绿洲灌区春小麦光能利用与水分生产效益对秸秆还田方式的响应

李 盼 陈桂平 苟志文 殷 文 樊志龙 胡发龙 范 虹 柴 强

绿洲灌区春小麦光能利用与水分生产效益对秸秆还田方式的响应

李 盼 陈桂平 苟志文 殷 文*樊志龙 胡发龙 范 虹 柴 强

省部共建干旱生境作物学国家重点实验室 / 甘肃农业大学农学院, 甘肃兰州 730070

针对干旱灌区作物生产中光资源浪费和水分生产效益低等问题, 研究不同秸秆还田方式对春小麦光能利用率、灌溉水生产力及经济效益的影响, 以期为该区筛选适宜春小麦生产的秸秆还田方式提供依据。2014—2016年, 在甘肃省武威绿洲农作基地以春小麦秸秆还田为研究对象, 传统翻耕无秸秆还田为对照, 设4个处理, 包括免耕25～30 cm高茬收割秸秆覆盖(NTSM)、免耕25～30 cm高茬收割秸秆立茬(NTSS)、传统翻耕25～30 cm高茬收割秸秆还田(CTS)、传统翻耕无秸秆还田(CT, 对照), 以期为该区筛选适宜春小麦生产的秸秆还田方式提供依据。结果表明, 秸秆还田(NTSM、NTSS、CTS)较CT提高平均叶面积指数(MLAI)达到14.6%～17.2%、10.4～11.9%、7.3%～9.4%, 提高总叶日积(LAI-D)达到14.6%～17.6%、9.2%～12.3%、8.3%～9.8%, NTSM较NTSS提高MLAI与LAI-D分别为6.6%～7.1%和5.9%～7.2%, NTSM处理利于扩大春小麦光合源。NTSM、NTSS较CT降低了春小麦孕穗期之前MLAI与LAI-D分别为6.1%～7.6%、4.6%～9.8%和6.0%––7.6%、8.1%～10.4%; 相反, NTSM、NTSS较CT提高了春小麦孕穗期之后MLAI分别为38.9%～45.1%、30.7%～32.6%, 春小麦灌浆期至成熟期LAI-D分别提高37.0%～47.5%、28.6%～33.9%, 且NTSM较NTSS提高MLAI与LAI-D分别为6.2%～9.4%和6.5%～10.1%, NTSM有效调节了春小麦生育期内光合源动态关系, 利于花后籽粒灌浆。NTSM、NTSS、CTS较CT春小麦分别增产18.6%～27.3%、16.6%～24.9%、10.2%～18.7%, 光能利用率分别提高7.8%～12.2%、6.5%～11.2%、6.2%～8.4%, 单方灌溉水利用效率分别提高18.6%～27.3%、16.6%～24.9%、10.2%～18.7%, 以NTSM增产与提高水热利用效率幅度较大, 具有高效利用土壤水热资源的优势。同时, NTSM、NTSS较CT总投入减少6.5%～7.3%, 总产值提高11.4%～19.3%和8.6%～17.2%, 纯收益提高32.2%～41.5%和27.8%～37.6%, NTSM因较少的资源投入和较高的经济效益而获得较高的产投比和单方灌溉水效益, NTSM较CTS与CT产投比提高14.2%～16.9%与19.1%～28.8%, 单方灌溉水效益提高16.5%～23.1%与32.2%～41.5%。因此, 免耕25～30 cm高茬收割秸秆覆盖是河西绿洲灌区提高春小麦光能利用和灌溉水生产效益的理想秸秆还田方式。

秸秆还田; 免耕; 光能利用; 经济效益; 灌溉水生产效益

光能利用是进行光合作用的主要动力, 是实现作物增产增效的重要前提[1]; 土壤水分是保障作物生长发育和产量形成的必要条件[2], 但实际生产中作物光能利用率和水分生产效益一般都很低[3]。近年来, 秸秆还田成为作物生产中改善耕地质量, 提高作物生产力, 高效利用土壤水热资源的重要措施[4-5]。因此, 在干旱灌区通过优化秸秆还田方式来提高光能利用和灌溉水利用效率, 对于开展高产高效的作物生产具有重要的现实意义。秸秆富含作物所需的各种营养元素, 且秸秆还田通常被认为能够提高土壤有机质, 改善土壤环境的增产措施[6], 并随着还田年份的延长而其效应明显增强[7]。已有研究表明, 作物生育前期, 秸秆还田能保持土壤温度, 促进作物地下部生长, 为作物产量形成奠定了基础[8]; 而作物生育后期, 秸秆还田又能降低土壤温度, 延长作物持绿时间, 促进花后产量的形成, 从而提高作物产量和光能利用率[9]。与此同时, 秸秆还田可降低土壤容重, 增加降水入渗, 对农田保水控水起到促进作用, 有利于提高土壤含水量和减少田间耗水量[10-11]; 而秸秆还田还能减少土壤无效蒸发、提高土壤储水能力[12], 有利于提高作物水分利用效率[13]。然而, 目前我国秸秆利用率不高, 焚烧丢弃现象仍普遍存在, 所配套的农艺措施比较单一或不够完善[11,14]。因此, 优化秸秆还田方式对于调控作物生长发育动态, 提高作物产量并增加土壤水热利用效率十分有必要。事实上, 秸秆还田过程往往伴随着相应的耕作措施[15], 尤其少免耕措施应用到秸秆还田方式中, 能够有效改善土壤蓄水供肥能力、促进水分高效利用和减少生产成本, 进而提高作物产量和农民收益[16]。因此, 秸秆还田配套适宜的耕作措施如何影响作物生长发育及产量形成, 进而影响土壤水热利用效率以及获得较高的经济效益值得深入研究。在河西绿洲灌区, 人们对作物光能利用和灌溉水利用效率以及经济效益的影响研究主要集中于种植模式、栽培方式等单一的农艺措施方面, 而秸秆还田结合少免耕等保护性耕作对作物光合源变化、产量及土壤水热利用效率、经济效益的影响研究相对较少。本研究通过田间定位试验, 以传统翻耕无秸秆还田为对照, 重点探究不同秸秆还田方式对春小麦的光能利用率和灌溉水生产力及经济效益的影响, 以期通过优化秸秆还田方式为河西绿洲灌区春小麦高产高效栽培提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2014—2016年度在甘肃农业大学武威绿洲农业试验与教学基地(37°30′N, 103°5′E)进行田间定位试验。研究区隶属于甘肃河西走廊东端, 年均≥10℃的积温约2985℃; 日照时数平均达到2950 h, 年太阳辐射量平均达到6000 MJ m–2, 适宜种植春小麦。研究区域多年平均降水约160 mm, 潜在蒸发多于2000 mm。3年试验年度, 春小麦生育期内降水达100.9、108.7和106.9 mm。该地区冬春季节农田裸露休闲, 土壤以传统翻耕为主, 农田生态问题日益加剧。

1.2 试验设计

本试验采用随机区组设计, 4种小麦秸秆处理方式形成4个处理: 免耕25～30 cm高茬收割秸秆覆盖(NTSM)、免耕25～30 cm高茬收割秸秆立茬(NTSS)、传统翻耕25～30 cm高茬收割秸秆还田(CTS)、传统翻耕无秸秆还田(CT), 3次重复, 12个小区。

供试春小麦品种为“宁春2号”, 施用肥料为尿素和磷酸二铵。2014—2016年小麦均于3月下旬播种, 于7月下旬收获, 小麦播种量均为675万粒hm–2。按照当地的施肥习惯, 氮肥和磷肥均作基肥, 氮肥施用量为225 kg hm–2, 磷肥施用量为P2O5150 kg hm–2。另外, 采用统一的灌溉水平, 前一年度入冬前冬储灌120 mm, 春小麦生育期内, 拔节期、孕穗期、灌浆期分别灌水75、90和75 mm。

1.3 测定项目与计算方法

1.3.1 叶面积指数(LAI) 每隔15 d采用长宽法测定叶面积一次, 计算公式如下:

式中, 0.83为校正系数,为小麦的种植密度,和分别为叶片的长和宽,为采集的叶片数量。

1.3.2 平均叶面积指数(MLAI) 根据张宾等[17]方法运用叶面积指数和取样次数计算平均叶面积指数, 计算公式如下:

式中, LAI为第次取样时的平均叶面积指数,为总的取样次数

1.3.3 叶日积(LAI-D) 运用小麦各生育阶段叶面积指数和持续天数计算叶日积, 计算公式如下:

式中, LAI为第个春小麦生育阶段的MLAI,D为第个春小麦生育阶段经历的天数。

1.3.4 光能利用率(LUE) 光能利用率反映了作物光能利用程度和产量, 根据太阳总辐射量计算, 公式如下:

式中, H为作物产出能量, 春小麦籽粒与秸秆分别为16.3×106与14.6×106J kg–1 [16];为春小麦籽粒和秸秆产量(kg hm–2); ∑为小麦生育期的太阳总辐射量(MJ m–2), 由当地气象资料查知。

1.3.5 籽粒产量 作物成熟后按小区分别脱粒并记录产量。

1.3.6 经济效益 根据试验过程中, 不同秸秆还田方式下的劳动力与机械和农资投入, 春小麦成熟后测定籽粒与秸秆产量, 计算分析不同秸秆还田方式下的生产投入、产值、纯收益和产投比。各项费用、农产品价格等都依据当时市场价格计算。计算公式如下:

纯收益=总产值–总投入

产投比=总产值/总投入

单方灌溉水利用效率=籽粒产量/灌溉水量

单方灌溉水效益=纯收益/灌溉水量

1.4 数据统计

数据采用Microsoft Excel 2019和Origin 2021统计并作图, 运用SPSS 26.0在0.05水平上进行显著性检验(Duncan’s法)及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田方式下春小麦全生育期叶面积指数动态

秸秆还田显著提高春小麦全生育期平均叶面积指数(MLAI), NTSM、NTSS、CTS较对照传统翻耕无秸秆还田(CT)分别提高14.6%～17.2%、10.4～11.9%、7.3%～9.4%, 免耕秸秆覆盖(NTSM)较翻耕秸秆还田(CTS)提高6.6%～7.1% (图1)。春小麦叶面积指数(LAI)在3个试验年度均呈现先增大后减小的趋势, 在孕穗期(6月10日) LAI达到峰值。同时, 孕穗期之前, 免耕秸秆还田(NTSM、NTSS)较CT春小麦LAI分别降低6.1%～7.6%、4.6%～9.8%; 孕穗期之后, NTSM、NTSS、CTS较CT春小麦LAI分别提高38.9%～45.1%、30.7%～32.6%、16.4%～17.5%,且NTSM较NTSS和CTS分别提高6.2%～9.4%和19.3%～24.5%。说明免耕秸秆覆盖能有效地调控春小麦生育期前后绿色叶面积的动态变化, 保证生育后期具有较高的叶面积指数, 促进花后籽粒灌浆, 利于春小麦增产, 免耕秸秆还田下光能高效利用主原因是花后延长光合时间, 灌浆过程中仍保持较大叶面积指数, 尤其免耕秸秆覆盖效应突出。

图1 春小麦全生育期平均叶面积指数及其叶面积指数动态对秸秆还田方式的响应

NTSM: 免耕25～30 cm高茬收割秸秆覆盖; NTSS: 免耕25～30 cm高茬收割秸秆立茬; CTS: 传统翻耕25～30 cm高茬收割秸秆还田; CT: 传统翻耕无秸秆还田。相同年份不同小写字母表示处理间差异在 0.05概率水平差异显著。

NTSM: no tillage with 25–30 cm long straw mulching; NTSS: no tillage with 25–30 cm high straw standing; CTS: conventional tillage with 25–30 cm long straw incorporation; CT: conventional tillage with no straw retention. Different lowercase letters in the same year mean significant difference at the 0.05 probability level among treatments.

2.2 春小麦叶日积对不同秸秆还田方式的响应

分析3个研究年份春小麦各生育阶段叶日积(LAI‑D)对秸秆还田方式的响应发现, 孕穗期(6月10日)之前, NTSM、NTSS处理均小于CT处理, 降低幅度分别达到6.0%～7.6%、8.1%～10.4% (表1)。抽穗～灌浆期(6月10日至6月26日), 春小麦LAI‑D达到最大值, NTSM、NTSS、CTS较对照CT分别提高19.2%～21.1%、14.5%～16.1%、9.3%～9.9%。灌浆期(6月26日)之后, NTSM、NTSS、CTS处理春小麦LAI‑D均大于CT处理, 提高幅度分别达到37.0%～ 47.5%、28.6%～33.9%、15.5%～17.4%; 且NTSM较NTSS和CTS分别提高6.5%～10.1%和18.6%～25.6%。因此, 免耕秸秆覆盖能有效地调控春小麦生育期前后叶日积的动态变化, 使春小麦保持灌浆后期较大叶日积, 形成了春小麦高产及光能高效利用的基础。

纵观春小麦整个生育期总LAI-D发现, 2014— 2016年, NTSM、NTSS、CTS较CT提高总LAI-D分别达到14.6%～17.6%、9.2%～12.3%、8.3%～9.8%, NTSM、NTSS较CTS提高总LAI-D分别达到5.9%～7.2%、0.9%～2.3%, 且NTSM较NTSS总LAI-D提高4.7%～4.9%。说明免耕秸秆覆盖形成较大的光合源, 利于提高光合特性而促进小麦增产。

表1 不同秸秆还田方式下春小麦各生育阶段的叶日积差异

处理同图1。数据后不同小写字母表示同一研究年度不同秸秆还田处理在0.05概率水平差异显著。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Different lowercase letters follow the data represent significant difference among different straw retention treatments in the same research year at the 0.05 probability level.

2.3 不同秸秆还田方式对小麦产量及经济效益的影响

2.3.1 产量表现 3个试验年度, 秸秆还田对春小麦均具有显著的增产效应。NTSM、NTSS、CTS较CT籽粒产量分别提高18.6%～27.3%、16.6%～ 24.9%、10.2%～18.7% (表2), 以免耕秸秆还田(NTSM、NTSS)增产幅度大, 籽粒产量分别达到7203～8035 kg hm–2与7079～7886 kg hm–2, 较CTS分别增产7.2%～9.5%、5.3%～5.9%。免耕秸秆还田中, 以NTSM在3个试验年份均达最高产量, 说明免耕25～30 cm髙茬收割秸秆覆盖是提高干旱内陆绿洲灌区春小麦籽粒产量的有效措施。

2.3.2 经济效益 2014—2016年, 不同秸秆还田方式下农田总投入达到7268～8867元 hm–2, 其中劳动力与机械投入达到2025～3650元 hm–2(表2)。NTSM、NTSS较CT农田总投入降低6.5%～7.3%, 且总投入降低主要源于NTSM、NTSS较CT降低劳动力与机械投入达15.8%～22.1%。由此说明, 传统的铧式犁深翻耕对农田投入需求大及需要较高的劳动力与机械投入, 通过免耕秸秆还田措施可降低农田投入。

3个试验年度, 不同秸秆还田方式对于提高春小麦产值和纯收益具有显著的作用。NTSM、NTSS、CTS较CT产值和纯收益分别增加11.4%～19.3%、8.6%～17.2%、4.3%～11.7%和32.2%～41.5%、27.8%～37.6%、9.3%～21.4%; NTSM、NTSS较CTS分别增加产值6.8%～8.7%、5.0%～5.1%, 分别增加纯收益16.5%～23.1%、13.4%～17.4%, 以NTSM增加比例较大。同样, NTSM、NTSS、CTS处理的产投比较CT分别提高19.1%～28.8%、17.2%～26.5%、4.3%～11.7%; NTSM、NTSS较CTS分别提高14.2%～16.9%、12.4%～13.3%。总体来说, 免耕秸秆还田主要是通过提高总产值和降低劳动力与机械(犁地与整地)投入等来提高纯收益, 进而增加作物生产效益, 其中NTSM经济效益最为突出。

2.4 不同秸秆还田方式对春小麦光能利用率的影响

3个试验年度, 秸秆还田处理春小麦光能利用率(LUE)均显著高于传统翻耕无秸秆还田(图2)。NTSM、NTSS、CTS春小麦LUE较CT分别提高7.8%～12.2%、6.5%～11.2%、6.2%～8.4%。同时, 2016年度春小麦LUE较2014和2015年度提高比例大, 其中NTSM、NTSS、CTS分别提高16.8%～20.5%、19.2%～20.3%、16.6%～18.2%。秸秆还田处理中, 以NTSM处理春小麦LUE均达到最大值, 说明免耕秸秆覆盖增强了春小麦对光资源的高效利用。

2.5 不同秸秆还田方式下春小麦单位灌水利用效率及单方灌溉水效益差异

2.5.1 单方灌溉水利用效率 秸秆还田具有提高春小麦农田灌溉水利用效率的作用, 以免耕结合25～30 cm髙茬收割秸秆覆盖效果尤为突出(图3)。3个试验年度, NTSM、NTSS、CTS较CT春小麦单方灌水利用效率分别提高18.6%～27.3%、16.6%～ 24.9%、10.2%～18.7%, NTSM、NTSS较CTS分别提高7.2%～9.5%、5.3%～5.9%; NTSM与NTSS处理春小麦单方灌水利用效率差异不显著, 但NTSM在3个试验年度均保持最高值。由此说明, 免耕秸秆覆盖通过提高绿洲灌区春小麦籽粒产量而增强对灌溉水的高效利用。

表2 不同秸秆还田方式下春小麦产量及与经济效益

处理同图1。数据后不同小写字母表示同一研究年度不同秸秆还田处理在0.05概率水平差异显著。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Different lowercase letters after the data represent significant difference among different straw retention treatments in the same research year at the 0.05 probability level.

图2 不同秸秆还田方式下春小麦的光能利用率

处理同图1。相同年份不同小写字母表示处理间差异在0.05概率水平差异显著。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Different lowercase letters in the same year mean significant difference at the 0.05 pro­bability level among treatments.

2.5.2 单方灌溉水效益 秸秆还田均具有提高干旱绿洲灌区春小麦单方灌溉水效益的作用, 且免耕秸秆覆盖提高优势较强(图3)。3个试验年度, NTSM、NTSS、CTS较CT单方灌溉水效益分别提高32.2%～ 41.5%、28.0%～37.6%、9.3%～21.4%, NTSM、NTSS较CTS分别提高16.5%～23.1%、13.4%～16.1%。因此, 25～30cm高茬收割秸秆覆盖应用于免耕农田通过增加试区春小麦纯收益而提高单方灌溉水效益。

图3 不同秸秆还田方式下春小麦的单方灌溉水利用效率和效益

处理同图1。相同年份不同小写字母表示处理间差异在0.05概率水平差异显著。

Treatments are the same as those given in Fig. 1. Different lowercase letters in the same year mean significant differentce atthe 0.05 pro­bability level among treatments.

2.6 春小麦总叶日积与籽粒产量及光能利用率的相关性

分析3个试验年度, 在春小麦整个生育期内, 群体总叶日积与籽粒产量之间存在显著的二次相关关系 (图4)。当春小麦总叶日积在0～352、0～315和0～347范围内时随总叶日积的增大籽粒产量呈持续增加趋势, 总叶日积为352、315和347时籽粒产量最大, 超过352、315和347时籽粒产量随总叶日积的增大反而下降。同时, 春小麦总叶日积与光能利用率之间存在显著的正相关关系, 随着春小麦光合源不断扩大光能利用率也逐渐提高。说明适当地增加春小麦冠层利于光合作用的提升可以维持高产;而冠层太大, 出现遮阴现象必然会弱化下部叶片光合作用, 从而可能降低春小麦产量。由此证实, 免耕秸秆覆盖降低孕穗期前叶日积, 保持灌浆期至成熟期较大的叶日积, 适度扩大春小麦光合源, 改善光合性能, 进而提高籽粒产量与光能利用率。

3 讨论

3.1 春小麦光合源变化对秸秆还田方式的响应

叶片是春小麦光合源的最主要构成部分[18], 而增加绿叶面积和延长持绿时间, 对光能的利用、土壤水分和养分的吸收以及产量的形成起着关键作用[19]。叶面积指数和叶日积反映了作物群体绿叶面积的大小和叶面积持续时间, 与产量密切相关[20]。研究发现, 长期的秸秆还田有助于提高作物叶面积指数和叶日积, 增加生育后期光合面积, 主要原因: 一方面是秸秆还田具有激活土壤酶活性、增加土壤微生物数量、缩小土壤昼夜温差, 降低土壤温度等效应[21-22], 能够改善农田土壤环境和延长作物光合时间; 另一方面秸秆还田明显促进地下根系生长、延缓叶片衰老, 延长籽粒灌浆期、增加花后光合面积, 进而达到增产[18], 这与本试验的研究结果一致。另外, 本研究发现, 免耕秸秆还田降低了孕穗期(6月10日)之前叶面积指数和叶日积; 而维持了孕穗期之后较大叶面积指数与灌浆期(6月26日)之后较大叶日积, 其中免耕秸秆覆盖(NTSM)调节作用尤为突出。这一结果的可能原因是秸秆覆盖配套免耕措施降低了生育前期土壤温度[23], 推迟了春小麦的出苗日期[20], 造成较低的光合面积, 从而减小了孕穗期之前叶面积指数和叶日积; 随着土壤耕层温度不断上升, 春小麦生长发育加快, 以及生育前期土壤养分和水分消耗较少[2], 满足了春小麦生育后期的生长发育需求, 延缓了根系和叶片衰老[24], 保持了较大的绿色叶面积[22], 延长了绿叶持续时间, 进而保持生育后期较大的叶面积指数和叶日积。说明免耕秸秆覆盖有助于调节春小麦生育期内光合源变化, 维持生育后期较大光合面积, 延长持绿时间, 进而增加干物质生产和积累。

图4 春小麦叶日积与其籽粒产量、光能利用率的关系

3.2 秸秆还田方式对春小麦产量及水热利用效率的影响

近年来, 随着秸秆还田技术不断地推广应用, 秸秆还田对作物产量及产量形成的研究越来越受到重视[16-25]。合理的耕层结构对作物生长发育有利, 而秸秆还田结合适宜的耕作措施可以保障作物获得高产高效[26]。研究发现, 秸秆覆盖条件下, 少免耕等保护性耕作能改善土壤生态环境, 提高作物水分利用, 促进干物质积累而呈现增产的潜势[26-27]。另外, 稻秸还田能使小麦出苗率下降, 抑制分蘖的发生, 造成出苗质量不高, 进而影响产量及其形成[28]。说明秸秆还田对作物产量及其形成会受到秸秆还田方式和环境等因素的影响。本研究表明, NTSM较翻耕秸秆还田(CTS)和传统翻耕无秸秆还田(CT)具有明显的增产优势, 这可能由于NTSM更有利于提高土壤肥力, 促进春小麦水分和养分的吸收, 最终集约水热资源实现高产稳产[29]。此外, 秸秆还田条件下, 2016年春小麦平均籽粒产量较2014年和2015年分别高6.7%～11.6%。说明免耕、秸秆还田等保护性耕作技术而言, 在作物生产中应用的时间越长可能发挥的效应越大, 因此, 随着秸秆还田时间的延长, 效应更为明显。

前人研究表明, 在翻耕、旋耕以及免耕等条件下秸秆还田小麦能高效利用水热资源[16]。本研究也发现, 秸秆还田处理的光能利用率和单方灌溉水利用效率显著高于无秸秆还田处理, 其中NTSM效果尤为突出。这可能是由于秸秆还田有助于扩大作物的光合源[18], 延长作物光合时间, 促进作物光合速率和光合关键酶的活性[18-20], 进而作物提高光能利用率; 同样, 秸秆还田还可以增强土壤保水能力, 降低土壤水分蒸发, 以满足作物水分需求, 而提高籽粒产量, 进而提高单方灌溉水利用效率[16]。另有研究表明, 不同生育时期, 小麦叶面积指数、叶日积与产量之间存在显著的正相关关系, 且这种相关关系随生育进程的推进而愈加密切[30]。本试验研究发现, 2014—2016年度, 春小麦全生育期总叶日积与籽粒产量之间存在显著的二次相关关系, 春小麦总叶日积与光能利用率之间存在显著的正相关关系。说明通过优化秸秆还田方式, 如秸秆覆盖配套少免耕措施可增大作物光合源, 延长有效光合时间, 提高作物产量, 进而促进光能高效利用。然而, 并非冠层越大越有利于作物生产, 冠层太大往往会减弱下部叶片光合生产, 减少干物质积累与转移, 致使作物产量降低[5,19]。因此, 秸秆还田配套适宜的耕作措施, 如免耕秸秆覆盖等有利于保持适宜的冠层结构, 从而增强春小麦光合能力, 提高籽粒产量, 最终实现水热资源高效利用。

3.3 秸秆还田方式下生产春小麦的经济效益分析

在农业生产中, 作物产量和市场价格是决定农户纯收益的关键因素[31], 同时, 农户纯收益极大的受到了生产投入的影响, 而生产投入的多少主要取决于机械与劳动力和生产资料[3]。本研究发现, 免耕在春小麦生产实践中可降低一定的生产成本, 实现节本增效, 从而增加农民的纯收益。与CTS相比, 免耕秸秆还田(NTSM、NTSS)降低生产成本6.5%～7.3%,提高产值5.0%～8.7% (高956～1562 元 hm–2), 增加纯收益13.4%～23.1% (增加1531～2162 元 hm–2), 从而使得产投比提高12.4%～16.9%。说明农田免耕措施能够降低减少机械工作量和人工劳动投入而节约生产成本。同时, 免耕措施又可改善土壤性状, 减轻风蚀水蚀[32]、促进作物生长发育, 提高作物产量, 进而增加纯收益, 对可持续化农业生产意义重大。另外, 在本研究中, 免耕秸秆覆盖(NTSM)较免耕秸秆立茬(NTSS)产值提高了297～654 元 hm–2, 纯收益增加了360～654 元 hm–2, 从而获得较高的产投比和单方灌溉水效益。说明免耕秸秆覆盖通过减少劳动力与机械投入, 通过增加作物产量和经济效益而提高产投比和单方灌溉水效益, 免耕秸秆覆盖是绿洲灌区春小麦可持续生产的重要耕作与秸秆还田措施, 是区域农业绿色发展的可攻方向之一。

4 结论

免耕秸秆覆盖有效地调控了春小麦全生育期内光合源动态, 降低了孕穗期前的叶面积指数与叶日积, 保持孕穗期后较大叶面积指数与灌浆期至成熟期较大叶日积, 有效延长绿叶功能期, 为春小麦干物质积累和籽粒形成提供更多能量而获得较高籽粒产量, 从而提高光能利用率和单方灌溉水利用效率。免耕秸秆覆盖能够降低生产投入, 获得较高的产值和纯收益, 进而提高产投比和单方灌溉水效益, 利于农户增收。因此, 免耕25～30 cm高茬收割秸秆覆盖可代替传统的铧犁式翻耕和裸露休闲, 是实现河西绿洲灌区资源减投、高产高效的春小麦生产适宜秸秆还田方式。

[1] 王月超, 李传兴, 代兴龙, 周晓燕, 张宇, 李华英, 贺明荣. 栽培模式对冬小麦光能利用和产量的影响. 应用生态学报, 2015, 26: 2707–2713.

Wang Y C, Li C X, Dai X L, Zhou X Y, Zhang Y, Li H Y, He M R. Effects of cultivation patterns on the radiation use and grain yield of winter wheat., 2015, 26: 2707–2713 (in Chinese with English abstract).

[2] 董宝娣, 刘会灵, 王亚凯, 乔匀周, 张明明, 杨红, 靳乐乐, 刘孟雨. 作物高效用水生理生态调控机制研究. 中国生态农业学报, 2018, 26: 1465–1475.

Dong B D, Liu H L, Wang Y K, Qiao Y Z, Zhang M M, Yang H, Jin L L, Liu M Y. Physio-ecological regulating mechanisms for highly efficient water use of crops., 2018, 26: 1465–1475 (in Chinese with English abstract).

[3] 郭瑶, 陈桂平, 殷文, 冯福学, 赵财, 于爱忠, 柴强. 内陆灌区小麦秸秆还田对玉米光能利用及水分生产效益的影响. 中国生态农业学报, 2018, 26: 847–855.

Guo Y, Chen G P, Yin W, Feng F X, Zhao C, Yu A Z, Chai Q. Effect of wheat straw retention on light energy utilization and water production benefits of maize in inland irrigated region.‑, 2018, 26: 847–855 (in Chinese with English abstract).

[4] Gomez-munoz B, Jensen L S, Munkholm L, Olesen J E, Hasen E M, Bruun S. Long-term effect of tillage and straw retention in conservation agriculture systems on soil carbon storage., 2021, 85: 1465–1478.

[5] 殷文, 柴强, 于爱忠, 赵财, 樊志龙, 胡发龙, 范虹, 郭瑶. 间作小麦秸秆还田对地膜覆盖玉米灌浆期冠层温度及光合生理特性的影响. 中国农业科学, 2020, 53: 4764–4776.

Yin W, Chai Q, Yu A Z , Zhao C, Fan Z L, Hu F L, Fan H, Guo Y. Effects of intercropped wheat straw retention on canopy temperature and photosynthetic physiological characteristics of intercropped maize mulched with plastic during grain filling stage., 2020, 53: 4764–4776 (in Chinese with English abstract).

[6] 隋鑫, 霍海南, 鲍雪莲, 何红波, 张旭东, 梁超, 解宏图. 覆盖作物的种植现状及其对下茬作物生长和土壤环境影响的研究进展. 应用生态学报, 2021, 32: 2666–2674.

Sui X, Huo H N, Bao X L, He H B, Zhang X D, Liang C, Xie H T. Research advances on cover crop plantation and its effects on subsequent crop and soil environment., 2021, 32: 2666–2674 (in Chinese with English abstract).

[7] 潘剑玲, 代万安, 尚占环, 郭瑞英. 秸秆还田对土壤有机质和氮素有效性影响及机制研究进展. 中国生态农业学报, 2013, 21: 526–535.

Pan J L, Dai W A, Shang Z H, Guo R Y. Review of research progress on the influence and mechanism of field straw residue incorporation on soil organic matter and nitrogen availability.‑, 2013, 21: 526–535 (in Chinese with English abstract).

[8] 王维钰, 乔博, Akhtar K, 袁率, 任广鑫, 冯永忠. 免耕条件下秸秆还田对冬小麦-夏玉米轮作系统土壤呼吸及土壤水热状况的影响. 中国农业科学, 2016, 49: 2136–2152.

Wang W Y, Qiao B, Akhtar K, Yuan S, Ren G X, Feng Y Z. Effects of straw returning to field on soil respiration and soil water heat in winter wheat–summer maize rotation system under no tillage., 2016, 49: 2136–2152 (in Chinese with English abstract).

[9] Yin W, Chai Q, Guo Y, Fan Z L, Hu F L, Fan H, Zhao C, Yu A Z, Coulter J A. Straw and plastic management regulate air‑soil temperature amplitude and wetting-drying alternation in soil to promote intercrop productivity in arid regions., 2020, 249: 107758.

[10] Xing X G, Ma X Y. Analysis of cracking potential and modification of soil-water characteristic curve by adding wheat residues., 2019, 83: 1299–1308.

[11] Huang T T, Yang N, Lu C, Qin X L,Siddique K H M. Soil organic carbon, total nitrogen, available nutrients, and yield under different straw returning methods., 2021, 214: 105171.

[12] 郑凤君, 王雪, 李生平, 刘晓彤, 刘志平, 卢晋晶, 武雪萍, 席吉龙, 张建诚, 李永山. 免耕覆盖下土壤水分、团聚体稳定性及其有机碳分布对小麦产量的协同效应. 中国农业科学, 2021, 54: 596–607.

Zheng F J, Wang X, Li S P, Liu X T, Liu Z P, Lu J J, Wu X P, Xi J L, Zhang J C, Li Y S. Synergistic effects of soil moisture, aggregate stability and organic carbon distribution on wheat yield under no-tillage practice., 2021, 54: 596–607 (in Chinese with English abstract).

[13] Liu P, He J, Li H W, Wang Q J, Lu C Y, Zheng K, Liu W Z, Zhao H B, Lou S Y. Effect of straw retention on crop yield, soil properties, water use efficiency and greenhouse gas emission in China: a meta-analysis., 2019, 13: 347–367.

[14] 吴科生, 车宗贤, 包兴国, 张久东, 卢秉林, 杨新强, 杨蕊菊. 河西绿洲灌区灌漠土长期秸秆还田土壤肥力和作物产量特征分析. 草业学报, 2021, 30(12): 59–70.

Wu K S, Che Z X, Bao X G, Zhang J D, Lu B L, Yang X Q, Yang R J. Analysis of soil fertility and crop yield characteristics following long-term straw return to the field in a Hexi Oasis irrigated area., 2021, 30(12): 59–70 (in Chinese with English abstract).

[15] 姜英, 王峥宇, 廉宏利, 王美佳, 苏业涵, 田平, 隋鹏祥, 马梓淇, 王英俨, 孟广鑫, 孙悦, 李从锋, 齐华. 耕作和秸秆还田方式对东北春玉米吐丝期根系特征及产量的影响. 中国农业科学, 2020, 53: 3071–3082.

Jiang Y, Wang Z Y, Lian H L, Wang M J, Su Y H, Tian P, Sui P X, Ma Z Q, Wang Y Y, Meng G X, Sun Y, Li C F, Qi H. Effects of tillage and straw incorporation method on root trait at silking stage and grain yield of spring maize in northeast China., 2020, 53: 3071–3082 (in Chinese with English abstract).

[16] 殷文, 柴强, 樊志龙, 胡发龙, 赵财, 于爱忠. 绿洲灌区典型种植模式的水热利用与碳排放和能值分析. 应用生态学报, 2018, 29: 3658–3668.

Yin W, Chai Q, Fan Z, Hu F L, Zhao C, Yu A Z. Energy analysis, water-heat utilization, and carbon emission of typical cropping patterns in the oasis irrigation area., 2018, 29: 3658–3668 (in Chinese with English abstract).

[17] 张宾, 赵明, 董志强, 李建国, 陈传永, 孙锐. 作物高产群体LAI动态模拟模型的建立与检验. 作物学报, 2007, 33: 612–619.

Zhang B, Zhao M, Dong Z Q, Li J G, Chen C Y, Sun R. Establishment and test of LAI dynamic simulation model for high yield population., 2007, 33: 612–619 (in Chinese with English abstract).

[18] 王嘉男, 李玲玲, 谢军红, 王林林, 郭喜军, 康彩睿, 刘畅, Effah Z, 王进斌. 半干旱区保护性耕作对旱作春小麦光合特性和产量形成的影响. 麦类作物学报, 2020, 40: 1493–1500.

Wang J N, Li L L, Xie J H, Wang L L, Guo X J, Kang C R, Liu C, Effah Z, Wang J B. Effects of conservation tillage on photosynthesis and yield formation of rain-fed spring wheat in semi-arid areas., 2020, 40: 1493–1500 (in Chinese with English abstract).

[19] 李义博, 陶福禄. 提高小麦光能利用效率机理的研究进展. 中国农业气象, 2022, 43: 93–111.

Li Y B, Tao F L. Research progress on the mechanism of high light use efficiency in wheat., 2022, 43: 93–111 (in Chinese with English abstract).

[20] 张珂珂, 周苏玫, 张嫚, 石珊珊, 尹钧. 减氮补水对小麦高产群体光合性能及产量的影响. 应用生态学报, 2016, 27: 863–872.

Zhang K K, Zhou S M, Zhang M, Shi S S, Yin J. Effects of reduced nitrogen application and supplemental irrigation on photosynthetic characteristics and grain yield in high-yield populations of winter wheat., 2016, 27: 863–872 (in Chinese with English abstract).

[21] 李静静, 李从锋, 李连禄, 丁在松, 赵明. 苗带深松条件下秸秆覆盖对春玉米土壤水温及产量的影响. 作物学报, 2014, 40: 1787–1796.

Li J J, Li C F, Li L L, Ding Z S, Zhao M. Effect of straw mulching on soil temperature, soil moisture and spring maize yield under seedling strip subsoiling., 2014, 40: 1787–1796 (in Chinese with English abstract).

[22] 张向前, 张贺飞, 钱益亮. 不同秸秆覆盖模式下小麦植株性状、光合及产量的差异. 麦类作物学报, 2016, 36: 120–127.

Zhang X Q, Zhang H F, Qian Y L. Differences in plant traits, photosynthesis and yield of wheat under different straw mulching modes., 2016, 36: 120–127 (in Chinese with English abstract).

[23] Siczek A, Horn R, Lipiec J, Usowize B, Lukowski M. Effects of soil deformation and surface mulching on soil physical properties and soybean response related to weather conditions., 2015, 153: 175–184.

[24] 郭瑶, 陈桂平, 殷文, 赵财, 于爱忠, 樊志龙, 胡发龙, 范虹, 柴强. 地膜玉米免耕轮作小麦的减水减氮效应. 中国生态农业学报, 2021, 29: 389–399.

Guo Y, Chen G P, Yin W, Zhao C, Yu A Z, Fan Z L, Hu F L, Fan H, Chai Q. Effects of reducing water and nitrogen supplies in rotated wheat with previous plastic mulched maize., 2021, 29: 389–399 (in Chinese with English abstract).

[25] 赵亚丽, 郭海斌, 薛志伟, 穆心愿, 李潮海. 耕作方式与秸秆还田对冬小麦–夏玉米轮作系统中干物质生产和水分利用效率的影响. 作物学报, 2014, 40: 1797–1807.

Zhao Y L, Guo H B, Xue Z W, Mu X Y, Li C H. Effects of tillage and straw returning on biomass and water use efficiency in a winter wheat and summer maize rotation system., 2014, 40: 1797–1807 (in Chinese with English abstract).

[26] 韩上, 武际, 李敏, 陈峰, 王允青, 程文龙, 唐杉, 王慧, 郭熙盛, 卢昌艾. 深耕结合秸秆还田提高作物产量并改善耕层薄化土壤理化性质. 植物营养与肥料学报, 2020, 26: 276–284.

Han S, Wu J, Li M, Chen F, Wang Y Q, Cheng W L, Tang S, Wang H, Guo X S, Lu C A. Deep tillage with straw returning increase crop yield and improve soil physicochemical properties under topsoil thinning treatment., 2020, 26: 276–284 (in Chinese with English abstract).

[27] 张仁陟, 黄高宝, 蔡立群, 罗珠珠, 李玲玲, 谢军红. 几种保护性耕作措施在黄土高原旱作农田的实践. 中国生态农业学报, 2013, 21: 61–69.

Zhang R Z, Huang G B, Cai L Q, Luo Z Z, Li L L, Xie J H. Dry farmland practice involving multi-conservation tillage measures in the Loess Plateau., 2013, 21: 61–69 (in Chinese with English abstract).

[28] 张莀茜, 杭雅文, 李福建, 朱新开, 李春燕, 丁锦峰, 朱敏, 郭文善. 稻秸还田年数和氮肥运筹对小麦出苗和幼苗形态及生理特性的影响. 核农学报, 2020, 34: 1805–1813.

Zhang C X, Hang Y W, Li F J, Zhu X K, Li C Y, Ding J F, Zhu M, Guo W S. Effects of rice straw returning and nitrogen fertilizer on seedling emergence and morphological and physiological characteristics of wheat., 2020, 34: 1805–1813 (in Chinese with English abstract).

[29] 马建涛, 柴守玺, 程宏波, 常磊. 农田秸秆覆盖技术及其应用研究进展. 生态学杂志, 2022, 41: 597–602.

Ma J T, Chai S X, Cheng H B, Chang L. Research progress of straw mulching technology and its application in farmland., 2022, 41: 597–602 (in Chinese with English abstract).

[30] Ali S, Xu Y Y, Ma X C, Jia Q M, Jia Z K. Improvement in winter wheat productivity through regulating PSII photochemistry, photosynthesis and chlorophyll fluorescence under deficit irrigation conditions.2022, 21: 654–665.

[31] 李念念, 孙敏, 高志强, 张娟, 张慧芋, 梁艳妃, 杨清山, 杨珍平, 邓妍. 极端年型旱地麦田深松和覆盖播种水分消耗与植株氮素吸收、利用关系的研究. 中国农业科学, 2018, 51: 3455–3469.

Li N N, Sun M, Gao Z Q, Zhang J, Zhang H Y, Liang Y F, Yang Q S, Yang Z P, Deng Y. A Study on the relationship between water consumption and nitrogen absorption, utilization under sub-soiling during the fallow period plus mulched-sowing in humid and dry years of dry land wheat., 2018, 51: 3455–3469 (in Chinese with English abstract).

[32] 王玉玲, 李军. 黄土旱塬区平衡施肥下不同土壤耕作模式的蓄水纳墒及作物增产增收效应研究. 植物营养与肥料学报, 2016, 22: 151–163.

Wang Y L, Li J. Study on soil water storage, crop yields and incomes under different soil tillage patterns with balance fertilization in the Loess Dryland region., 2016, 22: 151–163 (in Chinese with English abstract).

Response on light energy utilization and water production benefit of spring wheat to straw retention in an oasis irrigated area

LI Pan, CHEN Gui-Ping, GOU Zhi-Wen, YIN Wen*, FAN Zhi-Long, HU Fa-Long, FAN Hong, and CHAI Qiang

State Key Laboratory of Arid Land Crop Science / College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu, China

Traditional tillage crop production pattern often leads to the waste of light resources and low benefit of water production. The response of light use efficiency, irrigation water productivity, and economic benefits of spring wheat to different straw retention patterns, which providing the theoretical and practical basis for production technologies for farmland resources use efficiency. A field experiment was conducted with various straw retention operations in Wuwei Oasis agricultural base of a typical oasis irrigation region in Gansu province during 2014–2016. Wheat straw retention operations included four treatments [no tillage with 25–30 cm long straw mulching (NTSM), no tillage with 25–30 cm high straw standing (NTSS), conventional tillage with 25–30 cm long straw incorporation (CTS), and conventional tillage with no straw retention (CT, the control)]. The objective of this study is to provide the basis for screening the suitable straw returning method for spring wheat production in this region. The results indicated that, compared with CT, straw retention (NTSM, NTSS, and CTS) improved the mean leaf area index (MLAI) by 14.6%–17.2%, 10.4–11.9%, 7.3%–9.4%, and improved total leaf area duration (LAI-D) by 14.6%–17.6%, 9.2%–12.3%, 8.3%–9.8%, respectively. Compared with NTSS, NTSM improved MLAI and LAI-D by 6.6%–7.1% and 5.9%–7.2%, respectively, which facilitating the expansion of photosynthetic sources in spring wheat. Compared with CT, NTSM and NTSS reduced MLAI and LAI-D by 6.1%–7.6%, 4.6%–9.8%, 6.0%–7.6%, and 8.1%–10.4% before booting stage of spring wheat, respectively. On the contrary, NTSM and NTSS improved MLAI after booting stage of spring wheat by 38.9%–45.1% and 30.7%–32.6%, respectively, and LAI-D from filling stage to full-riping stage of spring wheat was improved by 37.0%–47.5% and 28.6%–33.9%, respectively, compared with CT. NTSM effectively regulated the photosynthetic source dynamics during the growth period of spring wheat and facilitated post-flowering grain filling. Compared with CT, NTSM, NTSS, and CTS increased grain yield of spring wheat by 18.6%–27.3%, 16.6%–24.9%, and 10.2%–18.7%, respectively, increased light use efficiency by 7.8%–12.2%, 6.5%–11.2%, and 6.2%–8.4%, respectively, increased water use efficiency per cubic meter irrigation water by 18.6%–27.3%, 16.6%–24.9%, and 10.2%–18.7%, respectively. NTSM had the advantage of efficient utilization of soil water and heat resources by increasing grain yield and improving water and heat use efficiency to a greater extent. Meanwhile, NTSM and NTSS reduced the total inputs by 6.5%–7.3%, increased total output by 11.4%–19.3% and 8.6%–17.2%, and increased net income by 32.2%– 41.5% and 27.8%–37.6%, compared with CT, respectively. SM had a higher input-output ratio and benefit per cubic meter irrigation water due to less resource input and higher economic benefits. Compared with CTS and CTNT, NTSM increased input-output ratio by 14.2%–16.9% and 19.1%–28.8%, and increased benefit per cubic meter irrigation water by 16.5%–23.1% and 32.2%–41.5%, respectively. Therefore, no tillage with 25–30 cm long straw mulching was the ideal way of straw retention to improve light energy utilization and water production benefit of spring wheat in Hexi oasis irrigated region.

straw retention; no tillage; light energy utilization; economic benefits; irrigation water production efficiency

10.3724/SP.J.1006.2023.21037

本研究由国家自然科学基金项目(32101857, U21A20218), 甘肃省高等学校科研项目(2021B-134), 甘肃农业大学伏羲青年人才项目(Gaufx-03Y10)和甘肃省重点人才项目(204197083016)资助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (32101857, U21A20218), the Gansu Provincial Scientific Project of Colleges and Universities (2021B-134), the Young Science and Technology Talents Supporting Project of Gansu Science and Technology Association (2020-12), the Fuxi Young Talents Fund of Gansu Agricultural University (Gaufx-03Y10), and the Important talent of Gansu province (204197083016).

殷文, E-mail:yinwen@gsau.edu.cn

E-mail: lipan0404@126.com

2022-05-22;

2022-09-05;

2022-09-19.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220917.1701.002.html

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