常 磊，韓凡香，柴雨葳，王仕娥，楊德龍，程宏波，黃彩霞，柴守璽

(1.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室/甘肅農業(yè)大學農學院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農業(yè)大學生命科學技術學院，甘肅蘭州 730070；3.甘肅農業(yè)大學水利水電學院，甘肅蘭州 730070)

黃土高原旱地是典型的雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)，水資源不足是該地區(qū)農業(yè)生產的主要限制因子，降水少且年際間變化幅度大造成其產量低而不穩(wěn)。地膜覆蓋和秸稈覆蓋是減少農田棵間蒸發(fā)和提高水分利用效率的關鍵途徑之一[1]，但傳統(tǒng)的秸稈覆蓋是將秸稈粉碎后全地面覆蓋，該方式在西北熱量不足的地區(qū)，會因過度降低土壤溫度而影響小麥出苗和延緩生長，造成減產[2]。為解決秸稈覆蓋保墑和降溫的矛盾，甘肅農業(yè)大學研發(fā)提出了“種的地方不覆、覆的地方不種”的秸稈局部帶狀覆蓋種植新技術。目前，該技術已在西北雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)進行了推廣應用。了解秸稈帶狀覆蓋冬小麥特性，明確氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收利用規(guī)律，對秸稈帶狀覆蓋技術的養(yǎng)分管理至關重要。

干物質作為作物光合作用產物的最終形式，是作物經濟產量的基礎[3]，而氮、磷、鉀是作物生長必需的大量礦質營養(yǎng)元素，對小麥的生理生化過程和機體建成有重要的調控作用，且作物干物質積累和養(yǎng)分積累存在密切關系，養(yǎng)分積累是作物干物質形成和累積的基礎，也是作物產量形成的基礎，同時，作物干物質的積累和養(yǎng)分吸收利用受品種、氣候類型、土壤類型、栽培措施等因素的影響[4-10]。有研究表明，地表覆蓋顯著影響小麥干物質的分配和轉運[11]，促進籽粒灌漿，最終提高作物產量[12]。吳 禎等[3]研究發(fā)現，窄幅條播可提高冬小麥花后干物質同化量及其對籽粒的貢獻率而獲得高產。王健波等[13]研究表明，免耕覆蓋能提高小麥地上部的干物質積累總量，促進開花后干物質的積累。李 華等[11]研究表明，覆膜可增加冬小麥各生育期氮素的積累，提高氮素轉移量，覆草能顯著增加冬小麥生長后期氮素的積累。關于光照、溫度、覆蓋措施、密度等因素對小麥干物質積累和養(yǎng)分吸收利用的影響，前人開展了較多研究[14-17]，但有關秸稈帶狀覆蓋下小麥花后干物質積累、轉運及氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收利用的研究較少。因此，本研究系統(tǒng)分析了西北雨養(yǎng)條件下秸稈帶狀覆蓋農田冬小麥干物質積累以及氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收利用規(guī)律，以期為秸稈帶狀覆蓋冬小麥栽培技術的推廣應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014-2015年在甘肅省通渭縣甘肅農業(yè)大學試驗基地進行。該地海拔1 750 m，年均氣溫7.2 ℃，年日照時數2 100～2 430 h，無霜期120～170 d，屬中溫帶半干旱氣候區(qū)。作物一年一熟，為典型旱地雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)。多年平均降水量為390.7 mm，且降雨主要集中在7～9月(占全年降水量的60%～65%)。年均蒸發(fā)量1 500 mm，極易發(fā)生春旱。試驗區(qū)土壤為黃綿土，0～30 cm土壤平均容重為1.25 g·cm-3。

1.2 試驗設計

設玉米秸稈帶狀覆蓋(SM)、全膜覆土穴播(PMF)和露地種植(CK)3個處理。玉米秸稈帶狀覆蓋(SM)：分秸稈覆蓋帶和種植帶，兩帶總幅寬60 cm，相間排列，播種帶30 cm，覆蓋帶30 cm，每個播種帶種植3行小麥，播種時預留覆蓋帶，于小麥3葉期將玉米整稈放置于覆蓋帶，覆蓋量約52 500株·hm-2(折合秸稈量約9 000 kg·hm-2，約為1 hm2旱地玉米的秸稈量)，覆蓋時將秸稈覆蓋帶和播種帶的2個邊行各留2～5 cm的間距，以防秸稈壓苗；全膜覆土穴播(PMF)：播前全地面平作覆膜，膜面覆土1 cm左右；露地種植(CK)：露地條播，平作。SM和PMF處理的冬小麥采用穴播的方式，行距20 cm，穴距12 cm；CK采用條播的方式，行距20 cm。采用隨機區(qū)組設計，3次重復，小區(qū)面積為56 m2(7 m×8 m)。供試冬小麥品種為蘭天26號。各小區(qū)的播種量和施肥量均相同，播種量為202.5 kg·hm-2，氮肥和磷肥用量均為105 kg·hm-2(為純氮磷量)，全部基施。灌漿后期進行“一噴三防”。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 干物質測定

于小麥開花期(6月2日)取莖葉和穗的樣品，成熟期(7月10日)取莖葉、穗軸+穎殼和籽粒的樣品。每小區(qū)設3次重復。取樣后分裝于自封袋，帶回實驗室稱鮮重，于105 ℃殺青、80 ℃烘至恒重，稱干重。干物質積累及轉運參數計算公式[11]：

營養(yǎng)器官開花前貯藏同化物轉運量=開花期植株干重-成熟期營養(yǎng)器官干重；

營養(yǎng)器官開花前貯藏同化物轉運效率=(開花期植株干重-成熟期營養(yǎng)器官干重)/開花期植株干重×100%；

開花后同化物輸入籽粒量=成熟期籽粒干重-營養(yǎng)器官花前貯藏物質轉運量；

對籽粒產量的貢獻率=開花前營養(yǎng)器官貯藏物質轉運量/成熟期籽粒干重×100%。

1.3.2 植株養(yǎng)分測定

于小麥開花期、成熟期采用盲抽法在樣區(qū)內隨機采集100穗左右的小麥全株，即不看麥穗大小，直接用手將小麥植株由基部連根拔起，于根莖結合處(分蘗節(jié))將根剪下，將莖葉和穗分別裝入預先編號的大、小網袋。植物樣品烘干經球磨儀(RetschMM400，德國)粉碎后采用H2SO4-H2O2法消解，采用連續(xù)流動分析儀(AA3，SEAL公司，德國)測定消解液中氮、磷的質量分數；采用火焰光度計(Sherwood M410，英國)測定消解液中鉀的質量分數。氮磷鉀積累量及轉運參數計算公式[18]：

開花前氮(磷)素積累量=開花期地上部氮(磷)素積累量；

開花后氮(磷)素積累量=收獲期地上部氮(磷)素積累量-開花期地上部氮(磷)素積累量；

氮(磷)素轉運量=開花期地上部氮(磷)素積累量-收獲期營養(yǎng)器官氮(磷)素積累量；

氮(磷)素轉運效率=氮(磷)素轉運量/開花期地上部氮(磷)素積累量×100%；

轉運氮(磷)素對籽粒貢獻率=氮(磷)素轉運量/籽粒氮(磷)素積累量×100%；

開花后累積氮(磷)素對籽粒貢獻率=開花后氮(磷)素積累量/籽粒氮(磷)素積累量×100%。

鉀素在開花后因外排而發(fā)生損失，相關參數的計算公式[14]：

開花前鉀素積累量=開花期地上部(莖葉、穗)鉀素積累量；

鉀素轉運量=開花期地上部(莖葉、穗)鉀素積累量-收獲期營養(yǎng)器官(莖葉、穎殼)鉀素積累量；

開花后鉀素損失量=開花期地上部(莖葉、穗)鉀素積累量-收獲期地上部(莖葉、穎殼、籽粒)鉀素積累量；

籽粒鉀素占轉運鉀素的比例=籽粒鉀素積累量/鉀素轉運量×100%；

鉀素轉運效率=鉀素轉運量/開花期地上部(莖葉、穗)鉀素積累量。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 20.0軟件進行數據處理和分析，采用LSD法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋方式對干物質分配與轉運的影響

不同覆蓋方式對小麥干物質積累量在各器官中的分配比例有一定影響(表1)。成熟期干物質在各器官中的積累量及分配比例總體表現為：籽粒>莖葉>穗軸+穎殼，其中，在籽粒中的分配比例占43.15%～48.35%。與CK相比，SM處理能降低莖葉+穗軸+穎殼的干物質分配比例，提高籽粒的干物質分配比例。

表1 冬小麥成熟期干物質在不同器官中的分配比例Table 1 Dry matter distribution in different organs at maturity of winter wheat

同列數據后不同小寫字母表示不同覆蓋方式間差異顯著(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，秸稈和地膜覆蓋對冬小麥開花前干物質積累量、轉運效率及對籽粒的貢獻率、開花后干物質積累量對籽粒的貢獻率的影響存在明顯差異，開花前貯藏干物質轉運對籽粒的貢獻率為35.6%～54.9%，而開花后光合同化的干物質對籽粒的貢獻率均高于45.0%。各處理開花前營養(yǎng)器官貯藏的同化物轉運量表現為CK>PMF>SM，但處理間無顯著差異；開花前營養(yǎng)器官貯藏的同化物對籽粒的貢獻率表現為CK>PMF>SM；各處理開花后同化物在籽粒中的積累量表現為SM>PMF>CK，開花后干物質對籽粒的貢獻率也表現為SM>PMF>CK，且SM與PMF處理間差異不顯著，但兩者均顯著高于CK處理。說明開花前積累的干物質對冬小麥的產量有一定貢獻，但產量高低主要取決于開花后干物質的積累和分配；與CK相比，SM處理能促進冬小麥開花后干物質的積累，顯著提高開花后干物質積累量對籽粒的貢獻率?？梢?，秸稈帶狀覆蓋條件下小麥開花后的干物質積累量是籽粒干物質的主要來源。

表2 冬小麥開花后干物質的積累和轉運狀況Table 2 Dry matter distribution and accumulation after anthesis in winter wheat

2.2 不同覆蓋方式對氮、磷、鉀素分配與轉運的影響

2.2.1 對氮素分配與轉運的影響

不同生育時期，各器官氮素分配比例不同，且隨生育時期推進其分配重心也存在差異(表3)。各器官中氮素的分配比例在開花期表現為莖葉>穗，成熟期則表現為籽粒>莖葉>穎殼+穗軸；與CK相比，成熟期SM處理籽粒的氮素積累量和分配比例均較高。

小麥開花后地上部的氮素積累與干物質的變化規(guī)律相似(表4)，地表覆蓋顯著影響小麥器官的氮素積累。開花前營養(yǎng)器官的氮素積累量以PMF處理最高，較CK增加28.3%，SM處理則較CK減少5.4%，但成熟期，各營養(yǎng)器官的氮素積累量表現為PMF>SM>CK，SM和PMF處理籽粒的氮素積累量分別較CK處理增加35.9%和11.4%，差異達到顯著水平。生殖生長開始后，開花前積累在各器官的氮素開始向籽粒轉運，其中PMF處理轉運量最高，較CK處理高14.1%，而SM處理則較CK處理低21.6%。與氮素轉運不同，開花后氮素積累量以SM處理最高，是CK處理的3.36倍，其對籽粒的貢獻率也最大，是CK處理的2.45倍?？梢?，秸稈覆蓋能促進小麥開花后的氮素積累，有利于小麥籽粒產量的形成。

表3 冬小麥開花期與成熟期氮素的積累和分配比例Table 3 Nitrogen accumulation and distribution ratio among different organs at anthesisand maturity of winter wheat

2.2.2 對磷素分配與轉運的影響

不同生育時期，各器官的磷素分配比例與氮素類似(表5)。各器官中磷素分配比例在開花期表現為莖葉>穗，成熟期表現為籽粒>莖葉>穎殼+穗軸；與CK相比，成熟期SM處理莖葉及穎殼+穗軸中磷素的分配比例較高，籽粒中的分配比例與CK處理間無明顯差異。

由表6可知，小麥開花前地上部分營養(yǎng)器官磷素積累量以PMF處理最高，SM處理次之，CK最低。成熟期，營養(yǎng)器官的磷素積累量表現為PMF>SM>CK，處理間存在顯著差異；籽粒磷素積累量以SM處理最高，較CK處理高37.4%，差異顯著，但與PMF處理無顯著差異。生殖生長開始后，開花前積累在營養(yǎng)器官的磷素開始向籽粒轉運，其中，PMF處理開花后磷素轉運量顯著高于CK處理，較CK增加29.3%，而SM處理與CK處理間無顯著差異。與磷素轉運不同，PMF和SM處理的開花后磷素積累量顯著高于CK處理，積累磷素對籽粒的貢獻率以SM處理最高，顯著高于PMF和CK處理。

表4 冬小麥花后氮素的積累和轉運狀況Table 4 Nitrogen accumulation and translocation of winter wheat at post-anthesis

表5 冬小麥開花期與成熟期磷素的積累和分配比例Table 5 Phosphorous accumulation and distribution ratio at anthesis and maturity

表6 冬小麥花后磷素的積累和轉運狀況Table 6 Phosphorous accumulation and translocation of winter wheat at post-anthesis

2.2.3 對鉀素分配與轉運的影響

不同生育時期，各器官的鉀素分配比例與磷素類似(表7)。各器官鉀素的分配比例在開花期表現為莖葉>穗，成熟期表現為莖葉>籽粒>穎殼+穗軸；同樣，與CK相比，成熟期PMF處理籽粒的鉀素分配比例較高。

由表8可知，開花前營養(yǎng)器官鉀素積累量以PMF處理最高，SM處理次之，兩者分別比CK處理高46.8%和9.9%，差異均達到顯著水平。成熟期，鉀素主要集中在營養(yǎng)器官，PMF和SM處理營養(yǎng)器官鉀素積累量分別較CK處理高37.0%和33.5%，差異顯著。開花后，開花前積累在營養(yǎng)器官的鉀素開始向籽粒轉運，其中PMF處理的鉀素轉運量顯著高于CK，而SM處理略低于CK。與氮、磷素的積累和轉運不同，成熟期冬小麥地上部鉀素積累量低于開花期，表明開花期積累在營養(yǎng)器官的鉀素未完全轉運至籽粒，而在小麥生長后期存在鉀素流失，且PMF處理損失最高，較CK高98.8%，SM處理損失較小，為5.0 kg·hm-2，較CK處理低71.3%。表明秸稈覆蓋開花前積累在營養(yǎng)器官中的鉀素多數都轉運至籽粒。

表7 冬小麥開花期與成熟期鉀素的積累和分配比例Table 7 Potassium accumulation and distribution ratioat anthesis and maturity

表8 冬小麥花后鉀素的積累和損失狀況Table 8 Potassium accumulation and loss of winter wheat at post-anthesis

3 討 論

地表覆蓋影響小麥開花前、開花后葉片、莖葉等營養(yǎng)器官養(yǎng)分的積累及營養(yǎng)物質向籽粒的轉運[3,19-20]，但不同學者關于覆蓋條件下開花前、開花后小麥干物質積累、轉運的研究結果不盡相同。有學者認為，作物開花前積累干物質的轉運對籽粒的貢獻率約為7%～57%[11]，但產量高低取決于開花后干物質的積累和轉運，開花后轉運干物質貢獻率達60%以上[21]，亦有研究表明，籽粒產量的最終形成是開花前和開花后光合產物共同作用的結果[22]。吳金芝等[23]研究表明，免耕覆蓋能改善小麥生育后期旗葉的光合性能，促進干物質積累。李華等[11]研究表明，覆草能顯著增加冬小麥生長后期干物質的積累量。本研究顯示，與對照相比，秸稈帶狀覆蓋明顯增強了冬小麥開花后干物質的積累能力及其對籽粒的貢獻，這與王健波等[13]的研究結果一致。這說明，開花后較高的干物質積累量及對籽粒的貢獻率，是秸稈帶狀覆蓋處理獲得高產的生理基礎。

氮、磷、鉀素在作物器官內的積累和運轉狀況直接或間接影響作物產量[24-25]，地表覆蓋能影響同化物在各器官的分配和轉運。屈會峰等[26]研究表明，秸稈覆蓋提高冬小麥產量，同時增加地上部吸氮量，但也有研究表明，地膜覆蓋未明顯提高小麥吸氮量和氮效率[27]。本研究中，秸稈帶狀覆蓋處理冬小麥開花后氮、磷積累量及其對籽粒貢獻率最高，氮、磷積累量較對照分別提高32.6%和19.0%。與氮、磷素不同，鉀素主要累積在根、莖、葉等營養(yǎng)器官，籽粒不是鉀素的主要累積器官[28]，秸稈覆蓋能改善土壤墑情，有利用于更多鉀素向籽粒轉運。這說明，秸稈帶狀覆蓋能明顯增加植株氮、磷和鉀素的積累，且增加氮、磷素在籽粒中的分配比例，提高粒重，從而達到增產的目的。