旱地不同覆盖方式对冬小麦氮肥利用的影响

杨慧敏，王 涛，窦瑛霞，赵护兵，王朝辉

(西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100)

小麦是世界上种植最广泛的粮食作物[1]，年产量6.2亿t[2]，其中旱地小麦的种植面积约占75%[3]。因此，旱地小麦生产在确保全球粮食安全方面发挥着重要作用。黄土高原是我国典型的旱作农业区，小麦是该区主要的粮食作物，每年种植面积达270万hm2，约占全国小麦播种面积的10%[4]。

降水是黄土高原地区农业生产主要的水分来源，该区降水量少且季节分布不均，导致旱地小麦生长常处于干旱胁迫状态[5]。土壤水分通过改变小麦的生理代谢，影响植株生长发育，进而改变产量[6]，因此改善土壤水分对旱地小麦种植十分重要。地表覆盖能抑制土表水分蒸发，减少土壤水分无效散失，从而有效蓄积自然降水和改善土壤水分状况，为旱地小麦生长发育和产量形成创造良好条件。西北旱地冬小麦生产过程中常用的覆盖方式有全膜穴播、垄覆沟播和秸秆覆盖[7-8]。全膜穴播主要通过阻断水分从土壤向空气的蒸发路径，减少水分散失，进而增加土壤蓄水量，提高作物产量[9]。垄覆沟播则把地膜与垄作相结合，通过地表微垄覆膜集雨，沟内播种，达到水分高效利用的目的[10]。秸秆覆盖后利于降水均匀入渗，增加土壤含水量，同时秸秆覆盖能改善土壤的理化性质[11]。

氮素吸收利用是小麦产量形成的物质基础之一。地表覆盖后土壤蓄水保墒能力增强，同时促进土壤氮素溶解和转移，有利于小麦对氮素吸收累积[12-14]，显著提高小麦产量[14]。利用15N示踪技术可以定量研究氮素的去向问题，精准计算氮肥利用率[15]。目前，国内外关于地表覆盖对小麦影响的研究多集中于土壤水分、植株生长发育和产量等方面，在养分吸收利用上虽有报道，但对不同覆盖方式下小麦吸收的氮素来源及去向缺乏定量分析。本研究在西北旱地冬小麦种植区，基于15N示踪技术，定量分析不同覆盖方式下冬小麦植株对土壤氮和氮肥的吸收利用特点，以期为旱地冬小麦选择适宜的覆盖栽培方式提供理论 依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2019年9月至2020年6月在陕西省咸阳市永寿县(34°44′N，108°12′E，海拔998 m)进行。该地属于大陆季风气候，年平均温度 10.7 ℃，年平均降雨量495.4 mm，本试验年年降雨量565.6 mm，主要集中在7-9月份。试验地0～20 cm土壤中，pH值为8.0，硝态氮含量为14.5 mg·kg-1，铵态氮含量为2.7 mg·kg-1，总氮含量为0.87 g·kg-1，有效磷含量为10.7 mg·kg-1，速效钾含量为99.9 mg·kg-1，有机质含量为11.7 g·kg-1。

1.2 试验设计

田间微区试验共设置4个处理，分别为常规播种(NM)、垄覆沟播(RM+FS)、全膜穴播(PM)和秸秆覆盖(SM)。常规播种即常规平作裸播；垄覆沟播：施肥旋耕后起垄覆盖白色地膜(宽40 cm，厚0.008 mm)，垄宽35 cm，垄高6 cm，沟宽30 cm，沟内种2行小麦；全膜穴播：播前整地后覆盖白色地膜(宽100 cm，厚0.008 mm)，在膜上覆土1 cm，打孔播种，孔距12 cm，每穴约播15粒种子；秸秆覆盖：常规平作裸播结束后，立即在地表以10 t·hm-2均匀覆盖小麦秸秆。微区设置在对应大区中，大区试验是从2012年开始的长期定位试验，每个处理进行4次重复，共16个微区，采用完全随机区组排列。微区用长100 cm、宽50 cm、高30 cm的铁皮框制成，将铁皮框垂直嵌入地面25 cm。

小麦品种为洛旱6号，采用人工播种，播种量150 kg·hm-2，行距20 cm。在小麦生长期间，使用除草剂去除杂草。各处理播前基施15N标记的粉末状尿素(购于上海化工研究院，丰度10%，含N 46%)和过磷酸钙(含P2O512%)，各处理施纯N 150 kg·hm-2和P2O5127.5 kg·hm-2。

1.3 样品采集与测定

小麦收获期在植株根茎结合处剪断，地上部全部收获。将其分为穗和秸秆，待风干后将穗脱粒，并测定各部位生物量。

小麦籽粒、秸秆和颖壳烘干后粉碎，用H2SO4-H2O2消解后凯氏定氮法测定氮含量。

将籽粒、秸秆和颖壳的样品烘干磨碎，过100目筛后，取适量样品包裹于锡杯中通过元素分析-稳定同位素比值质谱联用仪(SerCon Integra2)，采用高温燃烧法测定15N丰度。

1.4 数据计算

植株各部位氮素中肥料氮的比例Ndff=(样品的15N丰度-15N天然丰度)/(标记肥料的15N丰度-15N天然丰度)×100%

植株各部位氮素累积量=该部位全氮含量×该部位生物量/1 000

植株各部位肥料氮累积量=该部位氮素累积量×该部位Ndff

氮肥利用率=植株地上部肥料氮累积量/施氮量×100%

1.5 统计分析

数据处理用Excel软件，统计分析用DPS 7.05软件，LSD法进行处理间差异显著性分析，显著性水平设置为α= 0.05。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖方式对冬小麦各部位生物量的 影响

全膜穴播和秸秆覆盖下小麦产量均显著高于常规播种，垄覆沟播的产量与常规播种、全膜穴播和秸秆覆盖相比差异均不显著(表1)。与常规播种相比，垄覆沟播、全膜穴播和秸秆覆盖分别增产4.9%、15.4%和12.4%。全膜穴播的小麦秸秆生物量、颖壳生物量和地上部总生物量均显著高于常规播种和垄覆沟播，但与秸秆覆盖差异不显著。秸秆覆盖的小麦秸秆生物量、颖壳生物量和地上部总生物量均显著高于常规播种。与常规播种相比，垄覆沟播、全膜穴播和秸秆覆盖秸秆生物量分别提高4.8%、33.5%和22.0%，颖壳生物量分别提高3.1%、18.4%和13.1%，地上部总生物量分别提高4.6%、23.9%和16.8%。

表1 不同覆盖方式下冬小麦各部位生物量Table 1 Biomass of different winter wheat organs under different mulching methods kg·hm-2

2.2 不同覆盖方式对冬小麦氮素吸收和分布的 影响

籽粒、秸秆和颖壳氮含量在不同覆盖方式下差异均不显著，但表现出降低的趋势(表2)。与常规播种相比，垄覆沟播、全膜穴播和秸秆覆盖的籽粒氮含量分别降低19.6%、8.9%和7.2%。籽粒、秸秆、颖壳氮素累积量及地上部氮素总累积量在不同覆盖方式下差异均不显著，且籽粒氮素累积量和地上部氮素总累积量变化趋势一致。与常规播种相比，全膜穴播和秸秆覆盖籽粒氮素累积量分别提高6.0%和5.6%，地上部氮素总累积量分别提高8.0%和5.5%；而垄覆沟播籽粒氮素累积量和地上部氮素总累积量分别降低13.9%和10.8%。籽粒、秸秆和颖壳氮素累积量占地上部氮素总累积量的比例在不同覆盖方式下差异均不显著。其中，在不同覆盖方式下地上部累积的氮素主要集中在籽粒中，籽粒氮素的占比高达 78.6%～80.5%，秸秆氮素的占比为13.8%～16.7%，而颖壳氮素的占比最小，仅为4.2%～ 6.3%。

表2 不同覆盖方式下冬小麦各部位氮素吸收和分布Table 2 N accumulation and distribution of different winter wheat organs under different mulching methods

2.3 不同覆盖方式对冬小麦肥料氮吸收和分布的影响

小麦各部位氮素中肥料氮的比例在不同覆盖方式间差异均不显著(表3),全部集中在27.5%～36.0%。与常规播种相比，垄覆沟播、全膜穴播和秸秆覆盖下籽粒氮素中肥料氮的比例分别提高22.5%、29.8%和16.3%。

小麦各部位中肥料氮累积量、地上部肥料氮总累积量及各部位中肥料氮占地上部肥料氮总累积量的比例在不同覆盖方式间差异均不显著。与常规播种相比，垄覆沟播、全膜穴播和秸秆覆盖籽粒中肥料氮累积量分别提高4.2%、39.3%和 20.5%；秸秆中肥料氮累积量分别提高32.0%、 58.6%和24.2%；地上部肥料氮总累积量分别提高7.1%、38.8%和19.3%。在不同覆盖方式下地上部累积的肥料氮主要集中在籽粒，籽粒、秸秆和颖壳中肥料氮占比分别为77.9%～80.7%、13.9%～17.0%和4.0%～6.3%。

小麦氮肥利用率在不同覆盖方式间差异不显著。与常规播种相比，垄覆沟播、全膜穴播和秸秆覆盖下小麦氮肥利用率分别提高7.1%、38.8%和19.3%。

表3 不同覆盖方式下冬小麦各部位对肥料氮的吸收和分布Table 3 15N-labeled fertilizer accumulation and distribution of different winter wheat organs under different mulching methods

3 讨 论

3.1 不同覆盖方式对冬小麦产量影响的分析

与不覆盖相比，不同覆盖方式可以缓解旱地小麦水分胁迫，促进小麦增产，其中秸秆覆盖增产13%[11]，全膜覆土穴播增产44%，垄覆沟播增产4%[16]。在本研究中，地膜和秸秆覆盖产量较常规播种提高4.9%～15.4%，与前人结果基本一致。这是因为地表覆盖会影响土壤水分和土壤温度，进而影响小麦产量[17-18]。本研究进一步表明，在3种覆盖方式中，全膜穴播的增产效果最好，是因为全膜覆盖后0～2 m各土层保水增温效果更好[19]。土壤水分条件的改善可以改变小麦干物质的形成及其在穗中分配的比例[20]，有利于增产；与不覆盖相比，全膜穴播增温作用明显[21]，提高土壤温度可以活化土壤养分，促进根系对土壤水分和养分的吸收[22]，进而提高作物产量。而垄覆沟播的增产幅度最小，是因为起垄覆膜所占据的无效种植面积大，导致增产不明显。秸秆覆盖后小麦也增产，可能是覆盖秸秆后减少水分蒸发，增加雨水入渗，提高了水分含量；但耕层温度下降，小麦生长发育受到延缓，使得小麦产量较全膜穴播增幅降低[23]。

地膜和秸秆覆盖均可以提高旱地小麦产量，但对环境的影响不同。长期地膜覆盖后残膜难以捡拾，造成的白色污染问题严重；同时加剧土壤贫瘠现象，恶化土壤环境[24]，不利于农业的可持续发展。秸秆覆盖则是农业废弃物资源化利用的重要方式，有利于发展循环农业[25]，适合大面积地推广应用。

3.2 不同覆盖方式对冬小麦氮素吸收利用影响的分析

小麦植株各部位氮含量和氮素累积量与其干物质量密切相关[26]。长期定位试验表明，小麦籽粒氮含量与产量呈负相关，产量每公顷增加1 000 kg后，籽粒氮含量降低1.1 g·kg-1[27-28]。本研究结果与前人研究一致，3种覆盖方式小麦产量较常规播种提高后，籽粒氮含量全部降低，这归因于产量提高对籽粒氮含量的稀释效应[29]。在3种覆盖方式中，秸秆覆盖籽粒氮含量最高，一方面是因为秸秆覆盖后秸秆腐解释放有机氮，作为潜在氮源存在于土壤[30-31]；另一方面则是秸秆覆盖时秸秆覆在地表，减少与土壤微生物的接触面积，避免了争氮现象[32]。全膜穴播氮素累积量最高，是因为其产量最高，且氮素累积量由产量和氮含量共同决定。垄覆沟播籽粒氮含量和氮素累积量最低，这是因为垄覆沟播后两行小麦被垄分隔，相距45 cm，垄上氮不能被小麦根系充分吸收，导致近根区氮素供应不足，小麦吸氮量减少[33]。

3.3 不同覆盖方式对冬小麦肥料氮吸收利用影响的分析

通过15N示踪技术发现，小麦植株氮素中 22.5%～34.6%来源于氮肥，65.3%～77.5%来源于土壤氮[34]，与本研究结果基本一致，说明在不同覆盖方式下，土壤氮均是主要的氮素来源。有研究表明，施入氮肥后，小麦仍以吸收土壤氮为主，是因为土壤氮库含氮量至少是施肥量的10倍以上，氮肥对土壤氮的稀释作用有限[35]，所以在小麦生产过程中要注意培肥地力。不同覆盖方式下植株氮素中肥料氮的比例不同，是因为该试验在长期定位基础上进行，不同覆盖方式下小麦吸氮量不同，因此每季小麦收获后土壤氮库有差异，当再施入等量氮肥后，氮肥与土壤氮并存，氮肥代替部分土壤氮被小麦不同程度地吸收利用。全膜穴播植株氮素中肥料氮的比例最大，是因为其土壤氮库含氮量少于其他处理的氮库，且当季小麦生长需氮量最多，则吸收氮肥最多，氮肥利用率最高。秸秆覆盖植株氮素中肥料氮的比例较小，是因为秸秆覆盖后秸秆会释放氮素到土壤中，与土壤氮和氮肥一起供小麦吸收利用[30-31]。本研究结果进一步显示，在不同覆盖方式下，肥料氮在各部位中分配表现为籽粒>秸秆>颖壳，表明氮素会优先分配给籽粒，这与前人研究一致[12]。而关于覆盖方式对氮素具体转运过程的影响还有待进一步研究。氮肥利用率由小麦地上部肥料氮总累积量和施氮量共同决定，且本研究施氮量全部相同，因此氮肥利用率取决于小麦对肥料氮的吸收 情况。

4 结 论

在西北旱地种植区，与常规播种相比，全膜穴播、秸秆覆盖和垄覆沟播均可以提高冬小麦产量，且全膜穴播和秸秆覆盖增产显著；施氮量相同时，3种覆盖方式均可以提高冬小麦各部位氮素中肥料氮的比例、籽粒肥料氮累积量、地上部肥料氮累积量和氮肥利用率。综合考虑，秸秆覆盖不仅可以提高产量和氮肥利用率，而且有良好的环境效应。因此，秸秆覆盖可以作为一种绿色可持续发展方式，在西北旱地冬小麦种植区推广。