西北旱地秸稈覆蓋對小麥產量及農田生態效應的影響

葉元生，黃彩霞

(甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州730070)

0 引言

我國西北地區總面積約為369萬km2，占全國國土面積的38.4%，但該地區水資源總量僅為2 027億m3，占全國水資源總量的7.25%，年均降水量230 mm，蒸發量1 840～2 300 mm[1]。水資源稀缺，蒸散量大是制約西北地區農業發展的主要因素。小麥是西北旱作區主要的糧食作物，也是重要的口糧作物，關系到區域糧食安全[2]。然而，依靠傳統的露地種植方式，產量低而不穩，平均僅3 261.2 kghm2，且水分利用效率較低[3-7]。如何有效利用有限的水資源，提高小麥產量，是實現西北地區農業可持續發展的關鍵。

經多年探索研究，西北地區以覆蓋(地膜和秸稈)、秸稈還田等為核心的保護性耕作栽培技術得以廣泛推廣應用，有效緩解了水分不足對作物生產的制約，并使小麥年際產量相對穩定[3]。地膜覆蓋能夠阻止土壤水分的垂直蒸發，促進水分的橫向運移，有效保蓄土壤水分，減少蒸發，協調作物生長用水、需水矛盾，促進了對深層水分的利用，且增產效果顯著[8-9]。也有研究表明，地膜覆蓋的增溫效應導致小麥生育后期早衰和粒質量下降，導致小麥減產[10]。此外，覆蓋地膜后造成的舊膜難回收、白色污染等問題突出，限制了地膜覆蓋技術的長久發展。秸稈覆蓋可避免地膜覆蓋的“白色污染”和因秸稈焚燒引起的霧霾污染，是一種生態環保技術，但有關秸稈覆蓋產量效應因區域氣候條件、土壤條件、覆蓋材料及覆蓋方式等而異[11]。本文通過查閱大量文獻，系統分析西北地區秸稈覆蓋小麥產量效應及其農田生態效應研究，以期為今后秸稈覆蓋整合技術提供參考依據。

1 秸稈覆蓋模式

我國西北地區對于秸稈覆蓋的研究始于20世紀80年代初[12-13]。研究至今，出現多種小麥秸稈覆蓋方式。2000—2020年西北地區主要小麥秸稈覆蓋栽培方式如表1所示[5，14-26]。

表1 西北各地區主要小麥秸稈覆蓋方式

由表1可知，免耕+秸稈覆蓋是西北地區小麥秸稈覆蓋的主要方式，其中陜西研究較多的小麥秸稈覆蓋方式為免耕+秸稈覆蓋、壟上覆膜溝覆秸稈及生育期和夏閑期秸稈覆蓋。甘肅主要研究的方式為免耕+秸稈覆蓋及秸稈帶狀覆蓋。寧夏主要研究的方式為不同覆蓋量下秸稈覆蓋對小麥的影響。新疆主要研究的方式為免耕+秸稈覆蓋。

2 秸稈覆蓋對小麥產量的綜合效應

2.1小麥產量

研究表明，在我國西北地區采用秸稈覆蓋技術可以使玉米、馬鈴薯和棉花等主要經濟作物達到增產的效果[27-29]。鞏杰等[30]在甘肅的試驗發現，采用免耕秸稈覆蓋模式較露地種植提高小麥產量12.47%～29.63%。陳樂梅等[26]在新疆的研究表明，免耕秸稈覆蓋較露地提高小麥產量11.68%～18.52%。劉婷[4]在陜西的試驗發現，免耕秸稈覆蓋較露地提高小麥產量27.1%～30.2%。李玉鵬等[25]在寧夏的試驗證明，不同量秸稈覆蓋較露地提高小麥產量2.9%～16.7%。程宏波等[31]的研究表明，秸稈覆蓋較露地增產7.6%～12.7%，而地膜覆蓋較露地增產41.6%～44.9%。楊長剛等[32]的研究表明，秸稈覆蓋較露地增加小麥產量14%～30%，地膜覆蓋較露地增產15%～60%。綜上所述，免耕秸稈覆蓋能夠較露地提高西北地區小麥產量10%～20%，增產效果顯著。但不同地區增產效果不同，這可能與地區降水量、土壤質地等因素有關。此外，秸稈覆蓋較露地增產效果顯著，但其較地膜覆蓋的增產效果一般，主要原因是在降水資源有限的條件下，地膜的保水效果較秸稈更好。

也有研究表明，秸稈覆蓋會導致小麥減產，主要是受覆蓋量、覆蓋長度及降水年型的影響。劉婷等[33]研究表明，秸稈覆蓋量為9 000和6 000 kghm2時，分別較露地減產5.9%和6.9%，而在秸稈覆蓋量為3 000 kghm2時，較露地顯著增產5.9%。程宏波等[3]研究發現，整桿覆蓋較露地顯著減產14.1%，但碎稈覆蓋卻使小麥增產21.7%。涂純等[34]研究發現，缺水年秸稈覆蓋較露地提高小麥產量6.7%～8.2%。豐水年秸稈覆蓋較露地降低小麥產量8.2%～17.7%。

綜合上述，秸稈覆蓋產量效應因覆蓋方式、覆蓋量、覆蓋材料及降水年型等而異，總體上表現為增產多與減產并存的情況，其中陜西省旱地小麥種植以全程覆蓋方式增產效應最明顯，最高較露地增產41.1%～65.7%[4]。寧夏以生育期覆蓋秸稈方式增產效應最為明顯，較露地增產2.9%～16.7%[25]。甘肅以秸稈帶狀覆蓋增加小麥產量的效益最為明顯，較露地增產最高可達41.3%～61.9%[35]。新疆以免耕秸稈覆蓋增產效應最為明顯，最高較露地增產45.92%[5]。可以看出，在西北地區采用秸稈覆蓋技術實現小麥增產增收是切實可行的農業措施。但是，秸稈覆蓋后出現的小麥減產問題也不容忽略，秸稈覆蓋量、秸稈覆蓋方式及降水年型的不同都有可能對小麥的產量造成不同的影響，應根據當地的實際農業生產狀況和環境條件，因地制宜的選擇適合當地情況的秸稈覆蓋方式和秸稈覆蓋量進行覆蓋種植，實現小麥的增產增收。

2.2小麥產量構成要素

單位面積穗數、千粒質量和穗粒數是構成小麥產量的3要素，是衡量小麥產量的重要因素。分析秸稈覆蓋對小麥單位面積穗數、千粒質量和穗數的影響對于明確秸稈覆蓋對小麥產量的影響意義重大。

2.2.1單位面積穗數

小麥單位面積穗數主要由兩種因素決定：一是單位面積出苗率；二是小麥的分蘗成穗能力。小麥的出苗率與周圍土壤環境息息相關，土壤水分及土地溫度等對小麥的出苗影響較大。秸稈覆蓋過多，可能會使秸稈下形成濕熱的環境，造成種子霉爛，影響出苗。且秸稈本身的物理阻礙也會對小麥的出苗造成影響。李少昆等[36]的研究表明，由于秸稈覆蓋量過多導致小麥出苗較露地減少13.4%。小麥的分蘗由分蘗芽發育而來，低溫、缺水等不利因素會抑制小麥分蘗芽的生長[37]。陳玉章[38]研究發現，秸稈覆蓋能夠較露地提高冬小麥分蘗期至越冬期0～25 cm土層土壤溫度0.59 ℃。西北地區低溫時間長，對小麥分蘗影響較大，適當增加地溫有利于小麥分蘗。常磊等[39]的研究表明，秸稈覆蓋較露地分別增加小麥開花后土壤氮素及磷素69.3%和70.3%。增加土壤有機元素，有利于小麥孕穗，提高小麥分蘗成穗率。可以看出，秸稈覆蓋可能影響小麥種子萌發與出苗。適當的秸稈覆蓋量能夠有效保蓄水分、調節地溫和增加土壤養分，有利于小麥出苗及提高小麥分蘗成穗率。但是，小麥分蘗過多，可能造成小麥主莖與分蘗之間對土壤養分的競爭吸收，導致主莖穗與分蘗穗的養分吸收不足，致使小麥減產。

2.2.2千粒質量

小麥的粒質量與開花期后干物質的積累和對小麥籽粒的分配量及土壤溫度有關。陳樂梅[40]的研究發現，秸稈覆蓋延長小麥灌漿時間，增大灌漿速度，小麥千粒質量較露地增大4.6%～6.3%。劉婷[4]的研究表明，秸稈覆蓋在灌漿速增期較露地提高干物質對小麥籽粒貢獻率2.7%～23.6%，在灌漿緩增期較露地提高干物質對小麥籽粒貢獻率3.5%～69.3%，是小麥粒質量增加的原因。研究表明，秸稈覆蓋降低小麥開花期至灌漿期土壤溫度1.8～2.0 ℃，降溫避免了小麥高溫逼熟，延長了灌漿期，有利于提高粒質量[41]。秸稈覆蓋增加小麥生育期土壤水分，延緩小麥功能葉的衰老，且能夠降低開花期至灌漿期土壤溫度，延長小麥灌漿時長，為籽粒的生長提供充足的物質能源[42]。灌漿期是小麥粒質量增加的關鍵時期，增加小麥干物質積累總量，能夠提高干物質對籽粒的貢獻率，進而增加小麥粒質量。

2.2.3秸稈覆蓋對小麥穗粒數的影響

小麥的穗粒數包括結實小穗數及未結實小穗數，增加結實小穗數減少未結實小穗數的數量是小麥穗粒數增加的關鍵。張博等[42]研究表明，秸稈覆蓋能提高冬小麥花后第7～35天的植株含水量和第7～28天的旗葉相對含水量，有利于營養物質的合成和向籽粒的輸入，減少小麥秕粒，提高結實率。陳樂梅[40]的研究發現，秸稈覆蓋較露地增加小麥穗粒數0.67～2.59個。秸稈覆蓋對小麥穗粒數影響的機理主要在于對土壤水分的有效貯存，在降雨量有限的條件下，秸稈覆蓋能夠保蓄水分，在小麥穗粒形成期，充足的土壤水分是提高小麥穗粒結實率的關鍵，隨著有效穗數的增加，無效穗數減少。

3 秸稈覆蓋麥田的生態效應

3.1土壤團聚體

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，是形成土壤結構的物質基礎，其數量和質量決定土壤肥力的高低[43]。秸稈覆蓋可以增加土壤有機碳，促進土壤團粒結構的形成[44]。王海霞等[14]的研究表明，秸稈覆蓋可較露地顯著增加0～40 cm土層>0.25 cm徑級的機械穩定性團聚體和水穩性團聚體的含量13.0%～26.4%和18.6%～45.6%，增加有機質4.6%～13.5%，提高土壤結構穩定性。付鑫[45]的研究發現，秸稈覆蓋有利于提高土壤0～10 cm和10～20 cm土層>25 cm機械穩定性團聚體的數量。秸稈覆蓋后，植物殘體的輸入直接增加土壤有機碳，作為膠結物質有助于大團聚體的形成，且提高大團聚體比例可在一定程度提高土壤的固氮能力[43-44]。秸稈覆蓋后通過自然腐解產生的化合物和部分微生物代謝產生的分泌物對土粒有膠結作用，有利于增加土壤大團聚體數量，提升土壤固碳、固氮等能力，提高土壤穩定性，且土壤通透性增大，有利于小麥生長。

3.2土壤水分

無覆蓋條件下，地表土壤常常較為干燥，降水時，表層土壤容易結塊，地表易形成徑流且降水難以向地下入滲。覆蓋秸稈后，在地表形成一層保護層，降水不能直接到地面，地表不易結塊，土壤結構完整性高，有利于降水入滲。由于秸稈的攔截，地表不易形成徑流，使得降水在田間均勻分布。而且秸稈覆蓋能夠降低土壤0～25 cm土層的溫度1.4～2.0 ℃，減少土壤水分的蒸散量[46]。王海霞[47]的研究表明，全生育期覆蓋條件下，秸稈覆蓋較露地提高土壤0～60 cm土層土壤含水量2.7%～7.97%，60～140 cm土層提高4.1%～8.48%，140～200 cm土層提高3.0%～8.3%。全程覆蓋條件下，秸稈覆蓋較露地提高土壤0～60 cm土層土壤含水量6.5%～14.5%，60～140 cm土層提高7.6%～17.5%，140～200 cm土層提高1.23%～11.8%。秸稈覆蓋較露地提高土壤含水量效果顯著，不同土層效果不同，總體表現在0～60 cm效果最低，60 cm以下隨著土層的加深，土壤含水量逐漸增大，這與李瑞等[35]的結論相似，這可能是由于表層的土壤蒸發和作物蒸騰消耗了水分。在140～200 cm土層含水量較上層略有減少，可能是由于隨著土層的加深，秸稈覆蓋對土壤水分的影響減小，但整體來看，秸稈覆蓋能夠較露地顯著增加土壤含水量。

3.3土壤溫度

在西北地區，晝夜溫差較大，白天太陽光的直接輻射使得地溫迅速增高，而在夜晚溫度大幅下降。劇烈的溫度變化影響小麥種子萌發，也會增加幼苗的死亡率。秸稈覆蓋能夠平抑地溫的劇烈變化[41]。秸稈本身能夠阻礙和吸收部分太陽光，避免陽光直射造成的地溫直線上升，而在夜晚溫度下降時，秸稈內存的積溫有利于提升地溫，為小麥種子萌發及幼苗生長創造有利的生長環境。研究表明，秸稈覆蓋有降溫和增溫的“雙重效應”[46]。秸稈覆蓋較無覆蓋增加小麥苗期至返青期0～25 cm土層溫度0.76 ℃，返青期以后平均降溫1.43 ℃[48]。陳素英等[49]的研究發現，秸稈覆蓋在冬季較露地增加土壤0～20 cm土層溫度0.3%～0.9%，在春季降低土壤溫度0.2%～1.0%。秸稈覆蓋避免了因為溫度的劇烈變化對小麥幼苗造成的傷害，在小麥苗期至返青期的增溫有利于小麥種子萌發及幼苗存活，而返青期后的降溫有利于減緩小麥的衰老進程，延長小麥灌漿，進而增加小麥產量。但秸稈覆蓋返青期后的降溫也可能對小麥的分蘗造成不利影響，使小麥減產[49-50]。

3.4土壤微生物

覆蓋秸稈能增加土壤有機質，改變土壤碳氮比，為增強酶促反應和土壤呼吸強度提供基質，從而促進土壤微生物活性的提高[51-52]。洪曉強等[19]的研究發現，秸稈覆蓋較露地增加了土壤0～25 cm土層細菌41.3%、真菌104.5%和放線菌13.0%。鞏杰等[30]的研究表明，與露地相比，秸稈覆蓋能夠顯著增加土壤0～20 cm土層細菌62.4%～75.0%、真菌25.2%～47.9%和放線菌21.0%～48.2%。秸稈本身含有豐富的碳氮等元素，能夠為微生物的生存提供能源，從而增加微生物的數量，激發微生物的代謝能力，通過微生物對秸稈的分解及自身的代謝，土壤有機質及無機質增加，土壤肥力提升，為小麥的生長發育創造有利的物質環境。

3.5土壤酶活性

土壤酶活性是土壤生物活性的總體表現，它不僅與作物產量及土壤管理措施之間有一定關系，且在一定程度上反映土壤的綜合肥力特征及土壤養分轉化進程[53]。酶活性大小可以較敏感地反映出土壤中生化反應的方向和強度，是土壤肥力評價的重要指標之一[54-55]。過氧化氫酶是一種氧化還原酶，在有機質氧化和腐殖質的形成過程中起重要作用，能夠表征土壤氧化強度[56]。堿性磷酸酶加速有機磷的脫磷速率，增加土壤有效磷含量[57]。脲酶是一種專性酶，能夠催化尿素水解生成氨、二氧化碳和水，施入土壤中的尿素只能在脲酶的參與下才能水解，脲酶的酶促反應產物氮是植物氮源之一，其活性可以用來表征土壤氮素狀況[58]。蔗糖酶則能夠在一定程度反應出土壤有機質的含量水平。苗琳等[59]的研究發現，與露地相比，秸稈覆蓋下過氧化氫酶活性升高11.74%，脲酶活性升高17.60%，堿性磷酸酶活性升高43.99%，蔗糖酶活性升高40.22%。劉高遠等[60]的研究發現，秸稈覆蓋較露地分別提高了蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性24.6%、34.6%和27.4%。秸稈覆蓋能夠提高土壤酶活性，促進酶促反應的進行，進而提升土壤肥力。在充足的磷肥條件下，增加有效磷含量，有利于小麥根系的生長，促進小麥開花孕穗。增加氮素，則有利于小麥光合作用，增加小麥干物質的積累，提高粒質量。

3.6土壤養分

秸稈作為一種農業資源，其本身就含有豐富營養元素，能夠補充土壤養分。秸稈覆蓋后通過自然腐解及土壤微生物的分解作用，增加土壤有機質及營養元素，進而提高土壤肥力。鞏杰等[30]的研究發現，秸稈覆蓋較露地增加土壤0～10 cm土層有機質0.16～0.62 gkg，土壤速效鉀含量較露地增加0.10～1.36 mgkg，10～20 cm土層較露地增加土壤有機質0.14～0.22 gkg，土壤速效鉀增加1.15～2.58 mgkg。王海霞等[14]的研究發現，秸稈覆蓋較露地增加土壤0～20 cm土層有機質7.1%～11.4%，在20～40 cm土層較露地增加23.7%～44.9%。付鑫[45]的研究發現，經過多年秸稈覆蓋，土壤0～20 cm土層的土壤有機碳及全氮分別提高18.7%～39.4%(P<0.05)和6.60%～8.05%(P<0.05)。由此可見，秸稈覆蓋能夠較露地顯著增加土壤碳氮等元素，以及有機質和速效鉀的含量，不僅能夠為小麥的生長發育提供物質能源，又能夠改善土壤結構和物理性質，增加土壤團粒體數量，利于小麥的生長發育。

4 結束語

在西北地區，傳統的耕作模式以翻耕為主[13]。常年翻耕破壞了土壤的結構，降低了土壤肥力。盡管可以使用化肥來提升土地肥力，但長期使用化肥造成的污染問題比較突出，而且在蒸散量較大的西北地區，翻耕顯然不能保蓄土壤水分。地膜覆蓋具有增溫保墑、防病抗蟲和抑制雜草等作用，具有顯著的增產效果，逐漸成為西北地區主要的農作方式[61]。但是，常年鋪設地膜導致的殘膜無法回收，進而造成白色污染等問題，也會對作物的生長發育造成一定的傷害。近年來，隨著科技的提升，生物可降解膜、液體膜等新型材料地膜隨之出現，加上地膜回收技術的逐漸發展提高，能有效解決地膜難回和污染等問題，但其成本較高，實現在西北地區的大面積投入使用并不理想。秸稈覆蓋不僅有顯著的蓄水保墑、培肥培土和調節地溫等特點，而且經濟環保，更加符合我國綠色農業的政策，適宜向西北地區推廣使用，從而實現西北地區小麥的增產增收，實現西北地區農業的可持續發展。