玉米免耕留膜可减少后茬轮作春小麦水氮用量

郭 瑶，陈桂平，王巧梅，殷 文，樊志龙，胡发龙，范 虹，赵 财，于爱忠，柴 强

（甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃农业大学农学院，兰州 730070）

春小麦是我国重要的粮食作物之一[1]，其生产与氮素的吸收、累积及转运密切相关[2-3]，提高春小麦氮素吸收并优化其分配的主要措施有前茬管理、水分管理、施氮制度管理等[1-2]。已有研究表明，休闲期地膜覆盖对春小麦氮素吸收具有较大的调控作用，通过改善土壤水分环境，促进各生育期植株氮素累积，尤其是促进春小麦花后氮素的累积及营养器官向穗部的转运[1-2]。水分是调控春小麦氮素吸收与转运的重要影响因子[3]，土壤干旱促进营养器官氮素向籽粒的转运，提高氮素转运率[4]，但是随着土壤水分的增加，其生育后期氮素累积与转运呈先增加后降低[3]。春小麦氮素的累积随施氮量的增加而增加，但是开花后营养器官中氮素向籽粒的转运却与之相反[5]。此外，合理的水氮供应在一定程度上能增强作物叶片光合性能，促进营养器官氮素向籽粒中的转移[6-7]。另有研究证实，作物合理轮作倒茬通过影响土壤结构、平衡土壤养分，提高农业资源利用而影响春小麦氮素累积与转运[8-9]。因而，优化前茬及水氮管理是提高春小麦氮素累积与转运的重要措施。目前，我国西北绿洲灌区作物生产中地膜覆盖技术应用普遍，传统生产模式以一年一膜连作为主[10]，水氮作为影响作物氮素累积与转运的重要因素[11]，因此，能否将轮作模式、地膜覆盖循环利用措施集成到同一生产系统，通过配置合理的水氮管理制度提高春小麦氮素累积与有效转移。本研究提出轮作春小麦休闲期茬口管理集成水氮耦合技术，探究该集成技术对春小麦氮素累积与分配的影响，以期为区域内发展高产高效春小麦栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

图1 2016与2017年春小麦生育期内平均气温与降水量Fig. 1 Average air temperature and precipitation of wheat growth period in 2016 and 2017

本研究在甘肃省武威市凉州区黄羊镇“甘肃农业大学绿洲农业科研教学基地 (37°30′N、103°5′E)”进行，试区位于河西走廊东端，属寒温带干旱气候区。天然降水少，年均降水约156 mm，年蒸发量约2000 mm，2016与2017年试验期间降水分别为111.8与101.4 mm (图1)。该区资源性缺水严重，种植模式单一，春小麦、玉米作为主栽粮食作物，玉米生产存在“非膜不植”的生产现状，且连作普遍，春小麦露地播种。覆膜玉米灌水、施肥等田间管理措施保持一致。试验区土壤为典型的灌淤土，传统翻耕处理播前0—120 cm土层土壤含水量为18.4%，土壤有机质含量为13.8 g/kg、全氮含量为0.811 g/kg、碱解氮含量为106.5 mg/kg；免耕地膜覆盖处理播前0—120 cm土层土壤含水量为19.6%，土壤有机质含量为14.0 g/kg、全氮含量为0.907 g/kg、碱解氮含量为108 mg/kg。

1.2 试验设计

试验于2015—2017年进行，2015年与2016年在两块试验田分别进行覆膜种植玉米预备试验，地膜采用宽120 cm，厚0.01 mm的白色农用地膜，平作全膜覆盖。2015年4月24日播种玉米，9月28日玉米收获后，免耕留膜处理小区地膜的完整度保持在70%以上，传统耕作处理则在玉米收获后进行旧膜回收再深翻耕。2016年3月28日采用简易滚动播种器免耕直接穴播春小麦。同时，2016年4月20日在相邻田块布置2017年免耕种植春小麦的预备试验，覆膜玉米灌水、施肥等田间管理措施与2015年保持一致，2016年9月20日玉米收获后茬口处理与2015年相同，2017年3月26日免耕直接穴播春小麦。

试验为三因素裂区设计，主区设前茬地膜覆盖玉米收获后的2种不同耕作方式：免耕留膜 (NT)、传统耕作 (CT)。第一副区为2个灌水水平：传统灌水 (2400 m3/hm2)、传统灌水减量20% (1920 m3/hm2)。第二副区为3个施纯氮水平：传统施氮(225 kg/hm2)、传统施氮减量20% (180 kg/hm2)、传统施氮减量40% (135 kg/hm2)，共组成12个处理，3次重复，36个小区，小区面积52 m2(5.2 m × 10 m)。具体田间处理代码如表1。

供试春小麦品种为甘春30号，播种密度465万粒/hm2。2016、2017年春小麦收获日期分别为7月21日、7月20日。另外，采用地方同一灌水习惯，2015年与2016年分别于12月10日与12月15日进行冬储灌1200 m3/hm2，春小麦生育期内，传统灌水按苗期、孕穗期、灌浆期分别灌水750、900、750 m3/hm2，减量灌水20%按以上生育时期分别灌水600、720、600 m3/hm2，并用水表控制灌水量。基肥按磷肥150 kg/hm2和全部氮肥于播前施入，氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙。

1.3 测定指标和计算方法

从春小麦出苗20 d后，每15 d采集植株样，抽穗前按叶、茎分开，抽穗后按叶、茎、穗各器官分开，在105℃烘箱内杀青30 min，85℃烘干至恒重后粉碎。样品经H2SO4-H2O2消化后采用半微量凯氏定氮法测定各器官全氮含量，然后计算营养器官的氮素转运量 (DTA)、转运率 (DTR)、营养器官氮素对籽粒贡献率 (GCR) 及氮素收获指数 (NHI)。计算方法如下：

表1 试验处理前茬玉米耕作方法、灌溉量、施氮量及处理代码Table 1 Detail of tillage practice, irrigation amount, nitrogen fertilizer rate in previous maize in each treatment and the experimental code

各时期不同器官氮素累积量=全氮含量 (%) × 干物质质量

营养器官的氮素转运量 (DTA，kg/hm2) = 该器官最大氮素累积量 - 该器官成熟时氮素累积量；

营养器官的氮素转运率 (DTR) = (该器官最大氮素累积量 - 该器官成熟时氮素累积量) /该器官最大氮素累积量 × 100%；

营养器官氮素对籽粒贡献率 (GCR) = (该器官最大氮素累积量 - 该器官成熟时氮素累积量) /籽粒产量 × 100%；

氮素收获指数 (NHI) = 籽粒吸氮量/植株吸氮量。

1.4 数据统计

试验数据采用EXCEL 2016进行整理及相关图表制作，利用SPSS 19.0进行显著性分析 (Duncan’s multiple range tests)、主效应检验、互作效应分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理春小麦地上部氮素累积及分配特性

2.1.1 春小麦地上部氮素累积动态 前茬地膜覆盖玉米免耕留膜、减量灌水与施氮均可提高轮作春小麦地上部氮素累积，灌水与施氮对春小麦地上部氮素累积互作效应显著 (图2)。前茬地膜覆盖玉米免耕留膜较传统耕作春小麦地上部氮素累积提高10.9%～14.2%，其中播种至灌浆期、灌浆至完熟期提高比例分别为9.7%～15.2%、10.2%～15.6%。减量灌溉水平下，地膜覆盖玉米免耕留膜较传统耕作提高了春小麦拔节前、孕穗至完熟期的地上部氮素累积，提高比例分别为21.8%～28.4%、15.2%～17.2%。减量40%施氮较减量20%及传统施氮春小麦灌浆至完熟期地上部氮素累积分别降低11.8%～12.3%、14.4%～14.7%，但减量20%施氮与传统施氮处理间差异并不显著。将减量灌水与施氮同步集成于地膜覆盖玉米免耕留膜轮作春小麦生产模式，增强了春小麦地上部氮素累积，减量20%灌水与施氮完熟期提高氮素累积作用最显著，较传统耕作传统灌水施氮处理提高5.0%～16.1%。因此，前茬地膜覆盖玉米免耕留膜结合减量20%灌水与施氮可提高后茬春小麦地上部的氮素累积。

2.1.2 春小麦地上部各器官氮素分配特性 拔节期前叶片累积了春小麦植株地上部49%～65%的氮素(图3)，前茬地膜覆盖免耕留膜较传统耕作增加了春小麦拔节期之前叶、茎氮素分配，分别提高7.9%～14.2%、20.1%～29.0%，但是降低了完熟期叶、茎氮素分配，降幅分别为6.7%～16.1%、8.8%～13.8%，且前茬地膜覆盖免耕留膜完熟期穗部氮素分配高于传统耕作。减量灌水较传统灌水降低了收获期叶、茎的氮素分配，降幅分别为7.2%～7.5%、14.3%～15.2%。减量施氮20%明显降低了完熟期叶、茎氮素的残留，较传统施氮分别降低11.1%～9.0%与14.3%～13.8%。综合三因素，前茬地膜覆盖免耕留膜集成传统灌水与施氮均减量20%处理春小麦穗部氮素分配比例最大，较传统耕作传统灌水与施氮提高7.6%～10.0%。说明前茬地膜覆盖玉米免耕留膜配套减量灌水及施氮可调控氮素在营养器官与生殖器官之间的分配。

图2 2016年和2017年不同处理春小麦氮素动态累积Fig. 2 Dynamic of nitrogen accumulation of wheat under different treatments in 2016 and 2017[注（Note）：NT—免耕留膜No tillage and keeping mulched plastic film in previous crop；CT—传统耕作Conventional tillage in previous crop and buried the mulched plastic films into soil；I1、I2 代表灌水量 1920、2400 m3/hm2，N1、N2、N3 代表施氮量 225、180、135 kg/hm2；误差线表示标准差 The irrigation amount in I1 and I2 are 1920，2400 m3/hm2，and the nitrogen application amount in N1，N2 and N3 are 225, 180 and 135 kg/hm2；the error bar indicates standard error (n = 3).]

2.1.3 不同营养器官中氮素向籽粒的转运 春小麦叶与茎氮素向籽粒的转运量及对穗部的贡献率受耕作方式影响显著，灌水量与施氮量对转运量和转运率影响显著，耕作方式、灌水水平与施氮量三者间的交互作用对春小麦茎向籽粒的转运量影响显著 (表2)。前茬地膜覆盖玉米免耕留膜较传统耕作提高叶、茎氮素向籽粒的转运量分别为16.1%～27.4%、12.2%～25.9%。减量灌水促进叶、茎氮素向籽粒转运，其转运量较传统灌水分别提高3.2%～8.1%、11.1%～13.5%。营养器官氮素转运量随施氮量的降低而下降，但氮素的转运率与之相反，其中减量20%施氮较传统施氮处理叶、茎氮素转运率分别提高3.1%～4.3%、4.8%～6.5%。以前茬地膜覆盖玉米免耕留膜集成传统灌水与施氮均减量20%处理叶、茎营养器官对穗部的氮素贡献作用最显著，较传统耕作传统灌水与施氮处理氮素转移对籽粒的贡献率分别提高13.3%～29.0%与26.4%～36.7%。说明前茬地膜覆盖玉米免耕留膜配套减量灌水与施氮通过提高营养器官氮素转运量与转运率而增大营养器官对穗部氮素累积的贡献率。

2.2 不同处理下春小麦籽粒产量表现

耕作措施、灌水水平、施氮量和灌水与施氮量交互作用对春小麦籽粒产量影响显著 (表3)。前茬地膜覆盖玉米免耕留膜显著提高了轮作春小麦籽粒产量，与传统耕作相比，增产10.1%～10.4%。减量灌水比传统灌水增产2.4%～4.3%，传统与减量灌水水平下，地膜覆盖玉米免耕留膜较传统耕作分别增产13.0%～14.8%与9.4%～10.1%。减量20%施氮与传统施氮处理间春小麦籽粒产量差异不显著。减量灌水与施氮促进了地膜覆盖玉米免耕留膜对轮作春小麦的增产作用，以灌水与施氮均减量20%增产作用最显著，籽粒产量达到8851～9046 kg/hm2，较传统耕作及传统灌水与施氮增产15.2%～22.0%。前茬地膜覆盖玉米免耕留膜集成传统灌水与施氮均减量20%可达到较高的籽粒产量，较传统耕作传统灌水与施氮具有增产效应，说明在地膜覆盖玉米免耕留膜措施下，集成减量20%灌水及减量20%施氮具有实现高产的可行性。

2.3 不同处理春小麦的氮素收获指数

图3 2016年和2017年不同处理春小麦各器官氮素分配比率Fig. 3 Nitrogen distribution ratio in different organs of spring wheat under different treatments in 2016 and 2017[注（Note）：NT—免耕留膜No tillage and keeping mulched plastic film in previous crop；CT—传统耕作Conventional tillage in previous crop and buried the mulched plastic films into soil；I1、I2代表灌水量1920、2400 m3/hm2，N1、N2、N3代表施氮量225、180、135 kg/hm2 The irrigation amount in I1 and I2 are 1920，2400 m3/hm2，and the nitrogen application amount in N1，N2 and N3 are 225，180 and 135 kg/hm2.]

耕作措施、灌水水平、施氮量和耕作措施与施氮量交互作用对春小麦氮素收获指数影响显著 (表3)。耕作措施对春小麦氮素收获指数的影响受灌水与施氮的影响年际间有差异，但减量灌水提高了地膜覆盖玉米免耕留膜春小麦氮素收获指数。地膜覆盖玉米免耕留膜措施下，减量灌水较传统灌水提高氮素收获指数4.0%～4.5%。施氮对收获指数影响年际间存在差异，地膜覆盖玉米免耕留膜措施下，减量40%、减量20%施氮较传统施氮处理2016年分别提高5.1%、4.8%，2017年则差异不显著。综合三因素，两年研究中均以地膜覆盖玉米免耕留膜配套灌水与施氮均减量20%处理春小麦氮素收获指数最高，较传统耕作传统灌水减量20%施氮、传统耕作传统灌水传统施氮处理氮素收获指数分别提高4.8%～5.6%、7.6%～10.0%。说明前茬地膜覆盖玉米免耕留膜结合减量灌水及施氮有利于营养器官氮素向籽粒的转运。

3 讨论

3.1 春小麦地上部氮素累积、分配及转运

春小麦籽粒氮素来源于生育前期营养器官积累的氮素向籽粒的转运与植株后期根系对土壤氮的吸收利用[12]。营养器官中氮素的分配随生长发育中心的转变而变化，生育前期氮素主要分配在叶、茎营养器官中，生育后期穗部器官成为氮素的主要贮存场所，并且穗部氮素53.0%～80.8%来自于开花期之前营养器官积累氮素的转运[13-14]。因此，提高生育前期叶、茎氮素累积与分配的同时，促进后期植株直接从土壤吸收氮素至关重要。免耕有利于促进作物对氮素的吸收[15]，但是过量灌水与施氮并不利于春小麦籽粒氮素的累积[12,16]。众多研究认为，春小麦对氮素的吸收利用必须以水为媒介，土壤水分影响氮素的吸收与转运[11,17]，合理减少灌水量并不会降低作物吸氮量，甚至对作物氮素吸收有一定的促进作用[18]。施氮促进春小麦地上部氮素累积量，并且在一定程度上能够缓解水分不足对产量的影响[7,19]。而过量施氮则造成作物营养器官贪青晚熟，籽粒氮素累积与分配和营养器官向籽粒氮素的转运下降[7]。

表2 不同处理春小麦各器官氮素转运及对籽粒的贡献率Table 2 Translocation of nitrogen from the organs to grain and the contribution rate to yield of spring wheat in different treatments

表3 不同处理春小麦籽粒产量与氮素收获指数Table 3 Grain yield and nitrogen harvest index of wheat under different treatments

通过农艺措施的改良，如耕作方式、灌水水平、施氮量等优化植株氮素累积、分配及营养器官氮素向籽粒的转运规律是作物获得高产的重要途径之一[5,20]。本研究表明，前茬地膜覆盖玉米免耕留膜措施下，植株氮素累积量、分配与不同营养器官中氮素向籽粒的转运高于传统耕作处理，特别是地膜覆盖玉米免耕留膜及传统灌水与施氮均减量20%处理尤为突出。这主要是由于免耕通过降低氮素损失而增加土壤氮素含量[21]，为后期春小麦从土壤中直接吸收氮素供穗部分配提供了适宜的土壤氮环境。此外，春小麦生育前期，地膜覆盖玉米免耕留膜较传统耕作土壤表层保持较高含水量和土壤温度，增加叶面积指数、提高光合势，降低作物叶片水分饱和亏，增加植株叶片光合速率和蒸腾速率，提高植株茎秆伤流量，促进叶片、茎秆对氮素的吸收与累积[22-23]，为穗部氮素分配[15]与营养器官向穗部的转运储存丰富的氮源。从而避免灌水与施氮过多造成土壤氮随水向深层土壤迁移，不利于春小麦根系对氮素的吸收而影响穗部氮素的分配[23-24]。传统耕作传统灌水与施氮处理各营养器官对穗部的转运率有所下降，这是因为：第一，传统施氮不利于叶、茎等营养器官氮素向穗部的转运，导致收获时期营养器官的氮素残留量较高[12]，因而降低转运率；第二，免耕有利于提高土壤含氮量，传统耕作相对于免耕可能造成土壤氮源不足，影响作物根系氮素吸收，导致“源”和“库”关系不协调[25]，最终表现为“源”向“库”转运的氮素较少，进而降低转运率。因此，地膜覆盖玉米免耕留膜配套传统灌水与施氮均减量20%为作物提供适宜的土壤环境，提高了春小麦植株氮素累积、分配与转运。

3.2 春小麦产量与氮素收获指数

作物产量是众多因素相互影响的结果，光合作用同化的氮素向籽粒的分配、转移、累积也是提高产量的重要途径之一[26]。土壤氮素的淋失随灌水量的增加而加剧，并不利于作物的吸收利用[24]；在适宜施氮量的基础上增施氮肥使营养器官氮素代谢旺盛，导致氮素向籽粒的转运量下降，不利于籽粒灌浆导致减产[26]。免耕地膜覆盖具有较好的土壤水分、养分环境[27]，优化土壤理化特性，为春小麦后期生长提供了良好的土壤环境[28]，加之土壤水氮适宜，利于营养器官氮素的累积，同时提高营养器官向穗部转运量、转运率，籽粒大而饱满，最终实现增产[17]。因而，本研究中前茬地膜玉米免耕留膜集成传统灌水与施氮均减量20%处理获得较高的籽粒产量。说明合理的耕作措施及水氮供应可提高生育后期春小麦氮素的有效利用，提高籽粒产量。因此，在河西绿洲灌区，保证春小麦需氮量 (180 kg/hm2) 的同时，旧膜再利用集成减量20%灌水措施能够较好的协调氮素的累积与分配规律，为春小麦氮素高效利用生产模式提供实践依据。

前茬地膜玉米免耕留膜为减量灌水及施氮提供前提保障，在减量灌溉及施氮水平下，有利于营养器官的氮素累积，同时促进营养器官向穗部的氮素转运。本研究中前茬地膜玉米免耕留膜集成传统灌水与施氮均减量20%处理提高了春小麦氮素收获指数，源于前茬地膜玉米免耕留膜促进春小麦氮素累积，加强生育后期植株对氮素的吸收及营养器官向籽粒的转运[22]。春小麦生育后期氮素匮缺，其吸收或贮存在营养器官的氮素优先满足穗部所需，并且营养器官向籽粒较高的氮素转运所导致完熟期叶、茎氮素残留量的降低，因而提高氮素收获指数。

4 结论

前茬地膜覆盖玉米免耕留膜配套传统灌水与施氮均减量20%处理可优化轮作春小麦地上部氮素的累积与分配特性，提高叶、茎氮素对穗的贡献率。该处理能有效促进春小麦生育期氮素累积及生殖生长期叶、茎氮素向穗部转移，最终提高籽粒产量。较传统耕作传统灌水传统施氮处理春小麦氮素累积提高4.3%～6.1%，叶、茎氮素转移对籽粒的贡献率分别提高13.3%～29.0%、26.4%～36.7%，最终籽粒产量与氮素收获指数分别提高15.2%～22.0%与7.6%～10.0%。因此，前茬地膜覆盖玉米免耕留膜集成传统灌水减量20% (1920 m3/hm2) 与传统施氮减量20% (180 kg/hm2) 是绿洲灌区优化春小麦氮素累积与分配动态规律的适宜农艺措施之一。