秸稈帶狀覆蓋對旱地冬小麥農田土壤特性及產量的影響

葉元生，黃彩霞，柴守璽，常 磊，馬建濤，馬菊花，李亞珍

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州 730070)

西北黃土高原雨養農業區光熱資源豐富，地域遼闊，耕地面積約2 593萬hm2，占全國總耕地面積的19.2%[1]，小麥種植面積182.5萬hm2，占全國總種植面積的7.7%[2]。受水資源不足、時空分布不均衡以及耕作模式不合理等因素影響[3]，該區域水土流失嚴重，土壤有機質得不到及時補充，導致土壤肥力下降[4]，引起作物產量低而不穩。因此，研究有效農作措施、提高土壤肥力、促進有限降水利用率是實現該區小麥穩產高產的關鍵，也是該區農業生產中急需解決的關鍵問題和長期研究的熱點問題。

傳統栽培技術由于地表裸露，導致80%以上的土壤水分以無效蒸發方式消散在大氣中，降低了作物對土壤水分的利用率[5]。覆蓋種植主要包括地膜及秸稈覆蓋，因其產生的良好水熱效應，在作物生產中不但可提高土壤水分利用效率[6-7]，還具有良好的增產效果[8-10]。但地膜覆蓋因存在殘留等問題導致土壤結構破壞，土壤有機質被過分礦化[11]，不利于作物根系生長及養分吸收。相較之下，秸稈覆蓋種植具有顯著的蓄水調溫效果，且秸稈還田后可改善土壤理化性狀[12]，提高土壤結構的穩定性[13]，培肥地力，但受覆蓋引起的地溫變化影響，秸稈覆蓋種植具有較大的減產風險[14]。

秸稈帶狀覆蓋是一種利用作物秸稈進行局部覆蓋的技術，甘肅中部半干旱地區的試驗結果表明，該技術在不同的降水年型下均可顯著增加小麥產量[15-16]。但受西北黃土高原雨養農業區特殊的氣候、生態環境影響，不同秸稈覆蓋技術引起的土壤結構特性及水分變化，因區域、技術本身的特點以及當年氣候條件等不同而存在較大差異。本研究在甘肅中部典型的雨養生態環境下，以傳統無覆蓋露地種植和地膜全覆蓋為對照，系統比較3種秸稈帶狀覆蓋種植技術對冬小麥農田土壤特性及產量和水分利用效率的影響，旨在深入解析秸稈局部覆蓋增產機制，為改進或發展秸稈覆蓋技術，進一步提高旱地冬小麥產量和降水利用效率提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年9月—2020年7月在甘肅省通渭縣平襄鎮甘肅農業大學試驗基地(35°11′N，105°19′E)進行，該區域海拔1 750 m，年均氣溫7.2℃，多年平均降水量390.7 mm，屬典型的半干旱雨養農業區。試驗地土壤為黃綿土，0～200 cm土層土壤平均容重為1.25 g·cm-3，土壤pH值為8.5，土壤有機碳含量8.81～9.12 g·kg-1，全氮0.69～0.72 g·kg-1，有效磷6.95～7.66 mg·kg-1，速效鉀115.51～133.80 mg·kg-1。試驗期冬小麥全生育期總降水量322.2 mm，比同期多年平均降水量增加19.84%，屬豐水年(圖1)。

1.2 試驗設計

試驗共設5個處理，分別為秸稈帶狀覆蓋3行(SM3)、秸稈帶狀覆蓋4行(SM4)、秸稈帶狀覆蓋5行(SM5)、地膜覆蓋(PM)和露地種植(CK)，每處理3次重復，隨機區組排列，小區面積150 m2。SM3、SM4和SM5處理種植帶寬分別為35、50 cm和70 cm，種植小麥行數分別為3行、4行和5行，行距17 cm。覆蓋帶寬均為50 cm，與種植帶相間排列，播種時預留覆蓋帶，于小麥3葉期將玉米整稈放置于覆蓋帶，3種覆蓋處理覆蓋帶與種植帶寬度比例不同，但秸稈覆蓋量相同，約為52 500株·hm-2(折合秸稈干重約9 000 kg·hm-2)，采用人工鋪設秸稈，以保證秸稈均勻覆蓋。小麥生育期內對秸稈不做任何處理，任其自然風化腐解，收獲時底層有部分秸稈腐解并有少量混入土壤；小麥收獲后將腐解的秸稈通過旋耕機打碎還田，覆蓋帶與種植帶兩邊各留2～5 cm，防止秸稈覆蓋時壓苗。CK采用平作，條播，行距17 cm；PM采用全地面覆膜，覆膜后穴播，穴距20 cm。

冬小麥供試品種為‘隴中2號’，各處理播量均為225 kg·hm-2，2019年9月下旬播種，次年7月中旬收獲。各小區施肥量相同，均在播前施基肥純氮120 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2，生育期內不追肥。試驗地土壤鉀元素充足，播前及生育期不再施鉀肥。

1.3 采樣及測定方法

1.3.1 土壤特征指標 在小麥收獲前3 d，按0～5、5～10、10～15、15～20 cm 4個土層測定土壤容重。土壤團聚體及有機碳按0～5、5～10 cm和10～20 cm 3個土層取樣，采用“S”型5點取樣法采集原狀土，原狀土裝入硬質塑料盒內，帶回實驗室，自然風干，待土壤達到塑限后沿土壤結構的自然剖面掰成1 cm左右的小土塊，去除植物根系及小石子備用。有機碳土樣待自然風干后過0.25 mm篩，待測。各處理均在小麥種植行間取樣。土壤容重采用環刀法[17]測定，土壤機械穩定性團聚體采用干篩法[18]測定，土壤水穩定性團聚體采用濕篩法[19]測定，土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[20]測定。

土壤孔隙度的計算公式如下[21]：

孔隙度=(1-容重/密度)×100%

式中，土壤密度取2.65g·cm-3。

土壤團聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)的計算公式如下：

式中，Xi為第i個篩子的平均直徑(mm)，Wi為團聚體在第i個篩子的質量百分比[22]，>5 mm團聚體粒徑采用7.5 mm。

1.3.2 土壤水分 在小麥播前、收獲后采用土鉆取土，各處理均在小麥種植行間取樣。烘干法測定0～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150、150～180 cm和180～200 cm 8個土層的土壤含水量，分別計算農田耗水量和水分利用效率。

農田耗水量(ET，mm)計算采用公式如下[10]：

ET=(W1-W2)+P

式中，W1、W2分別為冬小麥播種前和收獲期的土壤貯水量(mm)，P為生育期≥5 mm有效降水量。

水分利用效率(WUE，kg·hm-2·mm-1)計算公式如下：

WUE=Y/ET

式中，Y為作物產量(kg·hm-2)，ET為生育期總耗水量(mm)。

1.4 產量及考種

小麥成熟前1周，每小區選3個樣點測定單位面積穗數；成熟后按小區收獲并計算籽粒產量。各小區隨機取20株進行室內考種，測定穗粒數、千粒重等。

1.5 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010及Origin 2018繪制圖表，利用SPSS 22.0進行統計分析，采用Duncan法進行差異顯著性分析，顯著性水平設置為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 秸稈帶狀覆蓋對土壤容重和孔隙度的影響

由圖2可知，不同處理土壤容重總體表現為上層小于下層，秸稈帶狀覆蓋處理可顯著影響不同土層土壤容重，與CK處理相比，0～20 cm土層土壤容重平均降低了7.07%，其中，SM3處理對土壤容重的影響最大，SM4處理次之，SM5處理最小，土壤容重分別下降8.82%、7.32%、5.07%。不同土層間，SM3、SM4和SM5處理0～5 cm土層土壤容重下降程度最明顯，較CK處理分別降低11.27%、9.07%和6.35%，5～15 cm土層僅SM3、SM4處理與CK處理呈顯著差異，15～20 cm土層SM處理與CK處理沒有明顯差異。土壤孔隙度的變化與土壤容重呈相反趨勢(圖3)，SM處理較CK處理顯著增加土壤0～20 cm土層孔隙度7.28%，上層高于下層。PM處理較CK處理各層土壤容重和孔隙度無顯著變化。覆蓋材料之間相比，SM處理顯著較PM處理降低土壤0～20 cm土層容重4.49%，增加孔隙度4.41%，秸稈帶狀覆蓋處理對土壤結構的影響優于地膜覆蓋處理，秸稈覆蓋后土壤的通透性改善，對土壤水分和肥力保持以及養分供給具有較大意義。

2.2 秸稈帶狀覆蓋對土壤機械穩定性團聚體含量的影響

由表1可知，在0～20 cm土層，秸稈帶狀覆蓋處理可顯著提高>0.25 mm機械穩定性團聚體含量。

表1 不同處理下各粒級機械穩定性團聚體的分布

不同處理間，SM3處理各土層>0.25 mm團聚體平均含量最高，其次為SM4和SM5處理，SM處理顯著高于CK和PM處理，增幅分別為5.31%和5.30%。從不同團聚體粒級差異看，各處理均呈現隨粒級的增大團粒數量增大的趨勢，>5 mm粒級團聚體平均含量在27.81%～31.46%之間，5～2 mm、2～1 mm、1～0.5 mm團聚體平均含量在11.47%～17.96%之間，0.5～0.25 mm團聚體平均含量在8.05%～11.37%之間。不同粒級間，SM3處理在各土層均表現出一定優勢，SM4、SM5處理在不同粒級和不同土層表現不一，PM處理在各個粒級及不同土層無明顯優勢，甚至低于CK處理。可見，秸稈帶狀覆蓋可增加表層土壤大團聚體數量，有利于增加土壤通透性，促進降水入滲。

2.3 秸稈帶狀覆蓋對土壤水穩定性團聚體含量的影響

由表2可知，經過濕篩后，各處理0～20 cm土層土壤>0.25 mm粒級土壤水穩性團聚體明顯減少，由濕篩前的80.52%～89.56%減少為24.45%～28.04%，其中，>5 mm粒級降幅最大，其次為2～1 mm粒級，0.5～0.25 mm粒級降幅最小。與CK處理相比，在0～20 cm土層，SM處理可顯著提高>0.25 mm粒級土壤水穩性團聚體含量7.21%，而PM處理影響較小。覆蓋材料之間相比，SM處理較PM處理顯著增加土壤0～20 cm土層>0.25 mm粒級土壤水穩性團聚體含量4.55%。從各處理不同粒級團聚體差異看，SM處理0～10 cm土層>5 mm、5～2 mm和2～1 mm粒級水穩性團聚體平均含量顯著高于CK處理，1～0.5 mm粒級差異不明顯，0.5～0.25 mm顯著降低，10～20 cm土層隨粒級不同表現不一；PM處理僅在0～10 cm土層5～2 mm、2～1 mm粒級水穩性團聚體平均含量顯著高于CK處理，其余粒級及土層間沒有顯著優勢，甚至低于CK處理。覆蓋材料之間相比，SM處理在0～10 cm土層>5 mm粒級團聚體平均含量顯著高于PM處理，其余粒級無顯著差異。可見，秸稈覆蓋增加土壤水穩性大團聚體數量的效果較地膜覆蓋更佳。

表2 不同處理下各粒級水穩定性團聚體的分布

2.4 秸稈帶狀覆蓋對土壤水穩性團聚體穩定性的影響

由圖4和圖5可知，覆蓋處理均不同程度提高了0～20 cm土層土壤團聚體的穩定性。與CK處理相比，SM處理和PM處理分別提高MWD和GMD值48.69%～60.31%和14.51%～20.57%。0～5、5～10 cm和10～20 cm土層，SM處理較CK處理提高MWD值45.35%、73.21%和60.71%，提高GMD值17.15%、18.11%和20.21%，PM處理較CK處理分別提高MWD值38.43%、47.72%和60.86%，提高GMD值13.29%、14.05%和16.26%。覆蓋材料之間相比，SM處理較PM處理分別提高MWD和GMD值6.45%～8.24%和8.73%～10.06%；具體來看，與PM處理相比，0～5 cm土層SM處理的MWD和GMD值分別顯著提高1.05%～8.42%和4.00%～8.00%，5～10 cm土層MWD值顯著提高15.29%～18.82%，10～20 cm土層GMD值顯著提高18.18%。可見，覆蓋處理對土壤0～20 cm土層土壤水穩性團聚體及土壤結構的穩定性均有明顯的改善作用，秸稈帶狀覆蓋的效果優于地膜覆蓋。

2.5 秸稈帶狀覆蓋對土壤有機碳的影響

由圖6可知，0～20 cm土層，各處理土壤有機碳含量均隨土層的加深逐漸減少。SM處理較CK處理可顯著提高土壤0～20 cm土層有機碳含量6.15%，較PM處理顯著提高6.06%，其中，SM3處理增加最明顯，較CK處理土壤有機碳含量提高6.18%～11.49%，較PM處理顯著提高5.85%～11.55%。處理間0～5、5～10 cm和10～20 cm土層有機碳含量均以SM處理最高，顯著高于PM和CK處理，PM處理各土層土壤有機碳含量與CK處理均無顯著差異。SM處理間，0～5 cm和5～10 cm土層SM3處理均顯著高于SM4和SM5處理，SM4處理顯著高于SM5處理;10～20 cm土層，SM3和SM4處理之間無顯著差異，但均顯著高于SM5處理。從處理間差異來看，SM處理土壤有機碳含量上層大于下層，0～5、5～10 cm和10～20 cm土層處理間土壤有機碳含量變異系數(CV)分別為4.67%、4.74%和2.85%。可見，秸稈帶狀覆蓋對表層土壤有機碳含量有明顯的提升作用。

2.6 秸稈帶狀覆蓋對小麥產量及水分利用效率的影響

覆蓋處理均可顯著提高小麥產量和水分利用效率(表3)，地膜覆蓋優于秸稈帶狀覆蓋。與CK處理相比，SM處理增產4.01%～6.51%，PM處理增產12.62%。秸稈覆蓋處理間，以SM5產量最高，SM4次之，SM3最低。覆蓋可提高冬小麥水分利用效率(WUE)，其中，SM處理較CK處理提高9.22%～16.34%，較PM處理提高14.47%。SM處理間WUE的大小順序為SM5>SM4>SM3，分別較CK處理提高16.34%、10.57%和9.22%。SM處理較PM處理產量下降4.01%～6.51%，但WUE之間無顯著差異，主要原因是SM處理耗水量低于PM處理，說明高產是建立在高耗水基礎之上。

表3 冬小麥產量及其構成因素和耗水量、水分利用效率

從產量構成因素看，SM處理及PM處理增產的主要原因是單位面積穗數增加，分別較CK處理提高33.43%、41.14%，千粒重和穗粒數則低于CK處理，其中SM處理與CK處理間存在顯著差異。處理間變異系數以單位面積穗數最大，CV值為12.96%，穗粒數次之，CV值為9.55%，千粒重最小，CV值為4.88%，說明不同覆蓋方式對單位面積穗數影響最大，單位面積穗數是調控產量的主要指標。

3 討 論

土壤質量是影響作物生產的關鍵因素，秸稈覆蓋種植技術可顯著降低上層土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤各級穩定性團聚體含量，提升土壤持水性和通透性，對改善土壤物理條件方面較傳統露地種植具有明顯的優勢[17,23-24]。地膜覆蓋對土壤理化性質的影響研究結論尚不一致，有正效應的結論[12]，也有惡化土壤結構指標的結果[25]。本研究結果表明，SM處理對0～20 cm土層土壤特性均有顯著影響，較CK處理顯著降低土壤容重6.57%，增加孔隙度7.28%，提高>0.25 mm機械穩定性團聚體和水穩性團聚體含量及穩定性，提高土壤有機碳含量6.15%，這與魯天平等[26]、付鑫等[27]的研究結論一致。3種秸稈帶狀覆蓋處理中，以SM3處理對土壤理化性狀的改善效果最明顯，SM4處理次之，SM5處理最低。PM處理對土壤理化性狀的改善效果遠小于SM處理，主要原因是地膜覆蓋導致土壤有機質過分礦化，使土壤團粒體數量減少[25]，同時，其增溫作用加速了土壤有機質的降解速率[28]，此外，相比PM處理，SM處理在腐解過程中增加了土壤微生物數量及活性，使表層土壤土質疏松，土壤通透性較地膜更好[29-30]，更加有利于表層土壤理化性質的改善。

不同覆蓋措施均有利于小麥產量及水分利用效率的提高[8,10,16]，本研究中，與CK處理相比，SM處理、PM處理分別增產5.07%和12.62%，WUE分別提高12.04%和14.44%。不同覆蓋處理引起產量差異的主要影響因素是單位面積穗數，這與常磊等[15]研究結論一致。其中，SM處理較CK處理增加小麥單位面積穗數33.43%，是由于其蓄水及調溫的特點有利于小麥成穗[31]，且SM處理在種植帶進行局部密植，使單位面積內的種植行數及行播量均較CK處理增加，但密植不利于小麥根系發育，阻礙了水分及養分的吸收，且地上部分植株遮蔽度增加，不利于小麥進行光合作用，對小麥籽粒的形成及結實產生不利影響，導致SM處理千粒重及穗粒數均較CK處理減少。3種秸稈帶狀覆蓋處理中，SM3處理對土壤各特征指標影響最大，但SM5處理在產量及水分利用效率提升中表現出明顯優勢，可見，秸稈帶狀覆蓋措施在西北半干旱區提升小麥籽粒產量和水分利用效率方面具有較大潛力。綜合來看，盡管地膜覆蓋的增產效果更顯著，但其成本高、殘膜難回收等問題突出，限制了其經濟效益的提高；而3種秸稈帶狀覆蓋處理均有利于改善土壤特性、提高小麥產量及水分利用效率，其中SM5處理對小麥籽粒產量及水分利用效率的提升效果較其他秸稈覆蓋處理表現出明顯的優勢，是適宜于西北半干旱區產量提升及農業綠色高效發展的栽培技術。

4 結 論

1)土壤容重隨土層深度的加深逐漸增大。秸稈帶狀覆蓋各處理可降低0～20 cm土層土壤容重，其中，對0～5 cm土層容重影響效果最顯著，且土壤容重隨種植帶的加寬逐漸增加。土壤孔隙度與土壤容重的變化呈相反趨勢。

2)秸稈帶狀覆蓋各處理對土壤團聚體的分布具有顯著影響。0～20 cm土層>0.25 mm機械穩定性及水穩性團聚體含量均顯著提高，有利于促進降水入滲。此外，土壤水穩性團聚體MWD和GMD值均顯著提高，表明其對土壤結構的穩定性具有改善效果。

3)土壤有機碳含量隨土層深度的增加逐漸減小。秸稈帶狀覆蓋各處理有利于0～20 cm土層土壤有機碳含量的提升，且土層越深，提升效果越小。秸稈帶狀覆蓋處理間表現為SM3>SM4>SM5。

4)覆蓋處理能夠促進冬小麥增產。SM處理較CK處理增產4.01%～6.51%，PM處理較CK處理增產12.62%。秸稈帶狀覆蓋處理間比較，SM5處理增產效果最佳，SM4處理次之，SM3處理最低。覆蓋增產的主要原因是其促進了單位面積穗數的增加。

綜上所述，從改善農田土壤結構、提高土壤增碳能力及促進作物增產和提高水分利用效率等角度出發，在西北半干旱區的小麥生產中，以SM5(覆蓋帶50 cm，種植帶70 cm，播種5行)的秸稈帶狀覆蓋種植模式為宜。