小麦秸秆高量覆盖对棉花生长发育及产量形成的影响

许冬 万鹏 褚世海 李儒海

摘要：【目的】研究小麦秸秆高量覆盖对长江流域棉田杂草防控及棉花产量形成的影响，为该区域棉田化肥和除草剂减量综合技术模式构建提供理论依据。【方法】以Bt抗虫棉GK19为试验材料，以无秸秆覆盖为对照（M0，CK），设3个小麦秸秆高量覆盖处理[15000 kg/ha（M1）、20000 kg/ha（M2）和30000 kg/ha（M3）]，观察棉田不同生育期内杂草防效、土壤含水量，以及棉花叶绿素含量、株高、果枝数、成铃数等农艺性状指标。【结果】小麦秸秆高量覆盖对棉田整个生育期内杂草种群均有很好的防控效果。秸秆高量覆盖可显著提高土壤含水量（P<0.05），并随秸秆覆盖量的增加整體呈上升趋势，其中，M0处理的棉田土壤含水量在棉花整个生育期基本维持在20.79%～21.70%，而小麦秸秆高量覆盖棉田土壤含水量可达26.25%～35.65%。小麦秸秆高量覆盖还可显著促进棉花的快速生长及提高叶片叶绿素合成，但随着秸秆覆盖量的增加其增长幅度不显著（P>0.05）。另外，小麦秸秆高量覆盖对提高棉花的果枝数、蕾数和成铃数也有显著促进作用，M0处理在吐絮期的果枝数和成铃数仅为8.0和10.7，而小麦秸秆不同高量覆盖处理可达12.2～13.2和25.9～29.9。【结论】长江流域棉花定苗后，一次性覆盖15000 kg/ha小麦秸秆可有效抑制全生育期内的棉田杂草，并对棉花生长及产量形成具有积极的调控作用，可有效降低化学除草剂及化肥的使用量。

关键词： 小麦秸秆覆盖;棉花;棉田杂草;土壤水分;生长发育;产量性状

中图分类号： S562                               文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2021）05-1191-07

Abstract：【Objective】The effects of high dosage of wheat straws on weed control and cotton yield formation in Yangtze River Basin were studied，these works provided theoretical basis for integrated technique model of chemical fertilizers and chemical herbicides reductions in cotton field. 【Method】Taking insect-resistant cotton variety GK19 as material，the experiment was conducted involving three wheat straw mulching rates[15000 kg/ha（M1），20000 kg/ha（M2） and 30000 kg/ha（M3）]，and no straw mulch was the control（M0， CK）. The effects of high dosages straw mulching on weed control，soil moisture content，chlorophyll content，plant height，numbers of bud and bolls during the seedling stage，flowering and boll stage and boll-opening stage were measured. 【Result】The results showed that high dosages of wheat straw mulching could inhibit the germination of weeds during the whole growth periods. Compared with the non-straw returning treatment，high dosage wheat straw mulching significantly increased the soil moisture（P<0.05），and increased with the increase of wheat straw mulching. The soil water content of M0 field maintained at 20.79%-21.70% during the whole growth period of cotton，while that of wheat straw mulching treatments reached 26.25%-35.65%. Wheat straw mulching could also significantly promote the rapid growth of cotton and improve the chlorophyll synthesis of leaves，but with the increase of straw mulching，there was no significant effect on them（P>0.05）. In addition，high dosage wheat straw mul-ching significantly increased the numbers of branches，buds and bolls. The number of branches and bolls of the M0 treatments were only 8.0 and 10.7 at the boll opening stage，while the treatments of wheat straw could reach 12.2-13.2 and 25.9-29.9. 【Conclusion】Wheat straw mulching contributes to weed control and regulating the growth and development of cotton and yield formation by one-time application for 15000 kg/ha after seedling thinning in Yangtze River Basin，which can reduce the input of chemical herbicide and chemical fertilizer.

Key words： wheat straw mulching; cotton; weed in cotton field; soil moisture; growth and development; yield trait

Foundation item： National Key Research and Development Program of China（2017YDF0201900）; Agricultural Science and Technology Innovation Center Project of Hubei（2016-620-000-001-018）

0 引言

【研究意义】江汉平原是湖北省最大的棉花主产区和优质棉生产基地，也是我国长江中下游地区重要的商品粮基地。近年来，随着我国农业生产技术和水平的不断提高，小麦等作物产量逐年上升，秸秆作为农业生产中的一项重要副产品，其数量规模也随之持续增大（孙通等，2017）。有数据显示，2015年我国可收集利用秸秆总量高达6.41亿t，除大部分被用于秸秆还田、工业原料及生活燃料外，仍有1.5亿t秸秆资源被遗弃在田间地头或就地焚烧（崔蜜蜜等，2016）。因此，在我国农业生产中，作物秸秆资源化利用，特别是作物秸秆还田仍有较大的空间潜力。此外，江汉平原在棉花和小麦种植过程中存在盲目施肥、农药施用过量现象，长此以往，秸秆与农药、化肥资源的利用不当势必会影响棉花的产量和品质，加剧该区域农业面源污染，严重阻碍该区域农业的可持续发展（段小丽等，2012;郑春风等，2019）。因此，开展小麦秸秆高量覆盖研究，不仅可进一步挖掘小麦秸秆的资源化利用潜力，还有助于该区域作物减肥减药综合技术模式的构建。【前人研究进展】秸秆覆盖技术是国家近年来大力推广的一项农业实用技术，也是保护性耕作最关键的技术之一（黄婷等，2011）。实施秸秆覆盖免耕可有效减缓农田土壤风蚀，对土壤蓄水保墒、提高水分利用效率等也具有积极作用（Anyanzwa et al.，2010;Yan et al.，2017）。当秸秆进入土壤后，营养物质经腐解释放会对土壤有机质含量、土壤容重及微生物群落产生重要影响，对促进植株生长和提高作物产量有积极调控作用（Yousaf et al.，2017;殷尧翥等，2019）。研究显示，秸秆覆盖对作物生长的影响多为正向效应，其通过调节土壤水热条件，并提供额外的养分供应，有利于作物根系的形成，同时，还能显著提高叶片的光合速率和叶绿素含量，并延缓作物功能叶的光合时间（白伟等，2017;张文可等，2018）。但秸秆覆盖对产量的影响仍存在一定争议，其影响程度与秸秆自身的投入水平有很大关系。游来勇等（2015）研究指出，秸秆全量覆盖还田对于作物产量的提高优于秸秆半量还田。但Tao等（2015）研究认为，秸秆投入对作物的增产效益并不会随秸秆投入量的增加而显著提高，50%秸秆还田对黄淮海平原春玉米的增产效应显著高于全量秸秆覆盖。目前，秸秆还田量一般在4500～10000 kg/ha范围（何生宝，2001），对成倍增加秸秆用量的研究较少。已有的研究显示，当切碎秸秆增至18000 kg/ha还田时，土壤速效磷、钾等养分含量较全量还田会显著提高，土壤肥力质量能维持较长时间（徐萌等，2012;丛萍等，2019），对于作物产量来说可能会形成有利影响。另外，研究还显示秸秆覆盖还田可有效抑制田间杂草生长，与化学除草剂使用具有协同防草作用，可显著降低化学除草剂的使用量（冒宇翔等，2014）。【本研究切入点】目前，对于秸秆覆盖还田的研究主要集中在作物产量、土壤理化和生物学性质等响应特征及作用机制方面，但使用的秸秆覆盖量多为半量及全量还田（马宗斌等，2004;郑曙峰等，2011），对秸秆高量覆盖的研究相对较少。同时，前人在研究秸秆覆盖对免耕作物产量的影响结论也存在不一致现象。因此，需进一步明确高量秸秆覆盖的作物产量效应、除草效果以及作用机制。【拟解决的关键问题】采用大田试验，探讨小麦秸秆高量覆盖还田对棉田杂草及棉花生长、产量形成的影响，进一步挖掘小麦秸秆的资源化利用潜力，为长江流域棉田化肥和除草剂减量综合技术模式构建提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试品种为Bt抗虫棉GK19，由中国农业科学院棉花研究所提供。

1. 2 试验方法

试验在湖北省农业科学院金水农场进行。试验采取随机区组设计，3次重复。棉花种子于2019年4月25日开沟穴播，每穴播3～4粒，行距100 cm、株距30 cm，每小区面积40 m2。棉花前茬作物为小麦，麦收后保留麦桩高度10 cm以下。所用小麦秸秆为联合收割机粉碎，长度2～3 cm，待棉花定苗后，将小麦秸秆一次性覆盖在棉苗上。鉴于长江流域小麦秸秆全量覆盖约为7500 kg/ha（王幸等，2017），本研究以不覆盖小麦秸秆为对照（M0，CK），设3个小麦秸秆高量覆盖处理，分别为小麦秸秆高量覆盖15000 kg/ha（M1）、20000 kg/ha（M2）和30000 kg/ha（M3）。

1. 3 测定项目及方法

1. 3. 1 杂草种群调查 分别于花蕾期（8月6日）和吐絮期（9月20日），采取对角线取样法调查不同秸秆覆盖量处理棉田优势杂草种群及数量，每小区选取5个点，每点调查面积0.11 m2（长0.33 m、宽0.33 m），重复3次。

1. 3. 2 土壤含水量测定 分别于苗期（6月25日）、花蕾期（8月20日）和吐絮期（9月20日），利用土壤水分速測仪TDR350测定棉田土层下10 cm的含水量，每个小区选取5个点。

1. 3. 3 叶绿素含量测定 利用Opti-Sciences CCM-200仪测定棉花倒4叶相对叶绿素含量（CCI值）。测定时间同1.3.2，每小区连续测定5株棉花，每株叶片分别取3个点测定，取平均值。

1. 3. 4 农艺性状指标测定 分别于苗期（6月25日）、花蕾期（8月6日）和吐絮期（9月20日）定株调查棉花的株高、果枝数、蕾数和成铃数等农艺性状指标，每小区连续取10株棉花，重复3次。

1. 4 统计分析

采用Excel 2003分析数据和制作表格，用SPSS 17.0进行方差分析，用LSD法检验处理间平均值的差异显著性。

2 结果与分析

2. 1 不同小麦秸秆覆盖量对棉田杂草发生量的影响

从表1可知，不覆盖小麦秸秆M0处理的棉田杂草物种数较丰富，优势杂草以碎米莎草、鳢肠、旱稗和马唐等为主，其在棉花花蕾期和吐絮期的密度分别达1119.0和1296.0株/m2，而小麦秸秆高量覆盖M1、M2和M3处理棉田在同时期均未调查到任何杂草。可见，小麦秸秆高量覆盖对棉田整个生育期的杂草均有较好的防控作用。

2. 2 不同小麦秸秆覆盖量对棉田土壤含水量的影响

从图1可看出，不覆盖小麦秸秆对照M0处理棉田土壤含水量从苗期到吐絮期基本维持在20.79%～21.70%，而小麦秸秆高量覆盖棉田的土壤含水量在26.25%～35.65%，均与M0处理间差异显著（P<0.05，下同）。可见，与不覆盖秸秆M0处理相比，小麦秸秆高量覆盖在棉花整个生育期内均可有效抑制水分的蒸发散失。从小麦秸秆不同覆盖量处理来看，棉田土壤含水量在苗期随秸秆覆盖量的增加呈上升趋势，M1、M2和M3处理在苗期的土壤含水量分别为30.14%、31.53%和35.65%，处理间差异显著;但在花蕾期和吐絮期，M1、M2和M3处理间差异不显著（P>0.05，下同）。表明小麦秸秆高量覆盖还田可显著提高棉田土壤的蓄水供水能力，但其變化趋势还受覆盖量及棉花生育期等因素影响。

2. 3 不同小麦秸秆覆盖量对棉花株高的影响

从图2可看出，小麦秸秆高量覆盖可显著促进棉花的生长。在吐絮期，不覆盖对照M0处理的棉花株高为93.3 cm，而小麦秸秆高量覆盖M1、M2和M3处理的株高分别为110.1、111.3和113.9 cm，较对照分别增加18.01%、19.29%和22.08%，差异达显著水平。从小麦秸秆各高量覆盖处理的株高来看，除了苗期M1和M3处理间存在显著差异外，其他生育期M1、M2和M3处理间均无显著差异，说明小麦秸秆2倍全量覆盖（15000 kg/ha）条件下，进一步增加覆盖量对棉花株高无显著促进作用。

2. 4 不同小麦秸秆覆盖量对棉叶叶绿素含量的影响

从图3可看出，小麦秸秆高量覆盖可显著提高棉花叶片叶绿素含量。其中，不覆盖秸秆M0处理在棉花苗期、花蕾期和吐絮期的CCI值为19.9～26.5，而M1、M2和M3处理的CCI值分别为26.6～33.9、28.1～35.2和29.4～37.0，小麦秸秆高量覆盖处理的CCI值在各生育期内均显著高于M0处理。对于小麦秸秆不同覆盖量处理来说，M1、M2和M3的CCI值在棉花苗期差异显著，但在花蕾期和吐絮期均差异不显著。

2. 5 不同小麦秸秆覆盖量对棉花产量形成指标的影响

从表2可知，3个小麦秸秆高量覆盖处理的果枝数和蕾数在棉花花蕾期显著高于M0处理，其中小麦秸秆M1、M2和M3处理的蕾数分别为29.8、29.0和29.6，而M0处理仅为11.5。至吐絮期时，M0处理的果枝数和成铃数分别为8.0和10.7，而小麦秸秆高量覆盖处理的果枝数和成铃数分别为12.2～13.2和25.9～29.9，前者显著低于后者。从小麦秸秆不同覆盖量处理来看，吐絮期棉花果枝数和成铃数基本随秸秆覆盖量的增加呈上升趋势，但处理间差异基本不显著，仅表现为M3处理的成铃数显著高于M1处理，较M1处理提高15.4%。

3 讨论

秸秆覆盖可通过化感作用及物理屏蔽阻碍或抑制杂草的萌发生长，提升作物和杂草的竞争力（Webster et al.，2013;李茹等，2018）。因此，利用秸秆覆盖对杂草的生态抑制作用，探索棉田化学除草剂减施控效技术具有良好的实用性和可操作性。已有研究显示，小麦秸秆覆盖量为2500～10000 kg/ha时对稻田优势杂草种群田间占比具有明显影响，且随着秸秆覆盖量的增加，杂草的田间防控效果也显著增加（付佑胜等，2019）。本研究结果显示，小麦秸秆高量覆盖为15000、20000和30000 kg/ha时，均可有效控制江汉平原麦后直播棉田杂草，在全程生育期内无需再施用任何除草剂。究其原因可能是由于覆盖15000 kg/ha小麦秸秆已对杂草形成完全封闭的物理隔离环境，完全阻止了杂草的萌发及对光的有效竞争，从而加速杂草种子的腐烂。另外，小麦秸秆腐解产生的水杨酸、酚酸类等化感物质可能也是影响杂草种子萌发的关键因素。

水肥利用效率是衡量农田生产力的一项重要指标。对于水分利用效率而言，秸秆还田对作物生育期耗水模式具有调节作用，在生育前期主要是抑制土壤水分的无效蒸发，生育后期则增强植株的蒸腾作用，促进干物质的形成（翟夏斐等，2014）;另外，秸秆还田还可显著提高土壤储水量，促使水分利用效率显著提高（He et al.，2016）。本研究结果显示，小麦秸秆高量覆盖在棉花整个生育期内均可显著提高土壤含水量，且棉花苗期时小麦秸秆不同高量覆盖处理间差异显著。究其原因可能是小麦秸秆高量覆盖对土壤表层形成隔断层，减弱或阻挡了土壤与外界环境的联系，降低了水蒸气向大气传导的扩散速率，从而利于土壤的蓄水保墒（谢成俊等，2019）。小麦秸秆不同高量覆盖处理在棉花各生育期对土壤含水量的差别影响，一方面可能与江汉平原气候有关，其棉花苗期处于梅雨季节，而花蕾期和吐絮期处于高温缺水阶段，两个时期的蒸发量和降雨量存在明显差异，从而导致前后土壤含水量的差别;另一方面，与棉花各生育期内对水分的需求量有关，棉花在生育后期为了满足营养生长及产量形成，对水分的需求量会显著增大，从而导致不同处理间土壤含水量的差异变小。

光合作用为作物生长发育和产量形成提供物质基础，作物产量的提高均是通过直接或间接改善作物光合特性实现的（彭芹等，2012）。有研究显示，适当的玉米秸秆覆盖可有效提高小麦叶绿素含量和光合速率（吴晓丽等，2015）。本研究结果表明，小麦秸秆高量覆盖可显著提高棉花叶片叶绿素含量。其原因可能是小麦秸秆覆盖提高了土壤含水量，在相对充足的土壤水分条件下，秸秆会逐渐分解释放出化感物质和营养成分，从而保证氮素向棉花植株供应，促进地上部的快速生长，进而提高棉花叶片的叶绿素合成量。

合理施用秸秆可提高作物产量，但目前关于产量提高幅度的研究结果差异较大（Reiter et al.，2008）。有研究显示，在长江流域麦棉两熟制条件下，相比对照和半量还田，秸秆全量还田处理可显著提高棉花的铃数、铃重和皮棉产量（张凡等，2014）。油菜秸秆覆盖对水稻的影响研究也表明，覆盖还田可促进水稻分蘖，提高磷肥利用效率及水稻产量，其中秸秆还田量越大时水稻产量越高，但过量还田会导致稻田成穗率降低（胡瑶等，2018）。本研究结果显示，小麦秸秆高量覆盖显著提高棉花的果枝数、蕾数和成铃数等产量形成指标，且M3处理在吐絮期的成铃数显著高于M0和M1处理，说明小麦秸秆2倍全量以上高量覆盖有利于棉花产量形成。其原因可能是小麦秸秆高量覆盖调节了土壤的水热条件，并通过腐解提供额外的有机质等营养物质，有利于棉花根系的生长。而根系的良好发育又利于生物量的提高，可促进地上部植株生物量增加。其通过为地上部提供水分和养分，显著提高叶片的光合速率和叶绿素含量，进而促进棉花生育后期干物质的积累及产量形成，延缓早衰，降低蕾铃脱落率，从而实现棉花增产增效。

棉花的高产稳产需建立在科学的栽培技术、品种筛选、施肥用药管理技术和轻简化技术的基础上，协调集成各技术为一体化是目前科研的重点。本研究仅从棉田杂草防效和棉花产量形成方面分析秸秆高量覆盖带来的影响，下一步将结合土壤肥力、水肥利用效率等进行深入研究，为提升棉花种植技术提供依据。

4 结论

长江流域棉花定苗后，一次性覆盖15000 kg/ha小麦秸秆即可有效抑制全生育期内的棉田杂草，并对棉花生长及产量形成具有积极的调控作用，可有效降低化学除草剂及化肥的使用量。

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（责任编辑 王 晖）