黄土高原旱地小麦覆膜增产与氮肥增效分析

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本站小编 Free考研考试/2021-12-26

李廷亮, 谢英荷, 高志强, 洪坚平, 孟丽霞, 马红梅, 孟会生, 贾俊香. 黄土高原旱地小麦覆膜增产与氮肥增效分析[J]. 中国农业科学, 2018, 51(14): 2735-2746 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.14.011
LI TingLiang, XIE YingHe, GAO ZhiQiang, HONG JianPing, MENG LiXia, MA HongMei, MENG HuiSheng, JIA JunXiang. Analysis on Yield Increasing and Nitrogen Efficiency Enhancing of Winter Wheat Under Film Mulching Cultivation in the Loess Plateau[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2018, 51(14): 2735-2746 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2018.14.011

0 引言

【研究意义】小麦是黄土高原地区主要粮食作物之一,仅山西、陕西、甘肃和宁夏地区种植面积就达270万公顷,占中国小麦播种面积10%以上。黄土高原地区降水资源偏少且季节分布不均,水分不足直接或间接影响着旱地冬小麦产量形成及肥料利用效率。地膜自从1978年引入中国,粮食单产普遍提高20%—30%^[1],同时覆膜促进了作物根系对土壤氮素的吸收利用。水肥耦合尤其是水氮协同供应是实现旱地小麦增产增效的关键,“垄膜沟播”和“全膜覆土穴播”是黄土旱塬两种典型的小麦覆膜方式,明确两种覆膜方式下冬小麦产量形成规律、氮肥吸收运移特征以及两者之间的关系,对推进黄土高原旱地小麦氮肥高效利用和保障粮食安全具有重要意义。【前人研究进展】旱地小麦高产关键在于水肥管理,地膜覆盖会影响土壤水热强度与分布,进而影响土壤养分供应和作物产量形成。大量研究表明覆膜栽培可加大作物对深层土壤水分利用,并促进水分消耗由土面蒸发的物理过程向作物蒸腾的生理过程转化^[2,3,4]。同时可以改善地表温度、活化土壤养分,调控根层土壤硝态氮分布和去向,促进作物地上部氮素积累和转移,进而提高产量和氮肥利用率^[5,6,7]。也有研究表明覆膜栽培降低了旱地小麦氮磷用量,却提高了小麦的产量^[8]。化肥在粮食增产中发挥了不可替代的作用,20世纪80年代我国化肥使用对粮食单产和总产增加的贡献率分别为55%—57%和30%—31%,但后期由于化肥大量投入,对产量贡献率在逐渐降低^[9]。小麦地上部氮积累量、氮素向籽粒的转移量及花后氮素吸收量一定范围内随施氮量增加而增加^[10],过量施氮则会加大氮素土壤残留量和表观损失量。¹⁵N示踪标记研究表明,土壤残留肥料氮只有少量被作物逐年吸收,一部分以有机形态残留在土壤剖面中,另一部分发生了无效损失^[11]。合理氮肥调控和覆膜栽培可以提高植株对氮素的吸收以及生长后期茎叶氮素向籽粒的转移量,减少土壤肥料氮的残留^[5]。同时研究表明优化施肥覆膜种植可构建合理的群体结构^[12]、增加单穗结实率^[13]和提高灌浆速率^[14],改善产量构成三要素。但不同覆膜栽培方式因降水量差异、肥料投入量及比例不同对作物产量和养分吸收利用的调控效果也会不同,旱地小麦高产高效的归结点是在地表覆盖水分周年调控的基础上,实现“以水定产”和“以产定肥”的水肥协调供应效应。【本研究切入点】黄土高原是中国旱作小麦重要生产基地,以往对旱作小麦产量及氮素利用的研究多为不同施肥管理、耕作措施或覆盖方式方面,而有关“垄膜沟播”和“全膜覆土穴播”周年覆盖和监控优化施肥互作条件下旱地小麦增产和氮肥增效的协同效应研究还鲜为报道。【拟解决的关键问题】本试验在黄土高原东部旱塬冬麦区,研究“垄膜沟播”和“全膜覆土穴播”周年覆盖和监控优化施肥互作对冬小麦产量形成、小麦氮素吸收转运和土壤硝态氮残留特征的影响,以期为我国旱作小麦高产高效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2012—2016年在晋南黄土旱塬冬小麦种植区进行（36°22′ N,111°35′ E,海拔648 m）。试验区年均气温12.6℃,≥10℃活动积温3 327℃,无霜期180—210 d,年均降水量约500 mm,约70%集中在6—9月。供试土壤为石灰性褐土,质地为中壤土,2012年播前耕层土壤各养分含量为：有机质14.6 g·kg^-1,全氮0.87 g·kg^-1,硝态氮10.4 mg·kg^-1,速效磷10.4 mg·kg^-1,速效钾168.2 mg·kg^-1,阳离子交换量27.3 cmol·kg^-1,pH 7.9。 0—20、20—40、40—60、60—80和80—100 cm土层容重分别为1.21、1.35、1.35、1.30和1.36 g·cm^-3,100 cm以下土层容重按1.36 g·cm^-3计。试验期间（夏休闲期+生育期）降水量分布见表1。
Table 1
表1
表1冬小麦试验期间降水量分布情况
Table 1The distribution characteristics of precipitation during the experiment period of winter wheat（mm）

年度 Year	夏休闲期 Summer fallow period				生育期 Growth period
年度 Year	Jun	Jul	Aug	Sep	Oct	Nov	Dec	Jan	Feb	Mar	Apr	May
2012-2013	13.8	150.5	114.9	55.1	11.6	7.3	4.1	1.2	3.3	4.7	15.4	67.8
2013-2014	27.9	312.8	66.6	57.4	36.4	4.3	0	0	12	18.1	52.1	63.7
2014-2015	75.7	61.8	126.9	148.9	10.9	6.2	0	4.2	3.3	0.5	38.6	32.2
2015-2016	22.2	51.1	15.5	51.5	49.9	49	0.8	4.2	1.8	2.3	21.6	54.2
平均值Mean	34.9	144.1	81.0	78.2	27.2	16.7	1.2	2.4	5.1	6.4	31.9	54.5

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1.2 试验设计

试验研究不同施肥覆膜栽培措施下旱地冬小麦的产量形成规律和氮素吸收利用特征,设置4个处理。
处理1为农户模式（FP）,施肥量为农民当地习惯施肥。种植方式为露地条播（播前浅旋耕,深度13 cm,露地不覆膜平作,行距20 cm）,小麦收获后,留茬30 cm,秸秆粉碎覆盖还田。
处理2为农户施肥+垄膜沟播模式（RFSF1）,施肥量同处理1。种植方式为垄膜沟播（施肥整地后,起垄覆膜,沟内膜侧播种,播种2行,行距20 cm,垄宽35 cm,垄高10 cm,沟宽30 cm）,小麦收获后,留茬30 cm,继续保持残膜覆盖,秸秆粉碎覆盖还田。
处理3为监控施肥+垄膜沟播处理（RFSF2）,施肥量采用“1 m土壤硝态氮监控施肥,0—40 cm土层磷钾恒量施肥”技术^[15,16]。
施氮量（kg N·hm^-2）=作物目标产量需氮量 + 播前1 m 土壤硝态氮安全阈值（110.0 kg N·hm^-2）-播前1 m 土壤硝态氮（kg N·hm^-2）;
施磷（钾）量（kg·hm^-2）=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土层速效磷钾含量确定。其他管理方式同处理2。
处理4为监控施肥+全膜覆土穴播处理（WFFHS）,施肥技术同处理3,种植方式为全膜覆土穴播（施肥整地后,采用120 cm宽幅膜平铺地面,膜上覆土0.5—1 cm左右,进行穴播种植,播种深度3—5 cm,行距15—16 cm,穴距12 cm,每幅膜播7—8行）,小麦收获后,留茬30 cm,继续保持残膜覆盖,秸秆粉碎覆盖还田。处理1、2、3和4的具体施肥量见表2。
Table 2
表2
表2试验期各处理养分用量
Table 2The application rate of nutrients in different treatments during experiment period（N-P₂O₅-K₂O, kg·hm^-2）

处理 Treatment	年度 Year
处理 Treatment	2012-2013	2013-2014	2014-2015	2015-2016
FP	150-60-0	150-60-0	150-60-0	150-60-0
RFSF 1	150-60-0	150-60-0	150-60-0	150-60-0
RFSF 2	125-105-41	95-64-32	105-52-30	90-53-45
WFFHS	125-105-41	95-64-32	105-52-30	90-53-45

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冬小麦供试品种为长8744,播量为150 kg·hm^-2,全生育期除自然降水外不灌溉。4年播种时间在9月30日至10月9日,收获时间在6月5日至 6月10日,6月中旬至9月下旬为夏休闲期。每个处理重复4次,采用随机区组排列,由于黄土旱塬地块不规则及大小原因,小区面积为210—520 m²。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 样品采集分别于冬小麦播前和收获期采集2 m土壤样品,每20 cm为一层,用于土壤硝态氮测定;冬小麦的开花期采集植株样品,样品分为茎叶、茎秆和穗3部分,收获期采集植株样品,样品分为籽粒、茎叶、茎秆和颖壳+麦轴4部分,用于各器官氮素含量测定;在收获期于各小区中央收获3 m×20 m样方小麦,脱粒计产,并代表性选取3个1 m长的小麦样段,调查穗数、穗粒数及千粒重。
1.3.2 项目测定与方法
（1）植株氮素含量测定小麦开花期和收获期地上部各部分样品分别烘干,粉碎,用浓H₂SO₄-H₂O₂法消解,AA3连续流动分析仪（德国BRAN+LUBBE公司）测定全氮。
（2）土壤硝态氮测定称取5 g新鲜土壤,加入50 mL 0.01mol·L^-1CaCl₂溶液,振荡30 min,过滤,用AA3流动分析仪测定,并用烘干法测定土壤水分。
1.3.3 计算方法
各器官植株氮素积累量（kg·hm^-2）= 干物质质量（kg·hm^-2）×氮素含量（g·kg^-1）/10³;
花前营养器官氮素转移量（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）;
花后土壤氮素吸收量（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）;
氮素转移贡献率（%）=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;
氮素吸收贡献率（%）=花后土壤氮素吸收量（kg·hm^-2）/籽粒氮素积累量（kg·hm^-2）×100;
氮收获指数（%）=籽粒氮素积累量（kg·hm^-2）/地上部氮素积累量（kg·hm^-2）×100;
氮素生理效率（kg·kg^-1）=籽粒产量(kg·hm^-2)/地上部氮素积累量（kg·hm^-2）×100;
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;
氮表观矿化量（kg·hm^-2）=对照区地上部吸氮量（kg·hm^-2）+对照区收获后土壤残留Nmin量（kg·hm^-2）-对照区播前土壤无机氮量（kg·hm^-2）;
氮表观损失量（kg·hm^-2）=[（施氮量（kg·hm^-2）+播前土壤Nmin量（kg·hm^-2）+氮表观矿化量（kg·hm^-2）]-[作物吸收氮量（kg·hm^-2）+收获后土壤残留Nmin量（kg·hm^-2）];
氮肥表观利用率（%）=[施氮区地上部吸氮量（kg·hm^-2）-对照区地上部吸氮量（kg·hm^-2）]/施氮量（kg·hm^-2）×100;
氮肥表观残留率（%）=（施氮区土壤残留Nmin量(kg·hm^-2)-对照区土壤残留Nmin量(kg·hm^-2)）/施氮量(kg·hm^-2) ×100;
氮肥表观损失率（%）= 100-氮肥表观利用率（%）-氮肥表观残留率（%）。

1.4 统计分析

试验数据使用Microsoft Excel 2003整理,利用SPSS 20.0软件进行检验统计分析。

2 结果

2.1 覆膜施肥对黄土高原冬小麦产量形成的影响

试验期间,农户模式处理冬小麦籽粒产量在1 967—4 350 kg·hm^-2,均值3367 kg·hm^-2（表3）。在农户施肥基础上采用垄膜沟播种植,籽粒产量和生物产量分别提高8.6%和9.6%。在垄膜沟播种植方式基础上进行监控优化施肥,籽粒产量和生物产量分别较农户模式提高24.7%和29.6%。在监控施肥基础上采用全膜覆土穴播种植,籽粒产量和生物产量分别较农户模式提高42.1%和44.2%。不同覆膜施肥处理间平均产量差异达显著水平,其中WFFHS处理增产幅度最大,平均籽粒产量为4 785 kg·hm^-2。F值检验表明,黄土高原旱地冬小麦产量具有极显著的年际差异性,同时年份和覆膜施肥处理之间交互作用对冬小麦产量也具有极显著的影响。
Table 3
表3
表3黄土高原典型种植方式下冬小麦的产量及产量构成
Table 3Yield and its components of winter wheat under classic plant patterns in the Loess Plateau

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			收获指数 Harvest index (%)
年度 Year	处理 Treatment	籽粒产量 Grain yield (kg·hm^-2)	生物产量 Biological yield (kg·hm^-2)	公顷穗数 Spike number (×10⁴· hm^-2)	穗粒数 Kernel number per spike	千粒重 1000-grain weight (g)	收获指数 Harvest index (%)
2012-2013	FP	1967b	3908b	373b	17a	35a	51a
	RFSF 1	2010b	4228b	359b	22a	36a	48a
	RFSF 2	2666a	5060a	488a	19a	35a	53a
	WFFHS	2774a	5311a	527a	18a	36a	52a
2013-2014	FP	4226d	9204c	434d	21a	49b	46a
	RFSF 1	4563c	9948c	480c	20a	50b	46a
	RFSF 2	5246b	12566b	534b	20a	52a	42b
	WFFHS	6277a	14232a	620a	21a	52a	44a
2014-2015	FP	4350c	9633c	525b	24a	41b	45a
	RFSF 1	4716c	10223c	551b	24a	42b	46a
	RFSF 2	5051b	11573b	641a	25 a	42b	44a
	WFFHS	5662a	12823a	671a	26a	44a	44a
2015-2016	FP	2923d	6245d	382b	27a	42b	46a
	RFSF 1	3334c	7367c	450b	27a	42b	45a
	RFSF 2	3825b	8360b	487a	21b	44a	46a
	WFFHS	4426a	9435a	504a	22b	45a	47a
平均值Mean	FP	3367d	7248d	429d	22a	42b	47a
	RFSF 1	3656c	7942c	460c	23a	43ab	46a
	RFSF 2	4197b	9390b	538b	21a	43ab	46a
	WFFHS	4785a	10450a	581a	22a	44a	47a
F 值 F values
年份 Y		119.4**	82.6**	36.0**	43.4**	236.9**	13.1*
处理 T		28.6**	16.4**	33.6**	0.6	5.0**	0.3
年份×处理 Y×T		5.3**	7.8**	2.9**	7.8**	1.8*	0.8

Values followed by different small letters within a column in the same year indicate significant differences at the 0.05 level. The same as below同一年份同列数据后不同小写字母表示在0.05 水平差异显著。下同

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从产量构成看,试验期间公顷穗数、穗粒数和千粒重的变异系数分别为18.3%、14.0%和13.3%,年度和不同覆膜施肥处理及其交互作用对公顷穗数均具有极显著影响,年际差异对穗粒数和千粒重的影响大于不同覆膜施肥处理的影响,不同覆膜施肥处理总体上对冬小麦穗粒数没有显著影响。相关分析表明,籽粒产量与公顷穗数、穗粒数及千粒重的相关系数分别为0.822^**、0.274和0.801**（n=16,r_0.01=0.623）。表明黄土旱塬冬小麦产量形成主要取决于公顷穗数,其次是千粒重。不同处理间以WFFHS处理的穗数和千粒重最高,平均分别为581×10⁴穗/hm²和44.3 g,全膜覆土穴播种植高产的原因很大程度上取决于其播种行距减小,冬小麦可充分利用水分和光照资源,群体穗数增加,因此覆膜和合理构建群体是提高旱塬冬小麦产量的重要措施。不同覆膜施肥措施下黄土高原冬小麦收获指数没有显著变化,平均值为46.6%。

2.2 覆膜施肥对黄土高原冬小麦氮素积累转移的影响

试验期间,冬小麦地上部氮素积累量和籽粒吸氮量分别在48.4—170.3 kg·hm^-2和39.1—139.8 kg·hm^-2,总体表现为与对应生物产量和籽粒产量一致的变化规律（表4）。
Table 4
表4
表4黄土高原典型种植方式下冬小麦氮素积累转移特征
Table 4N accumulation and translocation of winter wheat under classic plant patterns in the Loess Plateau

年度 Year	处理 Treatment	吸氮量 N uptake（kg·hm^-2）		氮收获指数 N harvest index (%)	氮素生理效率 NPE (kg·kg^-1)	花前营养器官氮素转移 PANT		花后土壤氮素吸收 NUSA
年度 Year	处理 Treatment	地上部 Shoot	籽粒 Grain	氮收获指数 N harvest index (%)	氮素生理效率 NPE (kg·kg^-1)	转移量 Amount of translocation (kg·hm^-2)	转移贡献率 Contribution rate from translocation (%)	吸收量 Amount of uptake (kg·hm^-2)	吸收贡献率 Contribution rate from uptake (%)
2012-2013	FP	48.4c	39.1b	80.7a	40.7a	30.3b	77.6b	8.7a	22.4a
	RFSF 1	50.9c	40.0b	78.6a	39.5a	32.5b	81.1b	7.6a	18.9a
	RFSF 2	65.5b	52.4a	80.0a	40.7a	45.5a	86.8a	6.9a	13.2b
	WFFHS	71.9a	58.8a	81.8a	38.6 a	50.1a	85.2a	8.7a	14.8b
2013-2014	FP	106.1c	86.8c	81.9a	39.8a	65.6d	75.6b	21.2a	24.4a
	RFSF 1	125.7b	100.0b	79.5a	36.3b	79.5c	79.5b	20.5a	20.5a
	RFSF 2	136.0b	108.9b	80.1a	38.6a	94.3b	86.6a	14.6b	13.4b
	WFFHS	170.3a	139.8a	82.1a	36.9b	124.2a	88.8a	15.6b	11.2b
2014-2015	FP	102.4c	76.5c	74.7b	42.5a	54.7c	71.6b	21.8a	28.4a
	RFSF 1	134.8b	107.7b	79.9a	35.0b	84.1b	78.1b	23.6a	21.9a
	RFSF 2	147.7ab	116.0ab	78.5ab	34.2b	99.8ab	86.0a	16.2b	14.0b
	WFFHS	158.3a	126.6a	80.0a	35.8b	107.4a	84.8a	19.2b	15.2b
2015-2016	FP	63.6c	53.2c	83.6a	46.0a	39.0c	73.3b	14.2a	26.7a
	RFSF 1	72.7bc	59.2c	81.4a	45.9ab	45.8c	77.3b	13.4ab	22.7a
	RFSF 2	86.0b	70.6b	82.1a	44.5b	57.4b	81.4a	13.2ab	18.6b
	WFFHS	105.3a	90.0a	81.6a	42.0c	78.1a	86.7a	11.9b	13.3b
平均值 Mean	FP	80.1d	63.9c	80.2a	42.2a	47.4d	74.5b	16.5a	25.5a
	RFSF 1	96.0c	76.7c	79.9a	39.2b	60.4c	79.0b	16.3a	21.0a
	RFSF 2	108.8b	87.0b	80.2a	39.5ab	74.2b	85.2a	12.7b	14.8b
	WFFHS	126.4a	103.8a	82.3a	38.3b	89.9a	86.4 a	13.9b	13.6b

NPE: Nitrogen physiological efficiency; PANT: Pre-anthesis accumulated nitrogen translocation from vegetative organs to grains; NUSA: Nitrogen uptake from soil after anthesisNPE：氮素生理效率;PANT：花前营养器官氮素转移;NUSA：花后土壤氮素吸收

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覆膜结合监控施肥可显著提高冬小麦地上部和籽粒氮素积累量,其中以WFFHS处理最高,平均氮素积累量和籽粒吸氮量分别较相同施肥量的RFSF 2处理高16.2%和19.3%（P<0.05）;冬小麦氮收获指数较稳定,对施肥、覆膜以及年际变化均无显著响应,维持在74.7%—83.6%,平均80.7%;氮素生理效率在34.2—46.0 kg·kg^-1,不同处理之间平均氮素生理效率表现为覆膜种植较露地条播种植有6.4%—9.2%的降幅;花前营养器官氮素转移量与生物产量和经济产量的相关系数分别达0.959**和0.960**（n=16,r_0.01=0.623）,覆膜结合监控施肥可显著提高花前营养器官氮素向籽粒的转移量,较农户模式提高了43.7%—100.1%。RFSF 2 和WFFHS处理的氮素转移贡献率为81.4%—88.8%,两处理之间差异不显著,但显著高于FP和RFSF 1处理;花后氮素土壤吸收量表现为RFSF 2 和WFFHS处理总体低于FP和RFSF 1处理,且对应的吸收贡献率差异达显著水平。

2.3 覆膜施肥对黄土高原麦田土壤硝态氮残留的影响

图1为2012年播前至2016年收获期黄土旱塬麦田2 m土层硝态氮变化特征。2012年播前试验田2 m土层硝态氮为145 kg·hm^-2,其中70%集中在0—100 cm土层,表明长期施肥已导致黄土高原麦田土壤硝态氮在1 m土层残留,残留量达100 kg·hm^-2以上,累积峰值在20—60 cm土层。经过连续4年种植,FP和PFSF1处理发生了明显的硝态氮残留,主要集中在0—120 cm土层,其中农户模式处理2 m土壤硝态氮累积量最高,达277 kg·hm^-2,较2012年播前增加了87.7%,在农户模式基础上进行垄膜沟播种植 2 m土层硝态氮累积量可减少6.2%。而覆膜结合监控施肥处理较2012年播前仅增加了15.7%—24.2%,其中以监控施肥全膜覆土穴播种植硝态氮残留量最低。比较2016年收获期和2012年播前各处理在120—200 cm土层的硝态氮累积量,发现不同处理间有10.2%—133.7%的增幅,表明试验期间土壤残留硝态氮有随降水向下淋移的趋势。

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图1黄土高原典型种植方式下麦田2 m土层硝态氮残留特征
-->Fig. 1Content of residual nitrate nitrogen in 2 m soil layers of wheat field under classic plant patterns in the Loess Plateau
-->

2.4 覆膜施肥对黄土高原麦田土壤氮素平衡的影响

表5为4季冬小麦生产过程中2 m土层总体氮素平衡情况。因石灰性旱作土壤中矿质态氮主要以硝态氮形式存在,故氮平衡中矿质态氮以硝态氮含量计。可知,监控施肥处理连续4年累积施氮量较传统施肥减少31%。不同种植方式下累积氮表观矿化量表现为全膜覆土穴播 > 垄膜沟播 > 露地条播,且差异达显著水平。考虑到试验田秸秆全部还田,作物氮素累积携出量=前3季小麦籽粒吸氮量+第4季小麦地上部吸氮量,不同处理间作物氮素累积携出量差异达显著水平,以WFFHS处理最高,达430.5 kg·hm^-2,高于4年累积施氮量（415 kg·hm^-2）,表明监控施肥全膜覆土穴播种植更大程度地利用了历年土壤残留硝态氮和有机质的矿化氮,同时表明监控施肥条件下,连续覆膜种植在实现小麦高产的同时有降低土壤有机质含量的风险。监控施肥覆膜种植较农户模式处理可减少2 m土层硝态氮残留量,降低幅度为33.8%—38.4%（P<0.05）,其中以监控施肥全膜覆土穴播种植处理最低。监控施肥覆膜种植亦可减少氮素的表观损失量,较农户模式处理低29.5%—32.8%（P<0.05）,但垄膜沟播种植（RFSF1）处理较相同施肥量的农户模式处理氮素累积表观损失量增加了18.7%（P<0.05）。总体来看,各处理氮肥表观利用率在28.8%—56.7%,氮肥表观残留率在12.1%—28.9%,氮肥表观损失率在31.2%—49.6%,监控施肥全膜覆土穴播处理具有相对低的氮肥表观残留率（12.1%）和氮肥表观损失率（31.2%）以及相对高的氮肥表观利用率（56.7%）。
Table 5
表5
表5黄土高原典型种植方式下麦田土壤氮素平衡（kg·hm^-2）
Table 5Soil N balance in wheat yield under classic plant patterns in the Loess Plateau

年限 Year	处理 Treatment	土壤氮输入 Soil N input			土壤氮输出 Soil N output
年限 Year	处理 Treatment	累积施氮量 Accumulated N rate	起始氮Nmin （2012年播前） Initial Nmin (Pre-sowing in 2012)	累积表观矿化氮 Accumulated mineralized N	作物累积携出 Accumulated crop uptake	残留Nmin （2016年收获后） Residual Nmin (post-harvest in 2016)	累积表观损失 Accumulated apparent loss
2012-2016	FP	600	149.6	98.1c	266.0d	277.0a	304.7b
	RFSF 1	600	149.6	191.9b	320.4c	259.6a	361.5a
	RFSF 2	415	149.6	196.7b	363.3 b	183.3b	214.7c
	WFFHS	415	149.6	241.4a	430.5a	170.7b	204.8c

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3 讨论

3.1 黄土高原冬小麦产量形成特征

不同区域降水时空分布和土壤贮水能力差异是造成黄土高原旱地冬小麦产量差异的主要原因,合理的水肥管理是提高旱地小麦生产力的重要措施。本研究表明,农户模式种植条件下,黄土高原冬小麦产量在1 967—4 350 kg·hm^-2,平均3 367 kg·hm^-2。通过监控施肥结合覆膜种植,产量可提高至2 666—6 277 kg·hm^-2,其中监控施肥对籽粒产量形成的贡献率为14.8%,覆膜和监控施肥协同贡献率达24.7%—42.1%。监控施肥条件下,全膜覆土穴播种植平均产量达4 785 kg·hm^-2,较垄膜沟播种植有更显著的增产效益。全膜覆土穴播种植高产是建立在生育期高耗水的基础,耗水强度的增加,促进了作物源的建成,有利于碳水化合物合成和干物质的积累^{[2, 17-18]}。
以往研究表明^[19,20]公顷穗数是对施肥耕作等栽培管理措施响应最为敏感的因素,调控公顷穗数是实现旱地小麦增产主要途径。本研究从产量三要素的变异系数以及与籽粒产量的相关性角度分析,表明黄土高原冬小麦产量形成主要取决于公顷穗数,其次是千粒重。本研究中全膜覆土穴播种植因其合理的群体构建和良好的水热条件,具有最高成穗数和千粒重,平均分别达581×10⁴穗/hm²和44.3 g。覆膜可加快小麦中前期生长,延缓后期衰老,同时提高旱地冬小麦的灌浆速率,而小麦的灌浆速率与千粒重形成呈极显著正相关^[21,22],因此覆膜有利于旱地小麦千粒重的提高。

3.2 黄土高原冬小麦氮素积累转移特征

冬小麦地上部氮素的积累与转移是其产量形成的生理基础。本研究中,冬小麦地上部氮素积累量和籽粒吸氮量与对应生物产量和籽粒产量具有一致的变化规律,覆膜结合监控施肥可显著提高冬小麦地上部和籽粒氮素积累量,其中以监控施肥全膜覆土穴播种植处理最高,表明冬小麦地上部及籽粒氮素积累量与干物质的积累和转移有关。有研究表明覆膜栽培提高了冬小麦地上部氮素积累量,但产量表现为未增加或一定程度上增加,结果降低了氮素生理效率或氮素生理效率无明显变化^[23]。本研究表明覆膜栽培提高了旱地冬小麦籽粒产量,并更大程度上提高了地上部氮素吸收量,因此降低了氮素生理效率。但也有研究表明,地膜覆盖提高了冬小麦产量,却降低了地上部氮素积累量,进而提高了籽粒产量形成的氮生理效率,同时降低了籽粒中蛋白质含量^[24,25]。具体原因可能与土壤氮素供应水平等其他环境因子有关,有待进一步研究。
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。本研究表明农户模式小麦籽粒中3/4氮素来源于营养器官的转移,1/4氮素来源于花后根系土壤吸收,覆膜结合监控施肥可显著提高花前地上部积累氮素向籽粒的转移量,其转移贡献率在81.4%—88.8%,但其花后吸收贡献率在11.2%—18.6%,显著低于农户模式处理处理。李帅等^[26]研究也表明优化施肥可显著提高冬小麦营养器官氮素转移效率。而邱临静等^[27]研究表明垄上覆膜种植花前营养器官贮存氮向籽粒再转运的比例小于常规平作露地栽培,垄上覆膜主要是显著提高了花后累积氮素对籽粒氮的贡献率。李华等^[28]研究表明地表覆盖对转移氮贡献率和氮转移效率的影响随年度而变化。分析原因冬小麦营养器官花后氮素转移贡献率与小麦对花前、花后吸收氮素的同化能力有关,所有影响小麦对阶段吸收氮素同化能力的因素都会影响到籽粒的氮转运贡献率和吸收贡献率。

3.3 黄土高原麦田土壤硝态氮残留特征

地膜覆盖因促进土壤有机氮矿化可增加表层土壤硝态氮累积,同时因促进小麦根系的生长降低了深层土壤硝态氮累积^[29]。覆膜栽培可有效协调土壤氮素利用、地上部氮素积累和产量形成之间的关系。本研究表明,长期过量施肥已导致黄土高原麦田土壤硝态氮在1 m 土层的累积,累积量在100 kg·hm^-2以上。章孜亮等^[15,16]提出黄土高原地区为避免土壤硝态氮淋失,冬小麦播前1 m土体硝态氮累积量安全阈值为110 kg·hm^-2,收获时为55 kg·hm^-2。西欧国家为了防止氮肥造成水体污染,也规定作物收获后1 m土体肥料氮残留量不超过50 kg·hm^-2[15]。由此表明试验区土壤硝态氮已具有一定的淋失风险。
通过连续4年种植发现农户模式处理2 m土层硝态氮累积量达277 kg·hm^-2,较2012年播前增加了87.7%,主要集中在0—120 cm 土层,贡献率达75%;监控施肥覆膜处理2 m土层硝态氮累积量较2012年播前仅增加15.7%—24.2%,监控施肥全膜覆土穴播处理硝态氮残留量最低,为170.7 kg·hm^-2。试验期间土壤残留硝态氮有随降水向下淋移的趋势,表现为2016年收获期各处理在120—200 cm土层较2012年播前有10.2%—133.7%的增幅,这主要与夏闲期降水量及降水强度有关。夏梦洁等^[30]通过¹⁵N标记硝态氮去向的方法研究表明,黄土高原旱地麦田休闲期硝态氮淋溶作用不可忽视,在夏闲期降水量仅为157 mm的欠水年,¹⁵N标记的肥料氮可向下迁移至80 cm土层。DAI等^[31]研究也表明黄土高原夏季每1 mm降水可引起硝态氮在土壤剖面中向下移动3.6 mm。

3.4 黄土高原麦田土壤氮素平衡

土壤氮素平衡可进一步反应肥料氮素和土壤氮素在小麦-土壤系统的动向和分配比例。本研究中,覆膜监控施肥处理连续4年累计施氮量较传统施肥减少31%,而累计籽粒产量却提高了14.8%—30.9%,表明在黄土高原旱作区,小麦覆膜减氮平衡施肥增产的可能性。这在其他研究中也有类似的结果^[15,16]。本试验中,不同处理累积氮表观矿化量表现为全膜覆土穴播>垄膜沟播>露地条播,原因是覆膜条件下良好的水热条件影响了土壤微生物生物量及群落结构,进而影响有机氮的矿化过程^[32]。监控施肥全膜覆土穴播种植更大程度上利用了历年土壤残留硝态氮和有机质的矿化氮,连续覆膜种植在实现小麦高产的同时有降低土壤有机质含量的风险。氨挥发和硝态氮淋溶是北方农田系统氮素损失的主要途径,占到施氮量的20%—30%^[33]。地膜覆盖可增加土壤中N₂O排放通量及氨挥发量^[34,35]。本研究表明垄膜沟播处理较相同施肥量的露地条播处理氮素累积表观损失量高18.7%（P<0.05）。但监控施肥覆膜种植可减少氮素的表观损失。
本试验通过4年种植总体评价土壤氮素平衡,充分考虑土壤残留氮素的后效作用,更能准确说明肥料利用的真实情况。表明各处理氮肥表观利用率在28.8%—56.7%,氮肥表观残留率在12.1%—28.9%,氮肥表观损失率在31.2%—49.6%。其中监控施肥全膜覆土穴播处理具有相对低的氮肥表观残留率（12.1%）、氮肥表观损失率（31.2%）和相对高的氮肥表观利用率（56.7%）。

4 结论

覆膜监控施肥种植可显著提高黄土高原旱地冬小麦产量,提高幅度24.7%—42.1%。冬小麦产量形成主要取决于公顷穗数,其次是千粒重。黄土高原旱地冬小麦地上部氮素积累量、花前营养器官氮素转移量与籽粒产量呈极显著正相关。覆膜栽培更大程度上提高了冬小麦地上部氮素吸收量,但降低了氮素生理效率。农户模式小麦籽粒中3/4氮素来源于营养器官的转移,1/4氮素来源于花后根系土壤吸收,覆膜监控施肥可提高花前营养器官氮素向籽粒的转移贡献率至81.4%— 88.8%。
通过连续4年种植,农户模式2 m土层硝态氮累积量增加了87.7%,而覆膜监控施肥种植在减氮31%基础上,且因地上部吸收氮素的增加而具有相对较低的硝态氮残留量。全膜覆土穴播监控施肥种植更大程度上利用了历年土壤残留硝态氮和有机质的矿化氮,具有相对低的氮素表观残留率（12.1%）和氮素表观损失率（31.2%）以及相对高的氮素表观利用率（56.7%）,进而获得较高产量,可作为黄土旱塬麦区一种有效的栽培措施。
The authors have declared that no competing interests exist.