李强^1,4, 王朝辉^1,2,*, 李富翠¹, 戴健¹, 李孟华¹, 何刚¹, 曹群虎³, 段长林³, 鱼昌为^3
1农业部西北植物营养与农业环境重点实验室 / 西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌 712100

²旱区作物逆境生物学国家重点实验室 / 西北农林科技大学, 陕西杨凌 712100

³陕西省长武县农业技术推广中心, 陕西长武 713600

⁴武威市林业科学研究院, 甘肃武威 733000

^* 通讯作者(Corresponding author): 王朝辉, E-mail:w-zhaohui@263.net, Tel: 029-87082234
第一作者联系方式: E-mail:lq870817@126.com, Tel: 029-87082234
收稿日期:2013-08-16 基金:本研究由国家自然科学基金项目(30971866), 国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-3-1-31), 国家公益性行业(农业)科研专项 (201303104, 201103003)和国家现代农业人才支撑计划项目资助。

摘要降雨偏少且季节分布不均, 施肥偏多且方式不合理, 缺少有效的保水栽培措施是西北旱地小麦生产面临的主要问题。2010年10月至2012年6月连续2个小麦生长季, 在陕西渭北旱塬进行田间试验, 比较了氮肥追施和总量减少、覆膜、增加种植密度措施较传统施肥和农民习惯施肥种植模式对冬小麦籽粒产量及氮素利用效率的影响。与农户习惯施肥相比, 传统施肥不能持续增加产量和氮素利用效率; 而减氮追肥、减氮垄覆和减氮垄覆增密处理的增产效果明显, 同时提高了氮素利用效率, 但减氮垄覆或增加种植密度却使籽粒含氮量降低, 主要原因是进入开花期后土壤硝态氮累积量减少, 氮素供应不足所致。综合分析, 减氮垄覆增产增效更明显, 小麦产量、氮肥偏生产力、氮肥生理利用率在第1年分别提高38.6%、49.6%和35.1%, 在第2年分别提高7.6%、16.3%和25.7%, 说明控氮与覆膜结合是实现旱地冬小麦增产的重要措施, 但需注意生长后期土壤氮素供应, 在增产的同时保证小麦品质。

关键词:旱地; 冬小麦; 地表覆膜; 氮肥利用效率; 产量; 氮肥减施
Effects of Nitrogen Fertilizer Management on Yield and Nitrogen Use Efficiency in Winter Wheat Growing on Dryland with Plastic Film Mulching
LI Qiang^1,4, WANG Zhao-Hui^1,2,*, LI Fu-Cui¹, DAI Jian¹, LI Meng-Hua¹, HE Gang¹, CAO Qun-Hu³, DUAN Chang-Lin³, YU Chang-Wei^3
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

² State Key Laboratory of Crop Stress Biology in Arid Areas / Northwest A&F University, Yangling 712100, China

³ Agricultural Technology Extension Center of Changwu County of Shaanxi Province, Changwu 713600, China

⁴Wuwei Academy of Forestry Science, Wuwei 733000, China


AbstractWheat production in Northwest China is mainly restricted by insufficient and uneven distributed precipitation across seasons. Besides, luxurious and improper application of nitrogen (N) is an obvious problem. In a two-year field experiment from October 2010 to June 2012, we compared grain yield and N use efficiency of winter wheat with cultivation patterns of conventional fertilization (P), current farmer’s habitual fertilization (C), reducing N with early-spring topdressing (NT), NT + ridging and mulching with plastic film (NR), and NR+ high plant density (NRH). Compared with P treatment, C had no effect on stable increases of grain yield and N use efficiency, while NT, NR, and NRH treatments significantly increased yield and N use efficiency of wheat. However, N content in grain was reduced in NR and NRH treatments. In an overall view, NR was the optimal treatment for high-yield and high-efficient wheat production, and with the increases of grain yield, N partial factor productivity, and N physiological efficiency was increased by 38.6%, 49.6%, and 35.1% in the first cropping year and by 7.6%, 16.3%, and 25.7% in the second year, respectively. These results indicate that N management plus ridge mulching is an important technique for high-yield production in Northwest China, and suitable N supply after flowering should be considered for high quality also.

Keyword:Dryland; Winter wheat; Mulching with plastic film; Nitrogen use efficiency; Yield; Reducing nitrogen application
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在我国西北旱区, 合理和持续的水肥管理是作物高产栽培中的关键^{[ 1, 2]}, 旱地小麦是该地区粮食生产的主要模式, 起垄是常见种植方式, 以达到苗期保墒作用。长期以来, 小麦生长季的氮肥都是播种前一次性施入, 近年来, 为了追求高产农户更是习惯重施氮肥。在土壤水分不充足的条件下, 大量施氮不仅不能达到增产增效, 而且还造成成本提高和环境污染。很多****对这一地区小麦高产高效栽培技术进行了研究, 分别探讨了氮肥追施、减施氮肥、地膜覆盖、垄沟覆草、提高种植密度等措施的效果。在山西临汾, 氮肥基施105 kg hm^-2+返青期追施 60 kg hm^-2, 与农民习惯的一次基施氮肥128 kg hm^-2相比, 冬小麦穗数增加13.7%, 水分利用效率提高30.2%, 产量提高38.5%^{[ 3]}。在陕西长武, 施氮量由180 kg hm^-2减到120 kg hm^-2时, 垄上覆膜的平均小麦产量为4559 kg hm^-2, 垄上覆膜结合沟内覆草的产量达4785 kg hm^-2, 分别增产26.5%和32.8%, 水分利用效率提高24.2%和39.1%^{[ 4]}。在渭北彬县旱塬, 冬小麦播量从180 kg hm^-2增加到225 kg hm^-2时, 平均产量达到3662 kg hm^-2, 增产5.6%, 吸氮量和氮肥利用率增加7.8%和19.5%^{[ 5]}。这些试验结果表明氮肥管理、地表覆盖和适当增大播量有利于提高小麦产量和水肥效率, 但试验也表明覆膜时间过长会使产量下降, 如在甘肃兰州春小麦覆膜20 d, 产量最高(8207 kg hm^-2), 延长覆膜时间产量下降^{[ 6]}。
另外, 不少研究也表明, 在一定密度下籽粒蛋白质含量和籽粒产量呈负相关^{[ 7, 8]}。
由于西北地区特殊的生态环境, 水肥管理与保水栽培一直是旱地增产增效研究的重点, 但目前多集中于产量和水分利用效率, 对养分效率, 特别是对氮素利用效率的报道相对较少。我们选择陕西渭北典型旱作农业区进行田间定位试验, 进一步研究旱地调控氮肥用量、施肥方式、地表覆膜及增加种植密度对冬小麦产量、籽粒氮素含量和氮素利用效率的影响, 探讨多种技术的组合模式比常规和习惯种植模式的增产增效作用, 为旱地冬小麦增产增效优质生产提供依据。
1 材料与方法1.1 试验地基本状况黄土高原典型旱作农业区陕西省长武县丁家镇十里铺村(35°12′ N, 107°45′ E, 海拔1200 m), 多年平均降水量580 mm, 7、8、9月降水量占全年60%以上, 年均蒸发量1500 mm, 平均气温9.1℃, 无霜期172 d。自2008年开始, 在该地块上进行冬小麦夏季休闲种植的长期定位试验, 试验开始前土壤的基本理化特性见表1。本文采用2010—2011和2011—2012年度的数据, 两年度休闲期(7月至9月)的降雨量分别为457 mm和388 mm, 小麦全生育期降水量199 mm和234 mm。
表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 试验田耕层土壤性质 Table 1 Basic nutrient status of plow-layer soil 土层 Soil layer 容重 Bulk density (g cm3) 有机碳 Organic carbon (g kg-1) 全氮 Total nitrogen (g kg-1) 有效磷 Olsen-phosphorus (mg kg-1) 速效钾 Available potassium (mg kg-1) pH NO3-N (mg kg-1) NH4-N (mg kg-1) 0-10 cm 1.22 8.73 0.81 5.4 139.9 8.18 13.0 2.9 10-20 cm 1.49 8.32 0.73 3.6 119.4 8.17 13.2 2.2 20-40 cm 1.32 6.28 0.58 1.6 122.0 8.24 8.6 1.8

表1 试验田耕层土壤性质 Table 1 Basic nutrient status of plow-layer soil

1.2 田间试验设计共6个处理(表2), 其中农户习惯施肥指当地农户目前普遍采用的施肥方式, 即所有肥料播前一次性施入, 不追肥; 根据当地4个乡调查结果, 确定施氮量为纯氮162 kg hm^-2, P₂O₅ 105 kg hm^-2。传统施肥指过去常用的施肥方式, 施氮量与农民习惯一致, 除基肥外, 在早春土壤解冰时追肥一次; 其他3个处理根据目标产量通过测土调控氮肥施用量^{[ 9]}。各处理磷肥为过磷酸钙, 氮肥为尿素, 基肥随整地施入, 追肥于2月20日返青前在小麦行间开沟施入。常规平作行宽20 cm, 小麦收获时秸秆全部移走, 收获后1周翻耕一次, 耕深为40 cm; 经过夏闲, 下一季小麦播前2周再旋耕整地一次, 耕深为15 cm。起垄沟播为播前起垄, 垄上覆膜, 垄高6 cm, 垄宽30 cm, 垄间沟宽30 cm, 沟内播种, 每沟2行, 行距20 cm; 小麦收获后不犁地、不揭膜且秸秆全部还田, 覆盖垄间; 经过夏闲, 下一季小麦播前1月揭膜后深犁地一次, 同时垄间秸秆随深犁地还田, 播前2周与其他处理同时旋耕整地。
表2
Table 2
表2(Table 2)

表2 各处理的种植方式、播种量和施肥量 Table 2 Field experimental design (kg hm-2) 处理 Treatment 播种量 Sowing rate 施氮量 N application rate 施磷量 P2O5 application rate 播前 Before sowing 返青前 Before regreening 不施肥对照(平作不覆膜) CK 150 0 0 105 农户习惯施肥(平作不覆膜) P 150 162 0 105 传统施肥(平作不覆膜) C 150 112 50 105 减氮追肥(平作不覆膜) NT 150 112 38 105 减氮覆膜(起垄沟播) NR 150 112 38 105 减氮覆膜增密(起垄沟播) NRH 225 112 38 105 CK: No fertilizer applied, flat land without plastic film coverage; P: Current farmer’s habitual fertilization, flat land without plastic film coverage; C: Conventional fertilization, flat land without plastic film coverage; NT: Reducing N application with topdressing, flat land without plastic film coverage; NR: Reducing N application in combination with ridging and mulching of plastic film; NRH: Reducing N application in combination with ridging and plastic film mulching and high planting density.

表2 各处理的种植方式、播种量和施肥量 Table 2 Field experimental design (kg hm-2)

小麦品种为长武521。2010年9月23日播种, 2011年6月27日机械收获; 2011年9月27日播种, 2012年6月30日机械收获。采用完全随机区组设计, 4次重复, 小区面积为22 m × 6 m = 132 m²。
1.3 取样与测定方法小麦开花期用土钻分别采集0~100 cm深的土壤样品, 其中0~40 cm每10 cm为一层, 40~100 cm每20 cm为一层。每小区2个采样点, 两点同一土层土壤混合作为一个分析样品, 迅速装入预先标记好的塑料袋, 密封带回实验室, 4℃保存。采用鲜土样测定土壤矿质氮, 用1 mol L^-1 KCl溶液浸提, 溶液体积与土壤质量比为10︰1, 振荡1 h后过滤, 用连续流动分析仪(AA3, 德国)测定滤液中硝态氮(NO₃-N)^{[ 10]}, 并换算成用烘干土重表示的土壤硝态氮含量; 用烘干法(105℃, 24 h)测定土壤含水量^{[ 11]}。
小麦开花期从每小区随机选取3个采样点, 每点按行取1 m长样段, 沿根茎结合处剪去根系, 同一小区样段混合作为一个分析样品, 测定茎叶和穗的含氮量。收获期取样, 2010—2011年度每小区随机取4个样点, 每点1 m行长, 沿根茎结合处剪去根系, 同一样段混合作为一个分析样品, 并按全小区机械收获计产; 2011—2012年度每小区随机取约100个植株, 剪去根系后作为一个分析样品, 每小区按行随机收获1 m×1 m样方4个, 风干后脱粒计产。
小麦开花期生物量、收获期生物量和产量均以干重表示。植物样品烘干粉碎后用H₂SO₄-H₂O₂法消解, 用连续流动分析仪测定消解液中的氮素^{[ 10]}, 并换算为以干重表示的茎叶、颖壳和籽粒氮含量^{[ 11]}。
1.4 统计分析与计算公式采用SAS 8.1软件及Microsoft Excel 2007统计分析数据和制作图表。
氮肥偏生产力=籽粒产量/施氮量^{[ 12]}; 氮肥生理利用率=(施氮处理产量-不施氮对照产量)/(施氮处理植株总吸氮量-不施氮对照植株总吸氮量)^{[ 13]}; 氮素收获指数=籽粒吸氮量/植株总吸氮量^{[ 14]}; 水分利用效率=籽粒产量/耗水量^{[ 15]}; 土壤贮水量=土层厚度×土壤面积×土壤容重×土壤含水量/10^{[ 16]}; 土壤NO₃^--N积累量=土层体积×土壤容重×土壤NO₃^--N含量^{[ 17]}。

2 结果与分析2.1 冬小麦产量、生物量、籽粒含氮量氮肥调控与地膜覆盖对冬小麦产量的影响因年份而异。与农户习惯施肥相比, 第1年传统施肥、减氮追肥、减氮垄覆和减氮垄覆增密分别增产15.7%、22.2%、38.6%和24.8%, 其中传统施肥、减氮追肥和减氮垄覆增密之间差异不显著, 但显著低于减氮垄覆处理; 第2年减氮追肥、减氮垄覆和减氮垄覆增密显著增产5.9%、7.6%和12.7%, 传统施肥也有增产趋势(5.4%), 与减氮追肥相比, 减氮垄覆增产效果不显著, 覆膜增密增产显著。两年生物量与产量趋势相同, 但减氮垄覆和减氮垄覆增密处理的籽粒含氮量显著下降(图1)。说明减氮追肥、减氮垄覆和减氮垄覆增密的优化模式能明显促进旱地小麦干物质形成, 增加作物产量, 但地膜覆盖却明显降低了籽粒含氮量, 尤其是在减氮垄覆的基础上增加种植密度使籽粒含氮量下降更明显。
图1
Fig. 1

	Figure OptionViewDownloadNew Window
	图1 不同施氮和覆膜处理对小麦产量、生物量和籽粒含氮量的影响误差线上不同字母表示处理间存在显著差异( P<0.05)。Fig. 1 Yield, biomass, and nitrogen content in grain of wheat under different treatments of nitrogen application and film mulchingDifferent letters above error bars indicate significance among treatments at P< 0.05.

2.2 冬小麦氮肥生产与利用效率氮肥调控和地膜覆盖均能提高旱地氮肥的产量形成能力(表3)。第1年传统施肥、减氮追肥、减氮垄覆和减氮垄覆增密4种模式氮肥偏生产力比农户习惯施肥显著提高15.6%、32.0%、49.6%和34.8%, 且与传统施肥相比, 减氮追肥、减氮垄覆和减氮垄覆增密氮肥偏生产力显著提高; 第2年, 后3种模式显著提高14.3%、16.3%和21.5%, 传统施肥也有增加趋势(5.3%)。氮肥生理利用率两年表现一致, 减氮垄覆和减氮垄覆增密第1年显著提高35.1%和61.8%, 第2年显著提高25.7%和24.9%, 传统施肥和减氮追肥有明显增加趋势, 两年分别提高8.8%和11.4%、6.4%和6.1%。说明减氮追肥、减氮垄覆和减氮垄覆增密能明显增强氮肥的增产作用和作物的氮利用能力。
表3
Tabl
表3(Tabl)

表3 氮肥调控与地膜覆盖对氮肥偏生产力、氮生理利用率的影响 Tabl e 3 Effects of nitrogen fertilizer regulation and plastic film mulching on N partial factor productivity, physiological nitrogen use efficiency of winter wheat (kg kg-1) 处理 Treatment 2010-2011 2011-2012 氮肥偏生产力 N partial factor productivity 氮肥生理利用率 N physiological efficiency 氮肥偏生产力 N partial factor productivity 氮肥生理利用率 N physiological efficiency P 25.6 d 22.8 c 40.0 c 36.2 b C 29.6 c 24.8 bc 42.1 c 38.5 b NT 33.8 b 25.4 bc 45.7 b 38.4 b NR 38.3 a 30.8 ab 46.5 ab 45.5 a NRH 34.5 b 36.9 a 48.6 a 45.2 a 同列数据后不同小写字母表示LSD检验在 P<0.05水平上差异显著。 Different small letters following values in the same column show significant difference at P<0.05 level.

表3 氮肥调控与地膜覆盖对氮肥偏生产力、氮生理利用率的影响 Tabl e 3 Effects of nitrogen fertilizer regulation and plastic film mulching on N partial factor productivity, physiological nitrogen use efficiency of winter wheat (kg kg-1)

2.3 冬小麦冬前分蘖及开花期的生物量、0~100 cm土壤贮水量和硝态氮累积量减氮垄覆冬前每株小麦分蘖第1年显著增加15.8%, 第2年也有明显增加趋势, 而其他处理间无显著变化(表4), 说明覆膜可增加小麦冬前分蘖, 但覆膜基础上增加种植密度效果不明显。开花期是冬小麦营养生长向生殖生长的转折点, 这一时期的作物生长、土壤水肥供应状况与后期产量形成有着密切的关系。从这一时期生物量来看, 第1年减氮垄覆生物量显著增加18.2%, 其他处理也有增加趋势; 第2年减氮追肥和减氮垄覆增密生物量显著增加17.5%和16.9%, 减氮垄覆也有增加趋势。0~100 cm土壤贮水量, 只有减氮垄覆和减氮垄覆增密处理两年都显著增加, 第1年分别提高8.4%和13.3%, 第2年提高7.0%和7.9%; 同样, 0~1 m土层硝态氮累积量只有覆膜处理显著降低, 第1年降低47.0%和52.9%, 第2年降低28.7%和28.9%, 说明地膜覆盖使冬小麦关键生长期(开花期)具有良好的土壤水分, 但土壤有效氮数量却减少。
表4
Table 4
表4(Table 4)

表4 氮肥调控与地膜覆盖对冬前分蘖、开花期生物量、0~100 cm土层贮水量和硝态氮累积量的影响 Table 4 Effects of nitrogen fertilizer regulation and plastic film mulching on tillering before winter, biomass of winter wheat, and water storage and nitrate N in 0-100 cm soil layers at flowering stage 处理 Treatment 2010-2011 2011-2012 冬前每株分蘖 Tillers per plant before winter 生物量 Biomass (kg hm-2) 贮水量 Water storage in soil (mm) NO3-N累积 NO3-N accum. (kg hm-2) 冬前每株分蘖 Tillers per plant before winter 生物量 Biomass (kg hm-2) 贮水量 Water storage in soil (mm) NO3-N累积 NO3-N accum. (kg hm-2) P 3.8 b 8711 b 142.5 c 66.4 ab 4.0 a 8996 b 141.0 b 38.0 a C 3.8 b 8967 ab 146.2 bc 72.1 a 4.1 a 8980 b 143.1 b 35.0 ab NT 3.6 b 9783 ab 143.6 c 55.1 b 4.1 a 10574 a 151.0 a 28.3 ab NR 4.4 a 10099 a 154.5 ab 35.2 c 4.4 a 9579 b 150.8 a 27.1 b NRH 4.0 ab 9516 ab 161.4 a 31.3 c 4.2 a 10517 a 152.2 a 27.0 b 同列数据后不同小写字母表示LSD检验在 P<0.05水平上差异显著。 Different small letters following values in the same column show significant difference at P<0.05 level. Accum.: accumulation.

表4 氮肥调控与地膜覆盖对冬前分蘖、开花期生物量、0~100 cm土层贮水量和硝态氮累积量的影响 Table 4 Effects of nitrogen fertilizer regulation and plastic film mulching on tillering before winter, biomass of winter wheat, and water storage and nitrate N in 0-100 cm soil layers at flowering stage

2.4 冬小麦不同时期的氮素积累两年各处理开花期地上部吸氮量均无显著差异(表5)。收获期, 与农民习惯施肥相比, 第1年传统施肥、减氮追肥、减氮垄覆地上部吸氮量分别提高23.4%、30.2%和34.5%, 籽粒吸氮量提高27.7%、34.1%和41.8%, 减氮垄覆增密模式虽略有增加(6.4%和13.3%), 但差异不显著; 第2年各处理差异不显著, 但减氮垄覆和减氮垄覆增密的地上部吸氮量分别降低9.5%和3.3%, 籽粒吸氮量分别降低10.4%和6.6%。氮收获指数, 第1年4种模式提高3.8%、3.3%、5.7%和6.8%, 第2年与农户习惯施肥无显著差异。比较开花期到收获期地上部吸氮量变化发现, 第一年花后农户习惯施肥地上部分氮素累积无变化, 其他4种模式依次增加氮素25.5、21.0、26.9和9.8 kg hm^-2, 第2年减氮追肥、减氮垄覆和减氮垄覆增密模式减少6.1、7.0和11.3 kg hm^-2。可见, 追肥、减氮、覆膜和增密均没有有效增加花前小麦地上部氮素累积。
表5
Table 5
表5(Table 5)

表5 氮肥调控与地膜覆盖对小麦氮素吸收与转运的影响 Table 5 Effects of nitrogen fertilizer regulation and plastic film mulching on N uptake and transportation by winter wheat 处理 Treatment 地上部吸氮量 N uptake of shoot (kg hm-2) 籽粒吸氮量 N uptake of grain (kg hm-2) 氮收获指数 N harvest index (%) 地上部吸氮量 N uptake of shoot (kg hm-2) 籽粒吸氮量 N uptake of grain (kg hm-2) 氮收获指数 N harvest index (%) 开花期 Flowering 收获期 Harvest 开花期 Flowering 收获期 Harvest P 116.3 a 116.2 b 89.5 c 76.8 c 140.3 a 152.2 a 121.9 a 80.3 a C 117.9 a 143.4 a 114.3 ab 79.7 ab 137.0 a 154.2 a 123.2 a 79.8 a NT 130.3 a 151.3 a 120.0 a 79.3 bc 161.4 a 155.3 a 122.1 a 78.7 a NR 129.4 a 156.3 a 126.9 a 81.2 ab 144.8 a 137.8 a 109.2 a 79.2 a NRH 113.8 a 123.6 b 101.4 bc 82.0 a 158.5 a 147.2 a 113.8 a 77.5 a 同列数据后不同小写字母表示LSD检验在 P<0.05水平上差异显著。 Different small letters following values in the same column show significant difference at P<0.05 level.

表5 氮肥调控与地膜覆盖对小麦氮素吸收与转运的影响 Table 5 Effects of nitrogen fertilizer regulation and plastic film mulching on N uptake and transportation by winter wheat

3 讨论3.1 氮肥调控对旱地冬小麦产量及氮肥利用的影响本研究表明, 传统施肥, 第1年氮肥偏生产力、收获期生物量和产量显著提高15.6%、12.7%和15.7%, 第2年虽有增加的趋势, 但差异不显著。有研究发现, 在西班牙南部雨养农业区, 连续3年施氮150 kg hm^-2, 其中50%或30%氮肥于拔节期追施, 冬小麦产量显著增加^{[ 18]}。山西临汾旱地小麦田间试验也表明, 与“一炮轰”施肥模式相比, 氮肥适量后移进行顶凌追肥, 水分利用效率和产量都显著增加^{[ 3]}。与本研究两年得出的结果不完全一致, 主要是由于本试验第二季小麦播前的夏季休闲期和冬小麦生育期降雨量均较充足, 农户习惯施肥产量显著提高, 造成传统施肥虽有增产趋势, 但差异不显著。另外, 根据土壤测试调控氮肥用量, 结合早春追肥, 即减氮追肥处理, 第1年氮肥偏生产力、收获期生物量和产量显著增加32.0%、18.1%和22.2%, 第2年显著增加17.5%、8.1%和5.9%。山东泰安和兖州田间试验表明, 基于土壤硝态氮测试的氮素实时管理, 与农民习惯施肥相比, 优化施肥在氮肥用量减少38.6%~53.3%后, 冬小麦产量提高0.87%~10.4%^{[ 19]}。河北衡水的试验发现, 氮肥用量从240 kg hm^-2减到168 kg hm^-2, 基肥和大喇叭口肥1∶2时, 夏玉米籽粒产量、植株干物质积累量和植株氮累积量没有降低, 氮肥利用率反而增加27.5%^{[ 20]}。山东龙口试验也表明, 氮肥从240 kg hm^-2减到168 kg hm^-2, 基肥和拔节追肥1∶2时, 虽然冬小麦产量增加不明显, 但氮肥利用率显著提高13.9%^{[ 21]}。可见, 减氮能否增产还因作物和试验地点而异, 但合理减少氮肥用量, 可以明显提高氮肥利用率。
3.2 氮肥调控结合覆膜及增加种植密度对旱地冬小麦产量和氮肥利用的影响在有效减少氮肥用量的基础上, 垄覆膜沟播冬小麦能明显提高冬小麦的水肥利用效率, 增加作物产量。减氮垄覆第1年开花期0~1 m土层贮水量、氮肥偏生产力、氮肥生理利用率和产量显著提高8.4%、35.1%、26.4%和38.6%, 第2年显著提高7.0%、25.7%、11.5%和7.6%。旱地覆膜能明显提高作物产量^{[ 4, 22]}, 但一些研究也发现增产潜力有限, 并有随覆膜年限延长而下降的趋势^{[ 23, 24]}。这可能是覆膜栽培作物前期生长过快, 蒸腾增加, 过多消耗土壤贮水, 土壤水分得不到有效恢复所致。而本试验结合试验区降雨量分布, 除作物生长期内覆膜外, 在作物收获后的夏季休闲期继续保持垄上覆膜, 并且将秸秆全部平铺于垄间, 起到明显的蓄水保水作用, 有效促进土壤贮水恢复, 因此两年连续增产。减氮垄覆的基础上增加冬小麦种植密度, 第1年开花期0~1 m土层贮水量、水分利用效率、氮肥偏生产力、氮肥生理利用率和产量显著提高13.3%、34.8%、61.8%和24.8%, 第2年显著提高7.9%、19.0%、24.9%和12.7%, 可见, 旱地合理增加种植密度能明显提高作物产量。但陕西杨凌的试验却表明, 施氮225 kg hm^-2, 基本苗从每公顷230万株增加到280万株, 虽然公顷穗数增加16.8%, 但穗粒数和千粒重下降26.2%和0.93%, 产量降低14.4%^{[ 25]}, 河北南部的田间试验表明, 提高种植密度玉米也有减产的可能^{[ 26]}。主要原因是种植密度过大, 影响了作物生长后期水分养分吸收和光合利用, 以及功能叶片早衰^{[ 27]}。
3.3 地表覆膜引起小麦籽粒含氮量降低的原因与对策在有效减少氮肥用量的情况下, 地表覆盖实现了旱地冬小麦增产, 但籽粒含氮量却明显下降, 第1年减氮垄覆增密下降14.0%, 第2年减氮垄覆和减氮垄覆增密下降16.5%和17.0%。主要原因是籽粒产量大幅提升对籽粒含氮量有明显的稀释效应^{[ 28]}。第1年减氮垄覆增密产量提高24.8%, 而籽粒吸氮量只提高13.3%; 第2年减氮垄覆和减氮垄覆增密产量分别提高7.6%和12.7%, 籽粒吸氮量却下降10.4%和6.6%。籽粒吸氮量降低或增加滞后于产量的提高, 使籽粒氮含量因产量增加引起稀释而相对降低。另一重要原因是花后土壤有效氮素供应不足。地表覆膜开花期的根层硝态氮数量明显减少, 其中减氮垄覆0~1 m土层两年分别减少47.0%和28.7%, 减氮垄覆增密减少52.9%和28.9%。说明地膜覆盖促进了冬小麦营养生长期地上部干物质的形成和累积, 也使开花期具有良好的土壤水分, 为后期灌浆和养分转移创造了良好的基础物质条件, 但氮肥用量减少引起的后期土壤有效氮数量减少, 影响了后期植株氮素吸收和转移。说明虽然小麦籽粒约80%的氮素来自开花前营养器官的吸收和地上部累积氮素的再转运^{[ 29]}, 抽穗开花期后, 根层有效氮素减少不一定引起作物产量的降低, 但会明显降低作物的氮素吸收、转运, 导致籽粒含氮量降低。因此, 地表覆盖栽培条件下, 氮肥的管理目标既应考虑作物高产、养分高效, 还应注意作物收获物的养分含量, 适当提高氮肥水平^{[ 30]}和追肥数量^{[ 19, 31]}。

4 结论与农户习惯施肥相比, 传统施肥没有持续增加冬小麦产量和氮素利用效率; 减氮追肥、减氮垄覆和减氮垄覆增密能有效提高冬小麦产量和氮素利用效率, 但减氮垄覆或增加种植密度却使籽粒含氮量降低, 主要原因是进入开花期后土壤硝态氮累积量减少, 氮素供应不足。综合分析, 减氮垄覆增产增效更明显, 第1年小麦产量、氮肥偏生产力、氮肥生理利用率分别提高38.6%、49.6%和35.1%, 第2年提高7.6%、16.3%和25.7%。控氮与覆膜结合是实现旱地冬小麦增产的重要措施, 但需注意生长后期土壤氮素供应, 在增产的同时, 保证小麦品质。
The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。

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