秸秆带状覆盖下冬小麦干物质积累及氮磷钾素的吸收利用

常 磊，韩凡香，柴雨葳，王仕娥，杨德龙，程宏波，黄彩霞，柴守玺

(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃农业大学农学院，甘肃兰州 730070；2.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃兰州 730070；3.甘肃农业大学水利水电学院，甘肃兰州 730070)

黄土高原旱地是典型的雨养农业区，水资源不足是该地区农业生产的主要限制因子，降水少且年际间变化幅度大造成其产量低而不稳。地膜覆盖和秸秆覆盖是减少农田棵间蒸发和提高水分利用效率的关键途径之一[1]，但传统的秸秆覆盖是将秸秆粉碎后全地面覆盖，该方式在西北热量不足的地区，会因过度降低土壤温度而影响小麦出苗和延缓生长，造成减产[2]。为解决秸秆覆盖保墒和降温的矛盾，甘肃农业大学研发提出了“种的地方不覆、覆的地方不种”的秸秆局部带状覆盖种植新技术。目前，该技术已在西北雨养农业区进行了推广应用。了解秸秆带状覆盖冬小麦特性，明确氮、磷、钾养分吸收利用规律，对秸秆带状覆盖技术的养分管理至关重要。

干物质作为作物光合作用产物的最终形式，是作物经济产量的基础[3]，而氮、磷、钾是作物生长必需的大量矿质营养元素，对小麦的生理生化过程和机体建成有重要的调控作用，且作物干物质积累和养分积累存在密切关系，养分积累是作物干物质形成和累积的基础，也是作物产量形成的基础，同时，作物干物质的积累和养分吸收利用受品种、气候类型、土壤类型、栽培措施等因素的影响[4-10]。有研究表明，地表覆盖显著影响小麦干物质的分配和转运[11]，促进籽粒灌浆，最终提高作物产量[12]。吴 祯等[3]研究发现，窄幅条播可提高冬小麦花后干物质同化量及其对籽粒的贡献率而获得高产。王健波等[13]研究表明，免耕覆盖能提高小麦地上部的干物质积累总量，促进开花后干物质的积累。李 华等[11]研究表明，覆膜可增加冬小麦各生育期氮素的积累，提高氮素转移量，覆草能显著增加冬小麦生长后期氮素的积累。关于光照、温度、覆盖措施、密度等因素对小麦干物质积累和养分吸收利用的影响，前人开展了较多研究[14-17]，但有关秸秆带状覆盖下小麦花后干物质积累、转运及氮、磷、钾养分吸收利用的研究较少。因此，本研究系统分析了西北雨养条件下秸秆带状覆盖农田冬小麦干物质积累以及氮、磷、钾养分的吸收利用规律，以期为秸秆带状覆盖冬小麦栽培技术的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2014-2015年在甘肃省通渭县甘肃农业大学试验基地进行。该地海拔1 750 m，年均气温7.2 ℃，年日照时数2 100～2 430 h，无霜期120～170 d，属中温带半干旱气候区。作物一年一熟，为典型旱地雨养农业区。多年平均降水量为390.7 mm，且降雨主要集中在7～9月(占全年降水量的60%～65%)。年均蒸发量1 500 mm，极易发生春旱。试验区土壤为黄绵土，0～30 cm土壤平均容重为1.25 g·cm-3。

1.2 试验设计

设玉米秸秆带状覆盖(SM)、全膜覆土穴播(PMF)和露地种植(CK)3个处理。玉米秸秆带状覆盖(SM)：分秸秆覆盖带和种植带，两带总幅宽60 cm，相间排列，播种带30 cm，覆盖带30 cm，每个播种带种植3行小麦，播种时预留覆盖带，于小麦3叶期将玉米整秆放置于覆盖带，覆盖量约52 500株·hm-2(折合秸秆量约9 000 kg·hm-2，约为1 hm2旱地玉米的秸秆量)，覆盖时将秸秆覆盖带和播种带的2个边行各留2～5 cm的间距，以防秸秆压苗；全膜覆土穴播(PMF)：播前全地面平作覆膜，膜面覆土1 cm左右；露地种植(CK)：露地条播，平作。SM和PMF处理的冬小麦采用穴播的方式，行距20 cm，穴距12 cm；CK采用条播的方式，行距20 cm。采用随机区组设计，3次重复，小区面积为56 m2(7 m×8 m)。供试冬小麦品种为兰天26号。各小区的播种量和施肥量均相同，播种量为202.5 kg·hm-2，氮肥和磷肥用量均为105 kg·hm-2(为纯氮磷量)，全部基施。灌浆后期进行“一喷三防”。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质测定

于小麦开花期(6月2日)取茎叶和穗的样品，成熟期(7月10日)取茎叶、穗轴+颖壳和籽粒的样品。每小区设3次重复。取样后分装于自封袋，带回实验室称鲜重，于105 ℃杀青、80 ℃烘至恒重，称干重。干物质积累及转运参数计算公式[11]：

营养器官开花前贮藏同化物转运量=开花期植株干重-成熟期营养器官干重；

营养器官开花前贮藏同化物转运效率=(开花期植株干重-成熟期营养器官干重)/开花期植株干重×100%；

开花后同化物输入籽粒量=成熟期籽粒干重-营养器官花前贮藏物质转运量；

对籽粒产量的贡献率=开花前营养器官贮藏物质转运量/成熟期籽粒干重×100%。

1.3.2 植株养分测定

于小麦开花期、成熟期采用盲抽法在样区内随机采集100穗左右的小麦全株，即不看麦穗大小，直接用手将小麦植株由基部连根拔起，于根茎结合处(分蘖节)将根剪下，将茎叶和穗分别装入预先编号的大、小网袋。植物样品烘干经球磨仪(RetschMM400，德国)粉碎后采用H2SO4-H2O2法消解，采用连续流动分析仪(AA3，SEAL公司，德国)测定消解液中氮、磷的质量分数；采用火焰光度计(Sherwood M410，英国)测定消解液中钾的质量分数。氮磷钾积累量及转运参数计算公式[18]：

开花前氮(磷)素积累量=开花期地上部氮(磷)素积累量；

开花后氮(磷)素积累量=收获期地上部氮(磷)素积累量-开花期地上部氮(磷)素积累量；

氮(磷)素转运量=开花期地上部氮(磷)素积累量-收获期营养器官氮(磷)素积累量；

氮(磷)素转运效率=氮(磷)素转运量/开花期地上部氮(磷)素积累量×100%；

转运氮(磷)素对籽粒贡献率=氮(磷)素转运量/籽粒氮(磷)素积累量×100%；

开花后累积氮(磷)素对籽粒贡献率=开花后氮(磷)素积累量/籽粒氮(磷)素积累量×100%。

钾素在开花后因外排而发生损失，相关参数的计算公式[14]：

开花前钾素积累量=开花期地上部(茎叶、穗)钾素积累量；

钾素转运量=开花期地上部(茎叶、穗)钾素积累量-收获期营养器官(茎叶、颖壳)钾素积累量；

开花后钾素损失量=开花期地上部(茎叶、穗)钾素积累量-收获期地上部(茎叶、颖壳、籽粒)钾素积累量；

籽粒钾素占转运钾素的比例=籽粒钾素积累量/钾素转运量×100%；

钾素转运效率=钾素转运量/开花期地上部(茎叶、穗)钾素积累量。

1.4 统计分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 20.0软件进行数据处理和分析，采用LSD法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖方式对干物质分配与转运的影响

不同覆盖方式对小麦干物质积累量在各器官中的分配比例有一定影响(表1)。成熟期干物质在各器官中的积累量及分配比例总体表现为：籽粒>茎叶>穗轴+颖壳，其中，在籽粒中的分配比例占43.15%～48.35%。与CK相比，SM处理能降低茎叶+穗轴+颖壳的干物质分配比例，提高籽粒的干物质分配比例。

表1 冬小麦成熟期干物质在不同器官中的分配比例Table 1 Dry matter distribution in different organs at maturity of winter wheat

同列数据后不同小写字母表示不同覆盖方式间差异显著(P<0.05)。下同。

Small letters following values in same column mean significant differences at 0.05 level.The same in tables 2-8.

由表2可知，秸秆和地膜覆盖对冬小麦开花前干物质积累量、转运效率及对籽粒的贡献率、开花后干物质积累量对籽粒的贡献率的影响存在明显差异，开花前贮藏干物质转运对籽粒的贡献率为35.6%～54.9%，而开花后光合同化的干物质对籽粒的贡献率均高于45.0%。各处理开花前营养器官贮藏的同化物转运量表现为CK>PMF>SM，但处理间无显著差异；开花前营养器官贮藏的同化物对籽粒的贡献率表现为CK>PMF>SM；各处理开花后同化物在籽粒中的积累量表现为SM>PMF>CK，开花后干物质对籽粒的贡献率也表现为SM>PMF>CK，且SM与PMF处理间差异不显著，但两者均显著高于CK处理。说明开花前积累的干物质对冬小麦的产量有一定贡献，但产量高低主要取决于开花后干物质的积累和分配；与CK相比，SM处理能促进冬小麦开花后干物质的积累，显著提高开花后干物质积累量对籽粒的贡献率。可见，秸秆带状覆盖条件下小麦开花后的干物质积累量是籽粒干物质的主要来源。

表2 冬小麦开花后干物质的积累和转运状况Table 2 Dry matter distribution and accumulation after anthesis in winter wheat

2.2 不同覆盖方式对氮、磷、钾素分配与转运的影响

2.2.1 对氮素分配与转运的影响

不同生育时期，各器官氮素分配比例不同，且随生育时期推进其分配重心也存在差异(表3)。各器官中氮素的分配比例在开花期表现为茎叶>穗，成熟期则表现为籽粒>茎叶>颖壳+穗轴；与CK相比，成熟期SM处理籽粒的氮素积累量和分配比例均较高。

小麦开花后地上部的氮素积累与干物质的变化规律相似(表4)，地表覆盖显著影响小麦器官的氮素积累。开花前营养器官的氮素积累量以PMF处理最高，较CK增加28.3%，SM处理则较CK减少5.4%，但成熟期，各营养器官的氮素积累量表现为PMF>SM>CK，SM和PMF处理籽粒的氮素积累量分别较CK处理增加35.9%和11.4%，差异达到显著水平。生殖生长开始后，开花前积累在各器官的氮素开始向籽粒转运，其中PMF处理转运量最高，较CK处理高14.1%，而SM处理则较CK处理低21.6%。与氮素转运不同，开花后氮素积累量以SM处理最高，是CK处理的3.36倍，其对籽粒的贡献率也最大，是CK处理的2.45倍。可见，秸秆覆盖能促进小麦开花后的氮素积累，有利于小麦籽粒产量的形成。

表3 冬小麦开花期与成熟期氮素的积累和分配比例Table 3 Nitrogen accumulation and distribution ratio among different organs at anthesisand maturity of winter wheat

2.2.2 对磷素分配与转运的影响

不同生育时期，各器官的磷素分配比例与氮素类似(表5)。各器官中磷素分配比例在开花期表现为茎叶>穗，成熟期表现为籽粒>茎叶>颖壳+穗轴；与CK相比，成熟期SM处理茎叶及颖壳+穗轴中磷素的分配比例较高，籽粒中的分配比例与CK处理间无明显差异。

由表6可知，小麦开花前地上部分营养器官磷素积累量以PMF处理最高，SM处理次之，CK最低。成熟期，营养器官的磷素积累量表现为PMF>SM>CK，处理间存在显著差异；籽粒磷素积累量以SM处理最高，较CK处理高37.4%，差异显著，但与PMF处理无显著差异。生殖生长开始后，开花前积累在营养器官的磷素开始向籽粒转运，其中，PMF处理开花后磷素转运量显著高于CK处理，较CK增加29.3%，而SM处理与CK处理间无显著差异。与磷素转运不同，PMF和SM处理的开花后磷素积累量显著高于CK处理，积累磷素对籽粒的贡献率以SM处理最高，显著高于PMF和CK处理。

表4 冬小麦花后氮素的积累和转运状况Table 4 Nitrogen accumulation and translocation of winter wheat at post-anthesis

表5 冬小麦开花期与成熟期磷素的积累和分配比例Table 5 Phosphorous accumulation and distribution ratio at anthesis and maturity

表6 冬小麦花后磷素的积累和转运状况Table 6 Phosphorous accumulation and translocation of winter wheat at post-anthesis

2.2.3 对钾素分配与转运的影响

不同生育时期，各器官的钾素分配比例与磷素类似(表7)。各器官钾素的分配比例在开花期表现为茎叶>穗，成熟期表现为茎叶>籽粒>颖壳+穗轴；同样，与CK相比，成熟期PMF处理籽粒的钾素分配比例较高。

由表8可知，开花前营养器官钾素积累量以PMF处理最高，SM处理次之，两者分别比CK处理高46.8%和9.9%，差异均达到显著水平。成熟期，钾素主要集中在营养器官，PMF和SM处理营养器官钾素积累量分别较CK处理高37.0%和33.5%，差异显著。开花后，开花前积累在营养器官的钾素开始向籽粒转运，其中PMF处理的钾素转运量显著高于CK，而SM处理略低于CK。与氮、磷素的积累和转运不同，成熟期冬小麦地上部钾素积累量低于开花期，表明开花期积累在营养器官的钾素未完全转运至籽粒，而在小麦生长后期存在钾素流失，且PMF处理损失最高，较CK高98.8%，SM处理损失较小，为5.0 kg·hm-2，较CK处理低71.3%。表明秸秆覆盖开花前积累在营养器官中的钾素多数都转运至籽粒。

表7 冬小麦开花期与成熟期钾素的积累和分配比例Table 7 Potassium accumulation and distribution ratioat anthesis and maturity

表8 冬小麦花后钾素的积累和损失状况Table 8 Potassium accumulation and loss of winter wheat at post-anthesis

3 讨 论

地表覆盖影响小麦开花前、开花后叶片、茎叶等营养器官养分的积累及营养物质向籽粒的转运[3,19-20]，但不同学者关于覆盖条件下开花前、开花后小麦干物质积累、转运的研究结果不尽相同。有学者认为，作物开花前积累干物质的转运对籽粒的贡献率约为7%～57%[11]，但产量高低取决于开花后干物质的积累和转运，开花后转运干物质贡献率达60%以上[21]，亦有研究表明，籽粒产量的最终形成是开花前和开花后光合产物共同作用的结果[22]。吴金芝等[23]研究表明，免耕覆盖能改善小麦生育后期旗叶的光合性能，促进干物质积累。李华等[11]研究表明，覆草能显著增加冬小麦生长后期干物质的积累量。本研究显示，与对照相比，秸秆带状覆盖明显增强了冬小麦开花后干物质的积累能力及其对籽粒的贡献，这与王健波等[13]的研究结果一致。这说明，开花后较高的干物质积累量及对籽粒的贡献率，是秸秆带状覆盖处理获得高产的生理基础。

氮、磷、钾素在作物器官内的积累和运转状况直接或间接影响作物产量[24-25]，地表覆盖能影响同化物在各器官的分配和转运。屈会峰等[26]研究表明，秸秆覆盖提高冬小麦产量，同时增加地上部吸氮量，但也有研究表明，地膜覆盖未明显提高小麦吸氮量和氮效率[27]。本研究中，秸秆带状覆盖处理冬小麦开花后氮、磷积累量及其对籽粒贡献率最高，氮、磷积累量较对照分别提高32.6%和19.0%。与氮、磷素不同，钾素主要累积在根、茎、叶等营养器官，籽粒不是钾素的主要累积器官[28]，秸秆覆盖能改善土壤墒情，有利用于更多钾素向籽粒转运。这说明，秸秆带状覆盖能明显增加植株氮、磷和钾素的积累，且增加氮、磷素在籽粒中的分配比例，提高粒重，从而达到增产的目的。