旱地冬小麥秸稈帶狀覆蓋不同模式的水分效應

李 瑞，程宏波，王 芳，柴雨葳，陳玉章，常 磊，黃彩霞，柴守璽

(1.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室/甘肅農業(yè)大學農學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業(yè)大學生命科學與技術學院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農業(yè)大學工學院，甘肅 蘭州 730070)

土壤水分是影響作物生長的主要因子，我國西北的半干旱雨養(yǎng)區(qū)土壤貧瘠，春季多風少雨，氣候異常干旱，尤其是水分極度匱乏，嚴重限制了該區(qū)的農業(yè)發(fā)展，因此抗旱保墑農業(yè)勢在必行。我國的秸稈資源極為豐富，大量焚燒秸稈給生態(tài)環(huán)境造成了嚴重污染，而且大大降低了土地肥力[1]。在降雨量少蒸發(fā)量大的半干旱雨養(yǎng)區(qū)進行秸稈帶狀覆蓋具有重大意義，研究發(fā)現(xiàn)[2-4]，秸稈覆蓋有利于土壤團聚體結構的形成，通過提高土壤孔隙度、持水性、通透性和土壤有機質含量，來有效調節(jié)植物對水、肥、氣、熱的需要，為作物高產提供了有利的條件。秸稈覆蓋后能改善農田小氣候，進而改善作物的生長環(huán)境，通過改良土壤結構來控制水土和有機碳的流失，抑制無效耗水，增加降水下滲，蓄水保墑效果十分顯著[5-9]。目前國內外研究對于秸稈覆蓋方式主要為全地面均勻覆蓋，由于降溫顯著、影響作物出苗及生長，對其增產增效的爭議頗多。我國自20世紀70年代后期就對免耕秸稈覆蓋開始進行了系統(tǒng)研究，秸稈覆蓋能明顯減弱土壤蒸發(fā)，能極顯著提高水分利用效率和作物產量[10]。秸稈覆蓋在旱地更能極大地蓄水保墑，促進冬小麥分蘗和根系生長，明顯提高了生物量，有效節(jié)水并增產[11-12]。王昕等[13]研究表明，適量的秸稈覆蓋下玉米的增產幅度可高達16.9%，水分利用效率能增加4.3～5.6kg·hm-2·mm-1。鞏杰[14]研究也表明，在降雨有限的旱作區(qū)進行秸稈覆蓋能顯著改善0～40cm的土壤墑情，從而使水分利用效率提高9.61%～20.93%，小麥產量可提高12.47%～29.63%。許翠萍[15]認為，秸稈覆蓋能明顯抑制土壤無效蒸發(fā)，促進冬小麥生長，水分利用效率能較露地對照提高4.6%～25.2%。范穎丹等[16]發(fā)現(xiàn)，秸稈帶狀覆蓋下冬小麥全生育期0～200cm土層的平均含水量高于地膜覆蓋和露地對照，籽粒產量較露地對照提高5%～16.7%。但陳素英等[17]認為，秸稈覆蓋能降低冬小麥穗數(shù)，降低溫度，延遲了生育期使得灌漿時間縮短，千粒重減小，從而影響了產量。還有學者[18-20]發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋并不能增加水分利用效率，甚至影響了出苗和分蘗，從而造成減產。

針對秸稈均勻覆蓋降溫問題，柴守璽團隊[21]于近年研究提出“玉米整稈帶狀覆蓋小麥栽培新技術”。該技術主要利用玉米整稈、采取“種的地方不覆、覆的地方不種”，種植帶和覆蓋帶相間排列，不減少播種量、局部密植。該技術解決了秸稈覆蓋保墑與降溫的矛盾，提高降水入滲率，為玉米秸稈資源開辟了再利用新途徑。柴守璽團隊2013、2014兩年的研究表明，該技術可較傳統(tǒng)露地種植增產30%以上，產量與甘肅省目前主推的全膜覆土穴播技術相近。本試驗以常規(guī)播種為對照，通過對4種不同帶幅的玉米整稈帶狀覆蓋方式對冬小麥產量和0～200cm土壤水分的影響研究，旨在發(fā)現(xiàn)不同覆蓋帶幅對冬小麥土壤水分在生育時期間、土層間變化的影響，以期為秸稈帶狀覆蓋技術尋求最佳覆蓋模式，為該技術在半干旱雨養(yǎng)小麥主產區(qū)的推廣應用提供可行性理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015年9月～2016年7月在甘肅省通渭縣平襄鎮(zhèn)甘肅農業(yè)大學試驗基地進行，該區(qū)為黃土高原雨養(yǎng)農業(yè)典型代表區(qū)，土壤為典型黃綿土。試驗基地屬半濕潤半干旱季風氣候，海拔1760m，年日照時數(shù)2100～2430 h，年均溫6.6℃，無霜期120～170 d，年蒸發(fā)量>1500 mm，年均降水量380.2 mm，其中約68.0%在6～9月集中降落。試驗點冬小麥生育期多年平均降水量為268.9 mm，約占全年降水量的70.7%。試驗年度冬小麥生育期總降水量194.8 mm，比常年同期降水量低27.6%，其中≥5mm的有效降水112.8 mm，占全生育期降水量的57.9%，主要集中在4～6月份(見表1)。

表1 2015～2016年冬小麥生育期降水量/mm

1.2 試驗設計

試驗共設5個處理(見表2)，其中玉米整稈帶狀覆蓋處理4個(MS3，MS4，MS5，MS6)，以無覆蓋露地條播為對照(CK)。小區(qū)面積140m2，3次重復，隨機區(qū)組排列。

風干玉米整稈覆蓋量為9000kg·hm-2，于10月中旬(越冬前)鋪在覆蓋帶上，冬小麥供試品種為蘭天26號，播種量均為225 kg·hm-2，與當?shù)爻Ｒ?guī)播量一致，行距17cm，播種深度5cm，播后耱平，秸稈帶狀覆蓋各個處理均不同程度的提高了行播量，以保持畝播量與CK的一致。各處理所施純氮150 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2，作為基肥一次性施入，后期不再追肥，在開花期進行1次“一噴三防”作業(yè)。

表2 試驗處理描述

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤水分測定

(1)在小麥播種期、越冬期，返青期，拔節(jié)期，孕穗期，開花期、灌漿期，乳熟期及蠟熟期，各小區(qū)分0～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150、150～180和180～200cm共8個土層分別取土樣，各處理取樣位置均在小麥行間，用烘干法測定土壤含水量。計算公式為：土壤含水量(%)=(土壤鮮質量-土壤干質量)/土壤干質量×100%。

(2)土壤貯水量、作物耗水量的計算

土壤貯水量計算公式為：

W=h×ρ×ω×10

式中,W為土壤貯水量(mm)；h土層深度(cm)；ρ為土壤容重(g·cm-3)，本試驗各土層ρ平均為1.250 g·cm-3；ω為土壤含水量。

農田耗水量計算公式為：

ET=ΔW+P+I-D+Wg-R

ΔW=W1-W2

式中,ET為小麥生育期農田總耗水量(mm)，ΔW為生育期土壤貯水量變化量(mm)；P為≥5 mm有效降雨量；I為灌溉量(mm)；D為灌溉后土壤水向下層流動量(mm)；Wg為深層地下水利用量(mm)；R為地表徑流(mm)；W1、W2分別為播前和收獲時的土壤貯水量(mm)。本試驗無灌溉條件，地下水位在10 m以下，冬小麥生育期無地表徑流，故I、D、Wg和R可忽略不計。

(3)水分利用效率

WUE=Y/ET

式中，WUE為水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)，Y為籽粒產量(kg·hm-2)，ET為小麥生育期總耗水量(mm)。

1.3.2 農藝指標測定 在收獲期采集植物樣品，每小區(qū)隨機選取3個采樣點，每點取20株，沿根莖結合處剪去根系后，進行考種。冬小麥產量數(shù)據(jù)采用全區(qū)收獲法確定，現(xiàn)場稱鮮重，取樣測定含水量后按13%含水量折算籽粒產量。

1.3.3 土壤溫度測定 于越冬前將直角地溫計埋入各小區(qū)小麥行間，從越冬期至蠟熟期分5、10、15、20、25 cm共5個土層，在各生育時期選擇干燥的晴天，分別在6∶00、13∶00和19∶00做3次測定，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS19.0軟件處理和分析數(shù)據(jù)，用LSD法進行多重比較，顯著性水平設定為α= 0.05。

2 結果與分析

2.1 產量及重要指標差異

從表3可知，秸稈帶狀覆蓋對冬小麥產量和水分利用效率有不同程度影響，總體來看，隨播種帶加寬產量和水分利用效率逐漸降低，MS3和MS4產量分別較CK顯著提高69.1%、41.3%，水分利用效率提高88.1%、39.1%；MS5、MS6的產量和水分利用效率與CK均無顯著差異。

比較產量結構因素可見，處理間單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)差異較大，變異系數(shù)(CV)分別為15.3%和11.7%，而千粒重較穩(wěn)定(CV值為4.4%)。覆蓋處理中，MS3、MS4顯著提高了穗數(shù)和穗粒數(shù)，其中MS3的穗數(shù)、穗粒數(shù)分別高于對照20.2%、37.4%，MS4較CK分別提高13.5%、27.3%；MS5和MS6穗數(shù)分別比CK顯著低8.0%、17.9%，而穗粒數(shù)分別增加20.0%和26.7%。相關分析表明，冬小麥產量與單位面積穗數(shù)顯著正相關(r=0.902*)。由分析可見，MS3、MS4增產主要是因為適宜的帶幅利于提高單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)。

不同秸稈帶狀覆蓋對小麥營養(yǎng)生長有不同程度影響。其中MS4和MS3分別較CK顯著增加株高18.5%和16.7%，MS5、MS6則與CK差異不顯著。秸稈帶狀覆蓋處理均較CK顯著提高收獲指數(shù)，以MS3增幅最大(9.2個百分點)，MS4、MS6、MS5增幅相近(5.4～6.5個百分點)。

比較各個處理的土壤溫度發(fā)現(xiàn)，秸稈帶狀覆蓋能降低冬小麥全生育期0～25cm土層的土壤平均溫度，不同程度地減緩了冬小麥的生育進程，MS3和MS4分別較CK降低了1.7℃和2.2℃，MS5和MS6分別較CK降低了0.9℃和0.8℃，倒春寒發(fā)生的時間正值MS5和MS6的冬小麥孕穗期，導致相當一部分小麥因為凍害嚴重而未能抽穗，MS3和MS4因為生育進程更加滯后，使得凍害對孕穗的影響較小。

秸稈帶狀覆蓋處理小麥全生育期耗水量隨帶幅的增大而增加，其中MS3較CK顯著降低10.0%，而MS4、MS5、MS6分別較CK高出1.5%、6.3%、10.2%，MS6與CK差異達到顯著水平。相關分析表明，冬小麥產量與土壤耗水量顯著負相關(r=-0.828*)。

2.2 土壤含水量差異

2.2.1 全生育期0～200cm土壤平均含水量 從圖1可知，秸稈帶狀覆蓋能影響冬小麥全生育期的土壤平均含水量，且隨著播種帶幅的增大而降低，其中MS3的土壤含水量最高，蓄水保墑效果最好，較CK顯著提高1.00個百分點，其次是MS4較CK顯著提高0.35個百分點，而MS5、MS6與CK的差異不顯著。

2.2.2 不同生育時期0～200cm土壤平均含水量 從圖2可見，隨著冬小麥生育時期的推進，各處理0～200 cm土壤平均含水量總體呈遞減趨勢，且隨種植帶幅加大，秸稈帶狀覆蓋處理從播種期到蠟熟期土壤含水量的降幅也增大，各處理降幅依次為：MS6(6.89個百分點)>MS5(6.48個百分點)>MS4(5.98個百分點)>CK(5.83個百分點)>MS3(4.79個百分點)。比較各生育階段土壤含水量降幅可見，各處理均在返青期～孕穗期的降幅最大，處理間僅MS3(3.31個百分點)與CK(3.26個百分點)相近，其它處理降幅為3.93～4.33個百分點，均顯著高于CK。

比較各生育時期處理間變異系數(shù)可見，處理間差異依次為：蠟熟期(7.77%)>拔節(jié)期(7.21%)>越冬期(6.65%)>孕穗期(6.38%)>灌漿期(5.72%)>乳熟期(5.03%)>返青期(3.95%)>開花期(2.24%)，各生育時期處理間極差值0.64～2.47個百分點，最大極差值出現(xiàn)越冬期的MS3與MS6之間，最小極差值則出現(xiàn)在開花期的MS3與MS5之間。

表3 產量及主要指標差異

注：*，**分別表示在0.05水平上相關性顯著和極顯著。

Note: *,** indecate correlation significant and highly significant at the 0.05 level.

圖1 全生育期0～200cm土壤平均含水量Fig.1 Mean soil moisture content in 0～200cm soil layers at whole growth stages

注：誤差線代表LSD0.05。SD：播種期；WT：越冬期；RV：返青期；JT：拔節(jié)期；BT：孕穗期；BM：開花期；GF：灌漿期；MK：乳熟期；RN：蠟熟期Note: Error bars show the LSD0.05. SD: seeding; WT: wintering; RV: revival; JT: jointing; BT: booting; BM: blooming; GF: grain-filling; MK: milking; RN: ripening圖2 各生育時期0～200cm土壤平均含水量Fig.2 Mean soil moisture content in 0～200cm soil layers at different growth stages

比較各生育階段秸稈帶狀覆蓋土壤含水量與CK的差值可見，MS3和MS4在播種期～越冬期、返青期～孕穗期、開花期～蠟熟期均較CK具有顯著增墑作用，其中MS3依次較CK增墑1.07、1.55、0.67個百分點，MS4依次較CK增墑0.30、0.43、0.31個百分點。而MS5僅在返青期～孕穗期較CK增墑0.48個百分點，在播種期～越冬期、開花期～蠟熟期分別較CK降墑0.13和0.43個百分點；MS6在上述各生育階段分別較CK降墑0.17、0.33、0.29個百分點。

比較各個處理在各生育時期土壤含水量的變異系數(shù)發(fā)現(xiàn)：MS5(18.9%)>MS6(18.7%)>MS3(17.4%)>MS4(17.0%)>CK(16.9%)，說明秸稈帶狀覆蓋加劇了時期間的土壤水分波動，其中MS3在各時期間變異系數(shù)最小，即水分波動較小，時期間土壤供水較穩(wěn)定。

2.2.3 不同土層全生育期土壤平均含水量 從圖3可知，無覆蓋露地(CK)的土壤含水量隨土層加深而增加，在180～200cm土層達到最高(16.12%)，比0～20cm增加了5.7個百分點。秸稈帶狀覆蓋對土壤水分在土層間的分布有一定的影響，總體來看隨著土層深度的增加，土壤含水量表現(xiàn)出先減后增的趨勢。在0～60 cm土層由于蒸騰耗水和蒸發(fā)耗水的雙重作用，秸稈帶狀覆蓋的土壤含水量隨土層加深而逐漸下降，各覆蓋處理均在40～60cm土層達到最低，平均為10.58%(10.42%～10.71%)，處理間差異不顯著；60cm土層以下總體隨土層加深而逐漸增大，其中MS4、MS5、MS6與CK的變化趨勢一致，均在180～200 cm土層含水量達到最高，平均為15.96%(15.42%～16.66%)，以MS4最高、MS6最低；而MS3在60～120cm土層中含水量劇增，且在90～120 cm土層達到最高為16.70%，而120 cm以下又總體呈下降趨勢，至180～200 cm土層含水量為15.59%。MS3在60～120 cm土層含水量顯著高于其它處理3.82～4.63個百分點，即對0～60 cm土層的供水補給能力好于其它處理。

比較各土層處理間變異系數(shù)可見，處理間差異以60～150 cm(6.73%～14.15%)最大，其次為150～200 cm土層(3.29%)，0～60 cm土層最小(2.47%)。各土層處理間極差值為0.29～4.63個百分點，最大極差值出現(xiàn)在90～120 cm土層的MS3與MS6之間，最小極差出現(xiàn)在40～60 cm土層MS4與MS6之間。

比較各土層秸稈帶狀覆蓋土壤含水量與CK的差值可見，在0～60 cm土層各覆蓋處理總體較CK增墑0.43(0.23～0.55)個百分點，增墑幅度以MS5最高、MS6最低；在60～200 cm土層，MS3與MS4較CK分別顯著增墑1.33和0.25個百分點，MS5、MS6則較CK顯著降墑0.39、0.58個百分點。

圖3 不同土層全生育期土壤平均含水量Fig.3 Mean soil moisture content of different soil layers at whole growth period

比較不同處理間土壤含水量的變異系數(shù)發(fā)現(xiàn)：MS3(17.8%)>MS4(17.6%)>CK(17.0%)>MS6(14.8%)>MS5(14.5%)，說明MS3和MS4對土層間水分波動具有加劇作用，MS5、MS6則具有平抑作用。

2.2.4 土壤水分的時空動態(tài) 由表4、表5可知，秸稈帶狀覆蓋在不同生育時期、不同土層均具有增墑和降墑的雙重效應。統(tǒng)計比較各覆蓋處理在8個生育時期、8個土層總計64個測定點較CK增墑點次比例，依次為：MS4(68.8%)>MS3(62.5%)>MS5(45.3%)>MS6(34.4%)。秸稈帶狀覆蓋在各生育階段的增墑點次依次為：越冬期～返青期(62.5%～71.9%)>拔節(jié)期～開花期(50.0%～56.3%)>灌漿期～蠟熟期(31.3%～50.0%)；土層間依次為：0～60 cm(46.9%～96.9%)>60～200 cm(31.25%～53.1%)。

各處理在不同時期、不同土層的增墑點次分布差異較大。其中MS3、MS4在各時期各土層總體均較CK增墑，但MS3在各時期0～200 cm 8個土層的平均增墑幅度為-0.41～2.15個百分點，MS4為-0.16～1.00個百分點，總體上MS3的增墑效果大于MS4，即增墑效果一方面決定于增墑點次，另一方面決定于增墑幅度。MS5、MS6的增墑點次主要分布在越冬期～返青期、0～40 cm土層，其它各時期各土層則基本為降墑。

表4秸稈帶狀覆蓋各生育時期增墑點次比例/%

Table 4 The increased percentage point of soil moisture content at different growth stages

處理越冬期返青期拔節(jié)期孕穗期開花期灌漿期乳熟期蠟熟期全生育期TreatmentWinteringRevivalJointingBootingBloomingFillingMilkingRipeningGrowthMS387.575.075.062.57550255062.5MS475.075.075.050.05087.510037.568.8MS537.587.562.575.0252537.512.545.3MS650.050.012.512.55037.537.52534.4

表5 秸稈帶狀覆蓋各土層增墑點次比例/%

2.3 土壤含水量與小麥生長的相關分析

相關分析表明(表略)，小麥產量與全生育期(r=0.965**)、越冬期(r=0.960**)、拔節(jié)期(r=0.881*)平均含水量顯著或極顯著相關，與其它時期(除乳熟期)土壤平均含水量相關雖不顯著但相關系數(shù)較高(r=0.743～0.862)，說明良好的土壤水分條件是高產的關鍵。各時期中，越冬期含水量與有效穗數(shù)顯著相關(r=0.880*)，蠟熟期則與有效穗數(shù)、千粒重顯著(r=0.904*)或極顯著(r=0.960**)相關，可見秸稈帶狀覆蓋在越冬期的顯著保墑作用有利于越冬保苗，增加有效穗數(shù)，從而實現(xiàn)增產。土層間60～150 cm土壤含水量與小麥產量(r=0.834～0.947*)和有效穗數(shù)(r=0.726～0.889*)的相關性較高，特別是120～150 cm土層含水量與產量(r=0.947*)、有效穗數(shù)(r=0.889*)均顯著相關，可見提高60～150 cm土層含水量有利于改善深層土壤對主要耗水層(0～60 cm)的供水狀態(tài)，從而影響小麥生長、促進增產。

3 討論與結論

本年度試驗中，MS3與MS4較露地種植的增產幅度較大，高于本團隊2013、2014年在通渭縣常河鎮(zhèn)[21]以及2015年在通渭縣平襄鎮(zhèn)[22]同一田塊的研究結果。2016年4、5月份發(fā)生了2次較嚴重的倒春寒，且全生育期有效降水量僅為2014-2015年度(豐水年)的37.4%，小麥拔節(jié)～抽穗階段對溫度及水分脅迫較為敏感，異常氣候嚴重影響了小麥生長、穗分化及抽穗，試驗田塊露地的穗數(shù)、穗粒數(shù)和產量分別較2014-2015年度(豐水年)減少13.7%、50.2%和70.3%，秸稈帶狀覆蓋(3行)依次降低18.5%、26.5%和49.9%[22]，秸稈帶狀覆蓋(3行)兩年度間的產量差異小于露地，可見其對異常氣候的脅迫具有一定的減緩作用。根據(jù)試驗年度測定，MS3和MS4處理具有較明顯的降溫和增墑效應，全生育期平均較CK降溫1.78℃、2.27℃，增墑1.00、0.35個百分點，使小麥返青～孕穗生育進程較CK延遲3d，減輕了倒春寒及干旱對穗分化和抽穗的影響，其穗數(shù)、穗粒數(shù)均顯著高于CK，導致了較CK的增產率比同一田塊2014～2015年度的高出25.1%。MS5、MS6全生育期土壤溫度僅較CK降低0.92℃、0.81℃，土壤墑情與CK相近，延遲孕穗1d，且種植帶內植株密度大于露地，以致異常氣候因素對小麥抽穗的影響強于露地，穗數(shù)較CK明顯減少，從而影響了群體產量。

張樹蘭等[23]發(fā)現(xiàn)，由于生育后期的水分脅迫，秸稈均勻覆蓋條件下小麥的收獲指數(shù)較常規(guī)種植下降20%。而本研究中，在干旱年份秸稈帶狀覆蓋能顯著提高冬小麥的收獲指數(shù)，以MS3最為顯著。這是由于MS3在生育后期(開花期～蠟熟期)土壤含水量顯著高于其它覆蓋處理0.7個百分點，有效改善了灌漿階段土壤的供水條件，對干物質轉移、籽粒灌漿有明顯的促進，從而提高了籽粒產量與生物產量的比例。

本研究中小麥產量與生育期耗水量顯著負相關(r=-0.828*)，這與王增麗等[24]的研究結果(r=-0.98**)大體一致，而與全覆膜小麥的高產建立在高耗水的基礎上的結論[25, 26]截然不同。其原因可能在于秸稈帶狀覆蓋與地膜全覆蓋對土壤水分的消耗不同，地膜全覆蓋的土壤水分蒸發(fā)耗散接近于零，而秸稈覆蓋耗水包括土壤蒸發(fā)的無效耗散和植株蒸騰生產的有效耗散，本研究中，由于隨種植帶幅增寬、植株覆蓋度降低，導致土壤蒸發(fā)量增大、耗水增加。

本研究MS3具有較為適宜的帶幅，增強了土壤的蓄水保墑和控溫抑蒸能力，促進土壤深層水的運移，增強了深層土壤水分(60～120cm)對主要耗水層(0～60cm)的補給作用，有效改善了MS3全生育期土壤水分條件，利于小麥生長成穗，增加產量。綜合考慮，秸稈覆蓋帶狀3行具有蓄水保墑、節(jié)水增產效果的相當優(yōu)勢，是適合西北旱作農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、操作性強的覆蓋種植方式。

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