西北旱地秸稈覆蓋對小麥產(chǎn)量及農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)的影響

葉元生，黃彩霞

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

0 引言

我國西北地區(qū)總面積約為369萬km2，占全國國土面積的38.4%，但該地區(qū)水資源總量僅為2 027億m3，占全國水資源總量的7.25%，年均降水量230 mm，蒸發(fā)量1 840～2 300 mm[1]。水資源稀缺，蒸散量大是制約西北地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素。小麥?zhǔn)俏鞅焙底鲄^(qū)主要的糧食作物，也是重要的口糧作物，關(guān)系到區(qū)域糧食安全[2]。然而，依靠傳統(tǒng)的露地種植方式，產(chǎn)量低而不穩(wěn)，平均僅3 261.2 kghm2，且水分利用效率較低[3-7]。如何有效利用有限的水資源，提高小麥產(chǎn)量，是實(shí)現(xiàn)西北地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

經(jīng)多年探索研究，西北地區(qū)以覆蓋(地膜和秸稈)、秸稈還田等為核心的保護(hù)性耕作栽培技術(shù)得以廣泛推廣應(yīng)用，有效緩解了水分不足對作物生產(chǎn)的制約，并使小麥年際產(chǎn)量相對穩(wěn)定[3]。地膜覆蓋能夠阻止土壤水分的垂直蒸發(fā)，促進(jìn)水分的橫向運(yùn)移，有效保蓄土壤水分，減少蒸發(fā)，協(xié)調(diào)作物生長用水、需水矛盾，促進(jìn)了對深層水分的利用，且增產(chǎn)效果顯著[8-9]。也有研究表明，地膜覆蓋的增溫效應(yīng)導(dǎo)致小麥生育后期早衰和粒質(zhì)量下降，導(dǎo)致小麥減產(chǎn)[10]。此外，覆蓋地膜后造成的舊膜難回收、白色污染等問題突出，限制了地膜覆蓋技術(shù)的長久發(fā)展。秸稈覆蓋可避免地膜覆蓋的“白色污染”和因秸稈焚燒引起的霧霾污染，是一種生態(tài)環(huán)保技術(shù)，但有關(guān)秸稈覆蓋產(chǎn)量效應(yīng)因區(qū)域氣候條件、土壤條件、覆蓋材料及覆蓋方式等而異[11]。本文通過查閱大量文獻(xiàn)，系統(tǒng)分析西北地區(qū)秸稈覆蓋小麥產(chǎn)量效應(yīng)及其農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)研究，以期為今后秸稈覆蓋整合技術(shù)提供參考依據(jù)。

1 秸稈覆蓋模式

我國西北地區(qū)對于秸稈覆蓋的研究始于20世紀(jì)80年代初[12-13]。研究至今，出現(xiàn)多種小麥秸稈覆蓋方式。2000—2020年西北地區(qū)主要小麥秸稈覆蓋栽培方式如表1所示[5，14-26]。

表1 西北各地區(qū)主要小麥秸稈覆蓋方式

由表1可知，免耕+秸稈覆蓋是西北地區(qū)小麥秸稈覆蓋的主要方式，其中陜西研究較多的小麥秸稈覆蓋方式為免耕+秸稈覆蓋、壟上覆膜溝覆秸稈及生育期和夏閑期秸稈覆蓋。甘肅主要研究的方式為免耕+秸稈覆蓋及秸稈帶狀覆蓋。寧夏主要研究的方式為不同覆蓋量下秸稈覆蓋對小麥的影響。新疆主要研究的方式為免耕+秸稈覆蓋。

2 秸稈覆蓋對小麥產(chǎn)量的綜合效應(yīng)

2.1小麥產(chǎn)量

研究表明，在我國西北地區(qū)采用秸稈覆蓋技術(shù)可以使玉米、馬鈴薯和棉花等主要經(jīng)濟(jì)作物達(dá)到增產(chǎn)的效果[27-29]。鞏杰等[30]在甘肅的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用免耕秸稈覆蓋模式較露地種植提高小麥產(chǎn)量12.47%～29.63%。陳樂梅等[26]在新疆的研究表明，免耕秸稈覆蓋較露地提高小麥產(chǎn)量11.68%～18.52%。劉婷[4]在陜西的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，免耕秸稈覆蓋較露地提高小麥產(chǎn)量27.1%～30.2%。李玉鵬等[25]在寧夏的試驗(yàn)證明，不同量秸稈覆蓋較露地提高小麥產(chǎn)量2.9%～16.7%。程宏波等[31]的研究表明，秸稈覆蓋較露地增產(chǎn)7.6%～12.7%，而地膜覆蓋較露地增產(chǎn)41.6%～44.9%。楊長剛等[32]的研究表明，秸稈覆蓋較露地增加小麥產(chǎn)量14%～30%，地膜覆蓋較露地增產(chǎn)15%～60%。綜上所述，免耕秸稈覆蓋能夠較露地提高西北地區(qū)小麥產(chǎn)量10%～20%，增產(chǎn)效果顯著。但不同地區(qū)增產(chǎn)效果不同，這可能與地區(qū)降水量、土壤質(zhì)地等因素有關(guān)。此外，秸稈覆蓋較露地增產(chǎn)效果顯著，但其較地膜覆蓋的增產(chǎn)效果一般，主要原因是在降水資源有限的條件下，地膜的保水效果較秸稈更好。

也有研究表明，秸稈覆蓋會(huì)導(dǎo)致小麥減產(chǎn)，主要是受覆蓋量、覆蓋長度及降水年型的影響。劉婷等[33]研究表明，秸稈覆蓋量為9 000和6 000 kghm2時(shí)，分別較露地減產(chǎn)5.9%和6.9%，而在秸稈覆蓋量為3 000 kghm2時(shí)，較露地顯著增產(chǎn)5.9%。程宏波等[3]研究發(fā)現(xiàn)，整桿覆蓋較露地顯著減產(chǎn)14.1%，但碎稈覆蓋卻使小麥增產(chǎn)21.7%。涂純等[34]研究發(fā)現(xiàn)，缺水年秸稈覆蓋較露地提高小麥產(chǎn)量6.7%～8.2%。豐水年秸稈覆蓋較露地降低小麥產(chǎn)量8.2%～17.7%。

綜合上述，秸稈覆蓋產(chǎn)量效應(yīng)因覆蓋方式、覆蓋量、覆蓋材料及降水年型等而異，總體上表現(xiàn)為增產(chǎn)多與減產(chǎn)并存的情況，其中陜西省旱地小麥種植以全程覆蓋方式增產(chǎn)效應(yīng)最明顯，最高較露地增產(chǎn)41.1%～65.7%[4]。寧夏以生育期覆蓋秸稈方式增產(chǎn)效應(yīng)最為明顯，較露地增產(chǎn)2.9%～16.7%[25]。甘肅以秸稈帶狀覆蓋增加小麥產(chǎn)量的效益最為明顯，較露地增產(chǎn)最高可達(dá)41.3%～61.9%[35]。新疆以免耕秸稈覆蓋增產(chǎn)效應(yīng)最為明顯，最高較露地增產(chǎn)45.92%[5]。可以看出，在西北地區(qū)采用秸稈覆蓋技術(shù)實(shí)現(xiàn)小麥增產(chǎn)增收是切實(shí)可行的農(nóng)業(yè)措施。但是，秸稈覆蓋后出現(xiàn)的小麥減產(chǎn)問題也不容忽略，秸稈覆蓋量、秸稈覆蓋方式及降水年型的不同都有可能對小麥的產(chǎn)量造成不同的影響，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況和環(huán)境條件，因地制宜的選擇適合當(dāng)?shù)厍闆r的秸稈覆蓋方式和秸稈覆蓋量進(jìn)行覆蓋種植，實(shí)現(xiàn)小麥的增產(chǎn)增收。

2.2小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素

單位面積穗數(shù)、千粒質(zhì)量和穗粒數(shù)是構(gòu)成小麥產(chǎn)量的3要素，是衡量小麥產(chǎn)量的重要因素。分析秸稈覆蓋對小麥單位面積穗數(shù)、千粒質(zhì)量和穗數(shù)的影響對于明確秸稈覆蓋對小麥產(chǎn)量的影響意義重大。

2.2.1單位面積穗數(shù)

小麥單位面積穗數(shù)主要由兩種因素決定：一是單位面積出苗率；二是小麥的分蘗成穗能力。小麥的出苗率與周圍土壤環(huán)境息息相關(guān)，土壤水分及土地溫度等對小麥的出苗影響較大。秸稈覆蓋過多，可能會(huì)使秸稈下形成濕熱的環(huán)境，造成種子霉?fàn)€，影響出苗。且秸稈本身的物理阻礙也會(huì)對小麥的出苗造成影響。李少昆等[36]的研究表明，由于秸稈覆蓋量過多導(dǎo)致小麥出苗較露地減少13.4%。小麥的分蘗由分蘗芽發(fā)育而來，低溫、缺水等不利因素會(huì)抑制小麥分蘗芽的生長[37]。陳玉章[38]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋能夠較露地提高冬小麥分蘗期至越冬期0～25 cm土層土壤溫度0.59 ℃。西北地區(qū)低溫時(shí)間長，對小麥分蘗影響較大，適當(dāng)增加地溫有利于小麥分蘗。常磊等[39]的研究表明，秸稈覆蓋較露地分別增加小麥開花后土壤氮素及磷素69.3%和70.3%。增加土壤有機(jī)元素，有利于小麥孕穗，提高小麥分蘗成穗率。可以看出，秸稈覆蓋可能影響小麥種子萌發(fā)與出苗。適當(dāng)?shù)慕斩捀采w量能夠有效保蓄水分、調(diào)節(jié)地溫和增加土壤養(yǎng)分，有利于小麥出苗及提高小麥分蘗成穗率。但是，小麥分蘗過多，可能造成小麥主莖與分蘗之間對土壤養(yǎng)分的競爭吸收，導(dǎo)致主莖穗與分蘗穗的養(yǎng)分吸收不足，致使小麥減產(chǎn)。

2.2.2千粒質(zhì)量

小麥的粒質(zhì)量與開花期后干物質(zhì)的積累和對小麥籽粒的分配量及土壤溫度有關(guān)。陳樂梅[40]的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋延長小麥灌漿時(shí)間，增大灌漿速度，小麥千粒質(zhì)量較露地增大4.6%～6.3%。劉婷[4]的研究表明，秸稈覆蓋在灌漿速增期較露地提高干物質(zhì)對小麥籽粒貢獻(xiàn)率2.7%～23.6%，在灌漿緩增期較露地提高干物質(zhì)對小麥籽粒貢獻(xiàn)率3.5%～69.3%，是小麥粒質(zhì)量增加的原因。研究表明，秸稈覆蓋降低小麥開花期至灌漿期土壤溫度1.8～2.0 ℃，降溫避免了小麥高溫逼熟，延長了灌漿期，有利于提高粒質(zhì)量[41]。秸稈覆蓋增加小麥生育期土壤水分，延緩小麥功能葉的衰老，且能夠降低開花期至灌漿期土壤溫度，延長小麥灌漿時(shí)長，為籽粒的生長提供充足的物質(zhì)能源[42]。灌漿期是小麥粒質(zhì)量增加的關(guān)鍵時(shí)期，增加小麥干物質(zhì)積累總量，能夠提高干物質(zhì)對籽粒的貢獻(xiàn)率，進(jìn)而增加小麥粒質(zhì)量。

2.2.3秸稈覆蓋對小麥穗粒數(shù)的影響

小麥的穗粒數(shù)包括結(jié)實(shí)小穗數(shù)及未結(jié)實(shí)小穗數(shù)，增加結(jié)實(shí)小穗數(shù)減少未結(jié)實(shí)小穗數(shù)的數(shù)量是小麥穗粒數(shù)增加的關(guān)鍵。張博等[42]研究表明，秸稈覆蓋能提高冬小麥花后第7～35天的植株含水量和第7～28天的旗葉相對含水量，有利于營養(yǎng)物質(zhì)的合成和向籽粒的輸入，減少小麥秕粒，提高結(jié)實(shí)率。陳樂梅[40]的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋較露地增加小麥穗粒數(shù)0.67～2.59個(gè)。秸稈覆蓋對小麥穗粒數(shù)影響的機(jī)理主要在于對土壤水分的有效貯存，在降雨量有限的條件下，秸稈覆蓋能夠保蓄水分，在小麥穗粒形成期，充足的土壤水分是提高小麥穗粒結(jié)實(shí)率的關(guān)鍵，隨著有效穗數(shù)的增加，無效穗數(shù)減少。

3 秸稈覆蓋麥田的生態(tài)效應(yīng)

3.1土壤團(tuán)聚體

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是形成土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)，其數(shù)量和質(zhì)量決定土壤肥力的高低[43]。秸稈覆蓋可以增加土壤有機(jī)碳，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成[44]。王海霞等[14]的研究表明，秸稈覆蓋可較露地顯著增加0～40 cm土層>0.25 cm徑級的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量13.0%～26.4%和18.6%～45.6%，增加有機(jī)質(zhì)4.6%～13.5%，提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。付鑫[45]的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋有利于提高土壤0～10 cm和10～20 cm土層>25 cm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的數(shù)量。秸稈覆蓋后，植物殘?bào)w的輸入直接增加土壤有機(jī)碳，作為膠結(jié)物質(zhì)有助于大團(tuán)聚體的形成，且提高大團(tuán)聚體比例可在一定程度提高土壤的固氮能力[43-44]。秸稈覆蓋后通過自然腐解產(chǎn)生的化合物和部分微生物代謝產(chǎn)生的分泌物對土粒有膠結(jié)作用，有利于增加土壤大團(tuán)聚體數(shù)量，提升土壤固碳、固氮等能力，提高土壤穩(wěn)定性，且土壤通透性增大，有利于小麥生長。

3.2土壤水分

無覆蓋條件下，地表土壤常常較為干燥，降水時(shí)，表層土壤容易結(jié)塊，地表易形成徑流且降水難以向地下入滲。覆蓋秸稈后，在地表形成一層保護(hù)層，降水不能直接到地面，地表不易結(jié)塊，土壤結(jié)構(gòu)完整性高，有利于降水入滲。由于秸稈的攔截，地表不易形成徑流，使得降水在田間均勻分布。而且秸稈覆蓋能夠降低土壤0～25 cm土層的溫度1.4～2.0 ℃，減少土壤水分的蒸散量[46]。王海霞[47]的研究表明，全生育期覆蓋條件下，秸稈覆蓋較露地提高土壤0～60 cm土層土壤含水量2.7%～7.97%，60～140 cm土層提高4.1%～8.48%，140～200 cm土層提高3.0%～8.3%。全程覆蓋條件下，秸稈覆蓋較露地提高土壤0～60 cm土層土壤含水量6.5%～14.5%，60～140 cm土層提高7.6%～17.5%，140～200 cm土層提高1.23%～11.8%。秸稈覆蓋較露地提高土壤含水量效果顯著，不同土層效果不同，總體表現(xiàn)在0～60 cm效果最低，60 cm以下隨著土層的加深，土壤含水量逐漸增大，這與李瑞等[35]的結(jié)論相似，這可能是由于表層的土壤蒸發(fā)和作物蒸騰消耗了水分。在140～200 cm土層含水量較上層略有減少，可能是由于隨著土層的加深，秸稈覆蓋對土壤水分的影響減小，但整體來看，秸稈覆蓋能夠較露地顯著增加土壤含水量。

3.3土壤溫度

在西北地區(qū)，晝夜溫差較大，白天太陽光的直接輻射使得地溫迅速增高，而在夜晚溫度大幅下降。劇烈的溫度變化影響小麥種子萌發(fā)，也會(huì)增加幼苗的死亡率。秸稈覆蓋能夠平抑地溫的劇烈變化[41]。秸稈本身能夠阻礙和吸收部分太陽光，避免陽光直射造成的地溫直線上升，而在夜晚溫度下降時(shí)，秸稈內(nèi)存的積溫有利于提升地溫，為小麥種子萌發(fā)及幼苗生長創(chuàng)造有利的生長環(huán)境。研究表明，秸稈覆蓋有降溫和增溫的“雙重效應(yīng)”[46]。秸稈覆蓋較無覆蓋增加小麥苗期至返青期0～25 cm土層溫度0.76 ℃，返青期以后平均降溫1.43 ℃[48]。陳素英等[49]的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋在冬季較露地增加土壤0～20 cm土層溫度0.3%～0.9%，在春季降低土壤溫度0.2%～1.0%。秸稈覆蓋避免了因?yàn)闇囟鹊膭×易兓瘜π←溣酌缭斐傻膫Γ谛←溍缙谥练登嗥诘脑鰷赜欣谛←湻N子萌發(fā)及幼苗存活，而返青期后的降溫有利于減緩小麥的衰老進(jìn)程，延長小麥灌漿，進(jìn)而增加小麥產(chǎn)量。但秸稈覆蓋返青期后的降溫也可能對小麥的分蘗造成不利影響，使小麥減產(chǎn)[49-50]。

3.4土壤微生物

覆蓋秸稈能增加土壤有機(jī)質(zhì)，改變土壤碳氮比，為增強(qiáng)酶促反應(yīng)和土壤呼吸強(qiáng)度提供基質(zhì)，從而促進(jìn)土壤微生物活性的提高[51-52]。洪曉強(qiáng)等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋較露地增加了土壤0～25 cm土層細(xì)菌41.3%、真菌104.5%和放線菌13.0%。鞏杰等[30]的研究表明，與露地相比，秸稈覆蓋能夠顯著增加土壤0～20 cm土層細(xì)菌62.4%～75.0%、真菌25.2%～47.9%和放線菌21.0%～48.2%。秸稈本身含有豐富的碳氮等元素，能夠?yàn)槲⑸锏纳嫣峁┠茉矗瑥亩黾游⑸锏臄?shù)量，激發(fā)微生物的代謝能力，通過微生物對秸稈的分解及自身的代謝，土壤有機(jī)質(zhì)及無機(jī)質(zhì)增加，土壤肥力提升，為小麥的生長發(fā)育創(chuàng)造有利的物質(zhì)環(huán)境。

3.5土壤酶活性

土壤酶活性是土壤生物活性的總體表現(xiàn)，它不僅與作物產(chǎn)量及土壤管理措施之間有一定關(guān)系，且在一定程度上反映土壤的綜合肥力特征及土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化進(jìn)程[53]。酶活性大小可以較敏感地反映出土壤中生化反應(yīng)的方向和強(qiáng)度，是土壤肥力評價(jià)的重要指標(biāo)之一[54-55]。過氧化氫酶是一種氧化還原酶，在有機(jī)質(zhì)氧化和腐殖質(zhì)的形成過程中起重要作用，能夠表征土壤氧化強(qiáng)度[56]。堿性磷酸酶加速有機(jī)磷的脫磷速率，增加土壤有效磷含量[57]。脲酶是一種專性酶，能夠催化尿素水解生成氨、二氧化碳和水，施入土壤中的尿素只能在脲酶的參與下才能水解，脲酶的酶促反應(yīng)產(chǎn)物氮是植物氮源之一，其活性可以用來表征土壤氮素狀況[58]。蔗糖酶則能夠在一定程度反應(yīng)出土壤有機(jī)質(zhì)的含量水平。苗琳等[59]的研究發(fā)現(xiàn)，與露地相比，秸稈覆蓋下過氧化氫酶活性升高11.74%，脲酶活性升高17.60%，堿性磷酸酶活性升高43.99%，蔗糖酶活性升高40.22%。劉高遠(yuǎn)等[60]的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋較露地分別提高了蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性24.6%、34.6%和27.4%。秸稈覆蓋能夠提高土壤酶活性，促進(jìn)酶促反應(yīng)的進(jìn)行，進(jìn)而提升土壤肥力。在充足的磷肥條件下，增加有效磷含量，有利于小麥根系的生長，促進(jìn)小麥開花孕穗。增加氮素，則有利于小麥光合作用，增加小麥干物質(zhì)的積累，提高粒質(zhì)量。

3.6土壤養(yǎng)分

秸稈作為一種農(nóng)業(yè)資源，其本身就含有豐富營養(yǎng)元素，能夠補(bǔ)充土壤養(yǎng)分。秸稈覆蓋后通過自然腐解及土壤微生物的分解作用，增加土壤有機(jī)質(zhì)及營養(yǎng)元素，進(jìn)而提高土壤肥力。鞏杰等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋較露地增加土壤0～10 cm土層有機(jī)質(zhì)0.16～0.62 gkg，土壤速效鉀含量較露地增加0.10～1.36 mgkg，10～20 cm土層較露地增加土壤有機(jī)質(zhì)0.14～0.22 gkg，土壤速效鉀增加1.15～2.58 mgkg。王海霞等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋較露地增加土壤0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)7.1%～11.4%，在20～40 cm土層較露地增加23.7%～44.9%。付鑫[45]的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多年秸稈覆蓋，土壤0～20 cm土層的土壤有機(jī)碳及全氮分別提高18.7%～39.4%(P<0.05)和6.60%～8.05%(P<0.05)。由此可見，秸稈覆蓋能夠較露地顯著增加土壤碳氮等元素，以及有機(jī)質(zhì)和速效鉀的含量，不僅能夠?yàn)樾←湹纳L發(fā)育提供物質(zhì)能源，又能夠改善土壤結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，增加土壤團(tuán)粒體數(shù)量，利于小麥的生長發(fā)育。

4 結(jié)束語

在西北地區(qū)，傳統(tǒng)的耕作模式以翻耕為主[13]。常年翻耕破壞了土壤的結(jié)構(gòu)，降低了土壤肥力。盡管可以使用化肥來提升土地肥力，但長期使用化肥造成的污染問題比較突出，而且在蒸散量較大的西北地區(qū)，翻耕顯然不能保蓄土壤水分。地膜覆蓋具有增溫保墑、防病抗蟲和抑制雜草等作用，具有顯著的增產(chǎn)效果，逐漸成為西北地區(qū)主要的農(nóng)作方式[61]。但是，常年鋪設(shè)地膜導(dǎo)致的殘膜無法回收，進(jìn)而造成白色污染等問題，也會(huì)對作物的生長發(fā)育造成一定的傷害。近年來，隨著科技的提升，生物可降解膜、液體膜等新型材料地膜隨之出現(xiàn)，加上地膜回收技術(shù)的逐漸發(fā)展提高，能有效解決地膜難回和污染等問題，但其成本較高，實(shí)現(xiàn)在西北地區(qū)的大面積投入使用并不理想。秸稈覆蓋不僅有顯著的蓄水保墑、培肥培土和調(diào)節(jié)地溫等特點(diǎn)，而且經(jīng)濟(jì)環(huán)保，更加符合我國綠色農(nóng)業(yè)的政策，適宜向西北地區(qū)推廣使用，從而實(shí)現(xiàn)西北地區(qū)小麥的增產(chǎn)增收，實(shí)現(xiàn)西北地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。