全 文 ：中国生态农业学报 2013年 5月 第 21卷 第 5期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, May 2013, 21(5): 519525


* 国家科技支撑计划项目(2012BAD14B07)和中国科学院知识创新项目(KZCX2-EW-415)资助
陈素英(1964—), 女, 副研究员, 研究方向为农业水资源高效利用。E-mail: csy@sjziam.ac.cn
收稿日期: 20130228 接受日期: 20130320
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2013.00519
华北平原秸秆覆盖冬小麦减产原因分析*
陈素英 张喜英 孙宏勇 邵立威
(中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 中国科学院农业水资源重点实验室
河北省节水农业重点实验室 石家庄 050022)
摘 要 秸秆覆盖是减少农田棵间蒸发和提高水分利用效率的措施之一。冬小麦/夏玉米一年两作种植中, 秸
秆资源非常丰富, 随着机械化作业的发展, 小麦秸秆覆盖夏玉米技术在同类地区得到成功应用和推广。但夏玉
米秸秆覆盖冬小麦后对冬小麦的生长发育产生了一些不利影响, 造成了冬小麦不增产或减产, 限制了该项技
术的推广。秸秆覆盖造成冬小麦穗数的降低是冬小麦产量降低的主要原因, 其次是千粒重的降低。大部分研
究表明秸秆覆盖小麦地表后, 使根区土壤温度白天最高温度低于不覆盖处理, 夜间的最低温度高于不覆盖处
理, 土壤温度的日较差减小。秸秆覆盖下根区温度的变化可能是引起小麦生长发育滞后和产量降低的主导因
素。本文综述了华北平原秸秆覆盖冬小麦减产原因, 为实现两熟区冬小麦秸秆覆盖提供理论依据。
关键词 华北平原 冬小麦/夏玉米一年两作 秸秆覆盖 冬小麦 产量 土壤温度
中图分类号: S341.9 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2013)05-0519-07
Cause and mechanism of winter wheat yield reduction under straw
mulch in the North China Plain
CHEN Su-Ying, ZHANG Xi-Ying, SUN Hong-Yong, SHAO Li-Wei
(Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences;
Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences; Hebei Key Laboratory of
Agricultural Water-Saving, Shijiazhuang 050022, China)
Abstract In the North China Plain (NCP), winter wheat and summer maize double cropping consumed 800~850 mm of water
annually. About 25%~30% of the water loss was due to soil evaporation. Reducing soil water evaporation was an effective
water-saving measure in this seriously water-scarce region. Straw mulch has been proved to be one of the effective methods
used to reduce soil evaporation. Double cropping of winter wheat and summer maize in the NCP was effective in producing
abundant straw for mulching. With the mechanization of winter wheat harvest, winter wheat straw has been successfully used
to mulch maize; significantly reducing crop water use. However, summer maize straw mulch on the soil surface has created
unfavorable winter wheat growth conditions resulting in yield reduction. Because straw mulch reduced winter wheat yield, its
practical application was limited. Decrease in spike number was main reason for the yield reduction of winter, and the
1000-grain weight decrease was the second reason. Soil surface straw mulch reduced maximum root zone temperature during
daytime and increased minimum temperature during nighttime, thereby reducing daily temperature range. Changes in root zone
temperature under straw mulch delay growth period and reduced yield. This paper summarized the causes and mechanisms of
winter wheat yield reduction under straw mulch in the NCP. The results were vital in finding technical solutions to the negative
effects of straw mulch on winter wheat. This enhanced the practical application of straw mulch to save irrigation water in the
NCP.
Key words North China Plain, Double cropping of winter wheat/summer maize, Straw mulch, Winter wheat, Crop yield, Soil
temperature
(Received Feb. 28, 2013; accepted Mar. 20, 2013)

520 中国生态农业学报 2013 第 21 卷



华北平原是我国小麦、玉米主产区, 小麦和玉
米产量分别占全国的 41%和 30%以上, 但水资源严
重短缺是影响该区农业持续发展的关键因素之一。
冬小麦和夏玉米一年两作年耗水量 800~850 mm, 其
中 25%~30%农田耗水是土壤棵间蒸发失水[12], 减
少这部分水分消耗对本区农田节水有重要意义。秸
秆覆盖是减少棵间蒸发的一项重要措施[36]。在冬小
麦和夏玉米一年两熟种植模式中, 冬小麦秸秆覆盖
夏玉米田, 与不覆盖相比可减少生育期耗水 40 mm,
水分利用效率(WUE)和产量提高 7%~10%, 具有显
著的节水增产作用[79]。冬小麦联合收割机加载小麦
秸秆粉碎机的应用, 推动了小麦秸秆机械化覆盖夏
玉米田技术的发展。
华北平原冬小麦生长于较干旱的 10 月至翌年 6
月, 全生育期平均降雨量为 100~120 mm[10], 而蒸散
量为 450 mm, 实施秸秆覆盖更有利于减少农田耗水
和缓解水资源短缺。但冬小麦生长生育期较长, 历
经秋、冬、春和初夏, 秸秆覆盖冬小麦后对冬小麦
的生态环境和生长发育产生了一些不利的影响, 造
成了冬小麦产量的降低。虽然秸秆覆盖具有保墒作
用 , 但引起了冬小麦产量的降低 , 致使秸秆覆盖下
冬小麦水分利用效率并没有增加[1116], 进而影响了
该项技术的推广。
目前关于华北平原秸秆覆盖的研究很多, 大多
集中在秸秆覆盖对土壤温度、湿度、农田小气候、产
量、水分利用效率等效应的研究, 对于减产的原因和
机理仍不清楚。本文针对华北平原一年两熟种植中,
秸秆覆盖对冬小麦产量的影响及研究进展进行综述,
探讨秸秆覆盖冬小麦减产的可能原因及机理, 为实
现华北平原两熟区冬小麦秸秆覆盖提供前提和条件。
1 冬小麦田的秸秆覆盖方式
华北平原冬小麦、夏玉米一年两熟种植模式中,
冬小麦秸秆已经实现了机械化覆盖夏玉米田, 夏玉
米秸秆大部分采用秸秆还田+土壤旋耕后播种冬小
麦。目前关于冬小麦田秸秆覆盖的研究报道包括 2
种覆盖方式 : 一是人工覆盖 , 即冬小麦播种后 , 人
工将粉碎的玉米秸秆覆盖于小麦行间, 主要用于秸
秆覆盖的生态效应研究, 为生产上大面积实施秸秆
覆盖提供理论依据; 另一种是免耕覆盖, 玉米摘穗
后 , 玉米秸秆粉碎或不粉碎 , 直接用小麦免耕施肥
播种机播种小麦 , 小麦的种植方式为沟播 , 玉米秸
秆覆盖在垄上。这种秸秆覆盖方式与免耕相结合 ,
也称为保护性耕作方式, 是目前生产上正在推广的
一种秸秆覆盖形式。
2 秸秆覆盖对冬小麦产量的影响
大多数研究都表明秸秆覆盖能提高作物产量。
尤其是在旱作区 , 在有限的降水条件下 , 秸秆覆盖
具有保墒作用, 土壤墒情的改善是小麦增产主要措
施。历年多点调查显示, 旱地小麦覆盖秸秆比不覆
盖可增产 10%~15%[1718]。冬小麦夏闲期秸秆覆盖一
般可增产 10%~20%, 干旱年份可达到 50%[1920]。小
麦增产幅度与覆盖时间有关 : 伏覆盖加冬前覆盖
冬前覆盖>冬后覆盖, 出苗后覆盖不增产[21]。但有灌
溉条件的一年 1 熟区, 秸秆覆盖冬小麦有的研究结
果则表现为不增产, 甚至显著减产[13]。
在一年两熟灌溉区, 秸秆覆盖冬小麦的产量结
果不尽一致, 有些研究表明, 不论何时覆盖和覆盖
量为多少, 凡是施行覆盖的麦田, 小麦产量均比不
覆盖的高 [22]。方文松等 [23]在河南郑州的研究表明,
秸秆覆盖可使冬小麦增产 8.08%~10.71%。李其昀等[24]
在山东的研究表明, 进行秸秆覆盖的处理, 小麦平
均产量最高可达到 5 360.0 kg·hm2, 提高 1 303.67
kg·hm2, 增产可达到 28.23% 。伊德里萨等[25]研究
表明, 充分灌溉、轻度水分胁迫和重度水分胁迫条
件下 , 秸秆覆盖均使冬小麦产量增加 , 与无秸秆覆
盖相比分别增加 0.98%、16.42%和 24.32%。
我们在河北省栾城县多年研究结果表明, 秸秆
覆盖导致冬小麦减产, 4 年平均减产 7%左右[2628];
汪 丙 国 等 [29] 在 河 北 冬 小 麦 试 验 中 发 现 , 覆 盖
4 500 kg·hm2 秸秆未增产; 河北省黑龙港地区的研
究结果表明, 秸秆覆盖的小麦产量低于不覆盖处理,
但差异不显著[30]。李全起等[31]在山东禹城研究发现,
不论有无灌溉 , 秸秆覆盖均趋于降低冬小麦的产
量。在河北、山东和河南等地的免耕覆盖条件下, 小
麦产量比对照减产 18%~30%[3237]。谢瑞芝等[38]对中
国保护性耕作试验研究的产量效应分析结果表明 ,
中国保护性耕作的产量研究结果多为增产, 但也有
10.92%的减产数据, 其中黄淮海、华北地区等地的
减产概率比较高, 少耕和免耕处理的减产概率较高,
小麦减产概率最高, 玉米减产概率最小。可以看出,
在有灌溉条件下, 无论哪种秸秆覆盖都造成了冬小
麦减产 , 由此可见 , 覆盖不增产或减产的现象客观
存在。
3 秸秆覆盖对冬小麦产量及其构成因素的影响
冬小麦产量由穗粒数、千粒重和收获时的有效
穗数决定。分析秸秆覆盖对小麦产量三要素的影响,
可为秸秆覆盖条件下消减小麦产量降低提供技术
第 5 期 陈素英等: 华北平原秸秆覆盖冬小麦减产原因分析 521


措施。
3.1 秸秆覆盖对冬小麦穗数的影响
对冬小麦出苗率、分蘖率、成穗率等的影响均
可能导致冬小麦有效穗数的变化。秸秆覆盖对作物
出苗率具有抑制作用 , 不论秸秆覆盖数量多少 , 也
不论是覆盖时间早晚, 均会对作物种子发芽、出苗
及幼苗生长产生抑制作用 , 覆盖量越大 , 抑制作用
越明显[3940]。张萍等[41]认为, 秸秆覆盖量和细碎程
度均会影响小麦出苗率。赵丽等[42]研究表明, 秸秆
覆盖率和小麦出苗率之间成二次或三次曲线拟合关
系, 秸秆覆盖度和秸秆覆盖量的大小都不同程度地
影响到了小麦出苗率。董文旭等[34]研究表明, 免耕
覆盖小麦的出苗率比传统耕作低 27.0%~46.2%; 韩
宾等[33]认为, 常规耕作处理田间出苗率为 70%以上,
基本可以满足农业生产需要, 但免耕覆盖处理田间
出苗率仅 60.2%; 李少昆等 [43]研究表明, 免耕覆盖
小麦出苗率下降 , 较传统耕作方式降低 14.9%, 差
异达显著水平(P=0.05)。
研究结果显示通过加大播量或者冬小麦出苗后
再进行覆盖条件下, 秸秆覆盖处理的小麦穗数仍然
低于对照[4445]。李全起等[14]研究发现, 秸秆覆盖不
但影响冬小麦的出苗数, 还影响小麦的冬前分蘖和
春后分蘖, 秸秆覆盖处理的小麦基本苗较不覆盖减
少 10.57%, 越冬期间单茎数比对照减少 22.7%, 拔
节期 , 麦田的分蘖数达到最大值 , 覆盖处理较对照
低 22.92%。范春燕和许继东[37]研究结果表明, 秸秆
还田不仅降低小麦的出苗率, 且出苗后生长发育较
差, 分蘖少, 有效穗数不足。高传昌等[44]研究发现,
秸秆覆盖对冬小麦有效穗数的增长具有抑制作用。
董文旭等[34]和李素娟等[15]研究结果表明, 秸秆覆盖
免 耕 处 理 的 小 麦 穗 数 比 对 照 减 少 12%~13%(P=
0.05)。我们的长期覆盖试验结果表明 , 从 2000—
2012 年的 11 个小麦生长季, 覆盖处理的穗数较对照
平均低 3.09%; 长期耕作试验结果表明, 从 2004—
2011 年的 7 个小麦生长季, 免耕覆盖处理的小麦穗
数较传统耕作平均低 22.11%。
3.2 秸秆覆盖对冬小麦千粒重的影响
千粒重是影响小麦产量的一个关键因素。秸秆
覆盖对小麦千粒重的影响结果不一, 但总体影响不
显著。秸秆覆盖对小麦千粒重的增长具有促进作
用[16,23,25,44]。高延军等[45]研究结果表明, 6 个小麦品
种覆盖和不覆盖的千粒重分别为 34.66 g 和 34.07 g,
无显著差异。我们的试验结果表明, 从 2000—2012
年的 11 个小麦生育期内, 不覆盖处理小麦千粒重平
均为 39.47 g, 覆盖处理平均为 39.09 g, 覆盖平均减
少 1.04%; 11 个生育期, 8 个年度的对照千粒重高于
覆盖处理的千粒重, 只有 3 个年度覆盖处理的千粒
重稍高于对照处理, 但差异均不显著。免耕覆盖对
小麦的千粒重影响较大, 免耕覆盖的千粒重显著低
于对照[33]。长期耕作试验结果表明, 免耕覆盖处理
的小麦千粒重略低于传统耕作, 但差异不显著。
3.3 秸秆覆盖对冬小麦穗粒数的影响
秸秆覆盖有利于小麦穗粒数的增加。我们的试
验结果表明, 从 2000—2012 年的 11 个小麦生育期
内 , 覆盖和不覆盖处理小麦的穗粒数平均分别为
31.99 粒·穗1 和 29.58 粒·穗1, 覆盖处理高于对照,
11 个生育期, 7 个年度覆盖处理穗粒数高于对照, 只
有 4 个年度覆盖处理的穗粒数低于对照。长期耕作
试验结果表明, 免耕覆盖处理的小麦穗粒数与传统
耕作基本相同, 差异不显著。
4 秸秆覆盖小麦减产机理分析
秸秆覆盖对冬小麦产量构成的研究表明, 秸秆
覆盖造成冬小麦穗数的降低是冬小麦产量降低的主
要原因, 其次是千粒重的降低。
秸秆覆盖降低出苗率及苗期生长的可能原因主
要包括以下几个方面：(1)秸秆障碍和种子霉烂。即
小麦正常发芽后 , 无法冲破秸秆的覆盖 , 不能正常
接受光照 , 随着时间延长 , 这部分麦苗因不能进行
光合作用而致死。(2)生化他感。生化他感效应也是
影响种子发芽和幼苗生长的因素[39]。杨思存等[46]的
研究结果表明, 玉米秸秆对小麦幼苗的相克作用最
强 , 使小麦生物量减产 60.8%, 玉米秸秆的他感强
度大于小麦秸秆和大豆秸秆, 在时间上对小麦的影
响是前期大于后期。(3)碳氮比失衡。秸秆腐解过程
需要较多的氮, 秸秆本身碳氮比为 65~85∶1, 而适
宜微生物活动的碳氮比为 25∶1, 秸秆腐解时由于
碳多氮少失衡, 微生物就必须从土壤中吸取氮素以
补不足 , 也就造成了与作物共同争氮的现象 , 导致
麦苗因缺氮而黄化、苗弱, 生长不良。(4)耕层土壤
温度。秸秆覆盖地表后, 由于秸秆覆盖阻挡了太阳
辐射向地面的传播和夜间土壤向外散射能量, 秸秆
覆盖下冬小麦耕层土壤温度在白天降低、夜间升高,
土壤温度日较差减少[4749]。由于冬小麦早中期生长
在温度低的秋冬春季, 根系较浅, 土壤温度白天低,
不利于根系吸收土壤水分养分, 不能满足地上部分
生长发育要求; 而夜间的高温又增加了根系呼吸消
耗, 对作物生长产生了不利影响[5053]。研究显示, 植
物对根区温度的变化更敏感, 根区温度每变化 1 ℃
就能引起植物生长和养分吸收的明显变化[54]。根据
在中国科学院栾城农业生态试验站的观测结果, 秸
522 中国生态农业学报 2013 第 21 卷


秆覆盖后表层地温越冬前、越冬期间和返青期间夜
间最低温度比不覆盖分别高 2.37 ℃、3.18 ℃、1.68 ℃,
白天最高温度分别低 2.68 ℃、4.40 ℃、4.82 ℃; 秸
秆覆盖下 5 cm 深度地温越冬前、越冬期间和返青后
夜间最低温度比不覆盖分别高 0.57 ℃、1.28 ℃、
0.34 ℃, 白 天 最 高 温 度 低 0.54 ℃ 、 0.75 ℃ 、
1.85 ℃[55]。冬小麦秸秆覆盖下根区温度变化可能是
影响冬小麦产量的一个主要因素。
秸秆覆盖使冬小麦生育期延迟, 特别是春季返
青、拔节、开花和灌浆时间的推迟, 使灌浆持续时
间缩短 , 影响千粒重的增加 ; 并且到了生育后期 ,
营养器官生长非常旺盛, 茎和叶等营养器官的干物
质积累量明显高于不覆盖处理, 营养器官生长过于
旺盛 , 消耗大量的营养物质 , 从而导致向籽粒分配
的光合产物减少, 最终造成产量降低[56]。
5 秸秆覆盖冬小麦技术的研究展望
总结上述秸秆覆盖对冬小麦产生不利影响的因
素, 秸秆覆盖下耕层温度降低可能是引起小麦生长
发育滞后和产量降低的主导因素。根区温度对作物
生长和产量影响是一个复杂的过程, 根区温度会首
先影响植物一系列的生理生化代谢, 如根系的吸收
功能、运输功能、激素代谢等, 最终反映到对作物
生长和产量的影响上[5760]。根区低温会阻止根系伸
长[6163], 根的不断伸长才能使其吸收部位与土壤水
分、养分接触。土壤低温下水的扩散压减小, 减慢
了水向根的扩散 , 也降低了根的代谢活动 , 原生质
膜的透性和主动吸收能力降低[64], 从而降低作物对
土壤水分和矿质离子的主动吸收而阻碍作物生长发
育。一些研究发现植物的吸氮能力与温度关系密
切 [65]。根区温度还通过影响植物叶片的叶绿素含量、
降低叶片碳同化酶活性、叶片光合产物输出受阻等
非气孔限制因素来影响叶片的光合作用[6668]。植物
的内源激素受外界环境条件(如光照、温度和水分等)
影响, 马兴林和梁振兴 [6970]研究表明, 植物内源激
素在分蘖发生与衰亡过程中起着关键作用, 生长素
(IAA)通过顶端优势抑制分蘖发生, 细胞分裂素能解
除 IAA 引起的顶端优势, 通过促进分蘖芽生长, 使
单株分蘖数增加。李春喜等[71]研究表明, 冬小麦分
蘖动态与 IAA 及细胞分裂素类物质——玉米素核苷
(ZR)和玉米素(Z)的含量有关 , 当 IAA/(ZR+Z)值低
时 , 有利于分蘖发生 , 反之则不利于分蘖发生 , 分
蘖力强的小麦品种冬前 IAA/(ZR+Z)值显著低于分
蘖力弱的品种, 较高的 ZR+Z 含量和分蘖增长具有
一致性。因此, 细胞分裂素可能对分蘖的发生起着
关键作用。
作物根系在作物生长发育中作为感应周围土壤
环境的器官, 对作物地上部生理生态过程具有明显
调节作用。土壤温度对根系生长、代谢有很大影响,
而根系的生长和代谢对地上部的生长又起着促控作
用, 土温可以通过多种不同的机制影响植物地上部
分的生长和光合作用。因此, 研究秸秆覆盖下冬小
麦根区温度变化对根系生长、土壤水氮供应能力、
根系吸收活性和地上部分生理生态的影响, 明确秸
秆覆盖引起的土壤低温对冬小麦生长和产量的影响,
对消除秸秆覆盖负效应, 在生产上大面积推广冬小
麦秸秆覆盖技术, 在实现节水同时保证作物高产高
效有重要意义。机理方面的研究还需要进一步加大,
从机理上探明秸秆覆盖小麦减产的真正原因。
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