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不同降水年型地膜覆盖及秸秆覆盖提高小麦产量和氮素利用的效应

杨慧敏 王涛 窦瑛霞 赵护兵 毛安然 王朝辉

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不同降水年型地膜覆盖及秸秆覆盖提高小麦产量和氮素利用的效应

    作者简介: 杨慧敏 E-mail:869218990@qq.com;
    通讯作者: 赵护兵, E-mail:zhaohubing@hotmail.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2018YFD0200403);国家自然科学基金项目(31272250)。

Effects of plastic film mulching and straw mulching on Wheat Yield and nitrogen utilization during different precipitation years

    Corresponding author: ZHAO Hu-bing, E-mail:zhaohubing@hotmail.com ;
  • 摘要:   【目的】  地膜和秸秆覆盖是提高西北旱地小麦产量和氮素利用的有效措施,我们比较了两种覆盖方式在不同降雨年型的效果,为小麦高产、氮素高效利用和可持续发展提供技术支撑。  【方法】  于2012—2020年在陕西省咸阳市永寿县御驾宫村旱地进行8年大田试验,试验期间有3个丰水年、1个平水年和4个干旱年。试验设无氮对照、常规播种、全膜穴播和秸秆覆盖共4个处理,其中3个施氮肥处理为施纯氮150 kg/hm2。调查了小麦产量、产量三要素、生物量、氮含量、吸氮量,计算了氮肥表观利用率和氮肥农学利用率。  【结果】  与常规播种相比,在丰水年、平水年、干旱年和8年平均值中,全膜穴播和秸秆覆盖产量分别提高9.9%和6.8%、15.0%和12.8%、16.3%和15.2%、13.0%和10.9%;穗数分别提高15.1%和10.9%、4.4%和13.2%、3.3%和8.7%、9.0%和10.4%;地上部吸氮量分别提高14.2%和15.4%、2.1%和5.8%、6.4%和8.5%、9.6%和11.5%;籽粒吸氮量分别提高7.0%和9.8%、4.0%和5.4%、6.5%和9.2%、6.4%和9.1%;氮肥表观利用率分别提高23.0%和24.9%、3.0%和8.1%、10.4%和14.0%、15.3%和18.2%;氮肥农学利用率分别提高20.4%和13.8%、25.1%和21.5%、34.5%和31.8%、26.2%和21.9%。秸秆覆盖和全膜穴播相比小麦产量和氮素吸收利用率,8年试验期间全膜穴播产量提高0.9%~2.9%,氮肥农学利用率提高2.1%~5.9%,地上部吸氮量降低1.0%~3.5%,籽粒吸氮量降低1.3%~2.6%,氮肥表观利用率降低1.5%~4.7%;在丰水年,全膜穴播穗数提高3.9%,在其它年型,全膜穴播穗数降低1.2%~7.8%。  【结论】  无论降雨多寡,全膜穴播和秸秆覆盖均有显著的蓄水保墒,提高小麦产量和氮素利用的效果;且全膜穴播与秸秆覆盖的效果相当。综合考虑经济和环境效益,建议尽可能使用秸秆覆盖。
  • 图 1  不同降水年型下各处理小麦产量和地上部生物量

    Figure 1.  Yields and aboveground biomass of wheat as affected by mulching treatments during different precipitation year types

    表 1  2012—2020年试验区降雨量及年型

    Table 1.  Precipitation and year type in experiment area from 2012 to 2020

    年份 Year降雨量 Precipitation(mm)干旱系数 Drought coefficient (DI)类型 Type
    休闲期 Fallow period生育期 Growth period合计 Total
    2012—2013292.5146.3438.8‒0.72干旱年 Dry year
    2013—2014205.3332.1537.40.53丰水年 Rainy year
    2014—2015296.5342.2638.71.82丰水年 Rainy year
    2015—2016224.2190.4414.6‒1.03干旱年 Dry year
    2016—2017157.9307.7465.6‒0.38干旱年 Dry year
    2017—2018152.0327.4479.4‒0.20平水年 Normal year
    2018—2019277.0145.9422.9‒0.92干旱年 Dry year
    2019—2020303.0262.6565.60.89丰水年 Rainy year
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    表 2  不同降水年型下各处理的产量构成要素

    Table 2.  Yield components as affected by mulching modes during different precipitation years

    处理 Treatment穗数 Number of spikes per m2穗粒数 Number of grains per spike千粒重 (g) Thousand-kernel weight
    丰水年
    Rainy
    平水年
    Normal
    干旱年
    Dry
    平均
    Mean
    丰水年
    Rainy
    平水年
    Normal
    干旱年
    Dry
    平均
    Mean
    丰水年
    Rainy
    平水年
    Normal
    干旱年
    Dry
    平均
    Mean
    无氮对照 CK340 c364 b292 b319 b26.2 a17.0 c22.3 b23.1 b47.5 ab44.4 b42.1 a44.4 a
    常规播种 NM654 b455 a459 a531 a28.6 a22.7 b25.0 a26.1 a45.3 b55.1 a43.8 a45.8 a
    全膜穴播 PM753 a475 a474 a579 a26.9 a27.0 a27.2 a27.1 a47.8 a56.3 a44.5 a47.2 a
    秸秆覆盖 SM725 ab515 a499 a586 a26.3 a25.3 a26.2 a26.1 a46.8 ab54.1 a43.2 a45.9 a
    均值 Average618 A452 B431 B27.0 A23.0 C25.2 B46.8 B52.5 A43.4 C
    FF value
    年型间 Year58.1***9.0***22.9***
    处理间 Treatment58.0***8.7***1.7
    年型×处理 Year×Treatment 5.0***3.0* 2.2*
    注(Note):CK—No nitrogen application control; NM—No mulching treatment; PM—Whole field plastic mulching; SM—Straw mulching. 数据后不同小写字母表示同一降水年型下不同处理间差异显著,不同大写字母表示不同降水年型间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters mean significant differences between treatments in the same precipitation year,and different capital letters mean significant differences between precipitation year types (P < 0.05). *—P<0.05; ***—P<0.001.
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    表 3  不同降水年型下各处理的籽粒、秸秆和颖壳氮含量(g/kg)

    Table 3.  Grain, straw and glume nitrogen concentrations of each treatment during different precipitation years

    处理 Treatment籽粒 Grain秸秆 Straw颖壳 Glume
    丰水年
    Rainy
    平水年
    Normal
    干旱年
    Dry
    平均
    Mean
    丰水年
    Rainy
    平水年
    Normal
    干旱年
    Dry
    平均
    Mean
    丰水年
    Rainy
    平水年
    Normal
    干旱年
    Dry
    平均
    Mean
    无氮对照 CK14.9 b14.3 b16.0 c15.4 c4.2 b2.9 b3.2 b3.5 b4.3 b4.2 b4.4 b4.3 b
    常规播种 NM22.5 a21.9 a23.3 a22.8 a6.7 a6.7 a4.5 a5.6 a6.7 a6.8 a6.1 a6.4 a
    全膜穴播 PM21.9 a19.7 a21.4 b21.4 b6.9 a6.0 ab3.8 ab5.2 a5.8 a6.9 a5.9 a6.0 a
    秸秆覆盖 SM23.2 a20.5 a22.1 ab22.3 ab7.4 a6.1 a3.8 ab5.5 a6.7 a6.8 a6.0 a6.4 a
    均值 Average20.6 A19.1 A20.7 A6.3 A5.4 A3.8 B5.9 A6.2 A5.6 A
    FF value
    年型 Year1.2117.2***0.5
    处理 Treatment 25.9*** 6.3*** 6.1***
    年型×处理 Year×Treatment0.3 1.1 0.2
    注(Note):CK—No nitrogen application control; NM—No mulching treatment; PM—Whole field plastic mulching; SM—Straw mulching. 数据后不同小写字母表示同一降水年型下不同处理间差异显著,不同大写字母表示不同降水年型间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters mean significant differences between treatments in the same precipitation year, and different capital letters mean significant differences between precipitation year types (P < 0.05). ***—P < 0.001.
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    表 4  不同降水年型下各处理的植株地上部、籽粒、秸秆和颖壳吸氮量(kg/hm2)

    Table 4.  Aboveground, grain, straw and glume nitrogen uptake of each treatment during different precipitation years

    处理
    Treatment
    地上部 Aboveground part籽粒 Grain秸秆 Straw颖壳 Glume
    丰水年
    Rainy
    平水年
    Normal
    干旱年
    Dry
    平均
    Mean
    丰水年
    Rainy
    平水年
    Normal
    干旱年
    Dry
    平均
    Mean
    丰水年
    Rainy
    平水年
    Normal
    干旱年
    Dry
    平均
    Mean
    丰水年
    Rainy
    平水年
    Normal
    干旱年
    Dry
    平均
    Mean
    无氮对照 CK82.5 c45.6 b52.0 b62.6 c59.8 b28.7 b40.0 b46.0 b16.8 c12.2 b7.8 b11.7 c5.9 b4.7 b4.1 b4.9 b
    常规播种 NM217.1 b163.9 a135.7 a169.8 b158.0 a106.7 a106.9 a126.0 a45.5 b44.6 a19.8 a32.5 b13.7 a12.6 a9.0 a11.2 a
    全膜穴播 PM248.0 a167.4 a144.4 a186.1 ab169.0 a111.0 a113.8 a134.1 a64.4 a43.8 a20.6 a39.9 a14.6 a12.6 a10.1 a12.1 a
    秸秆覆盖 SM250.5 a173.4 a147.3 a189.3 a173.5 a112.5 a116.7 a137.5 a61.5 a48.0 a19.8 a38.9 ab15.6 a12.8 a10.9 a12.9 a
    均值 Average199.5 A137.5 B119.8 B140.1 A89.7 B94.3 B47.0 A37.2 B17.0 C12.4 A10.7 AB8.5 B
    FF value
    年型间 Year 84.2*** 67.0***65.3***10.3***
    处理间 Treatment109.5***123.9***28.1***20.7***
    年型×处理 Year×Treatment 3.9**2.2* 4.9***0.4
    注(Note):CK—No nitrogen application control; NM—No mulching treatment; PM—Whole field plastic mulching; SM—Straw mulching. 数据后不同小写字母表示同一降水年型下不同处理间差异显著,不同大写字母表示不同降水年型间差异显著(P<0.05) Values followed by different lowercase letters mean significant differences between treatments in the same precipitation year,and different capital letters mean significant differences between precipitation year types(P<0.05). *—P<0.05; **—P<0.01; ***—P<0.001.
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    表 5  不同降水年型下各处理的氮肥利用率

    Table 5.  Nitrogen efficiency of mulching modes during different precipitation years

    处理 Treatment氮肥表观利用率 (%) N use efficiency氮肥农学利用率 (kg/kg) N agronomic efficiency
    丰水年 Rainy平水年 Normal干旱年 Dry平均 Mean丰水年 Rainy平水年 Normal干旱年 Dry平均 Mean
    常规播种 NM89.7 b78.8 a55.8 a71.4 a22.5 a19.5 a14.8 b18.3 b
    全膜穴播 PM110.3 a81.2 a61.6 a82.3 a27.1 a24.4 a19.9 a23.1 a
    秸秆覆盖 SM112.0 a85.2 a63.6 a84.4 a25.6 a23.7 a19.5 a22.3 a
    均值 Average104.0 A81.7 B60.3 B25.1 A22.5 AB18.1 B
    FF value
    年型间 Year37.0***6.9**
    处理间 Treatment2.93.0
    年型×处理 Year×Treatment0.60.03
    注(Note):CK—No nitrogen application control; NM—No mulching treatment; PM—Whole field plastic mulching; SM—Straw mulching. 数据后不同小写字母表示同一降水年型下不同处理间差异显著,不同大写字母表示不同降水年型间差异显著(P<0.05) Values followed by different lowercase letters mean significant differences between treatments in the same precipitation year,and different capital letters mean significant differences between precipitation year types (P < 0.05). **—P < 0.01; ***—P < 0.001.
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  • 收稿日期:  2021-04-15

不同降水年型地膜覆盖及秸秆覆盖提高小麦产量和氮素利用的效应

  • 基金项目: 国家重点研发计划(2018YFD0200403);国家自然科学基金项目(31272250)。
  • 摘要:   【目的】  地膜和秸秆覆盖是提高西北旱地小麦产量和氮素利用的有效措施,我们比较了两种覆盖方式在不同降雨年型的效果,为小麦高产、氮素高效利用和可持续发展提供技术支撑。  【方法】  于2012—2020年在陕西省咸阳市永寿县御驾宫村旱地进行8年大田试验,试验期间有3个丰水年、1个平水年和4个干旱年。试验设无氮对照、常规播种、全膜穴播和秸秆覆盖共4个处理,其中3个施氮肥处理为施纯氮150 kg/hm2。调查了小麦产量、产量三要素、生物量、氮含量、吸氮量,计算了氮肥表观利用率和氮肥农学利用率。  【结果】  与常规播种相比,在丰水年、平水年、干旱年和8年平均值中,全膜穴播和秸秆覆盖产量分别提高9.9%和6.8%、15.0%和12.8%、16.3%和15.2%、13.0%和10.9%;穗数分别提高15.1%和10.9%、4.4%和13.2%、3.3%和8.7%、9.0%和10.4%;地上部吸氮量分别提高14.2%和15.4%、2.1%和5.8%、6.4%和8.5%、9.6%和11.5%;籽粒吸氮量分别提高7.0%和9.8%、4.0%和5.4%、6.5%和9.2%、6.4%和9.1%;氮肥表观利用率分别提高23.0%和24.9%、3.0%和8.1%、10.4%和14.0%、15.3%和18.2%;氮肥农学利用率分别提高20.4%和13.8%、25.1%和21.5%、34.5%和31.8%、26.2%和21.9%。秸秆覆盖和全膜穴播相比小麦产量和氮素吸收利用率,8年试验期间全膜穴播产量提高0.9%~2.9%,氮肥农学利用率提高2.1%~5.9%,地上部吸氮量降低1.0%~3.5%,籽粒吸氮量降低1.3%~2.6%,氮肥表观利用率降低1.5%~4.7%;在丰水年,全膜穴播穗数提高3.9%,在其它年型,全膜穴播穗数降低1.2%~7.8%。  【结论】  无论降雨多寡,全膜穴播和秸秆覆盖均有显著的蓄水保墒,提高小麦产量和氮素利用的效果;且全膜穴播与秸秆覆盖的效果相当。综合考虑经济和环境效益,建议尽可能使用秸秆覆盖。

    English Abstract

    • 小麦是我国主要的粮食作物,每年播种面积约为2338万hm2,占全国粮食作物播种面积和总产量的20%[1],旱地小麦占全国小麦播种面积的70%[2],因此,旱地小麦对保障我国粮食安全有重要意义。旱地小麦生产的限制因素是干旱缺水[3],西北旱地灌溉水资源短缺,大部分地区地下水位较深且难以利用,所以自然降水是农业生产唯一水分来源。地表覆盖措施能有效蓄积自然降水,减少土壤水分无效蒸发,从而提高旱地作物产量。地膜和秸秆覆盖是旱地小麦2个主要的覆盖措施,在整个小麦生育期均有良好的蓄水保墒效果[4]。在西北地区,地膜覆盖较不覆盖可以使作物增产30%,水分利用率提高31%[5]。秸秆覆盖后使得地表不易形成径流,且利于降水均匀入渗,增加土壤含水量[6]

      我国西北旱地受大陆季风气候影响[7],降水集中在夏季7—9月[8]。该区年际降水不均[9],陕西省长武1985—2009年降水数据表明,24年间年均降水567 mm,1995年降水332 mm,而2004年高达919 mm[10]。已有研究表明旱地小麦产量的三要素受降水量影响,进而影响到产量,且旱地小麦产量与年降水量有较强相关性[11-12]。模型分析显示,每1 mm降水最多可增产小麦10.4 kg/hm2[13]。Zhang等[14]研究结果表明,丰水年旱地小麦产量较平水年和干旱年分别提高55%和105%。降水量与氮肥的表现密切相关,相关系数为0.72,降水年型会显著影响旱地小麦产量和氮素利用[15]。也有研究表明,旱地小麦覆盖后,在丰水年及平水年花后每公斤氮吸收量可增产176 ~224 kg[16]。目前,在不同降水年型下对地膜和秸秆覆盖方式下氮素利用的研究较少。因此,本研究在典型旱作农业区,通过8年长期定位试验,探讨不同降水年型下地膜和秸秆覆盖方式对旱地小麦产量、产量三要素、氮含量、吸氮量和氮肥利用率的影响,为旱地小麦覆盖栽培稳产高产以及氮素高效利用提供理论依据。

      • 长期定位试验从2012到2020年在西北旱地陕西省咸阳市永寿县(34°44’N,108°12’E,海拔998 m)进行。该地属于大陆季风气候,年平均温度10.7 ℃,平均年降雨量495 mm,潜在蒸发量808 mm。由于没有灌溉条件,该地属于典型的旱地农业,冬小麦作为一种普遍的单一作物进行种植,每季小麦收获后约有3个月的休闲期。该地为粉砂壤土,0—20 cm土壤各指标为:pH 8.0、硝态氮14.5 mg/kg、铵态氮2.7 mg/kg、总氮0.87 g/kg、有效磷10.7 mg/kg、速效钾99.9 mg/kg、有机质11.7 g/kg、容重1.25 g/cm3

      • 该试验为8年田间试验,小区面积48 m2(12 m×4 m),设置4个处理:无氮对照(不施氮肥,CK)、常规播种(NM)、全膜穴播(PM)和秸秆覆盖(SM),按照完全随机区组排列,4次重复。无氮对照和常规播种即常规平作裸播;全膜穴播为整地结束后覆盖白色地膜(0.008 mm),在膜上覆土1 cm,打孔播种,孔距12 cm,每穴约播15粒种子;秸秆覆盖即常规平作裸播结束后,立即在地表以10 t/hm2均匀覆盖小麦秸秆。

        小麦品种均选用洛旱6号,人工播种,播种量150 kg/hm2,行距20 cm。从2012年开始,8季小麦播种时间依次为9月25日、9月29日、10月3日、9月27日、9月26日、9月23日、9月30日和9月27日,在播种后翌年成熟,收获时间依次为6月3日、6月19日、6月21日、6月17日、6月9日、6月15日、6月13日和6月10日。尿素(含N 46%)和过磷酸钙(含P2O5 12%)作为基肥,施用纯N 150 kg/hm2和P2O5 127.5 kg/hm2。在8季小麦生长过程中,均使用除草剂去除杂草。

      • 产量、产量三要素及生物量:2012—2020年试验期间,每季小麦生理成熟后,随机选取各小区3 m2长势均匀的小麦收割地上部。先将其分为穗和秸秆,记录穗数,并从每个处理中随机选取10穗记录穗粒数。待风干后将穗脱粒,测定千粒重、产量和生物量。

        籽粒、秸秆和颖壳烘干后粉碎,用H2SO4–H2O2消解,凯氏定氮法测定。

        氮肥表观利用率(%)=(施氮处理地上部吸氮量−不施氮处理地上部吸氮量)/施氮量×100;

        氮肥农学利用率(kg/kg)=(施氮处理产量−不施氮处理产量)/施氮量。

        年降雨量包括休闲期和生育期降雨量两部分,降水年型用干旱系数(DC)来划分,DC计算公式为:

        $ {\rm {DC=(P−A)/\sigma }} $

        式中:P表示生育年降雨量;A表示2012—2020年年降雨量平均值;σ为2012—2020年年降雨量的标准差。当DC > 0.35为丰水年,‒0.35—0.35为平水年,<‒0.35为干旱年[10,17]。依据此标准,2013—2014、2014—2015和2019—2020共3年为丰水年,2017—2018为平水年,2012—2013、2015—2016、2016—2017和2018—2019共4年为干旱年。

        表 1  2012—2020年试验区降雨量及年型

        Table 1.  Precipitation and year type in experiment area from 2012 to 2020

        年份 Year降雨量 Precipitation(mm)干旱系数 Drought coefficient (DI)类型 Type
        休闲期 Fallow period生育期 Growth period合计 Total
        2012—2013292.5146.3438.8‒0.72干旱年 Dry year
        2013—2014205.3332.1537.40.53丰水年 Rainy year
        2014—2015296.5342.2638.71.82丰水年 Rainy year
        2015—2016224.2190.4414.6‒1.03干旱年 Dry year
        2016—2017157.9307.7465.6‒0.38干旱年 Dry year
        2017—2018152.0327.4479.4‒0.20平水年 Normal year
        2018—2019277.0145.9422.9‒0.92干旱年 Dry year
        2019—2020303.0262.6565.60.89丰水年 Rainy year
      • 数据处理用Excel软件,统计分析用DPS7.05软件,用LSD法进行处理间差异显著性分析,显著性水平设置为α=0.05。

      • 小麦产量和地上部生物量在丰水年显著高于平水年和干旱年(图1)。与常规播种相比,在丰水年、平水年、干旱年和8年平均值中,全膜穴播和秸秆覆盖产量分别提高9.9%和6.8%、15.0%和12.8%、16.3%和15.2%、13.0%和10.9%。且在不同降水年型下,全膜穴播产量显著高于常规播种;在干旱年和8年平均值中,秸秆覆盖产量显著高于常规播种。与秸秆覆盖相比,在丰水年、平水年、干旱年和8年平均值中,全膜穴播产量分别提高2.9%、1.9%、0.9%和1.9%。

        图  1  不同降水年型下各处理小麦产量和地上部生物量

        Figure 1.  Yields and aboveground biomass of wheat as affected by mulching treatments during different precipitation year types

        与常规播种相比,小麦地上部生物量在丰水年、平水年、干旱年和8年平均值中,全膜穴播和秸秆覆盖地上部生物量分别提高20.7%和11.3%、9.3%和10.8%、12.7%和15.2%、16.1%和12.8%。且在丰水年、干旱年和8年平均值中,全膜穴播和秸秆覆盖地上部生物量显著高于常规播种。与秸秆覆盖相比,在丰水年和8年平均值中,全膜穴播地上部生物量分别提高8.4%和2.9%;在平水年和干旱年,全膜穴播地上部生物量分别降低1.4%和2.1%。

      • 小麦穗数、穗粒数和千粒重是构成产量的三要素。丰水年小麦穗数显著高于平水年和干旱年(表2)。与常规播种相比,在丰水年、平水年、干旱年和8年平均值中,全膜穴播和秸秆覆盖穗数分别提高15.1%和10.9%、4.4%和13.2%、3.3%和8.7%、9.0%和10.4%。且在丰水年,全膜穴播穗数显著高于常规播种。与秸秆覆盖相比,在平水年、干旱年和8年平均值中,全膜穴播穗数分别降低7.8%、5.0%和1.2%;在丰水年,全膜穴播穗数提高3.9%。

        表 2  不同降水年型下各处理的产量构成要素

        Table 2.  Yield components as affected by mulching modes during different precipitation years

        处理 Treatment穗数 Number of spikes per m2穗粒数 Number of grains per spike千粒重 (g) Thousand-kernel weight
        丰水年
        Rainy
        平水年
        Normal
        干旱年
        Dry
        平均
        Mean
        丰水年
        Rainy
        平水年
        Normal
        干旱年
        Dry
        平均
        Mean
        丰水年
        Rainy
        平水年
        Normal
        干旱年
        Dry
        平均
        Mean
        无氮对照 CK340 c364 b292 b319 b26.2 a17.0 c22.3 b23.1 b47.5 ab44.4 b42.1 a44.4 a
        常规播种 NM654 b455 a459 a531 a28.6 a22.7 b25.0 a26.1 a45.3 b55.1 a43.8 a45.8 a
        全膜穴播 PM753 a475 a474 a579 a26.9 a27.0 a27.2 a27.1 a47.8 a56.3 a44.5 a47.2 a
        秸秆覆盖 SM725 ab515 a499 a586 a26.3 a25.3 a26.2 a26.1 a46.8 ab54.1 a43.2 a45.9 a
        均值 Average618 A452 B431 B27.0 A23.0 C25.2 B46.8 B52.5 A43.4 C
        FF value
        年型间 Year58.1***9.0***22.9***
        处理间 Treatment58.0***8.7***1.7
        年型×处理 Year×Treatment 5.0***3.0* 2.2*
        注(Note):CK—No nitrogen application control; NM—No mulching treatment; PM—Whole field plastic mulching; SM—Straw mulching. 数据后不同小写字母表示同一降水年型下不同处理间差异显著,不同大写字母表示不同降水年型间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters mean significant differences between treatments in the same precipitation year,and different capital letters mean significant differences between precipitation year types (P < 0.05). *—P<0.05; ***—P<0.001.

        小麦穗粒数在不同降水年型下差异显著,在丰水年显著高于干旱年,而干旱年显著高于平水年。与常规播种相比,在平水年和干旱年中,全膜穴播和秸秆覆盖穗粒数分别提高18.9%和11.5%、8.8%和4.8%;且在平水年,全膜穴播和秸秆覆盖穗粒数显著提高;在8年平均值中,全膜穴播穗粒数提高3.8%;在丰水年,全膜穴播和秸秆覆盖穗粒数分别降低5.9%和8.0%。与秸秆覆盖相比,在丰水年、平水年、干旱年和8年平均值中,全膜穴播穗粒数分别提高2.3%、6.7%、3.8%和3.8%,差异均不显著。

        小麦千粒重在不同降水年型下差异显著,在平水年显著高于丰水年,而丰水年显著高于干旱年。与常规播种相比,在丰水年和8年平均值中,全膜穴播和秸秆覆盖千粒重分别提高5.5%和3.3%、3.1%和0.2%;在平水年和干旱年,全膜穴播千粒重分别提高2.2%和1.6%,而秸秆覆盖千粒重分别降低1.8%和1.4%。与秸秆覆盖相比,在丰水年、平水年、干旱年和8年平均值中,全膜穴播千粒重分别提高2.1%、4.1%、3.0%和2.8%,差异均不显著。

      • 籽粒氮含量在不同降水年型下差异不显著(表3)。与常规播种相比,在平水年、干旱年和8年平均值中,全膜穴播和秸秆覆盖籽粒氮含量分别降低10.0%和6.4%、8.2%和5.2%、6.1%和2.2%;且在干旱年和8年平均值中,全膜穴播籽粒氮含量显著低于常规播种;在丰水年,全膜穴播籽粒氮含量降低2.7%,而秸秆覆盖提高3.1%。与全膜穴播相比,在丰水年、平水年、干旱年和8年平均值中,秸秆覆盖籽粒氮含量分别提高5.9%、4.1%、3.3%和4.2%。秸秆氮含量在丰水年和平水年显著高于干旱年。常规播种、全膜穴播和秸秆覆盖相比,在同一降水年型下及8年平均值中,各处理间秸秆氮含量差异不显著。颖壳氮含量在不同降水年型下差异不显著。常规播种、全膜穴播和秸秆覆盖相比,各处理间颖壳氮含量规律与秸秆氮含量一致。

        表 3  不同降水年型下各处理的籽粒、秸秆和颖壳氮含量(g/kg)

        Table 3.  Grain, straw and glume nitrogen concentrations of each treatment during different precipitation years

        处理 Treatment籽粒 Grain秸秆 Straw颖壳 Glume
        丰水年
        Rainy
        平水年
        Normal
        干旱年
        Dry
        平均
        Mean
        丰水年
        Rainy
        平水年
        Normal
        干旱年
        Dry
        平均
        Mean
        丰水年
        Rainy
        平水年
        Normal
        干旱年
        Dry
        平均
        Mean
        无氮对照 CK14.9 b14.3 b16.0 c15.4 c4.2 b2.9 b3.2 b3.5 b4.3 b4.2 b4.4 b4.3 b
        常规播种 NM22.5 a21.9 a23.3 a22.8 a6.7 a6.7 a4.5 a5.6 a6.7 a6.8 a6.1 a6.4 a
        全膜穴播 PM21.9 a19.7 a21.4 b21.4 b6.9 a6.0 ab3.8 ab5.2 a5.8 a6.9 a5.9 a6.0 a
        秸秆覆盖 SM23.2 a20.5 a22.1 ab22.3 ab7.4 a6.1 a3.8 ab5.5 a6.7 a6.8 a6.0 a6.4 a
        均值 Average20.6 A19.1 A20.7 A6.3 A5.4 A3.8 B5.9 A6.2 A5.6 A
        FF value
        年型 Year1.2117.2***0.5
        处理 Treatment 25.9*** 6.3*** 6.1***
        年型×处理 Year×Treatment0.3 1.1 0.2
        注(Note):CK—No nitrogen application control; NM—No mulching treatment; PM—Whole field plastic mulching; SM—Straw mulching. 数据后不同小写字母表示同一降水年型下不同处理间差异显著,不同大写字母表示不同降水年型间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters mean significant differences between treatments in the same precipitation year, and different capital letters mean significant differences between precipitation year types (P < 0.05). ***—P < 0.001.

        地上部吸氮量在丰水年显著高于平水年和干旱年(表4)。与常规播种相比,在丰水年、平水年、干旱年和8年平均值中,全膜穴播和秸秆覆盖地上部吸氮量分别提高14.2%和15.4%、2.1%和5.8%、6.4%和8.5%、9.6%和11.5%。且在丰水年,全膜穴播和秸秆覆盖地上部吸氮量显著高于常规播种。与全膜穴播相比,在丰水年、平水年、干旱年和8年平均值中,秸秆覆盖地上部吸氮量分别提高1.0%、3.6%、2.0%和1.7%。

        表 4  不同降水年型下各处理的植株地上部、籽粒、秸秆和颖壳吸氮量(kg/hm2)

        Table 4.  Aboveground, grain, straw and glume nitrogen uptake of each treatment during different precipitation years

        处理
        Treatment
        地上部 Aboveground part籽粒 Grain秸秆 Straw颖壳 Glume
        丰水年
        Rainy
        平水年
        Normal
        干旱年
        Dry
        平均
        Mean
        丰水年
        Rainy
        平水年
        Normal
        干旱年
        Dry
        平均
        Mean
        丰水年
        Rainy
        平水年
        Normal
        干旱年
        Dry
        平均
        Mean
        丰水年
        Rainy
        平水年
        Normal
        干旱年
        Dry
        平均
        Mean
        无氮对照 CK82.5 c45.6 b52.0 b62.6 c59.8 b28.7 b40.0 b46.0 b16.8 c12.2 b7.8 b11.7 c5.9 b4.7 b4.1 b4.9 b
        常规播种 NM217.1 b163.9 a135.7 a169.8 b158.0 a106.7 a106.9 a126.0 a45.5 b44.6 a19.8 a32.5 b13.7 a12.6 a9.0 a11.2 a
        全膜穴播 PM248.0 a167.4 a144.4 a186.1 ab169.0 a111.0 a113.8 a134.1 a64.4 a43.8 a20.6 a39.9 a14.6 a12.6 a10.1 a12.1 a
        秸秆覆盖 SM250.5 a173.4 a147.3 a189.3 a173.5 a112.5 a116.7 a137.5 a61.5 a48.0 a19.8 a38.9 ab15.6 a12.8 a10.9 a12.9 a
        均值 Average199.5 A137.5 B119.8 B140.1 A89.7 B94.3 B47.0 A37.2 B17.0 C12.4 A10.7 AB8.5 B
        FF value
        年型间 Year 84.2*** 67.0***65.3***10.3***
        处理间 Treatment109.5***123.9***28.1***20.7***
        年型×处理 Year×Treatment 3.9**2.2* 4.9***0.4
        注(Note):CK—No nitrogen application control; NM—No mulching treatment; PM—Whole field plastic mulching; SM—Straw mulching. 数据后不同小写字母表示同一降水年型下不同处理间差异显著,不同大写字母表示不同降水年型间差异显著(P<0.05) Values followed by different lowercase letters mean significant differences between treatments in the same precipitation year,and different capital letters mean significant differences between precipitation year types(P<0.05). *—P<0.05; **—P<0.01; ***—P<0.001.

        籽粒吸氮量在丰水年显著高于平水年和干旱年。与常规播种相比,在丰水年、平水年、干旱年和8年平均值中,全膜穴播和秸秆覆盖籽粒吸氮量分别提高7.0%和9.8%、4.0%和5.4%、6.5%和9.2%、6.4%和9.1%。与全膜穴播相比,在丰水年、平水年、干旱年和8年平均值中,秸秆覆盖籽粒吸氮量分别提高2.7%、1.4%、2.5%和2.5%。秸秆吸氮量在不同降水年型下差异显著,在丰水年显著高于平水年,而平水年显著高于干旱年。与常规播种相比,在丰水年,全膜穴播和秸秆覆盖秸秆吸氮量显著提高;在8年平均值中,全膜穴播秸秆吸氮量显著提高,秸秆覆盖提高19.7%;在平水年和干旱年,常规播种、全膜穴播和秸秆覆盖相比,在同一降水年型下,各处理间秸秆吸氮量差异不显著。颖壳吸氮量在丰水年显著高于干旱年。常规播种、全膜穴播和秸秆覆盖相比,在同一降水年型下及8年平均值中,各处理间颖壳吸氮量差异不显著。

      • 氮肥表观利用率在丰水年显著高于平水年和干旱年(表5)。与常规播种相比,在丰水年、平水年、干旱年和8年平均值中,全膜穴播和秸秆覆盖氮肥表观利用率分别提高23.0%和24.9%、3.0%和8.1%、10.4%和14.0%、15.3%和18.2%。且在丰水年,全膜穴播和秸秆覆盖氮肥表观利用率显著高于常规播种。与全膜穴播相比,秸秆覆盖有提高氮肥表观利用率的趋势,在丰水年、平水年、干旱年和8年平均值中,秸秆覆盖氮肥表观利用率分别提高1.5%、4.9%、3.2%和2.6%。

        表 5  不同降水年型下各处理的氮肥利用率

        Table 5.  Nitrogen efficiency of mulching modes during different precipitation years

        处理 Treatment氮肥表观利用率 (%) N use efficiency氮肥农学利用率 (kg/kg) N agronomic efficiency
        丰水年 Rainy平水年 Normal干旱年 Dry平均 Mean丰水年 Rainy平水年 Normal干旱年 Dry平均 Mean
        常规播种 NM89.7 b78.8 a55.8 a71.4 a22.5 a19.5 a14.8 b18.3 b
        全膜穴播 PM110.3 a81.2 a61.6 a82.3 a27.1 a24.4 a19.9 a23.1 a
        秸秆覆盖 SM112.0 a85.2 a63.6 a84.4 a25.6 a23.7 a19.5 a22.3 a
        均值 Average104.0 A81.7 B60.3 B25.1 A22.5 AB18.1 B
        FF value
        年型间 Year37.0***6.9**
        处理间 Treatment2.93.0
        年型×处理 Year×Treatment0.60.03
        注(Note):CK—No nitrogen application control; NM—No mulching treatment; PM—Whole field plastic mulching; SM—Straw mulching. 数据后不同小写字母表示同一降水年型下不同处理间差异显著,不同大写字母表示不同降水年型间差异显著(P<0.05) Values followed by different lowercase letters mean significant differences between treatments in the same precipitation year,and different capital letters mean significant differences between precipitation year types (P < 0.05). **—P < 0.01; ***—P < 0.001.

        氮肥农学利用率在丰水年显著高于干旱年。与常规播种相比,在丰水年、平水年、干旱年和8年平均值中,全膜穴播和秸秆覆盖氮肥农学利用率分别提高20.4%和13.8%、25.1%和21.5%、34.5%和31.8%、26.2%和21.9%。且在干旱年和8年平均值中,全膜穴播和秸秆覆盖氮肥农学利用率显著高于常规播种。与秸秆覆盖相比,全膜穴播有提高氮肥农学利用率的趋势,在丰水年、平水年、干旱年和8年平均值中,全膜穴播氮肥农学利用率分别提高5.9%、3.0%、2.1%和3.6%。

      • 地膜和秸秆覆盖均可以减少土壤水分无效蒸发,增加土壤储水量,进而提高旱地作物产量[18-19]。本研究8年结果表明,全膜穴播和秸秆覆盖较不覆盖提高小麦产量6.8%~16.3%(图1),也验证了前人研究结论[6]。本研究结果进一步表明,全膜穴播较秸秆覆盖在不同降水年型下增产率高,这可能是因为在小麦整个生育期,地膜覆盖提高了耕作层土壤温度,而秸秆覆盖降低了土壤温度,较低的土壤温度不利于穗粒数形成,从而导致秸秆覆盖比全膜穴播产量有所降低[20]。本研究也验证了该结论,全膜穴播较秸秆覆盖,在丰水年、平水年、干旱年和8年平均值中,穗粒数分别提高2.3%、6.7%、3.8%和3.8% (表2)。

        降水是影响旱地小麦产量的主要因素,不同降水年型覆盖增产的效应不同[21-22]。山西旱地小麦覆盖试验结果表明,丰水年显著提高穗数9%~11%、产量19%~21%;平水年显著提高穗数13%~15%、产量27%;干旱年显著提高穗数16%~40%、产量40%~87%[23]。穗数、穗粒数和千粒重共同决定小麦产量,降水作为旱地农业唯一的水分来源,影响小麦萌发、出苗和干物质累积,在干旱年小麦受到的水分胁迫最严重,分蘖和成穗率减少导致产量降低,地膜和秸秆覆盖后蓄水保墒,减轻了干旱胁迫,进而增加了小麦产量[24]

      • 小麦地上部分氮含量和吸氮量与籽粒产量的形成关系密切[25]。不同覆盖方式在提高旱地小麦产量的同时,会伴随籽粒氮含量的降低[26]。本试验2个覆盖处理较不覆盖产量提高,而籽粒氮含量几乎全部降低(表3),原因可能是小麦产量提高,对籽粒氮含量有明显的稀释效应[27]。本研究结果进一步表明,秸秆覆盖的籽粒氮含量和吸氮量较全膜穴播有所提高。这可能是因为秸秆覆盖条件下,秸秆腐解会释放有机氮,释放的有机氮随降水进入土壤,作为潜在氮源被作物吸收利用[28-29],也有研究表明秸秆覆盖后秸秆氮素的10%会被小麦地上部分吸收[30]。再则秸秆覆盖时秸秆覆盖在地表,秸秆与土壤微生物间因较少接触从而避免争氮现象[31]

        在渭北旱地的定位试验结果表明,小麦地上部吸氮量在丰水年>平水年>干旱年[32],这与本研究结果一致。原因是降水影响小麦产量,进而影响吸氮量,再则降水直接影响土壤水分状况,降水增多,促进土壤中氮素的溶解和转移,促进小麦吸收利用,进而提高小麦吸氮量[16]

      • 提高氮肥利用率是旱地小麦氮肥高效的重要途径。当前我国小麦氮肥表观利用率和农学利用率分别为34.8%和9.2 kg/kg[33],而本研究结果表明,氮肥表观利用率和农学利用率远大于当前我国平均值,原因可能是本试验为长期定位试验,无氮对照处理8年试验期间一直不施氮肥,小麦产量和地上部吸氮量降低,与施氮肥处理的差值增大(表4),氮肥利用率由公式计算得出,所以导致本试验施氮肥的3个处理氮肥利用率较高。有研究表明,地膜和秸秆覆盖较不覆盖可提高小麦氮肥表观利用率和农学利用率[31],这与本研究结果一致。本研究进一步发现,秸秆覆盖较地膜覆盖氮肥表观利用率高,究其原因,秸秆覆盖的地上部吸氮量高;同理,秸秆覆盖氮肥农学利用率低是秸秆覆盖产量低。本研究结果还发现,氮肥表观利用率和农学利用率均为丰水年>平水年>干旱年(表5),这与不同降水年型下产量和地上部吸氮量趋势一致。

      • 地膜和秸秆覆盖较不覆盖在不同降水年型下均能提高旱地小麦产量和氮素利用。地膜覆盖较秸秆覆盖产量和氮肥农学利用率提高,但地膜会造成“白色污染”,残膜难以捡拾不易分解,影响土壤理化性质[34-35]。生物可降解地膜可以减少塑料地膜的“白色污染”,是替代传统塑料地膜的更好的覆盖材料[36],所以在以后地膜推广中可以大面积使用。秸秆覆盖较地膜覆盖地上部吸氮量、籽粒吸氮量和氮肥表观利用率提高,且秸秆是可再生生物质资源,属于环保型覆盖材料,有利于农业可持续发展[37]。在渭北旱地普遍存在过量施肥现象[38],所以秸秆覆盖在今后的推广应用中可适当减少氮肥施用量,在旱地小麦增产的同时节约氮肥资源。

      • 不论年降水量多寡,地膜和秸秆覆盖均可以蓄水保墒,提高小麦产量和氮素利用,地膜和秸秆覆盖都是有效的覆盖方式,考虑到地膜覆盖对农田的污染,以及秸秆覆盖在养分资源循环利用中的作用,应尽可能地选择秸秆覆盖。

    参考文献 (38)
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