秸稈覆蓋時間和覆蓋量對冬小麥田溫度效應(yīng)及地上地下生長的影響*

閆宗正, 陳素英, 張喜英, 牛君仿, 邵立威

?

秸稈覆蓋時間和覆蓋量對冬小麥田溫度效應(yīng)及地上地下生長的影響*

閆宗正1,2, 陳素英1,3**, 張喜英1, 牛君仿1, 邵立威1

(1. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室 石家莊 050022; 2. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 3. 中國科學(xué)院中-非聯(lián)合研究中心 內(nèi)羅畢 00200)

為探明華北平原灌溉條件下秸稈覆蓋的土壤溫度效應(yīng)對冬小麥根系和籽粒產(chǎn)量的影響, 利用大田試驗研究了不同秸稈覆蓋時間和覆蓋量處理對冬小麥土壤溫度、根系和籽粒產(chǎn)量的影響。試驗設(shè)冬小麥播種后覆蓋和三葉期覆蓋, 覆蓋量設(shè)上茬作物(夏玉米)秸稈全量覆蓋(HM)、1/2量覆蓋(MM)、1/3量覆蓋(LM)和不覆蓋(CK)。結(jié)果表明: 1)與不覆蓋(CK)相比, 播種后覆蓋和三葉期覆蓋冬小麥產(chǎn)量分別降低8.6%和2.0%, 播種后覆蓋減產(chǎn)幅度大于三葉期覆蓋; 播種后減產(chǎn)是由于小麥千粒重比CK降低4.1%、穗粒數(shù)降低6.6%和收獲指數(shù)降低2.4%, 三葉期覆蓋減產(chǎn)的原因是收獲時有效穗數(shù)比CK降低5.8%造成。播種后覆蓋處理中隨著覆蓋量的增加千粒重、有效穗數(shù)、收獲指數(shù)顯著降低, 三葉期覆蓋處理的產(chǎn)量構(gòu)成沒有顯著差異。2)秸稈覆蓋對小麥分蘗期和越冬期(冬季)土壤溫度具有提升作用。覆蓋處理日均溫平均比CK提高0.56 ℃; 小麥返青期后隨著氣溫的升高, 秸稈覆蓋具有降溫作用。冬季秸稈覆蓋提升土壤溫度的貢獻(xiàn)主要是提升了夜間土壤溫度, 返青后降溫的作用是降低白天的土壤溫度; 冬季隨覆蓋量增加增溫效應(yīng)增大, 返青后隨著覆蓋量的增加降溫效應(yīng)增加, 各覆蓋處理間的土壤溫度差異不顯著。3)秸稈覆蓋促進(jìn)了冬季冬小麥根系生長, 秸稈覆蓋處理的根長密度大于CK; 返青后秸稈覆蓋減弱了根系生長, 至揚花期隨小麥冠層覆蓋度增加, 秸稈覆蓋與CK的根長密度差異減小。由于小麥分蘗期和越冬期土壤溫度高于CK, 根系生長快于CK, 消耗了更多的土壤氮, 造成返青—拔節(jié)期土壤全氮含量低于CK。因此, 華北平原冬小麥-夏玉米一年兩熟灌溉區(qū), 為了降低秸稈覆蓋對冬小麥產(chǎn)量的不利作用, 秸稈覆蓋應(yīng)在三葉期后實施, 覆蓋量采用上茬玉米秸稈產(chǎn)量的1/3~1/2, 其余秸稈可以用于畜牧業(yè)飼料。

冬小麥; 秸稈覆蓋; 土壤溫度; 根長密度; 籽粒產(chǎn)量

秸稈覆蓋具有明顯的調(diào)節(jié)土壤溫度和保墑效應(yīng)[1-3], 對緩解旱作區(qū)水資源短缺和糧食增產(chǎn)具有重要意義。秸稈覆蓋對土壤溫度和產(chǎn)量的影響因覆蓋數(shù)量、覆蓋時間、當(dāng)?shù)貧夂驐l件等不同有較大差異[4-5]。旱作區(qū)多點試驗表明, 秸稈覆蓋下小麥比不覆蓋可增產(chǎn)10%~15%[6-7]; 夏閑期秸稈覆蓋冬小麥可增產(chǎn)10%~20%, 干旱年份可達(dá)到50%[8-9]。但在有灌溉條件的冬小麥-夏玉米一年兩熟種植區(qū)域, 秸稈覆蓋冬小麥產(chǎn)量有增產(chǎn)和減產(chǎn)兩種效應(yīng), 并且減產(chǎn)幅度隨著覆蓋量的增加而增加[5,10-11]。

關(guān)于秸稈覆蓋的研究很多, 大多集中在秸稈覆蓋對土壤溫度、濕度、產(chǎn)量、水分利用效率等效應(yīng)的研究。而關(guān)于秸稈覆蓋冬小麥減產(chǎn)的原因研究還比較少[12-13]。秸稈覆蓋具有在低溫季節(jié)增加土壤溫度、高溫季節(jié)降低土壤溫度的雙重效應(yīng), 目前關(guān)于減產(chǎn)的原因主要歸結(jié)為秸稈覆蓋對土壤溫度的影響[12-13]。張樹蘭等[14]研究表明, 旱地秸稈覆蓋冬小麥, 由于冬季的增溫效應(yīng)促進(jìn)了小麥生育前期旺長消耗大量土壤水分, 造成小麥后期嚴(yán)重的水分脅迫, 影響籽粒灌漿, 造成收獲指數(shù)和產(chǎn)量降低。我們前期的研究表明[1,15], 秸稈覆蓋下耕層溫度降低可能是引起小麥生長發(fā)育滯后和產(chǎn)量降低的主導(dǎo)因素, 秸稈覆蓋冬小麥返青期推遲3~5 d, 灌漿期延遲3~7 d, 小麥灌漿后期遇到干熱風(fēng)危害, 縮短秸稈覆蓋小麥的灌漿時間, 降低籽粒千粒重。秸稈覆蓋減產(chǎn)的另一個原因是對小麥穗數(shù)的影響。趙麗等[16]研究表明, 秸稈覆蓋率和小麥出苗率之間呈二次或三次曲線擬合關(guān)系, 秸稈覆蓋度和秸稈覆蓋量都不同程度地影響到小麥出苗率; 不論秸稈覆蓋數(shù)量多少, 也不論是覆蓋時間早晚, 均會對作物種子發(fā)芽、出苗及幼苗生長產(chǎn)生抑制作用, 覆蓋量越大, 抑制作用越明顯。為了進(jìn)一步驗證秸稈覆蓋時間和覆蓋量對冬小麥生長的效應(yīng), 本文設(shè)置不同的秸稈覆蓋時間和覆蓋量, 探討冬小麥產(chǎn)量變化及其變化特征。

秸稈覆蓋引起的耕層土壤溫度變化對作物生長和產(chǎn)量影響是一個復(fù)雜的過程, 根層土壤溫度的變化會對植物的生理生化代謝, 如根系對水分和養(yǎng)分的吸收、養(yǎng)分的運輸功能、激素代謝等產(chǎn)生影響, 最終反映到對作物生長的發(fā)育過程和產(chǎn)量的影響[17-18]。為此本文利用土壤溫度自動觀測儀器系統(tǒng)觀測了不同秸稈覆蓋量下耕層土壤溫度的變化及對小麥根系及土壤全氮含量和產(chǎn)量的影響, 探討華北平原灌溉冬小麥-夏玉米兩熟區(qū)冬小麥季的秸稈覆蓋效應(yīng), 為發(fā)揮秸稈覆蓋優(yōu)勢, 提高覆蓋效益提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點描述

試驗于2013年10月11日—2014年6月9日在中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站進(jìn)行(37°50￠N, 114°40￠E), 海拔高度50.1 m。屬于暖溫帶半濕潤、半干旱季風(fēng)氣候, 多年平均降雨量480 mm。主要種植模式為冬小麥-夏玉米一年兩熟制, 兩季作物年耗水量800 mm左右, 必須依靠灌溉保證作物高產(chǎn)。土壤為褐土類灰黃土種。0~2 m土層平均田間持水量36%(/), 耕層土壤有機(jī)質(zhì)17 g·kg?1, 全氮1.11 g·kg?1, 速效氮、速效磷、速效鉀分別為80 mg·kg?1、21 mg·kg?1和120 mg·kg?1。

1.2 試驗處理

試驗設(shè)兩個因素, 分別為覆蓋時間和覆蓋量。覆蓋時期設(shè)播種后立即覆蓋(P)和三葉期覆蓋(T), 播種后覆蓋時間為10月14日, 三葉期覆蓋時間為10月28日。覆蓋量設(shè)3個處理, 根據(jù)上茬夏玉米秸稈產(chǎn)量確定, 分別為2 450 kg·hm?2(相當(dāng)于1/3秸稈產(chǎn)量, LM)、3 675 kg·hm?2(相當(dāng)于1/2秸稈產(chǎn)量, MM)和7 350 kg·hm?2(相當(dāng)于全部的秸稈產(chǎn)量, HM); 以不覆蓋為對照(CK)。試驗共7個處理, 分別為CK、PLM、PMM、PHM、TLM、TMM、THM, 小區(qū)面積為5 m×7 m, 隨機(jī)排列, 每個處理4次重復(fù)。玉米秸稈粉碎為5~10 cm的秸稈段, 覆蓋在整個小區(qū), 包括小麥行間和行上。

小麥15 cm等行距播種, 品種為‘科農(nóng)1006’, 播種量187.5 kg·hm?2, 底肥為磷酸二銨525 kg·hm?2和尿素225 kg·hm?2, 追肥(2014年3月23日)為225 kg·hm?2尿素。生育期灌溉2次, 2014年3月23日(拔節(jié)期)和2014年5月17日(灌漿期), 次灌溉量為75 mm。

1.3 參數(shù)觀測及計算方法

土壤溫度:采用銅鎳熱電偶和數(shù)據(jù)采集器(CR1000, Campbell Scientific, USA)自動采集, 測定深度為5 cm、10 cm、20 cm和40 cm, 采集頻率為30 min 1次。每個處理4個重復(fù)。溫度傳感器設(shè)置在三葉期覆蓋的CK、LM、MM和HM小區(qū)中。

根長密度:用直徑10 cm的根鉆參照B?hm[19]的方法, 在冬小麥不同生育期進(jìn)行根系取樣, 取樣位置為小麥行上, 10 cm為一層, 越冬期的取樣深度為60 cm, 返青期及其以后為120 cm或者150 cm。每個處理取4個重復(fù)。取樣后立即帶回試驗室, 用0.25 mm土壤篩洗凈根系, 去除雜質(zhì), 然后用1.27 cm刻度根盤測量根長[20]。計算根長密度(RLD), 根長密度定義為單位土壤體積中的根長, 單位為cm?cm-3。

籽粒產(chǎn)量:冬小麥?zhǔn)斋@時各小區(qū)單獨收獲, 脫粒曬干后計算小麥籽粒產(chǎn)量, 折算成單產(chǎn)。并隨機(jī)在每個小區(qū)內(nèi)選擇40穗小麥考種, 考種項目包括穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和收獲指數(shù)。

1.4 氣象數(shù)據(jù)

來自中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站建有的標(biāo)準(zhǔn)氣象站, 氣象站距離試驗地50 m。

1.5 數(shù)據(jù)處理

各處理取多次重復(fù)測定的數(shù)據(jù)計算平均值, 并計算標(biāo)準(zhǔn)偏差; 用SPSS軟件分析不同處理間顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥生育期劃分

試驗期間研究區(qū)冬小麥生育期的平均氣溫為8.09 ℃, 有效積溫1 958.0 ℃, 累積降雨量47.9 mm。根據(jù)田間觀測將冬小麥整個生育期分成6個生育時期, 分別為播種—三葉期、分蘗期、越冬—返青期、返青—拔節(jié)期、拔節(jié)—揚花期、揚花—成熟期, 各生育期的平均氣溫、有效積溫和累積降雨量見表1。

2.2 不同覆蓋處理對冬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成及收獲指數(shù)的影響

從表2可知, CK的小麥產(chǎn)量最高, 播種后全量秸稈覆蓋處理(PHM)產(chǎn)量最低, 兩者產(chǎn)量相差18.7%, 差異達(dá)到顯著(<0.05)。三葉期覆蓋平均冬小麥產(chǎn)量為7 564.9 kg?hm-2, 播后覆蓋平均為7 051.4 kg?hm-2, 分別比CK降低2.0%和8.6%, 三葉期覆蓋的產(chǎn)量高于播種后覆蓋處理。從秸稈覆蓋量對冬小麥產(chǎn)量的影響來看, 三葉期不同覆蓋量處理與CK差異不顯著; 播后覆蓋處理(P)隨覆蓋量增加, 小麥減產(chǎn)幅度增加, 全量秸稈覆蓋(PHM)與CK差異顯著。因此, 冬小麥田三葉期實施秸稈覆蓋更有利于小麥產(chǎn)量形成, 同時可以防止秸稈冬季被風(fēng)吹走, 并可減少秸稈對出苗的影響。

表1 研究期間冬小麥生育期的平均氣溫、有效積溫與降雨量

從表2還可以看出, 三葉期覆蓋的小麥千粒重高于播種后覆蓋處理; 三葉期覆蓋對小麥千粒重影響不大, 處理間及與CK的差異均不顯著; 播種后覆蓋隨覆蓋量增加, 千粒重呈逐漸降低趨勢, 1/2量和全量覆蓋處理(PMM、PHM)與CK間及全量覆蓋(PHM)與1/3量秸稈覆蓋差異顯著(<0.05); 覆蓋處理千粒重平均比CK降低4.1%。三葉期覆蓋下穗粒數(shù)雖較CK有所提高, 但差異不顯著; 播種后覆蓋處理的穗粒數(shù)低于CK, 除1/3量(PLM)處理外, 其余處理與CK差異不顯著; 覆蓋處理穗粒數(shù)平均比CK降低6.6%。無論是三葉期覆蓋還是播種后覆蓋處理均表現(xiàn)為, 隨著覆蓋量增加成熟期有效穗數(shù)逐漸降低, 其中全量覆蓋(HM)最低, 1/3量覆蓋(LM)最高, 兩者差異顯著, 其他處理的有效穗數(shù)差異不顯著。

冬小麥?zhǔn)斋@指數(shù)以三葉期覆蓋處理高于播種后覆蓋處理。三葉期覆蓋下全量覆蓋處理(THM)最高, 顯著高于CK; 播后覆蓋均顯著低于三葉期覆蓋處理, 全量覆蓋處理(PHM)顯著低于CK。

從不同覆蓋處理對冬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成與收獲指數(shù)的影響來看, 三葉期覆蓋的減產(chǎn)效應(yīng)低于播種后覆蓋。播種后覆蓋減產(chǎn)是千粒重、穗粒數(shù)和收獲指數(shù)降低造成, 三葉期覆蓋減產(chǎn)的主要原因是有效穗數(shù)的降低。

表2 不同秸稈覆蓋時間和覆蓋量處理對小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成和收獲指數(shù)的影響

同列不同小寫字母表示處理間0.05水平差異顯著。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

2.3 不同覆蓋處理對土壤溫度的影響

2.3.1 冬小麥不同生育期土壤溫度對秸稈覆蓋的響應(yīng)

為了分析秸稈覆蓋對小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成的影響因素, 系統(tǒng)分析了三葉期不同覆蓋量對冬小麥分蘗期、越冬期、返青—拔節(jié)期、拔節(jié)—揚花期5 cm、10 cm、20 cm和40 cm土壤溫度的影響。

分蘗期不同覆蓋處理對土壤溫度的影響見圖1。小麥分蘗期氣溫從開始的10 ℃左右下降到2 ℃左右。表層5 cm和10 cm土壤溫度受氣溫影響較大, 土壤溫度的振幅較大, 變化趨勢與氣溫的變化趨勢相同。隨土層加深, 土壤溫度的變幅逐漸減小, 并隨著土壤深度加深, 土壤溫度逐漸升高。表層由于受氣溫影響較大, 不同覆蓋量對土壤表層溫度的差異規(guī)律不明顯。20 cm和40 cm土層秸稈覆蓋處理的土壤溫度顯著高于對照處理, 覆蓋的增溫效應(yīng)較明顯, 并且土壤溫度隨著覆蓋量增加而增加。CK、LM、MM和HM處理5 cm土壤溫度平均為4.27 ℃、5.09 ℃、4.54 ℃和5.15 ℃, 覆蓋處理比CK平均增高0.65 ℃。各處理10 cm土壤溫度平均分別為5.16 ℃、5.91 ℃、5.48 ℃和5.98 ℃, 覆蓋處理比CK平均增高0.63 ℃。各處理20 cm土壤溫度平均分別為6.14 ℃、6.50 ℃、7.13 ℃和7.16 ℃, 覆蓋處理比CK平均增高0.79 ℃。不同覆蓋處理40 cm土壤溫度平均分別為7.52 ℃、8.23 ℃、8.60 ℃和8.56 ℃, 覆蓋處理比CK平均增高0.94 ℃。

圖1 不同秸稈量三葉期覆蓋對冬小麥分蘗期土壤溫度的影響(2013年11月9日—2013年12月9日)

CK: 無覆蓋; LM: 覆蓋量為2 450 kg·hm?2(相當(dāng)于1/3秸稈產(chǎn)量); MM: 覆蓋量為3 675 kg·hm?2(相當(dāng)于1/2秸稈產(chǎn)量); HM: 覆蓋量為7 350 kg·hm?2(相當(dāng)于全部秸稈產(chǎn)量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm?2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm?2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm?2, equivalent to all straw yield.

圖2為越冬期不同覆蓋處理對土壤溫度的影響。結(jié)果顯示, 越冬期氣溫大部分時間處于0 ℃以下。不同覆蓋處理對土壤溫度的影響趨勢與小麥分蘗期一致, 均表現(xiàn)為覆蓋處理的土壤溫度高于對照, 表層5 cm和10 cm土壤溫度受氣溫的影響較大, 與氣溫的變化趨勢一致。隨著土壤深度的加深, 20 cm和40 cm土壤溫度受氣溫的影響較小, 覆蓋的增溫效應(yīng)明顯且隨著覆蓋量的增加土壤增溫效應(yīng)明顯和有規(guī)律, 覆蓋量大的處理, 對20 cm和40 cm的增溫效應(yīng)更明顯。越冬期CK、LM、MM、HM的5 cm日均土壤溫度分別為-0.95 ℃、-0.34 ℃、-0.65 ℃和-0.28 ℃, 10 cm分別為-0.41 ℃、0.13 ℃、-0.18 ℃和0.24 ℃, 20 cm分別為0.02 ℃、0.52 ℃、1.00 ℃和1.03 ℃, 40 cm分別為1.27 ℃、1.91 ℃、2.27 ℃和2.24 ℃。5 cm、10 cm、20 cm和40 cm覆蓋處理平均比CK高0.53 ℃、0.48 ℃、0.83 ℃和0.87 ℃。

圖3為返青期—拔節(jié)期不同覆蓋處理對土壤溫度的影響。結(jié)果顯示, 與前兩個時期相比, 覆蓋對土壤的增溫效應(yīng)減弱, CK的土壤溫度較高, 秸稈覆蓋的土壤溫度略低于對照。隨著土壤深度增加, 覆蓋處理的土壤溫度具有降低的趨勢。CK、LM、MM和HM處理5 cm土壤溫度平均為9.21 ℃、9.17 ℃、9.46 ℃和9.01 ℃, 10 cm依次為9.04 ℃、8.89 ℃、9.20 ℃和8.89 ℃, 20 cm依次為8.80 ℃、8.59 ℃、8.67 ℃和8.50 ℃, 40 cm依次為8.17 ℃、8.00 ℃、8.17 ℃和8.04 ℃。

圖4為拔節(jié)—揚花期不同覆蓋處理對土壤溫度的影響。結(jié)果顯示, 覆蓋對土壤溫度的增溫效應(yīng)進(jìn)一步減弱, CK與不同覆蓋處理的土壤溫度趨于相同。揚花—成熟期覆蓋對土壤溫度的影響與拔節(jié)—揚花期相同。說明秸稈覆蓋對土壤溫度的影響主要在前期, 對生育后期影響很小。

2.3.2 冬小麥不同生育期土壤溫度日變化對秸稈覆蓋的響應(yīng)

圖5~8為不同覆蓋處理對小麥不同生育期土壤溫度日變化的影響, 每個生育期選擇了2 d 48 h分析土壤溫度變化, 從第1 d的1:00到第2 d的24:00的數(shù)據(jù)。

圖2 不同秸稈量三葉期覆蓋對冬小麥越冬期土壤溫度的影響(2013年12月10日—2014年2月26日)

CK: 無覆蓋; LM: 覆蓋量為2 450 kg·hm?2(相當(dāng)于1/3秸稈產(chǎn)量); MM: 覆蓋量為3 675 kg·hm?2(相當(dāng)于1/2秸稈產(chǎn)量); HM: 覆蓋量為7 350 kg·hm?2(相當(dāng)于全部秸稈產(chǎn)量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm?2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm?2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm?2, equivalent to all straw yield.

圖3 不同秸稈量三葉期覆蓋對冬小麥返青—拔節(jié)期土壤溫度的影響(2014年2月27日—2014年4月2日)

CK: 無覆蓋; LM: 覆蓋量為2 450 kg·hm?2(相當(dāng)于1/3秸稈產(chǎn)量); MM: 覆蓋量為3 675 kg·hm?2(相當(dāng)于1/2秸稈產(chǎn)量); HM: 覆蓋量為7 350 kg·hm?2(相當(dāng)于全部秸稈產(chǎn)量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm?2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm?2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm?2, equivalent to all straw yield.

分蘗期(2013年11月18—19日)土壤溫度日變化見圖5。可以看出, 表層5 cm和10 cm土壤溫度受氣溫的影響日變幅較大, 深層20 cm和40 cm土壤溫度日變幅較小。以11月18日為例, CK、LM、MM和HM 5 cm土壤溫度的振幅分別為8.36 ℃、7.77 ℃、8.78 ℃和6.91 ℃, 覆蓋處理平均比CK降低0.54 ℃; 10 cm土壤溫度的振幅分別為5.09 ℃、2.44 ℃、4.57 ℃和5.23 ℃, 覆蓋平均比CK低1.03 ℃; 20 cm土壤溫度的振幅分別為2.18 ℃、1.01 ℃、1.30 ℃和1.90 ℃, 覆蓋平均比CK降低0.78 ℃; 40 cm土壤溫度的振幅分別為1.04 ℃、0.86 ℃、0.11 ℃和1.06 ℃, 覆蓋平均比對照降低0.36 ℃。秸稈覆蓋提高土壤溫度的貢獻(xiàn)表層主要是提高了夜間的土壤溫度, 深層則同時提高了白天和夜間的溫度。

圖4 不同秸稈量三葉期覆蓋對冬小麥拔節(jié)—揚花期土壤溫度的影響(2014年4月3日—2014年5月1日)

CK: 無覆蓋; LM: 覆蓋量為2 450 kg·hm?2(相當(dāng)于1/3秸稈產(chǎn)量); MM: 覆蓋量為3 675 kg·hm?2(相當(dāng)于1/2秸稈產(chǎn)量); HM: 覆蓋量為7 350 kg·hm?2(相當(dāng)于全部秸稈產(chǎn)量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm?2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm?2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm?2, equivalent to all straw yield.

圖5 不同秸稈量三葉期覆蓋對冬小麥分蘗期土壤溫度日變化的影響(2013年11月18—19日)

CK: 無覆蓋; LM: 覆蓋量為2 450 kg·hm?2(相當(dāng)于1/3秸稈產(chǎn)量); MM: 覆蓋量為3 675 kg·hm?2(相當(dāng)于1/2秸稈產(chǎn)量); HM: 覆蓋量為7 350 kg·hm?2(相當(dāng)于全部秸稈產(chǎn)量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm?2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm?2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm?2, equivalent to all straw yield.

圖6 不同秸稈量三葉期覆蓋對冬小麥越冬期土壤溫度日變化的影響(2014年2月9—10日)

CK: 無覆蓋; LM: 覆蓋量為2 450 kg·hm?2(相當(dāng)于1/3秸稈產(chǎn)量); MM: 覆蓋量為3 675 kg·hm?2(相當(dāng)于1/2秸稈產(chǎn)量); HM: 覆蓋量為7 350 kg·hm?2(相當(dāng)于全部秸稈產(chǎn)量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm?2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm?2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm?2, equivalent to all straw yield.

圖7 不同秸稈量三葉期覆蓋對冬小麥返青—拔節(jié)期土壤溫度日變化的影響(2014年3月3—4日)

CK: 無覆蓋; LM: 覆蓋量為2 450 kg·hm?2(相當(dāng)于1/3秸稈產(chǎn)量); MM: 覆蓋量為3 675 kg·hm?2(相當(dāng)于1/2秸稈產(chǎn)量); HM: 覆蓋量為7 350 kg·hm?2(相當(dāng)于全部秸稈產(chǎn)量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm?2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm?2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm?2, equivalent to all straw yield.

圖8 不同秸稈量三葉期覆蓋對冬小麥拔節(jié)—揚花期土壤溫度日變化的影響(2014年4月15—16日)

CK: 無覆蓋; LM: 覆蓋量為2 450 kg·hm?2(相當(dāng)于1/3秸稈產(chǎn)量); MM: 覆蓋量為3 675 kg·hm?2(相當(dāng)于1/2秸稈產(chǎn)量); HM: 覆蓋量為7 350 kg·hm?2(相當(dāng)于全部秸稈產(chǎn)量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm?2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm?2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm?2, equivalent to all straw yield.

越冬期(2014年2月9—10日)的土壤溫度日變化如圖6。隨著氣溫的進(jìn)一步降低, 秸稈覆蓋對土壤夜間溫度的提升和白天最高溫度的降低效果更顯著, 由此而降低了土壤溫度全天的振幅。5 cm土壤溫度變化最明顯, 主要原因是受氣溫的影響較大, CK振幅為6.83 ℃, 覆蓋處理平均為3.13 ℃。10 cm及20 cm土壤處于凍結(jié)狀態(tài), CK土壤溫度處于0 ℃以下, 溫度的日振幅1 ℃左右, 秸稈覆蓋處理的增溫效應(yīng)主要是夜間溫度較高。5 cm、10 cm、20 cm、40 cm處CK和覆蓋處理平均土壤溫度分別為-2.41 ℃和-1.25 ℃、-0.83 ℃和-0.46 ℃、-0.26 ℃和0.37 ℃、0.80 ℃和1.48 ℃。

返青—拔節(jié)期(2014年3月3—4日)的土壤溫度日變化見圖7。隨氣溫升高, 土壤溫度也隨著升高, 5 cm土壤日變幅較大, 且表現(xiàn)為CK高于覆蓋處理, CK夜間溫度低于覆蓋處理。覆蓋處理仍具有降低日溫振幅的作用。5 cm、10 cm、20 cm、40 cm處CK和覆蓋處理平均土壤溫度分別為5.56 ℃和5.61 ℃、5.56 ℃和5.61 ℃、5.61 ℃和5.5 ℃、5.26 ℃和5.3 ℃。

拔節(jié)—成熟期(2014年4月15—16日)的土壤溫度日變化見圖8。隨著小麥植株的增高, 冠層密閉, 5~40 cm溫度變幅減小。5 cm土壤溫度變化幅度為12~16 ℃, 10 cm變幅為13~16 ℃, 20 cm和40 cm變幅為12~14 ℃, 0~40 cm土壤溫度受氣溫的影響很小。在此期間, 覆蓋對土壤溫度的影響是5 cm和10 cm具有增溫效應(yīng), 10 cm以下覆蓋對土壤溫度的影響很小。5 cm處CK、LM、MM和HM土壤溫度分別為13.32 ℃、13.64 ℃、14.17 ℃和14.38 ℃, 覆蓋處理平均比CK高 0.74 ℃; 10 cm土壤溫度分別為13.55 ℃、13.36 ℃、13.88 ℃和13.99 ℃, 覆蓋平均比CK高0.20 ℃; 20 cm土壤溫度的振幅分別為13.38 ℃、13.15 ℃、13.35 ℃和13.67 ℃, 覆蓋平均比CK高0.01 ℃; 40 cm土壤溫度分別為12.56 ℃、12.44 ℃、12.61 ℃和12.87 ℃, 覆蓋平均比CK高0.08 ℃。

2.4 不同覆蓋處理對冬小麥根系的影響

根長密度(RLD)是單位土壤體積的根長, 反映植物在某一土壤層次的根長。圖9為不同覆蓋處理對生育期冬小麥RLD的影響。分蘗期RLD在10 cm土層達(dá)到0.74 cm?cm-3, 隨著土層深度的增加RLD逐漸減小, 60 cm土層僅為0.10 cm?cm-3, 80%以上的根系集中在0~30 cm土層。20~30 cm土層, 覆蓋處理小麥RLD高于CK, 20 cm處CK、LM、MM和HM的RLD分別為0.22 cm?cm-3、0.33 cm?cm-3、0.34 cm?cm-3和0.37 cm?cm-3, 覆蓋處理RLD比CK平均高0.13 cm?cm-3, 差異不顯著。30 cm土層, CK、LM、MM和HM的RLD分別為0.17 cm?cm-3、0.19 cm?cm-3、0.22 cm?cm-3和0.29 cm?cm-3, 差異不顯著。

圖9 不同秸稈量三葉期覆蓋對不同生育期冬小麥根長密度垂直分布的影響

CK: 無覆蓋; LM: 覆蓋量為2 450 kg·hm?2(相當(dāng)于1/3秸稈產(chǎn)量); MM: 覆蓋量為3 675 kg·hm?2(相當(dāng)于1/2秸稈產(chǎn)量); HM: 覆蓋量為7 350 kg·hm?2(相當(dāng)于全部秸稈產(chǎn)量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm?2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm?2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm?2, equivalent to all straw yield.

拔節(jié)期10 cm土層的小麥RLD達(dá)到1.70~2.00 cm?cm-3, 100 cm為0.40~0.50 cm?cm-3。秸稈覆蓋處理與CK之間差異不顯著?？赡芘c該期覆蓋降低了表層土壤溫度而減緩根系生長, 促進(jìn)CK根系生長, 使分蘗期覆蓋處理RLD大于CK的優(yōu)勢減小, 各處理間RLD差異不顯著。

揚花期0~40 cm秸稈覆蓋處理的RLD大于CK, 0~10 cm CK、LM、MM和HM處理的RLD分別為1.29 cm?cm-3、1.79 cm?cm-3、1.89 cm?cm-3和1.93 cm?cm-3, 覆蓋處理高于CK, 但差異不顯著。0~40 cm各處理的RLD分別為3.50 cm?cm-3、3.52 cm?cm-3、3.76 cm?cm-3和3.98 cm?cm-3, 處理間差異不顯著?？赡芘c同期覆蓋處理的土壤溫度升高有關(guān), 這一階段覆蓋處理的土壤溫度隨著氣溫的升高與冠層增大, 覆蓋對土壤溫度的影響逐漸減小, 促進(jìn)了根系快速生長, RLD大于CK。收獲期隨著小麥冠層的增大到封壟, 覆蓋處理對土壤溫度的影響逐漸減小至消失, 各處理間RLD基本一致, 差異不顯著。

2.5 不同覆蓋處理對冬小麥返青期土壤全氮的影響

圖10顯示, 冬小麥返青—拔節(jié)期覆蓋處理的土壤全氮含量均高于CK, CK、LM、MM和HM處理0~60 cm土壤全氮含量平均分別為1.01 mg?kg-1、0.90 mg?kg-1、0.74 mg?kg-1和0.47 mg?kg-1, 隨著覆蓋量的增加呈遞減趨勢, CK、LM和MM之間差異不顯著, CK和LM與HM之間差異達(dá)到顯著水平(<0.05), MM和HM之間差異不明顯?？赡苁怯捎谛←湻痔Y期和越冬期土壤溫度高于CK, 根系生長快于CK, 消耗了土壤中氮含量, 造成覆蓋處理下的返青—拔節(jié)期土壤全氮含量低于CK。

圖10 不同秸稈量三葉期覆蓋對冬小麥返青—拔節(jié)期土壤全氮含量的影響

CK: 無覆蓋; LM: 覆蓋量為2 450 kg·hm?2(相當(dāng)于1/3秸稈產(chǎn)量); MM: 覆蓋量為3 675 kg·hm?2(相當(dāng)于1/2秸稈產(chǎn)量); HM: 覆蓋量為7 350 kg·hm?2(相當(dāng)于全部秸稈產(chǎn)量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm?2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm?2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm?2, equivalent to all straw yield.

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

本研究表明, 華北平原灌溉條件下秸稈覆蓋對冬小麥田土壤溫度具有調(diào)節(jié)作用, 但小麥產(chǎn)量未提高, 播種后全量秸稈覆蓋下小麥產(chǎn)量呈顯著下降趨勢, 這與其他同類型地區(qū)的研究結(jié)果一致[5,20-21]。主要原因是播后秸稈覆蓋影響小麥正常發(fā)芽導(dǎo)致出苗率降低, 生化他感、碳氮比失衡、耕層土壤溫度日夜變化異常對苗期生長產(chǎn)生不良影響, 生育期推遲影響籽粒光合產(chǎn)物分配等[13]。但推遲秸稈覆蓋時間至三葉期, 則覆蓋對產(chǎn)量的負(fù)效應(yīng)有所降低。本研究表明, 三葉期秸稈覆蓋冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成中僅有效穗數(shù)顯著低于對照, 產(chǎn)量與對照無顯著差異。三葉期覆蓋避免了秸稈對出苗的影響, 雖對苗期生長及生育期的影響仍然存在, 但有效克服了秸稈覆蓋影響小麥出苗的弊端。本研究中三葉期秸稈覆蓋冬小麥產(chǎn)量略低于CK, 與當(dāng)年氣候因素有關(guān)。冬小麥生育期降雨量僅47.9 mm, 與多年平均(125 mm)相比, 屬于極端干旱年型。小麥生育期積溫和日照時數(shù)分別為1 958.3 ℃和1 260.1 h, 比多年平均分別高215.2 ℃和58.5 h。冬季和初春平均氣溫都比較高, 尤其是春季返青后氣溫迅速升高, 覆蓋對土壤溫度的影響較小, 對冬小麥產(chǎn)量的影響較小。本試驗為2013年10月—2014年6月1個小麥生長季的試驗結(jié)果, 對不同年型下不同秸稈覆蓋時間的效應(yīng)需進(jìn)行更系統(tǒng)深入的研究, 以指導(dǎo)生產(chǎn)。

關(guān)于秸稈覆蓋量方面的研究, 汪丙國等[20]在河北冬小麥試驗中發(fā)現(xiàn), 覆蓋4 500 kg?hm-2秸稈未增產(chǎn)。本研究與其結(jié)果基本一致。冬小麥三葉期覆蓋, 覆蓋量從2 450~7 350 kg?hm-2小麥均不增產(chǎn), 處理間差異不顯著。不同秸稈覆蓋量對土壤溫度的影響表現(xiàn)為小麥生長前期的效應(yīng)大于后期, 隨覆蓋量的增加, 溫度效應(yīng)具有增加的趨勢, 這與王兆偉等[22]在山西省壽陽進(jìn)行的春玉米試驗結(jié)果一致。干旱半干旱區(qū)關(guān)于秸稈覆蓋量對土壤水分及作物水分利用效率的研究較多[23], 但對土壤溫度、作物根系和土壤全氮的研究較少。研究表明, 秸稈覆蓋對土壤溫度和土壤水分影響是偶聯(lián)的[19], 覆蓋抑制了土壤水分蒸發(fā)和土壤水分的散失, 減少了因土壤水分散失引起的土壤熱量損失, 從而影響了土壤溫度的變化[6]。這也可能是灌溉農(nóng)田條件下秸稈覆蓋對冬小麥減產(chǎn)的原因所在。其中的機(jī)理尚不清楚需要進(jìn)一步研究。

3.2 結(jié)論

在華北平原冬小麥-夏玉米一年兩熟種植區(qū)灌溉條件下, 對冬小麥進(jìn)行秸稈覆蓋無增產(chǎn)作用, 且播后全量秸稈覆蓋導(dǎo)致冬小麥減產(chǎn); 三葉期秸稈覆蓋冬小麥產(chǎn)量高于播種后覆蓋, 且對冬小麥產(chǎn)量無顯著影響。播種后覆蓋導(dǎo)致冬小麥減產(chǎn)的原因是千粒重、穗粒數(shù)和收獲指數(shù)的降低, 三葉期覆蓋減產(chǎn)的原因是收獲時有效穗數(shù)降低。

秸稈覆蓋對耕層土壤溫度具有調(diào)節(jié)作用, 表現(xiàn)為冬季提升土壤溫度, 溫度越低增溫效果越強; 小麥返青后, 隨著氣溫升高, 覆蓋表現(xiàn)為降低土壤溫度的效應(yīng), 降溫效應(yīng)持續(xù)到拔節(jié)后, 揚花期后隨著小麥冠層結(jié)構(gòu)的增大, 秸稈覆蓋對土壤溫度的影響減弱或消失。

秸稈覆蓋影響小麥根系的生長。三葉期秸稈覆蓋促進(jìn)分蘗期小麥根系的生長, 覆蓋處理20~30 cm土層小麥根長密度大于CK; 但覆蓋處理減緩了拔節(jié)期小麥根系的生長, 而此時CK處理的生長加速, CK與覆蓋處理的根長密度差異減小; 至揚花期和成熟期, 各處理的根長密度差異均不顯著。

返青期秸稈覆蓋處理的土壤全氮含量低于CK, 可能由于小麥分蘗期和越冬期土壤溫度高于CK, 根系生長快于CK, 消耗了土壤中氮含量, 造成返青—拔節(jié)期土壤全氮含量低于CK。

[1] Chen S Y, Zhang X Y, Pei D, et al. Effects of straw mulching on soil temperature, evaporation and yield of winter wheat: Field experiments on the North China Plain[J]. Association Applied Biologist, 2007, 150(3): 261–268

[2] Zhang S L, Lars L, Grip H, et al. Effects of mulching and catch cropping on soil temperature, soil moisture and wheat yield on the Loess Plateau of China[J]. Soil & Tillage Research, 2009, 102(1): 78–86

[3] Hari R, Yadvinder S, Saini K S, et al. Agronomic and economic evaluation of permanent raised beds, no tillage and straw mulching for an irrigated maize-wheat system in northwest Indian[J]. Experimental Agriculture, 2012, 48(1): 21–38

[4] 廖允成, 溫曉霞, 韓思明, 等. 黃土臺原旱地小麥覆蓋保水技術(shù)效果研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2003, 36(5): 548–552 Liao Y C, Wen X X, Han S M, et al. Effect of mulching of water conservation for dryland winter wheat in the Loess Tableland[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2003, 36(5): 548–552

[5] 李全起, 陳雨海, 吳巍, 等. 秸稈覆蓋和灌溉對冬小麥農(nóng)田光能利用率的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2006, 17(2): 243–246 Li Q Q, Chen Y H, Wu W, et al. Effects of straw mulching and irrigation on solar energy utilization efficiency of winter wheat farmland[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2006, 17(2): 243–246

[6] 陳玉章, 柴守璽, 范穎丹, 等. 覆蓋模式對旱地冬小麥土壤溫度和產(chǎn)量的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象, 2014, 35(4): 403–409 Chen Y Z, Chai S X, Fan Y D, et al. Effects of mulching models on soil temperature and yield of winter wheat in rainfed Area[J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2014, 35(4): 403–409

[7] 鞏杰, 黃高寶, 陳利頂, 等. 旱作麥田秸稈覆蓋的生態(tài)綜合效應(yīng)研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2003, 21(3): 69–73 Gong J, Huang G B, Chen L D, et al. Comprehensive ecological effect of straw mulch on spring wheat field in dryland area[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2003, 21(3): 69–73

[8] 趙聚寶, 徐祝齡. 中國北方旱地農(nóng)田水分開發(fā)利用[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 1996 Zhao J B, Xu Z L. Field Water Exploitation and Utilization on Dryland of Northern China[M]. Beijing: China Agriculture Press, 1996

[9] 逄煥成. 秸稈覆蓋對土壤環(huán)境及冬小麥產(chǎn)量狀況的影響[J].土壤通報, 1999, 30(4): 174–175 Pang H C. Effect of straw mulch on soil environment and yield of winter wheat[J]. Chinese Journal of Soil Science, 1999, 30(4): 174–175

[10] 方文松, 朱自璽, 劉榮花, 等. 秸稈覆蓋農(nóng)田的小氣候特征和增產(chǎn)機(jī)理研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2009, 27(6):123–132 Fang W S, Zhu Z X, Liu R H, et al. Study on microclimate characters and yield-increasing mechanism in straw mulching field[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2009, 27(6):123–132

[11] 范春燕, 許繼東. 2種保護(hù)性耕作技術(shù)對小麥產(chǎn)量的影響[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技, 2010, (23): 51, 53 Fan C Y, Xu J D. Influences of two conservation tillage techniques on wheat yield[J]. Modern Agricultural Science and Technology, 2010, (23): 51, 53

[12] 高亞軍, 李生秀. 旱地秸稈覆蓋條件下作物減產(chǎn)的原因及作用機(jī)制分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2005, 21(7): 15–19 Gao Y J, Li S X. Cause and mechanism of crop yield reduction under straw mulch in dryland[J]. Transactions of the CSAE, 2005, 21(7): 15–19

[13] 陳素英, 張喜英, 孫宏勇, 等. 華北平原秸稈覆蓋冬小麥減產(chǎn)原因分析[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2013, 21(5): 519–525 Chen S Y, Zhang X Y, Sun H Y, et al. Cause and mechanism of winter wheat yield reduction under straw mulch in the North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(5): 519–525

[14] 張樹蘭, 劉俊梅, 黎青慧, 等. 秸稈覆蓋下旱地小麥?zhǔn)斋@指數(shù)降低的原因解析[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2014, 32(1): 47–50 Zhang S L, Liu J M, Li Q H, et al. Analysis of the causes of wheat harvest index reduction under straw mulching on dryland[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2014, 32(1): 47–50

[15] 陳素英, 張喜英, 裴冬, 等. 玉米秸稈覆蓋對麥田土壤溫度和土壤蒸發(fā)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2005, 21(10): 171–173 Chen S Y, Zhang X Y, Pei D, et al. Effects of corn straw mulching on soil temperature and soil evaporation of winter wheat field[J]. Transactions of the CSAE, 2005, 21(10): 171–173

[16] 趙麗, 趙秋霞, 張晉國. 玉米秸稈覆蓋對小麥出苗率的影響[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2007, (8): 116–117 Zhao L, Zhao Q X, Zhang J G. Effect of straw covering on the wheat seeding rate[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2007, (8): 116–117

[17] Shimono H, Hasegawa T, Fujimura S, et al. Responses of leaf photosynthesis and plant water status in rice to low water temperature at different growth stages[J]. Field Crops Research, 2004, 89(1): 71–83

[18] Malcolm P, Holford P, McGlasson B, et al. Leaf development, net assimilation and leaf nitrogen concentrations of fiverootstocks in response to root temperature[J]. Scientia Horticulturae, 2008, 115(3): 285–291

[19] B?hm W. Methods of Studying Root System[M]. Berlin: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1979

[20] 汪丙國, 靳孟貴, 方連玉, 等. 衡水試驗場冬小麥田土壤水流動系統(tǒng)分析[J]. 水土保持研究, 2001, 8(1): 89–93 Wang B G, Jin M G, Fang L Y, et al. Analysis of soil water flow system of the winter-wheat cropland in Hengshui Experimental Area[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2001, 8(1): 89–93

[21] Yang Y M, Liu X J, Li W Q, et al. Effect of different mulch materials on winter wheat production in desalinized soil in Heilonggang region of North China[J]. Journal of Zhejiang University Science B, 2006, 7(11): 858–867

[22] 王兆偉, 郝衛(wèi)平, 龔道枝, 等. 秸稈覆蓋量對農(nóng)田土壤水分和溫度動態(tài)的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象, 2010, 31(2): 244–250 Wang Z W, Hao W P, Gong D Z, et al. Effect of straw mulch amount on dynamic changes of soil moisture and temperature in farmland[J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2010, 31(2): 244–250

[23] 王昕, 賈志寬, 韓清芳, 等. 半干旱區(qū)秸稈覆蓋量對土壤水分保蓄及作物水分利用效率的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2009, 27(4): 196–202 Wang X, Jia Z K, Han Q F, et al. Effects of different straw mulching quantity on soil water and WUE in semiarid region[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2009, 27(4): 196–202

閆宗正, 陳素英, 張喜英, 牛君仿, 邵立威. 秸稈覆蓋時間和覆蓋量對冬小麥田溫度效應(yīng)及地上地下生長的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2017, 25(12): 1779-1791

Yan Z Z, Chen S Y, Zhang X Y, Niu J F, Shao L W. Effects of amount and time of straw mulching on soil temperature, root growth and yield of winter wheat[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(12): 1779-1791

Effects of amount and time of straw mulching on soil temperature, root growth and yield of winter wheat*

YAN Zongzheng1,2, CHEN Suying1,3**, ZHANG Xiying1, NIU Junfang1, SHAO Liwei1

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Agricultural Water-saving, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Sino-African Joint Research Center, Chinese Academy of Sciences, Nairobi 00200, Kenya)

In order to take full advantages of straw mulching and improve straw mulching benefits, the effects of different straw mulching practices on soil temperature, root growth and yield of winter wheat under irrigation condition in a typical site was explored through a field experiment with different straw mulching times and amounts in the North China Plain. Times of straw mulching included immediately after planting and after three leaves of winter wheat. The amounts of straw included total straw yield, 1/2 straw yield and 1/3 straw yield of preceding summer maize, and no mulching as the control (CK). The results showed that: 1) compared with CK, the winter wheat yield of mulching after planting and after three leaves was reduced by 8.6% and 2.0%, respectively. The yield decrease for the treatment of mulching after planting was more than that of mulching after three leaves for winter wheat. The reason for yield reduction of mulching after planting was decreases in 1000-seed weight, kernel numbers per spike and harvest index, which were 4.1%, 6.6% and 2.4%, respectively. The reason for yield reduction of mulching after three leaves was the decrease in spike numbers per area, which was 5.8%. 2) Straw mulching significantly affected soil temperature at the earlier growth stages of winter wheat. The straw mulching increased mean daily soil temperature averagely by 0.56 ℃ at tillering and overwintering stages. Straw mulching decreased soil temperature, compared with CK, after regreening stage of winter wheat. The contribution of straw mulching to soil temperature increase in winter was mainly due to the increase in night soil temperature, while the cooling effects after regreening stage was due to reduction in daytime soil temperature. The temperature increasing/decreasing effects of straw mulching were enhanced with straw amount increase though no significant differences among different straw amounts treatments were observed. 3) Root growth of winter wheat was improved under straw mulching due to the higher soil temperature. The root length density (RLD) under straw mulching treatment was higher than that under CK before regreening stage, after that RLD was reduced due to lower soil temperature under straw mulching as compared with CK. At flowering stage, with the increase of canopy coverage, the effects of straw mulching on soil temperature was weakened or disappeared, resulting in similar RLD among treatments. Higher soil temperature at tillering and wintering stages and larger root system under straw mulching induced higher consumption of soil nitrogen of winter wheat, which lead to lower soil nitrogen content at regreening to jointing stages under straw mulch treatments. In conclusion, straw mulching at three leaves stage of winter wheat had less negative effect on grain production of winter wheat. One third or half straw yield of preceding summer maize was appropriate amount for maintaining yield of winter wheat.

Winter wheat; Straw mulching; Soil temperature; Root length density (RLD); Grain yield

, E-mail: csy@sjziam.ac.cn

Oct. 15, 2017;

Oct. 30, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170977

S318

A

1671-3990(2017)12-1779-13

陳素英, 主要從事農(nóng)田節(jié)水機(jī)理與技術(shù)研究。E-mail: csy@sjziam.ac.cn

閆宗正. 主要從事農(nóng)田節(jié)水機(jī)理與技術(shù)研究。E-mail: yanzongzheng15@mails.ucas.ac.cn

2017-10-15

2017-10-30

* This research was supported by the National Natural Science Foundation of China (31371578), the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0300808) and the Project of Chinese Academy of Sciences (SAJC201603).

* 國家自然科學(xué)基金項目(31371578)、國家重點研發(fā)計劃專項(2016YFD0300808)和中國科學(xué)院項目(SAJC201603)資助