秸稈還田結(jié)合秋覆膜對旱地冬小麥耗水特性和產(chǎn)量的影響

陳玉章 柴守璽 程宏波 柴雨葳 楊長剛,4 譚凱敏 常 磊

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秸稈還田結(jié)合秋覆膜對旱地冬小麥耗水特性和產(chǎn)量的影響

陳玉章1,2柴守璽1,*程宏波3柴雨葳1楊長剛1,4譚凱敏1常 磊1

1甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室, 甘肅蘭州 730070;2畢節(jié)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所, 貴州畢節(jié) 551700;3甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 / 甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室, 甘肅蘭州 730070;4甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所, 甘肅蘭州 730070

秸稈還田和秋覆膜是西北旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)冬小麥生產(chǎn)中有效的節(jié)水增產(chǎn)措施。為明確西北半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)不同作物秸稈還田結(jié)合秋覆膜種植模式下冬小麥田土壤蓄水保墑和節(jié)水增產(chǎn)效果, 于2011年9月至2013年6月連續(xù)2個小麥生長季在甘肅省通渭縣進行了田間定位試驗, 比較玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜、單一玉米秸稈還田、麥秸稈還田結(jié)合秋覆膜、單一麥秸稈還田和傳統(tǒng)平作種植對西北旱地冬小麥耗水特性和籽粒產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明, 與傳統(tǒng)平作相比, 冬小麥全生育期秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理0~200 cm平均土壤貯水量在2011—2012和2012—2013年度分別提高6.1%和9.6%, 而單一秸稈還田分別提高0.7%和4.6%。在降水偏多的2011—2012年度, 除玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理冬小麥全生育期0~200 cm土壤貯水消耗量比傳統(tǒng)平作低19.0 mm (<0.05)外, 其余各處理無顯著差異; 在降水偏少的2012—2013年度, 秸稈還田及秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理平均比傳統(tǒng)平作多耗水39.1 mm, 其中, 兩個秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理顯著增加冬小麥返青至拔節(jié)階段的耗水量, 顯著降低開花至成熟階段耗水量, 并增加了對深層土壤水分的調(diào)用。與傳統(tǒng)平作相比, 秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理可使小麥籽粒產(chǎn)量提高31.0%~69.4%, 水分利用效率提高25.6%~43.0%; 而單一秸稈還田的小麥籽粒產(chǎn)量提高1.2%~28.0%, 水分利用效率提高3.0%~11.6%。以玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理增產(chǎn)效果最好, 2年平均籽粒產(chǎn)量和水分利用效率分別較傳統(tǒng)平作提高51.1%和41.7%, 且顯著高于其他處理。因此, 玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜種植模式能顯著提高冬小麥籽粒產(chǎn)量和水分利用效率, 適宜在西北旱農(nóng)區(qū)小麥生產(chǎn)中應(yīng)用。

旱地; 秸稈還田; 秋覆膜; 籽粒產(chǎn)量; 土壤耗水特性

水資源匱乏是限制西北旱農(nóng)區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的核心問題[1]。該區(qū)年均降水量250~600 mm, 年際波動大, 時空分布不均, 超過60%的降水集中于7月至9月[2-3], 與冬小麥生長需水錯位, 導(dǎo)致冬小麥產(chǎn)量低而不穩(wěn)[4-5]。因此, 提高自然降水的有效利用率和土壤蓄水能力是實現(xiàn)該區(qū)小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的關(guān)鍵。大量研究表明, 秸稈還田能夠降低土壤無效蒸發(fā)、減少地表徑流, 提高降水資源利用率和土壤保水性能, 從而實現(xiàn)小麥籽粒產(chǎn)量的增加和水分利用效率的提高[5-9]。在黃淮海平原, 旱地麥田深松(耕)+秸稈粉碎還田可使小麥產(chǎn)量增長18.0%, 水分利用效率提高15.9%[9]; 在西北旱區(qū), 麥田秸稈粉碎并氨化還田處理較秸稈覆蓋還田顯著提高小麥籽粒產(chǎn)量9.1%~11.4%, 水分利用效率和降水利用效率分別提高9.1%~12.1%和8.8%~15.0%[10]。

在西北旱區(qū), 地膜覆蓋是廣泛使用的一項增溫保墑技術(shù), 對促進作物生長發(fā)育、提高作物產(chǎn)量和水分利用效率有明顯效果[2,5,11-13]。晉南旱地麥田休閑期覆膜處理后播種期土壤蓄水量較未覆膜增加70.0~81.0 mm, 且蓄水效果可延續(xù)到孕穗期, 顯著提高產(chǎn)量和水分利用效率[14]。甘肅中部旱地麥田覆膜種植能使冬小麥全生育期5~25 cm土層溫度較露地高0.2℃、0~200 cm土層含水量較露地高0.2%, 產(chǎn)量較露地高20.3%~29.1%[15-16]; 春小麥覆膜后有效提高了播前和生長前期的土壤貯水量, 提高出苗至孕穗期的耗水量, 且休閑期可完全補充春小麥生育期消耗的土壤水分, 籽粒產(chǎn)量提高40.0%~220.0%, 水分利用效率提高27.0%~239.0%[13]。前人的試驗大多只設(shè)置不同覆膜方式或只設(shè)置秸稈還田方式處理, 研究不同處理對土壤耗水和水分利用效率的影響, 極少探討不同作物秸稈還田結(jié)合覆膜措施對農(nóng)田耗水特性和水分利用效率的影響。秸稈還田與覆膜結(jié)合可使二者優(yōu)勢得到充分發(fā)揮, 在改土培肥的同時, 平抑土壤溫度, 增加土壤蓄水量, 提高小麥籽粒產(chǎn)量和水分利用效率[11,15,17]。本研究采用地膜覆蓋與秸稈還田相結(jié)合的模式, 研究不同模式對冬小麥農(nóng)田土壤貯水消耗量、籽粒產(chǎn)量及水分利用效率的影響, 探索在西北典型旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)旱麥田改土保墑、提高作物產(chǎn)量和水分利用效率的有效措施, 為優(yōu)化西北地區(qū)秸稈還田方式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗田位于甘肅省通渭縣常河鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗站(34°99′N, 105°15′E)。該區(qū)海拔1590 m, 年均氣溫7.4 ℃, 年日照時數(shù)2100~2430 h, 無霜期120~170 d, 1970—2010年(40年)平均降水444.2 mm, 其中冬小麥生育期降水為196.4 mm, 占全年降水量的44.2%, 蒸發(fā)量1530 mm; 主要農(nóng)作物為玉米、小麥、馬鈴薯等。該區(qū)屬中溫帶半干旱氣候, 為典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū), 土壤為黃綿土, 0~200 cm土層土壤容重平均為1.25 g cm–3。本試驗自2011年9月開始, 2013年7月結(jié)束, 經(jīng)過兩個小麥生長季, 兩年度冬小麥生育期降水量分別為250.3 mm和239.2 mm, 逐月降水量和40年平均月降水量如圖1所示。

共設(shè)5個處理, 分別是玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜(CF)、單一玉米秸稈還田(CNF)、麥秸稈還田結(jié)合秋覆膜(WF)、單一麥秸稈還田(WNF)和傳統(tǒng)平作(無秸稈還田, 無鎮(zhèn)壓, 無覆膜, CK)。小區(qū)位置和面積固定, 3次重復(fù), 共15個小區(qū)。小區(qū)面積為56 m2(7 m×8 m), 四周布置2 m寬相同作物保護帶。種植制度為一年一熟, 無灌溉, 長期土壤旋耕; 作物收獲后, 秸稈全部移出試驗地。試驗前, 前茬為地膜覆蓋春玉米, 收獲后立即揭除地膜。

圖1 冬小麥生育期月降水量和多年平均降水量

秸稈還田、施肥、土壤耕作和秋覆膜均在冬小麥播種前3天進行, 操作時間分別為2011年9月24日和2012年9月27日。2011年9月22日收獲前茬春玉米, 次日揭除地膜, 分別將玉米秸稈、麥秸稈粉碎成5 cm左右碎段, 人工均勻撒于地表, 立即采用亞澳牌1GKN-150型旋耕機(西安亞澳農(nóng)機股份有限公司)旋耕2遍, 使肥料和秸稈均勻混入0~20 cm土層, 隨后耙地1遍, 耱平后用10 kg輕磙鎮(zhèn)壓2遍。分別使用春玉米、冬小麥收獲后廢棄、堆放風(fēng)干的秸稈還田, 其量接近于當?shù)赜衩捉斩挕Ⅺ溄斩拞挝幻娣e生產(chǎn)量, 分別為風(fēng)干重9000 kg hm–2和5500 kg hm–2。

秋季, 在秸稈還田及土壤耕作完成后進行全地面覆膜, 膜面覆土1 cm, 地膜幅寬120 cm, 厚度0.01 mm (天水塑料制品廠)。人工撒施肥料, 各處理肥料用量一致, 其中腐熟牛糞4500 kg hm–2(含水量63.4%), 純氮和P2O5各120 kg hm–2, 所用肥料為尿素(含N 46.4%)、磷酸二銨(含N 18.0%、P2O546.0%)。所有肥料全部用作基肥, 結(jié)合土壤耕作及秸稈還田一次性施入, 小麥生育期內(nèi)不再追肥。

2012年7月收獲冬小麥后, 移除全部秸稈, 保留地膜, 按照當?shù)貞T例休閑; 2012年9月冬小麥播種前3 d, 揭除CF和WF處理的上茬舊膜, 在各秸稈還田處理原位置人工施肥和添加等量粉碎玉米秸稈和麥秸稈, 旋耕還田后鎮(zhèn)壓, 并對CF和WF處理重新覆膜。

供試品種為蘭天26。各處理播量均為202.5 kg hm–2。每小區(qū)種35行, 平作, 穴播, 穴距12 cm, 每穴8±2粒, 行距20 cm。分別于2011年9月27日和2012年9月30日播種, 2012年7月2日和2013年7月2日收獲。每生長季均在灌漿前混合噴施殺蟲劑、殺菌劑和葉面肥等以防止后期病蟲害、干熱風(fēng)和冬小麥植株早衰。

1.2 土壤含水量、土壤貯水量和作物耗水量測定方法

土壤貯水量=×××10

小麥生育期耗水量ET = SWD++–+g–

SWD =–

式中,為土層深度;為土壤容重; ω為土壤含水量; SWD為生育期土壤水分變化量;為≥5 mm有效降雨量;為灌溉量;為灌溉后土壤水向下層流動量;g為深層地下水利用量;為地表徑流;為土壤容重;、分別為某一生育階段初始和結(jié)束時的土壤含水量。本試驗各土層和平均值均為1.25 g cm–3, 無灌溉條件的地下水位在10 m以下, 且無地表徑流, 故g和可忽略不計。

1.3 小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素和水分利用效率測定方法

小麥成熟前1周, 從每小區(qū)選3點測定單位面積穗數(shù); 成熟后按小區(qū)收獲, 脫粒后曬干稱重, 并據(jù)此計算籽粒產(chǎn)量(, kg hm–2), 籽粒含水量約為12.5%。從各小區(qū)隨機取20株室內(nèi)考種, 測定穗粒數(shù)、千粒重、株高等農(nóng)藝指標。根據(jù)小麥生育期有效降水總耗水量(ET, mm), 計算不同處理的水分利用效率(WUE, kg hm–2mm–1)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS17.0統(tǒng)計分析, 采用LSD法進行多重比較。在Microsoft Excel 2013中繪制折線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田和秋覆膜對0~200 cm土壤貯水量的影響

不同秸稈還田和秋覆膜處理冬小麥全生育期土壤水分狀況總體高于傳統(tǒng)平作, 2011—2012和2012—2013年度冬小麥播種至成熟期的0~200 cm平均土壤貯水量平均比傳統(tǒng)平作高6.1%和9.6%, 單一秸稈還田處理平均比傳統(tǒng)平作高0.7%和4.6%。不同生育時期各處理對土壤貯水量的影響因秸稈種類及覆膜與否差異較大, 全生育期兩個玉米秸稈還田處理具有明顯的增墑效應(yīng), 兩年度小麥不同生育階段0~200 cm土壤平均貯水量分別比傳統(tǒng)平作高4.2%和10.4%, 其中播種–拔節(jié)期的土壤貯水量普遍高于抽穗–成熟期, 而兩個麥秸稈還田處理在播種–返青期具有明顯的增墑效應(yīng), 兩年度分別較傳統(tǒng)平作高4.3%和8.4%, 但在拔節(jié)后與傳統(tǒng)平作差異不顯著(圖2)。

圖2 0~200 cm土壤貯水量隨生育期的變化

每個生育期數(shù)據(jù)上方的誤差線代表LSD0.05。SW: 播種期; TB: 冬前分蘗期; WT: 越冬期; RV: 返青期; JT: 拔節(jié)期; BT: 孕穗期; FL: 開花期; GF: 灌漿期; 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土壤貯水量均以玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理最大, 2011—2012和2012—2013年度分別較傳統(tǒng)平作高7.7%和13.7%, 增墑幅度在越冬期最大, 開花期最小。麥秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理在生育前期(播種—拔節(jié)期)也有顯著的增墑效果, 而在生育后期的效果不盡一致, 兩年度播種—拔節(jié)期0~200 cm土壤貯水量比傳統(tǒng)平作分別高6.3%和10.0%, 在抽穗—成熟期分別高2.7%和-1.1%。單一秸稈還田的兩個處理對0~200 cm土壤貯水量的影響在年際間和不同生育階段間存在差異, 總體來看增墑效果不及2個秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理, 單一玉米秸稈還田處理的增墑作用優(yōu)于單一麥秸稈還田處理, 尤其后者在返青—開花期表現(xiàn)降墑效應(yīng)(圖2)。4種秸稈還田和秋覆膜處理中, 以玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理土壤貯水量較高, 其次為麥秸稈還田結(jié)合秋覆膜, 以單一麥秸稈還田處理最低。

0~200 cm土體土壤貯水量各處理間差異在越冬期最大, 2011—2012和2012—2013年度各處理間最大極差分別為39.6 mm和87.1 mm, 處理間變異系數(shù)分別為5.2%和9.2%; 開花期處理間土壤貯水量差異最小, 兩年度處理間極差分別為13.8 mm和11.2 mm, 處理間變異系數(shù)分別為1.9%和1.7%。

2.2 秸稈還田和秋覆膜對麥田耗水量的影響

在降水偏多的2011—2012年度, 除玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理土壤貯水消耗量和占總耗水的比例顯著較傳統(tǒng)平作低19.0 mm和 4.3個百分點外, 其余處理土壤貯水消耗量及占總耗水的比例差異不顯著(表1)。在降水偏少的2012—2013年度, 4個秸稈還田和秋覆膜處理土壤貯水消耗量平均比傳統(tǒng)平作高39.1 mm (<0.05), 耗水比例增加12.0個百分點, 其中玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜、單一玉米秸稈還田、麥秸稈還田結(jié)合秋覆膜和單一麥秸稈還田處理分別比傳統(tǒng)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個百分點, 以玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理土壤貯水消耗量及其占總耗水的比例均最大, 單一麥秸稈還田處理均最小。可見, 單一秸稈還田和秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理在降水偏少年份對提高土壤貯水的效果更明顯。

2.3 秸稈還田和秋覆膜對0~200 cm各土層土壤貯水消耗量的影響

單一秸稈還田和秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理, 0~200 cm各土層土壤貯水消耗量年際間差異較大(圖3), 與傳統(tǒng)平作相比, 2011—2012年度降低1.3%~18.1%, 2012—2013年度則提高45.5%~110.8%, 土壤貯水消耗的變化幅度以玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理最大。

分析上層(0~90 cm)和下層(90~200 cm)土壤耗水特點發(fā)現(xiàn), 在降水偏多的2011—2012年度, 單一秸稈還田和秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理上層土壤耗水量比傳統(tǒng)平作少4.4~15.3 mm, 以玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理降幅最大, 單一麥秸稈還田最小; 下層土壤耗水量, 除玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理比傳統(tǒng)平作少耗水3.8 mm外, 其他3個秸稈還田處理比傳統(tǒng)平作多0.4~5.7 mm (圖3-a)。在降水偏多的2012—2013年度, 秸稈還田后上層和下層土壤的耗水量均高于傳統(tǒng)平作(圖3-b), 其中, 玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜對上層土壤水分消耗量比傳統(tǒng)平作高10.9 mm, 而單一玉米秸稈還田、麥秸稈還田結(jié)合秋覆膜、單一麥秸稈還田處理分別比傳統(tǒng)平作高19.5、11.3和11.3 mm; 玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜對下層土壤水分消耗量比傳統(tǒng)平作高39.4 mm, 而單一玉米秸稈還田、麥秸稈還田結(jié)合秋覆膜、單一麥秸稈還田處理分別比傳統(tǒng)平作高23.1、31.1和9.3 mm。上述結(jié)果表明, 在不同降水年型秸稈還田可調(diào)節(jié)小麥對上、下層土壤的水分消耗, 在降水偏少時對上、下層的土壤耗水均有所增加, 尤其是玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理, 對深層土壤水分的調(diào)用更為明顯。

表1 麥田有效降水總耗水量及其分配

Table1 Field evapotranspiration of effective precipitation anditsdistribution

同一年度中, 同列的數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(< 0.05)。

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

圖3 0~200 cm各土層土壤貯水消耗量

每個土層數(shù)據(jù)旁邊的誤差線代表LSD0.05。

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

2.4 秸稈還田和秋覆膜對小麥階段耗水量的影響

小麥播種至返青階段, 2011—2012年度, 兩個秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理土壤耗水量及占總耗水的比例顯著低于傳統(tǒng)平作(<0.05), 而兩個單一秸稈還田處理與傳統(tǒng)平作無顯著差異; 2012—2013年度, 兩個秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理在這一階段土壤耗水量及占總耗水的比例與傳統(tǒng)平作無顯著差異, 而單一玉米秸稈、單一麥秸稈還田處理分別較傳統(tǒng)平作增加耗水27.3 mm和14.4 mm, 耗水比例分別提高8.8和5.3個百分點。

表2 小麥各生育階段耗水量及其占總耗水量的比例

同一年度中, 同列的數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(< 0.05)。

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

返青至拔節(jié)期, 兩年度兩種秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理的耗水比例明顯高于傳統(tǒng)平作和兩個單一秸稈還田處理(表2)。2011—2012年度, 處理間耗水量無顯著差異, 主要原因是小麥返青至拔節(jié)階段降水比多年平均降水高15.5% (圖1); 2012—2013年度, 在小麥返青的3月無降水, 秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理在這一階段的耗水量及耗水比例顯著高于傳統(tǒng)平作和單一秸稈還田處理, 有利于小麥提早返青, 為植株營養(yǎng)生長及器官形態(tài)建成奠定基礎(chǔ), 從而保證秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理冬小麥在返青至拔節(jié)期有較大的群體數(shù)量。

拔節(jié)至開花期是小麥成穗的關(guān)鍵時期, 也是耗水盛期, 耗水占全生育期總耗水的比例普遍超過35%, 兩年度在這一階段各處理的耗水量無顯著差異(表2)。

開花至成熟期對小麥籽粒灌漿和最終產(chǎn)量影響較大, 這一階段各處理的耗水量多數(shù)占全生育期總耗水的30%以上。2011—2012年度處理間耗水比例差異不顯著, 2012—2013年度不同秸稈還田和覆膜處理的耗水比例顯著低于傳統(tǒng)平作, 其中玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜、單一玉米秸稈還田、麥秸稈還田結(jié)合秋覆膜和單一麥秸稈還田處理分別比傳統(tǒng)平作低15.6、7.6、10.2和6.5個百分點。2011—2012和2012—2013年度, 玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理開花至成熟階段耗水量分別比傳統(tǒng)平作顯著低9.3 mm和23.3 mm, 其余處理間無顯著差異(表2)。

以上結(jié)果表明, 秸稈還田和秋覆膜處理可優(yōu)化小麥耗水結(jié)構(gòu), 平衡小麥生育各階段耗水需求, 尤其是返青至拔節(jié)階段旱情較重的年份, 能將更多的水用于植株營養(yǎng)生長及生殖器官形態(tài)建成, 利于小麥成穗和籽粒形成。玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理在降水偏少年份能顯著降低開花至成熟階段耗水及占總耗水的比例, 顯著提高返青至拔節(jié)階段耗水及占總耗水的比例, 更有利于小麥提早返青和后期籽粒灌漿。

2.5 秸稈還田和秋覆膜對小麥生物量、產(chǎn)量和水分利用效率的影響

兩年度, 各秸稈還田和秋覆膜處理有效增加了冬小麥的株高、生物量、單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、籽粒產(chǎn)量和水分利用效率, 而千粒重差異不盡一致(表3)。2011—2012和2012—2013年度秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理分別平均比傳統(tǒng)平作顯著增加株高19.2%和15.5%, 增加生物量34.0%和59.1%, 增加籽粒產(chǎn)量31.9%和57.3%, 提高水分利用效率36.4%和34.3%; 單一秸稈還田分別平均增加株高4.4%和6.8%, 增加生物量10.1%和23.1%, 增加籽粒產(chǎn)量6.4%和23.7%, 提高水分利用效率7.6%和11.1%。其中玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理對小麥各項指標(不含千粒重)的提高幅度最大, 兩年度株高、生物量、籽粒產(chǎn)量和水分利用效率分別平均比傳統(tǒng)平作高18.6%、55.0%、51.1%和41.7%。分類比較秸稈還田和秋覆膜處理與傳統(tǒng)平作的平均增產(chǎn)率, 可見2012—2013年度(40.5%)> 2011—2012年度(19.2%), 玉米秸稈還田(35.5%)>麥秸稈還田(24.2%), 秸稈還田結(jié)合秋覆膜(44.6%%)>單一秸稈還田(15.1%), 小麥株高、生物量及水分利用效率的變化趨勢與產(chǎn)量變化趨勢一致。

表3 冬小麥籽粒產(chǎn)量和水分利用效率

同一年度中, 同列的數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(< 0.05)。

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

秸稈還田和秋覆膜增產(chǎn)的主要原因是提高了單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù), 2011—2012和2012—2013年度兩個秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理單位面積穗數(shù)分別平均比傳統(tǒng)平作高9.8%和30.4%, 穗粒數(shù)平均分別提高17.4%和24.6%; 而兩個單一秸稈還田處理穗數(shù)分別平均比傳統(tǒng)平作高4.5%和14.0%, 穗粒數(shù)平均分別高1.8%和10.4%。相關(guān)分析表明, 小麥籽粒產(chǎn)量與穗數(shù)、穗粒數(shù)、株高、生物量及水分利用效率均呈極顯著正相關(guān)(<0.01), 與千粒重相關(guān)不顯著(>0.05)(表4)。

表4 冬小麥主要農(nóng)藝性狀和籽粒產(chǎn)量之間的相關(guān)分析

*<0.05;**<0.01.

3 討論

3.1 秸稈還田和秋覆膜土壤貯水的影響

秸稈還田和覆膜栽培技術(shù)均具有抑蒸保墑、提高降水利用率, 顯著改善作物生育期內(nèi)土壤水分條件的作用, 但二者對土壤水分的影響機制不同[10,18-22]。覆膜直接阻斷了土壤水分垂直蒸發(fā), 迫使膜下水分橫向遷移, 顯著降低了水分無效蒸發(fā)和熱量散失[23-24], 可明顯改善冬小麥孕穗前0~200 cm土壤墑情, 并促進冬小麥對深層土壤水的利用, 有效增加作物蒸騰性耗水, 使作物產(chǎn)量和水分利用效率顯著提高[2]。若在小麥晚冬早春階段性覆膜, 可明顯增加積溫, 促進早發(fā)育, 優(yōu)化產(chǎn)量因素, 從而提高產(chǎn)量[25]。短期秸稈還田主要影響0~40 cm土壤剖面水分, 對更深土層水分影響較小[26], 長期秸稈還田可顯著增加0~3 m土體土壤貯水, 降低作物耗水, 顯著提高產(chǎn)量[20]。同時, 秸稈還田和覆膜均能有效調(diào)控土壤水分時空再分配, 均衡作物各生育階段用水需求, 有效促進土壤水分的良性循環(huán)[2,9-10,22,,26]。本研究中, 各秸稈還田和秋覆膜處理均能有效改善冬小麥全生育期0~200 cm土壤水分狀況, 特別是小麥播種至返青階段, 兩年度4個秸稈還田和秋覆膜處理土壤貯水量平均比傳統(tǒng)平作分別高14.6 mm和46.9 mm, 可避免冬小麥在越冬前和返青期遭受干旱脅迫, 有利于冬小麥冬前形成壯苗, 安全越冬和提早返青, 為冬小麥后期生長提供了有利的土壤水分環(huán)境, 有利于小麥植株積累更多養(yǎng)分, 為來年豐產(chǎn)打下物質(zhì)基礎(chǔ)。這與侯慧芝等[13]的研究結(jié)果一致。另外, 秸稈還田和秋覆膜處理的保墑效應(yīng)表現(xiàn)為秋覆膜大于秸稈還田材質(zhì), 秸稈還田材質(zhì)間為玉米秸稈大于麥秸稈, 兩年度玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜、單一玉米秸稈還田、麥秸稈還田結(jié)合秋覆膜和單一麥秸稈還田處理0~200 cm土壤貯水量分別平均較傳統(tǒng)平作多33.1、12.8、15.3和4.1 mm。本研究還表明, 單一玉米秸稈還田的保墑效果優(yōu)于單一麥秸稈還田, 究其原因, 一方面玉米秸稈內(nèi)部大量的親水纖維結(jié)構(gòu)和外部豐富的蠟質(zhì)層對土壤水分的保蓄能力、土壤物理結(jié)構(gòu)的改變效果更有利于土壤水分保蓄[27],另一方面, 由于玉米秸稈自身體積明顯大于麥秸稈, 直接將秸稈粉碎旋耕均勻還田后, 在耕作層形成的秸稈-土壤混合層的土壤容重玉米秸稈還田小于麥秸稈還田, 從而增加土壤孔隙度, 導(dǎo)致土壤蓄水體積大于麥秸稈, 最終提高了土壤貯水[28-30], 是旱作農(nóng)區(qū)農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展的有效技術(shù)[22,31]。

眾所周知, 土壤水分充足則植株生長快, 群體數(shù)量大, 生長耗水和土壤水分消耗相應(yīng)增加; 相反, 土壤水分不足, 則植株生長受抑制, 不利于群體數(shù)量增加, 生長耗水和土壤水分消耗也相應(yīng)減少。本研究中, 通過對土壤貯水消耗、穗數(shù)及地上部分干物質(zhì)積累的對比計算, 證實了降水偏少年份傳統(tǒng)平作耗水量顯著低于秸稈還田和秋覆膜處理, 其主要原因是降水偏少年份冬小麥返青至拔節(jié)階段無降水補充, 與傳統(tǒng)平作相比, 秸稈還田和秋覆膜處理良好的保墑效果為這一階段小麥生長提供了更多水分, 而傳統(tǒng)平作遭受嚴重干旱, 導(dǎo)致群體數(shù)量不足, 小麥株高、穗數(shù)及生物量均顯著降低, 最終耗水量、籽粒產(chǎn)量及水分利用率也明顯減少。然而, 有學(xué)者認為有的覆膜模式存在負效應(yīng), 在春小麥生育后期覆膜, 使作物根系發(fā)育受到抑制, 影響產(chǎn)量形成[32]; 覆膜條件下作物產(chǎn)量的提高會大量消耗土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分和水分, 連年種植導(dǎo)致早衰減產(chǎn)[33-34]。秸稈還田對土壤養(yǎng)分是一種補充, 并可改善土壤結(jié)構(gòu), 但在西北旱農(nóng)區(qū)長期推行秸稈還田結(jié)合地膜覆蓋技術(shù), 對農(nóng)業(yè)生態(tài)和可持續(xù)生產(chǎn)有何影響, 需深入研究。

3.2 秸稈還田和秋覆膜對產(chǎn)量和水分利用效率的影響

秸稈還田和秋覆膜種植能夠通過改善土壤水分狀況進而促進作物生長發(fā)育[12,15]。張哲等[22]試驗表明, 秸稈還田結(jié)合秋覆膜種植玉米株高和生物量均顯著或極顯著高于單一秸稈還田和裸地種植。本研究發(fā)現(xiàn), 秸稈還田和秋覆膜種植模式下, 冬小麥株高和地上部分生物量較傳統(tǒng)平作均有明顯增加, 兩年度平均株高和生物量較傳統(tǒng)平作分別高17.4%和46.6%, 單一秸稈還田平均株高和生物量較傳統(tǒng)平作分別高5.6%和16.6%, 以玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理提高幅度最大, 兩年度平均株高和生物量分別較傳統(tǒng)平作高18.6%和55.0%。這表明秸稈還田結(jié)合覆膜能有效改善土壤水分條件, 促進作物生長, 效果優(yōu)于單一秸稈還田。

秸稈還田和覆膜種植模式能夠有效改善土壤水分狀況, 增加籽粒產(chǎn)量, 從而提高水分利用效率。張哲等[22]在遼寧阜新旱區(qū)研究表明, 秸稈還田結(jié)合秋覆膜種植模式在秸稈經(jīng)過一個腐解周期后玉米籽粒產(chǎn)量較單一秸稈還田和裸地種植分別提高62.8%和98.0%, 水分利用效率分別提高65.6%和90.3%。本研究獲得相似結(jié)果, 無論是降水偏多還是偏少年份, 秸稈還田和秋覆膜種植均可有效提高冬小麥籽粒產(chǎn)量和水分利用效率, 兩年度小麥籽粒產(chǎn)量和水分利用效率分別比平均傳統(tǒng)平作高44.6%和35.3%, 單一秸稈還田平均分別高15.1%和9.3%, 以玉米稈還田結(jié)合秋覆膜處理提高幅度最大, 兩年度平均籽粒產(chǎn)量和水分利用效率分別較傳統(tǒng)平作提高51.1%和41.7%。在本研究中, 秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理表現(xiàn)出小麥對不同土層土壤水分利用的調(diào)控效果, 促進冬小麥返青至拔節(jié)階段的生產(chǎn)和群體形成, 為最終提高籽粒產(chǎn)量和水分利用效率奠定基礎(chǔ), 并且兩種秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理中, 玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜似乎更有優(yōu)勢。然而本研究試驗?zāi)晗掭^短, 尚需在更長的時間內(nèi)觀測玉米稈還田結(jié)合秋覆膜在不同降水年型的效果。

4 結(jié)論

秸稈還田和秋覆膜種植可有效改善農(nóng)田土壤水分狀況, 促進冬小麥生長發(fā)育, 從而顯著提高冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率。無論是在豐水年份還是偏旱年份, 玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜模式的小麥群體結(jié)構(gòu)都處于較好狀態(tài), 其株高、生物量、穗粒數(shù)、穗數(shù)、水分利用效率均高于或顯著高于其他處理, 籽粒產(chǎn)量和水分利用效率較傳統(tǒng)平作分別平均高51.1%和41.7%。在降水偏少的2012—2013年度, 玉米秸稈還田結(jié)合秋覆膜處理比傳統(tǒng)平作降低了開花至成熟階段的耗水及其占總耗水的比例, 顯著增加返青至拔節(jié)階段的耗水及其占總耗水的比例, 同時加強了對深層土壤水分的調(diào)用; 而在降水偏多的2011—2012年度, 這種效應(yīng)不明顯。

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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

柴守璽, E-mail: sxchai@126.com

E-mail: jadayz@163.com

本研究由國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(CARS-3-2-49), 國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201303104)和國家自然科學(xué)基金項目(31560356, 31760362)資助。

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