耕作方式和氮肥用量对旱地小麦产量、蛋白质含量和土壤硝态氮残留的影响

黄明，吴金芝，李友军，付国占，赵凯男，张振旺，杨中帅，侯园泉

耕作方式和氮肥用量对旱地小麦产量、蛋白质含量和土壤硝态氮残留的影响

黄明，吴金芝，李友军，付国占，赵凯男，张振旺，杨中帅，侯园泉

河南科技大学农学院，河南洛阳 471023

【目的】明确旱地小麦增产提质和环境友好协同的耕作与氮肥组合模式。【方法】2016—2017年（欠水年）和2017—2018年（丰水年），在豫西典型旱地小麦种植区设置夏闲季深松（ST，麦收后2周左右并隔年进行）和翻耕（PT，传统的7月底8月初等雨连年进行）2种耕作方式为主处理和小麦播种前施氮0（N0）、120 kg·hm-2（N120）、180 kg·hm-2（N180）和240 kg·hm-2（N240）4个氮肥用量为副处理的二因素裂区田间定位试验，研究其对旱地小麦产量、籽粒蛋白质含量及其产量、植株氮素吸收利用和收获期0—200 cm土层硝态氮残留的影响。【结果】降水年型、耕作方式和氮肥用量及后二者互作对旱地小麦拔节后氮素积累量、籽粒产量、蛋白质产量、氮效率和土壤硝态氮残留量均有显著影响。深松与翻耕相比，显著提高了拔节后植株氮素积累量、花前氮素转运量及N240下的氮收获指数，不同氮肥处理的平均氮肥吸收效率、氮肥农学效率、氮肥利用率和氮肥偏生产力分别显著提高8.6%—15.3%、23.9%—86.5%、8.1%—26.1%和9.1%—20.3%，最终在不降低籽粒蛋白质含量的同时，使产量在欠水年和丰水年分别提高11.9%和12.4%，蛋白质产量提高12.4%和13.5%，收获期0—200 cm土层硝态氮残留量降低11.9%和25.4%。相同耕作方式下，随着氮肥用量的增加，植株氮素积累量、花前氮素转运量、花后氮素对籽粒的贡献率、籽粒蛋白质含量和收获期土壤硝态氮残留量显著增加，花前氮素对籽粒的贡献率、氮素籽粒生产效率、氮肥吸收效率和氮肥偏生产力逐渐降低，氮肥农学效率、氮肥利用率、籽粒产量和蛋白质产量的变化因降水年型和耕作方式而异。从互作效应看，两年中STN240处理的植株氮素积累量最高，其产量和蛋白质产量（除欠水年与ST180处理外）、蛋白质含量（除丰水年与PTN240处理外）均显著高于其他处理，氮肥利用率及其丰水年的氮肥农学效率不低于或显著高于翻耕下的所有施氮处理，收获期的土壤硝态氮残留量较PT240处理降低16.4%。从整体效应看，翻耕配施氮肥180 kg·hm-2可获得最高的籽粒产量以及较优的蛋白质产量、氮肥农学效率和氮肥利用率；深松配施氮肥240 kg·hm–2可通过深松提高氮效率并降低土壤硝态氮残留，通过增加氮肥用量提高蛋白质含量，最终使产量和蛋白质产量较其他处理分别提高2.6%—45.0%和7.3%—81.4%。【结论】深松有利于提高旱地小麦产量、蛋白质产量和氮效率，降低土壤硝态氮残留，但其适宜的氮肥用量高于翻耕。翻耕配施氮肥180 kg·hm-2是兼顾高产高效，深松配施氮肥240 kg·hm-2是兼顾高产优质高效和低硝态氮残留的耕作与氮肥组合。

耕作方式；氮肥用量；旱地；小麦；产量；蛋白质；硝态氮残留

0 引言

【研究意义】我国旱地小麦产区普遍存在水资源缺乏且与小麦需水关键期错位、耕作管理粗放、施肥不科学等问题，致使欠水年小麦产量低，丰水年蛋白质含量低[1]。耕作和施氮是提高小麦产量和蛋白质含量的有效途径，但不合理的耕作和施氮会降低氮效率，导致土壤硝态氮高量残留，污染环境甚至威胁饮用水安全[2-3]。因此，优化耕作技术和氮肥用量以提高小麦产量和蛋白质含量，降低麦田硝态氮残留是当前旱地小麦生产中亟待解决的问题。【前人研究进展】当前旱地小麦生产中仍主要采用7月底8月初等雨翻耕、播前旋耕或耙地的耕作方式，虽然能够较好地翻埋杂草、控制病虫害，但会致使土壤容重增加、通透性和孔隙度降低，已产生了严重的生产负效应[4-5]。李慧等[6]研究表明，旱地麦田深松后土壤容重比翻耕降低0.7%—14.5%。HE等[7]研究也表明，深松+条旋耕较翻耕显著降低了30—45 cm土层的容重和渗透阻力，从而改善根系形态、增强根系活性、延缓根系衰老，增产11.9%。黄明等[8]研究表明，深松较翻耕，小麦不同生育时期旗叶净光合速率平均提高9.9%，增产9.3%。在水浇地的研究也表明，深松较常规耕作，0—40 cm土层土壤容重降低3.7%—6.5%，60—100 cm土层降低1.5%—2.3%，小麦最高增产31.9%[9]，土壤紧实度降低20.9%、三相比R值降低12.9%，小麦根系干重密度增加29.8%，增产22.0%[10]。除产量外，耕作对作物氮素吸收利用、籽粒蛋白质含量和农田土壤硝态氮残留也具有调节作用。如在地中海地区，由于保护性耕作提高了大麦的氮吸收能力，定位耕作10年后土壤硝态氮残留量从翻耕的852 kg·hm-2降低到免耕的270 kg·hm-2[11]；在黄土高原南部，深松麦田0—100 cm各土层的硝态氮含量较旋耕均显著降低[2]，翻耕小麦地上部氮素积累量较旋耕增加18.2%，成熟期0—200 cm土层硝态氮残留量降低22.2%[12]；在山东旱地，深松较旋耕，小麦地上部氮素积累量拔节—成熟期增加36.8%，播种—成熟期增加12.9%—16.4%，0—60 cm各土层的硝态氮残留量显著降低[5]。在山西旱地条件下，深松降低了小麦籽粒蛋白质含量[13-14]，而在河南砂姜黑土区拔节期浇1水的条件下，深松小麦的籽粒蛋白质含量较翻耕和旋耕分别提高3.6%和12.4%[15]。研究还认为，耕作方式和氮肥用量互作显著影响小麦产量和籽粒蛋白质含量，但与深松配套的氮肥用量因研究区域和生产条件而异。如在山西旱地，夏闲期深松配施氮肥150 kg·hm-2时产量提高9%—26%[16]，配施氮肥225 kg·hm-2时有利于提高籽粒蛋白质及其组分含量[14]；在河南，砂姜黑土区深松配施氮肥330 kg·hm-2时较配施氮肥225和112.5 kg·hm-2分别增产7.3%和17.2%，较相同施氮量的翻耕增产18.6%，而配施氮肥225 kg·hm-2时籽粒蛋白质含量较其他处理提高3.6%—33.8%[15]，但也有深松配施氮肥120 kg·hm-2即可获得最高产量的报道[17]。此外，耕作的效果还与作业时间有关。如赵红梅等[13]研究表明，耕作时间对小麦籽粒蛋白质产量具有调节作用，麦收后45 d耕作优于麦收后15 d耕作；张霞等[18]研究表明，相对于连年翻耕，深松/免耕隔年轮耕在小麦连作和小麦/玉米轮作下的小麦产量显著增加14.3%—19.3%；HE等[19]进行的多年多点试验表明，与翻耕相比，4年免耕加1年深松小麦增产20.9%。【本研究切入点】尽管目前关于耕作方式和氮肥用量及其互作影响小麦氮素吸收利用、产量、蛋白质含量的研究较多，但主要围绕产量形成和氮素吸收利用，多在同时耕作或连年耕作的条件下进行，且与深松配套的氮肥用量尚无定论，特别是有关耕作方式与氮肥用量互作对旱地土壤硝态氮残留的影响尚鲜见报道。【拟解决的关键问题】本研究在豫西典型旱地小麦种植区设置连续2年的田间定位试验，研究小麦收获后2周左右隔年深松和传统的7月底8月初等雨连年翻耕对不同氮肥用量下小麦产量、蛋白质含量及其产量、植株氮素积累转运、氮效率和土壤硝态氮残留的影响，以明确适宜旱地小麦的耕作与氮肥组合，为实现旱地小麦高产高效优质和环境友好协同提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况和降水分布特征

试验地位于黄土高原南部与黄淮海平原西部交汇区的豫西典型旱地小麦种植区的河南省洛宁县小界乡梅窑村，属于半湿润易旱区，海拔350—550 m，年均气温13.7℃，日照时数2 217.6 h，无霜期216 d，年降水量400—800 mm，60%左右集中于7—9月。一年一作冬小麦，夏季休闲是当地的主要种植模式。试验开始前耕层0—20 cm土层土壤含有机质11.3 g·kg-1、全氮0.74 g·kg-1、碱解氮37.6 mg·kg-1、速效磷17.6 mg·kg-1，速效钾128.3 mg·kg-1。试验期间的降水量见图1。当地2000—2018年度的平均降水量为569.5±156 mm，按照国内常用的降水年型划分标准[20]，年降水量＞621 mm为丰水年，年降水量＜518 mm为欠水年，介于二者之间为平水年，2016—2017和2017—2018年度小麦生长季降水量分别为231和186 mm，夏闲季降水量为240和492 mm，年降水量为471和678 mm，分别为欠水年和丰水年。

1.2 试验设计与田间管理

试验采用二因素裂区设计，主区为深松和翻耕2种耕作方式，副区为N0、N120、N180和N240 4个氮肥用量。耕作在夏闲季进行，即（1）麦收后2周左右隔年深松，简称深松（subsoiling tillage，ST）：前茬小麦收获时留茬15 cm，秸秆全量还田、均匀覆盖于地表，并于麦收后2周左右有适量降雨时使用深松机每间隔35 cm深松35±2 cm，深松仅在第1年（2016—2017年度）进行，第2年（2017—2018年度）夏闲季免耕；（2）当地普遍采用的7月底8月初等雨翻耕，简称翻耕（ploughing tillage，PT），深度25±3 cm。本研究分别于2016年6月12日深松，2016年7月22日和2017年8月4日翻耕。副区中N0、N120、N180和N240处理的氮肥用量分别为0、120、180和240 kg·hm-2。每个处理4次重复，小区面积72 m2（10 m×7.2 m）。所用氮磷钾肥分别为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）和硫酸钾（含K2O 50%），小麦播前3 d按试验设计将氮肥以及75 kg P2O5·hm-2和45 kg K2O·hm-2人工均匀撒施于相应小区，然后旋耕（15 cm）将肥料混入土壤。小麦品种为洛旱22，播量为187.5 kg·hm–2，分别于2016年10月10日和2017年10月26日播种，2017年6月1日和2018年6月4日收获。其他管理按照当地丰产麦田进行。

折线为2000—2018年连续18年降水量的平均值The broken line shows the average precipitation of 18 years from 2000 to 2018

1.3 土壤硝态氮残留量的测定和计算

在收获期，用直径为4 cm的土钻每20 cm为一层，分别从每个小区采集0—200 cm土样，将各土壤样品带回实验室后放入冰箱4℃保存，用1 mol·L-1KCl溶液浸提、紫外分光光度法[21]测定硝态氮含量。硝态氮残留量用Huang等[22]的方法计算，NR＝Hi×Di× Ci×0.1，式中，NR为硝态氮残留量（kg·hm-2），Hi为土层深度（cm）；Di为该土层的土壤容重（g·cm-3）；Ci是对应的土壤硝态氮含量（mg·kg-1），0.1为转换系数。

1.4 小麦植株氮素积累的测定

分别于拔节期、开花期和成熟期，在每个小区取具有代表性且行长50 cm的小麦植株样品4个，统计茎蘖数后剪去根系并进一步处理，开花期分成茎叶鞘和穗，成熟期分成茎叶鞘、穗轴＋颖壳和籽粒。105℃杀青30 min，80℃烘至恒重，测定干重后将样品粉碎，用于测定全氮含量。全氮含量用H2SO4-H2O2法消解、凯氏法测定[12]。某一器官的氮素积累量是该器官干物质积累量与其全氮含量的乘积，某一生育时期的氮素积累量为此时期不同器官氮素积累量之和[12]。

1.5 籽粒产量的测定

在成熟期，从每个小区随机收割4个1 m×1 m的样方，风干后脱粒。将同一小区4个样方的籽粒混合后称风干籽粒重，然后取风干籽粒约50 g，65°C烘至恒重，测定风干籽粒含水量，从而计算样方籽粒干重，最后以12.5%的含水量折算产量（kg·hm-2）。

1.6 参数计算

蛋白质含量（%）=籽粒全氮含量×5.7[12]；

蛋白质产量（kg·hm-2）=籽粒干物质量×蛋白质含量[12]；

花前氮素转运量（kg·hm-2）=开花期氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量[12]；

花前氮素对籽粒的贡献率（%）=花前氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100[12]；

花后氮素积累量（kg·hm-2）=成熟期氮素积累量-开花期氮素积累量[12]；

花后氮素对籽粒的贡献率（%）=花后氮素积累量/

成熟期籽粒氮素积累量×100[12]；

氮收获指数（%）=成熟期籽粒氮素积累量/成熟期氮素积累总量×100[12]；

氮素籽粒生产效率（kg·kg-1）=籽粒产量/成熟期氮素积累量[12, 23]；

氮肥吸收效率（kg·kg-1）=成熟期氮素积累量/施氮量[12, 23]；

氮肥利用率（%）=（施氮区氮素积累量-不施氮区氮素积累量）/施氮量×100[23]；

氮肥农学效率（kg·kg-1）=（施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量）/施氮量[23]；

氮肥偏生产力（kg·kg-1）=籽粒产量/施氮量[12, 23]。

1.7 统计分析

采用Microsoft Excel 2007和DPS7.05软件处理数据和绘图，用LSD法进行显著性检验。

2 结果

2.1 耕作方式和氮肥用量对小麦籽粒产量、蛋白质含量和蛋白质产量的影响

除耕作方式及其与氮肥用量互作对蛋白质含量无显著影响外，降雨年型、耕作方式、氮肥用量及后二者互作对小麦籽粒产量、蛋白质含量及其产量均有极显著的调控作用（表1）。与欠水年相比，相同处理下丰水年的产量和蛋白质产量（除丰水年N0外）增加，施氮处理的蛋白质含量降低。深松与翻耕相比，欠水年和丰水年不同氮肥用量下平均产量分别提高11.9%和12.4%，蛋白质产量提高12.4%和13.5%，而蛋白质含量无显著差异。随着氮肥用量的增加，蛋白质含量显著提高，但产量和蛋白质产量的变化因耕作方式而异。翻耕条件下，两年度的产量和欠水年蛋白质产量均以N180显著高于其他氮肥处理，丰水年N240的蛋白质产量略高于N180，但二者均显著高于N120和N0，说明翻耕下高产优质难以协同，氮肥用量为180 kg·hm-2时可实现高产。深松条件下，两年度N240的产量和蛋白质产量除欠水年与N180无显著差异外，均显著高于其他氮肥处理，平均产量较N0、N120和N180分别提高45.0%、8.2%和2.6%，蛋白质产量提高81.4%、19.3%和7.3%，说明深松配施氮肥240 kg·hm-2能实现小麦产量、蛋白质含量和蛋白质产量的协同提高。从互作效应看，STN240处理是提高旱地小麦产量和蛋白质含量的最优组合，其产量和蛋白质产量除欠水年与STN180处理无显著差异，蛋白质含量除丰水年略低于PTN240处理外，均显著高于其他处理。

表1 不同处理对小麦籽粒产量和籽粒蛋白质含量及其产量的影响

同列数据后的不同小写字母表示同一年度处理间差异在＜0.05水平显著。*和**分别表示方差在＜0.05和＜0.01水平显著。下同

Different small letters after the data within the same column and each year indicate significant difference among treatments at＜0.05. * and ** indicate statistical significance of variance at＜0.05 and＜0.01, respectively. The same as below

2.2 耕作方式和氮肥用量对小麦氮素积累、转运和氮收获指数的影响

2.2.1 不同生育时期的氮素积累量 由图2可以看出，耕作方式和氮肥用量及其互作对小麦开花期和成熟期的氮素积累量具有显著的调控作用，且两年度规律基本一致。深松较翻耕，两年度氮素积累量拔节期无显著差异，开花期均值在N0、N120、N180和N240下分别提高7.7%、11.0%、6.5%和9.8%，成熟期分别提高9.0%、14.6%、8.7%和14.2%，深松提高小麦氮素积累量的作用随生育进程的推进而增强，且N120和N240下的增幅大于N180。3个生育时期中，小麦氮素积累量均随氮肥用量的增加而增加，且深松下N240较N180的增幅大于翻耕。从互作效应看，STN240处理的氮素积累量拔节期较PTN0、PTN120、PTN180、PTN240、STN0、STN120和STN180处理分别提高47.4%、12.1%、5.9%、2.1%、49.5%、12.5%和5.7%，开花期分别提高71.8%、29.3%、14.7%、11.0%、59.5%、17.7%和7.7%，成熟期分别提高107.3%、40.4%、19.7%、14.2%、90.1%、22.5%和10.2%，说明深松配施氮肥240 kg·hm-2可促进小麦氮素积累，且增幅随生育进程的推进而加大。

误差线表示标准差，其上标注的不同字母表示同一生育时期内处理间差异显著（P＜0.05）。*和**分别表示方差在P＜0.05和P＜0.01水平显著。下同

2.2.2 氮素积累转运特性和氮收获指数 由表2可知，深松较翻耕，两年度花前氮素转运量均值在N0、N120、N180和N240下分别提高5.1%、9.2%、5.9%和16.3%，花后氮素积累量分别提高26.7%、38.0%、17.5%和26.3%，表明花后氮素积累的增幅较花前氮素再转运的增幅大，但花前氮素转运或花后积累氮素对籽粒的贡献率除欠水年N0和丰水年N120下外均无显著差异，最终使籽粒氮素积累量分别提高7.0%、15.3%、8.8%和19.1%。虽然耕作方式总体上不影响小麦氮收获指数（＞0.05），但深松的氮收获指数较翻耕，N0下丰水年显著降低4.5%，N240下丰水年和欠水年分别显著提高5.5%和3.4%，N120和N180下无显著变化。相同耕作方式下，随着氮肥用量的提高，花前氮素转运量和花后氮素积累量除翻耕下欠水年N240较N180分别降低7.6%（＜0.05）和3.3%（＞0.05）外均增加或显著增加，花后氮素对籽粒的贡献率亦呈增加趋势，而花前氮素对籽粒的贡献率降低，氮收获指数N120和N180间无显著差异，但均显著高于N240。从互作效应看，两年度中花前氮素转运量、花后氮素积累量及其对籽粒的贡献率和籽粒氮素积累量均以STN240处理最高，其花前氮素转运量均值较PTN0、PTN120、PTN180、PTN240、STN0、STN120和STN180处理分别提高49.6%、21.9%、9.0%、16.3%、42.3%、11.7%和2.9%，花后氮素积累量提高541.8%、94.4%、39.9%、26.3%、406.5%、40.9%和19.1%，籽粒氮素积累量提高94.2%、37.3%、16.7%、19.1%、81.4%、19.1%和7.3%。可见，深松和增加氮肥用量均可提高花前氮素转运量和花后氮素积累量，增施氮肥还可以提高花后氮素对籽粒的贡献率，从而提高成熟期籽粒氮素积累量，以STN240处理效果最优。

2.3 耕作方式和氮肥用量对小麦氮效率的影响

降雨年型、耕作方式、氮肥用量及后二者互作对小麦氮效率均有显著的调节作用（表3）。与欠水年相比，丰水年的氮效率极显著增加，但两年度中不同处理间的规律基本相似。两年总体来看，深松较翻耕，氮素籽粒生产效率维持稳定，氮肥吸收效率、农学效率、利用率和偏生产力在N120下分别提高15.3%、62.4%、26.1%和14.3%，N180下提高8.6%、23.9%、8.1%和9.1%，N240下提高14.4%、86.5%、20.5%和20.3%，表明深松有利于提高小麦氮效率，且以N240下的增幅最高。相同耕作方式下，随着氮肥用量的提高，氮肥吸收效率和偏生产力以及丰水年的氮素籽粒生产效率和氮肥利用率显著降低，但翻耕下和欠水年深松下N180的氮肥农学效率和利用率较N120无显著降低甚至显著提高，表明适量增施氮肥可以提高氮肥农学效率和利用率。从互作效应看，STN240处理的氮肥利用率及其丰水年的氮肥农学效率不低于或显著高于翻耕下的所有施氮处理。说明增加氮肥用量会降低小麦氮肥吸收效率和偏生产力，甚至降低氮素籽粒生产效率、氮肥农学效率和利用率，但翻耕改深松后可减小增施氮肥所引起的氮效率下降幅度，深松配施氮肥240 kg·hm-2甚至可提高氮肥利用率和农学效率，利于实现旱地小麦氮高效的生产目标。

表2 不同处理对小麦氮素积累转运特性和氮收获指数的影响

表3 不同处理对小麦氮效率的影响

2.4 耕作方式和氮肥用量对麦田土壤硝态氮残留的影响

由图3可以看出，相同处理下，欠水年0—200 cm不同土层的硝态氮残留高于丰水年，说明丰水年较高的产量（表1）和植株氮素积累量（图2）会降低土壤硝态氮残留量。同一耕作方式下，0—200 cm土层硝态氮残留量随施氮量的增加而增加，与N0相比，欠水年N120、N180和N240的硝态氮残留量分别提高118.7%、229.2%和281.2%，丰水年分别提高107.7%、191.1%和244.4%。相同氮肥用量下，深松较翻耕，N0、N120、N180、N240下0—200 cm土层土壤硝态氮残留分别降低22.3%、20.7%、14.9%、16.4%，其中，欠水年和丰水年0—100 cm土层分别降低17.5%、13.7%、17.7%、14.2%和34.4%、27.0%、15.2%、15.0%，100—200 cm土层分别降低13.7%、12.7%、4.5%、7.1%和29.3%、34.2%、23.1%、30.2%，欠水年施氮处理以0—100 cm土层降低幅度大，丰水年施氮处理以100—200 cm土层的降低幅度大。说明深松能降低因增施氮肥而引起的土壤硝态氮残留，有利于旱地小麦环境友好生产。

3 讨论

3.1 耕作方式和氮肥用量对旱地小麦产量的影响

大量研究表明，深松较翻耕具有降低土壤容重[9]和紧实度[10]，提高土壤含水量[7-8, 24]、养分含量[25]和微生物特性[5]，改善小麦根系特性[7]，延缓地上部衰老，提高光合生产能力[8]，调节物质积累转运特性[8, 16]等一系列的生理生态优势，最终协调产量构成因素、提高产量[9-10,24-26]，且其效应与进行深松作业的时间有关[26]。本研究表明，麦收后2周左右适墒隔年深松较传统的等雨翻耕增产11.9%—12.4%，增产的主要原因在于其不仅具有上述生理生态优势，而且将耕作时间从较传统翻耕的7月底8月初提前到6月中旬，利于蓄积6—7月份的降水，从而提高了播前和开花期的土壤水分含量[27]，进而提高产量。此外，该深松技术在夏闲季秸秆覆盖还田的基础上间隔1年深松1次，较好发挥了深松、免耕和秸秆覆盖技术的生理生态优势，是其增产的又一原因，以往的研究也得到了类似的结论。如在陕西合阳，夏闲季深松/免耕轮耕相对于连年翻耕，小麦产量增加14.3%—19.3%[18]；HE等[7]在山东旱地的研究表明，麦田隔2年深松+连年条旋耕较连年翻耕增产11.9%。

耕作可影响土壤水分等生态环境，进而与氮肥互作影响小麦产量形成[14-16]，但影响效应因降水年型而异[16]。在本试验条件下，随氮肥用量的增加，翻耕小麦的产量呈先增加后降低趋势，两年度均以N180最高；深松小麦的产量在欠水年先增加后稳定，N180和N240间无显著差异，在丰水年持续显著增加，表明翻耕以及深松在欠水年配施氮肥180 kg·hm-2即可获得高产，而深松在丰水年应适当增加氮肥用量才能获得最高产。其原因主要是深松较翻耕改善了土壤生态环境[5]，促进了小麦根系[7]和地上部生长发育[8]，在丰水年大幅提高产量的情况下，对养分特别是氮素的需求量也相应增加[28]。熊淑萍等[15]在小麦拔节期灌1水条件下的研究发现，播前深松配施氮肥330 kg·hm-2、翻耕配施氮肥225 kg·hm-2可分别获得最高产量，该研究中深松的适宜氮肥用量高于翻耕，与本研究结果一致，但其两种耕作方式下的适宜氮肥用量均高，主要是因为灌溉条件下水分较优，深松和翻耕的最高产量分别为7 890 kg·hm-2和8 870 kg·hm-2，高于本研究，所需的氮肥用量也增加。然而，在小麦产量＜5 000 kg·hm-2的山西旱地和土壤肥力水平相对较高、供氮能力较强但产量＜6 000 kg·hm-2的河南开封水浇地，与深松相适宜的氮肥用量分别为150 kg·hm-2[16]和120 kg·hm-2[17]，低于本试验和熊淑萍等[15]的研究结果。这些结果说明耕作与氮肥的适宜组合与小麦产量高低有关，产量高所需的氮肥高，反之亦然。然而，小麦产量受研究区域、降水条件、土壤肥力等因素的影响，因此还需拓展性研究以明确不同生产条件下与深松配套的氮肥用量。

3.2 耕作方式和氮肥用量对旱地小麦籽粒蛋白质含量的影响

耕作因改变土壤水、肥、气、热等微生态环境以及植株氮素吸收、积累、运转、分配和蛋白质形成的关键生理特性，对小麦籽粒蛋白质含量有一定影响[12]。本研究表明，深松较翻耕，协同提高了花前氮素转运量和花后氮素积累量，从而使籽粒蛋白质产量显著提高12.4%—13.5%，最终在增产的同时不降低蛋白质含量，这与深松改善了土壤水分并具有一系列的生理生态优势有关。如在山西旱地的研究表明，深松较翻耕提高了土壤水分含量，促进了花前氮素转运以及丰水年的花后氮素积累[13-14]，降低了花后旗叶脯氨酸含量，提高了花后旗叶和籽粒GS活性[29]，从而利于籽粒蛋白质形成[13-14, 29-30]。亦有研究表明，深松较翻耕由于提高了土壤含水量，显著提高花前氮素转运量及其对籽粒的贡献率，使成熟期籽粒氮素积累量增加9.7%[31]。由于水分多寡直接影响小麦蛋白质形成，本研究中丰水年的籽粒蛋白质含量较欠水年低，张慧芋等[32]也得到了类似的结论，说明提高丰水年的蛋白质含量更为重要。前人的研究表明，优化耕作时间可改善小麦氮素吸收利用特性，提高蛋白质含量[29-30]。如丰水年麦收后15 d[29]或麦收后30 d深松[30]可改善植株的氮素积累转运特性，显著提高蛋白质含量，但麦收后45 d深松则降低[13]。本研究在麦收后2周左右进行深松，优化了耕作时间是其维持籽粒蛋白质含量不降低的又一原因。此外，虽然仅在第1年进行了深松，但两年度耕作方式对小麦氮素积累转运和蛋白质含量的影响规律相似，说明深松的作用具有后效。郑成岩等[33]的研究也表明，隔2年深松+连年条旋耕较连年翻耕不仅促进了花前氮素向籽粒的再分配，花后氮素累积量及其对籽粒的贡献率也分别提高50%和38%[4]。因此，在旱地小麦生产中间隔1年或2年深松1次即可满足增产提质的需要。

耕作方式和氮肥用量互作对小麦蛋白质含量有显著影响[34]，但达到最高蛋白质含量的氮肥用量并不相同，这主要受水分条件调控。如旱地条件下夏闲期深松配施氮肥150 kg·hm-2可促进小麦各生育阶段的氮素累积，提高蛋白质含量[16]，而水地条件下深松配施氮肥225 kg·hm-2才能获得最高蛋白质含量[15]。本研究表明，麦田深松后配施氮肥240 kg·hm-2不仅能保持较优的花前氮素再转运和花后氮素积累能力，还能较PT240处理显著提高氮收获指数，从而提高蛋白质产量，最终实现产量和蛋白质含量协同提高，这既与深松改善了小麦氮素积累转运特性[14,33]和蛋白质形成关键酶活性[29]有关，也与增施氮肥增加了不同生育时期的氮素积累量、花前氮素转运量以及籽粒蛋白质含量[35]有关。

3.3 耕作方式和氮肥用量对旱地小麦氮效率和麦田土壤硝态氮素残留的影响

氮效率是衡量耕作或施肥措施合理与否的重要指标。有研究表明，耕作方式和氮肥用量及其互作对氮效率具有显著的调控效应[36]。本研究表明，深松既能减缓由于氮肥用量增加所引起的氮效率降低，又可在提高氮素积累量的基础上维持氮素籽粒生产效率稳定，有利于获得高产。郑成岩等[33]的研究也表明，深松+条旋耕的氮素籽粒生产效率和氮肥偏生产力分别较翻耕显著提高5.2%和4.2%。然而，孙敏等[36]研究表明，深松对氮效率的影响因降水而异，欠水年和平水年的氮效率不如深翻，但丰水年氮肥吸收效率和偏生产较深翻分别提高5.6%和3.7%。本试验条件下，欠水年的氮效率明显低于丰水年，但不同处理间的规律在两年度中相似。在耕作与氮肥互作方面，梁艳妃等[16]研究表明，深松配施氮肥75、150 kg·hm-2可提高氮素籽粒生产效率和氮肥吸收效率。本研究表明，随着氮肥用量的提高，小麦的氮素籽粒生产效率、氮肥吸收效率和偏生产力逐渐降低，而氮肥农学效率和利用率呈降低-稳定-降低的趋势，N180较N120无显著降低甚至显著提高。STN240处理的氮肥利用率及其丰水年的氮肥农学效率不低于或显著高于翻耕下的所有施氮处理，且其丰水年的氮肥农学效率、利用率和偏生产力分别为14.45 kg·kg-1、60.3%和35.7 kg·kg-1，均超过全国平均水平的11.1 kg·kg-1[37]、38.2%[37]和23.1 kg·kg-1[38]，可实现旱地小麦氮高效生产。

提高氮效率是降低农田土壤硝态氮残留的主要途径，适宜的耕作可通过提高氮效率降低土壤硝态氮残留[4,11-12,33]。本研究表明，随着施氮量的增加，土壤硝态氮残留量显著增加，而深松0—200 cm土层硝态氮残留量较翻耕降低14.9%—22.3%，且欠水年和丰水年分别以0—100 cm和100—200 cm土层的降幅大，表明耕作对麦田硝态氮残留的影响与土壤水分状况有关。在山东旱地的研究也表明，深松较翻耕改变了土壤水分的分布，从而使0—80 cm土层的硝态氮残留量降低[4]，120—160 cm各土层升高[33]。本研究中，深松小麦成熟期氮素积累量较翻耕的增加量与土壤硝态氮残留量负相关（=0.887，＜0.01），表明深松降低硝态氮残留的作用主要是因为其促进了氮素吸收[11-12]，这与郑成岩等[33]将深松降低土壤硝态氮残留归因于其既会产生较大的土壤比表面积和短的弥散路径，也会调节土壤水分运动和氮素转化，以及作物对土壤氮素的吸收，从而影响硝态氮在土体中的积累与分布的研究结果一致。然而，本研究中植株氮素的增加量仅占土壤硝态氮降低量的46.5%—81.4%，说明土壤硝态氮残留量的降低还与其他因素有关，如深松较翻耕减缓了土壤有机氮的矿化[39]等，但其机理还有待进一步深入研究。

麦收后2周左右隔年深松并配施氮肥240 kg·hm-2不仅能提高小麦产量、蛋白质含量、氮效率，还能在一定程度上降低土壤硝态氮残留，实现增产增效提质和环境友好同步，将会得到很好地应用。然而，在本研究中深松下的植株氮素积累量、产量、蛋白质产量和土壤硝态氮残留量均在N240下达到最大值，未能反映出氮肥量超过240 kg·hm-2的变化，还有待设置高氮量的试验以进一步明确深松配套的氮肥用量。

4 结论

耕作方式和氮肥用量对旱地小麦氮素吸收利用、产量、蛋白质含量和土壤硝态氮残留均有显著影响。深松较翻耕可改善小麦氮素积累转运特性，提高小麦氮效率，最终显著提高产量和蛋白质产量、稳定蛋白质含量、降低土壤硝态氮残留量。增加氮肥用量能提高小麦蛋白质含量，但会降低氮效率，增加硝态氮残留。翻耕配施氮肥180 kg·hm-2可获得最高产量和较优的蛋白质产量以及氮肥农学效率和利用率，而深松配施氮肥240 kg·hm-2的氮素积累转运特性以及氮效率较优，土壤硝态氮残留量较低，并可获得最高的产量、蛋白质产量和较高的蛋白质含量。综合考虑，翻耕配施氮肥180 kg·hm-2是兼顾旱地小麦高产高效，深松配施氮肥240 kg·hm-2是兼顾高产高效优质和环境友好的耕作与施氮组合。

[1] 黄明, 王朝辉, 罗来超, 王森, 包明, 何刚, 曹寒冰, 刁超朋, 李莎莎. 膜侧施肥对旱地小麦产量、籽粒蛋白质含量和水分利用效率的影响. 作物学报, 2017, 43(6): 895-907.

HUANG M, WANG Z H, LUO L C, WANG S, BAO M, HE G, CAO H B, DIAO C P, LI S S. Effects of ridge mulching with side-dressing on grain yield, protein content and water use efficiency in dryland wheat.Acta Agronomica Sinica, 2017, 43(6): 895-907. (in Chinese)

[2] LV G H, HAN W, WANG H B, BAI W B, SONG J Q. Effect of subsoiling on tillers, root density and nitrogen use efficiency of winter wheat in loessal soil. Plant, Soil and Environment, 2019, 65(9): 456-462.

[3] JU X T, XING G X, CHEN X P, ZHANG S L, ZHANG L J, LIU X J, CUI Z L, YIN B, Christie C P, ZHU Z L, ZHANG F S. Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems. Proceedings of the National Academy Science of USA. 2009, 106: 3041-3046.

[4] WANG H G, GUO Z J, SHI Y, YU Z W. Impact of tillage practices on nitrogen accumulation and translocation in wheat and soil nitrate- nitrogen leaching in drylands. Soil & Tillage Research, 2015, 153: 20-27.

[5] HE J N, SHI Y, YU Z W. Subsoiling improves soil physical and microbial properties, and increases yield of winter wheat in the Huang-Huai-Hai Plain of China. Soil & Tillage Research, 2019, 187: 182-193.

[6] 李慧, 高志强, 薛建福. 夏闲期耕作对旱地麦田土壤物理质量的影响. 山西农业大学学报(自然科学版), 2018, 38(2): 15-21

LI H, GAO Z Q, XUE J F. Effects of tillage during summer fallow on soil physical properties of dryland winter wheat fields in the Loess Plateau. Journal of Shanxi Agriculture University (Natural Science Edition), 2018, 38(2): 15-21. (in Chinese)

[7] HE J N, SHI Y, ZHAO J Y, YU Z W. Strip rotary tillage with a two-year subsoiling interval enhances root growth and yield in wheat. Scientific Reports, 2019, 9(1): 11678.

[8] 黄明, 吴金芝, 李友军, 姚宇卿, 张灿军, 蔡典雄, 金轲. 不同耕作方式对旱作区冬小麦生产和产量的影响. 农业工程学报, 2009, 25(1): 50-54.

HUANG M, WU J Z, LI Y J, YAO Y Q, ZHANG C J, CAI D X, JIN K. Effects of different tillage managements on production and yield of winter wheat in dryland. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2009, 25(1): 50-54. (in Chinese)

[9] 王永华, 刘焕, 辛明华, 黄源, 王壮壮, 王金凤, 段剑钊, 冯伟, 康国章, 郭天财. 耕作方式与灌水次数对砂姜黑土小麦水分利用及籽粒产量的影响. 中国农业科学, 2019, 52(5): 801-812.

WANG Y H, LIU H, XIN M H, HUANG Y, WANG Z Z, WANG J F, DUAN J Z, FENG W, KANG G Z, GUO T C. Effects of tillage practices and irrigation times on water use efficiency and grain yield of winter wheat in lime concretion black soil. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(5): 801-812.(in Chinese)

[10] 赵亚丽, 刘卫玲, 程思贤, 周亚男, 周金龙, 王秀玲, 张谋彪, 王群, 李潮海. 深松（耕）方式对砂姜黑土耕层特性、作物产量和水分利用效率的影响. 中国农业科学, 2018, 51(13): 2489-2503.

ZHAO Y L, LIU W L, CHENG S X, ZHOU Y N, ZHOU J L, WANG X L, ZHANG M B, WANG Q, LI C H. Effects of pattern of deep tillage on topsoil features, yield and water use efficiency in lime concretion black soil. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(13): 2489-2503. (in Chinese)

[11] MORELL F J, LAMPURKANS J, ÁLXARO-FUENTES J A, CANTERO-MARTINEZ C. Yield and water use efficiency of barley in a semiarid Mediterranean agroecosystem: Long-term effects of tillage and N fertilization. Soil & Tillage Research, 2011, 117: 76-84.

[12] 黄明, 吴金芝, 李友军, 王贺正, 付国占, 陈明灿, 李学来, 马俊利. 耕作方式和秸秆覆盖对旱地麦豆轮作下小麦籽粒产量、蛋白质含量和土壤硝态氮残留的影响. 草业学报, 2018, 27(9): 34-44.

HUANG M, WU J Z, LI Y J, WANG H Z, FU G Z, CHEN M C, LI X L, MA J L. Effects of tillage method and straw mulching on grain yield and protein content in wheat and soil nitrate residue under a winter wheat and summer soybean crop rotation in drylands. Acta Prataculturae Sinica, 2018, 27(9): 34-44. (in Chinese)

[13] 赵红梅, 高志强, 赵维峰, 邓联峰, 孙敏, 邓妍. 休闲期耕作对旱地小麦籽粒蛋白质形成及其相关酶活性的影响. 麦类作物学报, 2013, 33(2): 331-338.

ZHAO H M, GAO Z Q, ZHAO W F, DENG L F, SUN M, DENG Y. Effects of tillage during fallow period on protein and its related enzyme activity in dryland wheat. Journal of Triticease Crops, 2013, 33(2): 331-338. (in Chinese)

[14] 孙敏, 高志强, 赵维峰, 任爱霞, 邓妍, 苗果园. 休闲期深松配施氮肥对旱地土壤水分及小麦籽粒蛋白质积累的影响. 作物学报, 2014, 40(7): 1286-1295.

SUN M, GAO Z Q, ZHAO W F, REN A X, DENG Y, MIAO G Y. Effect of tillage in fallow period on soil water and nitrogen absorption and utilization of dryland wheat.Acta Agronomica Sinica, 2014, 40(7): 1286-1295. (in Chinese)

[15] 熊淑萍, 王静, 王小纯, 丁世杰, 马新明. 耕作方式及施氮量对砂姜黑土区小麦氮代谢及籽粒产量和蛋白质含量的影响. 植物生态学报, 2014, 38(7): 767-775.

XIONG S P, WANG J, WANG X C, DING S J, MA X M. Effects of tillage and nitrogen addition rate on nitrogen metabolism, grain yield and protein content in wheat in lime concretion black soil region. Chinese Journal of Plant Ecology, 2014, 38(7): 767-775. (in Chinese)

[16] 梁艳妃, 孙敏, 高志强, 张慧芋, 张娟, 李念念, 杨清山. 夏闲期深松耕作和氮肥用量对旱地小麦土壤水分及氮素利用的影响. 山西农业大学学报(自然科学版), 2018, 38(9): 16-23.

LIANG Y F, SUN M, GAO Z Q, ZHANG H Y, ZHAG J, LI N N, YANG Q S. Impacts of subsoiling tillage during the fallow period and nitrogen application rates on the utilization of soil water and plant nitrogen of dry-land wheat. Journal of Shanxi Agricultural University (Natural Science Edition), 2018, 38(9): 16-23. (in Chinese)

[17] 杨永辉, 武继承, 潘晓莹, 张洁梅, 何方, 张玉亭, 王喆, 王越, 韩伟锋. 不同耕作保墒措施下施氮量对小麦耗水量、产量及水分生产效率的影响. 河南农业科学, 2016, 45(4): 1-65.

YANG Y H, WU J C, PAN X Y, ZHANG J M, HE F, ZHANG Y T, WANG Z, WANG Y, HAN W F. Effect of nitrogen fertilizer application rate on water consumption, yield and water production efficiency of wheat under different tillage and soil moisture conservation measures. Journal of Henan Agricultural Science, 2016, 45(4): 1-65. (in Chinese)

[18] 张霞, 张育林, 刘丹, 杜昊辉, 李军, 王旭东. 种植方式和耕作措施对土壤结构与水分利用效率的影响. 农业机械学报, 2019, 50(3): 250-261.

ZHNG X, ZHANG Y L, LIU D, DU H H, LI J, WANG X D. Effects of planting methods and tillage systems on soil structure and water use efficiency. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(3): 250-261. (in Chinese)

[19] HE J, LI H W, WANG X Y, MCHUGH A D, LI W Y, GAO H W, KUHN N J. The adoption of annual subsoiling as conservation tillage in dryland maize and wheat cultivation in northern China. Soil & Tillage Research, 2007, 94: 493-502.

[20] 张北赢, 徐学选, 刘文兆, 陈天林. 黄土丘陵沟壑区不同降水年型下土壤水分动态. 应用生态学报, 2008, 19(6): 1234-1240.

Zhang B Y, Xu X X, Liu W Z, Chen T L. Dynamic changes of soil moisture in loess hilly and gully region under effects of different yearly precipitation patterns. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(6): 1234-1240. (in Chinese)

[21] 宋歌, 孙波, 教剑英. 测定土壤硝态氮的紫外分光光度法与其他方法的比较. 土壤学报, 2007, 44(2): 288-293.

Song G, Sun B, Jiao J Y. Comparison between ultraviolet spectrophotometry and other methods in determination of soil nitrate-N. Acta Pedologica Sinica, 2007, 44(2): 288-293. (in Chinese)

[22] HUANG M, WANG Z H, LUO L C, WANG S, HUI X L, HE G, CAO H B, MA X L, HUANG T M, ZHAO Y, DIAO C P, ZHENG X F, ZHAO H B, LIU J S, MALHI SUKHDEV S. Soil testing at harvest to enhance productivity and reduce nitrate residues in dryland wheat production. Field Crops Research, 2017, 212: 153-164.

[23] 霍中洋, 葛鑫, 张洪程, 戴其根, 许轲, 龚振恺. 施氮方式对不同专用型小麦氮素吸收和氮肥利用率的影响. 作物学报, 2004, 30: 449-454.

HUO Z Y, GE X, ZHANG H C, DAI Q G, XU K, GONG Z K. Effect of different nitrogen application types on N-absorption and N-utilization rate of specific use cultivars of wheat. Acta Agronomica Sinica, 2004, 30: 449-454. (in Chinese)

[24] SUN M, GAO Z Q, REN A X, DENG Y, ZONG Y Z. Contribution of subsoiling in fallow period and nitrogen fertilizer to the soil-water balance and grain yield of dry-land wheat. International Journal of Agriculture and Biology, 2015, 17(1): 175-180.

[25] YU Q, WANG H, WEN P F, WANG S L, LI J, WANG R, WANG X L. A suitable rotational conservation tillage system ameliorates soil physical properties and wheat yield: An 11-year in-situ study in a semi-arid agroecosystem. Soil & Tillage Research, 2020, 199. (online)

[26] 毛红玲, 李军, 贾志宽, 王蕾. 旱作麦田保护性耕作蓄水保墒和增产增收效应. 农业工程学报, 2010, 26(8): 44-51.

MAO H L, LI J, JIA Z K, WANG L. Soil water conservation effect, yield and income increments of conservation tillage measures on dryland wheat field. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2010, 26(8): 44-51. (in Chinese)

[27] 吴金芝, 黄明, 李友军, 付国占, 赵凯男, 侯园泉, 张振旺. 耕作方式和氮肥用量对旱地小麦产量、水分利用效率和种植效益的影响. 水土保持学报, 2021, 35(5): 264-271.

WU J Z, HUANG M, LI Y J, FU G Z, ZHAO K N, HOU Y Q, ZHANG Z W. Effects of tillage practices and nitrogen rates on grain yield, water use efficiency and planting profits in winter wheat in dryland. Journal of Soil and Water Conservation, 2021, 35(5): 264-271. (in Chinese)

[28] CHUAN L M, HE P, JIN J Y, LI S T, GRANT C, XU X P, QIU S J, ZHAO S C, ZHOU W. Estimating nutrient uptake requirements for wheat in China.Field Crops Research, 2013, 146: 96-104.

[29] 赵红梅, 高志强, 孙敏, 赵维峰, 李青, 邓妍, 杨珍平. 休闲期耕作对旱地小麦土壤水分、花后脯氨酸积累及籽粒蛋白质积累的影响. 中国农业科学, 2012, 45(22): 4574-4586.

ZHAO H M, GAO Z Q, SUN M, ZHAO W F, LI Q, DENG Y, YANG Z P. Effect of tillage in fallow period on soil water, post-anthesis proline accumulation and grains protein accumulation in dryland wheat. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(22): 4574-4586. (in Chinese)

[30] 张娟, 孙敏, 原亚琦, 梁艳妃, 杨清山, 高志强. 休闲期耕作对旱地小麦产量及品质的影响. 山西农业大学学报(自然科学版), 2018, 38(12): 15-21.

ZHANG J, SUN M, YUAN Y Q, LIANG Y F, YANG Q S,GAO Z Q. Effects of tillage during fallow period on grain yield and quality of dryland wheat. Journal of Shanxi Agricultural University (Natural Science Edition), 2018, 38(12): 15-21. (in Chinese)

[31] 丁晋利, 武继承, 杨永辉, 冯浩. 长期保护性耕作对冬小麦氮素积累和转运的影响. 农业机械学报, 2017, 48(2): 240-246, 341.

DING J L, WU J C, YANG Y H, FENG H. Effects of long-term conservation tillage on nitrogen accumulation and translocation of winter wheat. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(2): 240-246, 341. (in Chinese)

[32] 张慧芋, 孙敏, 高志强, 梁艳妃, 杨清山, 张娟, 李念念. 旱地麦田深松蓄水和覆盖播种土壤水分变化与小麦籽粒蛋白质含量的关系. 中国农业科学, 2018, 51(15): 2860-2871.

ZHANG H Y, SUN M, GAO Z Q, LIANG Y F, YANG Q S, ZHANG J, LI N N. Relationship between soil water variation, wheat yield and grain protein and its components contents under sub-soiling during the fallow period plus mulched-sowing. Scientia Agricultura Sinica, 2018, 51(15): 2860-2871. (in Chinese)

[33] 郑成岩, 于振文, 王东, 张永丽, 石玉. 耕作方式对小麦氮素积累与转运及土壤硝态氮含量的影响. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(6): 1303-1311.

ZHENG C Y, YU Z W, WANG D, ZHANG Y L, SHI Y. Effects of tillage practices on nitrogen accumulation and translocation in winter wheat and NO3--N content in soil. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2012, 18(6): 1303-1311. (in Chinese)

[34] 张礼军, 张耀辉, 鲁清林, 白玉龙, 周刚, 汪恒兴, 张文涛, 白斌, 周洁, 何春雨. 耕作方式和氮肥水平对旱地小麦籽粒品质的影响. 核农学报, 2017, 31(8): 1567-1575.

ZHANG L J, ZHANG Y H, LU Q L, BAI Y L, ZHOU G, WANG H X, ZHANG W T, BAI B, ZHOU J, HE C Y. Effect of tillage model and nitrogen rate on grain quality of dryland winter wheat.Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2017, 31(8): 1567-1575. (in Chinese)

[35] 王春阳, 周建斌, 郑险峰, 赵满兴, 李生秀. 不同栽培模式及施氮量对半旱地冬小麦氮素累积及分配的影响. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2008, 36(1): 102-110.

WANG C Y, ZHOU J B, ZHEN X F, ZHAO M X, LI S X. Effects of different cultivation methods and nitrogen fertilizer application on nitrogen accumulat ion and distribut ion in winter wheat on semi-dryland farming. Journal of Northwest A & F University(Natural Science Edition ), 2008, 36(1): 102-110. (in Chinese)

[36] 孙敏, 白冬, 高志强, 任爱霞, 邓妍, 赵维峰, 赵红梅. 休闲期耕作对旱地麦田土壤水分与小麦植株氮素吸收、利用的影响. 水土保持学报, 2014,28(1): 203-208.

SUM M, BAI D, GAO Z Q, REN A X, DENG Y, ZHAO W F, ZHAO H M. Effects of tillage in fallow period on soil water and nitrogen absorption and utilization of dryland wheat. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 28(1): 203-208. (in Chinese)

[37] 闫湘, 金继运, 梁鸣早. 我国主要粮食作物化肥增产效应与肥料利用效率. 土壤, 2017, 49(6): 1067-1077.

YAN X, JIN J Y, LIANG M Z. Fertilizer use efficiencies and yield-increasing rates of grain crops in China. Soils, 2017, 49(6): 1067-1077. (in Chinese)

[38] CHUAN L M, HE P, ZHAO T K, ZHENG H G, XU X P. Agronomic characteristics related to grain yield and nutrient use efficiency for wheat production in China. PLoS One, 2016, 11(9): 1-16.

[39] 董放, 王媛, 关维刚, 周建斌. 旱地不同栽培模式和施氮对土壤水分、温度及氮矿化的影响. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2008, 36(12): 108-114.

Dong F, Wang Y, Guan W G, ZHOU J B. Effects of different cultivation patterns and application of nitrogen fertilizer on moisture, temperature and nitrogen mineralization in soil of dryland. Journal of Northwest A&F University (Natural Science Edition), 2008, 36(12): 108-114. (in Chinese)

Effects of Tillage Practices and Nitrogen Fertilizer Application Rates on Grain Yield, Protein Content in Winter Wheat and Soil Nitrate Residue in Dryland

HUANG Ming, WU JinZhi, LI YouJun, FU GuoZhan, ZHAO KaiNan, ZHANG ZhenWang, YANG ZhongShuai, HOU YuanQuan

College of Agriculture, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, Henan

【Objective】The objective of the present study was to clarify the suitable combined pattern of tillage and nitrogen (N) rate for dryland wheat to achieve the target of high-yield, high-quality and environment-friendly production. 【Method】In the dry year 2016-2017 and wet year 2017-2018, a field experiment was carried out in the typical dryland in the western region of Henan province. In the experiment, the two tillage practices, including subsoiling (ST) and ploughing (PT), were set as main treatment, and the four N fertilizer application rates of 0 (N0), 120 (N120), 180 (N180) and 240 kg·hm-2(N240), respectively were set as secondary treatment. The subsoiling operation in ST was interval one year and conducted about two weeks after the previous wheat harvest, and the ploughing operation in PT was carried out each year around late July to early August after once heavy precipitation. The grain yield, grain protein content and its yield, and plant N absorption and utilization in wheat were tested, as well as the nitrate residue in the 0-200 cm soil layer in dryland. 【Result】The plant N accumulation after jointing stage, grain yield, protein yield and N use efficiency in wheat and the nitrate residue in 0-200 cm soil layer at harvest could be significantly regulated by annual precipitation type, tillage practice and N rate, and the interaction of tillage practice and N rate. Compared with PT, ST increased the shoot N accumulation after jointing and the pre-anthesis N translocation under all the four N treatments, and the N harvest index under N240, as well as increasing the N uptake efficiency, N agronomy efficiency, N recovery efficiency and N partial factor productivity by 8.6%-15.3%, 23.9%-86.5%, 8.1%-26.1% and 9.1%-20.3%averaged across different N treatments, respectively. Therefore, compared with PT, the grain yield under ST was significantly increased by 11.9% and 12.4%, respectively, and the grain protein content was kept no significant change, while the average protein yield was increased by 12.4% and 13.5%, but the average nitrate residue was respectively reduced by 11.9% and 25.4% in 0-200 cm soil layer averaged across all the four N treatments in the dry year and the wet year. With the increase of N rate, the shoot N accumulation, pre-anthesis N translocation amount, contribution rate of post-anthesis N accumulation to grain, and grain protein content in wheat and the soil nitrate residue at harvest were significantly increased, and there was a significant decrease on the contribution rate of pre-anthesis N translocation to grain, N grain production efficiency, N uptake efficiency and N partial factor productivity, but the changes in N agronomy efficiency, N recovery efficiency, grain yield and protein yield varied with annual precipitation type and tillage practice. The STN240 had the highest shoot N accumulation in the two years. In addition to no significant difference of grain and protein yield between ST240 and ST180 in the dry year and also of the protein content between ST240 and PT240 in the wet year, the grain yield, protein content and protein yield in ST240 were significantly higher than the other treatments in the two experimental years, the N recovery efficiency of and N agronomy efficiency in the wet year under ST240 were not less than or even significantly higher than that in the N application treatments under PT, and therefore decreased the nitrate residue in 0-200 cm soil at harvest by 16.4% compared with PT240. In general, the N rate at 180 kg·hm-2under PT could reach the highest grain yield and the optimal protein yield, N agronomy efficiency and N recovery efficiency. Compared with other treatments, the N rate at 240 kg·hm-2under ST was the best combination, which could increase the N efficiency and reduce soil nitrate residue via subsoiling during summer fallow period, as well as improving the protein content through the increased N fertilizer rate, and finally increased the grain yield and protein yield by 2.6%-45.0% and 7.3%-81.4%, respectively. 【Conclusion】 Subsoiling tillage could help synchronously to improve the grain yield, protein yield and N efficiency and reduce soil nitrate residue. The suitable N application rate for subsoiling tillage should be higher than that for ploughing tillage. The PTN180 was an optimal combination of tillage practice and N rate for high-yield and high-efficiency, and the STN240 was an optimal model for realizing the collaborative target of high-yield, high-quality, high-efficiency, and low-nitrate residue in dryland wheat production system.

tillage practice; N fertilizer application rate; dryland; wheat; yield; protein; nitrate residue

2020-04-03；

2020-06-03

国家重点研发计划（2016YFD0300404）、河南省特色骨干学科建设——旱地绿色智慧农业学科群（17100001）、河南科技大学博士科研启动基金（13480082）

黄明，E-mail：huangming_2003@126.com。通信作者吴金芝，E-mail：yywujz@126.com。通信作者李友军，E-mail：lyj@haust.edu.cn

（责任编辑 杨鑫浩）