不同种植模式对冬小麦土壤养分及水肥利用效率的影响

丁午阳，李援农，郭俊文，李旭铮，邹齐芳，杨志超，方 恒，张 利，余 梦，白奚睿

（西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100）

0 引 言

小麦是我国三大粮食作物之一，目前冬小麦在我国的种植面积和总产量已占到全国粮食作物的20%～30%。冬小麦是关中地区主要的种植作物，年播种面积基本稳定在2.45 万hm2，约占作物种植面积的44.5%。近年来由于干旱缺水造成的冬小麦减产已经超过其他自然灾害造成的作物减产的总和[1]。为提高冬小麦土壤水分利用效率及产量，目前已采取了覆膜、秸秆还田等一系列措施[2]。前人研究表明，秸秆还田有利于改善土壤结构和理化性状，改良微生物环境，同时提升土壤有机质含量，进而达到提高作物产量和品质的效果[3]。常见的地表覆膜措施可以起到减少土壤水分蒸发和保墒作用，而且还能有效地防止土壤氮素流失，提高作物氮素利用效率[4,5]，同时还能起到增加地表温度促进作物出苗等作用[6-8]。垄沟覆膜改变了地表土壤结构，能够提高水分利用效率[9,10]。前人对秸秆还田，垄沟覆膜单一措施研究较多，但把垄沟覆膜与秸秆还田结合起来的研究鲜有报道。因此目前对垄沟覆膜和秸秆还田共同作用下，能否提高冬小麦土壤养分、土壤水分、作物干物质量、作物产量、作物水氮利用效率，目前尚不明确。根据前期实地调研表明，关中地区施氮量一般为130～150 kg/hm2，灌水量为1 650～1 800 m3/(hm2·次)。基于此，本研究立足于关中地区，以灌水量1 800 m3/(hm2·次)，施氮量150 kg/hm2，设置垄沟覆膜秸秆还田等不同种植模式，以冬小麦为研究对象，监测不同处理下土壤养分、作物生长产量变化，并在此基础上评估水分利用效率和氮素利用率，获得关中地区冬小麦大田种植的较优方案，以期达到节水减肥的目标，为关中灌区实现节水增产总体目标提供理论与技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年10月至2020年5月在陕西省三原县富兴农业种植农民专业合作社进行(109°05′E，34°49′N）。三原县地处陕西关中平原中部渭河以北的台塬阶地上，受渭河冲刷淤积的影响，地势较为平坦，海拔为362～500 m。该地区属大陆性季风半干旱气候，年平均气温13.4 ℃，年平均降水量为569 mm，其中夏季降水占全年降水的42%，多为中、大雨或暴雨类型，容易发生伏旱、秋涝、冬旱等自然灾害。试验区排灌较为方便，由于降水量较为丰富，灌水多为补充型灌溉。试验区土壤类型为塿土。土壤基本理化性质如下：有机质13.3 g/kg，全氮0.81 g/kg，全磷0.76 g/kg，全钾15.5 g/kg，速效氮58.3 mg/kg，速效磷22.2 mg/kg，速效钾183.2 mg/kg，pH值7.8，试验田土壤为中壤土，土壤田间持水率为26%（质量含水率），土壤容重1. 42 g/cm3。试验区气象条件情况见图1。

图1 小麦生育季试验区气象数据Fig.1 The meteorological data of experimental area in wheat growing season

1.2 试验设计

试验采用垄沟覆膜种植技术，垄、沟宽均为40 cm，垄高20 cm。试验设置4 个处理，分别为垄沟覆膜还田（FMSR）、垄沟覆膜不还田（FMSN）、垄沟不覆膜还田（FNSR）、垄沟不覆膜不还田（CK），每个处理3 个重复，共计12 个试验小区，小区面积为200 m2（10 m×20 m）。试验区施肥量均为150 kg/hm2，设 置3 次灌 水，分 别在2019年12月10日、2020年1月23日、2020年4月25日。根据当地实际情况而定，每次灌水量1 800 m3/(hm2·次)。供试冬小麦品种为小偃22号。

1.3 测定项目与方法

在小麦每个生育阶段用土钻分别在沟和垄中央0～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80、80～100 cm7个土层取土，将各层取得土壤混合均匀装入铝盒测定土壤含水率。土壤含水率测定采用烘干称重法，即称量土壤湿重后将铝盒置于烘箱中，105 ℃烘至质量恒定，称干土质量，计算土壤含水量。

分别于冬小麦苗期、拔节期、抽穗期和灌浆期，随机选取各小区长势均匀10 株小麦，测定株高和叶面积，按器官进行分离，于105 ℃杀青30 min，然后在75 ℃干燥至质量恒定后称量，测定小麦干物质累积量。小麦成熟期在每个小区随机选取长势较为均匀的1 m2小麦测定穗数、穗粒数和千粒质量。同时将1 m2小麦脱粒测定产量。

播种前及收获后耕层用土钻取0～40 cm 土层土壤测定其养分含量。有机质采用重铬酸钾氧化法测定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提钼锑抗比色法；速效钾采用1 mol/L NH4OAC 浸提火焰光度计法测定。

1.4 数据处理及方法

小麦实际耗水量ETa根据土壤水量平衡公式进行估算[11]：

式中：I为灌溉量，mm；P为生育期有效降雨量，mm；F为地下水补给量，mm；R为地表径流量，mm；△W为生育期初末0～200 cm 土层土壤储水量变化量，mm。由于冬小麦生育期内次降水量较小，且试验区地下水埋深在5 m 以下，因此，径流和地下水补给忽略不计。

小麦水分利用效率(WUE)可表示为作物产量与实际耗水量之间的比值。水分利用效率计算公式如下：

式中：GY为小麦籽粒产量，kg/hm2。

氮肥偏生产力PFPN是指投入的单位氮肥所产生的作物经济产量，其计算公式[12]如下：

式中：FN为小麦生育季施氮量，kg/hm2。

采用Microcoft excel 2010和OriginPro 2016分别进行数据整理和绘图，用SPSS 16.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对冬小麦土壤水分变化的影响

如图2 所示，冬小麦在越冬期和灌浆期，在0～20 cm 土层，土壤含水量总体略高于20～80 cm。冬小麦在孕穗期和收获期，在0～20 cm 土层，土壤含水量总体略低于20～80 cm。随着生育期推进，作物耗水量增加，土壤含水量整体呈下降趋势，收获期土壤水分最低。从土壤剖面土壤水分变化规律观察，不难发现，冬小麦整个生育期中，0～20 cm 土壤深度含水量随着土层深度增加有所降低，且在30～40 cm 明显降低，随后，随着土壤深度增加，土壤含水量有所增加，并在100 cm 处达到最大值。不同生育时期，各处理也表现出一定的差异性。小麦越冬期，FMSR 处理各土层含水量均显著高于（p＜0.05） 其他处理，土壤含水量波动范围为：20.90%～22.70%。土壤含水量最低的处理为CK，FMSR 较CK 处理，土壤含水量提升2.73%～11.59%。垄沟覆膜不还田和垄沟不覆膜还田较垄沟不覆膜不还田土壤含水量有所增加，但不明显。小麦孕穗期土壤含水量较高的处理仍旧是垄沟覆膜还田处理，变化范围是12.22%～14.69%，最低处理是垄沟不覆膜不还田，变化范围为9.92%～12.29%，FMSR 处理较CK 提升13.50%～26.50%。冬小麦灌浆期，各处理土壤水分含量差异较大，FMSR＞FMSN＞FNSR＞CK，FMSR处理较CK处理提升19.6%～29.01%。在小麦收获期，土壤水分含量处于生育期最低值，最小土壤水分含量为7.02%，最大值为10.67%，在该生育期FMSR 处理土壤水分依旧高于其他处理，且较最低处理CK 提升11.90%～27.80%。

图2 土壤含水量Fig.2 Soil moisture content

2.2 不同处理对冬小麦土壤速效氮含量变化规律的影响

不同处理条件下，冬小麦生育期土壤速效氮变化见图3。从土壤剖面土壤速效氮含量变化观察，不难发现，表层含量较高，随着土层深度增加，除灌浆期外，逐渐减小，且随着土层深度的增加，土壤速效氮含量波动幅度较小，整个生育期，土壤速效氮含量均表现出FMSR＞FMSN＞FNSR＞CK 的规律，但不同生育期表现出一定的差异。越冬期各处理0～20 cm 土壤速效氮显著高于（p＜0.05）20～80 cm， 垄沟覆膜秸秆还田处理整体速效氮含量均显著高于（p＜0.05）其他处理，较FMSN、 FNSR、 CK 分别提升38.41%～40.23%、 20.18%～26.17%、27.60%～36.30%；孕穗期作物对养分需求量较大，因此孕穗期在冬小麦整个生育期土壤速效氮含量最低，但垄沟覆膜秸秆还田处理略高于其他处理，较FMSN、FNSR、CK分别提升27.57%～36.30%、35.87%～41.53%、31.57%～42.98%；灌浆期不同处理养分在40 cm处达到最低，随着土层增加，土壤速效氮含量有所增加，但在80 cm处又开始表现为下降趋势；收获期不同处理均在30 cm 处表现出急剧下降趋势，在30～100 cm土层深度，土壤速效氮含量波动范围较小，垄沟覆膜秸秆还田处理较FMSN、FNSR、CK分别提升21.7%、18.9%、17.5%。

图3 土壤养分变化Fig.3 Changes of soil nutrients

2.3 不同处理对冬小麦地上干物质量的影响

将覆膜和秸秆还田相结合以后，有利于开花期前冬小麦植株叶片的生长发育及各器官(茎、叶、穗)干物质的积累，这也显著（p＜0.05）提升冬小麦地上部分干物质量，具体变化规律见图4（大田试验由于条件限制，只取到3 个生育期的数据）。整个生育期不同处理干物质整体呈现出先增加后减少趋势，但不同生育阶段，变化规律呈现出一定差异。茎干物质量在抽穗期、乳熟期，垄沟覆膜还田（FMSR）处理显著高于（p＜0.05）其他处理，冬小麦茎干物质最低的处理为垄沟不覆膜不还田。垄沟覆膜不还田和垄沟不覆膜还田较垄沟不覆膜不还田干物质有所增加，但不明显。成熟期，各处理茎干物质量差异较大，FMSR＞FMSN＞FNSR＞CK，FMSR 处理较CK处理提升40%；在小麦成熟期，FMSR 处理叶干物质量依旧较最低处理CK提升41.3%。

图4 冬小麦干物质变化量Fig.4 Dry matter change of Winter Wheat

2.4 不同处理对冬小麦产量及构成要素的影响

由表1 可知，覆膜和秸秆还田显著（p＜0.05）影响小麦产量。相较于垄沟不覆膜不还田处理，垄沟覆膜还田、垄沟不覆膜还田和垄沟覆膜不还田处理小麦籽粒产量分别提高了18.9%、13.1%和3.9%。垄沟种植秸秆还田条件下，覆膜提高了小麦产量，覆膜处理小麦产量较不覆膜处理提高了5.2%；而垄沟种植覆膜条件下，秸秆还田处理小麦产量较不还田处理提高了14.4%。表明垄沟种植条件下秸秆还田对小麦的增产效果大于覆膜。覆膜和秸秆还田对小麦千粒重无明显影响，各处理小麦千粒重平均为44.1 g。相较于垄沟不覆膜不还田处理，垄沟覆膜还田、垄沟不覆膜还田和垄沟覆膜不还田处理均增加了小麦穗粒数，但只有垄沟覆膜还田和垄沟不覆膜还田处理穗粒数显著（p＜0.05）增加，垄沟覆膜不还田处理穗粒数与对照处理无明显差异。表明覆膜和秸秆还田处理主要通过增加小麦穗粒数增加小麦产量，且秸秆还田较覆膜对穗粒数的增加效果更佳显著（p＜0.05）。

表1 冬小麦产量及构成要素Tab.1 Yield and components of winter wheat

2.5 不同处理对冬小麦水分利用效率和氮肥偏生产力的影响

由表2分析可知，不同种植模式对生育期小麦耗水量无明显影响。且覆膜还田处理作物耗水量有小幅度的增加。覆膜还田显提升了作物水分利用效率，相较于垄沟不覆膜不还田处理，垄沟覆膜还田、垄沟不覆膜还田和垄沟覆膜不还田处理水分利用效率分别增加了24.49%、21.04%和19.88%。垄沟覆膜条件下，秸秆还田处理作物水分利用效率较不还田处理增加了16.5%；垄沟还田条件下，覆膜处理较不覆膜处理增加了11.8%。因此，垄沟种植条件下覆膜和秸秆还田均能够增加作物对水分的利用。同时，覆膜和秸秆还田显著增加氮肥偏生产力。相较于垄沟不覆膜不还田处理，垄沟覆膜还田、垄沟不覆膜还田和垄沟覆膜不还田处理氮肥偏生产力分别增加了21.7%、13.0%和3.4%。垄沟覆膜条件下，秸秆还田处理氮肥偏生产力较不还田处理增加了17.7%；垄沟还田条件下，覆膜处理较不覆膜处理氮肥偏生产力增加了7.7%。因此，秸秆还田和覆膜均能够促进作物对土壤氮素的利用，且秸秆还田的促进作用更强。此外，秸秆还田和覆膜交互作用能够进一步增强作物对水分和氮素的利用提高氮肥利用效率。

表2 为小麦水分利用效率和氮肥偏生产力试验结果Tab.2 Water use efficiency and partial productivity of nitrogen fertilizer for wheat

3 讨 论

3.1 垄沟覆膜秸秆还田对土壤含水量的影响

垄沟覆膜种植能够提高土壤水分，促进作物生长，相对于传统种植模式具有更大的发展前景。前人研究表明，垄沟覆膜种植可以从时间和空间方面对农田土壤水分进行调控，通过秋季覆膜、田间起垄覆膜等方法抑制土壤水分无效蒸发，增加种植沟内土壤含水率[13]。张平良等[14]研究表明，全膜覆土穴播模式较不覆膜处理，显著提高2 m土层的贮水量。本试验研究表明，垄沟覆膜秸秆还田处理较垄沟不覆膜不还田土壤含水率提升了2.73%～29.01%，垄沟不覆膜还田处理较垄沟不覆膜不还田处理，土壤含水量提升2.73%～11.59%垄沟覆膜不还田处理较垄沟不覆膜不还田提升13.50%～26.50%。覆膜相对于不覆膜，秸秆还田相对于不还田均能有效增加土壤水分含量，其原因为覆膜与秸秆还田可以改变土壤表层结构，进而有效抑制土壤水分蒸发，通过覆膜秸秆还田处理明显增加了0～60 cm 土层的平均含水率，同时，作物根系吸水一般在0～60 cm 土层，本试验设置的灌溉量既满足作物需水，又能够有效避免水分浪费，是较为优选的灌水方案。因此，垄沟覆膜秸秆还田处理能有效促进冬小麦对灌溉水或降水的利用主要是因为起垄覆膜可以有效抑制土壤水分的无效蒸发[15]。

3.2 垄沟覆膜秸秆还田对土壤养分的影响

土壤养分是作物正常生长的基础，其含量是评价土壤质量的重要指标之一。土壤矿化产生的有效养分和化学肥料中的有效成分能够被作物根系直接吸收利用，是土壤肥力的主要组成部分。有研究结果表明，秸秆还田能够显著改善土壤理化性质，提高土壤的有机质含量，促进土壤养分循环，从而保持土壤生产力稳定[16]。垄沟覆膜种植，耕层土壤有机质和速效氮、磷、钾含量明显增加。而宋秋华等[17]研究发现，不同覆膜时长对土壤有机质含量影响显著，与播种前相比，全程覆膜处理有机质含量下降21.2%，覆膜60 d 处理含量下降了17.2%，而覆膜30 d 和未覆膜处理含量下降相对较小[18]。本研究与宋秋华[17]研究结果不同。本研究表明，在0～60 cm 土层，土壤养分变化较快，在设计的大田种植施氮量条件下，垄沟覆膜秸秆还田还能够明显增加土壤养分，垄沟覆膜秸秆还田处理较未覆膜未还田处理土壤养分提高38.41%～40.23%，垄沟覆膜不还田较垄沟不覆膜不还田土壤养分提高了20.18%～26.17%，垄沟不覆膜还田较垄沟不覆膜不还田土壤养分提高了27.60%～36.30%，覆膜与还田处理都能够较好提高土壤养分，其原因可能为覆膜秸秆还田都能够有效改变土壤的理化性质，促进有机质分解，从而提高土壤养分，进而说明秸秆还田垄沟覆膜在本大田试验设置的施氮量条件下，能够有效增加土壤养分，满足作物生长需求，并且不造成浪费。除此之外，覆膜条件下，耕层土壤水热状况较好，加速了还田秸秆的分解，从而增加了土壤有机质和速效养分含量，提高土壤肥力[19]。

3.3 垄沟覆膜秸秆还田对作物生长及产量影响

秸秆本身含有一定量的氮（N）、磷（P）、钾（K）等矿质养分，且其较强的吸附能力可以提高土壤的阳离子交换量，从而提高土壤肥力，促进作物的生长。覆膜可以有效改变土壤松紧度、提高土壤水分及其温度，为作物生长发育创造良好的条件。邵千顺等[20,21]研究表明覆膜栽培对冬小麦有显著的增产作用，覆膜可作为增温保墒的栽培措施，与普通塑料地膜覆盖和秸秆覆盖相比，冬小麦产量可分别提高43.1%和47.5%。陈玉章等研究表明，覆盖处理可显著提高冬小麦产量，尤其能提高有效穗数和千粒质量[21]。Li等研究发现，覆盖栽培能显著改善作物生长的水肥环境，从而促进作物生长[22]。本研究表明，在垄沟覆膜秸秆还田处理下，作物茎干物质量显著提高（p＜0.05），垄沟覆膜秸秆还田处理较垄沟不覆膜不还田处理提高30.6%，产量提高了18.9%；垄沟不覆膜还田处理较垄沟不覆膜不还田作物茎干物质量提升27.60%，产量提升了13.1%；垄沟覆膜不还田处理较垄沟不覆膜不还田处理作物茎干物质量提升21.7%，产量提升了3.9%。其原因主要为在设计的灌水和施氮量基础上，通过垄沟覆膜有效改变了土壤孔隙度，抑制了土壤水分无效蒸发，改变了土壤理化性质进而有效增加了土壤养分，最终使得作物干物质量和作物产量提升。其次，秸秆还田及覆盖处理对根系吸收能力等都具有正效应，从而促进作物的生长和产量的提升，但具体生理机制还有待进一步研究[23]。

3.4 垄沟覆膜秸秆还田对水分利用效率、氮肥偏生产力的影响

本研究发现在设定的大田灌溉量和施氮量基础上，通过秸秆还田，垄沟覆膜，有效地改善了土壤的水肥环境，提高土壤水分和养分，进而提高作物干物质量及产量，通过垄沟覆膜秸秆还田调节土壤水分在固定的灌水量条件下，能够提高提高作物水分利用效率，通过覆膜秸秆还田能够有效调节土壤养分，在施氮量一定条件下，能够有效提高作物偏氮肥生产力。其次，秸秆还田配施化肥水稻和小麦氮肥表观利用率和农学利用率均明显提高[25,26]，主要是秸秆还田可疏松土壤，改善渗透性，促进冬小麦和夏玉米的干物质积累，进而显著提高作物的籽粒产量和水分利用效率[27,28]。因此，在土壤水分利用效率，小麦产量，水分利用效率，氮肥偏生产力等指标综合分析，垄沟覆膜秸秆还田处理是冬小麦增产增效种植的较优组合

4 结 论

（1）与CK 相比，垄沟覆膜秸秆还田能够显著（p＜0.05）提高冬小麦产量、茎干物质量、水分利用效率及氮肥偏生产力，分别较其提高了18.9%、30.6%、24.49%、21.7%。

（2）通过对土壤含水量分析，不同处理土壤含水量表现为：FMSR＞FMSN＞FNSR＞CK，且FMSR 处理较CK 处理提升最明显，提升了2.73%～29.01%。

（3）不同处理相较于CK 处理，土壤养分均有所提升，具体表现为：FMSR＞FMSN＞FNSR＞CK， 垄沟覆膜秸秆还田（FMSR）处理较CK 提升最为显著（p＜0.05），提升了38.41%～40.23%。

综合考虑关中地区节水、增产、减肥的目的，推荐垄沟覆膜秸秆还田种植模式为较优方案。