不同覆蓋措施對旱區(qū)春小麥產(chǎn)量及碳效率的影響

摘要：為實現(xiàn)旱區(qū)春小麥種植生產(chǎn)環(huán)境效益和經(jīng)濟效益雙贏，依托大田試驗，研究不同覆蓋措施秸稈帶狀覆蓋、地膜覆蓋、秸稈碎稈覆蓋和對照露地平作對旱區(qū)春小麥產(chǎn)量及碳效率的影響，并對經(jīng)濟效益進行了評價。結(jié)果表明，與露地平作相比，地膜覆蓋顯著提高了生育期春小麥干物質(zhì)積累量，增幅為37.58%；秸稈帶狀覆蓋提高了小麥開花期和收獲期干物質(zhì)積累量，增幅分別為32.65%和9.83%。秸稈碎稈覆蓋、地膜覆蓋千粒重較露地平作分別提高了15.55%、21.91%。地膜覆蓋碳投入總量增幅最大，較露地平作增加1 223.07 kg C/hm2。秸稈碎稈覆蓋較露地平作籽粒碳和植株碳產(chǎn)出量分別提高了38.41%和23.34%。秸稈帶狀覆蓋提高了碳生產(chǎn)效率、碳經(jīng)濟效率、碳生態(tài)效率，增幅分別為0.58 %、0.45 %、0.24%。秸稈碎稈覆蓋經(jīng)濟效益為3 882.69元，較露地平作增加22.7%。綜合表明，各覆蓋措施均能提高春小麥產(chǎn)量和經(jīng)濟效益，其中秸稈帶狀覆蓋顯著提高了碳生產(chǎn)效率、碳經(jīng)濟效率和碳生態(tài)效率。

關(guān)鍵詞：秸稈帶狀覆蓋；地膜覆蓋；秸稈碎稈覆蓋；產(chǎn)量；碳效率

中圖分類號：S512.1 文獻標志碼：A 文章編號：2097-2172（2024）06-0515-07

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2024.06.005

Effects of Different Mulching Measures on the Yield and Carbon

Efficiency of Spring Wheat in Arid Area

WANG Xiaoyan 1， 2， 3， PANG Lei 1， 2， 3， LU Jianlong 1， 4， HU Nannan 1， 2， 3， YANG Jin 1， 2， 3， XIAO Xinyue 1， 2， 3，

ZHANG Zhengwei 1， 2， 3， REN Lei 1， 2， 3

（1. Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Habitat Crops， Lanzhou Gansu 730070， China; 2. College of Agriculture， Gansu Agricultural University， Lanzhou Gansu 730070， China; 3. Plant Production Experimental Teaching Centre of Gansu

Agricultural University， Lanzhou Gansu730070， China; 4. School of Water Resources and Hydropower

Engineering， Gansu Agricultural University， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract： In order to achieve both environmental benefits and economic benefits of spring wheat planting in arid areas， based on field experiments， effects of different mulching measures， such as straw strip mulching， plastic film mulching， crushed straw mulching and open field flat planting， on the yield and carbon efficiency of spring wheat in arid areas were studied， and the economic beneficts were evaluated. Results showed that compared with open field flat planting， plastic film mulching significantly increased the dry matter accumulation of spring wheat during the whole growth period with an increase of 37.58%. Straw strip mulching increased the dry matter accumulation at wheat flowering and harvesting stages by 32.65% and 9.83%， respectively. The 1000-grain weight of crushed straw mulching and plastic film mulching were increased by 15.55% and 21.91%， respectively， compared with open field flat planting. Plastic film mulching had the largest increase in total carbon input， which was 1 223.07 kg C/ha higher than that of open field flat planting. Compared with open field flat planting， crushed straw mulching increased grain carbon and plant carbon yield by 38.41% and 23.34%， respectively. Straw strip mulching improved carbon production efficiency， carbon economic efficiency and carbon ecological efficiency by 0.58%， 0.45% and 0.24%， respectively. In addition， the economic benefit of crushed straw mulching was 3 882.69 Yuan， which was 22.7% higher than that of open field flat planting. Therefore， each mulching measure could improve the yield and economic benefits of spring wheat， and the straw strip mulching could significantly increase the carbon production efficiency， carbon economic efficiency and carbon ecological efficiency.

Key words： Straw strip mulching; Plastic film mulching; Crushed straw mulching; Yield; Carbon efficiency

小麥作為我國重要的糧食作物之一，主要分布于旱區(qū)，是西北半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)最主要的糧食作物［1 ］。水資源是制約春小麥產(chǎn)量的主要因素［2 ］。干旱是影響作物生長發(fā)育、全球糧食安全并阻礙農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素［3 ］，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了極大影響［4 ］。覆蓋技術(shù)是一種促進作物增產(chǎn)的管理措施，具有保墑、改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤養(yǎng)分含量的作用［5 ］。常用的覆蓋方式有地膜和秸稈兩種，其中地膜覆蓋是用塑料薄膜覆蓋地表的一種栽培技術(shù)，它可以改變土壤水分和溫度條件，進而促進增產(chǎn)［6 ］；秸稈帶狀覆蓋是旱作農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)，分覆蓋帶和種植帶，兩帶相間分布，可用于旱地小麥的栽培［7 ］。碎稈覆蓋是指將粉碎的秸稈覆蓋于作物之上，有利于秸稈腐解，提高土壤肥力。碎稈覆蓋也能減少水分蒸散，緩和作物耗水和土壤供水間矛盾。覆蓋可保溫、保濕，改善土壤結(jié)構(gòu)，從而增加產(chǎn)量［8 ］；覆蓋還可調(diào)控春小麥土壤水熱條件，促進作物光合作用，影響春小麥干物質(zhì)積累［9 ］，覆蓋下株高、穗長等產(chǎn)量構(gòu)成要素均顯著增加［7 ］。地膜覆蓋、碎稈覆蓋和秸稈覆蓋有利于增溫保墑，而增溫可促進馬鈴薯根系的生長發(fā)育和干物質(zhì)積累。地膜覆蓋還能減少土壤蒸發(fā)，保持水分，進而提高產(chǎn)量［10 - 11 ］，秸稈帶狀覆蓋可顯著提高作物干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量［12 ］，適宜的覆蓋措施還能提高小麥碳效率和經(jīng)濟效益。地膜覆蓋對環(huán)境的調(diào)節(jié)和增產(chǎn)幅度優(yōu)于秸稈覆蓋，但地膜覆蓋造成的白色污染對環(huán)境影響較大，使其使用備受爭議［13 ］；秸稈覆蓋可使秸稈風化入土，循環(huán)往復(fù)能促進秸稈資源高效利用。

碳作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的一種重要資源，是作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)和作物重要的能量來源，可直接影響其產(chǎn)量和品質(zhì)［14 ］；其利用效率是指排放單位數(shù)量碳所產(chǎn)出的經(jīng)濟產(chǎn)量和經(jīng)濟價值等有效價值量，提高碳效率是促進農(nóng)業(yè)固碳減排的關(guān)鍵途徑。Dubey等［15 ］通過對美國農(nóng)業(yè)碳效率的測算，進而評價了其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性；劉利平等［16 ］通過測算我國農(nóng)業(yè)碳效率，認為碳效率有利于我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展；Burney等［17 ］研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)碳效率可推動其碳匯能力的提高。作物系統(tǒng)有突出固碳減排提高生態(tài)效益的潛力，碳效率提高有利于農(nóng)業(yè)節(jié)能減排［18 ］。我們通過大田試驗，分析了秸稈帶狀覆蓋、秸稈碎稈覆蓋和地膜覆蓋對旱區(qū)春小麥產(chǎn)量的影響，并結(jié)合農(nóng)田投入、碳效率和經(jīng)濟效益進行了可持續(xù)性評價，以期為旱區(qū)作物增產(chǎn)、提高經(jīng)濟效益和可持續(xù)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗設(shè)在甘肅省定西市安定區(qū)團結(jié)鎮(zhèn)唐家堡村甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)試驗基地（104° 36′ E，35° 35′ N）。該地區(qū)海拔1 970 m，年均氣溫6.2 ℃，年輻射總量5 898 MJ/m2，年日照時數(shù)2 500 h，≥10 ℃積溫2 075.1 ℃，無霜期140 d，屬于中溫帶半干旱氣候。該區(qū)域為典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，年降水量415 mm，6 — 9月降水量占全年的68 %，降水相對變率24 %，400 mm降水保證率為48 %。春小麥生育期有效降水量117.6 mm（≥5 mm），平均溫度16.39 ℃（圖1）。試驗地土壤速效氮、速效磷和速效鉀含量分別為5.60、7.89、128.25 mg/kg，前茬玉米。

1.2 供試品種

指示春小麥品種為隴春35號，由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所提供。

1.3 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)4個處理，分別為秸稈帶狀覆蓋（TSM）處理：將玉米秸稈整稈呈條帶狀覆蓋于土壤表面，其中秸稈覆蓋帶寬50 cm，種植帶寬50 cm，兩帶相間排列，秸稈（風干基）覆蓋量為9 000 kg/hm2；秸稈碎稈覆蓋（TSR）處理：玉米秸稈鍘成5 cm左右的碎稈，春季整地時翻入土中還田，碎稈（風干基）覆蓋量為9 000 kg/hm2；地膜覆蓋（TPM）處理：黑色地膜全膜覆蓋；露地平作（TCK）處理，傳統(tǒng)露地平作。試驗隨機區(qū)組排列，重復(fù)3次，小區(qū)面積35 m2（7 m×5 m）。采用穴播種植，TCK、TPM和TSR處理行距均為55 cm、株距均為30 cm。TSM處理在距離秸稈覆蓋帶邊緣10 cm處按“品”字形播種，行距和株距均為30 cm。所有處理結(jié)合旋耕整地一次性施入基肥N 200 kg/hm2、P2O5 250 kg/hm2，生育期內(nèi)不再追肥。

1.4 樣品采集及測定

1.4.1 干物質(zhì) 選具有代表性3個生育時期（拔節(jié)期、開花期和收獲期），每小區(qū)分別取春小麥全株20株，烘干后測定干物質(zhì)質(zhì)量［19 ］。

1.4.2 產(chǎn)量 春小麥收獲期去邊行，按小區(qū)單打單收，測實產(chǎn)［20 ］。

1.4.3 產(chǎn)量 構(gòu)成要素 春小麥收獲期，各小區(qū)隨機選取20株春小麥全株，測定株高、穗長、穗重、穗粒數(shù)和千粒重［19 ］。

1.5 計算指標及方法

CI=Ci=（mβ）i

式中，CI為作物的碳投入總量，n表示該作物從播種到收獲整個過程消耗了n種能源，Ci表示第i種能源或農(nóng)資的碳排放量，m為消耗第i種能源或農(nóng)資的量，β為第i種能源或農(nóng)資的碳排放參數(shù)，碳投入量統(tǒng)一用碳當量來表示單位是kg C［21 ］。

EP=

式中，EP為碳生產(chǎn)效率，CG為作物籽粒含碳量，CI為碳投入量，籽粒含碳量通過籽粒產(chǎn)量和籽粒含碳量估算，籽粒含碳率為47%［21 ］。

Ee=

式中，Ee為碳生態(tài)效率，CI指碳投入量，Cc指植株含碳量［21 ］。

CE=（CG×P）/CI

式中，CE為碳經(jīng)濟效率，P為經(jīng)濟產(chǎn)量的銷售價格，CG為作物籽粒含碳量，CI為碳投入量［22 ］。

CG=M×（1-w）×0.45

式中，M為經(jīng)濟產(chǎn)量，w為經(jīng)濟產(chǎn)量的含水量，0.45為生物量與含C量的轉(zhuǎn)化系數(shù)［22 ］。

Cc= CG/H-CG

式中，Cc為植株含C量，H為經(jīng)濟系數(shù)，CG為籽粒的含C量［22 ］。

經(jīng)濟效益=經(jīng)濟產(chǎn)量×市場價格-生產(chǎn)成本［23 ］。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 21.0 軟件分析數(shù)據(jù)。用新復(fù)極差法（Duncan法）進行多重比較，顯著性水平設(shè)置為P < 0.05。用Origin 2021繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋措施對春小麥干物質(zhì)積累的影響

隨生育時期的推進，春小麥干物質(zhì)積累量增加。覆蓋處理均可以提高春小麥干物質(zhì)積累量，地膜覆蓋增長幅度最大，秸稈帶狀覆蓋干物質(zhì)積累量小于秸稈碎稈覆蓋。由圖2可知，干物質(zhì)積累量拔節(jié)期TPM處理比TCK處理提高32.30%（P < 0.05），開花期TPM、TSR、TSM處理較TCK處理分別提高60.00%、40.82%、32.65%（P < 0.05），收獲期TPM、TSM處理較TCK處理分別提高20.44%、9.83%（P < 0.05）。TPM處理能顯著提高生育期春小麥物質(zhì)積累量，較TCK處理提高37.58%。

2.2 不同覆蓋措施對春小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

由表1可知，TSM、TPM、TSR處理均可提高春小麥株高、穗長、穗重、穗粒數(shù)及千粒重。其中株高、穗長、穗重、千粒重均以TPM處理最高，分別較TCK增加9.77%、15.37%、23.37%、21.91%；其次是TSR處理，分別較TCK增加6.26%、6.09%、16.84%、15.55%。穗粒數(shù)以TPM處理最高，較TCK增加12.20%；其次是TSM和TSR處理，均較TCK增加4.88%。

2.3 不同覆蓋措施下農(nóng)田碳效率評估

用投入量及對應(yīng)的碳排放系數(shù)，將種子、肥料、人工和地膜折算成碳投入量（表2）。由圖3可知，TSR、TSM、TPM處理的碳投入量較TCK分別增加442.36、110.68、1 223.07 （kg·C）/hm2，不同農(nóng)田管理措施均能引起碳投入總量變化。與TCK相比，TSR、TSM、TPM籽粒碳產(chǎn)出量分別提高了38.41%、10.87%、39.86%，植株碳產(chǎn)出量分別提高了23.34%、11.15%、38.68%（P < 0.05）。

秸稈帶狀覆蓋可提高碳生產(chǎn)效率、碳經(jīng)濟效率和碳生態(tài)效率。由圖4可知，與TCK相比，TSM碳生產(chǎn)效率、碳經(jīng)濟效率和碳生態(tài)效率提高0.58%、0.45%和0.24%。其他處理受碳投入總量的影響導(dǎo)致碳生產(chǎn)效率、碳經(jīng)濟效率和碳生態(tài)效率較低，表明秸稈帶狀覆蓋可增強作物碳匯能力。

2.4 經(jīng)濟效益評價

由表3可以看出，與TCK相比，覆蓋材料投入高出600～2 400元/hm2。由于在播前覆膜和覆蓋秸稈以及收獲后殘膜回收需人工投入，各處理用工投入800～2 500元/hm2；其他投入相同，均為7 300 元/hm2。不同覆蓋措施下的產(chǎn)值為11 264.35～ 15 621.54元/hm2，各處理從高到低依次為TPM、TSR、TSM、TCK；經(jīng)濟效益為3 882.69～3 164.35元/hm2，各處理從高到低依次為TSR、TSM、TPM、TCK，其中TSR、TSM、TPM處理比TCK分別增加22.7%、15.2%、8.13%。由此可知，秸稈帶狀覆蓋和地膜覆蓋均可提高經(jīng)濟效益，且以秸稈碎稈覆蓋為最好。

3 討論與結(jié)論

干物質(zhì)積累是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，覆蓋措施在改善土壤環(huán)境的同時，通過調(diào)節(jié)春小麥的生長影響春小麥的產(chǎn)量。地膜覆蓋、秸稈碎稈覆蓋和秸稈帶狀覆蓋有利于增溫保墑，而增溫可促進春小麥根系的生長發(fā)育和干物質(zhì)積累［24 - 25 ］。秸稈還田是一種農(nóng)田培肥措施［26 ］，能提高土壤肥力，進而促進作物增產(chǎn)［27 ］。解文艷等［28 ］和譚德水等［29 ］認為，秸稈還田還能減少土壤肥力消耗，促進增產(chǎn)。秸稈和地膜覆蓋可協(xié)調(diào)土壤水肥關(guān)系，有利于提高產(chǎn)量及其構(gòu)成要素［30 ］。覆蓋可作用于作物的生長發(fā)育，進而影響干物質(zhì)積累量［31 ］。本研究表明，與露地平作處理相比，地膜覆蓋顯著提高了生育期春小麥干物質(zhì)積累量，增幅為37.58%；秸稈帶狀覆蓋處理提高了開花期和收獲期干物質(zhì)積累量，增幅分別為32.65%和20.44%。與常磊等［32 ］研究結(jié)論一致；秸稈帶狀覆蓋處理處理下株高有所提高，與劉祖貴等［24 ］的研究結(jié)論吻合。地膜覆蓋處理下株高提高9.77%，與李尚中等［33 ］地膜覆蓋可提高株高的研究結(jié)果一致。楊佳佳等［34 ］研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋可促進春小麥干物質(zhì)積累量，與本研究結(jié)果一致。 可見秸稈覆蓋能改善春小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素［35 - 36 ］，提高干物質(zhì)積累量［37 ］，這與本研究結(jié)論一致，干物質(zhì)積累是春小麥籽粒形成的關(guān)鍵，較多干物質(zhì)積累量是作物籽粒產(chǎn)量增加的前提［38 ］。春小麥產(chǎn)量取決于穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，本試驗中地膜覆蓋處理、秸稈碎稈覆蓋處理千粒重比對照露地平作分別提高了21.91%、15.55%，這與呂瑩瑩等［39 ］的研究結(jié)果一致，可能是因為試驗?zāi)甏盒←湽酀{期溫度低但降水多所致。

農(nóng)田管理措施、耗資量、覆蓋方式和產(chǎn)量的差別，導(dǎo)致碳效率（碳生產(chǎn)效率、碳經(jīng)濟效率和碳生態(tài)效率）產(chǎn)出不同。本研究發(fā)現(xiàn)，各處理均可增加籽粒碳產(chǎn)出量、植株碳產(chǎn)出量、碳效率、碳投入總量和純收益，秸稈帶狀覆蓋處理的碳效率高于對照露地平作。由于增加了人工和地膜投入，地膜覆蓋處理碳投入總量增幅最大，較露地平作增加1 223.07 kg C/hm2。秸稈碎稈覆蓋處理較露地平作處理籽粒碳和植株碳產(chǎn)出量分別提高了38.41%和23.34%。秸稈帶狀覆蓋處理提高了碳生產(chǎn)效率、碳經(jīng)濟效率和碳生態(tài)效率，增幅分別為0.58%、0.45%和0.24%。秸稈碎稈覆蓋處理經(jīng)濟效益為3 882.69元，較露地平作處理增加22.7%。秸稈帶狀覆蓋處理的投入少但產(chǎn)出多，該處理的碳效率高于其他處理是合理的，這與王良等［40 ］研究結(jié)論吻合。各處理間碳效率差異是由于投入量不同，這與史磊剛等［21 ］研究一致。地膜覆蓋處理和秸稈碎稈覆蓋處理在播種初期需人工覆膜和粉碎，地膜覆蓋處理的經(jīng)濟投入也大于秸稈帶狀覆蓋處理，因為地膜成本和人工投入比秸稈高。各處理的碳投入構(gòu)成中，化肥和人工占比最大，表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥浪費嚴重［41 ］?；诖?，節(jié)約化肥、提高化肥利用效率是提高作物碳效率的重要舉措。植株碳產(chǎn)出量明顯高于籽粒碳產(chǎn)出量。針對我國目前存在秸稈利用效率低的現(xiàn)狀［42 ］，促進秸稈有效利用技術(shù)的推進是提高作物碳效率的關(guān)鍵，應(yīng)用適宜的覆蓋方式對作物碳效率提高有舉足輕重的作用。

本試驗表明，隨生育時期的推進，春小麥干物質(zhì)積累量逐漸增加，秸稈帶狀覆蓋提高了春小麥開花期和收獲期干物質(zhì)積累量，秸稈帶狀覆蓋、秸稈碎稈覆蓋和地膜覆蓋均提高了春小麥千粒重，地膜覆蓋還提高了株高。由于人工投入和覆蓋材料的差異，地膜覆蓋的碳投入量最多，秸稈碎稈覆蓋次之，秸稈帶狀覆蓋最少。秸稈帶狀覆蓋、秸稈碎稈覆蓋和地膜覆蓋均提高了籽粒碳產(chǎn)出量和植株碳產(chǎn)出量。秸稈帶狀覆蓋提高了碳生產(chǎn)效率、碳經(jīng)濟效率和碳生態(tài)效率。各覆蓋處理均可提高經(jīng)濟效益。綜上，秸稈帶狀覆蓋、秸稈碎稈覆蓋和地膜覆蓋可提高春小麥干物質(zhì)積累量、千粒重和經(jīng)濟效益，秸稈帶狀覆蓋還提高了碳生產(chǎn)效率、碳經(jīng)濟效率和碳生態(tài)效率，起到固碳減排的效應(yīng)。

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