减氮覆膜对黄土旱塬小麦产量及硝态氮残留的影响

姜丽伟，李廷亮，2，3，谢英荷，2，3，张奇茹，刘 凯，曹 静，邵靖琳，王嘉豪，吕卓呈

（1.山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801；2.山西农业大学农业资源与环境国家级实验教学示范中心，山西太谷 030801；3.山西农业大学山西省土壤肥料研究生教育创新中心，山西太谷 030801）

小麦是我国的主要粮食作物之一，在我国种植面积广阔，占粮食作物总面积的22%左右，且产量占到粮食总产的20%以上，是我国主要的商品粮和战略储备粮品种[1]，小麦的增产稳产对保证国家粮食安全和国民生活有着重要意义。为使粮食达到增产目的，我国从20 世纪50 年代起大量施用化肥。近30 a 来，我国化肥施用量持续增长，20 世纪80 年代增长率达到6.6%，90 年代达到4.7%，21 世纪初达到1.2%[2]。但随着化肥施用量不断增加粮食产量却不再增加，反而有下降趋势[3]，同时也对生态环境造成严重污染，使其短期内难以逆转[4-6]。特别是氮肥的过量施用，导致氮素在土壤中累积，对地下水构成严重威胁[7]。而山西省小麦种植区集中在晋南地区，该区小麦种植面积占全省的79.6%[8]，但晋南小麦种植区也存在农民过量施肥的现象[9]，因此，明确晋南地区的小麦合理种植方式与施肥量对山西省的小麦生产与农业的可持续发展具有重要意义。

从源头上减少氮肥的投入是有效降低土壤中硝态氮残留最直接的方法，但减氮不是盲目的减少氮肥用量，而是在稳产的基础上进行合理的氮磷钾平衡投入，以促进土壤肥力的不断提升，维持农业的绿色生产。除养分之外，水分也是制约旱地小麦生长发育的重要因子。大量研究表明，地膜覆盖可以改善土壤湿度，起到蓄水保墒作用，从而提高作物产量[10-14]；同时还可以抑制杂草和返盐，降低病虫害[15]，提高当季肥料利用率[16]。因此，将减氮测控施肥与地膜覆盖结合运用，通过优化地表覆盖措施，对于改善土壤养分状况以促进该地区冬小麦生产并且改善当地生态环境。

本研究在晋南旱地小麦种植区分析了农户模式、减氮测控施肥和减氮测控施肥＋垄膜沟播3 个不同处理对小麦产量以及土壤中硝态氮、有效磷、速效钾等的影响，旨在为黄土旱塬麦田减肥增效的绿色生产提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验区位于山西省临汾市洪洞县刘家垣镇东梁村（36°22′N、111°35′E，海拔648 m），为长期定位试验区。该区属温带大陆性季风气候，年平均气温12.63 ℃，无霜期180～210 d，日照时数2 149 h，有效积温4 500 ℃，年平均降水量500 mm 左右。供试土壤为石灰性褐土，土壤质地为中壤土，耕层土壤基础理化性质如表1 所示。

表1 试验地基础理化性质

1.2 试验材料

供试小麦品种为晋麦47。

1.3 试验设计

试验于2016 年9 月—2018 年6 月进行，共设3 个处理，分别为农户模式、减氮测控施肥模式（减氮测控）和减氮测控施肥+垄膜沟播（垄膜沟播）。其中，农户模式为当地种植区农户的常规施肥；减氮测控施肥的肥料用量依据当地目标产量和对当年播前土壤养分测定含量确定；减氮测控施肥+垄膜沟播即为在减氮测控施肥的基础上进行垄膜沟播种植。每个处理3 次重复,每块地设置一个重复,采用随机区组排列，由于地块大小的原因，小区面积为210～520 m2。小麦于每年9 月20 日播种，播量150 kg/hm2，6 月收获，整个生育期无灌溉，肥料用量与种植方式如表2 所示。

表2 旱地冬小麦减氮覆膜试验方案

1.4 样品采集与项目测定方法

1.4.1 样品采集

1.4.1.1 植物样采集 小麦收获期，在各小区随机收获30 m（215 m×2 m）的小麦，3 次重复，脱粒计算产量。

1.4.1.2 土壤样品采集 土壤样品采样时间为2017、2018 年冬小麦收获后，对不同处理小区进行多点土样采集，土样每层20 cm，采集0～200 cm 土壤样品用于测定土壤硝态氮，其中，0～40 cm 土壤样品用于测定土壤有效磷和速效钾含量。

1.4.2 测定项目及方法 土壤中硝态氮含量采用1 mol/L KCl 浸提，用紫外分光光度计进行测定[17]；土壤中有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，用钼蓝比色法进行测定[17]；土壤中速效钾含量采用1 mol/L NH4OAc 浸提，用火焰光度计进行测定[17]。

1.5 数据处理

试验数据运用Microsoft Excel 2019 和SPSS 19.0 软件进行处理，处理间的多重比较采用LSD 法（P＜0.05）进行分析。

2 结果与分析

2.1 减氮覆膜对旱地小麦产量、经济效益的影响

表3 不同处理冬小麦产量与经济效益分析结果

从表3 可以看出，试验期间不论是籽粒产量还是生物产量，2 a 均表现为农户模式<减氮测控<垄膜沟播。其中，籽粒产量减氮测控较农户模式平均增产5.3%，但二者间无显著差异；垄膜沟播处理籽粒产量显著高于农户模式与减氮测控处理，分别平均增产32.3%和25.6%；生物产量在试验2 a 期间减氮测控虽均高于农户模式，但未表现出显著差异，垄膜沟播均显著高于农户模式与测控处理（P＜0.05），分别平均高于农户模式与测控处理22.4%和22.1%。说明在减氮的情况下，并未造成小麦减产，仍然收到了稳产的效果。

从经济效益来看，试验期间减氮测控在2016—2017 年较农户模式高出6.6%，在2017—2018 年显著高于农户模式39.5%（P＜0.05）；从2 a 平均来看，垄膜沟播处理的经济效益分别较农户模式与减氮测控增加41.7%和25.3%，其中，垄膜沟播处理与农户模式之间差异显著（P＜0.05），减氮测控与农户模式、垄膜沟播之间均无显著性差异。

2.2 减氮覆膜对0～200 cm 土壤硝态氮残留的影响

从图1 和表4 可以看出，2 a收获后0～200 cm土壤中硝态氮残留量均表现为垄膜沟播<减氮测控<农户模式。2017 年收获后硝态氮残留量减氮测控比农户模式低4.5%，垄膜沟播分别较农户模式与减氮测控低20.3%、16.5%，且差异性显著（P＜0.05）；2018 年收获后硝态氮残留量减氮测控比农户模式显著降低33.7%（P＜0.05）。垄膜沟播2 a 平均分别较农户模式与减氮测控降低44.5%、16.3%，且差异显著（P＜0.05）。其中，农户模式在100～200 cm 土层中有大量残留积累，分别较减氮测控和垄膜沟播高出88.7%、155.9%。经过2 a 的种植，2018 年收获后农户模式0～200 cm 土壤中硝态氮总残留量较2017 年增加了14.6%，而测控减氮与垄膜沟播分别较2017 年降低20.4%和20.2%。说明减氮测控可有效降低0～200 cm 土壤中硝态氮的残留量，其中，在减氮测控施肥基础上进行垄膜沟播效果更为显著。

表4 2016—2018 年收获后0～200 cm土壤硝态氮残留量变化 kg/hm2

2.3 减氮覆膜对0～40 cm 土壤有效磷含量的影响

由图2、3 可知，试验期间2 a 收获后0～40 cm土壤的有效磷含量均表现为0～20 cm 中含量高于20～40 cm，2017 年收获后各处理0～20 cm 土壤有效磷含量表现为减氮测控和垄膜沟播显著高于农户模式（P＜0.05），分别高出56.4%、50.8%；在20～40 cm 土壤中则表现为垄膜沟播>减氮测控>农户模式，垄膜沟播与减氮测控分别较农户模式高出184.7%和105.8%，减氮测控与农户模式之间未表现出差异性，垄膜沟播与农户模式之间差异达显著水平（P＜0.05）。

2018 年收获后0～20 cm 土壤中有效磷含量减氮测控与农户模式之间差异显著（P＜0.05），垄膜沟播与其他2 个处理间无显著差异；在20～40 cm土壤中减氮测控比农户模式高出14.9%，但无显著差异，而垄膜沟播处理则显著高于农户模式、减氮测控处理（P＜0.05），分别高78.3%、55.19%。说明减氮测控显著增加了0～20 cm 土壤有效磷含量，而在20～40 cm 土壤中垄膜沟播较农户模式显著提高土壤有效磷含量。

2.4 减氮覆膜对0～40 cm 土壤速效钾含量的影响

从图4、5 可以看出，试验期间冬小麦收获后0～40 cm 土壤中速效钾含量表现为农户模式<减氮测控<垄膜沟播，其中，20～40 cm 土壤速效钾含量各处理间2 a 均无显著性差异。0～20 cm 土壤中2017 年收获后速效钾含量减氮测控比农户模式高出2.4%，但二者间差异不显著；垄膜沟播分别显著高于农户模式与减氮测控42.9%、26.9%（P＜0.05）。2018 年收获后0～20 cm 土壤速效钾垄膜沟播比农户模式提高11.8%，且差异显著P＜0.05）；减氮测控虽高于农户模式，但无显著性差异。说明减氮测控与垄膜沟播可显著提高土壤表层速效钾含量，而对20～40 cm 土壤中速效钾含量影响不显著。

3 讨论

3.1 减氮覆膜对小麦产量、经济效益的影响

李强等[18]研究表明，在旱地冬小麦种植区传统施肥的基础上，适当减少氮肥施用量并不会降低小麦产量。叶优良等[19]在山东泰安和兖州田间试验表明，与农民习惯施肥相比，优化施肥在氮肥用量减少38.6%～53.3%后，冬小麦产量提高0.87%～10.4%。本研究通过连续2 a 的试验结果显示，减氮测控处理较农户模式在总施氮量减少41.7%的情况下，籽粒产量和生物产量均有所增加。表明黄土旱塬冬小麦种植区合理地减氮施肥并不会降低小麦产量。

合理的水肥管理可有效提高旱地小麦的生产能力[12]，本研究中垄膜沟播处理籽粒产量与生物产量均有明显提高。增产的原因主要因为覆膜可以提高土壤含水量，为小麦的生长发育提供较为丰富的水分。大量研究也表明[14，20-21]，地膜覆盖可以通过提高土壤温度和含水量来有效调节耕地的微气候，提高农作物公顷穗数等其他产量构成要素，从而提高产量。陈辉林等[22]在渭北旱塬区连续2 a 对冬小麦不同种植模式的研究也表明，推荐施肥＋覆膜处理较常规施肥平均增产51.3%。屈会峰等[23]在减少氮肥施用量23.1%的情况下，地膜覆盖可使小麦产量增加6.8%～15.7%。由此可见，地膜覆盖可有效提高作物产量，与本研究结果一致。

本研究对不同处理的小麦经济效益分析表明，垄膜沟播较农户模式和减氮测控纯收入平均提高41.7%和25.3%。覆膜处理虽然有购买地膜的投入，但一方面覆膜处理在减氮测控基础上相对于农户减少了化肥的投入，降低了部分成本；另一方面覆膜处理后籽粒产量和生物产量有明显增加。因此，垄膜沟播处理较不覆膜处理的纯收入有明显提升。

3.2 减氮覆膜对0～200 cm 土壤硝态氮残留量的影响

氮素是作物生长发育必不可少的元素之一[24]，增施氮肥为提高旱地小麦产量的重要措施之一，但晋南地区小麦种植中存在严重的过量施氮现象，造成氮素一方面浪费严重[7]，另一方面硝态氮易在土壤剖面中残留积累，累积量平均占可浸取态总矿质氮的75%以上[25]。因此，适量减施氮肥对该地区小麦绿色生产具有重要意义。

大量研究表明，减氮优化施肥可有效减少土壤中硝态氮的残留[26-29]，本试验结果显示，农户模式处理下的土壤硝态氮含量在试验期间均远高于其他2 个处理，表明农户模式处理由于过量施入氮肥不能被小麦有效利用，从而在土壤中造成大量残留。本试验连续2 a 小麦收获后0～200 cm 土壤剖面硝态氮残留量显示，各处理硝态氮含量均有增加，其中，农户模式增加幅度最大，2018 年收获后0～200 cm土壤中农户模式硝态氮残留明显高于减氮测控和垄膜沟播处理，在100～200 cm 土壤中表现更为明显。由此可见，随着耕作时间的延长土壤中残留硝态氮不断向下迁移，连续2 a 的定位试验中不覆膜处理硝态氮残留深度不断下降，垄膜沟播处理降低了表层以下土壤硝态氮的累积，这与李华等[30]的研究结论一致。王秀康等[31]通过施氮覆膜处理对玉米耕层硝态氮分布影响研究得出，在整个玉米生育期同样施肥追肥条件下，不覆膜处理玉米根层土壤剖面硝态氮从上层逐渐向下层迁移，覆膜后可减缓硝态氮向下淋溶，该研究结果也与本研究结果一致。

3.3 减氮覆膜对0～40 cm 土壤有效磷、速效钾含量的影响

土壤磷素是作物的主要养分之一，磷的平衡状况直接影响作物产量和潜在土壤磷素肥力[32]。而磷肥施入土壤后易被土壤吸附固持，大部分磷难以被当季植物吸收利用[33]。何进勤等[34]通过对马铃薯全生育期覆膜研究表明，覆膜种植提高了表层（0～20 cm）有效磷含量；周丽娜等[35]对宁南山区春玉米进行地膜覆盖研究表明，覆膜处理较不覆膜处理可显著提高土壤有效磷含量；刘苹等[36]对棉田相同施肥量下进行覆膜种植，研究得出，覆膜可增加土壤中有效磷含量。本研究2 a 试验结果显示，表层（0～20 cm）中垄膜沟播显著高于农户模式，原因可能为减氮测控与垄膜沟播进行了减氮增施磷肥，对磷肥的施入量大于农户模式，同时垄膜沟播又可调节土壤水分和温度，从而促进了磷的矿化，提高了有效磷的含量。梅四卫等[37]研究得出，对春玉米进行地膜覆盖可有效提高土壤有效磷含量，与本研究结论一致。

我国北方土壤富含钾元素，每公顷地0～20 cm土层钾储存量高达15 000 kg，但有效钾只占全钾的1%～2%[38]，并且随着栽培技术与作物品种的不断发展与改进后产量不断提高，导致土壤钾素不断消耗，含量下降[39-40]。王文达等[41]对玉米进行地膜覆盖种植后得出，地膜覆盖可显著提高土壤速效钾含量。本试验中，农户处理不施钾肥，其速效钾含量在2 a 内均处于较低水平，而减氮测控与垄膜沟播都有钾肥的适量投入，0～20 cm 土壤速效钾含量均高于农户模式，尤其是垄膜沟播由于地膜覆盖的作用，促进了土壤中含钾矿物的风化，速钾含量显著高于农户处理。何刚等[42]研究表明，地膜覆盖改变了土壤的温度和湿度，使土壤中的缓效养分转变为速效养分，从而提高了土壤中的速效钾含量，随着地膜覆盖时间的延长，速效钾在土壤表层富集量增大，与本研究结果一致。对于20～40 cm 土壤中各处理间速效钾含量基本相差不大，其原因还有待进一步研究。

4 结论

本研究结果表明，在晋南黄土旱塬区，与农户模式相比，减氮测控施肥在减少氮素40%左右，适当增加磷钾肥投入的情况下，小麦产量与经济效益并无明显降低；在减氮测控施肥基础上进行地膜覆盖更具有明显增产效果，并且这2 种施肥种植模式均可显著减少2 m 土壤中的硝态氮残留，同时可以平衡维持土壤中的有效磷、速效钾含量；其中，覆膜后效果更好。因此，减氮测控施肥+垄膜沟播处理在晋南麦区具有一定的推广应用价值。