休闲期深翻深松对土壤水分和植株氮素吸收和转运的影响

休闲期深翻深松对土壤水分和植株氮素吸收和转运的影响

小麦植株氮素的吸收、积累和运输与高产密切相关。水分是影响氮素吸收和运输的重要因素。大量研究表明,水分逆境减少了小麦植株氮素积累量,同时降低了开花前贮存在叶片、茎秆和叶鞘、颖壳等营养器官中氮素转运量和转运率,从而减少了籽粒氮素积累量和籽粒产量［１－４］;只有适量灌水可增加植株氮素积累量、开花后营养器官氮素向籽粒转移量和籽粒氮素积累量,最终提高氮肥利用率［５］。山西属于黄土高原半干旱地区,旱地小麦面积占小麦种植总面积的60%左右,自然降水是其唯一水分来源,且降水分布不均,主要集中在7-9月。通过科学的耕作措施最大限度地纳蓄自然降水是旱地小麦生产的关键所在。前人在旱地小麦蓄水保墒、高产、高效利用水肥等方面做了大量研究［６－９］,张胜爱［６－７］等认为合理耕作是提高旱地小麦水分利用率的重要措施,邱临静等［８］认为适当的耕作栽培模式可以显著提高旱地小麦成熟期地上部分和籽粒的氮素积累量,提高花前氮素转运量和花后氮素积累量,李友军等［９］认为合理的耕作提高了水肥的利用效率、氮素生产效率。以上研究均是由于耕作影响土壤水分,从而影响氮素吸收运转,而如何充分利用休闲期降水,提高旱地小麦土壤水分贮备水平,进行高效生产仍有待深入探索。为此,本文连续3年研究在前茬小麦收获后15d左右深翻、深松对旱地麦田土壤水分、植株氮素吸收和运转、氮效率的影响,为明确旱地小麦土壤水分与氮素吸收、运转的关系,试图探索旱地小麦休闲期蓄水保墒、高效生产的最佳技术途径。1材料和方法1.1生长、降雨能力试验于2009-2012年连续3年在山西农业大学闻喜试验基地进行,试验点为丘陵旱地,无灌溉条件,种植制度为夏季休闲制,即从前茬小麦收获至下茬小麦播种为裸地。2009年6月15日测定0-20cm土层土壤养分含量:全氮0.74g/kg,碱解氮32.93mg/kg,速效磷20.08mg/kg,有机质8.65g/kg。试验区十年九旱,表1为试验田2005-2012年度降雨情况。2009-2010年度总降水量偏低,休闲期降水量低于常年,属于欠水年;2010-2011年度总降水量略高于常年,属于平水年;2011-2012年度总降水量偏高,属于丰水年。1.2基本苗种及生长供试品种为运旱20410,由闻喜农业局提供。试验采用随机区组设计,前茬小麦收获时留高茬,茬高为20~30cm。约2周后(7月1日)进行耕作处理,共设休闲期深翻(深度25~30cm)、休闲期深松(深度30~40cm)、对照(休闲期不采取任何耕作措施)3个水平,小区面积30m×3m,重复3次。8月25日耙耱收墒,基施氮、磷、钾肥,纯氮150kg/hm２,P２O５150kg/hm２,K２O150kg/hm２,10月1日播种,基本苗315×10４株/hm２,行距20cm,机械条播。2010-2011年,2011-2012年度进行重复试验。1.3样品采集及计算方法1.3.1土壤水分测定分别于前茬小麦收获后15d,30d,65d,107d(播前),178d(越冬期),281d(返青期),303d(拔节期),316d(孕穗期),326d(开花期),365d(成熟期),用土钻取0-300cm(每20cm为一层)土样,采用烘干法测定土壤含水量,参照侯贤清等［７］的方法计算土壤蓄水量。1.3.2植株干物质量及含氮率测定于越冬期、返青期、拔节期、开花期、成熟期取样20株,其中越冬期、返青期、拔节期取整株样品,开花期植株样品为叶片、茎秆+叶鞘、穗三部分,成熟期植株样品为籽粒、叶片、茎秆+叶鞘、颖壳+穗轴四部分。样品于70℃烘至恒重,测定干物质量。将不同生育时期的植株样本烘干后磨碎,用H２SO４-H２O２-靛酚蓝比色法测定含氮率［１０］。经与半微量凯氏定氮量测定结果进行对比分析,两方法测定结果一致。参照赵俊晔等［１０］的方法计算植株氮素运转。1.3.3成熟期考种及产量测定成熟期调查单位面积穗数、每穗平均粒数及千粒重,每小区取50株测定生物产量,收割20m２计算经济产量。1.3.4统计方法及计算方法采用Excel2003软件处理数据和作图,用DPS和SAS9.0软件进行统计分析,差异显著性检验用LSD法,显著性水平设定为a=0.05。文中所用计算公式分别为:土壤蓄水量=[(湿土重-烘干土重)/烘干土重×100%]×土层厚度×各土层容重;花前氮素运转量=开花期营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量;花前氮素运转贡献率=花前氮素运转量/籽粒氮素积累量×100%;花后氮素积累量=成熟期植株氮素积累量-开花期植株氮素积累量;花后氮素积累贡献率=花后氮素积累量/籽粒氮素积累量×100%;氮素吸收效率=植株氮素积累量/施氮量;氮素收获指数=籽粒氮素积累量/植株氮素积累量;氮素利用效率=籽粒产量/植株氮素积累量;氮肥生产效率=籽粒产量/施氮量。2结果与分析2.1生育、深翻、深松、欠水、孕穗期蓄水量比较旱地小麦播种前和各生育时期0-300cm土壤蓄水量受降水量的影响存在差异,丰水年最高,欠水年最低(表2)。休闲期耕作可提高播种前土壤蓄水量,欠水年休闲期深翻、深松分别提高26.98%,18.47%;平水年分别提高15.67%,9.30%;丰水年分别提高8.95%,12.25%。休闲期耕作可提高各生育时期土壤蓄水量,欠水年、丰水年均达显著水平,平水年越冬期达显著水平。休闲期深翻较深松可提高欠水年、平水年各生育时期土壤蓄水量,且欠水年均达显著水平;而显著降低了丰水年越冬至孕穗期土壤蓄水量。可见,欠水年、平水年休闲期深翻更有利于蓄积休闲期降水,提高底墒,且欠水年蓄水保墒效果可延续整个生育时期,而丰水年休闲期深松效果更佳。2.2提高土壤水分对植株氮素积累的影响2.2.1对各生育时期植株含氮率和氮素积累量的影响随生育进程的推移,植株含氮率表现为先升高后降低的变化趋势,拔节期出现峰值;植株氮素积累量表现为增加趋势,成熟期最大(表3)。休闲期耕作可提高各生育时期的植株含氮率,且欠水年越冬期、拔节期、孕穗期差异显著;平水年拔节期、孕穗期差异显著;丰水年各生育时期差异均显著。休闲期耕作可提高各生育时期的植株氮素积累量,且欠水年越冬至开花期差异显著;平水年和丰水年各生育时期差异均显著。休闲期深翻较深松可显著提高欠水年各生育时期的植株含氮率;可提高平水年越冬期、拔节期、孕穗期、成熟期植株含氮率,且成熟期差异显著;降低了丰水年各生育时期植株含氮率,且孕穗期、成熟期差异显著。休闲期深翻较深松可显著提高欠水年、平水年各生育时期植株氮素积累量,而显著降低了丰水年各生育时期植株氮素积累量。可见,休闲期耕作有利于植株氮素积累,且欠水年、平水年以深翻效果较好,丰水年以深松效果较好。说明提高旱地麦田土壤水分有利于植株氮素吸收。2.2.2对各生育阶段氮素吸收速率的影响随生育进程的推移,各生育阶段氮素吸收速率表现为单峰曲线变化,但不同降水年型、不同耕作方式,峰值出现的时间存在差异(图1)。氮素吸收速率峰值欠水年出现在拔节-孕穗阶段;平水年休闲期深松出现在拔节-孕穗阶段,深翻出现在孕穗-开花阶段;丰水年出现在孕穗-开花阶段,且随土壤水分的增加,峰值增高。说明提高土壤水分可促进氮素吸收,尤其促进生育中、后期氮素吸收,为旱地小麦延缓衰老、优质生产提供依据。休闲期耕作可提高欠水年播种-越冬期、越冬-拔节期、拔节-孕穗期、开花-成熟期各阶段氮素吸收速率,且播种-越冬期、拔节-孕穗期两阶段差异显著;可显著提高平水年、丰水年各生育阶段氮素吸收速率。休闲期深翻较深松可提高欠水年各生育阶段氮素吸收速率,且播种-越冬期、越冬-拔节期、拔节-孕穗期、孕穗-开花期差异显著;可提高平水年各生育阶段氮素吸收速率,且孕穗-开花期差异显著;而显著降低了丰水年播种-越冬期、拔节-孕穗期、开花-成熟期氮素吸收速率。可见,休闲期耕作有利于促进氮素吸收。欠水年、平水年休闲期深翻较深松更有利于氮素的吸收,可延续至开花期,且欠水年效果更佳;丰水年休闲期深松较深翻更有利于氮素吸收,其效果可延续至生育后期。2.3对植株贮存氮素的影响2.3.1对成熟期氮素在各器官中分配的影响由表4看出,休闲期耕作可显著提高欠水年籽粒氮素积累量;可显著提高平水年籽粒氮素积累量及其占整株比例,而显著降低了茎秆氮素积累量及其占整株比例;可显著提高丰水年茎秆氮素积累量、叶片和籽粒氮素积累量及其占整株比例,而显著降低了茎秆、颖壳+穗轴氮素积累量占整株比例。说明休闲期耕作有利于成熟期籽粒氮素积累,且提高土壤水分有利于茎秆、颖壳+穗轴中贮存的氮素向籽粒运转。休闲期深翻较深松可显著提高欠水年成熟期叶片和颖壳+穗轴氮素积累量、籽粒氮素积累量及其占整株比例;可显著提高平水年叶片和颖壳+穗轴氮素积累量及其占整株比例、籽粒的氮素积累量,显著降低了茎秆氮素积累量及其占整株比例;显著降低了丰水年叶片、茎秆和籽粒氮素积累量,显著降低了颖壳+穗轴氮素积累量占整株比例。说明平水年休闲期深翻较深松更有利于促进茎秆中氮素向籽粒运转。2.3.2对植株贮存氮素向籽粒转移的影响由表5看出,休闲期耕作可显著提高欠水年花前氮素运转量,可显著提高平水年、丰水年花前氮素运转量、花后氮素积累量。不同降水年型、不同耕作对花前氮素运转贡献率无显著影响,仅丰水年休闲期深松可显著提高花后氮积累贡献率。休闲期深翻较深松可提高欠水年、平水年花前氮素运转量、花后氮素积累量和花后氮素积累贡献率,但仅平水年花前氮素运转量差异显著;可提高丰水年花前氮素运转贡献率,显著降低花后氮素积累量、花后氮素积累贡献率。说明丰水年休闲期深松更有利于花后积累的氮素向籽粒中运转。2.4提高水生动物性能氮素吸收效率、氮素收获指数、氮素生产效率以丰水年最高,欠水年最低,平水年居中(表6)。休闲期耕作可显著提高欠水年氮素生产效率,可显著提高平水年氮素吸收效率、氮素收获指数、氮素利用效率和氮素生产效率,可显著提高丰水年氮素吸收效率、氮素收获指数、氮素生产效率。休闲期深翻较深松可显著提高欠水年氮素吸收效率、氮素生产效率,可显著提高平水年氮素吸收效率;丰水年休闲期深松较深翻可显著提高氮素吸收效率、氮素生产效率。3休闲期耕作有利于提高土壤水分,提高小麦养分积累量不同耕作方式可改善土壤水分条件［６－７，１１］。张胜爱等［６］研究认为播前深松耕有利于改善土体结构,增加土壤蓄水保墒性能;毛红玲等［１１］研究表明,夏闲期深松可增加0-300cm土层平均土壤含水率;侯贤清等［７］研究认为夏闲期深松和翻耕均能有效蓄雨保墒,翻耕可提高旱地小麦播前0-200cm土壤贮水量,深松可提高播前及整个生长阶段0-200cm土壤贮水量。本研究认为,休闲期耕作有利于蓄积休闲期降水,提高播种前和各生育时期0-300cm土壤蓄水量,这与前人的研究结果一致。此外,本研究认为休闲期耕作的蓄水效应在欠水年、平水年以深翻较好,尤其是欠水年,且蓄水效果可延续整个生育时期,而丰水年以深松效果更佳,这可能是因为在严重干旱条件下休闲期深翻较深松可更大限度地蓄住了休闲期降雨,而水分充足条件下深松较深翻可减少水分蒸发,从而效果较好。总之,休闲期耕作有利于蓄积休闲期降水,提高土壤水分贮备水平,尤其是欠水年。不同耕作方式通过改善土壤水分条件,从而提高小麦氮素积累量能力［１２－１３］,秦红灵等［１２］研究表明深松打破了犁底层,促进了作物根系的生长,从而有利于土壤氮素吸收;郑成岩等［１３］研究认为,深松+条旋耕和深松+旋耕较条旋耕和旋耕可促进拔节后氮素的吸收。本文认为休闲期耕作影响旱地小麦土壤水分的前提下,可促进植株氮素吸收,且土壤水分提高一定程度时,可促进生育中、后期的氮素吸收,为旱地小麦延缓衰老、优质生产提供保障。水分不仅可促进植株氮素的吸收,而且对植株氮素运转有较大影响。臧贺藏等［５］认为,水分逆境降低了小麦开花前贮存在叶片、茎秆和叶鞘、颖壳等营养器官中氮素的转运量和转运率,从而减少了籽粒氮素积累量和籽粒产量。邱临静等［８］认为耕作可显著提高氮素转运量和花后氮素积累量及其对籽粒的贡献率,提高了籽粒氮素积累量。本研究认为,休闲期耕作可提高花前氮素运转量和花后氮素积累量,从而提高了籽粒氮素积累量,这与前人的研究结果［５，８］一致。此外,赵万春等［１４］认为小麦中氮素运转量、氮素运转率和贡献率最大的是叶片,穗轴及颖壳次之,茎鞘最小;Campbell等［１５］发现小麦茎秆对成熟期籽粒氮积累量的贡献最多。本研究表明,休闲期耕作提高土壤水分水平,随土壤水分含量的增加,首先是促进茎秆中氮素向籽粒运转,其次是颖壳+穗轴。本研究结果与前人研究存在差异,说明土壤水分影响各器官对籽粒氮素积累的贡献,有关旱地小麦不同蓄水保墒措施影响土壤水分,