秸稈還田量對旱地全膜覆土穴播春小麥水分利用及產量的影響

侯慧芝，張緒成，尹嘉德，方彥杰，王紅麗，于顯楓，馬一凡，張國平，雷康寧

(甘肅省農業科學院旱地農業研究所/甘肅省旱作區水資源高效利用重點實驗室，甘肅蘭州 730070)

甘肅中東部半干旱旱作區是典型的雨養農業區，年均降雨量在400 mm左右，春小麥為該區主要糧食作物之一[1]。該區自然降水較少，季節性干旱尤其突出，且降水與春小麥需水時期錯位，嚴重影響當地春小麥生產的穩定發展[2]。該區小麥栽培技術先后經歷了地膜覆蓋[3]、膜側溝播[4]、全膜覆土穴播[5]等演變，這些技術對當地春小麥增產和水分有效利用起到了積極的推動作用，但該區春小麥產量仍處于較低水平。因此，如何進一步提高春小麥水分生產潛力仍是該區小麥生產需要解決的科學和技術問題。秸稈還田是提升耕地質量[6]、增強土壤-作物體系抗旱能力和可持續生產能力[7-9]的關鍵措施，可改善土壤理化性質[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]，促進作物增產[20-23]。

很多學者就秸稈還田對作物的生長及產量的影響做了大量研究[24-26]。研究表明，小麥玉米秸稈連續全量還田可促進小麥光合和群體干物質積累，增加穗數、穗粒數和千粒重，顯著提高籽粒產量[27]。也有學者研究發現，秸稈覆蓋下冬小麥的籽粒產量與地膜覆蓋相當，說明優化秸稈覆蓋系統是提高旱地小麥產量的可行栽培方案[28]。近年來對全膜覆土穴播小麥栽培模式下秸稈還田效應的研究未見報道，其中全膜覆土栽培模式下適宜秸稈還田量的篩選對秸稈科學還田尤為重要。本研究在量化分析秸稈還田對甘肅中東部旱作區全膜覆土穴播小麥栽培影響的基礎上，分析秸稈還田量對土壤水熱環境、春小麥生長發育的效應，以闡明秸稈還田對小麥生長的生理生態調控機制，為本區域內春小麥高產栽培及秸稈科學還田提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年在甘肅省農業科學院定西試驗站(甘肅省定西市安定區團結鎮唐家堡村，104°36′E，35°35′N)進行。該區海拔1 970 m，年平均氣溫6.2 ℃，年輻射總量5 898 MJ·m-2，年日照時數2 500 h，≥10 ℃積溫2 075.1 ℃，無霜期140 d，屬中溫帶半干旱氣候。作物一年一熟，為典型旱地雨養農業生產。年均降水量415 mm，6至9月降水量占年降水量的68%，降水相對變率為24%，400 mm降水保證率為48%。試驗區土壤為黃綿土，0～30 cm土層平均容重1.25 g·cm-3，田間持水量為21.18%，凋萎系數為7.2%。

根據甘肅省農業科學院定西試驗站氣象資料統計，試驗區2018年全年降水量為533.3 mm，屬豐水年，春小麥生育期內降水量為312.6 mm，但季節分布不均，6月24日到7月24日小麥灌漿期降水194.7 mm，占春小麥整個生育期降水的60%以上，嚴重影響了春小麥的籽粒灌漿，導致產量偏低；試驗年份最高氣溫為21.9 ℃，最低氣溫為-16.4 ℃，年平均氣溫為6.9 ℃(圖1)。

圖1 2018年試驗區降雨量和氣溫

1.2 試驗設計

試驗以甘肅省農業科學院小麥研究所選育的春小麥品種隴春35號為供試材料，設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)和無秸稈還田(CK)4個處理，隨機區組排列，每處理3次重復，小區面積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，穴播機播種，每穴播10±2粒，行距為20 cm，穴距為12.5 cm，播種量400萬粒·hm-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 測定指標及方法

1.3.1 土壤貯水量和階段耗水量獲取

在春小麥播前、苗期、拔節期、抽穗期、灌漿期和成熟期分別用土鉆法在各小區溝內取0～300 cm土樣，20 cm為一層，用烘干稱重法測定土壤含水量。計算土壤貯水量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為某一階段初始時的土壤貯水量(mm)；SWSi+1為該階段結束時的土壤貯水量(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 生物量測定

在春小麥播前、苗期、拔節期、抽穗期、灌漿期和成熟期，分別取同一葉齡且長勢均勻的20個植株，用烘干法測定地上干物重。

1.3.3 SPAD值測定

在春小麥苗期、拔節期、抽穗期、灌漿期和成熟期每小區選取同一葉齡且長勢均勻的3個植株，用SPAD-502plus葉綠素儀對春小麥最上部葉片進行SPAD值測定，每一片葉測3個位點，取平均值。

1.3.4 冠層溫度測定

采用國產AV-132T型手持紅外測溫儀，在春小麥苗期、拔節期、抽穗期、灌漿期和成熟期測定各小區的冠層溫度值，每次測定時間為早上9:00-11:00測定時視場角取 5度，手持測溫儀，置于 1.5 m高度左右，以 30度瞄準小區內中間的冠層，其測點為群體生長一致、有代表性的部位，避開裸地影響，直接在顯示屏上讀取數據。為減少誤差，每個小區重復測定 5次，取其平均值作該次測定的冠層溫度值。

1.3.5 葉面積指數(LAI)測定

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

1.3.6 產量測定及水分利用效率(WUE)計算

成熟期每個小區單打單收，統計實際產量，折合成公頃產量。WUE=Y/ET，Y為春小麥單位面積產量(kg·hm-2)。

1.4 統計分析

用 Excel 2003 和 DPS v3.01專業版統計分析軟件處理數據，用Tukey 法檢驗處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田量對春小麥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。從不同時期看，播前和苗期，SRM、SRH和SRL處理對土壤貯水量的增加效果均達到顯著水平，在拔節期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，但這時的土壤水分對小麥植株生長發育影響微小。這說明雖然整個生育期三個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。與CK相比，SRM、SRH和SRL處理的拔節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；拔節至抽穗期，SRM、SRH和SRL處理的耗水量均顯著高于CK，但三個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。由此說明秸稈還田有利于春小麥生育前中期對土壤水分的利用，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:苗期到拔節期；JO-HE:拔節期到抽穗期；HE-FI:抽穗期到灌漿期；FI-HA:灌漿期到成熟期。

2.3 秸稈還田量對春小麥葉片SPAD值、葉面積指數和生物量的影響

與CK相比，SRM、SRH和SRL處理的春小麥葉片SPAD值、葉面積指數和生物量在各時期均顯著增加，其中三個秸稈還田處理的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%。各時期各指標均以SRM處理最高，且均與SRH和SRL處理差異顯著(圖4)。這說明秸稈還田有助于提高小麥葉片葉綠素含量、葉面積指數，促進干物質積累，且增加效果與秸稈還田量有關。

圖4 秸稈還田量對春小麥葉片SPAD值、葉面積指數(LAI)和生物量的影響

2.4 秸稈還田量對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顯著差異，其他時期均表現為SRM

圖5 秸稈還田量對春小麥冠層溫度的影響

2.5 秸稈還田量對春小麥株高、產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、千粒重和穗數。三個秸稈還田處理間千粒重和穗數差異均不顯著；SRM和SRH處理間株高差異不顯著，但均顯著高于SRL處理；SRM處理的穗粒數顯著高于SRL和SRH處理。由此可見秸稈還田可促進植株生長發育，有利于產量形成，其中SRM處理效果 最好。

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

表1 秸稈還田量對春小麥株高及產量構成的影響

圖6 秸稈還田量對春小麥產量和水分利用效率的影響

3 討 論

長期的秸稈還田可改善農田土壤水分環境，增強土壤水庫的擴蓄增容能力[19]。本研究結果表明，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，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，本研究還發現，SRM、SRH和SRL處理拔節到灌漿期的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，說明此階段較多的降水超過了作物生長所需要消耗的水分，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。

小麥玉米秸稈連續全量還田可增加小麥群體干物質積累量、穗粒數、穗數和千粒重，同時也提高葉片光合性能及群體的光合生產效率，進而顯著提高小麥籽粒產量[27]。本研究結果表明，SRM、SRH和SRL處理降低了春小麥拔節到成熟期冠層溫度，顯著提高整個生育期SPAD值、葉面積指數和生物量。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、千粒重和穗數都較CK有所提高，但穗粒數的增加幅度大于千粒重和穗數，且SRM較SRH和SRL處理的增加幅度更大。SRM處理的產量和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，這可能與作物生長產生氮素競爭[22-23]。因此，秸稈還田一定要適當增加施氮量，保證作物生長的氮素需求，實現土壤有機碳含量增加和作物生長的協調，達到通過秸稈還田提高土壤有機質含量、提升耕地質量并增產的目的[22-23]。本研究中，高量秸稈還田處理的產量和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，使水分養分的生產潛力沒有充分發揮，還是中量秸稈還田已經達到了甘肅中東部半干旱旱作區全膜覆土穴播模式的閾值，還有待進一步研究。

4 結 論

在甘肅中東部半干旱旱作區，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，促進春小麥拔節至灌漿期耗水，降低拔節至成熟期冠層溫度，提高春小麥葉片SPAD值、葉面積指數和生物量，實現增產和水分高效利用，以秸稈還田量3 000 kg·hm-2效果最佳。