一年一作旱地麦田休闲期地膜覆盖保水对植株氮素利用的影响

雷妙妙，孙敏，高志强，任爱霞，薛玲珠

(山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801)



一年一作旱地麦田休闲期地膜覆盖保水对植株氮素利用的影响

雷妙妙，孙敏*，高志强，任爱霞，薛玲珠

(山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801)

[目的]探究一年一作旱地小麦休闲期地膜覆盖保水提高底墒基础上对植株氮素利用、氮效率的影响，寻求实现水氮高效利用的最佳地膜覆盖方式。[方法]开展全膜覆盖、起垄半覆盖、不起垄半覆盖、不覆盖4种覆盖方式下对水分和氮素利用影响的大田试验研究。[结果]休闲期地膜覆盖后，播种至孕穗期0～1 m土壤蓄水量显著提高，采用全膜覆盖和起垄半覆盖较不起垄半覆盖、不覆盖显著提高播种期土壤蓄水量，分别达14 mm、42 mm和12 mm、40 mm，提高水分利用效率，且以全膜覆盖效果较好。休闲期地膜覆盖后，各生育时期植株氮素积累量提高，尤其中后生育阶段，有利于花前贮存氮素的运转，籽粒氮素积累增加，提高氮素吸收效率9%～32%、氮素收获指数2%～10%、氮素生产效率11%～30%，且以全膜覆盖效果较好。[结论]休闲期地膜覆盖有利于蓄积降雨，提高底墒，全膜覆盖更有利于水分利用效率、氮素吸收效率、氮素生产效率的提高，实现水氮耦合。

旱地小麦； 地膜覆盖； 0～1 m土壤水分； 氮素利用

自然降水是黄土高原旱作麦区的唯一水分来源，但仅有30%～40%降水发生于小麦生长季(10月至次年6月)，无法满足小麦生长对水分需求，因此蓄存有限的降水于土壤中，减少无效蒸发，提高水分利用效率是旱作栽培的研究重点[1～3]。Sharma 等[4]研究表明，生育期覆盖能改善旱地小麦的生长环境，贮存更多的水分供小麦生长需要，最终提高水分利用效率。郭媛等[5]研究认为，休闲期覆盖有利于提高播前3 m内土壤水分，达70～80 mm，产量、水分利用效率均提高，分别达1.43%～7.16%、1.27%～4.23%。杨小敏等[6]研究表明，黄土旱作麦区采用全年地膜全覆盖水分利用效率提高13%以上，蓄水效率提高16%以上。此外，土壤水分影响氮素的吸收、利用、运转，具有一定的耦合效应。范雪梅等[7]研究表明，土壤水分亏缺影响植株对氮素的吸收，花前营养器官氮素残留增多，对籽粒的贡献率降低，导致籽粒氮素积累减少，氮素利用效率降低。王帅等[8]研究表明，休闲期覆盖后播种期土壤蓄水量提高39～42 mm，促进花前氮素吸收速率的提高，有利于花前氮素运转，提高氮效率。前人研究多是休闲期覆盖或生育期覆盖后土壤水分和氮素吸收、运转的变化，休闲期不同地膜覆盖方式保水的前提下，研究对植株氮素利用的报道较少。为此，研究休闲期不同地膜覆盖对植株氮素吸收、运转的影响，探索一年一作旱地小麦休闲期最佳地膜覆盖方式，以期实现小麦水氮耦合。

1 方法与材料

1.1 试验地的基本情况

于2011年7月—2012年6月在闻喜县桐城镇邱家岭村旱作试验地开展试验，试验田全生育期无灌溉来源，为一年一作制。于2011年6月10日测定播前表层(0～20 cm)土壤基础养分：速效磷14.61 mg·kg-1，有机质11.88 g·kg-1，碱解氮38.62 mg·kg-1。2011—2012年降水量为661.9 mm，降水较充沛，其中休闲期降水量较年平均值高203.33 mm，播种至越冬期较年平均值高80.00 mm(图1)。

图1 试验所在地的降水量Fig.1 Precipitation at experimental site of Wenxi 休闲期：6月21日至9月30日；播种—越冬：10月1日至11月30日；越冬—拔节：12月1日至4月10日；拔节—开花：4月11日至5月10日；开花—成熟：5月11日至6月20日。FP (Fallow period): from Jun. 21st to Sep. 30th; STW (Sowing to Pre-wintering stage): from Oct. 1st to Nov. 30th; WTJ (Pre-wintering to jointing stage): from Dec. 1st to Apr. 10th next year; JTA (Jointing to anthesis stage): from Apr. 11th to May 10th; ATM (Anthesis to maturity stage): from May 11th to Jun. 20th.

1.2 试验设计

以由闻喜县农委提供的“运旱20410”为试验材料，采用完全随机区组设计，试验田前茬小麦收后留高茬20～30 cm，麦收后30 d进行深度为25～30 cm的翻作，将留茬秸秆进行粉碎还田，同时深施1 500 kg·hm-2有机肥后开展本试验，以覆盖方式为变量，设全膜覆盖(Full mulching，FM)、起垄半覆盖(垄距、垄宽均为40 cm，垄高10 cm，Ridge half mulching，RM)、不起垄半覆盖(膜距、膜宽均为60 cm，No ridge half mulching，NRM)、不覆盖(No mulching，NM)4个处理，重复3次，小区面积50 m×3 m=150 m2。8月25日耙耱收墒，10月1日进行地膜覆盖播种，行距30 cm，基施纯N、P2O5、K2O 各150 kg·hm-2，基本苗2.25×106株·hm-2。

1.3 测定项目与方法

分别于前茬小麦收获后30 d(休闲期，Fallow period，FP)、112 d(播种期，Sowing stage，SS)、185 d(越冬期，Pre-wintering stage，WS)、273 d(返青期， Turn-greening stage，TGS)、301 d(拔节期， Jointing stage，JS)、321 d(孕穗期，Booting stage，BS)、327 d(开花期，Anthesis stage，AS)、365 d(成熟期，Maturity stage，MS)，用土钻钻取土样，每20 cm为一土层(Height，H,mm)，共取5层，重复3次，采用环刀法测定土壤容重(Density，D,g·cm-3)，称量每个土层土样湿重(Wet weight，W,g)，于105 ℃烘箱下烘至恒重，称量干重(Dry weight，DW,g)。

土壤蓄水量(Soil water storage，SWS)/mm=[(W-DW)/DW]×H×D。

分别于越冬期、拔节期、孕穗期、开花期、成熟期选取长势均匀且具代表性的20株植株，拔节至成熟期分别按器官分离，于干燥箱中105 ℃下杀青30 min后80 ℃烘至恒重。将烘干后的样用微型万能高速粉碎机进行粉碎，用H2SO4-H2O2法消煮，靛酚蓝比色法(625 nm)测定含氮率，计算各生育时期各器官氮素积累量。

于小麦成熟期调查0.667 m2穗数、每穗平均粒数，称取1 000个籽粒的重量，在每个试验处理取代表性植株50株测定其生物产量。

1.4 计算方法及统计分析

计算方法参见王帅等[8]。

本试验数据采用Excel 2003、SAS 9.0软件进行数据处理并统计分析，用DPS软件的LSD法检验处理间显著性水平为α=0.05的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 地膜覆盖保水对土壤水分的影响

2.1.1 对播种期0～1 m土壤蓄水量的影响

采用地膜覆盖保水技术后，播种期0～1 m各土层土壤蓄水量提高(图2)，采用全膜覆盖和起垄半覆盖较不起垄半覆盖、不覆盖可显著提高播种期0～1 m土壤蓄水量，分别达14 mm、42 mm和12 mm、40 mm。播种期0～60 cm土层土壤蓄水量均以全膜覆盖最高，可提高13%～23%；60～100 cm土层土壤蓄水量以起垄半覆盖显著最高，可提高31%～56%。可见，休闲期地膜覆盖有利于蓄保降雨，提高底墒。

图2 休闲期不同覆盖方式对播种期0～1 m土壤蓄水量的影响Fig.2 Effect of different mulching modes during fallow period on soil water storage at the depth of 0～1 m at sowing stage

2.1.2 对各生育时期0～1 m土壤蓄水量的影响

采用地膜覆盖保水技术后，越冬至孕穗期土壤蓄水量显著提高，而开花至成熟期降低(表1)。休闲期地膜覆盖前提下，全膜覆盖较不起垄半覆盖越冬至孕穗期土壤蓄水量显著提高；全膜覆盖较起垄半覆盖越冬至孕穗期土壤蓄水量提高，且越冬期、孕穗期差异显著；起垄半覆盖较不起垄半覆盖越冬至孕穗期土壤蓄水量提高，且花前各生育时期(除拔节期)差异显著。可见，休闲期地膜覆盖有利于提高花前土壤水分，且以全膜覆盖效果较好。

表1 休闲期不同覆盖方式对各生育时期0～1 m土层土壤蓄水量的影响/mm

Table 1 Effect of different mulching modes during fallow period on soil water storage at the depth of 0～1 m at each growth stage

覆盖方式Mulchingmode越冬期WS返青期TGS拔节期JS孕穗期BS开花期AS成熟期MS全膜覆盖FM225.79a221.15a172.01a134.01a89.55b80.86a起垄半覆盖RM221.98b220.81a169.88ab130.55b90.12b81.08a不起垄半覆盖NRM219.92c214.37b166.68b128.01c90.13b81.34a不覆盖NM196.91d196.12c159.43c125.05d91.51a83.29a

2.2 地膜覆盖保水对植株氮素积累特性的影响

2.2.1 对各生育时期植株氮素积累量的影响

采用地膜覆盖保水技术后，各生育时期氮素积累量显著增加，且以全膜覆盖最高，起垄半覆盖、不起垄半覆盖其次，不覆盖最低(表2)。休闲期地膜覆盖条件下，全膜覆盖较起垄半覆盖植株氮素积累量提高，且拔节至成熟期差异显著；全膜覆盖、起垄半覆盖较不起垄半覆盖氮素积累量显著提高。

表2 休闲期不同覆盖方式对各生育时期植株氮素积累量的影响/kg·hm-2

可见，休闲期地膜覆盖保水后有助于各生育时期植株氮素积累，且以全膜覆盖效果较好。

2.2.2 对各生育阶段氮素积累量的影响

植株氮素吸氮量及占整个生育阶段的比例均在拔节至开花阶段最大(表3)。休闲期地膜覆盖后，拔节至开花阶段、开花至成熟阶段氮素积累量增加，且拔节至开花阶段差异显著。休闲期地膜覆盖前提下，出苗至拔节阶段氮素积累量以全膜覆盖显著最高，其次为起垄半覆盖，不起垄半覆盖最低；拔节至开花阶段氮素积累量以全膜覆盖最高，其次为不起垄半覆盖，起垄半覆盖最低，且全膜覆盖较其他两覆盖条件间差异显著；开花至成熟阶段氮素积累量以起垄半覆盖最高，其次为全膜覆盖，不起垄半覆盖最低，且起垄半覆盖和全膜覆盖较不起垄半覆盖差异显著。

采用地膜覆盖保水技术后，拔节至开花阶段氮素积累量占整个生育阶段的比例提高，且不起垄半覆盖较不覆盖差异显著。全膜覆盖较不覆盖出苗至拔节阶段氮素积累量占整个生育阶段的比例提高；不起垄半覆盖较起垄半覆盖、全膜覆盖拔节至开花阶段氮素积累量提高，且不起垄半覆盖与起垄半覆盖差异显著；起垄半覆盖较不覆盖开花至成熟期氮素积累量占整个生育阶段的比例提高。可见，休闲期地膜覆盖促进生育中后期阶段对氮素的积累，且以全膜覆盖效果更好。

表3 休闲期不同覆盖方式对各生育阶段积氮量及占整个生育阶段的比例的影响

Table 3 Effect of different mulching modes during fallow period on nitrogen uptake amount and its ratio in plant at each growth stage

覆盖方式Mulchingmode出苗-拔节ETJ拔节-开花JTA开花-成熟ATM积累量/kg·hm-2Accumulationamount比例/%Rate积累量/kg·hm-2Accumulationamount比例/%Rate积累量/kg·hm-2AccumulationAmount比例/%Rate全膜覆盖FM67.11a35.24a92.34a48.49ab30.99a16.28b起垄半覆盖RM59.12b34.19ab80.93b46.80b32.87a19.01a不起垄半覆盖NRM47.83c30.38b82.74b52.55a26.87b17.07ab不覆盖NM50.66c35.22a67.05c46.61b26.14b18.17ab

2.2.3 对成熟期各器官氮素积累量的影响

采用地膜覆盖保水技术后，籽粒氮素积累量及其所占比例显著提高(表4)，且籽粒氮素积累量以全膜覆盖显著最高，起垄半覆盖、不起垄半覆盖其次，不覆盖显著最低，而籽粒所占比例以起垄半覆盖显著最高，全膜覆盖、不起垄半覆盖其次，不覆盖显著最低。成熟期植株83%～91%的氮素转移到籽粒。全膜覆盖较不覆盖茎秆+茎鞘氮素积累量显著提高，而叶片、穗轴+颖壳氮素积累量降低；起垄半覆盖较不覆盖叶片、茎秆+茎鞘、穗轴+颖壳氮素积累量降低；不起垄半覆盖较不覆盖叶片氮素积累量显著提高，而茎秆+茎鞘、穗轴+颖壳氮素积累量降低。可见，休闲期地膜覆盖有利于降低叶片、穗轴+颖壳中氮素的残留，提高成熟期籽粒氮素的积累。

表4 休闲期不同覆盖方式对成熟期各器官氮素积累量的影响/kg·hm-2

Table 4 Effect of different mulching modes during fallow period on nitrogen accumulation amount in various organs at maturity stage

覆盖方式Mulchingmode叶片Leaf茎秆+茎鞘Stem+sheath颖壳+穗轴Glume+spike籽粒Grain积累量Accumulationamount比例/%Rate全膜覆盖FM2.62b16.85a6.21a164.76a86.52b起垄半覆盖RM2.29b9.53d2.89b158.21b91.49a不起垄半覆盖NRM4.69a12.16c6.58a134.00c85.12c不覆盖NM3.05b14.09b7.12a119.59d83.14d

2.2.4 对花前氮素运转和花后氮素积累的影响

旱地小麦籽粒中氮素主要来源于花前营养器官氮素运转量的贡献率占78%～81%，而花后植株积累的氮素贡献率仅占19%～22%(表5)。采用地膜覆盖保水技术后，花前氮素运转量及其对籽粒的贡献率、花后氮素积累量提高，且不同覆盖方式处理间花前氮素运转量差异显著，全膜覆盖、起垄半覆盖较不起垄半覆盖、不覆盖花后氮素积累量差异显著；而花后氮素积累量对籽粒的贡献率则降低。花前氮素运转量以全膜覆盖显著最高，其次为起垄半覆盖、不起垄半覆盖，不覆盖显著最低；花前氮素运转量对籽粒的贡献率以全膜覆盖最高，其次为不起垄半覆盖、起垄半覆盖，不覆盖最低；花后氮素积累量对籽粒的贡献率以起垄半覆盖高于不起垄半覆盖高于全膜覆盖，且3种覆盖处理间差异不显著。可见，休闲期地膜覆盖促进开花前氮素的运转及向籽粒的转运和花后氮素积累量，且全膜覆盖效果较好。

表5 休闲期不同覆盖方式对花前氮素运转和花后氮素积累的影响

Table 5 Effect of different mulching modes during fallow period on nitrogen translocation amount before anthesis and nitrogen accumulation amount after anthesis

覆盖方式Mulchingmode花前运转量/kg·hm-2NTBA花前运转量、籽粒/%ContributionofNTBAtoNingrains花后积累量/kg·hm-2NAAA花后积累量、籽粒/%ContributionofNAAAtoNingrains全膜覆盖FM133.77a81.19a30.99a18.81b起垄半覆盖RM125.34b79.22a32.87a20.78ab不起垄半覆盖NRM107.13c79.95a26.87b20.05ab不覆盖NM93.45d78.14a26.14b21.86a

注：NTBA: nitrogen translocation amount before anthesis；NAAA: nitrogen accumulation amount after anthesis

2.3 地膜覆盖保水对水分利用效率和植株氮效率的影响

采用地膜覆盖保水技术后，提高水分利用效率1%～14%、氮素吸收效率9%～32%、氮素收获指数2%～10%、氮素生产效率11%～30%；不起垄半覆盖和起垄半覆盖较不覆盖氮素利用效率提高，且起垄覆盖与不覆盖差异显著(表6)。休闲期地膜覆盖条件下，全膜覆盖、起垄半覆盖较不起垄半覆盖水分利用效率均显著提高13%；氮素吸收效率和氮素生产效率均以全膜覆盖最高，其次为起垄半覆盖，不起垄半覆盖最低，且氮素吸收效率处理间差异显著，较其他两覆盖处理分别提高10%、21%，氮素生产效率全膜覆盖、起垄半覆盖与不起垄半覆盖均显著提高17%；起垄半覆盖较不起垄半覆盖和全膜覆盖氮素利用效率、氮素收获指数显著提高。可见，休闲期地膜覆盖有利于水分利用效率、氮素收获指数、氮素生产效率、氮素吸收效率的提高，促进氮素向籽粒的运转，且全膜覆盖效果较好，但起垄半覆盖有利于提高氮素收获指数和氮素利用效率。

表6 休闲期不同覆盖方式对水分利用效率和氮效率的影响Table 6 Effect of different mulching modes during fallow period on water use efficiency and nitrogen use efficiency

WUE: water use efficiency; NUP: nitrogen uptake efficiency; NHI: nitrogen harvest index; NUE: nitrogen use efficiency; NPE: nitrogen productive efficiency

3 讨论与结论

王晓峰等[9]研究表明，垄上覆膜+沟内覆草有利于蓄积土壤水分以供小麦需水关键期生长需要。杨海迪等[10]研究表明，休闲期采用地膜覆盖可最大限度地蓄积自然降水于土壤中，土壤入渗蓄墒率提高50%以上，提高底墒。Zhang等[11]研究表明，地膜覆盖可提高播种期0～1 m土壤蓄水量达20～28 mm。本研究表明，休闲期地膜覆盖后，播种至孕穗期土壤蓄水量显著提高，其中采用全膜覆盖和起垄半覆盖较不起垄半覆盖、不覆盖可显著提高播种期0～1 m土壤蓄水量，分别达14 mm、42 mm和12 mm、40 mm，提高水分利用效率1%～14%，且以全膜覆盖效果较好。可见，地膜覆盖有利于蓄保降水，提高底墒，其蓄水效果可延续至孕穗期，有利于提高水分利用效率，且以全膜覆盖效果较好。这与本团队自2009年进行旱地小麦休闲期覆盖有利于蓄积休闲期降雨至孕穗期[8,12～17]的研究结果较为一致。

地膜覆盖通过对土壤贮水的调控来影响小麦氮素运转。李华等[18]研究表明，地膜覆盖促进小麦生育前期生长，提高花前氮素积累量对籽粒的贡献率。郭媛等[5]研究表明，休闲期覆盖可提高小麦生育前中期土壤水分，促进花前植株氮素的积累与运转，有利于水氮利用效率的提高。本研究表明，休闲期地膜覆盖能较大程度蓄积夏季降水于土壤，提高水分利用效率1%～14%，通过水氮耦合，进而促进小麦中后生育阶段对氮素的吸收和向成熟期籽粒运转，氮素吸收效率提高9%～32%、氮素生产效率提高11%～30%、氮素收获指数提高2%～10%，且以全膜覆盖效果较好。这与范明生等[19]研究结果较为一致，这可能是由于本年度降水较丰沛，其中休闲期降水量较常年高203.33 mm，地膜覆盖有利于蓄积休闲期降水于深层土壤中，促进小麦地上部营养器官干物质的积累，为籽粒灌浆创造良好的基础，水氮效率提高，且全膜覆盖土壤水分条件较好，实现水氮耦合[20]。

籽粒中的氮素来自花前营养器官的转运和花后植株的积累，且花前对籽粒的贡献率大于花后[21，22]。Despo等[23]研究表明，小麦花前氮素积累量对籽粒的贡献率占60.9%～80.7%。本研究表明，旱地小麦籽粒中氮素主要来源于花前氮素积累运转量的贡献率，占78%～81%，而花后氮素积累量的贡献率仅占19%～22%，花前运转贡献所占比例大于花后，休闲期地膜覆盖有利于开花前植株贮存的氮素向籽粒转运和花后氮素积累量，这可能是由于休闲期地膜覆盖有利于蓄积有限的降水于深层土壤中，促进氮素的吸收、利用，有利于减少叶片、穗轴+颖壳中氮素的残留，提高成熟期籽粒氮素的积累。

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(编辑：张莉)

Effects of film mulching in fallow period on water conservation and nitrogen utilization of dryland wheat in the winter-summer fallow cropping system

Lei Miaomiao, Sun Min*, Gao Zhiqiang, Ren Aixia, Xue Lingzhu

(CollegeofAgriculture,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

[Objective]To study the effects of plastic film mulching during fallow period with great soil water storage before sowing on nitrogen (N) utilization and N use efficiency of dryland wheat conventionally cultivated as a single crop every year, and to seek the best film mulching to achieve water and nitrogen use efficiency.[Methods]The field experiment was conducted at Qiujialing village, Wenxi County, Shanxi Province from 2011 to 2012, under the conditions of full mulching (FM), ridge half mulching (RM), no ridge half mulching (NRM), no mulching (NM), to study the effects of different mulching modes on soil water and nitrogen utilization.[Results]After plastic film mulching during fallow period, the soil water storage from sowing to booting stage in 0～1 m soil layer significantly improved. Compared with NRM and NM treatments, FM and RM could improve soil water storage at sowing stage significantly, reaching 14 mm, 42 mm and 12 mm, 40 mm, respectively, and water use efficiency also increased, and FM was better. After plastic film mulching during fallow period, N accumulation amount in plant at different growth stages increased, especially middle and late stages, it was also conducive to N translocation amount before anthesis (NTBA) to N in grains to promote the grain N accumulation, and which increased N uptake efficiency, N harvest index and N productive efficiency reaching 9%～32%, 2%～10% and 11%～30%, respectively, and FM was better.[Conclusion]Plastic film mulching during fallow period was conducive to store precipitation into the soilresult ing in the increase of soil water storage before sowing. Full mulching had better effects on promoting water use efficiency, N uptake efficiency and N productive efficiency.

Dryland wheat, Plastic film mulching, Soil water storage at the depth of 0～1 m, Nitrogen utilization

2017-03-22

2017-05-15

雷妙妙(1992-)，女(汉)，山西文水人，硕士研究生，研究方向：旱作栽培与作物生理生态

*通信作者：孙敏，教授，博士生导师，Tel: 0354-6286956；E-mail：sm_sunmin@126.com

国家现代农业产业技术体系建设专项经费(CARS-03-01-24)、国家公益性行业(农业)科研专项(201303104)、山西省科技创新团队项目(201605D131041)、山西省回国留学人员重点科研资助项目(2015-重点4)

S512.1

A

1671-8151(2017)08-0540-07