2012— 2013和2013— 2014年度, 在四川省简阳市芦葭镇英明村(30° 17′ N, 104° 30′ E, 海拔750 m)同一地块进行小麦/玉米套作。试验区域属亚热带湿润气候, 年均温度17° C, 年降雨量900 mm, 主要集中在夏季和秋季, 小麦播种至抽穗期易遭受干旱影响。2012— 2013年度属严重干旱年, 从2012年11月至2013年3月降雨仅有17.9 mm, 约为30年平均值的26%; 2013— 2014年度整个生育阶段的降水量高于常年约20%, 2013年11月至2014年3月降雨81.6 mm, 高出30年平均值的17.0%, 为湿润年(图1)。试验田土壤为黏壤。0~20 cm的土壤含有机质14.80 g kg^-1, pH 7.82, 全氮、磷和钾分别为1.42、0.99和18.64 g kg^-1; 有效氮、磷、钾分别为74.08、15.76和91.38 mg kg^-1。

随机区组设计, 3次重复, 小区面积1 m × 8 m = 8 m²。种植带宽2 m, 小麦和玉米各占1 m。小麦带种4行, 品种为川麦104, 用2B-4播种机(中江县泽丰小型农机制造有限公司, 四川德阳)播种, 播种量为158 kg hm^-2(净), 行距25 cm; 玉米带种2行, 品种为成单30, 人工直播, 每穴2粒, 行距为1 m, 穴距约23 cm。共设4个处理, 分别是玉米收获后秸秆移出地外+小麦播后无秸秆覆盖(对照, CK)、CK+播种后及拔节期各浇水1次(T1)、玉米收获后秸秆就地覆盖+小麦播后无秸秆覆盖(T2)和玉米收获后秸秆就地覆盖+小麦播后行间整秆覆盖(T3)。秸秆覆盖量为13 800 kg hm^-2 (秸秆含水量约9%), 覆盖时间分别是2012年8月28日和2013年8月12日。播种前, 对所有小区旋耕1次, 深度15 cm。对秸秆覆盖处理在播前先将未腐解完的残留秸秆转移到小区外, T3处理在播后再将残余秸秆盖于行间。播前施复合肥(N-P-K, 15%-15%-15%) 600 kg hm^-2作底肥, 尿素130 kg hm^-2在分蘖中期作为追肥, 氮肥的底追比为6︰4。苗期进行化学除草, 孕穗和灌浆期防治蚜虫。T1处理在播种后、拔节期各灌水1次, 灌水量为5.6 mm。其余田间管理措施同大田生产。

小麦分别于2012年11月3日和2013年10月31日播种, 2013年4月27日和2014年5月10日收获。玉米分别于2012年4月28日和2013年5月7日播种, 2013年8月27日和2014年8月11日收获。

图1

Fig. 1

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	图1 试验点小麦生长季降雨量分布Fig. 1 Monthly precipitations during wheat growing period in experimental site

1.2.1 籽粒产量及地上部生物量 以各小区实收测产, 计算标准水分(13%)的籽粒产量。在分蘖盛期、拔节初期、开花期和成熟期, 取每小区2点, 每点2行连续20 cm植株, 将地下部分剪掉。将分蘖盛期和拔节期植株分为叶片和茎鞘, 开花期分为绿叶、黄叶+茎鞘和穗, 成熟期分为叶片、茎鞘、穗和籽粒, 分别烘干称重, 计算群体地上部生物量及收获指数。用套作区总面积计算产量及生物量。

1.2.2 土壤含水量及水分利用效率 于覆盖前、播种前以及分蘖期、冬至期、拔节期、孕穗期、开花期、孕穗中期和成熟期, 采用烘干称重法测定3个重复0~40 cm不同层次(0~10、10~20和20~40 cm)的土壤含水量。W=W_i× D_i× H_i× 10 ^[21], 式中, W为土壤贮水量(mm); W_i为第i层土壤质量含水率(%); D_i为第i层土壤体积质量(g m^-3); H_i为第i层土壤厚度(cm)。

水分利用效率WUE (kg km^-2 mm^-1) = GY/ET^[22], ET = P + I +Δ S^[23]。式中, GY为籽粒产量(kg hm^-2), ET为耗水量(mm), P为降雨量(mm), I为灌溉量(mm), Δ S为收获期和播种期0~40 cm土壤贮水量之差(mm)。

1.2.3 根系特征 2013— 2014年度分别于分蘖盛期、拔节初期、开花期, 取每小区2点各2行, 以植株为中心, 挖取长50 cm、宽10 cm、深30 cm 的植株及土块, 装入100目的尼龙网袋, 于水中浸泡2 h, 用流水冲洗, 去除杂质。将植株地上及地下部分烘干称重, 计算根冠比。同期取每小区2点, 随机在两行小麦中间用土钻(直径4 cm)挖取深度为0~10、10~20和20~30 cm的土块放入尼龙网袋中, 用同样方法清洗干净, 放入装有一薄层去离子水的玻璃皿中, 用镊子调整根的位置以尽量避免交叉重叠, 用根系扫描仪(ScanWizard EZ)扫描图像, 后用WSeens根系分析系统(杭州万深检测科技有限公司)分析和计算。测得根长、根直径及根表面积, 计算根长密度、根表面积密度, 并将根烘干称重计算比根长及根质量密度。

1.2.4 叶片SPAD值 开花初期标记每小区10株, 用叶绿素测定仪(SPAD-502; Konica Minolta Sensing Inc., Osaka, Japan)测定标记株花后0、20、35和42 d的旗叶和倒二叶的SPAD值, 取同一叶片1/3和2/3处读数, 求平均值。

采用Statistical Analysis System (SAS) Version 8.0进行方差分析和Pearson线性相关分析; 用最少极差(least significant difference, LSD)法进行多重比较; 用Microsoft Excel 2007绘图。

小麦产量和地上部生物量在年际间差异很大, 干旱年(2013— 2014年度)处理之间差异较大, 而湿润年(2012— 2013年度)差异较小。干旱年T1、T2、T3处理的产量依次为4151、3926、3603 kg hm^-2, 分别较CK增产42.0%、34.3%和23.2%; 湿润年T1、T2、T3处理间差异不显著, 但T3显著高于CK。收获指数在处理间无显著差异(表1)。

地上部生物量也因降水丰欠而不同, 干旱年处理间有显著差异, 而湿润年无显著差异。2012— 2013年度, 覆盖及灌水3个处理在播种至分蘖阶段的地上部生物量积累显著高于CK; 分蘖至开花阶段, T1和T2处理显著高于CK, T3处理与CK无显著差异; 花后各处理均无显著差异。各阶段的生物量与产量极显著相关, 以开花至成熟阶段的相关系数最大(表1)。

总体上秸秆覆盖对保持土壤含水量有明显优势, 但随土壤深度增加, 处理间差异逐渐缩小(图2)。与无覆盖的CK、T1相比, 2个覆盖处理0~10 cm土壤含水量在拔节前显著提高, 尤其是干旱的2012— 2013年度, 至灌浆中期仍有显著差异; 10~20 cm土层的土壤含水量, 2012— 2013年度在覆盖前、播种前和成熟期, 2013— 2014年度在播种前和拔节期, 覆盖处理显著高于CK; 而20~40 cm土层的土壤含水量, 两年度在处理间均无显著差异。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同处理小麦产量及地上部生物量 Table 1 Wheat yield and above-ground biomass in different treatments 处理 Treatment 产量 Yield (kg hm-2) 收获指数 Harvest index 地上部生物量Above-ground biomass (kg hm-2) 播种-分蘖 Sowing-tillering 分蘖-拔节 Tillering-jointing 拔节-开花 Jointing-anthesis 开花-成熟 Anthesis-maturity 2012-2013 CK 2924 b 0.496 a 59 b 279 b 3455 b 1691 a T1 4151 a 0.498 a 88 a 393 a 4623 a 1366 a T2 3926 a 0.496 a 86 a 433 a 4399 a 1056 a T3 3603 a 0.498 a 84 a 285 b 3594 ab 2231 a 2013-2014 CK 5854 b 0.510 a 281 a 878 a 6874 a 3291 a T1 5928 ab 0.513 a 305 a 879 a 6636 a 2913 a T2 5958 ab 0.509 a 292 a 942 a 6831 a 2708 a T3 6058 a 0.505 a 312 a 932 a 6859 a 3058 a 与产量相关性 Correlation with yield 0.895* * 0.948* * 0.900* * 0.880* * 0.966* * CK: non-mulching; T1: non-mulching plus two irrigations after sowing and at jointing stage; T2: straw mulching before sowing; T3: straw mulching before sowing and during wheat growth. In each growing season, values followed by different letters are significantly different at P< 0.05. * * denotes significant correlation at P < 0.01. CK:无秸秆覆盖(对照); T1: CK+播种后及拔节期各浇水1次; T2: 玉米收获后秸秆就地覆盖+小麦播后无秸秆覆盖; T3: 玉米收获后秸秆就地覆盖+小麦播后行间整秆覆盖。数据后不同字母表示同一年度处理间差异显著(P< 0.05)。* * 表示相关性在P < 0.01水平显著。

表1 不同处理小麦产量及地上部生物量 Table 1 Wheat yield and above-ground biomass in different treatments

干旱年, 与CK相比, 秸秆覆盖和灌水均显著提高水分利用效率, T1、T2、T3处理无显著差异, 分别较CK高27.2%、29.6%和18.8%; 而在湿润年, 各处理的水分利用效率无显著差异(图3-A)。相关分析表明, 水分利用效率与产量呈极显著正相关, 干旱年份相关程度更大(图3-B)。

分蘖期T1的根干重和根冠比最高, T2次之。拔节期和开花期, T2处理的根干重比CK高20.8%和34.5%, 根冠比较CK高13.4%和34.0%, 其他处理与CK无显著差异(表2)。

主要生育期的比根长在处理间均无显著差异。根长密度、根质量密度和根表面积密度的表现趋势相近, 拔节期处理间无显著差异, 分蘖期T1显著高于CK, 其他处理与CK无显著差异, 开花期T2显著高于CK处理, 其他处理与CK差异较小(表2)。

0~30 cm土层中, 根系主要集中于0~10 cm, 10 cm以下急剧减少。在0~10 cm土层, T1、T2和T3的根长密度和根表面积密度均低于CK, 而在10~20 cm和20~30 cm土层则高于CK。拔节期10~20 cm土层T2的根长密度显著高于CK, 开花期T3处理显著高于CK (图4)。说明秸秆覆盖有促进根系下移的作用, 而灌水处理对不同土层的根系参数较CK无优势, 甚至表层根长密度和根表面积密度显著低于CK。

干旱年份的叶片SPAD值随花后生育进程而急剧下降, 倒二叶较旗叶下降更快(图5)。至花后35 d, 旗叶、倒二叶的SPAD值较开花期分别减少43.9%~67.5%和70.2%~83.9%。T1、T2和T3在花后0、20、35 d的SPAD值无显著差异, 但均显著高于CK。在湿润年份, SPAD值在花后20 d内下降较缓, 至花后35 d才开始急剧下降, 在各个测定时期处理间均无显著差异。

以秸秆覆盖为主要内涵的保护性耕作对小麦产量的影响并不一致, 表现增产、减产或无影响^{[7, 16, 17, 18, 24, 25, 26, 27]}。多数研究认为, 秸秆覆盖和灌溉处理能有效提高小麦产量及生物量, 尤其在干旱半干旱地区或干旱年份更为明显^{[7, 16, 17, 18]}。刘婷等^[24]报道, 全程覆盖及休闲期覆盖较不覆盖增产27.1%~65.7%; 马永良等^[25]认为, 玉米秸秆整株还田或者粉碎还田后, 下茬小麦增产幅度达10%。覆盖后增产与否, 与降水多少即水分年型关系密切, 干旱年份往往增产显著, 而湿润年份不增产甚至减产^{[18, 26]}, 灌溉和秸秆覆盖的增产效应源于水分利用效率的提升作用^[7]。本研究结果类似, 玉米秸秆覆盖较不覆盖增产, 但年际间因气候因素影响差异显著, 干旱年份休闲期覆盖及灌水处理较CK的增产幅度更大(表1)。有研究表明, 播前底墒对小麦生产至关重要, 小麦一半以上的产量取决于播种前底墒的好坏^[25], 尤其在降水量相对较低的情况下底墒可以起到稳产作用。本研究中干旱年灌水处理和休闲期覆盖处理所获得的高产也主要得益于播前充足的底墒(图2), 而2013— 2014年雨水较充沛, 处理间产量差异不明显, 进一步证明保护性耕作在干旱环境下的增产效果更明显^[27]。

干物质阶段积累量对作物产量具有重要的影响, 小麦籽粒产量2/3左右来自开花后的同化产物, 在营养充足的条件下对产量的贡献率甚至达90%以上^[28], 花后物质生产量的增加是产量增加的主因^[29]。本研究中, 四川盆地小麦全生育期较短, 特别是出苗至拔节仅60 d左右, 分蘖时间短, 调控余地小。因此, 中前期的物质积累对产量也有十分重要的作用, 播种至分蘖、分蘖至拔节阶段的干物质积累量与产量极显著相关, 开花至成熟阶段的相关程度略高(表1), 该结果与孟凡德等^[30]的结果一致。本研究中干旱年份休闲期覆盖和灌水处理的干物质积累量在花前均显著高于对照, 开花至成熟阶段差异不显著, 而湿润年各生育阶段干物质积累量处理间均无差异, 但休闲期覆盖在生育前期(分蘖和拔节期)略高于对照, 表明秸秆覆盖和灌水均有利于花前干物质积累, 进而促进增产。

图2

Fig. 2

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图2 不同处理各小麦生育阶段的土壤含水量BM: 覆盖前; BP: 播种前; TS: 分蘖期; MW:冬至期; JS: 拔节期; BS: 孕穗期; AS: 开花期; MG: 灌浆中期; MS: 成熟期。* 和* * 表示处理间在P < 0.05和P < 0.01水平显著差异。Fig. 2 Gravimetric soil water in different treatments during wheat growthBM: before mulching; BP: before sowing; TS: tillering stage; MW: midwinter stage; JS: jointing stage; BS: booting stage; AS: anthesis stage; MG: mid-filling stage; MS: maturity stage. * and * * indicate significant difference among treatments atP< 0.05 and P< 0.01, respectively.

图3

Fig. 3

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	图3 不同处理的水分利用效率(A)及其与产量的关系(B)Fig. 3 Water use efficiency in different treatments (A) and its correlation to yield (B)

误差比线上不同字母表示处理间有显著差异(P< 0.05)。

Bar represented by differeent letters are significantly different at P< 0.05.

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同处理的小麦根干重、根冠比及0~30土层根系生长特性(2013-2014) Table 2 Specific root length, root length density, root dry matter density and root surface area density under different straw mulching patterns in 0-30 cm soil layer at different growth stages (2013-2014) 处理 Treatment 根干重 Root dry weight (g m-2) 根冠比 Root-shoot ratio 0~30 cm土层 0-30 cm soil layer 比根长 Specific root length (g m-1 DW) 根长密度 Root length density (cm cm-3) 根质量密度 Root dry matter density (× 10-4 g cm-3) 根表面积密度 Root surface area density (cm2 cm-3) 分蘖期 Tillering stage CK 6.93 b 0.123 b 24.61 a 0.120 b 0.462 b 0.037 b T1 9.57 a 0.157 a 29.92 a 0.191 a 0.638 a 0.059 a T2 7.88 ab 0.135 ab 27.09 a 0.139 ab 0.525 ab 0.043 b T3 7.00 b 0.112 b 26.43 a 0.114 b 0.467 b 0.034 b 拔节期Jointing stage CK 58.78 b 0.254 ab 23.81 a 0.474 a 1.819 a 0.114 a T1 47.64 b 0.201 b 20.81 a 0.388 a 1.769 a 0.118 a T2 70.99 a 0.288 a 20.92 a 0.385 a 1.959 a 0.113 a T3 53.08 b 0.213 b 20.03 a 0.459 a 1.588 a 0.117 a 开花期 Anthesis stage CK 44.59 b 0.028 a 25.77 a 0.289 b 1.652 b 0.079 b T1 45.38 b 0.029 a 17.63 a 0.355 b 1.805 b 0.102 ab T2 59.98 a 0.037 a 23.11 a 0.402 a 2.543 a 0.193 a T3 40.47 b 0.025 a 19.69 a 0.395 a 1.741 b 0.115 ab

表2 不同处理的小麦根干重、根冠比及0~30土层根系生长特性(2013-2014) Table 2 Specific root length, root length density, root dry matter density and root surface area density under different straw mulching patterns in 0-30 cm soil layer at different growth stages (2013-2014)

同一生育时期内比较, 标以不同字母的值间差异显著(P < 0.05)。缩写同表1。

In each growth stage, values followed by different letters are significantly different at P < 0.05. Abbreviations are the same as those given in Table 1.

秸秆覆盖在改变农田下垫面的性质和能量平衡, 调节土壤温度, 改善土壤水分状况, 以及提高作物水分利用效率等方面具有显著的作用^[7]。据报道, 秸秆覆盖的水分利用效率比无覆盖处理增加25%~ 46%^{[2, 7]}; 秸秆覆盖在雨后的土壤含水量较裸地增长24.7%, 干旱时增长51.3% ^[31]。本研究结果发现, 覆盖处理以干旱年份的保水优势更为明显^[32]。随土壤深度的增加, 处理间的土壤含水量差异减小, 在20~40 cm土层无显著差异(图2)。另外, 灌水处理及秸秆覆盖在干旱条件下均能有效提高水分利用效率, 在湿润年份也有一定效果(图3), 这与Huang等^[7]的结果相符。耗水量主要取决于降雨量和土壤储水消耗量, 2013— 2014年度雨水充沛, 且分配较均衡, 储 水消耗很少, 不同处理之间水分利用效率差异不明显; 2012— 2013年度降水量显著低于常年, 整个3月几乎没有有效降水, 储水消耗显著增加, 加之处理间保水效果和产量均存在显著差异, 使得水分利用效率显著不同。

根系是植物吸收、转化和储藏营养物质的重要器官, 其生长好坏直接影响地上部分产量和作物的水土保持能力^[33]。根系的生长集中表现为生物量的累积^[34], 而根系对土壤水分和养分的竞争能力则主要由根长密度、根质量密度及根表面积密度等根系特征决定^[35]。葛体达等^[34]试验表明, 秸秆覆盖处理增加玉米苗期的根长、根表面积, 根冠比提高36.72%、根系生物量提高62.53%。本研究发现, 休闲期覆盖的根长密度、根质量密度和根表面积密度在分蘖期均不及灌水处理, 但到了开花期则超越灌水处理, 并显著高于对照(表2)。究其原因, 可能是分蘖期灌溉处理提高了土壤含水量, 促进了根系生长^[36], 为优化地上部结构和增产奠定了基础; 而到拔节期和开花期, 秸秆覆盖的调温、保水效应进一步显现, 利于促进根系生长和新根产生, 并延缓根系的衰老^[37]。本试验, 不同处理的根系都主要集中在0~10 cm土层, 10 cm以下急剧减少, 这主要因为四川丘陵旱地小麦耕层较浅, 地表40 cm以下石子较多, 且本地区小麦生育期相对较短, 根系生长发育活动主要集中在0~10 cm土层。秸秆覆盖可显著增加根系在深层土壤中的分布, 延缓后期根系生长量的下降速率^[13], 这对后期地上部分的生长起着重要作用。

叶绿素含量的高低决定了叶片光合速率的大小, 也是叶片衰老的重要生理指标。适量的玉米秸秆覆盖可提高接茬小麦的叶绿素含量与光合速率, 特别是提高叶绿素a含量^[38]。小麦旗叶生育后期早衰对产量的影响约占1%~5%, 秸秆覆盖减缓隔茬冬小麦旗叶叶绿素后期的降解速率, 进而对增加冬小麦产量起到了关键作用^[13]。本研究中, 干旱年份开花阶段降雨极少, 导致花后旗叶和倒二叶SPAD值急剧下降, 而秸秆覆盖及灌水处理均能延缓SPAD的下降, 花后0、20和35 d的SPAD值显著高于对照(图5)。王法宏等^[39]研究表明, 小麦旗叶叶绿素降解速度下降, 光合作用增强, 主要是小麦根系向深度扩展所致。本研究中秸秆覆盖也促进了干旱条件下根系的下移, 进而延缓了小麦叶片的衰老。