旱地麦田夏覆盖和磷肥调控对小麦籽粒碳氮积累的影响

原亚琦，孙 敏，林 文，高志强，张锦朝，高艳梅，王 帅

(山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801)

山西省约60%降雨集中在7-9月，此时正值旱地小麦休闲期，与小麦生育期需水错位，导致中后期水分不足而严重限制了该地区冬小麦的生产[1]。长期以来，传统耕作采用休闲期深松[2-3]、深翻[4-5]等措施调整土壤结构、增加降水的蓄纳能力、提高播前土壤蓄水量。然而，裸露地面蒸发强烈，耕作层土壤水分80%以上为无效蒸发，冬小麦受其影响产量降低且不平稳[1,6]。地膜覆盖是旱作地区增产的重要技术措施，它可以协调土壤水分环境，使土壤贮水量增加10%～60%，蒸发量降低50%以上，从而使后期深层土壤水分得到充分利用，增产效果显著[4,7-9]。因此，休闲期麦田深翻且地膜覆盖既能增加土壤对降雨的蓄积，又能减少土壤表面水分蒸发，有效提高播前底墒，最终实现小麦的高产和稳产。小麦增产的实质是籽粒碳氮积累的增加。然而，有研究表明，休闲期地膜覆盖，增加了淀粉含量但降低了成熟期籽粒蔗糖和可溶性糖含量[10]，同时籽粒含氮量下降[11]。因此，单纯的夏覆盖条件下籽粒的产量和品质难以同步提升。

增施磷肥可促进小麦根系深扎，有利于深层根系的丰富，实现水分和养分空间上的耦合，促进中后期深层土壤水分充分吸收利用，从而提高产量和水分利用效率[12-13]。同时，磷肥不仅能统筹利用水分和养分，实现增产，而且影响籽粒碳氮积累过程。付国占等[14]研究表明，增施磷肥能提高强筋小麦籽粒蛋白质含量。姜宗庆等[15]研究表明，施磷量为(P2O5)0～140 kg/hm2，小麦籽粒淀粉含量随施磷量增加而下降，但施磷量超过140 kg/hm2时淀粉含量略有上升。

本试验采用休闲期麦田深翻后地膜覆盖保水的措施，设置不同梯度施磷量，探究夏覆盖及施磷肥对籽粒碳氮积累的影响，旨在为山西省南部旱地小麦提供产量和品质同步提升的耕作栽培技术。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2014-2015年在山西农业大学闻喜试验基地进行。该地位于北纬35°21′13.64″，东经111°13′50.46″，海拔约468 m。试验地为夏闲地，于2014年6月15日测定20 cm土层内土壤肥力为：有机质10.55 g/kg、碱解氮37.65 mg/kg、速效磷17.64 mg/kg。全年降水量情况如图1所示。

图1 闻喜试验点全年降雨量Fig.1 Precipitation at the experimental site in Wenxi

1.2 试验材料

供试小麦品种为运旱20410，由闻喜县农业委员会提供。

1.3 试验设计

试验采用二因素裂区设计，前茬小麦收获时留20～30 cm高茬，收获后深翻35～40 cm，以7月15日深翻后覆盖为主区，设全覆盖(用渗水地膜将小区全面覆盖，WM)、半覆盖(用渗水地膜覆盖小区一半面积，覆盖与不覆盖间隔 60 cm，HM)、不覆盖(CK)3种覆盖方式；以播前施磷量(磷肥使用过磷酸钙，时间为播种前1 d)为副区，设低磷(75 kg/hm2，LP)、中磷(135 kg/hm2，MP)、高磷(180 kg/hm2，HP)3个梯度，共9个处理。10月1日播种，播种时所有处理基施180 kg/hm2N和150 kg/hm2K2O(氮、钾肥分别为尿素和氯化钾)，机械条播，行距20 cm，小区面积为150 m2(50 m×3 m)，重复3次，6月10日收获。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤蓄水量的测定 分别于小麦休闲期(覆盖处理后15，30，45，60，77 d)和生育时期用土钻取0～100 cm(每20 cm为一土层)土样。采用环刀法测定土壤容重，用烘干法测定土壤含水量[16]。

1.4.2 糖含量测定 开花期挂牌标记，花后每隔5 d取样一次，每次取20穗，分离籽粒，(105±5 )℃杀青30 min，80 ℃烘至恒质量。可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定，蔗糖含量采用间苯二酚比色法测定，淀粉含量采用酸水解法测定[17]。

1.4.3 蛋白质及其组分含量测定 取样和样品处理与糖含量测定相同，蛋白质含量采用H2SO4-H2O2-靛酚蓝比色法测定[18]；蛋白质组分采用连续提取法提取，测定方法同蛋白质含量。

1.4.4 成熟期考种及产量测定 成熟期调查单位面积穗数、每穗平均粒数及千粒质量，每小区取 50 株测定生物产量；收割20 m2，计算经济产量。

1.5 数据统计

采用Micsoft Excel 2003录入数据并计算，统计学分析采用SPSS 22.0数据处理系统。

休闲期蓄水效率 =休闲期土壤蓄水增加量/休闲期降雨量×100%[19]

①

作物耗水量(mm)=成熟期与播种期土壤蓄水量之差+生育期降水量[20]

②

水分利用效率[20]=作物籽粒产量/作物耗水量×100%

③

籽粒淀粉(蛋白质)产量(kg/hm2)=籽粒产量×籽粒淀粉(蛋白质)含量[21]

④

2 结果与分析

2.1 夏覆盖和磷肥对土壤水分的影响

2.1.1 夏覆盖的保水效果 与不覆盖相比，夏覆盖处理后30 d到播种期0～100 cm土壤蓄水量显著提高。覆盖较不覆盖，播种期增加27.47～43.09 mm，休闲期蓄水效率显著提高，达7.51%～11.79%，且全覆盖显著高于半覆盖(表1)。可见，夏季覆盖能有效蓄积降水，提高底墒，为旱地小麦播种提供有利条件。

表1 夏覆盖对休闲期和播种期土壤蓄水量的影响Tab.1 Effect of mulch in summer on soil water storage in fallow period and sowing stage mm

注：测量值=平均值±标准差；同一列数字后不同小写字母表示在0.05水平差异显著性。表2-4同。

Note: Measured value=Mean±SD.Values followed by different small letters in the same column are significantly different atP<0.05. The same as Tab.2-4.

2.1.2 夏覆盖和磷肥对生育时期土壤水分的影响 在相同施低磷和中磷条件下，与不覆盖相比，夏覆盖越冬期-抽穗期土壤蓄水量提高，而开花期和成熟期降低，且同等磷肥条件下越冬期-抽穗期全覆盖高于半覆盖,开花期和成熟期全覆盖低于半覆盖；高磷条件下，与不覆盖相比，全覆盖越冬期-拔节期、成熟期土壤蓄水量提高，抽穗期、开花期降低；半覆盖越冬期、抽穗期低于不覆盖，其他生育期高于不覆盖(表2)。覆盖条件下，越冬期-抽穗期土壤蓄水量中磷最高(P<0.05)，越冬期以高磷最低(P<0.05)，拔节期以低磷最低(P<0.05)；不覆盖条件下，越冬期-抽穗期土壤蓄水量以高磷最高(P<0.05)，越冬期和抽穗期以中磷最低(P<0.05)，返青期和拔节期以低磷最低(P<0.05)。可见，夏季覆盖条件下配施135 kg/hm2磷肥，有利于提高花前土壤水分，而不覆盖条件下配施180 kg/hm2磷肥效果较好。

表2 夏覆盖和磷肥对旱地小麦各生育时期土壤蓄水量的影响Tab.2 Effect of mulch in summer and phosphorus fertilizer on soil water storage in different growth stages of dryland wheat mm

2.2 夏覆盖和磷肥对小麦产量和水分利用效率的影响

与不覆盖对照相比，夏覆盖生育期总耗水量、产量和水分利用效率提高，同等磷肥条件下产量和水分利用效率分别提高27%～51%和18%～29%，其中，同等磷肥条件下，全覆盖的总耗水量和产量高于半覆盖，水分利用效率则相反。耗水量、产量和高磷条件下的水分利用效率以全覆盖最高，低磷和中磷条件水分利用效率以半覆盖最高。覆盖条件下，耗水量、产量和水分利用效率以中磷最高(P<0.05)(水分利用效率全覆盖下中磷和高磷差异性不显著)，产量和水分利用效率分别提高7%～17%和0.1%～2.0%，产量和水分利用效率以低磷最低(P<0.05)；不覆盖对照条件下，耗水量、产量和水分利用效率均以高磷最高，且产量显著高于其他处理，以低磷最低。夏覆盖和不覆盖中，产量最高的处理分别是全覆盖中磷、不覆盖高磷，两者产量差值达46%，水分利用效率差值达22%。可见，夏覆盖下配施135 kg/hm2磷肥有利于产量和水分利用效率的提高(表3)。

表3 夏覆盖和磷肥对旱地小麦产量、水分利用效率的影响Tab.3 Effect of mulch in summer and phosphorus fertilizer on grain yield, water use efficiency of dryland wheat

2.3 夏覆盖和磷肥对小麦籽粒碳氮积累的影响

2.3.1 夏覆盖和磷肥对籽粒碳氮积累动态变化的影响 由图2可知，籽粒淀粉含量花后5～35 d以中磷最高，低磷最低。籽粒蛋白质含量花后5～15 d以中磷最高，花后5～10 d以低磷最低，花后15 d以高磷最低，花后20～35 d以中磷最低，花后20，30～35 d以低磷最高，花后25 d以高磷最高。可见，夏季采用全覆盖保水条件，135 kg/hm2磷肥促进灌浆初期和中期、180 kg/hm2磷肥促进灌浆后期籽粒淀粉积累，而135 kg/hm2磷肥促进灌浆初期、180 kg/hm2磷肥促进灌浆中期、75 kg/hm2磷肥促进灌浆后期籽粒蛋白质积累。

2.3.2 夏覆盖和磷肥对籽粒淀粉、蛋白质含量及其产量的影响 由表4可知，与不覆盖对照相比，夏覆盖籽粒淀粉含量及其产量、蛋白质产量提高，且同等磷肥条件下全覆盖高于半覆盖，而籽粒蛋白质含量降低，且同等磷肥条件下半覆盖高于全覆盖。覆盖条件下，籽粒淀粉含量及其产量、蛋白质产量中磷最高(P<0.05)(淀粉含量中磷和高磷差异不显著)，而籽粒蛋白质含量高磷最高，中磷最低；不覆盖条件下，籽粒淀粉含量及其产量、蛋白质产量高磷最高，淀粉和蛋白质产量低磷最低，而籽粒蛋白质含量高磷最低(P<0.05)，低磷最高(P<0.05)。可见，夏覆盖配施135 kg/hm2磷肥籽粒的淀粉含量及其产量、蛋白质产量提高，但籽粒蛋白质含量降低，而不覆盖配施180 kg/hm2磷肥较好。

图2 全覆盖配施磷肥对旱地小麦花后籽粒淀粉、蛋白质含量的影响Fig.2 Effect of full-mulch in summer and phosphorus fertilizer on starch and protein content in dryland wheat grain after anthesis

表4 夏覆盖和磷肥对旱地小麦籽粒淀粉、蛋白质含量及其产量的影响Tab.4 Effect of mulch in summer and P fertilizer on starch and protein content and yield of grain of dryland wheat grain

2.4 各生育时期土壤蓄水量、籽粒产量与碳氮积累间的关系

2.4.1 土壤蓄水量与籽粒产量和碳氮积累的相关关系 由表5可知，夏覆盖配施磷肥条件下，播种期、返青期、拔节期和开花期土壤蓄水量与产量、籽粒淀粉和蛋白质含量呈显著或极显著关系，其中，播种期、开花期土壤蓄水量分别与籽粒蛋白质含量、产量无显著关系；播种期、返青期和拔节期土壤蓄水量与籽粒产量和籽粒淀粉含量呈极显著正相关关系，开花期土壤蓄水量与籽粒淀粉含量呈显著负相关关系；返青期和拔节期土壤蓄水量与籽粒蛋白质含量呈显著或极显著负相关关系，开花期土壤蓄水量与籽粒蛋白质含量则呈显著正相关关系。可见，播种期、返青期、拔节期土壤蓄水量提高，有利于旱地小麦产量和籽粒淀粉含量的增加，开花期土壤蓄水量则相反；返青期和拔节期土壤蓄水量的提高，不利于籽粒蛋白质含量的增加，开花期土壤蓄水量则相反。

表5 小麦各生育时期土壤蓄水量与籽粒产量、蛋白质和淀粉含量的相关关系Tab.5 Relationship between soil water storage and grain yield, starch and protein content in different growth stages of wheat

注：*.P<0.05水平差异显著；**.P<0.01水平差异极显著。

Note:*.Significant difference atP<0.05;**.Significant difference atP<0.01.

2.4.2 籽粒产量与蛋白质产量、淀粉产量的关系 以产量为横坐标，籽粒蛋白质产量、淀粉产量为纵坐标，拟合曲线得到以籽粒产量为自变量的线性函数，随着自变量的增大，因变量蛋白质产量、淀粉产量呈递增趋势。籽粒蛋白质和淀粉产量在产量4 178 kg/hm2处最低，但产量不是最低；蛋白质和淀粉产量在产量6 100 kg/hm2处最大，且产量达到最高，即全覆盖+中磷处(图3)。可见，全覆盖配施135 kg/hm2磷肥能够实现产量和品质同步提高。

图3 夏覆盖和施磷肥下旱地小麦籽粒产量与蛋白质、淀粉产量的关系Fig.3 Relationship between grain yield, protein yield and starch yield of dryland wheat under summer mulch and phosphorus application amount

3 结论与讨论

深翻能够打破犁地层，增加耕作层厚度和疏松度，增强通气透水性，有效纳蓄降雨。王秋菊等[22]研究表明，深翻0～30 cm土壤通气系数和饱和透水系数10～20 cm，20～30 cm土层分别是浅旋的5.42,3.14,2.86,3.87 倍。党建友等[23]对于山西省南部丘陵旱地深翻时间研究表明，8月上中旬深翻较7月中旬深翻0～200 cm土壤多蓄水23～45 mm。休闲期地膜覆盖能有效积蓄天然降水，减少土壤水分蒸发，提高播前底墒。廖允成等[19]研究表明，休闲期地膜秸秆2种覆盖较露地栽培能多蓄水108 mm，蓄水效率达73.2%，最终提高底墒。郑国璋等[24]研究表明，休闲期地膜覆盖较不覆盖0～100 cm土壤蓄水量增加28 mm。本研究结果表明，夏季深翻后覆盖能有效蓄积降水，播种期较不覆盖0～100 cm土壤蓄水量增加27.47～43.09 mm，休闲期蓄水效率显著提高7.51%～11.79%，且全覆盖播种期底墒高于半覆盖。说明山西省南部旱地麦田休闲期采用深翻后覆盖能够提高播前底墒，全覆盖效果较好。

孟晓瑜等[25]和吕丽华等[26]研究表明，底墒决定了水分和磷肥利用的程度，磷肥能促进小麦根系的发育，增加对土壤深层水分吸收的能力，缓解干旱对产量的不利影响。邢丹等[27]研究表明，一定氮肥条件下，增施磷肥小麦籽粒产量显著提高，但施磷量存在阈值，即超过阈值籽粒产量不升反降。本研究表明，夏覆盖增加底墒基础上，配施磷肥有利于花前土壤水分、籽粒产量和水分利用效率的提高，全覆盖配施135 kg/hm2磷肥效果最好，而不覆盖条件下配施180 kg/hm2磷肥效果较好，产量和水分利用效率的差值分别达46%和22%。说明底墒充足条件下，较低的施磷量，就可实现较高的花前土壤蓄水量、产量和水分利用效率。

底墒和磷肥影响小麦干物质的累积、向籽粒的转移量及其比例，进而影响籽粒产量[25,28]。本研究表明，全覆盖条件下，135 kg/hm2磷肥分别促进灌浆初期和中期籽粒淀粉积累、灌浆初期蛋白质积累。夏覆盖配施135 kg/hm2磷肥成熟期籽粒的淀粉含量及其产量、蛋白质产量提高，但籽粒蛋白质含量降低，且全覆盖高于半覆盖，籽粒蛋白质含量相反，而不覆盖配施180 kg/hm2磷肥较好。说明底墒制约籽粒淀粉、蛋白质的积累，淀粉含量和蛋白质含量的不同步是由产量提高幅度大于植株吸氮量增加幅度，籽粒蛋白质被稀释造成的[29]；磷肥通过增强植株对土壤水分的吸收能力，进而提高其抗旱性，促进籽粒灌浆进程顺利进行。

此外，播种期、返青期和拔节期土壤蓄水量与籽粒产量、淀粉含量呈极显著正相关关系，返青期和拔节期土壤蓄水量与籽粒蛋白质含量呈显著或极显著负相关关系；开花期土壤蓄水量与籽粒淀粉含量呈显著负相关、与籽粒蛋白质含量呈显著正相关。说明播前底墒、器官建成阶段前期土壤蓄水量提高有利于于小麦增产，但会降低籽粒营养品质；开花期土壤蓄水量亏缺能提高其籽粒营养品质，即适度干旱有利于籽粒品质的提高[30]。以籽粒产量、淀粉和蛋白质产量拟合回归方程得到线性函数，产量最高处理为全覆盖配施135 kg/hm2磷肥处，说明夏覆盖配施磷肥的耕作栽培技术能够实现产量和品质的同步提升。

旱地麦田夏覆盖配施磷肥条件下，播前底墒提高有利于增产；返青期、拔节期土壤蓄水量提高导致籽粒淀粉含量增加，籽粒蛋白质含量下降，而开花期土壤蓄水量则相反。休闲期深翻配套覆盖较不覆盖显著增加播前底墒，全覆盖底墒增幅高于半覆盖；覆盖条件下，施中磷(135 kg/hm2)较施低磷(75 kg/hm2)、高磷(180 kg/hm2)增加了小麦越冬期、返青期、拔节期和抽穗期土壤蓄水量，降低了开花期和成熟期土壤蓄水量。综上所述，全覆盖配施135 kg/hm2磷肥可增加返青期和拔节期的土壤蓄水量，提高籽粒产量、淀粉产量；降低开花期土壤水分，提高籽粒蛋白质产量。