秸秆覆盖时间和覆盖量对冬小麦田温度效应及地上地下生长的影响*

闫宗正, 陈素英, 张喜英, 牛君仿, 邵立威



秸秆覆盖时间和覆盖量对冬小麦田温度效应及地上地下生长的影响*

闫宗正1,2, 陈素英1,3**, 张喜英1, 牛君仿1, 邵立威1

(1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心/中国科学院农业水资源重点实验室/河北省节水农业重点实验室 石家庄 050022; 2. 中国科学院大学 北京 100049; 3. 中国科学院中-非联合研究中心 内罗毕 00200)

为探明华北平原灌溉条件下秸秆覆盖的土壤温度效应对冬小麦根系和籽粒产量的影响, 利用大田试验研究了不同秸秆覆盖时间和覆盖量处理对冬小麦土壤温度、根系和籽粒产量的影响。试验设冬小麦播种后覆盖和三叶期覆盖, 覆盖量设上茬作物(夏玉米)秸秆全量覆盖(HM)、1/2量覆盖(MM)、1/3量覆盖(LM)和不覆盖(CK)。结果表明: 1)与不覆盖(CK)相比, 播种后覆盖和三叶期覆盖冬小麦产量分别降低8.6%和2.0%, 播种后覆盖减产幅度大于三叶期覆盖; 播种后减产是由于小麦千粒重比CK降低4.1%、穗粒数降低6.6%和收获指数降低2.4%, 三叶期覆盖减产的原因是收获时有效穗数比CK降低5.8%造成。播种后覆盖处理中随着覆盖量的增加千粒重、有效穗数、收获指数显著降低, 三叶期覆盖处理的产量构成没有显著差异。2)秸秆覆盖对小麦分蘖期和越冬期(冬季)土壤温度具有提升作用。覆盖处理日均温平均比CK提高0.56 ℃; 小麦返青期后随着气温的升高, 秸秆覆盖具有降温作用。冬季秸秆覆盖提升土壤温度的贡献主要是提升了夜间土壤温度, 返青后降温的作用是降低白天的土壤温度; 冬季随覆盖量增加增温效应增大, 返青后随着覆盖量的增加降温效应增加, 各覆盖处理间的土壤温度差异不显著。3)秸秆覆盖促进了冬季冬小麦根系生长, 秸秆覆盖处理的根长密度大于CK; 返青后秸秆覆盖减弱了根系生长, 至扬花期随小麦冠层覆盖度增加, 秸秆覆盖与CK的根长密度差异减小。由于小麦分蘖期和越冬期土壤温度高于CK, 根系生长快于CK, 消耗了更多的土壤氮, 造成返青—拔节期土壤全氮含量低于CK。因此, 华北平原冬小麦-夏玉米一年两熟灌溉区, 为了降低秸秆覆盖对冬小麦产量的不利作用, 秸秆覆盖应在三叶期后实施, 覆盖量采用上茬玉米秸秆产量的1/3~1/2, 其余秸秆可以用于畜牧业饲料。

冬小麦; 秸秆覆盖; 土壤温度; 根长密度; 籽粒产量

秸秆覆盖具有明显的调节土壤温度和保墒效应[1-3], 对缓解旱作区水资源短缺和粮食增产具有重要意义。秸秆覆盖对土壤温度和产量的影响因覆盖数量、覆盖时间、当地气候条件等不同有较大差异[4-5]。旱作区多点试验表明, 秸秆覆盖下小麦比不覆盖可增产10%~15%[6-7]; 夏闲期秸秆覆盖冬小麦可增产10%~20%, 干旱年份可达到50%[8-9]。但在有灌溉条件的冬小麦-夏玉米一年两熟种植区域, 秸秆覆盖冬小麦产量有增产和减产两种效应, 并且减产幅度随着覆盖量的增加而增加[5,10-11]。

关于秸秆覆盖的研究很多, 大多集中在秸秆覆盖对土壤温度、湿度、产量、水分利用效率等效应的研究。而关于秸秆覆盖冬小麦减产的原因研究还比较少[12-13]。秸秆覆盖具有在低温季节增加土壤温度、高温季节降低土壤温度的双重效应, 目前关于减产的原因主要归结为秸秆覆盖对土壤温度的影响[12-13]。张树兰等[14]研究表明, 旱地秸秆覆盖冬小麦, 由于冬季的增温效应促进了小麦生育前期旺长消耗大量土壤水分, 造成小麦后期严重的水分胁迫, 影响籽粒灌浆, 造成收获指数和产量降低。我们前期的研究表明[1,15], 秸秆覆盖下耕层温度降低可能是引起小麦生长发育滞后和产量降低的主导因素, 秸秆覆盖冬小麦返青期推迟3~5 d, 灌浆期延迟3~7 d, 小麦灌浆后期遇到干热风危害, 缩短秸秆覆盖小麦的灌浆时间, 降低籽粒千粒重。秸秆覆盖减产的另一个原因是对小麦穗数的影响。赵丽等[16]研究表明, 秸秆覆盖率和小麦出苗率之间呈二次或三次曲线拟合关系, 秸秆覆盖度和秸秆覆盖量都不同程度地影响到小麦出苗率; 不论秸秆覆盖数量多少, 也不论是覆盖时间早晚, 均会对作物种子发芽、出苗及幼苗生长产生抑制作用, 覆盖量越大, 抑制作用越明显。为了进一步验证秸秆覆盖时间和覆盖量对冬小麦生长的效应, 本文设置不同的秸秆覆盖时间和覆盖量, 探讨冬小麦产量变化及其变化特征。

秸秆覆盖引起的耕层土壤温度变化对作物生长和产量影响是一个复杂的过程, 根层土壤温度的变化会对植物的生理生化代谢, 如根系对水分和养分的吸收、养分的运输功能、激素代谢等产生影响, 最终反映到对作物生长的发育过程和产量的影响[17-18]。为此本文利用土壤温度自动观测仪器系统观测了不同秸秆覆盖量下耕层土壤温度的变化及对小麦根系及土壤全氮含量和产量的影响, 探讨华北平原灌溉冬小麦-夏玉米两熟区冬小麦季的秸秆覆盖效应, 为发挥秸秆覆盖优势, 提高覆盖效益提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点描述

试验于2013年10月11日—2014年6月9日在中国科学院栾城农业生态系统试验站进行(37°50¢N, 114°40¢E), 海拔高度50.1 m。属于暖温带半湿润、半干旱季风气候, 多年平均降雨量480 mm。主要种植模式为冬小麦-夏玉米一年两熟制, 两季作物年耗水量800 mm左右, 必须依靠灌溉保证作物高产。土壤为褐土类灰黄土种。0~2 m土层平均田间持水量36%(/), 耕层土壤有机质17 g·kg−1, 全氮1.11 g·kg−1, 速效氮、速效磷、速效钾分别为80 mg·kg−1、21 mg·kg−1和120 mg·kg−1。

1.2 试验处理

试验设两个因素, 分别为覆盖时间和覆盖量。覆盖时期设播种后立即覆盖(P)和三叶期覆盖(T), 播种后覆盖时间为10月14日, 三叶期覆盖时间为10月28日。覆盖量设3个处理, 根据上茬夏玉米秸秆产量确定, 分别为2 450 kg·hm−2(相当于1/3秸秆产量, LM)、3 675 kg·hm−2(相当于1/2秸秆产量, MM)和7 350 kg·hm−2(相当于全部的秸秆产量, HM); 以不覆盖为对照(CK)。试验共7个处理, 分别为CK、PLM、PMM、PHM、TLM、TMM、THM, 小区面积为5 m×7 m, 随机排列, 每个处理4次重复。玉米秸秆粉碎为5~10 cm的秸秆段, 覆盖在整个小区, 包括小麦行间和行上。

小麦15 cm等行距播种, 品种为‘科农1006’, 播种量187.5 kg·hm−2, 底肥为磷酸二铵525 kg·hm−2和尿素225 kg·hm−2, 追肥(2014年3月23日)为225 kg·hm−2尿素。生育期灌溉2次, 2014年3月23日(拔节期)和2014年5月17日(灌浆期), 次灌溉量为75 mm。

1.3 参数观测及计算方法

土壤温度:采用铜镍热电偶和数据采集器(CR1000, Campbell Scientific, USA)自动采集, 测定深度为5 cm、10 cm、20 cm和40 cm, 采集频率为30 min 1次。每个处理4个重复。温度传感器设置在三叶期覆盖的CK、LM、MM和HM小区中。

根长密度:用直径10 cm的根钻参照Böhm[19]的方法, 在冬小麦不同生育期进行根系取样, 取样位置为小麦行上, 10 cm为一层, 越冬期的取样深度为60 cm, 返青期及其以后为120 cm或者150 cm。每个处理取4个重复。取样后立即带回试验室, 用0.25 mm土壤筛洗净根系, 去除杂质, 然后用1.27 cm刻度根盘测量根长[20]。计算根长密度(RLD), 根长密度定义为单位土壤体积中的根长, 单位为cm∙cm-3。

籽粒产量:冬小麦收获时各小区单独收获, 脱粒晒干后计算小麦籽粒产量, 折算成单产。并随机在每个小区内选择40穗小麦考种, 考种项目包括穗数、穗粒数、千粒重和收获指数。

1.4 气象数据

来自中国科学院栾城农业生态系统试验站建有的标准气象站, 气象站距离试验地50 m。

1.5 数据处理

各处理取多次重复测定的数据计算平均值, 并计算标准偏差; 用SPSS软件分析不同处理间显著性差异。

2 结果与分析

2.1 冬小麦生育期划分

试验期间研究区冬小麦生育期的平均气温为8.09 ℃, 有效积温1 958.0 ℃, 累积降雨量47.9 mm。根据田间观测将冬小麦整个生育期分成6个生育时期, 分别为播种—三叶期、分蘖期、越冬—返青期、返青—拔节期、拔节—扬花期、扬花—成熟期, 各生育期的平均气温、有效积温和累积降雨量见表1。

2.2 不同覆盖处理对冬小麦产量、产量构成及收获指数的影响

从表2可知, CK的小麦产量最高, 播种后全量秸秆覆盖处理(PHM)产量最低, 两者产量相差18.7%, 差异达到显著(<0.05)。三叶期覆盖平均冬小麦产量为7 564.9 kg∙hm-2, 播后覆盖平均为7 051.4 kg∙hm-2, 分别比CK降低2.0%和8.6%, 三叶期覆盖的产量高于播种后覆盖处理。从秸秆覆盖量对冬小麦产量的影响来看, 三叶期不同覆盖量处理与CK差异不显著; 播后覆盖处理(P)随覆盖量增加, 小麦减产幅度增加, 全量秸秆覆盖(PHM)与CK差异显著。因此, 冬小麦田三叶期实施秸秆覆盖更有利于小麦产量形成, 同时可以防止秸秆冬季被风吹走, 并可减少秸秆对出苗的影响。

表1 研究期间冬小麦生育期的平均气温、有效积温与降雨量

从表2还可以看出, 三叶期覆盖的小麦千粒重高于播种后覆盖处理; 三叶期覆盖对小麦千粒重影响不大, 处理间及与CK的差异均不显著; 播种后覆盖随覆盖量增加, 千粒重呈逐渐降低趋势, 1/2量和全量覆盖处理(PMM、PHM)与CK间及全量覆盖(PHM)与1/3量秸秆覆盖差异显著(<0.05); 覆盖处理千粒重平均比CK降低4.1%。三叶期覆盖下穗粒数虽较CK有所提高, 但差异不显著; 播种后覆盖处理的穗粒数低于CK, 除1/3量(PLM)处理外, 其余处理与CK差异不显著; 覆盖处理穗粒数平均比CK降低6.6%。无论是三叶期覆盖还是播种后覆盖处理均表现为, 随着覆盖量增加成熟期有效穗数逐渐降低, 其中全量覆盖(HM)最低, 1/3量覆盖(LM)最高, 两者差异显著, 其他处理的有效穗数差异不显著。

冬小麦收获指数以三叶期覆盖处理高于播种后覆盖处理。三叶期覆盖下全量覆盖处理(THM)最高, 显著高于CK; 播后覆盖均显著低于三叶期覆盖处理, 全量覆盖处理(PHM)显著低于CK。

从不同覆盖处理对冬小麦产量、产量构成与收获指数的影响来看, 三叶期覆盖的减产效应低于播种后覆盖。播种后覆盖减产是千粒重、穗粒数和收获指数降低造成, 三叶期覆盖减产的主要原因是有效穗数的降低。

表2 不同秸秆覆盖时间和覆盖量处理对小麦产量、产量构成和收获指数的影响

同列不同小写字母表示处理间0.05水平差异显著。Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

2.3 不同覆盖处理对土壤温度的影响

2.3.1 冬小麦不同生育期土壤温度对秸秆覆盖的响应

为了分析秸秆覆盖对小麦产量、产量构成的影响因素, 系统分析了三叶期不同覆盖量对冬小麦分蘖期、越冬期、返青—拔节期、拔节—扬花期5 cm、10 cm、20 cm和40 cm土壤温度的影响。

分蘖期不同覆盖处理对土壤温度的影响见图1。小麦分蘖期气温从开始的10 ℃左右下降到2 ℃左右。表层5 cm和10 cm土壤温度受气温影响较大, 土壤温度的振幅较大, 变化趋势与气温的变化趋势相同。随土层加深, 土壤温度的变幅逐渐减小, 并随着土壤深度加深, 土壤温度逐渐升高。表层由于受气温影响较大, 不同覆盖量对土壤表层温度的差异规律不明显。20 cm和40 cm土层秸秆覆盖处理的土壤温度显著高于对照处理, 覆盖的增温效应较明显, 并且土壤温度随着覆盖量增加而增加。CK、LM、MM和HM处理5 cm土壤温度平均为4.27 ℃、5.09 ℃、4.54 ℃和5.15 ℃, 覆盖处理比CK平均增高0.65 ℃。各处理10 cm土壤温度平均分别为5.16 ℃、5.91 ℃、5.48 ℃和5.98 ℃, 覆盖处理比CK平均增高0.63 ℃。各处理20 cm土壤温度平均分别为6.14 ℃、6.50 ℃、7.13 ℃和7.16 ℃, 覆盖处理比CK平均增高0.79 ℃。不同覆盖处理40 cm土壤温度平均分别为7.52 ℃、8.23 ℃、8.60 ℃和8.56 ℃, 覆盖处理比CK平均增高0.94 ℃。

图1 不同秸秆量三叶期覆盖对冬小麦分蘖期土壤温度的影响(2013年11月9日—2013年12月9日)

CK: 无覆盖; LM: 覆盖量为2 450 kg·hm−2(相当于1/3秸秆产量); MM: 覆盖量为3 675 kg·hm−2(相当于1/2秸秆产量); HM: 覆盖量为7 350 kg·hm−2(相当于全部秸秆产量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm−2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm−2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm−2, equivalent to all straw yield.

图2为越冬期不同覆盖处理对土壤温度的影响。结果显示, 越冬期气温大部分时间处于0 ℃以下。不同覆盖处理对土壤温度的影响趋势与小麦分蘖期一致, 均表现为覆盖处理的土壤温度高于对照, 表层5 cm和10 cm土壤温度受气温的影响较大, 与气温的变化趋势一致。随着土壤深度的加深, 20 cm和40 cm土壤温度受气温的影响较小, 覆盖的增温效应明显且随着覆盖量的增加土壤增温效应明显和有规律, 覆盖量大的处理, 对20 cm和40 cm的增温效应更明显。越冬期CK、LM、MM、HM的5 cm日均土壤温度分别为-0.95 ℃、-0.34 ℃、-0.65 ℃和-0.28 ℃, 10 cm分别为-0.41 ℃、0.13 ℃、-0.18 ℃和0.24 ℃, 20 cm分别为0.02 ℃、0.52 ℃、1.00 ℃和1.03 ℃, 40 cm分别为1.27 ℃、1.91 ℃、2.27 ℃和2.24 ℃。5 cm、10 cm、20 cm和40 cm覆盖处理平均比CK高0.53 ℃、0.48 ℃、0.83 ℃和0.87 ℃。

图3为返青期—拔节期不同覆盖处理对土壤温度的影响。结果显示, 与前两个时期相比, 覆盖对土壤的增温效应减弱, CK的土壤温度较高, 秸秆覆盖的土壤温度略低于对照。随着土壤深度增加, 覆盖处理的土壤温度具有降低的趋势。CK、LM、MM和HM处理5 cm土壤温度平均为9.21 ℃、9.17 ℃、9.46 ℃和9.01 ℃, 10 cm依次为9.04 ℃、8.89 ℃、9.20 ℃和8.89 ℃, 20 cm依次为8.80 ℃、8.59 ℃、8.67 ℃和8.50 ℃, 40 cm依次为8.17 ℃、8.00 ℃、8.17 ℃和8.04 ℃。

图4为拔节—扬花期不同覆盖处理对土壤温度的影响。结果显示, 覆盖对土壤温度的增温效应进一步减弱, CK与不同覆盖处理的土壤温度趋于相同。扬花—成熟期覆盖对土壤温度的影响与拔节—扬花期相同。说明秸秆覆盖对土壤温度的影响主要在前期, 对生育后期影响很小。

2.3.2 冬小麦不同生育期土壤温度日变化对秸秆覆盖的响应

图5~8为不同覆盖处理对小麦不同生育期土壤温度日变化的影响, 每个生育期选择了2 d 48 h分析土壤温度变化, 从第1 d的1:00到第2 d的24:00的数据。

图2 不同秸秆量三叶期覆盖对冬小麦越冬期土壤温度的影响(2013年12月10日—2014年2月26日)

CK: 无覆盖; LM: 覆盖量为2 450 kg·hm−2(相当于1/3秸秆产量); MM: 覆盖量为3 675 kg·hm−2(相当于1/2秸秆产量); HM: 覆盖量为7 350 kg·hm−2(相当于全部秸秆产量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm−2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm−2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm−2, equivalent to all straw yield.

图3 不同秸秆量三叶期覆盖对冬小麦返青—拔节期土壤温度的影响(2014年2月27日—2014年4月2日)

CK: 无覆盖; LM: 覆盖量为2 450 kg·hm−2(相当于1/3秸秆产量); MM: 覆盖量为3 675 kg·hm−2(相当于1/2秸秆产量); HM: 覆盖量为7 350 kg·hm−2(相当于全部秸秆产量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm−2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm−2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm−2, equivalent to all straw yield.

分蘖期(2013年11月18—19日)土壤温度日变化见图5。可以看出, 表层5 cm和10 cm土壤温度受气温的影响日变幅较大, 深层20 cm和40 cm土壤温度日变幅较小。以11月18日为例, CK、LM、MM和HM 5 cm土壤温度的振幅分别为8.36 ℃、7.77 ℃、8.78 ℃和6.91 ℃, 覆盖处理平均比CK降低0.54 ℃; 10 cm土壤温度的振幅分别为5.09 ℃、2.44 ℃、4.57 ℃和5.23 ℃, 覆盖平均比CK低1.03 ℃; 20 cm土壤温度的振幅分别为2.18 ℃、1.01 ℃、1.30 ℃和1.90 ℃, 覆盖平均比CK降低0.78 ℃; 40 cm土壤温度的振幅分别为1.04 ℃、0.86 ℃、0.11 ℃和1.06 ℃, 覆盖平均比对照降低0.36 ℃。秸秆覆盖提高土壤温度的贡献表层主要是提高了夜间的土壤温度, 深层则同时提高了白天和夜间的温度。

图4 不同秸秆量三叶期覆盖对冬小麦拔节—扬花期土壤温度的影响(2014年4月3日—2014年5月1日)

CK: 无覆盖; LM: 覆盖量为2 450 kg·hm−2(相当于1/3秸秆产量); MM: 覆盖量为3 675 kg·hm−2(相当于1/2秸秆产量); HM: 覆盖量为7 350 kg·hm−2(相当于全部秸秆产量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm−2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm−2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm−2, equivalent to all straw yield.

图5 不同秸秆量三叶期覆盖对冬小麦分蘖期土壤温度日变化的影响(2013年11月18—19日)

CK: 无覆盖; LM: 覆盖量为2 450 kg·hm−2(相当于1/3秸秆产量); MM: 覆盖量为3 675 kg·hm−2(相当于1/2秸秆产量); HM: 覆盖量为7 350 kg·hm−2(相当于全部秸秆产量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm−2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm−2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm−2, equivalent to all straw yield.

图6 不同秸秆量三叶期覆盖对冬小麦越冬期土壤温度日变化的影响(2014年2月9—10日)

CK: 无覆盖; LM: 覆盖量为2 450 kg·hm−2(相当于1/3秸秆产量); MM: 覆盖量为3 675 kg·hm−2(相当于1/2秸秆产量); HM: 覆盖量为7 350 kg·hm−2(相当于全部秸秆产量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm−2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm−2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm−2, equivalent to all straw yield.

图7 不同秸秆量三叶期覆盖对冬小麦返青—拔节期土壤温度日变化的影响(2014年3月3—4日)

CK: 无覆盖; LM: 覆盖量为2 450 kg·hm−2(相当于1/3秸秆产量); MM: 覆盖量为3 675 kg·hm−2(相当于1/2秸秆产量); HM: 覆盖量为7 350 kg·hm−2(相当于全部秸秆产量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm−2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm−2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm−2, equivalent to all straw yield.

图8 不同秸秆量三叶期覆盖对冬小麦拔节—扬花期土壤温度日变化的影响(2014年4月15—16日)

CK: 无覆盖; LM: 覆盖量为2 450 kg·hm−2(相当于1/3秸秆产量); MM: 覆盖量为3 675 kg·hm−2(相当于1/2秸秆产量); HM: 覆盖量为7 350 kg·hm−2(相当于全部秸秆产量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm−2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm−2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm−2, equivalent to all straw yield.

越冬期(2014年2月9—10日)的土壤温度日变化如图6。随着气温的进一步降低, 秸秆覆盖对土壤夜间温度的提升和白天最高温度的降低效果更显著, 由此而降低了土壤温度全天的振幅。5 cm土壤温度变化最明显, 主要原因是受气温的影响较大, CK振幅为6.83 ℃, 覆盖处理平均为3.13 ℃。10 cm及20 cm土壤处于冻结状态, CK土壤温度处于0 ℃以下, 温度的日振幅1 ℃左右, 秸秆覆盖处理的增温效应主要是夜间温度较高。5 cm、10 cm、20 cm、40 cm处CK和覆盖处理平均土壤温度分别为-2.41 ℃和-1.25 ℃、-0.83 ℃和-0.46 ℃、-0.26 ℃和0.37 ℃、0.80 ℃和1.48 ℃。

返青—拔节期(2014年3月3—4日)的土壤温度日变化见图7。随气温升高, 土壤温度也随着升高, 5 cm土壤日变幅较大, 且表现为CK高于覆盖处理, CK夜间温度低于覆盖处理。覆盖处理仍具有降低日温振幅的作用。5 cm、10 cm、20 cm、40 cm处CK和覆盖处理平均土壤温度分别为5.56 ℃和5.61 ℃、5.56 ℃和5.61 ℃、5.61 ℃和5.5 ℃、5.26 ℃和5.3 ℃。

拔节—成熟期(2014年4月15—16日)的土壤温度日变化见图8。随着小麦植株的增高, 冠层密闭, 5~40 cm温度变幅减小。5 cm土壤温度变化幅度为12~16 ℃, 10 cm变幅为13~16 ℃, 20 cm和40 cm变幅为12~14 ℃, 0~40 cm土壤温度受气温的影响很小。在此期间, 覆盖对土壤温度的影响是5 cm和10 cm具有增温效应, 10 cm以下覆盖对土壤温度的影响很小。5 cm处CK、LM、MM和HM土壤温度分别为13.32 ℃、13.64 ℃、14.17 ℃和14.38 ℃, 覆盖处理平均比CK高 0.74 ℃; 10 cm土壤温度分别为13.55 ℃、13.36 ℃、13.88 ℃和13.99 ℃, 覆盖平均比CK高0.20 ℃; 20 cm土壤温度的振幅分别为13.38 ℃、13.15 ℃、13.35 ℃和13.67 ℃, 覆盖平均比CK高0.01 ℃; 40 cm土壤温度分别为12.56 ℃、12.44 ℃、12.61 ℃和12.87 ℃, 覆盖平均比CK高0.08 ℃。

2.4 不同覆盖处理对冬小麦根系的影响

根长密度(RLD)是单位土壤体积的根长, 反映植物在某一土壤层次的根长。图9为不同覆盖处理对生育期冬小麦RLD的影响。分蘖期RLD在10 cm土层达到0.74 cm∙cm-3, 随着土层深度的增加RLD逐渐减小, 60 cm土层仅为0.10 cm∙cm-3, 80%以上的根系集中在0~30 cm土层。20~30 cm土层, 覆盖处理小麦RLD高于CK, 20 cm处CK、LM、MM和HM的RLD分别为0.22 cm∙cm-3、0.33 cm∙cm-3、0.34 cm∙cm-3和0.37 cm∙cm-3, 覆盖处理RLD比CK平均高0.13 cm∙cm-3, 差异不显著。30 cm土层, CK、LM、MM和HM的RLD分别为0.17 cm∙cm-3、0.19 cm∙cm-3、0.22 cm∙cm-3和0.29 cm∙cm-3, 差异不显著。

图9 不同秸秆量三叶期覆盖对不同生育期冬小麦根长密度垂直分布的影响

CK: 无覆盖; LM: 覆盖量为2 450 kg·hm−2(相当于1/3秸秆产量); MM: 覆盖量为3 675 kg·hm−2(相当于1/2秸秆产量); HM: 覆盖量为7 350 kg·hm−2(相当于全部秸秆产量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm−2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm−2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm−2, equivalent to all straw yield.

拔节期10 cm土层的小麦RLD达到1.70~2.00 cm∙cm-3, 100 cm为0.40~0.50 cm∙cm-3。秸秆覆盖处理与CK之间差异不显著。可能与该期覆盖降低了表层土壤温度而减缓根系生长, 促进CK根系生长, 使分蘖期覆盖处理RLD大于CK的优势减小, 各处理间RLD差异不显著。

扬花期0~40 cm秸秆覆盖处理的RLD大于CK, 0~10 cm CK、LM、MM和HM处理的RLD分别为1.29 cm∙cm-3、1.79 cm∙cm-3、1.89 cm∙cm-3和1.93 cm∙cm-3, 覆盖处理高于CK, 但差异不显著。0~40 cm各处理的RLD分别为3.50 cm∙cm-3、3.52 cm∙cm-3、3.76 cm∙cm-3和3.98 cm∙cm-3, 处理间差异不显著。可能与同期覆盖处理的土壤温度升高有关, 这一阶段覆盖处理的土壤温度随着气温的升高与冠层增大, 覆盖对土壤温度的影响逐渐减小, 促进了根系快速生长, RLD大于CK。收获期随着小麦冠层的增大到封垄, 覆盖处理对土壤温度的影响逐渐减小至消失, 各处理间RLD基本一致, 差异不显著。

2.5 不同覆盖处理对冬小麦返青期土壤全氮的影响

图10显示, 冬小麦返青—拔节期覆盖处理的土壤全氮含量均高于CK, CK、LM、MM和HM处理0~60 cm土壤全氮含量平均分别为1.01 mg∙kg-1、0.90 mg∙kg-1、0.74 mg∙kg-1和0.47 mg∙kg-1, 随着覆盖量的增加呈递减趋势, CK、LM和MM之间差异不显著, CK和LM与HM之间差异达到显著水平(<0.05), MM和HM之间差异不明显。可能是由于小麦分蘖期和越冬期土壤温度高于CK, 根系生长快于CK, 消耗了土壤中氮含量, 造成覆盖处理下的返青—拔节期土壤全氮含量低于CK。

图10 不同秸秆量三叶期覆盖对冬小麦返青—拔节期土壤全氮含量的影响

CK: 无覆盖; LM: 覆盖量为2 450 kg·hm−2(相当于1/3秸秆产量); MM: 覆盖量为3 675 kg·hm−2(相当于1/2秸秆产量); HM: 覆盖量为7 350 kg·hm−2(相当于全部秸秆产量)。CK: no mulching; LM: straw amount is 2 450 kg·hm−2, equivalent to 1/3 straw yield; MM: straw amount is 3 675 kg·hm−2, equivalent to 1/2 straw yield; HM: straw amount is 7 350 kg·hm−2, equivalent to all straw yield.

3 结论与讨论

3.1 讨论

本研究表明, 华北平原灌溉条件下秸秆覆盖对冬小麦田土壤温度具有调节作用, 但小麦产量未提高, 播种后全量秸秆覆盖下小麦产量呈显著下降趋势, 这与其他同类型地区的研究结果一致[5,20-21]。主要原因是播后秸秆覆盖影响小麦正常发芽导致出苗率降低, 生化他感、碳氮比失衡、耕层土壤温度日夜变化异常对苗期生长产生不良影响, 生育期推迟影响籽粒光合产物分配等[13]。但推迟秸秆覆盖时间至三叶期, 则覆盖对产量的负效应有所降低。本研究表明, 三叶期秸秆覆盖冬小麦产量构成中仅有效穗数显著低于对照, 产量与对照无显著差异。三叶期覆盖避免了秸秆对出苗的影响, 虽对苗期生长及生育期的影响仍然存在, 但有效克服了秸秆覆盖影响小麦出苗的弊端。本研究中三叶期秸秆覆盖冬小麦产量略低于CK, 与当年气候因素有关。冬小麦生育期降雨量仅47.9 mm, 与多年平均(125 mm)相比, 属于极端干旱年型。小麦生育期积温和日照时数分别为1 958.3 ℃和1 260.1 h, 比多年平均分别高215.2 ℃和58.5 h。冬季和初春平均气温都比较高, 尤其是春季返青后气温迅速升高, 覆盖对土壤温度的影响较小, 对冬小麦产量的影响较小。本试验为2013年10月—2014年6月1个小麦生长季的试验结果, 对不同年型下不同秸秆覆盖时间的效应需进行更系统深入的研究, 以指导生产。

关于秸秆覆盖量方面的研究, 汪丙国等[20]在河北冬小麦试验中发现, 覆盖4 500 kg∙hm-2秸秆未增产。本研究与其结果基本一致。冬小麦三叶期覆盖, 覆盖量从2 450~7 350 kg∙hm-2小麦均不增产, 处理间差异不显著。不同秸秆覆盖量对土壤温度的影响表现为小麦生长前期的效应大于后期, 随覆盖量的增加, 温度效应具有增加的趋势, 这与王兆伟等[22]在山西省寿阳进行的春玉米试验结果一致。干旱半干旱区关于秸秆覆盖量对土壤水分及作物水分利用效率的研究较多[23], 但对土壤温度、作物根系和土壤全氮的研究较少。研究表明, 秸秆覆盖对土壤温度和土壤水分影响是偶联的[19], 覆盖抑制了土壤水分蒸发和土壤水分的散失, 减少了因土壤水分散失引起的土壤热量损失, 从而影响了土壤温度的变化[6]。这也可能是灌溉农田条件下秸秆覆盖对冬小麦减产的原因所在。其中的机理尚不清楚需要进一步研究。

3.2 结论

在华北平原冬小麦-夏玉米一年两熟种植区灌溉条件下, 对冬小麦进行秸秆覆盖无增产作用, 且播后全量秸秆覆盖导致冬小麦减产; 三叶期秸秆覆盖冬小麦产量高于播种后覆盖, 且对冬小麦产量无显著影响。播种后覆盖导致冬小麦减产的原因是千粒重、穗粒数和收获指数的降低, 三叶期覆盖减产的原因是收获时有效穗数降低。

秸秆覆盖对耕层土壤温度具有调节作用, 表现为冬季提升土壤温度, 温度越低增温效果越强; 小麦返青后, 随着气温升高, 覆盖表现为降低土壤温度的效应, 降温效应持续到拔节后, 扬花期后随着小麦冠层结构的增大, 秸秆覆盖对土壤温度的影响减弱或消失。

秸秆覆盖影响小麦根系的生长。三叶期秸秆覆盖促进分蘖期小麦根系的生长, 覆盖处理20~30 cm土层小麦根长密度大于CK; 但覆盖处理减缓了拔节期小麦根系的生长, 而此时CK处理的生长加速, CK与覆盖处理的根长密度差异减小; 至扬花期和成熟期, 各处理的根长密度差异均不显著。

返青期秸秆覆盖处理的土壤全氮含量低于CK, 可能由于小麦分蘖期和越冬期土壤温度高于CK, 根系生长快于CK, 消耗了土壤中氮含量, 造成返青—拔节期土壤全氮含量低于CK。

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Effects of amount and time of straw mulching on soil temperature, root growth and yield of winter wheat*

YAN Zongzheng1,2, CHEN Suying1,3**, ZHANG Xiying1, NIU Junfang1, SHAO Liwei1

(1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Agricultural Water-saving, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Sino-African Joint Research Center, Chinese Academy of Sciences, Nairobi 00200, Kenya)

In order to take full advantages of straw mulching and improve straw mulching benefits, the effects of different straw mulching practices on soil temperature, root growth and yield of winter wheat under irrigation condition in a typical site was explored through a field experiment with different straw mulching times and amounts in the North China Plain. Times of straw mulching included immediately after planting and after three leaves of winter wheat. The amounts of straw included total straw yield, 1/2 straw yield and 1/3 straw yield of preceding summer maize, and no mulching as the control (CK). The results showed that: 1) compared with CK, the winter wheat yield of mulching after planting and after three leaves was reduced by 8.6% and 2.0%, respectively. The yield decrease for the treatment of mulching after planting was more than that of mulching after three leaves for winter wheat. The reason for yield reduction of mulching after planting was decreases in 1000-seed weight, kernel numbers per spike and harvest index, which were 4.1%, 6.6% and 2.4%, respectively. The reason for yield reduction of mulching after three leaves was the decrease in spike numbers per area, which was 5.8%. 2) Straw mulching significantly affected soil temperature at the earlier growth stages of winter wheat. The straw mulching increased mean daily soil temperature averagely by 0.56 ℃ at tillering and overwintering stages. Straw mulching decreased soil temperature, compared with CK, after regreening stage of winter wheat. The contribution of straw mulching to soil temperature increase in winter was mainly due to the increase in night soil temperature, while the cooling effects after regreening stage was due to reduction in daytime soil temperature. The temperature increasing/decreasing effects of straw mulching were enhanced with straw amount increase though no significant differences among different straw amounts treatments were observed. 3) Root growth of winter wheat was improved under straw mulching due to the higher soil temperature. The root length density (RLD) under straw mulching treatment was higher than that under CK before regreening stage, after that RLD was reduced due to lower soil temperature under straw mulching as compared with CK. At flowering stage, with the increase of canopy coverage, the effects of straw mulching on soil temperature was weakened or disappeared, resulting in similar RLD among treatments. Higher soil temperature at tillering and wintering stages and larger root system under straw mulching induced higher consumption of soil nitrogen of winter wheat, which lead to lower soil nitrogen content at regreening to jointing stages under straw mulch treatments. In conclusion, straw mulching at three leaves stage of winter wheat had less negative effect on grain production of winter wheat. One third or half straw yield of preceding summer maize was appropriate amount for maintaining yield of winter wheat.

Winter wheat; Straw mulching; Soil temperature; Root length density (RLD); Grain yield

, E-mail: csy@sjziam.ac.cn

Oct. 15, 2017;

Oct. 30, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170977

S318

A

1671-3990(2017)12-1779-13

陈素英, 主要从事农田节水机理与技术研究。E-mail: csy@sjziam.ac.cn

闫宗正. 主要从事农田节水机理与技术研究。E-mail: yanzongzheng15@mails.ucas.ac.cn

2017-10-15

2017-10-30

* This research was supported by the National Natural Science Foundation of China (31371578), the National Key Research and Development Project of China (2016YFD0300808) and the Project of Chinese Academy of Sciences (SAJC201603).

* 国家自然科学基金项目(31371578)、国家重点研发计划专项(2016YFD0300808)和中国科学院项目(SAJC201603)资助