華北一年兩熟區(qū)玉米秸稈覆蓋對冬小麥生長的影響

王慶杰 王憲良 李洪文 何 進 張翼夫 黃幸媛

(中國農業(yè)大學工學院， 北京 100083)

華北一年兩熟區(qū)玉米秸稈覆蓋對冬小麥生長的影響

王慶杰 王憲良 李洪文 何 進 張翼夫 黃幸媛

(中國農業(yè)大學工學院， 北京 100083)

于2014—2016年在河北涿州保護性耕作試驗田開展了設置6種不同秸稈覆蓋還田量：5 t/hm2(全量還田，OM)、4 t/hm2(80%還田，EM)、3 t/hm2(60%還田，SM)、2 t/hm2(40%還田，F(xiàn)M)、1 t/hm2(20%還田，TM)及無秸稈覆蓋地表(NM)的田間試驗，分析了不同秸稈覆蓋量對田間土壤含水率、冬小麥出苗率、葉面積指數(shù)(LAI)、根系生長及產(chǎn)量的影響。試驗結果表明，秸稈覆蓋量與土壤含水率之間呈線性關系，含水率隨秸稈覆蓋量增大而增大；冬小麥出苗率隨秸稈覆蓋量先增大后減小，F(xiàn)M處理出苗率最優(yōu)，2014—2016年FM平均出苗率比TM、NM、SM、EM、OM分別大6.9%、10.0%、11.9%、23.8%、33.7%；2014—2016年冬小麥整個生長周期內，F(xiàn)M、TM、NM、SM、EM、OM處理平均LAI分別為5.3、4.5、3.6、4.0、3.3、3.0；2014—2016年FM、TM、NM、SM、EM、OM處理最大根長密度分別為0.98、0.95、0.93、0.93、0.86、0.67 cm/cm3；2014—2016年FM處理冬小麥平均產(chǎn)量分別比TM、NM、SM、EM、OM高2.94%、7.56%、7.91%、11.50%、13.53%。適量秸稈覆蓋(2 t/hm2)能促進冬小麥生長，實現(xiàn)增產(chǎn)，秸稈覆蓋量較大時應該增加播量并提高播種機防堵質量。

冬小麥； 玉米秸稈覆蓋； 土壤含水率； 出苗率； 葉面積指數(shù)； 產(chǎn)量

引言

秸稈覆蓋是保護性耕作核心技術之一，該技術可減少地表徑流，減輕土壤風蝕、水蝕，降低水分蒸發(fā)，提高水分利用效率[1]，對華北一年兩熟區(qū)農田節(jié)水具有重要意義。

目前，針對華北一年兩熟區(qū)玉米秸稈覆蓋的研究主要集中在秸稈覆蓋對土壤理化特性、土壤墑情、溫室氣體排放等方面的影響。陳軍鋒等[2]研究了凍融期秸稈覆蓋量對土壤剖面水熱時空變化的影響，表明秸稈覆蓋后顯著抑制了凍融期土壤溫度的變化幅度，秸稈覆蓋厚度為5 cm時的儲水保墑效果最佳。STAGNARI等[3]研究了保護性耕作條件下，秸稈覆蓋對大麥生長及產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈地表覆蓋能夠顯著增加土壤有機質，改善土壤環(huán)境，且覆蓋量為1.5 t/hm2對大麥產(chǎn)量的影響最大。張翼夫等[4]研究了華北玉米秸稈覆蓋對砂土、壤土水土保持效應的影響，表明砂土和壤土條件下，30%(1 600 kg/hm2)秸稈覆蓋能夠顯著提高土壤入滲總量，減少產(chǎn)沙總量(22.2%～46.4%)，對水土流失具有良好的防治效果。付強等[5]研究了秸稈覆蓋對季節(jié)性凍融期土壤水分特征的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋能有效平抑凍融期0～60 cm土壤液態(tài)含水率的變化幅度，有助于增加土壤墑情。

科研工作者已研發(fā)出一系列防堵效果較好的小麥免耕播種機[6-7]，為玉米秸稈覆蓋地小麥免耕播種技術在華北一年兩熟區(qū)的推廣應用奠定了基礎。但玉米秸稈覆蓋對冬小麥出苗生長影響研究結論不一：部分學者指出，秸稈覆蓋能夠增加土壤水分，提高土壤有機質含量，改善土壤特性，提高小麥產(chǎn)量[8-9]；也有學者認為，秸稈覆蓋引起土壤溫度日較差減小，造成小麥根區(qū)溫度較低，導致小麥根系發(fā)育滯后，影響小麥生長及產(chǎn)量[10-11]。因此研究秸稈覆蓋量對土壤水分及冬小麥生長的影響，對秸稈覆蓋還田技術推廣應用具有重要意義。

本文基于田間定位試驗，秸稈覆蓋量設置為5、4、3、2、1 t/hm2，以及無秸稈覆蓋6種措施，通過對比土壤含水率，冬小麥出苗率、葉面積指數(shù)、根系生長及產(chǎn)量，研究玉米秸稈覆蓋量對土壤水分及冬小麥生長的影響，旨在為華北一年兩熟區(qū)玉米秸稈還田技術實施提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗設置在中國農業(yè)大學農業(yè)部河北北部耕地保育科學觀測實驗站，于2014年9月—2016年7月進行。實驗站位于河北省保定市涿州東城坊鎮(zhèn)(東經(jīng)115°44′、北緯39°21′，海拔高度45 m)，該地區(qū)屬于典型暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，全年平均日照時數(shù)2 560 h，2014—2016年平均氣溫分別為12.3、13.6、11.2℃，年降水量分別為460、490、480 mm。土質為砂壤土，土壤pH值7.8，有機質質量分數(shù)1.5%。

1.2 試驗設置

試驗區(qū)為冬小麥-夏玉米一年兩作制，2011年實驗站結合當?shù)胤N植模式，開始施行保護性耕作。全年作業(yè)模式為：玉米聯(lián)合收獲—秸稈全量粉碎還田—冬小麥免耕施肥播種—噴除草劑—小麥聯(lián)合收獲—秸稈粉碎還田—玉米免耕施肥播種—噴藥除草—玉米聯(lián)合收獲。

試驗區(qū)使用2BMSF-12/6型小麥免耕播種機進行小麥播種，如圖1所示。該播種機通過條帶旋耕驅動防堵，實現(xiàn)秸稈覆蓋少耕播種。播種時選用魯墾麥9號種子，播種量300 kg/hm2，平均行距20 cm。施肥量為N 284 kg/hm2，P2O5102 kg/hm2，K2O 95 kg/hm2。

圖1 田間小麥播種Fig.1 Photo of field wheat sowing

試驗區(qū)每年玉米收獲秸稈總量為5 t/hm2，試驗在保護性耕作模式基礎上設置5、4、3、2、1 t/hm2(編號為OM、EM、SM、FM、TM)的秸稈覆蓋還田量，分別對應秸稈總量的100%、80%、60%、40%和20%，以無秸稈覆蓋(NM)為試驗對照組。每個小區(qū)面積為180 m2(15 m×12 m)，試驗采用完全隨機設計，各處理進行3次重復。

10月初玉米收獲后，利用秸稈均勻拋撒機將玉米秸稈粉碎并拋撒覆蓋于地表，再使用條帶旋耕式小麥少免耕播種機直接播種(圖1)。

1.3 測試方法

1.3.1 土壤體積含水率

分別在播種期、乳熟期、成熟期3個冬小麥關鍵生育期，用鐵鏟挖尺寸為60 cm×60 cm×30 cm方形剖面，使用環(huán)刀(高5 cm、直徑5 cm)分別取0～15 cm和15～30 cm的土樣，每個剖面重復3次，每個處理隨機沿“S”型重復取3個點。將土壤樣品帶回實驗室，用干燥箱(105～110℃)將土樣干燥至質量恒定，用精度0.01 g的天平測定土壤的質量并計算其質量含水率，換算為體積含水率

圖2 2014—2016年秸稈覆蓋量對土壤含水率的影響Fig.2 Effects of straw mulching amount on soil moisture content from 2014 to 2016

(1)

式中θv——土壤體積含水率，%ρb——土壤容重，g/cm3θm——土壤質量含水率，%

1.3.2 小麥生長指標

(1) 出苗率

在每個試驗小區(qū)的每種處理區(qū)域內隨機選取3個測量點，每個測量點以1 m2為測量單位，測定小麥出苗率。播種前測定所用冬小麥種子的千粒質量及播種機播種量，并計算其出苗率

(2)

式中Cm——小麥出苗率，%mh——每行出苗數(shù)n——每平方米行數(shù)ms——播種機1 m播種量Bz——小麥種子千粒質量

(2)葉面積指數(shù)

利用便攜式SunScan植物冠層分析系統(tǒng)(英國Delta-T公司)測量冬小麥葉面積指數(shù)(LAI)。分別在小麥越冬期、拔節(jié)期、開花灌漿期、成熟期，每個處理隨機選取3個點，在每個測試點利用SunScan植物冠層分析系統(tǒng)進行LAI測量。

(3)根系生長

在小麥成熟期的種植行利用Bi-partite型根鉆系統(tǒng)測量小麥根長密度。用根鉆取整株冬小麥根系，鉆取根系時按10 cm的間距向下分層鉆取，測至100 cm深度，將取得的根系用蒸餾水洗凈，利用AZR-100型根系生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行掃描、分析，計算根長密度。

1.3.3 產(chǎn)量

小麥成熟后，進行考種與計產(chǎn)，每個處理按照“S”型隨機取5個點，每個點將1 m×1 m范圍內的小麥全部取回，進行考種測產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運用Excel 2003和IBM SPSS Statistics 20.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，利用Origin 9.1進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 秸稈覆蓋對土壤體積含水率的影響

土壤水是作物吸收水分的主要來源，是保證作物生長發(fā)育的關鍵，是獲得作物高產(chǎn)的基礎。各秸稈覆蓋量處理下，2014—2015年和2015—2016年冬小麥生長期0～20 cm土層體積含水率如圖2所示。2014—2016年冬小麥播種期、乳熟期及成熟期土壤體積含水率總體上隨著秸稈覆蓋量增加而增大。2014—2015年，整個冬小麥生長周期內OM、EM、SM、FM、TM及NM處理條件下，平均土壤含水率分別為14.6%、14.1%、14.0%、13.6%、13.4%、13.3%；2015—2016年，整個冬小麥生長周期內OM、EM、SM、FM、TM及NM處理條件下，平均土壤含水率分別為16.5%、16.2%、16.1%、15.9%、15.6%、15.4%。

對土壤體積含水率曲線擬合及回歸分析可得，不同年份的冬小麥生長周期土壤體積含水率隨秸稈覆蓋量變化的線性擬合模型R2均在0.75以上，擬合程度較高；方差分析結果顯示相應p值均小于0.05，說明秸稈覆蓋對土壤體積含水率具有顯著影響；由不同年份各個關鍵生育期內的擬合方程系數(shù)對比可知，土壤體積含水率較低的年份系數(shù)較大，表明秸稈覆蓋量對干旱年份的土壤體積含水率的提高作用較明顯。

2.2 秸稈覆蓋對冬小麥植株生長的影響

2.2.1 出苗率

圖4 秸稈覆蓋量對冬小麥生育期葉面積指數(shù)的影響Fig.4 Effects of straw mulching amount on winter wheat leaf area index

圖3為2014—2016年秸稈覆蓋量對冬小麥出苗率的影響情況。由圖3可知，2015—2016年冬小麥出苗率高于2014—2015年冬小麥出苗率，隨著秸稈覆蓋量逐漸增大，2個季度的冬小麥出苗率均出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且2014—2016年出苗率數(shù)據(jù)顯示，秸稈覆蓋量為2 t/hm2(FM)時冬小麥出苗率最大，2014—2015年、2015—2016年最大出苗率分別為94.3%、95.7%。

圖3 2014—2016年秸稈覆蓋量對冬小麥出苗率的影響Fig.3 Effect of straw mulching amount on winter wheat emergence rate from 2014 to 2016

2.2.2 冬小麥葉面積指數(shù)

葉面積指數(shù)(LAI)反映作物生長狀況及生產(chǎn)力水平，對比農作物LAI及動態(tài)變化狀況，對作物長勢及產(chǎn)量預估具有重要意義[12]。圖4為2014—2016年，不同秸稈覆蓋量對小麥不同關鍵生育期葉面積指數(shù)的影響。由圖4可知，每種處理條件下，冬小麥生長期內葉面積指數(shù)均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，從越冬期到拔節(jié)期LAI實現(xiàn)快速增長，到開花灌漿期達到最大值，之后在成熟期緩慢下降。2014—2016年在不同冬小麥關鍵生育期內，各處理間冬小麥LAI由大到小表現(xiàn)為：FM、TM、SM、NM、EM、OM，且在拔節(jié)期、灌漿期、成熟期內FM處理LAI均顯著大于其他秸稈覆蓋量處理。

2.2.3 冬小麥根系生長

根系是小麥獲取水分和養(yǎng)分的重要器官，根系的生長狀況直接影響作物的生長發(fā)育及產(chǎn)量[13]。圖5為2014—2016年秸稈覆蓋量對冬小麥根長密度的影響。由圖5可知，2014—2016年FM處理小麥根長密度明顯大于TM、NM、SM、EM和OM處理，變化趨勢由大到小為：FM、TM、NM、SM、EM、OM。各處理的根長密度均在10 cm左右達到最大值，2014—2015年FM、TM、NM、SM、EM、OM處理最大根長密度分別為0.98、0.97、0.95、0.93、0.84、0.65 cm/cm3；2015—2016年最大根長密度分別為0.99、0.95、0.93、0.88、0.80、0.69 cm/cm3。

2.3 秸稈覆蓋對產(chǎn)量的影響

由圖6可知，隨著秸稈覆蓋量增加，2014—2015年及2015—2016年冬小麥產(chǎn)量出現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，當秸稈覆蓋量為2 t/hm2時冬小麥產(chǎn)量最大，2014—2016年FM處理小麥平均產(chǎn)量分別比TM、NM、SM、EM、OM高2.94%、7.56%、7.91%、11.50%、13.53%。2014—2015年SM處理比NM處理產(chǎn)量高1.3%，而2015—2016年SM處理比NM處理產(chǎn)量低2.0%。

圖5 秸稈覆蓋量對冬小麥根長密度的影響Fig.5 Effects of straw mulching amount on winter wheat root length density

圖6 秸稈覆蓋量對冬小麥產(chǎn)量的影響Fig.6 Effects of straw mulching amount on winter wheat yield

3 討論

3.1 秸稈覆蓋量對土壤含水率的影響

本文研究結果顯示，秸稈覆蓋能夠增加土壤含水率，兩者呈正相關，線性擬合程度較高，主要原因可能是秸稈覆蓋能夠顯著增加土壤入滲率，減少土壤水蝕[14]，且秸稈覆蓋能夠有效減少土壤水分蒸發(fā)[15-16]。大量研究還表明，秸稈覆蓋能夠增加土壤有機質含量，改善土壤團粒特性，增加土壤空隙，減少土壤板結現(xiàn)象，改善土壤理化特性和持水特性[4,17-18]。對冬小麥不同生育期擬合方程進行對比，還發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋量對土壤保墑作用與土壤自身含水率有關，主要因為前期土壤含水率較高時，與前期土壤含水率較低條件相比，土壤入滲率降低，土壤水蝕增大[19]，不利于土壤水分保持。

3.2 秸稈覆蓋量對冬小麥生長的影響

3.2.1 秸稈覆蓋對出苗率及LAI的影響

秸稈覆蓋方式及秸稈覆蓋量均會影響冬小麥出苗率和冬小麥苗后生長狀況[20-21]，本文研究表明，2014—2016年NM、TM、FM、SM、EM、OM處理冬小麥出苗率分別為86.4%、88.9%、95.0%、84.9%、76.7%、71.1%，出苗率隨秸稈覆蓋量的增大呈單峰變化趨勢。覆蓋量0～2 t/hm2時，覆蓋量越大，出苗率越高，這是因為秸稈覆蓋量較少，不僅不能阻礙冬小麥突破秸稈層，并且因為秸稈覆蓋改善土壤水熱特性促進冬小麥出苗，這與陳素英等[16]、沈學善等[22]的研究結果一致。而當覆蓋量大于3 t/hm2時，出苗率減小。該結果與趙麗等[23]的研究結果一致，可能是因為秸稈覆蓋量過大時，導致小麥發(fā)芽后難以突破秸稈層，導致麥苗接收不到陽光，造成黃苗、死苗現(xiàn)象[21]。但是沈學善等[22]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈全量還田可通過改善耕層土壤理化性狀提高冬小麥出苗質量，這可能是因為由于降水等氣候原因或者播種機播量播深等問題導致冬小麥出苗受秸稈覆蓋影響較小。

另外部分研究表明[24-27]，免耕播種機的種床準備、排種流暢性及防堵性能等質量問題也是影響冬小麥出苗率的重要原因。王寧等[28]研究表明，玉米秸稈半量覆蓋還田處理小麥葉面積指數(shù)顯著高于全量還田和未還田處理，玉米秸稈還田能提高小麥LAI。本研究表明隨著秸稈覆蓋量增加，冬小麥LAI先增大后減小，冬小麥LAI在FM處理時達到最大值，LAI增大的主要原因可能是覆蓋的秸稈腐解過程改善了土壤理化性狀，促進小麥生長發(fā)育[29]。

3.2.2 秸稈覆蓋對冬小麥根系的影響

本研究結果顯示，2014—2015年FM、TM、NM、SM、EM、OM處理最大根長密度分別為0.98、0.97、0.95、0.93、0.84、0.65 cm/cm3；2015—2016年最大根長密度分別為0.99、0.95、0.93、0.88、0.80、0.69 cm/cm3，在不同秸稈覆蓋量條件下，隨秸稈覆蓋率增加根系密度增大,其主要原因是秸稈還田能夠促進冬小麥次生根發(fā)生，提高根系活力，同時秸稈覆蓋增大土壤含水率，對深層根系具有延緩衰老的作用[30]，但隨著秸稈覆蓋率增加的同時會出現(xiàn)根系密度減小的趨勢，主要因為大量秸稈覆蓋會嚴重影響冬小麥出苗率及冬小麥生長，且大量秸稈使土壤濕度較大，土壤容易受外力影響而發(fā)生緊實現(xiàn)象，此外大量秸稈覆蓋還會因農機具輪胎滑移率增加而壓實土壤，這些是根長密度減小的誘因[31]。

3.3 秸稈覆蓋量對冬小麥產(chǎn)量的影響

小麥產(chǎn)量變化是眾多因素綜合影響的結果，高亞軍等[32]通過大量分析得出秸稈大量覆蓋導致作物減產(chǎn)的機理，主要包括秸稈覆蓋降低地溫、導致病蟲害發(fā)生、影響水熱交換等。本文結果顯示，2014—2016年FM處理冬小麥產(chǎn)量分別比TM、NM、SM、EM、OM高2.94%、7.56%、7.91%、11.50%、13.53%，主要因為少量秸稈覆蓋能夠增加土壤水分，改善土壤環(huán)境，提高作物出苗率，促進冬小麥生長及根系發(fā)育，引起冬小麥增產(chǎn)，而過量秸稈覆蓋主要通過影響冬小麥出苗，導致減產(chǎn)。2014—2015年SM處理比NM處理產(chǎn)量高1.3%，而2015—2016年SM處理比NM處理產(chǎn)量低2.0%，產(chǎn)生這種變化可能主要由于2015—2016年降水較2014—2015年多所致。

4 結論

(1)秸稈覆蓋能夠顯著增加0～20 cm土壤含水率，且土壤含水率與秸稈覆蓋量之間呈線性相關性。秸稈覆蓋量對土壤含水率增加作用與前期土壤含水率有關系，秸稈覆蓋對干旱土壤保墑作用較明顯。

(2)玉米秸稈覆蓋量對冬小麥出苗率及后期生長影響呈單峰值變化，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。

(3)在華北一年兩熟區(qū)，玉米秸稈覆蓋條件下少免耕播種冬小麥，玉米秸稈還田量應適宜，不宜過小或過大，秸稈覆蓋量2 t/hm2較佳。

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Effect of Maize Straw Mulching on Winter Wheat Growth in Double Cropping Area of Northern China

WANG Qingjie WANG Xianliang LI Hongwen HE Jin ZHANG Yifu HUANG Xingyuan

(CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

Straw mulching is one of the core techniques of conservation tillage, which can reduce soil erosion and improve soil water use efficiency. Some researchers believe that straw mulching is conducive to wheat growth, while some researchers repute that straw mulching could hinder winter wheat growth. In order to investigate the effect of maize straw mulching on winter wheat growth in North China region under double cropping area, a three-year (2014 to 2016) field experiment was carried out in Zhuozhou City, Hebei Province conservation tillage experiment land. The experiment was performed using randomized complete block design with three replications. A series of straw mulching were arranged in field experiment, including 5 t/hm2(OM), 4 t/hm2(EM), 3 t/hm2(SM), 2 t/hm2(FM), 1 t/hm2(TM)and 0 t/hm2(NM), which was controlled trials. The effect of maize straw mulching on soil volume water content, wheat emergence rate, wheat leaf area index, maize root dry weight and yield were evaluated. The results indicated that there was a linear relationship between maize straw mulching quantity and soil water content, the soil water content was increased with the increase of straw mulching amount. The emergence rate of wheat was increased with the increase of straw mulching amount, and FM treatment got the maximum emergence rate. The wheat emergence under FM treatment was significantly higher than those under TM, NM, SM, EM and OM treatments, and the average emergence rate under FM treatment was increased by 6.9%, 10.0%, 11.9%, 23.8% and 33.7%, respectively, compared with those under TM, NM, SM, EM and OM treatments during the period from 2014 to 2016. The mean wheat LAI under FM, TM, NM, SM, EM and OM treatments was 5.3, 4.5, 3.6, 4.0, 3.3 and 3.0, respectively, in the whole wheat growing season during the period from 2014 to 2016. The maximum mean wheat root density of wheat under FM, TM, NM, SM, EM and OM treatments was 0.98 cm/cm3, 0.95 cm/cm3, 0.93 cm/cm3, 0.93 cm/cm3, 0.86 cm/cm3and 0.67 cm/cm3, respectively, during the period from 2014 to 2016. The mean yield of winter wheat under FM treatment was increased by 2.94%, 7.56%, 7.91%, 11.50% and 13.53%, respectively, compared with TM, NM, SM, EM and OM treatments during the period from 2014 to 2016. Finally, it was concluded that appropriate amount of straw mulching (2 t/hm2) could promote wheat growth and increase yield. The seeding rate should be increased and the qualities of no-tillage seeders should be improved, especially in anti-blocking device and sowing depth consistency. The research result can be helpful to the promotion of the technology of straw return in annual maize-wheat rotation cropping region of North China.

winter wheat; maize straw mulching; soil water content; emergence rate; leaf area index; yield

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.022

2016-12-28

2017-02-08

公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201503136)

王慶杰(1979—)，男，副教授，博士生導師，主要從事保護性耕作研究，E-mail： wangqingjie@cau.edu.cn

李洪文(1968—)，男，教授，博士生導師，主要從事保護性耕作研究，E-mail： lhwen@cau.edu.cn

S365

A

1000-1298(2017)08-0192-07