免耕一膜两年用及水氮减量对西北灌区小麦水氮利用效率的影响

Effects of no⁃tillage with residual plastic mulching in the second year and water and nitrogen reduction on water and nitrogen use efficiency of wheat in northwest irrigated areas

摘要

目的 针对长期连作作物生产力低、水氮减量作物稳产技术研究薄弱等突出问题，研究前茬地膜覆盖玉米收获后免耕留存地膜，在水氮减量投入下提高种植后茬小麦的水氮利用效率对于建立西北灌区小麦生产的节本增效技术具有实践指导意义。 方法 通过田间试验，设置了免耕一膜两年覆盖利用（NT）和传统耕作（CT）2个耕作方式，传统灌水（I₂，2 400 m³/hm²）与减量20%灌水（I₁，1 920 m³/hm²） 2个灌水水平，传统施氮（N₃，225 kg/hm²）、减量20%施氮（N₂，180 kg/hm²）和减量40%施氮（N₁，135 kg/hm²）3个施氮水平。 结果 免耕一膜两年覆盖利用较传统耕作提高小麦籽粒产量与水分利用效率分别为10.4%与12.4%，增加小麦籽粒与植株氮素累积量分别为17.7%与15.6%。减量20%灌水与减量20%施氮同步集成于免耕一膜两年覆盖利用措施进一步增强小麦增产与氮素积累能力而提高水氮利用效率，较传统耕作和传统水氮供应处理小麦增产15.2%、水分利用效率提高20.5%，小麦籽粒与植株氮素累积量分别增加27.6%与16.0%，氮素收获指数提高10.0%，氮素利用效率提高8.4%。 结论 前茬玉米免耕一膜两年覆盖利用配套减量20%灌水（1 920 m³/hm²）与减量20%施氮（180 kg/hm²）是提高西北绿洲灌区小麦水氮利用效率的节水节氮有效措施。

Abstract

Objective In view of low crop productivity in continuous cropping system and less research on crop yield stabilization technology with water and nitrogen reduction，it is of great significance to study the influence of no-tillage with residual plastic mulching from previous crop in the second year on the production of the following crops，and then to optimize cultivation pattern and establish the cost-saving and benefits-increasing technology of crop production in Hexi irrigated areas of Gansu province. Method A field experiment was carried out with two tillage practices，i.e.，no-tillage with residual plastic mulching from previous maize in the second year （NT） and conventional tillage after removing the mulched plastic in previous maize （CT），two levels of irrigations，i.e.，the local conventional irrigation amount （I₂，2 400 m³/hm²） and reduced local conventional irrigation amount by 20% （I₁，1 920 m³/hm²），and with three levels of nitrogen application，i.e.，the local conventional nitrogen amount （N₃，225 kg/hm²），the reduced local conventional nitrogen amount by 20% （N₂，180 kg/hm²） and the reduced local conventional nitrogen amount by 40% （N₁，135 kg/hm²），followed by evaluating effects of these treatments on water and nitrogen use efficiency of wheat. Result NT practice increased grain yield and water use efficiency of wheat by 10.4% and 12.4%，respectively，and increased grain and plant nitrogen accumulation amounts by 17.7% and 15.6%，respectively，compared to CT.A reduction by 20% in both irrigation and nitrogen application，coupled with NT practice，could increase grain yield and water use efficiency by 15.2% and 20.5%，respectively，increase nitrogen accumulation in grain and plant by 27.6% and 16.0%，respectively，and increase nitrogen harvest index and nitrogen use efficiency by 10.0% and 8.4%，respectively，compared to CT with conventional high levels of irrigation and nitrogen applications. Conclusion No-tillage with residual plastic mulching from previous maize in the second year，coupled with a reduced irrigation by 20% （i.e.，1 920 m³/hm²） and a reduced nitrogen application by 20% （i.e.，180 kg/hm²），can be used as the effective measure of increasing water and nitrogen use efficiency （i.e.，water-and nitrogen-saving） of wheat production in northwest irrigated areas.

Graphical abstract

关键词

地膜覆盖 / 免耕 / 水氮减量 / 小麦 / 水氮利用效率 / 干旱灌区

Key words

plastic film mulching / no tillage / water and nitrogen reduction / wheat / water and nitrogen use efficiency / arid irrigated areas

小麦是全球主要粮食作物之一^［1］，其水氮利用与产量表现及氮素的吸收及积累密切相关。促进小麦增产稳产与氮素累积的主要技术途径有品种选择、前茬管理、灌水与施氮制度优化、适宜种植密度筛选等方面^［2-3］，大量研究证实前茬管理及灌水与施氮制度优化是调控小麦产量与氮素吸收利用的主要途径^［2-4］。已出版文献证实，休闲期覆盖地膜对小麦产量形成与氮素吸收及积累具有明显的调控作用^［4］，通过优化土壤水分与热量环境，调控作物生长发育动态而促进地上植株氮素吸收与累积，尤其是促进小麦开花之后氮素吸收与累积及其从营养器官向穗部生殖器官的转运，从而提高产量与水氮利用效率^［3-4］。小麦氮素的吸收利用主要依靠土壤水分进行转移和分配^［2］，生育后期较低的土壤含水量促进氮素向穗部器官运输，进而提高小麦氮素收获指数与利用效率^［5］，但随着土壤含水量的增加，生育后期氮素累积与转运呈先上升后下降的趋势^［2］。随着不断增施氮肥，小麦植株氮素累积量在一定程度上也逐渐增加，但是抑制了小麦开花后氮素从营养器官向籽粒器官的转移而降低氮素收获指数与利用效率^［6］。另外，适宜的灌水量与施氮量能提高小麦绿色叶片的光合性能，促进小麦营养器官氮素及其光合同化物向籽粒器官中的转移而提高水氮利用效率^［7-8］。另有实践证明，不同作物组成的合理轮作倒茬模式通过改善土壤理化性质、优化土壤水热特性、平衡土壤养分而促进小麦氮素累积与转运，从而促进小麦对水分与氮素的高效利用^［9-10］。以上说明，优化茬口特性及水分与氮素的管理制度是提高小麦水氮利用效率的重要调控措施。当今，干旱绿洲灌区降水少、无效水分蒸发大，导致作物生产对地膜覆盖的依赖性较大，传统作物生产模式以每年覆盖新地膜及作物连作为主^［11］，土壤水分含量与氮素水平作为影响作物产量形成、氮素累积及水氮利用的重要因子^［3，12］，能否通过集成轮作倒茬种植模式、免耕一膜两年覆盖利用技术，配置适宜的水分与氮素供应水平提高作物水氮利用效率急需实践证明。因此，本研究在西北绿洲灌区，以前茬地膜玉米免耕一膜两年覆盖利用种植后茬小麦为研究对象，探究不同水氮供应水平下前茬地膜覆盖玉米免耕一膜两年利用种植后茬小麦的水氮利用效率，以期为研发区域内小麦资源节约增效栽培技术提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究在甘肃河西走廊东端武威市凉州区黄羊镇进行。该区多年平均气温7.2 ℃，多年平均日照时数长达2 950 h，≥10 ℃的积温大概3 000 ℃。试区降水短缺，年均降水量约160 mm，年蒸发量约2 400 mm，资源性缺水严重，属于典型的绿洲农业区。小麦和玉米是该区的主栽作物，玉米采用每年覆盖地膜种植，小麦、玉米连作普遍且水肥投入量大。

1.2 试验设计

2015年覆盖地膜种植玉米，进行预备试验。2016年4月20日播种玉米，9月20日玉米联合收割机收获，免耕留膜次年轮作小麦，2017年3月26日免耕采用穴播机种植春小麦，传统耕作处理则在玉米联合收割机收获后进行深翻耕，于2017年施肥整地后在相同日期穴播小麦。

本试验为三因素裂区试验，以翻耕连作小麦为对照，主区设 2 种耕作措施：免耕一膜两年覆盖利用（NT）、传统耕作（CT）；副区为 2 个灌水水平：减量20%灌水（I₁）与传统灌水（I₂）；以及次副区为3 个施氮水平：减量40%施氮（N₁）、减量20%施氮（N₂） 与传统施氮（N₃），共组成12个处理，3 次重复，具体灌溉与施氮量如表1所示。

本研究采用宽为120 cm、厚度为0.01 mm的无色地膜，参试小麦品种为陇春30号，播种量450 kg/hm²，试验小区面积42.5 m²。不同处理冬储水均为120 mm，在不同小麦生长阶段实施灌溉定额地方传统灌水量在小麦苗期、孕穗期及灌浆期分别灌水75、90、75 mm，减量20%灌水在3个相应生育时期分别灌水60、72、60 mm。灌水采用滴灌，水表控制灌水量，尿素（46-0-0 of N-P₂O₅-K₂O）和过磷酸钙（0-18-0 of N-P₂O₅-K₂O）全部做基肥，水推式施肥器穴施。

1.3 测定指标与计算方法

1.3.1 小麦籽粒产量、耗水量及水分利用效率

小麦成熟后，每个小区采取样方法（4 m×1.5 m）进行测产，用种子水分仪（PM-8188）测定籽粒含水量，计算籽粒产量（GY，kg/hm²）时保留籽粒含水量为13%。

采用水分平衡公式计算耗水量^［1］：

ET=P+I-∆S

式中：ET为作物耗水量（mm），P为降水量，I为灌水量，ΔS为播前和收后土壤贮水量之差（mm）。由于试验地区地下水在30 m以下，灌水量较少，渗漏量和地下水上升的影响忽略不计。

水分利用效率（WUE）计算公式为：

WUE=GY/ET

1.3.2 地上部植物氮素积累量与氮素利用效率及氮素收获指数

小麦收获时，在试验小区中央位置任意选取长势均匀、有代表性的随机取样20株（不包括根系），然后分器官烘干至恒重，再将烘干样品粉碎后过筛装袋。使用Elementar元素分析仪测出植株氮含量，然后计算籽粒与地上部植株氮素累积量、氮素利用效率及氮素收获指数^［3］。

氮素累积量=各器官全氮含量（%）×干物质质量

氮素利用效率（NUE，kg/kg）=籽粒产量（kg/hm²）/地上部植株氮素累积量（kg/hm²）

氮素收获指数（NHI）=籽粒氮素累积量（kg/hm²）/地上部植株氮素累积量（kg/hm²）

1.4 数据处理与统计方法

采用Microsoft Excel 2010整理、汇总数据并制作图表，SPSS 19.0进行统计分析及显著性检验（Duncan法，α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同耕作措施、灌水及施氮水平对小麦籽粒产量、耗水量及水分利用效率的影响

2.1.1 籽粒产量

前茬地膜覆盖玉米免耕一膜两年利用可为获得较高的籽粒产量提供保障，且在水氮减量条件下增产效应显著加强（图1）。免耕一膜两年利用（NT）较传统耕作（CT）小麦籽粒增产10.4%，减量40%施氮（N₁）较减量20%施氮（N₂）与传统施氮（N₃）小麦籽粒分别减产13.6%与11.4%，减量20%施氮（N₂）与传统施氮（N₃）和减量20%灌水（I₁）与传统灌水（I₂）小麦籽粒产量无显著差异。在减量20%与传统灌水条件下，NT较CT小麦籽粒产量分别提高9.4%与11.5%；在减量40%、减量20%与传统施氮条件下，NT较CT分别增产10.9%、11.1%、9.3%，增产效应显著。免耕一膜两年利用配合减水减氮20%（NTI₁N₂）较传统耕作传统灌水与施氮（CTI₂N₃）处理小麦增产15.2%。因此，将减量20%水氮集成于前茬地膜覆盖玉米免耕一膜两年利用仍保持后茬小麦较高的籽粒产量。

2.1.2 耗水量

灌水与施氮水平及两者交互作用对小麦全生育期耗水量产生显著影响（图2）。I₁较I₂处理小麦耗水量降低3.2%，N₁较N₂与N₃小麦耗水量分别降低5.1%与5.6%，N₂与N₃小麦耗水量差异不显著。在不同灌水与施氮水平下，NT与CT小麦耗水量差异不显著。与CTI₂N₃处理相比，NTI₁N₂降低小麦全生育期耗水量4.4%。说明减量20%灌水与施氮集成于免耕一膜两年利用可有效减少小麦农田耗水量，有利于干旱绿洲灌区节水增效。

2.1.3 水分利用效率

前茬地膜覆盖玉米免耕一膜两年利用可显著提高小麦农田水分利用效率，较CT提高12.4%，I₁较传统灌水提高水分利用效率5.7%，N₁较N₂与N₃处理灌溉水利用效率降低8.9%与6.2%，但是_N2与N3处理差异不显著（图3）。在减量20%与传统灌水条件下，NT较CT水分利用效率分别提高13.1%与11.7%；在减量40%、减量20%与传统施氮条件下，NT较CT分别提高13.7%、11.7%、11.8%。NTI₁N₂处理可获得与免耕一膜两年利用配套减量20%灌水与传统施氮（NTI₁N₃）相当的水分利用效率，二者较CTI₂N₃处理提高分别为20.5%与24.2%。说明前茬玉米免耕一膜两年利用配套水氮同步减量20%可获得较高的水分利用效率。

2.2 不同耕作措施、灌水及施氮水平下小麦氮素积累及利用效率

2.2.1 籽粒与地上部植株氮素累积量

前茬地膜覆盖玉米免耕一膜两年利用及施氮水平对后茬小麦籽粒与地上部氮素累积量具有显著影响，但灌水水平对其无显著影响（表2）。NT较CT小麦籽粒与地上部氮素累积量分别提高17.7%与15.6%，N₁较N₂与N₃处理小麦籽粒氮素累积量分别降低11.7%与11.9%，小麦地上部氮素累积量分别降低11.8%与14.4%，但是N₂与N₃处理差异不显著。NT较CT相比，在减量20%与传统灌水条件下小麦籽粒氮素累积量分别增加20.7%与14.6%，地上部氮素累积量增加17.2%与14.0%；在减量40%、减量20%与传统施氮条件下，NT较CT小麦籽粒氮素累积量分别增加7.9%、23.3%、21.2%，地上部氮素累积量分别增加7.5%、20.7%、18.0%。NTI₁N₂较CTI₂N₃处理提高小麦籽粒与地上氮素累积量为27.6%与16.0%。因此，在减量20%水氮的基础上，免耕一膜两年利用可获得较高的籽粒与地上部植株氮素累积量。

2.2.2 氮素收获指数与氮素利用效率

耕作措施与施氮水平对小麦氮素收获指数的影响不显著，但减量灌水提高了地膜覆盖玉米免耕一膜两年利用小麦氮素收获指数（表2）。免耕一膜两年利用措施下，减量灌水较传统灌水提高氮素收获指数4.0%。综合来看，以NTI₁N₂处理小麦氮素收获指数最高，较传统耕作传统灌水减量20%施氮（CTI₂N₂）、CTI₂N₃处理氮素收获指数分别提高5.6%、10.0%。说明前茬地膜覆盖玉米免耕一膜两年利用结合减量灌水及施氮可有效促进营养器官氮素向穗部器官的转运。

灌水与施氮水平及其两者交互作用对小麦氮素利用效率的影响显著，但耕作措施对其影响不显著 （表2）。I₁较I₂提高小麦氮素利用效率为5.6%，N₂较N₃处理小麦氮素利用效率提高5.7%，但是N₁与N₃处理差异不显著。在传统灌水条件下，NT较CT小麦氮素利用效率降低5.0%，但减水20%条件下差异不显著；在减量20%与传统施氮条件下，NT较CT小麦氮素利用效率分别降低7.9%、7.5%，但减氮40%条件下差异不显著。与CTI₂N₃处理相比，NTI₁N₂提高小麦氮素利用效率达到8.4%。因此，前茬地膜覆盖玉米免耕一膜两年利用配套减量20%灌水与减量20%施氮可使后茬小麦保持较高的氮素利用效率。

3 讨论

3.1 不同耕作措施、灌水及施氮水平下小麦的水分利用特征

西北绿洲灌区年土壤蒸发量远远大于降水量，水资源是农业生产的关键因子，春季土壤温度较低，但前茬地膜覆盖作物免耕一膜两年利用相比于传统耕作裸地栽培能有效提高土壤湿度和温度，利于后茬作物生长^{［11，13］}。前茬玉米免耕一膜两年利用可有效增温保墒、减少无效蒸发，进而优化小麦生育前期的水热条件^［13-14］。本研究中，在水氮减量条件下，免耕一膜两年利用可有效避免小麦灌浆后期水氮不足对籽粒灌浆的负效应^［14］，从而获得较高的小麦产量及水分利用效率。同时，免耕一膜两年利用配套减量灌水与施氮可有效实现养分与水分的合理分配，即减少小麦生育中期水氮的无效损失，增强生育后期水分与养分的吸收，进而保持较大光合源而促进光合生产与籽粒灌浆及提高籽粒产量^［15-16］。

籽粒产量由多种因素共同决定，其中光合作用及其同化的氮素向籽粒的分配、转运和累积也是实现高产的重要方式之一^［3，17］。过度的增加农田灌水量会加剧土壤氮素的无效损失，进而降低作物对氮素的吸收转化^［2］；同样，过量施用氮肥会使营养器官生长发育，不利于穗部器官的形成及发育，进而减少籽粒灌浆所需的氮素，最终导致作物减产^［18］。本研究发现，前茬玉米免耕一膜两年利用优化土壤水分和养分条件以及改善土壤理化特性的同时^［3，19］，搭配适宜的水氮供应，利于营养器官氮素的累积，促进氮素向穗部转运及籽粒灌浆，为最终实现增产奠定基础^［20］。本研究发现，前茬玉米免耕一膜两年利用配套减量20%水氮（NTI₁N₂）较传统耕作和传统水氮供应处理（CTI₂N₃）小麦增产15.2%，这主要由于NTI₁N₂处理在后茬小麦生育后期仍有较大的光合源^［15］。特别是，光合势增大延长生育后期光合功能期和叶片的持绿时间^［15-16］而延迟衰老。小麦养分主要依靠茎和根部的提供，延缓小麦灌浆后衰老有利于促进小麦灌浆期养分的吸收^［21］，进而促进籽粒灌浆而实现小麦高产^［22］。因而，本研究中NTI₁N₂处理可获得较高的籽粒产量，由于减少了水分投入而提高水分利用效率。

3.2 不同耕作措施、灌水及施氮水平下小麦氮素积累特征

小麦籽粒氮素来源于生育前期营养器官积累的氮素和生育后期根系从土壤中吸收的氮素^［3］。小麦营养器官中氮素的吸收分配会随着生育时期的推迟发生变化，在生育前期营养器官中的氮素主要用于茎叶的生长发育，而生育后期氮素主要转运于穗部器官及促进籽粒的形成^［3，23］。故此，通过提高生育前期营养器官氮素累积与分配可有利于促进后期植株直接从土壤中吸收氮素。同时，免耕可有效促进植株吸收土壤氮素^［3］，但是过量灌水与施氮反而影响小麦籽粒氮素的积累^［2-3］。已有研究表明，土壤水分对于小麦氮素的吸收与转运具有重要的作用^［2，12］，适量减少灌水有利于提高植株氮素吸收量^［2-3］。同样，增施氮肥可有效提高小麦营养器官氮素的累积量，在一定程度上能够降低亏缺水分对产量带来的负效应^［6-7］。然而，过量施氮会导致小麦地上部旺盛生长，从而减少籽粒氮素累积与分配和抑制营养器官氮素向籽粒的转运^［7］。本研究发现，通过优化耕作措施、灌水与施氮水平，前茬玉米免耕一膜两年利用措施具有较高的小麦籽粒与植株氮素累积量，特别是NTI₁N₂处理较为突出。这是因为免耕可通过降低氮素损失来保持土壤较高的氮素含量^［24］，满足了小麦生育后期穗部生长发育所需的氮素需求。此外，小麦生育前期，与传统翻耕相比，免耕一膜两年利用具有较高的土壤含水量和温度，进而保持较高的光合源，降低小麦叶片水分饱和亏，增强叶片光合特性，提高植株茎秆水分运输，进而利于小麦对氮素的吸收与累积^{［15，25］}，且为穗部的形成与发育提供了丰富的氮素^［3］。同时，免耕一膜两年利用可避免过量的灌水与施氮造成土壤氮素的淋失，从而阻碍小麦根系对氮素的吸收而影响籽粒产量的形成^［26］。

基于前茬地膜玉米免耕一膜两年利用，水氮减量可促进营养器官的氮素累积，也加快了氮素从营养器官向穗部的转移，从而获得较高的籽粒氮素积累量与氮素收获指数。本研究中NTI₁N₂处理具有较高的小麦氮素收获指数与利用效率，这是由于前茬地膜玉米免耕一膜两年利用可有效增加小麦氮素累积量，尤其促进生育后期氮素向穗部器官的转移及籽粒产量的形成^［3，24］。在小麦生育后期，营养器官的氮素通常向穗部转运，并且营养器官的氮素向籽粒转运越多，收获时茎叶氮素残留量也就越低，从而实现较高的氮素收获指数与利用效率。因此，在西北绿洲灌区，免耕一膜两年利用措施配套减量20%水氮供应能够促进小麦籽粒与地上部氮素累积，为构建小麦节本增效小麦生产方式提供实践依据。

4 结论

前茬地膜玉米免耕一膜两年利用较传统耕作提高西北绿洲灌区小麦籽粒产量、水分利用效率，增强籽粒与植株氮素累积。免耕一膜两年利用措施配套减量20%水氮供应可进一步提高小麦籽粒产量、氮素累积量与水氮利用效率，较传统耕作和水氮供应处理小麦增产15.2%、水分利用效率提高20.5%，小麦籽粒与植株氮素累积量分别增加27.6%与16.0%、氮素收获指数与氮素利用效率分别提高10.0%与8.4%。因此，将减量20%水氮供应（灌水1 920 m³/hm²、施氮180 kg/hm²）集中于前茬玉米免耕一膜两年利用措施是西北绿洲灌区节水减氮的小麦生产技术。

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基金资助

国家自然科学基金项目(32101857)

甘肃农业大学伏羲青年英才培育项目(Gaufx-03Y10)

甘肃省科学技术协会青年人才托举工程项目(2020-12)

甘肃省重点人才项目(204197083016)