雙行種植與空行覆蓋模式對土壤水熱條件及冬小麥產量的影響

閆秋艷，董 飛，楊 峰，魯晉秀，李 峰，王 苗，閆翠萍，許玉娟

(山西省農業科學院小麥研究所，山西臨汾 041000)

夏玉米/冬小麥一年兩熟是我國北方地區常見的種植制度，而水資源短缺一直是影響該區冬小麥生產的關鍵因素[1]。如何充分利用自然降水，提高土壤保水性是冬小麥高產優質的基本前提。在這種種植制度下，玉米秸稈覆蓋還田不僅能充分利用玉米秸稈資源，還能為冬小麥蓄水保墑起到積極作用[2]。近年來，很多學者在我國北方地區的河南、甘肅、陜西、山西、山東等不同地區針對玉米秸稈覆蓋小麥也進行了一些試驗研究，并取得一定成效[3-4]。

近年來的實踐應用表明，秸稈覆蓋對減少麥田土壤水分蒸發、提高麥田土壤保水性以及減少灌溉水需求量有積極的作用[5-6]，同時存在一些問題有待解決。綜合不同研究結果可以發現，秸稈覆蓋對冬小麥產量的提高作用并不穩定，增產、減產和不增產現象都有出現[7]，這與地域、氣候條件(降雨量)等多種因素有關。前人研究認為，秸稈覆蓋會導致冬小麥出苗率下降，且在春季(返青期)形成的土壤低溫效應可能會阻礙根系生長的恢復，也可能間接地影響冬小麥的生育進程，引起植株早衰，最終影響產量提高[1]。此外，春季降溫效應延長了冬小麥穗分化的時間，縮短了灌漿持續時間，增加了后期干物質和氮素由非籽粒部分向籽粒轉移的效率，最終造成產量降低[9]。解決問題的關鍵是如何選擇適宜的覆蓋模式，以克服或減弱覆蓋的春季低溫效應，這也是本研究的關注點。更重要的是，小麥群體性較強，過量的秸稈覆蓋會對小麥群體生長產生干擾。Liu 等[10]研究指出，常規播種方式下，秸稈覆蓋對小麥群體產生物理性障礙，干擾了群體光合作用，且覆蓋會減少小麥群體數量，最終影響小麥地上部生物量及產量。可見，采用合理的秸稈覆蓋模式對冬小麥蓄水保墑和高產高效極為重要。

近年來，膜側條播[11]、寬幅精播結合覆蓋[10]、帶狀覆蓋[12]等技術均在小麥覆蓋模式上進行了優化，也證明了空行覆蓋對減弱覆蓋負效應的積極性。在覆蓋或不覆蓋條件下，空行種植的小麥產量及水分利用率優于常規種植，且在覆蓋下的增產效果更加明顯。總體上，空行覆蓋對冬小麥產量具有一定補償作用，主要體現在空行寬窄行種植減少了單位面積的群體數量，作物占有較多的生態位[13]。本研究立足于空行覆蓋的積極效應，在最大化增加基本苗的基礎上，通過田間定位試驗，探討雙行種植+空行覆蓋的模式對冬小麥的增產效果，以期為華北地區小麥玉米一年兩作種植模式下最優秸稈覆蓋模式提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區設在山西省臨汾市韓村試驗基地，位于36°19′N，111°49′E。該區地處半干旱、半濕潤季風氣候區，年平均氣溫9.0～12.9 ℃，降水量420.1～550.6 mm，無霜期127～280 d，多年平均降水494.19 mm。試驗期降雨量及氣溫見表1。小麥生育期總降雨量為265.8 mm。土壤為石灰性褐土。耕層土壤pH為8.13，有機質含量為15.20 g·kg-1，EC值141.40 μs·cm-1，全氮含量為1.28 g·kg-1，堿解氮含量為76.69 mg·kg-1，有效磷含量為10.64 mg·kg-1，速效鉀含量為117.0 mg·kg-1。

表1 冬小麥生育期間月降雨量和平均氣溫Table 1 Distribution of monthly precipitation and mean air temperature at the experimental site

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，無田間灌溉。供試冬小麥品種為臨遠8號，試驗進行兩年，于 2014年10月開始，2016年6月結束。覆蓋材料為機械采收玉米后粉碎的秸稈，自然風干。播種方式有常規條播和雙行條播，每小區面積為25 m2(2.5 m×10 m)，常規條播共11行，雙行條播(每隔2行空1行)共8行，雙行條播的單行播種量為常規條播的1.5～2倍。設置5個處理：無玉米秸稈覆蓋(CK)、常規條播+行間覆蓋玉米秸稈4 500 kg·hm-2(CPM1)、常規條播+行間覆蓋玉米秸稈9 000 kg·hm-2(CPM2)、雙行條播+空行覆蓋玉米秸稈4 500 kg·hm-2(DPM1)、雙行條播+空行覆蓋玉米秸稈9 000 kg·hm-2(DPM2)。小麥分蘗初期開始玉米秸稈覆蓋。每處理3次重復。播種前基施純氮120 kg·hm-2、磷肥(P2O5)90 kg·hm-2和鉀肥(K2O)90 kg·hm-2，其他田間管理措施同當地大田。

1.3 指標測定

土壤溫度采用智能全自動土壤溫度記錄儀(L93-4，杭州路格儀器有限公司)測定，溫度測量范圍-40～100 ℃，測量精度±0.5 ℃，分辨率0.1 ℃。在小麥分蘗期秸稈覆蓋后埋設于緊鄰覆蓋帶的小麥種植行20 cm深度處，記錄時間間隔設置為1 h。分蘗期(11月16日-12月15日)、越冬期(12月16日-2月25日)、返青期至起身期(2月26日-3月15日)、拔節期至孕穗期(3月16日-5月15日)、孕穗期至成熟期(5月16日-6月10日)均溫為生育期間日溫度數值取平均值。

土壤含水量用土鉆法測定，每小區取3個點，取樣點位于緊鄰種植行的覆蓋帶，取樣深度0～100 cm，每隔20 cm取樣一次。烘干法測定相對含水量。土壤含水量=(土壤鮮重-土壤干重)/土壤干重×100%。根據A=0.1×W×ρ×h計算土壤貯水量(mm)。式中A為不同深度土壤貯水量(mm)；W為土壤含水量；H為土層厚度(mm)；ρ為土壤容重(g·cm-3)。

小麥收獲期在各小區取樣調查單位面積有效穗數(取1 m2樣區)、地上部干物質重(取1 m2內全部植株地上部分，先蒸餾水清洗，105 ℃下殺青30 min，再75 ℃下烘72 h，利用天平稱重)、穗粒數、千粒重、產量(由1 m2小區粒重折算)。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010軟件對試驗數據進行處理和作圖。采用SPSS 17.0軟件進行差異顯著性檢驗(α=0.05)。

2 結果和分析

2.1 秸稈覆蓋對麥田土壤溫度的影響

從圖1可以看出，從11月至2月下旬，土壤溫度呈降低趨勢，此時秸稈覆蓋對土壤溫度具有明顯的增加效應，且覆蓋量越大，增溫效果越明顯。相同覆蓋量下，DPM的增溫效果優于CPM。2月下旬后，土壤溫度呈上升趨勢，此時土壤溫度變化范圍較大，覆蓋降低了土壤溫度的變化幅度， DPM下溫度變化范圍更窄。

從不同生育階段(表2)看，CPM1、CPM1、DPM2和DPM2的0～20 cm土壤平均溫度在播種至分蘗期分別比CK增加0.567、0.968、0.646和1.117 ℃，越冬期分別增加0.613、0.849、0.608和0.987 ℃，返青至起身期分別增加1.034、1.168、1.554和1.85 ℃，拔節至孕穗期分別增加0.83、0.454、0.595和0.42 ℃，灌漿至成熟期分別增加0.56、0.416、0.497和0.364 ℃。可見，秸稈覆蓋的增溫效果在返青至起身期最明顯。CPM1、CPM2、DPM1和DPM2 的0～20 cm土壤平均溫度在全生育期分別比CK增加0.72、0.771、0.78和0.946 ℃。其中在相同播種方式下，播種至分蘗期、越冬期、返青至起身期高覆蓋量的增溫效果大于低覆蓋量，且在相同覆蓋量下，雙行條播覆蓋的增溫效果較常規條播覆蓋大。

圖1 不同處理下冬小麥全生育期的0～20 cm土壤溫度(兩年平均)Fig.1 Temperature in 0-20 cm soil layer during winter wheat growing season (average of the two years)under different treatments表2 小麥不同生育階段0～20 cm土壤平均溫度Table 2 Average temperature in 0-20 cm soil layer at different wheat growth stages ℃

同行數據后不同字母表示處理間差異達5%顯著水平。

Values followed by different letters in same row are significantly different among treatments at 5% level.

2.2 秸稈覆蓋對麥田土壤水分的影響

秸稈覆蓋條件下0～20和20～40 cm土壤含水量高于CK。2014-2015年，覆蓋處理的0～20和20～40 cm土壤含水量在播種至分蘗期比CK 分別增加0.24%～6.7%和0.8%～8.57%，越冬期分別增加5.67%～21.26%和4.65%～13.05%，返青至起身期分別增加7.55%～13.83%和1.09%～9.29%，拔節至孕穗期分別增加2.81%～17.97%和4.45%～16.02%，灌漿至成熟期分別增加17.51%～32.38%和2.51%～5.79%。2015-2016年，覆蓋處理的0～20和20～40 cm土壤含水量在播種至分蘗期比CK 分別增加0.99%～3.41%和0.78%～17.79%，越冬期分別增加4.82%～11.46%和3.33%～9.11%，返青至起身期分別增加7.43%～26.96%和1.53%～7.23%，拔節至孕穗期分別增加3.43%～26.76%和0.52%～20.43%，灌漿至成熟期分別增加17.51%～32.38%和0.58%～7.65%。可以看出，覆蓋對0～20 cm土壤水分含量的增加作用比20～40 cm土壤大，且隨著生育期延長，這種增加作用更加明顯。2015-2016年覆蓋對土壤水分含量的增加作用較2014-2015年大。

從圖2可以看出，2014-2015年，覆蓋對分蘗期0～100 cm土壤貯水量的影響不明顯，覆蓋處理相對于CK僅增加0.7～6.9 mm。越冬期，覆蓋對土壤貯水量的增加作用較高， CPM1、CPM2、DPM1、DPM2的兩年平均土壤貯水量較CK分別增加28.7、42.3、25.6和38.3 mm。孕穗期和成熟期DPM對土壤貯水量的增加作用較CPM更明顯。孕穗期，CPM1、CPM2、DPM1、DPM2的兩年平均土壤貯水量較CK分別增加7.15、12.05、15.75和18.7 mm，成熟期分別增加10.4、18.65、23.2和43.8 mm。

表3 不同處理下麥田0～40 cm土壤水分含量Table 3 Water content in 0-40 cm soil layer in wheat field under different treatments %

相同年份同列數據后不同字母表示處理間差異在0.05水平顯著。表4同。

Different letters following data with in same year and column mean significant difference among treatments at 0.05 level.The same in table 4.

圖柱上的不同字母表示同一時期不同處理間差異達0.05顯著水平。

Different letters on the columns mean significant differen among treatments at same stage at 0.05 level.

圖22014-2016年不同處理下麥田0～100cm土壤貯水量的變化

Fig.2Changeofwaterstoragein0-100cmsoillayerinwheatfieldunderdifferenttreatmentsduring2014-2016

2.3 秸稈覆蓋對冬小麥干物質量、籽粒產量及其構成的影響

從表4可見， CPM下冬小麥地上部干物質量和籽粒產量不同程度下降，其中，CPM2對籽粒產量影響較大，兩年平均下降15.6%。而DPM對地上部干物質量和籽粒產量具有一定的增加作用，DPM1和DPM2的籽粒產量平均增加14.5%和21.4%，且2015-2016年的增產作用較2014-2015年明顯。CPM對穗數影響不明顯，對穗粒數有明顯的增加效應，但對千粒重的影響在兩年表現不一，兩年分別呈負向和正向效應；DPM對穗數和穗粒數均有明顯增加效應，兩年對千粒重也分別表現為負向和正向效應；相對而言，DPM對產量構成的改善作用較強，尤其是DPM2。

表4 不同處理下冬小麥地上部干物量、產量及其構成Table 4 Shoot biomass, yield and its components of winter wheat under different treatments

3 討 論

秸稈覆蓋對冬小麥生長及產量的影響首先是通過對土壤環境的調節作用來實現，土壤溫度和水分條件是主要變化因素[14]。土壤溫度的調控作用一直被認為是影響冬小麥產量提高的關鍵因素，這種影響是潛在的和長期性的[15]。秸稈覆蓋下前期的增溫作用和后期平抑土壤溫度的波動程度是秸稈覆蓋對冬小麥土壤溫度影響的普遍規律[16]。從本研究中土壤溫度變化曲線可以看出，返青期后，土壤溫度開始回升，此時秸稈覆蓋減緩土壤升溫和降溫的效應并存，即覆蓋降低日最高溫度并提高日最低溫度。值得指出的是，在返青期地溫回升這一初始階段，DPM對土壤溫度的增溫效應仍然存在，而CPM開始出現降低溫度變幅的狀態。說明DPM對減弱溫度變幅的時間相對CPM較遲，這可能與前期增溫幅度大有關，且地溫變化相對較慢，使DPM下土壤進入降溫狀態，這個關鍵點的存在為返青期根系恢復和植株生長提供了有利的土壤溫度條件。此外，在相同覆蓋量下，與CPM相比，DPM縮短土壤零下溫度的天數，使冬小麥越冬更加安全。

覆蓋的保水性主要體現在抑制土壤蒸發、影響降水的蓄納入滲等過程[17]。CPM由于覆蓋面積較大，基本上處于一個全封閉的狀態，對抑制土壤蒸發有較強的作用，但同時較大的覆蓋面積也會阻擋雨水入滲。因此，如果在雨水充足的年份，DPM的入滲強度大，比其蒸發的損失更占優勢。2014-2015年干旱年份，覆蓋的保水性不如2015-2016年效果好。2015-2016年10-11月份有明顯降水，該時期降水為冬小麥提供了出苗和之后良好生長發育的水分條件。兩年的相同點是12月至次年1月，幾乎沒有降水，此時期覆蓋對土壤水分含量影響較為關鍵。有研究指出，覆蓋的保水性在一定程度上可以補償低地溫對小麥生長的阻礙作用，促進根系下扎[18]。冬小麥生長前期，地面裸露面積大，因此覆蓋對抑制土壤蒸發的作用在生育前期的影響較大。隨著植株密度的加大，植株覆蓋度增加，土壤蒸發的強度也相應減少[19]。此外，植物蒸騰耗水也影響土壤水分狀況[20]，這主要體現在灌漿期至成熟期，此階段植株群體密度大[13]。同時，覆蓋降低土壤溫度變幅，對抑制土壤水分蒸發也起到一定作用[21]。生育前期，CPM的保水效果優于DPM，覆蓋量大的處理，阻擋水分蒸發的強度越大。生育后期CPM下秸稈覆蓋層較薄，加上腐化分解，覆蓋的保水作用也逐漸減弱。因此，在生育后期，相同覆蓋量下CPM的保水性低于DPM。

年份間小麥產量存在差異，這與年份間的降雨量不同有很大關系，這同時也影響覆蓋對冬小麥的增產效果。盡管秸稈覆蓋有優良的保水特性，但是CPM的增產效果較差，這可能與返青期持續的降溫效應有關，但最重要的是CPM由于覆蓋面積較大，對冬小麥生長產生一定干擾性，形成物理性障礙，減弱了植株密度[22]， 這在陳素英等[1]和Yin 等[23]研究中均有體現。在返青期后，CPM下低的植株密度表現越明顯，尤其在高覆蓋量下。這可能也是后期CPM下保水效果降低的原因。盡管在CPM下小麥單位面積有效穗數減少，但是穗粒數仍然比CK高，可見CPM下表現出個體優勢。本研究的兩種覆蓋模式下播種量相同，在CPM下增加播種量是否可以克服秸稈覆蓋的負效應尚需進一步探討。兩年結果可以看出，覆蓋在2015-2016年的增產效果優于2014-2015年。兩年試驗分別為極度干旱年和干旱年，在豐水年秸稈覆蓋的增產效果有待進一步研究。單位面積有效分蘗數增加是DPM下產量提高的關鍵因素。空行覆蓋模式覆蓋材料對小麥的干擾性相對較小，種植帶與覆蓋帶分離可以使小麥植株空間合理分布[24-25]，更有利于小麥生長。同樣，在DPM下增加播種密度是否能使這種增產效應進一步提升，其增產機制如何，值得深入探討。

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