不同覆蓋時(shí)期和覆蓋方式對(duì)旱地冬小麥經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效應(yīng)的影響

毛安然，趙護(hù)兵，楊慧敏，王濤，陳秀文，梁文娟

不同覆蓋時(shí)期和覆蓋方式對(duì)旱地冬小麥經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效應(yīng)的影響

1西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100；2乾縣果樹技術(shù)服務(wù)站，陜西乾縣 713300

【】明確不同覆蓋時(shí)期（夏閑期和周年覆蓋）以及不同覆蓋方式（壟溝覆蓋、全膜覆蓋和秸稈覆蓋）對(duì)旱地冬小麥產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益和溫室氣體排放的影響，為選擇適合當(dāng)?shù)匦←溕a(chǎn)的高產(chǎn)、高效和環(huán)境友好型覆蓋措施提供科學(xué)依據(jù)。于2017—2019年2個(gè)小麥生長季在黃土高原典型旱作區(qū)陜西省永壽縣開展大田試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理，采用裂區(qū)設(shè)計(jì)。不同覆蓋時(shí)期為主區(qū)，設(shè)置夏閑期覆蓋和周年覆蓋（生育期覆蓋+夏閑期覆蓋）2個(gè)處理，不同覆蓋方式為副區(qū)，分別為壟膜溝秸稈全地面覆蓋、全膜覆蓋以及秸稈全地面覆蓋3個(gè)處理。研究分析小麥產(chǎn)量、土壤蓄水量、生育期耗水量、水分利用效率、經(jīng)濟(jì)利潤以及溫室氣體排放強(qiáng)度。與夏閑期覆蓋相比，周年覆蓋2季平均增產(chǎn)9.5%，周年秸稈覆蓋平均產(chǎn)量較周年壟覆溝播處理高出622 kg·hm-2，而與全膜穴播處理沒有顯著差異；周年覆蓋生育期耗水量和水分利用效率較夏閑期覆蓋分別提高5.6%和4.0%；周年覆蓋可顯著提高冬小麥經(jīng)濟(jì)效益，較夏閑期覆蓋年平均凈利潤提高17.8%，周年覆蓋中秸稈覆蓋平均凈利潤＞全膜穴播＞壟覆溝播；同時(shí)，周年覆蓋2季平均溫室氣體排放強(qiáng)度較夏閑期覆蓋降低11.0%，差異達(dá)顯著水平。其中，以周年秸稈覆蓋的溫室氣體排放強(qiáng)度最低。與夏閑期覆蓋相比，周年覆蓋措施能夠提高水分利用效率和生育期耗水量從而提高冬小麥產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)減少溫室氣體排放強(qiáng)度。其中，周年秸稈覆蓋措施具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和最低的溫室氣體排放強(qiáng)度，適宜在黃土旱塬區(qū)冬小麥生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

夏閑期覆蓋；周年覆蓋；旱地冬小麥；產(chǎn)量；經(jīng)濟(jì)效益；溫室氣體排放強(qiáng)度

0 引言

【研究意義】旱地養(yǎng)活著約40%的世界人口，而小麥作為人類食物的主要來源之一，約75%產(chǎn)自于旱作農(nóng)業(yè)區(qū)[1-2]。人口的持續(xù)增長使得糧食需求量不斷提高，實(shí)現(xiàn)旱地小麥可持續(xù)生產(chǎn)對(duì)緩解食品需求壓力、保證糧食安全具有十分重要的意義。然而，高的糧食需求量使得人們往往集中注意力于能夠提高產(chǎn)量的農(nóng)業(yè)管理措施而忽略了由此引發(fā)的環(huán)境問題，例如溫室氣體排放[3-4]。糧食增產(chǎn)不能以犧牲環(huán)境為代價(jià)，因此，尋求有效措施促進(jìn)旱地小麥增產(chǎn)的同時(shí)減少環(huán)境危害，協(xié)調(diào)產(chǎn)量和溫室氣體排放之間的矛盾是當(dāng)前農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中亟待解決的問題。【前人研究進(jìn)展】水資源短缺是限制旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的首要因素。地表覆蓋技術(shù)被認(rèn)為是蓄積自然降水，提高水分利用效率進(jìn)而提高產(chǎn)量的可行方法。已有的研究多集中于周年覆蓋，主要覆蓋方式包括壟覆溝播、全膜穴播和秸稈覆蓋[5-6]。研究表明，周年覆蓋能夠有效利用夏閑期降水和充分利用生育期降水，是實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)的重要途經(jīng)[7]。但是經(jīng)周年覆蓋后的殘膜往往難以撿拾回收，其長期存留于土壤中阻礙土壤導(dǎo)水孔隙，影響作物生長，進(jìn)而產(chǎn)生“白色污染”[8-9]。由于黃土高原地區(qū)年降水較少且分布嚴(yán)重不均，超過2/3的降水集中在7—9月份[10]，因此，夏閑期覆蓋技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)。研究表明，夏閑期覆蓋可顯著提高小麥播前底墑，改善生育期土壤水分條件，促進(jìn)小麥增產(chǎn)[11-12]。陳玉章等在西北旱作雨養(yǎng)區(qū)進(jìn)行覆蓋試驗(yàn)，研究表明夏閑期全膜覆蓋可使小麥增產(chǎn)29.0%[13]。與周年覆蓋相比，夏閑期覆蓋無需考慮小麥播種以及出苗的問題，更容易操作，殘膜以及殘留秸稈的回收也相對(duì)容易，但是無法保蓄生育期降水可能會(huì)對(duì)產(chǎn)量造成影響。此外，采用農(nóng)業(yè)管理措施提高作物生產(chǎn)力的同時(shí)也增加了環(huán)境成本，溫室氣體排放是小麥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的典型的環(huán)境危害之一[14-15]。例如，覆膜增產(chǎn)的同時(shí)也增加了一部分額外的投入，包括地膜、機(jī)械以及人力投入等，而這些措施都會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放[16]；覆蓋秸稈以及移除秸稈的人力投入等也會(huì)增加溫室氣體的排放。由此可見，不同覆蓋模式由于其農(nóng)業(yè)投入不同，其溫室氣體排放也存在很大的差異。【本研究切入點(diǎn)】目前旱地小麥保水覆蓋措施研究多集中于單一覆蓋時(shí)期下不同覆蓋方式對(duì)冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率的影響，而對(duì)不同覆蓋時(shí)期經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境影響以及綜合效益比較研究報(bào)道較少。因此，夏閑期覆蓋在產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益方面是否優(yōu)于周年覆蓋目前鮮有報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究于2017—2019年連續(xù)2個(gè)小麥生長季在陜西省永壽縣御駕宮村布置旱地小麥不同覆蓋時(shí)期和方式保水增產(chǎn)試驗(yàn)，比較夏閑期和周年覆蓋2種覆蓋時(shí)期以及2種覆蓋時(shí)期下壟溝覆蓋、全膜覆蓋和秸稈覆蓋3種覆蓋方式對(duì)冬小麥產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益影響，旨在篩選出適應(yīng)當(dāng)?shù)匦←溕a(chǎn)的最優(yōu)覆蓋模式，為旱地冬小麥可持續(xù)生產(chǎn)和環(huán)境友好型覆蓋種植技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017—2019年在黃土高原冬小麥種植區(qū)陜西省永壽縣御駕宮村（35.7°N，108.2°E）進(jìn)行，包含2個(gè)小麥生長季。該地區(qū)海拔995 m，年平均降水量500 mm，年平均氣溫10.8℃，潛在蒸發(fā)量807.4 mm，地下水位較深不能為植物吸收利用，降水是維持作物生長的唯一水源。該地區(qū)冬小麥種植模式為一年一季，上季小麥通常于6月份收獲，下季小麥于同年9月份種植，這使得2季作物之間有3個(gè)月的休閑期（7—9月），而休閑期集中了全年2/3的降水。試驗(yàn)期間降水情況如圖1所示，2017—2018和2018—2019年降水量分別為479.4和422.9 mm，夏閑期降水量分別為177.3和277.0 mm，根據(jù)GUO等的降水分類方法[17]，2年均為欠水年。試驗(yàn)開始時(shí)，該區(qū)0—20 cm耕層土壤pH為8.18，有機(jī)質(zhì)13.98 g·kg-1，總氮含量為0.87 g·kg-1，硝態(tài)氮14.89 mg·kg-1，銨態(tài)氮2.43 mg·kg-1，有效磷7.13 mg·kg-1，速效鉀124.38 mg·kg-1。

圖1 永壽2017年6月至2019年6月各月降水量

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)（表1），主處理為不同覆蓋時(shí)期（周年和夏閑期）、副處理為不同覆蓋方式，分別為壟溝覆蓋（RM+FS）、全膜覆蓋（PM）和秸稈覆蓋（SM），共6個(gè)處理，4次重復(fù)，小區(qū)面積為12 m×4 m=48 m2。夏閑期覆蓋即從小麥?zhǔn)斋@后覆蓋至下季小麥播前移除覆蓋物，生育期進(jìn)行常規(guī)播種，不覆蓋；周年覆蓋即小麥生育期和夏閑期覆蓋，是從小麥播前進(jìn)行覆蓋直至夏閑期結(jié)束移除覆蓋物，周年覆蓋就此完成。本試驗(yàn)為定位試驗(yàn)，第2年重新進(jìn)行覆蓋，覆蓋處理與第1年完全相同。覆蓋所使用地膜均為0.008 mm厚度的普通白色農(nóng)用地膜。供試小麥品種為洛旱6號(hào)，各處理播種量均為150 kg·hm-2。在小麥生育期間噴施除草劑。各處理播前均施氮肥150 kg·hm-2，磷肥127.5 kg·hm-2，供試氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%）。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

（1）土壤蓄水量的測定及計(jì)算

以20 cm為一層，在每個(gè)小區(qū)分別采集小麥播前和收獲后0—200 cm土層的土壤樣品用烘干法進(jìn)行土壤含水量的測定。

小麥播前（收獲后）土壤蓄水量計(jì)算公式為：

W= h × ρ × ω% ×10 （1）

式中，W為土壤蓄水量（mm）；h為土層深度（cm）；ρ為土壤容重（g·cm-3）；ω%為土壤含水量。

由于本試驗(yàn)無灌溉條件，生育期無地表徑流且地下水位較深，生育期耗水量可通過以下方式計(jì)算：

ET=（W1-W2）+P （2）

式中，ET為小麥生育期耗水量（mm）；P為小麥生育期≥5 mm有效降雨量；W1、W2分別為小麥播前和收獲時(shí)的土壤貯水量（mm）。

水分利用效率及休閑效率計(jì)算公式：

WUE = Y/ET （3）

表1 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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

（2）經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

產(chǎn)量效益=籽粒產(chǎn)量×市場價(jià)格；

凈利潤=小麥產(chǎn)量效益-經(jīng)濟(jì)投入。

小麥平均市場價(jià)格按2.4 元/kg計(jì)算；經(jīng)濟(jì)投入指小麥生產(chǎn)過程中機(jī)械、材料、勞動(dòng)等總消耗，以當(dāng)?shù)貦C(jī)械翻耕（675 元/hm2）、覆膜（450 元/hm2） 、播種 （225 元/hm2）、收獲（600 元/hm2）以及其他農(nóng)資（如種子、化肥、農(nóng)藥、地膜）消耗的市場價(jià)格計(jì)算投入。生產(chǎn)過程中的人力投入（包括覆蓋以及移除秸稈、移除殘膜等）以每人60元/d計(jì)算。

（3）溫室氣體排放計(jì)算

與小麥生產(chǎn)有關(guān)的溫室氣體排放主要來自于：（1）肥料、除草劑、種子和地膜的生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用；（2）農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用中所消耗柴油的生產(chǎn)和運(yùn)輸；（3）人力投入。N2O排放依據(jù)前人研究結(jié)果[18-20]。雖然土壤CO2是導(dǎo)致全球變暖的重要因素之一，但是據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全球范圍內(nèi)，土壤CO2凈通量對(duì)農(nóng)業(yè)溫室氣體排放的貢獻(xiàn)極小，占農(nóng)業(yè)溫室氣體排放比例不足1%[21]；CONANT等[22]表示，土壤有機(jī)碳含量在短時(shí)間內(nèi)很難檢測到微小的變化，因此在我們的研究中均沒有考慮。溫室氣體（GHG）排放通過以下方式計(jì)算：

式中，AIi為作物生長期間的農(nóng)業(yè)投入（包括肥料、除草劑、種子、柴油、人力和地膜等）；EFi為生命周期中每一個(gè)農(nóng)業(yè)投入的GHG排放系數(shù)；n為農(nóng)業(yè)投入量；EN2O田間氮肥投入引起的土壤中N2O排放。

溫室氣體排放強(qiáng)度（GHGI）是指單位產(chǎn)量范圍內(nèi)的GHG排放[19]。計(jì)算如下：

GHGI（kg CO2eq·Mg-1）= GHG排放（kg CO2eq·hm-2）/產(chǎn)量（kg·hm-2）×1000。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用SPSS 24.0進(jìn)行方差分析，LSD法進(jìn)行處理間差異顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 不同覆蓋時(shí)期和覆蓋方式對(duì)產(chǎn)量影響

不同覆蓋時(shí)期和覆蓋方式對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響不同。對(duì)不同覆蓋時(shí)期而言，周年覆蓋2季平均產(chǎn)量達(dá)到5 558 kg·hm-2，較夏閑期覆蓋平均增產(chǎn)9.5%，且差異達(dá)顯著水平（圖2）。其中，周年壟覆溝播處理較夏閑期壟溝覆蓋平均增產(chǎn)5.9%，周年全膜穴播處理較夏閑期全膜覆蓋平均增產(chǎn)17.4%，周年秸稈覆蓋處理較夏閑期秸稈覆蓋處理平均增產(chǎn)5.5%。相同覆蓋時(shí)期條件下，夏閑期覆蓋中秸稈覆蓋處理2季平均產(chǎn)量顯著高于壟溝覆蓋和全膜覆蓋處理，而夏閑期壟溝覆蓋和全膜覆蓋處理之間差異未達(dá)顯著水平；周年覆蓋中秸稈覆蓋和全膜穴播處理平均產(chǎn)量沒有顯著差異，但較周年壟覆溝播處理分別顯著高出622和666 kg·hm-2。

SFM：夏閑期覆蓋；YM：周年覆蓋；RM+FS：壟覆溝播；PM：全膜穴播；SM：秸稈覆蓋

圖中誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差。不同大寫字母表示不同覆蓋時(shí)期間差異顯著（＜0.05）；小寫字母表示同一覆蓋時(shí)期不同覆蓋方式之間的差異顯著（＜0.05）。下同

SFM: Mulching during the summer fallow; YM: The year-round mulching; RM+FS: Ridge-furrow plastic mulching; PM: Whole field plastic mulching; SM: straw mulching

Error bars indicate standard error. Different capital letters mean significant differences between different mulching periods (＜0.05); different lowercase letters mean significant differences between different mulching practices in the same mulching period (＜0.05). The same as below

圖2 不同覆蓋時(shí)期以及覆蓋方式下的冬小麥產(chǎn)量

Fig. 2 Winter wheat yield under different mulching periods and mulching practices

2.2 不同覆蓋時(shí)期和覆蓋方式的水分利用差異

2017—2019年不同處理下旱地麥田水分利用差異如表所示（表2）。就不同覆蓋時(shí)期2季平均蓄水量結(jié)果來看，夏閑期覆蓋與周年覆蓋播前和收獲時(shí)土壤蓄水量均沒有顯著差異。但是同一時(shí)期不同覆蓋方式下土壤播前蓄水量存在明顯的不同，夏閑期和周年3種覆蓋方式下2季平均播前土壤蓄水量均表現(xiàn)為SM＞PM＞RM+FS。

與夏閑期覆蓋相比，周年覆蓋顯著提高生育期耗水量和水分利用效率。就2年平均結(jié)果來看，周年覆蓋生育期總耗水量和水分利用效率較夏閑期覆蓋分別提高5.6%和4.0%，差異均達(dá)顯著水平。針對(duì)同一覆蓋時(shí)期，夏閑期秸稈覆蓋處理2季平均生育期耗水量顯著高于夏閑期壟溝覆蓋處理，而與同時(shí)期全膜覆蓋處理差異未達(dá)顯著水平。周年覆蓋3種覆蓋方式2季平均生育期耗水量與夏閑期3種覆蓋方式表現(xiàn)出一致的規(guī)律。

2.3 不同覆蓋時(shí)期和覆蓋方式的經(jīng)濟(jì)效益分析

與夏閑期覆蓋相比，周年覆蓋可顯著提高冬小麥經(jīng)濟(jì)效益，2季平均凈利潤總體上提高17.8%（圖3）。夏閑期覆蓋中秸稈覆蓋處理2季平均凈利潤為8 007元/hm2，顯著高于壟溝覆蓋和全膜覆蓋處理，而夏閑期壟溝覆蓋和全膜覆蓋處理經(jīng)濟(jì)效益沒有顯著差異；周年覆蓋下3種覆蓋方式2季平均凈利潤依次為SM＞PM＞RM+FS，其中周年秸稈覆蓋處理其2季平均凈利潤較周年周年全膜穴播顯著提高30.6%，周年全膜穴播處理2季平均凈利潤較周年壟覆溝播顯著高出21.7%。

2.4 不同覆蓋時(shí)期和覆蓋方式溫室氣體排放強(qiáng)度（GHGI）差異

基于不同覆蓋處理的溫室氣體排放量和小麥產(chǎn)量，可以計(jì)算出夏閑期和周年3種覆蓋方式下溫室氣體排放強(qiáng)度（圖4）。2季平均結(jié)果表明：周年覆蓋較夏閑期覆蓋可以顯著降低溫室氣體排放強(qiáng)度。夏閑期3種覆蓋方式中秸稈覆蓋處理2季平均溫室氣體排放強(qiáng)度顯著低于壟溝覆蓋和全膜覆蓋處理，夏閑期地膜覆蓋處理中壟溝覆蓋2季平均溫室氣體排放強(qiáng)度顯著低于全膜覆蓋處理；周年覆蓋各處理中以周年秸稈覆蓋2季平均溫室氣體排放強(qiáng)度最低，較周年壟覆溝播和全膜穴播處理分別顯著降低44.7%和50.1%，而周年壟覆溝播和全膜穴播處理間差異未達(dá)顯著水平。

表2 不同覆蓋時(shí)期以及覆蓋方式下對(duì)冬小麥水分利用的影響

均值間比較是指不同覆蓋時(shí)期間的比較，不同大寫字母表示夏閑期覆蓋和周年覆蓋處理差異顯著（＜0.05）；小寫字母表示同一覆蓋時(shí)期不同覆蓋方式之間的差異顯著（＜0.05）

Mean comparison refers to the comparison between different mulching periods, different capital letters mean significant differences between different mulching periods (＜0.05); different lowercase letters mean significant differences between different mulching practices in the same mulching period (＜0.05)

圖3 不同覆蓋時(shí)期以及覆蓋方式下冬小麥經(jīng)濟(jì)效益

圖4 不同覆蓋時(shí)期以及覆蓋方式下產(chǎn)生的溫室氣體排放強(qiáng)度

3 討論

3.1 覆蓋方式對(duì)旱地冬小麥產(chǎn)量的影響

覆蓋是提高旱地小麥產(chǎn)量的重要措施之一。旱地小麥試驗(yàn)表明，在夏季休閑期采用地膜或秸稈覆蓋均有利于提高土壤播前底墑，改善土壤養(yǎng)分狀況，增加籽粒產(chǎn)量[23]。劉黨校等[24]的研究表明，生育期地膜覆蓋對(duì)溫度和墑情的調(diào)控能夠促進(jìn)冬小麥分蘗，提高穗數(shù)和千粒重。李廷亮等[25]在黃土旱塬進(jìn)行周年覆蓋試驗(yàn)，結(jié)果表明，周年壟膜溝播種植較傳統(tǒng)無覆蓋模式增產(chǎn)8.6%，周年全膜覆土穴播加監(jiān)控施肥模式使得籽粒產(chǎn)量提高40%。本研究對(duì)夏閑期覆蓋和周年覆蓋下各處理籽粒產(chǎn)量進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，周年覆蓋較夏閑期覆蓋2季平均增產(chǎn)9.5%，且差異達(dá)顯著水平。趙紅梅等[26]的研究表明，在夏閑期覆蓋確保小麥底墑的基礎(chǔ)上，在小麥生育期間地膜能夠減少土壤蒸發(fā)的同時(shí)增加作物蒸騰耗水，提高水分利用效率，進(jìn)而增加籽粒產(chǎn)量。而在我們的研究中，周年覆蓋2季生育期平均耗水量和水分利用效率均顯著高于夏閑期覆蓋，這為旱地小麥高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，進(jìn)而使得周年覆蓋小麥籽粒產(chǎn)量顯著高于夏閑期覆蓋。由于試驗(yàn)地兩年均為欠水年，所以小麥生長處于干旱脅迫狀態(tài)，盡管生育期降水較少，但對(duì)小麥生長發(fā)育仍起著至關(guān)重要的作用。因此，周年覆蓋較夏閑期覆蓋表現(xiàn)出了明顯的增產(chǎn)優(yōu)勢。

針對(duì)同一時(shí)期不同覆蓋方式，有研究表明，穗數(shù)與小麥產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，壟覆溝播由于覆膜占據(jù)大量無效種植面積，使得小麥穗數(shù)減少，從而影響產(chǎn)量形成[27]。因此本研究中無論夏閑期覆蓋或是周年覆蓋，壟覆溝播處理2季平均籽粒產(chǎn)量均顯著低于秸稈覆蓋和全膜穴播處理。同時(shí)，我們的研究還發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋處理表現(xiàn)出了明顯的增產(chǎn)優(yōu)勢，夏閑期秸稈覆蓋處理較壟溝覆蓋和全膜覆蓋處理2季平均籽粒產(chǎn)量顯著提高，這與李富翠等秸稈覆蓋能夠促使小麥增產(chǎn)的研究結(jié)果一致[28-29]，而周年秸稈覆蓋2季平均籽粒產(chǎn)量與全膜穴播處理基本持平，這可能和周年秸稈覆蓋造成小麥早春生長期土壤溫度降低有關(guān)[30]。

3.2 覆蓋方式對(duì)旱地麥田水分利用的影響

水分是制約旱地小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一。由于黃土高原地區(qū)地下水位較深且無灌溉水源，作物生長主要依靠降水[31]。GUO等[17]研究表明，在黃土高原地區(qū)，作物產(chǎn)量與夏閑期降雨量呈顯著正相關(guān)，因此，夏閑期降雨的保蓄將直接影響籽粒產(chǎn)量的形成。高艷梅等[32]研究表明，休閑期滲水地膜覆蓋條件下，土壤播前蓄水量每增加1 mm，小麥可增產(chǎn)13 kg·hm-2以上。充足的底墑能夠誘導(dǎo)植物根系下扎至土壤深層，使得深層土壤水分得以吸收利用，從而為豐產(chǎn)奠定基礎(chǔ)[33]。在地表覆蓋秸稈或地膜等均能夠阻止水分垂直蒸發(fā)，使得降水能入滲至2 m以下土層，顯著增加土壤含水量，提高播前底墑[30,34]。我們的研究結(jié)果表明，無論夏閑期覆蓋或是周年覆蓋，秸稈覆蓋處理的蓄水能力均顯著高于壟溝覆蓋處理，與全膜覆蓋處理播前蓄水量基本持平。秸稈覆蓋在夏閑期能夠保蓄更多水分的這一優(yōu)勢可能與本研究采用10 t·hm-2的覆蓋量有關(guān)。有研究表明，在一定范圍內(nèi)，土壤含水量與秸稈覆蓋量呈線性正相關(guān)[35]。另外，與地膜覆蓋相比，秸稈覆蓋的滲水能力較強(qiáng)，有利于降雨入滲。

除了播前底墑，生育期降水也是保證旱地小麥穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)的重要因素。廖允成等[34]研究表明，夏閑期覆蓋和生育期覆蓋相結(jié)合能夠最大限度保蓄全年降水，為旱地小麥生長提供良好的水分條件。但是在本研究中，周年覆蓋和夏閑期覆蓋各處理收獲期蓄水量卻沒有顯著差異，這是因?yàn)楦弋a(chǎn)建立在高耗水的基礎(chǔ)上[5]。周年覆蓋后期促進(jìn)水分消耗由棵間蒸發(fā)向作物蒸騰轉(zhuǎn)化，增加蒸騰耗水比例，使得其生育期耗水量和水分利用效率顯著高于夏閑期，進(jìn)而顯著提高產(chǎn)量[25,34,36]。

3.3 覆蓋方式對(duì)旱地冬小麥經(jīng)濟(jì)效益的影響

由于農(nóng)民承擔(dān)經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)的能力有限，一種農(nóng)業(yè)管理措施是否被采用往往取決于它所帶來的經(jīng)濟(jì)效益而不僅僅依靠產(chǎn)量[37]。經(jīng)濟(jì)效益由籽粒產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)投入兩個(gè)因素決定[38]，因此，提高籽粒產(chǎn)量的同時(shí)降低生產(chǎn)成本才能實(shí)現(xiàn)資源最大化利用，進(jìn)而取得高收益。本研究中，夏閑期進(jìn)行覆蓋之前需進(jìn)行深翻，至小麥播前揭膜再深翻一次然后開始播種，而周年覆蓋只在小麥播前深翻一次，因此周年覆蓋的生產(chǎn)成本要低于夏閑期覆蓋，再則周年覆蓋2季小麥籽粒平均產(chǎn)量顯著高于夏閑期覆蓋，由此解釋了我們研究中周年覆蓋的經(jīng)濟(jì)效益高于夏閑期覆蓋的原因。

研究還表明，周年覆蓋和夏閑期覆蓋中均以秸稈覆蓋處理2季平均經(jīng)濟(jì)利潤最高，這是因?yàn)橄拈e期壟溝覆蓋和全膜覆蓋與周年覆蓋地膜用量相同，花費(fèi)分別為500和813元/hm2，且覆膜需要增加額外的機(jī)械和人工投入，提高了生產(chǎn)總投入。而我國秸稈資源豐富，尤其是目前禁止燃燒秸稈以后，大量的秸稈廢棄并堆積于路邊，因此利用廢棄秸稈覆蓋能夠大大縮減生產(chǎn)成本，同時(shí)顯著提高產(chǎn)量，因而提高了經(jīng)濟(jì)效益。Chen等[18]的研究表明，秸稈覆蓋和地膜覆蓋均能維持較高的生產(chǎn)力，但是，由覆蓋地膜帶來的產(chǎn)量的增加無法抵消覆膜產(chǎn)生的額外花費(fèi)，這與本研究結(jié)果一致。

3.4 覆蓋方式對(duì)旱地冬小麥溫室氣體排放強(qiáng)度的影響

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球溫室氣體排放呈上升趨勢，而農(nóng)業(yè)溫室氣體排放占總體的10%—12%[21]，IPCC報(bào)告顯示，如果到2050年全球變暖的問題能夠被阻止的話，那么全球溫室氣體排放較2000年需減少到50%—85%[39]。不斷增長的食物需求壓力和全球氣候變化都需要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能夠在不降低作物生產(chǎn)力的同時(shí)減少溫室氣體的排放，這就需要我們能夠最大化利用固定資源（土地、光照、良好的生長條件等）和優(yōu)化農(nóng)業(yè)投入[40]。地表覆蓋技術(shù)能夠充分利用光照、水分等資源促進(jìn)旱地作物產(chǎn)量大幅度增加，但是同時(shí)也帶來了不同程度的環(huán)境危害。溫室氣體排放強(qiáng)度（GHGI）的計(jì)算則量化了農(nóng)業(yè)溫室氣體排放和籽粒產(chǎn)量的關(guān)系，是我們判斷農(nóng)業(yè)管理措施是否符合可持續(xù)發(fā)展理念的重要指標(biāo)之一[19]。

最近的研究顯示，增加作物產(chǎn)量可以有效降低溫室氣體排放強(qiáng)度[41-42]，在我們的研究中，周年覆蓋使得旱地冬小麥產(chǎn)量大幅度增加，因此與夏閑期覆蓋相比，周年覆蓋各處理均降低了溫室氣體排放強(qiáng)度，這與前人研究結(jié)果一致。并且，相比較夏閑期覆蓋，周年覆蓋處理只需對(duì)土壤進(jìn)行一次深翻，降低了柴油等消耗，從而減少單位面積溫室氣體排放，這也是周年覆蓋處理下溫室氣體排放強(qiáng)度顯著降低的重要原因之一。而對(duì)同一時(shí)期不同覆蓋方式而言，HE等[43]研究表明，與農(nóng)戶模式相比，盡管地膜覆蓋通過大幅度提高產(chǎn)量降低了溫室氣體排放強(qiáng)度，但是并沒有減少溫室氣體排放，地膜覆蓋產(chǎn)生的額外的農(nóng)業(yè)投入帶來了更高的溫室氣體排放。此外，經(jīng)周年覆蓋后的地膜大都光解風(fēng)化，難以回收利用，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染[13]。幸運(yùn)的是，本研究結(jié)果表明，秸稈覆蓋相比較地膜覆蓋在維持較高產(chǎn)量的同時(shí)也減少了由農(nóng)業(yè)投入引起的溫室氣體排放，緩和了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境危害的矛盾，其中以周年秸稈覆蓋效果最好。

4 結(jié)論

與夏閑期覆蓋相比，周年覆蓋能夠有效蓄積夏閑期降水和高效利用生育期降水，提高了冬小麥籽粒產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)減少了溫室氣體排放強(qiáng)度?？紤]到地膜覆蓋經(jīng)濟(jì)投入大，且對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，所以周年秸稈覆蓋是協(xié)調(diào)旱地冬小麥籽粒產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益與溫室氣體排放之間矛盾的有效途徑，適合在旱地冬小麥種植區(qū)域干旱年份推廣應(yīng)用。

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Effects of Different Mulching Periods and Mulching Practices on Economic Return and Environment

MAO AnRan1, ZHAO HuBing1, YANG HuiMin1, WANG Tao1, CHEN XiuWen1, LIANG WenJuan2

1College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, Shaanxi;2Fruit Tree Technical Service Station in Qianxian, Qianxian 713300, Shaanxi

【】The objective of this study was to clarify the effects of different mulching periods (mulching during the summer fallow and the year-round mulching) and different mulching practices (ridge-furrow plastic mulching, whole field plastic mulching and straw mulching) on winter wheat yield, economic return and greenhouse gas emissions in dryland. 【】The experiment was carried out from 2017 to 2019 in Yongshou Country, Shaanxi Province, which was a typical rainfed farming area of the Loess Plateau. The split plot design was employed with main plot of different mulching periods (mulching during the summer fallow and mulching over the year), and sub-plot of different mulching practices (ridge-furrow plastic mulching, whole field plastic mulching and straw mulching). Wheat yield, soil water storage and evapotranspiration during the winter wheat growing season and water use efficiency, economic profit and greenhouse gas emission intensity were analyzed. 【】Compare to mulching practices during the summer fallow, the average yield of year-round mulching practices was increased by 9.5%. The average yield of annual straw mulching was 622 kg·hm-2higher than that of annual ridge-furrow plastic mulching, but there was no significant difference between the year-round straw mulching and year-round plastic film mulching. Compare to mulching practices during the summer fallow, the year-round mulching practices increased the evapotranspiration during the winter wheat growing season and water use efficiency by 5.6% and 4.0%, respectively. Compared to mulching practices during the summer fallow, the year-round mulching practices significantly increased the economic return of winter wheat by 17.8%, and the average net economic return was straw mulching＞plastic film mulching＞ridge-furrow plastic mulching among the year-round mulching practices. Moreover, compared to mulching practices during the summer fallow, the average greenhouse gas emission intensity of year-round mulching practices decreased of 11.0%, and the difference was significant. The lowest greenhouse gas emission intensity was in annual straw mulching. 【】Compared to mulching practices during the summer fallow, the year-round mulching practices could improve water use efficiency and evapotranspiration during the winter wheat growing season, thus improving the yield and economic returns of winter wheat, while reducing the intensity of greenhouse gas emissions. In all practices, the annual straw mulching had the best economic return and the lowest intensity of greenhouse gas emissions, which was suitable for popularization and application in dryland winter wheat production areas.

mulching during the summer fallow; the year-round mulching; dryland winter wheat; yield; economic return; the intensity of greenhouse gas emissions

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.03.014

2020-05-14；

2020-07-13

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFD0200403）、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31272250）

毛安然，Tel：18437958575；E-mail：1553453329@qq.com。通信作者趙護(hù)兵，Tel：18991295902；E-mail：zhaohubing@hotmail.com

（責(zé)任編輯 李云霞）