比例，最终影响产量和水、氮效率。休闲期深松蓄水前提下，丰水年宜采用全膜覆土穴播，欠水年宜采用膜际条播。

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（责任编辑 杨鑫浩）

A Study on the Relationship Between Water Consumption and Nitrogen Absorption, Utilizationunder Sub-Soiling During the Fallow Period Plus Mulched-Sowing in Humid and Dry Years of Dryland Wheat

LI NianNian, SUN Min, GAO ZhiQiang, ZHANG Juan, ZHANG HuiYu, LIANG YanFei, YANG QingShan, YANG ZhenPing, Deng Yan

(College of Agriculture, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi)

【Objective】The objective of these experiments was to clarify the relationship among soil water variety, nitrogen utilization and yield, and to explore emergency measures of tillage and mulched-sowing technique. 【Method】Field experiments were carried out from 2011 to 2016 in Wenxi, Shanxi province, with sub-soiling (SS) or no-tillage (NT) as the main plots and three sowing methods (film-mulched soil hole sowing, FSH; film-mulched sowing, FM; drill sowing, DS) as the subplots, classification of annual type according to precipitation, in order to assess the effects of mulched-sowing under sub-soiling on relationship with water consumed and accumulation absorption and utilization in dry wheat.【Result】Under difference precipitation, the water consumption amount and its ratio was declined from sowing stage to jointing stage, but the water consumption amount and its ratio from jointing stage to mature wasincreased, thus water consumption during growth period was increased under sub-soiling and mulched-sowing; nitrogen accumulation at every growth stage also was increased, especially ratio of nitrogen accumulation fromjointing stage to anthesis; pre-anthesis nitrogen translocation amount in various organs and contribution of translocation to grain was increased; grain yield was improved significantly by 16%-30% under sub-soiling and 13%-28% under mulched-sowing, water use efficiency was improved, and nitrogen uptake efficiency and nitrogen productive efficiency was improved significantly. Difference annual precipitation and sub-soiling affected water consumption, nitrogen absorption, utilization, grain yield, water use efficiency, and nitrogen use efficiency of FHS and FM. In humid year under SS, water consumption during growth was increased, nitrogen accumulation from jointing stage to anthesis stage and contribution of leaf nitrogen translocation to grain was increased significantly, and grain yield, nitrogen uptake efficiency and nitrogen productive efficiency was increased significantly under FSH, compared with FM. However, in dry year and humid under no sub-soiling, water consumption during growth was no significantly between FSH and FM, pre-anthesis nitrogen translocation amount in various organs, contribution of stem+sheath nitrogen translocation to grain, and nitrogen accumulation amount after anthesis, finally grain yield were increased, and nitrogen uptake efficiency was increased significantly improved under FM compared with FSH. In addition, in humid year, pre-anthesis nitrogen translocation amount in various organs and nitrogen accumulation amount after anthesis was more significantly correlated with 0-120 cm water consumption from sowing stage to jointing stage, 120-300 cm water consumption at jointing stage to anthesis, 180-300 cm water consumption at anthesis to mature; in dry year, pre-anthesis nitrogen translocation amount in various organs and nitrogen accumulation amount after anthesis was more significantly correlated with 0-100 cm water consumption at sowing stage to jointing stage, 120-240 cm water consumption at jointing stage to anthesis, and 120-300 cm water consumption at anthesis to mature.【Conclusion】In conclusion, sub-soiling during the fallow period, mulched-sowing was not only increased water consumption, but also beneficial to nitrogen accumulation during growth period, ultimately significant improved yield, water use efficiency, and nitrogen use efficiency. Film-mulched soil hole sowing in humid year and film-mulched sowing in dry year increased yield and efficiency of dryland wheat under sub-soiling during the fallow period.

dryland wheat; sub-soiling during the fallow period; mulched-sowing; water consumption; nitrogen utilization; yield

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.18.003

2018-06-22；

2018-08-06

国家现代农业产业技术体系建设专项（CARS-03-01-24）、作物生态与旱作栽培生理山西省重点实验室项目（201705D111007）、小麦旱作栽培山西省重点创新团队项目（201605D131041）、黄土高原特色作物优质高效生产山西省协同创新中心项目（J241643D30）、国家自然科学基金（31771727）、山西省回国留学人员重点科研资助项目（2015-重点4）、三晋学者支持计划专项经费资助项目（J24174400）、山西省回国留学人员科研资助项目（2017-068）、晋中市科技计划（Y172007-2）

李念念，Tel：0354-6287187；E-mail：15235470341@163.com。通信作者孙敏，Tel：0354-6286956；E-mail：sm_sunmin@126.com