不同覆蓋方式對旱地春小麥土壤水熱及生長的影響

王文杰,馬建濤,柴雨葳,吳炳權,常 磊,柴守璽,程宏波

(1.甘肅農業大學生命科學技術學院,甘肅蘭州 730070; 2.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室/甘肅農業大學農學院,甘肅蘭州 730070)

西北黃土高原旱作雨養農區是我國重要的小麥生產區之一,其中陜西、甘肅、新疆等寒旱山區是旱地春小麥集中分布區。該區寒旱共存,降水少且土壤蒸發強烈,降水多集中于6-9月,與小麥需水期錯位,并且常有春寒發生,嚴重限制了小麥的高產穩產[1-4]。因此,探尋高效綠色的栽培技術對該地區小麥生產具有重要意義。

覆蓋栽培是西北旱作區春小麥一項重要增產技術。研究表明,地膜覆蓋和秸稈覆蓋均具有明顯的調溫、抑蒸及保墑作用[4],特別在寒旱區,地膜覆蓋已在小麥[5-7]、玉米[8-9]、馬鈴薯[10-12]等作物上廣泛應用。地膜覆蓋能改善作物土壤水熱環境[10,13-16],促進作物生長,增加作物株高[9,17]、干物質量[18-20]等農藝指標,可使小麥、馬鈴薯等作物增產28.3%以上。小麥地膜覆蓋雖增產效果顯著,但在小麥生育后期,地膜覆蓋存在脫水現象,會加速了植株衰老,不利于籽粒灌漿,有減產或不增產風險。同時,地膜的大量使用也會造成土壤礦化加快及農田生態環境污染[21-22],不符合現代綠色農業發展的要求。

近年來,秸稈覆蓋因其具有較好的蓄水保墑和增產作用而廣受關注。在旱作區,秸稈覆蓋能明顯增加農田土壤水分[23-26],且降低了土壤溫度2.5～5.3 ℃[15,27-28]。在小麥生產上,秸稈覆蓋的抑蒸保墑作用能明顯促進植株生長,改善葉片光合性能,進而促進干物質積累,并且秸稈覆蓋的降溫作用可延長籽粒灌漿持續期[29],使小麥增產17%～40%[24,30-32]。但秸稈覆蓋的增產效果也因作物種類、氣候及覆蓋方式的不同而表現不一。常見的秸稈全地面覆蓋雖能保墑蓄水,但其過度的降溫作用不利于小麥前期生長和形成壯苗,進而有減產風險[20]。為了解決傳統秸稈全覆蓋保墑與降溫過度的矛盾,本研究團隊提出了秸稈局部帶狀覆蓋的田間栽培模式,在前期冬小麥的研究中,已基本明確了其具有明顯的蓄水保水作用,并有效調節了土壤溫度,使冬小麥產量明顯增加。但該技術在旱地春小麥生產中應用效果如何,需進一步進行研究。本試驗以西北旱作雨養農業春小麥分布區的生態生產條件為背景,采取不同的覆蓋栽培方式,比較研究不同覆蓋處理對旱地春小麥土壤水熱、干物質和產量等重要指標的影響,以期為選擇適合西北寒旱區春小麥覆蓋種植技術提供依據,推動旱地春小麥高產生產更好發展。

1 材料與方法

1.1 試區概況

試驗于2021年3-7月在甘肅省定西市通渭縣甘肅農業大學旱作循環農業試驗基地進行。該地區屬于典型的西北黃土高原雨養農業區,為半濕潤半干旱季風性氣候,農業生產無灌溉條件,作物一年一熟;平均海拔1 750 m,年無霜期120～170 d,年均溫7.2 ℃,年蒸發量大于1 500 mm,多年平均降水量為390.7 mm,且主要集中在6-9月份。試驗地土壤質地為黃綿土,0～20 cm土壤容重為1.25 g·cm-3。試驗年度春小麥生育期(2021年3月15日-7月23日)氣候狀況見表1,其中春小麥生育期內多年平均降水量為239.3 mm,而本試驗年春小麥生育期內降水量為220.8 mm,較常年平均降水低7.7%,屬于平水年。

表1 2021年春小麥生育期氣候狀況Table1 Climatic conditions during growth period of spring wheat in 2021

1.2 試驗設計

試驗采用單因素完全隨機區組設計,設置玉米秸稈帶狀覆蓋、黑膜全覆蓋和白膜全覆蓋3個覆蓋處理,以露地無覆蓋為對照,各處理3次重復,小區面積為180 m2(30 m×6 m),試驗材料為春小麥品種西旱3號。

玉米秸稈帶狀覆蓋(SM):田間分為玉米秸稈覆蓋帶和春小麥種植帶,種植帶寬70 cm,小麥播種5行,覆蓋帶寬50 cm,兩帶相間排列,覆蓋度約為42%。于春小麥播前覆蓋,將玉米秸稈整稈按設計放置在預留覆蓋帶上,覆蓋量均為風干秸稈9 000 kg·hm-2。黑膜全覆蓋(HM):采用黑膜覆土穴播模式,采用幅寬120 cm、厚度0.01 mm的高強度地膜進行平作覆膜,行距20 cm,膜上覆土1 cm,穴距12 cm,覆膜時間為2021年3月10日。白膜全覆蓋(BM):采用白膜覆土穴播模式,其余同黑膜全覆蓋。露地條播(CK):露地平作條播小麥,無覆蓋,行距17 cm。

各小區基施純氮120 kg·hm-2和P2O590 kg·hm-2。春小麥于2021年3月15日播種,各處理播種量均為225 kg·hm-2,7月23日收獲。開花后7 d用吡蟲啉、三唑酮和磷酸二氫鉀進行至少1次“一噴三防”,以防后期病蟲害、干熱風和小麥植株早衰。

1.3 測定指標與樣品采集

1.3.1 土壤含水量測定

于小麥播種期、苗期、拔節期、孕穗期、開花期、灌漿期和成熟期,分別在小麥行間,按照0～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150、150～180和180～200 cm共8個土層用土鉆采集樣品,用烘干法測定土壤含水量。土壤含水量=(土壤鮮重-土壤干重)/(土壤干重-鋁盒重)×100%。

1.3.2 土壤溫度測定

各小區選擇一定點,按5、10、15、20、25 cm土層將5支曲管溫度計依次埋入春小麥行間,在春小麥各生育時期選擇晴天讀取早晨(7:00)、中午(14:00)和傍晚(19:00)的地溫,取3次讀數的平均值作為日平均值,全生育期均在固定地方讀取地溫。

1.3.3 小麥干物質測定

在各生育時期,從各小區隨機選取20株長勢均勻的小麥植株,帶回實驗室,按器官稱鮮重后置于105 ℃烘箱中殺青30 min,后于80 ℃下烘干至恒重,稱干重并計算相關指標。花前干物質轉運量=開花期植株干物質量-成熟期營養器官干物質量;花后干物質積累量=成熟期籽粒干重-花前干物質轉運量。

1.4 小麥產量測定

小麥完全成熟時在各小區進行隨機取樣,采集5個樣點春小麥樣品并進行混合,在各個小區的混合樣中隨機取20株小麥進行室內考種,測定株高、穗長、單株干重、小穗數、穗粒數、千粒重等。收獲時使用聯合收割機,按小區面積測實產,現場稱鮮重并取樣測定籽粒含水量,待將其去麩皮和曬干后稱重計產。

1.5 數據處理

試驗數據使用Microsoft Excel 2019進行整理,用SPSS Statistics 26.0進行統計分析。采用Duncan法進行0.05水平差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 覆蓋對春小麥0～200 cm土壤含水量的影響

2.1.1 不同生育時期全土層土壤含水量的變化

覆蓋能顯著提高春小麥播種期至成熟期0～200 cm土壤平均含水量(圖1)。與CK相比,SM、HM、BM處理的土壤含水量分別平均提高0.86、0.79和0.77個百分點。各處理的土壤含水量在不同時期間差異明顯。從播種期至成熟期,SM處理的土壤含水量較CK提高了0.50～1.11個百分點,增幅以開花期最大,孕穗期最小;HM和BM處理的土壤含水量增幅分別為0.41～1.19和0.56～1.13個百分點,均以灌漿期增幅最大。不同覆蓋處理間比較,SM處理在春小麥全生育期的土壤含水量總體高于HM和BM處理。因此,覆蓋處理普遍具有增墑效應,且秸稈帶狀覆蓋的增墑效果大于地膜覆蓋。

SW:播種期;SD:苗期;JT:拔節期;BT:孕穗期;FL:開花期;GF:灌漿期;MT:成熟期。圖柱上小寫字母的不同表示同一時期不同處理間差異在0.05水平上顯著。下圖同。SW: Sowing; SD: Seedling; JT: Jointing; BT: Booting; FL: Flowering; GF: Grain-filling; MT: Maturity. The error bars represent the least significant differences at 0.05 level. The same in figures 2-5.圖1 不同處理下小麥各生育時期的土壤平均含水量Fig.1 Average soil moisture content of wheat at different growth stages under different treatments

2.1.2 春小麥關鍵生育時期土壤水分剖面分布

覆蓋栽培能有效改善春小麥關鍵生育時期的土壤剖面水分狀況(圖2)。覆蓋處理下苗期、拔節期、開花期和灌漿期0～200 cm土層土壤水分含量平均較CK增加了1.0、0.7、1.5和1.4個百分點,并且總體上增墑幅度以60～90 cm土層最大,以120～150 cm土層最小。

圖2 不同處理下春小麥田0～200 cm土壤含水量垂直變化Fig.2 Vertical variation of soil water content from 0 to 200 cm in spring wheat field under different treatments

在春小麥苗期,SM、HM和BM處理下不同土層的土壤含水量較CK分別提高了0.0～1.5、0.3～3.2和0.2～2.8個百分點,且增幅均以0～20 cm土層最大。在拔節期,覆蓋處理的不同土層土壤水分含量較CK均有下降的現象。SM處理的土壤水分含量在120～200 cm土層較CK下降0.3個百分點,其余土層較CK增加0.6～1.8個百分點,以0～20 cm土層增幅最大;HM處理土壤含水量在40～60 cm土層較CK略微下降0.1個百分點,其余土層較CK增加0.6～2.7個百分點,以0～20 cm土層增幅最大;而BM處理土壤含水量在20～60 cm土層較CK下降0.7個百分點,其余土層較CK增加0.4～1.5個百分點,以60～90 cm土層增幅最大。在開花期,SM、HM和BM處理下不同土層的土壤含水量較CK分別提高了0.4～3.5、0.1～3.0和0.5～2.4個百分點,且增幅均以90～120 cm土層最大。在灌漿期,SM處理的土壤水分含量在150～200 cm土層較CK下降0.4個百分點,其余土層較CK增加1.0～2.8個百分點,以40～60 cm土層的增幅最大;HM和BM處理的土壤含水量較CK分別增加0.1～2.7和0.7～3.3個百分點,且增幅均以0～20 cm土層最大。

2.2 覆蓋對春小麥0～25 cm土壤溫度的影響

覆蓋對春小麥各生育時期土壤平均溫度有明顯影響(圖3)。總體來看,地膜覆蓋表現出增溫效應,而秸稈帶狀覆蓋的表現則相反。與CK相比,在春小麥苗期至成熟期,地膜覆蓋處理的0～25 cm土壤平均溫度增加了0.2～2.8 ℃,BM處理的增幅大于HM處理;BM處理各生育時期均顯著較CK增溫,增幅0.2～2.8 ℃,而HM處理除拔節和孕穗期較CK微弱降溫(0.1 ℃)外,其余時期較CK增溫0.3～1.6 ℃,且BM和HM處理增幅均在苗期最大。SM處理各生育時期較CK顯著降低土壤溫度1.7～3.5 ℃,降幅以孕穗期最大。隨春小麥生育進程的推進,玉米秸稈帶狀覆蓋的降溫效應逐漸減弱,表現出前期降溫,中后期保溫的雙重效應。

圖3 不同處理下小麥各生育時期的土壤平均溫度Fig.3 Average soil temperature of wheat at different growth stages under different treatments

2.3 覆蓋方式對春小麥植株生長的影響

2.3.1 覆蓋方式對株高的影響

由圖4可見,在春小麥各生育時期,不同處理間株高存在顯著差異,覆蓋處理的株高總體上高于CK。其中,與CK相比,SM、BM和HM處理株高的增幅分別為5.3%～15.6%、3.2%～21.1%和1.1%～9.9%。

圖4 不同處理下小麥各生育時期的平均株高Fig.4 Average plant height of wheat at different growth stages under different treatments

2.3.2 覆蓋方式對春小麥地上部干物質積累的影響

隨生育進程的推進,春小麥地上部干物質積累量均呈增加的趨勢,覆蓋對春小麥地上部干物質積累具有一定的促進效應(圖5)。在苗期,不同處理間地上部干物質積累量差異較小;拔節期后,SM、BM、HM處理均高于CK,尤其是從開花期開始覆蓋處理與CK差異均顯著,但覆蓋處理間差異不顯著。與CK相比,SM處理全生育期干物質積累量平均提高19.4%,孕穗期增幅最大;BM和HM處理分別平均提高31.6%和16.7%,均于拔節期增幅最大。

圖5 春小麥各生育時期干物質積累量Fig.5 Dry matter accumulation of spring wheat at each growth stage

2.4 覆蓋方式對旱地春小麥產量及其構成要素的影響

覆蓋對春小麥籽粒產量、生物產量、穗數以及千粒重影響均顯著(表2)。與CK相比,覆蓋處理顯著提高了春小麥籽粒產量和生物產量,SM、BM、HM處理的籽粒產量增幅分別為12.1%、18.5%和15.1%,生物產量增幅分別為22.2%、23.6%和15.5%。可見,秸稈帶狀覆蓋的增產潛力與地膜覆蓋相當。

表2 春小麥產量及其構成要素Table 2 Yield and its components of spring wheat

從產量構成來看,與CK相比,覆蓋處理顯著增加了春小麥穗數;其穗粒數與CK差異均不顯著;BM和HM處理的千粒重高于CK,但只有BM處理與CK差異顯著。這說明覆蓋處理的增產作用主要歸因于穗數增加。

3 討論

3.1 覆蓋對春小麥土壤水熱的影響

自然降雨少且季節變化分布不均是限制西北雨養農業區高效農業可持續發展的主要因素。研究表明,秸稈和地膜覆蓋栽培可以蓄水保墑,促進作物對土壤水分的有效利用,有利于作物生長及產量形成[11,24,33-37]。在本研究中,與露地對照相比,不同覆蓋處理能明顯提高春小麥播種期至成熟期0～200 cm土壤平均含水量,這與前人研究結果一致。旱地小麥土壤含水量的高低取決于自然降水、耗水和覆蓋保墑幾個方面。本研究中,相較于露地對照,秸稈覆蓋具有與地膜覆蓋相近的蓄水保墑能力,且玉米秸稈帶狀覆蓋增墑效果優于地膜覆蓋,可能是秸稈覆蓋在地表上形成物理阻隔層的同時能較好地方便雨水入滲,從而能更好集雨保蓄土壤水分,形成良好的增墑效果。對于土壤溫度,與露地對照相比,地膜覆蓋在春小麥全生育期具有普遍的增溫效應,玉米秸稈帶狀覆蓋則具有降溫效應,這與前人研究結果相似[2,4]。但本研究還發現,在春小麥各生育時期,尤其是灌漿期和成熟期,地膜覆蓋處理間0～25 cm土層平均溫度差異顯著,這可能主要與不同覆蓋材料吸收太陽輻射的能力有關,BM處理的白膜比HM處理的黑膜能夠透過更多的太陽輻射,所以BM處理的土壤溫度顯著高于HM處理。不同覆蓋種植方式對土壤溫度影響不同,而土壤溫度的高低必然會影響土壤水分的運行交換和植株水分代謝,土壤溫度的升高會加劇土壤水分蒸發和植株蒸騰作用,導致土壤耗水加快和含水量下降,反之亦然[3]。雖然地膜和秸稈覆蓋均能改善土壤墑情,調節地溫,促進作物生長發育,提高作物產量,但從生產實際來講,與地膜覆蓋相比,玉米整稈帶狀覆蓋種植有效利用了玉米秸稈,既沒有環境污染,又資源高效利用,因而是一項綠色可持續的生產技術,與現代農業發展要求一致,更適宜于西北半干旱區春小麥種植。

3.2 覆蓋方式對春小麥生長的影響

株高是影響小麥高產、穩產的重要性狀之一[38]。秸稈覆蓋栽培有利于小麥和小黑麥植株伸長生長[17,39]。小麥開花期后,植株進入生殖生長階段,此階段氣溫較高,植株蒸騰、土壤蒸發強烈。由于生育前期覆膜與秸稈覆蓋地表后土壤水熱條件得到了改善,促進了小麥生長,增加了群體數量,導致生育后期田間群體透光度減弱,從而對土壤產生降溫效應,有利于植株適應高溫環境,增強干物質量生產和積累,進而有助于產量形成。有研究表明,與露地對照相比,秸稈覆蓋與地膜覆蓋均促進了小麥地上部干物質積累[19-20]。本試驗也得到與相同的結果,說明秸稈帶狀覆蓋和地膜覆蓋處理可通過改善土壤水溫條件,促進小麥干物質積累和增產。

3.3 覆蓋對春小麥產量的影響

覆蓋能有效增加旱地小麥的單位面積穗數和千粒重[20,24,40],進而增加產量。在本研究中,覆蓋處理也顯著增加了春小麥穗數,但對穗粒數和千粒重影響較小,這與前人研究結果有所差異。干物質累積是作物產量形成的基礎[19]。眾多研究表明,旱地農田地表覆蓋能有效改善土壤水分[6,7-8,25],調節土壤溫度[2-4,27-28],而良好的土壤水熱環境能促進作物植株水分代謝和光合生產,有利于干物質積累和增產。本研究中,SM、HM、BM處理分別較CK增產12.1%、15.1%和18.5%,進一步證實地表覆蓋能促進旱地小麥增產。從本研究看,覆蓋的增產效應主要歸因于穗數的增加,而穗數的增加與地表覆蓋明顯改善了土壤水熱條件,促進春小麥前中期生長發育,增加了群體數量和質量有關;此外,水熱條件的改善也有利于生育后期光合物質生產和積累,減少了干熱風對籽粒灌漿的影響,最終增加了春小麥產量。

4 結論

與露地平作相比,玉米秸稈帶狀覆蓋和地膜覆蓋栽培均顯著提高春小麥全生育期土壤平均含水量,覆蓋處理在春小麥各生育時期的蓄水保墑效果相近。地膜覆蓋全生育期均具有增溫效應,而玉米秸稈帶狀覆蓋則明顯降溫,且降溫效應在生育后期較為明顯。隨小麥生育進程的推進,覆蓋栽培總體促進了春小麥地上部生長,增加了小麥干物質積累量,并且顯著提高了春小麥籽粒產量,增幅表現為BM>HM>SM。與傳統覆膜栽培相比,秸稈帶狀覆蓋栽培是一種更加環保又高效的覆蓋方式,值得在西北干旱半干旱雨養農業區推廣。