基于寬窄行種植模式下稻秸非均勻性覆蓋對土壤特性及小麥產量的影響

石 呂 薛亞光 魏亞鳳 楊美英 李 波 石曉旭 劉 建

(江蘇沿江地區農業科學研究所/南通市循環農業重點實驗室，江蘇 如皋 226541)

眾所周知，小麥寬幅精播可以塑造適宜冠層微環境，提高群體透光率、凈光合速率和水分利用效率，并能充分發揮邊行優勢，實現“低群體、壯個體”，同時還能提高分蘗成穗率，增加千粒重，提高產量[1-3]。生產試驗表明，行距對產量的影響效應大于播種量對產量的增產效應，擴大傳統行距并適當增加常規播種量可有效提高小麥單產與光輻射資源利用潛力[4]。可見，合理的種植苗帶寬度與行距配置有利于提高小麥群體分布均勻度，緩解群體與個體矛盾，是實現小麥高產的重要技術途徑[5]。前人針對常規條播行距調控[4,6]、寬窄行種植播幅設定[5]與帶間距變化[5,7-9]對小麥光輻射截獲利用率、冠層微環境特性、群體生長和產量影響等方面已做了大量研究，篩選出了不同情形下適宜的行距范圍以及播幅與行間距配置組合。研究發現，適當擴大播幅可以塑造高光效和抗倒伏群體[10]；擴大行距可改善麥田冠層透光率、穩定凈光合速率、延緩旗葉衰老、增強抗倒伏能力[4,11]，并能減輕多種病害[12-13]。寬窄行播種優于等行距[14]，過寬行播雖能提高邊際效應，但漏光嚴重，總生產能力不高；過窄行播通風透光差，葉片相互蔭蔽，光合能力下降，導致干物質積累減少，產量降低[15]，因此行距設定要合理。

秸稈覆蓋還田作為秸稈資源高效利用的一種保護性耕作技術，具有良好的抑蒸保水效應和“低溫時增溫、高溫時降溫”的雙重效應[16]。連續秸稈覆蓋可顯著降低土壤容重，提高土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量[17-19]。但在秸稈覆蓋還田過程中，由于種植地區[20]、不同年份氣候條件(主要是降雨量)[21]、還田年限[17]、還田時期[22]和還田量[18,22]等因素的影響，小麥產量的變化并不穩定。鑒于生產上秸稈全覆蓋還田造成的小麥減產實況[23-24]，有研究發現寬幅精播具有通過增加有效穗數來提高冬小麥產量的潛力，一定程度上可以彌補秸稈覆蓋所導致的產量損失效應[25]。因此，為了進一步提高補償效果，近年來，從小麥高產與秸稈進一步合理化還田角度考慮，小麥寬窄行種植結合秸稈帶狀覆蓋技術應運而生，有效解決了旱作栽培秸稈全覆蓋因積溫不足導致作物出苗不全和黃苗的問題[26]。目前對該技術的研究主要集中在土壤水熱條件、作物生長生理特性和產量等方面[27-28]。前人針對常規條播或寬幅精播方式下秸稈均勻覆蓋還田研究較多，秸稈行間帶覆也有相關報道，而寬窄行種植模式下稻秸非均勻性覆蓋還田研究尚鮮有涉及。因此，本試驗在前期不同行間距配置試驗篩選的基礎上，探討了30 cm+15 cm條帶耕作模式下稻秸非均勻性覆蓋還田對冬小麥土壤特性及產量影響的調控效應，以期為稻秸全量覆蓋還田小麥寬窄行種植技術的推廣應用提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

圖1 2017―2018年稻秸非均勻性覆蓋試驗田間布局圖

試驗于2016年12月至2018年6月在江蘇沿江地區農業科學研究所試驗田(32°07′N、120°37′E)進行。試驗地前茬為水稻，土壤類型為沙壤土，試驗田0～20 cm耕層土壤主要理化特性為：有機質18.23 g·kg-1， pH值6.31，容重1.19 g·cm-3，全氮1.18 g·kg-1，堿解氮101.03 mg·kg-1，速效磷11.35 mg·kg-1，速效鉀67.59 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗一：2016年12月至2017年6月，圍繞苗帶(15 cm)和不同空幅帶配置方式，設3個行間距不同的寬窄行組合，分別為B1(25 cm+15 cm)、B2(30 cm+15 cm)和B3(35 cm+15 cm)，以及與之相對應的3個等行距處理，行距分別為A1(20 cm)、A2(22.5 cm)和A3(25 cm)。水稻秸稈統一切割成8～12 cm，還田量為0.9×104kg·hm-2。等行距各處理在播種前秸稈均勻翻耕還田，寬窄行采用非均勻性耕作，僅15 cm窄行進行人工潔茬條播2行小麥，寬行則免耕覆蓋水稻秸稈。隨機區組設計，3次重復，小區面積5 m×6 m，各小區間留有20 cm過道。小麥供試品種為揚輻麥4號，購自如皋市遠發農技推廣服務部，播量為225 kg·hm-2，播種日期為12月2日。按高產要求進行肥水及病蟲害防控管理。純氮施用量為240 kg·hm-2，基肥∶分蘗肥∶拔節孕穗肥=5∶2∶3；磷肥(P2O5)施用量為90 kg·hm-2，鉀肥(K2O)施用量為120 kg·hm-2，磷、鉀肥均做基肥一次性施用。

試驗二：2017年11月至2018年6月，試驗采用30 cm+15 cm寬窄行種植模式，窄行(苗帶)人工潔茬免耕條播2行小麥，寬行(空幅帶)留茬免耕。并結合前茬水稻秸稈截斷(8～12 cm)還田作試驗處理，秸稈還田量為1.2×104kg·hm-2。稻秸覆蓋設5個處理，分別為T1(0)：窄行內無秸稈覆蓋(苗帶為0)，全量覆蓋在寬行內；T2(25%)：窄行秸稈覆蓋量為均勻覆蓋時窄行秸稈量的1/4；T3(50%)：窄行秸稈覆蓋量為均勻覆蓋時窄行秸稈量的1/2；T4(75%)：窄行秸稈覆蓋量為均勻覆蓋時窄行秸稈量的3/4；T5(100%)：寬窄行秸稈呈均勻覆蓋。隨機區組設計，3次重復，小區面積2.6 m×7.2 m，各小區間留有20 cm過道。小麥供試品種為揚麥25，購自如皋市遠發農技推廣服務部，播量為225 kg·hm-2，播種日期為11月27日。按高產要求進行肥水及病蟲害防控管理。純氮施用量為240 kg·hm-2，基肥∶分蘗肥∶拔節孕穗肥=4∶2∶4；磷肥(P2O5)施用量為90 kg·hm-2，鉀肥(K2O)施用量為120 kg·hm-2，磷、鉀肥均做基肥一次性施用。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤溫度 使用直角地溫計測定苗期至成熟期各小區5、10、15和20 cm共4個土層地溫。于播種后將地溫計埋入各小區窄行的2行小麥中間，各生育時期測定均選在干燥晴天早上6：00、中午13：00和傍晚17：00分3次測定，日均溫取3次平均值。

1.3.2 土壤含水率 采用土鉆取土烘干法測定苗期至成熟期0～5、5～10、10～15和15～20 cm共4個土層含水率，取樣點位于各小區窄行的2行小麥中間，不同土層含水率數據取3個土樣平均值。

1.3.3 土壤理化性狀及養分含量 于小麥開花期和成熟期，按5點法用土鉆采集各小區窄行0～20 cm耕層土樣。環刀法測定土壤容重和孔隙度；土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定；堿解氮含量采用1.0 mol·L-1NaOH堿解擴散法測定；速效磷含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用1.0 mol·L-1NH4OAc浸提—火焰光度法測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法測定[29]。

1.3.4 產量及其三要素 成熟期每小區調查3個0.25 m2的穗數，計算單位面積有效穗數；取樣20株，考察每穗粒數和千粒重，并測量含水率，換算成13.0%水分時的千粒重。每小區收割計實產。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2003進行數據整理，Sigmaplot 10.0繪圖，SPSS 19.0進行相關統計分析，并采用最小顯著差異法(least significant difference，LSD)在P<0.05水平上檢驗處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同行(間)距配置對小麥產量及其構成因素的影響

由表1可知，寬窄行(B)種植相比于對應等行距(A)種植降低了最高莖蘗數和有效穗數，但莖蘗成穗率、每穗粒數和千粒重總體有所提高，因而最終產量較高。這類效應在B2與A2之間尤為顯著，相比于A2，B2最高莖蘗數和有效穗數降幅分別為14.9%和4.5%，莖蘗成穗率增加了5.8個百分點，每穗粒數、千粒重和產量增幅分別為5.2%、3.8%和6.2%。等行距條件下，隨著行距加寬，產量及其構成因素(每穗粒數除外)呈A3>A2>A1的趨勢，且差異均不顯著；最高莖蘗數隨著行間距變寬顯著下降，莖蘗成穗率則與之相反。寬窄行條件下，產量表現為B2>B1>B3，主要得益于B2較高的每穗粒數和千粒重；同時隨著行間距變寬，最高莖蘗數和有效穗數逐漸下降，每穗粒數和千粒重先增后降，且均在B2達到最高，莖蘗成穗率則無明顯變化規律。由此可見，30 cm+15 cm行(間)距配置為本試驗條件下的優勢寬窄行組合，后續將以此行(間)距進行不同稻秸覆蓋比例試驗。

表1 不同行(間)距配置對小麥產量及其構成因素的影響

2.2 稻秸非均勻性覆蓋還田對小麥產量及其構成因素的影響

由表2可知，隨著苗帶稻秸覆蓋比例的不斷增加，有效穗數、每穗粒數、千粒重和實際產量均呈降低趨勢。其中各產量構成因素在稻秸覆蓋比例增加至T2水平時變化均不顯著；當苗帶稻秸覆蓋量增加至T3水平時，有效穗數、每穗粒數和實際產量顯著降低，千粒重降低不顯著；之后隨稻秸覆蓋量進一步增加，有效穗數和實際產量依次顯著降低，而每穗粒數和千粒重降幅較小。與T1相比，T2、T3、T4和T5的實際產量分別降低4.0%、17.9%、26.7%和31.7%；其中產量構成因素中以有效穗數降幅相對最大，千粒重降幅相對最小。綜上可知，苗帶稻秸覆蓋致使小麥減產主要歸因于有效穗數的顯著降低，其次是每穗粒數和千粒重的降低。

表2 稻秸非均勻性覆蓋還田對小麥產量及其構成因素的影響

2.3 稻秸非均勻性覆蓋還田對苗帶土壤理化性狀的影響

2.3.1 土壤溫度 由表3可知，苗帶稻秸覆蓋在小麥生育前期(苗期、越冬期)均表現為增溫效應，中期(返青期、拔節期、孕穗期)、后期(開花期、成熟期)氣溫逐步回升情況下表現為降溫效應，降溫效應總體上大于增溫效應。無論苗帶覆蓋與否，小麥生育前期土溫均隨土層加深呈增加趨勢，總體表現為20 cm>15 cm>10 cm>5 cm，中后期與前期趨勢相反，總體上不同土層間溫度差異主要體現在上層土壤。前期隨著苗帶稻秸覆蓋量的增加，增溫幅度越大，其中各處理不同土層均以5 cm土層增溫幅度最大，10 cm土層次之；同一土層不同處理間土壤溫度和增溫強弱特征均呈T5>T4>T3>T2>T1的趨勢，其中在苗期和越冬期，T5較T1最高增溫達1.5℃和0.9℃。中后期隨著苗帶稻秸覆蓋量的增加，降溫幅度變大，各處理不同土層同樣以5 cm土層降溫幅度最大(不同處理間土壤降溫強弱特征表現為T5>T4>T3>T2>T1)，而其余3層土溫均降低不明顯；在孕穗期降溫效應最強(T5比T1在5 cm處土溫低3.3℃)，開花期其次(T5比T1在5 cm處土溫低2.1℃)，至成熟期不同稻秸覆蓋處理間土溫變化已基本趨于穩定，無明顯差異。從不同處理在0～20 cm土層土壤垂直傳遞的平均土溫來看，整個生育期苗帶土溫先降后升，各處理在不同生育期以及不同土層間的土溫強弱差異趨勢基本保持一致。

表3 小麥不同生育期苗帶各土層溫度差異

2.3.2 土壤含水率 由表4可知，各處理土壤含水率均隨土層深度的加深逐漸降低，不同土層間含水率差異主要體現在上層，而10～15 cm和15～20 cm之間總體無顯著差異。與土壤溫度類似，生育前期均以0～5 cm和5～10 cm土層土壤含水率變化較明顯，中后期僅淺表層(0～5 cm)土層變化相對明顯。與T1相比，苗帶覆蓋不同量稻秸處理全生育期均顯示出較好的保墑性能，且稻秸覆蓋量越大，土壤含水率越高，其中返青拔節期差異最大，尤以拔節期最為顯著，T2、T3、T4和T5在0～5 cm土層含水率分別比T1高出1.2、1.9、2.8和3.4個百分點。可以看出，整個生育期苗帶不同稻秸覆蓋量的保水效果主要作用于表層土壤，且這種能力與稻秸覆蓋量呈一定正相關。

表4 小麥不同生育期苗帶各土層含水率差異

2.3.3 土壤容重和土壤孔隙度 由圖2可知，苗帶稻秸覆蓋量的增加一定程度上可以降低土壤容重，提高土壤孔隙度，這種增減效應與覆蓋量呈一定正比關系，且與生育時期無關。不同處理間增減效應強弱總體呈T5>T4>T3>T2的趨勢。各處理以T5的土壤容重最低，土壤孔隙度最高，在開花期和成熟期，T5的土壤容重分別比T1顯著降低0.14和0.11 g·cm-3，土壤孔隙度分別比T1顯著增加5.11和4.07個百分點。

注:不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.3.4 土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀 由圖3可知，兩個生育時期土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量均隨苗帶稻秸覆蓋量增加呈先升后降趨勢，并在T3達到峰值(除成熟期T5速效鉀含量最高，但與T3無顯著差異)，總體上表現出適量稻秸覆蓋更有利于增加土壤養分含量。在開花期和成熟期，與T1相比，T3有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量均顯著增加；T2養分含量雖總體略有增加，但差異均未達顯著水平(除開花期土壤速效磷含量顯著增加)。

圖3 開花期和成熟期不同處理間土壤養分含量的差異

3 討論

3.1 不同行(間)距配置下小麥產量及其構成因素的變化

小麥作為我國三大主糧之一，約占口糧消費總量的43%，提高其單產對于保障糧食安全具有重大意義[30]。行距對常規播種小麥產量的影響不僅與種植密度[31]和施氮量[32]緊密相關，還受不同生態類型區的影響。研究表明，在中國豫北高產麥區，行距為23或26 cm時群體與個體發育最佳，產量三因素協調發展，產量最高[33]。Chen等[6]在美國半干旱地區研究發現，硬質小麥在行距30 cm時的產量明顯低于15 cm時的產量。Lafond等[34]在加拿大進行常規耕作田間試驗表明，種植行距從10 cm增至30 cm，對小麥和大麥的穗數、每穗粒數、粒重及產量均未產生影響。可見，行距調控對小麥產量的影響在不同生態類型區表現不一。本研究發現，常規條播方式下，行距由20 cm增加至25 cm雖然對產量構成因素未產生明顯影響，卻顯著提高了莖蘗成穗率，減少了無效分蘗，從而使小麥產量有增加的趨勢。這與武蘭芳等[4]在黃淮海平原地區小麥生產區得出的研究結果類似。已有研究發現，寬幅播種行距的增大會導致群體葉面積指數和光截獲量降低，穗數和穗粒數減少，最終產量降低[7-8]。而本試驗寬窄行種植條件下，隨著行間距逐漸增加，成穗數減少，每穗粒數和千粒重增加，最終表現為B2(30 cm+15 cm)的產量最高。與殷復偉等[30]研究結果類似。可能因為相同播種量條件下，隨著行間距的擴大，行間漏光嚴重，單行內基本苗增加，影響了單株苗體素質的發展，而適當縮小行距，可改變植株在田間分布狀態，減緩個體與群體間矛盾，提高群體光能分布及利用性能[35-36]。因此，不同地區針對不同類型小麥品種需因地制宜根據種植方式篩選合適的苗帶與行間距配置范圍[2,9]。

表4(續)

同時，本研究中寬窄行小麥產量明顯高于等行距，與前人[37-38]研究結果一致。本試驗條件下，等行距種植采用的是稻秸翻耕還田，而寬窄行種植采用的是非均勻性耕作，寬行免耕覆蓋稻秸亦可保持土壤有效貯水量和植株體內含水量，有利于鄰近窄行小麥的穗分化和花器官的形成，通過提高植株蒸騰速率散失較多的水分，以獲取更多的光合產物[39]；其次，寬窄行種植田間通風透光條件好，可充分利用邊行優勢，發揮品種相關遺傳潛力，有助于后期的促大穗增粒重。

3.2 寬窄行種植模式下稻秸非均勻性覆蓋還田對小麥產量及其構成因素的影響

前人研究發現，秸稈覆蓋會導致小麥穗數和千粒重同時降低，穗粒數則無一致變化規律[20]，小麥產量增加[40]、減少[23]和不顯著變化[24]現象均會出現。本研究發現，隨著窄行稻秸覆蓋量的不斷增加，產量及其構成因素均呈下降趨勢，但稻秸覆蓋最少處理(T2)對產量及其構成因素并未產生明顯影響。秸稈覆蓋一定程度上會對冬小麥群體產生物理性障礙，降低成熟期莖蘗數[25]；覆蓋量偏高亦會導致返青時的“低溫效應”，推遲冬小麥生長發育，縮短灌漿時間，影響千粒重提高；同時秸稈覆蓋過多使得微生物活力降低，有機質礦化分解緩慢，小麥下部群體間通風透光不良[41-42]；另外，覆蓋處理的保墑效應增加了土壤含水量，致使后期小麥貪青徒長，消耗大量的營養物質，導致向籽粒分配的光合產物減少，同時由于本試驗中后期的高溫逼熟天氣，最終影響了冬小麥的產量[20,43]。

3.3 寬窄行種植模式下稻秸非均勻性覆蓋還田對土壤理化性狀的影響

秸稈還田主要通過自身分解釋放的化學物質和營養元素等直接作用于作物生長，或者通過間接調控作物生長的環境因子來影響作物的生長[44]。已有研究發現，秸稈覆蓋能夠降低地溫的日振幅，有效緩解地溫激變對作物根部產生的傷害[45]。本研究結果表明，秸稈覆蓋對小麥生育期0～20 cm土層土壤均表現為生育前期增溫和生育中后期降溫的雙重作用，土溫差異主要體現在5 cm土層，這與前人研究結果一致[46]，而這種“前增后降”效應隨窄行稻秸覆蓋量的增加有所加強。后期由于氣溫的逐步回升，葉面積不斷擴大封行，秸稈覆蓋效應逐漸減弱，不同處理間差異變小。此外，本研究中，稻秸覆蓋可有效增加土壤含水率，且與覆蓋量呈正比，其變化敏感層主要位于0～10 cm表層土體，這與眾多研究結果[16,46]基本一致，秸稈覆蓋可有效減少小麥不同生育階段的耗水量。同時，因生育前期地面蒸發為土壤水分散失的主要途徑，而高覆蓋量秸稈保水效果更佳[47]，導致不同處理間土壤含水率差異逐漸變大；到生育后期，小麥群體葉面積逐漸變大，土壤水分損失的主要途徑依靠蒸騰作用，且覆蓋量越大，小麥長勢越好，蒸騰量也相應越大[47]，使不同覆蓋量處理間差異漸趨變小。而本試驗條件下，并不是窄行稻秸覆蓋量越多，小麥產量越高。因此，需進一步研究在維持小麥產量不變或增高的前提下，窄行適宜的稻秸覆蓋量。

大量研究表明，秸稈覆蓋可降低土壤容重，增加土壤總孔隙度，促進土壤團粒結構形成；提高土壤有機質、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量[17,45,48]。且這種效應隨秸稈覆蓋量的增加而逐漸加強[49]。本研究結果與前人研究基本一致，且各養分含量總體均在T3(50%)達最大值，說明適量稻秸覆蓋更有助于培肥地力，過多或過少均不利于土壤養分的積累。秸稈覆蓋過少造成土壤有機質和養分的釋放量變少；過多則會導致“土壤—大氣”間環境物質流動交換不順暢，易造成土壤缺氧，使土壤處于持續高溫狀態，導致土壤微生物數量和酶活性降低，進而抑制其對秸稈的分解，限制土壤養分的循環與釋放，反而不利于創造良好的土壤肥力狀態[49-50]。本試驗重點針對窄行(苗帶)土壤特性進行了相關分析，而寬行(空幅帶)土壤相關性狀如何變化以及其與窄行之間是否存在互作關系并作用于小麥生長，仍有待從空間和時間層面上作進一步的研究。

綜上，小麥寬窄行種植條帶耕作模式是對現有播種和耕作方式的重大革新，生產可操作性強，增產效果顯著，可作為一種新型栽培技術并結合配套機械推廣應用。但其適宜播幅及行間距應結合當地生態條件、生產水平、耕作制度、品種特性及管理措施等綜合確定。并在稻秸全(大)量還田和晚播情形下，合理配比寬窄行秸稈覆蓋量，通過適當增加小麥播種量，保證足夠基本苗，達到穩產肥地的協同效應。

4 結論

相比于等行距種植，寬窄行種植產量的增加主要得益于穗粒數、千粒重和莖蘗成穗率的提高，本試驗中30 cm+15 cm表現為優勢寬窄行組合。寬窄行稻秸非均勻性覆蓋試驗表明，秸稈覆蓋對小麥全生育期土溫表現為前期增溫和中后期降溫的雙重效應，隨著窄行稻秸覆蓋量的增加，土壤增溫和降溫幅度變大，土壤保墑性能逐漸變強，土壤容重降低，土壤孔隙度提高，土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量先升后降；產量及其構成因素均呈降低趨勢，其中尤以有效穗數和產量降低顯著。