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粮食安全是国家安全的重要组成部分,是事关国计和社会稳定的首要问题[1-3]。随着社会发展和城市化进程的加快,耕地面积总量越来越逼近耕地红线,稳定粮食种植面积的压力越来越大,日显稀缺的耕地资源已成为我国粮食安全的瓶颈。我国海岸线蜿蜒曲折,沿岸滩涂资源丰富突出,是我国重要的后备土地资源之一[4-5]。通过围垦熟化,将沿海滩涂盐碱地变为可利用的农用耕地是增加耕地的重要方法之一。江苏沿海滩涂资源非常丰富,约占全国滩涂面积的 1/4,约为 65.3 万 hm2[6],如何充分利用江苏沿海滩涂种植粮食作物将是未来保障粮食安全的重要途径之一。
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小麦和水稻是中国最重要的两大粮食作物,而稻麦两熟种植是江苏省的基本种植制度,也是沿海滩涂增加粮食产量的重要途径。同时,滩涂盐碱地区土壤盐分变化随着气候因子和种植作物的不同而出现脱盐和积盐现象,一般水稻生长季节主要是脱盐过程,小麦生长季节主要是不断积盐的过程[7-10],因此开展小麦生长季对滩涂盐碱地控制土壤耕层返盐和减缓小麦盐害意义重大。然而,目前关于盐碱地小麦的研究主要集中在实验室或盆栽等模拟条件的耐盐小麦品种鉴定筛选与评价[11-14],以及田间或盆栽的肥料运筹对小麦生长及产量的影响试验。同时,前人也进行了少量不同改良剂[10]、土壤调理剂[15]和醋渣覆盖[16]对盐碱地小麦生长及土壤性质影响的研究报道。另外,石吕等[17]和薛亚光等[18]研究报道发现,在非盐碱地上稻茬小麦采用宽窄行种植模式,即窄行(苗带)洁茬条播 2 行小麦、宽行(空幅带)进行秸秆覆盖,明显提高了小麦产量和稻茬小麦种植的经济效益。但是,滩涂盐碱地稻茬小麦种植过程中行间秸秆覆盖量及不同行间距模式对小麦生长及产量的影响尚未见有关报道。笔者前期的研究表明,秸秆覆盖对沿海滩涂中度与重度盐碱荒地的土壤盐分季节性变化和盐分垂直分布均有明显的影响[8,19-21],而盐分变化会直接影响盐碱地作物的生长。因此,本研究于江苏沿海滩涂实地开展不同行间距和不同秸秆覆盖量对小麦生长及产量的影响,并探明秸秆覆盖措施下滩涂小麦生长过程中的土壤盐分的动态变化规律,这将对沿海滩涂小麦生长发育期间如何合理控盐降盐及小麦增产提供理论依据。
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1 材料与方法
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1.1 试验地概况
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试验区位于江苏省南通市通州湾-国土资源部海岸带-江苏南通野外基地滩涂区(32°16′16″ N,121°25′8″ E),前期为水产养殖鱼虾等池塘复垦而来。试验区整体上地下水位较高,地下水埋深约 0.95~1.60 m,土壤质地以砂壤土或轻砂土为主,土壤类型为滨海盐土,盐分离子组成以 Na+ 和 Cl- 为主。试验区以稻麦周年轮作为主,且稻麦收获后秸秆均全部还田到土壤中。试验田块为第 2 年种植小麦,前茬为水稻,试验田块水稻收获后采集的 0~20 cm 土层土壤基本理化性状:容重 1.34 g/cm3,pH 9.12,电导率 0.34 dS/m,有机质 9.14 g/kg,全氮 0.50 g/kg,全磷 0.68 g/kg,全钾 7.13 g/kg,碱解氮 33.25 mg/kg,有效磷 8.23 mg/kg,速效钾 174.75 mg/kg。
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1.2 试验设计与方案
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2021 年 11 月至 2022 年 6 月期间,选择滩涂区典型稻麦轮作试验田块,围绕麦行间秸秆覆盖和宽窄行种植模式展开试验,设置 2 个种植模式:小麦常规行间距 25 cm 均匀条播模式(A1)和小麦 30 cm+20 cm 宽窄行种植模式(A2);设置 3 个不同秸秆覆盖量(截断秸秆为 8~12 cm):0 t/hm2 覆盖量(S0)、1.5 t/hm2 覆盖量(S1)和 3.0 t/hm2 覆盖量 (S2),共 6 个试验处理,设置 3 个重复,随机区组排列。其中,宽窄行种植模式为窄行(苗带)人工洁茬条播 2 行小麦,宽行(空幅带)进行秸秆覆盖,常规等行间距 25 cm 条播模式每个行间均匀覆盖秸秆;同时,试验中所用秸秆均为收集来的前茬水稻收获后的秸秆,并且小麦种植前将所有试验小区原有稻茬秸秆进行人工统一清理,保证秸秆覆盖前小区内基本没有稻茬秸秆残留。具体处理如表1,田间试验布置如图1。试验小区面积为 5 m×20 m,各小区间留有 30 cm 走道。供试小麦品种为‘扬麦 16’,播种量为 225 kg/hm2,播种日期为 11 月 15 日。施肥按照滩涂地区习惯施肥量进行,11 月 3 日施用复合肥 600 kg/hm2 作为底肥,2 月 24 日,施用尿素 187.5 kg/hm2 进行追肥 1 次。其中,复合肥为美吉星绿色高能系列复合肥,具体养分含量为 N-P2O5-K2O:18-7-10,Ca、Fe、Zn、B 等合计 10%,尿素为长平牌,总氮 46.0%。试验田块滩涂小麦在 5 月 28—29 日成熟完成田间收获。
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图1 沿海滩涂小麦不同行间距与不同秸秆覆盖量田间试验
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1.3 测定指标与方法
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1.3.1 土壤温度
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利用便捷式地温计测定苗期至成熟期各小区 0、5、10 和 15 cm 共 4 个土层地温,每隔 20 d 左右测定 1 次。选择干燥的晴天 8:30—10:30 测量地温,同时在地温测量前后测量大气实时温度,取平均值作为当日采样时的大气温度记录数据。
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1.3.2 土壤电导率、pH 和水分含量动态及其他理化性质测定
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利用土钻取土,分别采集 0~20 和 20~40 cm 土壤样品,每个小区各层分别取 3 点,混合装袋带回实验室通过烘干法测定土壤含水率。称取 20 g 左右鲜土,105℃恒温烘干 12~16 h,然后称重,利用差值计算土壤含水率。土壤样品风干后,磨碎过 2 mm 筛,利用电导率仪和 pH 计分别测定电导率(土水比 1∶5)和 pH(土水比 1∶5)。小麦生长期间大约 20 d 采集土壤样品 1 次,监测田间土壤盐分和水分动态变化特征。同时,在小麦种植前分别利用 5 点采样法采集 0~20 cm 土壤样品,测定土壤有机质、全氮、速效钾、碱解氮、有效磷、pH、电导率。在田间利用环刀法测定土壤容重和孔隙度。以上指标具体测定方法均参照《土壤农化分析方法》[22]。
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1.3.3 小麦产量及构成因素
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成熟期每个小区调查 3 个 0.25 m2 的穗数,计算单位面积有效穗数;取样 10 株,考察每穗粒数和千粒重,并测量含水率,换算成 12.5% 含水率的千粒重。每个处理小区收割计实产。
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1.4 数据处理
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利用 Excel 2019 和 DPS 7.05 进行数据分析与作图,采取随机区组双因素方差分析,LSD 法进行多重比较(α=0.05)。用 Pearson 相关分析法分析大气温度和不同土层温度之间的相关性。
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2 结果与分析
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2.1 沿海滩涂不同行间距、不同覆盖量处理下小麦生长期间土壤盐分动态变化特征
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本试验用土壤电导率来表征土壤盐分。由图2 可见,本研究中,沿海滩涂小麦 A1 和 A2 模式种植中不同覆盖处理(S0、S1 和 S2)下土壤盐分均具有相似的季节性变化特征,0~20 cm 土层表现为 12 月—翌年 2 月盐分变化比较平稳,3 月出现明显降盐,之后随着温度升高出现明显返盐现象; 20~40 cm 土层表现为 12 月—翌年 4 月盐分变化比较平稳,之后随温度升高返盐现象明显。
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图2 沿海滩涂不同行间距和不同覆盖量处理下小麦生长期间土壤电导率动态变化特征
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由表2 可见,就不同行间距模式而言,A1 和 A2 模式下小麦生长季 0~20 和 20~40 cm 土壤盐分平均值均没有显著差异。就不同覆盖处理而言,整体上 S1 和 S2 的 0~20 cm 土层盐分平均值较 S0 降低了 10.24% 和 11.75%,而 S1 和 S2 与 S0 的 20~40 cm 土层盐分没有显著差异。同时,双因素试验方差分析表明,不同行间距模式对 0~20 cm 土壤盐分没有显著影响,不同覆盖处理对 0~20cm 土壤盐分具有极显著的影响,且不同行间距模式和覆盖处理对土壤盐分没有显著的互作效应。可见,滩涂种植小麦过程中进行覆盖处理对 0~20 cm 土壤盐分降低具有明显的效果,但对 20~40 cm 土壤盐分变化没有明显影响。
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2.2 沿海滩涂不同行间距、不同覆盖量处理下小麦生长期间土壤 pH 动态变化特征
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由图3 可见,本试验条件下,沿海滩涂小麦 A1 和 A2 模式种植中不同覆盖处理(S0、S1 和 S2) 下土壤 pH 均具有相似的季节性变化特征,0~20 cm 土层均表现为 12 月—翌年 3 月中旬处于稳定期,3 月中旬分蘖期之后(追施尿素 20 d 后)开始出现一定程度的降低,5 月开始土壤 pH 出现小幅度升高;20~40 cm 土层盐分与 0~20 cm 土层 pH 的季节性变化规律基本类似,仅 5 月 pH 变化有微小差异。同时,整体上各处理 0~20 cm 土层 pH 低于 20~40 cm 土层,A1 模式下不同覆盖处理 (S0、S1 和 S2) 的 0~20 和 20~40 cm 土壤 pH 变化幅度分别为 7.65~8.61 和 8.50~9.36,A2 模式下 0~20 和 20~40 cm 土壤 pH 变化幅度分别为 7.60~8.55 和 8.53~9.37。
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注:不同小写字母代表同列数据 S0、S1 和 S2 处理间差异显著 (P<0.05);不同大写字母代表同列数据 A1 和 A2 模式间差异显著 (P<0.05);** 和 * 分别表示在 0.01 和 0.05 水平上影响显著。
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图3 沿海滩涂不同行间距和不同覆盖量处理下小麦生长期间土壤 pH 动态变化特征
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2.3 沿海滩涂不同行间距、不同覆盖量处理下小麦生长期间土壤水分和土壤温度动态变化特征
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由图4 可见,沿海滩涂小麦种植过程中 A1 和 A2 模式下 0~20 和 20~40 cm 土壤水分含量均具有相似的变化特征,且各覆盖处理间没有明显的差异。同时,整体上 20~40 cm 土层水分变化滩涂小麦生长过程中比较稳定,A1 和 A2 模式下土壤水分变化幅度分别在 215.52~239.79 和 210.42~249.46 g/kg 之间;0~20 cm 土层水分相比 20~40 cm 土层变化剧烈一些,变化幅度分别在 186.53~249.60 和 189.84~248.96 g/kg 之间。
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由图5 可见,沿海滩涂小麦生长期间 0、5、 10 和 15 cm 土层温度均表现出一致的季节性变化特征,且不同行间距和不同覆盖处理下土壤各层温度均没有明显差异。同时,本研究中,相关分析表明,各土层温度与大气温度均表现出极显著的正相关(r 值均大于 0.91,P<0.01),即各土层深度土壤温度随着大气温度的升高而升高。
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2.4 沿海滩涂不同行间距、不同覆盖量处理下对小麦产量及其构成因素的影响
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由表3 可知,本试验条件下,沿海滩涂种植小麦 A1 模式下,A1S1 和 A1S2 相比 A1S0 处理(7253.37 kg/hm2) 小麦产量分别提高了 7.85% 和 9.90%(P<0.05);在 A2 模式下,A2S1 和 A2S2 相比 A2S0 处理(7165.95 kg/hm2)小麦产量分别提高了 9.53% 和 13.29%(P<0.05); 然而,整体上,A1 和 A2 模式下小麦产量均没有明显的差异(P>0.05),但 S1 和 S2 相比 S0 处理(7209.66 kg/hm2)下小麦产量分别提高了 8.68% 和 11.58%(P<0.05)。从产量构成因素分析,A1 模式下,A1S1 和 A1S2 相比 A1S0 处理(464.23 万穗 /hm2)滩涂小麦公顷穗数分别提高了 11.78% 和 9.48%; 在 A2 模式下,A2S1 和 A2S2 处理相比 A2S0 处理(480.24 万穗 /hm2)小麦公顷穗数分别提高了 6.11% 和 6.39%;整体上,S1 和 S2 相比 S0 处理(472.24 万穗 /hm2)下小麦公顷穗数分别提高了 8.90% 和 7.91%;同时,A1 模式下,A1S1 和 A1S2 相比 A1S0 处理(46.05 粒)小麦每穗粒数分别提高了 8.41% 和 8.30%;在 A2 模式下,A2S1 和 A2S2 相比 A2S0 处理(47.98 粒)小麦每穗粒数分别提高了 4.17% 和 4.27%; 整体上,S1 和 S2 相比 S0 处理(47.02 粒)下小麦每穗粒数分别提高了 6.23% 和 6.23%。另外,A1 和 A2 之间及 S1 和 S2 之间滩涂小麦千粒重均没有表现出明显的差异(P>0.05)。由此可见,本试验条件下,覆盖条件 S1 和 S2 处理下沿海滩涂地区小麦产量的提高主要是由于公顷穗数和每穗粒数的增加引起的。
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图4 沿海滩涂不同行间距和不同覆盖量处理下小麦生长期间土壤水分含量动态变化特征
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图5 沿海滩涂不同行间距和不同覆盖量处理下小麦生长期间各层土壤温度的动态变化特征
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注:同列数据后不同小写字母代表处理间差异显著(P<0.05)。
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3 讨论
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3.1 不同行间距和不同覆盖量处理对沿海滩涂小麦土壤盐分动态变化特征
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气候因子特别是降水量、大气温度和蒸发量等变化,是滩涂盐碱地土壤盐分运移变化的重要驱动因素[8,19]。一般而言,大气温度的升高可以加剧土壤水分蒸发,带动土壤盐分向上移动,引起表层土壤盐分增加[8,23];降水对土壤盐分具有淋洗脱盐作用,但会受到降水量大小和降水强度的影响[19,24]。同时,秸秆覆盖和植被覆盖可以显著地改变降水量和气温变化对中度和重度盐碱地土壤盐分季节性变化特征的影响,且秸秆覆盖可以显著降低土壤耕层盐分[8,19]。本研究发现,沿海滩涂小麦土壤盐分动态变化表现为 12 月—翌年 2 月盐分变化比较平稳,3 月出现明显降盐,之后随着温度升高出现明显返盐现象;不同行间距对滩涂小麦土壤盐分动态变化没有显著的差异,而秸秆覆盖条件下土壤盐分季节性变化特征虽然没有显著的影响,但整体上覆盖条件下 S1 和 S2 处理 0~40 cm 土壤盐分均低于不覆盖秸秆 S0 处理,这与前期的研究结果有类似也有不同[8,19,21,25]。出现这些结果的原因主要是:(1)前茬水稻收获后种植小麦,11 月—翌年 3 月期间大气温度相对较低,降水量相对较小,进而蒸发量较少,盐分变化处于比较稳定的状态;同时,翌年 3 月中旬后,随着大气温度的升高和降水量不断增加,加剧了土壤水分含量的变化和土壤温度升高,进而引起耕层土壤盐分升高; (2)相比于中度-重度盐碱地,沿海滩涂小麦种植田块盐分处于轻盐土水平,小麦生长季盐分变化幅度相对不大(0.241~0.482 dS/m),因此秸秆覆盖对滩涂小麦土壤盐分动态变化特征影响不明显(图1);(3)秸秆覆盖对小麦生长生育期间土壤温度有一定的调节作用,可以降低土壤地表温度(图3)[26],特别是江苏沿海滩涂返盐现象明显的 4—5 月,小麦行间秸秆覆盖在一定程度上减缓了土壤耕层盐分聚集现象。
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3.2 不同行间距和不同覆盖量处理对沿海滩涂小麦产量及产量构成因素的影响
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一般来说,秸秆覆盖措施可以增加冬小麦生育期内的土壤水分含量,提高土壤的保墒性能,同时对冬小麦全生育期土壤温度的影响表现为前期增温和后期降温的双重效应,进而促进小麦的壮苗和生长,最终达到小麦增产的目的[17,26-27]。张乾等[26] 研究报道,秸秆带状覆盖可以显著增加旱地冬小麦产量,且产量提高主要是小麦穗数增加引起的。本研究试验表明,不同行间距模式间小麦产量均没有明显的差异,但秸秆覆盖条件下 1.5 和 3.0 t/hm2 覆盖量相比 0 t/hm2 覆盖量的小麦产量分别提高了 8.68% 和 11.58%,而且覆盖条件下滩涂小麦的穗数和每穗粒数明显增加,这与前人在干旱地区研究有一定的相似也有所差异[26]。本研究中,由于沿海地区相比干旱半干旱地区,小麦生长的冬-春季水热条件具有更好的优势,进而秸秆覆盖对滩涂地区土壤保墒效果及土壤前期保温有一定作用但表现不明显(图4 和图5)。然而,在滩涂盐碱地上,秸秆覆盖对冬-春季土壤盐分变化具有更显著的影响,小麦生长前期秸秆覆盖下土壤保墒作用有所增加,加之覆盖处理土壤盐分一定程度降低,进而促进了小麦苗期生长和小麦分蘖数形成[27]。同时,大气温度和降水量增加的 3—5 月,秸秆覆盖降低了土壤水分蒸发和减缓了土壤盐分的表聚现象[8,19],减弱了土壤盐分对滩涂小麦拔节孕穗期的影响,进而小麦产量增加。因此,在沿海滩涂地区秸秆覆盖对小麦生长和产量的影响主要受土壤盐分变化影响,前期盐分降低和保墒性能促进了小麦穗数的形成,小麦孕穗期减缓土壤返盐促进了小麦穗粒数的形成,进而提高了小麦产量。
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4 结论
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通过不同行间距和不同秸秆覆盖量滩涂小麦种植试验发现,本试验条件下,沿海滩涂小麦种植过程中各处理的 0~40 cm 土层盐分均有相似的季节性变化特征,表现为 12 月—翌年 2 月盐分变化比较平稳,3 月出现明显降盐,之后随着温度升高出现土壤返盐状态。沿海滩涂地区不同行间距对小麦产量没有明显的影响,而行间覆盖条件下对滩涂小麦产量具有显著的提高。同时,在滩涂地区秸秆覆盖对小麦产量的影响主要受土壤盐分变化影响,前期盐分降低和保墒性能促进了小麦穗数的形成,小麦孕穗期减缓土壤返盐促进了小麦穗粒数的形成,进而提高了小麦产量。因此,行间覆盖条件下对滩涂小麦产量具有显著的提高,这主要是由于秸秆 1.5 和 3.0 t/hm2 覆盖量对耕层具有较好的控盐降盐作用,进而促进滩涂小麦公顷穗数和每穗粒数的增加。
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摘要
2021 年 11 月—2022 年 6 月,在江苏南通沿海滩涂地区开展不同行间距和不同秸秆覆盖量的滩涂小麦种植试验,设置 2 个行间距模式即均匀行距 25 cm+25 cm(A1)、宽窄行 30 cm+20 cm(A2)和 3 个秸秆覆盖量处理即 0 t/hm2 覆盖量(S0)、1.5 t/hm2 覆盖量(S1)、3.0 t/hm2 覆盖量(S2),旨在研究不同行间距和秸秆覆盖量处理下滩涂小麦生育期土壤盐分、pH、水分和温度的动态变化规律,明确行间距和秸秆覆盖组合对沿海滩涂小麦产量及其构成因素的影响。结果表明:沿海滩涂小麦种植过程中各处理 0 ~ 20 和 20 ~ 40 cm 土层盐分均具有相似的季节性变化特征,表现为 12 月—翌年 2 月盐分变化比较平稳,3 月出现明显降盐,之后随着温度升高出现土壤返盐状态;同时,整体上 S1 和 S2 处理下 0 ~ 20 和 20 ~ 40 cm 的土壤盐分显著低于 S0 处理,但 A1 和 A2 模式下土壤盐分没有显著差异(P>0.05)。整体上 A1 和 A2 模式下滩涂小麦产量均没有显著的差异性(P>0.05),S1 和 S2 处理相比 S0 处理下滩涂小麦分别提高了 8.68% 和 11.58%(P<0.05);从产量构成因素分析,S1 和 S2 处理相比 S0 处理下公顷穗数分别提高了 8.90% 和 7.91%,每穗粒数分别提高了 6.23% 和 6.23%。因此,研究得出秸秆覆盖对耕层土壤具有较好的控盐降盐作用,且小麦拔节分蘖期盐分降低促进了小麦穗数形成和小麦孕穗期减缓土壤返盐促进了穗粒数的增加,最终实现滩涂小麦增产的目的。
Abstract
The research aimed to study the dynamic changes of soil salinity,pH,moisture and temperature during the growth period of shoal wheat under different line spacing and straw mulch,and to determine the effects of the combination of row spacing and straw mulch on the yield of shoal wheat and its constituent factors. A wheat planting experiment was carried out from November 2021 to June 2022 in the coastal tidal flat area of Nantong,Jiangsu province. Two row spacing modes including uniform row spacing of 25 cm+25 cm(A1)and wide and narrow row width of 30 cm+20 cm(A2),and three straw mulching amounts of 0(S0),1.5(S1)and 3.0 t/hm2 (S2)were set up in the experiment. The results showed that the salt of soil layers 0-20 and 20-40 cm in each treatment had similar seasonal characteristics during the process of wheat planting in the coastal beach. The salt change was relatively stable from December to February of the next year,the salt decreased significantly in March,and then the soil salt returned with the increase of temperature. At the same time,the soil salinity of 0-20 and 20-40 cm under S1 and S2 treatments was significantly lower than that under S0 treatment overall, but there was no significant difference in soil salinity between A1 and A2 modes. On the whole,there was no significant difference in the yield of shoal wheat under A1 and A2 modes. Compared with S0 treatment,the yield of shoal wheat under S1 and S2 treatments was increased by 8.68% and 11.58%,respectively(P<0.05). From the analysis of yield composition factors,the panicle number increased by 8.90% and 7.91% under S1 and S2 treatments,compared with S0 treatment,and the panicle number increased by 6.23% and 6.23% under S1 and S2 treatments,compared with S0 treatment,respectively. Therefore,it was concluded that straw mulching had a better effect on salt control and salt reduction of topsoil,and the decrease of salt in wheat jointing stage promoted the formation of wheat panicle number,and the decrease of soil salt return in wheat booting stage promoted the increase of grain number per panicle,and finally achieved the purpose of wheat yield increase in the coastal tidal flat area.
Keywords
coastal tidal flats ; salinity dynamics ; shoal wheat ; beach utilization ; food security