秸稈帶狀覆蓋對旱地冬小麥土壤溫度及產量的影響

張 乾,趙德明,朱有虎,李亞珍,馬菊花,馬建濤,常 磊,楊 永,胡亮亮,王龍龍,張鈺澤,黃彩霞

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院,甘肅蘭州730070; 2.甘肅省工程咨詢中心有限公司,甘肅蘭州 730070;3.寧夏廣源和順水利咨詢有限公司,寧夏銀川 750000; 4.甘肅農業大學農學院,甘肅蘭州 730070)

黃土高原是我國典型的半干旱區之一,占我國6.54%的土地面積,但由于年降雨量少,且60%～70%降水集中在全年的7-9月份,加之早春低溫和伏旱高溫的影響,嚴重限制該區農業生產[1]。覆蓋栽培是旱作農業區提高農業產量的重要措施,但隨著全球氣候變化及生態環境問題的突出,地膜覆蓋在提高作物產量及水分利用效率的同時也出現了一些負面效應,如長期地膜覆蓋會造成殘留地膜累積,不僅會帶來嚴重的面源污染,也會引起土壤水分滲透性降低、有機碳加速分解、土壤肥力下降等問題[2-3]。

秸稈覆蓋具有減少土壤水分蒸發、提高土壤水分儲量、作物產量和水分利用效率的效應,也是干旱半干旱地區廣泛推廣的栽培技術[4]。研究表明,秸稈覆蓋在氣溫較低的冬季具有增溫效應,在氣溫回升的春季卻具有降溫效應[5];對涼季生長的作物而言,秸稈覆蓋引起的溫度效應對作物生長發育的影響大于秸稈覆蓋的保墑效應,會導致作物減產[6]。冬小麥作為甘肅省最重要的糧食作物之一,采用傳統的秸稈覆蓋,在返青期因降低土壤溫度而導致出苗率較低,限制其產量提升[7]。秸稈帶狀覆蓋是將一定規格的種植帶和覆蓋帶相間布置的新型秸稈覆蓋方式,能顯著提高小麥和馬鈴薯產量[8-9]。目前,關于帶狀覆蓋的增產研究主要集中于土壤濕度。土壤溫度是影響作物生長和產量重要因素[10],且受氣象條件、秸稈覆蓋量、土壤濕度等多種因素影響[11]。本研究擬探討不同覆蓋處理對土壤溫度、土壤積溫、小麥產量及其構成因素的影響,分析覆蓋條件下土壤溫度變化對冬小麥農藝性狀和生理性狀效應,為揭示秸稈帶狀覆蓋冬小麥增產機理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2020年9月—2021年7月在甘肅省通渭縣旱作循環農業試驗示范基地(35°11′N,105°19′E)進行,該區域土壤為黃綿土,海拔1 750 m,年均氣溫7.2 ℃,多年平均降水量390.7 mm,無霜期120～170 d,年蒸發量>1 500 mm,屬典型的半干旱雨養農區。該冬小麥生育期總降水量251.6 mm,其中有效降水為168.5 mm,占總降水的67%,具體見圖1。

圖1 冬小麥全生育期降水和氣溫分布

1.2 試驗設計

試驗共設5個處理,分別為秸稈帶狀覆蓋4行(SM1)、秸稈帶狀覆蓋5行(SM2)、黑膜覆蓋(PM1)、白膜覆蓋(PM2)和露地種植(CK),每個處理3次重復,隨機區組排列,小區面積180 m2。SM1和SM2處理種植帶分別為50和70 cm,種植小麥行數分別為4行和5行,行距均為17 cm;覆蓋帶與種植帶相間排列,寬度為50 cm,播種時預留覆蓋帶,于小麥3葉期將玉米整稈人工均勻放置于覆蓋帶,覆蓋帶與種植帶兩邊各保留2～5 cm,以防秸稈壓苗,兩種處理秸稈覆蓋量相同,約為9 000 kg·hm-2。PM1和PM2為全地面黑膜覆蓋和全地面白膜覆蓋,地膜幅寬、厚度均分別為120 cm、0.01 mm,覆膜后穴播,穴距均為20 cm。

供試品種為越冬性、抗病性、抗倒伏性較強的康莊974。于2020年9月中旬播種,次年7月上旬收獲。播種量均為225 kg·hm-2。播前將土地旋耕平整,一次性施入純氮120 kg·hm-2、P2O5kg·hm-2作為基肥,生育期內不灌水、不追肥。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤溫度測定

地溫采用直角地溫計測定,5支一組埋入各小區覆蓋帶和種植帶,分別于越冬期、返青期、拔節期、開花期、灌漿期和成熟期均選擇干燥的晴天于7:00、14:00和19:00在固定地點分別測定5、10、15、20和25 cm處的地溫,日均溫取早、中、晚3次測定均值。按下式計算土壤有效積溫(AT,℃)[12]：

AT=∑(Tm-Tb)

式中,Tm為日平均土壤溫度(℃);Tb為冬小麥基礎有效溫度,為5 ℃。當Tm

1.3.2 產量及其三要素測定

小麥收獲前1周,每小區選3個1 m2樣點測定穗數;隨機取20株進行室內考種,參照國標方法(GB 5519-2008)測定穗粒數、千粒重。成熟后按小區收獲,脫粒后曬干稱重,計算產量。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2016繪制圖表,利用SPSS 22.0進行統計分析,采用LSD和Duncan法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 冬小麥全生育期土壤溫度變化

由圖2可知,秸稈帶狀覆蓋下冬小麥全生育期0～25 cm土層平均溫度顯著低于CK和地膜覆蓋處理,SM1與SM2差異不顯著,二者較CK分別降低1.3和1.2 ℃;PM1、PM2處理較CK地溫分別增加0.7和0.6 ℃,3者間差異不顯著。

圖柱上不同字母表示處理間差異在0.05水平顯著。圖7同。

2.2 冬小麥各生育時期土壤平均溫度差異

由圖3可以看出,0～25 cm土層平均土壤溫度隨著小麥生育期推移呈遞增趨勢。覆蓋對不同生育時期土壤平均溫度效應不盡相同。與CK相比,秸稈帶狀覆蓋平均溫度在返青期、開花期和灌漿期均顯著降低(1.4～2.0 ℃),其余生育時期降溫不顯著,SM1處理的降溫效應高于SM2處理;地膜覆蓋平均溫度在越冬期和收獲期顯著增加(0.4～2.4 ℃),在灌漿期表現為不顯著降溫,就整個生育時期而言,PM1處理的增溫效應高于PM2處理,而PM2處理的降溫效應比PM1處理持續時間更長。處理間差異以返青期最大(CV=0.23%),以孕穗期差異最小(CV=0.04%)。

WT:越冬期;RV:返青期;JT:拔節期;BT:孕穗期;FL:開花期;GF:灌漿期;MT:成熟期。相同生育時期圖柱上不同字母表示處理間差異在0.05水平顯著。

2.3 冬小麥全生育期不同土層土壤平均溫度差異

由圖4可知,與CK相比,在冬小麥全生育期,秸稈帶狀覆蓋處理各土層土壤溫度均表現為降低,而地膜覆蓋總體上表現為增溫效應。秸稈帶狀覆蓋對上層土壤(0～10 cm)的降溫幅度大于下層土壤(15～25 cm),SM1和SM2處理在0～10 cm土層平均溫度較CK顯著降低,分別降低1.9和2.0 ℃,在較深土層降溫不顯著;地膜覆蓋與CK相比,在5 cm土層表現為不顯著降溫,在10～25 cm土層表現為增溫效應,其中PM1處理在15 cm土層顯著增加(1.4 ℃)。

相同土層圖柱上不同字母表示處理間差異在0.05水平顯著。圖5和6同。

2.4 冬小麥各生育時期不同土層土壤溫度差異

由圖5可見,與CK相比,秸稈覆蓋和地膜覆蓋均具有降溫和增溫的雙重效應。秸稈帶狀覆蓋處理除在氣溫較低的越冬期深土層表現為增溫效應外,其余生育時期各土層均表現為降溫效應,在越冬期25 cm土層土壤溫度顯著增加(0.5 ℃),在返青期5 cm土層顯著降低(4.2 ℃),SM1處理增、降溫幅度均高于SM2處理。

圖5 各生育時期不同土層土壤溫度

與CK相比,地膜覆蓋的降溫主要體現在越冬期20 cm土層、返青期至灌漿期5 cm土層、開花期10和25 cm土層、灌漿期20和25 cm土層,其中以灌漿期5 cm土層降幅最大,顯著降低1.8 ℃,以越冬期20 cm土層降幅最小,PM1處理降溫幅度高于PM2處理;地膜覆蓋其余生育期各土層均表現為增溫效應,以成熟期15 cm土層增幅最大,顯著增加3.0 ℃,以灌漿期10 cm土層增幅最小,PM1處理的增幅高于PM2處理。由此可見地膜覆蓋的增溫效應大于秸稈覆蓋,而降溫效應的表現則相反。

2.5 冬小麥全生育期不同土層土壤溫度日變化

與CK比較,秸稈帶狀覆蓋在三個測定時間均表現為降溫效應,而地膜覆蓋表現為降溫、增溫的雙重效應(圖6)。秸稈覆蓋處理降溫幅度均以14:00最大,平均地溫顯著降低(2.4 ℃);7:00時降溫幅度最小,SM1、SM2處理日平均降溫較CK不顯著。與CK相比,地膜覆蓋表層土壤在14:00表現降溫效應,7:00和19:00各土層均表現增溫效應,PM1、PM2處理在19:00顯著增加(1.2和0.9 ℃),PM1、PM2日平均增溫不顯著。

圖6 全生育期不同土層溫度日變化

2.6 冬小麥各生育階段有效積溫差異

與CK相比,覆蓋能降低冬小麥全生育期土壤積溫,SM1、SM2處理顯著降溫(129.8和99.7 ℃),地膜覆蓋降溫不顯著,SM1與SM2處理差異不顯著(表1)。秸稈帶狀覆蓋延長冬小麥全生育期10 d,有利于冬小麥的生長和籽粒的灌漿,而地膜覆蓋則出現早衰現象,將全生育期提前13 d。

表1 各生育階段土壤有效積溫

不同處理全生育期土壤積溫變異系數表現為CK(48%)>PM2(38%)>PM1(37%)>SM1(36%)>SM2(32%)。由此可見,秸稈覆蓋不同生育階段土壤溫度波動較地膜覆蓋平緩,更有利于冬小麥生長發育。

2.7 不同覆蓋方式對冬小麥產量及其構成要素的影響

覆蓋能顯著增加冬小麥產量(SM1處理除外)(圖7),秸稈帶狀覆蓋較CK平均增產9.6%,SM2處理較SM1處理增產顯著。地膜覆蓋較CK平均增產20.8%,增產顯著;PM1處理較PM2處理增產222.12 kg·hm-2,二者差異顯著。

圖7 冬小麥產量及其構成要素

從產量構成要素來看,與CK相比,秸稈帶狀覆蓋的穗數增加32.3%,地膜覆蓋的增加42.1%,差異均顯著,SM2處理的穗數高于SM1處理,PM1處理的穗數高于PM2處理;秸稈帶狀覆蓋穗粒數與CK差異不顯著,地膜覆蓋較CK顯著增加(13.2%),PM2處理高于PM1處理。不同處理間千粒重無顯著差異。相關分析表明,籽粒產量與穗數(r=0.821**)呈極顯著正相關,穗粒數、千粒重與產量相關不顯著,可見穗數是引起產量差異的主要因素。

2.8 有效積溫、土壤溫度與產量的相關關系

由表2可知,產量與各生育時期0～25 cm土層土壤溫度均呈正相關,與BT-FL、FL-GF、GF-MT土壤有效積溫呈負相關,與其余階段有效積溫均呈正相關。產量三要素中,穗粒數與各生育期土壤溫度呈顯著或極顯著正相關,千粒重與各時期地溫均呈負相關,而穗數除了與FL、GF土壤溫度呈負相關外,與其余各個時期土壤溫度均呈正相關;穗數與WT-RV、RV-JT土壤有效積溫呈正相關,與其余階段有效積溫呈負相關,其中與BT-FL、FL-GF有效積溫呈顯著負相關;千粒重與各階段土壤有效積溫相關性不顯著;穗粒數與WT-RV、RV-JT有效積溫呈極顯著正相關,與FL-GF、GF-MT呈極顯著負相關,與其余階段相關性不顯著。

表2 不同生育期土壤溫度、階段有效積溫與冬小麥產量及其三要素的相關性

3 討論

覆蓋對冬小麥生育期間土壤溫度有一定調節作用。前人研究表明,秸稈覆蓋栽培模式對0～25 cm土層有降溫效應,其效應與種植帶和覆蓋帶寬度有關[13],這與本研究結果一致,與CK相比,秸稈帶狀4行(SM1)使0～25 cm土層土壤溫度降低1.4 ℃,秸稈帶狀5行(SM2)較CK降低1.2 ℃。不同顏色的地膜對地溫的影響不同,白色透明地膜擁有良好的透光率,提高土壤溫度更多[14]。在本次研究中,受氣候、地理環境等因素的影響,白色地膜表層被一層1 cm厚的土層覆蓋,其透光率降低,因此,與黑色地膜對地溫的效應無顯著差異。研究表明,覆蓋措施對土壤溫度具有雙重效應,冬小麥在拔節前階段表現為增溫效應,拔節以后表現降溫效應[15];馬鈴薯前期覆膜較無覆蓋土壤溫度提高2.25～3.41 ℃,秸稈覆蓋較無覆蓋降低了土壤溫度,隨著生育期的推進,覆蓋處理與無覆蓋處理的土壤溫度基本趨于一致[16]。研究發現,覆蓋處理在灌漿階段的溫度效應受氣候和降水影響,地膜覆蓋在小麥生育前期表現為增溫效應,而秸稈覆蓋則相反;在生育后期,氣溫較高,覆蓋處理土壤表層溫度降低,灌漿階段的表層土壤溫度主要受冠層覆蓋密度和葉面積指數控制,使土壤溫度降低[17-18],這與本研究結果類似。本研究發現,返青以后,秸稈覆蓋降低較深土層土壤溫度,而地膜覆蓋對深層土壤溫度保持增溫效應,這與靳樂樂等[19]研究結果一致。

隨著土層的加深,覆蓋導致地溫波動幅度減小[20]。本試驗中,與CK相比,秸稈覆蓋的土壤日最高溫降低4.9 ℃,地膜覆蓋降低0.3～1.3 ℃。覆蓋充當隔離層降低土壤接受陽光輻射,而未覆蓋的土壤溫度則因為陽光直射日變化更大[21]。本研究發現,日溫度最高時,覆蓋可降低表層土壤溫度;土壤溫度受地膜顏色影響;秸稈覆蓋對土壤溫度的影響到25 cm土層。這表明,氣溫最高時,秸稈覆蓋可更好地阻礙溫度的傳導。

大量研究表明,覆蓋引起的地溫變化是影響作物生長和產量形成的重要影響因子[22-23]。本研究表明,秸稈覆蓋和地膜覆蓋較CK均提高了小麥籽粒產量,SM1、SM2、PM1和PM2處理分別增產4.6%、14.6%、23.6%和18.5%,與同類型地區常磊等[24]的研究結果類似。地膜覆蓋的增產高于秸稈覆蓋,可能是由于地膜覆蓋比秸稈覆蓋對小麥生育前期增溫作用高,有利于小麥安全越冬。

4 結論

與露地種植相比,秸稈帶狀覆蓋在全生育期各個土層均表現為降溫效應,而地膜覆蓋表現為增溫降溫的雙重效應;秸稈帶狀覆蓋對表層土壤日最高溫度的降幅顯著高于地膜覆蓋。秸稈帶狀覆蓋顯著降低冬小麥全生育期土壤溫度和土壤有效積溫,薄膜覆蓋全生育期與CK無顯著差異。秸稈帶狀覆蓋延長了冬小麥生育期,最終提高產量;覆蓋顯著提高了單位面積穗數(與產量極顯著相關r=0.821**),是冬小麥增產的主要因素。秸稈帶狀覆蓋5行的溫度效應較覆蓋4行更有利于小麥產量的形成,可以作為西北半干旱地區冬小麥綠色高產栽培措施。