不同耕作施肥方式对稻茬小麦氮素利用及土壤容重的影响

王 科，李 浩，邓劲松，张 成，钟文挺，孙加威，任哓波

（1.成都市农业技术推广总站，成都 610041；2.浙江大学环境与资源学院，杭州 310058）

小麦在成都平原粮食生产上占有重要地位[1-2]。近年来，小麦机械化生产的大面积推广与应用，为成都市农业现代化、农民增产增收和粮食安全提供了有力支撑。合理的耕作与施肥方式可以改变土壤的孔隙结构[3]，协调土壤中水、肥、气和热的关系，提高作物对水分、养分的利用效率[4]，进而提高作物产量和品质[5]。

长期的浅旋耕作，会导致耕层变浅、犁底层加厚变硬，同时也使得亚表层土壤养分（0～10 cm）远高于下层土壤[6]，造成作物根系分布浅层化，进而限制作物对水分和养分的吸收[7-8]。刘战东等[9]研究认为深翻耕作可以疏松耕层土壤，缓解其紧实性，吴萍萍等[10]认为深耕可使10～20 cm土层的养分含量大幅度增加，改善作物根系的生长条件，提高作物对水分和养分的利用效率。周宝元等[11]研究认为深松耕作能维持植株开花后较高的叶面积指数和光合速率，显著提高花后干物质积累量和同化量。肥料的施用是作物高产稳产的保障，深耕和肥料深施均有提高肥料利用效率的作用，有研究认为深耕可促进小麦植株和籽粒对氮、磷的吸收[12]，氮肥深施可以稳定土壤供肥能力，减少损失量，使基施氮肥的回收率提高到37.2%[13]，最终有效提高作物氮素吸收利用效率。虽然有关耕作方式结合施肥措施对作物产量及氮肥利用率的影响研究[4，14]有一些报道，但针对不同生态区不同生产条件下的应用效果，还需进一步研究。

成都市小麦生产中长期采用浅旋耕作方式，因此需要进一步研究深耕和肥料深施配合的耕作施肥方式，以改善土壤耕层结构、促进作物养分吸收、提高肥料利用效率，稳定小麦目标产量。本文以2018—2019年稻麦轮作系统中的稻茬小麦和氮素为研究对象，设置了免耕-表施肥-稻草盖种，免耕-浅施肥-浅旋盖种，深翻-深施肥-浅旋盖种3种复合耕作施肥方式，同一种处理下安排了缺氮处理，通过比较不同耕作施肥方式对小麦干物质量、植株氮素吸收转运量、土壤容重和硝态氮含量的影响，探寻其作用机制，以期为成都平原稻茬小麦的生产选择更好的耕作施肥模式提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试土壤:试验地位于成都市邛崃市固驿镇仁寿村的国家农业示范区内（30°23′N，103°35′E），土壤类型为水稻土，质地为中壤。2018年9月试验地前茬水稻选用久保田4LBZ-145C型履带式半喂入联合收割机收割，同时将水稻秸秆粉碎为5～8 cm小段，均匀抛洒入田面。试验前耕层土壤（0～20 cm）容重 1.28 g/cm3、pH 6.91、有机质 31.8 g/kg、全氮1.55 g/kg、碱解氮 156 mg/kg、有效磷 32.8 mg/kg、速效钾158 mg/kg。

供试作物:小麦品种为川麦104，由四川省农业科学院作物研究所选育。

供试肥料:尿素（N 46%），过磷酸钙（含P2O512%），氯化钾（含K2O 60%），均购于当地农资市场。供试农机为久保田4LBZ-145C型履带式半喂入联合收割机收割、1L-420型翻耕机和1GQN-180型旋耕机。

1.2 试验设计

设置3种不同耕作施肥方式:T1，免耕-表施肥-稻草盖种；T2，免耕-浅施肥-浅旋盖种；T3，深翻-深施肥-浅旋盖种；不同处理N、P2O5、K2O施用量相同，分别为 135、67.5、67.5 kg/hm2，同时设置 3种不同耕作施肥方式的缺氮肥处理，该处理只用于氮肥利用效率的计算。各处理磷肥（P2O5）、钾肥（K2O）作底肥施用，氮肥分底肥、分蘖肥两次施用，底、追比为7∶2，所有处理重复3次，共9个小区，小区面积为8×10=80 m2，各处理具体作业流程见表1。2018年10月23日深翻炕田（T3），2018年11月2日播种，小麦播种量均为180 kg/hm2，2019年1月16日追施分蘖肥（氮肥），2019年5月11日收获。灌水条件为雨养灌溉，小麦生育期内按照当地生产习惯进行管理并防治病虫害。

表1 不同耕作施肥方式作业流程Table 1 Operation flow of different tillage and fertilization Methods

1.3 测定项目及方法

1.3.1 植株干物质和氮含量

在小麦孕穗期、开花期、灌浆期（花后26 d）和成熟期在每个小区调查茎蘖苗数，同时采集有代表性植株样20株，按器官分开，105℃杀青30 min，75℃烘至恒重，以此为基础计算干物质量，并磨细过0.25 mm筛，样品经浓H2SO4-H2O2消解，以凯氏定氮法测株全氮[15]。

1.3.2 土壤容重和硝态氮

小麦开花期在每个小区分别按0～10、10～20 cm土层取环刀土，在105℃烘干至恒重计算土壤容重，各小区重复5次。小麦孕穗期、开花期、灌浆期（花后26 d）和成熟期采用五点取样法采集耕层（0～20 cm）土壤样品迅速带回实验室，用0.01 mol/L CaCl2浸提，离子色谱法测定土壤硝态氮含量[15]，同时105℃烘干至恒重计算土壤水分含量。

1.4 各指标计算公式

地上部氮积累量（kg/hm2）=∑地上部各器官干物质量×各器官氮含量；氮肥偏生产力（kg/kg）=籽粒产量/氮肥施用量；氮肥农学利用率（kg/kg）=施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量）/氮肥施用量；氮肥当季利用率=施氮区植株地上部吸氮量-无氮区植株地上部吸氮量）/施氮量×100%；氮肥生理利用率（kg/kg）=（施氮区产量-不施氮区产量）/（施氮区植株地上部吸氮量-无氮区植株地上部吸氮量）；营养器官氮素转移量（kg/hm2）=开花期营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量；营养器官氮素转移率=营养器官氮素转移量/开花期营养器官氮素积累量×100%；营养器官氮素贡献率=营养器官氮素转移量/成熟期籽粒氮素积累量×100%。

1.5 数据处理

采用Excel 2013软件进行数据处理和图表绘制，DPS 14.05软件统计分析，LSD法显著性测验（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同耕作施肥方式对小麦成熟期干物质量积累与分配的影响

由表1可知，不同耕作施肥方式对小麦成熟期干物质量积累与分配影响显著。地上部干物质量及各营养器官干物质量均表现为T3＞T2＞T1，其中地上部干物质量T3处理比T1、T2处理分别高17.5%和7.3%，而籽粒干物质量T3处理比T1、T2处理分别高26.2%和10.4%，处理间差异显著。小麦籽粒收获指数表现为T3＞T2＞T1，而营养器官干物质量（茎秆和叶片）分配率均表现为T1＞T2＞T3，表明T3处理可以促进小麦营养器官干物质量向籽粒转移，显著增加小麦籽粒收获指数。

2.2 不同耕作施肥方式对小麦不同时期氮积累及分配的影响

由图1可知，随生育期的推进小麦的植株全氮积累量逐渐增加，小麦茎秆和叶片的氮素积累量随生育期的推进呈先增后减的趋势，在开花期达到最高。从氮素的分配来看，孕穗期和开花期小麦吸收的氮素主要集中在叶片，分别占植株的53.4%和45.0%，灌浆期和成熟期主要分布在穗子或籽粒，分别占植株的66.9%和78.5%，开花期后植株氮素逐渐向籽粒（穗子）转移。T3处理下植株全氮积累量在各生育时期均显著高于T1和T2处理，表现为T3＞T2＞T1，其中在孕穗期T3处理较T1和T2处理显著提高25.1%和17.2%，在开花期显著提高21.5%和14.0%，在灌浆期提高16.7%和6.4%，在成熟期显著提高22.3%和11.5%。这表明采用深翻-深施肥-浅旋盖种的耕作施肥方式能促进小麦对氮素的吸收，提升小麦植株全氮积累量。

表2 小麦成熟期干物质量在不同器官中的积累和分配Table 2 Accumulation and distribution of dry matter in different organs of wheat at the maturity stage

2.3 耕作施肥方式对小麦氮素转运的影响

图1 不同耕作施肥方式下小麦的氮素吸收与分配Figure 1 Effect of different tillage and fertilization methods on N accumulation and distribution of wheat

图2 不同耕作施肥方式下小麦花前营养器官氮积累量对籽粒的贡献Figure 2 Dry matter contribution of pre-anthesis assimilates to seed affected by different tillage and fertilization methods of wheat

由图2可知，T3处理下小麦开花期营养器官向籽粒的氮转运量显著高于T1和T2处理，T3处理比T1和T2处理分别高17.5%和11.9%。各处理营养器官转移到籽粒的这部分氮素占成熟期籽粒氮积累量的60.0%～70.2%。营养器官氮转运量中茎秆和叶片分别占40.5%和59.5%。这表明小麦籽粒氮素积累主要来源花前营养器官的积累，叶片对氮素转运的贡献最大，T3处理可促进开花后营养器官向籽粒转运氮素。

2.4 耕作施肥方式对小麦氮肥利用效率的影响

由表3可知，不同耕作施肥方式下稻茬小麦的氮肥表观利用率、偏生产力、农学效率及生理利用率均表现为T3＞T2＞T1，不同处理间差异达到显著水平。T3处理的氮肥偏生产力、农学效率及生理利用率较T1处理分别提高18.8%，57.0%和20.7%，较T2处理分别提高10.8%、26.2%和12.7%，T3处理下氮肥的表观利用效率较T1和T2处理提升8.4%和6.9%。这说明采用深翻-深施肥-浅旋盖种的耕作施肥方式可提升稻茬小麦对氮肥的利用效率。

2.5 不同耕作施肥方式对土壤含水量、容重、总孔隙度的影响

由表4可知，在小麦开花期，T3处理与T1和T2处理相比，0～10 cm土壤含水量降低7.4%和7.0%，差异显著，各处理间10～20 cm土壤含水量无明显差异。T3处理0～10 cm土壤容重较T1和T2处理分别显著降低16.4%和12.1%，10～20 cm土壤容重也有降低趋势。土壤总孔隙度的变化特征与土壤容重相反，T3处理0～10 cm土壤总孔隙度显著高于T1和T2处理，10～20 cm土壤总孔隙度也有增大的趋势。T1和T2处理各土层土壤含水量、容重和总孔隙度间无明显差异。这表明采用深翻-深施肥-浅旋盖种的耕作施肥方式可以降低耕作层土壤容重，适当降低土壤含水量，提高土壤总孔隙度，进而改善稻茬小麦根系生长环境。

表3 不同耕作施肥方式下小麦的氮肥的利用效率Table 3 Nitrogen use efficiency of wheat under different tillage and fertilization methods

表4 不同处理下开花期土壤含水量、容重、总孔隙度Table 4 Soil moisture content，bulk density and total porosity at flowering stage under different treatments

2.6 不同耕作施肥方式对土壤硝态氮的影响

如图3，不同耕作施肥方式下土壤硝态氮含量从孕穗期到成熟期均呈现持续降低的趋势。除小麦成熟期外，其余各采样时期土壤硝态氮含量均表现为T3＞T2＞T1，在孕穗期T3处理土壤硝态氮较T1和T2处理分别高9.3%和3.0%，在开花期分别高26.4%和10.6%，在灌浆期分别高31.2%和13.4%，成熟期T3处理硝态氮含量略低于T2处理，显著高于T1处理。这表明采用深翻-深施肥-浅旋盖种的耕作施肥方式可以显著提高并维持小麦生育期内土壤硝态氮含量，保证小麦生长期间的氮素供应。

3 讨论

耕作方式可以直接改变土壤容重、孔隙和水分等土壤物理条件[8，16]，施肥方式对土壤养分供应、作物养分吸收和转运等影响明显[17]。因此合理组配耕作与施肥方式对提高作物养分利用效率和产量有重要作用。前人对于不同耕作施肥方式对作物生长发育已有较多研究，由于研究的土壤状况、种植制度、环境条件等的差异，并未形成统一结论。

图3 不同耕作施肥方式下土壤硝态氮含量变化Figure 3 Soil nitrate nitrogen content under different tillage and fertilization methods

孔凡磊等[18]研究发现免耕覆盖的耕作方式会影响早春至返青期冬小麦的生长，推迟小麦生育进程，降低小麦群体数量和产量而旋耕和翻耕则对冬小麦生育进程影响不大，旋耕和翻耕下地表无秸秆覆盖且土层较为疏松，在返青后土壤温度提高快而有利于小麦生长有关[19]。而王祥菊等[20]研究认为，水稻秸秆还田条件下翻耕的小麦穗数、每穗粒数和产量要高于少免耕方式。常年浅旋或免耕耕作会造成犁底层变厚变硬，土壤养分表聚[21]，使得作物根系发育受到明显抑制，造成根系浅层化分布[22]。梁海等[23]认为深耕可使深层紧实的土壤结构向适宜作物生长的疏松程度变化，改善土壤结构与养分供应能力，减少根系下扎的机械阻力[24]，改善作物根系生长环境，增加深层土壤含水量，提高作物对自然降水的利用效率[25-26]，最终提高作物的产量。小麦产量与籽粒氮素积累量及氮素利用率呈正相关关系[27]，郑成岩等[28]认为深耕能促进成熟期小麦氮素向籽粒的分配，提升小麦对氮素的利用效率。而黄明等[29]认为旋耕较深耕提高了小麦营养器官氮素向籽粒的转运量，与本研究的结论相反。本试验中深翻-深施肥-浅旋盖种的耕作施肥方式较其他两种耕作施肥方式可增加小麦籽粒收获指数，促进各生育时期小麦对氮素的吸收，提升小麦整株全氮积累量，同时提高了开花后营养器官氮素向籽粒转运的量。

深翻可疏松耕层土壤，缓解其紧实性，提高土壤关键酶活性和呼吸速率[16，30]，扩大土壤温度日变幅，优化土壤微生物环境，提升土壤氮素转化效率。本文进一步明确深翻-深施肥-浅旋盖种的耕作施肥方式显著降低了0～10 cm土壤容重，并提高了该层土壤总孔隙度，改善了耕层土壤结构，氮肥通过机械深旋实现了深施，这也增加了肥料施用的均匀性，进而也提高小麦生育期内土壤硝态氮含量，保证小麦生长期内的氮素供应的稳定，这些对小麦开花前的氮素积累和开花后氮素转运打下了基础。土壤深翻与氮肥深施的配合也显著提升了小麦籽粒产量，提升小麦对氮肥的利用效率，进而减少氮肥的土壤环境损失，是一种环境友好的耕作模式。在本试验生产条件下深翻耕作的小麦干物质量要优于免耕、旋耕等方式，产量也较高，但上述结果与前人研究既有相似也有相反的结果。本研究中深翻-深施肥-浅旋盖种的耕作施肥方式虽增加了机械翻耕调墒和肥料深施的作业流程，使其机械投入成本有所增加，但该模式下小麦地杂草生长量减少，这就减少了农药和人工的投入，小麦产量增长10%左右，亦可使收益增长。另外有研究表明，基因型不同的小麦品种在不同气候环境、水分条件、施肥方式、耕作栽培措施下其产量、品质、氮吸收利用效率、水分利用效率会表现出明显差异性[31-33]。因此，在生产上应根据小麦品种并结合当地生产条件选用合适的耕作方式。

4 结论

相较免耕-表施肥-稻草盖种及免耕-浅施肥-浅旋盖种的耕作与施肥方式，深翻-深施肥-浅旋盖种模式显著降低了亚表层土壤容重，提高了土壤总孔隙度，提高了小麦生育期内土壤硝态氮含量，明显改善了土壤理化性质，提高了小麦植株的氮积累量，促进了花后营养器官氮素向籽粒转移，明显提升氮肥利用效率和小麦产量。因此，在本试验条件下，综合考虑氮素利用、产量和土壤条件，深翻-深施肥-浅旋盖种模式为最佳耕作施肥方式，可供生产中参考。