薛志偉,贠超,楊春玲
(安陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,河南 安陽(yáng) 455000)
小麥為我國(guó)三大糧食作物之一,是我國(guó)人民的重要口糧,在糧食生產(chǎn)中具有重要地位。然而,當(dāng)前我國(guó)多地存在耕地質(zhì)量偏低、環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題。冬小麥從播種到子粒成熟經(jīng)歷多個(gè)生育階段,其中栽培技術(shù)對(duì)小麥子粒產(chǎn)量具有明顯的調(diào)控作用。同一品種在不同地區(qū)、不同土壤條件、不同栽培措施下,特性呈現(xiàn)出明顯差異。氮肥減量施用技術(shù)是一種平衡作物氮養(yǎng)分需求與土壤養(yǎng)分供應(yīng)關(guān)系的技術(shù),對(duì)提高肥料利用率具有積極影響[1]。華北地區(qū)種植制度為冬小麥—夏玉米一年兩熟制,秸稈資源十分豐富[2]。近年來(lái),華北地區(qū)農(nóng)民秸稈還田意識(shí)不斷增強(qiáng),秸稈還田率逐步提高。
減量施氮和秸稈還田措施在保證小麥產(chǎn)量的同時(shí),可提高肥料利用率,減輕生態(tài)環(huán)境惡化的壓力。對(duì)減量施氮和秸稈還田的迫切性及其對(duì)小麥生長(zhǎng)與產(chǎn)量的影響進(jìn)行綜述,旨為推動(dòng)小麥科學(xué)施肥和資源高效利用提供參考。
氮是小麥高產(chǎn)必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素,同時(shí)也是限制作物產(chǎn)量提高的重要養(yǎng)分因子[3]。氮肥在小麥產(chǎn)量形成過(guò)程中發(fā)揮著極其重要的作用,可影響小麥葉片葉綠素含量和光合速率,調(diào)節(jié)多種酶活性,協(xié)調(diào)碳氮代謝水平,調(diào)控可溶性糖和淀粉等同化物含量,促進(jìn)干物質(zhì)積累[4,5]。
建國(guó)以來(lái),為提高作物產(chǎn)量,農(nóng)民對(duì)化肥的依賴性強(qiáng),不斷增加化肥投入。黃淮海麥區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,過(guò)量施氮現(xiàn)象非常普遍,尤其在創(chuàng)建高產(chǎn)、超高產(chǎn)栽培中持續(xù)大量施用氮肥。近年來(lái),小麥產(chǎn)量的增加趨勢(shì)并未與氮肥施用量的增加呈正比。以華北地區(qū)為例,農(nóng)民在冬小麥生長(zhǎng)季節(jié)氮肥施用量約為300 kg/hm2,而氮肥利用率僅為20%[6~8]。
過(guò)量施用氮肥不僅造成氮肥利用和效率經(jīng)濟(jì)效益降低,影響小麥產(chǎn)量潛力的發(fā)揮,還造成子粒品質(zhì)下降[9~12]。長(zhǎng)期大量施用氮肥導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境不斷惡化,氮素淋失、氧化亞氮等溫室氣體排放量增加、地表水富營(yíng)養(yǎng)化、地下水污染嚴(yán)重、耕地質(zhì)量退化等負(fù)面影響不斷出現(xiàn)[13~15]。
過(guò)量施用氮肥不利于小麥健壯生長(zhǎng),易導(dǎo)致小麥生長(zhǎng)前期葉片肥大、植株旺長(zhǎng),后期出現(xiàn)葉色濃綠,植株貪青、晚熟等一系列問(wèn)題[16];還易導(dǎo)致莖稈重心高度明顯提高,基部節(jié)間厚度和抗倒指數(shù)顯著降低,造成小麥減產(chǎn)[17]。研究表明,在一定施氮水平內(nèi),子粒產(chǎn)量隨著施氮量的增加而明顯增加;但施氮水平超過(guò)一定程度后,繼續(xù)增施氮肥,產(chǎn)量增加不明顯,甚至出現(xiàn)降低[18,19]。
氮肥主要通過(guò)為根系提供必需的氮源和能源,改善個(gè)體根系性狀,增加個(gè)體光合速率和干物重,進(jìn)而提高光合性能和產(chǎn)量。常規(guī)施氮量為240 kg/hm2時(shí),減氮15%對(duì)華成3366根表面積和根體積影響不顯著,減氮30%會(huì)導(dǎo)致小麥根長(zhǎng)、根表面積和根體積均顯著降低[18]。在保持土壤適墑的情況下,當(dāng)施氮量從270 kg/hm2減至195 kg/hm2,即施氮量減少25%~30%時(shí),小麥旗葉仍保持較強(qiáng)的光合性能[20]。養(yǎng)分積累是作物干物質(zhì)生產(chǎn)的前提,干物質(zhì)積累是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。施用氮肥可增加小麥單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù),擴(kuò)大子粒庫(kù)容,但較高的施氮量不利于營(yíng)養(yǎng)器官貯存物質(zhì)向子粒中的再分配,最終導(dǎo)致小麥粒重降低,影響小麥產(chǎn)量的進(jìn)一步提高。研究表明,當(dāng)施氮量從270 kg/hm2減至225 kg/hm2時(shí),子粒產(chǎn)量雖有所下降,但差異并未達(dá)到顯著水平[21]。合理施氮可提高干物質(zhì)積累速率,增加小麥干物質(zhì)積累量,保證子粒穩(wěn)產(chǎn)[22,23]。與施用全氮196 kg/hm2相比,鶴壁市高產(chǎn)區(qū)減施氮肥20%對(duì)地上部干物質(zhì)積累量影響很小,仍擁有較高的養(yǎng)分積累量,能夠保證冬小麥穩(wěn)產(chǎn)[24]。
農(nóng)作物秸稈為一種重要的生物資源,既含有作物必需的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素,又具有改善土壤理化性狀、提高土壤肥力等重要作用[25]。近年來(lái),我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)連年豐收,秸稈資源十分豐富,且呈現(xiàn)連年遞增的趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì),2015年我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源總量約為9.3億t,其中可利用秸稈量為7.7億t[26]。農(nóng)作物秸稈不合理利用,不僅是巨大的資源浪費(fèi),而且還可能成為污染源危害環(huán)境[27]。隨著農(nóng)民生活水平的提高,農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和農(nóng)村能源不斷發(fā)展,大部分農(nóng)民不再將秸稈作為主要的燃料和有機(jī)肥,而是將農(nóng)作物秸稈就地丟棄或焚燒,不僅會(huì)造成空氣污染,危害人們身體健康,而且還會(huì)造成破壞土壤結(jié)構(gòu)等一系列的不良影響[28,29]。
秸稈還田措施是保護(hù)性耕作技術(shù)的重要組成部分,可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,提升地力[30,31];促進(jìn)氮素礦化,改變微生物群落[32,33];降低土壤容重,改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤通透性和蓄水保肥能力[34];有效增加作物產(chǎn)量,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的雙贏[35]。秸稈還田對(duì)表層土壤濕度影響較大,秸稈覆蓋可增加土壤孔隙度,更好地保護(hù)土壤物理結(jié)構(gòu)[36]。秸稈翻埋可增加土壤表層的無(wú)機(jī)氮量,對(duì)土壤氮礦化有正向效應(yīng)。與不還田相比,秸稈還田在小麥生育期開(kāi)始和結(jié)束時(shí)均會(huì)增加土壤微生物的氮含量[37]。秸稈還田有提高土壤活性有機(jī)碳氮的作用,土壤中的有機(jī)碳會(huì)隨著施氮量的增加而增加,但過(guò)量施用氮肥對(duì)活性碳氮的提高有抑制作用[38]。
秸稈還田可以改變耕層土壤的供肥特性,影響小麥生育前期的分蘗情況[39]。適量的秸稈還田能明顯提高冬小麥葉片SPAD值,使灌漿中后期旗葉的葉綠素含量保持在一定水平,延緩旗葉衰老;同時(shí)改善旗葉的光合性能,顯著抑制光合速率的下降[40,41]。秸稈還田條件下,產(chǎn)量三要素也會(huì)發(fā)生變化。適量玉米秸稈還田可提高冬小麥的結(jié)實(shí)小穗數(shù)和小穗結(jié)實(shí)數(shù),降低不孕小穗數(shù);提高小麥千粒重,明顯降低有效穗數(shù),總體來(lái)說(shuō)秸稈還田對(duì)子粒產(chǎn)量的提高具有促進(jìn)作用[41,42]。
減量施氮和秸稈還田后,小麥的生長(zhǎng)和產(chǎn)量受多因素影響。單鶴翔等[43]在盆栽試驗(yàn)中使用同位素標(biāo)記研究了不同肥力下施氮與秸稈還田對(duì)冬小麥氮素吸收利用的影響,結(jié)果表明,在施用等量氮肥的條件下,秸稈還田可降低冬小麥地上部氮素積累量,增加氮肥土壤殘留率;施氮量從150 kg/hm2提高至300 kg/hm2時(shí),地上部氮素積累量也隨之增加。與不還田相比,秸稈還田小麥對(duì)無(wú)機(jī)氮固持增加,且生育中期固持量遠(yuǎn)高于前期[44]。
施氮量為180kg/hm2時(shí),秸稈還田能增加鄭麥366的成穗數(shù)和千粒重,并提高產(chǎn)量;施氮量為270 kg/hm2時(shí),秸稈還田會(huì)抑制小麥分蘗和穗的發(fā)育,導(dǎo)致穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量降低[45]。與單施氮肥相比,秸稈還田配施氮肥處理的冬小麥植株干物質(zhì)積累在抽穗前后呈先低后高的趨勢(shì),這種變化動(dòng)態(tài)有利于提高千粒重和子粒產(chǎn)量[46,47]。與單施氮肥相比,秸稈還田配施氮肥可改善土壤理化性質(zhì),提高冬小麥根系活力;增加葉綠素含量,延長(zhǎng)花后旗葉SPAD值高水平持續(xù)期;增強(qiáng)光合作用,進(jìn)而提高生育后期干物質(zhì)積累量,改善光合產(chǎn)物分配比例,提高氮素利用效率[48,49]。秸稈還田配施氮肥(施氮量225 kg/hm2)可增加冬小麥冬前分蘗和春季最大分蘗,提高成穗率,產(chǎn)量分別較單施氮肥、單純秸稈還田增加7.7%和6.1%[50]。與單施氮肥90、180、270、360 kg/hm2相比,秸稈還田配施氮肥處理的小麥?zhǔn)斋@指數(shù)逐漸下降,子粒產(chǎn)量呈先增加后降低的變化,綜合考慮認(rèn)為,秸稈還田配施氮肥180~270 kg/hm2為宜[46]。河南省??h秸稈還田配施不同水平氮肥的試驗(yàn)結(jié)果表明,在充分考慮氮素利用效率、麥田氮素平衡和子粒產(chǎn)量的情況下,推薦施氮量為225 kg/hm2[51]。
減量施氮和秸稈還田是一種對(duì)環(huán)境友好的農(nóng)藝措施,并對(duì)小麥產(chǎn)量起到一定的保障。長(zhǎng)期的減量施氮和秸稈還田是否可以持續(xù)穩(wěn)定小麥產(chǎn)量,尚有待進(jìn)一步研究。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)被認(rèn)為是一種比較好的選擇,但是長(zhǎng)時(shí)間種植一種作物帶來(lái)的連作障礙、土壤板結(jié)、犁底層加厚以及秸稈還田帶來(lái)的病蟲(chóng)害等問(wèn)題都需要考慮。在華北地區(qū)由于前茬玉米秸稈量過(guò)大,影響冬小麥免耕播種的出苗質(zhì)量,進(jìn)而對(duì)小麥產(chǎn)量造成一定的負(fù)面影響。因此,進(jìn)行減量施氮和秸稈還田時(shí),應(yīng)注意改善秸稈還田方式,降低前茬玉米秸稈對(duì)小麥出苗的不利影響。此外,目前的研究集中于減量施氮和秸稈還田整體對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響,2種農(nóng)藝管理措施對(duì)小麥生長(zhǎng)的交互影響還有待進(jìn)一步研究。