秸稈還田量對(duì)旱地全膜覆土穴播春小麥水分利用及產(chǎn)量的影響

侯慧芝，張緒成，尹嘉德，方彥杰，王紅麗，于顯楓，馬一凡，張國(guó)平，雷康寧

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所/甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070)

甘肅中東部半干旱旱作區(qū)是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，年均降雨量在400 mm左右，春小麥為該區(qū)主要糧食作物之一[1]。該區(qū)自然降水較少，季節(jié)性干旱尤其突出，且降水與春小麥需水時(shí)期錯(cuò)位，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)卮盒←溕a(chǎn)的穩(wěn)定發(fā)展[2]。該區(qū)小麥栽培技術(shù)先后經(jīng)歷了地膜覆蓋[3]、膜側(cè)溝播[4]、全膜覆土穴播[5]等演變，這些技術(shù)對(duì)當(dāng)?shù)卮盒←溤霎a(chǎn)和水分有效利用起到了積極的推動(dòng)作用，但該區(qū)春小麥產(chǎn)量仍處于較低水平。因此，如何進(jìn)一步提高春小麥水分生產(chǎn)潛力仍是該區(qū)小麥生產(chǎn)需要解決的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題。秸稈還田是提升耕地質(zhì)量[6]、增強(qiáng)土壤-作物體系抗旱能力和可持續(xù)生產(chǎn)能力[7-9]的關(guān)鍵措施，可改善土壤理化性質(zhì)[10-14]，增加微生物和酶活性[15-17]，提高土壤蓄水保墑能力[18-19]，促進(jìn)作物增產(chǎn)[20-23]。

很多學(xué)者就秸稈還田對(duì)作物的生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響做了大量研究[24-26]。研究表明，小麥玉米秸稈連續(xù)全量還田可促進(jìn)小麥光合和群體干物質(zhì)積累，增加穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，顯著提高籽粒產(chǎn)量[27]。也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋下冬小麥的籽粒產(chǎn)量與地膜覆蓋相當(dāng)，說(shuō)明優(yōu)化秸稈覆蓋系統(tǒng)是提高旱地小麥產(chǎn)量的可行栽培方案[28]。近年來(lái)對(duì)全膜覆土穴播小麥栽培模式下秸稈還田效應(yīng)的研究未見(jiàn)報(bào)道，其中全膜覆土栽培模式下適宜秸稈還田量的篩選對(duì)秸稈科學(xué)還田尤為重要。本研究在量化分析秸稈還田對(duì)甘肅中東部旱作區(qū)全膜覆土穴播小麥栽培影響的基礎(chǔ)上，分析秸稈還田量對(duì)土壤水熱環(huán)境、春小麥生長(zhǎng)發(fā)育的效應(yīng)，以闡明秸稈還田對(duì)小麥生長(zhǎng)的生理生態(tài)調(diào)控機(jī)制，為本區(qū)域內(nèi)春小麥高產(chǎn)栽培及秸稈科學(xué)還田提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院定西試驗(yàn)站(甘肅省定西市安定區(qū)團(tuán)結(jié)鎮(zhèn)唐家堡村，104°36′E，35°35′N)進(jìn)行。該區(qū)海拔1 970 m，年平均氣溫6.2 ℃，年輻射總量5 898 MJ·m-2，年日照時(shí)數(shù)2 500 h，≥10 ℃積溫2 075.1 ℃，無(wú)霜期140 d，屬中溫帶半干旱氣候。作物一年一熟，為典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。年均降水量415 mm，6至9月降水量占年降水量的68%，降水相對(duì)變率為24%，400 mm降水保證率為48%。試驗(yàn)區(qū)土壤為黃綿土，0～30 cm土層平均容重1.25 g·cm-3，田間持水量為21.18%，凋萎系數(shù)為7.2%。

根據(jù)甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院定西試驗(yàn)站氣象資料統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)區(qū)2018年全年降水量為533.3 mm，屬豐水年，春小麥生育期內(nèi)降水量為312.6 mm，但季節(jié)分布不均，6月24日到7月24日小麥灌漿期降水194.7 mm，占春小麥整個(gè)生育期降水的60%以上，嚴(yán)重影響了春小麥的籽粒灌漿，導(dǎo)致產(chǎn)量偏低；試驗(yàn)?zāi)攴葑罡邭鉁貫?1.9 ℃，最低氣溫為-16.4 ℃，年平均氣溫為6.9 ℃(圖1)。

圖1 2018年試驗(yàn)區(qū)降雨量和氣溫

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所選育的春小麥品種隴春35號(hào)為供試材料，設(shè)1 500 kg·hm-2秸稈還田(SRL)、3 000 kg·hm-2秸稈還田(SRM)、4 500 kg·hm-2秸稈還田(SRH)和無(wú)秸稈還田(CK)4個(gè)處理，隨機(jī)區(qū)組排列，每處理3次重復(fù)，小區(qū)面積35 m2(5 m× 7 m)。所有處理均采用全膜覆土穴播種植方式，全生育期各處理不灌溉，播前施肥，小麥秸稈粉碎后覆于地表，旋耕翻壓后，覆膜覆土，穴播機(jī)播種，每穴播10±2粒，行距為20 cm，穴距為12.5 cm，播種量400萬(wàn)?！m-2。各處理均基施純氮150 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2。春小麥3月22日播種，7月27日 收獲。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤貯水量和階段耗水量獲取

在春小麥播前、苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期分別用土鉆法在各小區(qū)溝內(nèi)取0～300 cm土樣，20 cm為一層，用烘干稱重法測(cè)定土壤含水量。計(jì)算土壤貯水量SWS、階段耗水量(ETi)和生育期耗水量(ET)。

SWS=Ws×b×d；ETi= SWSi-SWSi+1+Pi；ET=SWSBF-SWSHA+Pw

式中，Ws為土壤重量含水量(%)；b為土壤容重(g·cm-3)；d為土層深度(cm)；SWSi為某一階段初始時(shí)的土壤貯水量(mm)；SWSi+1為該階段結(jié)束時(shí)的土壤貯水量(mm)；Pi為該階段降水量(mm);SWSBF為播前土壤貯水量(mm)；SWSHA為收后土壤貯水量(mm)；Pw為生育期降水量(mm)。

1.3.2 生物量測(cè)定

在春小麥播前、苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期，分別取同一葉齡且長(zhǎng)勢(shì)均勻的20個(gè)植株，用烘干法測(cè)定地上干物重。

1.3.3 SPAD值測(cè)定

在春小麥苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期每小區(qū)選取同一葉齡且長(zhǎng)勢(shì)均勻的3個(gè)植株，用SPAD-502plus葉綠素儀對(duì)春小麥最上部葉片進(jìn)行SPAD值測(cè)定，每一片葉測(cè)3個(gè)位點(diǎn)，取平均值。

1.3.4 冠層溫度測(cè)定

采用國(guó)產(chǎn)AV-132T型手持紅外測(cè)溫儀，在春小麥苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期測(cè)定各小區(qū)的冠層溫度值，每次測(cè)定時(shí)間為早上9:00-11:00測(cè)定時(shí)視場(chǎng)角取 5度，手持測(cè)溫儀，置于 1.5 m高度左右，以 30度瞄準(zhǔn)小區(qū)內(nèi)中間的冠層，其測(cè)點(diǎn)為群體生長(zhǎng)一致、有代表性的部位，避開(kāi)裸地影響，直接在顯示屏上讀取數(shù)據(jù)。為減少誤差，每個(gè)小區(qū)重復(fù)測(cè)定 5次，取其平均值作該次測(cè)定的冠層溫度值。

1.3.5 葉面積指數(shù)(LAI)測(cè)定

在春小麥苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期，選擇晴天早上9:00-11:00用美國(guó) CID 公司生產(chǎn)的 CI-110 植物冠層數(shù)字圖像分析儀測(cè)定葉面積指數(shù)(LAI)，每小區(qū)在四角和中間測(cè)定5次，計(jì)算其平均值作為小區(qū) LAI。

1.3.6 產(chǎn)量測(cè)定及水分利用效率(WUE)計(jì)算

成熟期每個(gè)小區(qū)單打單收，統(tǒng)計(jì)實(shí)際產(chǎn)量，折合成公頃產(chǎn)量。WUE=Y/ET，Y為春小麥單位面積產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

用 Excel 2003 和 DPS v3.01專業(yè)版統(tǒng)計(jì)分析軟件處理數(shù)據(jù)，用Tukey 法檢驗(yàn)處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田量對(duì)春小麥0～300 cm土壤貯水量的影響

與CK相比，SRM、SRH和SRL處理下小麥播種至抽穗期0～300 cm土層土壤貯水量分別增加92.6、59.8和58.5 mm。從不同時(shí)期看，播前和苗期，SRM、SRH和SRL處理對(duì)土壤貯水量的增加效果均達(dá)到顯著水平，在拔節(jié)期SRM、SRH處理影響顯著，抽穗期只有SRM處理作用明顯；灌漿期時(shí)不同處理間差異均不顯著；成熟期雖然SRM處理與CK差異顯著，但這時(shí)的土壤水分對(duì)小麥植株生長(zhǎng)發(fā)育影響微小。這說(shuō)明雖然整個(gè)生育期三個(gè)秸稈還田處理間差異不明顯，但秸稈還田有利于春小麥生育前中期0～300 cm土層土壤貯蓄水分。

2.2 秸稈還田量對(duì)春小麥0～300 cm土層耗水量的影響

各處理的階段耗水量與降水量的多少顯著相關(guān)。與CK相比，SRM、SRH和SRL處理的拔節(jié)至灌漿階段耗水量提高12.2、18.0和15.4 mm。其中，播種至苗期，SRH處理的耗水量最高，與SRM、SRL處理和CK差異均顯著，SRM處理耗水量次之，與CK差異不顯著；苗期至拔節(jié)期，SRH處理的耗水量依然顯著高于其他處理，SRM處理次之，且顯著高于CK；拔節(jié)至抽穗期，SRM、SRH和SRL處理的耗水量均顯著高于CK，但三個(gè)秸稈還田處理間差異均不顯著；抽穗至灌漿期，SRM、SRH和SRL處理的耗水量均顯著高于CK。灌漿至成熟期，降水145.6 mm，SRM、SRH和SRL處理的耗水量分別較CK降低8.2、18.0和15.4 mm，且差異均顯著。由此說(shuō)明秸稈還田有利于春小麥生育前中期對(duì)土壤水分的利用，在生育后期則有蓄積降水的作用。

圖柱上不同字母表示同一時(shí)期不同處理間差異在0.05水平上顯著。BS：播前；SE：苗期；JO：拔節(jié)期；HE：抽穗期；FI：灌漿期；HA：成熟期。下圖同。

BS-SE:播前到苗期；SE-JO:苗期到拔節(jié)期；JO-HE:拔節(jié)期到抽穗期；HE-FI:抽穗期到灌漿期；FI-HA:灌漿期到成熟期。

2.3 秸稈還田量對(duì)春小麥葉片SPAD值、葉面積指數(shù)和生物量的影響

與CK相比，SRM、SRH和SRL處理的春小麥葉片SPAD值、葉面積指數(shù)和生物量在各時(shí)期均顯著增加，其中三個(gè)秸稈還田處理的SPAD值增幅分別為14.3%～21.8%、9.7%～15.8%和5.0%～8.3%，葉面積指數(shù)增幅分別為9.1%～21.6%、7.8%～13.7%和5.5%～7.7%，生物量增幅分別為34.0%～73.5%、27.7%～55.8%和9.0%～21.7%。各時(shí)期各指標(biāo)均以SRM處理最高，且均與SRH和SRL處理差異顯著(圖4)。這說(shuō)明秸稈還田有助于提高小麥葉片葉綠素含量、葉面積指數(shù)，促進(jìn)干物質(zhì)積累，且增加效果與秸稈還田量有關(guān)。

圖4 秸稈還田量對(duì)春小麥葉片SPAD值、葉面積指數(shù)(LAI)和生物量的影響

2.4 秸稈還田量對(duì)春小麥冠層溫度的影響

苗期春小麥冠層溫度在不同處理間無(wú)顯著差異，其他時(shí)期均表現(xiàn)為SRM

圖5 秸稈還田量對(duì)春小麥冠層溫度的影響

2.5 秸稈還田量對(duì)春小麥株高、產(chǎn)量和水分利用效率的影響

與CK相比，SPM、SRL和SRH處理均顯著提高春小麥株高、穗粒數(shù)、千粒重和穗數(shù)。三個(gè)秸稈還田處理間千粒重和穗數(shù)差異均不顯著；SRM和SRH處理間株高差異不顯著，但均顯著高于SRL處理；SRM處理的穗粒數(shù)顯著高于SRL和SRH處理。由此可見(jiàn)秸稈還田可促進(jìn)植株生長(zhǎng)發(fā)育，有利于產(chǎn)量形成，其中SRM處理效果 最好。

在不同處理間春小麥產(chǎn)量和WUE差異均顯著，其中SRM、SRH、SRL處理的產(chǎn)量較CK分別提高32.7%、27.6%和13.0%，WUE分別提高29.8%、23.9%和11.9%。以上結(jié)果表明，秸稈還田對(duì)春小麥具有明顯增產(chǎn)和水分高效利用效應(yīng)，且以SRM效果最佳。

表1 秸稈還田量對(duì)春小麥株高及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

圖6 秸稈還田量對(duì)春小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

3 討 論

長(zhǎng)期的秸稈還田可改善農(nóng)田土壤水分環(huán)境，增強(qiáng)土壤水庫(kù)的擴(kuò)蓄增容能力[19]。本研究結(jié)果表明，SRL和SRH處理在播種到抽穗期、成熟期麥田的0～300 cm土層土壤貯水量分別較CK提高58.5、12.7和59.8、12.4 mm，SRM處理從播種到成熟均能提高0～300 cm土層土壤貯水量，分別較SRH、SRL處理和CK提高54.6、50.8和123.0 mm。因此，在甘肅中東部旱作區(qū)，秸稈還田量3 000 kg·hm-2更有利于麥田土壤水分的蓄積。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)，SRM、SRH和SRL處理拔節(jié)到灌漿期的0～300 cm耗水量提高了12.2、18.0和15.4 mm。成熟期降水145.6 mm條件下，CK耗水量顯著高于SRM、SRH和SRL處理，說(shuō)明此階段較多的降水超過(guò)了作物生長(zhǎng)所需要消耗的水分，秸稈還田處理蓄積多余水分的能力大于CK，且秸稈還田量為3 000 kg·hm-2時(shí)土壤蓄積多余水分的能力大于秸稈還田量為 4 500 kg·hm-2的處理。

小麥玉米秸稈連續(xù)全量還田可增加小麥群體干物質(zhì)積累量、穗粒數(shù)、穗數(shù)和千粒重，同時(shí)也提高葉片光合性能及群體的光合生產(chǎn)效率，進(jìn)而顯著提高小麥籽粒產(chǎn)量[27]。本研究結(jié)果表明，SRM、SRH和SRL處理降低了春小麥拔節(jié)到成熟期冠層溫度，顯著提高整個(gè)生育期SPAD值、葉面積指數(shù)和生物量。SRM處理較CK的增加幅度均顯著大于SRH和SRL較CK的增加幅度。秸稈還田后，穗粒數(shù)、千粒重和穗數(shù)都較CK有所提高，但穗粒數(shù)的增加幅度大于千粒重和穗數(shù)，且SRM較SRH和SRL處理的增加幅度更大。SRM處理的產(chǎn)量和WUE分別較SRH處理、SRL處理、CK提高4.0%和4.8%、17.4%和16.0%、32.7%和29.8%；SRH處理分別較SRL處理、CK提高12.9%和10.7、27.6%和23.9%；SRL處理較CK提高13.0%和11.9%。

秸稈在土壤中降解需要消耗一定量的氮素，這可能與作物生長(zhǎng)產(chǎn)生氮素競(jìng)爭(zhēng)[22-23]。因此，秸稈還田一定要適當(dāng)增加施氮量，保證作物生長(zhǎng)的氮素需求，實(shí)現(xiàn)土壤有機(jī)碳含量增加和作物生長(zhǎng)的協(xié)調(diào)，達(dá)到通過(guò)秸稈還田提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、提升耕地質(zhì)量并增產(chǎn)的目的[22-23]。本研究中，高量秸稈還田處理的產(chǎn)量和WUE均顯著低于中量秸稈還田處理，究竟是高量秸稈還田處理中多余的秸稈由于缺少氮素未完全分解，使水分養(yǎng)分的生產(chǎn)潛力沒(méi)有充分發(fā)揮，還是中量秸稈還田已經(jīng)達(dá)到了甘肅中東部半干旱旱作區(qū)全膜覆土穴播模式的閾值，還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

在甘肅中東部半干旱旱作區(qū)，秸稈還田措施可提高全膜覆土穴播春小麥播種至抽穗期0～300 cm土層土壤貯水量，促進(jìn)春小麥拔節(jié)至灌漿期耗水，降低拔節(jié)至成熟期冠層溫度，提高春小麥葉片SPAD值、葉面積指數(shù)和生物量，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)和水分高效利用，以秸稈還田量3 000 kg·hm-2效果最佳。