張霞霞，閆麗娟，李廣，劉興宇，張娟

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

春小麥?zhǔn)俏覈S土高原半干旱區(qū)的主要糧食作物之一，占全國小麥播種面積10%以上，而黃土高原半干旱地區(qū)干旱少雨。水分成為該區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的限制性因素，且該區(qū)水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，加之近年來受溫度增高、降水變異性大（變異系數(shù)35%）、降水季節(jié)與作物需水季節(jié)錯(cuò)位及極端天氣增多等因素的影響，小麥生產(chǎn)出現(xiàn)減產(chǎn)甚至絕收的情況［1］，尤其對(duì)過度依賴自然條件的旱作小麥生產(chǎn)影響更為嚴(yán)重。因此，在黃土高原地區(qū)進(jìn)行保護(hù)性耕作，提高小麥的產(chǎn)量與品質(zhì)具有重要的戰(zhàn)略意義。

大量研究表明，耕作越多土壤中被釋放到空氣中的碳越多，能夠?yàn)閷碜魑飿?gòu)建有機(jī)質(zhì)的碳就越少。張仁陟等［2］研究發(fā)現(xiàn)采用保護(hù)性耕作措施會(huì)明顯提高農(nóng)田土壤中的有機(jī)碳、氮、磷、鉀的含量；李全宇等［3］研究發(fā)現(xiàn)保護(hù)性耕作可顯著提高春油菜地上生物量；李朝蘇等［4］研究發(fā)現(xiàn)免耕能夠提高氮素利用率；Jiang 等［5］對(duì)鄱陽湖農(nóng)田土壤化學(xué)計(jì)量特征研究發(fā)現(xiàn)N是決定土壤C∶N和N∶P的主要因素，而土壤C∶P主要受P的影響。而這些研究在一定程度上都局限于植物的某一器官或者土壤，但針對(duì)于植物其他營養(yǎng)器官的養(yǎng)分轉(zhuǎn)運(yùn)、積累及化學(xué)計(jì)量特征的研究較為匱乏，近年來鮮有報(bào)道。耕作是影響農(nóng)田生態(tài)環(huán)境最直接的途徑，合理的耕作方式能夠協(xié)調(diào)土壤中水、肥、氣、熱的關(guān)系［6］，提高土地資源的利用率，促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)［7］。我國黃土高原半干旱農(nóng)業(yè)區(qū)，由于長期的精耕細(xì)作對(duì)耕層土壤環(huán)境造成嚴(yán)重破環(huán)，使農(nóng)田耕層變薄、地表疏松、土壤蓄水能力和肥力顯著下降導(dǎo)致生產(chǎn)力低下［8-9］。為緩解傳統(tǒng)耕作對(duì)于生態(tài)環(huán)境的破環(huán)，提高作物產(chǎn)量，近年來當(dāng)?shù)赝茝V免耕和秸稈覆蓋等保護(hù)性耕作措施，通過作物殘茬覆蓋和少耕或免耕來改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤有機(jī)碳含量及其他養(yǎng)分肥力、減少土壤水分的蒸發(fā)和地表水土流失、防止土壤風(fēng)蝕來促進(jìn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)［10-12］。

為揭示保護(hù)性耕作措施對(duì)春小麥各器官營養(yǎng)元素的積累、化學(xué)計(jì)量比、干物質(zhì)積累與分配及產(chǎn)量的影響，本研究以甘肅省定西市安定區(qū)安家坡村旱農(nóng)綜合試驗(yàn)站為依托，布設(shè)4 種耕作措施：傳統(tǒng)耕作（T）、免耕（NT）、傳統(tǒng)耕作+秸稈覆蓋（TS）、免耕+秸稈覆蓋（NTS），系統(tǒng)的分析了春小麥不同生長時(shí)期各器官中OC、TN、TP含量及化學(xué)計(jì)量比、春小麥產(chǎn)量及干物質(zhì)積累量的變化特征，進(jìn)一步探討保護(hù)性耕作措施下春小麥營養(yǎng)器官中OC、TN、TP含量、干物質(zhì)積累量和作物產(chǎn)量之間的關(guān)系，揭示最適宜春小麥生長發(fā)育的耕作措施，為隴中黃土高原半干旱區(qū)春小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省定西市安定區(qū)安家坡村旱農(nóng)綜合實(shí)驗(yàn)站，地處隴中黃土高原半干旱區(qū)，屬溫帶半干旱氣候，海拔2 000 m，該區(qū)年均太陽輻射總量3 970.6 MJ/m2，年均氣溫6.4℃，年總≥0 ℃積溫2 933.5 ℃，年均≥10 ℃積溫2 239.1 ℃，無霜期140 d，年均蒸發(fā)量 1 537 mm，多年平均降水量385 mm，降水季節(jié)分配不均［13］，主要集中在7～9月，降水量低而不穩(wěn)，年際變異較大 （變異系數(shù)為18.5%）。試驗(yàn)地土壤為黃綿土，土質(zhì)綿軟、抗侵蝕能力較弱，耕層容重為1.26 g/cm3，土壤有機(jī)碳含量為 12.12 g/kg，全氮含量為 0.61 g/kg。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)布設(shè)于2020 年3 月，以甘春27 號(hào)為小麥供試品種。共設(shè)置4 種處理（表1）。樣地分布采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3 次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，各小區(qū)面積為24 m2（4 m×6 m），小區(qū)播種量為0.45 kg，播種深度7 cm，播種行距24 cm，播種前統(tǒng)一施有機(jī)肥（折合年施氮量105 kg/hm2）與尿素（52.5 kg/hm2）作為基肥，田間管理措施同當(dāng)?shù)亍?/p>

表1 試驗(yàn)處理Table 1 Experimental treatment

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 植株各器官OC、TN、TP 含量測(cè)定 春小麥營養(yǎng)器官的TN、TP含量采用氧化-外加熱滴定法測(cè)定，其中TN 含量采用半微量凱氏定氮法進(jìn)行測(cè)定，TP含量采用H2SO4-H2O2溶液消煮，釩鉬黃比色法測(cè)定，OC含量采用H2SO4-KCr2O，氧化-外加熱法測(cè)定［14］。

1.3.2 干物質(zhì)積累與分配的測(cè)定 于開花期、成熟期分別選取每個(gè)小區(qū)代表性植株20株，稱其鮮質(zhì)量，先在105 ℃的恒溫箱內(nèi)殺青30 min，然后在80 ℃的恒溫下烘至恒質(zhì)量，再稱其干質(zhì)量。抽穗后分穗、莖、葉、根四個(gè)部分測(cè)定干物質(zhì)質(zhì)量并計(jì)算其參數(shù)［15］。

花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量（g）=開花期營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量（g）-成熟期營養(yǎng)器官干物質(zhì)（g）

花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率（%）=干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量（g）/開花期營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累量（g）×100%

花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率（%）=干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量（g）/成熟期籽粒干物質(zhì)積累量（g）×100%

花后干物質(zhì)積累量（g）=成熟期籽粒干物質(zhì)積累量（g）-營養(yǎng)器官花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)（g）

花后干物質(zhì)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率（%）=花后干物質(zhì)積累量（g）/成熟期籽粒干物質(zhì)積累量（g）×100%

1.3.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的測(cè)定 小麥成熟后各小區(qū)剔除邊行并單收計(jì)產(chǎn)，同時(shí)每小區(qū)取20株風(fēng)干后考種，調(diào)查單株產(chǎn)量、有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量等。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0對(duì)小麥各營養(yǎng)器官的OC、TN、TP含量以及干物質(zhì)量進(jìn)行顯著性分析，用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示測(cè)定結(jié)果；采用Excel 2013和Word 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作措施對(duì)春小麥各器官OC、TN、TP 含量的影響

2.1.1 耕作措施對(duì)春小麥各器官OC、TP含量的影響 耕作措施對(duì)春小麥營養(yǎng)器官OC、TP 含量的影響如表2 所示。不同生育期營養(yǎng)器官的OC 含量均在NTS 處理下達(dá)到最大值且顯著差異（P<0.05），在T處理下最小，且秸稈覆蓋處理下的OC含量高于無覆蓋處理，整體上在灌漿期含量最高，各器官中OC 含量依次為葉>莖>根。春小麥各生長部位中TP 含量在不同耕作措施下無顯著差異。各處理下春小麥各生長部位OC、TP含量均值分別在76.51～170.87 g/kg、4.00～4.61 g/kg 之間。這表明不同的耕作措施對(duì)春小麥各營養(yǎng)器官OC含量影響較大，而對(duì)TP含量的影響較小。

表2 耕作措施對(duì)春小麥不同生育期各器官OC、TP含量的影響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 耕作措施對(duì)春小麥各器官TN 含量的影響 耕作措施對(duì)春小麥不同生育期各營養(yǎng)器官TN含量的影響如表3 所示。各營養(yǎng)器官TN 含量均在NTS處理下達(dá)到最大值，在T處理下最小，且各處理間存在顯著差異（P<0.05）。春小麥灌漿期TN含量最高，成熟期最小。各器官TN含量整體表現(xiàn)為葉>莖>根，以上結(jié)果表明秸稈覆蓋有利于春小麥氮素的積累。

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

2.2 耕作措施對(duì)春小麥各器官化學(xué)計(jì)量特征的影響

由表4可知，在不同的耕作措施下，不同生育期春小麥各營養(yǎng)器官在秸稈覆蓋處理下C∶N小于無秸稈覆蓋處理，且NTS處理下最低。而NTS處理下C∶P和N∶P均高于其他處理，根、莖、葉中的C∶P和N∶P均在NTS處理下達(dá)到最高，N∶P在T處理下最小。由此可知保護(hù)性耕作對(duì)C∶P、N∶P、C∶N都影響較大。

表4 耕作措施對(duì)春小麥不同生育期各器官化學(xué)計(jì)量特征的影響Table 4 Effects of tillage measures on stoichiometric characteristics of spring wheat organs at different growth stages

2.3 耕作措施對(duì)春小麥干物質(zhì)積累的影響

2.3.1 耕作措施對(duì)春小麥開花前后干物質(zhì)積累及轉(zhuǎn)運(yùn)的影響 由表5 可知，免耕處理下花后光合物質(zhì)同化量對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率比耕作處理下提高了32.44%，秸稈覆蓋處理下的花前營養(yǎng)器官貯存干物質(zhì)在花后向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率較無秸稈覆蓋處理減少了22.55%，而花后光合物質(zhì)貢獻(xiàn)率提高了38.34%。NTS 處理下花后光合物質(zhì)同化量顯著高于其他處理，其貢獻(xiàn)率較T 處理提高了58.09%。這表明免耕結(jié)合秸稈覆蓋有利于提高花后干物質(zhì)生產(chǎn)積累能力。

表5 耕作措施對(duì)小麥開花前后干物質(zhì)積累及轉(zhuǎn)運(yùn)的影響Table 5 Effects of tillage measures on dry matter accumulation and transport before and after flowering of wheat

2.3.2 耕作措施對(duì)春小麥成熟期干物質(zhì)積累與分配的影響 小麥成熟期干物質(zhì)積累趨于穩(wěn)定，干物質(zhì)在春小麥各器官中的分配量和比例依次為莖稈+葉鞘+葉片>籽粒>穗軸+穎殼。耕作措施對(duì)成熟期干物質(zhì)在不同器官中的分配如表6 所示，免耕處理下的干物質(zhì)積累總量、籽粒干質(zhì)量和莖葉鞘干質(zhì)量比耕作處理分別提高10.85%、14.43%和9.24%，穗軸+穎殼干物質(zhì)分配比例減少6.20%；秸稈覆蓋處理下的干物質(zhì)總質(zhì)量、籽粒干質(zhì)量、穗軸+穎殼干質(zhì)量和莖葉鞘干質(zhì)量較無秸稈覆蓋處理分別提高了16.36%、40.22%、24.41%和3.36%。NTS 處理下的干物質(zhì)積累總量和籽粒干物質(zhì)積累量較T 處理分別提高了25.57%和67.69%。綜上，NTS 可有效提高春小麥成熟期干物質(zhì)總質(zhì)量和籽粒干質(zhì)量，有利于干物質(zhì)向籽粒分配。

表6 耕作措施對(duì)成熟期干物質(zhì)在不同器官中分配的影響Table 6 Effects of tillage measures on dry matter distribution in different organs at mature stage

2.4 耕作措施對(duì)春小麥產(chǎn)量的影響

由表7可知，NTS處理下有效穗數(shù)達(dá)到最高，分別較T、NT 處理分別提高了21.91%、20.79%，在T處理下最低，且各處理間有顯著差異。穗粒數(shù)在NTS 處理下最高，較T、TS、NT 處理分別提高了8.11%，5.41%，13.51%。NTS處理下千粒質(zhì)量顯著高于其他處理，產(chǎn)量達(dá)到最高且各處理間顯著差異。因此，相對(duì)于其他處理NTS處理可有效增加春小麥穗數(shù)和千粒質(zhì)量，進(jìn)而提高產(chǎn)量。

表7 耕作措施對(duì)春小麥產(chǎn)量的影響Table 7 Effects of tillage measures on spring wheat yield

3 討論

3.1 保護(hù)性耕作對(duì)春小麥各營養(yǎng)器官OC、TN、TP含量的影響

碳（C）、氮（N）、磷（P）是植物生長發(fā)育所需的基本元素，是構(gòu)成蛋白質(zhì)、遺傳物質(zhì)和糖類等生物大分子的主要元素［16］，氮磷是養(yǎng)分限制性元素，碳是結(jié)構(gòu)性物質(zhì)［17］。本研究發(fā)現(xiàn)在不同的耕作措施下，NTS處理下春小麥各營養(yǎng)器官中OC、TN 含量較高，而TP 含量基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。這是因?yàn)槊飧幚砜杀Ｗo(hù)土壤耕層不受破壞，降低了土壤孔隙度，減少養(yǎng)分和水分的流失，提高了0～10 cm土層OC和TN的累積［18］，且麥茬還田給土壤提供了一定的養(yǎng)分，進(jìn)而春小麥植株各器官中OC、TN 含量較高。秸稈覆蓋處理下春小麥各器官中OC 和TN 含量較無覆蓋處理顯著增加，這與秸稈覆蓋處理下土壤中OC和TN含量的增加有關(guān)［19］，且秸稈覆蓋處理為土壤微生物提供了大量的營養(yǎng)物質(zhì)，使其生長發(fā)育，提高微生物活性的同時(shí)又增加了土壤微生物的多樣性，導(dǎo)致小麥根系活性增強(qiáng)，促進(jìn)植物根系對(duì)土壤養(yǎng)分以及秸稈分解到土壤中養(yǎng)分的吸收。土壤環(huán)境中的養(yǎng)分和植株養(yǎng)分需求間的動(dòng)態(tài)平衡決定了小麥植株中各營養(yǎng)元素的含量，因此秸稈覆蓋處理下小麥植株各器官所含OC、TN 元素較無覆蓋下高，且在NTS 處理下達(dá)到最高，而TP 含量由于其較強(qiáng)的內(nèi)穩(wěn)性，在不同處理下各營養(yǎng)器官中含量基本趨于穩(wěn)定。

3.2 保護(hù)性耕作對(duì)春小麥各器官化學(xué)計(jì)量特征的影響

生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)（Ecological stoichiometry）是研究碳、氮、磷等化學(xué)元素協(xié)同變化和動(dòng)態(tài)平衡的一種綜合方法［20-21］，也是植物營養(yǎng)元素分配情況、利用效率和限制元素判斷的一種手段，可直接反映植物器官內(nèi)穩(wěn)性及相互關(guān)系，有助于解決植物養(yǎng)分供需平衡等科學(xué)問題［22］。C∶N和C∶P是反映植物生長速率的重要指標(biāo)，且C∶N 與有機(jī)質(zhì)分解呈反比關(guān)系。郭亞寧等［23］研究發(fā)現(xiàn)C∶N和C∶P與植物的生長速率呈現(xiàn)出反比關(guān)系。本研究表明在秸稈覆蓋處理下各器官中C∶N 較無覆蓋處理小，其主要原因是秸稈覆蓋處理下促進(jìn)了微生物的繁殖，增強(qiáng)其活性所致［24］，微生物活性增強(qiáng)，數(shù)量增多，從而分解作用較快，無覆蓋處理下微生物數(shù)量較少，分解作用較慢，且分解需要消耗土壤中的有效氮素，且秸稈覆蓋處理會(huì)使小麥植株的綠葉時(shí)間延長，光合作用時(shí)間延長，所以氮素積累較多，因此秸稈覆蓋處理下C∶N較小，無覆蓋處理下C∶N 較大。C∶P 在不同耕作處理下表現(xiàn)為NTS>TS>NT>T，這是因?yàn)榻斩捀采w下春小麥各器官中OC 含量增高，而TP 由于其內(nèi)穩(wěn)性較強(qiáng)，在不同處理下各器官含量基本趨于穩(wěn)定。N∶P是判斷植物養(yǎng)分供給的重要指標(biāo)，氮磷養(yǎng)分的有效性是調(diào)節(jié)植物凋落物分解速率和生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的一個(gè)重要因素。本研究中，秸稈覆蓋處理下的N∶P 較無覆蓋處理大，免耕處理下N∶P 較耕作處理下大。研究表明植物中當(dāng)N∶P>16，生長受磷的限制，當(dāng)N∶P<14，受氮的限制，N∶P在14-16時(shí)氮磷共同限制植物的生長［25］，本研究中N∶P<14，這表明在黃土高原半干旱區(qū)春小麥生長受氮的限制，應(yīng)適當(dāng)?shù)氖┑时ＷC春小麥的正常生長發(fā)育。

3.3 不同耕作措施對(duì)春小麥干物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運(yùn)、分配和產(chǎn)量的影響

小麥籽粒產(chǎn)量主要來自光合產(chǎn)物的積累、各營養(yǎng)器官貯存干物質(zhì)再分配及非經(jīng)濟(jì)器官中碳水化合物和蛋白質(zhì)等貯藏性營養(yǎng)物質(zhì)的再分配，干物質(zhì)積累越多，產(chǎn)量越高。本研究表明免耕處理下春小麥干物質(zhì)積累總量和籽粒中干物質(zhì)總重高于耕作處理，秸稈覆蓋處理下花后各營養(yǎng)器官干物質(zhì)積累明顯升高。秸稈覆蓋處理下花后干物質(zhì)積累向籽粒的分配明顯高于無覆蓋處理，導(dǎo)致花后光合物質(zhì)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率顯著提高，較無覆蓋處理高38.34%，且秸稈覆蓋處理下春小麥有效穗數(shù)和千粒質(zhì)量顯著提高，導(dǎo)致產(chǎn)量較其他處理高，這可能是因?yàn)榻斩捀采w具有較好蓄水保墑和培肥地力的效果。李富寬等［26］在秸稈覆蓋的作用與機(jī)理中闡述的秸稈覆蓋增產(chǎn)效果；吳曉麗等［27］在四川省簡陽市英明村的小麥/玉米套作試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋可提高旱地小麥的地上部干物質(zhì)積累，提升小麥生長發(fā)育的質(zhì)量進(jìn)而提高籽粒產(chǎn)量［27］；王建波等［28］在山西省臨汾市的長期定位試驗(yàn)表明免耕加秸稈覆蓋利于水分和二氧化碳等通過氣孔進(jìn)行氣體的交換，提高小麥抽穗后的光合速率，為干物質(zhì)積累和光合產(chǎn)物向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)提供了保障，這些研究與本研究結(jié)果一致。但也有研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田量過多時(shí)對(duì)產(chǎn)量影響不明顯甚至減產(chǎn)，原因是秸稈還田時(shí)分解腐爛，導(dǎo)致有害物質(zhì)增加［29-30］，而在本研究中采用免耕秸稈覆蓋和傳統(tǒng)耕作+秸稈覆蓋，秸稈腐爛分解相對(duì)較慢，有害物質(zhì)沒有大量集中釋放，因此適量的秸稈還田加免耕的耕作措施提高了土壤肥力和保墑能力，從而增加了春小麥有效穗數(shù)和千粒質(zhì)量，且表現(xiàn)出了明顯的增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)春小麥高產(chǎn)。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)以黃土高原半干旱區(qū)春小麥為研究對(duì)象，分析了在不同耕作措施下春小麥各器官的化學(xué)計(jì)量特征、干物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運(yùn)和產(chǎn)量的變化特征，結(jié)論如下。

1） 在黃土高原半干旱區(qū)與傳統(tǒng)耕作相比，采用免耕+秸稈覆蓋的保護(hù)性耕作措施，可有效提高春小麥各器官養(yǎng)分含量，提高各器官中C∶P，降低C∶N，且P元素在該區(qū)有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

2） 秸稈覆蓋處理的耕作措施能夠有效提高花后干物質(zhì)積累對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率，促進(jìn)干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)，有效提高小麥籽粒干物質(zhì)量、有效穗數(shù)和千粒質(zhì)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)春小麥的高產(chǎn)。

3） NTS 為隴中黃土高原旱農(nóng)區(qū)最適宜的耕作措施，但該區(qū)春小麥的生長易受到N限制，應(yīng)在適宜時(shí)期適量的施用氮肥，從而確保春小麥的正常生長發(fā)育。