基于宽窄行种植模式下稻秸非均匀性覆盖对土壤特性及小麦产量的影响

石 吕 薛亚光 魏亚凤 杨美英 李 波 石晓旭 刘 建

(江苏沿江地区农业科学研究所/南通市循环农业重点实验室，江苏 如皋 226541)

众所周知，小麦宽幅精播可以塑造适宜冠层微环境，提高群体透光率、净光合速率和水分利用效率，并能充分发挥边行优势，实现“低群体、壮个体”，同时还能提高分蘖成穗率，增加千粒重，提高产量[1-3]。生产试验表明，行距对产量的影响效应大于播种量对产量的增产效应，扩大传统行距并适当增加常规播种量可有效提高小麦单产与光辐射资源利用潜力[4]。可见，合理的种植苗带宽度与行距配置有利于提高小麦群体分布均匀度，缓解群体与个体矛盾，是实现小麦高产的重要技术途径[5]。前人针对常规条播行距调控[4,6]、宽窄行种植播幅设定[5]与带间距变化[5,7-9]对小麦光辐射截获利用率、冠层微环境特性、群体生长和产量影响等方面已做了大量研究，筛选出了不同情形下适宜的行距范围以及播幅与行间距配置组合。研究发现，适当扩大播幅可以塑造高光效和抗倒伏群体[10]；扩大行距可改善麦田冠层透光率、稳定净光合速率、延缓旗叶衰老、增强抗倒伏能力[4,11]，并能减轻多种病害[12-13]。宽窄行播种优于等行距[14]，过宽行播虽能提高边际效应，但漏光严重，总生产能力不高；过窄行播通风透光差，叶片相互荫蔽，光合能力下降，导致干物质积累减少，产量降低[15]，因此行距设定要合理。

秸秆覆盖还田作为秸秆资源高效利用的一种保护性耕作技术，具有良好的抑蒸保水效应和“低温时增温、高温时降温”的双重效应[16]。连续秸秆覆盖可显著降低土壤容重，提高土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量[17-19]。但在秸秆覆盖还田过程中，由于种植地区[20]、不同年份气候条件(主要是降雨量)[21]、还田年限[17]、还田时期[22]和还田量[18,22]等因素的影响，小麦产量的变化并不稳定。鉴于生产上秸秆全覆盖还田造成的小麦减产实况[23-24]，有研究发现宽幅精播具有通过增加有效穗数来提高冬小麦产量的潜力，一定程度上可以弥补秸秆覆盖所导致的产量损失效应[25]。因此，为了进一步提高补偿效果，近年来，从小麦高产与秸秆进一步合理化还田角度考虑，小麦宽窄行种植结合秸秆带状覆盖技术应运而生，有效解决了旱作栽培秸秆全覆盖因积温不足导致作物出苗不全和黄苗的问题[26]。目前对该技术的研究主要集中在土壤水热条件、作物生长生理特性和产量等方面[27-28]。前人针对常规条播或宽幅精播方式下秸秆均匀覆盖还田研究较多，秸秆行间带覆也有相关报道，而宽窄行种植模式下稻秸非均匀性覆盖还田研究尚鲜有涉及。因此，本试验在前期不同行间距配置试验筛选的基础上，探讨了30 cm+15 cm条带耕作模式下稻秸非均匀性覆盖还田对冬小麦土壤特性及产量影响的调控效应，以期为稻秸全量覆盖还田小麦宽窄行种植技术的推广应用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

图1 2017―2018年稻秸非均匀性覆盖试验田间布局图

试验于2016年12月至2018年6月在江苏沿江地区农业科学研究所试验田(32°07′N、120°37′E)进行。试验地前茬为水稻，土壤类型为沙壤土，试验田0～20 cm耕层土壤主要理化特性为：有机质18.23 g·kg-1， pH值6.31，容重1.19 g·cm-3，全氮1.18 g·kg-1，碱解氮101.03 mg·kg-1，速效磷11.35 mg·kg-1，速效钾67.59 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验一：2016年12月至2017年6月，围绕苗带(15 cm)和不同空幅带配置方式，设3个行间距不同的宽窄行组合，分别为B1(25 cm+15 cm)、B2(30 cm+15 cm)和B3(35 cm+15 cm)，以及与之相对应的3个等行距处理，行距分别为A1(20 cm)、A2(22.5 cm)和A3(25 cm)。水稻秸秆统一切割成8～12 cm，还田量为0.9×104kg·hm-2。等行距各处理在播种前秸秆均匀翻耕还田，宽窄行采用非均匀性耕作，仅15 cm窄行进行人工洁茬条播2行小麦，宽行则免耕覆盖水稻秸秆。随机区组设计，3次重复，小区面积5 m×6 m，各小区间留有20 cm过道。小麦供试品种为扬辐麦4号，购自如皋市远发农技推广服务部，播量为225 kg·hm-2，播种日期为12月2日。按高产要求进行肥水及病虫害防控管理。纯氮施用量为240 kg·hm-2，基肥∶分蘖肥∶拔节孕穗肥=5∶2∶3；磷肥(P2O5)施用量为90 kg·hm-2，钾肥(K2O)施用量为120 kg·hm-2，磷、钾肥均做基肥一次性施用。

试验二：2017年11月至2018年6月，试验采用30 cm+15 cm宽窄行种植模式，窄行(苗带)人工洁茬免耕条播2行小麦，宽行(空幅带)留茬免耕。并结合前茬水稻秸秆截断(8～12 cm)还田作试验处理，秸秆还田量为1.2×104kg·hm-2。稻秸覆盖设5个处理，分别为T1(0)：窄行内无秸秆覆盖(苗带为0)，全量覆盖在宽行内；T2(25%)：窄行秸秆覆盖量为均匀覆盖时窄行秸秆量的1/4；T3(50%)：窄行秸秆覆盖量为均匀覆盖时窄行秸秆量的1/2；T4(75%)：窄行秸秆覆盖量为均匀覆盖时窄行秸秆量的3/4；T5(100%)：宽窄行秸秆呈均匀覆盖。随机区组设计，3次重复，小区面积2.6 m×7.2 m，各小区间留有20 cm过道。小麦供试品种为扬麦25，购自如皋市远发农技推广服务部，播量为225 kg·hm-2，播种日期为11月27日。按高产要求进行肥水及病虫害防控管理。纯氮施用量为240 kg·hm-2，基肥∶分蘖肥∶拔节孕穗肥=4∶2∶4；磷肥(P2O5)施用量为90 kg·hm-2，钾肥(K2O)施用量为120 kg·hm-2，磷、钾肥均做基肥一次性施用。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤温度 使用直角地温计测定苗期至成熟期各小区5、10、15和20 cm共4个土层地温。于播种后将地温计埋入各小区窄行的2行小麦中间，各生育时期测定均选在干燥晴天早上6：00、中午13：00和傍晚17：00分3次测定，日均温取3次平均值。

1.3.2 土壤含水率 采用土钻取土烘干法测定苗期至成熟期0～5、5～10、10～15和15～20 cm共4个土层含水率，取样点位于各小区窄行的2行小麦中间，不同土层含水率数据取3个土样平均值。

1.3.3 土壤理化性状及养分含量 于小麦开花期和成熟期，按5点法用土钻采集各小区窄行0～20 cm耕层土样。环刀法测定土壤容重和孔隙度；土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定；碱解氮含量采用1.0 mol·L-1NaOH碱解扩散法测定；速效磷含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用1.0 mol·L-1NH4OAc浸提—火焰光度法测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法—外加热法测定[29]。

1.3.4 产量及其三要素 成熟期每小区调查3个0.25 m2的穗数，计算单位面积有效穗数；取样20株，考察每穗粒数和千粒重，并测量含水率，换算成13.0%水分时的千粒重。每小区收割计实产。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003进行数据整理，Sigmaplot 10.0绘图，SPSS 19.0进行相关统计分析，并采用最小显著差异法(least significant difference，LSD)在P<0.05水平上检验处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同行(间)距配置对小麦产量及其构成因素的影响

由表1可知，宽窄行(B)种植相比于对应等行距(A)种植降低了最高茎蘖数和有效穗数，但茎蘖成穗率、每穗粒数和千粒重总体有所提高，因而最终产量较高。这类效应在B2与A2之间尤为显著，相比于A2，B2最高茎蘖数和有效穗数降幅分别为14.9%和4.5%，茎蘖成穗率增加了5.8个百分点，每穗粒数、千粒重和产量增幅分别为5.2%、3.8%和6.2%。等行距条件下，随着行距加宽，产量及其构成因素(每穗粒数除外)呈A3>A2>A1的趋势，且差异均不显著；最高茎蘖数随着行间距变宽显著下降，茎蘖成穗率则与之相反。宽窄行条件下，产量表现为B2>B1>B3，主要得益于B2较高的每穗粒数和千粒重；同时随着行间距变宽，最高茎蘖数和有效穗数逐渐下降，每穗粒数和千粒重先增后降，且均在B2达到最高，茎蘖成穗率则无明显变化规律。由此可见，30 cm+15 cm行(间)距配置为本试验条件下的优势宽窄行组合，后续将以此行(间)距进行不同稻秸覆盖比例试验。

表1 不同行(间)距配置对小麦产量及其构成因素的影响

2.2 稻秸非均匀性覆盖还田对小麦产量及其构成因素的影响

由表2可知，随着苗带稻秸覆盖比例的不断增加，有效穗数、每穗粒数、千粒重和实际产量均呈降低趋势。其中各产量构成因素在稻秸覆盖比例增加至T2水平时变化均不显著；当苗带稻秸覆盖量增加至T3水平时，有效穗数、每穗粒数和实际产量显著降低，千粒重降低不显著；之后随稻秸覆盖量进一步增加，有效穗数和实际产量依次显著降低，而每穗粒数和千粒重降幅较小。与T1相比，T2、T3、T4和T5的实际产量分别降低4.0%、17.9%、26.7%和31.7%；其中产量构成因素中以有效穗数降幅相对最大，千粒重降幅相对最小。综上可知，苗带稻秸覆盖致使小麦减产主要归因于有效穗数的显著降低，其次是每穗粒数和千粒重的降低。

表2 稻秸非均匀性覆盖还田对小麦产量及其构成因素的影响

2.3 稻秸非均匀性覆盖还田对苗带土壤理化性状的影响

2.3.1 土壤温度 由表3可知，苗带稻秸覆盖在小麦生育前期(苗期、越冬期)均表现为增温效应，中期(返青期、拔节期、孕穗期)、后期(开花期、成熟期)气温逐步回升情况下表现为降温效应，降温效应总体上大于增温效应。无论苗带覆盖与否，小麦生育前期土温均随土层加深呈增加趋势，总体表现为20 cm>15 cm>10 cm>5 cm，中后期与前期趋势相反，总体上不同土层间温度差异主要体现在上层土壤。前期随着苗带稻秸覆盖量的增加，增温幅度越大，其中各处理不同土层均以5 cm土层增温幅度最大，10 cm土层次之；同一土层不同处理间土壤温度和增温强弱特征均呈T5>T4>T3>T2>T1的趋势，其中在苗期和越冬期，T5较T1最高增温达1.5℃和0.9℃。中后期随着苗带稻秸覆盖量的增加，降温幅度变大，各处理不同土层同样以5 cm土层降温幅度最大(不同处理间土壤降温强弱特征表现为T5>T4>T3>T2>T1)，而其余3层土温均降低不明显；在孕穗期降温效应最强(T5比T1在5 cm处土温低3.3℃)，开花期其次(T5比T1在5 cm处土温低2.1℃)，至成熟期不同稻秸覆盖处理间土温变化已基本趋于稳定，无明显差异。从不同处理在0～20 cm土层土壤垂直传递的平均土温来看，整个生育期苗带土温先降后升，各处理在不同生育期以及不同土层间的土温强弱差异趋势基本保持一致。

表3 小麦不同生育期苗带各土层温度差异

2.3.2 土壤含水率 由表4可知，各处理土壤含水率均随土层深度的加深逐渐降低，不同土层间含水率差异主要体现在上层，而10～15 cm和15～20 cm之间总体无显著差异。与土壤温度类似，生育前期均以0～5 cm和5～10 cm土层土壤含水率变化较明显，中后期仅浅表层(0～5 cm)土层变化相对明显。与T1相比，苗带覆盖不同量稻秸处理全生育期均显示出较好的保墒性能，且稻秸覆盖量越大，土壤含水率越高，其中返青拔节期差异最大，尤以拔节期最为显著，T2、T3、T4和T5在0～5 cm土层含水率分别比T1高出1.2、1.9、2.8和3.4个百分点。可以看出，整个生育期苗带不同稻秸覆盖量的保水效果主要作用于表层土壤，且这种能力与稻秸覆盖量呈一定正相关。

表4 小麦不同生育期苗带各土层含水率差异

2.3.3 土壤容重和土壤孔隙度 由图2可知，苗带稻秸覆盖量的增加一定程度上可以降低土壤容重，提高土壤孔隙度，这种增减效应与覆盖量呈一定正比关系，且与生育时期无关。不同处理间增减效应强弱总体呈T5>T4>T3>T2的趋势。各处理以T5的土壤容重最低，土壤孔隙度最高，在开花期和成熟期，T5的土壤容重分别比T1显著降低0.14和0.11 g·cm-3，土壤孔隙度分别比T1显著增加5.11和4.07个百分点。

注:不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

2.3.4 土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾 由图3可知，两个生育时期土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾含量均随苗带稻秸覆盖量增加呈先升后降趋势，并在T3达到峰值(除成熟期T5速效钾含量最高，但与T3无显著差异)，总体上表现出适量稻秸覆盖更有利于增加土壤养分含量。在开花期和成熟期，与T1相比，T3有机质、全氮、速效磷和速效钾含量均显著增加；T2养分含量虽总体略有增加，但差异均未达显著水平(除开花期土壤速效磷含量显著增加)。

图3 开花期和成熟期不同处理间土壤养分含量的差异

3 讨论

3.1 不同行(间)距配置下小麦产量及其构成因素的变化

小麦作为我国三大主粮之一，约占口粮消费总量的43%，提高其单产对于保障粮食安全具有重大意义[30]。行距对常规播种小麦产量的影响不仅与种植密度[31]和施氮量[32]紧密相关，还受不同生态类型区的影响。研究表明，在中国豫北高产麦区，行距为23或26 cm时群体与个体发育最佳，产量三因素协调发展，产量最高[33]。Chen等[6]在美国半干旱地区研究发现，硬质小麦在行距30 cm时的产量明显低于15 cm时的产量。Lafond等[34]在加拿大进行常规耕作田间试验表明，种植行距从10 cm增至30 cm，对小麦和大麦的穗数、每穗粒数、粒重及产量均未产生影响。可见，行距调控对小麦产量的影响在不同生态类型区表现不一。本研究发现，常规条播方式下，行距由20 cm增加至25 cm虽然对产量构成因素未产生明显影响，却显著提高了茎蘖成穗率，减少了无效分蘖，从而使小麦产量有增加的趋势。这与武兰芳等[4]在黄淮海平原地区小麦生产区得出的研究结果类似。已有研究发现，宽幅播种行距的增大会导致群体叶面积指数和光截获量降低，穗数和穗粒数减少，最终产量降低[7-8]。而本试验宽窄行种植条件下，随着行间距逐渐增加，成穗数减少，每穗粒数和千粒重增加，最终表现为B2(30 cm+15 cm)的产量最高。与殷复伟等[30]研究结果类似。可能因为相同播种量条件下，随着行间距的扩大，行间漏光严重，单行内基本苗增加，影响了单株苗体素质的发展，而适当缩小行距，可改变植株在田间分布状态，减缓个体与群体间矛盾，提高群体光能分布及利用性能[35-36]。因此，不同地区针对不同类型小麦品种需因地制宜根据种植方式筛选合适的苗带与行间距配置范围[2,9]。

表4(续)

同时，本研究中宽窄行小麦产量明显高于等行距，与前人[37-38]研究结果一致。本试验条件下，等行距种植采用的是稻秸翻耕还田，而宽窄行种植采用的是非均匀性耕作，宽行免耕覆盖稻秸亦可保持土壤有效贮水量和植株体内含水量，有利于邻近窄行小麦的穗分化和花器官的形成，通过提高植株蒸腾速率散失较多的水分，以获取更多的光合产物[39]；其次，宽窄行种植田间通风透光条件好，可充分利用边行优势，发挥品种相关遗传潜力，有助于后期的促大穗增粒重。

3.2 宽窄行种植模式下稻秸非均匀性覆盖还田对小麦产量及其构成因素的影响

前人研究发现，秸秆覆盖会导致小麦穗数和千粒重同时降低，穗粒数则无一致变化规律[20]，小麦产量增加[40]、减少[23]和不显著变化[24]现象均会出现。本研究发现，随着窄行稻秸覆盖量的不断增加，产量及其构成因素均呈下降趋势，但稻秸覆盖最少处理(T2)对产量及其构成因素并未产生明显影响。秸秆覆盖一定程度上会对冬小麦群体产生物理性障碍，降低成熟期茎蘖数[25]；覆盖量偏高亦会导致返青时的“低温效应”，推迟冬小麦生长发育，缩短灌浆时间，影响千粒重提高；同时秸秆覆盖过多使得微生物活力降低，有机质矿化分解缓慢，小麦下部群体间通风透光不良[41-42]；另外，覆盖处理的保墒效应增加了土壤含水量，致使后期小麦贪青徒长，消耗大量的营养物质，导致向籽粒分配的光合产物减少，同时由于本试验中后期的高温逼熟天气，最终影响了冬小麦的产量[20,43]。

3.3 宽窄行种植模式下稻秸非均匀性覆盖还田对土壤理化性状的影响

秸秆还田主要通过自身分解释放的化学物质和营养元素等直接作用于作物生长，或者通过间接调控作物生长的环境因子来影响作物的生长[44]。已有研究发现，秸秆覆盖能够降低地温的日振幅，有效缓解地温激变对作物根部产生的伤害[45]。本研究结果表明，秸秆覆盖对小麦生育期0～20 cm土层土壤均表现为生育前期增温和生育中后期降温的双重作用，土温差异主要体现在5 cm土层，这与前人研究结果一致[46]，而这种“前增后降”效应随窄行稻秸覆盖量的增加有所加强。后期由于气温的逐步回升，叶面积不断扩大封行，秸秆覆盖效应逐渐减弱，不同处理间差异变小。此外，本研究中，稻秸覆盖可有效增加土壤含水率，且与覆盖量呈正比，其变化敏感层主要位于0～10 cm表层土体，这与众多研究结果[16,46]基本一致，秸秆覆盖可有效减少小麦不同生育阶段的耗水量。同时，因生育前期地面蒸发为土壤水分散失的主要途径，而高覆盖量秸秆保水效果更佳[47]，导致不同处理间土壤含水率差异逐渐变大；到生育后期，小麦群体叶面积逐渐变大，土壤水分损失的主要途径依靠蒸腾作用，且覆盖量越大，小麦长势越好，蒸腾量也相应越大[47]，使不同覆盖量处理间差异渐趋变小。而本试验条件下，并不是窄行稻秸覆盖量越多，小麦产量越高。因此，需进一步研究在维持小麦产量不变或增高的前提下，窄行适宜的稻秸覆盖量。

大量研究表明，秸秆覆盖可降低土壤容重，增加土壤总孔隙度，促进土壤团粒结构形成；提高土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量[17,45,48]。且这种效应随秸秆覆盖量的增加而逐渐加强[49]。本研究结果与前人研究基本一致，且各养分含量总体均在T3(50%)达最大值，说明适量稻秸覆盖更有助于培肥地力，过多或过少均不利于土壤养分的积累。秸秆覆盖过少造成土壤有机质和养分的释放量变少；过多则会导致“土壤—大气”间环境物质流动交换不顺畅，易造成土壤缺氧，使土壤处于持续高温状态，导致土壤微生物数量和酶活性降低，进而抑制其对秸秆的分解，限制土壤养分的循环与释放，反而不利于创造良好的土壤肥力状态[49-50]。本试验重点针对窄行(苗带)土壤特性进行了相关分析，而宽行(空幅带)土壤相关性状如何变化以及其与窄行之间是否存在互作关系并作用于小麦生长，仍有待从空间和时间层面上作进一步的研究。

综上，小麦宽窄行种植条带耕作模式是对现有播种和耕作方式的重大革新，生产可操作性强，增产效果显著，可作为一种新型栽培技术并结合配套机械推广应用。但其适宜播幅及行间距应结合当地生态条件、生产水平、耕作制度、品种特性及管理措施等综合确定。并在稻秸全(大)量还田和晚播情形下，合理配比宽窄行秸秆覆盖量，通过适当增加小麦播种量，保证足够基本苗，达到稳产肥地的协同效应。

4 结论

相比于等行距种植，宽窄行种植产量的增加主要得益于穗粒数、千粒重和茎蘖成穗率的提高，本试验中30 cm+15 cm表现为优势宽窄行组合。宽窄行稻秸非均匀性覆盖试验表明，秸秆覆盖对小麦全生育期土温表现为前期增温和中后期降温的双重效应，随着窄行稻秸覆盖量的增加，土壤增温和降温幅度变大，土壤保墒性能逐渐变强，土壤容重降低，土壤孔隙度提高，土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾含量先升后降；产量及其构成因素均呈降低趋势，其中尤以有效穗数和产量降低显著。