引用本文
孔凡磊, 袁继超, 张海林, 陈阜. 耕作方式对华北两熟区冬小麦生长发育和产量的影响. 作物学报, 2013, 39(9): 1612-1618[KONG Fan-Lei, YUAN Ji-Chao, ZHANG Hai-Lin, CHEN Fu. Effect of Tillage Practice on Growth and Development and Yield of Winter Wheat in Double Cropping Area in North China. Acta Agronomica Sinica, 2013, 39(9): 1612-1618]  
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耕作方式对华北两熟区冬小麦生长发育和产量的影响
孔凡磊1,2, 袁继超1, 张海林2, 陈阜2,*
1 农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室 / 四川农业大学农学院, 四川成都 611130
2农业部农作制度重点实验室 / 中国农业大学农学与生物技术学院, 北京 100193
* 通讯作者(Corresponding author): 陈阜, E-mail:chenfu@cau.edu.cn, Tel: 13601055372
基金:本研究由国家公益性行业(农业)科研专项(200903003, 201103001)和国家科技支撑计划项目(2006BAD15B01)资助。
摘要

为了解华北地区小麦-玉米两熟区不同耕作模式对冬小麦生育进程、群体大小及产量形成的影响, 2009-2011年通过田间定位试验比较了免耕(NTS)、旋耕秸秆还田(RTS)、翻耕秸秆还田(CTS)和翻耕秸秆不还田(CT) 4种耕作模式对冬小麦生长发育和产量的影响。结果表明, RTS、CTS和CT处理对冬小麦生育进程、群体大小、籽粒灌浆和产量无显著影响, 而NTS处理推迟了小麦生育进程, 造成明显的贪青晚熟。在基本苗差异不大的情况下, NTS处理的单株分蘖显著低于其他处理, 群体数量和有效穗数不足, 降低了干物质积累量, 最终产量最低, 较CT处理有效穗数低14.4%~16.9%, 产量低16.4%~18.3%。虽然NTS处理推迟了冬小麦的生育进程, 分蘖少穗数不足导致减产, 但其籽粒灌浆时间较长, 千粒重显著高于其他处理。因此, 通过增加播种量和选择分蘖能力强的品种, 保证免耕小麦群体数量, 是华北地区冬小麦免耕技术研究应用亟需解决的问题。

关键词: 耕作方式; 秸秆覆盖; 单株分蘖; 灌浆; 产量
Effect of Tillage Practice on Growth and Development and Yield of Winter Wheat in Double Cropping Area in North China
KONG Fan-Lei1,2, YUAN Ji-Chao1, ZHANG Hai-Lin2, CHEN Fu2,*
1 Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System in Southwest China, Ministry of Agriculture / College of Agronomy, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China
2Key Laboratory of Farming System, Ministry of Agriculture / College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China
Abstract

The objective of this study was to understand the effect of different tillage practice on growth durations of critical stages, population size, and final yield of winter wheat in the double-cropping area in North China. In a two-year field experiment from september 2009 to summer 2011, we compared the effects of no tillage with straw mulch (NTS), conventional tillage with straw (CTS), rotary tillage with straw (RTS), and conventional tillage without straw (CT), under the conditions of same sowing date and similar seedling densities within a year. The growing process, population size, grain filling, and final yield of winter wheat received no significant influence of the three tillage practices (RTS, CTS, and CT). The growing process of wheat was delayed significantly in NTS treatment, which resulted in late maturity. The lower yield in NTS than in other treatments was related with the significantly smaller number of tillers per plant, population size, amount of dry matter accumulation in NTS. Compared with CT, NTS showed a decreased fertile spike number by 14.4%-16.9% and a lower grain yield by 16.4%-18.3%. Although the growing process of NTS was delayed, and the yield was decreased because of the small population size, the grain filling period of NTS was longer and the grain weight was higher in NTS than in other treatments. Therefore, to ensure the population number of NTS by increasing seeding rate and selecting strong tillering varieties is the problem in urgent need to be solved in NTS technology research and application.

Keyword: Tillage practice; Straw mulching; Number of tillers per plant; Grain filling; Yield

适宜的耕作措施可以改善土壤的水热状况和其他理化性状, 促进作物生长发育, 提高产量。耕作直接改变土壤容重、孔隙和水分等土壤条件, 从而显著影响作物的生长和产量[1,2]。国内外学者对不同耕作方式下作物生长发育已有大量研究。免耕是保护性土壤耕作技术的重要内容, 具有节能、省时、土壤保墒、调节地温、肥力培养等优点,是目前国际上较为普遍的一种耕作方式, 已在很多国家得到广泛推广应用。国内外的研究人员对免耕进行了大量的研究, 但由于研究的土壤状况、种植制度、环境条件等的差异, 不同研究者的研究结果并不完全一致。Hughes等[3]认为由于土壤机械阻力等作用, 免耕的作物生长比常规耕作有延迟现象。国内也有很多报道支持这一观点, 认为免耕覆盖影响早春至返青期冬小麦的生长, 推迟了小麦生育进程[4,5,6]。免耕覆盖对小麦产量的影响, 不同试验研究有不同的结论。朱自玺等[7]认为不论何时覆盖和覆盖量多大, 凡是实行覆盖的麦田, 其产量均比未覆盖的高; 李玲玲等[5]在西北绿洲灌区开展试验, 发现免耕提高了冬小麦穗粒数、千粒重和产量; 周兴祥等[8]研究保护性耕作在华北一年两熟区的适应性, 提出免耕可比常规翻耕秸秆不还田显著提高冬小麦产量。但是另一些研究结果表明, 免耕等保护性耕作措施由于土壤较高的机械阻力、秸秆覆盖和土壤通气不良, 影响作物根系的生长而限制了作物对水分和养分的吸收, 导致小麦等作物苗期生长弱, 推迟小麦生育进程, 最终产量下降[6,9,10,11,12]。

一年一熟制是国外主要的种植制度, 国外对耕作方式的研究也基于该种植制度。而在中国, 一年多熟制较为普遍, 因而耕作方式与配套技术与国外有较大差别; 同时由于试验区域和作物有差异, 使不同研究的结果不尽相同。华北地区作为国内重要的小麦生产基地, 小麦播种前土壤耕作以翻耕秸秆不还田、旋耕秸秆还田和翻耕秸秆还田为主, 对该地区耕作制度的深入研究, 探索轻型栽培条件下提高小麦产量的改进技术有重要的意义。本研究通过两年田间试验, 对华北地区不同耕作方式下冬小麦生长发育和产量变化进行研究, 旨在为该区土壤耕作技术的发展提供试验依据。

1 材料与方法
1.1 试验区概况

中国农业大学吴桥实验站(37°41′02″ N, 116°37′ 23″ E, 海拔14~22 m)地处典型的冬小麦-夏玉米一年两熟制区, 年平均气温12.6℃, 全年≥0℃积温4862.9℃, 年平均降水量变化较大, 平均562 mm, 主要分布在6月至8月。土壤为冲积型盐化粉质壤土, 耕层土壤平均容重为1.39 g cm-3。2009年秋季试验前耕层土壤(0~20 cm)含有机质12.4 g kg-1、全氮0.79 g kg-1、速效钾94.2 mg kg-1、速效磷44.6 mg kg-1。

1.2 试验设计

2009—2011年连续2个小麦生长季, 在前茬玉米收获后, 设翻耕秸秆不还田(CT)、翻耕秸秆还田(CTS)、旋耕秸秆还田(RTS)和免耕(NTS) 4个处理, 随机区组设计, 3次重复。CT处理为将秸秆清理出农田后撒施化肥, 铧式犁翻耕1遍, 耕深20 cm, 旋平后播种。其他3个处理均为玉米秸秆粉碎还田, 还田量8826 kg hm-2, 其中CTS处理撒施化肥后用铧式犁翻耕1遍, 耕深20 cm, 再用1GKN-200旋耕机(石家庄连达农业机械有限公司)旋耕1遍, 旋平后播种; RTS处理撒施化肥后用1GKN-200旋耕机(石家庄连达农业机械有限公司)旋耕2遍播种, 旋耕深度15 cm; NTS处理采用2BMFS-6/12B型免耕覆盖施肥播种机(河北农哈哈机械集团有限公司)一次性完成播种、施肥和镇压作业, 地表形成沟、垄背的微地表(垄背垄沟高度差为13 cm), 小麦种播于垄沟两侧土壤中, 秸秆覆盖在地表。

表1 不同耕作处理的冬小麦基本苗Table 1 Seedling densities of winter wheat in different tillage treatments (m-2)

选用冬小麦品种冀麦22。为保证各处理基本苗数相当(表1), NTS处理播种量为280.0 kg hm-2, 其他处理播种量为270.0 kg hm-2。分别于2009年10月13日和2010年10月8日播种, 2010年6月16日和2011年6月13日收获。各处理小麦季均在耕地前基施尿素225 kg hm-2、磷酸二氢铵225 kg hm-2, 冬小麦起身后追施尿素225 kg hm-2, 折合N 236.2 kg hm-2、P2O5 60 kg hm-2; 小麦播种前浇30 mm底墒水, 并在返青和开花期各灌水60 mm, 灌水时采用水表控制灌水量。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 冬小麦生育进程 小麦播种后30 d, 随机选取每处理有代表性的6个样区, 每样区包括并列的4行各1 m长样段。记录调查样段内冬小麦的生育时期及分蘖动态。

1.3.2 干物质积累 在关键生育时期(越冬前、起身、拔节、开花和成熟期), 每处理随机取20个代 表性单株, 3次重复, 采用烘干法测定地上部干物质重量。

1.3.3 籽粒灌浆动态 以CT处理小麦开花日期为基准, 开花后每5 d取样一次, 每次取20株, 3次重复。将样品的籽粒剥出, 烘干后称重, 并计算千 粒重。

1.3.4 籽粒产量 成熟后每处理各取4 m2收获, 测定有效穗数和实际产量, 随机取代表性20株, 于室内考种, 考察穗粒数和千粒重, 3次重复。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2003和SPSS15.0软件处理数据和统计分析, 以Microsoft Excel 2003绘图。

2 结果与分析
2.1 耕作方式对冬小麦生育进程的影响

各处理播种期和收获期一致, 但冬小麦生育进

程受耕作方式显著影响。与CT处理相比, RTS和CTS生育进程变化不大, 而NTS则推迟(表2)。NTS处理小麦出苗晚2~3 d, 返青后气温逐渐升高, 土壤温度也随之升高, 不同耕作方式下冬小麦的生育期逐渐趋于一致, 但仍存在一定的差异, NTS处理返青、拔节和开花期推迟1~3 d, 也明显比其他处理贪青晚熟(图1)。2011年6月8日RTS、CTS、CT处理小麦植株叶片已黄化枯死, 且籽粒已结束灌浆; 而NTS处理小麦叶片仍呈绿色, 小麦籽粒仍处于灌浆期。因此, NTS处理虽然开花灌浆晚, 但灌浆持续时间与其他处理差异不大, 甚至更长。

图1 不同耕作方式下冬小麦植株形态(2011年6月8日)NTS: 免耕; RTS: 旋耕秸秆还田; CTS: 翻耕秸秆还田; CT: 翻耕秸秆不还田。Fig. 1 Plant morphology of winter wheat at mature under different tillage practices on June 8, 2011NTS: no tillage with straw mulch; RTS: rotary tillage with straw; CTS: conventional tillage with straw; CT: conventional tillage without straw.

2.2 耕作方式对冬小麦群体特征的影响

2.2.1 耕作方式对冬小麦单株分蘖的影响 RTS、CTS与CT处理的单株分蘖数在不同生育时期差异不显著, 但均显著( P<0.01)高于NTS处理(图2)。拔节期(2010年4月19日、2011年4月14日) RTS、CTS、CT处理的单株分蘖数为2.17~2.30 (2009—2010生长季)和2.66~2.96 (2010—2011生长季), 而NTS处理仅为1.80 (2009—2010生长季)和1.66 (2010—2011生长季); 至成熟期(2010年6月12日、2011年6月8日)为0.48~0.50 (2009—2010生长季)和0.49~0.54 (2010—2011生长季), 而NTS处理仅为0.27 (2009—2010生长季)和0.22 (2010—2011生长季)。

图2 不同耕作方式下冬小麦单株分蘖动态NTS: 免耕; RTS: 旋耕秸秆还田; CTS: 翻耕秸秆还田; CT: 翻耕秸秆不还田。Fig. 2 Dynamics of tillering in winter wheat under different tillage practicesNTS: no tillage with straw mulch; RTS: rotary tillage with straw; CTS: conventional tillage with straw; CT: conventional tillage without straw.

2.2.2 耕作方式对冬小麦干物质积累的影响 冬小麦干物质积累均呈“S”型变化趋势(图3)。与CT相比, RTS、CTS的干物质积累量变化不大, 而NTS干物质积累量在各时期均较小。2009—2010生长季由于越冬提前, 返青推迟, 冬前小麦基本没有分蘖, 在冬前和返青期NTS的干物质积累量与其他处理差异不显著, 但返青后RTS、CTS、CT处理分蘖快速增加, 干物质积累也迅速增加, 而NTS处理分蘖少, 干物质积累量也少, 均显著( P<0.01)低于其他处理; 2010—2011生长季, NTS的干物质积累量在各生育期均显著( P<0.01)低于其他处理。2个生长季NTS、RTS、CTS、CT处理成熟期的干物质积累量平均为14 944.95、18 998.7、19 765.8和18 521.4 kg hm-2。

图3 不同耕作方式下冬小麦干物质积累动态NTS: 免耕; RTS: 旋耕秸秆还田; CTS: 翻耕秸秆还田; CT: 翻耕秸秆不还田。Fig. 3 Dynamics of dry matter accumulation in winter wheat under different tillage practicesNTS: no tillage with straw mulch; RTS: rotary tillage with straw; CTS: conventional tillage with straw; CT: conventional tillage without straw.

表2 不同耕作方式下冬小麦主要生育期日期Table 2 Dates of main growth stages of winter wheat under different tillage practices (month/day)
2.3 冬小麦灌浆特性

各处理冬小麦籽粒千粒重均呈现慢-快-慢的“S”型曲线变化(图4)。RTS、CTS、CT处理开花日期一致, 籽粒灌浆过程差异不大; NTS处理灌浆推迟, 且灌浆前期籽粒干物质显著偏低( P<0.05), 但随后灌浆加快, 到灌浆后期籽粒干物质积累逐渐超过其他处理, 且NTS处理小麦后期贪青晚熟, 灌浆持续时间与其他处理差异不大, 甚至灌浆时间延长, 致使最终千粒重显著高于其他3个耕作处理( P<0.05)。

2.4 耕作方式对冬小麦产量的影响

在基本苗差异不大的情况下, RTS、CTS、CT处理间千粒重差异不显著, 但NTS处理千粒重显著高于这3个处理; 穗粒数受耕作方式影响不大, 处理间无显著性差异; NTS处理有效穗数最低, 且显著( P<0.01)低于其他处理(表3)。与CT处理相比, NTS处理的有效穗数低14.4%~16.9%。

两个生长季的平均籽粒产量表现为CTS>RTS> CT>NTS, RTS、CTS和CT处理间无显著差异; NTS处理虽然有较高的千粒重, 但因穗数偏低, 最终籽粒产量显著低于其他处理; 与CT相比, NTS两个生长季分别减产16.4%和18.3%, 平均减产17.4%。

图4 不同耕作处理下冬小麦籽粒千粒重积累动态NTS: 免耕; RTS: 旋耕秸秆还田; CTS: 翻耕秸秆还田; CT: 翻耕秸秆不还田。Fig. 4 Dynamics of 1000-grain weight accumulation in winter wheat under different tillage practicesNTS: no tillage with straw mulch; RTS: rotary tillage with straw; CTS: conventional tillage with straw; CT: conventional tillage without straw.

表3 不同耕作方式对冬小麦产量及产量构成的影响Table 3 Yield of winter wheat under different tillage practices
3 讨论

很多研究指出秸秆覆盖会推迟作物生育进程, 并认为主要是秸秆覆盖减弱了光对地面的照射强度, 使土壤吸热少升温慢, 降低了土壤温度, 秸秆覆盖还田在冬前和冬小麦返青期表现出的“降温效应”推迟了冬小麦生育进程[4,6,13,14]。耕作方式影响冬小麦生育进程, 与翻耕秸秆不还田相比, 免耕处理推迟了冬小麦生育进程, 而旋耕秸秆还田和翻耕秸秆还田对冬小麦生育进程影响不大。这主要是由于免耕下秸秆覆盖地表降低了土壤温度, 而秸秆还田下的旋耕和翻耕秸秆与土壤混合形成疏松的耕层, 地表无秸秆覆盖, 在越冬前和返青后疏松耕层土壤温度提高快有利于小麦生长。免耕冬小麦在生育后期存在贪青晚熟的现象, 这可能与免耕土壤水分含量较高有关。

耕作方式对冬小麦群体影响显著, 主要表现在免耕降低了冬小麦单株分蘖数和干物质积累量。以往研究认为玉米秸秆还田免耕影响冬小麦出苗, 最终导致群体数量降低出现减产[6,14]。本研究发现在基本苗差异不大的情况下, 免耕冬小麦分蘖不足是导致冬小麦群体数量低, 干物质积累减少的主要原因。与翻耕秸秆不还田相比, 翻耕秸秆还田和旋耕秸秆还田冬小麦单株分蘖和干物质积累无显著变化。可见, 秸秆还田下进行翻耕和旋耕对冬小麦群体影响不大。

两个生长季旋耕秸秆还田、翻耕秸秆还田和翻耕秸秆不还田3个处理冬小麦开花日期一致, 2009—2010季冬小麦于5月9日开花进入籽粒形成和灌浆时期, 2010—2011季冬小麦于5月7日开花; 免耕冬小麦开花日期推迟2 d, 因此籽粒灌浆时间相对较晚。虽然免耕开花灌浆晚, 但小麦灌浆持续时间与其他处理差异不大, 甚至比其他处理灌浆时间长。与其他处理相比, 免耕处理冬小麦籽粒灌浆前期低, 但由于秸秆覆盖抑制了蒸发, 增加了土壤水分含量, 灌浆后期土壤水分状况好, 利于小麦籽粒灌浆, 最终籽粒千粒重最大[15]。这与周兴祥等[8]对在华北一年两熟区的研究结果一致。另一方面, 由于免耕 处理冬小麦单株分蘖少, 造成群体偏低减少了水 分的消耗, 为幼穗分化及籽粒的形成提供了较多的水分, 从而为提高和增加冬小麦的千粒重奠定了基础[16]。

关于秸秆还田免耕措施对作物产量影响国内外研究比较多, 但所得结果存在差异[17,18]。本文研究发现, 与翻耕秸秆不还田相比, 秸秆还田下旋耕和翻耕冬小麦产量无显著变化, 而免耕冬小麦产量显著降低。这与陈素英等[13]在相似地区的研究结论一致。以往研究认为免耕冬小麦产量降低主要是由于出苗差、出苗率低[6], 而本研究在基本苗差异不大的情况下, 免耕处理冬小麦产量仍然显著降低, 其产量降低主要原因是单株分蘖数低造成群体数量和最终有效穗数不足。因此, 如何提高冬小麦单株分蘖能力和分蘖成穗率, 保证足够的群体数量, 是解决华北地区免耕冬小麦产量降低的主要课题。

4 结论

耕作方式对华北地区冬小麦生长发育和产量影响显著, 与翻耕秸秆不还田相比, 免耕推迟了冬小麦生育进程、降低了小麦群体数量和产量; 而秸秆还田下旋耕和翻耕对冬小麦生育进程、群体数量、籽粒灌浆和最终产量影响不大。可见玉米秸秆还田方式对冬小麦生长发育和产量的影响不同, 秸秆以翻耕埋入土壤或以旋耕方式还田在短期内(2年)对冬小麦生长发育和产量的影响不大, 而免耕短期内对冬小麦生长产生不利影响。虽然免耕推迟了冬小麦的生育进程, 分蘖少穗数不足导致减产, 但其灌浆时间较长, 千粒重显著高于其他处理, 且免耕具有减少机械进地次数节本增效的作用。因此通过增加小麦播种量和选择分蘖能力强的品种等措施保证免耕小麦群体数量, 是华北地区冬小麦免耕技术研究应用亟需解决的问题。

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