王淑娟，田霄鴻，李碩，張耀華

(西北農林科技大學資源環(huán)境學院，農業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌712100)

水分和養(yǎng)分脅迫是旱作農業(yè)亟待解決的兩大問題［1］，作物生長期間采用合理地表覆蓋模式和施肥措施以求保墑增產、提高土壤肥力成為研究熱點。覆蓋栽培(秸稈覆蓋和地膜覆蓋)可以有效減少棵間土壤水分蒸發(fā)，增加貯水量，降低水分虧缺程度，提高小麥產量［2－3］;土壤有機質、全量養(yǎng)分、速效養(yǎng)分亦對不同土壤管理措施產生不同響應。氮是作物生長必需的首要元素，也是土壤最為缺乏的營養(yǎng)元素［4］。在缺氮土壤上，長期施用氮肥，不僅實現(xiàn)了小麥高產穩(wěn)產，也培肥了地力;但氮肥大量施用，導致氮素以氨揮發(fā)和反硝化等形式的損失量增加，在土壤中殘留累積愈加明顯［5］，且降低了投入碳的積累，不利于土壤有機質提升［6］，不僅浪費資源，而且對周邊環(huán)境及人體健康產生負面影響［7］，所以選擇行之有效的覆蓋模式及施氮量對解決旱地水肥脅迫問題具有現(xiàn)實指導意義。而目前對小麥栽培施肥措施的研究多集中在兩個方面，一是水氮效應問題［1－2，5，8－10］，二是探討秸稈覆蓋等保護性耕作措施對土壤肥力的影響［11－13］，但對長期不同地表覆蓋模式及施氮量對冬小麥產量及土壤肥力影響差異的研究相對較少。因此，本試驗以當?shù)剞r民常規(guī)栽培模式為對照，通過對9個處理下冬小麥產量、土壤有機碳等指標的比較研究，旨在闡明秸稈、地膜兩種覆蓋模式及適量施氮、高量施氮對小麥增產、土壤培肥效應的差異，篩選符合當?shù)丶Z食生產的覆蓋施氮模式，為進一步實現(xiàn)優(yōu)質、高產、高效、提高土地生產力、可持續(xù)發(fā)展的旱地節(jié)水農業(yè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于陜西楊凌西北農林科技大學農作一站，該站位于黃土高原南部旱作區(qū)，處于渭河三級階地。屬溫帶大陸性氣候，海拔524.7 m，年均氣溫約13℃，年均降水量632 mm，主要分布在7、8、9三個月，占全年降水量的60%左右，冬春季易發(fā)生旱情，年均水面蒸發(fā)量990 mm，屬半濕潤易旱地區(qū)。土壤類型為褐土類，土亞類，紅油土屬，黃土母質，系統(tǒng)分類為土墊旱耕人為土，且為石灰性土壤。2002～2009年各季小麥生長期間降水量(每年10月小麥播種到次年6月小麥收獲期間)見圖1。在2002年試驗開始前耕層土壤基本理化性狀為:有機質含量13.79 g/kg，速效磷 4.93 mg/kg，硝態(tài)氮 5.43 mg/kg，銨態(tài)氮 2.41 mg/kg，碳酸鈣 65.1 g/kg。

圖1 2002～2009各季小麥生長期間降水量Fig.1 Precipitation during the 2002－2009 wheat growing seasons

1.2 試驗設計

本試驗為長期定位試驗，始于2002年10月，種植制度為冬小麥—夏季休閑一年一作制。在田間采用完全隨機區(qū)組設計，冬小麥生長季設置不同地表覆蓋模式及施氮量兩個試驗因素，其中地表覆蓋模式設3個水平，即常規(guī)(裸地無覆蓋NM，為當?shù)剞r戶常用模式);覆草(麥秸覆蓋WSM，小麥出苗后全區(qū)覆蓋，覆草量為4500 kg/hm2);覆膜(壟上覆膜/溝內播種PFM，小麥出苗后壟上覆膜，壟寬∶溝寬 =40 cm∶50 cm)。在每區(qū)均施P2O5100 kg/hm2基礎上，施氮量設3 個水平，即N 0、120、240 kg/hm2，共9個處理，4個區(qū)組，小區(qū)面積6 m×9.9 m=59.4 m2。供試小麥品種為小偃22，播種量為90 kg/hm2。氮肥用普通尿素(N≥ 46%)，磷肥用過磷酸鈣(P2O5≥16%)，所有肥料均于播前撒施后旋耕與土壤混勻，全生育期無灌溉，其他田間管理與當?shù)毓芾泶胧┮恢隆?/p>

試驗小區(qū)于每年6月小麥收獲后低留茬休閑，7月初進行土壤深翻旋耕，10月播種下一季冬小麥，其他時間不進行人工除草，雜草自然生長演替。

1.3 樣品采集及測定

測產及考種 收獲各小區(qū)總行數(shù)的三分之一行數(shù)進行測產，同時每小區(qū)隨機選取2個1 m2面積統(tǒng)計小麥有效穗數(shù)，采集2組各40個麥穗考察千粒重、穗粒數(shù)等指標。

土壤樣品采集與測定 于2009年10月14日采集休閑期結束后0—20 cm耕層土壤樣品，每小區(qū)分7點采樣，混合均勻，新鮮土壤樣品用于測定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量(KCl浸提，AA3型連續(xù)流動分析儀測定);風干土壤樣品分別過1 mm、0.25 mm篩用于測定土壤有機碳(K2Cr2O7外加熱法)、活性有機碳(KMnO4氧化法)、全氮(半微量開氏法)、速效磷(Olsen法)、速效鉀(NH4OAc浸提，火焰光度法測定)、pH值(水∶土 =2.5∶1，PHS－3C型pH計測定)等指標［14－15］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運用Microsoft Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進行預處理及作圖，用DPS v7.05軟件進行完全隨機區(qū)組設計的方差分析及LSD0.05差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 小麥產量

2.1.1 2002～2008各生長季(前6季)小麥產量地表覆蓋模式對小麥產量影響各不相同(表1)。2002～2008年覆草處理小麥產量平均減產2.43%，覆膜增產8.80%。除第1季外，覆草處理產量均與常規(guī)無顯著差異。2003～2004季小麥生長期間降水量只有 117.1 mm(圖 1)，覆草較常規(guī)增產6.92%，其他年份增產幅度更低，甚至減產一成左右，說明目前覆草處理在本試驗一年一作條件下增產潛力有限。覆膜處理6季小麥產量均保持在較高水平，前4季較常規(guī)和覆草分別增產16.95%、20.03%，但從第5季開始與常規(guī)和覆草分別相比均有減產趨勢，所以有必要繼續(xù)研究長期覆草、覆膜對小麥產量的影響。

2002～2008年施用氮肥小麥平均增產38.89%(表2)。與N0相比，前4季N120、N240分別平均增產17.62%、15.05%;從2006～2007季開始，后2季氮肥增產幅度明顯增大，與N0相比，N120、N240處理分別增產80.88%、87.14%，說明隨著種植年限的延長，不施氮處理土壤氮素肥力愈低，與施氮處理小麥產量差值愈大。2.1.2 2008～2009生長季(第7季)小麥產量 不施氮條件下，不同地表覆蓋模式處理之間子粒平均產量差異達顯著水平，為覆草N0(3214 kg/hm2)＞覆膜N0(2772 kg/hm2)＞常規(guī)N0(2381 kg/hm2);施氮條件下，子粒平均產量差異不大(圖2)。相同地表覆蓋模式下，子粒平均產量施氮處理大于不施氮處理，但N120、N240處理之間差異不顯著，說明施氮量較高(N240)對小麥增產影響不大，且施氮量較高加地表覆蓋處理子粒產量低于未覆蓋處理，即常規(guī)N240＞覆草N240＞覆膜N240處理。

表1 長期地表覆蓋對小麥產量的影響(2002～2008生長季)Table 1 Effect of long-term surface mulching on wheat yield in the growing seasons of 2002－2008

表2 長期施氮對小麥產量的影響(2002～2008生長季)Table 2 Effect of long-term N application on wheat yield in the growing seasons of 2002－2008

不同地表覆蓋模式及施氮水平均顯著影響小麥收獲指數(shù)(表3)，施氮較不施氮提高13.74%;與覆膜處理相比，覆草顯著降低收獲指數(shù)，而3種地表覆蓋模式對子粒產量影響未達到顯著水平，即覆草顯著增加了小麥生物學產量，較常規(guī)和覆膜分別增加10.87%、14.66%。

對影響產量構成三要素的因子進行分析發(fā)現(xiàn)(表3)，地表覆蓋模式主要影響小麥穗粒數(shù)，為覆膜＞覆草＞常規(guī)處理，其中覆膜、覆草處理較常規(guī)分別增加 17.95%、12.50%，覆膜較覆草增加8.33%;與常規(guī)及覆草處理相比，覆膜穗數(shù)顯著降低;對千粒重的影響差異不顯著。施氮較不施氮，千粒重顯著降低，穗粒數(shù)、穗數(shù)及小麥產量均顯著增加，說明穗粒數(shù)、穗數(shù)對小麥產量貢獻較千粒重大;與N120處理相比，N240處理對三要素的影響較小。9個處理之間千粒重、穗粒數(shù)及穗數(shù)的變異系數(shù)依次為7.21%、14.41%、21.73%，說明地表覆蓋模式及施氮量共同作用主要影響小麥穗粒數(shù)、穗數(shù)，進而影響小麥產量。

圖2 不同處理對小麥產量的影響(2008～2009生長季)Fig.2 Effect of different treatments on wheat yield in the growing season of 2008－2009

2.2 連續(xù)種植7季后地表覆蓋及施氮對土壤肥力指標的影響

從表4可以看出，經過7年種植，土壤有機碳、全氮、速效鉀含量的變化受地表覆蓋模式影響顯著，礦質氮、速效磷及pH值主要受施氮量影響，而土壤活性有機碳同時受地表覆蓋模式、施氮量及二者交互作用的影響，說明該指標對不同土壤管理措施變化反應敏感。

表3 不同處理對小麥產量構成要素及收獲指數(shù)的影響(2008～2009生長季)Table 3 Effect of different treatments on yield components and harvest index of wheat in the growing season of 2008－2009

表4 不同處理對土壤肥力指標影響的方差分析(P值)Table 4 Significant differences(P values)for two-way ANOVA for the effect of different treatments on soil fertility parameters

2.2.1 地表覆蓋及施氮對土壤碳、氮的影響 土壤有機質是土壤中各種營養(yǎng)元素的重要來源，也是微生物必不可少的碳源。地表覆蓋模式顯著影響土壤有機碳含量(P=0.0035)，而施氮量對其影響較小(P=0.2808)，兩者之間交互效應未達顯著水平(P=0.1440)(表4)。經過7年種植，覆草處理顯著增加了土壤有機碳含量，分別較常規(guī)、覆膜處理增加6.84%、7.85%;而覆膜與常規(guī)處理差異不顯著，甚至呈降低趨勢(表5)。施氮有增加土壤有機碳含量的趨勢，表現(xiàn)為N120＞N240＞N0，主要是施氮可促進小麥地上部和根系的生長發(fā)育，增加小麥根系及地上部殘茬的還田量，同時可降低秸稈根茬C/N，加快其分解，但施氮量較高時對增加土壤有機碳含量的作用不明顯。

表5 不同處理對土壤碳、氮、速效磷和速效鉀的影響Table 5 Effect of different treatments on soil C，N，available P and available K

土壤活性有機碳是指在一定的時空條件下，受植物、微生物影響強烈，具有一定溶解性，在土壤中移動較快、不穩(wěn)定、易氧化、易分解、易礦化，其形態(tài)、空間位置對植物、微生物來說活性比較高的那一部分土壤碳素［16］，與土壤有效養(yǎng)分、土壤的物理性狀、耕作措施等具有更密切的關系，是評價土壤質量及土壤管理的一個重要指標［17－18］。與常規(guī)處理相比，覆草、覆膜顯著增加了土壤活性有機碳含量，其中覆草、覆膜較常規(guī)處理分別增加37.57%、21.39%，覆草較覆膜增加13.33%。常規(guī)處理下，施氮較不施氮活性有機碳含量增加26.87%，而施氮量對覆草、覆膜處理下的活性有機碳含量影響不明顯。另外，覆草、覆膜處理均不同程度地提高了活性有機碳占總有機碳的比例，覆草處理提高幅度更大，即覆草(24.67%)＞覆膜(23.53%)＞常規(guī)(19.18%)，而活性有機碳所占比例越大，有機碳質量越高［19］，說明覆草條件下土壤碳素活性更大，易轉化。

土壤有機質一般含氮5%左右，且無機形態(tài)的氮僅占全氮的1% ～5%［14］。土壤全氮含量變化規(guī)律與有機碳類似，為覆草＞常規(guī)＞覆膜處理，覆草較覆膜顯著增加全氮含量，增幅為6.74%。表層土壤礦質氮含量(NO3－－N+NH4+－N)受不同地表覆蓋模式處理影響較小，施氮顯著提高了礦質氮含量，表現(xiàn)為N240＞N120＞N0。

2.2.2 地表覆蓋及施氮對土壤速效磷、速效鉀的影響 小麥生長季磷肥均作為基肥施入，且施入量相同，而覆草處理有增加土壤速效磷的趨勢，較常規(guī)增加7.66%，說明長期覆草對土壤速效磷含量逐漸產生影響(表 5)。麥秸本身含磷量僅約為0.080%［20］，每年覆蓋 4500 kg/hm2麥秸，連續(xù) 7 年相當于額外向土壤投入了25.2 kg/hm2的磷，對土壤磷的累計貢獻有限，但覆草顯著提高土壤有機質含量(表5)，土壤有機質具有與難溶性磷反應的特性，能提高土壤磷的有效性，使該處理下土壤速效磷含量較其他處理有增加趨勢。施氮較不施氮土壤速效磷含量顯著降低，其中，常規(guī)處理施氮較不施氮平均降低19.57%、覆草平均降低28.46%、覆膜平均降低21.84%，因為磷在土壤剖面的移動性較小，不易產生淋洗和揮發(fā)，土壤磷移出量主要取決于植株攜出量，即施氮較不施氮在增產的同時亦會攜出較多土壤磷，說明氮磷肥配施有助于提高小麥吸磷量，使得土壤速效磷含量降低。

覆草處理能顯著提高土壤速效鉀含量，較常規(guī)及覆膜處理分別增加12.68%、6.99%，與麥秸本身含有一定量水溶性鉀有關。每年進行覆草，將作物帶走的大部分土壤鉀素又歸還給土壤鉀庫，即麥秸本身含鉀量約為1.05%［20］，每年覆蓋4500 kg/hm2麥秸，連續(xù)7年相當于額外向土壤投入了330.75 kg/hm2的鉀，但隨施氮量的增加，速效鉀含量有降低趨勢，說明施用氮肥可以促進植物對鉀的吸收(表5)。

2.2.3 地表覆蓋及施氮對土壤pH值的影響 土壤pH值和土壤有機質存在一定的負相關，覆草處理與常規(guī)相比，表層土壤pH值偏低，約下降0.03個單位。長期施用氮肥土壤pH值偏低，與不施氮肥相比，約下降0.05個單位，且差異顯著(表6)。

表6 不同處理對pH值的影響Table 6 Effect of different treatments on soil pH

3 討論

3.1 地表覆蓋及施氮對小麥產量的影響

2008～2009季小麥不施氮肥時，覆草處理較常規(guī)顯著增產34.99%，覆膜與常規(guī)差異不顯著。施用氮肥時，三種地表覆蓋模式子粒產量差異不顯著，因為年均降水量632 mm的楊凌光熱條件可以滿足冬小麥—夏玉米一年兩作，但降水稍有不足;若冬小麥—夏休閑一年一作，其水分會有盈余，對當季小麥生長的限制會較氮肥用量小，且2008～2009季在小麥生育期降水180.8 mm，屬于常態(tài)年，土壤休閑蓄水作用及覆草、覆膜的保墑增產效果均不顯著，且施氮對常規(guī)處理下小麥增產幅度比覆草、覆膜大。另外，小麥生育期間均不進行人工灌溉，小麥子粒產量為覆草 N120＞常規(guī) N120，而覆草N240＜常規(guī)N240，說明覆草處理可以提高小麥產量［2］，但其增產有一定水氮條件限制，施氮量較高時，覆草已表現(xiàn)出小麥減產趨勢［1］，但未達到顯著水平。同時，覆草顯著增加了地上部非子粒部分的生物量，即收獲指數(shù)最小，這也是該處理小麥產量不高的原因之一。

同樣是2008～2009季，位于渭北旱塬長武試驗的小麥生育期(2008/9/20～2009/6/21)不僅較楊凌的長，生育期降水(242.1 mm)亦較楊凌的多，但降水分布規(guī)律大致相同，在推薦施肥條件下(N 120 kg/hm2、P2O590 kg/hm2)覆草(NP+S)、覆膜(NP+PF)與不覆蓋處理(NP)相比，肥力較低的梯田顯著增產，肥力較高的塬面有增產趨勢，但未達到顯著水平［9］，而楊凌試驗中覆草、覆膜處理只在長期不施氮肥情況下顯著增產，究其原因主要有兩點，長武和楊凌雖然年均降水量差異較小，但長武年總干燥度(1.72)大于楊凌的(1.57)，即長武小麥更易受到干旱脅迫，采取適當保墑增產措施效果易體現(xiàn);另外，除了氣候、地形等自然條件外，農田肥力高低也會影響地表覆蓋模式效果。

2002～2009年7季小麥生育期間除2003～2004季降水為117.1 mm外，其余年份均為150～200 mm，雨水相對充沛，若只考慮施氮量對小麥產量的影響，2008～2009季小麥產量N240＞N120＞N0，與 N0相比，N120、N240處理分別增產64.58%、66.76%，與連續(xù)7年N0處理小麥氮素攜出量遠大于氮素投入量有關，此種土壤氮素營養(yǎng)盈虧不平衡狀態(tài)表現(xiàn)在產量上即為施用氮肥增產幅度逐漸變大(表2)，從第5季開始施氮較不施氮增產50%以上。

3.2 地表覆蓋及施氮對土壤肥力的影響

覆草處理顯著提高了土壤有機碳含量，而覆膜此作用不明顯，甚至有降低趨勢［21－22］。麥秸有機碳含量約占 39.9%［20］，每 667m2耕層土壤(0—20 cm)重量以1.5×105kg計，覆草處理每年秸稈還田量為4500 kg/hm2，經過7年土壤有機碳含量理論上應較常規(guī)處理增加5.59 g/kg，但實際增加只有0.62 g/kg，主要原因為秸稈在腐解過程中，CO2－C釋放量約占碳釋放總量的50%［23］，即約有一半的碳以無機態(tài)形式損失，且土壤有機質含量是有機質礦化分解與合成平衡的結果，另外，小麥田每年夏秋季均以低留茬方式休閑，土壤溫度高，水分狀況良好，微生物活性強，有機殘體礦化作用強烈，雖然經過7季種植，但常規(guī)處理土壤有機碳含量有增加趨勢，這也是常規(guī)N0處理有機碳含量較2002年試驗前含量高的一個重要原因。

本試驗三個施氮水平對有機碳和全氮影響均不顯著，對礦質氮影響顯著，因為施入的尿素在脲酶作用下水解生成無機氮化物，且隨著施氮量增加，小麥吸氮量和土壤殘留硝態(tài)氮含量均顯著提高［5］，而關中平原土壤夏季休閑會增加硝態(tài)氮淋失和反硝化［24］，使得通過施用化學氮肥來提高土壤有機碳和全氮含量進程緩慢。覆草處理不同程度增加了表層土壤速效磷、速效鉀含量［12，21］，而秸稈腐解養(yǎng)分釋放速率為K＞P，釋放量亦為K＞P，在淹水條件下培養(yǎng)12 d鉀釋放率即可達98%［25］，所以在長期不施用任何鉀肥條件下，覆草對補充提高土壤鉀素含量占絕對優(yōu)勢，而覆膜此作用不明顯。

經過7年耕作，各地表覆蓋模式處理對土壤pH值影響均不顯著，但與常規(guī)相比，覆草處理土壤pH值偏低［13］。Guo等［26］通過分析上世紀 80 年代以來我國主要農田土壤顯著酸化的現(xiàn)象指出，長期過量施用氮肥是導致農田土壤酸化的最主要原因，本研究中N120、N240處理與N0相比，均顯著降低了土壤pH值，而N120與N240之間差異不顯著，即長期高量施氮或適量施氮均有可能降低土壤pH值，但這種現(xiàn)象只在覆草處理下達到顯著差異性水平，而覆膜處理下幾乎無變化，說明長期覆草配施適量氮肥就可有效降低土壤pH值，這對研究如何提高石灰性土壤養(yǎng)分有效性具有重要意義，而覆膜方式無此作用。

綜合小麥產量及土壤肥力指標，覆草處理主要影響土壤碳素、鉀素含量，覆膜處理此作用與常規(guī)處理無顯著差異，但本試驗覆草或覆膜處理增產潛力有限，需要繼續(xù)探索適于該區(qū)域推廣的秸稈還田方式;試驗中覆膜處理是在小麥出苗后再覆膜，易導致實際所覆地膜面積減少，所以有待于嘗試通過小麥播種前覆膜、擴大覆膜面積等途徑解決此問題。

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