刘兴宇,袁建钰,李 广 ,张 娟,徐万恒,张霞霞
(1.甘肃农业大学信息科学技术学院,兰州 730070;2.甘肃农业大学林学院,兰州 730070;3.甘肃农业大学农学院,兰州 730070)
【研究意义】春小麦是陇中黄土高原地区主要的粮食作物之一[1]。但陇中黄土高原地区较贫瘠的黄绵土养分承载能力弱,养分固持效率低,加之降雨的时节分布与小麦关键需水期经常错位,使旱地春小麦在基肥种植的情况下,极易发生无机氮淋失、生育期氮素供需不平衡的现象,导致春小麦生产潜力不能稳定且有效地发挥[2]。研究合理有效的施肥方式及选用高产高效的小麦品种,对提高农田土壤养分和小麦产量以及区域农田的高产稳产具有重要意义。
【前人研究进展】南学军等[3]认为氮肥有机肥配施可显著提高小麦产量,增加营养器官碳、氮、磷含量。陈磊等[4]通过20年长期定位实验研究表明,有机肥化肥配施较单施有机肥、单施化肥能显著提高生物量和产量;董召娣等[5]认为不同小麦品种间肥料利用率存在差异;田中伟等[6]研究表明,高产高效品种具有较高根系生物量,较高的氮、磷吸收能力,有利于小麦灌浆,进而提高粒重,协调产量三要素,提高产量和养分效率。【本研究切入点】针对于陇中黄土高原地区,不同施肥和品种对旱作春小麦的共同作用规律以及高产高效优化组合的研究鲜有报道。在春小麦需肥与土壤供肥关系难以协调的陇中黄土高原,研究施肥与品种对春小麦养分含量和产量、的影响,筛选施肥与品种的高产高效组合。【拟解决的关键问题】研究陇中黄土高原地区不同施肥处理对春小麦(甘春32号和甘春27号)干物质量及根、茎、叶化学计量特征和产量的影响,分析半干旱区氮肥有机肥配施对不同品种春小麦保产增产的可行性,筛选施肥与品种的高产高效组合,为该地区春小麦高产稳产提供理论依据和技术指导。
1.1 材 料
试验地位于甘肃省定西市安定区安家坡村旱农综合实验站,该地区属于典型黄土高原丘陵沟壑区,土壤为黄绵土,土质绵软,养分承载能力弱,抗侵蚀能力弱。土壤容重1.26 g/cm3,土壤全氮0.96 g/kg、有机质含量12.01 g/kg,平均海拔2 000 m,无霜期占约全年1/3,年均降水量为385 mm,年均蒸发量1 537 mm,年日照时数2 476.6 h,年平均气温6.4℃,≥10℃的积温2 239.1℃,为典型的半干旱雨养农业区[7]。
选则2个有较高推广面积的供试品种甘春27号、甘春32号。
1.2 方 法
1.2.1 试验设计
于2020年3月28日播种,7月30日收获。在研究确定的干旱胁迫下春小麦增产最优补偿补灌的基础上[8],布设3种施肥方式:单施氮肥(N)、单施有机肥(M)、氮肥有机肥配施(NM),共计6个处理,各处理设置3个重复,共计18个小区,小区面积为24 m2(长6 m,宽4 m),各小区间设0.5 m宽隔离带,采用随机区组排列,播种量187.5 kg/hm2,免耕播种机播种,播深均为7 cm,行列距0.25 m。供试化肥为尿素(含N 46.2%)和过磷酸钙(16% P2O5),有机肥为农家肥(主要为猪粪,养分含量为N 0.56%、P2O50.40%、K2O 0.46%)。各处理施肥量以当地农户种植春小麦常规施肥(纯N 105 kg/hm2)用量为基准,根据含氮量折算尿素和有机肥的施用量,尿素施用量228 kg/hm2,有机肥估算施用量21 000 kg/hm2。各施肥处理统一施加60 kg/hm2过磷酸钙作为基肥在播种时一次性施入,其他田间管理措施与当地一致。表1
表1 样地情况
1.2.2 指标测定
在春小麦成熟期取样,每块样地随机选取具有代表性的小麦植株15株,在105℃下杀青30 min,放置烘箱内80℃烘至恒重,分别测量各植株的根、茎、叶和穗干重,粉碎后过1 mm筛,测定有机碳(OC)、全氮(TN)和全磷(TP)含量。各小区单打单收,人工脱粒,籽粒晒干后统计产量。
植株全氮含量采用浓H2SO4-H2O2消煮,凯氏定氮法测定[9]。全磷含量采用浓H2SO4-H2O2溶液消解,钒钼黄比色法测定[10]。有机碳含量采用H2SO4- KCr2O7氧化外加热法测定。
1.3 数据处理
利用Microsoft excel 2010进行实验数据的初步整理,使用SPSS 24.0软件进行显著性和相关性分析,用平均值±标准误表示测定结果,采用origin2018软件作图。
2.1 不同施肥与品种下春小麦干物质量
研究表明,甘春27号春小麦根和叶干重在M处理下最小,且与其它处理间存在显著差异(P<0.05),而甘春32号春小麦根和叶干重在不同施肥处理下差异不显著(P>0.05);春小麦茎和穗干重均在甘春27号M处理下最小,甘春32号 NM处理下最大,且与其它处理间存在显著差异(P<0.05);同一施肥处理下甘春27号春小麦根、茎、叶、穗干重均小于甘春32号。表2
表2 不同施肥处理下春小麦干物质量和收获指数变化
2.2 不同施肥及品种下春小麦根、茎、叶、穗化学计量特征
研究表明,根系TN、N∶P在甘春32号NM处理下达到最大值,且显著高于其它处理(P<0.05),C∶N在甘春32号NM处理下最小,且与其它各处理间存在显著差异(P<0.05)。OC、TP、C∶P在不同处理下差异均不显著(P>0.05)。
茎秆TN在甘春32号NM处理下最大,在甘春27号M处理下最小,且与其它各处理间存在显著差异(P<0.05)。C∶N在甘春32号NM处理下最小,N∶P在甘春32号NM处理下最大,且与其它各处理间存在显著差异(P<0.05)。OC、TP、C∶P在不同处理下差异均不显著(P>0.05)。
叶片TN含量在甘春32号NM处理下最大,在甘春27号M处理下最小,且甘春32号品种叶片TN含量在同施肥处理下显著大于甘春27号品种(P<0.05)。C∶N、N∶P均与茎秆呈现出相同的变化趋势。OC、TP、C∶P在各处理下差异均不显著(P>0.05)。图1
注：不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著
2.3 不同施肥及品种下春小麦产量及产量构成因素
研究表明,同一施肥处理下甘春32号品种春小麦穗粒数均高于甘春27号品种,在甘春32号NM处理下达到最大值,且与其它各处理间存在显著差异(P<0.05);春小麦穗数也表现出相同的变化规律,在甘春32号NM处理下最大,且显著高于其它处理(P<0.05);春小麦千粒重在甘春27号N处理下最大,在甘春27号M处理下最小;春小麦产量均在NM处理下达到最大值,且呈现出同一施肥处理下甘春32号品种显著大于甘春27号品种的结果(P<0.05)。表3
表3 不同施肥处理下春小麦产量构成因素和产量变化
3.1 不同施肥及品种对旱地春小麦营养器官养分含量的影响
施肥通过外源物质的添加直接干预农田生态系统中作物元素的运移循环过程,引起各器官养分含量的变化[11]。研究表明,NM处理较N、M处理显著提高了根、茎、叶中的TN含量。这是因为春小麦各营养器官中TN的积累容易受到土壤中氮素含量和地下微生物的影响,土壤中氮素主要来自于施肥等外源物的添加及枯落物的分解,NM处理增加了土壤中氮素含量的同时促进了微生物对枯落物的分解,影响了土壤氮素的输入速度和数量[12-13]。NM提供的氮素不仅能够满足春小麦前期生长,且固持的氮素在春小麦生长中后期发生释放,促进土壤供给养分与春小麦需要养分的时机相一致[14]。研究中,不同施肥处理下两种春小麦营养器官中OC含量无明显变化,主要原因为碳是组成植物体的结构性物质,受环境影响较小[15]。不同施肥处理对两种春小麦营养器官中TP含量无显著影响,与王天一等[16]的研究结果相似。春小麦营养器官养分含量不仅与施肥有关,还受到品种的制约[17]。试验结果表明,甘春32号NM处理下根、茎、叶中TN含量最高,且同一施肥处理下甘春32号春小麦的茎和叶中TN含量均显著高于甘春27号。这可能是因为NM处理下土壤具有良好的通气环境,能促进根系的呼吸作用,从而影响到养分的吸收。但良好的通气环境会加快土壤水分的流失,对抗旱能力弱的甘春27号春小麦造成一定的不利影响。此外随着品种的改良,甘春32号较甘春27号具有更高的干物质量,更加健硕的根系,更大的养分吸收面积。甘春32号春小麦TN含量高于甘春27号。研究表明,叶片N∶P> 16反映植物生长受P限制,14 通过光合作用积累干物质,较高的物质积累量是保证作物高产的前提[21]。研究结果表明,NM处理显著提升了春小麦干物质量。因为NM处理显著促进土壤腐殖质的更新和活化,更有利于腐殖质的积累,不仅可提高土壤有机碳含量、改善腐殖质品质[22],且提升了土壤供肥强度,保障春小麦正常生长的同时有效解决了春小麦在生长发育中后期肥料不足的问题,增加了植株叶绿素含量,增强了叶片光合作用,有效提升了春小麦物质积累量[23-24]。另一方面化学氮肥养分单一,有机肥肥效缓慢,两者配合施用既能优势互补,发挥用地与养地的双重作用,又能提高土壤活性、保持地力更新,使土壤中养分积累量增加,从而使得小麦根系更易从土壤中吸收养分,提高养分的供给率[25]。品种改良提高了春小麦物质生产能力、生产效率和不同生育阶段的物质积累量,平衡了花前和花后干物质对籽粒的贡献[26],也改变了春小麦对肥料的动态需求特征。研究中,同施肥处理下甘春32号干物质量均大于甘春27号,且甘春32号在各处理下干物质含量比甘春27号更为稳定。造成这一差异的主要原因是不同施肥处理下养分供应与春小麦本身需肥之间存在矛盾,各施肥处理下甘春32号根系干重相对稳定且均明显高于甘春27号,健硕的根系使甘春32号对土壤肥力的变化具有较强的适应性,能高效利用有限资源,充分发挥品种潜力。甘春27号抗逆性较低,使得有机肥肥效释放缓慢且容易发生病虫害的负面影响被放大,造成甘春27号根系生长受限,甘春27号营养器官干物质量均较低。 穗粒数、穗数和千粒重是组成小麦产量的基本要素[27]。研究中,NM处理显著提升了穗数、穗粒数、千粒重和产量。因为NM处理为麦田提供了充足的碳源和氮源,促进了土壤微生物的活动和生长繁殖,加快了土壤有机质的分解速率,增强了春小麦根系活性,从而在保障春小麦生长的同时提高抗病、抗逆性能,为春小麦高产奠定了基础[28]。而M处理肥效释放缓慢,难以有效契合春小麦生长过程中对养分吸收的需求,且增加了反硝化过程中气态氮的损失,降低了土壤中的养分含量,对春小麦增产造成了一定的影响[29]。N处理较M处理虽能增加春小麦的产量,但易造成土壤板结,降低微生物活力,导致其对产量构成要素的促进作用低于氮肥有机肥配施[30]。研究中,甘春32号NM处理下产量最高,且同一施肥处理下甘春32号产量显著高于甘春27号,这是因为甘春32号春小麦发达的根系,有利于养分获取,NM处理养分稳定且长效,二者的结合充分提高了养分的利用为春小麦的高产奠定了基础。春小麦穗数遗传力低,受环境因素影响较大。试验区降雨少,甘春27号抗旱能力弱不利于春小麦分蘖成穗,因此在同一施肥处理下甘春27号穗数低于甘春32号。穗粒数主要受限于春小麦品种本身的遗传特性,其对春小麦增产的影响较小[31]。研究还发现,M处理下两种春小麦产量差距最大,NM处理下最小。由于M处理严重限制了甘春27号品种春小麦根系的生长,导致其干物质量显著低于甘春32号,进而影响到春小麦产量。而NM处理缓解了有机肥对甘春27号根系生长限制,且长效的肥力保障了甘春27号籽粒的饱满,显著提高了千粒重,缩小了品种间产量的差距。 4.1NM处理较N、M处理可以显著提高春小麦干物质量、全氮含量和产量。 4.2同一施肥处理下甘春32号干物质量,茎、叶中TN含量,穗粒数,单位面积有效穗数和产量均高于甘春27号。 4.3不同施肥与品种组合处理下春小麦TN含量和产量均存在显著差异,其中,甘春32号NM处理下春小麦干物质量、TN含量和产量最高。NM处理可以缩小不同品种春小麦产量差距。 4.4在陇中黄土高原地区,氮肥有机肥配施处理下选种高产高效组合为甘春32号春小麦。3.2 不同施肥与品种对春小麦干物质量的影响
3.3 不同施肥及品种对春小麦产量和产量构成要素的影响