地膜玉米免耕轮作小麦的减水减氮效应*

郭 瑶, 陈桂平, 殷 文, 赵 财, 于爱忠, 樊志龙, 胡发龙, 范 虹, 柴 强

地膜玉米免耕轮作小麦的减水减氮效应*

郭 瑶†, 陈桂平†, 殷 文, 赵 财, 于爱忠, 樊志龙, 胡发龙, 范 虹, 柴 强**

(甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃农业大学农学院 兰州 730070)

针对长期连作作物生产力低下等突出问题, 研究前茬地膜覆盖作物免耕留膜, 轮作后茬作物的生产效应, 对于优化栽培模式, 建立甘肃河西绿洲灌区作物生产的节本增效技术具有重要意义。2016—2017年, 通过田间定位试验, 研究了前茬地膜覆盖玉米茬口两种耕作方式(免耕留膜, NT; 传统耕作, CT)、两种灌水水平(传统灌水, 2400 m3∙hm−2, I2; 传统灌水减量20%, 1920 m3∙hm−2, I1)和3个施氮水平(传统施氮, 225 kg∙hm−2, N3; 传统施氮减量20%, 180 kg·hm−2, N2; 传统施氮减量40%, 135 kg∙hm−2, N1)对轮作小麦产量、光能与灌溉水利用及经济效益的影响, 以期为优化试区小麦的栽培技术提供理论依据。研究结果表明, 前茬玉米免耕留膜较传统耕作小麦全生育期总叶日积提高21.6%~26.1%(<0.05), 特别是小麦灌浆至成熟期提高41.3%~45.2% (<0.05), 具有延缓衰老的作用。小麦灌浆至成熟期, 免耕留膜集成减量20%水氮供应(NTI1N2)处理比传统耕作和水氮供应(CTI2N3)提高叶日积34.8%~50.7%。免耕留膜较传统耕作提高籽粒产量、光能利用率和灌溉水利用效率分别为10.1%~10.4%、5.6%~12.3%和10.1%~10.3% (<0.05); NTI1N2较CTI2N3处理小麦增产15.2%~22.0%、光能利用率提高8.1%~18.5%、灌溉水利用效率提高44.0%~52.5% (<0.05)。免耕留膜结合减量水氮供应可降低生产成本, 提高纯收益和产投比, NTI1N2较CTI2N3处理纯收益和产投比分别提高22.9%~23.9%和34.8%~35.1%, 单方水效益提高53.6%~68.9% (<0.05)。因此, 前茬地膜覆盖玉米免耕留膜配套减量20%灌水(1920 m3∙hm−2)与施氮(180 kg∙hm−2)可作为甘肃河西绿洲灌区发展节本增效小麦生产的关键技术。

轮作; 地膜玉米; 小麦; 水氮耦合; 光能利用; 水分生产力; 经济效益

河西绿洲灌区光热充裕, 满足作物生产需求, 但蒸发远大于降雨量, 水分是该区作物生产的约束性因子, 受土壤耕作措施、种植模式、覆盖措施、施肥水平等因素的调控。而土壤水分的变化与作物生产密切相关[1]。因此, 通过优化耕作措施及水氮供应, 提高有限供水条件下灌溉水生产效率是未来农业发展的重点方向。在有效协调资源、环境与技术相互关系的基础之上, 提高农业生产纯收益是生产者的终极目标, 而降低生产成本是提高纯收益有效途径之一[2]。玉米()作为河西绿洲灌区主栽作物, 长期过量施肥与连作种植导致产量下降, 造成经济效益降低[3-4]。在全面推行玉米无膜不植生产背景下, 应用前茬玉米免耕留膜等保护性耕作技术轮作小麦(), 能减少机械作业量、降低土壤无效蒸发、改善土壤水分状况、减少灌溉与施肥量、创造有利于作物生长的土壤环境[5], 是弱化地膜污染、减少资源投入与提高经济效益的高效措施。同时, 前茬地膜有效防止休闲期水土流失, 增强农田生态系统可持续性。因此, 通过优化地膜再利用技术, 提高水分生产效益、降低成本从而增加纯收益, 是实现农业可持续生产的重要研究方向。

光能是农业生产不可或缺的重要生产要素, 而光能利用率的理论值为5%~6%左右[6], 研究证实光能利用率低是限制作物高产的另一个重要因素[7-8]。相反, 光合有效辐射利用率远远高于农作物生育期间光能利用率[9], 因而, 提高农田光能利用率的研究非常迫切。目前, 有关农田作物生产效益和光能利用率的研究主要集中在种植模式[10]、栽培密度[11]、灌溉制度[12]、施肥制度[13]等方面, 并证实合理的种植密度配套适宜的灌水施肥量可提高农田光能利用、水分生产力及经济效益。而如何优化耕作措施及水氮供应水平调控其作物生产效应尚不明晰。因此, 本研究在典型的干旱西北绿洲灌区, 以地膜玉米茬免耕留膜轮作小麦为研究对象, 将水氮耦合集成于轮作栽培模式中, 重点探讨不同水氮供应水平下, 前茬玉米免耕留膜轮作小麦的生产效应, 以期为区域内小麦高产高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试区概况

1.2 试验设计

试验于2015—2017年进行, 2015年与2016年在两块试验田分别进行覆膜种植玉米预备试验, 采用平作全膜覆盖。2015年4月24日播种玉米, 9月28日玉米收获后, 免耕留膜处理小区地膜的完整度保持在70%以上, 传统耕作处理则在玉米收获后进行旧膜回收再深翻耕。2016年3月28日采用简易滚动播种器免耕直接穴播春小麦。同时, 2016年4月20日在相邻田块布置2017年免耕种植春小麦的预备试验, 覆膜玉米灌水、施肥等田间管理措施与2015年保持一致, 2016年9月20日玉米收获后茬口处理与2015年相同, 2017年3月26日免耕直接穴播春小麦。具体的种植制度安排如图1所示。

本试验采用3因素裂区设计, 主区为前茬地膜覆盖玉米收获后的2种耕作措施: 前茬地膜玉米免耕留膜(NT)与传统耕作(CT); 第1副区为2个灌水水平: 传统灌水(I2, 2400 m3∙hm−2)与传统灌水减量20% (I1, 1920 m3∙hm−2); 第2副区为3个施纯氮水平: 传统施氮(N3, 225 kg∙hm−2)、传统施氮减量20% (N2, 180 kg∙hm−2)与传统施氮减量40% (N1, 135 kg∙hm−2), 共组成12个处理(表1), 每个处理3次重复, 共36个小区。具体田间处理代码如表1所示。

本研究选用小麦品种为‘陇春30号’, 种植密度为465万株∙hm−2, 小区面积为55 m2(10 m×5.5 m), 相邻小区之间有0.5 m宽×0.5 m深的隔沟, 防止灌溉用水发生潜在的相互渗透。各试验处理冬储灌均为1200 m3∙hm−2, 根据灌水水平处理, 在不同小麦生长阶段实施灌溉定额(表1)。灌溉方式为滴灌, 用水表控制灌溉量。基肥包括磷肥(150 kg∙hm−2)和全部氮肥于播前施入, 氮肥为尿素, 磷肥为过磷酸钙。

1.3 测定指标

1.3.1 叶日积(LAD)

自小麦播种30 d后, 每隔大约2周, 在每个裂区中运用“S”型法采集植株样20株, 全生育期共采用6次。测定每株样品各叶片的叶长(l)和最大叶宽(w), 并计算绿色叶面积指数(LAI):

式中: 0.83为小麦LAI的校正系数,为小麦基本苗,和分别为小麦叶片的长和宽,为叶片个数。利用LAI计算LAD:

式中: LAI为第个生育阶段的平均绿色叶面积指数,D为第个生育阶段平均绿色叶面积指数所持续的时间。

表1 2016—2017年小麦试验处理代码及灌溉和施氮量

1.3.2 光能利用率(LUE)

小麦成熟后按小区收获, 测定其籽粒产量与生物产量, 并通过小型气象站获取小麦生育期内的太阳辐射值, 借助下列公式计算光能利用率。

式中:为小麦籽粒与秸秆产量(kg∙hm−2), 收获时每小区单独测定;为能量折算值(小麦籽粒取1.63×107J∙kg−1, 小麦秸秆取1.46×107J∙kg−1; Δ为通过气象资料获得的小麦生育期内的太阳辐射值(MJ∙m−2)[2]。

1.3.3 经济效益

在本研究实施过程中, 详细记载不同栽培措施下小麦播前整地、田间管理、施肥、灌溉、病虫害防治、收获等各个环节的用工、肥料、农药、灌溉量等投入情况, 收获时测定每个裂区小麦籽粒与秸秆产量, 计算不同耕作措施及水肥投入水平下的生产成本与产值。并计算纯收益、产投比及灌溉水利用效率和单方水效益。

纯收益=总产值−总投入 (4)

产投比=总产值/总投入 (5)

灌溉水利用效率=籽粒产量/总灌水量 (6)

单方水效益=纯收益/总灌水量 (7)

1.4 数据统计

数据采用Microsoft Excel 2016整理、汇总、图表制作, 使用SPSS 20.0统计分析软件进行相关性分析, 运用Duncan方法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 水氮耦合对地膜玉米免耕轮作小麦叶日积的影响

两年试验研究中, 耕作措施与施氮水平对小麦总叶日积产生显著影响, 但灌水对其影响不显著(表2)。前茬玉米免耕留膜较传统耕作总叶日积提高21.6%~26.1% (<0.05)。施氮水平对小麦生育期总叶日积的影响年际间有差异, 2016年减量20%较传统施氮总叶日积降低7.1%, 2017年差异不显著。综合3个因素, 免耕留膜减量20%水氮(NTI1N2)较传统耕作和水氮供应(CTI2N3)总叶日积提高17.9%~23.4% (<0.05)。

耕作方式、灌水水平、施氮量均显著影响小麦拔节期之前的叶日积, 前茬玉米免耕留膜较传统耕作叶日积提高21.3%~23.3% (<0.05); 减量与传统灌水下, 免耕留膜较传统耕作叶日积分别提高22.2%~31.0%与15.8%~20.5% (<0.05)。减量40%、减量20%和传统施氮处理下, 免耕留膜较传统耕作叶日积分别提高21.1%~34.8%、21.6%~31.2%和23.8%~27.5% (<0.05)。免耕留膜减量20%水氮供应(NTI1N2)较传统耕作和水氮供应(CTI2N3)处理叶日积分别提高7.4%~10.3%和16.8%~20.2% (<0.05)。

小麦拔节期至灌浆初期叶日积, 前茬玉米免耕留膜较传统耕作提高14.6%~20.9% (<0.05)。免耕留膜与传统耕作相比, 在减量和传统灌水条件下叶日积分别提高9.7%~19.8%和19.5%~22.1% (<0.05), 在减量40%、减量20%和传统施氮条件下叶日积分别提高15.1%~22.3%、20.7%~22.0%和8.9%~18.7% (<0.05)。与传统耕作灌水施氮处理(CTI2N3)相比, 免耕留膜减量20%水氮供应(NTI1N2)处理叶日积提高12.0%~15.9% (<0.05)。

随着生育期的推进, 自灌浆开始小麦冠层变小, 虽然叶日积呈下降趋势, 但两年研究发现, 免耕留膜较传统耕作仍保持较大的叶日积, 提高41.3%~45.2% (<0.05)。减量和传统灌水条件下, 免耕留膜较传统耕作叶日积分别提高52.5%~57.5%和27.7%~38.3% (<0.05)。减量40%、减量20%和传统施氮条件下, 免耕留膜较传统耕作处理叶日积分别提高39.1%~44.9%、47.2%~48.4%和36.3%~43.5% (<0.05)。免耕留膜与减量20%水氮供应(NTI1N2)较传统耕作和水氮供应(CTI2N3)处理叶日积提高34.8%~50.7%。这些结果表明, 前茬地膜覆盖玉米配套减量20%水氮供应仍可保持小麦灌浆中后期及成熟期较大的叶日积, 延长了光合作用时间, 为获得高产创造了更大的光合源。

2.2 水氮耦合对地膜玉米免耕轮作小麦产量的影响

前茬玉米免耕留膜较传统耕作显著提高小麦籽粒产量, 集成减量灌水施氮进一步加强增产效应(表3)。2016年与2017年, 免耕留膜较传统耕作提高小麦籽粒产量10.1%~10.4% (<0.05), 减量20%灌水较传统灌水处理小麦增产2.4%~4.3% (<0.05), 减量40%施氮较减量20%和传统施氮处理小麦籽粒产量降低10.0%~13.6%和6.1%~11.4% (<0.05), 减量20%施氮与传统施氮处理小麦籽粒产量无显著差异。免耕留膜与传统耕作相比, 在减量20%和传统灌水条件下小麦籽粒产量分别提高9.4%~10.1%和13.0%~14.8% (<0.05), 在减量40%、减量20%和传统施氮条件下分别增产9.8%~10.9%、6.5%~11.1%和9.3%~14.2% (<0.05)。免耕留膜减量20%水氮(NTI1N2)较传统耕作和水氮供应(CTI2N3)增产15.2%~22.0% (<0.05)。这些结果表明, 在干旱条件下, 充分利用前茬地膜覆盖玉米免耕留膜茬口, 可实现灌溉与氮肥的同步减量投入, 仍可提高后茬小麦籽粒产量。

表2 耕作措施、灌溉和氮素水平对小麦不同生育期叶日积的影响

各处理名称见表1。P1、P2、P3、P4、P5、P6分别为2016年5月6日、5月20日、6月6日、6月22日、7月7日、7月20日, 2017年5月3日、5月23日、6月9日、6月24日、7月7日、7月18日, 相对应小麦的生长阶段分别为幼苗、拔节期、孕穗期、灌浆初期、灌浆中期和成熟期。同一年份同列数据后不同小写字母表示不同处理在<0.05水平差异显著。*:<0.05显著; **:<0.01显著; NS: 不显著。Treatments abbreviations are described in Table 1. P1, P2, P3, P4, P5, and P6 denote sampling dates of 6 May, 20 May, 6 June, 22 June, 7 July, and 20 July in 2016, respectively; and 3 May, 23 May, 9 June, 24 June, 7 July, and 18 July in 2017, respectively, corresponding to growth stages of wheat of seedling, jointing, booting, early-filling, middle-filling, and full-ripening, respectively. Within a column for a given year, different lowercase letters indicate significant differences among treatments at<0.05 probability level. *:<0.05; **:<0.01; NS: not significant.

表3 不同耕作措施、灌溉与施氮水平对小麦产量及经济效益的影响

各处理名称见表1。同一年份同列数据后不同小写字母表示不同处理在<0.05水平差异显著。*:<0.05显著; **:<0.01显著; NS: 不显著。Treatments abbreviations are described in Table 1. Within a column for a given year, different lowercase letters indicate significant differences among treatments at<0.05 probability level. *:<0.05; **:<0.01; NS: not significant.

2.3 水氮耦合对地膜玉米免耕轮作小麦的光能利用率及灌溉水生产力的影响

2.3.1 光能利用率

光能利用率是衡量植物将光能转化为自身干物质的效率水平指标。2016年和2017年小麦全生育期内太阳能总辐射量分别为1854 MJ∙m−2和1744 MJ∙m−2。小麦的光能利用率受耕作措施、施氮水平及耕作措施、灌水与施氮水平两两及三者交互作用的影响。前茬玉米免耕留膜较传统耕作光能利用率提高5.6%~12.3% (<0.05), 减量20%和传统施氮较减量40%施氮小麦光能利用率分别高8.3%~9.1%和6.4%~9.2% (<0.05), 但是减量20%施氮与传统施氮处理小麦光能利用率差异不显著(图2)。免耕留膜措施下减量灌水显著提高光能利用率, 较传统耕作灌水处理提高6.7%~13.2%, 免耕留膜集成减量20%水氮供应(NTI1N2)较传统耕作和水氮供应(CTI2N3)处理显著提高光能利用率8.1%~18.5%。

各处理名称见表1。不同小写字母表示处理间在<0.05水平差异显著。Treatments abbreviations are described in Table 1. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at<0.05 probability level.

2.3.2 灌溉水利用效率

前茬玉米免耕留膜可显著提高小麦灌溉水利用效率, 较传统耕作提高10.1%~10.4%, 减量灌水较传统灌水提高灌溉水利用效率27.8%~30.4% (<0.05), 减量40%施氮较减量20%和传统施氮处理灌溉水利用效率降低9.4%~13.5%和6.0%~11.6% (<0.05), 但是减量20%与传统施氮处理差异不显著(图3)。免耕留膜集成减量20%水氮(NTI1N2)可实现与免耕留膜集成减量20%灌水与传统施氮(NTI1N3)相当的灌溉水利用效率, 两者较传统耕作和水氮供应(CTI2N3)处理分别提高44.0%~52.5%和45.2%~53.9% (<0.05)。说明前茬玉米免耕留膜配套减量20%水氮供应有利于增强后茬小麦单位灌溉水生产的籽粒产量。

各处理名称见表1。不同小写字母表示处理间在<0.05水平差异显著。Treatments abbreviations are described in Table 1. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at<0.05 probability level.

2.4 水氮耦合对地膜玉米免耕轮作小麦经济效益与单方水效益的影响

2.4.1 经济效益

因机械、劳力与农资投入不同, 各处理的总投入差异较大(表3)。前茬玉米免耕留膜较传统耕作处理总投入降低5.0%~5.6% (<0.05)。减量和传统灌水条件下, 免耕留膜较传统耕作总投入分别降低5.0%~5.7%和4.9%~5.6% (<0.05)。减量40%、减量20%和传统施氮条件下, 免耕留膜较传统耕作处理总投入分别减少5.1%~5.8%、5.0%~5.6%和4.9%~5.5% (<0.05)。其中机械与劳动力的投入免耕留膜较传统耕作降低12.4%~13.7% (<0.05), 灌水对机械、劳力和农资投入差异均不显著, 但减量40%施氮处理农资的投入较传统施氮降低7.0%~7.1%。前茬玉米免耕留膜较传统耕作主要是降低机械与劳力方面的投入, 而减量施氮较传统施氮降低了农资投入。

随着总投入的降低, 其总产值反而有所增加, 免耕留膜较传统耕作总产值增加2218~3163 ¥∙hm−2, 增幅为8.5%~12.2% (<0.05)。减量和传统灌水条件下, 免耕留膜较传统耕作总产值分别增加1816~3436 ¥∙hm−2和2620~2891 ¥∙hm−2, 增加比例分别为6.8%~13.4%和10.3%~11.1% (<0.05)。减量40%、减量20%和传统施氮条件下, 免耕留膜较传统耕作处理总产值分别提高2209~3042 ¥∙hm−2、2319~2396 ¥hm−2和2126~4052 ¥∙hm−2, 提高比例分别为9.1%~12.6%、8.4%~8.8%和7.9%~15.5% (< 0.05)。前茬玉米免耕留膜配套减量20%水氮(NTI1N2)较传统耕作和水氮供应(CTI2N3)处理总产值增加3099~3371 ¥∙hm−2, 增加比例为11.9%~ 13.0% (<0.05)。

前茬玉米免耕留膜较传统耕作增加纯收益2708~3583 ¥∙hm−2, 提高比例为15.5%~20.6% (<0.05)。免耕留膜与传统耕作相比, 减量和传统灌水处理纯收益分别增加2306~3855 ¥∙hm−2和3110~3311 ¥∙hm−2, 提高比例分别为12.8%~22.3%和18.6%~19.0% (<0.05); 减量40%、减量20%和传统施氮条件下纯收益分别增加2699~3462 ¥∙hm−2、2809~2816 ¥∙hm−2和2616~4472 ¥∙hm−2, 提高幅度分别为17.1%~21.7%、15.0%~15.2%和14.6%~25.5% (<0.05)。将减量20%灌水与减量20%施氮集成于免耕留膜措施(NTI1N2)中, 较传统耕作和水氮供应(CTI2N3)处理纯收益增加3893~4095 ¥∙hm−2, 提高幅度为22.9%~23.9%。与纯收益相似, 免耕留膜较传统耕作提高产投比22.4%~26.9% (<0.05)。免耕留膜与传统耕作相比, 减量和传统灌水处理产投比分别提高19.6%~28.7%和25.0%~25.5% (<0.05); 减量40%、减量20%和传统施氮条件下产投比分别提高24.3%~28.2%、21.1%~21.9%和21.2%~31.9% (< 0.05)。免耕留膜配套减量20%水氮(NTI1N2)较传统耕作和水氮供应(CTI2N3)处理提高产投比34.8%~35.1% (<0.05)。

综上所述, 前茬玉米免耕留膜配套减量20%水氮供应处理总投入较低, 但是总产值、纯收益和产投比较高, 说明西北内陆灌区在不影响作物生产力的前提下, 通过充分利用前茬地膜覆盖玉米的免耕茬口, 减少机械和水肥投入, 实现后茬小麦较高的总产值、纯收益和产投比, 增加农民收入, 在一定程度上可替代传统精耕细作生产方式, 从而提高农业生产效益。

2.4.2 单方水效益

单方水效益表示单位灌溉耗水生产的纯收益。免耕留膜较传统耕作单方水效益提高14.8%~18.5% (<0.05), 减量灌水较传统灌水处理提高30.7%~ 33.6% (<0.05), 减量40%施氮较减量20%和传统施氮处理单方水效益分别降低11.3%~14.3%和8.4%~11.2% (<0.05), 但是减量20%施氮与传统施氮处理差异不显著(图4)。免耕留膜集成减量20%水氮(NTI1N2), 达到与免耕留膜配套减量20%灌水与传统施氮(NTI1N3)相当的单方水效益, 二者较传统耕作传统水氮(CTI2N3)处理分别提高单方水效益53.6%~68.9%和56.0%~69.8% (<0.05)。说明前茬玉米免耕留膜集成减量20%水氮供应有利于提高后茬小麦单位灌水耗水产生的经济效益。

2.5 小麦叶日积与籽粒产量及光能利用率的相关关系

2016年与2017年, 不同耕作措施、水氮供应水平下小麦全生育期群体总叶日积和其籽粒产量(图5A)及光能利用率(图5B)呈显著二次相关性(<0.05)。当总叶日积在0~347 (2016年)和0~390 (2017年)范围内, 随小麦群体总叶日积的增大群体呈增产趋势, 当超过347和390时籽粒产量则呈下降趋势; 相似地, 当总叶日积在0~359 (2016年)和0~322 (2017年)范围内, 随小麦群体总叶日积的增大群体光能利用率呈提高趋势, 当超过347和390时则呈下降趋势。说明并非冠层光合源越大越有利于捕获光能及产量形成; 而是在适宜的农艺措施调控下, 保持适宜的冠层光合源结构有助于提高群体产量、促进光能利用。本研究通过前茬玉米免耕留膜集成水氮同步减量20%调控后茬小麦适宜冠层结构, 保持灌浆与成熟期较大叶日积, 延长籽粒灌浆, 为提高产量和光能利用率奠定基础。

各处理名称见表1。不同小写字母表示处理间在<0.05水平差异显著。Treatment abbreviations are described in Table 1. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at<0.05 probability level.

3 讨论

河西绿洲灌区年蒸发量远远大于降雨量, 水是限制农作物生产的主要因素, 在温度较低的小麦生育前期, 前茬地膜覆盖作物免耕留膜相比于传统耕作露地栽培能有效提高土壤湿度和温度, 促进后茬作物生长[14-15]。虽然小麦苗期的叶日积相对较小, 但免耕留膜仍高于传统耕作, 这是因为前茬玉米免耕留膜可以减少土壤水分蒸发、保持土壤水分并提高土壤温度, 从而为小麦苗期生长创造良好的水热条件[5,14-15]。拔节期后小麦对水氮的需求增加, 减量灌溉施氮处理防止小麦贪青生长而产生倒伏[16]。免耕留膜通过充分发挥水氮运筹的调控效应, 降低了减量灌溉和施氮对小麦灌浆后期生长的抑制作用, 从而提高小麦产量及土壤水分和氮素的利用率[5,17]。说明免耕留膜配套减量灌水与施氮可抑制小麦早期的徒增, 防止生长中期水氮的过度消耗, 避免生育后期水分与养分的供应不足, 延缓小麦根、茎、叶衰老[18], 增大叶日积, 促进光合作用, 提高干物质积累, 实现养分与水分的合理分配。两年研究表明, 与传统耕作和水氮供应处理(CTI2N3)相比, 前茬玉米免耕留膜配套减量20%水氮处理(NTI1N2)使叶日积增大17.9%~23.4%, 尤其是灌浆中后期及成熟期的叶日积增幅达34.8%~50.7%, 这源于前茬玉米免耕留膜配套减量20%水氮处理仍能保持后茬小麦生育后期较大的绿色叶面积[18]。叶日积增大延长生殖生长期光合作用的持续时间和叶片的功能期[19], 是典型的延迟衰老表现。由于小麦养分的吸收取决于茎和根部的养分供应, 延缓小麦灌浆后衰老有利于促进小麦灌浆期养分的吸收[20], 促进籽粒灌浆, 提高小麦产量和光能利用率[21-22]。

已有研究表明, 作物产量是众多因素相互影响的结果, 光合作用同化的氮素向籽粒的分配、转移是提高产量的重要途径之一[23]。土壤氮素的淋失随灌水量的增加而加剧, 并不利于作物的吸收利用[24]; 在适宜施氮量的基础上, 增施氮肥使营养器官氮素代谢旺盛, 导致氮素向籽粒的转运量下降, 不利于籽粒灌浆导致减产[23], 因而, 适量的水氮投入有利于促进作物对水分与养分的有效利用而提高产量。本研究中, 前茬玉米免耕留膜具有较好的土壤水分、养分环境, 优化土壤理化特性, 为后茬小麦生长提供了良好的土壤环境[5,17], 加之土壤水氮适宜, 利于营养器官氮素的累积, 同时提高营养器官向穗部转运量、转运率, 籽粒大而饱满, 最终实现增产[17]。因而, 本研究中前茬免耕留膜集成20%水氮供应能获得较高的小麦籽粒产量。说明合理的耕作措施及水氮供应可提高生育后期小麦氮素的有效利用, 从而提高产量和水分利用。

在有效协调资源、环境与技术相互关系的基础之上, 提高农业生产纯收益是生产者的终极目标, 也是衡量作物可持续生产的重要指标之一[2]。前茬地膜覆盖作物免耕留膜措施节约生产成本包括: 第一, 降低播种时期的劳动力和机械作业的投入; 第二, 免耕留膜通过实现周年覆盖, 在前茬玉米收获后, 保持休闲期的土壤水分用于后茬小麦生产, 因而降低了灌水投入; 第三, 前茬玉米残留的氮肥降低了小麦季氮肥的投入[17], 实现节本增效, 降低小麦生产成本, 利于作物生长, 提高作物产量和纯收益, 对小麦生产具有重要意义。免耕留膜可有效降低休闲期与小麦生育期土壤水分的无效蒸发耗水[5], 集成减量灌水进一步降低了生育期的总耗水, 是提高单方水效益的重要途径。已有研究[25-26]表明, 过量的氮肥投入降低土壤水分的有效利用, 过量氮肥供应也可导致磷、钾等其他元素的短缺, 削弱作物正常的生长发育, 降低产量与经济效益, 从而降低单方水效益。本研究表明, 前茬玉米免耕留膜配套减量20%水氮(NTI1N2)处理较传统耕作和水氮供应(CTI2N3)处理可增加纯收益, 提高产投比、水分生产力及单方水效益。说明在河西绿洲灌区利用前茬地膜覆盖玉米茬口特性, 即免耕留膜措施集成减量20%水氮供应, 通过三者协同调控小麦生长发育, 增加产量与产值, 降低生产成本, 提高纯收益及单方水效益, 也充分发挥了轮作倒茬的作用, 是替代小麦传统栽培的可行措施, 具有较强的推广价值。

4 结论

前茬玉米免耕留膜较传统耕作显著增大小麦全生育期总叶日积, 减量20%水氮集成于免耕留膜措施进一步保持小麦灌浆至成熟期较大的叶日积, 具有延缓衰老的作用。免耕留膜比传统耕作小麦籽粒产量、光能利用率和灌溉水利用效率分别提高10.1%~10.4%、5.6%~12.3%和10.1%~10.3% (<0.05),将减量20%水氮供应集成于免耕留膜措施进一步提高小麦的产量、光能及灌溉水利用效率, 较传统耕作和水氮供应处理小麦增产15.2%~22.0%、光能利用率提高8.1%~18.5%、灌溉水利用效率提高44.0%~52.5%。免耕留膜结合减量20%水氮供应可降低生产成本, 提高纯收益、产投比和单方水效益。因此, 前茬玉米免耕留膜配套减量20%水氮供应(灌水1920 m3∙hm−2, 施氮180 kg∙hm−2)可作为甘肃河西绿洲灌区发展节本增效小麦生产的关键技术。

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Effects of reducing water and nitrogen supplies in rotated wheat with previous plastic mulched maize*

GUO Yao†, CHEN Guiping†, YIN Wen, ZHAO Cai, YU Aizhong, FAN Zhilong, HU Falong, FAN Hong, CHAI Qiang**

(Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science / Agronomy College, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

To combat low crop productivity in long-term continuous cropping systems, it is necessary to study the effects of no-tillage and continued mulched plastic to optimize cultivation and establish cost-saving and benefits-increasing technology in Hexi irrigated areas in Gansu Province. A field experiment was conducted in northwestern irrigated areas in 2016–2017 to evaluate the yield, light energy, irrigation water utilization, and economic benefits of all combinations of two tillage practices, two irrigation levels, and three nitrogen application levels on wheat. The two tillage practices included no-tillage and continued mulched plastic in previous maize (NT) and conventional tillage in previous maize after removing the mulched plastic from soil (CT). The two levels of irrigation included the local conventional irrigation amount, 2400 m3·hm-2(high: I2), and the local conventional irrigation amount reduced by 20%, 1920 m3·hm-2(low: I1). The three levels of nitrogen application included the local conventional nitrogen amount, 225 kg·hm-2(high: N3), the local conventional nitrogen amount reduced by 20%, 180 kg·hm-2(medium: N2), and the local conventional nitrogen amount reduced by 40%, 135 kg·hm-2(low: N1). The results showed that NT increased the leaf area duration (LAD) of wheat across all growth stages by 21.6% to 26.1%, and the LAD remained high from the wheat filling to the maturity stage, increasing by 41.3% to 45.2 % (<0.05), compared with CT, and delaying senescence. A 20% reduction in irrigation and N application combined with NT (NTI1N2) resulted in a greater LAD (by 34.8% to 50.7%) from the wheat filling to the maturity stage than CT with conventional high levels of irrigation and nitrogen (CTI2N3). NT increased wheat grain yield, light use efficiency, and irrigation water use efficiency by 10.1% to 10.4%, 5.6% to 12.3%, and 10.1% to 10.3% (<0.05) compared with CT, respectively. The grain yield, light use efficiency, and irrigation water use efficiency were significantly increased by 15.2% to 22.0%, 8.1% to 18.5%, and 44.0% to 52.5% with NTI1N2 compared with CTI2N3, respectively. NT integrated with reduced irrigation and nitrogen application reduced the production cost and improved the net return and input-output ratio. The NTI1N2 treatment increased the net return and input-output ratio by 22.9% to 23.9% and 34.8% to 35.1%, respectively. In addition, the benefit per cubic meter of water increased by 53.6% to 68.9% with NTI1N2 compared with CTI2N3 treatment. These results suggest that no-tillage and continued mulched plastic in previous maize with low irrigation (1920 m3·hm-2) and medium nitrogen (180 kg·hm-2) can reduce costs and increase the benefits of wheat production in Hexi irrigated areas in Gansu Province.

Crop rotation; Plastic mulched maize; Wheat; Water-nitrogen coupling; Light utilization; Water productivity; Economic benefits

10.13930/j.cnki.cjea.200451

郭瑶, 陈桂平, 殷文, 赵财, 于爱忠, 樊志龙, 胡发龙, 范虹, 柴强. 地膜玉米免耕轮作小麦的减水减氮效应[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021, 29(2): 389-399

GUO Y, CHEN G P, YIN W, ZHAO C, YU A Z, FAN Z L, HU F L, FAN H, CHAI Q. Effects of reducing water and nitrogen supplies in rotated wheat with previous plastic mulched maize[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(2): 389-399

S341.1; S152.7

* 甘肃省科技计划项目(20JR5RA037, 20JR5RA025)、国家绿肥产业技术体系(CARS-22-G-12)、甘肃省高等学校创新能力提升项目(2020B-126)和甘肃省科协青年人才托举工程项目(2020-12)资助

柴强, 主要从事多熟种植、循环农业、保护性耕作技术与理论研究。E-mail: chaiq@gsau.edu.cn

† 同等贡献者: 郭瑶, 主要从事节水农业研究, E-mail: guoyaogsau@126.com; 陈桂平, 主要从事多熟种植研究, E-mail: chengp@gsau.edu.cn

2020-06-14

2020-09-15

* This study was financially supported by the Science and Technology Project of Gansu Province (20JR5RA037, 20JR5RA025), the Green Manure Industry Research System of China (CARS-22-G-12), Gansu Provincial Scientific Project of Colleges and Universities (2020B-126), and Gansu Young Science and Technology Talents Supporting Project (2020-12).

, E-mail: chaiq@gsau.edu.cn

† Equivalent contributors

Jun. 14, 2020;

Sep. 15, 2020