旱地冬小麦植株磷素吸收利用及产量对覆盖方式的响应

程宏波

（甘肃农业大学 生命科学技术学院，甘肃 兰州 730070）

小麦稳产高产一直以来在我国粮食安全中起着重要作用[1]。磷是仅次于氮素的作物生长第2 重要元素，磷肥施入虽是快速、有效增产，缓解土壤供磷不足的有效措施，但传统种植过程中磷肥过施现象较为普遍[2]，且多年来磷肥用量的增长速率远高于作物产量增长速率，未根据作物对磷素的需求量，盲目过施磷肥会导致农田磷素大量积累，通过地表径流进入水体，进而造成水体富养化，加重环境负担[3]。

农业覆盖技术作为西北黄土高原旱作雨养农区的重要栽培措施，具有蓄水保墒、调节低温、稳产增产等的作用[4-5]，一定程度上解决了小麦生育期内水分不足、产量不稳定等问题。研究表明[6]，地膜和秸秆长期覆盖能有效增加土壤有机质和速效养分含量，进而促进作物养分吸收和生长发育；雷炳桦等[7]和杨小敏等[8]在西北黄土区旱作小麦研究表明，地膜覆盖和秸秆覆盖均能促进冬小麦磷元素的积累和转运，全年地膜全覆盖使冬小麦籽粒磷素积累量较无覆盖处理增加23.5%，也印证了覆盖方式促进作物磷素积累的观点。以往对籽粒产量形成的磷素需求量和生理效率的研究集中于区域间土壤肥力差异带来的作物养分效益差异，而有关不同覆盖措施对籽粒产量形成的磷素需求量和生理效率鲜有报道。

本试验依托甘肃省通渭县平襄镇甘肃农业大学旱作循环农业试验示范基地，展开不同覆盖条件对冬小麦植株磷素吸收利用影响的研究，以期为旱作农区推广覆盖栽培技术提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2018、2019 年在甘肃省定西市通渭县平襄镇甘肃农业大学旱作循环农业试验示范基地（35°11′N，105°19′E）进行，该地属温带半干旱气候，作物一年一熟，近年平均年降雨量为390.7 mm，但雨水集中在每年的7—10 月，与冬小麦生育时期相错，为西北黄土高原典型旱作雨养农区。本试验中，2018 年冬小麦生育时期内总降水量（272.5 mm）大于2019 年（239.5 mm）（图1）。试验区土壤为黄绵土，0～20 cm 土层平均容重为1.25 g/cm3；土壤有机碳含量为5.52 g/kg，全氮含量为0.65 g/kg，有效磷含量为10.63 mg/kg，有效钾含量为107.1 mg/kg，pH 值为8.5。

图1 冬小麦生育时期有效降雨量Fig.1 Effective precipitation during winter wheat growth period

1.2 试验材料

供试冬小麦品种为康庄974。

1.3 试验设计

试验采用完全随机区组设计，覆盖方式设3 组处理，分别为：无覆盖完全露地种植（CK，旋耕整地，耱平后进行机械式条播，行间距17 cm）、地膜覆盖（PM，旋耕整地，耱平后全膜覆盖，地膜覆土1 cm，机械穴播，行间距17 cm）、玉米秸秆带状覆盖（SM，设计种植带宽70 cm，秸秆覆盖带宽50 cm，秋季机械条播5 行小麦于70 cm 种植带上，行距17 cm，越冬前小麦三叶期后50 cm 覆盖带上进行玉米整秆覆盖，秸秆摆放方向与小麦播种行平行，为防止秸秆压苗，小麦边行与秸秆间距离为5 cm，玉米秸秆覆盖量为风干质量9 000 kg/hm2）。各小区面积均为180 m2（30 m×6 m），每个处理进行3 个重复。各处理小麦播种量均为225 kg/hm2。各处理所施纯氮120 kg/hm2、P2O590 kg/hm2，均作为基肥在旋耕整地时一次性施入，生育时期内不再追肥，在开花期进行1～2 次“一喷三防”作业。

1.4 测定项目及方法

冬小麦成熟期各处理按小区全部实收、单独脱粒计产，现场称鲜质量，晒干后称质量，测定产量。在冬小麦收获前3 d 采用五点取样法，每小区随机选5 个点取考种样，每个点取5～10 株，将每小区的植株样混匀，在混合样中随机选取20 株长势均匀、健康的植株样进行室内考种，测定单株干质量、器官干质量、穗数、穗粒数和千粒质量。

1.5 数据处理

采用SPSS 25.0 的LSD 法对数据进行显著性差异检验，并用SigmaPlot 14 绘图。

2 结果与分析

2.1 产量及其构成因素对覆盖方式的响应

从表1 可以看出，覆盖栽培均可显著提高旱地冬小麦籽粒产量和地上部分生物量，但是秸秆带状覆盖（SM）和地膜覆盖（PM）实现增产增效的途径和机理不同。相较于CK，2 a 中PM 处理分别增产14.0%和10.7%，SM 处理分别增产14.0%和5.7%。分析产量三要素可知，覆盖栽培下冬小麦千粒质量与CK 相近；SM 处理较CK 提高了穗粒数，2 a 分别提高4.9%和2.7%，单位面积穗数则与CK 相近；PM 处理较CK 显著提高了单位面积穗数，2 a 增幅分别为26.9% 和24.6%，穗粒数则分别显著降低9.8%和14.6%。分析生物产量和收获指数可知，相较于CK，2 a 的SM 处理生物产量分别提高3.5%和7.9%，收获指数相近；PM 处理生物产量分别提高15.2%和40.4%，而收获指数分别降低0.5、10.5 百分点。

表1 覆盖对产量三要素的影响Tab.1 Effects of mulching on yield and three essential factors of yield

2.2 植株磷素含量对覆盖方式的响应

覆盖对植株磷元素含量的影响如图2 所示。

图2 覆盖对植株磷元素含量的影响Fig.2 Effects of mulching on phosphorus content in plants

从图2 可以看出，比较冬小麦植株器官养分发现，各器官中全磷含量从大到小均表现为：籽粒＞颖壳＞茎叶。分析各器官磷素积累量可知，与CK相比，PM 处理的籽粒和茎叶全磷含量在2019 年分别显著降低12.1%和48.0%（P＜0.05），2 a 的颖壳全磷含量分别显著降低35.5% 和58.3%（P＜0.05）；而2 a中SM处理各器官磷素含量较CK 均无显著差异。

2.3 磷素吸收对覆盖方式的响应

由表2 可知，由于2 a 间小麦产量差异较大，2018 年植株和籽粒的磷素表观积累量、磷肥偏生产力、磷肥吸收效率均显著高于2019 年，分别提高54.9%、51.6%、55.7%及16.2 百分点；年际间磷素收获指数差异不大。

表2 覆盖对小麦磷素吸收的影响Tab.2 Effects of mulching on phosphorus uptake of wheat

分析处理间植株和籽粒磷素表观积累量差异可知，2 a SM 处理与CK 间均无显著差异；而2 a PM 处理植株磷素表观积累量较CK 分别显著提高8.9% 和16.4%（P＜0.05），2018 年籽粒磷素表观积累量显著提高11.5%（P＜0.05）。覆盖对磷素的吸收效率和收获指数影响较小，相较于CK，2 a PM 处理磷素收获指数分别提高2.2、2.3 百分点，SM处理则分别降低1.0、3.8百分点；2019 年处理间磷肥吸收效率无显著差异，PM 处理在2018 年较CK 显著提高4.0 百分点（P＜0.05）。分析处理间磷肥偏生产力和磷素平衡可知，2 a 处理间磷素平衡差异均未达到显著水平；相较于CK，2 a SM 处理磷肥偏生产力略有提高，但未达到显著水平，而2 a PM 处理磷肥偏生产力则分别显著提高13.9%和10.8%（P＜0.05）。

2.4 磷素生理效率对覆盖方式的响应

从表3 可以看出，年际间产量形成的磷素生理效率以及磷素需求量差异不大，2018 年处理之间差异不显著，而2019 年PM 处理较CK 显著降低了籽粒需磷量13.9%，相应的，其籽粒产量形成的磷素生理效率较CK 显著提高了16.9%（P＜0.05）。

表3 覆盖对磷素生理效率的影响Tab.3 Effects of mulching on phosphorus physiological efficiency

籽粒养分形成的生理效率和需求量表现出处理间差异显著。2018 年小麦高产导致籽粒养分形成的生理效率明显高于2019 年，平均高出72.8%。与CK 相比，2 a 的PM 处理籽粒养分形成的生理效率均有显著提高，2018、2019 年分别显著提高6.5%和8.0%（P＜0.05），使2 a 籽粒养分形成的需磷量分别 显著降低6.5% 和7.3%（P＜0.05）；2018 年SM 处理较CK 无显著差异，2019 年生理效率显著提高10.2%，相应的需磷量显著降低9.8%（P＜0.05）。

2.5 收获期土壤养分对不同覆盖方式的响应

从表4 可以看出，与CK 相比，2 a 的PM 处理平均显著降低铵态氮含量36.5%、速效磷含量35.7%（P＜0.05），略提高硝态氮含量6.1%。SM 处理较CK 降低铵态氮含量6.0%、提高速效磷含量14.0%；覆盖对硝态氮含量的影响在不同年份差异比较大，具体表现为，2018 年SM 处理显著提高硝态氮含量27.2%，2019 年则显著降低7.2%（P＜0.05）。覆盖对收获期土壤养分含量的影响以2018 年更为突出。

表4 覆盖对土壤养分含量的影响Tab.4 Effects of mulching on soil nutrient content

3 结论与讨论

覆盖技术通过改善和调节土壤水、肥、气、热状况，改善作物根系土壤微生态环境活动状态，进而可以影响土壤养分的转化和供应能力[9]，直接影响作物产量和植株对养分吸收利用的能力[10-11]。结合2 a 平均数据可以看出，覆盖栽培措施均能够实现旱地冬小麦显著增产，但是各器官磷素含量存在有不同程度降低，这可能是覆盖栽培处理小麦开花前土壤矿质氮和速效磷含量减少，使花后养分供应不足，导致籽粒磷素含量降低[12-13]，但是覆盖栽培有助于小麦群体生长，使其群体磷素表观积累量与露地平作并无显著差异，甚至在雨水相对充足的年份，出现了地膜覆盖磷素表观积累量高于露地平作的现象。

为追求高产，传统小麦栽培中肥料过量施入的现象较为普遍，从而导致土壤养分失衡和氮素过量积累，旱地土壤中残留的硝态氮和铵态氮虽然具有很高的生物学效应，但其具有潜在的淋溶损失倾向，如果不能及时被作物吸收利用，在地表水分径流的作用下，很可能被淋洗入渗，造成地下水污染[14]。本试验中玉米秸秆带状覆盖下土壤铵态氮含量有效降低，地膜覆盖降幅更为显著，这与腾珍珍等[15]在北方玉米覆盖研究的结果一致，而地膜覆盖铵态氮降幅更为显著，这与谢永春等[16]在干旱半干旱农区春小麦和冬小麦覆盖研究的结果一致；麦田加以秸秆覆盖能有效提高小麦耕层土壤速效磷含量，这与李廷亮等[17]在旱地麦田研究结果一致。

磷肥施入量的增加在一定界值范围之内虽然能够显著提高作物产量，但是加大了地力、环境和农户成本负担，且不同区域的土壤、降雨等环境因子不同，因而，小麦产量与需磷量也存在差异。黄倩楠等[18]通过对我国各小麦主产区多点农户调研和取样分析得出，每100 kg 小麦籽粒形成的所需磷元素为0.4 kg，而西北旱作农区土壤地力不足，降雨少且季节分配不均，加之恶劣气候因素，制约小麦生长发育，需磷量也低于国内其他主要麦区，意味着采用科学的田间管理栽培措施较盲目依赖磷肥施用能带来更高的经济效应，本试验不同覆盖方式均能够有效提高籽粒产量和养分形成的磷素生理效率，降低其需磷量，促进冬小麦植株内磷元素的积累与转化。

在西北雨养旱作农区实施地表覆盖栽培技术，通过不同的调控机制实现冬小麦增产稳产的同时，能有效提高冬小麦籽粒产量形成的磷素生理效率，降低对磷素的需求量，避免了冬小麦生长过程中对磷肥施用的过度依赖，缓解高施肥造成的一系列环境危害，且玉米秸秆作为西北农业生产中主要农作物副产物，是兼具就地取材和缓解环境压力作用的有机肥原物质，适宜该地区推广使用，减少农户投入成本，提高农业经济效益。