秸秆粉碎覆盖沟播对旱地冬小麦产量及土壤水热特征的影响

张 蓉，董禄信，孙长红，路 平，许 静

（甘肃省定西市通渭县农业技术推广中心，甘肃定西743300）

土壤水分含量是影响农作物生长和产量形成的主要因素之一，我国西北部半干旱雨养农业区气候干燥，降雨稀少且分布不均，土壤无效蒸发强烈，致使该区农业生产用水匮乏，严重限制该区的农业生产[1]。如何在农业生产中抗旱保墒，降低土壤无效蒸发，提高农业生产力是该区农业生产的重中之重。

我国具有较为丰富的秸秆资源，当前大量焚烧秸秆已造成了严重的生态污染，且大大降低了土地肥力[2]。因此，在西北半干旱雨养农业区进行秸秆覆盖种植对该区农业生产具有重要意义。研究发现[3-5]，秸秆覆盖能提高土壤孔隙度和通透性，能有效调节植物对水分的需要，为作物高产提供了有利的水分环境。秸秆覆盖地表后能改善农田小气候，进而影响作物生长环境，抑制了无效蒸发，增加了降水下渗，蓄水保墒效果十分显著[6-11]。巩杰等[12]研究表明，在降雨有限的旱作区进行秸秆覆盖能显著改善0～40 cm 的土壤墒情，从而使水分利用效率提高9.6%～20.9%，小麦产量可提高12.4%～29.6%。杨长刚等[13]也认为，秸秆覆盖能明显抑制土壤无效蒸发，促进冬小麦生长，产量能较露地对照提高19.3%～51.8%。范颖丹等[14]研究发现，冬小麦全生育期0～200 cm 土层的平均含水量，秸秆带状覆盖栽培下均高于聚乙烯农用地膜覆盖和露地栽培，冬小麦籽粒产量较露地增产5%～16.7%。目前，国内外对于秸秆覆盖的研究多集中于传统全地面覆盖或整秆覆盖，而针对粉碎秸秆覆盖栽培的研究比较少，粉碎秸秆覆盖相比传统的整秸秆覆盖，能大大减少秸秆在地表的腐熟时间，可有效提高秸秆还田的利用效率。此外，在西北半干旱区，尽管聚乙烯农用地膜覆盖种植冬小麦提高产量效果明显，但聚乙烯农用地膜覆盖栽培技术的连年推广应用所带来的白色污染，对旱作农业的可持续性发展带来严重挑战[15,16]。为此，本试验拟研究秸秆粉碎垄状覆盖集雨保墒技术对冬小麦产量的影响，以期寻求新的冬小麦绿色可持续栽培模式，为陇中雨养农业区冬小麦的生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2019年9月-2020年7月在甘肃省定西市通渭县碧玉镇石滩村进行，该地处黄土高原丘陵沟壑区，属陇中干旱半干旱雨养农业区，无灌溉条件，海拔1 860 m，年均气温7.5 ℃，无霜期130～150 d，日照时数2 100～2 430 h，多年平均年降水量390 mm，蒸发量1 700 mm，冬小麦生育期内降雨量285.5 mm。土壤质地为旱川地黄绵土，土壤有机质含量为11.26 g/kg、速效氮1.20 g/kg、速效磷18.7 mg/kg、速效钾为15.5 g/kg。冬小麦全生育期内降雨及大气温度如图1所示。

1.2 试验设计及方法

1.2.1 试验设计

采取不同覆盖模式单因素随机区组设计，设两个秸秆覆盖处理，分别为秸秆粉碎覆盖微垄沟播（SM1）、秸秆粉碎覆盖微垄宽幅沟播(SM2)，以传统露地条播为对照（CK），共3个处理，每个处理3 次重复，小区面积3.4 m×8 m=27.2 m2，供试冬小麦品种为陇中7号，于2019年9月27日播种，2020年7月7日收获。

1.2.2 种植方法

（1）秸秆粉碎覆盖微垄沟播(SM1)：在耙耱平整的耕地上，利用粉碎秸秆覆盖形成宽22 cm、高5～10 cm 的微垄，垄与垄之间形成12 cm宽的沟，幅宽34 cm=秸秆覆盖垄宽22 cm+沟宽12 cm；秸秆覆盖量为5 400～6 000 kg/hm2，将玉米秸秆粉碎成2～5 cm 的细碎秸秆，然后按小区折算出每个垄面覆盖的秸秆量1.63 kg，将粉碎秸秆均匀撒在每个垄面上，再在秸秆上撒上一定量的细土（厚度1 cm、覆盖度达到1/3 左右），以防大风侵蚀，沟内用播种机播种2行小麦。

（2）秸秆粉碎覆盖微垄宽幅沟播(SM2)：起垄及覆盖方法同（SM1），采用人蓄力宽幅匀播机在沟内宽幅匀播。宽幅匀播技术是将小麦单行播幅由传统的3～5 cm 加宽到9～12 cm，行距由传统的15～18 cm 增加到20～22 cm，种子均匀分散，加大了单株生长空间，减小了株间相互竞争养分，分蘖成穗率大幅度提高，提高穗粒重量，增强抗倒能力。

（3）露地条播（CK）：采用人畜力三行播种机播种。3 个处理播种量均为225 kg/hm2。施肥水平各处理相同，N150 kg/hm2、P2O584 kg/hm2，肥料为过磷酸钙、磷酸二胺和尿素，全部过磷酸钙和磷酸二铵及2/3 氮肥按小区称量于播前混合均匀撒在地表，深耕翻入地下做底肥，剩余的1/3 氮肥结合降雨在拔节期追施。

1.3 测定项目及测产

1.3.1 土壤水分测定

在小麦生长的各生育时期[播种期（2019年9月27日）、越冬期（2019年12月1日）、返青期（2020年3月15日）、拔节期（2020年4月15日）、孕穗期（2020年5月20日）、扬花期（2020年6月1日）、灌浆期（2020年6月20日）、成熟期（2020年7月7日）]各小区分0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～150、150～180、180～200 ㎝共9 个土层分别于小麦种植行间取土样，用烘干法测定土壤含水量。

土壤含水量（%）=（土壤鲜质量－土壤干质量）/土壤干质量×100%。

各生育时期0～200 cm 土壤平均含水量为每一个生育时期各个土层土壤含水量的算术平均值；各土层全生育期土壤平均含水量为每一个土层各个时期土壤含水量的算术平均值。

1.3.2 土壤温度的测定

各小区选择一定点，在小麦各生育时期（与土壤水分测定同一天），分5、10、15、20、25 cm 共5 个土层分别于小麦种植行间用曲管温度计测定土壤温度。各生育时期测定时，均选在晴朗干燥天气进行，分别在7∶00、14∶00和19∶00分3次测定，土壤日均温取早、中、晚3次测定平均值。

各生育时期0～200 cm 土壤平均温度为每一个生育时期各个土层土壤温度的算术平均值；各土层全生育期土壤平均温度为每一个土层各个时期土壤温度的算术平均值。

1.3.3 光合特性测定

测定项目为：净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、和蒸腾速率（Tr）。测定时期：从开花时开始，每次测定在红蓝外加光源下选取晴天无风的9∶00-11∶00进行。采用CO2浓度为365µmol CO2/mol 左右的开放式气路，观测仪器为LI-6400XT（美国LI-COR 公司生产）便携式光合作用测定仪。每个处理选取生长一致的旗叶3 片，每片各测3 个数据，取3 片旗叶所测得的9 个数据的平均值为各处理的平均净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、和蒸腾速率（Tr）。

1.3.4 旗叶叶绿素含量的测定

用叶绿素计（日本生产的Mini 型）测定叶绿素含量，叶绿素含量以SPAD 值表示。从小麦开花期开始，每隔7 d 分别在各处理小区中随机选取10 片小麦旗叶测定叶绿素含量，取10片小麦旗叶的叶绿素平均值为各处理平均叶绿素含量。

1.3.5 产量测定

小麦成熟前1 周，每小区选3 点测定单位面积穗数；成熟后按小区收获，脱粒后晒干称重，计算产量，籽粒含水量约为12.5%。各小区随机取20 株室内考种，按国标方法测定穗粒数、千粒重。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2003 和SPSS 20.0 软件处理和分析数据，用LSD法进行多重比较。用Microsoft Excel 2003作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤水分的影响

由图2 可见，3 个处理对冬小麦全生育期不同土层的土壤含水量有显著差异，覆盖处理平均较CK 提高冬小麦全生育土壤水分4.3%，且以SM2处理的增墒幅度最大（4.9%）。具体来看，在各生育时期中[见图2(a)]，随着生育期的推进，各处理土壤含水量呈先降后升再降的趋势。与CK 相比，SM1 和SM2处理在越冬期、返青期、拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期和成熟期分别提高土壤含水量3.8%～5.9%和2.8%～7.4%，两处理分别在返青期（5.9%）和灌浆期（7.4%）增墒幅度最大。从播种期～开花期SM1 和SM2 处理间土壤水分均无显著差异，但在灌浆期（3.0%）和成熟期（3.5%），SM2 处理的土壤含水量明显高于SM1处理。各土层中[见图2(b)]，随着土层的加深，覆盖处理的土壤水分均高于CK 2.8%～7.1%，SM1 和SM2 处理分别在上层(0～60 cm)、中层(60～120 cm)、下层(120～200 cm)土壤分别较CK 提高土壤含水量4.4%、4.7%、2.4%和5.3%、4.9%、4.5%。两个覆盖处理间，在上层和下层土壤中SM2 处理土壤含水量较SM1 高0.8%和2.0%，中层土壤两处理无显著差异。可见，秸秆粉碎覆盖微垄沟播技术均能显著提高冬小麦全生育期土壤水分，且秸秆粉碎覆盖宽幅沟播技术的保墒效果好于微垄沟播。

2.2 不同处理对土壤温度的影响

由图3 可见，各处理对冬小麦全生育期0～25 cm 土层土壤温度的影响有明显差异，覆盖处理平均较CK 降低冬小麦全生育期土壤温度5.4%，且以宽幅沟播处理的降温幅度最大5.8%。具体来看，在各时期中[见图3(a)]，SM1 和SM2 处理在越冬期～返青期阶段均较CK 有增温作用，分别较CK 增温0.9 ℃和1.24 ℃；拔节期～成熟期，SM1和SM2处理的土壤温度均低于CK7.3%和8.6%。其中，SM1处理在拔节期的温度降幅最大（8.9%），而SM2处理则在开花期最大（11.1%）。两覆盖处理间，各生育时期土壤温度均无明显差异，但SM2 处理在开花期和灌浆期的土壤温度均低于SM1 处理。各土层中[见图3(b)]，土壤温度随着土层的加深均呈现降低的趋势，其中，SM1 和SM2 处理的土壤温度在各土层均较CK 降低2.3%～8.2%和3.3%～8.2%。而两覆盖处理间各土层土壤温度无明显差异。可见，秸秆粉碎覆盖处理能明显起到调节土壤温度的作用，在越冬期～返青期的增温作用和拔节后的降温作用能有效减缓温度剧烈变化对小麦根系的伤害，有利于小麦的生长发育。

2.3 不同处理对旗叶叶绿素的影响

由表1可见，覆盖处理均可明显提高冬小麦灌浆期叶绿素含量。在灌浆前期，SM2 处理的叶绿素含量显著高于CK 8.7%，而SM1 处理与CK 无显著差异；在灌浆中期，SM1 和SM2 处理均显著较CK 提高3.9%和9.3%，灌浆后期分别显著提高7.7%和12.1%。两个秸秆覆盖处理间，SM2 处理的叶绿素含量在灌浆前、中、后期均显著高于SM1 处理7.2%、5.2%和4.2%。可见，碎秆覆盖可显著提高冬小麦叶片叶绿素含量，以宽幅沟播处理最为明显，叶绿素含量的提高，有利于光合作用的进行，从而促进营养物质向籽粒运输，提高小麦产量。

表1 不同处理对叶绿素的影响Tab.1 Effects of different treatments on chlorophyll

2.4 不同处理对光合速率的影响

由表2 可见，随着生育期的推进，冬小麦的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度及蒸腾速率均呈现先增后降的趋势。覆盖处理在各时期均能较露地种植改善冬小麦的光合作用。具体来看，SM1 处理在灌浆前、中、后期分别较CK 提高净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度及蒸腾速率15.8%～27.3%、2.4%～12.5%、0.8%～17.6%和6.2%～15.8%；SM2处理在灌浆前中、后、期分别较CK 提高25.3%～62.7%、6.3%～19.0%、2.4%～18.9%和12.3%～43.9%。可见，碎秆覆盖处理能延缓植株生长，提高植株的净光合效率，延长了光合时间，增加了光合同化物，进而有利于冬小麦产量的形成。

表2 不同处理冬小麦光合作用的影响Tab.2 Effects of different treatments on photosynthesis of winter wheat

2.5 不同处理对产量的影响

由表3 可见，覆盖处理均能显著较CK 提高冬小麦产量12.3%，以SM2 的增产幅度最大。具体来看，SM1 和SM2 处理分别较CK 提高了冬小麦产量8.9%和15.7%。两个覆盖处理之间，SM2处理显著较SM1处理提高了6.2%。

表3 不同处理对冬小麦产量的影响Tab.3 Effects of different treatments on winter wheat yield

从产量构成来看，碎秆覆盖均能显著较CK 提高单位面积穗数、穗粒数和千粒重，SM1 处理的单位面积穗数、穗粒数和千粒重显著较CK 提高了12.7%、7.3%和8.7%，SM2 处理显著提高了15.7%、10.6%和10.2%。单位面积穗数、穗粒数和千粒重的提高是碎秆覆盖处理提高冬小麦产量的重要原因之一。

3 讨论和结论

陇中地区是全国旱作小麦生产的重要区域之一，全膜覆土穴播栽培技术的广泛应用，为陇中地区冬小麦的高产稳产、粮食增产增收做出了突出贡献，是当前雨养农业区农业生产中密植作物中最可靠的增产技术[17]。但是，随着聚乙烯农用地膜的连年使用，废旧农用地膜带来的污染问题也日益严重[15,16]。刘艳霞等[18]研究表明，聚乙烯农用地膜种植技术的应用在增加农作物产量同时，也逐渐增加了废旧地膜残留在土壤中不断累积，土壤结构遭到了破坏，阻碍了水分和肥料在土壤中的交换和输导，进而影响了农作物的健康生长和产量的有效形成。因此，探索一种以高产、增收增效、绿色可持续发展的栽培技术在旱农区显得尤为重要。大量研究发现[3,19-24]，秸秆覆盖栽培能改善农作物生长小环境，有效抑制土壤水分无效蒸发，促进农作物对土壤水分利用效率，从而增加作物产量。在冬小麦上，已有诸多学者证实[25-28]，秸秆覆盖种植冬小麦，有利于冬小麦穗粒数和千粒重的提高，能提高冬小麦的产量。杨长刚等[13]研究表明，秸秆覆盖栽培可不同程度地提高冬小麦的穗粒数和千粒重，从而显著提高了冬小麦产量。本研究也得到了相似结论，碎秆覆盖种植明显较露地条播提高了冬小麦的产量，且SM2 处理的增产幅度大于SM1。增产的关键在于秸秆粉碎覆盖后对穗粒数和千粒重的改变，而宽幅播种后使得麦种分散均匀，实现了光、热、水、肥的平衡协调，更有利于分蘖及粒重的增加，进而提升了产量。也有研究证实[26,29-32]，秸秆覆盖后具有显著的蓄水保墒，调节地温的作用，能促进冬小麦的生长及产量的形成。本研究中，玉米秸秆粉碎覆盖栽培处理的增墒调温效果明显好于露地条播，且以SM2 处理的增墒效果更明显。这可能是由于秸秆经过粉碎处理覆盖地表后，有利于降雨的入渗，起到了良好的保墒效果，另外，秸秆粉碎覆盖后，形成的物理阻隔层，有利于土壤温度的调节，在越冬期～返青期，大气温度较低的情况下起到了良好的保温作用，而到拔节期以后，由于冠层的增大，碎秆覆盖又可起到降温的作用，缓解了温度的剧烈变化对冬小麦根系的危害，有利于冬小麦高产的形成。因此，秸秆粉碎覆盖微垄沟播技术是一项适宜于西北部半干雨养农业区冬小麦生产的绿色可持续栽培模式。