秸稈粉碎覆蓋溝播對(duì)旱地冬小麥產(chǎn)量及土壤水熱特征的影響

張 蓉，董祿信，孫長(zhǎng)紅，路 平，許 靜

（甘肅省定西市通渭縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，甘肅定西743300）

土壤水分含量是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的主要因素之一，我國(guó)西北部半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)氣候干燥，降雨稀少且分布不均，土壤無(wú)效蒸發(fā)強(qiáng)烈，致使該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水匱乏，嚴(yán)重限制該區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1]。如何在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中抗旱保墑，降低土壤無(wú)效蒸發(fā)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力是該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重中之重。

我國(guó)具有較為豐富的秸稈資源，當(dāng)前大量焚燒秸稈已造成了嚴(yán)重的生態(tài)污染，且大大降低了土地肥力[2]。因此，在西北半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)進(jìn)行秸稈覆蓋種植對(duì)該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)[3-5]，秸稈覆蓋能提高土壤孔隙度和通透性，能有效調(diào)節(jié)植物對(duì)水分的需要，為作物高產(chǎn)提供了有利的水分環(huán)境。秸稈覆蓋地表后能改善農(nóng)田小氣候，進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)環(huán)境，抑制了無(wú)效蒸發(fā)，增加了降水下滲，蓄水保墑效果十分顯著[6-11]。鞏杰等[12]研究表明，在降雨有限的旱作區(qū)進(jìn)行秸稈覆蓋能顯著改善0～40 cm 的土壤墑情，從而使水分利用效率提高9.6%～20.9%，小麥產(chǎn)量可提高12.4%～29.6%。楊長(zhǎng)剛等[13]也認(rèn)為，秸稈覆蓋能明顯抑制土壤無(wú)效蒸發(fā)，促進(jìn)冬小麥生長(zhǎng)，產(chǎn)量能較露地對(duì)照提高19.3%～51.8%。范穎丹等[14]研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥全生育期0～200 cm 土層的平均含水量，秸稈帶狀覆蓋栽培下均高于聚乙烯農(nóng)用地膜覆蓋和露地栽培，冬小麥籽粒產(chǎn)量較露地增產(chǎn)5%～16.7%。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于秸稈覆蓋的研究多集中于傳統(tǒng)全地面覆蓋或整稈覆蓋，而針對(duì)粉碎秸稈覆蓋栽培的研究比較少，粉碎秸稈覆蓋相比傳統(tǒng)的整秸稈覆蓋，能大大減少秸稈在地表的腐熟時(shí)間，可有效提高秸稈還田的利用效率。此外，在西北半干旱區(qū)，盡管聚乙烯農(nóng)用地膜覆蓋種植冬小麥提高產(chǎn)量效果明顯，但聚乙烯農(nóng)用地膜覆蓋栽培技術(shù)的連年推廣應(yīng)用所帶來(lái)的白色污染，對(duì)旱作農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重挑戰(zhàn)[15,16]。為此，本試驗(yàn)擬研究秸稈粉碎壟狀覆蓋集雨保墑技術(shù)對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響，以期尋求新的冬小麥綠色可持續(xù)栽培模式，為隴中雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)冬小麥的生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2019年9月-2020年7月在甘肅省定西市通渭縣碧玉鎮(zhèn)石灘村進(jìn)行，該地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)，屬隴中干旱半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，無(wú)灌溉條件，海拔1 860 m，年均氣溫7.5 ℃，無(wú)霜期130～150 d，日照時(shí)數(shù)2 100～2 430 h，多年平均年降水量390 mm，蒸發(fā)量1 700 mm，冬小麥生育期內(nèi)降雨量285.5 mm。土壤質(zhì)地為旱川地黃綿土，土壤有機(jī)質(zhì)含量為11.26 g/kg、速效氮1.20 g/kg、速效磷18.7 mg/kg、速效鉀為15.5 g/kg。冬小麥全生育期內(nèi)降雨及大氣溫度如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采取不同覆蓋模式單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)兩個(gè)秸稈覆蓋處理，分別為秸稈粉碎覆蓋微壟溝播（SM1）、秸稈粉碎覆蓋微壟寬幅溝播(SM2)，以傳統(tǒng)露地條播為對(duì)照（CK），共3個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)，小區(qū)面積3.4 m×8 m=27.2 m2，供試冬小麥品種為隴中7號(hào)，于2019年9月27日播種，2020年7月7日收獲。

1.2.2 種植方法

（1）秸稈粉碎覆蓋微壟溝播(SM1)：在耙耱平整的耕地上，利用粉碎秸稈覆蓋形成寬22 cm、高5～10 cm 的微壟，壟與壟之間形成12 cm寬的溝，幅寬34 cm=秸稈覆蓋壟寬22 cm+溝寬12 cm；秸稈覆蓋量為5 400～6 000 kg/hm2，將玉米秸稈粉碎成2～5 cm 的細(xì)碎秸稈，然后按小區(qū)折算出每個(gè)壟面覆蓋的秸稈量1.63 kg，將粉碎秸稈均勻撒在每個(gè)壟面上，再在秸稈上撒上一定量的細(xì)土（厚度1 cm、覆蓋度達(dá)到1/3 左右），以防大風(fēng)侵蝕，溝內(nèi)用播種機(jī)播種2行小麥。

（2）秸稈粉碎覆蓋微壟寬幅溝播(SM2)：起壟及覆蓋方法同（SM1），采用人蓄力寬幅勻播機(jī)在溝內(nèi)寬幅勻播。寬幅勻播技術(shù)是將小麥單行播幅由傳統(tǒng)的3～5 cm 加寬到9～12 cm，行距由傳統(tǒng)的15～18 cm 增加到20～22 cm，種子均勻分散，加大了單株生長(zhǎng)空間，減小了株間相互競(jìng)爭(zhēng)養(yǎng)分，分蘗成穗率大幅度提高，提高穗粒重量，增強(qiáng)抗倒能力。

（3）露地條播（CK）：采用人畜力三行播種機(jī)播種。3 個(gè)處理播種量均為225 kg/hm2。施肥水平各處理相同，N150 kg/hm2、P2O584 kg/hm2，肥料為過(guò)磷酸鈣、磷酸二胺和尿素，全部過(guò)磷酸鈣和磷酸二銨及2/3 氮肥按小區(qū)稱(chēng)量于播前混合均勻撒在地表，深耕翻入地下做底肥，剩余的1/3 氮肥結(jié)合降雨在拔節(jié)期追施。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及測(cè)產(chǎn)

1.3.1 土壤水分測(cè)定

在小麥生長(zhǎng)的各生育時(shí)期[播種期（2019年9月27日）、越冬期（2019年12月1日）、返青期（2020年3月15日）、拔節(jié)期（2020年4月15日）、孕穗期（2020年5月20日）、揚(yáng)花期（2020年6月1日）、灌漿期（2020年6月20日）、成熟期（2020年7月7日）]各小區(qū)分0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～150、150～180、180～200 ㎝共9 個(gè)土層分別于小麥種植行間取土樣，用烘干法測(cè)定土壤含水量。

土壤含水量（%）=（土壤鮮質(zhì)量－土壤干質(zhì)量）/土壤干質(zhì)量×100%。

各生育時(shí)期0～200 cm 土壤平均含水量為每一個(gè)生育時(shí)期各個(gè)土層土壤含水量的算術(shù)平均值；各土層全生育期土壤平均含水量為每一個(gè)土層各個(gè)時(shí)期土壤含水量的算術(shù)平均值。

1.3.2 土壤溫度的測(cè)定

各小區(qū)選擇一定點(diǎn)，在小麥各生育時(shí)期（與土壤水分測(cè)定同一天），分5、10、15、20、25 cm 共5 個(gè)土層分別于小麥種植行間用曲管溫度計(jì)測(cè)定土壤溫度。各生育時(shí)期測(cè)定時(shí)，均選在晴朗干燥天氣進(jìn)行，分別在7∶00、14∶00和19∶00分3次測(cè)定，土壤日均溫取早、中、晚3次測(cè)定平均值。

各生育時(shí)期0～200 cm 土壤平均溫度為每一個(gè)生育時(shí)期各個(gè)土層土壤溫度的算術(shù)平均值；各土層全生育期土壤平均溫度為每一個(gè)土層各個(gè)時(shí)期土壤溫度的算術(shù)平均值。

1.3.3 光合特性測(cè)定

測(cè)定項(xiàng)目為：凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、和蒸騰速率（Tr）。測(cè)定時(shí)期：從開(kāi)花時(shí)開(kāi)始，每次測(cè)定在紅藍(lán)外加光源下選取晴天無(wú)風(fēng)的9∶00-11∶00進(jìn)行。采用CO2濃度為365μmol CO2/mol 左右的開(kāi)放式氣路，觀測(cè)儀器為L(zhǎng)I-6400XT（美國(guó)LI-COR 公司生產(chǎn)）便攜式光合作用測(cè)定儀。每個(gè)處理選取生長(zhǎng)一致的旗葉3 片，每片各測(cè)3 個(gè)數(shù)據(jù)，取3 片旗葉所測(cè)得的9 個(gè)數(shù)據(jù)的平均值為各處理的平均凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、和蒸騰速率（Tr）。

1.3.4 旗葉葉綠素含量的測(cè)定

用葉綠素計(jì)（日本生產(chǎn)的Mini 型）測(cè)定葉綠素含量，葉綠素含量以SPAD 值表示。從小麥開(kāi)花期開(kāi)始，每隔7 d 分別在各處理小區(qū)中隨機(jī)選取10 片小麥旗葉測(cè)定葉綠素含量，取10片小麥旗葉的葉綠素平均值為各處理平均葉綠素含量。

1.3.5 產(chǎn)量測(cè)定

小麥成熟前1 周，每小區(qū)選3 點(diǎn)測(cè)定單位面積穗數(shù)；成熟后按小區(qū)收獲，脫粒后曬干稱(chēng)重，計(jì)算產(chǎn)量，籽粒含水量約為12.5%。各小區(qū)隨機(jī)取20 株室內(nèi)考種，按國(guó)標(biāo)方法測(cè)定穗粒數(shù)、千粒重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2003 和SPSS 20.0 軟件處理和分析數(shù)據(jù)，用LSD法進(jìn)行多重比較。用Microsoft Excel 2003作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤水分的影響

由圖2 可見(jiàn)，3 個(gè)處理對(duì)冬小麥全生育期不同土層的土壤含水量有顯著差異，覆蓋處理平均較CK 提高冬小麥全生育土壤水分4.3%，且以SM2處理的增墑幅度最大（4.9%）。具體來(lái)看，在各生育時(shí)期中[見(jiàn)圖2(a)]，隨著生育期的推進(jìn)，各處理土壤含水量呈先降后升再降的趨勢(shì)。與CK 相比，SM1 和SM2處理在越冬期、返青期、拔節(jié)期、孕穗期、開(kāi)花期、灌漿期和成熟期分別提高土壤含水量3.8%～5.9%和2.8%～7.4%，兩處理分別在返青期（5.9%）和灌漿期（7.4%）增墑幅度最大。從播種期～開(kāi)花期SM1 和SM2 處理間土壤水分均無(wú)顯著差異，但在灌漿期（3.0%）和成熟期（3.5%），SM2 處理的土壤含水量明顯高于SM1處理。各土層中[見(jiàn)圖2(b)]，隨著土層的加深，覆蓋處理的土壤水分均高于CK 2.8%～7.1%，SM1 和SM2 處理分別在上層(0～60 cm)、中層(60～120 cm)、下層(120～200 cm)土壤分別較CK 提高土壤含水量4.4%、4.7%、2.4%和5.3%、4.9%、4.5%。兩個(gè)覆蓋處理間，在上層和下層土壤中SM2 處理土壤含水量較SM1 高0.8%和2.0%，中層土壤兩處理無(wú)顯著差異?？梢?jiàn)，秸稈粉碎覆蓋微壟溝播技術(shù)均能顯著提高冬小麥全生育期土壤水分，且秸稈粉碎覆蓋寬幅溝播技術(shù)的保墑效果好于微壟溝播。

2.2 不同處理對(duì)土壤溫度的影響

由圖3 可見(jiàn)，各處理對(duì)冬小麥全生育期0～25 cm 土層土壤溫度的影響有明顯差異，覆蓋處理平均較CK 降低冬小麥全生育期土壤溫度5.4%，且以寬幅溝播處理的降溫幅度最大5.8%。具體來(lái)看，在各時(shí)期中[見(jiàn)圖3(a)]，SM1 和SM2 處理在越冬期～返青期階段均較CK 有增溫作用，分別較CK 增溫0.9 ℃和1.24 ℃；拔節(jié)期～成熟期，SM1和SM2處理的土壤溫度均低于CK7.3%和8.6%。其中，SM1處理在拔節(jié)期的溫度降幅最大（8.9%），而SM2處理則在開(kāi)花期最大（11.1%）。兩覆蓋處理間，各生育時(shí)期土壤溫度均無(wú)明顯差異，但SM2 處理在開(kāi)花期和灌漿期的土壤溫度均低于SM1 處理。各土層中[見(jiàn)圖3(b)]，土壤溫度隨著土層的加深均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，其中，SM1 和SM2 處理的土壤溫度在各土層均較CK 降低2.3%～8.2%和3.3%～8.2%。而兩覆蓋處理間各土層土壤溫度無(wú)明顯差異?？梢?jiàn)，秸稈粉碎覆蓋處理能明顯起到調(diào)節(jié)土壤溫度的作用，在越冬期～返青期的增溫作用和拔節(jié)后的降溫作用能有效減緩溫度劇烈變化對(duì)小麥根系的傷害，有利于小麥的生長(zhǎng)發(fā)育。

2.3 不同處理對(duì)旗葉葉綠素的影響

由表1可見(jiàn)，覆蓋處理均可明顯提高冬小麥灌漿期葉綠素含量。在灌漿前期，SM2 處理的葉綠素含量顯著高于CK 8.7%，而SM1 處理與CK 無(wú)顯著差異；在灌漿中期，SM1 和SM2 處理均顯著較CK 提高3.9%和9.3%，灌漿后期分別顯著提高7.7%和12.1%。兩個(gè)秸稈覆蓋處理間，SM2 處理的葉綠素含量在灌漿前、中、后期均顯著高于SM1 處理7.2%、5.2%和4.2%?？梢?jiàn)，碎稈覆蓋可顯著提高冬小麥葉片葉綠素含量，以寬幅溝播處理最為明顯，葉綠素含量的提高，有利于光合作用的進(jìn)行，從而促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向籽粒運(yùn)輸，提高小麥產(chǎn)量。

表1 不同處理對(duì)葉綠素的影響Tab.1 Effects of different treatments on chlorophyll

2.4 不同處理對(duì)光合速率的影響

由表2 可見(jiàn)，隨著生育期的推進(jìn)，冬小麥的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度及蒸騰速率均呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)。覆蓋處理在各時(shí)期均能較露地種植改善冬小麥的光合作用。具體來(lái)看，SM1 處理在灌漿前、中、后期分別較CK 提高凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度及蒸騰速率15.8%～27.3%、2.4%～12.5%、0.8%～17.6%和6.2%～15.8%；SM2處理在灌漿前中、后、期分別較CK 提高25.3%～62.7%、6.3%～19.0%、2.4%～18.9%和12.3%～43.9%。可見(jiàn)，碎稈覆蓋處理能延緩植株生長(zhǎng)，提高植株的凈光合效率，延長(zhǎng)了光合時(shí)間，增加了光合同化物，進(jìn)而有利于冬小麥產(chǎn)量的形成。

表2 不同處理冬小麥光合作用的影響Tab.2 Effects of different treatments on photosynthesis of winter wheat

2.5 不同處理對(duì)產(chǎn)量的影響

由表3 可見(jiàn)，覆蓋處理均能顯著較CK 提高冬小麥產(chǎn)量12.3%，以SM2 的增產(chǎn)幅度最大。具體來(lái)看，SM1 和SM2 處理分別較CK 提高了冬小麥產(chǎn)量8.9%和15.7%。兩個(gè)覆蓋處理之間，SM2處理顯著較SM1處理提高了6.2%。

表3 不同處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響Tab.3 Effects of different treatments on winter wheat yield

從產(chǎn)量構(gòu)成來(lái)看，碎稈覆蓋均能顯著較CK 提高單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，SM1 處理的單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重顯著較CK 提高了12.7%、7.3%和8.7%，SM2 處理顯著提高了15.7%、10.6%和10.2%。單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重的提高是碎稈覆蓋處理提高冬小麥產(chǎn)量的重要原因之一。

3 討論和結(jié)論

隴中地區(qū)是全國(guó)旱作小麥生產(chǎn)的重要區(qū)域之一，全膜覆土穴播栽培技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為隴中地區(qū)冬小麥的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、糧食增產(chǎn)增收做出了突出貢獻(xiàn)，是當(dāng)前雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中密植作物中最可靠的增產(chǎn)技術(shù)[17]。但是，隨著聚乙烯農(nóng)用地膜的連年使用，廢舊農(nóng)用地膜帶來(lái)的污染問(wèn)題也日益嚴(yán)重[15,16]。劉艷霞等[18]研究表明，聚乙烯農(nóng)用地膜種植技術(shù)的應(yīng)用在增加農(nóng)作物產(chǎn)量同時(shí)，也逐漸增加了廢舊地膜殘留在土壤中不斷累積，土壤結(jié)構(gòu)遭到了破壞，阻礙了水分和肥料在土壤中的交換和輸導(dǎo)，進(jìn)而影響了農(nóng)作物的健康生長(zhǎng)和產(chǎn)量的有效形成。因此，探索一種以高產(chǎn)、增收增效、綠色可持續(xù)發(fā)展的栽培技術(shù)在旱農(nóng)區(qū)顯得尤為重要。大量研究發(fā)現(xiàn)[3,19-24]，秸稈覆蓋栽培能改善農(nóng)作物生長(zhǎng)小環(huán)境，有效抑制土壤水分無(wú)效蒸發(fā)，促進(jìn)農(nóng)作物對(duì)土壤水分利用效率，從而增加作物產(chǎn)量。在冬小麥上，已有諸多學(xué)者證實(shí)[25-28]，秸稈覆蓋種植冬小麥，有利于冬小麥穗粒數(shù)和千粒重的提高，能提高冬小麥的產(chǎn)量。楊長(zhǎng)剛等[13]研究表明，秸稈覆蓋栽培可不同程度地提高冬小麥的穗粒數(shù)和千粒重，從而顯著提高了冬小麥產(chǎn)量。本研究也得到了相似結(jié)論，碎稈覆蓋種植明顯較露地條播提高了冬小麥的產(chǎn)量，且SM2 處理的增產(chǎn)幅度大于SM1。增產(chǎn)的關(guān)鍵在于秸稈粉碎覆蓋后對(duì)穗粒數(shù)和千粒重的改變，而寬幅播種后使得麥種分散均勻，實(shí)現(xiàn)了光、熱、水、肥的平衡協(xié)調(diào)，更有利于分蘗及粒重的增加，進(jìn)而提升了產(chǎn)量。也有研究證實(shí)[26,29-32]，秸稈覆蓋后具有顯著的蓄水保墑，調(diào)節(jié)地溫的作用，能促進(jìn)冬小麥的生長(zhǎng)及產(chǎn)量的形成。本研究中，玉米秸稈粉碎覆蓋栽培處理的增墑?wù){(diào)溫效果明顯好于露地條播，且以SM2 處理的增墑效果更明顯。這可能是由于秸稈經(jīng)過(guò)粉碎處理覆蓋地表后，有利于降雨的入滲，起到了良好的保墑效果，另外，秸稈粉碎覆蓋后，形成的物理阻隔層，有利于土壤溫度的調(diào)節(jié)，在越冬期～返青期，大氣溫度較低的情況下起到了良好的保溫作用，而到拔節(jié)期以后，由于冠層的增大，碎稈覆蓋又可起到降溫的作用，緩解了溫度的劇烈變化對(duì)冬小麥根系的危害，有利于冬小麥高產(chǎn)的形成。因此，秸稈粉碎覆蓋微壟溝播技術(shù)是一項(xiàng)適宜于西北部半干雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)冬小麥生產(chǎn)的綠色可持續(xù)栽培模式。