旱地冬小麦秸秆带状覆盖不同模式的水分效应

李 瑞，程宏波，王 芳，柴雨葳，陈玉章，常 磊，黄彩霞，柴守玺

(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学生命科学与技术学院，甘肃 兰州 730070；3.甘肃农业大学工学院，甘肃 兰州 730070)

土壤水分是影响作物生长的主要因子，我国西北的半干旱雨养区土壤贫瘠，春季多风少雨，气候异常干旱，尤其是水分极度匮乏，严重限制了该区的农业发展，因此抗旱保墒农业势在必行。我国的秸秆资源极为丰富，大量焚烧秸秆给生态环境造成了严重污染，而且大大降低了土地肥力[1]。在降雨量少蒸发量大的半干旱雨养区进行秸秆带状覆盖具有重大意义，研究发现[2-4]，秸秆覆盖有利于土壤团聚体结构的形成，通过提高土壤孔隙度、持水性、通透性和土壤有机质含量，来有效调节植物对水、肥、气、热的需要，为作物高产提供了有利的条件。秸秆覆盖后能改善农田小气候，进而改善作物的生长环境，通过改良土壤结构来控制水土和有机碳的流失，抑制无效耗水，增加降水下渗，蓄水保墒效果十分显著[5-9]。目前国内外研究对于秸秆覆盖方式主要为全地面均匀覆盖，由于降温显著、影响作物出苗及生长，对其增产增效的争议颇多。我国自20世纪70年代后期就对免耕秸秆覆盖开始进行了系统研究，秸秆覆盖能明显减弱土壤蒸发，能极显著提高水分利用效率和作物产量[10]。秸秆覆盖在旱地更能极大地蓄水保墒，促进冬小麦分蘖和根系生长，明显提高了生物量，有效节水并增产[11-12]。王昕等[13]研究表明，适量的秸秆覆盖下玉米的增产幅度可高达16.9%，水分利用效率能增加4.3～5.6kg·hm-2·mm-1。巩杰[14]研究也表明，在降雨有限的旱作区进行秸秆覆盖能显著改善0～40cm的土壤墒情，从而使水分利用效率提高9.61%～20.93%，小麦产量可提高12.47%～29.63%。许翠萍[15]认为，秸秆覆盖能明显抑制土壤无效蒸发，促进冬小麦生长，水分利用效率能较露地对照提高4.6%～25.2%。范颖丹等[16]发现，秸秆带状覆盖下冬小麦全生育期0～200cm土层的平均含水量高于地膜覆盖和露地对照，籽粒产量较露地对照提高5%～16.7%。但陈素英等[17]认为，秸秆覆盖能降低冬小麦穗数，降低温度，延迟了生育期使得灌浆时间缩短，千粒重减小，从而影响了产量。还有学者[18-20]发现，秸秆覆盖并不能增加水分利用效率，甚至影响了出苗和分蘖，从而造成减产。

针对秸秆均匀覆盖降温问题，柴守玺团队[21]于近年研究提出“玉米整秆带状覆盖小麦栽培新技术”。该技术主要利用玉米整秆、采取“种的地方不覆、覆的地方不种”，种植带和覆盖带相间排列，不减少播种量、局部密植。该技术解决了秸秆覆盖保墒与降温的矛盾，提高降水入渗率，为玉米秸秆资源开辟了再利用新途径。柴守玺团队2013、2014两年的研究表明，该技术可较传统露地种植增产30%以上，产量与甘肃省目前主推的全膜覆土穴播技术相近。本试验以常规播种为对照，通过对4种不同带幅的玉米整秆带状覆盖方式对冬小麦产量和0～200cm土壤水分的影响研究，旨在发现不同覆盖带幅对冬小麦土壤水分在生育时期间、土层间变化的影响，以期为秸秆带状覆盖技术寻求最佳覆盖模式，为该技术在半干旱雨养小麦主产区的推广应用提供可行性理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015年9月～2016年7月在甘肃省通渭县平襄镇甘肃农业大学试验基地进行，该区为黄土高原雨养农业典型代表区，土壤为典型黄绵土。试验基地属半湿润半干旱季风气候，海拔1760m，年日照时数2100～2430 h，年均温6.6℃，无霜期120～170 d，年蒸发量>1500 mm，年均降水量380.2 mm，其中约68.0%在6～9月集中降落。试验点冬小麦生育期多年平均降水量为268.9 mm，约占全年降水量的70.7%。试验年度冬小麦生育期总降水量194.8 mm，比常年同期降水量低27.6%，其中≥5mm的有效降水112.8 mm，占全生育期降水量的57.9%，主要集中在4～6月份(见表1)。

表1 2015～2016年冬小麦生育期降水量/mm

1.2 试验设计

试验共设5个处理(见表2)，其中玉米整秆带状覆盖处理4个(MS3，MS4，MS5，MS6)，以无覆盖露地条播为对照(CK)。小区面积140m2，3次重复，随机区组排列。

风干玉米整秆覆盖量为9000kg·hm-2，于10月中旬(越冬前)铺在覆盖带上，冬小麦供试品种为兰天26号，播种量均为225 kg·hm-2，与当地常规播量一致，行距17cm，播种深度5cm，播后耱平，秸秆带状覆盖各个处理均不同程度的提高了行播量，以保持亩播量与CK的一致。各处理所施纯氮150 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2，作为基肥一次性施入，后期不再追肥，在开花期进行1次“一喷三防”作业。

表2 试验处理描述

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分测定

(1)在小麦播种期、越冬期，返青期，拔节期，孕穗期，开花期、灌浆期，乳熟期及蜡熟期，各小区分0～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150、150～180和180～200cm共8个土层分别取土样，各处理取样位置均在小麦行间，用烘干法测定土壤含水量。计算公式为：土壤含水量(%)=(土壤鲜质量-土壤干质量)/土壤干质量×100%。

(2)土壤贮水量、作物耗水量的计算

土壤贮水量计算公式为：

W=h×ρ×ω×10

式中,W为土壤贮水量(mm)；h土层深度(cm)；ρ为土壤容重(g·cm-3)，本试验各土层ρ平均为1.250 g·cm-3；ω为土壤含水量。

农田耗水量计算公式为：

ET=ΔW+P+I-D+Wg-R

ΔW=W1-W2

式中,ET为小麦生育期农田总耗水量(mm)，ΔW为生育期土壤贮水量变化量(mm)；P为≥5 mm有效降雨量；I为灌溉量(mm)；D为灌溉后土壤水向下层流动量(mm)；Wg为深层地下水利用量(mm)；R为地表径流(mm)；W1、W2分别为播前和收获时的土壤贮水量(mm)。本试验无灌溉条件，地下水位在10 m以下，冬小麦生育期无地表径流，故I、D、Wg和R可忽略不计。

(3)水分利用效率

WUE=Y/ET

式中，WUE为水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)，Y为籽粒产量(kg·hm-2)，ET为小麦生育期总耗水量(mm)。

1.3.2 农艺指标测定 在收获期采集植物样品，每小区随机选取3个采样点，每点取20株，沿根茎结合处剪去根系后，进行考种。冬小麦产量数据采用全区收获法确定，现场称鲜重，取样测定含水量后按13%含水量折算籽粒产量。

1.3.3 土壤温度测定 于越冬前将直角地温计埋入各小区小麦行间，从越冬期至蜡熟期分5、10、15、20、25 cm共5个土层，在各生育时期选择干燥的晴天，分别在6∶00、13∶00和19∶00做3次测定，取平均值。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS19.0软件处理和分析数据，用LSD法进行多重比较，显著性水平设定为α= 0.05。

2 结果与分析

2.1 产量及重要指标差异

从表3可知，秸秆带状覆盖对冬小麦产量和水分利用效率有不同程度影响，总体来看，随播种带加宽产量和水分利用效率逐渐降低，MS3和MS4产量分别较CK显著提高69.1%、41.3%，水分利用效率提高88.1%、39.1%；MS5、MS6的产量和水分利用效率与CK均无显著差异。

比较产量结构因素可见，处理间单位面积穗数和穗粒数差异较大，变异系数(CV)分别为15.3%和11.7%，而千粒重较稳定(CV值为4.4%)。覆盖处理中，MS3、MS4显著提高了穗数和穗粒数，其中MS3的穗数、穗粒数分别高于对照20.2%、37.4%，MS4较CK分别提高13.5%、27.3%；MS5和MS6穗数分别比CK显著低8.0%、17.9%，而穗粒数分别增加20.0%和26.7%。相关分析表明，冬小麦产量与单位面积穗数显著正相关(r=0.902*)。由分析可见，MS3、MS4增产主要是因为适宜的带幅利于提高单位面积穗数和穗粒数。

不同秸秆带状覆盖对小麦营养生长有不同程度影响。其中MS4和MS3分别较CK显著增加株高18.5%和16.7%，MS5、MS6则与CK差异不显著。秸秆带状覆盖处理均较CK显著提高收获指数，以MS3增幅最大(9.2个百分点)，MS4、MS6、MS5增幅相近(5.4～6.5个百分点)。

比较各个处理的土壤温度发现，秸秆带状覆盖能降低冬小麦全生育期0～25cm土层的土壤平均温度，不同程度地减缓了冬小麦的生育进程，MS3和MS4分别较CK降低了1.7℃和2.2℃，MS5和MS6分别较CK降低了0.9℃和0.8℃，倒春寒发生的时间正值MS5和MS6的冬小麦孕穗期，导致相当一部分小麦因为冻害严重而未能抽穗，MS3和MS4因为生育进程更加滞后，使得冻害对孕穗的影响较小。

秸秆带状覆盖处理小麦全生育期耗水量随带幅的增大而增加，其中MS3较CK显著降低10.0%，而MS4、MS5、MS6分别较CK高出1.5%、6.3%、10.2%，MS6与CK差异达到显著水平。相关分析表明，冬小麦产量与土壤耗水量显著负相关(r=-0.828*)。

2.2 土壤含水量差异

2.2.1 全生育期0～200cm土壤平均含水量 从图1可知，秸秆带状覆盖能影响冬小麦全生育期的土壤平均含水量，且随着播种带幅的增大而降低，其中MS3的土壤含水量最高，蓄水保墒效果最好，较CK显著提高1.00个百分点，其次是MS4较CK显著提高0.35个百分点，而MS5、MS6与CK的差异不显著。

2.2.2 不同生育时期0～200cm土壤平均含水量 从图2可见，随着冬小麦生育时期的推进，各处理0～200 cm土壤平均含水量总体呈递减趋势，且随种植带幅加大，秸秆带状覆盖处理从播种期到蜡熟期土壤含水量的降幅也增大，各处理降幅依次为：MS6(6.89个百分点)>MS5(6.48个百分点)>MS4(5.98个百分点)>CK(5.83个百分点)>MS3(4.79个百分点)。比较各生育阶段土壤含水量降幅可见，各处理均在返青期～孕穗期的降幅最大，处理间仅MS3(3.31个百分点)与CK(3.26个百分点)相近，其它处理降幅为3.93～4.33个百分点，均显著高于CK。

比较各生育时期处理间变异系数可见，处理间差异依次为：蜡熟期(7.77%)>拔节期(7.21%)>越冬期(6.65%)>孕穗期(6.38%)>灌浆期(5.72%)>乳熟期(5.03%)>返青期(3.95%)>开花期(2.24%)，各生育时期处理间极差值0.64～2.47个百分点，最大极差值出现越冬期的MS3与MS6之间，最小极差值则出现在开花期的MS3与MS5之间。

表3 产量及主要指标差异

注：*，**分别表示在0.05水平上相关性显著和极显著。

Note: *,** indecate correlation significant and highly significant at the 0.05 level.

图1 全生育期0～200cm土壤平均含水量Fig.1 Mean soil moisture content in 0～200cm soil layers at whole growth stages

注：误差线代表LSD0.05。SD：播种期；WT：越冬期；RV：返青期；JT：拔节期；BT：孕穗期；BM：开花期；GF：灌浆期；MK：乳熟期；RN：蜡熟期Note: Error bars show the LSD0.05. SD: seeding; WT: wintering; RV: revival; JT: jointing; BT: booting; BM: blooming; GF: grain-filling; MK: milking; RN: ripening图2 各生育时期0～200cm土壤平均含水量Fig.2 Mean soil moisture content in 0～200cm soil layers at different growth stages

比较各生育阶段秸秆带状覆盖土壤含水量与CK的差值可见，MS3和MS4在播种期～越冬期、返青期～孕穗期、开花期～蜡熟期均较CK具有显著增墒作用，其中MS3依次较CK增墒1.07、1.55、0.67个百分点，MS4依次较CK增墒0.30、0.43、0.31个百分点。而MS5仅在返青期～孕穗期较CK增墒0.48个百分点，在播种期～越冬期、开花期～蜡熟期分别较CK降墒0.13和0.43个百分点；MS6在上述各生育阶段分别较CK降墒0.17、0.33、0.29个百分点。

比较各个处理在各生育时期土壤含水量的变异系数发现：MS5(18.9%)>MS6(18.7%)>MS3(17.4%)>MS4(17.0%)>CK(16.9%)，说明秸秆带状覆盖加剧了时期间的土壤水分波动，其中MS3在各时期间变异系数最小，即水分波动较小，时期间土壤供水较稳定。

2.2.3 不同土层全生育期土壤平均含水量 从图3可知，无覆盖露地(CK)的土壤含水量随土层加深而增加，在180～200cm土层达到最高(16.12%)，比0～20cm增加了5.7个百分点。秸秆带状覆盖对土壤水分在土层间的分布有一定的影响，总体来看随着土层深度的增加，土壤含水量表现出先减后增的趋势。在0～60 cm土层由于蒸腾耗水和蒸发耗水的双重作用，秸秆带状覆盖的土壤含水量随土层加深而逐渐下降，各覆盖处理均在40～60cm土层达到最低，平均为10.58%(10.42%～10.71%)，处理间差异不显著；60cm土层以下总体随土层加深而逐渐增大，其中MS4、MS5、MS6与CK的变化趋势一致，均在180～200 cm土层含水量达到最高，平均为15.96%(15.42%～16.66%)，以MS4最高、MS6最低；而MS3在60～120cm土层中含水量剧增，且在90～120 cm土层达到最高为16.70%，而120 cm以下又总体呈下降趋势，至180～200 cm土层含水量为15.59%。MS3在60～120 cm土层含水量显著高于其它处理3.82～4.63个百分点，即对0～60 cm土层的供水补给能力好于其它处理。

比较各土层处理间变异系数可见，处理间差异以60～150 cm(6.73%～14.15%)最大，其次为150～200 cm土层(3.29%)，0～60 cm土层最小(2.47%)。各土层处理间极差值为0.29～4.63个百分点，最大极差值出现在90～120 cm土层的MS3与MS6之间，最小极差出现在40～60 cm土层MS4与MS6之间。

比较各土层秸秆带状覆盖土壤含水量与CK的差值可见，在0～60 cm土层各覆盖处理总体较CK增墒0.43(0.23～0.55)个百分点，增墒幅度以MS5最高、MS6最低；在60～200 cm土层，MS3与MS4较CK分别显著增墒1.33和0.25个百分点，MS5、MS6则较CK显著降墒0.39、0.58个百分点。

图3 不同土层全生育期土壤平均含水量Fig.3 Mean soil moisture content of different soil layers at whole growth period

比较不同处理间土壤含水量的变异系数发现：MS3(17.8%)>MS4(17.6%)>CK(17.0%)>MS6(14.8%)>MS5(14.5%)，说明MS3和MS4对土层间水分波动具有加剧作用，MS5、MS6则具有平抑作用。

2.2.4 土壤水分的时空动态 由表4、表5可知，秸秆带状覆盖在不同生育时期、不同土层均具有增墒和降墒的双重效应。统计比较各覆盖处理在8个生育时期、8个土层总计64个测定点较CK增墒点次比例，依次为：MS4(68.8%)>MS3(62.5%)>MS5(45.3%)>MS6(34.4%)。秸秆带状覆盖在各生育阶段的增墒点次依次为：越冬期～返青期(62.5%～71.9%)>拔节期～开花期(50.0%～56.3%)>灌浆期～蜡熟期(31.3%～50.0%)；土层间依次为：0～60 cm(46.9%～96.9%)>60～200 cm(31.25%～53.1%)。

各处理在不同时期、不同土层的增墒点次分布差异较大。其中MS3、MS4在各时期各土层总体均较CK增墒，但MS3在各时期0～200 cm 8个土层的平均增墒幅度为-0.41～2.15个百分点，MS4为-0.16～1.00个百分点，总体上MS3的增墒效果大于MS4，即增墒效果一方面决定于增墒点次，另一方面决定于增墒幅度。MS5、MS6的增墒点次主要分布在越冬期～返青期、0～40 cm土层，其它各时期各土层则基本为降墒。

表4秸秆带状覆盖各生育时期增墒点次比例/%

Table 4 The increased percentage point of soil moisture content at different growth stages

处理越冬期返青期拔节期孕穗期开花期灌浆期乳熟期蜡熟期全生育期TreatmentWinteringRevivalJointingBootingBloomingFillingMilkingRipeningGrowthMS387.575.075.062.57550255062.5MS475.075.075.050.05087.510037.568.8MS537.587.562.575.0252537.512.545.3MS650.050.012.512.55037.537.52534.4

表5 秸秆带状覆盖各土层增墒点次比例/%

2.3 土壤含水量与小麦生长的相关分析

相关分析表明(表略)，小麦产量与全生育期(r=0.965**)、越冬期(r=0.960**)、拔节期(r=0.881*)平均含水量显著或极显著相关，与其它时期(除乳熟期)土壤平均含水量相关虽不显著但相关系数较高(r=0.743～0.862)，说明良好的土壤水分条件是高产的关键。各时期中，越冬期含水量与有效穗数显著相关(r=0.880*)，蜡熟期则与有效穗数、千粒重显著(r=0.904*)或极显著(r=0.960**)相关，可见秸秆带状覆盖在越冬期的显著保墒作用有利于越冬保苗，增加有效穗数，从而实现增产。土层间60～150 cm土壤含水量与小麦产量(r=0.834～0.947*)和有效穗数(r=0.726～0.889*)的相关性较高，特别是120～150 cm土层含水量与产量(r=0.947*)、有效穗数(r=0.889*)均显著相关，可见提高60～150 cm土层含水量有利于改善深层土壤对主要耗水层(0～60 cm)的供水状态，从而影响小麦生长、促进增产。

3 讨论与结论

本年度试验中，MS3与MS4较露地种植的增产幅度较大，高于本团队2013、2014年在通渭县常河镇[21]以及2015年在通渭县平襄镇[22]同一田块的研究结果。2016年4、5月份发生了2次较严重的倒春寒，且全生育期有效降水量仅为2014-2015年度(丰水年)的37.4%，小麦拔节～抽穗阶段对温度及水分胁迫较为敏感，异常气候严重影响了小麦生长、穗分化及抽穗，试验田块露地的穗数、穗粒数和产量分别较2014-2015年度(丰水年)减少13.7%、50.2%和70.3%，秸秆带状覆盖(3行)依次降低18.5%、26.5%和49.9%[22]，秸秆带状覆盖(3行)两年度间的产量差异小于露地，可见其对异常气候的胁迫具有一定的减缓作用。根据试验年度测定，MS3和MS4处理具有较明显的降温和增墒效应，全生育期平均较CK降温1.78℃、2.27℃，增墒1.00、0.35个百分点，使小麦返青～孕穗生育进程较CK延迟3d，减轻了倒春寒及干旱对穗分化和抽穗的影响，其穗数、穗粒数均显著高于CK，导致了较CK的增产率比同一田块2014～2015年度的高出25.1%。MS5、MS6全生育期土壤温度仅较CK降低0.92℃、0.81℃，土壤墒情与CK相近，延迟孕穗1d，且种植带内植株密度大于露地，以致异常气候因素对小麦抽穗的影响强于露地，穗数较CK明显减少，从而影响了群体产量。

张树兰等[23]发现，由于生育后期的水分胁迫，秸秆均匀覆盖条件下小麦的收获指数较常规种植下降20%。而本研究中，在干旱年份秸秆带状覆盖能显著提高冬小麦的收获指数，以MS3最为显著。这是由于MS3在生育后期(开花期～蜡熟期)土壤含水量显著高于其它覆盖处理0.7个百分点，有效改善了灌浆阶段土壤的供水条件，对干物质转移、籽粒灌浆有明显的促进，从而提高了籽粒产量与生物产量的比例。

本研究中小麦产量与生育期耗水量显著负相关(r=-0.828*)，这与王增丽等[24]的研究结果(r=-0.98**)大体一致，而与全覆膜小麦的高产建立在高耗水的基础上的结论[25, 26]截然不同。其原因可能在于秸秆带状覆盖与地膜全覆盖对土壤水分的消耗不同，地膜全覆盖的土壤水分蒸发耗散接近于零，而秸秆覆盖耗水包括土壤蒸发的无效耗散和植株蒸腾生产的有效耗散，本研究中，由于随种植带幅增宽、植株覆盖度降低，导致土壤蒸发量增大、耗水增加。

本研究MS3具有较为适宜的带幅，增强了土壤的蓄水保墒和控温抑蒸能力，促进土壤深层水的运移，增强了深层土壤水分(60～120cm)对主要耗水层(0～60cm)的补给作用，有效改善了MS3全生育期土壤水分条件，利于小麦生长成穗，增加产量。综合考虑，秸秆覆盖带状3行具有蓄水保墒、节水增产效果的相当优势，是适合西北旱作农业的可持续发展、操作性强的覆盖种植方式。

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