双行种植与空行覆盖模式对土壤水热条件及冬小麦产量的影响

闫秋艳，董 飞，杨 峰，鲁晋秀，李 峰，王 苗，闫翠萍，许玉娟

(山西省农业科学院小麦研究所，山西临汾 041000)

夏玉米/冬小麦一年两熟是我国北方地区常见的种植制度，而水资源短缺一直是影响该区冬小麦生产的关键因素[1]。如何充分利用自然降水，提高土壤保水性是冬小麦高产优质的基本前提。在这种种植制度下，玉米秸秆覆盖还田不仅能充分利用玉米秸秆资源，还能为冬小麦蓄水保墒起到积极作用[2]。近年来，很多学者在我国北方地区的河南、甘肃、陕西、山西、山东等不同地区针对玉米秸秆覆盖小麦也进行了一些试验研究，并取得一定成效[3-4]。

近年来的实践应用表明，秸秆覆盖对减少麦田土壤水分蒸发、提高麦田土壤保水性以及减少灌溉水需求量有积极的作用[5-6]，同时存在一些问题有待解决。综合不同研究结果可以发现，秸秆覆盖对冬小麦产量的提高作用并不稳定，增产、减产和不增产现象都有出现[7]，这与地域、气候条件(降雨量)等多种因素有关。前人研究认为，秸秆覆盖会导致冬小麦出苗率下降，且在春季(返青期)形成的土壤低温效应可能会阻碍根系生长的恢复，也可能间接地影响冬小麦的生育进程，引起植株早衰，最终影响产量提高[1]。此外，春季降温效应延长了冬小麦穗分化的时间，缩短了灌浆持续时间，增加了后期干物质和氮素由非籽粒部分向籽粒转移的效率，最终造成产量降低[9]。解决问题的关键是如何选择适宜的覆盖模式，以克服或减弱覆盖的春季低温效应，这也是本研究的关注点。更重要的是，小麦群体性较强，过量的秸秆覆盖会对小麦群体生长产生干扰。Liu 等[10]研究指出，常规播种方式下，秸秆覆盖对小麦群体产生物理性障碍，干扰了群体光合作用，且覆盖会减少小麦群体数量，最终影响小麦地上部生物量及产量。可见，采用合理的秸秆覆盖模式对冬小麦蓄水保墒和高产高效极为重要。

近年来，膜侧条播[11]、宽幅精播结合覆盖[10]、带状覆盖[12]等技术均在小麦覆盖模式上进行了优化，也证明了空行覆盖对减弱覆盖负效应的积极性。在覆盖或不覆盖条件下，空行种植的小麦产量及水分利用率优于常规种植，且在覆盖下的增产效果更加明显。总体上，空行覆盖对冬小麦产量具有一定补偿作用，主要体现在空行宽窄行种植减少了单位面积的群体数量，作物占有较多的生态位[13]。本研究立足于空行覆盖的积极效应，在最大化增加基本苗的基础上，通过田间定位试验，探讨双行种植+空行覆盖的模式对冬小麦的增产效果，以期为华北地区小麦玉米一年两作种植模式下最优秸秆覆盖模式提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区设在山西省临汾市韩村试验基地，位于36°19′N，111°49′E。该区地处半干旱、半湿润季风气候区，年平均气温9.0～12.9 ℃，降水量420.1～550.6 mm，无霜期127～280 d，多年平均降水494.19 mm。试验期降雨量及气温见表1。小麦生育期总降雨量为265.8 mm。土壤为石灰性褐土。耕层土壤pH为8.13，有机质含量为15.20 g·kg-1，EC值141.40 μs·cm-1，全氮含量为1.28 g·kg-1，碱解氮含量为76.69 mg·kg-1，有效磷含量为10.64 mg·kg-1，速效钾含量为117.0 mg·kg-1。

表1 冬小麦生育期间月降雨量和平均气温Table 1 Distribution of monthly precipitation and mean air temperature at the experimental site

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，无田间灌溉。供试冬小麦品种为临远8号，试验进行两年，于 2014年10月开始，2016年6月结束。覆盖材料为机械采收玉米后粉碎的秸秆，自然风干。播种方式有常规条播和双行条播，每小区面积为25 m2(2.5 m×10 m)，常规条播共11行，双行条播(每隔2行空1行)共8行，双行条播的单行播种量为常规条播的1.5～2倍。设置5个处理：无玉米秸秆覆盖(CK)、常规条播+行间覆盖玉米秸秆4 500 kg·hm-2(CPM1)、常规条播+行间覆盖玉米秸秆9 000 kg·hm-2(CPM2)、双行条播+空行覆盖玉米秸秆4 500 kg·hm-2(DPM1)、双行条播+空行覆盖玉米秸秆9 000 kg·hm-2(DPM2)。小麦分蘖初期开始玉米秸秆覆盖。每处理3次重复。播种前基施纯氮120 kg·hm-2、磷肥(P2O5)90 kg·hm-2和钾肥(K2O)90 kg·hm-2，其他田间管理措施同当地大田。

1.3 指标测定

土壤温度采用智能全自动土壤温度记录仪(L93-4，杭州路格仪器有限公司)测定，温度测量范围-40～100 ℃，测量精度±0.5 ℃，分辨率0.1 ℃。在小麦分蘖期秸秆覆盖后埋设于紧邻覆盖带的小麦种植行20 cm深度处，记录时间间隔设置为1 h。分蘖期(11月16日-12月15日)、越冬期(12月16日-2月25日)、返青期至起身期(2月26日-3月15日)、拔节期至孕穗期(3月16日-5月15日)、孕穗期至成熟期(5月16日-6月10日)均温为生育期间日温度数值取平均值。

土壤含水量用土钻法测定，每小区取3个点，取样点位于紧邻种植行的覆盖带，取样深度0～100 cm，每隔20 cm取样一次。烘干法测定相对含水量。土壤含水量=(土壤鲜重-土壤干重)/土壤干重×100%。根据A=0.1×W×ρ×h计算土壤贮水量(mm)。式中A为不同深度土壤贮水量(mm)；W为土壤含水量；H为土层厚度(mm)；ρ为土壤容重(g·cm-3)。

小麦收获期在各小区取样调查单位面积有效穗数(取1 m2样区)、地上部干物质重(取1 m2内全部植株地上部分，先蒸馏水清洗，105 ℃下杀青30 min，再75 ℃下烘72 h，利用天平称重)、穗粒数、千粒重、产量(由1 m2小区粒重折算)。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件对试验数据进行处理和作图。采用SPSS 17.0软件进行差异显著性检验(α=0.05)。

2 结果和分析

2.1 秸秆覆盖对麦田土壤温度的影响

从图1可以看出，从11月至2月下旬，土壤温度呈降低趋势，此时秸秆覆盖对土壤温度具有明显的增加效应，且覆盖量越大，增温效果越明显。相同覆盖量下，DPM的增温效果优于CPM。2月下旬后，土壤温度呈上升趋势，此时土壤温度变化范围较大，覆盖降低了土壤温度的变化幅度， DPM下温度变化范围更窄。

从不同生育阶段(表2)看，CPM1、CPM1、DPM2和DPM2的0～20 cm土壤平均温度在播种至分蘖期分别比CK增加0.567、0.968、0.646和1.117 ℃，越冬期分别增加0.613、0.849、0.608和0.987 ℃，返青至起身期分别增加1.034、1.168、1.554和1.85 ℃，拔节至孕穗期分别增加0.83、0.454、0.595和0.42 ℃，灌浆至成熟期分别增加0.56、0.416、0.497和0.364 ℃。可见，秸秆覆盖的增温效果在返青至起身期最明显。CPM1、CPM2、DPM1和DPM2 的0～20 cm土壤平均温度在全生育期分别比CK增加0.72、0.771、0.78和0.946 ℃。其中在相同播种方式下，播种至分蘖期、越冬期、返青至起身期高覆盖量的增温效果大于低覆盖量，且在相同覆盖量下，双行条播覆盖的增温效果较常规条播覆盖大。

图1 不同处理下冬小麦全生育期的0～20 cm土壤温度(两年平均)Fig.1 Temperature in 0-20 cm soil layer during winter wheat growing season (average of the two years)under different treatments表2 小麦不同生育阶段0～20 cm土壤平均温度Table 2 Average temperature in 0-20 cm soil layer at different wheat growth stages ℃

同行数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平。

Values followed by different letters in same row are significantly different among treatments at 5% level.

2.2 秸秆覆盖对麦田土壤水分的影响

秸秆覆盖条件下0～20和20～40 cm土壤含水量高于CK。2014-2015年，覆盖处理的0～20和20～40 cm土壤含水量在播种至分蘖期比CK 分别增加0.24%～6.7%和0.8%～8.57%，越冬期分别增加5.67%～21.26%和4.65%～13.05%，返青至起身期分别增加7.55%～13.83%和1.09%～9.29%，拔节至孕穗期分别增加2.81%～17.97%和4.45%～16.02%，灌浆至成熟期分别增加17.51%～32.38%和2.51%～5.79%。2015-2016年，覆盖处理的0～20和20～40 cm土壤含水量在播种至分蘖期比CK 分别增加0.99%～3.41%和0.78%～17.79%，越冬期分别增加4.82%～11.46%和3.33%～9.11%，返青至起身期分别增加7.43%～26.96%和1.53%～7.23%，拔节至孕穗期分别增加3.43%～26.76%和0.52%～20.43%，灌浆至成熟期分别增加17.51%～32.38%和0.58%～7.65%。可以看出，覆盖对0～20 cm土壤水分含量的增加作用比20～40 cm土壤大，且随着生育期延长，这种增加作用更加明显。2015-2016年覆盖对土壤水分含量的增加作用较2014-2015年大。

从图2可以看出，2014-2015年，覆盖对分蘖期0～100 cm土壤贮水量的影响不明显，覆盖处理相对于CK仅增加0.7～6.9 mm。越冬期，覆盖对土壤贮水量的增加作用较高， CPM1、CPM2、DPM1、DPM2的两年平均土壤贮水量较CK分别增加28.7、42.3、25.6和38.3 mm。孕穗期和成熟期DPM对土壤贮水量的增加作用较CPM更明显。孕穗期，CPM1、CPM2、DPM1、DPM2的两年平均土壤贮水量较CK分别增加7.15、12.05、15.75和18.7 mm，成熟期分别增加10.4、18.65、23.2和43.8 mm。

表3 不同处理下麦田0～40 cm土壤水分含量Table 3 Water content in 0-40 cm soil layer in wheat field under different treatments %

相同年份同列数据后不同字母表示处理间差异在0.05水平显著。表4同。

Different letters following data with in same year and column mean significant difference among treatments at 0.05 level.The same in table 4.

图柱上的不同字母表示同一时期不同处理间差异达0.05显著水平。

Different letters on the columns mean significant differen among treatments at same stage at 0.05 level.

图22014-2016年不同处理下麦田0～100cm土壤贮水量的变化

Fig.2Changeofwaterstoragein0-100cmsoillayerinwheatfieldunderdifferenttreatmentsduring2014-2016

2.3 秸秆覆盖对冬小麦干物质量、籽粒产量及其构成的影响

从表4可见， CPM下冬小麦地上部干物质量和籽粒产量不同程度下降，其中，CPM2对籽粒产量影响较大，两年平均下降15.6%。而DPM对地上部干物质量和籽粒产量具有一定的增加作用，DPM1和DPM2的籽粒产量平均增加14.5%和21.4%，且2015-2016年的增产作用较2014-2015年明显。CPM对穗数影响不明显，对穗粒数有明显的增加效应，但对千粒重的影响在两年表现不一，两年分别呈负向和正向效应；DPM对穗数和穗粒数均有明显增加效应，两年对千粒重也分别表现为负向和正向效应；相对而言，DPM对产量构成的改善作用较强，尤其是DPM2。

表4 不同处理下冬小麦地上部干物量、产量及其构成Table 4 Shoot biomass, yield and its components of winter wheat under different treatments

3 讨 论

秸秆覆盖对冬小麦生长及产量的影响首先是通过对土壤环境的调节作用来实现，土壤温度和水分条件是主要变化因素[14]。土壤温度的调控作用一直被认为是影响冬小麦产量提高的关键因素，这种影响是潜在的和长期性的[15]。秸秆覆盖下前期的增温作用和后期平抑土壤温度的波动程度是秸秆覆盖对冬小麦土壤温度影响的普遍规律[16]。从本研究中土壤温度变化曲线可以看出，返青期后，土壤温度开始回升，此时秸秆覆盖减缓土壤升温和降温的效应并存，即覆盖降低日最高温度并提高日最低温度。值得指出的是，在返青期地温回升这一初始阶段，DPM对土壤温度的增温效应仍然存在，而CPM开始出现降低温度变幅的状态。说明DPM对减弱温度变幅的时间相对CPM较迟，这可能与前期增温幅度大有关，且地温变化相对较慢，使DPM下土壤进入降温状态，这个关键点的存在为返青期根系恢复和植株生长提供了有利的土壤温度条件。此外，在相同覆盖量下，与CPM相比，DPM缩短土壤零下温度的天数，使冬小麦越冬更加安全。

覆盖的保水性主要体现在抑制土壤蒸发、影响降水的蓄纳入渗等过程[17]。CPM由于覆盖面积较大，基本上处于一个全封闭的状态，对抑制土壤蒸发有较强的作用，但同时较大的覆盖面积也会阻挡雨水入渗。因此，如果在雨水充足的年份，DPM的入渗强度大，比其蒸发的损失更占优势。2014-2015年干旱年份，覆盖的保水性不如2015-2016年效果好。2015-2016年10-11月份有明显降水，该时期降水为冬小麦提供了出苗和之后良好生长发育的水分条件。两年的相同点是12月至次年1月，几乎没有降水，此时期覆盖对土壤水分含量影响较为关键。有研究指出，覆盖的保水性在一定程度上可以补偿低地温对小麦生长的阻碍作用，促进根系下扎[18]。冬小麦生长前期，地面裸露面积大，因此覆盖对抑制土壤蒸发的作用在生育前期的影响较大。随着植株密度的加大，植株覆盖度增加，土壤蒸发的强度也相应减少[19]。此外，植物蒸腾耗水也影响土壤水分状况[20]，这主要体现在灌浆期至成熟期，此阶段植株群体密度大[13]。同时，覆盖降低土壤温度变幅，对抑制土壤水分蒸发也起到一定作用[21]。生育前期，CPM的保水效果优于DPM，覆盖量大的处理，阻挡水分蒸发的强度越大。生育后期CPM下秸秆覆盖层较薄，加上腐化分解，覆盖的保水作用也逐渐减弱。因此，在生育后期，相同覆盖量下CPM的保水性低于DPM。

年份间小麦产量存在差异，这与年份间的降雨量不同有很大关系，这同时也影响覆盖对冬小麦的增产效果。尽管秸秆覆盖有优良的保水特性，但是CPM的增产效果较差，这可能与返青期持续的降温效应有关，但最重要的是CPM由于覆盖面积较大，对冬小麦生长产生一定干扰性，形成物理性障碍，减弱了植株密度[22]， 这在陈素英等[1]和Yin 等[23]研究中均有体现。在返青期后，CPM下低的植株密度表现越明显，尤其在高覆盖量下。这可能也是后期CPM下保水效果降低的原因。尽管在CPM下小麦单位面积有效穗数减少，但是穗粒数仍然比CK高，可见CPM下表现出个体优势。本研究的两种覆盖模式下播种量相同，在CPM下增加播种量是否可以克服秸秆覆盖的负效应尚需进一步探讨。两年结果可以看出，覆盖在2015-2016年的增产效果优于2014-2015年。两年试验分别为极度干旱年和干旱年，在丰水年秸秆覆盖的增产效果有待进一步研究。单位面积有效分蘖数增加是DPM下产量提高的关键因素。空行覆盖模式覆盖材料对小麦的干扰性相对较小，种植带与覆盖带分离可以使小麦植株空间合理分布[24-25]，更有利于小麦生长。同样，在DPM下增加播种密度是否能使这种增产效应进一步提升，其增产机制如何，值得深入探讨。

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