李玉鹏，贾志宽，韩清芳，王成社，谢彦周，魏红升

(1.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院， 陕西 杨凌 712100；2.南阳市农业科学院， 河南 南阳 473000； 3.西北农林科技大学南阳小麦试验示范站， 河南 南阳 473000；4.西北农林科技大学农学院， 陕西 杨凌 712100)

秸秆覆盖量对旱作小麦耗水特性及土壤性质的影响

李玉鹏1,2,3，贾志宽1,4，韩清芳1,4，王成社3,4，谢彦周3,4，魏红升3,4

(1.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院， 陕西 杨凌 712100；2.南阳市农业科学院， 河南 南阳 473000； 3.西北农林科技大学南阳小麦试验示范站， 河南 南阳 473000；4.西北农林科技大学农学院， 陕西 杨凌 712100)

为了解秸秆覆盖量对旱作小麦耗水特性和土壤性质的调控作用，在宁夏南部半干旱区连续两年进行了0(CK)，3 000，6 000，9 000 kg·hm-2四种不同秸秆覆盖量处理的栽培试验。结果表明：随着覆盖量的增加，小麦在各个生育阶段的耗水量逐渐减少，3 000，6 000 kg·hm-2和9 000 kg·hm-2覆盖量处理的小麦全生育期的平均耗水量较CK分别减少了12.7%，21.6%和27.5%，秸秆覆盖量与耗水量呈显著负相关(P<0.01)；进行秸秆覆盖以后，土壤的蓄水保墒能力得到明显提升，3 000，6 000 kg·hm-2和9 000 kg·hm-2覆盖量处理的小麦收获后土壤平均含水量较CK分别增加了13.1%，19.8%和26.1%；小麦的水分利用效率以覆盖量为9 000 kg·hm-2的处理最大，水分利用效率较CK增加了42.4%(P<0.01)；不同覆盖量处理的小麦平均产量较CK增加了2.9%～16.7%，仅覆盖量为3 000 kg·hm-2的处理较CK差异达到显著水平(P<0.01)；秸秆覆盖对表层土壤(0～10 cm)的温度变化有明显的调节作用，能够降低地温的日振幅，避免了地温的剧烈变化，能有效缓解地温的激变对作物根部产生的伤害。秸秆覆盖能够改善土壤肥力，提高土壤中碱解氮、速效钾和有机质的含量，而且有利于作物对土壤磷素的吸收。

秸秆覆盖量；旱作小麦；耗水特性；土壤性质

农业水资源紧缺已经成为制约中国特别是西北干旱半干旱地区经济可持续发展的一个重要限制因素[1-4]。宁南半干旱区农业生产用水主要依赖天然降水，该区年降水量仅350～450 mm，且时空分布不均，无效、微效降水次数多，气候干燥，蒸发强烈，因此，干旱被认为是农业生产的主要限制因素[5-6]。农作物秸秆富含多种营养元素,是一种宝贵的生物资源。秸秆覆盖耕作法是针对干旱地区土壤蒸发量大、地力贫瘠、耕作粗放等问题而采用的一项旱作农业技术。秸秆覆盖保墒是用人工的方法，用秸秆在土壤表面设置一道物理隔离层，阻隔土壤与大气层间的水分和能量交换，有效减少作物棵间的无效蒸发，改变棵间蒸发耗水与叶面蒸腾耗水的比例关系，增加作物的叶面蒸腾量，变无效耗水为有效耗水，从而达到增产的目的。大量研究表明，秸秆覆盖是一种重要的保墒技术，不仅可以改善土壤结构，增强土壤的蓄水能力，还能使土壤表层疏松，增加雨水入渗，提高土壤含水量[7-8]。亢青选等[9-11]认为随着秸秆的逐渐分解，淋溶于土壤，土壤中的有机质和速效养分会明显提高。土壤温度是作物生长的重要生态因子，与土壤生物、化学特性及作物的生长发育密切相关[12-13],研究秸秆覆盖条件下土壤的温度变化，是合理促进作物生长发育，制定适宜保护性栽培措施的重要前提。巩杰等[14]认为秸秆覆盖以后可以改变大气与土壤热交换的界面状况，在低温时期有增温效应，在高温时期有降温效应。对于常规秸秆覆盖对水分利用和产量、温度等影响的研究国内外都做了很多工作[15-19]，而对不同覆盖量条件下小麦耗水特性和土壤环境变化的研究还不多见。因此，研究半干旱地区不同覆盖量条件下小麦的耗水特性和温度、养分变化，对于节水农业具有重要的意义。本文对宁南半干旱区不同秸秆覆盖量条件下小麦的耗水特性、水分利用效率、土壤温度、养分等状况进行了分析，旨在探讨半干旱地区不同秸秆覆盖量条件下的节水、增产、培肥效果，为完善秸秆覆盖模式及应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2007年9月至2009年6月在宁夏回族自治区彭阳县旱作农业试验区进行。该试验区位于宁夏回族自治区南部边缘、六盘山东麓，介于E106°32′～106°58′、N35°41′～36°17′之间，海拔1 800 m，属温带半干旱气候，年平均气温6℃～8.5℃，日照时数2 518 h，无霜期147～168 d，年降雨量350～450 mm。

全年56%降水集中分布在7—9月，无效、微效降水次数多，气候干燥，蒸发强烈，土壤蓄墒率不足30%。

试验过程中降雨量偏少，两年冬小麦生育期降水分别为157.4、146.9 mm。两年生育期内≤5 mm无效降水次数分别为8、11次。

试验田为旱平地，土壤质地为黄绵土，前茬作物为玉米，肥力较低。0～200 cm土层土壤平均容重1.27 g·cm-3，土壤饱和含水量为29.81%，田间持水量为24.26%，pH值为8.47。

1.2 试验设计

连续两年在同一地块上进行小麦栽培试验，采用单因素试验设计，设4种覆盖量处理,即0 kg·hm-2(CK)、3 000 kg·hm-2(S1)、6 000 kg·hm-2(S2)、9 000 kg·hm-2(S3)。试验采用随机区组排列，3次重复，小区面积24 m2(4 m×6 m),小麦供试品种为西峰26，播种量150 kg·hm-2，播种前各处理均基施纯氮150 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，人工播种出苗后覆草。2007年冬小麦于9月16日播种，翌年6月23日收获，2008年冬小麦于9月16日播种，翌年6月22日收获,其田间管理与当地大田水平一致。

1.3 测定项目与方法

记录各生育期降雨量，土壤水分测定采用烘干称重法，在小麦主要生育时期对不同处理0～200 cm土层进行土壤水分动态监测，以20 cm为一个土层单位进行采样测定。每小区取中间10 m2测定产量，折算大田实际产量，土壤水分及产量测定均为3次重复。

分别于两年的灌浆期将5、10、15、20、25 cm地温计布置在各个处理的小区对地温日变化进行观测，于8∶00、10∶00、12∶00、14∶00、16∶00、18∶00、20∶00各观测一次，定时记录，观测为两次重复。

在小麦播种前和每年收获后对不同处理的土壤养分进行测定，利用UV2550紫外可见分光光度计测定速效钾、速效磷的含量；利用重铬酸钾外加热法测定有机质含量；利用碱解扩散法测定碱解氮含量。土样采集采用多点采集的方法,分别在每个小区采集5个样品,取样深度为0～20 cm,然后通过充分混合、阴干、研磨、过筛、浸提、消解等步骤后测定。

土壤贮水量计算公式：

式中，W为土壤贮水量(mm)；Vi为土壤体积含水量；Hi为土层厚度(mm)。

农田蒸散量计算公式：

ET=I+P-R-D-SW

式中，ET为农田蒸散量；I为灌溉量；P为降雨量；R为径流；D为深层渗漏量；SW为土壤剖面的水量变化。本试验中R和D可以忽略不计，I=0，农田蒸散量可简化为：

ET=P-SW

农田水分利用效率用下列公式计算：

WUE=Y/ET

式中：WUE为水分利用效率；Y为籽粒产量；ET为农田蒸散量。

1.4 统计分析

数据分析采用spss12.0版本分析，多重比较采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆覆盖量条件下小麦的耗水量

两年小麦不同生长阶段的耗水量见表1，各个生长时期随着覆盖量的增加，小麦的耗水量逐渐减少。2007年冬小麦从CK到S3，耗水量由337.05 mm减少到247.35 mm，三种处理S1、S2、S3的耗水量较CK分别减少了12.0%、20.7%、26.6%(P<0.01)，2008年冬小麦从CK到S3，耗水量由324.35 mm减少到232.01 mm，三种处理S1、S2、S3的耗水量较CK分别减少了13.4%、22.5%、28.5%(P<0.01)。两年平均，秸秆覆盖量与耗水量呈显著的直线相关(图1)：

y=-0.0101x+324.95，R2=0.9732

图1 秸秆覆盖量与耗水量的相关性

Fig.1 Correlation between stalk returning rate and water consumption

以上结果表明，进行覆盖以后，会减少棵间无效蒸发，使土壤墒情明显好转。生育前期小麦叶面积较小，裸露地表面积较大，棵间蒸发为主要的土壤水分消耗形式，覆盖处理能够起到较好的保水作用，减少作物生长过程的前期耗水，为作物的旺盛生长阶段提供充足的水分，且随着覆盖量的增加保墒效果更加明显。

2.2 不同秸秆覆盖量条件下小麦的产量和水分利用效率

由表2可以看出，随着覆盖量的增加，0～200 cm土层土壤贮水利用量逐渐减少，2007年冬小麦从CK到S3，贮水利用量由179.65 mm逐渐减少到89.98 mm，2008年冬小麦从CK到S3，贮水利用量由177.45 mm逐渐减少到85.11 mm。两年平均贮水利用量由178.55 mm逐渐减少到87.53 mm。收获后对各个处理0～200 cm土层土壤贮水量进行测定，两年的结果表现出一致的规律，0～200 cm土层贮水量S3>S2>S1>CK。2008年收获后处理S1、S2、S3土壤贮水量比CK分别增加13.8%、23.8%、29.2%，2009年收获后比CK分别增加12.3%、15.6%、23.0%。两年平均收获后的贮水量处理S1、S2、S3比CK分别增加13.1%、19.8%、26.1%。2007年冬小麦产量S1>S2>S3>CK，仅处理S1较CK达到极显著差异水平(P<0.01)，增产达到12.9%；2008年冬小麦产量S1>S2>S3>CK，三个处理较CK均达到极显著差异水平(P<0.01)，S1、S2、S3较CK分别增产20.5%、11.2%、4.8%。两年平均各处理的小麦产量顺序为S1>S2>S3>CK，仅处理S1较CK达到极显著差异水平(P<0.01)，增产达到16.7%。随着覆盖量的增加，小麦的水分利用效率也逐渐提高，2007年从CK到S3水分利用效率由8.51 kg·hm-2·mm-1增加到11.71 kg·hm-2·mm-1，2008年从CK到S3水分利用效率由8.76 kg·hm-2·mm-1增加到12.89 kg·hm-2·mm-1。相对于CK，处理S3的水分利用效率提高幅度最大，两年分别达到了37.6 %和47.1%。两年平均各处理的水分利用效率大小为S3>S2>S1>CK，处理S1、S2、S3的水分利用效率较CK分别增加33.8%、36.8%、42.4%。

表1 不同秸秆覆盖量处理下小麦不同生育阶段耗水量/mm

注：同列数据后标不同大写字母者表示不同处理间差异极显著(P<0.01)，下表同。

Note: different lowercase letters within the same column mean significant difference among different treatments atP<0.01 level, the same as in Table 2.

表2 不同秸秆覆盖量处理下小麦产量和水分利用效率

2.3 不同秸秆覆盖量条件下的土壤温度

土壤温度是植物生长发育的重要生态因子，对植物根系吸收水分和矿质元素有重要的影响，也可以通过对植物的光合作用、植物激素等的作用而间接影响植物生长[20-23]。这里以2008年冬小麦灌浆期从8∶00至20∶00每隔两小时的温度日变化为例，分析不同秸秆覆盖量条件下温度的日变化情况。由图2可以看出，各个处理下5、10、15 cm土层日变化均呈现先上升后下降的变化趋势，其中5 cm土层日变化最为明显，且随着土层的加深影响效应逐渐减弱，20 cm和25 cm土层日变化呈缓慢上升趋势。由上至下不同土层增温峰值依次后移，5 cm土层处最高温出现在14∶00，随着土层深度的增加,最高温出现滞后现象。

进行秸秆覆盖以后，相当于人工在地表设置了一道物理隔离层，对太阳辐射起到有效的拦截和吸收作用，阻碍了土壤与大气之间的水热交换，所以进行覆盖处理的小区升温和降温的速度均比较缓慢，且随着覆盖量的增加，升温和降温的幅度逐渐变小。各处理5 cm土层处温度在8∶00至14∶00处于升温阶段，CK在5 cm土层处温度日最高振幅为18.6℃，处理S1、S2、S3在5 cm土层处温度日最高振幅为14.4℃、12.6℃、10.6℃，较CK分别降低了4.2℃、6℃、8℃；各处理10 cm土层处温度在8∶00至16∶00处于升温阶段，CK在10 cm土层处温度日最高振幅为14.3℃，处理S1、S2、S3在10 cm土层处温度日最高振幅为12.8℃、11.9℃、11.3℃，较CK分别降低了1.5℃、2.4℃、3℃；各处理15 cm土层处温度在8∶00至18∶00处于升温阶段，CK在15 cm土层处温度日最高振幅为11.5℃，处理S1、S2、S3在15 cm土层处温度日最高振幅为9.7℃、8.7℃、8.4℃，较CK分别降低了1.8℃、2.8℃、3.1℃；各处理20 cm土层处温度日变化呈现出缓慢上升趋势，CK在20 cm土层处温度日最高振幅为8.4℃，处理S1、S2、S3在20 cm土层处温度日最高振幅为7.7℃、7.4℃、6.8℃，较CK分别降低了0.7℃、1℃、1.6℃；各处理25 cm土层处温度日变化也表现出缓慢上升趋势，CK在25 cm土层处温度日最高振幅为4.7℃，处理S1、S2、S3在20 cm土层处温度日最高振幅为4.3℃、4℃、3.6℃，较CK分别降低了0.3℃、0.7℃、1.1℃。由此可见，进行覆盖以后具有缓解地温剧烈变化的作用，这与逢焕成[24]的研究结果基本一致。

图2 不同秸秆覆盖量处理下不同土层的温度日变化

Fig.2 Daily soil temperatures variations of different soil layers for the corn stalk mulching treatments

2.4 不同秸秆覆盖量条件下的土壤肥力

从表3可以看出，覆盖处理对土壤养分中的碱解氮、速效钾、有机质的含量影响比较大。经过两年的覆盖以后，处理S1、S2、S3的碱解氮含量较2007年播种前分别增加了11.8%、13.7%、15.7%，速效钾含量较2007年播种前分别增加了6.4%、10.9%、11.8%，可见覆盖量越大，对碱解氮、速效钾含量的提高幅度越大。覆盖处理后速效磷的含量降低了1～2 mg·kg-1，这主要是因为进行秸秆覆盖处理以后，增加了土壤表层中磷素的有效性，使磷素更容易被植物吸收，随着植物移走[25～28]。土壤有机质是土壤的重要组成部分，是农业生态系统中极其重要的生态因子，其含量显著影响着农业生态系统的生产力。土壤腐殖质是土壤有机质的核心，也是土壤肥力的重要物质基础，随着小麦的生长，秸秆逐渐腐烂、分解产生了大量的腐殖质，提高了有机质的含量。进行两年的秸秆覆盖以后，三种覆盖量处理的土壤有机质含量较2007年播种前都增加了1～2 g·kg-1，各个处理之间的提高幅度差异不大。

表3 不同秸秆覆盖量处理下的土壤肥力

注：表中N、P、K分别表示碱解氮、速效磷、速效钾,其单位为mg·kg-1；O表示有机质,其单位为g·kg-1。

Note: N, P, K mean available N, available P, available K, respectively (mg·kg-1). O means organic matter (g·kg-1).

3 结论与讨论

试验结果表明，在小麦各个生育期覆盖秸秆均能够取得较好的保水效果，阶段耗水量较对照明显减少，且覆盖量越大，各个生育期的耗水量越少。原因在于秸秆覆盖后，相当于在地表形成了一层保护层，不仅能增强土壤的蓄水保墒能力，增加土壤对水分的吸持；而且能改善土壤结构，使土壤表层疏松，减少土壤毛细管的作用，相应也减少了土壤水分进入大气的机会；同时，当水蒸气遇到秸秆时冷凝成液态水又返回到土壤中，相应减少了土壤水分的损失量，使有效水维持时间延长[8,29]。在两年的试验中，三种处理S1、S2、S3的耗水量较CK平均减少了12.7%、21.6%、27.6%。覆盖后，可使作物根部的土壤水分保持相对稳定，两年冬小麦收获后S1、S2、S3的土壤贮水量平均比CK增加13.1%、19.7%、26.1%，明显高于CK，为下一季作物的生长提供了良好的水分条件。随着覆盖量的增加，不仅抑制了棵间土壤水分的无效蒸发，而且改善了农田小气候，空气温度降低，相对湿度增加，还有调节小麦叶面蒸腾强度的作用，使土壤水分得到更充分的利用，从而提高了小麦水分利用效率，两年冬小麦处理S1、S2、S3的水分利用效率较CK平均增加33.8%、36.8%、42.4%，均达到极显著水平(P<0.01)。

覆盖量过大虽然能够大量减少水分的无效消耗，但并不完全有利于小麦的生长。覆盖量过大，会造成有害气体增加，小麦根部呼吸减弱，不利于小麦的正常生长[30]，所以在试验当中，覆盖量最大的处理S3没有取得最高的产量。刘婷等[31]在陕西省合阳县连续两年进行了不同秸秆覆盖量的冬小麦栽培试验，结果表明，在生育期覆盖秸秆可以明显提高冬小麦的产量，并且以3 000 kg·hm-2覆盖量的处理较对照增产幅度最大。上述研究结果与本研究结论基本一致。在本研究的两年试验中，小麦产量均表现为S1>S2>S3>CK的规律，处理S1、S2、S3较CK平均提高16.7%、7.2%、2.9%，S1较CK连续两年均达到极显著差异水平(P<0.01)。

秸秆覆盖下的土壤温度变化明显变缓，且覆盖量越大，土壤升温越缓慢[32]。所以在炎热的夏季，覆盖秸秆可以有效降低土壤温度，为小麦根部创造良好的生长环境，相对较低的温度也为保墒起到了积极作用。覆盖处理后也会明显提高土壤中碱解氮、速效钾、有机质的含量，覆盖量越大，提高的幅度越大，而且会更有利于作物对土壤中磷素的吸收利用[33]。综合考虑以上耗水特性、温度、肥力等的状况，生产中进行覆盖秸秆时，建议采用适当的覆盖量，应以3 000 kg·hm-2为宜。

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Effects of mulching straw at different rates on water use pattern and soil properties of dry-land wheat

LI Yu-peng1,2,3, JIA Zhi-kuan1,4, HAN Qing-fang1,4, WANG Cheng-she3,4, XIE Yan-zhou3,4, WEI Hong-sheng3,4

(1.InstituteofWaterSavingAgricultureinAridAreasofChina,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.NanyangAcademyofAgriculturalScience,Nanyang,Henan473000,China; 3.NanyangExperimentandDemonstrationStationofWheat,NorthwestA&FUniversity,Nanyang,Henan473000,China; 4.CollegeofAgronomy,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

To yield a penetrating insight into the effects of straw mulching on water use pattern and soil properties of dry-land wheat, we conducted field experiments with four treatments of corn stalk mulching rates, 0 (control rate), 3 000, 6 000, 9 000 kg·hm-2in semiarid areas of southern Ningxia for two consecutive years. The result indicated that the water consumption of wheat at different growth stages gradually decreased with the increase of straw mulch. For the straw mulching quantity of 3 000, 6 000 kg·hm-2and 9 000 kg·hm-2, the average water consumption during the whole growth period of wheat was decreased by 12.7%, 21.6% and 27.5%, respectively compared with the control, and the amount of straw showed a significantly negative correlation with that of water consumption(P<0.01). The effect of straw mulching on soil moisture conservation was significant. For the straw mulching quantity of 3 000, 6 000 kg·hm-2and 9 000 kg·hm-2, soil moisture content increased by 13.1%, 19.8% and 26.1% after harvest. After straw mulching, the water use efficiency was the largest in the amount of 9 000 kg·hm-2, being increased by 42.4%(P<0.01)compared with the control. With the straw mulching amount of 3 000, 6 000 kg·hm-2and 9 000 kg·hm-2, the wheat yield in different mulching modes was increased by 2.9%～16.7%, but only the difference between 3 000 kg·hm-2mulching mode and the control reached the significant level(P<0.01). Straw mulching could apparently adjust soil temperature at the upper layer(0～10 cm)that can not vary dramatically between extremes. All these effect is useful for the wheat growing. Straw mulching could increase available N, available K and organic matters, which much more helped crops taking up P from soil.

stalk rate; dry-land wheat; water consumption characteristic; soil properties

1000-7601(2017)04-0217-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.33

2016-05-20

“十一五”国家科技支撑课题“农田集雨保水关键技术研究”(2006BAD29B03)；节水共性技术研究(2007BAD88B10)

李玉鹏(1984—)，男，河南南阳人，硕士，助理研究员，主要从事旱地农业和小麦遗传育种研究。 E-mail:lypeng2000@163.com。

贾志宽(1962—)，男，山西朔州人，教授，博士生导师，主要从事旱地农业研究。 E-mail :zhikuan@tom.com。

S512.1

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