馮悅晨，于志勇，周懷平，解文艷，楊振興

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030031）

冬小麥?zhǔn)菚x南地區(qū)重要的糧食作物，對(duì)保障我國(guó)糧食安全有著重要作用，然而土壤貧瘠和水分不足嚴(yán)重制約著該地區(qū)冬小麥的生產(chǎn)發(fā)展，施用化肥和采用地膜覆蓋措施成為該地區(qū)糧食增產(chǎn)的重要措施［1-2］?；试谖覈?guó)糧食增產(chǎn)方面起到巨大的推動(dòng)作用，而農(nóng)作物的產(chǎn)量與施肥量呈二次拋物線關(guān)系，當(dāng)肥料施用量達(dá)到作物產(chǎn)量的最高值時(shí)，繼續(xù)增加肥料施用量不僅不會(huì)增加作物產(chǎn)量，反而會(huì)造成肥料浪費(fèi)和環(huán)境污染，甚至?xí)斐勺魑锂a(chǎn)量的下降［3］。研究表明，近年來(lái)我國(guó)的化肥使用量增加了34%，但糧食產(chǎn)量卻下降了1.4%，化肥的利用效率和增產(chǎn)效應(yīng)明顯下降［4］。因此，研究氮肥調(diào)控與地膜覆蓋對(duì)晉南旱地小麥產(chǎn)量及氮肥利用效率的影響對(duì)指導(dǎo)當(dāng)?shù)睾底餍←湝p肥增產(chǎn)具有重要意義。

氮肥是冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育最重要的營(yíng)養(yǎng)元素，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中盲目施用氮肥已成為最常見(jiàn)的增產(chǎn)手段［5］。研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)施入農(nóng)田的氮肥只有35%可以被作物吸收利用，其余很大一部分以氨揮發(fā)、淋溶、表觀硝化-反硝化和徑流等形式損失［6］。因此，在晉南冬小麥種植區(qū)必須合理使用氮肥，提高氮肥利用率。研究表明，在傳統(tǒng)施肥基礎(chǔ)上減少氮肥施用量20%，不僅不會(huì)影響作物的產(chǎn)量，同時(shí)還能減少土壤中氮素的殘留量，提高氮肥的農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力［7-8］。地膜覆蓋是增加作物產(chǎn)量的重要手段，地膜覆蓋可明顯改善耕層土壤的溫度和水分條件，從而增加微生物的活動(dòng)，加快土壤有機(jī)質(zhì)的分解，增加土壤養(yǎng)分含量，在覆膜的基礎(chǔ)上增加氮肥的施用量，再加上氮肥具有的激發(fā)效應(yīng)，可加快這種作用［8-10］。地膜覆蓋使大部分降水集中到溝槽中，增強(qiáng)水分在土壤中的橫向運(yùn)動(dòng)，從而延緩?fù)寥老鯌B(tài)氮的深層淋溶，同時(shí)地膜覆蓋可增加作物對(duì)氮元素的吸收和利用，提高作物產(chǎn)量，從而減少土壤中氮元素的殘留和積累［11-13］。前人對(duì)氮肥調(diào)控的研究多集中于不同的氮肥施用量或在傳統(tǒng)農(nóng)戶施肥基礎(chǔ)上定量減施氮肥對(duì)冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響上，而未結(jié)合研究區(qū)域的氣侯特點(diǎn)、土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況和作物的養(yǎng)分需求特征，因此，其研究結(jié)果對(duì)實(shí)際生產(chǎn)指導(dǎo)具有一定的局限性。

本研究在前期對(duì)晉南冬小麥種植區(qū)土壤養(yǎng)分調(diào)查的基礎(chǔ)上，依據(jù)冬小麥生育期的氮肥需求特征，在測(cè)土配方施肥與地膜覆蓋條件下連續(xù)2 年監(jiān)測(cè)冬小麥群體動(dòng)態(tài)、干物質(zhì)量積累和產(chǎn)量情況以及氮肥利用效率，以期為黃土旱塬冬小麥減肥增效生產(chǎn)提供一定理論依據(jù)和示范推廣模式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于山西洪洞縣甘亭鎮(zhèn)李村（36°10′N，111°37′E，海拔464 m）。試驗(yàn)區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，年均溫12.6℃，年平均日照時(shí)數(shù)2419 h，≥10 ℃活動(dòng)積溫3327 ℃，無(wú)霜期180～210 d，年均降水量約500 mm，約70%集中在6～9 月。供試土壤為石灰性褐土，土壤質(zhì)地為中壤土，2017 年播前耕層土壤理化性狀如表1所示。

表1 2017 年播前耕層土壤理化性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與管理

試驗(yàn)始于2017 年10 月，于2019 年6 月結(jié)束，設(shè)置5 個(gè)處理。處理1 為農(nóng)戶種植模式（農(nóng)戶模式T1），常規(guī)平作，不覆膜，行距20 cm，施肥量為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣的施肥量，具體為N：150 kg·hm-2，P2O5：60 kg·hm-2。處理2 為測(cè)土配方施肥模式（測(cè)土配方T2），耕作方式同農(nóng)戶模式，常規(guī)平作，不覆膜，行距20 cm，施肥量根據(jù)土壤中養(yǎng)分含量和冬小麥預(yù)期產(chǎn)量養(yǎng)分需求量來(lái)測(cè)算。處理3 為測(cè)土配方+壟膜溝播模式（壟膜溝播T3），在測(cè)土配方施肥模式的基礎(chǔ)上，壟上覆膜，溝內(nèi)播種，壟寬35 cm，溝寬30 cm。處理4 為測(cè)土配方+全膜穴播模式（全膜穴播T4），在測(cè)土配方施肥模式的基礎(chǔ)上，全地面平鋪地膜，膜上覆土厚度0.5～1 cm，播種深度3～5 cm，行距15～16 cm，穴距12 cm，采用120 cm 寬幅膜，每幅膜播7～8 行。對(duì)照（CK）不施肥。每個(gè)處理4 次重復(fù)，每塊地設(shè)置1 個(gè)重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)中施用的氮肥為尿素（N 46%），磷肥為過(guò)磷酸鈣（P2O512%），均作底肥均勻施入土壤，播前淺旋耕，深度12～15 cm，旋耕后耙平。冬小麥品種為“晉麥47 號(hào)”，播量為150 kg·hm-2，播種時(shí)間為每年10月初，收獲時(shí)間為次年6 月初，6～9 月為夏閑期，冬小麥在整個(gè)生育期不灌溉。具體施肥量見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)地各處理養(yǎng)分用量（N-P2O5-K2O，kg·hm-2）

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 樣品采集

試驗(yàn)期間分別于小麥的返青期（3 月8～16日）、拔節(jié)期（4 月10～15 日）、揚(yáng)花期（5 月3～6 日）和收獲期（6 月5～10 日）在各處理對(duì)應(yīng)小區(qū)隨機(jī)采集地上部小麥植株樣品10 株，烘干粉碎后測(cè)定干物質(zhì)積累量和植株全氮含量；分別于2017～2019 年冬小麥播種前和收獲后，以20 cm為一層，每小區(qū)進(jìn)行多點(diǎn)采樣，采集0～2 m 土壤樣品用于測(cè)定土壤硝態(tài)氮。

1.3.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

小麥群體的測(cè)定：從三葉期開始，每個(gè)小區(qū)選3 個(gè)樣點(diǎn)，每點(diǎn)長(zhǎng)1 m，基本苗由3 樣點(diǎn)的苗數(shù)平均值折算而成，并進(jìn)行標(biāo)記，在冬小麥拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期、成熟期進(jìn)行葉蘗動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

小麥地上部干物質(zhì)量的測(cè)定：將各生育期采集的地上部小麥植株于105℃的烘箱中殺青30 min，60℃烘干至恒重，冷卻后稱其干物質(zhì)的重量。

產(chǎn)量和考種：小麥?zhǔn)斋@期，在各小區(qū)隨機(jī)收獲15 m×2 m=30 m2的小麥，脫粒計(jì)算產(chǎn)量；并收獲各小區(qū)所標(biāo)記的3 m×1 m的小麥樣段，測(cè)算公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重等指標(biāo)。

小麥地上部全氮含量的測(cè)定：采用H2SO4-混合加速劑消解，用全自動(dòng)蒸氮儀FOSS-Kjeltec 8400測(cè)定植株和籽粒全氮含量。

土壤硝態(tài)氮的測(cè)定：用2 mol·L-1KCl 進(jìn)行振蕩提取，用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀（SMARTCHEM 200，法國(guó)Alliance 公司產(chǎn)）測(cè)定土壤NO3--N 含量。

1.3.3 計(jì)算方法

N 收獲指數(shù)（%）=籽粒氮素積累量（kg·hm-2）/地上部氮素積累量（kg·hm-2）×100；

N 生理效率（kg·kg-1）=籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2）/地上部氮素積累量（kg·hm-2）×100；

N 肥表觀回收率=［施N 肥后作物收獲時(shí)地上部的吸N 總量-未施N 肥作物收獲期地上部分的吸N 總量］/化肥N的投入量；

N 偏生產(chǎn)力（kg·kg-1）=施N 肥后所獲得的生物產(chǎn)量（kg·hm-2）/化肥N的投入量（kg·hm-2）。

1.3.4 計(jì)算方法和數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2016 整理作圖，并用 SPSS 19.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用 LSD 法檢驗(yàn)P＜0.05水平上的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥調(diào)控與地膜覆蓋對(duì)冬小麥群體動(dòng)態(tài)的影響

經(jīng)過(guò)連續(xù)2 年耕作，不同年份的冬小麥群體動(dòng)態(tài)和成穗率如表3 所示。由表3 可知，在冬小麥的整個(gè)生育期內(nèi)，冬小麥的群體動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在返青期達(dá)到最高，由返青期到成熟期又逐漸降低。在冬小麥越冬期，T1 與T2 無(wú)顯著差異，均值分別為488.4 萬(wàn)和490.0 萬(wàn)株·hm-2，覆膜種植較不覆膜群體動(dòng)態(tài)增加16.4%～18.8%，且差異顯著。從拔節(jié)期到收獲期，T1 與T2的冬小麥群體動(dòng)態(tài)無(wú)顯著差異，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行覆膜種植后，T3 較不覆膜增加5.1%～16.8%，T4 較不覆膜增加14.3%～30.8%，且差異均達(dá)顯著水平，說(shuō)明地膜覆蓋可顯著增加冬小麥返青期到成熟期的群體動(dòng)態(tài)。各處理對(duì)冬小麥的成穗率無(wú)顯著影響。

表3 各生育期群體總莖（穗）數(shù)的動(dòng)態(tài)變化及成穗率

2.2 氮肥調(diào)控與地膜覆蓋對(duì)冬小麥干物質(zhì)積累的影響

經(jīng)過(guò)連續(xù)兩年耕作，不同年份的冬小麥干物質(zhì)積累量如表4 所示。從表4 可看出，各處理冬小麥的干物質(zhì)積累量從越冬期至收獲期均呈上升趨勢(shì)，尤其是在拔節(jié)期至收獲期增加更為明顯。T2處理拔節(jié)期的干物質(zhì)積累量高于T1 處理，且均值呈顯著性差異，其余生育期和T1 處理無(wú)顯著差異；在T2 基礎(chǔ)上進(jìn)行覆膜種植，T3 和T4 處理整個(gè)生育期內(nèi)的干物質(zhì)積累量分別增加5.7%～21.8%和9.3%～31.4%，且差異均達(dá)顯著水平。收獲期較T2 處理分別顯著增加7.5%和12.2%；T4 處理收獲期的干物質(zhì)積累較T3 處理顯著增加4.4%；說(shuō)明地膜覆蓋可顯著增加冬小麥生育期內(nèi)的干物質(zhì)積累量，全膜穴播的增加效果更加顯著。

表4 不同種植模式對(duì)旱地冬小麥干物質(zhì)積累的影響 （kg·hm-2）

2.3 氮肥調(diào)控與地膜覆蓋對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

經(jīng)過(guò)連續(xù)2 年耕作，不同年份的冬小麥產(chǎn)量和千粒重如表5 所示。從表5 可看出，不同年份冬小麥的產(chǎn)量均表現(xiàn)為T4＞T3＞T2＞T1。T1的冬小麥產(chǎn)量為3013.3～4219.5 kg·hm-2，均值為3616.4 kg·hm-2。T2 較T1 在2 年內(nèi)減少氮肥施用量23%的情況下，冬小麥產(chǎn)量增加了2.4%，充分證明了在晉南地區(qū)通過(guò)測(cè)土配方施肥在保障冬小麥產(chǎn)量穩(wěn)定的情況下，減少氮肥施用量的可行性。在T2的基礎(chǔ)上進(jìn)行地膜覆蓋后，T3 和T4的冬小麥產(chǎn)量較不覆膜都有所增加，增加幅度分別為18.5%和33.4%，T4 對(duì)冬小麥產(chǎn)量的增加效果更加明顯，說(shuō)明在晉南地區(qū)在測(cè)土配方施肥的基礎(chǔ)上進(jìn)行地膜覆蓋后可顯著增加冬小麥的產(chǎn)量。T1的兩年千粒重分別為43.2 和38.8 g，均值為41.0 g，T2 兩年千粒重分別為43.2 和38.6 g，均值為40.9 g，T1 和T2間無(wú)顯著差異。與T2 相比，冬小麥千粒重在T3 和T4 處理分別顯著增加了7.1%和11.4%。說(shuō)明地膜覆蓋會(huì)顯著增加冬小麥的千粒重，全膜穴播的增加幅度更加顯著。

表5 不同種植模式下冬小麥的產(chǎn)量和千粒重

2.4 氮肥調(diào)控與地膜覆蓋對(duì)氮肥利用效率的影響

經(jīng)過(guò)連續(xù)2 年耕作，不同年份的氮肥利用效率如表6 所示。從表6 可看出，T1的氮肥收獲指數(shù)均值為44.9%、氮生理效率為34.1 kg·kg-1、氮肥表觀回收率為13.6%、氮肥偏生產(chǎn)力為24.1 kg·kg-1，T2 較T1 在2 年總施氮量減少23%的情況下，氮肥收獲指數(shù)提高了6.0%，氮生理效率降低了3.4%，氮肥偏生產(chǎn)力提高了34.4%，且差異呈顯著水平。在 T2 基礎(chǔ)上進(jìn)行覆膜種植，T3 和T4的氮肥收獲指數(shù)較T2 分別提高了3.2%和3.6%，氮生理效率分別降低了5.0%和9.7%，氮肥表觀回收率分別提高了80.1%和198.1%，氮肥偏生產(chǎn)力提高了18.2%和33.0%。

表6 不同種植模式下氮肥利用效率

3 討論

3.1 氮肥調(diào)控對(duì)晉南旱地小麥產(chǎn)量及氮肥利用效率的影響

測(cè)土配方施肥以土壤有效養(yǎng)分分析為基礎(chǔ)，依據(jù)作物養(yǎng)分需求規(guī)律以及肥料效應(yīng)規(guī)律，針對(duì)特定區(qū)域和作物提出的肥料施用量、施用時(shí)間和施用的方法，實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)按需供肥，達(dá)到高產(chǎn)高效和優(yōu)質(zhì)的目的［14］。本研究發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)兩年種植過(guò)程中，測(cè)土配方模式較農(nóng)戶模式在氮肥總施用量減少23.0%的情況下，收獲期冬小麥的群體總莖（穗）數(shù)和干物質(zhì)積累量無(wú)顯著差異，且產(chǎn)量增加了2.4%，氮肥收獲指數(shù)提高了6.0%，氮肥偏生產(chǎn)力提高了34.4%。說(shuō)明在晉南旱地冬小麥種植區(qū)，通過(guò)測(cè)土配方施肥可減少氮肥施用量，實(shí)現(xiàn)冬小麥群體結(jié)構(gòu)和干物質(zhì)積累量的穩(wěn)定，提高冬小麥產(chǎn)量和氮肥利用效率。雷炳樺等［15］在5 年試驗(yàn)研究中表明，農(nóng)戶模式與農(nóng)戶減氮模式對(duì)冬小麥的干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量無(wú)顯著影響，這與本研究的結(jié)果一致。合理的施用氮肥有助于提高冬小麥的產(chǎn)量，但過(guò)量施用氮肥會(huì)降低小麥有效成蘗率，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低［16］。農(nóng)戶模式過(guò)量施用氮肥延緩了植株衰老，降低花后營(yíng)養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移率，不利于籽粒中氮素的積累，從而降低氮肥收獲指數(shù)［17］。測(cè)土配方施肥較農(nóng)戶模式在減少氮肥施用量的同時(shí)又保證了冬小麥的籽粒產(chǎn)量，因此提高了氮肥的偏生產(chǎn)力。

3.2 地膜覆蓋對(duì)晉南旱地小麥產(chǎn)量及氮肥利用效率的影響

水分是限制旱地作物產(chǎn)量最主要的因素，地膜覆蓋可通過(guò)改善土壤水熱狀況從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育、提高作物產(chǎn)量［18］。在測(cè)土配方施肥基礎(chǔ)上進(jìn)行覆膜種植，壟膜溝播和全膜穴播與不覆膜播種相比，冬小麥?zhǔn)斋@期群體結(jié)構(gòu)分別增加7.3%和14.3%，干物質(zhì)積累量分別增加7.5%和12.2%；說(shuō)明較裸地種植，地膜覆蓋可顯著增加冬小麥生育期內(nèi)的群體動(dòng)態(tài)和干物質(zhì)積累量。在晉南旱地小麥種植區(qū)，降水量不足和季節(jié)分布不均勻是限制冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素，而地膜可有效阻礙土壤與大氣之間的水分交換，將土壤的有效水分保留在土壤中，從而增加冬小麥的群體動(dòng)態(tài)和干物質(zhì)積累量［19-20］。壟膜溝播和全膜穴播冬小麥的產(chǎn)量較不覆膜分別增加18.5%和33.6%，氮肥收獲指數(shù)分別提高了3.2%和3.6%，氮生理效率分別降低了5.0%和9.7%，氮肥表觀回收率分別提高了79.7%和198.1%，氮肥偏生產(chǎn)力分別提高了18.2%和33.0%。地膜覆蓋可使地膜和土壤水分之間形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水分循環(huán)系統(tǒng)，增加土壤水分的橫向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也能增加對(duì)地下水的利用效率，良好的保水和保溫效果可進(jìn)一步活化土壤養(yǎng)分，增加冬小麥對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用效率，從而增加冬小麥產(chǎn)量［21-22］。此外，地膜覆蓋良好的保水作用提高了冬小麥花前營(yíng)養(yǎng)器官氮素向籽粒的轉(zhuǎn)移率和花后的吸氮量，從而提高了氮肥的收獲指數(shù)［23］。地膜覆蓋對(duì)冬小麥產(chǎn)量增加的速率要小于地上部氮素的吸收速率，從而降低了地膜覆蓋下冬小麥的生理效率。地膜覆蓋良好的水肥調(diào)節(jié)作用可有效增加冬小麥地上部的總吸氮量和產(chǎn)量，因此在相同的氮肥施用量前提下，地膜覆蓋可顯著增加氮肥的表觀回收率和偏生產(chǎn)力。本研究中全膜穴播較壟膜溝播冬小麥?zhǔn)斋@期的干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量、氮肥表觀回收率和氮肥偏生產(chǎn)力分別顯著增加4.4%、12.7%、65.5%和12.5%，全膜穴播較壟膜溝播具有更好的保水性能和提升土壤溫度，對(duì)提高作物產(chǎn)量和肥料的利用效率具有重要意義［24-25］，全膜穴播的效果要好于壟膜溝播。

4 結(jié)論

在晉南旱地冬小麥種植區(qū)經(jīng)過(guò)連續(xù)2 年冬小麥種植后，測(cè)土配方施肥在2 年總施氮量減少23%的情況下，收獲期冬小麥的群體總莖（穗）數(shù)和干物質(zhì)積累量無(wú)顯著差異，產(chǎn)量增加了2.4%，氮肥收獲指數(shù)提高了6.0%，氮生理效率降低了3.4%，氮肥偏生產(chǎn)力提高了34.4%，進(jìn)一步證明了在晉南旱地冬小麥種植區(qū)在保障冬小麥產(chǎn)量的前提下減少氮肥施用量的可行性。

在測(cè)土配方施肥基礎(chǔ)上進(jìn)行覆膜種植后，地膜覆蓋較不覆膜可使冬小麥群體結(jié)構(gòu)增加5.1%～30.8%，干物質(zhì)積累量增加5.7%～31.4%，產(chǎn)量增加18.5%～33.6%，氮肥收獲指數(shù)提高3.2%～3.6%，氮生理效率降低5.0%～9.7%，氮肥表觀回收率提高79.7%～198.1%，氮肥偏生產(chǎn)力提高18.2%～33.0%。

可見(jiàn)，在晉南旱地冬小麥種植區(qū)采用測(cè)土配方施肥結(jié)合地膜覆蓋的種植方式，可以在保證冬小麥產(chǎn)量的同時(shí)減少氮肥施用量，從而減小因氮肥不合理施用而導(dǎo)致的環(huán)境污染，該種植模式可在晉南地區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。