秸稈覆蓋下播種密度對(duì)土壤水分和小麥產(chǎn)量的影響

秸稈覆蓋下播種密度對(duì)土壤水分和小麥產(chǎn)量的影響

洛杉磯高原干旱面積約1.68106hm2。它是中國(guó)西北的一個(gè)重要糧食生產(chǎn)區(qū)之一，也是中國(guó)古代干旱地區(qū)主要生產(chǎn)小麥的地區(qū)。該區(qū)域年平均降水量為420~700mm,降水分布不均且變率大,集中在7-9月,而冬小麥生育期降水僅有30%~40%,隨著土壤肥力的提高,水分脅迫嚴(yán)重制約該區(qū)小麥的生產(chǎn)。秸稈覆蓋作為保護(hù)性耕作技術(shù)可以兼顧培肥地力和蓄水保墑,以往秸稈覆蓋對(duì)土壤的保水、作物產(chǎn)量及水分利用效率的影響有大量研究報(bào)道。在黃土高原,劉婷等2a試驗(yàn)表明,全程覆蓋0~200cm土層平均含水量較生育期覆蓋提高8%~12%,較傳統(tǒng)耕作提高9%~19%。強(qiáng)秦等報(bào)道覆草在小麥生長(zhǎng)前期及40cm以上土層中效果明顯,水分生產(chǎn)效率高于常規(guī)種植24%。呂軍杰等也報(bào)道免耕覆草較常規(guī)耕作能夠顯著提高0~200cm土層土壤貯水量。但是,秸稈覆蓋下作物產(chǎn)量響應(yīng)卻有所不同。在黃土高原南部11a和15a免耕覆蓋長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果表明,豐水年增產(chǎn)率為5%和12%,而干旱年高達(dá)85%和97.6%,表現(xiàn)為時(shí)間越長(zhǎng)越干旱效果越顯著。高亞軍等則報(bào)道了在不同施氮量情況下秸稈覆蓋均導(dǎo)致小麥減產(chǎn)。而Marbet等在摩洛哥的14個(gè)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)6個(gè)試驗(yàn)減產(chǎn),8個(gè)試驗(yàn)增產(chǎn)。秸稈覆蓋小麥減產(chǎn)的原因之一可能與土壤低溫有關(guān),還可能與小麥水分利用有關(guān)。在傳統(tǒng)耕作條件下,Huang等的研究表明小麥產(chǎn)量和耗水量ET之間呈顯著線性相關(guān)。另外,旱地小麥產(chǎn)量還與生育期內(nèi)土壤水分的利用模式,如花前花后水分利用比例有關(guān),Passioura等等報(bào)道在蒸發(fā)需求逐漸增加的環(huán)境下花前花后的耗水比例約為2∶1時(shí)產(chǎn)量最高。趙聚寶等報(bào)道在小麥耗水量相似的情況下,秸稈覆蓋較不覆蓋小麥生育前期耗水量減少而生育后期耗水量增加,從而顯著提高小麥產(chǎn)量。播種密度也顯著影響旱地小麥產(chǎn)量和土壤水分。王立明報(bào)道在傳統(tǒng)耕作條件下小麥抽穗期土壤貯水量隨播種密度的增加而降低,不同品種冬小麥籽粒產(chǎn)量均與播種密度呈二次曲線的關(guān)系,適宜的播種密度有助于提高產(chǎn)量。也有研究表明在覆砂和覆膜條件下低播量小麥產(chǎn)量高于高播量。另外,MA等報(bào)道在高播量下修根處理可增加花后水分供應(yīng),顯著增加小麥產(chǎn)量。上述結(jié)果表明,播種密度或其他措施可能通過改變土壤水分利用模式而影響小麥產(chǎn)量。從以往研究可以看出,秸稈覆蓋研究主要集中于保水及產(chǎn)量效應(yīng),但是在秸稈覆蓋條件下,土壤水熱條件發(fā)生改變,播種密度如何影響土壤水分利用及產(chǎn)量,目前還未見報(bào)道。鑒于此,本試驗(yàn)研究黃土高原區(qū)渭北旱原秸稈覆蓋下不同播種密度對(duì)土壤水分變化、產(chǎn)量構(gòu)成以及小麥水分利用效率的影響,以期探索最佳的群體與水分協(xié)調(diào)關(guān)系,為旱地冬小麥的可持續(xù)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。1材料和方法1.12年至今的基本理化性狀試驗(yàn)地點(diǎn)位于陜西省長(zhǎng)武縣中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武生態(tài)試驗(yàn)站王東村(35°12′N,107°40′E)。該區(qū)屬于典型的黃土高原旱塬區(qū),海拔1220m,年均降水584mm,年均蒸發(fā)量1500mm,年均氣溫9.1℃,≥10℃積溫3029℃,無霜期171d,地下水位深達(dá)60m。試驗(yàn)地前茬作物為春玉米于2011年10月收獲,之后土壤翻耕休閑,2012年試驗(yàn)開始前土壤的基本理化性狀見表1。試驗(yàn)期間(2012年6月至2013年6月)降水量為501mm,其中小麥休閑期降水量為341mm,小麥生育期降水量為160mm(圖1-A)。另外,在小麥拔節(jié)期出現(xiàn)低溫凍害,從4月6日到4月12日,持續(xù)期約為一周,期間日最低溫度大多為0℃以下(圖1-B)。1.2覆蓋時(shí)間及施肥要求采用兩因素完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),包括耕作覆蓋方式(常規(guī),覆蓋)和播種密度(187.5kg/hm2,150kg/hm2,112.5kg/hm2)共6個(gè)處理,分別為常規(guī)高密度(CHD)、覆蓋高密度(MHD)、常規(guī)中密度(CMD)、覆蓋中密度(MMD)、常規(guī)低密度(CLD)、覆蓋低密度(MLD)。常規(guī)種植同當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶即不覆蓋。覆蓋處理即從常規(guī)小麥?zhǔn)斋@后開始進(jìn)行麥草覆蓋,覆蓋量為6000kg/hm2,休閑期間各小區(qū)及時(shí)清除雜草。小區(qū)面積為20m2(5m×4m),4次重復(fù)。2012-09-21播種,冬小麥品種為長(zhǎng)旱58,播種行距為25cm,秸稈覆蓋區(qū)播種時(shí)噴灑農(nóng)藥防蟲害。試驗(yàn)地施純氮150kg/hm2,P2O575kg/hm2,所用肥料分別為尿素(含N46.4%)和重過磷酸鈣(含P2O544%),基肥一次施入。小麥于2013年6月21日至23日收獲。1.3數(shù)據(jù)記錄和測(cè)量1.3.1土壤剖面含水量的測(cè)定在田間每個(gè)小區(qū)中央位置埋設(shè)1個(gè)4m深的PVC管供測(cè)定土壤水分,水分的測(cè)定用CNC503B(DR)中子儀于試驗(yàn)期內(nèi)連續(xù)測(cè)定0~360cm土壤剖面的含水量,其中0~10cm及10~20cm表層的含水量采用烘干法測(cè)定。0~1m土層的測(cè)定間隔為10cm,1m以下土層的測(cè)定間隔為20cm。1.3.2集體動(dòng)態(tài)記錄從小麥出苗期開始在各個(gè)小區(qū)兩邊的采樣區(qū)進(jìn)行1m樣段定位觀測(cè),各生育期記錄樣段的莖穗數(shù)。1.3.3產(chǎn)量測(cè)收獲期對(duì)各小區(qū)冬小麥進(jìn)行收割計(jì)產(chǎn),稱取鮮質(zhì)量,生物量風(fēng)干后稱量,脫粒計(jì)算籽粒和生物量產(chǎn)量,其中籽粒于80℃烘干后稱量計(jì)算。1.4b作物生育期耗水量(1)土壤貯水量按下式計(jì)算,w(mm)=ρ×h×ω×10。式中,w為土壤水分總貯存量(mm),ρ為實(shí)測(cè)土壤體積質(zhì)量(g/cm3),h為土層厚度(cm),ω為土壤質(zhì)量含水量(%)。(2)生育期耗水量ET(mm):耗水量計(jì)算采用田間農(nóng)田水分平衡方程:式中,△W為作物生育期內(nèi)土壤貯水量變化量,即土壤貯水消耗量;P為該時(shí)段降水量(mm);R為地表徑流量(mm);F為補(bǔ)給地下水量(mm);ET為作物生育期耗水量(mm),包括植株蒸騰量和植株間地表蒸發(fā)量。由于試驗(yàn)地較平坦,因而可視地表徑流為零,地下水位深達(dá)60m,可視地下水補(bǔ)給量為零。故公式可改寫為:(3)水分利用效率WUE[kg/(hm2·mm)]=Y/ET,其中,Y為單位面積的籽粒產(chǎn)量(kg/hm2),ET為生育期的耗水量(mm)。1.5數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析采用MicrosoftExcel2003軟件處理數(shù)據(jù)及制圖,用DPS(DataProcessingSystem)7.05統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析。2結(jié)果與分析2.1不同密度下小麥冬期苗群的變化冬小麥的群體變化大概可以分為3個(gè)階段,前期分蘗的快速增長(zhǎng)階段、無效分蘗逐漸死亡的減少階段以及后期的穩(wěn)定階段。從表2可以看出不同播種密度在各個(gè)時(shí)期的差異表現(xiàn)不同,苗期群體表現(xiàn)為高密度>中密度>低密度,且差異達(dá)顯著水平,高密度較中密度和低密度的群體分別高出22%和42%。在越冬期由于小麥冬前極強(qiáng)的分蘗力群體達(dá)到了較旺盛的時(shí)期且各個(gè)處理間的差異最大,而到拔節(jié)期和抽穗期只有高密度的群體顯著大于低密度的群體,而中密度與高、低密度水平均沒有顯著差異。灌漿期開始不同密度水平間群體大小沒有顯著差異。除了拔節(jié)期覆蓋處理的群體顯著低于常規(guī)處理外,不同密度下常規(guī)處理和覆蓋處理的群體差異均不顯著。從抽穗期到成熟期覆蓋處理和常規(guī)處理的群體變化均較小。2.2試驗(yàn)期間土壤含水量的變化2.2.1不同時(shí)期土體貯水量變化由圖2-A可以看出0~1m土壤剖面的貯水量從休閑期開始到成熟期可分為4個(gè)階段。第一個(gè)階段為休閑快速增墑期(7月-9月末),休閑末較休閑開始土壤貯水量增加87~110mm。第二個(gè)階段為秋-冬-春干旱失墑期(10月-4月中旬),從播種到拔節(jié)初期0~1m土層貯水量減少了67~94mm。第三個(gè)階段為春夏作物快速生長(zhǎng)失墑期(4月中旬-5月中旬),從拔節(jié)中后期開始,水分消耗開始逐漸增大而降雨又較少,土壤貯水量快速降低。第四個(gè)階段為開花-成熟相對(duì)穩(wěn)定期,土壤水分緩慢下降,變化不明顯。高密度、中密度和低密度處理小麥生育期0~1m土層的平均貯水量分別為156mm、165mm和165mm。不同時(shí)期密度處理貯水量的差異表現(xiàn)不同,在越冬期中、低密度處理貯水量較高密度處理多16mm,且差異顯著,而在其余時(shí)期均差異不顯著。秸稈覆蓋和常規(guī)處理小麥試驗(yàn)期間0~1m土層的平均貯水量分別為176mm和171mm,在生育前期覆蓋處理和常規(guī)處理相比差異不顯著,常規(guī)處理的休閑蓄水量為96mm,覆蓋處理多蓄水8mm。從拔節(jié)到抽穗末期秸稈覆蓋的貯水量顯著高于常規(guī)處理,從花期到成熟期覆蓋處理和常規(guī)處理貯水量的差異逐漸減小。2.2.2土體中層(1~2m)貯水量變化圖2-B顯示了1~2m土層貯水量的變化動(dòng)態(tài),總體趨勢(shì)和0~1m土層在不同階段稍有差異且整體變動(dòng)幅度小。從小麥苗期到越冬期各個(gè)處理的貯水量均在增加,與0~1m土層的趨勢(shì)截然相反。從越冬到花期總體趨勢(shì)和0~1m土層的相同,各處理的貯水量均在減少,1~2m土層貯水量在花期后持續(xù)降低。高密度、中密度和低密度處理小麥生育期1~2m土層的平均貯水量相似,分別為199mm、207mm和208mm。整個(gè)生育期密度處理在不同階段1~2m土層的貯水量均無顯著差異。秸稈覆蓋和常規(guī)處理在小麥試驗(yàn)期間1~2m土層的平均貯水量分別為208mm和212mm,覆蓋處理的休閑蓄水量為70mm,較常規(guī)處理蓄存量多33mm,差異達(dá)極顯著水平,而其余階段的差異均不顯著。2.2.3m土壤貯水量從圖2-C可見,休閑末期常規(guī)耕作貯水量為359mm,秸稈覆蓋處理貯水量430mm,秸稈覆蓋的貯水量顯著高于常規(guī)處理。從播種到越冬各處理2~3.6m的貯水量均在增加;從返青期到拔節(jié)期則處于穩(wěn)定階段;從拔節(jié)后期開始該土層水分含量下降,與1~2m土層的貯水量趨勢(shì)相近。不同密度處理在整個(gè)生育期2~3.6m土壤貯水量均無顯著差異。秸稈覆蓋處理2~3.6m土層的休閑蓄水量為66mm,較常規(guī)處理多蓄積64mm,從播種到拔節(jié)初期覆蓋處理的貯水量仍極顯著高于常規(guī)處理,但從拔節(jié)后期開始覆蓋處理儲(chǔ)水量下降,與常規(guī)處理差異不斷減小,到成熟期覆蓋處理在與常規(guī)處理的貯水量之間差異不顯著。2.3覆蓋期間土壤剖面含水量經(jīng)過整個(gè)休閑期對(duì)降水的接納保蓄,秸稈覆蓋處理對(duì)土壤剖面的水分產(chǎn)生很大影響(圖3)。秸稈覆蓋和常規(guī)處理0~1m剖面的含水量差異不大,均在20~40cm土層含水量最高,1m以下土壤剖面含水量覆蓋處理較常規(guī)處理增加3%~33%,在測(cè)定土層360cm處覆蓋與不覆蓋含水量交匯。收獲期各個(gè)處理0~150cm土壤剖面土壤含水量相似,150cm以下土層除常規(guī)高密度(CHD)以及覆蓋高密度(MHD)處理土壤含水量稍低于其他處理外,處理間土壤水分含量差異也不顯著。小麥?zhǔn)斋@后土壤剖面水分分布與播種時(shí)相比表明,常規(guī)小麥生長(zhǎng)耗水深度達(dá)到2.6m,秸稈覆蓋達(dá)3.4m。2.4不同播種密度對(duì)小麥產(chǎn)量和生物量的影響表3為密度和秸稈覆蓋兩個(gè)因素對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響及其交互作用。在該試驗(yàn)?zāi)攴莶煌芏忍幚韺?duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響不顯著,但是顯著影響收獲指數(shù),高密度處理小麥?zhǔn)斋@指數(shù)顯著低于中密度和低密度處理。就平均值而言,中密度處理的籽粒產(chǎn)量最高,低密度處理的產(chǎn)量最低,而生物量則表現(xiàn)為高密度>中密度>低密度。不同播種密度也沒有顯著影響小麥的耗水量以及水分利用效率。秸稈覆蓋與常規(guī)不覆蓋相比,籽粒產(chǎn)量、生物量、產(chǎn)量構(gòu)成因素和收獲指數(shù)均差異不顯著。但是秸稈覆蓋小麥耗水量顯著高于常規(guī)不覆蓋,水分利用效率顯著低于常規(guī)不覆蓋。不同播種密度與秸稈覆蓋對(duì)水分利用效率有明顯的交互影響。從表4可以看出常規(guī)種植下播種密度對(duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量及其構(gòu)成因子和收獲指數(shù)的影響均不顯著,常規(guī)種植的中密度耗水量最大,水分利用效率顯著低于高密度和低密度。覆蓋處理下播種密度對(duì)冬小麥籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響也均不顯著,但是覆蓋處理高密度的收獲指數(shù)顯著低于中、低密度。覆蓋處理下不同密度的耗水量差異不顯著,高密度的水分利用效率顯著低于中、低密度。相同播種密度下的覆蓋處理和常規(guī)處理對(duì)冬小麥的籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量影響不顯著,中密度覆蓋處理顯著降低了小麥?zhǔn)斋@指數(shù),高密度覆蓋處理的水分利用效率顯著低于常規(guī)處理。2.5耗水比例與產(chǎn)量對(duì)不同處理花前花后的耗水比例(x)和產(chǎn)量(y)進(jìn)行相關(guān)分析(圖4),表明二者呈正相關(guān)的關(guān)系。當(dāng)ET計(jì)算基于0~3.6m土層水分變化時(shí),花前花后的耗水比例與產(chǎn)量的決定系數(shù)(r2)為0.4726,相關(guān)不顯著。當(dāng)ET計(jì)算基于0~2m土層水分變化時(shí),如大多數(shù)研究所采用,花前花后的耗水比例與產(chǎn)量的決定系數(shù)(r2)為0.6027,相關(guān)達(dá)到顯著水平,且花前花后的耗水比例為2.5時(shí)產(chǎn)量最高。3討論3.1不同密度處理小麥生育期土壤水分變化休閑期秸稈覆蓋顯著提高小麥播前土壤儲(chǔ)水量,這與其他研究報(bào)道一致。播種密度除顯著影響越冬期0~1m土層儲(chǔ)水量之外,其他小麥生育期或土層處理間土壤儲(chǔ)水量均差異不顯著。而王立明曾報(bào)道小麥抽穗期土壤貯水量隨播種密度的增加而降低。不同研究的差異可能與試驗(yàn)期間氣候條件有關(guān)。本試驗(yàn)小麥越冬期高密度群體顯著高于中低密度,水分利用也高于中低密度,導(dǎo)致土壤儲(chǔ)水量明顯低于中低密度,這也表明小麥生長(zhǎng)至越冬期土壤水分利用僅限于0~1m土層。但是由于小麥拔節(jié)前期遭遇了低溫凍害,加上生育期降雨稀少,播種密度對(duì)群體影響較小,耗水相似,導(dǎo)致不同密度處理在整個(gè)生育期下層土壤儲(chǔ)水量均無顯著差異。秸稈覆蓋和常規(guī)處理在生育前期0~1m土層儲(chǔ)水量相似,這與播前二者儲(chǔ)水量相似有關(guān),從拔節(jié)到抽穗末期秸稈覆蓋的貯水量顯著高于常規(guī)處理,可能是因?yàn)榘喂?jié)期常規(guī)處理的群體數(shù)顯著高于覆蓋處理,耗水較多,儲(chǔ)水量減少,另外在拔節(jié)至抽穗期有4次降雨,可能覆蓋處理促進(jìn)雨水下滲有助于儲(chǔ)水量增加。覆蓋處理播種時(shí)1~2m土層的蓄水量較常規(guī)處理多33mm,但是在小麥生育期二者水分差異均不顯著,這可能有兩個(gè)因素造成。其一是由于小麥生育前期對(duì)該土層水分利用少,土壤水分繼續(xù)再分布向下層移動(dòng),其二是小麥生育后期對(duì)該土層水分的充分利用。秸稈覆蓋處理2~3.6m土層播種時(shí)較常規(guī)處理多蓄積64mm,這種顯著差異一直維持到拔節(jié)初期,這可能與小麥拔節(jié)前上層土壤水分滿足了小麥的需求,沒有利用該土層水分有關(guān),另外土壤水分仍然處于再分布過程,上層土壤水分進(jìn)一步向下移動(dòng)增加了該土層水分。但是從拔節(jié)后期開始覆蓋處理與常規(guī)處理儲(chǔ)水量差異不斷減小,到成熟期二者差異不顯著,這與后期降雨量少、小麥大量耗水有關(guān),也表明小麥能夠充分利用深層土壤水分。小麥?zhǔn)斋@期及播前土壤剖面水分分布對(duì)比發(fā)現(xiàn)在休閑期降水較多,生育期干旱的環(huán)境下常規(guī)小麥生長(zhǎng)耗水深度達(dá)到2.6m,秸稈覆蓋達(dá)3.4m。這表明一般研究采用0~2m土層水分變化與降雨量進(jìn)行小麥水分利用估算有些偏低,造成水分利用效率估算