周年土壤耕作组合对伊犁河谷冬小麦-夏大豆氮素吸收、利用与产量的影响

安崇霄,杜孝敬,徐文修*,符小文,黄红梅,房彦飞

(1.新疆农业大学农学院,新疆 乌鲁木齐 830052;2.新疆伊宁县农业技术推广中心,新疆 伊犁 835100)

氮素是作物生长发育的必需营养元素[1],但在氮肥高投入的情形下,氮肥利用率低下仍是目前限制农业发展的重要因素[2-3]。土壤耕作是作物高产稳产的重要手段之一[4-5],因此,探寻提高氮素利用和促进植株生长发育相适宜的土壤耕作方式尤为重要。

将不同耕作措施进行合理的组合可减轻单一耕作方式的弊端[6]。深松能增加耕层厚度,促进根系下扎[7-9];翻耕可改善土壤活性[10],促进植物对土壤水分和养分的吸收[11-12]。但也有研究认为深松由于耕层松紧不一,土块较大,在干旱时土壤持水能力相对减弱[13],会给作物生长发育带来不利影响;长期且频繁的同一深度翻耕会造成土壤出现犁底层[14],阻碍植株根系对水分和养分的吸收。许菁等[15]研究发现,冬小麦-夏玉米轮作,在玉米收获后进行土壤深松和免耕,可以提高冬小麦和夏玉米花后干物质的积累量,提高单季和周年产量。冬小麦-夏玉米轮作下采用合适的耕作组合可显著提高周年作物根系特性,延缓叶片衰老进而提高周年产量[16-17]。目前关于周年土壤耕作组合措施对轮作体系的研究仅见于黄淮海地区的冬小麦-夏玉米,研究内容多集中在土壤物理性质以及作物生长发育等方面,缺少植株氮素利用等方面的研究。

伊犁河谷地处新疆北部,是典型的绿洲灌溉农业区。在全球气候日益变暖的背景下,无霜期变长,有效积温增加,改变了冬小麦-夏大豆的种植方式[18-19]。本试验通过研究一年两熟农作体系中周年土壤耕作组合对两茬作物干物质积累及氮素吸收、利用和产量的影响,揭示周年土壤耕作组合对冬小麦-夏大豆氮素利用和产量的影响规律,为北疆麦-豆轮作体系下的周年土壤耕作组合提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年10月至2019年10月连续2年在伊犁哈萨克自治州伊宁县农业科技示范园(81°33′E,43°56′N,海拔790 m)进行。试验区位于伊犁河谷中部,年平均日照可达2 800～3 000 h,年平均气温 8.9 ℃,年均降雨量257 mm,全年无霜期169～175 d。试验地平整,土壤为灰钙土,0～30 cm土壤有机质含量16.50 g·kg-1,碱解氮含量76.7 g·kg-1,速效磷含量14.8 mg·kg-1,速效钾含量139 mg·kg-1,pH8.00。

1.2 试验设计

在冬小麦-夏大豆周年轮作体系下,采取裂区试验设计,秋季耕作处理为主区,夏季耕作处理为副区。秋季深松处理(S)机械作业深度为50 cm,土壤只松不翻,土层不乱;翻耕处理(T)为犁翻深28 cm,土层翻转135°,翻后联合整地机整地。每个处理面积为360 m2,对每个处理等份划出3个小区,冬小麦收获后在每个处理原区位各自的3个小区上分别进行夏季翻耕(T1)、翻耕覆膜(TF)和免耕(N),然后进行夏大豆播种。每种土壤耕作措施的区域再等份划出3个小区,共18个小区。

冬小麦秋播时间为2017年10月19日和2018年10月16日,收获时间为2018年7月3日和2019年7月1日;夏大豆播种时间为2018年7月5日和2019年7月3日,收获时间为2018年10月14日和2019年10月18日。供试冬小麦品种为‘新冬42号’,夏大豆品种为‘黑河45号’;冬小麦为条播,夏大豆为 30 cm 等行距播种。周年灌溉方式为滴灌,滴灌带间距为60 cm。冬小麦-夏大豆周年内施尿素(N≥46.40%)总用量525 kg·hm-2,其中冬小麦播前尿素150 kg·hm-2同时配施重过磷酸钙(P2O5≥44%)204 kg·hm-2作为底肥一次施入,冬小麦追施尿素225 kg·hm-2,分别在拔节期、抽穗期各50%施入;剩余150 kg·hm-2尿素作为夏大豆花期追肥。冬小麦和夏大豆追肥均为随水滴施尿素,其他管理同当地大田。

1.3 测定项目及测定方法

1.3.1 土样采集和养分含量测定在每一个小区采用五点取样法,采集0～30 cm耕层的混合土样。土壤有机质含量采用K2Cr2O7-H2SO4法测定;速效氮含量采用碱解扩散法测定;速效磷含量采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定;速效钾含量采用醋酸铵浸提-火焰光度计法测定。

1.3.2 植株干物质含量的测定从冬小麦孕穗期和夏大豆的苗期开始,冬小麦每7 d、夏大豆每10 d各取样1次,在每个小区选具有代表性的连续植株10株进行破坏性取样,冬小麦植株分为茎、叶片、鞘、穗、籽粒等器官,夏大豆植株分为茎、叶片、叶柄、豆荚、豆粒等器官,将分装的样品放入105 ℃烘箱中杀青 30 min,降至80 ℃烘干至恒重,冷却后取出迅速测定各器官的干物重。

应用Logistic方程对冬小麦、夏大豆单株干物质积累过程进行拟合。Logistic方程为y=k/[1+e(a-bt)],式中:y为冬小麦或夏大豆td后单株干物质积累量(g·株-1);t为冬小麦孕穗期后或夏大豆出苗后的时间(d);k表示冬小麦或夏大豆单株干物质理论最大积累量(g·株-1);a、b为待定系数。干物质积累最大生长速率的出现时间Tm=a/b;干物质积累持续时间Tg=(a+4.59512)/b[20];干物质积累平均速率Va=k/Tg;干物质积累最大相对生长速率Vm=bk/4;干物质积累最快生长时段的起始时间t1=(a-1.317)/b,最快生长时段的终止时间t2=(a+1.317)/b;干物质积累快增期持续时间T2=t2-t1;干物质快速积累生长特征值(GT)指干物质(或养分)积累已达到最大积累量的65%以上,GT=Vm×T2。

1.3.3 产量及产量构成因素的测定在冬小麦和夏大豆完全成熟后,分别于各小区选取具有代表性的 3个样点进行实收计产,每个样点的面积:冬小麦为1.2 m2(2 m×0.6 m),夏大豆为2.4 m2(2 m×1.2 m)。

1.3.4 植株全氮含量测定和氮素相关计算公式分别将冬小麦和夏大豆成熟期的干物质样品粉碎,粉碎后采取浓硫酸消煮-半微量凯氏定氮法测定植株的含氮量。

氮素吸收效率(NAE)=成熟期地上部植株氮素积累量/供氮量,

氮素转化效率(NTE)=籽粒产量/成熟期地上部植株氮素积累总量,

氮素收获指数(NHI)=成熟期籽粒氮素吸收量/成熟期地上部植株氮素吸收总量×100,

氮素利用效率(NUE)=氮素吸收效率(NAE)×氮素转化效率(NTE),

100 kg籽粒需氮量(100 kg GNR)=成熟期地上部植株氮素积累总量/籽粒产量×100。

1.4 数据分析

采用Excel 2010软件作图,用SPSS 19.0软件通过单因素ANOVA方差分析,LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 周年土壤耕作组合对冬小麦-夏大豆干物质积累特性的影响

由表1可知:秋季采取深松和翻耕的冬小麦干物质积累平均速率(Va)、最大相对生长速率(Vm)和干物质快速积累生长特征值(GT)均无显著差异,但深松处理的冬小麦单株干物质理论最大积累量(k)和干物质积累的持续总时间(Tg)比翻耕处理的分别高9.26%和延长2.20 d,且显著差异。说明深松能够通过延长干物质积累总时间来促进冬小麦干物质的积累。

表1 周年不同土壤耕作组合对冬小麦-夏大豆单株干物质积累的Logistic模拟及其特征值Table 1 Logistic simulation and characteristic value of dry matter accumulation per plant of winter wheat and summer soybean under different soil tillage combinations

周年土壤耕作组合对夏大豆干物质积累模拟特征值的影响2年试验结果基本一致(表1)。不同年份间当夏季采取同一耕作措施时,STF与TTF处理的夏大豆单株干物质理论最大积累量(k)及各项特征参数无显著差异,ST1与TT1处理的、SN与TN处理的最大生长速率的出现时间(Tm)无显著差异,其余各项特征参数均存在显著差异,其中ST1处理的2年夏大豆单株干物质理论最大积累量平均值比TT1处理的高15.78%,SN处理的比TN处理的高19.40%。当不同年份间秋季采取同一耕作措施时,夏大豆2年单株干物质积累量及各项特征参数平均值均以TF处理的最高,TF处理比T1和N处理干物质积累总持续时间延长5.27和11.65 d(P<0.05)。

2.2 周年土壤耕作组合对冬小麦-夏大豆植株氮素积累及分配的影响

如表2所示:不同年份间冬小麦在成熟期籽粒和植株氮素积累量均以S处理最高,其2年平均值分别比T处理的高22.59%和23.19%(P<0.05)。不同年份间冬小麦不同器官氮素积累量也均以S处理最高,各器官氮素分配比例由大到小依次为籽粒、茎、鞘、叶、穗。

表2 不同耕作措施对冬小麦成熟期氮素积累及分配的影响Table 2 Effects of different tillage measures on nitrogen accumulation and distribution of winter wheat at maturity

从表3可见:夏季采取同一耕作措施,ST1处理的夏大豆2年籽粒和植株氮素积累量分别比TT1处理的高18.97%和21.06%(P<0.05),SN处理的比TN处理的分别高28.70%和32.81%(P<0.05),而STF与TTF处理间无显著差异。说明秋季深松比翻耕对夏季翻耕和免耕处理的夏大豆籽粒和植株氮素积累的后效作用更为显著,但对夏季翻耕覆膜处理的夏大豆籽粒和植株氮素积累无影响。当秋季采取同一耕作措施时,不同年份间夏大豆各处理籽粒和植株氮素积累量均以TF处理最高,并与其他2个处理呈显著差异。不同组合处理间夏大豆植株各器官氮素分配比例由大到小依次为籽粒、荚皮、叶、茎、叶柄;植株各器官氮素积累量均以STF与TTF处理最高,并显著高于其他4个组合处理(P<0.05)。说明夏季翻耕覆膜能够有效提升夏大豆各器官氮素的积累,进而增加夏大豆籽粒和植株的氮素积累量。

表3 周年不同土壤耕作组合对夏大豆成熟期氮素积累及分配的影响Table 3 Effects of different annual soil tillage combinations on nitrogen accumulation and distribution in summer soybean at maturity

2.3 周年土壤耕作组合对冬小麦-夏大豆产量及氮素利用的影响

氮素吸收效率和氮素转化效率是氮素利用效率的重要组成部分,两者的乘积即为氮素利用效率[21]。由表4可知:冬小麦产量、氮素吸收效率、氮素利用效率和100 kg籽粒需氮量2年平均值均以S处理最高,分别比T处理高9.58%、20.00%、9.57%和10.41%(P<0.05)。说明深松能提高冬小麦产量和氮素吸收、利用效率。

表4 不同耕作措施对冬小麦产量及氮素利用的影响Table 4 Effects of different tillage measures on yield and nitrogen utilization of winter wheat

周年土壤耕作组合对夏大豆产量、氮素吸收效率和氮素利用效率均有极显著影响(表5)。当夏季采取同一耕作措施时,不同年份间除STF与TTF处理的夏大豆产量、氮素吸收效率和氮素利用效率无显著差异外,ST1处理的夏大豆产量、氮素吸收效率和氮素利用效率2年平均值相比TT1处理的分别高出 17.54%、18.41%和17.55%,SN处理比TN处理分别高24.67%、32.84%和24.69%,且均差异显著。说明秋季深松相比翻耕对夏季翻耕和免耕处理的夏大豆氮素吸收、利用效率以及产量的后效作用更为显著。当秋季采取同一耕作措施时,不同年份间夏大豆各处理产量、氮素吸收效率、氮素利用效率2年平均值均以TF处理最高,分别比T1和N处理高24.80%、37.87%、24.80%和44.81%、62.27%、44.81%,且均差异显著;但TF处理的氮素转化效率与氮素收获指数显著降低,这可能是翻耕覆膜显著增加了植株各器官氮素积累量,从而降低了氮素转化效率和收获指数。

表5 周年不同土壤耕作组合对夏大豆产量及氮素利用的影响Table 5 Effects of different annual soil tillage combinations on yield and nitrogen use efficiency of summer soybean

3 讨论

在小麦-玉米轮作体系中,前茬采用深松(耕)耕作措施能够通过影响其前茬及后茬作物生长发育来实现周年增产[22-24]。本研究结果表明,秋季深松比翻耕能使冬小麦保持较高的干物质积累量及特征参数、产量和植株氮素吸收、利用效率,有效促进夏季翻耕和免耕处理下的夏大豆干物质积累和植株氮素吸收、利用效率以及产量,这与前人研究结果相似。深松虽然能打破犁地底层,增厚土层的同时起到蓄水作用[25-26],进而为后茬植株根系生长继续提供良好的土壤环境[27];但夏季翻耕基础上覆膜具有显著的增温保墒功能,且膜下滴灌水能直接作用于根部[28],为作物提供更有利的生长环境,有可能减小秋季耕作的后效作用。本研究中,当秋季采取同一耕作措施时,夏大豆干物质积累量及各项参数、产量和氮素吸收、利用效率均以翻耕覆膜处理最高,这与已有研究结果[29-30]相似,进一步表明翻耕后覆膜能通过地膜的增温保墒功能提升植株干物质积累和氮素吸收、利用效率。

综上所述,秋季深松对冬小麦-夏大豆周年作物氮素吸收、利用效率和产量的影响优于翻耕。综合考虑深松作业的周期性与高耗能性,若秋季采取翻耕,夏季可采取翻耕覆膜土壤耕作措施,这样既可以获得较高的植株氮素吸收、利用效率以及干物质积累与产量,也可以减少作业成本和能源消耗。