不同覆盖措施对旱区春小麦产量及碳效率的影响

摘要：为实现旱区春小麦种植生产环境效益和经济效益双赢，依托大田试验，研究不同覆盖措施秸秆带状覆盖、地膜覆盖、秸秆碎秆覆盖和对照露地平作对旱区春小麦产量及碳效率的影响，并对经济效益进行了评价。结果表明，与露地平作相比，地膜覆盖显著提高了生育期春小麦干物质积累量，增幅为37.58%；秸秆带状覆盖提高了小麦开花期和收获期干物质积累量，增幅分别为32.65%和9.83%。秸秆碎秆覆盖、地膜覆盖千粒重较露地平作分别提高了15.55%、21.91%。地膜覆盖碳投入总量增幅最大，较露地平作增加1 223.07 kg C/hm2。秸秆碎秆覆盖较露地平作籽粒碳和植株碳产出量分别提高了38.41%和23.34%。秸秆带状覆盖提高了碳生产效率、碳经济效率、碳生态效率，增幅分别为0.58 %、0.45 %、0.24%。秸秆碎秆覆盖经济效益为3 882.69元，较露地平作增加22.7%。综合表明，各覆盖措施均能提高春小麦产量和经济效益，其中秸秆带状覆盖显著提高了碳生产效率、碳经济效率和碳生态效率。

关键词：秸秆带状覆盖；地膜覆盖；秸秆碎秆覆盖；产量；碳效率

中图分类号：S512.1 文献标志码：A 文章编号：2097-2172（2024）06-0515-07

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2024.06.005

Effects of Different Mulching Measures on the Yield and Carbon

Efficiency of Spring Wheat in Arid Area

WANG Xiaoyan 1， 2， 3， PANG Lei 1， 2， 3， LU Jianlong 1， 4， HU Nannan 1， 2， 3， YANG Jin 1， 2， 3， XIAO Xinyue 1， 2， 3，

ZHANG Zhengwei 1， 2， 3， REN Lei 1， 2， 3

（1. Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Habitat Crops， Lanzhou Gansu 730070， China; 2. College of Agriculture， Gansu Agricultural University， Lanzhou Gansu 730070， China; 3. Plant Production Experimental Teaching Centre of Gansu

Agricultural University， Lanzhou Gansu730070， China; 4. School of Water Resources and Hydropower

Engineering， Gansu Agricultural University， Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract： In order to achieve both environmental benefits and economic benefits of spring wheat planting in arid areas， based on field experiments， effects of different mulching measures， such as straw strip mulching， plastic film mulching， crushed straw mulching and open field flat planting， on the yield and carbon efficiency of spring wheat in arid areas were studied， and the economic beneficts were evaluated. Results showed that compared with open field flat planting， plastic film mulching significantly increased the dry matter accumulation of spring wheat during the whole growth period with an increase of 37.58%. Straw strip mulching increased the dry matter accumulation at wheat flowering and harvesting stages by 32.65% and 9.83%， respectively. The 1000-grain weight of crushed straw mulching and plastic film mulching were increased by 15.55% and 21.91%， respectively， compared with open field flat planting. Plastic film mulching had the largest increase in total carbon input， which was 1 223.07 kg C/ha higher than that of open field flat planting. Compared with open field flat planting， crushed straw mulching increased grain carbon and plant carbon yield by 38.41% and 23.34%， respectively. Straw strip mulching improved carbon production efficiency， carbon economic efficiency and carbon ecological efficiency by 0.58%， 0.45% and 0.24%， respectively. In addition， the economic benefit of crushed straw mulching was 3 882.69 Yuan， which was 22.7% higher than that of open field flat planting. Therefore， each mulching measure could improve the yield and economic benefits of spring wheat， and the straw strip mulching could significantly increase the carbon production efficiency， carbon economic efficiency and carbon ecological efficiency.

Key words： Straw strip mulching; Plastic film mulching; Crushed straw mulching; Yield; Carbon efficiency

小麦作为我国重要的粮食作物之一，主要分布于旱区，是西北半干旱雨养农业区最主要的粮食作物［1 ］。水资源是制约春小麦产量的主要因素［2 ］。干旱是影响作物生长发育、全球粮食安全并阻碍农业可持续发展的主要因素［3 ］，对农业生产造成了极大影响［4 ］。覆盖技术是一种促进作物增产的管理措施，具有保墒、改善土壤结构、提高土壤养分含量的作用［5 ］。常用的覆盖方式有地膜和秸秆两种，其中地膜覆盖是用塑料薄膜覆盖地表的一种栽培技术，它可以改变土壤水分和温度条件，进而促进增产［6 ］；秸秆带状覆盖是旱作农业的重要技术，分覆盖带和种植带，两带相间分布，可用于旱地小麦的栽培［7 ］。碎秆覆盖是指将粉碎的秸秆覆盖于作物之上，有利于秸秆腐解，提高土壤肥力。碎秆覆盖也能减少水分蒸散，缓和作物耗水和土壤供水间矛盾。覆盖可保温、保湿，改善土壤结构，从而增加产量［8 ］；覆盖还可调控春小麦土壤水热条件，促进作物光合作用，影响春小麦干物质积累［9 ］，覆盖下株高、穗长等产量构成要素均显著增加［7 ］。地膜覆盖、碎秆覆盖和秸秆覆盖有利于增温保墒，而增温可促进马铃薯根系的生长发育和干物质积累。地膜覆盖还能减少土壤蒸发，保持水分，进而提高产量［10 - 11 ］，秸秆带状覆盖可显著提高作物干物质积累量和产量［12 ］，适宜的覆盖措施还能提高小麦碳效率和经济效益。地膜覆盖对环境的调节和增产幅度优于秸秆覆盖，但地膜覆盖造成的白色污染对环境影响较大，使其使用备受争议［13 ］；秸秆覆盖可使秸秆风化入土，循环往复能促进秸秆资源高效利用。

碳作为农业生产系统中的一种重要资源，是作物生长发育和产量形成的物质基础和作物重要的能量来源，可直接影响其产量和品质［14 ］；其利用效率是指排放单位数量碳所产出的经济产量和经济价值等有效价值量，提高碳效率是促进农业固碳减排的关键途径。Dubey等［15 ］通过对美国农业碳效率的测算，进而评价了其农业生产可持续性；刘利平等［16 ］通过测算我国农业碳效率，认为碳效率有利于我国农业可持续发展；Burney等［17 ］研究发现，农业碳效率可推动其碳汇能力的提高。作物系统有突出固碳减排提高生态效益的潜力，碳效率提高有利于农业节能减排［18 ］。我们通过大田试验，分析了秸秆带状覆盖、秸秆碎秆覆盖和地膜覆盖对旱区春小麦产量的影响，并结合农田投入、碳效率和经济效益进行了可持续性评价，以期为旱区作物增产、提高经济效益和可持续生产提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验设在甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村甘肃省农业科学院旱作农业试验基地（104° 36′ E，35° 35′ N）。该地区海拔1 970 m，年均气温6.2 ℃，年辐射总量5 898 MJ/m2，年日照时数2 500 h，≥10 ℃积温2 075.1 ℃，无霜期140 d，属于中温带半干旱气候。该区域为典型旱地雨养农业区，年降水量415 mm，6 — 9月降水量占全年的68 %，降水相对变率24 %，400 mm降水保证率为48 %。春小麦生育期有效降水量117.6 mm（≥5 mm），平均温度16.39 ℃（图1）。试验地土壤速效氮、速效磷和速效钾含量分别为5.60、7.89、128.25 mg/kg，前茬玉米。

1.2 供试品种

指示春小麦品种为陇春35号，由甘肃省农业科学院小麦研究所提供。

1.3 试验设计

试验共设4个处理，分别为秸秆带状覆盖（TSM）处理：将玉米秸秆整秆呈条带状覆盖于土壤表面，其中秸秆覆盖带宽50 cm，种植带宽50 cm，两带相间排列，秸秆（风干基）覆盖量为9 000 kg/hm2；秸秆碎秆覆盖（TSR）处理：玉米秸秆铡成5 cm左右的碎秆，春季整地时翻入土中还田，碎秆（风干基）覆盖量为9 000 kg/hm2；地膜覆盖（TPM）处理：黑色地膜全膜覆盖；露地平作（TCK）处理，传统露地平作。试验随机区组排列，重复3次，小区面积35 m2（7 m×5 m）。采用穴播种植，TCK、TPM和TSR处理行距均为55 cm、株距均为30 cm。TSM处理在距离秸秆覆盖带边缘10 cm处按“品”字形播种，行距和株距均为30 cm。所有处理结合旋耕整地一次性施入基肥N 200 kg/hm2、P2O5 250 kg/hm2，生育期内不再追肥。

1.4 样品采集及测定

1.4.1 干物质 选具有代表性3个生育时期（拔节期、开花期和收获期），每小区分别取春小麦全株20株，烘干后测定干物质质量［19 ］。

1.4.2 产量 春小麦收获期去边行，按小区单打单收，测实产［20 ］。

1.4.3 产量 构成要素 春小麦收获期，各小区随机选取20株春小麦全株，测定株高、穗长、穗重、穗粒数和千粒重［19 ］。

1.5 计算指标及方法

CI=Ci=（mβ）i

式中，CI为作物的碳投入总量，n表示该作物从播种到收获整个过程消耗了n种能源，Ci表示第i种能源或农资的碳排放量，m为消耗第i种能源或农资的量，β为第i种能源或农资的碳排放参数，碳投入量统一用碳当量来表示单位是kg C［21 ］。

EP=

式中，EP为碳生产效率，CG为作物籽粒含碳量，CI为碳投入量，籽粒含碳量通过籽粒产量和籽粒含碳量估算，籽粒含碳率为47%［21 ］。

Ee=

式中，Ee为碳生态效率，CI指碳投入量，Cc指植株含碳量［21 ］。

CE=（CG×P）/CI

式中，CE为碳经济效率，P为经济产量的销售价格，CG为作物籽粒含碳量，CI为碳投入量［22 ］。

CG=M×（1-w）×0.45

式中，M为经济产量，w为经济产量的含水量，0.45为生物量与含C量的转化系数［22 ］。

Cc= CG/H-CG

式中，Cc为植株含C量，H为经济系数，CG为籽粒的含C量［22 ］。

经济效益=经济产量×市场价格-生产成本［23 ］。

1.6 数据处理

采用Excel 2016进行数据整理，采用SPSS 21.0 软件分析数据。用新复极差法（Duncan法）进行多重比较，显著性水平设置为P < 0.05。用Origin 2021绘图。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖措施对春小麦干物质积累的影响

随生育时期的推进，春小麦干物质积累量增加。覆盖处理均可以提高春小麦干物质积累量，地膜覆盖增长幅度最大，秸秆带状覆盖干物质积累量小于秸秆碎秆覆盖。由图2可知，干物质积累量拔节期TPM处理比TCK处理提高32.30%（P < 0.05），开花期TPM、TSR、TSM处理较TCK处理分别提高60.00%、40.82%、32.65%（P < 0.05），收获期TPM、TSM处理较TCK处理分别提高20.44%、9.83%（P < 0.05）。TPM处理能显著提高生育期春小麦物质积累量，较TCK处理提高37.58%。

2.2 不同覆盖措施对春小麦产量及其构成要素的影响

由表1可知，TSM、TPM、TSR处理均可提高春小麦株高、穗长、穗重、穗粒数及千粒重。其中株高、穗长、穗重、千粒重均以TPM处理最高，分别较TCK增加9.77%、15.37%、23.37%、21.91%；其次是TSR处理，分别较TCK增加6.26%、6.09%、16.84%、15.55%。穗粒数以TPM处理最高，较TCK增加12.20%；其次是TSM和TSR处理，均较TCK增加4.88%。

2.3 不同覆盖措施下农田碳效率评估

用投入量及对应的碳排放系数，将种子、肥料、人工和地膜折算成碳投入量（表2）。由图3可知，TSR、TSM、TPM处理的碳投入量较TCK分别增加442.36、110.68、1 223.07 （kg·C）/hm2，不同农田管理措施均能引起碳投入总量变化。与TCK相比，TSR、TSM、TPM籽粒碳产出量分别提高了38.41%、10.87%、39.86%，植株碳产出量分别提高了23.34%、11.15%、38.68%（P < 0.05）。

秸秆带状覆盖可提高碳生产效率、碳经济效率和碳生态效率。由图4可知，与TCK相比，TSM碳生产效率、碳经济效率和碳生态效率提高0.58%、0.45%和0.24%。其他处理受碳投入总量的影响导致碳生产效率、碳经济效率和碳生态效率较低，表明秸秆带状覆盖可增强作物碳汇能力。

2.4 经济效益评价

由表3可以看出，与TCK相比，覆盖材料投入高出600～2 400元/hm2。由于在播前覆膜和覆盖秸秆以及收获后残膜回收需人工投入，各处理用工投入800～2 500元/hm2；其他投入相同，均为7 300 元/hm2。不同覆盖措施下的产值为11 264.35～ 15 621.54元/hm2，各处理从高到低依次为TPM、TSR、TSM、TCK；经济效益为3 882.69～3 164.35元/hm2，各处理从高到低依次为TSR、TSM、TPM、TCK，其中TSR、TSM、TPM处理比TCK分别增加22.7%、15.2%、8.13%。由此可知，秸秆带状覆盖和地膜覆盖均可提高经济效益，且以秸秆碎秆覆盖为最好。

3 讨论与结论

干物质积累是产量形成的基础，覆盖措施在改善土壤环境的同时，通过调节春小麦的生长影响春小麦的产量。地膜覆盖、秸秆碎秆覆盖和秸秆带状覆盖有利于增温保墒，而增温可促进春小麦根系的生长发育和干物质积累［24 - 25 ］。秸秆还田是一种农田培肥措施［26 ］，能提高土壤肥力，进而促进作物增产［27 ］。解文艳等［28 ］和谭德水等［29 ］认为，秸秆还田还能减少土壤肥力消耗，促进增产。秸秆和地膜覆盖可协调土壤水肥关系，有利于提高产量及其构成要素［30 ］。覆盖可作用于作物的生长发育，进而影响干物质积累量［31 ］。本研究表明，与露地平作处理相比，地膜覆盖显著提高了生育期春小麦干物质积累量，增幅为37.58%；秸秆带状覆盖处理提高了开花期和收获期干物质积累量，增幅分别为32.65%和20.44%。与常磊等［32 ］研究结论一致；秸秆带状覆盖处理处理下株高有所提高，与刘祖贵等［24 ］的研究结论吻合。地膜覆盖处理下株高提高9.77%，与李尚中等［33 ］地膜覆盖可提高株高的研究结果一致。杨佳佳等［34 ］研究发现，地膜覆盖可促进春小麦干物质积累量，与本研究结果一致。 可见秸秆覆盖能改善春小麦产量构成要素［35 - 36 ］，提高干物质积累量［37 ］，这与本研究结论一致，干物质积累是春小麦籽粒形成的关键，较多干物质积累量是作物籽粒产量增加的前提［38 ］。春小麦产量取决于穗数、穗粒数和千粒重，本试验中地膜覆盖处理、秸秆碎秆覆盖处理千粒重比对照露地平作分别提高了21.91%、15.55%，这与吕莹莹等［39 ］的研究结果一致，可能是因为试验年春小麦灌浆期温度低但降水多所致。

农田管理措施、耗资量、覆盖方式和产量的差别，导致碳效率（碳生产效率、碳经济效率和碳生态效率）产出不同。本研究发现，各处理均可增加籽粒碳产出量、植株碳产出量、碳效率、碳投入总量和纯收益，秸秆带状覆盖处理的碳效率高于对照露地平作。由于增加了人工和地膜投入，地膜覆盖处理碳投入总量增幅最大，较露地平作增加1 223.07 kg C/hm2。秸秆碎秆覆盖处理较露地平作处理籽粒碳和植株碳产出量分别提高了38.41%和23.34%。秸秆带状覆盖处理提高了碳生产效率、碳经济效率和碳生态效率，增幅分别为0.58%、0.45%和0.24%。秸秆碎秆覆盖处理经济效益为3 882.69元，较露地平作处理增加22.7%。秸秆带状覆盖处理的投入少但产出多，该处理的碳效率高于其他处理是合理的，这与王良等［40 ］研究结论吻合。各处理间碳效率差异是由于投入量不同，这与史磊刚等［21 ］研究一致。地膜覆盖处理和秸秆碎秆覆盖处理在播种初期需人工覆膜和粉碎，地膜覆盖处理的经济投入也大于秸秆带状覆盖处理，因为地膜成本和人工投入比秸秆高。各处理的碳投入构成中，化肥和人工占比最大，表明农业生产中化肥浪费严重［41 ］。基于此，节约化肥、提高化肥利用效率是提高作物碳效率的重要举措。植株碳产出量明显高于籽粒碳产出量。针对我国目前存在秸秆利用效率低的现状［42 ］，促进秸秆有效利用技术的推进是提高作物碳效率的关键，应用适宜的覆盖方式对作物碳效率提高有举足轻重的作用。

本试验表明，随生育时期的推进，春小麦干物质积累量逐渐增加，秸秆带状覆盖提高了春小麦开花期和收获期干物质积累量，秸秆带状覆盖、秸秆碎秆覆盖和地膜覆盖均提高了春小麦千粒重，地膜覆盖还提高了株高。由于人工投入和覆盖材料的差异，地膜覆盖的碳投入量最多，秸秆碎秆覆盖次之，秸秆带状覆盖最少。秸秆带状覆盖、秸秆碎秆覆盖和地膜覆盖均提高了籽粒碳产出量和植株碳产出量。秸秆带状覆盖提高了碳生产效率、碳经济效率和碳生态效率。各覆盖处理均可提高经济效益。综上，秸秆带状覆盖、秸秆碎秆覆盖和地膜覆盖可提高春小麦干物质积累量、千粒重和经济效益，秸秆带状覆盖还提高了碳生产效率、碳经济效率和碳生态效率，起到固碳减排的效应。

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