秸秆带状覆盖对旱地冬小麦农田土壤特性及产量的影响

叶元生，黄彩霞，柴守玺，常 磊，马建涛，马菊花，李亚珍

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070)

西北黄土高原雨养农业区光热资源丰富，地域辽阔，耕地面积约2 593万hm2，占全国总耕地面积的19.2%[1]，小麦种植面积182.5万hm2，占全国总种植面积的7.7%[2]。受水资源不足、时空分布不均衡以及耕作模式不合理等因素影响[3]，该区域水土流失严重，土壤有机质得不到及时补充，导致土壤肥力下降[4]，引起作物产量低而不稳。因此，研究有效农作措施、提高土壤肥力、促进有限降水利用率是实现该区小麦稳产高产的关键，也是该区农业生产中急需解决的关键问题和长期研究的热点问题。

传统栽培技术由于地表裸露，导致80%以上的土壤水分以无效蒸发方式消散在大气中，降低了作物对土壤水分的利用率[5]。覆盖种植主要包括地膜及秸秆覆盖，因其产生的良好水热效应，在作物生产中不但可提高土壤水分利用效率[6-7]，还具有良好的增产效果[8-10]。但地膜覆盖因存在残留等问题导致土壤结构破坏，土壤有机质被过分矿化[11]，不利于作物根系生长及养分吸收。相较之下，秸秆覆盖种植具有显著的蓄水调温效果，且秸秆还田后可改善土壤理化性状[12]，提高土壤结构的稳定性[13]，培肥地力，但受覆盖引起的地温变化影响，秸秆覆盖种植具有较大的减产风险[14]。

秸秆带状覆盖是一种利用作物秸秆进行局部覆盖的技术，甘肃中部半干旱地区的试验结果表明，该技术在不同的降水年型下均可显著增加小麦产量[15-16]。但受西北黄土高原雨养农业区特殊的气候、生态环境影响，不同秸秆覆盖技术引起的土壤结构特性及水分变化，因区域、技术本身的特点以及当年气候条件等不同而存在较大差异。本研究在甘肃中部典型的雨养生态环境下，以传统无覆盖露地种植和地膜全覆盖为对照，系统比较3种秸秆带状覆盖种植技术对冬小麦农田土壤特性及产量和水分利用效率的影响，旨在深入解析秸秆局部覆盖增产机制，为改进或发展秸秆覆盖技术，进一步提高旱地冬小麦产量和降水利用效率提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年9月—2020年7月在甘肃省通渭县平襄镇甘肃农业大学试验基地(35°11′N，105°19′E)进行，该区域海拔1 750 m，年均气温7.2℃，多年平均降水量390.7 mm，属典型的半干旱雨养农业区。试验地土壤为黄绵土，0～200 cm土层土壤平均容重为1.25 g·cm-3，土壤pH值为8.5，土壤有机碳含量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，速效钾115.51～133.80 mg·kg-1。试验期冬小麦全生育期总降水量322.2 mm，比同期多年平均降水量增加19.84%，属丰水年(图1)。

1.2 试验设计

试验共设5个处理，分别为秸秆带状覆盖3行(SM3)、秸秆带状覆盖4行(SM4)、秸秆带状覆盖5行(SM5)、地膜覆盖(PM)和露地种植(CK)，每处理3次重复，随机区组排列，小区面积150 m2。SM3、SM4和SM5处理种植带宽分别为35、50 cm和70 cm，种植小麦行数分别为3行、4行和5行，行距17 cm。覆盖带宽均为50 cm，与种植带相间排列，播种时预留覆盖带，于小麦3叶期将玉米整秆放置于覆盖带，3种覆盖处理覆盖带与种植带宽度比例不同，但秸秆覆盖量相同，约为52 500株·hm-2(折合秸秆干重约9 000 kg·hm-2)，采用人工铺设秸秆，以保证秸秆均匀覆盖。小麦生育期内对秸秆不做任何处理，任其自然风化腐解，收获时底层有部分秸秆腐解并有少量混入土壤；小麦收获后将腐解的秸秆通过旋耕机打碎还田，覆盖带与种植带两边各留2～5 cm，防止秸秆覆盖时压苗。CK采用平作，条播，行距17 cm；PM采用全地面覆膜，覆膜后穴播，穴距20 cm。

冬小麦供试品种为‘陇中2号’，各处理播量均为225 kg·hm-2，2019年9月下旬播种，次年7月中旬收获。各小区施肥量相同，均在播前施基肥纯氮120 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2，生育期内不追肥。试验地土壤钾元素充足，播前及生育期不再施钾肥。

1.3 采样及测定方法

1.3.1 土壤特征指标 在小麦收获前3 d，按0～5、5～10、10～15、15～20 cm 4个土层测定土壤容重。土壤团聚体及有机碳按0～5、5～10 cm和10～20 cm 3个土层取样，采用“S”型5点取样法采集原状土，原状土装入硬质塑料盒内，带回实验室，自然风干，待土壤达到塑限后沿土壤结构的自然剖面掰成1 cm左右的小土块，去除植物根系及小石子备用。有机碳土样待自然风干后过0.25 mm筛，待测。各处理均在小麦种植行间取样。土壤容重采用环刀法[17]测定，土壤机械稳定性团聚体采用干筛法[18]测定，土壤水稳定性团聚体采用湿筛法[19]测定，土壤有机碳采用重铬酸钾氧化-外加热法[20]测定。

土壤孔隙度的计算公式如下[21]：

孔隙度=(1-容重/密度)×100%

式中，土壤密度取2.65g·cm-3。

土壤团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)的计算公式如下：

式中，Xi为第i个筛子的平均直径(mm)，Wi为团聚体在第i个筛子的质量百分比[22]，>5 mm团聚体粒径采用7.5 mm。

1.3.2 土壤水分 在小麦播前、收获后采用土钻取土，各处理均在小麦种植行间取样。烘干法测定0～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150、150～180 cm和180～200 cm 8个土层的土壤含水量，分别计算农田耗水量和水分利用效率。

农田耗水量(ET，mm)计算采用公式如下[10]：

ET=(W1-W2)+P

式中，W1、W2分别为冬小麦播种前和收获期的土壤贮水量(mm)，P为生育期≥5 mm有效降水量。

水分利用效率(WUE，kg·hm-2·mm-1)计算公式如下：

WUE=Y/ET

式中，Y为作物产量(kg·hm-2)，ET为生育期总耗水量(mm)。

1.4 产量及考种

小麦成熟前1周，每小区选3个样点测定单位面积穗数；成熟后按小区收获并计算籽粒产量。各小区随机取20株进行室内考种，测定穗粒数、千粒重等。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010及Origin 2018绘制图表，利用SPSS 22.0进行统计分析，采用Duncan法进行差异显著性分析，显著性水平设置为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 秸秆带状覆盖对土壤容重和孔隙度的影响

由图2可知，不同处理土壤容重总体表现为上层小于下层，秸秆带状覆盖处理可显著影响不同土层土壤容重，与CK处理相比，0～20 cm土层土壤容重平均降低了7.07%，其中，SM3处理对土壤容重的影响最大，SM4处理次之，SM5处理最小，土壤容重分别下降8.82%、7.32%、5.07%。不同土层间，SM3、SM4和SM5处理0～5 cm土层土壤容重下降程度最明显，较CK处理分别降低11.27%、9.07%和6.35%，5～15 cm土层仅SM3、SM4处理与CK处理呈显著差异，15～20 cm土层SM处理与CK处理没有明显差异。土壤孔隙度的变化与土壤容重呈相反趋势(图3)，SM处理较CK处理显著增加土壤0～20 cm土层孔隙度7.28%，上层高于下层。PM处理较CK处理各层土壤容重和孔隙度无显著变化。覆盖材料之间相比，SM处理显著较PM处理降低土壤0～20 cm土层容重4.49%，增加孔隙度4.41%，秸秆带状覆盖处理对土壤结构的影响优于地膜覆盖处理，秸秆覆盖后土壤的通透性改善，对土壤水分和肥力保持以及养分供给具有较大意义。

2.2 秸秆带状覆盖对土壤机械稳定性团聚体含量的影响

由表1可知，在0～20 cm土层，秸秆带状覆盖处理可显著提高>0.25 mm机械稳定性团聚体含量。

表1 不同处理下各粒级机械稳定性团聚体的分布

不同处理间，SM3处理各土层>0.25 mm团聚体平均含量最高，其次为SM4和SM5处理，SM处理显著高于CK和PM处理，增幅分别为5.31%和5.30%。从不同团聚体粒级差异看，各处理均呈现随粒级的增大团粒数量增大的趋势，>5 mm粒级团聚体平均含量在27.81%～31.46%之间，5～2 mm、2～1 mm、1～0.5 mm团聚体平均含量在11.47%～17.96%之间，0.5～0.25 mm团聚体平均含量在8.05%～11.37%之间。不同粒级间，SM3处理在各土层均表现出一定优势，SM4、SM5处理在不同粒级和不同土层表现不一，PM处理在各个粒级及不同土层无明显优势，甚至低于CK处理。可见，秸秆带状覆盖可增加表层土壤大团聚体数量，有利于增加土壤通透性，促进降水入渗。

2.3 秸秆带状覆盖对土壤水稳定性团聚体含量的影响

由表2可知，经过湿筛后，各处理0～20 cm土层土壤>0.25 mm粒级土壤水稳性团聚体明显减少，由湿筛前的80.52%～89.56%减少为24.45%～28.04%，其中，>5 mm粒级降幅最大，其次为2～1 mm粒级，0.5～0.25 mm粒级降幅最小。与CK处理相比，在0～20 cm土层，SM处理可显著提高>0.25 mm粒级土壤水稳性团聚体含量7.21%，而PM处理影响较小。覆盖材料之间相比，SM处理较PM处理显著增加土壤0～20 cm土层>0.25 mm粒级土壤水稳性团聚体含量4.55%。从各处理不同粒级团聚体差异看，SM处理0～10 cm土层>5 mm、5～2 mm和2～1 mm粒级水稳性团聚体平均含量显著高于CK处理，1～0.5 mm粒级差异不明显，0.5～0.25 mm显著降低，10～20 cm土层随粒级不同表现不一；PM处理仅在0～10 cm土层5～2 mm、2～1 mm粒级水稳性团聚体平均含量显著高于CK处理，其余粒级及土层间没有显著优势，甚至低于CK处理。覆盖材料之间相比，SM处理在0～10 cm土层>5 mm粒级团聚体平均含量显著高于PM处理，其余粒级无显著差异。可见，秸秆覆盖增加土壤水稳性大团聚体数量的效果较地膜覆盖更佳。

表2 不同处理下各粒级水稳定性团聚体的分布

2.4 秸秆带状覆盖对土壤水稳性团聚体稳定性的影响

由图4和图5可知，覆盖处理均不同程度提高了0～20 cm土层土壤团聚体的稳定性。与CK处理相比，SM处理和PM处理分别提高MWD和GMD值48.69%～60.31%和14.51%～20.57%。0～5、5～10 cm和10～20 cm土层，SM处理较CK处理提高MWD值45.35%、73.21%和60.71%，提高GMD值17.15%、18.11%和20.21%，PM处理较CK处理分别提高MWD值38.43%、47.72%和60.86%，提高GMD值13.29%、14.05%和16.26%。覆盖材料之间相比，SM处理较PM处理分别提高MWD和GMD值6.45%～8.24%和8.73%～10.06%；具体来看，与PM处理相比，0～5 cm土层SM处理的MWD和GMD值分别显著提高1.05%～8.42%和4.00%～8.00%，5～10 cm土层MWD值显著提高15.29%～18.82%，10～20 cm土层GMD值显著提高18.18%。可见，覆盖处理对土壤0～20 cm土层土壤水稳性团聚体及土壤结构的稳定性均有明显的改善作用，秸秆带状覆盖的效果优于地膜覆盖。

2.5 秸秆带状覆盖对土壤有机碳的影响

由图6可知，0～20 cm土层，各处理土壤有机碳含量均随土层的加深逐渐减少。SM处理较CK处理可显著提高土壤0～20 cm土层有机碳含量6.15%，较PM处理显著提高6.06%，其中，SM3处理增加最明显，较CK处理土壤有机碳含量提高6.18%～11.49%，较PM处理显著提高5.85%～11.55%。处理间0～5、5～10 cm和10～20 cm土层有机碳含量均以SM处理最高，显著高于PM和CK处理，PM处理各土层土壤有机碳含量与CK处理均无显著差异。SM处理间，0～5 cm和5～10 cm土层SM3处理均显著高于SM4和SM5处理，SM4处理显著高于SM5处理;10～20 cm土层，SM3和SM4处理之间无显著差异，但均显著高于SM5处理。从处理间差异来看，SM处理土壤有机碳含量上层大于下层，0～5、5～10 cm和10～20 cm土层处理间土壤有机碳含量变异系数(CV)分别为4.67%、4.74%和2.85%。可见，秸秆带状覆盖对表层土壤有机碳含量有明显的提升作用。

2.6 秸秆带状覆盖对小麦产量及水分利用效率的影响

覆盖处理均可显著提高小麦产量和水分利用效率(表3)，地膜覆盖优于秸秆带状覆盖。与CK处理相比，SM处理增产4.01%～6.51%，PM处理增产12.62%。秸秆覆盖处理间，以SM5产量最高，SM4次之，SM3最低。覆盖可提高冬小麦水分利用效率(WUE)，其中，SM处理较CK处理提高9.22%～16.34%，较PM处理提高14.47%。SM处理间WUE的大小顺序为SM5>SM4>SM3，分别较CK处理提高16.34%、10.57%和9.22%。SM处理较PM处理产量下降4.01%～6.51%，但WUE之间无显著差异，主要原因是SM处理耗水量低于PM处理，说明高产是建立在高耗水基础之上。

表3 冬小麦产量及其构成因素和耗水量、水分利用效率

从产量构成因素看，SM处理及PM处理增产的主要原因是单位面积穗数增加，分别较CK处理提高33.43%、41.14%，千粒重和穗粒数则低于CK处理，其中SM处理与CK处理间存在显著差异。处理间变异系数以单位面积穗数最大，CV值为12.96%，穗粒数次之，CV值为9.55%，千粒重最小，CV值为4.88%，说明不同覆盖方式对单位面积穗数影响最大，单位面积穗数是调控产量的主要指标。

3 讨 论

土壤质量是影响作物生产的关键因素，秸秆覆盖种植技术可显著降低上层土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤各级稳定性团聚体含量，提升土壤持水性和通透性，对改善土壤物理条件方面较传统露地种植具有明显的优势[17,23-24]。地膜覆盖对土壤理化性质的影响研究结论尚不一致，有正效应的结论[12]，也有恶化土壤结构指标的结果[25]。本研究结果表明，SM处理对0～20 cm土层土壤特性均有显著影响，较CK处理显著降低土壤容重6.57%，增加孔隙度7.28%，提高>0.25 mm机械稳定性团聚体和水稳性团聚体含量及稳定性，提高土壤有机碳含量6.15%，这与鲁天平等[26]、付鑫等[27]的研究结论一致。3种秸秆带状覆盖处理中，以SM3处理对土壤理化性状的改善效果最明显，SM4处理次之，SM5处理最低。PM处理对土壤理化性状的改善效果远小于SM处理，主要原因是地膜覆盖导致土壤有机质过分矿化，使土壤团粒体数量减少[25]，同时，其增温作用加速了土壤有机质的降解速率[28]，此外，相比PM处理，SM处理在腐解过程中增加了土壤微生物数量及活性，使表层土壤土质疏松，土壤通透性较地膜更好[29-30]，更加有利于表层土壤理化性质的改善。

不同覆盖措施均有利于小麦产量及水分利用效率的提高[8,10,16]，本研究中，与CK处理相比，SM处理、PM处理分别增产5.07%和12.62%，WUE分别提高12.04%和14.44%。不同覆盖处理引起产量差异的主要影响因素是单位面积穗数，这与常磊等[15]研究结论一致。其中，SM处理较CK处理增加小麦单位面积穗数33.43%，是由于其蓄水及调温的特点有利于小麦成穗[31]，且SM处理在种植带进行局部密植，使单位面积内的种植行数及行播量均较CK处理增加，但密植不利于小麦根系发育，阻碍了水分及养分的吸收，且地上部分植株遮蔽度增加，不利于小麦进行光合作用，对小麦籽粒的形成及结实产生不利影响，导致SM处理千粒重及穗粒数均较CK处理减少。3种秸秆带状覆盖处理中，SM3处理对土壤各特征指标影响最大，但SM5处理在产量及水分利用效率提升中表现出明显优势，可见，秸秆带状覆盖措施在西北半干旱区提升小麦籽粒产量和水分利用效率方面具有较大潜力。综合来看，尽管地膜覆盖的增产效果更显著，但其成本高、残膜难回收等问题突出，限制了其经济效益的提高；而3种秸秆带状覆盖处理均有利于改善土壤特性、提高小麦产量及水分利用效率，其中SM5处理对小麦籽粒产量及水分利用效率的提升效果较其他秸秆覆盖处理表现出明显的优势，是适宜于西北半干旱区产量提升及农业绿色高效发展的栽培技术。

4 结 论

1)土壤容重随土层深度的加深逐渐增大。秸秆带状覆盖各处理可降低0～20 cm土层土壤容重，其中，对0～5 cm土层容重影响效果最显著，且土壤容重随种植带的加宽逐渐增加。土壤孔隙度与土壤容重的变化呈相反趋势。

2)秸秆带状覆盖各处理对土壤团聚体的分布具有显著影响。0～20 cm土层>0.25 mm机械稳定性及水稳性团聚体含量均显著提高，有利于促进降水入渗。此外，土壤水稳性团聚体MWD和GMD值均显著提高，表明其对土壤结构的稳定性具有改善效果。

3)土壤有机碳含量随土层深度的增加逐渐减小。秸秆带状覆盖各处理有利于0～20 cm土层土壤有机碳含量的提升，且土层越深，提升效果越小。秸秆带状覆盖处理间表现为SM3>SM4>SM5。

4)覆盖处理能够促进冬小麦增产。SM处理较CK处理增产4.01%～6.51%，PM处理较CK处理增产12.62%。秸秆带状覆盖处理间比较，SM5处理增产效果最佳，SM4处理次之，SM3处理最低。覆盖增产的主要原因是其促进了单位面积穗数的增加。

综上所述，从改善农田土壤结构、提高土壤增碳能力及促进作物增产和提高水分利用效率等角度出发，在西北半干旱区的小麦生产中，以SM5(覆盖带50 cm，种植带70 cm，播种5行)的秸秆带状覆盖种植模式为宜。