2018, Vol. 39
稻麦轮作制是我国主要的作物生产制度之一，主要集中应用在长江流域。中国南方稻茬麦区降雨丰富，地下水位高，生长季受水资源限制作用小，是我国小麦增产潜力最大的区域[1-3]。因稻麦轮作周年干湿交替，土壤黏闭性强，耕作性差，造成稻茬田难耕难种和稻茬麦低产的现实[4-6]。为了提高播种质量，科研工作者相继开展了少耕、免耕播种技术研究，并取得了良好的增产增收效果[7-8]。不同区域的生态条件不同，同一作物在不同区域的耕作、播种方式存在差异[9]。耕作能够改善耕层土壤结构、调节土壤三相比例、协调土壤的水、肥、气、热关系并为作物生长发育创造良好的环境条件[10-12]，播种不仅直接影响立苗质量和作物生长发育与产量建成，而且关系到生产效率和效益[13-15]。因此，深入研究适应特定生态条件下的耕作、播种方式，不仅有利于提高区域生产水平，而且也可以为研发相应精密播种机械提供理论依据。
近年来，针对稻茬麦耕作、播种方式的适应性评价多集中于耕作、播种方式对麦苗素质及产量的影响等宏观层面[9, 16-18]，鲜少涉及播种后种子微区环境对种子萌发立苗的影响这一阶段，且这些评价所需田间试验周期长、工作量大、费时费力。种子能否成功萌发立苗决定着作物群体的合理构建[19]，也直接影响作物的产量[20]，种子萌发具有重要的经济和生态意义。因此，可用种子的萌发立苗情况来评判耕作、播种方式的合理性。种子萌发立苗与种子区微气候息息相关[21]。本文利用芮超杰等[21]构建的种子区微气候测试仪及评价方法(种子微区温度和湿度)，快速测试评价几种不同耕作、播种模式的微气候特征，并结合小麦种子萌发立苗情况对不同耕作、播种模式的区域适应性进行评价，同时为稻茬麦专用播种机具的设计及配套农艺提供理论与技术指导。
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验地点为南京农业大学六合农场，六合区地处北纬32°11′~32°27′，东经118°34′~119°03′，属亚热带季风气候，气候温和，四季分明，雨水适量，年平均气温15.8 ℃，年平均日照2 008 h，年降水量1 048.6 mm，其中63.9%降水集中在5—9月。
试验地以稻麦轮作为主，小麦种植季节在10—12月。土壤为壤质黏土，pH 7.6，播前土壤含水量(w)为34.65%。土壤理化性质如下：有机质、全氮、全磷、全钾质量分数分别为22.73、1.29、0.58、11.53 g·kg–1，碱解氮、速效磷、速效钾质量分数分别为99.96、8.79、139.33 mg·kg–1。
1.2 试验设计本试验对南方稻麦轮作区常用的稻茬麦耕作、播种模式进行比较。所用品种为宁麦13号，种子经包衣处理。于2015年水稻收获后种植小麦，小区面积为3 m×5 m，随机区组排列，3次重复。试验设免耕露播覆草[22](NT1)、免耕条播覆土[23](NT2)和传统耕作[24](旋耕播种盖籽)(CK) 3个处理。NT1与NT2处理前清除稻季留茬，CK处理遵照当地传统不作清茬处理。NT1采用等间距精密播种，即株距和行距都为50 mm的免耕均匀布种，播后将收集并堆积在小区地头的全量秸秆均匀洒落在小区上，覆盖厚度4~6 cm，NT2采用免耕开沟播种方式，人工开种沟，种沟深度3~5 cm，行距20 cm，以每3 m长度播量200粒进行精准布种，播后使用开沟生成的碎土回填覆盖，覆土厚度3~5 cm，该处理模拟机械化免耕条播机作业方式，但准确的人工布种有利于后续查苗。CK沿用当地普遍采用的旋耕盖籽模式，即旋耕后人工小区定量布种并浅旋盖籽，旋耕深度15~20 cm，覆盖层高3~6 cm，播法与NT1一致。3种处理的播量相同。小麦播种后20 d内日天气状况分布动态如图1所示。
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图 1 播种后20 d内日天气动态变化 Figure 1 Dynamic changes of climate within 20 days after sowing |
根据芮超杰等[21]的方法使用种子区微气候测试仪测试得到种子区微气候数据，该测试仪专为种子所处微区的温湿度测试开发，由数据采集系统、SHT10温湿度传感器(精度：湿度±4.5%、温度±0.5 ℃)、数据存储记录单元以及供电模块构成，以STC89C52RC单片机(工作频率范围：0~40 MHz，实际工作频率可达48 MHz)为控制核心，对温湿度传感器实时读取内部参数，测量结果存储在AT24C256存储芯片。
播种结束后每个小区放置7个传感器探头(图2)，令每个探头充分靠近种子所在位置，系统每隔9 min自动读取1组数据，7个传感器探头检测的种子区微气候数据的均值作为该小区的种子区微气候指标。
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图 2 种子区微气候测试仪的田间应用状况 Figure 2 Field applications of seed-zone micro-climate tester 1：蓄电池；2：数据处理模块；3：传感器探头；4：屏蔽线 |
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图 3 不同处理下土壤破碎情况 Figure 3 Soil fragmentation under different treatment |
播种20 d后调查出苗率、整齐度。NT1、CK处理采用双对角线法选择有代表性的5个样方，每个样方面积为0.5 m×0.5 m；NT2处理选择有代表性的5行，每行选取0.5 m查苗。
2 结果与分析 2.1 不同稻茬麦耕作、播种模式的土壤破碎情况不同耕作、播种模式的稻茬麦种子区土壤破碎情况见图3，NT1为免耕露播，不涉及破碎土壤，从图3可以看出NT2土壤破碎比较充分，CK由于旋耕作用形成大土块。
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表 1 不同耕作和播种模式下的日平均温度和湿度1) Table 1 Daily mean temperature and relative humidity under different tillage and seeding modes |
图4a显示不同耕作、播种模式的稻茬麦种子区微气候温度日变化动态，结果表明虽然各模式的温度动态相同，但NT1种子区微气候的日间最高温度低于NT2，CK最低，NT1的夜间最低温度则高于NT2和CK，NT2最低。可见，相对于覆土(NT2)而言，秸秆覆盖(NT1)不仅在日间的降温作用更大，而且在夜间的保温作用也更好，使得秸秆覆盖处理的种子区微气候变化日波动幅度相对覆土明显减小，即NT1的昼夜温度波动最为平缓。
图4b显示不同耕作、播种模式的稻茬麦种子区微气候湿度日变化动态，可以看到不同处理的种子区微气候湿度存在显著差异。其中，NT2的种子区微气候湿度保持在90%以上且维持稳定，不会发生NT1和CK湿度昼夜波动较大的情况。NT1和CK的种子区微气候湿度日变化趋势基本一致，但NT1的种子区微气候湿度整体相对最低，CK的种子区微气候湿度随着时间的推移逐步下降。结果表明旋耕造成的大土块及苗床的大孔隙失墒严重，不利于保护土壤墒情。
不同处理的日平均微气候温度和湿度的变化情况见表1，NT1的日平均微气候温度在三者中最高，相较于CK差异显著，但是相对于NT2而言，差异不大，未达到显著性水平。而3种处理日平均微气候湿度差异明显，NT2的日平均微气候湿度最高，CK次之，NT1最低，三者之间差异均达到了显著性水平。温度与湿度的两因子显著性分析表明，种子区微气候湿度是影响种子成苗差异的主导因子。
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图 4 不同耕作和播种方式对稻茬麦种子区温度和湿度日变化的影响 Figure 4 Effects of different tillage and seeding modes on diurnal variations of temperature and relative humidity in seed-zone of post-paddy wheat field |
变异系数可用来评定试验对象的均匀性[25]，本文用小麦立苗的变异系数来评定不同处理种子区微气候条件下的小麦立苗均匀性。
由表2可知不同耕作、播种模式的稻茬麦出苗变异系数为CK>NT2>NT1，由此可见旋耕条件下出苗均匀性差于免耕处理，且免耕覆草出苗均匀性最好，免耕条播覆土次之。不同播种方式小麦出苗整齐度和立苗率存在差异，由表2可知，NT2的立苗率最高，较NT1、CK高出13.42%和10.01%，并达到了显著水平。NT1、NT2苗龄主要集中在“3叶”和“2叶1心”这2个时期；CK苗龄则主要集中在“2叶1心”和“2叶”期。由此可见，旋耕条件下幼苗整齐度最低，免耕条播覆土幼苗整齐度最高，免耕露播覆草次之。
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表 2 不同耕作和播种方式对小麦出苗整齐度和立苗率的影响 Table 2 Effects of different tillage and seeding modes on seedling rates and uniformities of wheat |
稻茬麦种子区微气候的变化影响其萌发及立苗，进而影响个体及群体的生长发育和产量。有关温度、湿度等因子对作物后期的生长效应的影响研究较为普遍[26-28]，这类研究一般沿用气象台站的常规资料代表作物的生长环境[29]，由于气象数据属于宏观空间尺度的范畴，不能完全代表种子区微气候的真实情况。本研究借助种子区微气候测试仪动态监测种子区温、湿度的变化，结合小麦萌发立苗情况定量不同耕作、播种模式的效果，具有快速、高效、操作简单的特点，所测指标反映土壤状态、秸秆条件、气候参数等多重因子的综合效应，能够准确表达立苗期影响种子萌发和成苗的综合环境因子。
3种处理间的主要差别在于作业方式和种子在土壤中的分布，正是这两方面的差异对小麦萌发立苗产生了重要影响。研究表明，NT1出苗率最低。NT1处理的秸秆覆盖具有一定的保温效应，这与陈素英等[30]的研究结果一致，因稻板田紧实光滑，导致种土接触仅局限于地表的点接触，造成免耕露播相对恶劣的种子区微气候湿度条件。关法春等[31]认为稻草覆盖可能因气候条件、植物种类、覆盖高度、覆盖时间的长短等形成不同的水、热影响机制。使用种子区微气候测试仪可以快速而准确地定量稻草覆盖层对种子微气候条件的影响，而且在微气候温度差异不显著的情况下，微气候湿度条件是稻茬麦栽培的关键性限制因素。
种床质量是免耕需要解决的关键技术问题之一[32]，良好的耕作措施是建立优良种床的先决条件。张维城等[33]研究表明，小麦植株在田间的空间分布状态对其生长发育和产量建成都有明显影响。不同的耕作方式对土壤扰动程度不同，导致土壤容重有所差异[34-36]，从而影响农田降水入渗和土壤水分蒸发，也必然会影响到种子区的微气候。本研究表明，相较于CK、NT1处理，NT2人工开沟产生的土壤破碎比较均匀，种沟平整，利于水分下渗，回填后种土能够充分接触，保墒效果好，种子区微气候湿度维持在较稳定的状态，出苗率显著高于其他2种处理方式。鉴于南方稻茬田普遍质地黏重、耕性差，旋耕处理后，土壤破碎不充分，大土块、大孔隙比较多，再加上上一季留下的秸秆残茬，使得种床质量很差，种子在土壤中的空间分布很不均匀，从而造成幼苗空间分布的不均匀性，因此通常会出现CK条件下幼苗生长发育条件恶化的情况。
本研究结果表明，不同耕作、播种模式下种子区微气候变化存在差异，在传统耕作措施下，由于水稻土的湿黏造成耕作过后大土块较多，造成种子区微气候变化较大、出苗率较低并且幼苗生长较其他播种方式慢；在免耕露播条件下，裸露在地表种子的种子区微气候变化幅度加大，且出苗率低；相比而言，免耕条播下的种子区微气候环境良好，出苗率相对较高，为3种模式中的最佳作业模式。由此可以看出，良好的耕种措施、良好的种床环境以及种土接触是小麦出苗生长的关键。优化耕作、播种技术和研发免耕稻茬麦精密播种机具时，需要考虑合理创建种子区微气候条件。
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