刘凯^,1, 谢英荷^,1,2, 李廷亮^1,2, 马红梅^1,2, 张奇茹¹, 姜丽伟¹, 曹静¹, 邵靖琳¹¹山西农业大学资源环境学院,山西太谷 030801
²山西农业大学农业资源与环境国家级实验教学示范中心,山西太谷 030801

Effects of Nitrogen Reduction and Film Mulching on Wheat Yield and Nutrient Absorption and Utilization in Loess Plateau

LIU Kai^,1, XIE YingHe^,1,2, LI TingLiang^1,2, MA HongMei^1,2, ZHANG QiRu¹, JIANG LiWei¹, CAO Jing¹, SHAO JingLin¹¹College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi
²National Experimental Teaching Demonstration Center of Agricultural Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi

通讯作者: 谢英荷,E-mail：xieyinghe@163.com

责任编辑: 李云霞
收稿日期:2020-08-5接受日期:2021-01-18网络出版日期:2021-06-16

基金资助:

国家重点研发计划.2018YFD0200401 山西省研究生教育创新项目.2020SY191 国家公益性行业农业科研专项.201503124 山西省重点研发计划.201803D221005-2

Received:2020-08-5Accepted:2021-01-18Online:2021-06-16
作者简介 About authors
刘凯,E-mail：294408490@qq.com。










摘要
【目的】明确长期减氮定量监控施肥和地膜覆盖措施下黄土旱塬冬小麦产量变化规律和土壤养分吸收利用情况,指导该区小麦科学施肥、实现区域小麦增产。【方法】基于在晋南旱地冬小麦种植区的长期定位试验区,于2012—2019年设置农户施肥种植模式（农户模式）、减氮定量监控施肥（减氮处理）和减氮定量监控施肥+垄膜沟播（减氮覆膜）3种处理,具体分析在减氮覆膜条件下连续7年冬小麦产量及产量构成、冬小麦对氮磷钾肥吸收及利用效率、冬小麦花前花后营养元素转移和吸收以及0—2 m土层氮素残留状况。【结果】减氮处理较农户模式在总施氮量减少33.5%、平衡施用磷钾肥的情况下,籽粒产量、生物产量无显著差异。籽粒吸氮量提高8.9%,氮肥、磷肥表观回收率和氮肥偏生产力分别提高7.6%、2.7%和55.0%。花前营养器官转移量提高24.2%,0—2 m土层硝态氮总残留量降低了34.4%。在减氮处理基础上进行地膜覆盖后,籽粒产量和生物产量分别较不覆膜提高24.3%和25.5%,籽粒的氮磷钾吸收量分别提高20.9%、35.0%和33.1%,氮、磷、钾肥表观回收率及其偏生产力分别提高3.7%、2.7%、4.8%和22.8%、22.8%、22.0%,花前氮素和磷素吸收量分别显著增加25.4%和57.5%,0—2 m土层硝态氮总残留量降低25.1%。【结论】通过减少氮肥用量和平衡施用磷钾肥,可在实现冬小麦稳产的前提下,提高肥料的利用效率,减少土壤中氮素的残留量。在减氮处理基础上进行覆膜种植后,可实现冬小麦产量的增加,促进养分的吸收转移,进一步提高肥料利用效率,同时在降低硝态氮累积带来环境风险方面有更加显著的效应。
关键词： 减氮;覆膜;黄土旱塬;冬小麦;产量;养分吸收利用

Abstract
【Objective】The Loess Plateau is an important wheat growing area in China, however the phenomenon of unreasonable fertilization and low yield is widespread. The aim of this study was to clarify the yield variation of winter wheat and the absorption and utilization of soil nutrients under long-term nitrogen reduction and quantitative monitoring of fertilization and mulching, so as to provide a recommendation for the scientific and rational fertilization of winter wheat and the increase of regional wheat production in the loess tableland. 【Method】 Based on the long-term positioning of the experimental land in the winter wheat growing area in the dry land of south Shanxi Province, three treatments were set up from 2012 to 2019, including farmer pattern (FP) , monitoring fertilization (MF) and monitoring fertilization plus ridge mulching-furrow planting (RFSF), to study the yield and composition of winter wheat, the absorption and utilization efficiency of nitrogen(N), phosphorus (P) and potassium (K) fertilizer, the transfer and absorption of nutrients before and after flowering and the N residue in the soil layer of 0-2 m .【Result】Compared with the FP, the total nitrogen application of MF decreased by 33.5% and balanced addition of phosphate and potassium fertilizer, while there was no significant difference in grain yield, biological yield and yield composition between FP and MP; the nitrogen uptake rate under MF was increased by 8.9%, and the apparent recovery rate of nitrogen fertilizer, phosphate fertilizer and nitrogen partial productivity under MF were increased by 7.6%, 2.7% and 55.0%, respectively; the transplanting amount of vegetative organs before flower under MF was 24.2% higher than that under FM, and the nitrogen uptake after flower was reduced. The total residual nitrate nitrogen in the soil layer of 0-2 m was 34.4% lower than that under the farmer model. Mulch was carried out on the basis of quantitative monitoring and fertilization of nitrogen reduction, grain yield and biological yield under RFSF increased by 24.3% and 25.5% than that under no mulch, respectively. The N, P and K uptake of grains increased by 20.9%, 35.0% and 33.1%, respectively. The apparent recovery and partial productivity of N, P and K fertilizer increased by 3.7%, 2.7%, 4.8% and 22.8%, 22.8%, 22.0%, respectively; nitrogen and phosphorus uptake increased significantly by 25.4% and 57.5% before flowering, respectively; the total residue of nitrate nitrogen in the 0-2 m soil layer was reduced by 25.1%.【Conclusion】On the premise of achieving stable winter wheat yield, the utilization efficiency of fertilizer could be improved and the residual amount of nitrogen in soil could be reduced by reducing the amount of nitrogen fertilizer and balanced application of phosphate fertilizer. Mulching on the basis of quantitative monitoring and fertilization of nitrogen reduction could increase the yield of winter wheat, further improve the utilization efficiency of fertilizer, and had a more significant effect on reducing environmental risks caused by nitrate nitrogen accumulation.
Keywords：nitrogen reduction;film mulching;Loess Plateau;winter wheat;yield;nutrient absorption and utilization


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本文引用格式
刘凯, 谢英荷, 李廷亮, 马红梅, 张奇茹, 姜丽伟, 曹静, 邵靖琳. 减氮覆膜对黄土旱塬小麦产量及养分吸收利用的影响[J]. 中国农业科学, 2021, 54(12): 2595-2607 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.12.010
LIU Kai, XIE YingHe, LI TingLiang, MA HongMei, ZHANG QiRu, JIANG LiWei, CAO Jing, SHAO JingLin. Effects of Nitrogen Reduction and Film Mulching on Wheat Yield and Nutrient Absorption and Utilization in Loess Plateau[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(12): 2595-2607 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.12.010


同口开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

0 引言

【研究意义】小麦是我国主要的粮食作物,黄土高原地区是我国重要的小麦种植区,种植面积达270万公顷,占全国小麦种植面积的10%以上^[1]。在黄土高原旱地区,土壤全氮和有机质含量较低,有机质含量仅为1.1%,超过一半土壤的有机质含量低于1%^[2],严重限制了当地农业发展。盲目施用化学肥料成为当地农民增产增收的重要手段,尤其是氮肥的施用量已远超作物需求量。据统计,我国在2015年的化学氮肥消费量为3.10×10⁷ t,占全球总消费量的28.5%,较1978年增加3.15倍^[3]。大量施用氮肥在增加作物产量的同时也增加了农民的投入,还造成了土壤氮素的残留与淋溶、氨挥发、氧化亚氮排放、水体富营养化等环境问题。因此,在维持小麦产量稳定的前提下,探寻科学的减氮施肥方法和种植模式成为当前急需解决的问题。【前人研究进展】刘艳妮等^[4]研究表明在黄土高原旱地小麦3年试验中,当施氮量达150 kg·hm^-2时,继续增加氮肥的施用量对小麦产量没有显著的提升作用,当施氮量超过225 kg·hm^-2时,继续增加施氮量反而会减少小麦产量,建议在该地区丰水年、欠水年和平水年推荐施氮量分别为170、99、150 kg·hm^-2。易琼等^[5]研究表明,在农户施肥基础上减少氮肥施用量20%—30%后,农作物产量并没有降低,氮肥当季利用率、氮素农学利用率以及氮素偏因子生产力则有所增加,且氮肥分次追施,能增加作物产量,节约成本。雒文鹤等^[6]在关中平原地区研究表明,当减量施氮50%即施氮150 kg·hm^-2时,可在获得较高籽粒产量的同时提高氮肥的利用效率,并使土壤中硝态氮含量和硝态氮淋失量处于相对较低水平。常凤等^[7]在传统施肥模式下减氮20%,氮肥的利用效率提高9.22%—13.64%,氮肥利用效率增加1.44—2.29 kg·kg^-1,产量增加6.6%。李银坤等^[8]在传统施肥模式的基础上减氮1/3,不仅没有显著影响到作物的产量和生物量,而且使0—180 cm土层的硝态氮残留量在夏玉米和冬小麦季分别降低18.1%—66.7%和37.3%—87.2%。李强等^[9]在黄土高原6年试验研究表明,减少氮肥施用量结合地膜覆盖可使小麦产量、氮肥偏生产力、氮肥生理利用率分别提高38.6%、49.6%和 35.1%。【本研究切入点】对于减氮措施已有不少的研究,但前人的研究大多集中于不同氮肥施用量或在传统施肥基础上定量减施对作物生长、产量和水肥利用效率等方面的影响,并未考虑氮、磷、钾肥的协同平衡科学施用和每年土壤中硝态氮残留的问题。【拟解决的关键问题】本研究在黄土旱塬冬小麦种植区进行了连续7年的田间定位试验,研究了采用减氮定量监控施肥技术以及在此基础上进行覆膜种植后小麦产量及产量构成、冬小麦对氮磷钾肥吸收利用效率和0—2 m土层氮素累积变化状况,以期为黄土旱塬冬小麦减氮增效的持续安全生产提供一定的理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于山西洪洞县刘家垣镇东梁村（36°22′N,111°35′E,海拔648 m）,为长期定位试验区。试验区属于温带季风气候,年均温12.6℃,年平均日照时数2 419 h,≥10℃活动积温3 327℃,无霜期180—210 d,年均降雨量约500 mm,约70%集中在6—9月。供试土壤为石灰性褐土,土壤质地为中壤土,2012年播前耕层土壤pH为7.9,有机质为14.6 g·kg^-1,全氮为0.8 g·kg^-1,硝态氮为10.4 mg·kg^-1,速效磷为10.4 mg·kg^-1,速效钾为208.2 mg·kg^-1。

Table 1
表1
表1冬小麦试验期间降水分布情况
Table 1The distribution characteristics of precipitation during the experiment period ofwinter wheat (mm)

年度 Year	夏闲期 Summer fallow period					生育时期 Growth period									周年降雨量 Annual rainfall
	Jun	Jul	Aug	Sep	Total	Oct	Nov	Dec	Jan	Feb	Mar	Apr	May	Total
2012—2013	13.8	150.5	114.9	55.1	334.3	11.6	7.3	4.1	1.2	3.3	4.7	15.4	67.8	115.4	449.7
2013—2014	27.9	312.8	66.6	57.4	464.7	36.4	4.3	0	0	12	18.1	52.1	63.7	186.6	651.3
2014—2015	75.7	61.8	126.9	148.9	413.3	10.9	6.2	0	4.2	3.3	0.5	38.6	32.2	95.9	509.2
2015—2016	22.2	51.1	15.5	51.5	140.3	49.9	49	0.8	4.2	1.8	2.3	21.6	54.2	183.8	324.1
2016—2017	61.8	248.3	31	16.5	357.6	50.1	10.8	6.2	1.2	4.8	4.1	37.7	31.8	146.7	504.3
2017—2018	87.4	148.3	66.8	17.3	319.8	73.2	1.3	3.4	5.2	0	21.2	67.1	29.8	201.2	521.0
2018—2019	46.4	62.3	0.5	66	175.2	0.1	23.4	1.4	2.8	6.4	0.4	33.6	0.8	68.9	244.1

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1.2 田间试验设计

试验始于2012年9月,2019年6月结束,设置3个处理。

处理1为农户施肥种植模式（农户模式FP）,常规平作,不覆膜,行距20 cm,施肥量为当地农民习惯的施肥量,具体为N：150 kg·hm^-2,P₂O₅：60 kg·hm^-2。

处理2为减氮定量监控施肥（减氮处理MF）,耕作方式同农户模式,施肥采用“0—100 cm土层硝态氮监控施肥,0—40 cm土层磷钾恒量施肥”技术^[10],其中施氮量（以纯N计）=作物目标产量需氮量-播前0—100 cm土层硝态氮累积量+播前0—100 cm 土层硝态氮安全阈值（110.0 kg·hm^-2）,目标产量是依据当地农户前3年的平均产量数据,同时结合当年夏闲期实际降雨量进行确定;施磷（钾）量=作物目标产量需磷（钾）量×施磷（钾）系数;施磷（钾）系数依据0—40 cm土层速效磷钾量确定。

处理3为减氮定量监控施肥+垄膜沟播（减氮覆膜RFSF）,在减氮测控施肥的基础上,垄上覆膜,沟内播种,垄宽35 cm,沟宽30 cm。

每个处理均设置对照处理（CK）,每个处理4次重复,采用随机区组排列。小区面积为360 m²,所有种植方式为播前浅旋耕,深度12—15 cm。试验中施用的氮肥为尿素（含N 46%）,磷肥为过磷酸钙（含 P₂O₅ 11%）,钾肥为氯化钾（含K₂O 60%）,均作底肥均匀施入土壤,翻入耕层后耙平。冬小麦品种为晋麦47号,播种量为150 kg·hm^-2,播种时间为每年10月初,收获时间为次年6月初,6—9月为夏闲期,冬小麦在整个生育期不灌溉。具体施肥量见表2。

Table 2
表2
表2试验各处理养分用量
Table 2The application rate of nutrients under different treatments（N-P₂O₅-K₂O, kg·hm^-2）

处理 Treatment	年度Year
	2012—2013	2013—2014	2014—2015	2015—2016	2016—2017	2017—2018	2018—2019
农户模式 FP	150-60-0	150-60-0	150-60-0	150-60-0	150-60-0	150-60-0	150-60-0
减氮处理 MF	125-105-41	95-63.8-37.9	105-83-53	114-53-45	90.75-74.85-31.8	84-111-29	85-92-17
减氮覆膜 RFSF	125-105-41	95-63.8-37.9	105-83-53	114-53-45	90.75-74.85-31.8	84-111-29	85-92-17

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1.3 样品采集与测定

1.3.1 样品采集 分别于2012—2019年冬小麦播种前和收获后,以20 cm为一层,每小区进行多点采样,采集0—2 m土层土样用于测定土壤硝态氮、有效磷和速效钾含量;在开花期采集冬小麦茎叶、茎秆和穗3部分样品,在收获期采集冬小麦籽粒、茎叶、茎秆和颖壳+麦轴4部分样品,测定各器官的氮磷钾含量;在小区内选取3个长为1 m的小麦样段,调查穗数、穗粒数及千粒重,收获期在各小区中央选取3 m×20 m样方,收获后脱粒机产。

1.3.2 测定项目与方法 土壤硝态氮采用CaCl₂浸提,流动分析仪测定。土壤有效磷采用NaHCO₃浸提,钼蓝比色法测定。土壤速效钾采用NH₄OAc浸提,火焰光度法测定。

1.4 计算公式

（1）籽粒收获指数=籽粒产量/地上部分生物量×100;

（2）植株各器官氮（磷、钾）素积累量（kg·hm^-2）=干物质质量（kg·hm^-2）×氮（磷、钾）素含量（g·kg^-1）/10³;

（3）N（P、K）肥表观回收率=[施N（P、K）肥后作物收获时地上部N（P、K）吸收总量-未施N（P、K）肥作物收获期地上部分的N（P、K）吸收总量]/化学纯N（P、K）的施入量;

（4）N（P、K）偏生产力（kg·kg^-1）=施N（P、K）肥后所获得的作物产量（kg·hm^-2）/化肥N（P、K）的施入量（kg·hm^-2）;

（5）花前营养器官氮（磷）素转移量（kg·hm^-2）=花期地上部氮素积累量（kg·hm^-2）-成熟期地上部营养器官氮素积累量（kg·hm^-2）;

（6）花后土壤氮（磷）素吸收量（kg·hm^-2）=籽粒氮素积累量（kg·hm^-2）-花前营养器官氮素转移量（kg·hm^-2）;

（7）氮（磷）素转移贡献率（%）=花前营养器官氮素转移量（kg·hm^-2）/籽粒氮素积累量（kg·hm^-2）×100;

（8）氮（磷）素吸收贡献率（%）=花后土壤氮素吸收量（kg·hm^-2）/籽粒氮素积累量（kg·hm^-2）×100;

（9）土壤硝态氮累积量（kg·hm^-2）=土层厚度（cm）×土壤容重（g·cm^-3）×土壤硝态氮含量（g·kg^-1）/10。

试验数据用 Microsoft Excel 2016 整理作图,并用 SPSS19.0软件进行统计分析,采用 LSD 法检验 P<0.05水平上的差异性。

2 结果

2.1 减氮覆膜对小麦产量及产量构成的影响

不同处理的冬小麦产量及产量构成分析结果如表3所示。由表3看出,冬小麦籽粒产量和生物产量农户模式分别为1 967—4 499和3 908—10 482 kg·hm^-2,均值为3 095和7 118 kg·hm^-2,减氮处理为2 010— 4 614和3 656—10 222 kg·hm^-2,均值为3 138和7 348 kg·hm^-2,说明在黄土旱塬冬小麦种植区通过减氮定量监控施肥技术在减氮33.5%的情况下可保证冬小麦产量稳定。在减氮处理基础上进行覆膜种植后,小麦籽粒产量和生物产量较相同施肥量的不覆膜处理分别提高24.3%和25.5%,较农户模式分别提高26.0%和29.5%,差异均呈显著水平。

Table 3
表3
表32012—2019年不同种植模式下冬小麦产量及产量构成
Table 3Yield and yield composition of winter wheat under different planting modes from 2012 to 2019

年度 Year	处理 Treatment	籽粒产量 Grain yield (kg·hm-2)	生物产量 Biological yield (kg·hm-2)	产量构成要素 Yield component			收获指数 Harvest index (%)
				公顷穗数 Spike number (×104·hm-2)	穗粒数 Kernel number per spike	千粒重 1000-grain weight (g)
2012—2013	FP	1967b	3908c	373b	17a	35a	51a
	MF	2010b	4228b	359b	22a	35a	48a
	RFSF	2666a	5060a	488a	19a	35a	53a
2013—2014	FP	4226b	9204c	434b	21a	49b	46a
	MF	4495b	10005b	469b	21a	48b	45a
	RFSF	5246a	12566a	534a	20a	52a	42b
2014—2015	FP	4350c	9633c	525b	24a	41a	45a
	MF	4614b	10222b	548b	24a	42a	45a
	RFSF	5051a	11573a	641a	25a	42a	44a
2015—2016	FP	2923b	6245b	382b	27a	42a	46a
	MF	2831b	5881b	382b	27a	42a	48a
	RFSF	3825a	8360a	487a	21b	44a	46a
2016—2017	FP	4499b	9629b	428b	24a	42a	44a
	MF	4262b	9724b	443b	23a	41a	44a
	RFSF	5583a	12245a	550a	25a	43a	45a
2017—2018	FP	2236b	7099b	311c	23a	40a	32a
	MF	2400b	7727b	335b	21ab	41a	31a
	RFSF	3100a	9764a	359a	20b	42a	32a
2018—2019	FP	1466b	4110b	291b	15a	40a	36a
	MF	1358b	3656c	279b	14a	39a	37a
	RFSF	1826a	4980a	385a	13a	40a	37a
平均 Mean	FP	3095b	7118b	392b	22a	41a	43a
	MF	3138b	7348b	402b	22a	41a	43a
	RFSF	3900a	9221a	492a	20a	43a	43a

表中不同小写字母表示同一时期、不同处理间在P＜0.05水平上差异显著。下同
Different lowercase letters in the table indicate significant differences at the P＜0.05 level between the same periods and different treatments. The same as below

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表3也可以看出,7年试验中各处理的增产效应因降雨年型而不同,在降雨量较高的2013—2014年和2014—2015年,减氮处理较农户增产6.4%和6.1%,减氮覆膜较农户显著增产24.1%和16.1%,较相同施肥量的不覆盖处理也显著增产16.7%和9.5%;在降雨量较少的2015—2016年和2018—2019年,减氮处理与农户相比虽然差异不显著,但产量却减少了3.1%和7.4%,而减氮覆膜处理较农户增产30.9%和24.6%,较相同施肥量的不覆盖处理增产35.1%和34.5%,且差异均达到了显著水平,覆膜处理的增产幅度明显高于降雨量较高的2013—2015年,说明减氮处理在降雨量较高年份不会造成减产,但在降雨量较少的年份有一定的减产趋势,而地膜覆盖处理则在降雨少的干旱年份增产效应更为显著。

由表3也可以看出,公顷穗数减氮覆膜处理各年份均显著高于相同施肥量的不覆膜处理和农户模式,分别提高22.4%和25.5%,但减氮处理和农户模式间无显著差异。千粒重等其他指标各处理间均无显著差异,说明公顷穗数是决定小麦产量形成的关键因素。

2.2 减氮覆膜对小麦氮、磷、钾养分吸收及利用效率的影响

不同处理对冬小麦氮、磷、钾养分吸收及利用效率的影响分析结果如表4所示。由表4看出,籽粒的氮、磷、钾素吸收量总体表现为减氮覆膜>减氮处理>农户模式,与对应的籽粒产量有一致的变化规律。减氮处理较农户模式可提高籽粒氮素吸收量8.9%,而二者的磷素和钾素吸收量无显著差异;减氮覆膜可显著提高小麦籽粒的氮、磷、钾养分吸收量,较相同施肥量的不覆膜处理分别提高20.9%、35.0%和33.1%。

Table 4
表4
表42012—2019年不同种植模式下氮磷钾吸收利用效率
Table 4Absorption and utilization efficiency of NPK under different planting modes from 2012 to 2019

年份 Year	处理 Treatment	籽粒养分吸收量 Nutrient uptake of grain (kg·hm-2)			秸秆养分吸收量 Nutrient uptake of straw (kg·hm-2)			表观回收率 Recovery efficiency (%)			偏生产力 Partial factory productivity (kg·kg-1)
		N	P	K	N	P	K	N	P	K	N	P	K
2012—2013	FP	39.1b	8.1b	5.5b	9.3b	3.74b	16.6b	6.6b	3.91b	-	16.3b	19.5b	-
	MF	37.0b	8.9b	5.6b	13.9a	4.89a	20.6a	8.2b	4.79b	11.9b	16.6b	20.2b	79.6b
	RFSF	52.4a	11.1a	7.6a	13.1a	4.95a	20.4a	14.6a	8.13a	15.4a	22.1a	26.3a	103.5a
2013—2014	FP	86.8c	19.4b	19.6b	19.2b	10.1c	93.9c	24.0a	27.38b	-	28.2c	28.2c	-
	MF	98.0b	21.5b	22.2b	20.7b	20.2a	205.0a	46.5a	52.37a	2.8a	47.3b	34.1b	192.1b
	RFSF	108.9a	26.3a	26.4a	27.1a	15.4b	145.7b	46.2a	44.30a	4.2a	55.2a	41.5a	235.8a
2014—2015	FP	76.5c	18.3b	14.5b	25.9a	12.1b	115.2b	6.6b	16.4a	-	29.0c	29.0c	-
	MF	105.1b	19.6b	16.5a	28.6a	14.6b	118.9b	6.2b	14.8a	33.1a	43.9b	89.9b	92.2a
	RFSF	116.0a	24.7a	17.8a	31.0a	17.3a	125.9a	11.4a	16.3a	33.5a	48.1a	98.4a	93.2a
2015—2016	FP	53.2c	18.2b	12.3b	11.8b	9.9b	51.3b	14.8c	5.0c	-	19.5c	19.5c	-
	MF	61.5b	18.6b	11.8b	11.9b	10.2b	53.7b	17.9b	9.7b	46.5a	24.8b	48.9b	66.3b
	RFSF	70.6a	28.2a	18.9a	17.1a	15.6a	74.0a	22.3a	20.0a	43.9a	33.6a	66.0a	88.9a
2016-2017	FP	83.2b	22.2b	12.6b	24.1b	27.9a	90.1b	15.5b	13.5a	-	28.8c	28.8c	-
	MF	76.6b	23.5b	15.2b	24.7b	28.0a	93.7b	16.0b	16.0a	42.5b	49.7b	49.7b	141.8b
	RFSF	96.6a	30.8a	22.0a	32.0a	28.2a	121.2a	20.9a	20.9a	63.5a	61.5a	61.5a	175.6a
2017—2018	FP	39.8b	13.4b	18.3b	45.8b	13.2b	73.4b	12.5a	31.2a	-	14.9c	14.9c	-
	MF	45.5b	15.2b	18.4b	42.4b	14.9b	74.8b	17.1a	13.0b	12.5b	28.6b	42.9b	94.8b
	RFSF	64.4a	20.6a	24.6a	51.8a	21.3a	99.9a	14.4a	10.9b	25.7a	36.9a	55.4a	106.9a
2018—2019	FP	44.9b	17.8b	11.9b	11.7b	9.7b	49.6b	13.7c	4.8c	-	9.8c	24.4a	-
	MF	37.9c	16.2b	11.8b	11.6b	10.1b	51.3b	34.2b	10.4b	45.7a	16.0b	14.8c	79.9b
	RFSF	48.9a	25.6a	17.6a	16.9a	16.2a	72.1a	42.1a	19.8a	42.8a	21.5a	19.8b	107.4a
平均 Mean	FP	60.5b	16.8b	13.5b	21.1b	12.4b	70.0c	13.3c	14.6c	-	20.9c	58.0a	-
	MF	65.9b	17.7b	14.5b	22.0b	14.7b	88.3b	20.9b	17.3b	27.9b	32.4b	42.9b	106.7b
	RFSF	79.7a	23.9a	19.3a	27.0a	17.0a	94.2a	24.6a	20.0a	32.7a	39.8a	52.7a	130.2a

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秸秆的磷、钾素吸收量减氮处理与农户模式间无显著差异,而减氮处理的秸秆钾素吸收量较农户模式显著提高26.1%;减氮覆膜可显著提高小麦秸秆的氮、磷、钾养分吸收量,较相同施肥量的不覆膜处理分别提高22.7%、15.6%和6.7%。

氮、磷素的表观回收率总体表现为减氮覆膜>减氮处理>农户模式,减氮处理较农户模式氮、磷素的表观回收率分别显著提高7.6%和2.7%;减氮覆膜的氮、磷、钾素的表观回收率较相同施肥量的不覆膜处理显著提高3.7%、2.7%和4.8%。

由于农户模式较高的氮肥施用量,氮肥偏生产力比减氮处理降低了35.5%;地膜覆盖可显著提升氮、磷、钾肥的偏生产力,减氮覆膜较相同施肥量的不覆膜处理分别显著提高22.8%、22.8%和22.0%。

2.3 减氮覆膜对小麦氮素、磷素转移吸收的影响

不同处理的冬小麦氮素、磷素转移吸收分析结果如表5所示。由表5可见,小麦花前营养器官氮素转移量农户模式为27.4—65.6 kg·hm^-2,平均为43.4 kg·hm^-2,占总吸收量的74.7%,减氮处理的花前营养器官氮素转移量较农户模式显著提高24.2%,转移贡献率显著增加4.5%,减氮覆膜的花前营养器官氮素转移量较相同施肥量的不覆膜处理和农户模式分别提高25.4%和55.8%,占总吸氮量的比重分别显著提高4.5%和9.0%,说明减氮处理和地膜覆盖均可以促进氮素花前营养器官的转移量;花后氮素土壤吸收量3个处理之间无显著差异。

Table 5
表5
表52012—2019年不同种植模式下氮磷素转移特征
Table 5Nitrogen and phosphorus transfer characteristics under different planting modes from 2012 to 2019

年份 Year	处理 Treatment	花前营养器官氮素转移 PANT		花后土壤氮素吸收 NUSA		花前营养器官磷素转移 PAPT		花后土壤磷素吸收 PUSA
		转移量 Amount of Translocation (kg·hm-2)	转移贡献率 Contribution rate from translocation (%)	吸收量 Amount of Translocation (kg·hm-2)	吸收贡献率 Contribution rate from translocation (%)	转移量 Amount of Translocation (kg·hm-2)	转移贡献率 Contribution rate from translocation (%)	吸收量 Amount of Translocation (kg·hm-2)	吸收贡献率 Contribution rate from translocation (%)
2012—2013	FP	30.3b	77.5a	8.8a	22.5a	6.7b	82.7b	1.4a	17.3a
	MF	30.5b	82.4a	6.5b	17.6b	7.6b	85.4b	1.3a	14.6b
	RFSF	45.5a	86.8a	6.9b	13.2c	9.7a	94.6a	1.4a	5.4c
2013—2014	FP	65.6c	75.6c	21.2a	24.4a	13.4b	69.1b	6.0b	30.9b
	MF	79.5b	81.1b	18.5a	18.9b	8.8c	40.9c	12.7a	59.1a
	RFSF	94.3a	86.6a	14.6a	13.4c	23.2a	88.2a	3.1c	11.8c
2014—2015	FP	54.7c	71.5c	21.8a	28.5a	13.7b	74.9a	4.6a	25.1a
	MF	84.1b	80.0b	21.0a	20.0a	14.3b	73.0a	5.3a	27.0a
	RFSF	99.8a	86.0a	16.2b	14.0b	18.7a	75.7a	6.1a	24.3a
2015—2016	FP	39.5c	74.2b	13.7a	25.8a	5.0b	27.5a	13.2b	72.5a
	MF	45.5b	74.0b	16.0b	26.0a	4.7b	25.3a	14.0b	74.7a
	RFSF	57.4a	81.3a	13.2a	18.7b	6.4a	22.7a	21.8a	77.3a
2016—2017	FP	47.4c	79.4b	12.3a	20.6a	17.2b	66.2a	5.1b	33.8a
	MF	60.4b	89.6a	7.0b	10.4b	17.5b	65.1a	5.6b	34.9a
	RFSF	74.2a	92.1a	6.4b	7.9b	19.8a	64.3a	7.2a	35.7a
2017—2018	FP	27.4b	68.8a	12.4b	31.2a	6.6b	49.3a	6.8a	50.7b
	MF	33.6b	73.8a	11.9b	26.2a	5.3b	34.9b	9.9a	65.1a
	RFSF	45.9a	71.3a	18.5a	28.7a	10.8a	52.4a	9.8a	47.6a
2018—2019	FP	38.7b	75.6b	12.5a	24.4a	4.9b	27.5a	12.9b	72.5a
	MF	43.6b	73.5b	15.7a	26.5a	4.6b	28.4a	11.6b	71.6a
	RFSF	56.1a	82.1a	12.2a	17.9b	6.7a	26.2a	18.9a	73.8a
平均 Mean	FP	43.4c	74.7c	14.7a	25.3a	9.3b	56.7a	7.5b	43.3a
	MF	53.9b	79.2b	13.8a	20.8b	8.7b	50.4a	9.0a	49.6a
	RFSF	67.6a	83.7a	12.6a	16.3c	13.7a	60.6a	10.2a	39.4a

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花前营养器官磷素转移量减氮覆膜较相同施肥量的不覆膜处理和农户模式显著提高57.5%和47.3%,说明地膜覆盖可促进小麦花前营养器官磷素转移量;花后磷素土壤吸收量减氮处理和减氮覆膜较农户模式显著提高20%和36%,说明减氮处理可促进小麦花后土壤磷素吸收量。

2.4 减氮覆膜对黄土旱塬麦田土壤肥力的影响

表6为2012年播前与2018年播前各处理表层（0—20 cm）土壤养分含量状况。由表可以看出,经过7年试验,土壤有机质含量各处理较2012年播前均无显著差异。硝态氮含量减氮处理与减氮覆膜处理较2012年播前显著降低46.2%和50.0%,较农户模式显著降低了50.9%和54.4%,而农户模式与试验初期无显著差异。有效磷含量减氮处理与减氮覆膜较2012年播前显著提高124.0%和102.9%,农户模式与试验初期差异不显著。速效钾含量减氮处理及减氮覆膜较2012年播前显著提高23.1%和24.1%,而农户模式与试验初期无显著差异。

Table 6
表6
表6不同种植模式下0—20 cm土层肥力变化情况
Table 6The fertility changes of 0-20 cm soil layer under different planting modes

处理 Treatment	有机质 Organic matter (g·kg-1)	硝态氮 Nitrate nitrogen (mg·kg-1)	有效磷 Available phosphorus (mg·kg-1)	速效钾 Available potassium (mg·kg-1)
2012年播前Pre-sowing in 2012	14.1a	10.4a	10.4b	168.2b
FP 2018年播前Pre-sowing in 2018	14.8a	11.4a	18.8ab	172.0b
MF 2018年播前Pre-sowing in 2018	14.4a	5.6b	23.3a	207.0a
RFSF 2018年播前Pre-sowing in 2018	15.1a	5.2b	21.1a	208.8a

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2.5 减氮覆膜对小麦收获期0—2 m土层硝态氮残留量的影响

图1为2012年播前和2019年收获时期各处理0—2 m土层硝态氮残留分布图。由图可知,2012年播前0—2 m土层的硝态氮总残留量为146.5 kg·hm^-2,0—1 m土层的残留量为101.5 kg·hm^-2,占总残留量的69.3%,峰值出现于40—60 cm土层。经过连续7年试验后,各处理0—2 m土层硝态氮残留量较2012年都有所增加,增加幅度为34.1%—172.8%,而农户模式增幅最大,农户模式0—2 m土层硝态氮残留量为399.7 kg·hm^-2,较2012年播前增加了172.8%,0—1 m土层的残留量为236.0 kg·hm^-2,占总残留量的59.0%。减氮处理0—2 m土层硝态氮总残留量为262.2 kg·hm^-2,较农户模式降低了34.4%,0—1 m土层的残留量为163.9 kg·hm^-2,占总残留量的62.5%。减氮覆膜0—2 m土层硝态氮总残留量为196.4 kg·hm^-2,较相同施肥量的不覆膜处理降低了25.1%,较农户模式降低了50.9%,0—1 m土层的残留量为100.8 kg·hm^-2,占总残留量的51.3%。说明减氮处理较农户模式可显著降低0—2 m土层硝态氮总残留量,而在减氮处理基础上进行覆膜后效果更显著。

图1

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图1不同种植模式下0—2 m土层硝态氮残留特征

Fig. 1Characteristics of nitrate nitrogen residue in 0-2 m soil layers under different planting patterns

3 讨论

3.1 减氮覆膜的冬小麦产量及产量构成

合理的氮肥施用量有利于冬小麦提高植株高度,增加茎叶基宽和群体分蘖数,促进茎叶中干物质的积累,进而增加冬小麦产量,但过量的施用氮肥会降低小麦有效成蘖率,最终导致产量降低^[11]。周苏玫等^[12]研究表明,在适墒条件下,在传统施肥基础上减少氮肥施用量27.8%,可充分发挥旗叶功能期的光合潜力,从而增加小麦穗粒数和千粒重,进而提高小麦产量。雷炳桦等^[13]在陕西咸阳5年试验研究中表明,农户模式与农户减氮模式对冬小麦的干物质积累量和产量无显著影响,其他研究也有类似发现^[14,15]。本研究通过7年试验表明,在黄土旱塬小麦种植区,在氮肥减施33.5%的情况下,适量增施了磷钾肥,由于养分的协同效应,致使产量与农户处理间并未造成显著差异。

本研究也发现旱地小麦种植区降雨量依旧是决定产量的主要因素,降雨量的年际变化是引起小麦产量波动的主要原因,小麦产量在降雨量较多年份（2013—2014年和2016—2017年）是降雨量较少年份（2012—2013年和2018—2019年）的2.8—3.1倍。同时各处理的增产效应因降雨年型而不同,相较于传统农户施肥模式,减氮处理在降雨量较高年份也具有一定的增产效应,主要因为减氮处理较农户模式在减少氮肥施用量的同时增加了磷钾肥的施用量,充足的水分条件将有效提高施入磷钾肥的有效性,从而增加小麦的根表面积和根系生物量,增强对土壤水分和养分的吸收利用效率^[16],进而实现小麦产量增加。

地膜覆盖能减少水分蒸发,增加耕层含水量,同时由于毛管作用增加了对土壤深层水的利用,促进冬小麦对养分的吸收利用,从而增加冬小麦的籽粒产量^[17,18]。马小龙等^[19]对黄土高原旱地小麦种植区的180个农户调查表明,覆膜栽培可较传统不覆膜提高冬小麦产量9.4%。高艳梅等^[20]研究表明,地膜覆盖的增产效果随着降雨量减少有所增加,在丰水年小麦增产为11%,而在欠水年增产可达36%。本研究表明,在减氮处理基础上进行覆膜种植后,7年平均籽粒产量和生物产量分别显著提高24.3%和25.5%,不同降雨年型对地膜覆盖的增产作用影响较大,在降雨量较多的2013—2014年、2014—2015年和2016—2017年,地膜覆盖的平均增产率为19.1%,而在降雨量较少的2012—2013年、2015—2016年和2018—2019年,地膜覆盖的平均增产率为34.1%,因此在黄土旱塬小麦种植区,降雨量少的干旱年份地膜覆盖的增产效果更加显著,这与前人研究结果相一致。

3.2 减氮覆膜的黄土旱塬小麦氮、磷、钾养分吸收及利用效率

合理施肥将有利于冬小麦对氮素的吸收及转运,从而促进小麦产量形成。易琼等^[5]研究表明,在传统习惯施肥基础上减氮20%—30%,在保证小麦产量的同时不会降低籽粒对氮素的吸收利用。本研究表明,减氮处理较农户模式在总施氮量减少33.5%、平衡施用磷钾肥的情况下,可提高籽粒氮素吸收量8.9%,小麦植株氮素的吸收、转运与土壤水分有直接关系,地膜覆盖良好的保水性能可提高小麦生育期氮素的吸收累积量,同时显著提高植株氮素向籽粒的转运量。任爱霞等^[21]在山西省闻喜县通过3年田间试验研究表明,地膜覆盖可使小麦籽粒氮素积累量显著提高19—31 kg·hm^-2,提高比例为15%—50%,使小麦植株氮素积累量提高1—28 kg·hm^-2,提高比例为2%—49%。本研究结果表明,大多数年份地膜覆盖使冬小麦籽粒和秸秆的吸氮量得到增加,平均值为20.9%和22.7%,与前人研究结果相似。

小麦籽粒中磷钾含量的多少与土壤中磷钾含量有直接关系,地表覆盖可改变土壤养分的供应能力和小麦对养分的吸收能力。屈会峰等^[22]研究表明,垄膜沟播可使籽粒和秸秆吸磷量分别增加6.7%和14.8%,覆盖措施使秸秆吸钾量增加27.0%—31.7%。本研究表明,减氮覆膜处理的籽粒磷、钾吸收量和秸秆磷、钾吸收量较不覆膜分别增加35.0%、33.1%和15.6%、6.7%,说明在相同施肥量下地膜覆盖可显著增加冬小麦籽粒和秸秆对磷、钾的养分吸收量。

本研究表明,减氮处理的氮肥表观回收率和偏生产力较农户模式显著提高7.6%和55%,主要因为减氮处理在减少氮肥施用量的同时保证了小麦产量稳定,减氮覆膜的氮、磷、钾肥表观回收率及其偏生产力较不覆膜分别提高3.7%、2.7%、4.8%和22.8%、22.8%、22.0%,这与地膜覆盖对土壤养分活化、有效增加冬小麦产量有关。黄明等^[23]在黄土高原中部连续3年旱地田间试验表明,垄膜沟播较不覆膜可使氮、磷、钾肥的偏生产力分别提高7.1%、8.1%、6.7%,与本试验结果相一致。

3.3 减氮覆膜的黄土旱塬小麦氮素、磷素转移与吸收

小麦籽粒中的氮素一部分来自营养器官氮素的花后再转移,一部分来自花后土壤吸收氮素的同化。邱临静等^[24]在黄土高原旱地小麦区研究表明,小麦籽粒中有56.91%—81.11%的氮来自花前营养器官贮存氮素转移,花后积累氮的贡献率占18.89%—43.09%。李帅等^[25]研究表明,通过减氮优化施肥可促进营养器官的氮素转移,转运贡献率可提高4.01%—6.23%。李廷亮等^[26]在黄土旱地冬小麦种植区经过4年田间试验研究表明,传统农户模式籽粒中的氮含量3/4来自于营养器官转移,1/4来自于花后根系的吸收,地膜覆盖增加花前转移贡献率,为81.4%—88.8%,降低花后吸收贡献率,为 11.2%—18.6%。张勉等^[27]在山西闻喜连续3年旱地小麦试验研究表明,夏季覆盖可改善土壤水分条件,从而提高花前营养器官氮素转移量11.7%—34.7%。本研究表明,小麦籽粒中有74.7%—83.7%的氮素来自于营养器官的转移,有16.3%—25.3%氮素来自于花后根系的土壤吸收,减氮处理的营养器官转移量较农户模式提高24.2%,转移贡献率提高4.5%,减氮覆膜可增加小麦花前氮素吸收量25.4%,贡献率均值为83.7%,但降低了花后的贡献率,均值为16.3%。

关于花前营养器官磷素的转移和花后根系对土壤磷素吸收的报道尚少。本研究表明减氮处理的花后土壤磷素吸收量较农户模式提高20%,这可能与减氮定量监控施肥平衡施肥有关,合理的肥料施用促进了冬小麦花后对磷素的吸收利用。减氮覆膜的花前营养器官磷素转移量较减氮处理和农户模式显著提高57.5%和47.3%,花后磷素土壤吸收量较农户模式显著提高36%,这可能与地膜覆盖良好的保水和保温作用有关。

3.4 减氮覆膜下黄土旱塬麦田的土壤养分及硝态氮残留量

小麦秸秆和根茬是麦田土壤有机物质的重要来源。田慎重等^[28]研究表明,秸秆还田较不还田处理可显著提高土壤有机碳含量6.1%—32.3%,与试验初期相比,秸秆还田可维持土壤有机碳含量。本研究经过7年试验后,各处理表层有机质含量较2012年播前无显著变化,这与每年小麦收获后秸秆还田有关,连年的秸秆还田有效的补充了土壤有机质损耗。试验中,减氮处理由于减少氮肥施用量、适量增施磷钾肥,使表层土壤硝态氮含量较2012年播前有显著降低,而磷钾含量却有明显提高。

本研究表明,农户模式0—2 m土层硝态氮残留量为399.7 kg·hm^-2,较2012年播前增加了172.8%,且主要集中在0—1 m土层中。而减氮处理在7年平均减施氮素33.5%的情况下,0—2 m土层硝态氮总残留量为262.2 kg·hm^-2,较农户模式降低了34.4%,说明适量减施氮肥可有效降低土壤中硝态氮的残留量。王西娜等^[29]在冬小麦播种前通过¹⁵N标记的研究方法表明,过量施入氮肥是导致肥料氮大量残留的主要原因,残留氮素的有效性很低,只有少量可被作物逐年吸收利用,其余一部分以有机形态残留在土壤中,另一部分发生无效损失。同时磷肥可促进了根系的生长,增加根系长度、表面积和体积,从而增加了对深层养分的吸收利用,降低了土层中残留的硝态氮含量^[30]。章孜亮等^[31]通过对 1 m 土层硝态氮的测定与监控施用氮肥,收获期1 m土层硝态氮残留量平均为37.0 kg·hm^-2,较农户习惯施肥降低 66.9%,与本研究结果相一致。

本试验中,减氮覆膜处理0—2 m土层硝态氮总残留量为196.4 kg·hm^-2,较相同施肥量的不覆膜处理降低25.1%,0—1 m土层的残留量为100.8 kg·hm^-2,占总残留量的51.3%,这与地膜覆盖良好的保水效果有关,在良好的水分条件下,促进了冬小麦的生长发育和对氮素的吸收利用,从而显著降低了土壤中的氮素残留量。同时地膜覆盖可增强土壤水分的横向运动,使深层土壤水分在水势梯度的作用下不断移至土壤表层,并参与膜下水循环,缓解硝态氮向深层淋溶^[32,33]。

在本试验期间,各处理硝态氮残留有随降水向下淋移趋势,表现为2012年播前1—2 m的硝态氮残留量占总残留量的30.7%,到2019年冬小麦收获时期各处理提高为37.5%—48.7%,这与肥料施肥量和夏闲期的降水有关。在黄土高原麦田区,农户长期过量施用肥料已造成土壤硝态氮在1 m土层的累积,累积量在100 kg·hm^-2,具有淋失风险^[34]。戴健等^[35]在陕西杨凌田间试验研究表明,土层中硝态氮淋失的深度和淋失量与施氮量呈显著的抛物线关系,当施氮量超过160 kg·hm^-2时,每增加100 kg·hm^-2的氮肥投入时,硝态氮的淋失深度和淋失量增加27 cm和80.4 kg·hm^-2,平均每10 mm的降水可使硝态氮向下淋溶2—4 mm,硝态氮淋溶已不容忽视。

4 结论

连续7年试验,减氮处理较农户模式在适度减少总施氮量,平衡施用磷钾肥的情况下,保证了冬小麦籽粒产量和生物产量的稳定性,增加了籽粒吸氮量,提高了氮肥的表观回收率和偏生产力,提高了磷肥的表观回收率,增加花前营养器中养分的官转移量,降低了土层中硝态氮残留量。

在减氮处理基础上进行覆膜种植后,提高了冬小麦的籽粒产量、生物产量和公顷穗数,增加了籽粒和秸秆的氮磷钾吸收量,提高了氮磷钾肥的利用效率,进一步降低了土层中硝态氮残留量。

因此,在黄土旱塬冬小麦种植区通过减氮定量监控施肥结合地膜覆盖,可实现小麦增产、氮肥增效和降低环境风险,可在生产中推广应用。

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] 付威, 樊军, 胡雨彤, 赵晶, 郝明德. 施肥和地膜覆盖对黄土旱塬土壤理化性质和冬小麦产量的影响
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