引用本文
黄明, 吴金芝, 李友军, 王贺正, 付国占, 陈明灿, 李学来, 马俊利. 耕作方式和秸秆覆盖对旱地麦豆轮作下小麦籽粒产量、蛋白质含量和土壤硝态氮残留的影响. 草业学报, 2018,27(9): 34-44
HUANG Ming, WU Jin-zhi, LI You-jun, WANG He-zheng, FU Guo-zhan, CHEN Ming-can, LI Xue-lai, MA Jun-li. Effects of tillage method and straw mulching on grain yield and protein content in wheat and soil nitrate residue under a winter wheat and summer soybean crop rotation in drylands. Acta Prataculturae Sinica,2018,27(9): 34-44  
Doi:10.11686/cyxb2017439
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耕作方式和秸秆覆盖对旱地麦豆轮作下小麦籽粒产量、蛋白质含量和土壤硝态氮残留的影响
黄明1, 吴金芝1,*, 李友军1,*, 王贺正1, 付国占1, 陈明灿1, 李学来2, 马俊利3
1.河南科技大学农学院,河南 洛阳 471003
2.河南省洛宁县农业局农广校,河南 洛宁 471799
3.河南省孟津县农产品质量安全检测站,河南 孟津 471199
*通信作者Corresponding author. E-mail: yywujz@126.com, kdlyj@sina.com

作者简介:黄明(1980-),男,河南新县人,讲师,博士。E-mail: huangming_2003@126.com

收稿日期: 2017-10-24
基金项目:国家重点研发计划(2016YFD0300400),河南省重点科技攻关基金项目(102102110030)和河南科技大学博士科研启动基金项目(13480070,13480082)资助
摘要

为明确耕作方式和秸秆覆盖对旱地麦豆轮作下小麦籽粒产量、蛋白质含量和土壤硝态氮残留的影响,2014年10月-2016年6月,利用设置在豫西典型旱作区的麦豆轮作栽培模式长期定位试验,选取传统翻耕、翻耕覆盖、旋耕和旋耕覆盖4个处理,比较了小麦氮素吸收利用、籽粒产量、蛋白质含量以及土壤硝态氮残留量。结果表明,与翻耕相比,旋耕不影响小麦产量,但花后氮素积累量、籽粒蛋白质含量和蛋白质产量分别降低60.0%、8.6%和13.0%,而成熟期0~200 cm土层硝态氮残留量显著提高28.6%。同一耕作方式下,秸秆覆盖较无覆盖不仅显著提高了穗数、穗粒数、千粒重和收获指数,还提高了拔节前和开花后的氮素积累量,促进了营养器官氮素向籽粒中转运,从而使翻耕覆盖的籽粒产量、氮素吸收效率、籽粒蛋白质含量和蛋白质产量较翻耕分别提高11.5%、13.5%、7.4%和21.3%,旋耕覆盖较旋耕也分别提高23.0%、39.5%、12.8%和38.5%。在试验进行7年后的小麦成熟期,翻耕覆盖0~200 cm土层硝态氮残留量较翻耕降低31.3%,旋耕覆盖较旋耕也降低51.4%。因此,秸秆覆盖不仅可提高旱地麦豆轮作下小麦产量、蛋白质含量和氮素吸收效率,还能降低土壤硝态氮的残留量,是兼顾旱地小麦高产优质和环境友好生产的有效途径,尤其以旋耕覆盖效果突出。

关键词: 耕作; 秸秆覆盖; 旱地; 产量; 蛋白质; 硝态氮残留
Effects of tillage method and straw mulching on grain yield and protein content in wheat and soil nitrate residue under a winter wheat and summer soybean crop rotation in drylands
HUANG Ming1, WU Jin-zhi1,*, LI You-jun1,*, WANG He-zheng1, FU Guo-zhan1, CHEN Ming-can1, LI Xue-lai2, MA Jun-li3
1.School of Agriculture, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China
2.Agriculture Extension School of Agriculture Bureau of Luoning County in Henan Province, Luoning 471799, China
3.Agricultural Products Quality and Safety Inspection Station of Mengjin County in Henan Province, Mengjin 471199, China
Abstract

Based on a long-term field experiment to compare different cropping patterns, conducted in western Henan province, the effects of tillage method and straw mulching on wheat productivity and soil nitrate residue in drylands under a winter wheat ( Triticum aestivum) and summer soybean ( Glycine max) rotation were investigated from October 2014 to June 2016. The experiment included four treatments: plough tillage (PT); plough tillage with straw mulching (PTSM); rotary tillage (RT); and rotary tillage with straw mulching (RTSM). The plant nitrogen (N) absorption and utilization, grain yield, grain protein content in wheat and the nitrate residue in the 0-200 cm soil depth were measured. Compared with PT, RT did not change grain yield, but decreased post-anthesis N accumulation, grain protein content and protein yield in wheat by 60.0%, 8.6% and 13.0%, respectively, and increased nitrate residue in 0-200 cm soil depth by 28.6%. Compared with no mulching, straw mulching with the same tillage method increased not only the spike numbers, kernels per spike, 1000-kernel weight and harvest index, but also the pre-jointing and post-anthesis N accumulation and N translocation from vegetative organs to the grain in wheat. As a result, the grain yield, N uptake efficiency, grain protein content and protein yield under PTSM were 11.5%, 13.5%, 7.4% and 21.3% higher than that under PT, and the corresponding values for RTSM were, respectively, 23.0%, 39.5%, 12.8% and 38.5% higher than that under RT. At wheat maturity after seven years of continuous cropping, PTSM decreased the nitrate residue in the 0-200 cm soil depth by 31.3% compared with PT, whereas RTSM decreased the nitrate residue by 51.4% compared with RT. Therefore, straw mulching is an alternative cropping technique because it can not only increase the N uptake efficiency, grain yield, grain protein content and protein yield in wheat, but also decrease soil nitrate residue under winter wheat and summer soybean rotation in drylands, especially for the RTSM treatment.

Keyword: tillage; straw mulching; dryland; grain yield; protein; nitrate residue

我国旱地小麦(Triticum aestivum)的种植面积约6.0× 106 hm2, 占全国小麦总种植面积的1/3, 其产量高低和品质优劣直接关系到人们的粮食安全和膳食健康。然而, 由于降水与小麦生长季错位、土壤肥力低且追肥困难等问题, 致使小麦生育后期缺水、脱肥严重。因此, 干旱年份小麦产量低[1], 而湿润年份相对较高的土壤水分降低了籽粒蛋白质含量[2]。传统的旱地小麦生产中, 广泛采用翻耕或旋耕, 播种后地表裸露, 缺乏培肥、保墒措施, 一方面加速了土壤有机氮的消耗和土壤贫瘠化, 降低了耕地质量和土壤持续供肥能力, 另一方面土壤易旱, 限制了小麦对土壤氮素的吸收利用, 从而导致土壤硝态氮残留严重, 环境问题突出[3, 4]。因此, 如何蓄水保墒、培肥地力, 改善植株水肥吸收特性, 在提高产量、品质的同时降低土壤硝态氮残留对旱地小麦可持续生产具有重要意义。

土壤耕作和秸秆覆盖都是农艺保墒、小麦增产的重要措施, 主要通过提高土壤水分含量, 改变麦田土壤结构和水、肥、气、热状况[5], 提高土壤有机质含量、培肥地力并维持土壤的持久生产力[6], 调节土壤酶活性、微生物特性[7], 从而影响小麦的生长发育、干物质生产[8]、氮素吸收利用[9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]和土壤硝态氮的残留、淋失[12, 13, 14, 15, 16]。小麦与大豆(Glycine max)轮作是一种典型的禾本科与豆科作物、非固氮与固氮作物、高淀粉类与高蛋白类作物轮换种植模式, 因其具有较好的保持水土、培肥地力和提高产量的作用, 广泛分布于旱地农业生产区[17, 18, 19]。然而, 以往对耕作方式和秸秆覆盖的研究多围绕免耕或深松等保护性耕作进行, 且多是耕作与秸秆还田的综合效应, 而对于旋耕以及麦豆轮作下耕作与秸秆覆盖互作的氮素吸收利用和硝态氮残留效应的研究较少, 特别是有关秸秆覆盖与蛋白质含量关系的研究尚鲜见报道。因此, 本研究在黄淮南部和黄土高原南部交汇的典型旱地小麦种植区, 利用始于2009年的旱地麦豆轮作栽培模式田间定位试验, 研究了翻耕、翻耕覆盖、旋耕和旋耕覆盖对小麦产量、氮素积累分配转运、籽粒蛋白质含量和土壤硝态氮残留的影响, 以期为旱地小麦高产、优质、环境友好栽培提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法
1.1 试验地概况

本研究于2014年10月-2016年6月在始于2009年10月的麦豆轮作栽培模式定位试验田中进行, 试验地位于河南省洛阳市的河南科技大学试验场(112.25° E; 34.36° N), 土壤为壤质土, 种植制度为冬小麦/夏大豆轮作。2009年试验开始前0~20 cm土层pH 8.1, 含有机质15.9 g· kg-1, 碱解氮36.3 mg· kg-1, 速效磷21.0 mg· kg-1, 速效钾120.0 mg· kg-1。与1954-2016年均值相比, 2015年3-5月多降水149 mm, 其他月份相当, 属于湿润年份; 2015年12月至2016年4月小麦开花前降水仅10 mm, 属于干旱年份。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计, 主区为耕作方式, 设翻耕和旋耕两个水平, 翻耕采用铧式犁耕翻(深25~30 cm), 旋耕1遍(深15 cm)、机械播种; 旋耕采用旋耕机作业2遍(深15 cm)后机械播种, 耕作前将前茬作物的秸秆清出并收集备用。副区为秸秆覆盖, 设无覆盖和秸秆覆盖(straw mulching, SM)两个水平, 秸秆覆盖是在完成耕作播种作业后, 立即将前茬作物的秸秆(5 cm左右)全部均匀覆盖于原小区。共有翻耕(plough tillage, PT)、翻耕覆盖(plough tillage with straw mulching, PTSM)、旋耕(rotary tillage, RT)和旋耕覆盖(rotary tillage with straw mulching, RTSM)4个处理, 3次重复, 共12个小区, 对于同一小区, 每季的所有作业程序都相同, 且在前茬作物秸秆清出原小区后施肥, 施肥后立即耕作。小区面积为60 m2(20 m× 3 m)。供试小麦品种为洛旱6号, 10月中旬播种, 翌年6月初收获; 大豆品种为中黄13, 6月上旬播种, 10月上旬收获。本研究中大豆分别于2014年6月5和2015年6月8日播种, 2014年10月8日和2015年10月9日收获, 小麦分别于2014年10月15日和2015年10月17日播种, 2015年6月2日和2016年6月1日收获。播量为180 kg· hm-2, 行距20 cm, 播深4~5 cm。从2009年10月开始, 一直未进行灌溉, 麦季基施复合肥(N:P2O5:K2O=20:15:10)900 kg· hm-2, 大豆季基施复合肥(N:P2O5:K2O=20:15:10)300 kg· hm-2。其他田间管理同丰产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 小麦植株氮素积累和转运的测定和计算 分别于拔节、开花和成熟期, 在每个小区取4个行长50 cm且具有代表性的小麦植株样品, 统计茎孽数后90 ℃杀青30 min, 65 ℃烘至恒重, 测定干重并计算干物质积累量。样品杀青后, 开花期进一步分成茎叶鞘(简称茎叶)和穗, 成熟期分成茎叶鞘、穗轴+颖壳(简称颖壳)和籽粒。样品粉碎后先用H2SO4-H2O2法消解, 再用凯氏法测定消解液中的全氮含量[20]。某一器官的氮素积累量是该器官干物质积累量与其全氮含量的乘积。

按霍中洋等[20]描述的方法计算氮素积累和转运指标。花前氮素积累量=开花期茎叶氮素积累量+开花期颖壳氮素积累量; 花后氮素转运量=花前氮素积累量-成熟期茎叶氮素积累量-成熟期颖壳氮素积累量; 转运率=花后氮素转运量/花前氮素积累量× 100%; 贡献率=花后氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量× 100%。

1.3.2 籽粒产量及其构成因素的测定 在小麦成熟期, 从每个小区随机收割2个1 m× 1 m样方, 风干后脱粒称重, 并测定风干籽粒含水量。籽粒产量(yield, Y, kg· hm-2)以12.5%的含水量表示。同时从每个小区选有代表性的小麦4行, 每行取长0.5 m的植株样, 测定生物干重、穗数、穗粒数和千粒重。收获指数(harvest index, HI, %), HI=0.875Y/Yb× 100, 式中:Yb为生物干重。

1.3.3 籽粒蛋白质含量和氮素利用效率的计算 籽粒全氮含量乘以5.7即为籽粒蛋白质含量(protein content, PC, %)[21]; 根据霍中洋等[20]描述的方法计算蛋白质产量(protein yield, PY, kg· hm-2), PY=0.875Y× PC/100; 氮素吸收效率(nitrogen uptake efficiency, NUE, %), NUE=Nu/Nr; 氮素肥偏生产力(partial factor productivity of applied N, PFPN, kg· kg-1), PFPN=Y/Nr。式中:Nu和Nr分别表示地上部氮素积累量和施氮量。

1.3.4 土壤硝态氮残留量的测定和计算 在2015-2016年度的小麦成熟期, 每20 cm一层采集0~200 cm土层土壤样品, 每个小区随机采3个样点。称取5 g鲜土, 置于50 mL 1 mol· L-1 KCl溶液中振荡浸提1 h, 用紫外分光光度法[22]测定浸提液中的硝态氮含量。同时测定土壤含水量, 土壤硝态氮含量以干重计。硝态氮残留量(nitrate residue, NR, kg· hm-2)用Dai等[23]描述的方法计算。NR=Hi× Di× Ci× 0.1, 式中:Hi为某一土壤深度(cm); Di为该土层的土壤容重(g· cm-3); Ci是对应的土壤硝态氮含量(mg· kg-1), 0.1为转换系数。

1.4 数据处理

采用SAS 8.0软件进行方差分析和显著性测验, 用LSD法进行多重比较。用Microsoft Excel 2007进行图表绘制。所有数据以平均值± 标准差表示。

2 结果与分析
2.1 耕作方式和秸秆覆盖对小麦产量和收获指数的影响

耕作方式和秸秆覆盖显著影响小麦籽粒产量及其构成因素和收获指数(表1)。产量表现为旋耕覆盖> 翻耕覆盖> 翻耕> 旋耕, 但在相同覆盖条件下, 耕作方式间差异不显著。与翻耕相比, 旋耕的穗数、穗粒数、籽粒产量和收获指数无显著差异, 但干旱年千粒重降低2.1%。2年总体来看, 翻耕覆盖的穗数、穗粒数、千粒重、籽粒产量和收获指数较翻耕分别提高9.2%、5.8%、4.5%、11.5%和3.2%, 旋耕覆盖较旋耕分别提高12.6%、10.8%、7.6%、23.0%和5.4%, 旋耕覆盖的千粒重以及干旱年收获指数较翻耕覆盖也显著提高。说明秸秆覆盖能改善小麦产量构成因素、提高收获指数, 从而显著提高籽粒产量, 尤以旋耕覆盖效果最优。

表1 耕作方式和秸秆覆盖对小麦籽粒产量及其构成因素和收获指数的影响 Table 1 Effects of tillage method and straw mulching on grain yield, yield components and harvest index of wheat
2.2 耕作方式和秸秆覆盖对小麦氮素积累、分配和转运的影响

2.2.1 耕作方式和秸秆覆盖对不同生育时期氮素积累的影响 耕作方式和秸秆覆盖对小麦氮素积累的调节效应在不同生育时期表现不同, 但影响规律在两生长季表现一致(图1)。与翻耕相比, 旋耕的氮素积累量开花前无显著变化, 开花至成熟期却显著降低, 前后2年分别降低68.2%和52.1%。与不覆盖相比, 无论翻耕还是旋耕, 秸秆覆盖后小麦的氮素积累量在各个生育时期均增加, 特别是在出苗-拔节、开花-成熟期增幅达到显著水平。就耕作与覆盖对小麦氮素积累量影响的综合效应而言, 旋耕覆盖较翻耕覆盖、翻耕和旋耕, 出苗-拔节期分别提高6.7%、21.5%和25.7%, 拔节-开花期提高13.9%、32.9%和16.4%, 除出苗-拔节期翻耕和旋耕间、拔节-开花期翻耕覆盖和旋耕间差异不显著外(P> 0.05), 同一时期其他处理间差异均达显著水平; 开花-成熟期翻耕覆盖较旋耕覆盖、翻耕和旋耕分别提高32.7%、38.8%和241.9%, 除翻耕和旋耕覆盖间差异不显著外, 其他处理间差异均显著。说明秸秆覆盖有利于促进小麦地上部氮素的吸收积累, 且与耕作具有较强的互作效应, 小麦开花前以旋耕覆盖效果最优, 开花后以翻耕覆盖效果突出, 但旋耕不利于小麦开花后的氮素积累。

2.2.2 耕作方式和秸秆覆盖对小麦成熟期不同器官氮素分配的影响 虽然耕作方式和秸秆覆盖不影响小麦氮素在成熟期不同器官中分配比例, 但对氮素积累总量和不同器官氮素分配量具有显著调节作用, 且2年规律一致(表2)。2年总体来看, 翻耕的小麦氮素积累总量及其在籽粒、颖壳、茎叶中的分配量较旋耕分别提高15.4%、15.0%、36.2%和9.6%, 翻耕覆盖较翻耕提高21.4%、21.3%、39.9%和14.0%, 旋耕覆盖较旋耕也提高了38.8%、38.6%、89.1%和19.8%, 但两覆盖处理间差异不显著(P> 0.05)。可见, 旋耕降低了小麦成熟期籽粒氮素的分配量, 而秸秆覆盖可有效提高地上部的氮素积累总量, 从而在不影响籽粒氮素分配比例的同时使分配量显著增加, 尤以旋耕覆盖增幅最大。

图1 耕作方式和秸秆覆盖对小麦不同生育时期氮素积累量的影响
STJ:出苗-拔节期 Seedling to jointing; JTA:拔节-开花期 Jointing to anthesis; ATM:开花-成熟期 Anthesis to maturity. 不同字母表示同一生育期内处理间差异显著(P< 0.05)。Fig.1 Effects of tillage method and straw mulching on N accumulation during different growth stage of wheat
Different letters indicate significant differences among treatments at the P< 0.05 level during a growth stage.

表2 耕作方式和秸秆覆盖对小麦成熟期不同器官氮素分配的影响 Table 2 Effects of tillage method and straw mulching on N distribution in different organs of wheat at maturity

2.2.3 耕作方式和秸秆覆盖对小麦营养器官氮素转运的影响 耕作方式和秸秆覆盖对小麦营养器官氮素转运量及其对籽粒贡献率的影响规律在两年中表现一致(表3)。与翻耕相比, 旋耕的营养器官氮素积累量开花期略有增加, 成熟期显著降低。翻耕覆盖较旋耕覆盖, 开花期显著降低, 成熟期无显著差异。旋耕的2年平均氮素转运量、转运率及转运氮素对籽粒的贡献率较翻耕分别提高10.0%、5.8%和26.3%, 而旋耕覆盖较翻耕覆盖提高14.1%、4.1%和14.7%。同一耕作方式下, 秸秆覆盖的氮素转运量显著增加, 而氮素转运率降低或显著降低, 营养器官转运氮素对籽粒的贡献率也显著降低。其中翻耕覆盖较翻耕, 前后2年的氮素转运量分别增加13.0%和12.2%, 转运氮素对籽粒的贡献率降低9.2%和5.1%; 旋耕覆盖较旋耕, 前后2年的转运量分别增加16.4%和17.1%, 贡献率降低17.6%和13.7%。可见, 麦豆轮作下小麦营养器官的氮素转运特性因耕作方式和秸秆覆盖而异, 其中, 旋耕较翻耕提高了氮素转运率, 而秸秆覆盖在氮素转运率有所降低的情况下提高了转运量。

2.3 耕作方式和秸秆覆盖对小麦氮素利用效率和籽粒蛋白质含量的影响

2年总体来看, 与翻耕相比, 旋耕的小麦氮素吸收效率、氮肥偏生产力、籽粒蛋白质含量和蛋白质产量分别降低13.5%、5.4%、8.6%和13.0%, 翻耕覆盖分别提高21.8%、12.3%、7.4%和21.3%, 旋耕覆盖分别提高20.6%、17.8%、3.1%和20.5%。旋耕覆盖的上述指标较旋耕也分别提高39.5%、24.6%、12.8%和38.5%。与深翻覆盖相比, 旋耕覆盖的氮素吸收效率、氮肥偏生产力和蛋白质产量无显著差异, 但在偏湿润的2014-2015年生长季籽粒蛋白质含量降低5.2%(表4)。说明旋耕对小麦的氮素吸收利用和籽粒蛋白质形成不利, 而秸秆覆盖能显著提高小麦氮素吸收利用效率, 利于通过籽粒蛋白质含量和蛋白质产量, 特别是旋耕覆盖效果突出。

表3 耕作方式和秸秆覆盖对小麦营养器官氮素转运及其对籽粒贡献的影响 Table 3 Effects of tillage method and straw mulching on N translocation from vegetative organ to grain and its contribution
表4 耕作方式和秸秆覆盖对小麦氮素利用效率和籽粒蛋白质的影响 Table 4 Effects of tillage method and straw mulching on N use efficiency and grain protein in wheat
2.4 耕作方式和秸秆覆盖对小麦成熟期土壤硝态氮残留的影响

2015-2016年度小麦成熟期对土壤硝态氮含量的测定结果(图2)表明, 翻耕和旋耕0~200 cm土层硝态氮残留量分别为234和301 kg· hm-2, 其中主要残留于60~180 cm土层, 且在120~140 cm土层出现累积峰。与翻耕相比, 旋耕80~200 cm土层的硝态氮残留量较翻耕显著增加, 其中60~80 cm、80~100 cm、100~120 cm、120~140 cm、140~160 cm、160~180 cm和180~200 cm土层分别降低13.7%、33.7%、31.8%、3.10%、60.7%、36.2%和28.5%。秸秆覆盖对土壤硝态氮残留量具有显著的降低作用, 从而使翻耕覆盖和旋耕覆盖均无明显的累积峰, 总体表现为旋耕覆盖略低于翻耕覆盖, 且二者在160~180 cm土层差异显著。同一耕作方式下, 与无秸秆覆盖相比, 秸秆覆盖下40~200 cm各测定土层的硝态氮残留量均显著降低, 从而使翻耕覆盖0~200 cm土层的硝态氮残留量较翻耕降低30.3%, 旋耕覆盖较旋耕也降低51.4%。说明长期秸秆覆盖可降低土壤硝态氮残留, 尤其以旋耕覆盖的效果更明显。

图2 耕作方式和秸秆覆盖对小麦成熟期土壤硝态氮残留量的影响Fig.2 Effects of tillage method and straw mulching on soil nitrate residue at maturity of wheat

3 讨论
3.1 耕作方式和秸秆覆盖对小麦产量的影响

土壤耕作主要通过影响土壤系统实现对小麦产量的影响, 适宜的耕作方式有利于改善土壤特性、蓄积降水, 调节小麦根系和地上部分的生长发育[7], 提高小麦籽粒产量[8], 但其影响效应在短期内是有限的[24]。本研究通过旱地麦豆轮作定位栽培模式试验发现, 旋耕的小麦产量与翻耕相比略有降低, 产量构成因素无显著变化。这说明旋耕对旱地麦豆轮作下小麦产量的调节作用可能需要更长的时间才能表现出来。国内的耕作试验也得到了类似的结果, 比如, 在甘肃庆阳小麦-大豆轮作区, 连续10年的定位耕作对小麦产量无显著影响[19]; 在山东旱地麦玉轮作区, 2年的试验表明旋耕并不降低小麦产量[13]。

秸秆覆盖对小麦产量的影响效应尚无定论, 多数研究表明秸秆覆盖可提高小麦产量[25, 26], 但也有不增产甚至减产的报道[27]。本研究发现, 无论是湿润年还是干旱年, 秸秆覆盖均可协同提高小麦穗数、穗粒数、千粒重和收获指数, 从而显著提高籽粒产量, 特别是旋耕覆盖相对翻耕覆盖具有增产优势。主要是因为秸秆覆盖不仅能抑制蒸发、蓄水保墒[24], 而且能显著提高耕层土壤养分含量, 从而促进小麦根系生长发育并向下层土壤分布[26], 进而调控小麦地上部生长发育和相关生理功能[28, 29], 优化产量构成因素, 最终实现小麦增产。覆盖于地表的秸秆及其腐解物, 经后茬耕作进入土壤中的位置因耕作方式而异, 其中, 旋耕覆盖的主要位于0~15 cm土层, 较翻耕覆盖的0~30 cm土层浅, 具有土温较高、秸秆腐解物集中、腐解速率高的特点[30], 对土壤矿质结合态有机碳、颗粒有机碳[31]和土壤养分含量[28]的提升幅度高于翻耕覆盖, 更有利于提高土壤养分供应能力, 因而在提高小麦产量中作用更为突出。

3.2 耕作方式和秸秆覆盖对小麦氮素吸收利用和籽粒蛋白质含量的影响

适宜的土壤耕作有利于提高旱地小麦植株氮素积累量、茎鞘和叶片的花前氮素转运量以及茎鞘转运氮素对籽粒的贡献率, 从而提高成熟期籽粒氮素的积累量和氮素的吸收效率[8, 9], 最终提高籽粒蛋白质产量[2]。秸秆还田条件下, 旋耕播种小麦在开花和成熟期的氮素积累量均显著低于翻耕[12], 开花后功能叶片的含氮量随灌浆进程的推进直线下降, 成熟期籽粒蛋白质含量也有所下降[27]。本研究表明, 旋耕较翻耕提高了营养器官氮素转运量和转运率, 但显著降低了开花后的氮素积累量和成熟期的籽粒氮素积累量。这就显著降低了小麦氮素吸收效率、蛋白质含量和蛋白质产量, 说明在旱地小麦旋耕播种条件下, 促进花后的氮素吸收积累是优质生产的关键。其主要是因为旋耕作业层为0~15 cm, 施入的肥料主要集中在土壤表层, 从而使根际土壤中的硝态氮含量较深翻降低[32], 这对小麦根系吸收利用土壤氮素是很不利的, 特别是通过旋耕混肥的常规栽培会显著降低小麦花后氮素吸收量, 造成籽粒蛋白质形成过程中氮素供应不足[1]。

本研究还发现, 秸秆覆盖可提高小麦氮素吸收效率及不同生育时期的氮素积累量, 尤其以开花后效果突出, 并且能提高营养器官的氮素转运量, 最终显著提高了籽粒蛋白质含量和蛋白质产量。然而, 黄土高原地区的6年定位试验结果却认为, 夏闲期秸秆覆盖不影响甚至会降低小麦地上部分的氮素积累量, 致使蛋白质含量降低了4%[27]。本研究与该研究结果不一致, 主要是因为该试验是在夏闲期进行秸秆覆盖, 覆于地表的秸秆在2~3个月的夏闲期腐解不完全, 这些秸秆及其腐解物翻入土壤后, 在小麦生长过程中仍会腐解并消耗一定量的水分和氮素, 导致小麦缺水脱氮素, 但在夏闲季秸秆覆盖保水的基础上种植具有固氮作用的大豆能有效解决这一问题, 并显著提高小麦的氮素积累量和籽粒蛋白质含量[27]。说明旱地小麦氮素积累和蛋白质形成的秸秆覆盖效应与土壤氮素供应密切相关。本试验中采用麦豆轮作, 既发挥了种植豆科作物提高土壤碳氮含量[19]和速效磷含量[18], 促进小麦地上部生长发育的作用, 又能在小麦生长季将具有较高含氮量的大豆秸秆覆于地表, 在抑制水分蒸发的同时, 有效缓解了秸秆腐解过程中与作物生长发育争水、争氮素的问题, 从而促进小麦对氮素的吸收积累, 提高籽粒蛋白质含量。

3.3 耕作方式和秸秆覆盖对麦田土壤硝态氮残留的影响

硝态氮是旱地麦田土壤无机氮存在的主要形态, 也是最易被小麦吸收利用的氮素形态, 但其极易发生反硝化和淋溶, 过高的硝态氮残留量会造成大气和地下水污染[3, 4]。土壤耕作和秸秆覆盖既会改变土壤的理化性质、微生物活性, 调节土壤水分运动和氮素转化, 也会影响作物对土壤氮素的吸收利用效率, 此二者都会影响到硝态氮在土体中的积累与分布[12, 33]。本试验条件下, 与翻耕相比, 旋耕小麦的平均氮素积累量降低15.4%, 定位试验7年后0~200 cm土层硝态氮残留量增加28.6%, 其中80~200 cm土层增幅均达显著水平, 说明旋耕会增加硝态氮残留和淋溶。郑成岩等[13]在山东省兖州市的研究也发现旋耕麦田0~80 cm土层中的硝态氮残留量高于翻耕田, 主要是因为旋耕较翻耕降低了深层土壤水分含量, 在一定程度上阻碍了深层土壤硝态氮向上的移动, 不利于小麦根系对土壤硝态氮的吸收。

多数研究认为, 秸秆覆盖可有效降低土壤硝态氮残留, 在陕西渭北旱塬, 生育期进行秸秆覆盖, 施氮量较低时不影响小麦成熟期土壤硝态氮残留, 施氮225~240 kg· hm-2时显著降低, 且40~100 cm和140~200 cm土层表现为显著降低[14]; 在陕西长武, 连续6年进行夏闲期秸秆覆盖与裸地对照相比, 在施氮150 kg· hm-2的情况下, 小麦成熟期0~300 cm土层硝态氮残留量降低32%, 而秸秆覆盖结合豆科绿肥种植的处理仅降低18%[16]; 在山西晋中旱塬, 6年定位秸秆覆盖后春玉米田0~300 cm土层硝态氮残留量较无覆盖降低418 kg· hm-2, 降幅为51%, 但秸秆覆盖时硝态氮会向下层淋溶, 由无覆盖的60~220 cm土层下移至160~300 cm土层[34]。本试验条件下, 秸秆覆盖可有效降低麦豆轮作下麦田土壤硝态氮残留量, 且旋耕覆盖的效果优于翻耕覆盖。进一步分析发现, 翻耕覆盖较翻耕、旋耕覆盖较旋耕, 小麦成熟期的氮素积累量分别提高21.8%、39.5%, 而0~200 cm土层硝态氮残留量分别降低31.3%、51.4%, 秸秆覆盖后土壤硝态氮的降低量与小麦地上部积累氮素的增加量呈反比。说明通过秸秆覆盖降低土壤硝态氮残留主要归因于小麦地上部分氮素积累量的增加, 即土壤硝态氮被作物吸收而降低。另外, 秸秆覆盖提高土壤有机质含量的同时使氮固持量增加[33], 秸秆覆盖导致的土壤氮矿化量降低[35], 以及秸秆降解过程中的氮素消耗[36], 也都会降低土壤硝态氮残留量, 但这些因素在秸秆覆盖降低麦豆轮作下土壤硝态氮残留中的作用大小如何, 还需进一步深入研究。

4 结论

与翻耕相比, 旋耕不影响小麦产量及其构成因素, 虽然提高了营养器官氮素转运率及转运氮素对籽粒氮素的贡献率, 但不利于花后的氮素积累, 不仅降低了籽粒蛋白质含量, 还会导致土壤硝态氮累积。旋耕覆盖与翻耕覆盖相比, 小麦产量和氮素利用效率无显著差异, 但偏湿润年份的籽粒蛋白质含量降低5.2%。同一耕作方式下, 秸秆覆盖可显著提高小麦的穗数、穗粒数、千粒重和收获指数, 促进小麦的氮素吸收利用, 降低土壤硝态氮残留量, 从而提高小麦产量、籽粒蛋白质含量和氮素吸收效率, 其中, 翻耕覆盖较翻耕分别提高11.5%、7.4%和13.5%, 旋耕覆盖较旋耕分别提高23.0%、12.8%和39.5%, 但两处理成熟期0~200 cm土层硝态氮残留量分别降低31.3%和51.4%。因此, 在旱地麦豆轮作条件下, 秸秆覆盖是实现小麦高产优质和环境友好的有效途径, 特别是旋耕覆盖效果突出。

The authors have declared that no competing interests exist.

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