小麦是我国黄土高原地区重要的粮食作物,对保障我国粮食安全具有重要意义,然而土壤贫瘠和水分不足严重制约着当地冬小麦的生产。化肥对农作物产量的贡献率为35%～66%,然而却存在着严重的过量施肥现象。近年来,我国的化肥施用量增加了34%,但粮食总产量却下降了1.4%,化肥的利用效率大幅下降,我国农田施入的氮肥只有34.3%能被作物吸收利用,其余以氨挥发、表观硝化-反硝化、淋溶和径流等形式发生损失[1]。李廷亮等[2]研究表明,黄土旱塬冬小麦种植区由于长期过量施用氮肥已导致土壤硝态氮在1m土层的积累,积累量在100kg/hm2以上。大量的肥料损失会对土壤、水体和大气造成污染,影响该系统内作物的正常生长,不利于我国农业的可持续发展和生态环境的保护。因此,必须制定合理的施肥量,减少肥料损失。董强等[3]在黄土高原地区连续3年试验中研究发现,在传统施肥基础上减施氮肥20%,作物产量没有减少,氮肥农学效率及偏生产力分别增加了20.2%～23.2%和21.9%～23.7%;张嫚等[4]研究发现,减氮处理可促进作物对硝态氮的吸收,籽粒产量和氮素积累量较传统施肥提高15.4%和27.3%,显著提高了氮素吸收率和生产效率。黄土高原地区降水少且不稳定,严重影响产量的稳定性,地膜覆盖技术具有保温保墒、增加对深层水分利用、活化土壤养分和促进作物对养分吸收利用等作用,是提高粮食产量的重要手段之一[5]。地膜覆盖具有良好的保墒增产效果,较不覆膜可增加苗期含水量64%～91%,降低生育期蒸发量16%～19%,提高水分利用效率37.8%～41.5%,增加生物产量22.5%～25.3%[6]。任江波等[7]研究发现,地膜覆盖可提高土壤肥力,显著增加土壤氮、磷、钾含量,同时具有良好的保肥效果,可降低径流中硝态氮、全磷和钾离子的浓度。在玉米生育期覆膜,增加了玉米对氮素的吸收利用,增加叶子和茎秆中的氮素含量,从而减少土壤剖面硝态氮的含量和积累量[8]。

综上研究大多集中在减氮措施对作物生长和产量以及地膜覆盖对水分和养分的研究,而对于多年减氮测控施肥以及在此基础上进行不同覆膜种植后对冬小麦产量构成和水肥利用效率的研究报道尚少。因此本试验在晋南黄土旱塬冬麦区,研究了连续5年减氮测控定量施肥及不同覆膜种植下,对冬小麦产量构成、水分利用效率和氮、磷、钾肥料的利用效率,以期为黄土旱塬冬小麦减氮增效的持续安全生产提供一定的理论依据和技术支撑。

1、材料与方法

1.1试验地概况

试验地位于山西洪洞县刘家垣镇东梁村(36°22′N,111°35′E)海拔648m,为长期定位试验区。试验区属于温带季风气候,年均温12.6℃,年平均日照时间2419h,≥10℃活动积温3327℃,无霜期180～210天,年均降水量约500mm,约70%集中在6—9月(表1)。供试土壤为石灰性褐土,土壤质地为中壤土,2013年播前耕层土壤pH为7.66,有机质量为15.02g/kg,全氮量为0.77g/kg,硝态氮量为8.19mg/kg,速效磷量为11.28mg/kg,速效钾量为208.15mg/kg。

1.2试验设计

试验始于2013年,于2018年结束,设置农户施肥种植模式、减氮测控施肥、减氮测控施肥+垄膜沟播和减氮测控施肥+平膜穴播4种处理(表2)。

表1冬小麦试验期间降水分布情况导出到EXCEL

处理1为农户施肥种植模式(农户模式),常规平作,不覆膜,行距20cm,施肥量为当地农民习惯的施肥量,具体为N:150kg/hm2,P2O5:60kg/hm2。

处理2为减氮测控施肥处理(测控施肥),耕作方式同农户模式,施肥采用“0—100cm土壤硝态氮监控施肥,0—40cm土层磷钾恒量施肥”技术,其中施氮量(以纯N计)=作物目标产量需氮量-播前0—100cm土壤硝态氮累积量+播前0—100cm土壤硝态氮安全阈值(110.0kg/hm2);施磷(钾)量=作物目标产量需磷(钾)量×施磷(钾)系数;施磷(钾)系数依据0—40cm土层速效磷钾量确定[9]。

处理3为减氮测控施肥+垄膜沟播处理(垄膜沟播),在减氮测控施肥的基础上,垄上覆膜,沟内播种,垄宽35cm,沟宽30cm。

处理4为减氮测控施肥+平膜穴播处理(平膜穴播),在减氮测控施肥的基础上,全地面平铺地膜,膜上覆土0.5～1cm,播种行距15～16cm,穴距12cm。

每个处理4次重复,每块地设置一个重复,采用随机区组排列,由于地块大小原因,小区面积为210～520m2。具体施肥量见表2。

表2试验地各处理N-P2O5-K2O养分用量导出到EXCEL

所有种植方式为播前浅旋耕,深度13cm。试验中施用的氮肥为尿素(含N46%),磷肥为过磷酸钙(含P2O511%),钾肥为氯化钾(含K2O60%),均作底肥均匀施入土壤,翻入耕层后耙平。冬小麦品种为“晋麦47号”,播量为150kg/hm2,播种时间为每年10月1—10日,收获时间为翌年6月1—10日,6-9月为夏闲期,冬小麦在整个生育期不灌溉。

1.3样品采集与测定

1.3.1样品采集

分别于2013—2018年冬小麦播种前和收获后,每层20cm,每小区进行多点采样,采集0—200cm土壤样品用于测定土壤硝态氮,0—40cm土壤样品测定土壤速效磷和速效钾含量。

1.3.2测定项目与方法

土壤硝态氮采用CaCl2浸提,流动分析仪[10]测定。土壤有效磷采用NaHCO3浸提,钼蓝比色法[10]测定。土壤速效钾采用NH4OAc浸提,火焰光度法[10]测定。

1.3.3计算方法

籽粒收获指数=籽粒产量/地上部分生物量×100%

土壤贮水量(mm)=土壤质量含水量(%)×土壤容重(g/cm3)×土层厚度(cm)/10(0—20,20—40,40—60,60—80cm土壤容重分别为1.21,1.35,1.35,1.30,80—200cm土层为1.36g/cm3)

水分生产效率=籽粒产量(kg/hm2)/耗水量(mm)

耗水量(mm)=土壤贮水量变化量(mm)+生育期降水量(mm)

N(P、K)收获指数(%)=籽粒氮素积累量(kg/hm2)/地上部氮素积累量(kg/hm2)×100%

N(P、K)生理效率(kg/kg)=籽粒产量(kg/hm2)/地上部氮素积累量(kg/hm2)×100

N(P、K)肥表观回收率=[施N(P、K)肥后作物收获时地上部的吸N(P、K)总量-未施N(P、K)肥作物收获期地上部分的吸N(P、K)总量]/化学纯N(P、K)的投入量

N(P、K)偏生产力(kg/kg)=施N(P、K)肥后所获得的生物产量(kg/hm2)/化肥N(P、K)的投入量(kg/hm2)

1.3.4计算方法与数据处理

试验数据用MicrosoftExcel2016整理作图,并用SPSS19.0软件进行统计分析,采用LSD法检验P<0.05水平上的差异性。

2、结果与分析

2.1减氮覆膜对黄土旱塬冬小麦产量构成的影响

由表3可知,所有处理除2015—2016年外,其余年份的籽粒产量和生物产量均表现为平膜穴播>垄膜沟播>测控施肥>农户模式。在5年试验间,农户模式的籽粒产量为2235.7～4350.2kg/hm2,均值3612.2kg/hm2,农户模式的生物产量为6245～10242kg/hm2,均值8485kg/hm2。减氮测控施肥较农户模式在5年总施氮量减少46.9%的情况下,年均籽粒产量和生物产量分别增加4.4%和4.0%。可见,减少氮肥的施用量并不影响冬小麦的籽粒产量和生物产量。在减氮测控施肥基础上进行覆膜种植,垄膜沟播和平膜穴播的籽粒产量和生物产量较不覆膜分别增加21.0%,39.2%和23.5%,40.3%,平膜穴播的增加效果更显著,且差异达显著水平,主要因为地膜覆盖可减少土壤水分的无效损失,提高土壤含水量,同时能够活化土壤养分,促进作物对养分的吸收,从而提高冬小麦产量和生物量。F值检验表明,黄土旱塬冬小麦的籽粒产量和生物产量具有极显著的年际差异性,年份和地膜的交互作用对其也具有极显著影响。

表32013-2018年不同种植模式下冬小麦的产量与产量构成导出到EXCEL

注:表中同列不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著;*表示不同处理间差异显著;**表示不同处理间差异极显著。下同。

从产量构成来看,农户模式和减氮测控施肥在穗粒数和千粒重方面无显著差异,减氮测控施肥的公顷穗数较农户模式提高4.3%,差异达到显著水平。减氮测控施肥的平均穗数和千粒重分别为435×104穗/hm2和43g,在其基础上进行覆膜种植,垄膜沟播和平膜穴播的平均公顷穗数和千粒重分别提高18.2%,4.7%和27.6%,7.0%,其中以平膜穴播的增加效果最为明显,这可能与平膜穴播播种行距较小、良好的水肥调节效果有关,冬小麦可充分利用水分、养分和光照资源。不同处理间黄土旱塬冬小麦的穗粒数和收获指数没有显著变化。

2.2减氮覆膜对黄土旱塬冬小麦耗水量及水分生产效率的影响

由表4可知,4种处理在5年种植过程中播前土壤贮水量无显著差异。减氮测控施肥收获后土壤贮水量低于农户模式,生育期耗水量和水分利用效率高于农户模式,但差异性不显著,这主要是由于减氮测控施肥的冬小麦产量和生物量略高于农户模式,导致耗水量增加。在减氮测控施肥基础上进行覆膜种植,垄膜沟播和平膜穴播在收获后土壤贮水量较不覆膜分别降低6.5%和9.8%,生育期耗水量分别增加7.1%和10.1%,水分利用效率分别增加13.8%和23.9%,平膜穴播的耗水量和水分利用效率均大于垄膜沟播。这主要是由于地膜覆盖可减少土壤水分蒸发,增加土壤温度,从而起到活化土壤养分的作用,良好的水肥调节促进了冬小麦的籽粒和生物产量的增加,导致耗水量和水分利用效率的增加。F值检验表明,不同年限、不同处理以及年限和处理的交互作用对水分的生产效率均达到极显著水平。

表42013-2018年不同种植模式下冬小麦耗水量及水分生产效率导出到EXCEL

2.3减氮覆膜对黄土旱塬冬小麦养分利用的影响

2.3.1减氮覆膜对黄土旱塬冬小麦氮肥利用效率的影响

由表5可知,减氮测控施肥较农户模式在5年总施氮量减少46.9%的情况下,氮肥收获指数提高4.3%,这可能是由于农户模式过高的氮肥施用量导致地上部分总吸氮量的增加速率要高于籽粒中氮素的吸收速率,导致农户模式氮肥收获指数下降。减氮测控施肥的氮肥偏生产力较农户模式提高120.3%,这是由减氮测控施肥较农户模式在减少氮肥施用量的情况下,冬小麦产量却得到了提升。在减氮测控施肥基础上进行覆膜种植,垄膜沟播和平膜穴播较不覆膜收获指数提高1.7%～3.5%,偏生产力提高21.7%～41.4%,生理指数降低8.7%～16.8%。这可能是由于地膜覆盖对土壤水分和养分的调节作用增加了地上部分和籽粒对氮素的吸收量,使得氮肥的收获指数提高而生理指数却降低。在相同的施肥量下,地膜覆盖可有效提高冬小麦的作物产量,从而提高了氮肥的偏生产力。F值检验表明,不同年份、不同处理以及年份和处理的交互作用对黄土旱塬冬小麦氮肥的偏生产力均达到极显著水平,不同年份和不同处理对氮肥的收获指数达到极显著水平。

表52013-2018年不同种植模式下氮肥利用效率导出到EXCEL

2.3.2减氮覆膜对黄土旱塬冬小麦磷肥利用效率的影响

由表6可知,农户模式与减氮测控施肥在磷肥的收获指数和偏生产力方面无显著差异,减氮测控施肥的磷肥生理效率较农户模式降低11.0%,说明减氮测控施肥可促进冬小麦地上部分磷素的吸收量。在减氮测控施肥基础上进行地膜覆盖,垄膜沟播和平膜穴播较不覆膜在磷肥的收获指数和生理效率方面无显著差异,可提高磷肥偏生产力22.4%～39.2%,差异达显著水平,说明地膜覆盖可提升冬小麦对磷肥的利用效率。F值检验表明,不同年份、不同处理以及年份和处理的交互作用对黄土旱塬冬小麦磷肥的偏生产力均达到极显著水平。

表62013-2018年不同种植模式下磷肥利用效率导出到EXCEL

2.3.3减氮覆膜对黄土旱塬冬小麦钾肥利用效率的影响

由表7可知,减氮测控施肥与农户模式在钾肥的收获指数上无显著差异。在减氮测控施肥基础上进行地膜覆盖,2014年和2015年地膜覆盖下的钾肥生理效率要低于不覆膜,而2016—2018年地膜覆盖下的钾肥生理效率要高于不覆膜,从5年总体情况来看,垄膜沟播和平膜穴播的钾肥生理效率较不覆膜提高3.8%～7.5%。造成生理效率差异的原因可能是由于不同年份地膜覆盖使冬小麦产量的增加速率与冬小麦对钾素的吸收速率不同造成的。垄膜沟播和平膜穴播钾肥的偏生产力较不覆膜提高19.3%～37.1%,差异达显著水平。在相同的施肥量条件下,地膜覆盖良好的水肥调节作用增加了冬小麦产量,从而提高了钾肥的偏生产力。F值检验表明,不同年份、不同处理对黄土旱塬冬小麦钾肥的生理效率和偏生产力均达到极显著水平。

表72013-2018年不同种植模式下钾肥利用效率导出到EXCEL

3、讨论

3.1减氮覆膜对黄土旱塬冬小麦产量构成影响分析

合理的氮肥施用可促进冬小麦根系的生长,增加水肥利用效率,进而获得高产,但过量施用氮肥会降低小麦有效成蘖率,最终导致产量降低[11]。前人[12,13,14]研究表明,在传统施肥基础上适量减少氮肥施用量并不会减少冬小麦的籽粒产量和生物产量,反而能促进冬小麦对氮素的吸收利用,降低氮素的表观损失,提高氮肥的利用率。本研究表明,减氮测控施肥较农户模式在5年总施氮量减少46.9%的情况下,年均籽粒产量、生物产量和公顷穗数分别增加4.4%,4.0%和4.3%,进一步证明了在黄土旱塬冬小麦种植区减施氮肥的可行性。

不同区域降水时空分布和土壤贮水能力差异是造成黄土旱塬冬小麦产量不同的主要原因,合理的水肥管理可有效提高旱地小麦的生产能力[2]。前人[2]研究表明,黄土高原冬小麦产量形成主要取决于穗数,其次是千粒重,因此调控穗数是实现冬小麦增产的主要途径。全膜穴播种植行距小,可增加冬小麦种植密度和群体穗数,同时有利于冬小麦各生长因素的协调增长,可改善冬小麦生长初期的热量条件,促进碳水化合物的形成,从而提高干物质含量,实现增产效果[15]。本研究表明,垄膜沟播和平膜穴播的籽粒产量、生物产量、穗数和千粒重较不覆膜分别增加21.0%,39.2%,18.2%,4.7%和23.5%,40.3%,27.6%,7.0%,平膜穴播的增加效果更显著。

有研究[16]表明,冬小麦的产量与夏闲期的降雨量呈正相关,冬小麦1/2以上的产量取决于播前墒情的好坏。本试验在2015年的冬小麦产量较2013年、2014年和2016年分别降低30.82%,28.84%和32.45%,主要因为2015年夏闲期的降雨量仅为140.3mm,而其余3年降雨量分别为464.7,413.3,357.6mm,进一步说明了夏闲期降水量对旱作麦区产量的重要作用。2017年冬小麦产量较低与2017年春天发生的冻害有关。

3.2覆膜措施对黄土旱塬冬小麦耗水量及水分生产效率影响分析

黄土旱塬冬小麦种植区降水较少且分布不均,因此高效利用自然降水和土壤深层水分成为解决干旱的重要措施。解文艳等[17]通过6年试验研究表明,地膜覆盖可使0—200cm土层平均土壤贮水量较不覆膜增加3.5%～8.8%,可提高水分利用效率15.87%。本研究表明,较不覆膜种植,地膜覆盖可使水分利用效率增加13.8%～23.9%,平膜穴播的保水作用更加明显。主要因为地膜覆盖会阻碍土壤水汽向大气蒸散,在土壤与大气之间形成相对独立的水分循环系统,增加水分在土壤中的横向运动,从而降低土壤水分的无效蒸发,同时地膜覆盖可增加对深层水的利用效率,减少全生育期蒸发量,增加作物全生育期蒸腾量,降低蒸发与蒸散的比例,从而提高水分的利用效率[18,19,20]。本研究结果表明,地膜覆盖在生育期耗水量较不覆膜增加7.1%～10.1%,主要因为地膜覆盖下较高的生物产量和作物产量导致土壤水分消耗较多,从而降低了收获期土壤含水量[14]。

3.3减氮覆膜对黄土旱塬冬小麦氮、磷、钾肥利用效率影响分析

在传统施肥的基础上,适当减少氮肥施用量,增加钾肥用量能显著改善氮、钾营养状况,增大冬小麦冠层叶片间氮素垂直分布梯度,提高叶片氮素转移量和籽粒的贡献率,从而提高籽粒产量和氮素的利用效率[21]。本研究结果表明,减氮测控施肥较农户模式在5年总施氮量减少46.9%的情况下,氮肥收获指数提高4.3%,偏生产力提高120.3%。主要因为农户模式过量的施用氮肥,促进植株对氮素的吸收,增加各营养器官中氮素的积累量,使地上部分总吸氮量增加,但过量施用氮肥会延缓植株衰老,降低花后营养器官氮素向籽粒的转移率,不利于籽粒中氮素的积累,从而降低氮肥收获指数[22]。减氮测控施肥较农户模式在减少氮肥施用量的情况下,籽粒产量却增加4.4%,从而获得较高的氮肥偏生产力。

张嫚等[4]研究表明,当土壤含水量较少时,导致植株对氮素的吸收量减少,使得籽粒中的氮素积累量不能得到很大提高,而地膜覆盖具有良好的保水效果,可提高小麦花前营养器官氮素向籽粒的转移率和花后吸氮量,从而提高了氮素的收获指数。屈会峰等[14]研究表明,与不覆膜相比,地膜覆盖下的冬小麦产量增加速率小于地上部分吸氮量的速率,从而提高了籽粒产量形成的需氮量,降低了氮肥的生理效率;张勉等[23]研究表明,在相同的施肥条件下,地膜覆盖对土壤良好的水肥调节作用可显著提高冬小麦的产量,因此垄膜沟播和平膜穴播较不覆膜具有更高的氮肥偏生产力。本研究结果表明,在减氮测控施肥基础上进行覆膜种植,垄膜沟播和平膜穴播较不覆膜氮肥收获指数提高1.7%～3.5%,偏生产力提高21.7%～41.4%,生理指数降低8.7%～16.8%。

在我国北方地区,由于重氮轻磷钾的施肥方式,随着农业生产的不断发展,土壤缺乏磷素和钾素已经开始成为农业发展的限制因素,尽管当地速效钾含量较高,但长期不施钾肥必定会影响冬小麦的产量和品质。屈会峰等[14]研究表明,黄土高原属于碱性土,土壤有效磷活性低,降低了冬小麦对磷的吸收效率,冬小麦对土壤磷素的吸收能力与土壤磷素的供应能力有直接关系。在本试验中,减氮测控施肥采用0—40cm土层磷钾恒量施肥技术,在5年种植过程中磷肥总施用量较农户模式增加28.6%,磷肥生理效率较农户模式降低11.0%,由于减氮测控施肥的产量较农户模式增加4.4%,所以减氮测控施肥可增加冬小麦地上部分对磷素的吸收量。何刚等[24]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,同时也促进了冬小麦对钾素的吸收量。在本试验连续5年种植过程中,2014年和2015年地膜覆盖下的钾肥生理效率要低于不覆膜,而2016—2018年地膜覆盖下的钾肥生理效率要高于不覆膜,从5年总体情况来看,地膜覆盖下的钾肥生理效率较不覆膜提高3.8%～7.5%,可能是因为在不同的种植年份冬小麦产量的增加速率与冬小麦对钾素吸收速率不同造成的。减氮测控施肥以及在其基础上的覆膜种植施用的磷肥和钾肥数量相同,地膜覆盖对土壤有效的水肥调节使冬小麦产量增加,因此垄膜沟播和平膜穴播的氮肥和磷肥偏生产力较不覆膜分别提高22.4%～39.2%和19.3%～37.1%。

4、结论

在黄土旱塬冬小麦种植区,经过连续5年种植,减氮测控施肥采用“0—100cm土壤硝态氮监控施肥,0—40cm土层磷钾恒量施肥”技术,较农户模式在减少氮肥施用量46.9%,平衡施用磷钾肥的情况下,冬小麦年均籽粒产量、生物产量和公顷穗数分别增加了4.4%,4.0%和4.3%,氮肥收获指数和偏生产力分别提高4.3%和120.3%,同时促进了冬小麦地上部分和籽粒对磷素和钾素的吸收量,进一步证明了在黄土旱塬冬小麦种植区减施氮肥的可行性。

在减氮测控施肥基础上进行覆膜种植,地膜覆盖使土壤水分利用效率和生育期耗水量分别增加13.8%～23.9%和7.1%～10.1%,同时使氮肥收获指数提高1.7%～3.5%,偏生产力提高21.7%～41.4%,生理效率降低8.7%～16.8%,使磷肥和钾肥的偏生产力分别提高22.4%～39.2%和19.3%～37.1%。地膜覆盖良好的水肥调节效果使垄膜沟播和平膜穴播的籽粒产量、生物产量、公顷穗数和千粒重较不覆膜分别增加21.0%,39.2%,18.2%,4.7%和23.5%,40.3%,27.6%,7.0%,平膜穴播的增加效果更显著。

可见,在黄土旱塬冬小麦种植区采用减氮测控定量施肥技术与地膜覆盖措施相结合的种植方式可实现小麦增产和肥料增效的作用,从而达到高效安全持续生产的目的,在农业生产实践中可推广应用。

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基金:国家重点研发计划项目(2018YFD0200401);国家公益性行业(农业)科研专项(201303104,201503124);山西省重点研发计划项目(201803D221005-2).