秸稈帶狀覆蓋對旱地冬小麥農(nóng)田土壤特性及產(chǎn)量的影響

葉元生，黃彩霞，柴守璽，常 磊，馬建濤，馬菊花，李亞珍

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

西北黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)光熱資源豐富，地域遼闊，耕地面積約2 593萬hm2，占全國總耕地面積的19.2%[1]，小麥種植面積182.5萬hm2，占全國總種植面積的7.7%[2]。受水資源不足、時空分布不均衡以及耕作模式不合理等因素影響[3]，該區(qū)域水土流失嚴重，土壤有機質(zhì)得不到及時補充，導(dǎo)致土壤肥力下降[4]，引起作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)。因此，研究有效農(nóng)作措施、提高土壤肥力、促進有限降水利用率是實現(xiàn)該區(qū)小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵，也是該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中急需解決的關(guān)鍵問題和長期研究的熱點問題。

傳統(tǒng)栽培技術(shù)由于地表裸露，導(dǎo)致80%以上的土壤水分以無效蒸發(fā)方式消散在大氣中，降低了作物對土壤水分的利用率[5]。覆蓋種植主要包括地膜及秸稈覆蓋，因其產(chǎn)生的良好水熱效應(yīng)，在作物生產(chǎn)中不但可提高土壤水分利用效率[6-7]，還具有良好的增產(chǎn)效果[8-10]。但地膜覆蓋因存在殘留等問題導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞，土壤有機質(zhì)被過分礦化[11]，不利于作物根系生長及養(yǎng)分吸收。相較之下，秸稈覆蓋種植具有顯著的蓄水調(diào)溫效果，且秸稈還田后可改善土壤理化性狀[12]，提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[13]，培肥地力，但受覆蓋引起的地溫變化影響，秸稈覆蓋種植具有較大的減產(chǎn)風(fēng)險[14]。

秸稈帶狀覆蓋是一種利用作物秸稈進行局部覆蓋的技術(shù)，甘肅中部半干旱地區(qū)的試驗結(jié)果表明，該技術(shù)在不同的降水年型下均可顯著增加小麥產(chǎn)量[15-16]。但受西北黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)特殊的氣候、生態(tài)環(huán)境影響，不同秸稈覆蓋技術(shù)引起的土壤結(jié)構(gòu)特性及水分變化，因區(qū)域、技術(shù)本身的特點以及當年氣候條件等不同而存在較大差異。本研究在甘肅中部典型的雨養(yǎng)生態(tài)環(huán)境下，以傳統(tǒng)無覆蓋露地種植和地膜全覆蓋為對照，系統(tǒng)比較3種秸稈帶狀覆蓋種植技術(shù)對冬小麥農(nóng)田土壤特性及產(chǎn)量和水分利用效率的影響，旨在深入解析秸稈局部覆蓋增產(chǎn)機制，為改進或發(fā)展秸稈覆蓋技術(shù)，進一步提高旱地冬小麥產(chǎn)量和降水利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年9月—2020年7月在甘肅省通渭縣平襄鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地(35°11′N，105°19′E)進行，該區(qū)域海拔1 750 m，年均氣溫7.2℃，多年平均降水量390.7 mm，屬典型的半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。試驗地土壤為黃綿土，0～200 cm土層土壤平均容重為1.25 g·cm-3，土壤pH值為8.5，土壤有機碳含量8.81～9.12 g·kg-1，全氮0.69～0.72 g·kg-1，有效磷6.95～7.66 mg·kg-1，速效鉀115.51～133.80 mg·kg-1。試驗期冬小麥全生育期總降水量322.2 mm，比同期多年平均降水量增加19.84%，屬豐水年(圖1)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)5個處理，分別為秸稈帶狀覆蓋3行(SM3)、秸稈帶狀覆蓋4行(SM4)、秸稈帶狀覆蓋5行(SM5)、地膜覆蓋(PM)和露地種植(CK)，每處理3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積150 m2。SM3、SM4和SM5處理種植帶寬分別為35、50 cm和70 cm，種植小麥行數(shù)分別為3行、4行和5行，行距17 cm。覆蓋帶寬均為50 cm，與種植帶相間排列，播種時預(yù)留覆蓋帶，于小麥3葉期將玉米整稈放置于覆蓋帶，3種覆蓋處理覆蓋帶與種植帶寬度比例不同，但秸稈覆蓋量相同，約為52 500株·hm-2(折合秸稈干重約9 000 kg·hm-2)，采用人工鋪設(shè)秸稈，以保證秸稈均勻覆蓋。小麥生育期內(nèi)對秸稈不做任何處理，任其自然風(fēng)化腐解，收獲時底層有部分秸稈腐解并有少量混入土壤；小麥收獲后將腐解的秸稈通過旋耕機打碎還田，覆蓋帶與種植帶兩邊各留2～5 cm，防止秸稈覆蓋時壓苗。CK采用平作，條播，行距17 cm；PM采用全地面覆膜，覆膜后穴播，穴距20 cm。

冬小麥供試品種為‘隴中2號’，各處理播量均為225 kg·hm-2，2019年9月下旬播種，次年7月中旬收獲。各小區(qū)施肥量相同，均在播前施基肥純氮120 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2，生育期內(nèi)不追肥。試驗地土壤鉀元素充足，播前及生育期不再施鉀肥。

1.3 采樣及測定方法

1.3.1 土壤特征指標 在小麥收獲前3 d，按0～5、5～10、10～15、15～20 cm 4個土層測定土壤容重。土壤團聚體及有機碳按0～5、5～10 cm和10～20 cm 3個土層取樣，采用“S”型5點取樣法采集原狀土，原狀土裝入硬質(zhì)塑料盒內(nèi)，帶回實驗室，自然風(fēng)干，待土壤達到塑限后沿土壤結(jié)構(gòu)的自然剖面掰成1 cm左右的小土塊，去除植物根系及小石子備用。有機碳土樣待自然風(fēng)干后過0.25 mm篩，待測。各處理均在小麥種植行間取樣。土壤容重采用環(huán)刀法[17]測定，土壤機械穩(wěn)定性團聚體采用干篩法[18]測定，土壤水穩(wěn)定性團聚體采用濕篩法[19]測定，土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[20]測定。

土壤孔隙度的計算公式如下[21]：

孔隙度=(1-容重/密度)×100%

式中，土壤密度取2.65g·cm-3。

土壤團聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)的計算公式如下：

式中，Xi為第i個篩子的平均直徑(mm)，Wi為團聚體在第i個篩子的質(zhì)量百分比[22]，>5 mm團聚體粒徑采用7.5 mm。

1.3.2 土壤水分 在小麥播前、收獲后采用土鉆取土，各處理均在小麥種植行間取樣。烘干法測定0～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150、150～180 cm和180～200 cm 8個土層的土壤含水量，分別計算農(nóng)田耗水量和水分利用效率。

農(nóng)田耗水量(ET，mm)計算采用公式如下[10]：

ET=(W1-W2)+P

式中，W1、W2分別為冬小麥播種前和收獲期的土壤貯水量(mm)，P為生育期≥5 mm有效降水量。

水分利用效率(WUE，kg·hm-2·mm-1)計算公式如下：

WUE=Y/ET

式中，Y為作物產(chǎn)量(kg·hm-2)，ET為生育期總耗水量(mm)。

1.4 產(chǎn)量及考種

小麥成熟前1周，每小區(qū)選3個樣點測定單位面積穗數(shù)；成熟后按小區(qū)收獲并計算籽粒產(chǎn)量。各小區(qū)隨機取20株進行室內(nèi)考種，測定穗粒數(shù)、千粒重等。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010及Origin 2018繪制圖表，利用SPSS 22.0進行統(tǒng)計分析，采用Duncan法進行差異顯著性分析，顯著性水平設(shè)置為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈帶狀覆蓋對土壤容重和孔隙度的影響

由圖2可知，不同處理土壤容重總體表現(xiàn)為上層小于下層，秸稈帶狀覆蓋處理可顯著影響不同土層土壤容重，與CK處理相比，0～20 cm土層土壤容重平均降低了7.07%，其中，SM3處理對土壤容重的影響最大，SM4處理次之，SM5處理最小，土壤容重分別下降8.82%、7.32%、5.07%。不同土層間，SM3、SM4和SM5處理0～5 cm土層土壤容重下降程度最明顯，較CK處理分別降低11.27%、9.07%和6.35%，5～15 cm土層僅SM3、SM4處理與CK處理呈顯著差異，15～20 cm土層SM處理與CK處理沒有明顯差異。土壤孔隙度的變化與土壤容重呈相反趨勢(圖3)，SM處理較CK處理顯著增加土壤0～20 cm土層孔隙度7.28%，上層高于下層。PM處理較CK處理各層土壤容重和孔隙度無顯著變化。覆蓋材料之間相比，SM處理顯著較PM處理降低土壤0～20 cm土層容重4.49%，增加孔隙度4.41%，秸稈帶狀覆蓋處理對土壤結(jié)構(gòu)的影響優(yōu)于地膜覆蓋處理，秸稈覆蓋后土壤的通透性改善，對土壤水分和肥力保持以及養(yǎng)分供給具有較大意義。

2.2 秸稈帶狀覆蓋對土壤機械穩(wěn)定性團聚體含量的影響

由表1可知，在0～20 cm土層，秸稈帶狀覆蓋處理可顯著提高>0.25 mm機械穩(wěn)定性團聚體含量。

表1 不同處理下各粒級機械穩(wěn)定性團聚體的分布

不同處理間，SM3處理各土層>0.25 mm團聚體平均含量最高，其次為SM4和SM5處理，SM處理顯著高于CK和PM處理，增幅分別為5.31%和5.30%。從不同團聚體粒級差異看，各處理均呈現(xiàn)隨粒級的增大團粒數(shù)量增大的趨勢，>5 mm粒級團聚體平均含量在27.81%～31.46%之間，5～2 mm、2～1 mm、1～0.5 mm團聚體平均含量在11.47%～17.96%之間，0.5～0.25 mm團聚體平均含量在8.05%～11.37%之間。不同粒級間，SM3處理在各土層均表現(xiàn)出一定優(yōu)勢，SM4、SM5處理在不同粒級和不同土層表現(xiàn)不一，PM處理在各個粒級及不同土層無明顯優(yōu)勢，甚至低于CK處理?？梢?，秸稈帶狀覆蓋可增加表層土壤大團聚體數(shù)量，有利于增加土壤通透性，促進降水入滲。

2.3 秸稈帶狀覆蓋對土壤水穩(wěn)定性團聚體含量的影響

由表2可知，經(jīng)過濕篩后，各處理0～20 cm土層土壤>0.25 mm粒級土壤水穩(wěn)性團聚體明顯減少，由濕篩前的80.52%～89.56%減少為24.45%～28.04%，其中，>5 mm粒級降幅最大，其次為2～1 mm粒級，0.5～0.25 mm粒級降幅最小。與CK處理相比，在0～20 cm土層，SM處理可顯著提高>0.25 mm粒級土壤水穩(wěn)性團聚體含量7.21%，而PM處理影響較小。覆蓋材料之間相比，SM處理較PM處理顯著增加土壤0～20 cm土層>0.25 mm粒級土壤水穩(wěn)性團聚體含量4.55%。從各處理不同粒級團聚體差異看，SM處理0～10 cm土層>5 mm、5～2 mm和2～1 mm粒級水穩(wěn)性團聚體平均含量顯著高于CK處理，1～0.5 mm粒級差異不明顯，0.5～0.25 mm顯著降低，10～20 cm土層隨粒級不同表現(xiàn)不一；PM處理僅在0～10 cm土層5～2 mm、2～1 mm粒級水穩(wěn)性團聚體平均含量顯著高于CK處理，其余粒級及土層間沒有顯著優(yōu)勢，甚至低于CK處理。覆蓋材料之間相比，SM處理在0～10 cm土層>5 mm粒級團聚體平均含量顯著高于PM處理，其余粒級無顯著差異?？梢?，秸稈覆蓋增加土壤水穩(wěn)性大團聚體數(shù)量的效果較地膜覆蓋更佳。

表2 不同處理下各粒級水穩(wěn)定性團聚體的分布

2.4 秸稈帶狀覆蓋對土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響

由圖4和圖5可知，覆蓋處理均不同程度提高了0～20 cm土層土壤團聚體的穩(wěn)定性。與CK處理相比，SM處理和PM處理分別提高MWD和GMD值48.69%～60.31%和14.51%～20.57%。0～5、5～10 cm和10～20 cm土層，SM處理較CK處理提高MWD值45.35%、73.21%和60.71%，提高GMD值17.15%、18.11%和20.21%，PM處理較CK處理分別提高MWD值38.43%、47.72%和60.86%，提高GMD值13.29%、14.05%和16.26%。覆蓋材料之間相比，SM處理較PM處理分別提高MWD和GMD值6.45%～8.24%和8.73%～10.06%；具體來看，與PM處理相比，0～5 cm土層SM處理的MWD和GMD值分別顯著提高1.05%～8.42%和4.00%～8.00%，5～10 cm土層MWD值顯著提高15.29%～18.82%，10～20 cm土層GMD值顯著提高18.18%?？梢姡采w處理對土壤0～20 cm土層土壤水穩(wěn)性團聚體及土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性均有明顯的改善作用，秸稈帶狀覆蓋的效果優(yōu)于地膜覆蓋。

2.5 秸稈帶狀覆蓋對土壤有機碳的影響

由圖6可知，0～20 cm土層，各處理土壤有機碳含量均隨土層的加深逐漸減少。SM處理較CK處理可顯著提高土壤0～20 cm土層有機碳含量6.15%，較PM處理顯著提高6.06%，其中，SM3處理增加最明顯，較CK處理土壤有機碳含量提高6.18%～11.49%，較PM處理顯著提高5.85%～11.55%。處理間0～5、5～10 cm和10～20 cm土層有機碳含量均以SM處理最高，顯著高于PM和CK處理，PM處理各土層土壤有機碳含量與CK處理均無顯著差異。SM處理間，0～5 cm和5～10 cm土層SM3處理均顯著高于SM4和SM5處理，SM4處理顯著高于SM5處理;10～20 cm土層，SM3和SM4處理之間無顯著差異，但均顯著高于SM5處理。從處理間差異來看，SM處理土壤有機碳含量上層大于下層，0～5、5～10 cm和10～20 cm土層處理間土壤有機碳含量變異系數(shù)(CV)分別為4.67%、4.74%和2.85%?？梢?，秸稈帶狀覆蓋對表層土壤有機碳含量有明顯的提升作用。

2.6 秸稈帶狀覆蓋對小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響

覆蓋處理均可顯著提高小麥產(chǎn)量和水分利用效率(表3)，地膜覆蓋優(yōu)于秸稈帶狀覆蓋。與CK處理相比，SM處理增產(chǎn)4.01%～6.51%，PM處理增產(chǎn)12.62%。秸稈覆蓋處理間，以SM5產(chǎn)量最高，SM4次之，SM3最低。覆蓋可提高冬小麥水分利用效率(WUE)，其中，SM處理較CK處理提高9.22%～16.34%，較PM處理提高14.47%。SM處理間WUE的大小順序為SM5>SM4>SM3，分別較CK處理提高16.34%、10.57%和9.22%。SM處理較PM處理產(chǎn)量下降4.01%～6.51%，但WUE之間無顯著差異，主要原因是SM處理耗水量低于PM處理，說明高產(chǎn)是建立在高耗水基礎(chǔ)之上。

表3 冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素和耗水量、水分利用效率

從產(chǎn)量構(gòu)成因素看，SM處理及PM處理增產(chǎn)的主要原因是單位面積穗數(shù)增加，分別較CK處理提高33.43%、41.14%，千粒重和穗粒數(shù)則低于CK處理，其中SM處理與CK處理間存在顯著差異。處理間變異系數(shù)以單位面積穗數(shù)最大，CV值為12.96%，穗粒數(shù)次之，CV值為9.55%，千粒重最小，CV值為4.88%，說明不同覆蓋方式對單位面積穗數(shù)影響最大，單位面積穗數(shù)是調(diào)控產(chǎn)量的主要指標。

3 討 論

土壤質(zhì)量是影響作物生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，秸稈覆蓋種植技術(shù)可顯著降低上層土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤各級穩(wěn)定性團聚體含量，提升土壤持水性和通透性，對改善土壤物理條件方面較傳統(tǒng)露地種植具有明顯的優(yōu)勢[17,23-24]。地膜覆蓋對土壤理化性質(zhì)的影響研究結(jié)論尚不一致，有正效應(yīng)的結(jié)論[12]，也有惡化土壤結(jié)構(gòu)指標的結(jié)果[25]。本研究結(jié)果表明，SM處理對0～20 cm土層土壤特性均有顯著影響，較CK處理顯著降低土壤容重6.57%，增加孔隙度7.28%，提高>0.25 mm機械穩(wěn)定性團聚體和水穩(wěn)性團聚體含量及穩(wěn)定性，提高土壤有機碳含量6.15%，這與魯天平等[26]、付鑫等[27]的研究結(jié)論一致。3種秸稈帶狀覆蓋處理中，以SM3處理對土壤理化性狀的改善效果最明顯，SM4處理次之，SM5處理最低。PM處理對土壤理化性狀的改善效果遠小于SM處理，主要原因是地膜覆蓋導(dǎo)致土壤有機質(zhì)過分礦化，使土壤團粒體數(shù)量減少[25]，同時，其增溫作用加速了土壤有機質(zhì)的降解速率[28]，此外，相比PM處理，SM處理在腐解過程中增加了土壤微生物數(shù)量及活性，使表層土壤土質(zhì)疏松，土壤通透性較地膜更好[29-30]，更加有利于表層土壤理化性質(zhì)的改善。

不同覆蓋措施均有利于小麥產(chǎn)量及水分利用效率的提高[8,10,16]，本研究中，與CK處理相比，SM處理、PM處理分別增產(chǎn)5.07%和12.62%，WUE分別提高12.04%和14.44%。不同覆蓋處理引起產(chǎn)量差異的主要影響因素是單位面積穗數(shù)，這與常磊等[15]研究結(jié)論一致。其中，SM處理較CK處理增加小麥單位面積穗數(shù)33.43%，是由于其蓄水及調(diào)溫的特點有利于小麥成穗[31]，且SM處理在種植帶進行局部密植，使單位面積內(nèi)的種植行數(shù)及行播量均較CK處理增加，但密植不利于小麥根系發(fā)育，阻礙了水分及養(yǎng)分的吸收，且地上部分植株遮蔽度增加，不利于小麥進行光合作用，對小麥籽粒的形成及結(jié)實產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致SM處理千粒重及穗粒數(shù)均較CK處理減少。3種秸稈帶狀覆蓋處理中，SM3處理對土壤各特征指標影響最大，但SM5處理在產(chǎn)量及水分利用效率提升中表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，可見，秸稈帶狀覆蓋措施在西北半干旱區(qū)提升小麥籽粒產(chǎn)量和水分利用效率方面具有較大潛力。綜合來看，盡管地膜覆蓋的增產(chǎn)效果更顯著，但其成本高、殘膜難回收等問題突出，限制了其經(jīng)濟效益的提高；而3種秸稈帶狀覆蓋處理均有利于改善土壤特性、提高小麥產(chǎn)量及水分利用效率，其中SM5處理對小麥籽粒產(chǎn)量及水分利用效率的提升效果較其他秸稈覆蓋處理表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，是適宜于西北半干旱區(qū)產(chǎn)量提升及農(nóng)業(yè)綠色高效發(fā)展的栽培技術(shù)。

4 結(jié) 論

1)土壤容重隨土層深度的加深逐漸增大。秸稈帶狀覆蓋各處理可降低0～20 cm土層土壤容重，其中，對0～5 cm土層容重影響效果最顯著，且土壤容重隨種植帶的加寬逐漸增加。土壤孔隙度與土壤容重的變化呈相反趨勢。

2)秸稈帶狀覆蓋各處理對土壤團聚體的分布具有顯著影響。0～20 cm土層>0.25 mm機械穩(wěn)定性及水穩(wěn)性團聚體含量均顯著提高，有利于促進降水入滲。此外，土壤水穩(wěn)性團聚體MWD和GMD值均顯著提高，表明其對土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有改善效果。

3)土壤有機碳含量隨土層深度的增加逐漸減小。秸稈帶狀覆蓋各處理有利于0～20 cm土層土壤有機碳含量的提升，且土層越深，提升效果越小。秸稈帶狀覆蓋處理間表現(xiàn)為SM3>SM4>SM5。

4)覆蓋處理能夠促進冬小麥增產(chǎn)。SM處理較CK處理增產(chǎn)4.01%～6.51%，PM處理較CK處理增產(chǎn)12.62%。秸稈帶狀覆蓋處理間比較，SM5處理增產(chǎn)效果最佳，SM4處理次之，SM3處理最低。覆蓋增產(chǎn)的主要原因是其促進了單位面積穗數(shù)的增加。

綜上所述，從改善農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤增碳能力及促進作物增產(chǎn)和提高水分利用效率等角度出發(fā)，在西北半干旱區(qū)的小麥生產(chǎn)中，以SM5(覆蓋帶50 cm，種植帶70 cm，播種5行)的秸稈帶狀覆蓋種植模式為宜。