黃 明 王朝輝 羅來超 王 森 包 明 何 剛 曹寒冰 刁超朋 李莎莎

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膜側(cè)施肥對旱地小麥產(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)含量和水分利用效率的影響

黃 明1,2王朝輝1,3,*羅來超1王 森1包 明1何 剛1曹寒冰1刁超朋1李莎莎1

1西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 / 農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室, 陜西楊凌712100;2河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 河南洛陽471023;3西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點實驗室, 陜西楊凌712100

覆膜栽培能提高旱地小麥產(chǎn)量, 但降低了籽粒蛋白質(zhì)含量, 優(yōu)化施肥是解決這一問題的有效措施之一。2013年9月至2016年9月, 在黃土高原中部典型旱地進(jìn)行田間定位試驗, 比較傳統(tǒng)平作(不覆蓋+均勻施肥)、壟覆溝播(壟上覆膜+壟間溝播+均勻施肥)和膜側(cè)施肥(壟上覆膜+壟間溝播+播種行側(cè)膜下定位施肥)栽培模式下, 0~40 cm土層硝態(tài)氮含量和0~200 cm土壤水分, 以及膜側(cè)施肥對小麥氮素吸收利用、產(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)含量和水分利用的影響。與傳統(tǒng)平作相比, 在偏旱的2013—2014和2015—2016年度, 壟覆溝播的小麥產(chǎn)量分別提高9.5%和6.3%, 籽粒蛋白質(zhì)含量降低7.1%和9.9%, 水分利用效率提高5.8%和8.7%, 而膜側(cè)施肥的小麥產(chǎn)量提高18.8%和22.8%, 籽粒蛋白質(zhì)含量無顯著變化, 水分利用效率提高13.2%和19.6%; 在偏濕潤的2014—2015年度, 壟覆溝播和膜側(cè)施肥對小麥產(chǎn)量無影響, 但膜側(cè)施肥的籽粒蛋白質(zhì)含量和水分利用效率分別提高6.0%和17.0%。與壟覆溝播相比, 膜側(cè)施肥在偏濕潤年份使生長季內(nèi)100~200 cm土壤水分消耗顯著減少, 而在偏旱年份使夏休閑季土壤蓄水顯著增加, 開花和收獲期0~40 cm土壤硝態(tài)氮、根系全氮以及開花期莖葉全氮含量升高, 促進(jìn)了小麥營養(yǎng)器官氮素吸收、積累及其向籽粒的轉(zhuǎn)運, 提高了旱地小麥產(chǎn)量, 籽粒蛋白質(zhì)含量和水分利用效率。在偏干旱的2013—2014和2015—2016年度, 膜側(cè)施肥較壟覆溝播產(chǎn)量分別提高8.4%和15.5%, 籽粒蛋白質(zhì)含量提高9.9%和8.7%, 水分利用效率提高7.0%和10.0%; 在偏濕潤的2014—2015年度, 兩處理產(chǎn)量無顯著差異, 但膜側(cè)施肥的籽粒蛋白質(zhì)含量提高6.0%。因此, 膜側(cè)施肥可維持旱地小麥生育后期的土壤氮供應(yīng), 提高小麥產(chǎn)量、籽粒蛋白質(zhì)含量和水分利用效率, 增加下季播前深層土壤貯水, 是適宜于旱區(qū)推廣的小麥栽培模式。

雨養(yǎng)旱地; 膜側(cè)施肥; 冬小麥; 產(chǎn)量; 蛋白質(zhì)含量; 水分利用效率

小麥?zhǔn)屈S土高原區(qū)的主要糧食作物, 種植面積占我國小麥總面積的19%[1]。由于降水少且季節(jié)分布不均勻、土壤肥力低和施肥不科學(xué)等問題, 產(chǎn)量低而不穩(wěn)。這一區(qū)域年降水200~700 mm, 但60%集中在7月至9月的夏休閑季, 與3月至5月的小麥生長需水高峰期錯位[2-3]。因生育期降水少且無灌溉導(dǎo)致追肥困難, 小麥生育后期易發(fā)生養(yǎng)分供應(yīng)不足, 影響產(chǎn)量提高和品質(zhì)改善。傳統(tǒng)旱地小麥種植中通過夏初深翻、秋季平作播種, 力求伏雨春用[4], 但由于地表裸露, 土壤水分易蒸發(fā)散失, 導(dǎo)致小麥生育期供水不足[5]。因此, 優(yōu)化旱地小麥栽培措施, 在充分集蓄休閑季降水的同時實現(xiàn)水分的跨季高效利用,在僅施底肥的情況下改善小麥生育后期的養(yǎng)分供應(yīng),對提高旱地小麥產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率具有重要意義。

壟覆溝播不僅能抑制土壤水分蒸發(fā), 還可以通過田間原位微域集水, 促進(jìn)小麥生長期內(nèi)壟上雨水流向溝內(nèi), 滲入土壤深層[6], 提高土壤貯水。在甘肅中部, 壟覆溝播使小麥產(chǎn)量提高20%~29%, 水分利用效率提高12%~14%[7]。在山西南部, 壟覆溝播小麥增產(chǎn)12%~14%[8], 但底墑不足的年份也會減產(chǎn)[9]。因此, 傳統(tǒng)的壟覆溝播雖然在小麥生長期內(nèi)有效增加了降水的收集、減少了土壤水分蒸發(fā)損失, 卻未考慮休閑季降水管理, 難以保證小麥持續(xù)增產(chǎn)。針對這一問題, 在傳統(tǒng)壟覆溝播的基礎(chǔ)上, 我們提出了夏休閑季繼續(xù)利用殘膜覆蓋壟面、秸稈覆蓋溝內(nèi)的休閑季集雨保水模式。渭北旱源的長期定位田間試驗表明, 這種方式提高了休閑效率, 有利于土壤水分恢復(fù), 使小麥播種時0~300 cm土層貯水提高5%~7%[6], 產(chǎn)量提高15%~41%, 水分利用率提高10%~30%[10], 但籽粒蛋白質(zhì)含量卻降低14%~17%[11]。這是由于目前的壟覆溝播栽培, 在播種前將肥料撒于地表, 然后通過旋耕作業(yè)將其與表層土壤混勻, 而被薄膜分開的兩行小麥行距較寬, 難以充分吸收薄膜下面的養(yǎng)分所致, 也與表層混施肥料增加了氮素?fù)]發(fā)損失有關(guān)[12]?？梢? 為了確保壟覆溝播的增產(chǎn)效果, 改善小麥品質(zhì), 在加強休閑季集雨保水、合理確定氮肥用量的基礎(chǔ)上, 還應(yīng)優(yōu)化施肥位置。針對旱地小麥壟覆溝播栽培中肥料撒施導(dǎo)致生育后期供肥不足問題, 在黃土高原典型旱地小麥種植區(qū), 通過連續(xù)3年的定位試驗, 研究優(yōu)化施肥位置對小麥產(chǎn)量、營養(yǎng)品質(zhì)和水分利用的影響, 以期為旱地小麥豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)提供依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地塊土壤養(yǎng)分和降水量分布特征

2013年9月至2016年9月, 在陜西省永壽縣御駕宮鄉(xiāng)御中村(34°43′N, 108°10′E) 4個農(nóng)戶的田塊進(jìn)行連續(xù)3年的定位試驗。試驗區(qū)屬典型的半濕潤易旱區(qū), 冬小麥–夏休閑是當(dāng)?shù)氐闹饕N植制度。土壤為土墊旱耕人為土, 試驗開始時耕層基本理化性狀見表1。試驗期間的降水量見圖1, 與多年平均值(年降水量530 mm, 休閑季降水量310 mm)相比, 2014年3月降水增加12 mm, 但5月至6月降水減少33 mm, 休閑季降水增加28 mm (集中在9月), 屬偏旱年份; 2015年3月降水增加34 mm, 5月至6月降水增加28 mm, 休閑季降水減少25 mm, 屬偏濕潤年份; 2016年2月至6月降水減少65 mm, 休閑季降水減少151 mm, 屬偏旱年份。

表1 2013年試驗開始時各地塊0~20 cm和20~40 cm土層的土壤基本理化特性

折線為1992–2016年連續(xù)24年降水量的平均值。

The line shows the average precipitation of 24 years from 1992 to 2016.

1.2 試驗設(shè)計

共設(shè)置傳統(tǒng)平作、壟覆溝播和膜側(cè)施肥3個處理(圖2)。傳統(tǒng)平作在播種前1周人工將肥料撒于地表, 并立即旋耕使肥料混入0~15 cm土壤, 采用機械條播、行距20 cm播種, 翌年小麥?zhǔn)斋@時留茬15 cm, 收獲后2~3周翻耕40 cm, 夏閑期地表裸露無覆蓋。壟覆溝播的施肥方式同傳統(tǒng)平作, 即播種前1周將肥料撒于地表, 并旋耕使肥料與0~15 cm土壤混勻, 但播種時采用旱地小麥覆膜播種機一次完成起壟覆膜播種, 壟寬30 cm、高8 cm, 壟上覆膜, 溝寬30 cm, 溝內(nèi)播種2行小麥、行距20 cm, 翌年小麥?zhǔn)斋@時留茬25 cm、秸稈還田于溝內(nèi), 夏休閑季不揭膜, 保持殘膜覆蓋壟面、秸稈覆于溝內(nèi), 集雨保墑。膜側(cè)施肥是在壟覆溝播的基礎(chǔ)上定位施肥, 即旋耕前不施肥, 播種時采用旱地小麥覆膜施肥播種一體機一次完成施肥起壟覆膜播種, 用機械將肥料定位條施于播種行側(cè)、膜下、種側(cè)下5 cm處, 其他管理同壟覆溝播。

為了優(yōu)化氮磷鉀肥用量并減小不同地塊肥力差異對試驗的影響, 按照目標(biāo)產(chǎn)量需氮量推薦不同地塊的氮肥用量[13], 采用衡量監(jiān)控施肥技術(shù)推薦磷鉀肥用量[14], 相同年度、同一地塊3個處理的氮磷鉀肥用量相同(表2)。氮磷鉀肥分別為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和硫酸鉀(含K2O 50%), 均為顆粒肥料, 基施。

采用完全隨機區(qū)組設(shè)計, 以田塊為區(qū)組, 4次重復(fù)。小區(qū)面積96 m2(8 m×12 m), 2013—2014和2014—2015年度種植品種為晉麥47, 播量為150 kg hm–2; 2015—2016年度品種為洛旱6號, 播量為120 kg hm–2。分別于2013年9月30日、2014年10月4日和2015年9月27日播種, 2014年6月15日、2015年6月18日和2016年6月13日收獲。其他管理同當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶。

CP: 傳統(tǒng)平作; RF: 壟覆溝播; RFF: 膜側(cè)施肥。

CP: conventional cropping pattern with no plastic film mulching and uniform fertilization; RF: ridge mulching, furrow seeding and uniform fertilization; RFF: ridge mulching, furrow seeding, and located and side-striped fertilization under plastic film.

表2 4個田塊3年的施肥量

I~IV代表4個定位地塊。I to IV represent the four fixed plots.

1.3 土壤水分和小麥耗水量測定方法

播種前和收獲期每20 cm為一層, 采樣測定0~200 cm的土壤水分。從每個小區(qū)0~40 cm土層隨機采5個樣點, 40~200 cm土層采2個樣點, 同層土壤樣品混合均勻后, 取約300 g作為分析樣品, 剩余的土壤分別按原土層回填各采樣點的土洞。將分析樣品迅速裝入預(yù)先標(biāo)記好的塑料袋, 系緊袋口密封帶回實驗室, 取約30 g樣品105°C烘48 h測定土壤重量含水量。對于傳統(tǒng)平作在小麥行間取樣, 壟覆

溝播和膜側(cè)施肥分別在壟上和行間取樣, 以壟上和行間的平均值作為該地塊的觀測值, 以4個地塊的平均值作為該栽培模式的測定結(jié)果。

WC = WSs-WSh[6,9],

WH = WSns200-WSh200[6,9];

ET = WC200+ P + I + U-R-F[15]

式中, WS為土壤貯水量(mm), 下標(biāo)字母表示土層, 分別為0~20、20~40、40~60、60~80、80~100、100~120、120~140、140~160、160~180和180~200 cm土層, 下標(biāo)字母s、h和ns分別表示播前、收獲和下季播前, 下標(biāo)數(shù)字200表示0~200 cm土層; D為土壤容重(g cm-3), 取4個地塊的平均值, 各土層的D值為1.18 (0~20 cm)、1.38 (20~40 cm)、1.34 (40~60 cm)、1.39 (60~80 cm)、1.36 (80~100 cm)、1.49 (100~ 120 cm)、1.44 (120~140 cm)、1.45 (140~160 cm)、1.45 (160~180 cm)和1.35 g cm-3(180~200 cm); H為土層厚度(cm); W為土壤水分含量(%); WC為生育期土壤耗水量(mm); WH為休閑季土壤貯水量(mm); ET為生育期作物耗水量(mm); P為生育期降水量(mm); I為灌溉量(mm); U為地下水補給量(mm); R為徑流量(mm); F為深層滲漏量(mm)。本試驗地塊位于陜西省雨養(yǎng)黃土臺塬梯田, 地勢平坦, 土層深厚, 地下水埋深在100 m以下, 因此I、U、R、F值均為0。

1.4 土壤硝態(tài)氮測定方法

分別于拔節(jié)、開花和收獲期采集0~40 cm土層土壤樣品, 每20 cm為一層, 每個小區(qū)隨機5個樣點, 對于傳統(tǒng)平作在小麥行間取樣, 壟覆溝播和膜側(cè)施肥分別在壟上和行間取樣, 取平均值作為該處理的觀測值。稱取5 g鮮土, 置于50 mL KCl溶液(1 mol L-1)中振蕩浸提1 h, 用AA3連續(xù)流動分析儀(SEAL, 德國)測定浸提液中的硝態(tài)氮含量[16]。0~40 cm土層的土壤硝態(tài)氮含量為該土層硝態(tài)氮累積量與其土壤質(zhì)量的比值。

1.5 小麥植株氮積累量和轉(zhuǎn)運量測定方法

于三葉期在每個小區(qū)標(biāo)記1 m長且有代表性的樣段4個, 調(diào)查基本苗數(shù)。分別于越冬、拔節(jié)、開花和收獲期調(diào)查群體莖蘗數(shù), 同時在每小區(qū)隨機選20個樣點, 先用取樣鏟松動每個樣點0~20 cm土壤后取1~2株小麥, 統(tǒng)計莖蘗數(shù)后分成不同器官, 分別稱鮮重。越冬和拔節(jié)期沿根莖結(jié)合部分成根系和地上部樣品, 開花期將地上部樣品進(jìn)一步分成莖葉和穗, 收獲期分成莖葉、穗軸+穎殼(簡稱穎殼)和籽粒。取不同器官鮮樣各50 g左右, 90°C殺青30 min, 65°C烘至恒重, 測定干重。

按霍中洋等[17]描述的方法計算氮素積累和轉(zhuǎn)運指標(biāo)?；ㄇ暗胤e累量＝開花期莖葉氮素積累量＋開花期穎殼氮素積累量; 花后氮素轉(zhuǎn)運量＝花前氮素積累量－收獲期莖葉氮素積累量－收獲期穎殼氮素積累量; 轉(zhuǎn)運率(%)＝花后氮素轉(zhuǎn)運量/花前氮素積累量×100; 貢獻(xiàn)率(%)＝花后氮素轉(zhuǎn)運量/收獲期籽粒氮素積累量×100。

1.6 籽粒產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量及水分利用效率測定方法

于不同生育時期按上述方法取樣, 樣品粉碎后先用H2SO4-H2O2法消解, 再用AA3連續(xù)流動分析儀(SEAL, 德國)測定消解液中的全氮含量[11]。籽粒全氮含量乘以5.7即為籽粒蛋白質(zhì)含量[18]。

收獲期從每個小區(qū)隨機收割4個1.0 m×1.8 m樣方, 風(fēng)干后脫粒。將同一小區(qū)4個樣方的籽粒混合后稱重。然后取風(fēng)干籽粒約50 g, 65°C烘至恒重, 測定風(fēng)干籽粒含水量。籽粒產(chǎn)量以12.5%的含水量表示。根據(jù)籽粒產(chǎn)量(Y, kg hm-2)和全生育期小麥耗水量(ET, mm)計算水分利用效率(WUE, kg hm-2mm-1), WUE＝Y(jié)/ET[4]。

1.7 統(tǒng)計分析

采用SAS 8.0軟件進(jìn)行方差分析和顯著性測驗, 用LSD法進(jìn)行多重比較。用SigmaPlot 12.5繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 膜側(cè)施肥對小麥產(chǎn)量和生物量的影響

栽培模式對小麥地上部生物量和籽粒產(chǎn)量影響極顯著(<0.01), 對產(chǎn)量的影響主要來自穗數(shù)的變化, 而穗粒數(shù)和千粒重不同處理間差異不顯著(表3)。在偏濕潤的2014—2015年度, 壟覆溝播的生物量和產(chǎn)量較傳統(tǒng)平作增加, 但差異不顯著, 而在另外兩年(偏干旱)則表現(xiàn)為顯著增加, 3年平均生物量和產(chǎn)量分別提高6.7%和8.3%。膜側(cè)施肥較傳統(tǒng)平作, 3年地上部生物量、穗數(shù)和籽粒產(chǎn)量均顯著增加, 其中生物量和籽粒產(chǎn)量平均提高17.2%和20.1%。從3年平均值看, 膜側(cè)施肥的地上部生物量、穗數(shù)和籽粒產(chǎn)量顯著高于壟覆溝播, 分別提高9.8%、10.5%和10.9%, 尤以偏旱的2013—2014和2015—2016年度增產(chǎn)效果達(dá)顯著水平(<0.05)。說明膜側(cè)施肥通過提高小麥生物量和穗數(shù), 最終實現(xiàn)增產(chǎn), 在偏旱年份, 特別是灌漿期降水偏少的年份, 增產(chǎn)效果更突出。

2.2 膜側(cè)施肥對小麥不同生育時期群體莖蘗數(shù)和干物質(zhì)積累量的影響

壟覆溝播和膜側(cè)施肥的基本苗3年均無差異, 但較傳統(tǒng)平作分別提高26.2%和28.6% (圖3-A)。3年總體來看, 壟覆溝播和膜側(cè)施肥的群體莖蘗數(shù)和干物質(zhì)積累量的差異, 開花之前不顯著, 開花期達(dá)到顯著水平, 并且在所有測定生育時期都顯著高于傳統(tǒng)平作, 其中開花期比傳統(tǒng)平作分別高17.1%和22.9%, 比壟覆溝播高9.0%和10.5% (圖3-A, B)?？梢? 膜側(cè)施肥的群體水平優(yōu)于其他兩處理, 其優(yōu)勢體現(xiàn)在開花期后, 是獲得高產(chǎn)的原因之一。

表3 膜側(cè)施肥對小麥籽粒產(chǎn)量和生物量的影響

數(shù)據(jù)為4個地塊的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差, 同一年度或年度間平均數(shù)據(jù)后的不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。*和**分別表示方差在<0.05和<0.01水平顯著。

Data are mean±SD of the four plots, and different small letters after the data of each year or average indicate significant difference among treatments at< 0.05.*and**indicate statistical significance of variance at< 0.05 and< 0.01, respectively. CP: conventional cropping pattern with no plastic film mulching and uniform fertilization; RF: ridge mulching, furrow seeding and uniform fertilization; RFF: ridge mulching, furrow seeding, and side-dressing fertilization under plastic film.

CP: 傳統(tǒng)平作; RF: 壟覆溝播; RFF: 膜側(cè)施肥。SD: 苗期; WT: 越冬期; JT: 拔節(jié)期; AT: 開花期。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差, 其上標(biāo)注的不同字母表示同一生育期內(nèi)處理間差異顯著(< 0.05)。

CP: conventional cropping pattern with no plastic film mulching and uniform fertilization; RF: ridge mulching, furrow seeding and uniform fertilization; RFF: ridge mulching, furrow seeding, and side-dressing fertilization under plastic film. SD: seedling stage; WT: wintering stage; JT: jointing stage; AT: anthesis stage. The error bar indicates standard deviation, above which different letters indicate significant difference among treatments at a growing stage (< 0.05).

2.3 膜側(cè)施肥對小麥營養(yǎng)器官全氮含量和籽粒蛋白質(zhì)含量的影響

栽培模式顯著影響小麥營養(yǎng)器官全氮含量和籽粒蛋白質(zhì)含量, 但兩種覆膜栽培的調(diào)節(jié)效應(yīng)不同(表4)。壟覆溝播的籽粒蛋白質(zhì)含量在偏旱的2013—2014和2015—2016年度較傳統(tǒng)平作顯著降低, 而在偏濕潤的年度無顯著差異。3年總體來看, 開花期小麥根系全氮含量顯著提高, 莖葉全氮含量無顯著變化, 收獲期莖葉全氮含量顯著降低, 3年籽粒蛋白質(zhì)含量平均降低5.8%。膜側(cè)施肥較傳統(tǒng)平作, 拔節(jié)后小麥根系全氮和開花期莖葉全氮含量顯著增加, 但小麥籽粒蛋白質(zhì)含量僅在偏濕潤的2014—2015年度顯著提高6.0%, 而在偏旱的年度無顯著影響。膜側(cè)施肥較壟覆溝播, 3年拔節(jié)后根系、開花期莖葉全氮含量和籽粒蛋白質(zhì)含量均顯著增加, 其中籽粒蛋白質(zhì)含量平均提高8.2%。說明膜側(cè)施肥可提高小麥拔節(jié)后根系和開花期莖葉含氮量, 改善籽粒蛋白質(zhì)形成的氮源, 有利于提高小麥籽粒蛋白質(zhì)含量。

2.4 膜側(cè)施肥對小麥氮素積累和轉(zhuǎn)運的影響

壟覆溝播和膜側(cè)施肥調(diào)節(jié)小麥營養(yǎng)器官花前氮素積累、轉(zhuǎn)運及其對籽粒的貢獻(xiàn)率的效果顯著, 但在不同年度表現(xiàn)不同(表5)。3年總體來看, 壟覆溝播較傳統(tǒng)平作, 不影響花前氮素積累量, 但偏濕潤的2014—2015年度的花前氮素轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率及其對籽粒的貢獻(xiàn)率均顯著提高, 而其他2個年度上述指標(biāo)無顯著變化。膜側(cè)施肥較傳統(tǒng)平作和壟覆溝播, 不影響花前氮素的轉(zhuǎn)運率, 但3年花前氮素積累量及其向籽粒的轉(zhuǎn)運量均顯著提高, 比傳統(tǒng)平作分別高23.6%、28.0%, 比壟覆溝播高18.9%、14.3%, 而且較傳統(tǒng)平作顯著提高了轉(zhuǎn)運氮素對籽粒的貢獻(xiàn)率。可見, 膜側(cè)施肥提高了小麥花前氮素積累量及其向籽粒的轉(zhuǎn)運量, 可為提高小麥籽粒蛋白質(zhì)含量奠定氮素營養(yǎng)基礎(chǔ)。

2.5 膜側(cè)施肥對小麥不同生育時期0~40 cm土壤硝態(tài)氮含量的影響

壟覆溝播和膜側(cè)施肥比傳統(tǒng)平作顯著提高了0~40 cm土壤硝態(tài)氮含量(表6), 尤其是在開花期, 且增長幅度隨定位試驗的持續(xù)而加大。膜側(cè)施肥開花期和收獲期0~40 cm土壤硝態(tài)氮含量較壟覆溝播顯著提高, 其中開花期在3年中分別提高99.3%、62.3%和113.3%, 收獲期分別提高61.9%、71.7%和152.3%。說明膜側(cè)施肥可提高小麥生育后期0~40 cm土壤的硝態(tài)氮含量, 從而提高耕層土壤的氮素供應(yīng)能力。

表4 膜側(cè)施肥對小麥營養(yǎng)器官全氮含量和籽粒蛋白質(zhì)含量的影響

數(shù)據(jù)為4個地塊的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差, 同一年度或年度平均數(shù)據(jù)后的不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。*和**分別表示方差在<0.05和<0.01水平顯著。

Data are mean±SD of the four plots, and different small letters after the means of each year or that of yearly average indicate significant difference among treatments at< 0.05.*and**indicate statistical significance of variance at< 0.05 and< 0.01, respectively. CP: conventional cropping pattern with no plastic film mulching and uniform fertilization; RF: ridge mulching, furrow seeding and uniform fertilization; RFF: ridge mulching, furrow seeding, and side-dressing fertilization under plastic film.

表5 膜側(cè)施肥對小麥氮素積累、轉(zhuǎn)運及其對籽粒的貢獻(xiàn)率的影響

數(shù)據(jù)為4個地塊的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差, 同一年度或年度平均數(shù)據(jù)后的不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。*和**分別表示方差在<0.05和<0.01水平顯著。

Data are mean±SD of the four plots, and different small letters after the means of each year or that of yearly average indicate significant difference among treatments at< 0.05.*and**indicate statistical significance of variance at< 0.05 and< 0.01, respectively. CP: conventional cropping pattern with no plastic film mulching and uniform fertilization; RF: ridge mulching, furrow seeding and uniform fertilization; RFF: ridge mulching, furrow seeding, and side-dressing fertilization under plastic film.

表6 膜側(cè)施肥對不同生育時期0~40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量的影響

數(shù)據(jù)為4個地塊的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差, 同一年度或年度平均數(shù)據(jù)后的不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。*和**分別表示方差在<0.05和<0.01水平顯著?！硎驹摃r期未測定。

Data are mean±SD of the four plots, and different small letters after the means of each year or that of yearly average indicate significant difference among treatments at< 0.05.*and**indicate statistical significance of variance at< 0.05 and< 0.01, respectively. CP: conventional cropping pattern with no plastic film mulching and uniform fertilization; RF: ridge mulching, furrow seeding and uniform fertilization; RFF: ridge mulching, furrow seeding, and side-dressing fertilization under plastic film. “—” data are not available.

2.6 膜側(cè)施肥對小麥生育期土壤水分消耗和水分利用效率的影響

從3年的平均值來看, 壟覆溝播和膜側(cè)施肥對土壤水分消耗的影響不顯著, 但年度間有變化。在偏濕潤的2014—2015年度, 兩覆膜處理生育期內(nèi)0~200 cm土層的水分消耗量較傳統(tǒng)平作分別減少8.1%和12.2%, 壟覆溝播主要使0~100 cm土層的耗水量降低, 而膜側(cè)施肥還使更深層土壤(100~ 200 cm)的水分消耗量減少; 在偏旱的2015—2016年度, 膜側(cè)施肥100~200 cm土層的土壤水分消耗量較傳統(tǒng)平作高7.1%, 與壟覆溝播無顯著差異(表7)。與傳統(tǒng)平作相比, 壟覆溝播和膜側(cè)施肥顯著提高了旱地小麥水分利用效率, 平均提高8.1%和16.1%; 膜側(cè)施肥比壟覆溝播的水分利用效率高, 尤其在偏旱的2013—2014和2015—2016年度顯著增加(表7)。

表7 膜側(cè)施肥對小麥生育期土壤水分消耗和水分利用效率的影響

數(shù)據(jù)為4個地塊的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差, 同一年度或年度平均數(shù)據(jù)后的不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。*和**分別表示方差在<0.05和<0.01水平顯著。

Data are mean±SD of the four plots, and different small letters after the means of each year or that of yearly average indicate significant difference among treatments at< 0.05.*and**indicate statistical significance of variance at< 0.05 and< 0.01, respectively. CP: conventional cropping pattern with no plastic film mulching and uniform fertilization; RF: ridge mulching, furrow seeding and uniform fertilization; RFF: ridge mulching, furrow seeding, and side-dressing fertilization under plastic film.

2.7 膜側(cè)施肥對小麥?zhǔn)斋@后土壤水分恢復(fù)的影響

壟覆溝播0~200 cm土壤貯水量可以在下季小麥播前恢復(fù)到甚至高于傳統(tǒng)平作的水平, 而膜側(cè)施肥土壤貯水量較壟覆溝播還能提高4.3%, 但兩者恢復(fù)或提高的機制因降水和收獲期土壤貯水情況而異(表8)。在返青后偏旱、休閑期偏濕潤的2013—2014年度, 兩者的土壤水分之所以能夠恢復(fù)是因為收獲期土壤貯水無差異, 且膜側(cè)施肥在降水偏多的夏休閑季分別比傳統(tǒng)平作和壟覆溝播多集蓄了5.4%和7.1%的降水; 在返青后降水偏多的2014—2015年度, 主要是因為小麥?zhǔn)斋@期土壤殘留的水分比傳統(tǒng)平作多, 尤其是膜側(cè)施肥收獲期土壤貯水量比傳統(tǒng)平作高12.1%; 在返青后干旱且休閑季仍然偏旱的2015—2016年度, 壟覆溝播和膜側(cè)施肥0~200 cm土壤在夏休閑季分別比傳統(tǒng)平作蓄水多1.0倍和0.9倍?？梢? 壟覆溝播和膜側(cè)施肥能減少土壤水分的無效損耗或增加收獲后夏休閑季的降水集蓄, 從而使土壤水分在下季小麥播前得到恢復(fù)甚至提高, 以膜側(cè)施肥效果更好。

表8 膜側(cè)施肥對休閑季土壤蓄水量(SWH)和下季播前土壤貯水量(SWS)的影響

數(shù)據(jù)為4個地塊的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差, 同一年度或年度平均數(shù)據(jù)后的不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。*和**分別表示方差在<0.05和<0.01水平顯著。

Data are mean±SD of the four plots, and different small letters after the means of each year or that of yearly average indicate significant difference among treatments at< 0.05.*and**indicate statistical significance of variance at< 0.05 and< 0.01, respectively. CP: conventional cropping pattern with no plastic film mulching and uniform fertilization; RF: ridge mulching, furrow seeding and uniform fertilization; RFF: ridge mulching, furrow seeding, and side-dressing fertilization under plastic film. “—” data are not available.

3 討論

3.1 小麥籽粒產(chǎn)量對膜側(cè)施肥的響應(yīng)

本研究表明, 采用膜側(cè)施肥可較傳統(tǒng)平作提高或顯著提高小麥籽粒產(chǎn)量, 在偏旱年份還能較壟覆溝播增產(chǎn)8.4%~15.6%, 增產(chǎn)的原因主要在于穗數(shù)和生物量的增加。在渭北旱塬通過施肥深度優(yōu)化提高小麥產(chǎn)量的研究表明, 休閑季提前深耕一次結(jié)合深施肥的小麥產(chǎn)量比播種時深耕一次淺施肥提高12.0%~14.2%[12], 播前20 cm深度施肥比地表撒施增產(chǎn)13.2%~14.4%, 主要原因也是穗數(shù)增加7.5%~ 9.5%[19]。在山東丘陵旱地, 播前20 cm深度施肥與地表撒施和10 cm深度施肥相比雖不影響穗數(shù), 但小麥生物量提高8.1%~15.0%, 也使小麥增產(chǎn)6.7%~ 12.1%[20]。在江蘇泰州, 種子正下方5 cm條施磷肥較地表撒施磷肥增產(chǎn)10.5%, 主要也是因為其生物量提高了37.7%[21]。

此外, 田間觀測發(fā)現(xiàn), 小麥壟覆溝播和膜側(cè)施肥種植, 拔節(jié)前的物候期均比傳統(tǒng)平作提前、株高增加, 但抽穗開花卻推遲, 且膜側(cè)施肥小麥的開花期比壟覆溝播還晚2~3 d。說明膜側(cè)施肥延緩了開花, 從而促進(jìn)開花前植株的干物質(zhì)積累, 這可能是膜側(cè)施肥小麥開花期地上部干重比壟覆溝播和傳統(tǒng)平作均顯著提高的主要原因, 也為灌漿期小麥籽粒的形成以及產(chǎn)量提高奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.2 小麥籽粒蛋白質(zhì)含量對膜側(cè)施肥的響應(yīng)

與傳統(tǒng)平作相比, 壟覆溝播的小麥籽粒蛋白質(zhì)含量平均降低5.8%, 且主要發(fā)生在顯著增產(chǎn)的2013—2014和2015—2016年度, 但兩者的籽粒氮素積累量卻無顯著差異, 說明降低的主要原因是籽粒產(chǎn)量提高引起的養(yǎng)分稀釋效應(yīng)[22]。另外, 壟覆溝播雖然不降低0~40 cm土壤的硝態(tài)氮, 但其0~100 cm土壤硝態(tài)氮降低29%~47%[11], 表明花后深層土壤硝態(tài)氮減少、有效氮素供應(yīng)不足, 也是壟覆溝播小麥籽粒蛋白質(zhì)含量降低的一個重要因素。壟覆溝播條件下, 0~40 cm土壤硝態(tài)氮含量提高的原因可能是其氮肥均勻施于表層土壤, 被薄膜分開的兩行小麥行距(40 cm)寬于傳統(tǒng)平作中小麥的行距(20 cm)不利于小麥根系吸收而導(dǎo)致土壤氮素在薄膜下方累積[23]。

優(yōu)化施肥可以改善土壤氮素供應(yīng)和小麥氮素吸收及其向籽粒的分配[24-25]。以往的研究表明, 氮肥條施可以降低土壤氮素?fù)]發(fā)損失[26-27], 靠近小麥播種行或根系將氮肥施于壟內(nèi), 可以減緩硝態(tài)氮向下層土壤淋失[19,27], 提高上層土壤硝態(tài)氮含量[23,28]和作物利用效率[27,30], 但目前沒有關(guān)于這些措施對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量影響的報道。本研究中, 在小麥開花和收獲期, 膜側(cè)施肥使0~40 cm土壤的硝態(tài)氮含量顯著增加, 說明采用膜側(cè)施肥技術(shù)將肥料條施于薄膜內(nèi)靠近小麥播種行的一側(cè)、種子側(cè)下方的5 cm處, 可以使肥料氮免遭降水淋失, 并在膜下方土壤水分上升的作用下, 滯留在耕層土壤中, 即使播前一次施肥, 也能保證土壤較長時間的供氮能力, 從而顯著提高小麥根系和開花期莖葉全氮含量、花前氮素積累量及其向籽粒的轉(zhuǎn)運量, 進(jìn)而確保小麥籽粒蛋白質(zhì)形成的氮源, 在穩(wěn)產(chǎn)或增產(chǎn)的同時提高小麥籽粒蛋白質(zhì)含量。

3.3 水分利用和恢復(fù)對膜側(cè)施肥的響應(yīng)

本試驗發(fā)現(xiàn), 壟覆溝播和膜側(cè)施肥均能提高旱地小麥籽粒產(chǎn)量, 后者在偏濕潤的年份可以進(jìn)一步減少小麥生育期耗水, 在偏旱或干旱的年份可充分利用深層(100~200 cm)土壤水分, 促進(jìn)作物對土壤水的吸收利用和增加產(chǎn)量, 從而提高小麥水分利用效率。壟覆溝播不僅可促進(jìn)壟上雨水流向溝內(nèi), 增加溝內(nèi)微域水量, 利于水分滲入土壤深層, 提高土壤貯水[6], 而且能減少棵間土壤水分蒸發(fā), 提高蒸騰/蒸發(fā)比, 使農(nóng)田土壤水分消耗主要用于蒸騰[31-32], 實現(xiàn)旱地水分高效利用[33-34], 從而提高旱地小麥產(chǎn)量[7, 35]。膜側(cè)施肥在減蒸增蓄的基礎(chǔ)上, 還能改善小麥生長后期的土壤氮素供應(yīng), 這也有利于進(jìn)一步提高小麥籽粒產(chǎn)量和水分利用效率[20]。

本試驗還表明, 壟覆溝播的土壤貯水可在下季小麥播種時恢復(fù)到與傳統(tǒng)平作一致的水平, 而膜側(cè)施肥的土壤貯水還能顯著提高, 但兩者恢復(fù)或提高的機制因降水情況而異。在偏旱年份主要是因為保水栽培在夏休閑季降水蓄集增加, 在偏濕潤年份主要是因為其在小麥?zhǔn)斋@期土壤貯存的水分比傳統(tǒng)平作多, 尤其以膜側(cè)施肥效果更好。在西北旱地小麥的研究中也發(fā)現(xiàn), 休閑季覆膜[9]和秸稈覆蓋[36]均有利于提高土壤蓄水效率和播種期土壤貯水量, 在壟覆膜的基礎(chǔ)上結(jié)合溝內(nèi)秸稈覆蓋甚至可以使0~200 cm土層多蓄水108 mm[37]。膜側(cè)施肥與壟覆溝播相比提高了下季播前土壤貯水量, 主要是因為其收獲期的生物量大、休閑季還田覆蓋的秸稈量高, 有利于減少蒸發(fā)、蓄水保墑[36]。因此, 從土壤水分平衡的角度看, 膜側(cè)施肥能減少土壤水分無效消耗, 并使土壤水分在收獲后的夏休閑季得到恢復(fù)甚至提高, 可實現(xiàn)旱地小麥可持續(xù)生產(chǎn)。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)平作相比, 壟覆溝播可以提高小麥產(chǎn)量和水分利用效率, 但降低了小麥籽粒蛋白質(zhì)含量。在壟覆溝播的基礎(chǔ)上膜側(cè)施肥顯著提高小麥籽粒蛋白質(zhì)含量和水分利用效率, 且在偏旱年份顯著提高籽粒產(chǎn)量。膜側(cè)施肥與壟覆溝播相比還能提高開花和收獲期的土壤硝態(tài)氮含量和小麥根系全氮含量, 提高開花期莖葉全氮含量, 促進(jìn)營養(yǎng)器官花前氮素的積累及其向籽粒的轉(zhuǎn)運, 這是其提高小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的主要原因。

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Effects of Ridge Mulching with Side-dressing on Grain Yield, Protein Content and Water Use Efficiency in Dryland Wheat

HUANG Ming1,2, WANG Zhao-Hui1,3,*, LUO Lai-Chao1, WANG Sen1, BAO Ming1, HE Gang1, CAO Han-Bing1, DIAO Chao-Peng1, and LI Sha-Sha1

1Key Laboratory of Plant Nutrition and Agri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture / College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China;2School of Agriculture, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China;3State Key Laboratory of Crop Stress Biology in Arid Areas, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi, China

The yield of dryland wheat can be promoted in plastic-film-mulching cultivation but the grain protein content is decreased simultaneously. Fertilizer management is considered as one of the solutions to this problem. From September 2013 to September 2016, we conducted a three-year experiment in four fixed dryland plots in central Loess Plateau with winter wheat under three cropping patterns. The CP pattern was the local conventional cropping pattern without plastic film mulching and uniform fertilization. The RF pattern was carried out by ridge mulching, furrow seeding and uniform fertilization. The RFF pattern was similar to RF except that fertilizer was located with side-dressing under plastic film. The nitrate-N content in 0–40 cm soil layer, soil moisture (0–200 cm), the nitrogen absorption and utilization of wheat plant, final yield, grain protein content, and water use efficiency (WUE) were measured. In the dry 2013–2014 and 2015–2016 growing seasons, compared with CP, yield increased by 9.5% and 6.3% in RF and by 18.8% and 22.8% in RFF, WUE increased by 5.8% and 8.7% in RF and by 13.2% and 19.6% in RFF. The grain protein content under RF condition decreased by 7.1% in 2013–2014 and 9.9% in 2015–2016, however, that under RFF condition had no significant changes in both years. In the wet 2014–2015 growing season, grain yield had no significant changes among CP, RF, and RFF, whereas the grain protein content and WUE in RFF were increased by 6.0% and 17.0%, respectively. RFF could adjust soil water storage and consumption better than RF with decreasing water consumption in 100–200 cm soil layer in wet year and increasing water harvest during fallow period in dry year. In addition, RFF was more favorable than RF to the nitrate-N content in 0–40 cm soil layer, total N content in root at anthesis and harvest, total N content in leaf at anthesis, and N absorption, accumulation in vegetative organs and N translocation to grain. As a result, RFF had higher yield, grain protein content, and WUE than RF. In dry years of 2013–2014 and 2015–2016, compared with RF, the yield in RFF was increased by 8.4% and 15.5%, the grain protein content increased by 9.9% and 8.7%, and WUE increased by 7.0% and 10.0%, respectively. In the wet year of 2014–2015, the grain protein content in RFF was 6.0% higher than that in RF, although there was no significant increase of yield under RFF condition. These results indicate that RFF is an excellent cropping pattern for dryland wheat because it is able to maintain the soil N supply at later growing stage and water storage in deep soil before seeding of the following growing season, as well as increase yield, protein content and WUE of wheat.

Rain-fed dryland; Ridge mulching with side-dressing; Winter wheat; Yield; Protein content; Water use efficiency

本研究由國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2015CB150404), 國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(CARS-3-1-31)和國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201303104)資助。

This study was supported by the National Basic Research Program of China (2015CB150404), the China Agriculture Research System (CARS-3-1-31), and the China Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest (201303104).

(收稿日期): 2016-10-25; Accepted(接受日期): 2017-03-02; Published online(網(wǎng)絡(luò)出版日期): 2017-03-17.

10.3724/SP.J.1006.2017.00899

(Corresponding author): 王朝輝, E-mail: w-zhaohui@263.net, Tel: 029-87082834

E-mail: huangming_2003@126.com, Tel: 13783127229

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170317.1938.008.html