秋闲期秸秆覆盖与氮肥减施对旱地冬小麦干物质积累、结实特性和产量的影响

高仁才，陈松鹤，马宏亮，莫 飘，肖 云，张 雪，樊高琼

（四川农业大学农学院/农业农村部西南作物生理生态与耕作重点实验室，四川成都 611130）

小麦是我国重要的粮食作物，大力发展小麦生产对确保我国粮食安全具有重要意义[1]。西南麦区是我国第三大小麦优势产区，2018年该区小麦播种面积约117×104hm2，产量约247万t，其中四川地区的占比均超过50%[2]。该区降雨丰富，年均降水量为1000～1200 mm，但时空分布不均，夏秋降雨丰富，冬春干旱频发，冬小麦生育期(当年11月至次年5月)降水量仅为 200 mm左右，干旱年份甚至不足100 mm，且小麦季降水主要分布在生长后期，作为雨养农业区，冬干春旱导致小麦生物量不足，严重制约该区冬小麦生产。降雨主要集中在7、8、9月3个月，且以暴雨形式出现，不仅导致严重的水土流失，也不利于水分下渗和储存。除水资源不足外，土壤贫瘠、有机质含量低、供肥和保肥能力差也是限制这一地区小麦产量的重要因素。因此，探究抑蒸保墒、夏秋水冬用、提高土壤肥力的栽培管理措施是解决该区域旱地小麦生产可持续发展的关键。

作物秸秆覆盖是提高土壤水分的有效措施之一，已在我国西北雨养农业区及北方其他旱作区进行了推广应用。前人研究表明，秸秆覆盖通过增强水分入渗、减少地表径流、抑制土壤水分蒸发，有效提高了土壤蓄水和保水能力[3]，在干旱年份下，秸秆覆盖的保墒效果更明显[4–5]。此外，秸秆还田可改善土壤结构[6]，提高土壤有机质含量[7]，促进作物生长。干物质积累是作物产量形成的基础，干物质积累受栽培措施、气候类型、土壤类型等因素的影响[8–11]。研究表明，地表覆盖显著影响小麦干物质的分配和转运，促进籽粒灌浆，最终提高小麦产量[12]。王健波等[13]研究表明，免耕覆盖能提高小麦地上部的干物质积累总量，并促进花后干物质的积累。四川旱地小麦主要分布在丘陵地区，随着种粮大户兴起，冬小麦–夏玉米复合种植模式逐渐流行。夏玉米8月底收获，冬小麦10月底播种，中间有近两个月的秋闲期。关于覆盖措施、秸秆还田方式、耕作措施、施氮措施对小麦干物质积累和产量形成的影响，前人展开了较多的研究[14–16]。但前人对秸秆还田与施氮的研究多集中在一年一熟有休闲季或者一年两熟无休闲季但有灌溉的条件下进行，而在麦玉两熟且有两月休闲季的四川地区，冬干春旱严重，针对秸秆覆盖还田与减量施氮对雨养旱地小麦播前底墒、干物质积累与转运、产量形成和开花结实特性的研究较少。本研究以四川旱地雨养小麦为研究对象，分析秋闲季秸秆覆盖还田与氮肥减量条件下冬小麦播前底墒、干物质积累与转运、花后叶绿素含量、开花结实率和产量形成的变化情况，为四川地区制定小麦增产增效种植制度及农业资源的高效利用提供理论基础和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2016至2018年在四川省仁寿县踏水村(30°04′ N，104°13′ E)进行。该地区属亚热带季风湿润气候，年均降雨约1000 mm，年均气温17.4℃，年均日照1196.6 h。试验期间的气象资料见图1，休闲季降雨量2016—2017年为193.8 mm，2017—2018年为107.4 mm，播种至孕穗阶段降雨量2016—2017 年为 14.3 mm，2017—2018 年为 21.5 mm，冬春干旱均较为严重。试验田土壤为紫色粘土，试验前土壤基础肥力见表1。

表1 试验区播前0—20 cm土层的土壤基础肥力Table 1 Basic properties of the experimental soil at 0–20 cm layer

1.2 试验设计

试验采用二因素裂区设计，主因素为秸秆不覆盖(NM)和秸秆覆盖(SM)；裂区为施N 0、120和180 kg/hm2，记为 N0、N120和N180，共计 6个处理，每个处理重复 3 次，每个小区为 30 m2(6 m×5 m)，各主区处理间设1.5 m隔离带，各裂区处理间间隔为20 cm。供试材料为川麦104，该品种为春性品种，全生育期186天左右。在小麦和玉米两熟种植模式中，夏玉米收获后(2016年9月10日和2017年9月4日)将玉米秸秆人工粉碎为5 cm左右长，覆盖于各覆盖小区，秸秆覆盖量约为 6000 kg/hm2(干重)，秸秆含水量约50%，覆盖厚度约为3 cm左右，秸秆含氮量约0.4%。小麦播期为2016年10月29日和2017年10月27日，采用免耕开沟播种，行距20 cm，穴距10 cm，每穴播种6粒，在开沟前将各小区秸秆分别收集装好，在小麦播种完成后立即将秸秆覆盖在原小区地表。水肥管理∶氮肥采用6∶4基追比施用，追肥在拔节期施用，磷(P2O5)和钾(K2O)用量分别为75 kg/hm2，均作为底肥施用，其他管理措施同大田生产。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分 于小麦播种前在每个小区中选择2点，用土钻采集0—100 cm土层的土样，分0—10、10—20、20—40、40—60、60—80 和 80—100 cm，逐层采集，同时分别在覆盖与不覆盖地块内挖一个100 cm 深的剖面坑，将剖面削齐铲平，用环刀法按以上土层分层取样测定土壤容重[17]。用烘干法测定土壤水分含量(%)，并以此计算土壤储水量。计算方法如下[15]：

土壤含水量(SWC，%)=(鲜土质量–干土质量)/干土质量×100

式中：i为土层号数；H 为土层厚度 (H1和 H2为 10 cm，H3、H4、H5和 H6为 20 cm)，BD 为对应土层的容重(g/cm3)；10为cm转化为mm的换算系数。

1.3.2 干物质积累、叶面积指数(LAI)、干物质转运及其对籽粒的贡献率 于小麦苗期、拔节期、孕穗期、开花期和成熟期，在每个小区中连续取样15株，将地上部分为茎(鞘)、叶、穗(开花期以后)和籽粒(成熟期)，分别装袋杀青并烘干至恒质量后称重，并按比叶重法计算叶面积指数，同时按下列公式计算花前干物质转运量(DBFTA)、转运率(DBFTP)、花前干物质对籽粒的贡献率(CRDBFG)、花后干物质积累量(DAPA)及其对籽粒的贡献率(CRDPA)[13]。

花前干物质转运量(kg/hm2)=开花期植株干重–成熟期营养器官干重；

花前干物质转运率(%)=花前干物质转运量/开花期植株干重×100；

花前干物质贡献率(%)=花前干物质转运量/成熟期籽粒干重×100；

花后干物质积累量(kg/hm2)=成熟期籽粒干重–花前干物质转运量；

花后干物质贡献率(%)=花后干物质积累量/成熟期籽粒干重×100。

1.3.3 叶绿素含量 于2016—2017年生长季小麦开花期和花后10、20和30天，在每小区选择有代表性的植株，分为上、中、下，各部位取5片叶，所有样品及时放入冰盒并带回实验室，洗净叶片表面尘土和污物并用吸水纸小心擦干，取出剪碎、混匀，按浸提法测定叶绿素含量[18]。

1.3.4 开花结实特性与穗部性状 小麦抽穗后每处理标记30穗长势和开花时间一致的穗子，开花后采样15穗观察每个小穗各小花开花情况，同时记录分化的小花总数和可育小花数，其中可育小花数以能正常开花为准；到收获时采15穗，统计结实粒数、单穗总小穗数、有效小穗数及无效小穗数，并计算可育小花结实率、总结实率和小花退化率。

可育小花结实率(SRFF，%)=结实粒数/可育小花数×100

总结实率(SRF，%)=结实粒数/总小花数×100

退化率(FDR，%)=(总小花数–可育小花数)/总小花数×100。

1.3.5 冬小麦产量、产量构成与收获系数 于成熟期在每小区中选择长势均匀一致的区域划定1 m2，调查有效穗数(长宽均为1 m，5行)，并连续取30个麦穗测定穗粒数。在每个小区中选择4 m2区域的小麦实收，脱粒后晒干计产，按照13%标准含水量折算实际产量，并测定千粒重。另根据1.3.2中成熟期时生物量计算收获系数。

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2010和Origin 9.0进行处理，用DPS 7.5进行方差分析，采用最小显著性差异法进行处理间的多重比较(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 播前土壤储水量

秋闲期秸秆覆盖对冬小麦播前土壤储水量有一定的提升作用(图2)。与无秸秆覆盖相比，秸秆覆盖提高了0—100 cm的总储水量，2016—2017和2017—2018年分别提高20.2和9.1 mm，2016—2017年的增幅达到显著水平。对不同土层储水量分析，无论休闲期的降雨量高低，秸秆覆盖均显著提高了播前0—10 cm土层的储水量，2016—2017和2017—2018年分别平均提高了8.0和6.7 mm，对20 cm以下各土层储水量提升作用较小。

图2 播前0—100 cm土层土壤储水量Fig. 2 Soil water storage in 0–100 cm layer before sowing

2.2 叶面积指数

覆盖与施氮及二者的互作效应对小麦叶面积指数有显著的提升作用(表2)。秸秆覆盖下两个生长季的小麦三叶期、拔节期、孕穗期和开花期叶面积指数平均值较不覆盖分别提高了44.0%、107.6%、131.5%和147.4%。在秸秆覆盖下，N180处理的叶面积指数(LAI)最高，拔节期、孕穗期和开花期LAI较N0分别平均提高了75.8%、21.4%和134.6%；孕穗期时小麦群体LAI最大，但N180与N120处理间差异不显著。无秸秆覆盖条件下，两个生长季中N120和N180处理的叶面积指数在4个生育时期均没有显著差异；在2017—2018年孕穗期和开花期，N180与N120处理的叶面积指数均显著高于N0处理，而在2016—2017年仅N180处理的叶面积指数显著高于N0。

表2 秋闲期秸秆覆盖与施氮对小麦叶面积指数的影响Table 2 Effects of straw mulching in autumn and N application rate on LAI of winter wheat

2.3 花后叶绿素含量

覆盖与施氮均可减缓花后叶绿素降解，且这种效应随开花后天数的增加而增强(表3)。在开花期，与无覆盖相比，秸秆覆盖下小麦倒1/2叶、倒3叶和倒4叶的叶绿素含量平均值分别提高了11.8%、37.9%和60.7%，且这种优势一直持续至花后30天；在花后30天，秸秆覆盖下各处理小麦倒1叶、倒2叶和倒3叶的叶绿素含量平均值分别较无覆盖处理提高了30.6%、37.2%和113.9%。在秸秆覆盖下，N120和N180处理下开花期、花后10天、花后20天和花后30天各叶位的叶绿素含量大部分都高于N0，但N120和N180处理间大多差异不显著，说明秸秆覆盖下减氮处理对小麦花后各叶片叶绿素含量无显著影响。

表3 秋闲期秸秆覆盖与施氮量对冬小麦花后叶片叶绿素含量的影响(mg/g)Table 3 Effects of straw mulching in autumn and N application rate on chlorophyll content of winter wheat

2.4 干物质积累

冬小麦各生育时期的干物质积累量受覆盖与施氮的影响显著，覆盖与施氮互作效应对三叶期干物质积累量有显著影响，两年的规律表现一致(表4)。与无覆盖相比，秸秆覆盖下三叶期、拔节期、孕穗期、开花期和成熟期群体干物质积累量的两年平均值分别提高了42.3%、90.8%、82.1%、71.5%和81.9%。在秸秆覆盖下，N120和N180处理各生育时期的干物质积累量均较N0显著提高；在开花期，N180与N120处理间的干物质积累量没有显著差异；在2017—2018年成熟期N180较N120处理提高889 kg/hm2，而在2016—2017年成熟期N120与N180处理间无显著差异。此外，在无覆盖下，除2016—2017季孕穗期外，在其余各生育时期N180与N120处理的群体干物质积累量均没有显著差异。这说明，覆盖是促进冬小麦干物质积累量增加的主要因素，覆盖下施氮对干物质积累有显著提升作用，但减氮处理对干物质积累的影响较小。

表4 秋闲期秸秆覆盖与施氮量对冬小麦干物质积累的影响 (kg/hm2)Table 4 Effects of straw mulching in autumn and N application rate on dry matter accumulation of winter wheat

2.5 干物质转运与贡献率

秸秆覆盖与施氮显著改善冬小麦花前干物质的转运及其对籽粒的贡献(表5)。与无覆盖相比，秸秆覆盖下小麦花前干物质转运量两年分别提高37.3%和42.0%。3种施氮水平对花前干物质转运量的影响在两个生长季有一定差异。在底墒充足的2016—2017年，秸秆覆盖下N120处理花前干物质转运量最大，而在2017—2018年，秸秆覆盖下3个施氮水平间花前干物质转运量无显著差异。在2016—2017年，与无覆盖相比，秸秆覆盖的花前干物质转运率和贡献率分别降低了8.7和19.3个百分点；而在2017—2018年，两种覆盖措施下的花前干物质转运率和贡献率无显著差异。秸秆覆盖下花后干物质积累量显著高于无覆盖处理，两年的平均值提高了114.5%。同时，在2016—2017年秸秆覆盖下花后干物质对籽粒的贡献率较无覆盖处理有显著提升，而在2017—2018年秸秆覆盖下花后干物质对籽粒贡献效率与无覆盖处理无显著差异；秸秆覆盖下花后干物质对籽粒贡献率的两年平均值较无覆盖增加9.9个百分点。在相同的覆盖措施下，施氮对花前干物质转运率和贡献率均有降低作用，而对花后干物质积累和对籽粒的贡献有提高作用。在2016—2017年，秸秆覆盖下N180处理的花后干物质积累量和花后干物质贡献率显著高于N120处理；在无覆盖下，两指标N120与N180处理间无显著差异；在2017—2018年，秸秆覆盖下N120处理花后干物质积累量及其贡献率与N180处理间无显著差异，而在无覆盖下，N180处理较N120处理显著提高花后干物质贡献率。

表5 秋闲期秸秆覆盖与施氮量对冬小麦花前干物质转运和贡献影响Table 5 Effects of strawmulching andN applicationrate on dry matter translocationand contribution rate to grain

2.6 产量及产量构成因素

覆盖、施氮以及二者的互作效应对冬小麦产量均有显著的影响(表6)。在2016—2017年，秸秆覆盖下有效穗数、穗粒数和产量分别较无覆盖处理提高了38.0%，54.5%和128.1%；在2017—2018年秸秆覆盖分别较无覆盖处理3个指标分别提高了26.6%、35.6%和66.5%。无论覆盖与否，N120和N180处理间有效穗数无显著差异。在2016—2017年，秸秆覆盖下千粒重与无覆盖间没有显著差异，而在2017—2018年，秸秆覆盖的千粒重显著低于无覆盖处理。在2016—2017年，秸秆覆盖下N120与N180处理间千粒重没有显著差异，但在无覆盖下N120处理千粒重显著高于N180处理；在2017—2018年，秸秆覆盖下N120处理千粒重显著高于N0与N180处理。施氮增加了冬小麦产量和穗粒数，但N120和N180处理间的产量和穗粒数差异不显著。各处理间的收获系数无显著差异，以底墒充裕的2016—2017年收获系数更高。这说明秸秆覆盖可有效增加小麦产量，在底墒充足但播种至孕穗阶段降水少的年份增产幅度更大；同时，秸秆覆盖后减氮对产量的降低作用不显著。

表6 不同处理下小麦产量与产量构成Table 6 Grain yield and yield components of winter wheat in different treatments

2.7 开花结实率与小穗数

与无覆盖相比，秸秆覆盖下冬小麦总小花数、可育小花数、可育小花结实率和总结实率的两年平均值分别提高了36.5%、37.0%、21.9%和21.9%(表7)。在秸秆覆盖下，各施氮处理间总小花数无显著差异，N120与N180处理间的可育小花数、可育小花结实率和总结实率没有显著差异。在无覆盖下，N120与N180处理间总小花数与可育小花数在两年均无显著差异；在2016—2017年N120处理可育小花结实率与总结实率显著高于N180处理，而在2017—2018年N120与N180处理间两指标无显著差异。在2017—2018生长季，秸秆覆盖下小麦小花退化率较无覆盖处理降低了9.6个百分点；施氮量对小花退化率无显著影响。以上结果说明，覆盖可促进小麦小花分化和结实，并降低小花的退化。

表7 秸秆覆盖与施氮量对冬小麦开花结实率与小穗数的影响Table 7 Effects of strawmulching andN applicationrate on flowering andseed-settingrate andspikelet of winter wheat

进一步分析表明，秸秆覆盖下小麦总小穗数和有效小穗数两年平均值较无覆盖分别提高了23.0%和27.9%。在秸秆覆盖下，N120与N180处理间有效小穗数无显著差异；而在无覆盖下，各施氮量对有效小穗数均无显著影响。在两个生长季下，秸秆覆盖与无覆盖处理间的无效小穗数均无显著差异；在秸秆覆盖下，N180与N120处理的无效小穗数均显著低于N0，且N120处理无效小穗数在2017—2018年显著低于N180处理，说明秸秆覆盖下施氮处理可有效降低无效小穗数，且减氮处理可进一步降低无效小穗数。

3 讨论

3.1 秸秆覆盖提高土壤底墒、促进干物质生产、积累与转运

水是农业生产的命脉，冬春季土壤水分缺乏严重限制四川旱地小麦前期生长和物质积累，导致小麦产量低而不稳。地表覆盖秸秆可有效减少土壤水分蒸发，提高降雨入渗，从而提高土壤水分含量和水分有效性，进而促进作物的生长发育和物质积累[19–22]。充足的底墒能够诱导植物根系下扎至土壤深层，使深层土壤水分得以被吸收利用，从而为丰产奠定基础[23]。Zhang等[24]研究表明，夏闲季秸秆覆盖播前0—100 cm土壤储水量较不覆盖处理提高54.3 mm。在本研究中，与不覆盖相比，秸秆覆盖显著提高小麦播前0—10 cm 土层储水量，同时对 10—20和 20—40 cm土壤储水量也有提升作用，最终提高0—100 cm土层储水量(图2)，这与秋闲季降雨前多后少密切相关。这印证了吴晓丽等[25]的结果：该区秋闲季秸秆覆盖可有效提高小麦播前底墒。本研究进一步明确秋闲季秸秆覆盖保墒效应主要在0—10 cm土层。由于秸秆覆盖后底墒充足，秸秆覆盖下小麦各生育时期的群体干物质积累量(表4)和花前各生育时期叶面积指数(表2)均显著高于不覆盖处理，这与吴金芝等[26]、常磊等[14]、李华等[12]的研究结果一致。叶绿素含量是反应光合性能的重要参数之一，本研究发现，覆盖下小麦花后10天、20天和30天的旗叶、倒2叶、倒3叶、倒4叶叶绿素含量大部分显著高于不覆盖处理，延衰效应显著，保证了花后较强的干物质生产能力，这与陈影慧等[27]、王贺正等[28]的研究结果一致。这主要是因为秸秆覆盖在高温时有降温作用，花后根层土壤温度降低，有利于降低高温对小麦的危害，延缓根系衰老；且随着花后降雨增多，气温升高，秸秆腐解后可增加耕层土壤养分，为作物后期物质积累提供有利条件[29]。综合作用的结果，秸秆覆盖后不仅大幅提升了花前、花后干物质积累量，也提升了花前干物质转运量，还通过延衰提升了花后干物质积累量及其对籽粒的贡献率，为产量提升奠定了坚实的基础。

3.2 秸秆覆盖可优化产量构成因素、实现小麦减氮增效

有效穗数不足、穗粒数低是四川旱地小麦产量提升的主要限制因子。秸秆覆盖还田配施氮肥通过改善土壤的水、肥、气、热状况，为作物生长提供了一个良好的生长环境，有利于作物生长发育，增产效果显著[30]。但在不同生态类型区秸秆覆盖还田增产效果及影响因素存在着差异，陈影慧等[27]在甘肃的研究表明，秸秆覆盖还田后小麦增产幅度为35.4%；刘高远等[31]在渭北旱地研究发现，秸秆覆盖还田下小麦增产13.7%。任爱霞等[17]在山西的研究发现，在干旱年份，夏闲期覆盖秸秆后小麦产量较不覆盖增产33.4%，但在覆盖下小麦产量未随着施氮量的增加而增加，且中氮(N 150 kg/hm2)下小麦产量显著高于高氮水平(N 225 kg/hm2)。也有研究认为秸秆覆盖下降温效应推迟了小麦春季返青拔节和灌浆的时间，使灌浆时间变短，导致向籽粒分配的光合产物减少，造成小麦减产[32–33]。本研究发现，秸秆覆盖下两年的小麦产量较不覆盖处理分别增产128.1%和66.5%，增产的结论与大多数前人研究结果一致，但是增产幅度明显高于前人研究结果，说明秸秆覆盖在本区域增产潜力较大。

也有研究认为，秸秆覆盖后，由于碳元素的输入，需要增施氮肥，平衡土壤C/N值，才能缓解土壤中微生物与作物争氮的现象，实现覆盖后不减产[34]。本研究结果表明，秸秆覆盖后配合施氮，在三叶期即表现出显著的增加LAI的效果，干物质积累量也随施氮量提高而增加，拔节期的干物质积累量也是如此，但2017—2018生长季减氮和常规施氮量下干物质积累量差异不显著。三叶期到拔节期，分蘖的发生与生长促进了群体干物质量的增长，推测秸秆覆盖促进了分蘖的发生进而促进了拔节期干物质的积累，后期有效穗增加也证明了这一点。但减氮与常规施氮量间干物质积累差异不显著，也再次说明干旱地区土壤墒情是限制小麦分蘖发生的重要因素，覆盖效应大于施氮量效应，故最终秸秆覆盖下有效穗数在减氮和常规施氮下没有显著差异。

王贺正等[28]、韩浏等[35]和闫秋艳等[36]发现秸秆覆盖下有效穗数的提高是小麦增产的主要原因；而黄明等[37]发现覆盖下穗数、穗粒数、千粒重和收获指数协同提高是小麦增产的原因。本研究中，秸秆覆盖除显著增加有效穗外，也显著提高小麦穗粒数，与王芳等[38]在甘肃的研究结果一致。本研究发现，覆盖处理下两个生长季的总小穗数、有效小穗数、总小花数和可育小花数的均值显著高于不覆盖处理，且覆盖下施氮显著提高2017—2018年小麦有效穗数，同时对总小花数、可育小花数、可育小花结实率和总结实率也有一定提升作用，但秸秆覆盖下减氮与常规施氮间的整体差异不显著(表7)，对穗粒数的效应仍然表现为秸秆覆盖＞施氮量。

综合分析秸秆覆盖配合减量施氮不减产的可能原因，如下：1)秸秆覆盖后由于底墒充足，建立了苗期的开端优势，促进了分蘖的发生，进一步促进了拔节期干物质生产能力提升，也为幼穗分化奠定了良好的物质基础，小花分化数多；2)孕穗期和开花期干物质积累减少了小花的退化，秸秆覆盖后延衰效应又为籽粒灌浆结实提供了充裕的同化物供应，形成了源大库足流畅的源库流关系，提高了结实率和穗粒数；3)课题组的研究表明，覆盖下充足的底墒改变了土壤微生物群落结构，固氮微生物的多样性和丰富度更高[39–40]，进而促进氮吸收，减少土壤氮残留，水氮高效利用，实现减氮不减产。

4 结论

秋闲期采用秸秆覆盖能够有效蓄积秋闲期降水，改善播前0—10 cm土壤底墒，促进冬小麦花前与花后干物质积累，提高花前干物质转运量和花后干物质积累对籽粒贡献率，延缓花后叶片衰老，改善开花结实特性，提高小麦产量。在秋闲期秸秆覆盖条件下，将氮肥用量由常规的180 kg/hm2减到120 kg/hm2不会显著降低小麦的生长和产量。因此，在冬春干旱的四川旱地冬小麦–夏玉米轮作区，建议推广玉米秸秆粉碎后覆盖与冬小麦氮肥减量到120 kg/hm2的技术组合措施。