夏闲期不同覆盖方式对旱地小麦水氮利用和产量的影响

陈秀文，赵护兵，毛安然，李紫燕，翟丙年

（西北农林科技大学资源环境学院，陕西 杨凌 712100）

小麦是全球主要粮食作物之一，近几年中国小麦产量一直稳居世界第一［1］。中国35%的人口以小麦为主食［2］，由于中国人口的持续增加和人民生活水平的不断提高，小麦的需求量和消耗量也在不断增长，因此，利用有限的土地资源生产更多的小麦就成为当前小麦生产面临的重大挑战［3］。黄土高原是我国主要粮食产区之一，其面积约有4 000万hm2［4］，其中冬小麦的种植面积为1 760万hm2，约占总面积的44%［5］。由于该区是典型的旱作农业区，且每年降水分布不均衡，2/3的降水主要分布在夏季休闲期（即7～9月份），冬小麦生育期内的降水却很少，因此，最大程度地保蓄夏闲期降水对该区冬小麦生产有重要的意义［6］。最大程度地保蓄夏闲期降水可以显著提高播前底墒［7］，这对旱地小麦的产量形成非常重要。研究表明，播前底墒与冬小麦的产量具有显著的正相关关系［8］，甚至冬小麦产量的47%都是来自播前底墒［9］。夏季休闲期地膜覆盖与不覆盖相比，冬小麦播前0～280 cm土层的底墒显著提高［10］，水分利用效率提高5%［11］，冬小麦产量提高 11%［12］。

夏闲期覆盖是保蓄夏闲期降水，提高播前底墒的重要途径，目前对旱地冬小麦的夏闲期覆盖保水栽培措施研究主要集中在塑料地膜覆盖保水方面，但对秸秆覆盖的保水研究较少［13-15］。本研究在黄土高原旱地冬小麦种植区陕西省永寿县御驾宫村进行大田试验，以夏闲期垄膜沟秸覆盖、夏闲期全膜覆盖和夏闲期秸秆覆盖为研究对象，研究夏闲期不同覆盖方式对旱地冬小麦的产量、保水效果和氮素利用的影响，旨在探寻旱地冬小麦夏闲期覆盖的最优方式，为旱地冬小麦稳产高产与环境友好型的农业发展技术提供新的途径和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2017～2018年在陕西省咸阳市永寿县御驾宫村进行。该地区位于黄土高原的南部，属于暖温带半湿润大陆性气候，年平均气温为10.8℃，年平均降水量为550 mm，且2/3的降水主要集中在夏季休闲期（即7～9月份），是典型的旱作农业区。潜在蒸发量为807.4 mm，无霜期为210 d。供试土壤的基本理化性状为：pH值为8.18，有机质含量为11.7 g/kg，全氮含量为0.87 g/kg，硝态氮含量为14.5 mg/kg，铵态氮含量为2.7 mg/kg，有效磷含量为10.7 mg/kg，速效钾含量为99.9 mg/kg，容重为1.25 g/cm3。2017年小麦收获后到2018年小麦收获后累积降水量586 mm，其中小麦生育期降水量314 mm，2017年夏季休闲期降水量272 mm。

1.2 试验设计与材料

该试验为6年定位试验，共设5个处理，本研究在前5年（2012～2017年）基础上进行。前5年各处理分别是无氮处理，农户常规对照模式，周年垄覆沟播，周年全膜穴播和周年秸秆覆盖（3个覆盖处理均为夏闲期和生长期全年覆盖）。第6年（2017～2018年）处理将前5年周年覆盖改为夏闲期覆盖，5个处理分别是无氮处理（不施氮肥，夏闲期不覆盖），农户常规对照模式（施氮肥，但是在夏闲期不覆盖），夏闲期垄膜沟秸覆盖，夏闲期全膜覆盖，夏闲期秸秆覆盖（3个覆盖处理只在夏闲期覆盖，在冬小麦播种前去除覆盖物，小麦播种同农户常规播种方式一致）。在6年试验中，每年5个处理全部施用磷肥，施用量（P2O5）为127.5 kg/hm2，农户常规对照模式和3个覆盖处理共计4个处理，每年施纯氮150 kg/hm2，供试氮肥为尿素（N 46%），磷肥为过磷酸钙（P2O512%）。无氮处理和农户常规对照模式在冬小麦收获后一星期内把秸秆全部移走；夏闲期垄膜沟秸覆盖处理是在小麦收获后起垄覆盖（40 cm宽农用普通白色地膜，垄上覆膜，沟内覆秸秆）；夏闲期全膜覆盖是在小麦收获后整地覆1 m宽农用普通白色地膜，膜上覆土1 cm，每隔20 cm打一行孔，孔距（相邻两孔距离）为12 cm，以备夏闲期降水入渗；夏闲期秸秆覆盖是在小麦收获后覆盖秸秆，秸秆用量为10 t/hm2。每个处理重复4次，随机区组排列，小区面积48 m2（12 m×4 m）。

本试验季冬小麦于2017年9月23日播种，2018年6月15日收获。试验品种为洛旱6号，氮肥、磷肥均作为基肥施入，在播前均匀撒入相应小区后翻入耕层并耙平，播种量为150 kg/hm2，播种行距20 cm。小麦生长季进行“一喷三防”作业。

1.3 测定项目与方法

产量和生物量：在小麦成熟后每小区随机取3 m2长势均匀的小麦植株，计算产量和生物量。

土壤蓄水量：在播前和收获后用土钻取0～200 cm土样（每20 cm为一层），用烘干法测定土壤含水量，土壤含水量以水分占干土重的百分数来表示。

籽粒、秸秆和颖壳含氮量：在测完产量之后选取适量籽粒、秸秆和颖壳，磨碎后用浓硫酸和过氧化氢消煮，消煮完全后用连续流动分析仪测定籽粒、秸秆和颖壳含氮量。

1.4 数据处理与分析

式中：WS为蓄水量，mm；ρ为土壤容重，g/cm；h为土壤深度，cm；w为土壤含水量，%；i为土层；10为换算系数。

式中：ET为生育期耗水量，mm；WSBS为播前土壤蓄水量，mm；P为生育期降水量，mm；WSAH为收获后土壤蓄水量，mm。

式中：WUE为水分利用效率，kg/（hm2·mm）；Y为产量，kg/hm2。

籽粒吸氮量（g/kg）=籽粒氮含量×产量/1 000

地上部吸氮量（kg/hm2）=（籽粒氮含量×产量+秸秆氮含量×秸秆生物量+颖壳氮含量×颖壳生物量）/1 000。

氮素利用效率（%）=（施氮区地上部氮素累积量-不施氮区地上部氮素累积量）/纯氮×100。

采用Excel 2016软件处理数据，SPSS 21.0软件进行统计分析，用LSD法进行差异显著性检验，显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 夏闲期不同覆盖方式对冬小麦地上部生物量和产量的影响

图1 夏闲期不同覆盖方式对冬小麦地上部生物量和产量的影响

产量和地上部生物量的变化趋势一致（图1）。夏闲期垄膜沟秸覆盖处理相比较农户常规对照，产量和地上部生物量有降低的趋势，其中产量降低了3.2%，地上部生物量降低了4.5%。而夏闲期全膜覆盖与秸秆覆盖相比较农户常规对照，产量和地上部生物量有增加的趋势，产量分别增加了2.2%和15.3%，地上部生物量分别增加了0.7%和13.6%，且夏闲期秸秆覆盖处理的增幅大于夏闲期全膜覆盖处理。无氮处理的产量和生物量均显著低于其他4个处理。

2.2 夏闲期不同覆盖方式对土壤蓄水量、耗水量及水分利用效率的影响

与夏闲期无覆盖的农户常规对照模式相比，夏闲期覆盖增加了夏闲期和收获期的土壤蓄水量（表1）。夏闲期垄膜沟秸覆盖、夏闲期全膜覆盖和夏闲期秸秆覆盖较农户常规对照，夏闲期末土壤蓄水量分别增加了65.7、107.6和145.0 mm，增幅分别为33.1%、119.2%和195.1%，且夏闲期秸秆覆盖与夏闲期垄膜沟秸覆盖处理相比，差异达显著水平；成熟期土壤蓄水量分别增加了18.9、31.5和32.3 mm，增幅分别为6.8%、11.3%和11.6%，但是3种覆盖处理与农户常规对照相比，差异均未达显著水平。无氮处理在夏闲期末的土壤蓄水量低于其他4个处理，且与夏闲期秸秆覆盖的差异达显著水平；但在成熟期的土壤蓄水量显著高于其他4个处理。

表1 夏闲期不同覆盖方式对土壤蓄水量、耗水量及水分利用效率的影响

与农户常规对照相比，夏闲期秸秆覆盖处理显著提高了生育期耗水量；但是夏闲期全膜覆盖呈提高的趋势，差异未达显著水平；夏闲期垄膜沟秸覆盖有降低生育期耗水量的趋势。无氮处理的生育期耗水量低于其他4个处理，且与夏闲期秸秆覆盖的差异达显著水平。夏闲期各覆盖处理相比较农户常规对照模式，水分利用效率都有提高的趋势，无氮处理的水分利用效率均显著低于其他4个处理。

2.3 夏闲期不同覆盖方式对冬小麦氮素吸收、氮肥利用率的影响

与农户常规对照相比，夏闲期秸秆覆盖处理有增加冬小麦籽粒吸氮量和地上部吸氮量的趋势（表2）。其中，籽粒吸氮量增加了3.3%，地上部吸氮量增加了4.7%。而夏闲期垄膜沟秸覆盖和夏闲期全膜覆盖处理有降低籽粒吸氮量和地上部吸氮量的趋势。其中，夏闲期垄膜沟秸覆盖处理籽粒吸氮量降低了15.9%，地上部吸氮量降低了23.7%；夏闲期全膜覆盖处理籽粒吸氮量降低了17.8%，地上部吸氮量降低了18.2%。无氮处理的籽粒吸氮量和地上部吸氮量均显著低于其他4个处理。

与农户常规对照相比，夏闲期秸秆覆盖处理有增加氮肥利用率的趋势，其氮肥利用率增加了6.4%。而夏闲期垄膜沟秸覆盖和全膜覆盖处理有降低氮肥利用率的趋势，其中，夏闲期垄膜沟秸覆盖处理降低了35.1%，夏闲期全膜覆盖处理降低了26.4%。

表2 夏闲期不同覆盖方式对冬小麦氮素吸收、氮肥利用率的影响

3 讨论

3.1 夏闲期不同覆盖方式对冬小麦产量的影响

王红丽等［16］研究表明，全膜穴播较露地对照增产49%～88%。在陕西省长武县的定位试验表明，地膜覆盖5年平均增产6%［17］。在陕西关中平原的试验表明，在冬小麦和玉米轮作体系中，垄覆沟播能提高冬小麦的产量［2］。山西晋南的试验研究表明，夏季休闲期深翻覆膜较不覆膜可提高穗数、穗粒数和产量，且除穗粒数之外差异均达显著水平［10］。在本研究中，夏闲期全膜覆盖提高了冬小麦的产量，这与前人的研究结果一致；但是夏闲期垄膜沟秸覆盖却降低了冬小麦的产量，这是因为本试验前5年是周年垄覆沟播处理。前人在研究中发现，垄覆沟播增加产量的最优管理方案是播种量为113～123 kg/hm2，施氮量为197～214 kg/hm2［18］。而本研究前5年的播种量为150 kg/hm2，施氮量为150 kg/hm2，过高的播种量和过低的施氮量导致土壤中的氮素亏缺，从而造成本季试验冬小麦减产。为了在垄覆沟播模式下冬小麦持续增产，本试验研究结果表明，要合理增施氮肥和减少种植密度［19］，这与前人的研究结果一致。

土壤水分和氮肥是限制旱地冬小麦产量提高的两大主要因素［20］。研究表明，施用氮肥有明显的增产效果，平均每1 kg氮素增产小麦15.5～33 kg［21］。在本研究中，施用氮肥也显著地提高了冬小麦的产量。在3种夏闲期覆盖处理中，夏闲期秸秆覆盖处理的增产作用最显著，与农户常规对照模式相比，产量增加了15.3%。这主要是因为夏闲期秸秆覆盖处理与其他2种覆盖处理相比，在整个夏闲期储蓄了更多的自然降水，在夏闲期末土壤蓄水量比上季收获时增加了145.0 mm，而夏闲期全膜覆盖与夏闲期垄膜沟秸覆盖分别仅仅增加了107.6和65.7 mm。其次，秸秆是土壤氮素的重要来源之一［22］。本研究前5年的周年秸秆覆盖使播前土壤中矿质氮含量从第1季的155 kg/hm2增加到第5季的168 kg/hm2，而周年垄覆沟播的播前土壤矿质氮含量从第1季的155 kg/hm2下降至第5季的79.0 kg/hm2，周年全膜穴播的播前土壤矿质氮含量从第1季的155 kg/hm2下降至第5季的68.4 kg/hm2。因此，到本试验年夏闲期秸秆覆盖处理中有更多的土壤水分和氮素供冬小麦生长，从而使冬小麦增产更多。

地膜覆盖具有明显的增温和保墒效果，可使小麦增产30%以上［23］，是当前黄土高原旱作区应用最广泛的覆盖技术［24］。但是由于覆膜引起的“白色污染”和大量的土壤水肥消耗问题，已经制约了该技术的大面积推广，目前已经引起科研人员的普遍关注［25］。目前，黄土高原地区小麦生产面临着绿色生产和可持续发展的挑战，秸秆覆盖是实现西北旱地小麦绿色生产和可持续发展的有效途径。然而由于黄土高原旱作农业区有效积温有限，所以周年秸秆覆盖会降低土壤温度，从而影响小麦的发芽出苗和前期营养生长，导致小麦减产［26］。而夏闲期秸秆覆盖既可以解决秸秆覆盖保水与降温之间的矛盾，还是有利于旱地小麦绿色生产和可持续发展的无污染途径，适合此地区推广应用。

3.2 夏闲期不同覆盖方式对土壤蓄水量、耗水量及水分利用效率的影响

黄土高原旱地麦田土壤水分补给的唯一来源是降水，特别是该区每年2/3的降水分布在夏季休闲期，该时期土壤水分的多少决定着冬小麦播前的土壤墒情［27］，因此最大程度地保蓄夏闲期降水对旱地冬小麦的高产高效有重要意义［28］。Stagnari等［29］研究表明，秸秆覆盖具有显著的蓄水保墒作用，且王庆杰等［30］研究表明，土壤含水量与秸秆覆盖量之间呈线性关系，含水量随着秸秆覆盖量的增加而增加。也有研究表明，夏闲期地膜覆盖与不覆盖相比，夏闲期末0～2 m土壤蓄水量增加了7～123 mm，夏闲期蓄水保墒率为34%～58%［31］，水分利用效率提高了7%～20%［32］，生育期耗水量增加了6～31 mm［33］。在本研究中，3种夏闲期覆盖处理较农户常规对照模式，其播种期和收获期土壤蓄水量都有增加的趋势，不论是播种期还是成熟期，夏闲期秸秆覆盖的土壤蓄水量增幅最大，这是因为秸秆覆盖的渗水能力比地膜覆盖强，而且本研究的秸秆覆盖用量很大，为10 t/hm2，而夏闲期全膜覆盖是在膜上打了孔用来渗水，夏闲期垄膜沟秸覆盖只是在沟内覆了少量的秸秆，所以夏闲期秸秆覆盖的保水效果最好。此外，由于无氮处理的产量显著低于其他4个处理，所以生育期耗水量比较低，水分利用效率也显著低于其他4个处理，导致无氮处理在成熟期的土壤蓄水量显著高于其他4个处理。夏闲期垄膜沟秸覆盖较农户常规对照，降低了冬小麦生育期耗水量，这是因为夏闲期垄膜沟秸覆盖降低了冬小麦产量。

3.3 夏闲期不同覆盖方式对冬小麦氮素吸收、氮肥利用率的影响

植株氮素的吸收、利用与土壤水分状况有很大关系［34］，氮肥利用效率是植株矿质养分吸收和利用能力的重要指标。研究发现，与不施氮相比，施用氮肥可显著提高小麦地上部分的氮素累积量和氮肥利用效率［35］。在本研究中，无氮处理的籽粒含氮量和地上部吸氮量也显著低于其余4个施氮处理，这与前人的研究结果相同。在河北省吴桥县的研究表明，在施氮量相同的情况下，水分高的处理可提高花后氮素累积量［36］。任爱霞等［32］研究表明，夏闲期覆膜较不覆膜可显著促进植株氮素吸收。而在本研究中，2种夏闲期地膜覆盖方式的籽粒吸氮量、地上部吸氮量和氮素利用效率较农户常规对照模式均有降低的趋势，这与前人的研究有所不同。主要原因如前文所述，前5年周年覆膜导致土壤中氮素亏缺，虽然地膜覆盖具有良好的保水效果，但是冬小麦生长后期氮肥不足影响了植株对氮素的吸收。

赵建明等［37］的研究表明，秸秆覆盖可以增加土壤有机氮的矿化，在地表进行秸秆覆盖可以提高土壤肥力。在安徽的3年定位试验研究发现，连续秸秆覆盖可显著提高0～5、5～15、15～25 cm土层土壤矿质氮含量，而且随着秸秆覆盖时间的延长和秸秆用量的增加，这3个土层的土壤矿质氮含量的增幅也在增加［22］。秸秆覆盖在地表时，腐解速度会变慢，覆盖物与土壤微生物之间的接触会减少，微生物不会和小麦发生争氮现象，所以土壤中有更多的氮素可供小麦生长和发育［38］。除此之外，秸秆是土壤氮素的重要来源之一，秸秆覆盖会释放有机氮，释放的有机氮会随着降水进入土壤，进入土壤的有机氮是作物生长后期可以吸收利用的潜在氮源。有研究发现，覆盖在土壤表面的秸秆提供的15N，其中有10.2% 进入到了冬小麦中［39］。在本研究中，由于前5年全年的秸秆覆盖，使土壤中的氮素有所增加。因此，在本年度的试验中，夏闲期秸秆覆盖处理较农户常规对照模式，其籽粒吸氮量、地上部吸氮量、氮素利用效率均有提高的趋势。

4 结论

本研究通过夏闲期不同覆盖处理对旱地冬小麦播前及收获后蓄水量、耗水量、产量及生物量、籽粒含氮量以及地上部吸氮量等的研究发现，夏闲期覆盖能够有效保蓄夏闲期降水，提高播前和收获期土壤蓄水量。夏闲期垄膜沟秸覆盖处理的地上部生物量、产量、籽粒含氮量、地上部吸氮量较农户常规对照模式都有降低的趋势；而夏闲期全膜覆盖和秸秆覆盖处理都有增加的趋势，且夏闲期秸秆覆盖处理的增加幅度更大。综合比较，夏闲期秸秆覆盖不仅能够获得较高产量，而且还具有良好的环境效应。因此，这种覆盖栽培技术是一种绿色可持续的种植模式，有利于干旱地区冬小麦可持续生产，适合在西北旱地小麦生产区域推广。