秸稈粉碎覆蓋溝播對旱地冬小麥產量及土壤水熱特征的影響

張 蓉，董祿信，孫長紅，路 平，許 靜

（甘肅省定西市通渭縣農業技術推廣中心，甘肅定西743300）

土壤水分含量是影響農作物生長和產量形成的主要因素之一，我國西北部半干旱雨養農業區氣候干燥，降雨稀少且分布不均，土壤無效蒸發強烈，致使該區農業生產用水匱乏，嚴重限制該區的農業生產[1]。如何在農業生產中抗旱保墑，降低土壤無效蒸發，提高農業生產力是該區農業生產的重中之重。

我國具有較為豐富的秸稈資源，當前大量焚燒秸稈已造成了嚴重的生態污染，且大大降低了土地肥力[2]。因此，在西北半干旱雨養農業區進行秸稈覆蓋種植對該區農業生產具有重要意義。研究發現[3-5]，秸稈覆蓋能提高土壤孔隙度和通透性，能有效調節植物對水分的需要，為作物高產提供了有利的水分環境。秸稈覆蓋地表后能改善農田小氣候，進而影響作物生長環境，抑制了無效蒸發，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進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%，小麥產量可提高12.4%～29.6%。楊長剛等[13]也認為，秸稈覆蓋能明顯抑制土壤無效蒸發，促進冬小麥生長，產量能較露地對照提高19.3%～51.8%。范穎丹等[14]研究發現，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用地膜覆蓋和露地栽培，冬小麥籽粒產量較露地增產5%～16.7%。目前，國內外對于秸稈覆蓋的研究多集中于傳統全地面覆蓋或整稈覆蓋，而針對粉碎秸稈覆蓋栽培的研究比較少，粉碎秸稈覆蓋相比傳統的整秸稈覆蓋，能大大減少秸稈在地表的腐熟時間，可有效提高秸稈還田的利用效率。此外，在西北半干旱區，盡管聚乙烯農用地膜覆蓋種植冬小麥提高產量效果明顯，但聚乙烯農用地膜覆蓋栽培技術的連年推廣應用所帶來的白色污染，對旱作農業的可持續性發展帶來嚴重挑戰[15,16]。為此，本試驗擬研究秸稈粉碎壟狀覆蓋集雨保墑技術對冬小麥產量的影響，以期尋求新的冬小麥綠色可持續栽培模式，為隴中雨養農業區冬小麥的生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2019年9月-2020年7月在甘肅省定西市通渭縣碧玉鎮石灘村進行，該地處黃土高原丘陵溝壑區，屬隴中干旱半干旱雨養農業區，無灌溉條件，海拔1 860 m，年均氣溫7.5 ℃，無霜期130～150 d，日照時數2 100～2 430 h，多年平均年降水量390 mm，蒸發量1 700 mm，冬小麥生育期內降雨量285.5 mm。土壤質地為旱川地黃綿土，土壤有機質含量為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。冬小麥全生育期內降雨及大氣溫度如圖1所示。

1.2 試驗設計及方法

1.2.1 試驗設計

采取不同覆蓋模式單因素隨機區組設計，設兩個秸稈覆蓋處理，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)，以傳統露地條播為對照（CK），共3個處理，每個處理3 次重復，小區面積3.4 m×8 m=27.2 m2，供試冬小麥品種為隴中7號，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 的細碎秸稈，然后按小區折算出每個壟面覆蓋的秸稈量1.63 kg，將粉碎秸稈均勻撒在每個壟面上，再在秸稈上撒上一定量的細土（厚度1 cm、覆蓋度達到1/3 左右），以防大風侵蝕，溝內用播種機播種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在溝內寬幅勻播。寬幅勻播技術是將小麥單行播幅由傳統的3～5 cm 加寬到9～12 cm，行距由傳統的15～18 cm 增加到20～22 cm，種子均勻分散，加大了單株生長空間，減小了株間相互競爭養分，分蘗成穗率大幅度提高，提高穗粒重量，增強抗倒能力。

（3）露地條播（CK）：采用人畜力三行播種機播種。3 個處理播種量均為225 kg/hm2。施肥水平各處理相同，N150 kg/hm2、P2O584 kg/hm2，肥料為過磷酸鈣、磷酸二胺和尿素，全部過磷酸鈣和磷酸二銨及2/3 氮肥按小區稱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 氮肥結合降雨在拔節期追施。

1.3 測定項目及測產

1.3.1 土壤水分測定

在小麥生長的各生育時期[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）、拔節期（2020年4月15日）、孕穗期（2020年5月20日）、揚花期（2020年6月1日）、灌漿期（2020年6月20日）、成熟期（2020年7月7日）]各小區分0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～150、150～180、180～200 ㎝共9 個土層分別于小麥種植行間取土樣，用烘干法測定土壤含水量。

土壤含水量（%）=（土壤鮮質量－土壤干質量）/土壤干質量×100%。

各生育時期0～200 cm 土壤平均含水量為每一個生育時期各個土層土壤含水量的算術平均值；各土層全生育期土壤平均含水量為每一個土層各個時期土壤含水量的算術平均值。

1.3.2 土壤溫度的測定

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

各生育時期0～200 cm 土壤平均溫度為每一個生育時期各個土層土壤溫度的算術平均值；各土層全生育期土壤平均溫度為每一個土層各個時期土壤溫度的算術平均值。

1.3.3 光合特性測定

測定項目為：凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、和蒸騰速率（Tr）。測定時期：從開花時開始，每次測定在紅藍外加光源下選取晴天無風的9∶00-11∶00進行。采用CO2濃度為365μmol CO2/mol 左右的開放式氣路，觀測儀器為LI-6400XT（美國LI-COR 公司生產）便攜式光合作用測定儀。每個處理選取生長一致的旗葉3 片，每片各測3 個數據，取3 片旗葉所測得的9 個數據的平均值為各處理的平均凈光合速率（Pn）、氣孔導度（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定

用葉綠素計（日本生產的Mini 型）測定葉綠素含量，葉綠素含量以SPAD 值表示。從小麥開花期開始，每隔7 d 分別在各處理小區中隨機選取10 片小麥旗葉測定葉綠素含量，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 產量測定

小麥成熟前1 周，每小區選3 點測定單位面積穗數；成熟后按小區收獲，脫粒后曬干稱重，計算產量，籽粒含水量約為12.5%。各小區隨機取20 株室內考種，按國標方法測定穗粒數、千粒重。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2003 和SPSS 20.0 軟件處理和分析數據，用LSD法進行多重比較。用Microsoft Excel 2003作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤水分的影響

由圖2 可見，3 個處理對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%）。具體來看，在各生育時期中[見圖2(a)]，隨著生育期的推進，各處理土壤含水量呈先降后升再降的趨勢。與CK 相比，SM1 和SM2處理在越冬期、返青期、拔節期、孕穗期、開花期、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～開花期SM1 和SM2 處理間土壤水分均無顯著差異，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%，中層土壤兩處理無顯著差異。可見，秸稈粉碎覆蓋微壟溝播技術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的保墑效果好于微壟溝播。

2.2 不同處理對土壤溫度的影響

由圖3 可見，各處理對冬小麥全生育期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%。具體來看，在各時期中[見圖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處理在拔節期的溫度降幅最大（8.9%），而SM2處理則在開花期最大（11.1%）。兩覆蓋處理間，各生育時期土壤溫度均無明顯差異，但SM2 處理在開花期和灌漿期的土壤溫度均低于SM1 處理。各土層中[見圖3(b)]，土壤溫度隨著土層的加深均呈現降低的趨勢，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明顯差異。可見，秸稈粉碎覆蓋處理能明顯起到調節土壤溫度的作用，在越冬期～返青期的增溫作用和拔節后的降溫作用能有效減緩溫度劇烈變化對小麥根系的傷害，有利于小麥的生長發育。

2.3 不同處理對旗葉葉綠素的影響

由表1可見，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%。可見，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行，從而促進營養物質向籽粒運輸，提高小麥產量。

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

2.4 不同處理對光合速率的影響

由表2 可見，隨著生育期的推進，冬小麥的凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度及蒸騰速率均呈現先增后降的趨勢。覆蓋處理在各時期均能較露地種植改善冬小麥的光合作用。具體來看，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，碎稈覆蓋處理能延緩植株生長，提高植株的凈光合效率，延長了光合時間，增加了光合同化物，進而有利于冬小麥產量的形成。

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 不同處理對產量的影響

由表3 可見，覆蓋處理均能顯著較CK 提高冬小麥產量12.3%，以SM2 的增產幅度最大。具體來看，SM1 和SM2 處理分別較CK 提高了冬小麥產量8.9%和15.7%。兩個覆蓋處理之間，SM2處理顯著較SM1處理提高了6.2%。

表3 不同處理對冬小麥產量的影響Tab.3 Effects of different treatments on winter wheat yield

從產量構成來看，碎稈覆蓋均能顯著較CK 提高單位面積穗數、穗粒數和千粒重，SM1 處理的單位面積穗數、穗粒數和千粒重顯著較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、穗粒數和千粒重的提高是碎稈覆蓋處理提高冬小麥產量的重要原因之一。

3 討論和結論

隴中地區是全國旱作小麥生產的重要區域之一，全膜覆土穴播栽培技術的廣泛應用，為隴中地區冬小麥的高產穩產、糧食增產增收做出了突出貢獻，是當前雨養農業區農業生產中密植作物中最可靠的增產技術[17]。但是，隨著聚乙烯農用地膜的連年使用，廢舊農用地膜帶來的污染問題也日益嚴重[15,16]。劉艷霞等[18]研究表明，聚乙烯農用地膜種植技術的應用在增加農作物產量同時，也逐漸增加了廢舊地膜殘留在土壤中不斷累積，土壤結構遭到了破壞，阻礙了水分和肥料在土壤中的交換和輸導，進而影響了農作物的健康生長和產量的有效形成。因此，探索一種以高產、增收增效、綠色可持續發展的栽培技術在旱農區顯得尤為重要。大量研究發現[3,19-24]，秸稈覆蓋栽培能改善農作物生長小環境，有效抑制土壤水分無效蒸發，促進農作物對土壤水分利用效率，從而增加作物產量。在冬小麥上，已有諸多學者證實[25-28]，秸稈覆蓋種植冬小麥，有利于冬小麥穗粒數和千粒重的提高，能提高冬小麥的產量。楊長剛等[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和千粒重，從而顯著提高了冬小麥產量。本研究也得到了相似結論，碎稈覆蓋種植明顯較露地條播提高了冬小麥的產量，且SM2 處理的增產幅度大于SM1。增產的關鍵在于秸稈粉碎覆蓋后對穗粒數和千粒重的改變，而寬幅播種后使得麥種分散均勻，實現了光、熱、水、肥的平衡協調，更有利于分蘗及粒重的增加，進而提升了產量。也有研究證實[26,29-32]，秸稈覆蓋后具有顯著的蓄水保墑，調節地溫的作用，能促進冬小麥的生長及產量的形成。本研究中，玉米秸稈粉碎覆蓋栽培處理的增墑調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過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節，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冬小麥根系的危害，有利于冬小麥高產的形成。因此，秸稈粉碎覆蓋微壟溝播技術是一項適宜于西北部半干雨養農業區冬小麥生產的綠色可持續栽培模式。