黄明^1,2, 王朝辉^1,3,*, 罗来超¹, 王森¹, 包明¹, 何刚¹, 曹寒冰¹, 刁超朋¹, 李莎莎^1
1西北农林科技大学资源环境学院 / 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室, 陕西杨凌712100

²河南科技大学农学院, 河南洛阳471023

³西北农林科技大学旱区作物逆境生物学国家重点实验室, 陕西杨凌712100

^*通讯作者(Corresponding author): 王朝辉, E-mail:w-zhaohui@263.net, Tel: 029-87082834 第一作者联系方式: E-mail:huangming_2003@126.com, Tel: 13783127229
收稿日期:2016-10-25 接受日期:2017-03-02网络出版日期:2017-03-17基金:本研究由国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB150404), 国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-3-1-31)和国家公益性行业(农业)科研专项(201303104)资助

摘要覆膜栽培能提高旱地小麦产量, 但降低了籽粒蛋白质含量, 优化施肥是解决这一问题的有效措施之一。2013年9月至2016年9月, 在黄土高原中部典型旱地进行田间定位试验, 比较传统平作(不覆盖+均匀施肥)、垄覆沟播(垄上覆膜+垄间沟播+均匀施肥)和膜侧施肥(垄上覆膜+垄间沟播+播种行侧膜下定位施肥)栽培模式下, 0~40 cm土层硝态氮含量和0~200 cm土壤水分, 以及膜侧施肥对小麦氮素吸收利用、产量、籽粒蛋白质含量和水分利用的影响。与传统平作相比, 在偏旱的2013—2014和2015—2016年度, 垄覆沟播的小麦产量分别提高9.5%和6.3%, 籽粒蛋白质含量降低7.1%和9.9%, 水分利用效率提高5.8%和8.7%, 而膜侧施肥的小麦产量提高18.8%和22.8%, 籽粒蛋白质含量无显著变化, 水分利用效率提高13.2%和19.6%; 在偏湿润的2014—2015年度, 垄覆沟播和膜侧施肥对小麦产量无影响, 但膜侧施肥的籽粒蛋白质含量和水分利用效率分别提高6.0%和17.0%。与垄覆沟播相比, 膜侧施肥在偏湿润年份使生长季内100~200 cm土壤水分消耗显著减少, 而在偏旱年份使夏休闲季土壤蓄水显著增加, 开花和收获期0~40 cm土壤硝态氮、根系全氮以及开花期茎叶全氮含量升高, 促进了小麦营养器官氮素吸收、积累及其向籽粒的转运, 提高了旱地小麦产量, 籽粒蛋白质含量和水分利用效率。在偏干旱的2013—2014和2015—2016年度, 膜侧施肥较垄覆沟播产量分别提高8.4%和15.5%, 籽粒蛋白质含量提高9.9%和8.7%, 水分利用效率提高7.0%和10.0%; 在偏湿润的2014—2015年度, 两处理产量无显著差异, 但膜侧施肥的籽粒蛋白质含量提高6.0%。因此, 膜侧施肥可维持旱地小麦生育后期的土壤氮供应, 提高小麦产量、籽粒蛋白质含量和水分利用效率, 增加下季播前深层土壤贮水, 是适宜于旱区推广的小麦栽培模式。

关键词:雨养旱地; 膜侧施肥; 冬小麦; 产量; 蛋白质含量; 水分利用效率
Effects of Ridge Mulching with Side-dressing on Grain Yield, Protein Content and Water Use Efficiency in Dryland Wheat
HUANG Ming^1,2, WANG Zhao-Hui^1,3,*, LUO Lai-Chao¹, WANG Sen¹, BAO Ming¹, HE Gang¹, CAO Han-Bing¹, DIAO Chao-Peng¹, LI Sha-Sha^1
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;

Fund: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).
AbstractThe 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.

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








小麦是黄土高原区的主要粮食作物, 种植面积占我国小麦总面积的19%^[1]。由于降水少且季节分布不均匀、土壤肥力低和施肥不科学等问题, 产量低而不稳。这一区域年降水200~700 mm, 但60%集中在7月至9月的夏休闲季, 与3月至5月的小麦生长需水高峰期错位^{[2, 3]}。因生育期降水少且无灌溉导致追肥困难, 小麦生育后期易发生养分供应不足, 影响产量提高和品质改善。传统旱地小麦种植中通过夏初深翻、秋季平作播种, 力求伏雨春用^[4], 但由于地表裸露, 土壤水分易蒸发散失, 导致小麦生育期供水不足^[5]。因此, 优化旱地小麦栽培措施, 在充分集蓄休闲季降水的同时实现水分的跨季高效利用, 在仅施底肥的情况下改善小麦生育后期的养分供应, 对提高旱地小麦产量、品质和水分利用效率具有重要意义。
垄覆沟播不仅能抑制土壤水分蒸发, 还可以通过田间原位微域集水, 促进小麦生长期内垄上雨水流向沟内, 渗入土壤深层^[6], 提高土壤贮水。在甘肃中部, 垄覆沟播使小麦产量提高20%~29%, 水分利用效率提高12%~14%^[7]。在山西南部, 垄覆沟播小麦增产12%~14%^[8], 但底墒不足的年份也会减产^[9]。因此, 传统的垄覆沟播虽然在小麦生长期内有效增加了降水的收集、减少了土壤水分蒸发损失, 却未考虑休闲季降水管理, 难以保证小麦持续增产。针对这一问题, 在传统垄覆沟播的基础上, 我们提出了夏休闲季继续利用残膜覆盖垄面、秸秆覆盖沟内的休闲季集雨保水模式。渭北旱源的长期定位田间试验表明, 这种方式提高了休闲效率, 有利于土壤水分恢复, 使小麦播种时0~300 cm土层贮水提高5%~7%^[6], 产量提高15%~41%, 水分利用率提高10%~30%^[10], 但籽粒蛋白质含量却降低14%~17%^[11]。这是由于目前的垄覆沟播栽培, 在播种前将肥料撒于地表, 然后通过旋耕作业将其与表层土壤混匀, 而被薄膜分开的两行小麦行距较宽, 难以充分吸收薄膜下面的养分所致, 也与表层混施肥料增加了氮素挥发损失有关^[12]。可见, 为了确保垄覆沟播的增产效果, 改善小麦品质, 在加强休闲季集雨保水、合理确定氮肥用量的基础上, 还应优化施肥位置。针对旱地小麦垄覆沟播栽培中肥料撒施导致生育后期供肥不足问题, 在黄土高原典型旱地小麦种植区, 通过连续3年的定位试验, 研究优化施肥位置对小麦产量、营养品质和水分利用的影响, 以期为旱地小麦丰产、优质、高效生产提供依据和参考。
1 材料与方法1.1 试验地块土壤养分和降水量分布特征2013年9月至2016年9月, 在陕西省永寿县御驾宫乡御中村(34° 43′ N, 108° 10′ E) 4个农户的田块进行连续3年的定位试验。试验区属典型的半湿润易旱区, 冬小麦-夏休闲是当地的主要种植制度。土壤为土垫旱耕人为土, 试验开始时耕层基本理化性状见表1。试验期间的降水量见图1, 与多年平均值(年降水量530 mm, 休闲季降水量310 mm)相比, 2014年3月降水增加12 mm, 但5月至6月降水减少33 mm, 休闲季降水增加28 mm (集中在9月), 属偏旱年份; 2015年3月降水增加34 mm, 5月至6月降水增加28 mm, 休闲季降水减少25 mm, 属偏湿润年份; 2016年2月至6月降水减少65 mm, 休闲季降水减少151 mm, 属偏旱年份。
表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 2013年试验开始时各地块0~20 cm和20~40 cm土层的土壤基本理化特性 Table 1 Basic properties of 0-20 cm and 20-40 cm soil layers at the beginning of experiment in 2013 地块 Plot 土层 Soil layer pH 有机质 Organic matter (g kg-1) 硝态氮 Nitrate N (mg kg-1) 铵态氮 Ammonium N (mg kg-1) 速效磷 Available P (mg kg-1) 速效钾 Available K (mg kg-1) I 0-20 cm 8.3 12.6 11.3 1.2 23.3 101 20-40 cm 8.4 9.1 15.2 0.6 4.6 73 II 0-20 cm 8.4 12.0 15.3 0.2 26.1 107 20-40 cm 8.4 8.3 18.1 0.3 8.4 72 III 0-20 cm 8.2 12.7 11.7 0.1 29.3 136 20-40 cm 8.4 9.5 13.8 0.4 8.5 76 IV 0-20 cm 8.3 13.5 16.4 0.7 20.3 132 20-40 cm 8.4 9.8 20.1 0.4 8.4 90

表1 2013年试验开始时各地块0~20 cm和20~40 cm土层的土壤基本理化特性 Table 1 Basic properties of 0-20 cm and 20-40 cm soil layers at the beginning of experiment in 2013

图1
Fig. 1

	Figure OptionViewDownloadNew Window
	图1 小麦生长季和休闲季的月降水量Fig. 1 Monthly precipitation during wheat growing and fallow period 折线为1992-2016年连续24年降水量的平均值。 The line shows the average precipitation of 24 years from 1992 to 2016.

1.2 试验设计共设置传统平作、垄覆沟播和膜侧施肥3个处理(图2)。传统平作在播种前1周人工将肥料撒于地表, 并立即旋耕使肥料混入0~15 cm土壤, 采用机械条播、行距20 cm播种, 翌年小麦收获时留茬15 cm, 收获后2~3周翻耕40 cm, 夏闲期地表裸露无覆盖。垄覆沟播的施肥方式同传统平作, 即播种前1周将肥料撒于地表, 并旋耕使肥料与0~15 cm土壤混匀, 但播种时采用旱地小麦覆膜播种机一次完成起垄覆膜播种, 垄宽30 cm、高8 cm, 垄上覆膜, 沟宽30 cm, 沟内播种2行小麦、行距20 cm, 翌年小麦收获时留茬25 cm、秸秆还田于沟内, 夏休闲季不揭膜, 保持残膜覆盖垄面、秸秆覆于沟内, 集雨保墒。膜侧施肥是在垄覆沟播的基础上定位施肥, 即旋耕前不施肥, 播种时采用旱地小麦覆膜施肥播种一体机一次完成施肥起垄覆膜播种, 用机械将肥料定位条施于播种行侧、膜下、种侧下5 cm处, 其他管理同垄覆沟播。
图2
Fig. 2

	Figure OptionViewDownloadNew Window
	图2 田间试验不同处理示意图Fig. 2 Schematic diagram of the three treatments in the field experiments CP: 传统平作; RF: 垄覆沟播; RFF: 膜侧施肥。 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
Table 2
表2(Table 2)

表2 4个田块3年的施肥量 Table 2 Fertilizer application rates for four plots in the three years 年度 Year 肥料种类 Fertilizer type 施肥量 Fertilizer rate (kg km-2) I II III IV 2013-2014 N 157 162 171 166 P2O5 61 38 30 74 K2O 41 41 30 32 2014-2015 N 145 150 163 156 P2O5 56 35 30 69 K2O 37 38 30 30 2015-2016 N 154 155 151 157 P2O5 59 36 30 70 K2O 40 39 30 30 I~IV代表4个定位地块。I to IV represent the four fixed plots.

表2 4个田块3年的施肥量 Table 2 Fertilizer application rates for four plots in the three years

为了优化氮磷钾肥用量并减小不同地块肥力差异对试验的影响, 按照目标产量需氮量推荐不同地块的氮肥用量^[13], 采用衡量监控施肥技术推荐磷钾肥用量^[14], 相同年度、同一地块3个处理的氮磷钾肥用量相同(表2)。氮磷钾肥分别为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P₂O₅ 12%)和硫酸钾(含K₂O 50%), 均为颗粒肥料, 基施。
采用完全随机区组设计, 以田块为区组, 4次重复。小区面积96 m²(8 m× 12 m), 2013— 2014和2014— 2015年度种植品种为晋麦47, 播量为150 kg hm^-2; 2015— 2016年度品种为洛旱6号, 播量为120 kg hm^-2。分别于2013年9月30日、2014年10月4日和2015年9月27日播种, 2014年6月15日、2015年6月18日和2016年6月13日收获。其他管理同当地农户。
1.3 土壤水分和小麦耗水量测定方法播种前和收获期每20 cm为一层, 采样测定0~200 cm的土壤水分。从每个小区0~40 cm土层随机采5个样点, 40~200 cm土层采2个样点, 同层土壤样品混合均匀后, 取约300 g作为分析样品, 剩余的土壤分别按原土层回填各采样点的土洞。将分析样品迅速装入预先标记好的塑料袋, 系紧袋口密封带回实验室, 取约30 g样品105° C烘48 h测定土壤重量含水量。对于传统平作在小麦行间取样, 垄覆
沟播和膜侧施肥分别在垄上和行间取样, 以垄上和行间的平均值作为该地块的观测值, 以4个地块的平均值作为该栽培模式的测定结果。

WC = WS_s - WS_h^{[6, 9]},
WH = WS_ns200 - WS_h200^{[6, 9]};
ET = WC₂₀₀ + P + I + U - R - F ^[15]
式中, WS为土壤贮水量(mm), 下标字母i表示土层, 分别为0~20、20~40、40~60、60~80、80~100、100~120、120~140、140~160、160~180和180~200 cm土层, 下标字母s、h和ns分别表示播前、收获和下季播前, 下标数字200表示0~200 cm土层; D为土壤容重(g cm^-3), 取4个地块的平均值, 各土层的D值为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为土层厚度(cm); W为土壤水分含量(%); WC为生育期土壤耗水量(mm); WH为休闲季土壤贮水量(mm); ET为生育期作物耗水量(mm); P为生育期降水量(mm); I为灌溉量(mm); U为地下水补给量(mm); R为径流量(mm); F为深层渗漏量(mm)。本试验地块位于陕西省雨养黄土台塬梯田, 地势平坦, 土层深厚, 地下水埋深在100 m以下, 因此I、U、R、F值均为0。
1.4 土壤硝态氮测定方法分别于拔节、开花和收获期采集0~40 cm土层土壤样品, 每20 cm为一层, 每个小区随机5个样点, 对于传统平作在小麦行间取样, 垄覆沟播和膜侧施肥分别在垄上和行间取样, 取平均值作为该处理的观测值。称取5 g鲜土, 置于50 mL KCl溶液(1 mol L^-1)中振荡浸提1 h, 用AA3连续流动分析仪(SEAL, 德国)测定浸提液中的硝态氮含量^[16]。0~40 cm土层的土壤硝态氮含量为该土层硝态氮累积量与其土壤质量的比值。
1.5 小麦植株氮积累量和转运量测定方法于三叶期在每个小区标记1 m长且有代表性的样段4个, 调查基本苗数。分别于越冬、拔节、开花和收获期调查群体茎蘖数, 同时在每小区随机选20个样点, 先用取样铲松动每个样点0~20 cm土壤后取1~2株小麦, 统计茎蘖数后分成不同器官, 分别称鲜重。越冬和拔节期沿根茎结合部分成根系和地上部样品, 开花期将地上部样品进一步分成茎叶和穗, 收获期分成茎叶、穗轴+颖壳(简称颖壳)和籽粒。取不同器官鲜样各50 g左右, 90° C杀青30 min, 65° C烘至恒重, 测定干重。
按霍中洋等^[17]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– 收获期茎叶氮素积累量– 收获期颖壳氮素积累量; 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/收获期籽粒氮素积累量× 100。
1.6 籽粒产量、蛋白质含量及水分利用效率测定方法于不同生育时期按上述方法取样, 样品粉碎后先用H₂SO₄-H₂O₂法消解, 再用AA3连续流动分析仪(SEAL, 德国)测定消解液中的全氮含量^[11]。籽粒全氮含量乘以5.7即为籽粒蛋白质含量^[18]。
收获期从每个小区随机收割4个1.0 m× 1.8 m样方, 风干后脱粒。将同一小区4个样方的籽粒混合后称重。然后取风干籽粒约50 g, 65° C烘至恒重, 测定风干籽粒含水量。籽粒产量以12.5%的含水量表示。根据籽粒产量(Y, kg hm^-2)和全生育期小麦耗水量(ET, mm)计算水分利用效率(WUE, kg hm^-2 mm^-1), WUE=Y/ET^[4]。
1.7 统计分析采用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SigmaPlot 12.5绘图。

2 结果与分析2.1 膜侧施肥对小麦产量和生物量的影响栽培模式对小麦地上部生物量和籽粒产量影响极显著(P< 0.01), 对产量的影响主要来自穗数的变化, 而穗粒数和千粒重不同处理间差异不显著(表3)。在偏湿润的2014— 2015年度, 垄覆沟播的生物量和产量较传统平作增加, 但差异不显著, 而在另外两年(偏干旱)则表现为显著增加, 3年平均生物量和产量分别提高6.7%和8.3%。膜侧施肥较传统平作, 3年地上部生物量、穗数和籽粒产量均显著增加, 其中生物量和籽粒产量平均提高17.2%和20.1%。从3年平均值看, 膜侧施肥的地上部生物量、穗数和籽粒产量显著高于垄覆沟播, 分别提高9.8%、10.5%和10.9%, 尤以偏旱的2013— 2014和2015— 2016年度增产效果达显著水平(P< 0.05)。说明膜侧施肥通过提高小麦生物量和穗数, 最终实现增产, 在偏旱年份, 特别是灌浆期降水偏少的年份, 增产效果更突出。
表3
Table 3
表3(Table 3)

表3 膜侧施肥对小麦籽粒产量和生物量的影响 Table 3 Effects of RFF cropping pattern on grain yield and biomass of wheat 年度 Year 处理 Treatment 地上部生物量 Shoot biomass (kg hm-2) 穗数 Spike number (104hm-2) 穗粒数 Grain number per spike 千粒重 1000-grain weight (g) 籽粒产量 Grain yield (kg hm-2) 2013-2014 传统平作 CP 9365± 991 c 333± 19 c 25.8± 1.3 a 45.2± 1.4 a 4373± 281 c 垄覆沟播 RF 10197± 697 b 361± 40 b 26.2± 2.3 a 44.9± 0.6 a 4789± 265 b 膜侧施肥 RFF 11710± 929 a 429± 24 a 23.6± 1.2 a 46.1± 1.4 a 5193± 350 a 2014-2015 传统平作 CP 12438± 1358 b 471± 37 b 30.6± 4.2 a 32.2± 2.9 a 5249± 1171 a 垄覆沟播 RF 13175± 914 ab 483± 22 ab 31.0± 2.3 a 33.9± 4.5 a 5545± 916 a 膜侧施肥 RFF 13700± 554 a 521± 30 a 30.1± 4.6 a 32.3± 6.0 a 5564± 1232 a 2015-2016 传统平作 CP 9723± 651 b 326± 31 b 33.5± 3.6 a 46.1± 2.8 a 5620± 241 b 垄覆沟播 RF 10264± 959 b 412± 23 a 28.1± 1.7 b 45.8± 1.7 a 5973± 505 b 膜侧施肥 RFF 11526± 1021 a 440± 20 a 30.5± 2.2 ab 45.7± 1.7 a 6901± 467 a 年度平均 传统平作 CP 10508± 665 c 377± 20 c 30.0± 0.9 a 41.2± 1.5 a 4955± 454 c Average across 垄覆沟播 RF 11212± 463 b 419± 19 b 28.4± 0.3 a 41.5± 1.4 a 5368± 360 b years 膜侧施肥 RFF 12312± 650 a 463± 13 a 28.1± 2.0 a 41.4± 2.3 a 5953± 386 a 变异来源(F值) 处理 Treatment (T) 18.2* * 42.8* * 2.1 0.1 19.8* * Source of variance 年度 Year (Y) 33.7* * 32.8* * 7.7* 43.5* * 3.9 (F-value) 处理× 年度 T× Y 0.9 4.1* 2.2 0.4 2.7 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 P < 0.05. * and * * indicate statistical significance of variance at P< 0.05 and P< 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. 数据为4个地块的平均值± 标准差, 同一年度或年度间平均数据后的不同小写字母表示处理间差异显著(P< 0.05)。* 和* * 分别表示方差在P< 0.05和P< 0.01水平显著。

表3 膜侧施肥对小麦籽粒产量和生物量的影响 Table 3 Effects of RFF cropping pattern on grain yield and biomass of wheat

2.2 膜侧施肥对小麦不同生育时期群体茎蘖数和干物质积累量的影响垄覆沟播和膜侧施肥的基本苗3年均无差异, 但较传统平作分别提高26.2%和28.6% (图3-A)。3年总体来看, 垄覆沟播和膜侧施肥的群体茎蘖数和干物质积累量的差异, 开花之前不显著, 开花期达到显著水平, 并且在所有测定生育时期都显著高于传统平作, 其中开花期比传统平作分别高17.1%和22.9%, 比垄覆沟播高9.0%和10.5% (图3-A, B)。可见, 膜侧施肥的群体水平优于其他两处理, 其优势体现在开花期后, 是获得高产的原因之一。
图3
Fig. 3

Figure OptionViewDownloadNew Window

图3 膜侧施肥对小麦群体茎蘖数(A)和地上部干物质积累量(B)的影响Fig. 3 Effects of RFF cropping pattern on population stem and tillers (A) and shoot dry matter accumulation (B) of wheat CP: 传统平作; RF: 垄覆沟播; RFF: 膜侧施肥。SD: 苗期; WT: 越冬期; JT: 拔节期; AT: 开花期。误差线表示标准差, 其上标注的不同字母表示同一生育期内处理间差异显著(P< 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 (P < 0.05).

2.3 膜侧施肥对小麦营养器官全氮含量和籽粒蛋白质含量的影响栽培模式显著影响小麦营养器官全氮含量和籽粒蛋白质含量, 但两种覆膜栽培的调节效应不同(表4)。垄覆沟播的籽粒蛋白质含量在偏旱的2013— 2014和2015— 2016年度较传统平作显著降低, 而在偏湿润的年度无显著差异。3年总体来看, 开花期小麦根系全氮含量显著提高, 茎叶全氮含量无显著变化, 收获期茎叶全氮含量显著降低, 3年籽粒蛋白质含量平均降低5.8%。膜侧施肥较传统平作, 拔节后小麦根系全氮和开花期茎叶全氮含量显著增加, 但小麦籽粒蛋白质含量仅在偏湿润的2014— 2015年度显著提高6.0%, 而在偏旱的年度无显著影响。膜侧施肥较垄覆沟播, 3年拔节后根系、开花期茎叶全氮含量和籽粒蛋白质含量均显著增加, 其中籽粒蛋白质含量平均提高8.2%。说明膜侧施肥可提高小麦拔节后根系和开花期茎叶含氮量, 改善籽粒蛋白质形成的氮源, 有利于提高小麦籽粒蛋白质含量。
表4
Table 4
表4(Table 4)

表4 膜侧施肥对小麦营养器官全氮含量和籽粒蛋白质含量的影响 Table 4 Effects of RFF cropping pattern on total N content in vegetative organs and grain protein content of wheat 处理 Treatment 营养器官全氮含量 Total N content in vegetative organs (g kg-1) 籽粒蛋白质含量 Grain protein content (%) 拔节期 Jointing 开花期 Anthesis 收获期 Harvest 根系 Root 茎叶 Stem + leaf 根系 Root 茎叶 Stem + leaf 穗 Spike 根系 Root 茎叶 Stem + leaf 颖壳 Glume 2013-2014 传统平作 CP 14.3± 1.4 b 25.8± 0.8 a 11.4± 0.7 b 13.9± 0.5 b 16.9± 0.6 a 8.3± 0.3 b 7.6± 0.9 a 6.6± 0.4 a 14.1± 0.6 a 垄覆沟播 RF 15.4± 1.3 b 24.1± 1.1 b 11.6± 0.7 b 14.2± 0.4 b 18.0± 0.6 a 8.2± 0.4 b 7.0± 0.7 a 7.3± 0.3 a 13.1± 0.6 b 膜侧施肥 RFF 18.4± 1.2 a 25.9± 1.1 a 13.0± 0.4 a 14.9± 0.3 a 17.7± 0.7 a 9.5± 0.4 a 7.1± 0.4 a 7.5± 0.1 a 14.4± 0.7 a 2014-2015 传统平作 CP 16.3± 1.0 b 37.6± 0.8 a 9.0± 0.4 c 15.8± 0.7 b 19.7± 1.4 a 7.7± 0.7 b 12.1± 1.1 a 11.3± 4.0 a 11.7± 0.2 b 垄覆沟播 RF 16.5± 0.9 b 34.2± 1.5 b 10.3± 0.6 b 16.2± 0.4 b 20.1± 0.6 a 8.2± 0.7 b 10.0± 0.7 b 8.3± 2.7 b 11.7± 0.3 b 膜侧施肥 RFF 17.3± 1.0 a 34.3± 0.6 b 11.5± 0.4 a 17.6± 0.6 a 19.5± 0.9 a 9.0± 0.5 a 12.3± 1.2 a 11.1± 3.0 a 12.4± 0.5 a 2015-2016 传统平作 CP 7.9± 0.6 ab 20.1± 1.5 a 5.7± 0.5 b 10.9± 1.2 ab 15.6± 0.5 a 5.7± 0.8 b 3.7± 0.6 ab 6.2± 0.5 a 12.7± 0.2 a 垄覆沟播 RF 7.5± 0.7 b 19.7± 0.6 a 6.2± 0.4 b 9.7± 0.9 b 15.1± 0.3 ab 5.6± 0.6 b 3.5± 0.2 b 5.1± 0.7 b 11.5± 0.5 b 膜侧施肥 RFF 8.8± 0.7 a 20.0± 0.9 a 7.1± 0.6 a 11.5± 0.7 a 14.5± 0.4 b 7.0± 0.3 a 4.4± 0.7 a 6.5± 0.6 a 12.5± 0.3 a 年度平均 Average across years 传统平作 CP 12.8± 0.6 b 27.8± 0.6 a 8.7± 0.1 c 13.5± 0.6 b 17.4± 0.4 a 7.2± 0.3 b 7.8± 0.4 a 8.1± 1.5 a 12.8± 0.3 a 垄覆沟播 RF 13.2± 0.6 b 26.0± 0.4 b 9.4± 0.2 b 13.4± 0.4 b 17.7± 0.4 a 7.4± 0.4 b 6.8± 0.5 b 6.9± 1.2 b 12.1± 0.4 b 膜侧施肥 RFF 14.8± 0.9 a 26.7± 0.5 ab 10.5± 0.2 a 14.7± 0.2 a 17.3± 0.3 a 8.5± 0.1 a 7.9± 0.6 a 8.3± 1.3 a 13.1± 0.5 a 变异来源(F值) Source of variance (F-value) 处理 Treatment (T) 22.7* * 6.7* 42.8* * 22.4* * 1.4 21.8* * 8.2* 25.0* * 32.8* * 年度 Year (Y) 191.6* * 266.7* * 99.9* * 74.5* * 12.8* * 31.7* * 100.6* * 7.9* 74.8* * 处理× 年度 T× Y 4.9* * 2.5 1.6 3.9* 1.9 0.7 2.4 11.3* * 4.4* 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 P< 0.05. * and * * indicate statistical significance of variance at P< 0.05 and P< 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. 数据为4个地块的平均值± 标准差, 同一年度或年度平均数据后的不同小写字母表示处理间差异显著(P< 0.05)。* 和* * 分别表示方差在P< 0.05和P< 0.01水平显著。

表4 膜侧施肥对小麦营养器官全氮含量和籽粒蛋白质含量的影响 Table 4 Effects of RFF cropping pattern on total N content in vegetative organs and grain protein content of wheat

2.4 膜侧施肥对小麦氮素积累和转运的影响垄覆沟播和膜侧施肥调节小麦营养器官花前氮素积累、转运及其对籽粒的贡献率的效果显著, 但在不同年度表现不同(表5)。3年总体来看, 垄覆沟播较传统平作, 不影响花前氮素积累量, 但偏湿润的2014— 2015年度的花前氮素转运量、转运率及其对籽粒的贡献率均显著提高, 而其他2个年度上述指标无显著变化。膜侧施肥较传统平作和垄覆沟播, 不影响花前氮素的转运率, 但3年花前氮素积累量及其向籽粒的转运量均显著提高, 比传统平作分别高23.6%、28.0%, 比垄覆沟播高18.9%、14.3%, 而且较传统平作显著提高了转运氮素对籽粒的贡献率。可见, 膜侧施肥提高了小麦花前氮素积累量及其向籽粒的转运量, 可为提高小麦籽粒蛋白质含量奠定氮素营养基础。
表5
Table 5
表5(Table 5)

表5 膜侧施肥对小麦氮素积累、转运及其对籽粒的贡献率的影响 Table 5 Effects of RFF cropping pattern on accumulation and translocation of nitrogen and its contribution proportion to wheat grain 年度 Year 处理 Treatment 花前氮素积累量 N accumulation before anthesis (kg hm-2) 转运量 Translation amount (kg hm-2) 转运率 Translation proportion (%) 贡献率 Contribution proportion (%) 2013-2014 传统平作 CP 103± 9 c 62± 5 b 61± 3 a 65± 3 a 垄覆沟播 RF 111± 8 b 69± 6 b 62± 4 a 71± 4 a 膜侧施肥 RFF 130± 13 a 79± 10 a 61± 3 a 67± 4 a 2014-2015 传统平作 CP 159± 21 b 66± 11 b 42± 9 c 70± 6 b 垄覆沟播 RF 167± 6 b 87± 6 a 52± 5 a 87± 11 a 膜侧施肥 RFF 202± 9 a 96± 22 a 47± 10 b 90± 11 a 2015-2016 传统平作 CP 118± 12 b 95± 13 b 81± 4 ab 86± 11 ab 垄覆沟播 RF 119± 8 b 97± 6 b 82± 3 a 91± 8 a 膜侧施肥 RFF 140± 3 a 107± 4 a 78± 3 b 81± 8 b 年度平均 传统平作 CP 127± 12 b 75± 7 c 61± 3 b 74± 6 b Average across years 垄覆沟播 RF 132± 7 b 84± 3 b 65± 3 a 82± 3 a 膜侧施肥 RFF 157± 7 a 96± 8 a 63± 4 ab 80± 4 a 变异来源(F值) 处理 Treatment (T) 48.5* * 22.8* * 3.3 4.3* Source of variance 年度 Year (Y) 193.0* * 14.4* * 48.4* * 18.9* * (F-value) 处理× 年度 T× Y 1.1 2.1 3.0* 2.2 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 P< 0.05. * and * * indicate statistical significance of variance at P< 0.05 and P< 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. 数据为4个地块的平均值± 标准差, 同一年度或年度平均数据后的不同小写字母表示处理间差异显著(P< 0.05)。* 和* * 分别表示方差在P< 0.05和P< 0.01水平显著。

表5 膜侧施肥对小麦氮素积累、转运及其对籽粒的贡献率的影响 Table 5 Effects of RFF cropping pattern on accumulation and translocation of nitrogen and its contribution proportion to wheat grain

2.5 膜侧施肥对小麦不同生育时期0~40 cm土壤硝态氮含量的影响垄覆沟播和膜侧施肥比传统平作显著提高了0~40 cm土壤硝态氮含量(表6), 尤其是在开花期, 且增长幅度随定位试验的持续而加大。膜侧施肥开花期和收获期0~40 cm土壤硝态氮含量较垄覆沟播显著提高, 其中开花期在3年中分别提高99.3%、62.3%和113.3%, 收获期分别提高61.9%、71.7%和152.3%。说明膜侧施肥可提高小麦生育后期0~40 cm土壤的硝态氮含量, 从而提高耕层土壤的氮素供应能力。
表6
Table 6
表6(Table 6)

表6 膜侧施肥对不同生育时期0~40 cm土层土壤硝态氮含量的影响 Table 6 Effects of RFF cropping pattern on nitrate-N content in 0-40 cm soil layer at different growing stages (mg kg-1) 年度 Year 处理 Treatment 拔节期 Jointing 开花期 Anthesis 收获期 Harvest 2013-2014 传统平作 CP 34.5± 19.5 a 13.8± 6.2 b 8.5± 3.2 b 垄覆沟播 RF 37.2± 25.2 a 13.9± 2.8 b 14.7± 3.7 b 膜侧施肥 RFF 26.0± 15.8 a 27.7± 2.3 a 23.8± 4.4 a 2014-2015 传统平作 CP 8.5± 5.2 b 3.0± 1.5 c 5.0± 2.6 b 垄覆沟播 RF 20.9± 2.8 a 7.7± 2.9 b 6.0± 1.1 b 膜侧施肥 RFF 26.6± 2.4 a 12.5± 4.0 a 10.3± 1.9 a 2015-2016 传统平作 CP — 4.5± 1.1 c 9.5± 1.6 b 垄覆沟播 RF — 9.0± 1.7 b 8.8± 1.4 b 膜侧施肥 RFF — 19.2± 7.9 a 22.2± 4.9 a 年度平均 传统平作 CP 21.5± 10.8 a 7.1± 2.1 c 7.7± 1.3 c Average across years 垄覆沟播 RF 29.1± 14.1 a 10.2± 0.9 b 9.8± 0.8 b 膜侧施肥 RFF 26.3± 8.8 a 19.8± 5.3 a 18.8± 2.4 a 变异来源(F值) 处理 Treatment (T) 1.2 30.4* * 87.2* * Source of variance (F-value) 年度 Year (Y) 3.3 9.1* 8.3* 处理× 年度 T× Y 3.6 1.0 5.8* 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 P< 0.05. * and * * indicate statistical significance of variance at P< 0.05 and P< 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. 数据为4个地块的平均值± 标准差, 同一年度或年度平均数据后的不同小写字母表示处理间差异显著(P< 0.05)。* 和* * 分别表示方差在P< 0.05和P< 0.01水平显著。— 表示该时期未测定。

表6 膜侧施肥对不同生育时期0~40 cm土层土壤硝态氮含量的影响 Table 6 Effects of RFF cropping pattern on nitrate-N content in 0-40 cm soil layer at different growing stages (mg kg-1)

2.6 膜侧施肥对小麦生育期土壤水分消耗和水分利用效率的影响从3年的平均值来看, 垄覆沟播和膜侧施肥对土壤水分消耗的影响不显著, 但年度间有变化。在偏湿润的2014— 2015年度, 两覆膜处理生育期内0~200 cm土层的水分消耗量较传统平作分别减少8.1%和12.2%, 垄覆沟播主要使0~100 cm土层的耗水量降低, 而膜侧施肥还使更深层土壤(100~ 200 cm)的水分消耗量减少; 在偏旱的2015— 2016年度, 膜侧施肥100~200 cm土层的土壤水分消耗量较传统平作高7.1%, 与垄覆沟播无显著差异(表7)。与传统平作相比, 垄覆沟播和膜侧施肥显著提高了旱地小麦水分利用效率, 平均提高8.1%和16.1%; 膜侧施肥比垄覆沟播的水分利用效率高, 尤其在偏旱的2013— 2014和2015— 2016年度显著增加(表7)。
表7
Table 7
表7(Table 7)

表7 膜侧施肥对小麦生育期土壤水分消耗和水分利用效率的影响 Table 7 Effects of RFF cropping pattern on soil water consumption during growing period and water use efficiency (WUE) of wheat 年度 Year 处理 Treatment 播前底墒 Soil water storage before seeding stage (mm) 土壤水分消耗 Soil water consumption (mm) 水分利用效率 WUE (kg hm-2 mm-1) 0-100 cm 100-200 cm 0-200 cm 2013-2014 传统平作 CP 396± 33 a 81± 15 a 26± 9 a 106± 23 a 12.1± 1.4 c 垄覆沟播 RF 396± 33 a 83± 20 a 27± 15 a 110± 23 a 12.8± 0.4 b 膜侧施肥 RFF 396± 33 a 86± 12 a 26± 8 a 112± 15 a 13.7± 1.3 a 2014-2015 传统平作 CP 529± 35 a 156± 8 a 67± 48 a 222± 55 a 11.2± 2.2 b 垄覆沟播 RF 522± 31 a 136± 14 b 69± 43 a 204± 37 ab 12.2± 2.0 a 膜侧施肥 RFF 539± 24 a 137± 10 b 58± 42 b 195± 37 b 13.1± 2.9 a 2015-2016 传统平作 CP 451± 19 ab 153± 10 a 59± 12 b 212± 20 b 13.8± 1.1 b 垄覆沟播 RF 446± 16 b 143± 15 a 72± 7 ab 220± 20 ab 15.0± 1.8 b 膜侧施肥 RFF 468± 8 a 150± 10 a 86± 4 a 227± 14 a 16.5± 1.1 a 年度平均 传统平作 CP 456± 13 b 130± 6 a 51± 15 a 170± 15 a 12.4± 1.0 c Average across 垄覆沟播 RF 454± 20 b 122± 8 b 56± 17 a 166± 12 a 13.4± 1.0 b years 膜侧施肥 RFF 468± 12 a 124± 4 ab 57± 15 a 170± 12 a 14.4± 1.0 a 变异来源(F值) 处理 Treatment (T) 4.9* 2.7 0.6 0.2 17.6* * Source of variance 年度 Year (Y) 22.3* * 35.3* * 6.2* 16.1* * 4.0 (F-value) 处理× 年度 T× Y 0.6 3.6* 1.6 4.5* 0.4 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 P< 0.05. * and * * indicate statistical significance of variance at P< 0.05 and P< 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. 数据为4个地块的平均值± 标准差, 同一年度或年度平均数据后的不同小写字母表示处理间差异显著(P< 0.05)。* 和* * 分别表示方差在P< 0.05和P< 0.01水平显著。

表7 膜侧施肥对小麦生育期土壤水分消耗和水分利用效率的影响 Table 7 Effects of RFF cropping pattern on soil water consumption during growing period and water use efficiency (WUE) of wheat

2.7 膜侧施肥对小麦收获后土壤水分恢复的影响垄覆沟播0~200 cm土壤贮水量可以在下季小麦播前恢复到甚至高于传统平作的水平, 而膜侧施肥土壤贮水量较垄覆沟播还能提高4.3%, 但两者恢复或提高的机制因降水和收获期土壤贮水情况而异(表8)。在返青后偏旱、休闲期偏湿润的2013— 2014年度, 两者的土壤水分之所以能够恢复是因为收获期土壤贮水无差异, 且膜侧施肥在降水偏多的夏休闲季分别比传统平作和垄覆沟播多集蓄了5.4%和7.1%的降水; 在返青后降水偏多的2014— 2015年度, 主要是因为小麦收获期土壤残留的水分比传统平作多, 尤其是膜侧施肥收获期土壤贮水量比传统平作高12.1%; 在返青后干旱且休闲季仍然偏旱的2015— 2016年度, 垄覆沟播和膜侧施肥0~200 cm土壤在夏休闲季分别比传统平作蓄水多1.0倍和0.9倍。可见, 垄覆沟播和膜侧施肥能减少土壤水分的无效损耗或增加收获后夏休闲季的降水集蓄, 从而使土壤水分在下季小麦播前得到恢复甚至提高, 以膜侧施肥效果更好。
表8
Table 8
表8(Table 8)

表8 膜侧施肥对休闲季土壤蓄水量(SWH)和下季播前土壤贮水量(SWS)的影响 Table 8 Effects of RFF cropping pattern on soil water harvest (SWH) during fallow period and soil water storage (SWS) before seeding of next wheat season (mm) 处理 Treatment 降水量 Precipitation 收获期SWS SWS at harvest 休闲季SWH SWH during fallow period 下季播前SWS SWS before seeding of next season 全生育期 Growth duration 返青-收获 Reviving-harvest 休闲季 Fallow period 2013-2014 传统平作 CP 256 183 340 290± 7 a 232± 39 b 529± 38 a 垄覆沟播 RF 256 183 340 287± 18 a 234± 33 b 522± 22 a 膜侧施肥 RFF 256 183 340 287± 26 a 251± 33 a 539± 23 a 2014-2015 传统平作 CP 246 212 287 307± 28 b 144± 26 a 451± 19 ab 垄覆沟播 RF 246 212 287 318± 27 b 128± 24 ab 446± 16 b 膜侧施肥 RFF 246 212 287 344± 29 a 124± 32 b 468± 8 a 2015-2016 传统平作 CP 185 80 158 239± 9 a 35± 15 b 273± 18 b 垄覆沟播 RF 185 80 158 226± 21 a 70± 4 a 295± 24 a 膜侧施肥 RFF 185 80 158 231± 17 a 66± 4 a 297± 21 a 年度平均 Average across years 传统平作 CP 229 158 262 278± 10 a 137± 16 b 416± 12 b 垄覆沟播 RF 229 158 262 277± 22 a 144± 15 ab 421± 16 b 膜侧施肥 RFF 229 158 262 287± 23 a 147± 21 a 434± 16 a 变异来源(F值) Source of variance (F-value) 处理 Treatment (T) — — — 2.0 4.7* 5.1* 年度 Year (Y) — — — 117.3* * 68.2* * 157.1* * 处理× 年度 T× Y — — — 3.3 9.2* * 1.1 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 P< 0.05. * and * * indicate statistical significance of variance at P< 0.05 and P< 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. 数据为4个地块的平均值± 标准差, 同一年度或年度平均数据后的不同小写字母表示处理间差异显著(P< 0.05)。* 和* * 分别表示方差在P< 0.05和P< 0.01水平显著。

表8 膜侧施肥对休闲季土壤蓄水量(SWH)和下季播前土壤贮水量(SWS)的影响 Table 8 Effects of RFF cropping pattern on soil water harvest (SWH) during fallow period and soil water storage (SWS) before seeding of next wheat season (mm)

3 讨论3.1 小麦籽粒产量对膜侧施肥的响应本研究表明, 采用膜侧施肥可较传统平作提高或显著提高小麦籽粒产量, 在偏旱年份还能较垄覆沟播增产8.4%~15.6%, 增产的原因主要在于穗数和生物量的增加。在渭北旱塬通过施肥深度优化提高小麦产量的研究表明, 休闲季提前深耕一次结合深施肥的小麦产量比播种时深耕一次浅施肥提高12.0%~14.2%^[12], 播前20 cm深度施肥比地表撒施增产13.2%~14.4%, 主要原因也是穗数增加7.5%~ 9.5% ^[19]。在山东丘陵旱地, 播前20 cm深度施肥与地表撒施和10 cm深度施肥相比虽不影响穗数, 但小麦生物量提高8.1%~15.0%, 也使小麦增产6.7%~ 12.1%^[20]。在江苏泰州, 种子正下方5 cm条施磷肥较地表撒施磷肥增产10.5%, 主要也是因为其生物量提高了37.7%^[21]。
此外, 田间观测发现, 小麦垄覆沟播和膜侧施肥种植, 拔节前的物候期均比传统平作提前、株高增加, 但抽穗开花却推迟, 且膜侧施肥小麦的开花期比垄覆沟播还晚2~3 d。说明膜侧施肥延缓了开花, 从而促进开花前植株的干物质积累, 这可能是膜侧施肥小麦开花期地上部干重比垄覆沟播和传统平作均显著提高的主要原因, 也为灌浆期小麦籽粒的形成以及产量提高奠定了物质基础。
3.2 小麦籽粒蛋白质含量对膜侧施肥的响应与传统平作相比, 垄覆沟播的小麦籽粒蛋白质含量平均降低5.8%, 且主要发生在显著增产的2013— 2014和2015— 2016年度, 但两者的籽粒氮素积累量却无显著差异, 说明降低的主要原因是籽粒产量提高引起的养分稀释效应^[22]。另外, 垄覆沟播虽然不降低0~40 cm土壤的硝态氮, 但其0~100 cm土壤硝态氮降低29%~47%^[11], 表明花后深层土壤硝态氮减少、有效氮素供应不足, 也是垄覆沟播小麦籽粒蛋白质含量降低的一个重要因素。垄覆沟播条件下, 0~40 cm土壤硝态氮含量提高的原因可能是其氮肥均匀施于表层土壤, 被薄膜分开的两行小麦行距(40 cm)宽于传统平作中小麦的行距(20 cm)不利于小麦根系吸收而导致土壤氮素在薄膜下方累积^[23]。
优化施肥可以改善土壤氮素供应和小麦氮素吸收及其向籽粒的分配^{[24, 25]}。以往的研究表明, 氮肥条施可以降低土壤氮素挥发损失^{[26, 27]}, 靠近小麦播种行或根系将氮肥施于垄内, 可以减缓硝态氮向下层土壤淋失^{[19, 27]}, 提高上层土壤硝态氮含量^{[23, 28]}和作物利用效率^{[27, 30]}, 但目前没有关于这些措施对小麦籽粒蛋白质含量影响的报道。本研究中, 在小麦开花和收获期, 膜侧施肥使0~40 cm土壤的硝态氮含量显著增加, 说明采用膜侧施肥技术将肥料条施于薄膜内靠近小麦播种行的一侧、种子侧下方的5 cm处, 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, 滞留在耕层土壤中, 即使播前一次施肥, 也能保证土壤较长时间的供氮能力, 从而显著提高小麦根系和开花期茎叶全氮含量、花前氮素积累量及其向籽粒的转运量, 进而确保小麦籽粒蛋白质形成的氮源, 在稳产或增产的同时提高小麦籽粒蛋白质含量。
3.3 水分利用和恢复对膜侧施肥的响应本试验发现, 垄覆沟播和膜侧施肥均能提高旱地小麦籽粒产量, 后者在偏湿润的年份可以进一步减少小麦生育期耗水, 在偏旱或干旱的年份可充分利用深层(100~200 cm)土壤水分, 促进作物对土壤水的吸收利用和增加产量, 从而提高小麦水分利用效率。垄覆沟播不仅可促进垄上雨水流向沟内, 增加沟内微域水量, 利于水分渗入土壤深层, 提高土壤贮水^[6], 而且能减少棵间土壤水分蒸发, 提高蒸腾/蒸发比, 使农田土壤水分消耗主要用于蒸腾^{[31, 32]}, 实现旱地水分高效利用^{[33, 34]}, 从而提高旱地小麦产量^{[7, 35]}。膜侧施肥在减蒸增蓄的基础上, 还能改善小麦生长后期的土壤氮素供应, 这也有利于进一步提高小麦籽粒产量和水分利用效率^[20]。
本试验还表明, 垄覆沟播的土壤贮水可在下季小麦播种时恢复到与传统平作一致的水平, 而膜侧施肥的土壤贮水还能显著提高, 但两者恢复或提高的机制因降水情况而异。在偏旱年份主要是因为保水栽培在夏休闲季降水蓄集增加, 在偏湿润年份主要是因为其在小麦收获期土壤贮存的水分比传统平作多, 尤其以膜侧施肥效果更好。在西北旱地小麦的研究中也发现, 休闲季覆膜^[9]和秸秆覆盖^[36]均有利于提高土壤蓄水效率和播种期土壤贮水量, 在垄覆膜的基础上结合沟内秸秆覆盖甚至可以使0~200 cm土层多蓄水108 mm ^[37]。膜侧施肥与垄覆沟播相比提高了下季播前土壤贮水量, 主要是因为其收获期的生物量大、休闲季还田覆盖的秸秆量高, 有利于减少蒸发、蓄水保墒^[36]。因此, 从土壤水分平衡的角度看, 膜侧施肥能减少土壤水分无效消耗, 并使土壤水分在收获后的夏休闲季得到恢复甚至提高, 可实现旱地小麦可持续生产。

4 结论与传统平作相比, 垄覆沟播可以提高小麦产量和水分利用效率, 但降低了小麦籽粒蛋白质含量。在垄覆沟播的基础上膜侧施肥显著提高小麦籽粒蛋白质含量和水分利用效率, 且在偏旱年份显著提高籽粒产量。膜侧施肥与垄覆沟播相比还能提高开花和收获期的土壤硝态氮含量和小麦根系全氮含量, 提高开花期茎叶全氮含量, 促进营养器官花前氮素的积累及其向籽粒的转运, 这是其提高小麦籽粒蛋白质含量的主要原因。
The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。


参考文献View Option
原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子

[1]	中华人民共和国国家统计局. 中国统计年鉴2014 National Bureau of Statistics of China. China Statistical Yearbook 2014 (in Chinese)[本文引用:1]
[2]	Wang F H, He Z H, Sayre K, Li S D, Si J S, Feng B, Kong L G. Wheat cropping systems and technologies in China. Field Crops Res, 2009, 111: 181-188[本文引用:1]
[3]	Zhang S L, Sadras V, Chen X P, Zhang F S. Water use efficiency of dryland wheat in the Loess Plateau in response to soil and crop management. Field Crops Res, 2013, 151: 9-18[本文引用:1]
[4]	孙敏, 温斐斐, 高志强, 任爱霞, 邓妍, 赵维峰, 赵红梅, 杨珍平, 郝兴宇, 苗果园. 不同降水年型旱地小麦夏闲期耕作的蓄水增产效应. 作物学报, 2014, 40: 1459-1469 Sun M, Wen F F, Gao Z Q, Ren A X, Deng Y, Zhao W F, Zhao H M, Yang Z P, Hao X Y, Miao G Y. Effects of farming practice during fallow period on soil water storage and yield of dryland wheat in different rainfall years. Acta Agron Sin, 2014, 40: 1459-1469 (in Chinese with English abstract)[本文引用:2]
[5]	陈辉林, 田霄鸿, 王晓峰, 曹玉贤, 吴玉红, 王朝辉. 不同栽培模式对渭北旱塬区冬小麦生长期间土壤水分、温度及产量的影响. 生态学报, 2010, 30: 2424-2433 Chen H L, Tian X H, Wang X F, Cao Y X, Wu Y H, Wang Z H. Effects of different cultivation models on soil water, soil temperature and yield during the winter wheat growth in the Weibei dry highland . Acta Ecol Sin, 2010, 30: 2424-2433 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[6]	He G, Wang Z H, Li F C, Dai J, Li Q, Xue C, Cao H B, Wang S, Malhi S S. Soil water storage and winter wheat productivity affected by soil surface management and precipitation in dryland of the Loess Plateau, China. Agric Water Manag, 2016, 171: 1-9[本文引用:5]
[7]	柴守玺, 杨长刚, 张淑芳, 陈恒洪, 常磊. 不同覆膜方式对旱地冬小麦土壤水分和产量的影响. 作物学报, 2015, 41: 787-796 Chai S X, Yang C G, Zhang S F, Chen H H, Chang L. Effects of plastic mulching modes on soil moisture and grain yield in dryland winter wheat. Acta Agron Sin, 2015, 41: 787-796 (in Chinese with English abstract)[本文引用:2]
[8]	李廷亮, 谢英荷, 任苗苗, 邓树元, 单杰, 雷震宇, 洪坚平, 王朝辉. 施肥和覆膜垄沟种植对旱地小麦产量及水氮利用的影响. 生态学报, 2011, 31: 212-220 Li T L, Xie Y H, Ren M M, Deng S Y, Shan J, Lei Z Y, Hong J P, Wang Z H. Effects of fertilization and plastic film mulched ridge-furrow cultivation on yield and water and nitrogen utilization of winter wheat on dryland . Acta Ecol Sin, 2011, 31: 212-220 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[9]	高艳梅, 孙敏, 高志强, 崔凯, 赵红梅, 杨珍平, 郝兴宇. 不同降水年型旱地小麦覆盖对产量及水分利用效率的影响. 中国农业科学, 2015, 48: 3589-3599 Gao Y M, Sun M, Gao Z Q, Cui K, Zhao H M, Yang Z P, Hao X Y. Effects of mulching on grain yield and water use efficiency of dryland wheat in different rainfall years. Sci Agric Sin, 2015, 48: 3589-3599 (in Chinese with English abstract)[本文引用:4]
[10]	薛澄, 王朝辉, 李富翠, 赵护兵, 周玲, 李小涵. 渭北旱塬不同施肥与覆盖栽培对冬小麦产量形成及土壤水分利用的影响. 中国农业科学, 2011, 44: 4395-4405 Xue C, Wang Z H, Li F C, Zhao H B, Zhou L, Li X H. Effects of different fertilization and mulching cultivation methods on yield and soil water use of winter wheat on Weibei dryland . Sci Agric Sin, 2011, 44: 4395-4405 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[11]	李强, 王朝辉, 李富翠, 戴健, 李孟华, 何刚, 曹群虎, 段长林, 鱼昌为. 氮肥管理与地膜覆盖对旱地冬小麦产量和氮素利用效率的影响. 作物学报, 2014, 40: 93-100 Li Q, Wang Z H, Li F C, Dai J, Li M H, He G, Cao Q H, Duan C L, Yu C W. Effects of nitrogen fertilizer management on yield and nitrogen use efficiency in winter wheat growth on dryland with plastic film mulching. Acta Agron Sin, 2014, 40: 93-100 (in Chinese with English abstract)[本文引用:3]
[12]	吕殿青, 高华, 方日尧, 谷洁, 李旭晖. 渭北旱塬冬小麦产区提前深耕一次深施肥料的肥水效应与理论分析. 植物营养与肥料学报, 2009, 15: 269-275 Lyu D Q, Gao H, Fang R Y, Gu J, Li X H. Effect of water- fertilizer and theoretical analysis of deep plough-deep fertilization at one earlier time in winter wheat growing regions of Weibei rainfed cropland s. Plant Nutr Fert Sci, 2009, 15: 269-275 (in Chinese with English abstract)[本文引用:2]
[13]	Ju X T, Christie C P. Calculation of theoretical nitrogen rate for simple nitrogen recommendations in intensive cropping systems: a case study on the North China Plain. Field Crops Res, 2011, 124: 450-458[本文引用:1]
[14]	曹寒冰, 王朝辉, 师渊超, 杜明叶, 雷小青, 张文忠, 张璐, 蒲岳建. 渭北旱地冬小麦监控施氮技术的优化. 中国农业科学, 2014, 47: 3826-3838 Cao H B, Wang Z H, Shi Y C, Du M Y, Lei X Q, Zhang W Z, Zhang L, Pu Y J. Optimization of nitrogen fertilizer recommendation technology based on soil test for winter wheat on Weibei dryland . Sci Agric Sin, 2014, 47: 3826-3838 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[15]	Zhang Y P, Zhang Y H, Wang Z M, Wang Z J. Characteristics of canopy structure and contributions of non-leaf organs to yield in winter wheat under different irrigated conditions. Field Crops Res, 2011, 123: 187-195[本文引用:1]
[16]	Dai J, Wang Z H, Li F C, He G, Wang S, Li Q, Cao H B, Luo L C, Zan Y L, Meng X Y, Zhang W W, Wang R H, Malhi S S. Optimizing nitrogen input by balancing winter wheat yield and residual nitrate in soil in a long-term dryland field experiment in the Loess Plateau of China. Field Crops Res, 2015, 181: 32-41[本文引用:1]
[17]	霍中洋, 葛鑫, 张洪程, 戴其根, 许轲, 龚振恺. 不同氮肥施用方式对专用型小麦氮素吸收和利用的影响. 作物学报, 2004, 30: 449-454 Huo Z Y, Ge X, Zhang H C, Dai Q G, Xu K, Gong Z K. Effect of different nitrogen application types on N-absorption and N-utilization rate of specific use cultivars of wheat. Acta Agron Sin, 2004, 30: 449-454 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[18]	朱新开, 周君良, 封超年, 郭文善, 彭永欣. 不同类型专用小麦籽粒蛋白质及其组分含量变化动态差异分析. 作物学报, 2005, 31: 342-347 Zhu X K, Zhou J L, Feng C N, Guo W S, Peng Y X. Differences of protein and its component accumulation in wheat for different end uses. Acta Agron Sin, 2005, 31: 342-347 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[19]	方日尧, 赵惠青, 同延安. 渭北旱原冬小麦深施肥沟播综合效应研究. 农业工程学报, 2000, 16(1): 49-52 Fang R Y, Zhao H Q, Tong Y A. Research on integrated effect deep application of fertilizer and furrow-sowing winter wheat on Weibei rainfed highland . Trans CSAE, 2000, 16(1): 49-52 (in Chinese with English abstract)[本文引用:2]
[20]	段文学, 于振文, 石玉, 张永丽, 赵俊晔. 施氮深度对旱地小麦耗水特性和干物质积累与分配的影响. 作物学报, 2013, 39: 657-664 Duan W X, Yu Z W, Shi Y, Zhang Y L, Zhao J Y. Effects of nitrogen application depth on water consumption characteristics and dry matter accumulation and distribution in rainfed wheat. Acta Agron Sin, 2013, 39: 657-664 (in Chinese with English abstract)[本文引用:2]
[21]	江尚焘, 王火焰, 周健民, 陈照明, 刘晓伟, 贾云生. 磷肥施用方式及类型对冬小麦产量和磷素吸收的影响. 应用生态学报, 2016, 27: 1503-1510 Jiang S T, Wang H Y, Zhou J M, Chen Z N, Liu X W, Jia Y S. Effects of phosphorus fertilizer application methods and types on the yield and phosphorus uptake of winter wheat. Chin J Appl Ecol, 2016, 27: 1503-1510 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[22]	Oury F X, Godin C. Yield and grain protein concentration in bread wheat: how to use the negative relationship between the two characters to identify favorable genotypes? Euphytica, 2007, 157: 45-57[本文引用:1]
[23]	Ruidisch M, Bartsch S, Kettering J, Huwe B, Frei S. The effect of fertilizer best management practices on nitrate leaching in a plastic mulched ridge cultivation system. Agric Ecosyst Environ, 2013, 169: 21-32[本文引用:2]
[24]	Rao S C, Dao T H. Fertilizer placement and tillage effects of nitrogen assimilation by wheat. Agron J, 1992, 84: 1028-1032[本文引用:1]
[25]	Duan W X, Shi Y, Zhao J Y, Zhang Y L, Yu Z W. Depth of nitrogen fertilizer placement affects nitrogen accumulation, translocation and nitrate-nitrogen content in soil of rainfed wheat. Int J Plant Prod, 2015, 9: 237-256[本文引用:1]
[26]	李鑫, 巨晓棠, 张丽娟, 万云静, 刘树庆. 不同施肥方式对土壤氨挥发和氧化亚氮排放的影响. 应用生态学报, 2008, 19: 99-104 Li X, Ju X T, Zhang L J, Wan Y J, Liu S Q. Effects of different fertilization modes on soil ammonia volatilization and nitrous oxide emission. Chin J Appl Ecol, 2008, 19: 99-104 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[27]	Liu T Q, Fan D J, Zhang X X, Chen J, Li C F. Cao C G. Deep placement of nitrogen fertilizers reduces ammonia volatilization and increases nitrogen utilization efficiency in no-tillage paddy fields in central China. Field Crops Res, 2015, 184: 80-90[本文引用:3]
[28]	冯波, 孔令安, 张宾, 司纪升, 李升东, 王法宏. 施氮量对垄作小麦氮肥利用率和土壤硝态氮含量的影响. 作物学报, 2012, 38: 1107-1114 Feng B, Kong L A, Zhang B, Si J S, Li S D, Wang F H. Effect of nitrogen application level on nitrogen use efficiency in wheat and soil nitrate-N content under bed planting condition. Acta Agron Sin, 2012, 38: 1107-1114 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[29]	赵允格, 邵明安, 张兴昌. 成垄压实施肥对氮素运移及氮肥利用率的影响. 应用生态学报, 2004, 15: 68-72 Zhao Y G, Shao M A, Zhang X C. Impact of localized compaction and ridge fertilization on field nitrate transport and nitrate use efficiency. Chin J Appl Ecol, 2004, 15: 68-72 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[30]	杨云马, 孙彦铭, 贾良良, 孟春香, 贾树龙. 氮肥基施深度对夏玉米产量、氮素利用及氮残留的影响. 植物营养与肥料学报, 2016, 22: 830-837 Yang Y M, Sun Y M, Jia L L, Meng C X, Jia S L. Effect of base nitrogen application depth on summer maize yield, nitrogen utilization efficiency and nitrogen residue. Plant Nutr Fert Sci, 2016, 22: 830-837[本文引用:1]
[31]	Li S X, Wang Z H, Li S Q, Gao Y J, Tian X H. Effect of plastic sheet mulch, wheat straw mulch, and maize growth on water loss by evaporation in dryland areas of China. Agric Water Manag, 2013, 116: 39-49[本文引用:1]
[32]	王彩绒, 田霄鸿, 李生秀. 沟垄覆膜集雨栽培对冬小麦水分利用效率及产量的影响. 中国农业科学, 2004, 37: 208-214 Wang C R, Tian X H, Li S X. Effects of plastic sheet-mulching on ridge for rainwater-harvesting cultivation on WUE and yield of winter wheat. Sci Agric Sin, 2004, 37: 208-214 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[33]	范颖丹, 柴守玺, 程宏波, 陈玉章, 杨长刚, 黄彩霞, 常磊, 逄蕾. 覆盖方式对旱地冬小麦土壤水分的影响. 应用生态学报, 2013, 24: 3137-3144 Fan Y D, Chai S X, Cheng H B, Chen Y Z, Yang C G, Huang C X, Chang L, Pang L. Effects of mulching on soil moisture in a dryland winter wheat field, northwest China. Chin J Appl Ecol, 2013, 24: 3137-3144 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]
[34]	Wang X B, Cai D X, Hoogmoed W B, Oenema O, Perdok U D. Developments in conservation tillage in rained regions of North China. Soil & Till Res, 2007, 93: 239-250[本文引用:1]
[35]	Gan Y T, Siddique K H M, Turner N C, Li X G, Niu J Y, Yang C, Liu L P， Chai Q. Chapter seven: Ridge-furrow mulching systems: An innovative technique for boosting crop productivity in semiarid rain-fed environments. Adv Agron, 2013, 118: 429-476[本文引用:1]
[36]	Zhang P, Wei T, Wang H X, Wang M, Meng X P, Mou S W, Zhang R, Jia Z K, Han Q F. Effects of straw mulch on soil water and winter wheat production in dryland farming. Sci Rep, 2015, 5: 10725[本文引用:2]
[37]	廖允成, 温晓霞, 韩思明, 贾志宽. 黄土台原旱地小麦覆盖保水技术效果研究. 中国农业科学, 2003, 36: 548-552 Liao Y C, Wen X X, Han S M, Jia Z K. Effect of mulching of water conservation for dryland winter wheat in the loess tableland . Sci Agric Sin, 2003, 36: 548-552 (in Chinese with English abstract)[本文引用:1]