秸秆还田结合秋覆膜对旱地冬小麦耗水特性和产量的影响

陈玉章 柴守玺 程宏波 柴雨葳 杨长刚,4 谭凯敏 常 磊



秸秆还田结合秋覆膜对旱地冬小麦耗水特性和产量的影响

陈玉章1,2柴守玺1,*程宏波3柴雨葳1杨长刚1,4谭凯敏1常 磊1

1甘肃农业大学农学院 / 甘肃省干旱生境作物学重点实验室, 甘肃兰州 730070;2毕节市农业科学研究所, 贵州毕节 551700;3甘肃农业大学生命科学与技术学院 / 甘肃省干旱生境作物学重点实验室, 甘肃兰州 730070;4甘肃省农业科学院小麦研究所, 甘肃兰州 730070

秸秆还田和秋覆膜是西北旱地雨养农业区冬小麦生产中有效的节水增产措施。为明确西北半干旱雨养农业区不同作物秸秆还田结合秋覆膜种植模式下冬小麦田土壤蓄水保墒和节水增产效果, 于2011年9月至2013年6月连续2个小麦生长季在甘肃省通渭县进行了田间定位试验, 比较玉米秸秆还田结合秋覆膜、单一玉米秸秆还田、麦秸秆还田结合秋覆膜、单一麦秸秆还田和传统平作种植对西北旱地冬小麦耗水特性和籽粒产量的影响。结果表明, 与传统平作相比, 冬小麦全生育期秸秆还田结合秋覆膜处理0~200 cm平均土壤贮水量在2011—2012和2012—2013年度分别提高6.1%和9.6%, 而单一秸秆还田分别提高0.7%和4.6%。在降水偏多的2011—2012年度, 除玉米秸秆还田结合秋覆膜处理冬小麦全生育期0~200 cm土壤贮水消耗量比传统平作低19.0 mm (<0.05)外, 其余各处理无显著差异; 在降水偏少的2012—2013年度, 秸秆还田及秸秆还田结合秋覆膜处理平均比传统平作多耗水39.1 mm, 其中, 两个秸秆还田结合秋覆膜处理显著增加冬小麦返青至拔节阶段的耗水量, 显著降低开花至成熟阶段耗水量, 并增加了对深层土壤水分的调用。与传统平作相比, 秸秆还田结合秋覆膜处理可使小麦籽粒产量提高31.0%~69.4%, 水分利用效率提高25.6%~43.0%; 而单一秸秆还田的小麦籽粒产量提高1.2%~28.0%, 水分利用效率提高3.0%~11.6%。以玉米秸秆还田结合秋覆膜处理增产效果最好, 2年平均籽粒产量和水分利用效率分别较传统平作提高51.1%和41.7%, 且显著高于其他处理。因此, 玉米秸秆还田结合秋覆膜种植模式能显著提高冬小麦籽粒产量和水分利用效率, 适宜在西北旱农区小麦生产中应用。

旱地; 秸秆还田; 秋覆膜; 籽粒产量; 土壤耗水特性

水资源匮乏是限制西北旱农区农业发展的核心问题[1]。该区年均降水量250~600 mm, 年际波动大, 时空分布不均, 超过60%的降水集中于7月至9月[2-3], 与冬小麦生长需水错位, 导致冬小麦产量低而不稳[4-5]。因此, 提高自然降水的有效利用率和土壤蓄水能力是实现该区小麦稳产高产的关键。大量研究表明, 秸秆还田能够降低土壤无效蒸发、减少地表径流, 提高降水资源利用率和土壤保水性能, 从而实现小麦籽粒产量的增加和水分利用效率的提高[5-9]。在黄淮海平原, 旱地麦田深松(耕)+秸秆粉碎还田可使小麦产量增长18.0%, 水分利用效率提高15.9%[9]; 在西北旱区, 麦田秸秆粉碎并氨化还田处理较秸秆覆盖还田显著提高小麦籽粒产量9.1%~11.4%, 水分利用效率和降水利用效率分别提高9.1%~12.1%和8.8%~15.0%[10]。

在西北旱区, 地膜覆盖是广泛使用的一项增温保墒技术, 对促进作物生长发育、提高作物产量和水分利用效率有明显效果[2,5,11-13]。晋南旱地麦田休闲期覆膜处理后播种期土壤蓄水量较未覆膜增加70.0~81.0 mm, 且蓄水效果可延续到孕穗期, 显著提高产量和水分利用效率[14]。甘肃中部旱地麦田覆膜种植能使冬小麦全生育期5~25 cm土层温度较露地高0.2℃、0~200 cm土层含水量较露地高0.2%, 产量较露地高20.3%~29.1%[15-16]; 春小麦覆膜后有效提高了播前和生长前期的土壤贮水量, 提高出苗至孕穗期的耗水量, 且休闲期可完全补充春小麦生育期消耗的土壤水分, 籽粒产量提高40.0%~220.0%, 水分利用效率提高27.0%~239.0%[13]。前人的试验大多只设置不同覆膜方式或只设置秸秆还田方式处理, 研究不同处理对土壤耗水和水分利用效率的影响, 极少探讨不同作物秸秆还田结合覆膜措施对农田耗水特性和水分利用效率的影响。秸秆还田与覆膜结合可使二者优势得到充分发挥, 在改土培肥的同时, 平抑土壤温度, 增加土壤蓄水量, 提高小麦籽粒产量和水分利用效率[11,15,17]。本研究采用地膜覆盖与秸秆还田相结合的模式, 研究不同模式对冬小麦农田土壤贮水消耗量、籽粒产量及水分利用效率的影响, 探索在西北典型旱作雨养农业区旱麦田改土保墒、提高作物产量和水分利用效率的有效措施, 为优化西北地区秸秆还田方式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验田位于甘肃省通渭县常河镇甘肃农业大学试验站(34°99′N, 105°15′E)。该区海拔1590 m, 年均气温7.4 ℃, 年日照时数2100~2430 h, 无霜期120~170 d, 1970—2010年(40年)平均降水444.2 mm, 其中冬小麦生育期降水为196.4 mm, 占全年降水量的44.2%, 蒸发量1530 mm; 主要农作物为玉米、小麦、马铃薯等。该区属中温带半干旱气候, 为典型旱地雨养农业区, 土壤为黄绵土, 0~200 cm土层土壤容重平均为1.25 g cm–3。本试验自2011年9月开始, 2013年7月结束, 经过两个小麦生长季, 两年度冬小麦生育期降水量分别为250.3 mm和239.2 mm, 逐月降水量和40年平均月降水量如图1所示。

共设5个处理, 分别是玉米秸秆还田结合秋覆膜(CF)、单一玉米秸秆还田(CNF)、麦秸秆还田结合秋覆膜(WF)、单一麦秸秆还田(WNF)和传统平作(无秸秆还田, 无镇压, 无覆膜, CK)。小区位置和面积固定, 3次重复, 共15个小区。小区面积为56 m2(7 m×8 m), 四周布置2 m宽相同作物保护带。种植制度为一年一熟, 无灌溉, 长期土壤旋耕; 作物收获后, 秸秆全部移出试验地。试验前, 前茬为地膜覆盖春玉米, 收获后立即揭除地膜。

图1 冬小麦生育期月降水量和多年平均降水量

秸秆还田、施肥、土壤耕作和秋覆膜均在冬小麦播种前3天进行, 操作时间分别为2011年9月24日和2012年9月27日。2011年9月22日收获前茬春玉米, 次日揭除地膜, 分别将玉米秸秆、麦秸秆粉碎成5 cm左右碎段, 人工均匀撒于地表, 立即采用亚澳牌1GKN-150型旋耕机(西安亚澳农机股份有限公司)旋耕2遍, 使肥料和秸秆均匀混入0~20 cm土层, 随后耙地1遍, 耱平后用10 kg轻磙镇压2遍。分别使用春玉米、冬小麦收获后废弃、堆放风干的秸秆还田, 其量接近于当地玉米秸秆、麦秸秆单位面积生产量, 分别为风干重9000 kg hm–2和5500 kg hm–2。

秋季, 在秸秆还田及土壤耕作完成后进行全地面覆膜, 膜面覆土1 cm, 地膜幅宽120 cm, 厚度0.01 mm (天水塑料制品厂)。人工撒施肥料, 各处理肥料用量一致, 其中腐熟牛粪4500 kg hm–2(含水量63.4%), 纯氮和P2O5各120 kg hm–2, 所用肥料为尿素(含N 46.4%)、磷酸二铵(含N 18.0%、P2O546.0%)。所有肥料全部用作基肥, 结合土壤耕作及秸秆还田一次性施入, 小麦生育期内不再追肥。

2012年7月收获冬小麦后, 移除全部秸秆, 保留地膜, 按照当地惯例休闲; 2012年9月冬小麦播种前3 d, 揭除CF和WF处理的上茬旧膜, 在各秸秆还田处理原位置人工施肥和添加等量粉碎玉米秸秆和麦秸秆, 旋耕还田后镇压, 并对CF和WF处理重新覆膜。

供试品种为兰天26。各处理播量均为202.5 kg hm–2。每小区种35行, 平作, 穴播, 穴距12 cm, 每穴8±2粒, 行距20 cm。分别于2011年9月27日和2012年9月30日播种, 2012年7月2日和2013年7月2日收获。每生长季均在灌浆前混合喷施杀虫剂、杀菌剂和叶面肥等以防止后期病虫害、干热风和冬小麦植株早衰。

1.2 土壤含水量、土壤贮水量和作物耗水量测定方法

土壤贮水量=×××10

小麦生育期耗水量ET = SWD++–+g–

SWD =–

式中,为土层深度;为土壤容重; ω为土壤含水量; SWD为生育期土壤水分变化量;为≥5 mm有效降雨量;为灌溉量;为灌溉后土壤水向下层流动量;g为深层地下水利用量;为地表径流;为土壤容重;、分别为某一生育阶段初始和结束时的土壤含水量。本试验各土层和平均值均为1.25 g cm–3, 无灌溉条件的地下水位在10 m以下, 且无地表径流, 故g和可忽略不计。

1.3 小麦产量及其构成因素和水分利用效率测定方法

小麦成熟前1周, 从每小区选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, 并据此计算籽粒产量(, kg hm–2), 籽粒含水量约为12.5%。从各小区随机取20株室内考种, 测定穗粒数、千粒重、株高等农艺指标。根据小麦生育期有效降水总耗水量(ET, mm), 计算不同处理的水分利用效率(WUE, kg hm–2mm–1)。

1.4 数据分析

利用SPSS17.0统计分析, 采用LSD法进行多重比较。在Microsoft Excel 2013中绘制折线图。

2 结果与分析

2.1 秸秆还田和秋覆膜对0~200 cm土壤贮水量的影响

不同秸秆还田和秋覆膜处理冬小麦全生育期土壤水分状况总体高于传统平作, 2011—2012和2012—2013年度冬小麦播种至成熟期的0~200 cm平均土壤贮水量平均比传统平作高6.1%和9.6%, 单一秸秆还田处理平均比传统平作高0.7%和4.6%。不同生育时期各处理对土壤贮水量的影响因秸秆种类及覆膜与否差异较大, 全生育期两个玉米秸秆还田处理具有明显的增墒效应, 两年度小麦不同生育阶段0~200 cm土壤平均贮水量分别比传统平作高4.2%和10.4%, 其中播种–拔节期的土壤贮水量普遍高于抽穗–成熟期, 而两个麦秸秆还田处理在播种–返青期具有明显的增墒效应, 两年度分别较传统平作高4.3%和8.4%, 但在拔节后与传统平作差异不显著(图2)。

图2 0~200 cm土壤贮水量随生育期的变化

每个生育期数据上方的误差线代表LSD0.05。SW: 播种期; TB: 冬前分蘖期; WT: 越冬期; RV: 返青期; JT: 拔节期; BT: 孕穗期; FL: 开花期; GF: 灌浆期; MT: 成熟期。

Error bars above data at each growth stage show the magnitude of LSD0.05. SW: sowing stage; TB: tillering stage before winter; WT: wintering stage; RV: revival stage; JT: jointing stage; BT: booting stage; FL: flowering stage; GF: grain-filling stage; MT: maturity stage.

0~200 cm土壤贮水量均以玉米秸秆还田结合秋覆膜处理最大, 2011—2012和2012—2013年度分别较传统平作高7.7%和13.7%, 增墒幅度在越冬期最大, 开花期最小。麦秸秆还田结合秋覆膜处理在生育前期(播种—拔节期)也有显著的增墒效果, 而在生育后期的效果不尽一致, 两年度播种—拔节期0~200 cm土壤贮水量比传统平作分别高6.3%和10.0%, 在抽穗—成熟期分别高2.7%和-1.1%。单一秸秆还田的两个处理对0~200 cm土壤贮水量的影响在年际间和不同生育阶段间存在差异, 总体来看增墒效果不及2个秸秆还田结合秋覆膜处理, 单一玉米秸秆还田处理的增墒作用优于单一麦秸秆还田处理, 尤其后者在返青—开花期表现降墒效应(图2)。4种秸秆还田和秋覆膜处理中, 以玉米秸秆还田结合秋覆膜处理土壤贮水量较高, 其次为麦秸秆还田结合秋覆膜, 以单一麦秸秆还田处理最低。

0~200 cm土体土壤贮水量各处理间差异在越冬期最大, 2011—2012和2012—2013年度各处理间最大极差分别为39.6 mm和87.1 mm, 处理间变异系数分别为5.2%和9.2%; 开花期处理间土壤贮水量差异最小, 两年度处理间极差分别为13.8 mm和11.2 mm, 处理间变异系数分别为1.9%和1.7%。

2.2 秸秆还田和秋覆膜对麦田耗水量的影响

在降水偏多的2011—2012年度, 除玉米秸秆还田结合秋覆膜处理土壤贮水消耗量和占总耗水的比例显著较传统平作低19.0 mm和 4.3个百分点外, 其余处理土壤贮水消耗量及占总耗水的比例差异不显著(表1)。在降水偏少的2012—2013年度, 4个秸秆还田和秋覆膜处理土壤贮水消耗量平均比传统平作高39.1 mm (<0.05), 耗水比例增加12.0个百分点, 其中玉米秸秆还田结合秋覆膜、单一玉米秸秆还田、麦秸秆还田结合秋覆膜和单一麦秸秆还田处理分别比传统平作多耗水50.2、42.8、42.6和20.7 mm, 耗水比例增加14.9、13.0、13.0和6.9个百分点, 以玉米秸秆还田结合秋覆膜处理土壤贮水消耗量及其占总耗水的比例均最大, 单一麦秸秆还田处理均最小。可见, 单一秸秆还田和秸秆还田结合秋覆膜处理在降水偏少年份对提高土壤贮水的效果更明显。

2.3 秸秆还田和秋覆膜对0~200 cm各土层土壤贮水消耗量的影响

单一秸秆还田和秸秆还田结合秋覆膜处理, 0~200 cm各土层土壤贮水消耗量年际间差异较大(图3), 与传统平作相比, 2011—2012年度降低1.3%~18.1%, 2012—2013年度则提高45.5%~110.8%, 土壤贮水消耗的变化幅度以玉米秸秆还田结合秋覆膜处理最大。

分析上层(0~90 cm)和下层(90~200 cm)土壤耗水特点发现, 在降水偏多的2011—2012年度, 单一秸秆还田和秸秆还田结合秋覆膜处理上层土壤耗水量比传统平作少4.4~15.3 mm, 以玉米秸秆还田结合秋覆膜处理降幅最大, 单一麦秸秆还田最小; 下层土壤耗水量, 除玉米秸秆还田结合秋覆膜处理比传统平作少耗水3.8 mm外, 其他3个秸秆还田处理比传统平作多0.4~5.7 mm (图3-a)。在降水偏多的2012—2013年度, 秸秆还田后上层和下层土壤的耗水量均高于传统平作(图3-b), 其中, 玉米秸秆还田结合秋覆膜对上层土壤水分消耗量比传统平作高10.9 mm, 而单一玉米秸秆还田、麦秸秆还田结合秋覆膜、单一麦秸秆还田处理分别比传统平作高19.5、11.3和11.3 mm; 玉米秸秆还田结合秋覆膜对下层土壤水分消耗量比传统平作高39.4 mm, 而单一玉米秸秆还田、麦秸秆还田结合秋覆膜、单一麦秸秆还田处理分别比传统平作高23.1、31.1和9.3 mm。上述结果表明, 在不同降水年型秸秆还田可调节小麦对上、下层土壤的水分消耗, 在降水偏少时对上、下层的土壤耗水均有所增加, 尤其是玉米秸秆还田结合秋覆膜处理, 对深层土壤水分的调用更为明显。

表1 麦田有效降水总耗水量及其分配

Table1 Field evapotranspiration of effective precipitation anditsdistribution

同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(< 0.05)。

In each growing season, mean values (= 3) followed by different letters within a column are significantly different among treatments (< 0.05).

图3 0~200 cm各土层土壤贮水消耗量

每个土层数据旁边的误差线代表LSD0.05。

Error bars represent the LSD0.05on the data at each growth stage.

2.4 秸秆还田和秋覆膜对小麦阶段耗水量的影响

小麦播种至返青阶段, 2011—2012年度, 两个秸秆还田结合秋覆膜处理土壤耗水量及占总耗水的比例显著低于传统平作(<0.05), 而两个单一秸秆还田处理与传统平作无显著差异; 2012—2013年度, 两个秸秆还田结合秋覆膜处理在这一阶段土壤耗水量及占总耗水的比例与传统平作无显著差异, 而单一玉米秸秆、单一麦秸秆还田处理分别较传统平作增加耗水27.3 mm和14.4 mm, 耗水比例分别提高8.8和5.3个百分点。

表2 小麦各生育阶段耗水量及其占总耗水量的比例

同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(< 0.05)。

In each growing season, mean values (= 3) followed by different letters within a column are significantly different among treatments (< 0.05).

返青至拔节期, 两年度两种秸秆还田结合秋覆膜处理的耗水比例明显高于传统平作和两个单一秸秆还田处理(表2)。2011—2012年度, 处理间耗水量无显著差异, 主要原因是小麦返青至拔节阶段降水比多年平均降水高15.5% (图1); 2012—2013年度, 在小麦返青的3月无降水, 秸秆还田结合秋覆膜处理在这一阶段的耗水量及耗水比例显著高于传统平作和单一秸秆还田处理, 有利于小麦提早返青, 为植株营养生长及器官形态建成奠定基础, 从而保证秸秆还田结合秋覆膜处理冬小麦在返青至拔节期有较大的群体数量。

拔节至开花期是小麦成穗的关键时期, 也是耗水盛期, 耗水占全生育期总耗水的比例普遍超过35%, 两年度在这一阶段各处理的耗水量无显著差异(表2)。

开花至成熟期对小麦籽粒灌浆和最终产量影响较大, 这一阶段各处理的耗水量多数占全生育期总耗水的30%以上。2011—2012年度处理间耗水比例差异不显著, 2012—2013年度不同秸秆还田和覆膜处理的耗水比例显著低于传统平作, 其中玉米秸秆还田结合秋覆膜、单一玉米秸秆还田、麦秸秆还田结合秋覆膜和单一麦秸秆还田处理分别比传统平作低15.6、7.6、10.2和6.5个百分点。2011—2012和2012—2013年度, 玉米秸秆还田结合秋覆膜处理开花至成熟阶段耗水量分别比传统平作显著低9.3 mm和23.3 mm, 其余处理间无显著差异(表2)。

以上结果表明, 秸秆还田和秋覆膜处理可优化小麦耗水结构, 平衡小麦生育各阶段耗水需求, 尤其是返青至拔节阶段旱情较重的年份, 能将更多的水用于植株营养生长及生殖器官形态建成, 利于小麦成穗和籽粒形成。玉米秸秆还田结合秋覆膜处理在降水偏少年份能显著降低开花至成熟阶段耗水及占总耗水的比例, 显著提高返青至拔节阶段耗水及占总耗水的比例, 更有利于小麦提早返青和后期籽粒灌浆。

2.5 秸秆还田和秋覆膜对小麦生物量、产量和水分利用效率的影响

两年度, 各秸秆还田和秋覆膜处理有效增加了冬小麦的株高、生物量、单位面积穗数、穗粒数、籽粒产量和水分利用效率, 而千粒重差异不尽一致(表3)。2011—2012和2012—2013年度秸秆还田结合秋覆膜处理分别平均比传统平作显著增加株高19.2%和15.5%, 增加生物量34.0%和59.1%, 增加籽粒产量31.9%和57.3%, 提高水分利用效率36.4%和34.3%; 单一秸秆还田分别平均增加株高4.4%和6.8%, 增加生物量10.1%和23.1%, 增加籽粒产量6.4%和23.7%, 提高水分利用效率7.6%和11.1%。其中玉米秸秆还田结合秋覆膜处理对小麦各项指标(不含千粒重)的提高幅度最大, 两年度株高、生物量、籽粒产量和水分利用效率分别平均比传统平作高18.6%、55.0%、51.1%和41.7%。分类比较秸秆还田和秋覆膜处理与传统平作的平均增产率, 可见2012—2013年度(40.5%)> 2011—2012年度(19.2%), 玉米秸秆还田(35.5%)>麦秸秆还田(24.2%), 秸秆还田结合秋覆膜(44.6%%)>单一秸秆还田(15.1%), 小麦株高、生物量及水分利用效率的变化趋势与产量变化趋势一致。

表3 冬小麦籽粒产量和水分利用效率

同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(< 0.05)。

In each growing season, mean values (= 3) followed by different letters within a column are significantly different among treatments (< 0.05).

秸秆还田和秋覆膜增产的主要原因是提高了单位面积穗数和穗粒数, 2011—2012和2012—2013年度两个秸秆还田结合秋覆膜处理单位面积穗数分别平均比传统平作高9.8%和30.4%, 穗粒数平均分别提高17.4%和24.6%; 而两个单一秸秆还田处理穗数分别平均比传统平作高4.5%和14.0%, 穗粒数平均分别高1.8%和10.4%。相关分析表明, 小麦籽粒产量与穗数、穗粒数、株高、生物量及水分利用效率均呈极显著正相关(<0.01), 与千粒重相关不显著(>0.05)(表4)。

表4 冬小麦主要农艺性状和籽粒产量之间的相关分析

*<0.05;**<0.01.

3 讨论

3.1 秸秆还田和秋覆膜土壤贮水的影响

秸秆还田和覆膜栽培技术均具有抑蒸保墒、提高降水利用率, 显著改善作物生育期内土壤水分条件的作用, 但二者对土壤水分的影响机制不同[10,18-22]。覆膜直接阻断了土壤水分垂直蒸发, 迫使膜下水分横向迁移, 显著降低了水分无效蒸发和热量散失[23-24], 可明显改善冬小麦孕穗前0~200 cm土壤墒情, 并促进冬小麦对深层土壤水的利用, 有效增加作物蒸腾性耗水, 使作物产量和水分利用效率显著提高[2]。若在小麦晚冬早春阶段性覆膜, 可明显增加积温, 促进早发育, 优化产量因素, 从而提高产量[25]。短期秸秆还田主要影响0~40 cm土壤剖面水分, 对更深土层水分影响较小[26], 长期秸秆还田可显著增加0~3 m土体土壤贮水, 降低作物耗水, 显著提高产量[20]。同时, 秸秆还田和覆膜均能有效调控土壤水分时空再分配, 均衡作物各生育阶段用水需求, 有效促进土壤水分的良性循环[2,9-10,22,,26]。本研究中, 各秸秆还田和秋覆膜处理均能有效改善冬小麦全生育期0~200 cm土壤水分状况, 特别是小麦播种至返青阶段, 两年度4个秸秆还田和秋覆膜处理土壤贮水量平均比传统平作分别高14.6 mm和46.9 mm, 可避免冬小麦在越冬前和返青期遭受干旱胁迫, 有利于冬小麦冬前形成壮苗, 安全越冬和提早返青, 为冬小麦后期生长提供了有利的土壤水分环境, 有利于小麦植株积累更多养分, 为来年丰产打下物质基础。这与侯慧芝等[13]的研究结果一致。另外, 秸秆还田和秋覆膜处理的保墒效应表现为秋覆膜大于秸秆还田材质, 秸秆还田材质间为玉米秸秆大于麦秸秆, 两年度玉米秸秆还田结合秋覆膜、单一玉米秸秆还田、麦秸秆还田结合秋覆膜和单一麦秸秆还田处理0~200 cm土壤贮水量分别平均较传统平作多33.1、12.8、15.3和4.1 mm。本研究还表明, 单一玉米秸秆还田的保墒效果优于单一麦秸秆还田, 究其原因, 一方面玉米秸秆内部大量的亲水纤维结构和外部丰富的蜡质层对土壤水分的保蓄能力、土壤物理结构的改变效果更有利于土壤水分保蓄[27],另一方面, 由于玉米秸秆自身体积明显大于麦秸秆, 直接将秸秆粉碎旋耕均匀还田后, 在耕作层形成的秸秆-土壤混合层的土壤容重玉米秸秆还田小于麦秸秆还田, 从而增加土壤孔隙度, 导致土壤蓄水体积大于麦秸秆, 最终提高了土壤贮水[28-30], 是旱作农区农田可持续发展的有效技术[22,31]。

众所周知, 土壤水分充足则植株生长快, 群体数量大, 生长耗水和土壤水分消耗相应增加; 相反, 土壤水分不足, 则植株生长受抑制, 不利于群体数量增加, 生长耗水和土壤水分消耗也相应减少。本研究中, 通过对土壤贮水消耗、穗数及地上部分干物质积累的对比计算, 证实了降水偏少年份传统平作耗水量显著低于秸秆还田和秋覆膜处理, 其主要原因是降水偏少年份冬小麦返青至拔节阶段无降水补充, 与传统平作相比, 秸秆还田和秋覆膜处理良好的保墒效果为这一阶段小麦生长提供了更多水分, 而传统平作遭受严重干旱, 导致群体数量不足, 小麦株高、穗数及生物量均显著降低, 最终耗水量、籽粒产量及水分利用率也明显减少。然而, 有学者认为有的覆膜模式存在负效应, 在春小麦生育后期覆膜, 使作物根系发育受到抑制, 影响产量形成[32]; 覆膜条件下作物产量的提高会大量消耗土壤有机质、养分和水分, 连年种植导致早衰减产[33-34]。秸秆还田对土壤养分是一种补充, 并可改善土壤结构, 但在西北旱农区长期推行秸秆还田结合地膜覆盖技术, 对农业生态和可持续生产有何影响, 需深入研究。

3.2 秸秆还田和秋覆膜对产量和水分利用效率的影响

秸秆还田和秋覆膜种植能够通过改善土壤水分状况进而促进作物生长发育[12,15]。张哲等[22]试验表明, 秸秆还田结合秋覆膜种植玉米株高和生物量均显著或极显著高于单一秸秆还田和裸地种植。本研究发现, 秸秆还田和秋覆膜种植模式下, 冬小麦株高和地上部分生物量较传统平作均有明显增加, 两年度平均株高和生物量较传统平作分别高17.4%和46.6%, 单一秸秆还田平均株高和生物量较传统平作分别高5.6%和16.6%, 以玉米秸秆还田结合秋覆膜处理提高幅度最大, 两年度平均株高和生物量分别较传统平作高18.6%和55.0%。这表明秸秆还田结合覆膜能有效改善土壤水分条件, 促进作物生长, 效果优于单一秸秆还田。

秸秆还田和覆膜种植模式能够有效改善土壤水分状况, 增加籽粒产量, 从而提高水分利用效率。张哲等[22]在辽宁阜新旱区研究表明, 秸秆还田结合秋覆膜种植模式在秸秆经过一个腐解周期后玉米籽粒产量较单一秸秆还田和裸地种植分别提高62.8%和98.0%, 水分利用效率分别提高65.6%和90.3%。本研究获得相似结果, 无论是降水偏多还是偏少年份, 秸秆还田和秋覆膜种植均可有效提高冬小麦籽粒产量和水分利用效率, 两年度小麦籽粒产量和水分利用效率分别比平均传统平作高44.6%和35.3%, 单一秸秆还田平均分别高15.1%和9.3%, 以玉米秆还田结合秋覆膜处理提高幅度最大, 两年度平均籽粒产量和水分利用效率分别较传统平作提高51.1%和41.7%。在本研究中, 秸秆还田结合秋覆膜处理表现出小麦对不同土层土壤水分利用的调控效果, 促进冬小麦返青至拔节阶段的生产和群体形成, 为最终提高籽粒产量和水分利用效率奠定基础, 并且两种秸秆还田结合秋覆膜处理中, 玉米秸秆还田结合秋覆膜似乎更有优势。然而本研究试验年限较短, 尚需在更长的时间内观测玉米秆还田结合秋覆膜在不同降水年型的效果。

4 结论

秸秆还田和秋覆膜种植可有效改善农田土壤水分状况, 促进冬小麦生长发育, 从而显著提高冬小麦产量和水分利用效率。无论是在丰水年份还是偏旱年份, 玉米秸秆还田结合秋覆膜模式的小麦群体结构都处于较好状态, 其株高、生物量、穗粒数、穗数、水分利用效率均高于或显著高于其他处理, 籽粒产量和水分利用效率较传统平作分别平均高51.1%和41.7%。在降水偏少的2012—2013年度, 玉米秸秆还田结合秋覆膜处理比传统平作降低了开花至成熟阶段的耗水及其占总耗水的比例, 显著增加返青至拔节阶段的耗水及其占总耗水的比例, 同时加强了对深层土壤水分的调用; 而在降水偏多的2011—2012年度, 这种效应不明显。

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Effects of straw-incorporation combined with autumn plastic mulching on soil water consumption characteristics and winter wheat yield in arid farming areas

CHEN Yu-Zhang1,2, CHAI Shou-Xi1,*, CHENG Hong-Bo3, CHAI Yu-Wei1, YANG Chang-Gang1,4, TAN Kai-Min1, and CHANG Lei1

1College of Agronomy, Gansu Agricultural University / Gansu Provincial Key Laboratory of Aridland Crop, Lanzhou 730070, Gansu, China;2Bijie Institute of Agricultural Sciences, Bijie 551700, Guizhou, China;3College of Life Science and Technology, Gansu Agricultural University / Gansu Provincial Key Laboratory of Aridland Crop, Lanzhou 730070, Gansu, China;4Wheat Research Institute, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070, Gansu, China

Straw-incorporation and autumn plastic-film mulch are useful techniques for water-saving cultivation in semi-arid areas in northwest China. To investigate the effects of different straw-incorporation and autumn plastic-film mulching treatments on soil water consumption, winter wheat yield and water use efficiency (WUE), we conducted a two-year (2011–2012 and 2012–2013 wheat growing seasons) experiment in fixed fields in Tongwei county, Guansu province. The five treatments were corn straw-incorporation combined with autumn plastic film mulching (CF), single corn straw-incorporation (CNF), wheat straw-incorporation combined with autumn plastic film mulching (WF), single wheat straw-incorporation (WNF), and non-mulching and non-straw returning (CK). Compared with CK, CF and WF led to the increase of water storage of 0–200 cm soil layer with an average of 6.1% in 2011–2012 and 9.6% in 2012–2013, while CNF and WNF showed tender effect with the average increasing percentage of 0.7% and 4.6% in 2011–2012 and 2012–2013, respectively. In the wet year of 2011–2012, evapotranspiration of CF was 19.0 mm lower than that of CK (< 0.05), and the evapotranspiration of CNF, WF, and WNF was similar to that of CK with no significant difference. In the dry year of 2012–2013, evapotranspiration of CK was 39.1 mm lower than the average of the other four treatments. Evapotranspiration of CF and WF significantly increased from reviving to jointing stages, but reduced from flowering to maturity stages. Deep soil water of CF and WF was consumed more than that of CK in 2012–2013. On the average of CF and WF, the grain yield and WUE were increased, compared with that of CK, by 31.0%–69.4% and 25.6%–43.0%, respectively. Particularly, CF ranked the first in improving yield (51.1% higher than CK) and WUE (41.7% higher than CK). In contrast, the average grain yield and WUE of CNF and WNF were increased by 1.2%–28.0% and 3.0%–11.6%, respectively. This study suggests that CF is an applicable technique in winter wheat cultivation in Northwest dryland.

dryland; straw-incorporation; plastic mulching in autumn; grain yield; soil water consumption characteristics

2017-11-16;

2018-04-11;

2018-11-06.

10.3724/SP.J.1006.2019.71081

柴守玺, E-mail: sxchai@126.com

E-mail: jadayz@163.com

本研究由国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-3-2-49), 国家公益性行业(农业)科研专项(201303104)和国家自然科学基金项目(31560356, 31760362)资助。

This study was supported by the China Agriculture Research System (CARS-3-2-49), the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest (201303104), and the National Natural Science Foundation of China (31560356, 31760362).

URL:http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20181102.1628.005.html