毛安然，趙護兵，楊慧敏，王濤，陳秀文，梁文娟

不同覆蓋時期和覆蓋方式對旱地冬小麥經濟和環(huán)境效應的影響

1西北農林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌 712100；2乾縣果樹技術服務站，陜西乾縣 713300

【】明確不同覆蓋時期（夏閑期和周年覆蓋）以及不同覆蓋方式（壟溝覆蓋、全膜覆蓋和秸稈覆蓋）對旱地冬小麥產量、經濟效益和溫室氣體排放的影響，為選擇適合當地小麥生產的高產、高效和環(huán)境友好型覆蓋措施提供科學依據。于2017—2019年2個小麥生長季在黃土高原典型旱作區(qū)陜西省永壽縣開展大田試驗，試驗設6個處理，采用裂區(qū)設計。不同覆蓋時期為主區(qū)，設置夏閑期覆蓋和周年覆蓋（生育期覆蓋+夏閑期覆蓋）2個處理，不同覆蓋方式為副區(qū)，分別為壟膜溝秸稈全地面覆蓋、全膜覆蓋以及秸稈全地面覆蓋3個處理。研究分析小麥產量、土壤蓄水量、生育期耗水量、水分利用效率、經濟利潤以及溫室氣體排放強度。與夏閑期覆蓋相比，周年覆蓋2季平均增產9.5%，周年秸稈覆蓋平均產量較周年壟覆溝播處理高出622 kg·hm-2，而與全膜穴播處理沒有顯著差異；周年覆蓋生育期耗水量和水分利用效率較夏閑期覆蓋分別提高5.6%和4.0%；周年覆蓋可顯著提高冬小麥經濟效益，較夏閑期覆蓋年平均凈利潤提高17.8%，周年覆蓋中秸稈覆蓋平均凈利潤＞全膜穴播＞壟覆溝播；同時，周年覆蓋2季平均溫室氣體排放強度較夏閑期覆蓋降低11.0%，差異達顯著水平。其中，以周年秸稈覆蓋的溫室氣體排放強度最低。與夏閑期覆蓋相比，周年覆蓋措施能夠提高水分利用效率和生育期耗水量從而提高冬小麥產量和經濟效益，同時減少溫室氣體排放強度。其中，周年秸稈覆蓋措施具有較好的經濟效益和最低的溫室氣體排放強度，適宜在黃土旱塬區(qū)冬小麥生產中推廣應用。

夏閑期覆蓋；周年覆蓋；旱地冬小麥；產量；經濟效益；溫室氣體排放強度

0 引言

【研究意義】旱地養(yǎng)活著約40%的世界人口，而小麥作為人類食物的主要來源之一，約75%產自于旱作農業(yè)區(qū)[1-2]。人口的持續(xù)增長使得糧食需求量不斷提高，實現(xiàn)旱地小麥可持續(xù)生產對緩解食品需求壓力、保證糧食安全具有十分重要的意義。然而，高的糧食需求量使得人們往往集中注意力于能夠提高產量的農業(yè)管理措施而忽略了由此引發(fā)的環(huán)境問題，例如溫室氣體排放[3-4]。糧食增產不能以犧牲環(huán)境為代價，因此，尋求有效措施促進旱地小麥增產的同時減少環(huán)境危害，協(xié)調產量和溫室氣體排放之間的矛盾是當前農業(yè)可持續(xù)發(fā)展進程中亟待解決的問題?！厩叭搜芯窟M展】水資源短缺是限制旱地農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的首要因素。地表覆蓋技術被認為是蓄積自然降水，提高水分利用效率進而提高產量的可行方法。已有的研究多集中于周年覆蓋，主要覆蓋方式包括壟覆溝播、全膜穴播和秸稈覆蓋[5-6]。研究表明，周年覆蓋能夠有效利用夏閑期降水和充分利用生育期降水，是實現(xiàn)小麥高產的重要途經[7]。但是經周年覆蓋后的殘膜往往難以撿拾回收，其長期存留于土壤中阻礙土壤導水孔隙，影響作物生長，進而產生“白色污染”[8-9]。由于黃土高原地區(qū)年降水較少且分布嚴重不均，超過2/3的降水集中在7—9月份[10]，因此，夏閑期覆蓋技術逐漸成為研究熱點。研究表明，夏閑期覆蓋可顯著提高小麥播前底墑，改善生育期土壤水分條件，促進小麥增產[11-12]。陳玉章等在西北旱作雨養(yǎng)區(qū)進行覆蓋試驗，研究表明夏閑期全膜覆蓋可使小麥增產29.0%[13]。與周年覆蓋相比，夏閑期覆蓋無需考慮小麥播種以及出苗的問題，更容易操作，殘膜以及殘留秸稈的回收也相對容易，但是無法保蓄生育期降水可能會對產量造成影響。此外，采用農業(yè)管理措施提高作物生產力的同時也增加了環(huán)境成本，溫室氣體排放是小麥生產過程中產生的典型的環(huán)境危害之一[14-15]。例如，覆膜增產的同時也增加了一部分額外的投入，包括地膜、機械以及人力投入等，而這些措施都會產生溫室氣體排放[16]；覆蓋秸稈以及移除秸稈的人力投入等也會增加溫室氣體的排放。由此可見，不同覆蓋模式由于其農業(yè)投入不同，其溫室氣體排放也存在很大的差異。【本研究切入點】目前旱地小麥保水覆蓋措施研究多集中于單一覆蓋時期下不同覆蓋方式對冬小麥產量、水分利用效率的影響，而對不同覆蓋時期經濟效益和環(huán)境影響以及綜合效益比較研究報道較少。因此，夏閑期覆蓋在產量、經濟環(huán)境效益方面是否優(yōu)于周年覆蓋目前鮮有報道。【擬解決的關鍵問題】本研究于2017—2019年連續(xù)2個小麥生長季在陜西省永壽縣御駕宮村布置旱地小麥不同覆蓋時期和方式保水增產試驗，比較夏閑期和周年覆蓋2種覆蓋時期以及2種覆蓋時期下壟溝覆蓋、全膜覆蓋和秸稈覆蓋3種覆蓋方式對冬小麥產量、經濟效益和環(huán)境效益影響，旨在篩選出適應當地小麥生產的最優(yōu)覆蓋模式，為旱地冬小麥可持續(xù)生產和環(huán)境友好型覆蓋種植技術提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017—2019年在黃土高原冬小麥種植區(qū)陜西省永壽縣御駕宮村（35.7°N，108.2°E）進行，包含2個小麥生長季。該地區(qū)海拔995 m，年平均降水量500 mm，年平均氣溫10.8℃，潛在蒸發(fā)量807.4 mm，地下水位較深不能為植物吸收利用，降水是維持作物生長的唯一水源。該地區(qū)冬小麥種植模式為一年一季，上季小麥通常于6月份收獲，下季小麥于同年9月份種植，這使得2季作物之間有3個月的休閑期（7—9月），而休閑期集中了全年2/3的降水。試驗期間降水情況如圖1所示，2017—2018和2018—2019年降水量分別為479.4和422.9 mm，夏閑期降水量分別為177.3和277.0 mm，根據GUO等的降水分類方法[17]，2年均為欠水年。試驗開始時，該區(qū)0—20 cm耕層土壤pH為8.18，有機質13.98 g·kg-1，總氮含量為0.87 g·kg-1，硝態(tài)氮14.89 mg·kg-1，銨態(tài)氮2.43 mg·kg-1，有效磷7.13 mg·kg-1，速效鉀124.38 mg·kg-1。

圖1 永壽2017年6月至2019年6月各月降水量

1.2 田間試驗設計

試驗采用裂區(qū)設計（表1），主處理為不同覆蓋時期（周年和夏閑期）、副處理為不同覆蓋方式，分別為壟溝覆蓋（RM+FS）、全膜覆蓋（PM）和秸稈覆蓋（SM），共6個處理，4次重復，小區(qū)面積為12 m×4 m=48 m2。夏閑期覆蓋即從小麥收獲后覆蓋至下季小麥播前移除覆蓋物，生育期進行常規(guī)播種，不覆蓋；周年覆蓋即小麥生育期和夏閑期覆蓋，是從小麥播前進行覆蓋直至夏閑期結束移除覆蓋物，周年覆蓋就此完成。本試驗為定位試驗，第2年重新進行覆蓋，覆蓋處理與第1年完全相同。覆蓋所使用地膜均為0.008 mm厚度的普通白色農用地膜。供試小麥品種為洛旱6號，各處理播種量均為150 kg·hm-2。在小麥生育期間噴施除草劑。各處理播前均施氮肥150 kg·hm-2，磷肥127.5 kg·hm-2，供試氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%）。

1.3 測定項目與方法

（1）土壤蓄水量的測定及計算

以20 cm為一層，在每個小區(qū)分別采集小麥播前和收獲后0—200 cm土層的土壤樣品用烘干法進行土壤含水量的測定。

小麥播前（收獲后）土壤蓄水量計算公式為：

W= h × ρ × ω% ×10 （1）

式中，W為土壤蓄水量（mm）；h為土層深度（cm）；ρ為土壤容重（g·cm-3）；ω%為土壤含水量。

由于本試驗無灌溉條件，生育期無地表徑流且地下水位較深，生育期耗水量可通過以下方式計算：

ET=（W1-W2）+P （2）

式中，ET為小麥生育期耗水量（mm）；P為小麥生育期≥5 mm有效降雨量；W1、W2分別為小麥播前和收獲時的土壤貯水量（mm）。

水分利用效率及休閑效率計算公式：

WUE = Y/ET （3）

表1 田間試驗設計

式中，WUE為水分利用效率（kg·hm-2·mm-1），Y為籽粒產量（kg·hm-2），ET為小麥生育期總耗水量（mm）。

（2）經濟效益計算

產量效益=籽粒產量×市場價格；

凈利潤=小麥產量效益-經濟投入。

小麥平均市場價格按2.4 元/kg計算；經濟投入指小麥生產過程中機械、材料、勞動等總消耗，以當地機械翻耕（675 元/hm2）、覆膜（450 元/hm2） 、播種 （225 元/hm2）、收獲（600 元/hm2）以及其他農資（如種子、化肥、農藥、地膜）消耗的市場價格計算投入。生產過程中的人力投入（包括覆蓋以及移除秸稈、移除殘膜等）以每人60元/d計算。

（3）溫室氣體排放計算

與小麥生產有關的溫室氣體排放主要來自于：（1）肥料、除草劑、種子和地膜的生產、運輸和使用；（2）農業(yè)機械應用中所消耗柴油的生產和運輸；（3）人力投入。N2O排放依據前人研究結果[18-20]。雖然土壤CO2是導致全球變暖的重要因素之一，但是據統(tǒng)計，在全球范圍內，土壤CO2凈通量對農業(yè)溫室氣體排放的貢獻極小，占農業(yè)溫室氣體排放比例不足1%[21]；CONANT等[22]表示，土壤有機碳含量在短時間內很難檢測到微小的變化，因此在我們的研究中均沒有考慮。溫室氣體（GHG）排放通過以下方式計算：

式中，AIi為作物生長期間的農業(yè)投入（包括肥料、除草劑、種子、柴油、人力和地膜等）；EFi為生命周期中每一個農業(yè)投入的GHG排放系數；n為農業(yè)投入量；EN2O田間氮肥投入引起的土壤中N2O排放。

溫室氣體排放強度（GHGI）是指單位產量范圍內的GHG排放[19]。計算如下：

GHGI（kg CO2eq·Mg-1）= GHG排放（kg CO2eq·hm-2）/產量（kg·hm-2）×1000。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2010進行數據處理，用SPSS 24.0進行方差分析，LSD法進行處理間差異顯著性檢驗，顯著性水平α=0.05。

2 結果

2.1 不同覆蓋時期和覆蓋方式對產量影響

不同覆蓋時期和覆蓋方式對冬小麥產量的影響不同。對不同覆蓋時期而言，周年覆蓋2季平均產量達到5 558 kg·hm-2，較夏閑期覆蓋平均增產9.5%，且差異達顯著水平（圖2）。其中，周年壟覆溝播處理較夏閑期壟溝覆蓋平均增產5.9%，周年全膜穴播處理較夏閑期全膜覆蓋平均增產17.4%，周年秸稈覆蓋處理較夏閑期秸稈覆蓋處理平均增產5.5%。相同覆蓋時期條件下，夏閑期覆蓋中秸稈覆蓋處理2季平均產量顯著高于壟溝覆蓋和全膜覆蓋處理，而夏閑期壟溝覆蓋和全膜覆蓋處理之間差異未達顯著水平；周年覆蓋中秸稈覆蓋和全膜穴播處理平均產量沒有顯著差異，但較周年壟覆溝播處理分別顯著高出622和666 kg·hm-2。

SFM：夏閑期覆蓋；YM：周年覆蓋；RM+FS：壟覆溝播；PM：全膜穴播；SM：秸稈覆蓋

圖中誤差線表示標準差。不同大寫字母表示不同覆蓋時期間差異顯著（＜0.05）；小寫字母表示同一覆蓋時期不同覆蓋方式之間的差異顯著（＜0.05）。下同

SFM: Mulching during the summer fallow; YM: The year-round mulching; RM+FS: Ridge-furrow plastic mulching; PM: Whole field plastic mulching; SM: straw mulching

Error bars indicate standard error. Different capital letters mean significant differences between different mulching periods (＜0.05); different lowercase letters mean significant differences between different mulching practices in the same mulching period (＜0.05). The same as below

圖2 不同覆蓋時期以及覆蓋方式下的冬小麥產量

Fig. 2 Winter wheat yield under different mulching periods and mulching practices

2.2 不同覆蓋時期和覆蓋方式的水分利用差異

2017—2019年不同處理下旱地麥田水分利用差異如表所示（表2）。就不同覆蓋時期2季平均蓄水量結果來看，夏閑期覆蓋與周年覆蓋播前和收獲時土壤蓄水量均沒有顯著差異。但是同一時期不同覆蓋方式下土壤播前蓄水量存在明顯的不同，夏閑期和周年3種覆蓋方式下2季平均播前土壤蓄水量均表現(xiàn)為SM＞PM＞RM+FS。

與夏閑期覆蓋相比，周年覆蓋顯著提高生育期耗水量和水分利用效率。就2年平均結果來看，周年覆蓋生育期總耗水量和水分利用效率較夏閑期覆蓋分別提高5.6%和4.0%，差異均達顯著水平。針對同一覆蓋時期，夏閑期秸稈覆蓋處理2季平均生育期耗水量顯著高于夏閑期壟溝覆蓋處理，而與同時期全膜覆蓋處理差異未達顯著水平。周年覆蓋3種覆蓋方式2季平均生育期耗水量與夏閑期3種覆蓋方式表現(xiàn)出一致的規(guī)律。

2.3 不同覆蓋時期和覆蓋方式的經濟效益分析

與夏閑期覆蓋相比，周年覆蓋可顯著提高冬小麥經濟效益，2季平均凈利潤總體上提高17.8%（圖3）。夏閑期覆蓋中秸稈覆蓋處理2季平均凈利潤為8 007元/hm2，顯著高于壟溝覆蓋和全膜覆蓋處理，而夏閑期壟溝覆蓋和全膜覆蓋處理經濟效益沒有顯著差異；周年覆蓋下3種覆蓋方式2季平均凈利潤依次為SM＞PM＞RM+FS，其中周年秸稈覆蓋處理其2季平均凈利潤較周年周年全膜穴播顯著提高30.6%，周年全膜穴播處理2季平均凈利潤較周年壟覆溝播顯著高出21.7%。

2.4 不同覆蓋時期和覆蓋方式溫室氣體排放強度（GHGI）差異

基于不同覆蓋處理的溫室氣體排放量和小麥產量，可以計算出夏閑期和周年3種覆蓋方式下溫室氣體排放強度（圖4）。2季平均結果表明：周年覆蓋較夏閑期覆蓋可以顯著降低溫室氣體排放強度。夏閑期3種覆蓋方式中秸稈覆蓋處理2季平均溫室氣體排放強度顯著低于壟溝覆蓋和全膜覆蓋處理，夏閑期地膜覆蓋處理中壟溝覆蓋2季平均溫室氣體排放強度顯著低于全膜覆蓋處理；周年覆蓋各處理中以周年秸稈覆蓋2季平均溫室氣體排放強度最低，較周年壟覆溝播和全膜穴播處理分別顯著降低44.7%和50.1%，而周年壟覆溝播和全膜穴播處理間差異未達顯著水平。

表2 不同覆蓋時期以及覆蓋方式下對冬小麥水分利用的影響

均值間比較是指不同覆蓋時期間的比較，不同大寫字母表示夏閑期覆蓋和周年覆蓋處理差異顯著（＜0.05）；小寫字母表示同一覆蓋時期不同覆蓋方式之間的差異顯著（＜0.05）

Mean comparison refers to the comparison between different mulching periods, different capital letters mean significant differences between different mulching periods (＜0.05); different lowercase letters mean significant differences between different mulching practices in the same mulching period (＜0.05)

圖3 不同覆蓋時期以及覆蓋方式下冬小麥經濟效益

圖4 不同覆蓋時期以及覆蓋方式下產生的溫室氣體排放強度

3 討論

3.1 覆蓋方式對旱地冬小麥產量的影響

覆蓋是提高旱地小麥產量的重要措施之一。旱地小麥試驗表明，在夏季休閑期采用地膜或秸稈覆蓋均有利于提高土壤播前底墑，改善土壤養(yǎng)分狀況，增加籽粒產量[23]。劉黨校等[24]的研究表明，生育期地膜覆蓋對溫度和墑情的調控能夠促進冬小麥分蘗，提高穗數和千粒重。李廷亮等[25]在黃土旱塬進行周年覆蓋試驗，結果表明，周年壟膜溝播種植較傳統(tǒng)無覆蓋模式增產8.6%，周年全膜覆土穴播加監(jiān)控施肥模式使得籽粒產量提高40%。本研究對夏閑期覆蓋和周年覆蓋下各處理籽粒產量進行比較，結果顯示，周年覆蓋較夏閑期覆蓋2季平均增產9.5%，且差異達顯著水平。趙紅梅等[26]的研究表明，在夏閑期覆蓋確保小麥底墑的基礎上，在小麥生育期間地膜能夠減少土壤蒸發(fā)的同時增加作物蒸騰耗水，提高水分利用效率，進而增加籽粒產量。而在我們的研究中，周年覆蓋2季生育期平均耗水量和水分利用效率均顯著高于夏閑期覆蓋，這為旱地小麥高產奠定了基礎，進而使得周年覆蓋小麥籽粒產量顯著高于夏閑期覆蓋。由于試驗地兩年均為欠水年，所以小麥生長處于干旱脅迫狀態(tài)，盡管生育期降水較少，但對小麥生長發(fā)育仍起著至關重要的作用。因此，周年覆蓋較夏閑期覆蓋表現(xiàn)出了明顯的增產優(yōu)勢。

針對同一時期不同覆蓋方式，有研究表明，穗數與小麥產量呈顯著正相關關系，壟覆溝播由于覆膜占據大量無效種植面積，使得小麥穗數減少，從而影響產量形成[27]。因此本研究中無論夏閑期覆蓋或是周年覆蓋，壟覆溝播處理2季平均籽粒產量均顯著低于秸稈覆蓋和全膜穴播處理。同時，我們的研究還發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋處理表現(xiàn)出了明顯的增產優(yōu)勢，夏閑期秸稈覆蓋處理較壟溝覆蓋和全膜覆蓋處理2季平均籽粒產量顯著提高，這與李富翠等秸稈覆蓋能夠促使小麥增產的研究結果一致[28-29]，而周年秸稈覆蓋2季平均籽粒產量與全膜穴播處理基本持平，這可能和周年秸稈覆蓋造成小麥早春生長期土壤溫度降低有關[30]。

3.2 覆蓋方式對旱地麥田水分利用的影響

水分是制約旱地小麥產量的關鍵因素之一。由于黃土高原地區(qū)地下水位較深且無灌溉水源，作物生長主要依靠降水[31]。GUO等[17]研究表明，在黃土高原地區(qū)，作物產量與夏閑期降雨量呈顯著正相關，因此，夏閑期降雨的保蓄將直接影響籽粒產量的形成。高艷梅等[32]研究表明，休閑期滲水地膜覆蓋條件下，土壤播前蓄水量每增加1 mm，小麥可增產13 kg·hm-2以上。充足的底墑能夠誘導植物根系下扎至土壤深層，使得深層土壤水分得以吸收利用，從而為豐產奠定基礎[33]。在地表覆蓋秸稈或地膜等均能夠阻止水分垂直蒸發(fā)，使得降水能入滲至2 m以下土層，顯著增加土壤含水量，提高播前底墑[30,34]。我們的研究結果表明，無論夏閑期覆蓋或是周年覆蓋，秸稈覆蓋處理的蓄水能力均顯著高于壟溝覆蓋處理，與全膜覆蓋處理播前蓄水量基本持平。秸稈覆蓋在夏閑期能夠保蓄更多水分的這一優(yōu)勢可能與本研究采用10 t·hm-2的覆蓋量有關。有研究表明，在一定范圍內，土壤含水量與秸稈覆蓋量呈線性正相關[35]。另外，與地膜覆蓋相比，秸稈覆蓋的滲水能力較強，有利于降雨入滲。

除了播前底墑，生育期降水也是保證旱地小麥穩(wěn)產和高產的重要因素。廖允成等[34]研究表明，夏閑期覆蓋和生育期覆蓋相結合能夠最大限度保蓄全年降水，為旱地小麥生長提供良好的水分條件。但是在本研究中，周年覆蓋和夏閑期覆蓋各處理收獲期蓄水量卻沒有顯著差異，這是因為高產建立在高耗水的基礎上[5]。周年覆蓋后期促進水分消耗由棵間蒸發(fā)向作物蒸騰轉化，增加蒸騰耗水比例，使得其生育期耗水量和水分利用效率顯著高于夏閑期，進而顯著提高產量[25,34,36]。

3.3 覆蓋方式對旱地冬小麥經濟效益的影響

由于農民承擔經濟風險的能力有限，一種農業(yè)管理措施是否被采用往往取決于它所帶來的經濟效益而不僅僅依靠產量[37]。經濟效益由籽粒產量和農業(yè)投入兩個因素決定[38]，因此，提高籽粒產量的同時降低生產成本才能實現(xiàn)資源最大化利用，進而取得高收益。本研究中，夏閑期進行覆蓋之前需進行深翻，至小麥播前揭膜再深翻一次然后開始播種，而周年覆蓋只在小麥播前深翻一次，因此周年覆蓋的生產成本要低于夏閑期覆蓋，再則周年覆蓋2季小麥籽粒平均產量顯著高于夏閑期覆蓋，由此解釋了我們研究中周年覆蓋的經濟效益高于夏閑期覆蓋的原因。

研究還表明，周年覆蓋和夏閑期覆蓋中均以秸稈覆蓋處理2季平均經濟利潤最高，這是因為夏閑期壟溝覆蓋和全膜覆蓋與周年覆蓋地膜用量相同，花費分別為500和813元/hm2，且覆膜需要增加額外的機械和人工投入，提高了生產總投入。而我國秸稈資源豐富，尤其是目前禁止燃燒秸稈以后，大量的秸稈廢棄并堆積于路邊，因此利用廢棄秸稈覆蓋能夠大大縮減生產成本，同時顯著提高產量，因而提高了經濟效益。Chen等[18]的研究表明，秸稈覆蓋和地膜覆蓋均能維持較高的生產力，但是，由覆蓋地膜帶來的產量的增加無法抵消覆膜產生的額外花費，這與本研究結果一致。

3.4 覆蓋方式對旱地冬小麥溫室氣體排放強度的影響

據統(tǒng)計，全球溫室氣體排放呈上升趨勢，而農業(yè)溫室氣體排放占總體的10%—12%[21]，IPCC報告顯示，如果到2050年全球變暖的問題能夠被阻止的話，那么全球溫室氣體排放較2000年需減少到50%—85%[39]。不斷增長的食物需求壓力和全球氣候變化都需要農業(yè)生產能夠在不降低作物生產力的同時減少溫室氣體的排放，這就需要我們能夠最大化利用固定資源（土地、光照、良好的生長條件等）和優(yōu)化農業(yè)投入[40]。地表覆蓋技術能夠充分利用光照、水分等資源促進旱地作物產量大幅度增加，但是同時也帶來了不同程度的環(huán)境危害。溫室氣體排放強度（GHGI）的計算則量化了農業(yè)溫室氣體排放和籽粒產量的關系，是我們判斷農業(yè)管理措施是否符合可持續(xù)發(fā)展理念的重要指標之一[19]。

最近的研究顯示，增加作物產量可以有效降低溫室氣體排放強度[41-42]，在我們的研究中，周年覆蓋使得旱地冬小麥產量大幅度增加，因此與夏閑期覆蓋相比，周年覆蓋各處理均降低了溫室氣體排放強度，這與前人研究結果一致。并且，相比較夏閑期覆蓋，周年覆蓋處理只需對土壤進行一次深翻，降低了柴油等消耗，從而減少單位面積溫室氣體排放，這也是周年覆蓋處理下溫室氣體排放強度顯著降低的重要原因之一。而對同一時期不同覆蓋方式而言，HE等[43]研究表明，與農戶模式相比，盡管地膜覆蓋通過大幅度提高產量降低了溫室氣體排放強度，但是并沒有減少溫室氣體排放，地膜覆蓋產生的額外的農業(yè)投入帶來了更高的溫室氣體排放。此外，經周年覆蓋后的地膜大都光解風化，難以回收利用，對環(huán)境造成了嚴重污染[13]。幸運的是，本研究結果表明，秸稈覆蓋相比較地膜覆蓋在維持較高產量的同時也減少了由農業(yè)投入引起的溫室氣體排放，緩和了農業(yè)生產和環(huán)境危害的矛盾，其中以周年秸稈覆蓋效果最好。

4 結論

與夏閑期覆蓋相比，周年覆蓋能夠有效蓄積夏閑期降水和高效利用生育期降水，提高了冬小麥籽粒產量和經濟效益，同時減少了溫室氣體排放強度?？紤]到地膜覆蓋經濟投入大，且對環(huán)境造成了嚴重污染，所以周年秸稈覆蓋是協(xié)調旱地冬小麥籽粒產量和經濟效益與溫室氣體排放之間矛盾的有效途徑，適合在旱地冬小麥種植區(qū)域干旱年份推廣應用。

[1] STEWART B A, LIANG W. Strategies for increasing the capture, storage, and utilization of precipitation in semiarid regions. Journal of Integrative Agriculture, 2015, 14(8): 1500-1510.

[2] 李生秀. 中國旱地農業(yè). 北京: 中國農業(yè)出飯社, 2004.

LI S X. Dryland Agriculture in China. Beijing: China Agricultural Press, 2004. (in Chinese)

[3] REN X, CAI T, CHEN X, ZHANG P, JIA Z K. Effect of rainfall concentration with different ridge widths on winter wheat production under semiarid climate. European Journal of Agronomy, 2016, 77: 20-27.

[4] CUELLO J P, HWANG H Y, GUTIERREZ J, KIM S Y, KIM P J. Impact of plastic film mulching on increasing greenhouse gas emissions in temperate upland soil during maize cultivation. Applied Soil Ecology, 2015, 91: 48-57.

[5] LI T L, XIE Y H, GAO Z Q, HONG J P, LI L, MENG H S, MA H M, JIA J X. Year-round film mulching system with monitored fertilization management improve grain yield and water and nitrogen use efficiencies of winter wheat in the dryland of the Loess Plateau, China. Environmental Science and Pollution Research International, 2019, 26: 9524-9535.

[6] ZHAO H B, LIU J F, CHEN X W, WANG Z H. Straw mulch as an alternative to plastic film mulch: Positive evidence from dryland wheat production on the Loess Plateau. Science of the Total Environment, 2019, 676: 782-791.

[7] 孟曉瑜, 王朝輝, 楊寧, 楊榮, 章孜亮, 趙護兵. 底墑和磷肥對渭北旱塬冬小麥產量與水、肥利用的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2011, 17(5): 1083-1090.

MENG X Y, WANG Z H, YANG N, YANG R, ZHANG Z L, ZHAO H B. Effects of soil moisture before sowing and phosphorus fertilization on winter wheat yield, water and fertilizer use efficiencies on Weibei Tableland of the Loess Plateau. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2011, 17(5): 1083-1090. (in Chinese)

[8] 付威, 樊軍, 胡雨彤, 趙晶, 郝明德. 施肥和地膜覆蓋對黃土旱塬土壤理化性質和冬小麥產量的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2017, 23(5): 1158-1167.

FU W, FAN J, HU Y T, ZHAO J, HAO M D. Effects of fertilization and film mulching on soil physical and chemical properties and winter wheat yield on the Loess Plateau. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2017, 23(5): 1158-1167. (in Chinese)

[9] 張德奇, 廖允成, 賈志寬. 旱區(qū)地膜覆蓋技術的研究進展及發(fā)展前景. 干旱地區(qū)農業(yè)研究, 2005, 23(1): 208-213.

ZHANG D Q, LIAO Y C, JIA Z K. Research advances and prospects of film mulching in arid and semi-arid areas. Agricultural Research in the Arid Areas, 2005, 23(1): 208-213. (in Chinese)

[10] ZHANG S L. Water use efficiency of dryland wheat in the Loess Plateau in response to soil and crop management. Field Crops Research, 2013, 151(9): 9-18.

[11] 李青, 高志強, 孫敏, 趙維峰, 鄧妍, 鄧聯(lián)峰. 夏閑期施肥與覆蓋處理對旱地冬小麥產量和土壤水分利用的影響. 麥類作物學報, 2016, 31(3): 519-523.

LI Q, GAO Z Q, SUN M, ZHAO W F, DENG Y, DENG L F. Effect of mulching and fertilizer application in summer fallow period on yield and soil water use of winter wheat in dryland. Journal of Triticeae Crops, 2016, 31(3): 519-523. (in Chinese)

[12] 陳夢楠, 孫敏, 高志強, 任愛霞, 楊珍平, 郝興宇. 旱地麥田休閑期覆蓋對土壤水分積耗的影響及與產量的關系. 中國農業(yè)科學, 2016, 49(13): 2572-2582.

CHEN M N, SUN M, GAO Z Q, REN A X, YANG Z P, HAO X Y. Effects of mulching during fallow period on soil water storage and consumption and its relationship with wheat yield of dryland. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(13): 2572-2582. (in Chinese)

[13] 陳玉章, 柴守璽, 范穎丹, 程宏波, 黃彩霞, 譚凱敏, 常磊, 楊長剛. 覆蓋模式對旱地冬小麥土壤溫度和產量的影響. 中國農業(yè)氣象, 2014, 35(4): 403-409.

CHEN Y Z, CHAI S X, FAN Y D, CHENG H B, HUANG C X, TAN K M, CHANG L, YANG C G. Effects of mulching models on soil temperature and yield of winter wheat in rainfed area. Chinese Journal of Agrometeorology, 2014, 35(4): 403-409. (in Chinese)

[14] TILMAN D, CASSMAN K G, MATSON P A, NAYLOR R, POLASKY S. Agricultural sustainability and intensive production practices. Nature, 2002, 418(6898): 671-677.

[15] BURNEY J A, DAVIS S J, LOBELL D B. Greenhouse gas mitigation by agricultural intensification. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2010, 107(26): 12052.

[16] WANG Z B, CHEN J, Mao S C, HAN Y C, CHEN F, ZHANG L F, LI Y B, LI C D. Comparison of greenhouse gas emissions of chemical fertilizer types in China's crop production. Journal of Cleaner Production, 2017, 141(10): 1267-1274.

[17] GUO S, ZHU H, DANG T, WU J, LIU W, HAO M, LI Y. Winter wheat grain yield associated with precipitation distribution under long-term nitrogen fertilization in the semiarid Loess Plateau in China. Geoderma, 2012, 189/190: 442-450.

[18] CHEN H, LIU J, ZHANG A, CHEN J, CHENG G, SUN B, PI X, DYCK M, SI B, ZHAO Y, FENG H. Effects of straw and plastic film mulching on greenhouse gas emissions in Loess Plateau, China: a field study of 2 consecutive wheat-maize rotation cycles. Science of the Total Environment, 2017, 579: 814-824.

[19] HE G, WANG Z, LI S, MALHI S S. Plastic mulch: Tradeoffs between productivity and greenhouse gas emissions. Journal of Cleaner Production, 2018, 172: 1311-1318.

[20] ZHANG A, CHENG G, HUSSAIN Q, ZHANG M, FENG H, DYCK M, SUN B, ZHAO Y, CHEN H, CHEN J, WANG X. Contrasting effects of straw and straw–derived biochar application on net global warming potential in the Loess Plateau of China. Field Crops Research, 2017, 205: 45-54.

[21] SMITH P, MARTINO Z, CAI D. 'Agriculture', in Climate Change 2007: Mitigation. Cambridge University Press, 2007, 4: 1-44.

[22] CONANT R T, OGLE S M, PAUL E A, PAUSTIAN K. Measuring and monitoring soil organic carbon stocks in agricultural lands for climate mitigation. Frontiers in Ecology and the Environment, 2011, 9(3): 169-173.

[23] 武繼承, 管秀娟, 楊永輝. 地面覆蓋和保水劑對冬小麥生長和降水利用的影響. 應用生態(tài)學報, 2011, 22(1): 86-92.

WU J C, GUAN X J, YANG Y H. Effects of ground cover and water-retaining agent on winter wheat growth and precipitation utilization. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(1): 86-92. (in Chinese)

[24] 劉黨校, 張睿, 劉新倫, 許育彬. 覆膜對冬小麥穗分化進程的影響. 西北農業(yè)學報, 2002, 11(2): 82-85.

LIU D X, ZHANG R, LIU X L, XU Y B. The effect on spike differentiation of winter wheat by mulching plastic film. Acta Agriculturae Boreali-occidentalis Sinica, 2002, 11(2): 82-85. (in Chinese)

[25] 李廷亮, 謝英荷, 高志強, 洪堅平, 馬紅梅, 賈俊香, 孟會生, 孟麗霞. 周年覆蓋對黃土旱塬冬小麥產量及降水利用率的影響. 水土保持學報, 2018, 32(1): 332-338.

LI T L, XIE Y H, GAO Z Q, HONG J P, MA H M, JIA J X, MENG H S, MENG L X. Effects of annual mulching on yield and precipitation use efficiency of winter wheat in the dry highland of Loess Plateau. Journal of Soil and Water Conservation, 2018, 32(1): 332-338. (in Chinese)

[26] 趙紅梅, 楊艷君, 李洪燕, 冀瑞萍, 蘇艷玲. 旱地麥田休閑期深翻下全年覆膜技術對土壤水分, 小麥產量及品質的影響. 山西農業(yè)科學, 2017, 45(4): 561-566.

ZHAO H M, YANG Y J, LI H Y, JI R P, SU Y L. Effect of mulch technology of one year based on deep tillage in fallow on soil water, wheat yield and quality in dryland wheat. Journal of Shanxi Agricultural Sciences, 2017, 45(4): 561-566. (in Chinese)

[27] 楊長剛, 柴守璽, 常磊. 半干旱雨養(yǎng)區(qū)不同覆膜方式對冬小麥土壤水分利用及產量的影響. 生態(tài)學報, 2015, 35(8): 2676-2685.

YANG C G, CHAI S X, CHANG L. Influences of different plastic film mulches on soil water use and yield of winter wheat in semiarid rain-fed region. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(8): 2676-2685. (in Chinese)

[28] 李富寬, 姜慧新. 秸稈覆蓋的作用與機理. 當代畜牧, 2003(6): 38-40.

LI F K, JIANG H X. Mechanism of straw mulching. Contemporary Animal Husbandry, 2003(6): 38-40. (in Chinese)

[29] 鞏杰, 黃高寶, 陳利頂, 傅伯杰. 旱作麥田秸稈覆蓋的生態(tài)綜合效應研究. 干旱地區(qū)農業(yè)研究, 2003, 21(3): 69-73.

GONG J, HUANG G B, CHEN L D, FU B J. Comprehensive ecological effect of straw mulch on spring wheat field in dryland area. Agricultural Research in the Arid Areas, 2003, 21(3): 69-73. (in Chinese)

[30] CHEN S Y, ZHANG X Y, PEI D, SUN H Y, CHEN S L. Effects of straw mulching on soil temperature, evaporation and yield of winter wheat: Field experiments on the North China Plain. Annals of Applied Biology, 2007, 150(3): 261-268.

[31] 王勇. 旱地地膜冬小麥播前底墑對產量效應的研究. 中國生態(tài)農業(yè)學報, 2003, 11(3): 117-120.

WANG Y. Effect of soil stored water before sowing on yield of winter wheat mulched with plastic film in dryland. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2003, 11(3): 117-120. (in Chinese)

[32] 高艷梅, 孫敏, 高志強, 崔凱, 趙紅梅, 楊珍平, 郝興宇. 不同降水年型旱地小麥覆蓋對產量及水分利用效率的影響. 中國農業(yè)科學, 2015, 48(18): 3589-3599.

GAO Y M, SUN M, GAO Z Q, CUI K, ZHAO H M, YANG Z P, HAO X Y. Effects of mulching on grain yield and water use efficiency of dryland wheat in different rainfall year. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(18): 3589-3599. (in Chinese)

[33] 苗果園, 高志強, 張云亭, 尹鈞, 張愛良. 水肥對小麥根系整體影響及其與地上部相關的研究. 作物學報, 2002, 28(4): 445-450.

MIAO G Y, GAO Z Q, ZHANG Y T, YIN J, ZHANG A L. Effect of water and fertilizer to root system and its correlation with tops in wheat. Acta Agronomica Sinica, 2002, 28(4): 445-450. (in Chinese)

[34] 廖允成, 溫曉霞, 韓思明, 賈志寬. 黃土臺原旱地小麥覆蓋保水技術效果研究. 中國農業(yè)科學, 2003, 36(5): 548-552.

LIAO Y C, WEN X X, HAN S M, JIA Z K. Effect of mulching of water conversation for dryland winter wheat in the Loess Tableland. Scientia Agricultura Sinica, 2003, 36(5): 548-552. (in Chinese)

[35] 王慶杰, 王憲良, 李洪文, 何進, 張翼夫, 黃幸媛. 華北一年兩熟區(qū)玉米秸稈覆蓋對冬小麥生長的影響. 農業(yè)機械學報, 2017, 48(8): 197-203.

WANG Q J, WANG X L, LI H W, HE J, ZHANG Y F, HUANG X Y. Effect of maize straw mulching on winter wheat growth in double cropping area of northern China. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(8): 197-203. (in Chinese)

[36] 李儒, 崔榮美, 賈志寬, 韓清芳, 路文濤, 侯賢清. 不同溝壟覆蓋方式對冬小麥土壤水分及水分利用效率的影響. 中國農業(yè)科學, 2011, 44(16): 30-40.

LI R, CUI R M, JIA Z K, HAN Q F, LU W T, HOU X Q. Effects of different furrow-ridge mulching ways on soil moisture and water use efficiency of winter wheat. Scientia Agricultura Sinica, 2011, 44(16): 30-40. (in Chinese)

[37] ZHANG D B, YAO P W, ZHAO N, WANG Z, YU C W, CAO Q H, CAO W D, GAO Y J. Responses of winter wheat production to green manure and nitrogen fertilizer on the Loess Plateau. Agronomy Journal, 2015, 107(1): 361-374.

[38] 黃明, 王朝輝, 羅來超, 王森, 曹寒冰, 何剛, 刁超朋. 壟覆溝播及施肥位置優(yōu)化對旱地小麥氮磷鉀吸收利用的影響. 植物營養(yǎng)與肥料學報, 2018, 24(5): 32-42.

HUANG M, WANG Z H, LUO L C, WANG S, CAO H B, HE G, DIAO C P. Effects of ridge mulching, furrow seeding, and optimized fertilizer placement on NPK uptake and utilization in dryland wheat. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2018, 24(5): 32-42. (in Chinese)

[39] IPCC. Climate Change 2007: Mitigation. Contribution of Working Group Ш to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2007.

[40] KEATING B A, CARBERRY P S, BINDRABAN P S, ASSENG S, MEINKE H, Dixon J. Eco-efficient agriculture: Concepts, challenges, and opportunities. Crop Science, 2010, 50(Suppl.1): 109-119.

[41] CUI Z, YUE S, WANG G, MENG Q, WU L, YANG Z, ZHANG Q, LI S, ZHANG F, CHEN X. Closing the yield gap could reduce projected greenhouse gas emissions: a case study of maize production in China. Global Change Biology, 2013, 19(8): 2467-2477.

[42] LIU J, ZHU L, LUO S, BU L, CHEN X, YUE S, Li S. Response of nitrous oxide emission to soil mulching and nitrogen fertilization in semi-arid farmland. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2014, 188: 20-28.

[43] HE G, WANG Z, CAO H, DAI J, LI Q, XUE C. Year-round plastic film mulch to increase wheat yield and economic returns while reducing environmental risk in dryland of the Loess Plateau. Field Crops Research, 2018, 225: 1-8.

Effects of Different Mulching Periods and Mulching Practices on Economic Return and Environment

MAO AnRan1, ZHAO HuBing1, YANG HuiMin1, WANG Tao1, CHEN XiuWen1, LIANG WenJuan2

1College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, Shaanxi;2Fruit Tree Technical Service Station in Qianxian, Qianxian 713300, Shaanxi

【】The objective of this study was to clarify the effects of different mulching periods (mulching during the summer fallow and the year-round mulching) and different mulching practices (ridge-furrow plastic mulching, whole field plastic mulching and straw mulching) on winter wheat yield, economic return and greenhouse gas emissions in dryland. 【】The experiment was carried out from 2017 to 2019 in Yongshou Country, Shaanxi Province, which was a typical rainfed farming area of the Loess Plateau. The split plot design was employed with main plot of different mulching periods (mulching during the summer fallow and mulching over the year), and sub-plot of different mulching practices (ridge-furrow plastic mulching, whole field plastic mulching and straw mulching). Wheat yield, soil water storage and evapotranspiration during the winter wheat growing season and water use efficiency, economic profit and greenhouse gas emission intensity were analyzed. 【】Compare to mulching practices during the summer fallow, the average yield of year-round mulching practices was increased by 9.5%. The average yield of annual straw mulching was 622 kg·hm-2higher than that of annual ridge-furrow plastic mulching, but there was no significant difference between the year-round straw mulching and year-round plastic film mulching. Compare to mulching practices during the summer fallow, the year-round mulching practices increased the evapotranspiration during the winter wheat growing season and water use efficiency by 5.6% and 4.0%, respectively. Compared to mulching practices during the summer fallow, the year-round mulching practices significantly increased the economic return of winter wheat by 17.8%, and the average net economic return was straw mulching＞plastic film mulching＞ridge-furrow plastic mulching among the year-round mulching practices. Moreover, compared to mulching practices during the summer fallow, the average greenhouse gas emission intensity of year-round mulching practices decreased of 11.0%, and the difference was significant. The lowest greenhouse gas emission intensity was in annual straw mulching. 【】Compared to mulching practices during the summer fallow, the year-round mulching practices could improve water use efficiency and evapotranspiration during the winter wheat growing season, thus improving the yield and economic returns of winter wheat, while reducing the intensity of greenhouse gas emissions. In all practices, the annual straw mulching had the best economic return and the lowest intensity of greenhouse gas emissions, which was suitable for popularization and application in dryland winter wheat production areas.

mulching during the summer fallow; the year-round mulching; dryland winter wheat; yield; economic return; the intensity of greenhouse gas emissions

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.03.014

2020-05-14；

2020-07-13

國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFD0200403）、國家自然科學基金項目（31272250）

毛安然，Tel：18437958575；E-mail：1553453329@qq.com。通信作者趙護兵，Tel：18991295902；E-mail：zhaohubing@hotmail.com

（責任編輯 李云霞）