保护性耕作对黄土高原半干旱区春小麦养分及干物质积累的影响

张霞霞，闫丽娟，李广，刘兴宇，张娟

（1. 甘肃农业大学农学院，甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070；2. 甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；3. 甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃 兰州 730070）

春小麦是我国黄土高原半干旱区的主要粮食作物之一，占全国小麦播种面积10%以上，而黄土高原半干旱地区干旱少雨。水分成为该区农业发展的限制性因素，且该区水土流失严重，生态环境脆弱，加之近年来受温度增高、降水变异性大（变异系数35%）、降水季节与作物需水季节错位及极端天气增多等因素的影响，小麦生产出现减产甚至绝收的情况［1］，尤其对过度依赖自然条件的旱作小麦生产影响更为严重。因此，在黄土高原地区进行保护性耕作，提高小麦的产量与品质具有重要的战略意义。

大量研究表明，耕作越多土壤中被释放到空气中的碳越多，能够为将来作物构建有机质的碳就越少。张仁陟等［2］研究发现采用保护性耕作措施会明显提高农田土壤中的有机碳、氮、磷、钾的含量；李全宇等［3］研究发现保护性耕作可显著提高春油菜地上生物量；李朝苏等［4］研究发现免耕能够提高氮素利用率；Jiang 等［5］对鄱阳湖农田土壤化学计量特征研究发现N是决定土壤C∶N和N∶P的主要因素，而土壤C∶P主要受P的影响。而这些研究在一定程度上都局限于植物的某一器官或者土壤，但针对于植物其他营养器官的养分转运、积累及化学计量特征的研究较为匮乏，近年来鲜有报道。耕作是影响农田生态环境最直接的途径，合理的耕作方式能够协调土壤中水、肥、气、热的关系［6］，提高土地资源的利用率，促进农田生态系统的良性循环［7］。我国黄土高原半干旱农业区，由于长期的精耕细作对耕层土壤环境造成严重破环，使农田耕层变薄、地表疏松、土壤蓄水能力和肥力显著下降导致生产力低下［8-9］。为缓解传统耕作对于生态环境的破环，提高作物产量，近年来当地推广免耕和秸秆覆盖等保护性耕作措施，通过作物残茬覆盖和少耕或免耕来改善土壤结构，提高土壤有机碳含量及其他养分肥力、减少土壤水分的蒸发和地表水土流失、防止土壤风蚀来促进作物高产稳产［10-12］。

为揭示保护性耕作措施对春小麦各器官营养元素的积累、化学计量比、干物质积累与分配及产量的影响，本研究以甘肃省定西市安定区安家坡村旱农综合试验站为依托，布设4 种耕作措施：传统耕作（T）、免耕（NT）、传统耕作+秸秆覆盖（TS）、免耕+秸秆覆盖（NTS），系统的分析了春小麦不同生长时期各器官中OC、TN、TP含量及化学计量比、春小麦产量及干物质积累量的变化特征，进一步探讨保护性耕作措施下春小麦营养器官中OC、TN、TP含量、干物质积累量和作物产量之间的关系，揭示最适宜春小麦生长发育的耕作措施，为陇中黄土高原半干旱区春小麦高产稳产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究区位于甘肃省定西市安定区安家坡村旱农综合实验站，地处陇中黄土高原半干旱区，属温带半干旱气候，海拔2 000 m，该区年均太阳辐射总量3 970.6 MJ/m2，年均气温6.4℃，年总≥0 ℃积温2 933.5 ℃，年均≥10 ℃积温2 239.1 ℃，无霜期140 d，年均蒸发量 1 537 mm，多年平均降水量385 mm，降水季节分配不均［13］，主要集中在7～9月，降水量低而不稳，年际变异较大 （变异系数为18.5%）。试验地土壤为黄绵土，土质绵软、抗侵蚀能力较弱，耕层容重为1.26 g/cm3，土壤有机碳含量为 12.12 g/kg，全氮含量为 0.61 g/kg。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计 试验布设于2020 年3 月，以甘春27 号为小麦供试品种。共设置4 种处理（表1）。样地分布采用裂区设计，每个处理3 次重复，共12个小区，各小区面积为24 m2（4 m×6 m），小区播种量为0.45 kg，播种深度7 cm，播种行距24 cm，播种前统一施有机肥（折合年施氮量105 kg/hm2）与尿素（52.5 kg/hm2）作为基肥，田间管理措施同当地。

表1 试验处理Table 1 Experimental treatment

1.3 测定指标与方法

1.3.1 植株各器官OC、TN、TP 含量测定 春小麦营养器官的TN、TP含量采用氧化-外加热滴定法测定，其中TN 含量采用半微量凯氏定氮法进行测定，TP含量采用H2SO4-H2O2溶液消煮，钒钼黄比色法测定，OC含量采用H2SO4-KCr2O，氧化-外加热法测定［14］。

1.3.2 干物质积累与分配的测定 于开花期、成熟期分别选取每个小区代表性植株20株，称其鲜质量，先在105 ℃的恒温箱内杀青30 min，然后在80 ℃的恒温下烘至恒质量，再称其干质量。抽穗后分穗、茎、叶、根四个部分测定干物质质量并计算其参数［15］。

花前干物质转运量（g）=开花期营养器官干物质积累量（g）-成熟期营养器官干物质（g）

花前干物质转运率（%）=干物质转运量（g）/开花期营养器官干物质积累量（g）×100%

花前干物质转运量对籽粒的贡献率（%）=干物质转运量（g）/成熟期籽粒干物质积累量（g）×100%

花后干物质积累量（g）=成熟期籽粒干物质积累量（g）-营养器官花前干物质转运（g）

花后干物质对籽粒的贡献率（%）=花后干物质积累量（g）/成熟期籽粒干物质积累量（g）×100%

1.3.3 产量及产量构成因子的测定 小麦成熟后各小区剔除边行并单收计产，同时每小区取20株风干后考种，调查单株产量、有效穗数、穗粒数、千粒质量等。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0对小麦各营养器官的OC、TN、TP含量以及干物质量进行显著性分析，用平均值±标准误表示测定结果；采用Excel 2013和Word 2013进行数据处理和图形制作。

2 结果与分析

2.1 耕作措施对春小麦各器官OC、TN、TP 含量的影响

2.1.1 耕作措施对春小麦各器官OC、TP含量的影响 耕作措施对春小麦营养器官OC、TP 含量的影响如表2 所示。不同生育期营养器官的OC 含量均在NTS 处理下达到最大值且显著差异（P<0.05），在T处理下最小，且秸秆覆盖处理下的OC含量高于无覆盖处理，整体上在灌浆期含量最高，各器官中OC 含量依次为叶>茎>根。春小麦各生长部位中TP 含量在不同耕作措施下无显著差异。各处理下春小麦各生长部位OC、TP含量均值分别在76.51～170.87 g/kg、4.00～4.61 g/kg 之间。这表明不同的耕作措施对春小麦各营养器官OC含量影响较大，而对TP含量的影响较小。

表2 耕作措施对春小麦不同生育期各器官OC、TP含量的影响Table 2 Effects of tillage measures on OC and TP contents in various organs of spring wheat at different growth stages （g·kg-1）

2.1.2 耕作措施对春小麦各器官TN 含量的影响 耕作措施对春小麦不同生育期各营养器官TN含量的影响如表3 所示。各营养器官TN 含量均在NTS处理下达到最大值，在T处理下最小，且各处理间存在显著差异（P<0.05）。春小麦灌浆期TN含量最高，成熟期最小。各器官TN含量整体表现为叶>茎>根，以上结果表明秸秆覆盖有利于春小麦氮素的积累。

表3 耕作措施对春小麦不同生育期各器官TN含量的影响。Table 3 Effects of tillage measures on TN content in various organs of spring wheat at different growth stages. （g·kg-1）

2.2 耕作措施对春小麦各器官化学计量特征的影响

由表4可知，在不同的耕作措施下，不同生育期春小麦各营养器官在秸秆覆盖处理下C∶N小于无秸秆覆盖处理，且NTS处理下最低。而NTS处理下C∶P和N∶P均高于其他处理，根、茎、叶中的C∶P和N∶P均在NTS处理下达到最高，N∶P在T处理下最小。由此可知保护性耕作对C∶P、N∶P、C∶N都影响较大。

表4 耕作措施对春小麦不同生育期各器官化学计量特征的影响Table 4 Effects of tillage measures on stoichiometric characteristics of spring wheat organs at different growth stages

2.3 耕作措施对春小麦干物质积累的影响

2.3.1 耕作措施对春小麦开花前后干物质积累及转运的影响 由表5 可知，免耕处理下花后光合物质同化量对籽粒贡献率比耕作处理下提高了32.44%，秸秆覆盖处理下的花前营养器官贮存干物质在花后向籽粒的转运对籽粒产量的贡献率较无秸秆覆盖处理减少了22.55%，而花后光合物质贡献率提高了38.34%。NTS 处理下花后光合物质同化量显著高于其他处理，其贡献率较T 处理提高了58.09%。这表明免耕结合秸秆覆盖有利于提高花后干物质生产积累能力。

表5 耕作措施对小麦开花前后干物质积累及转运的影响Table 5 Effects of tillage measures on dry matter accumulation and transport before and after flowering of wheat

2.3.2 耕作措施对春小麦成熟期干物质积累与分配的影响 小麦成熟期干物质积累趋于稳定，干物质在春小麦各器官中的分配量和比例依次为茎秆+叶鞘+叶片>籽粒>穗轴+颖壳。耕作措施对成熟期干物质在不同器官中的分配如表6 所示，免耕处理下的干物质积累总量、籽粒干质量和茎叶鞘干质量比耕作处理分别提高10.85%、14.43%和9.24%，穗轴+颖壳干物质分配比例减少6.20%；秸秆覆盖处理下的干物质总质量、籽粒干质量、穗轴+颖壳干质量和茎叶鞘干质量较无秸秆覆盖处理分别提高了16.36%、40.22%、24.41%和3.36%。NTS 处理下的干物质积累总量和籽粒干物质积累量较T 处理分别提高了25.57%和67.69%。综上，NTS 可有效提高春小麦成熟期干物质总质量和籽粒干质量，有利于干物质向籽粒分配。

表6 耕作措施对成熟期干物质在不同器官中分配的影响Table 6 Effects of tillage measures on dry matter distribution in different organs at mature stage

2.4 耕作措施对春小麦产量的影响

由表7可知，NTS处理下有效穗数达到最高，分别较T、NT 处理分别提高了21.91%、20.79%，在T处理下最低，且各处理间有显著差异。穗粒数在NTS 处理下最高，较T、TS、NT 处理分别提高了8.11%，5.41%，13.51%。NTS处理下千粒质量显著高于其他处理，产量达到最高且各处理间显著差异。因此，相对于其他处理NTS处理可有效增加春小麦穗数和千粒质量，进而提高产量。

表7 耕作措施对春小麦产量的影响Table 7 Effects of tillage measures on spring wheat yield

3 讨论

3.1 保护性耕作对春小麦各营养器官OC、TN、TP含量的影响

碳（C）、氮（N）、磷（P）是植物生长发育所需的基本元素，是构成蛋白质、遗传物质和糖类等生物大分子的主要元素［16］，氮磷是养分限制性元素，碳是结构性物质［17］。本研究发现在不同的耕作措施下，NTS处理下春小麦各营养器官中OC、TN 含量较高，而TP 含量基本趋于稳定状态。这是因为免耕处理可保护土壤耕层不受破坏，降低了土壤孔隙度，减少养分和水分的流失，提高了0～10 cm土层OC和TN的累积［18］，且麦茬还田给土壤提供了一定的养分，进而春小麦植株各器官中OC、TN 含量较高。秸秆覆盖处理下春小麦各器官中OC 和TN 含量较无覆盖处理显著增加，这与秸秆覆盖处理下土壤中OC和TN含量的增加有关［19］，且秸秆覆盖处理为土壤微生物提供了大量的营养物质，使其生长发育，提高微生物活性的同时又增加了土壤微生物的多样性，导致小麦根系活性增强，促进植物根系对土壤养分以及秸秆分解到土壤中养分的吸收。土壤环境中的养分和植株养分需求间的动态平衡决定了小麦植株中各营养元素的含量，因此秸秆覆盖处理下小麦植株各器官所含OC、TN 元素较无覆盖下高，且在NTS 处理下达到最高，而TP 含量由于其较强的内稳性，在不同处理下各营养器官中含量基本趋于稳定。

3.2 保护性耕作对春小麦各器官化学计量特征的影响

生态化学计量学（Ecological stoichiometry）是研究碳、氮、磷等化学元素协同变化和动态平衡的一种综合方法［20-21］，也是植物营养元素分配情况、利用效率和限制元素判断的一种手段，可直接反映植物器官内稳性及相互关系，有助于解决植物养分供需平衡等科学问题［22］。C∶N和C∶P是反映植物生长速率的重要指标，且C∶N 与有机质分解呈反比关系。郭亚宁等［23］研究发现C∶N和C∶P与植物的生长速率呈现出反比关系。本研究表明在秸秆覆盖处理下各器官中C∶N 较无覆盖处理小，其主要原因是秸秆覆盖处理下促进了微生物的繁殖，增强其活性所致［24］，微生物活性增强，数量增多，从而分解作用较快，无覆盖处理下微生物数量较少，分解作用较慢，且分解需要消耗土壤中的有效氮素，且秸秆覆盖处理会使小麦植株的绿叶时间延长，光合作用时间延长，所以氮素积累较多，因此秸秆覆盖处理下C∶N较小，无覆盖处理下C∶N 较大。C∶P 在不同耕作处理下表现为NTS>TS>NT>T，这是因为秸秆覆盖下春小麦各器官中OC 含量增高，而TP 由于其内稳性较强，在不同处理下各器官含量基本趋于稳定。N∶P是判断植物养分供给的重要指标，氮磷养分的有效性是调节植物凋落物分解速率和生态系统碳平衡的一个重要因素。本研究中，秸秆覆盖处理下的N∶P 较无覆盖处理大，免耕处理下N∶P 较耕作处理下大。研究表明植物中当N∶P>16，生长受磷的限制，当N∶P<14，受氮的限制，N∶P在14-16时氮磷共同限制植物的生长［25］，本研究中N∶P<14，这表明在黄土高原半干旱区春小麦生长受氮的限制，应适当的施氮肥保证春小麦的正常生长发育。

3.3 不同耕作措施对春小麦干物质积累、转运、分配和产量的影响

小麦籽粒产量主要来自光合产物的积累、各营养器官贮存干物质再分配及非经济器官中碳水化合物和蛋白质等贮藏性营养物质的再分配，干物质积累越多，产量越高。本研究表明免耕处理下春小麦干物质积累总量和籽粒中干物质总重高于耕作处理，秸秆覆盖处理下花后各营养器官干物质积累明显升高。秸秆覆盖处理下花后干物质积累向籽粒的分配明显高于无覆盖处理，导致花后光合物质对籽粒的贡献率显著提高，较无覆盖处理高38.34%，且秸秆覆盖处理下春小麦有效穗数和千粒质量显著提高，导致产量较其他处理高，这可能是因为秸秆覆盖具有较好蓄水保墒和培肥地力的效果。李富宽等［26］在秸秆覆盖的作用与机理中阐述的秸秆覆盖增产效果；吴晓丽等［27］在四川省简阳市英明村的小麦/玉米套作试验发现秸秆覆盖可提高旱地小麦的地上部干物质积累，提升小麦生长发育的质量进而提高籽粒产量［27］；王建波等［28］在山西省临汾市的长期定位试验表明免耕加秸秆覆盖利于水分和二氧化碳等通过气孔进行气体的交换，提高小麦抽穗后的光合速率，为干物质积累和光合产物向籽粒转运提供了保障，这些研究与本研究结果一致。但也有研究发现秸秆还田量过多时对产量影响不明显甚至减产，原因是秸秆还田时分解腐烂，导致有害物质增加［29-30］，而在本研究中采用免耕秸秆覆盖和传统耕作+秸秆覆盖，秸秆腐烂分解相对较慢，有害物质没有大量集中释放，因此适量的秸秆还田加免耕的耕作措施提高了土壤肥力和保墒能力，从而增加了春小麦有效穗数和千粒质量，且表现出了明显的增产优势，从而实现春小麦高产。

4 结论

本试验以黄土高原半干旱区春小麦为研究对象，分析了在不同耕作措施下春小麦各器官的化学计量特征、干物质积累、转运和产量的变化特征，结论如下。

1） 在黄土高原半干旱区与传统耕作相比，采用免耕+秸秆覆盖的保护性耕作措施，可有效提高春小麦各器官养分含量，提高各器官中C∶P，降低C∶N，且P元素在该区有较强的稳定性。

2） 秸秆覆盖处理的耕作措施能够有效提高花后干物质积累对籽粒的贡献率，促进干物质积累和转运，有效提高小麦籽粒干物质量、有效穗数和千粒质量，进而实现春小麦的高产。

3） NTS 为陇中黄土高原旱农区最适宜的耕作措施，但该区春小麦的生长易受到N限制，应在适宜时期适量的施用氮肥，从而确保春小麦的正常生长发育。