西北黃土高原半干旱區(qū)全膜微壟溝穴播對冬小麥耗水特性和水分利用效率的影響

侯慧芝，高世銘，張緒成，王德貴

（1甘肅農業(yè)大學農學院，蘭州 730070；2甘肅省農業(yè)科學院旱地農業(yè)研究所/甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點實驗室，蘭州 730070；3甘肅省科學院，蘭州730000）

西北黃土高原半干旱區(qū)全膜微壟溝穴播對冬小麥耗水特性和水分利用效率的影響

侯慧芝1,2，高世銘1,3，張緒成1,2，王德貴1

（1甘肅農業(yè)大學農學院，蘭州 730070；2甘肅省農業(yè)科學院旱地農業(yè)研究所/甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點實驗室，蘭州 730070；3甘肅省科學院，蘭州730000）

【目的】西北黃土高原半干旱區(qū)降水稀少，且冬小麥生育期內50%以上為＜10 mm的無效降水。如何充分集蓄這部分降水，是該區(qū)冬小麥穩(wěn)產高產和提高降水利用效率的關鍵。【方法】于2011—2015年在西北黃土高原半干旱區(qū)（104°36′ E，35°35′ N）進行大田定位試驗，以冬小麥中糧1號為試驗材料，設全膜微壟溝穴播（PRF）、全膜覆土穴播（PMS）、覆砂穴播（SM）和露地穴播（CK）4個處理，測定冬小麥不同生育時期0—200 cm土層土壤含水量、生物量、產量及其構成因子，計算不同生育期土壤貯水量、階段耗水量和水分利用效率（WUE）等，以明確PRF處理對土壤水分含量、冬小麥階段耗水量、產量及WUE的影響?！窘Y果】在播前和返青期，PRF處理在0—200 cm土層的土壤貯水量較PMS、SM處理和CK分別平均增加24.3、38.8、7.4 mm和18.2、26.9、67.8 mm。PRF處理抽穗—灌漿期耗水量平均較PMS處理增加了36.0 mm，返青—抽穗和灌漿—成熟期耗水量平均較SM增加12.1和16.7 mm，較CK增加40.8和37.6 mm。PRF處理的生物量較PMS處理增加了2.2%—15.4%，分別在2011—2012年的灌漿期和成熟期、2014—2015年的苗期和抽穗期達顯著差異，在苗期、抽穗期、灌漿期和成熟期顯著高于SM和CK。公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重4年均表現(xiàn)為PRF處理＞PMS處理＞SM處理，3個處理間無顯著差異，但均顯著高于CK。PRF處理的產量最高，為4 373.6—4 950.0 kg·hm-2，較PMS處理增加2.4%—12.7%，并在2012—2013和2014—2015年達顯著差異；顯著高于SM處理（除2012—2013年）和CK（增產35.8%—43.8%）。PRF處理的WUE較PMS處理增加0.4%—12.8%，除2013—2014外均達顯著性差異；顯著高于SM處理（除2014—2015年）和CK（提高8.1%—42.1%）?！窘Y論】全膜微壟溝穴播能較為充分地利用＜10 mm的無效降水，提高冬小麥播前和返青期0—200 cm土層的土壤貯水量，促進小麥灌漿期間耗水，增加公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，提高小麥產量和水分利用效率，是西北黃土高原半干旱區(qū)冬小麥高產高效的種植模式。

全膜覆蓋微壟溝穴播；冬小麥；貯水量；耗水特性；產量；西北黃土高原

Abstract:【Objective】Precipitation is inadequate in arid and semiarid areas of Northwest Loess Plateau. Especially, the invalid precipitation, which daily rainfall less than 10 mm, accounts for more than 50% in winter wheat growth period. Consequently, How to use this part of precipitation sufficiently is a key method to increase the rainfall use efficiency and yield stably of winter wheat in this area.【Method】The winter wheat cultivar Zhongliang was selected as test material, a field experiment was conducted from 2011 to 2015 on Northwest Loess Plateau (104°36′ E, 35°35′ N) . The designed four treatments were (1) micro ridge-furrow with whole field plastic film mulching and bunching seeding (PRF), (2) whole field soil plastic mulching and bunching seeding (PMS), (3) sand mulching and bunching seeding (SM), and (4) bunching seeding without mulching (CK). The seasonal soil water content in 0-200 cm soil profile, aboveground biomass, yield and its components of winter wheat were recorded; the wheat periodical water consumption in 0-200 cm soil profile, and water use efficiency had been calculated, to understand the effect of PRF on soil water storage, water consumption characteristics, yield and water use efficiency of winter wheat. 【Result】 The four-year average soil water storage of PRF at sowing and re-green stages was higher than PMS, SM, CK by 24.3, 38.8, 7.4 mm and 18.2, 26.9, 67.8 mm, respectively. PRF averagely increased wheat evapotranspiration from heading to filling stage by 36.0 mm than PMS. As compared with SM and CK, it increased by 12.1 mm and 16.7 mm, 40.8 mm and 37.6 mm from turning-green to heading and from filling to maturity, respectively. The aboveground biomass of PRF was higher than PMS by 2.2%-15.4% at seeding, heading, filling and maturing stages, the significant difference was observed at filling stage in 2011-2012, and at seedling and heading stages in 2014-2015. As compared with CK and SM, the aboveground biomass of PRF was significantly higher at the four growth stages. Spike number, grain number and 1000-grain weight were performed as PRF＞PMS＞SM in four experimental years, the significant difference was not observed among the three treatments, but significantly higher than CK. The yield of PRF was the highest among the four treatments, it reached 4 373.6-4 950.0 kg·hm-2, increased by 2.4%-12.7% than PMS, and a significant difference was observed in 2012-2013 and 2014-2015. It was significantly higher than SM (except for 2012-2013) and CK (increased by 35.8%-43.8%) in four experimental years. The water use efficiency of PRF increased by 0.4%-12.8% as compared with PMS, a significant difference was observed except for 2013-2014, it was also significantly higher than SM (except for 2014-2015) and CK (significantly increased by 8.1% -42.1%) in four experimental years. 【Conclusion】 PRF could use small rainfall (daily rainfall amount ＜10 mm) efficiently, increased soil water storage in 0-200 cm profile at sowing and turning-green stages, improved wheat evapotranspiration at filling stage, increased spike number, weight and kilo-grain weight, resulted in the increment of grain yield and water use efficiency. Consequently, the micro ridge-furrow with whole field plastic film mulching and bunching seeding is the better cropping patterns for high yield and efficiency of winter wheat in semiarid areas of Northwest Loess Plateau.

0 引言

【研究意義】西北黃土高原半干旱區(qū)多年平均降水量在300—400 mm左右，為典型的雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)。水資源短缺、降水少、有效性差且波動性大是限制該區(qū)作物產量提高的瓶頸[1-3]，“卡脖子旱”問題十分突出。小麥是該區(qū)保障口糧的主要作物，但受春季低溫、小麥需水規(guī)律和自然降水不吻合、伏旱高溫脅迫等因素的影響，該區(qū)春小麥降水利用率低，產量長期低而不穩(wěn)[2]。因此，春改冬將是該區(qū)未來小麥發(fā)展的趨勢[4]，如何充分挖掘冬小麥的水分和產量生產潛力是該區(qū)小麥穩(wěn)產高產的關鍵。【前人研究進展】大量研究認為地膜覆蓋栽培是旱作區(qū)生產力躍升和穩(wěn)定提高的主要驅動力之一[2,5]。20世紀 80年代推廣的地膜小麥可改善耕層土壤水熱狀況[6-8]，促進作物生長發(fā)育[9-10]，提高作物的水分和養(yǎng)分利用率[11-13]，增加產量[14-19]。但是，該技術容易造成苗穴錯位，且小麥灌漿因土壤高溫脅迫而受阻，常因穗部青干而降低產量，使水分生產潛力不能充分發(fā)揮[20]。21世紀初在西北黃土高原半干旱區(qū)大面積推廣應用的全膜覆土穴播技術，是在20世紀80年代地膜穴播技術上發(fā)展而來，其主要技術優(yōu)勢在于在地膜上覆蓋1—2 cm厚的細土，一方面可顯著降低地表溫度，減輕灌漿期的高溫脅迫；另一方面有效解決了苗穴錯位問題，增大群體和畝穗數(shù)；還能抑制雜草生長，提高小麥產量和水肥利用效率；再次，由于調節(jié)了土壤溫濕度，所以能夠提高小麥出苗后耗水速度并加大耗水量，充分利用光熱資源，大幅提高農田降水利用率和產量[2,20-21]。但是，由于西北黃土高原干旱半干旱區(qū)＜10 mm的無效降水多，占全年總降水量的 45%以上，膜上覆土后阻止了無效降水的入滲，導致降水的生產潛力不能充分發(fā)揮；另外，膜上覆土后增加了殘膜回收難度，這必然對農田環(huán)境造成污染。膜側溝播技術是20世紀90年代和 21世紀初有較大應用范圍的一項集雨保墑技術，它是在田間營造微壟并覆蓋地膜作為集雨面，作物種植在溝內，由于能夠增溫和聚集降水，提高對微小降水的利用效率，同樣能夠顯著提高小麥產量[22-24]。但就西北黃土高原半干旱旱作區(qū)而言，春季蒸發(fā)強烈，膜側溝播由于只覆蓋壟面而溝內裸露，不能最大限度地抑制土面蒸發(fā)，所以同樣存在局限性。近幾年，我們在全膜覆土穴播和膜側溝播的基礎上，借鑒全膜雙壟溝播技術的理念，設計了全膜微壟溝穴播技術（簡稱全膜微壟溝穴播）。該技術較膜上覆土穴播具有有效聚集降水的優(yōu)勢，較膜側溝播更能有效抑制無效蒸發(fā)，提高降水向土壤水和作物水的轉化效率，解決作物水溫供需錯位矛盾，尤其是“卡脖子旱”問題，顯著提高作物產量和水分利用效率[25-27]。程宏波等[28]依托 1年的大田試驗，研究認為全膜微壟溝穴播能夠提高春小麥各生育期的土壤含水量和地溫，在沒有明顯增加耗水量的基礎上顯著提高產量和水分利用效率。【本研究切入點】目前對全膜微壟溝穴播春小麥的水熱和產量效應有初步研究，但在長期田間試驗條件下，從土壤水分效應—作物階段耗水—干物質動態(tài)—產量及其構成因子的角度，就冬小麥的增產效應及機制未見研究報道，而這一工作對探索干旱半干旱區(qū)作物高產、資源高效、生態(tài)安全的技術途徑有重要意義?！緮M解決的關鍵問題】本試驗從 2011—2015年以冬小麥中糧 1號為試驗材料，測定全膜微壟溝穴播冬小麥各生育時期土壤含水量、生物量和產量，分析階段耗水量、生物量積累及產量構成，從而揭示全膜微壟溝穴播小麥的季節(jié)性耗水特征及其對小麥水分利用效率和產量形成的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于 2011—2015年在甘肅省農業(yè)科學院定西試驗站（甘肅省定西市安定區(qū)團結鎮(zhèn)唐家堡村，104°36′E， 35°35′N）進行。該區(qū)海拔1 970 m，年平均氣溫6.2℃，年輻射總量5 898 MJ·m-2，年日照時數(shù)2 500 h，≥10℃積溫2 075.1℃，無霜期140 d，屬中溫帶半干旱氣候。作物一年一熟，為典型旱地雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)。年均降水量415 mm，6—9月降水量占年降水量的68%，降水相對變率為24%，400 mm降水保證率為48%。試驗區(qū)土壤為黃綿土，0—30 cm土層平均容重1.25 g·cm-3，田間持水量為21.18%，凋萎系數(shù)為7.2%，土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、NH+4-N、NO-3-N、速效磷、速效鉀含量分別為12.0 g·kg-1、1.2 g·kg-1、0.7 g·kg-1、17.3 g·kg-1、4.8 mg·kg-1、0.8 mg·kg-1、8.7 mg·kg-1和121.5 mg·kg-1，pH為8.4。

本文采用國內比較常用的降水年型劃分標準[29]劃分降水年型。豐水年：Pi＞P+0.33&；欠水年：Pi＜P-0.33&。式中：Pi為當年降水量（mm）；P為多年平均降水量（mm）；&為多年降水量的均方差（mm），試驗區(qū)多年冬小麥生育期降水量平均為261.25 mm，均方差為58.87 mm。根據(jù)甘肅省定西市唐家堡試驗站氣象資料統(tǒng)計（圖1），2011—2012年冬小麥生育期降水量為274.3 mm，屬平水年，其中，＞10 mm降水僅有9次，為144.3 mm，＜10 mm降水有58次，為130 mm。2012—2013年冬小麥生育期降水量為338.5 mm，屬豐水年，其中，＞10 mm降水僅有13次，為207.1 mm，＜10 mm降水有39次，為131.4 mm。季節(jié)分配不均，2012年11月到2013年4月19日僅降水11.9 mm，對冬小麥的越冬和返青造成不利影響；收獲前15天降水118 mm，不利于冬小麥籽粒灌漿。2013—2014年冬小麥生育期降水量為265.0 mm，屬平水年，其中，＞10 mm降水僅有7次，為118.5 mm，＜10 mm降水有53次，為146.5 mm。2014—2015年冬小麥生育期降水量為335.9 mm，屬豐水年，其中，＞10 mm降水僅有12次，為171.7 mm，＜10 mm降水有60次，為139.3 mm。因此，試驗執(zhí)行期2011—2015年降水量年際間變率較大，年內季節(jié)分配不均，對冬小麥的生長造成不利影響，10 mm以下的無效降水，蒸發(fā)散失較多。

2011—2012冬小麥生育期內最低溫-19.8℃，最高溫20.6℃，平均氣溫4.0℃；2012—2013冬小麥生育期內最低溫-14.4℃，最高溫21.3℃，平均氣溫4.9℃；2013—2014冬小麥生育期內最低溫-13.6℃，最高溫21.1℃，平均氣溫4.2℃；2014—2015冬小麥生育期內最低溫-10.2℃，最高溫19.7℃，平均氣溫4.6℃。

1.2 試驗設計

圖1 2011—2015試驗區(qū)降水分布和平均氣溫變化Fig. 1 Distribution of precipitation and average air temperature in test areas from 2011 to 2015

試驗以冬小麥中糧1號為試驗材料，設全膜微壟溝穴播（PRF，起壟后全地面地膜覆蓋，壟高10 cm，壟寬20 cm，溝內覆蓋厚0.5—1 cm的細土）、全膜覆土穴播（PMS，地膜平鋪整個地面，在膜上覆土1—2 cm）、覆砂穴播（SM，地面上覆蓋3—5 cm細砂）和露地穴播（CK）4個處理，每處理3次重復，小區(qū)面積40 m2（5 m×8 m），采用隨機區(qū)組設計。各處理全生育期不灌溉，每年播前揭膜，旋耕，施肥，再旋耕后，PRF起壟覆膜，PMS覆膜覆土，SM覆砂。4個處理均用穴播機播種，每穴播（10±2）粒，行距為20 cm，穴距為13 cm，播種量400萬粒/hm2。各處理每年施肥量均為尿素183 kg·hm-2（甘肅劉化公司黃河牌，含氮量為 46.4%），磷酸二銨196 kg·hm-2（云南三環(huán)中化美盛化肥有限公司美盛牌，含氮量為 18%，含磷量為 46%），即 N 120 kg·hm-2，P2O590 kg·hm-2，其中，50%的氮素在播前基施，50%的氮素在返青期隨雨追施。2011年9月15日播種，2012年7月5日收獲；2012年9月19日播種，2013年7月16日收獲；2013年9月14日播種，2014年7月5日收獲；2014年9月20日播種，2015年7月11日收獲。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土壤貯水量 在冬小麥播前、返青期、抽穗期、灌漿期和成熟期分別用土鉆法取各小區(qū) 0—200 cm土樣，測定步長為20 cm，用烘干稱重法測定土壤含水量。土壤貯水量SWS（mm）=Ws×b×d，式中，WS為土壤重量含水量（%）；b為土壤容重（g·cm-3）；d為土層深度（cm）。

1.3.2 階段耗水量（ETi） ETi=SWSi－SWSi+1+Pi，式中，SWSi為某個生育時期初始時的土壤貯水量（mm）；SWSi+1為該生育時期結束時的土壤貯水量（mm）；Pi為該生育期降水量（mm）。

1.3.3 生物量 在小麥苗期、抽穗期、灌漿期和成熟期，分別取長勢均一的10株小麥，用烘干法測定地上生物重。

1.3.4 產量及其構成因素 成熟期每小區(qū)隨機取 20株進行室內考種，考種指標包括穗長、穗重、穗粒數(shù)、千粒重、單株生物量；每個小區(qū)單打單收，統(tǒng)計實際產量，折合成公頃產量。

1.3.5 水分利用效率和收獲指數(shù) 水分利用效率WUE（kg·hm-2·mm-1）=Y/ET，式中，Y為冬小麥單位面積產量（kg·hm-2）；ET為土壤耗水量（mm）。ET=SWSBF-SWSHA+P，式中，SWSBF為播前土壤貯水量（mm）；SWSHA為收后土壤貯水量（mm）；P為生育期降水量（mm）。收獲指數(shù)HI=Yd/DW，Yd為作物單位面積籽粒產量（kg·hm-2），DW為單位面積地上干物質總量（kg·hm-2）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel 2003和DPS v3.01專業(yè)版統(tǒng)計分析軟件處理數(shù)據(jù)，Tukey法檢驗處理間的差異顯著性。

2 結果

2.1 全膜微壟溝穴播對冬小麥不同生育期0—200 cm土層土壤貯水量的影響

不同覆蓋方式對冬小麥田0—200 cm土層土壤貯水量有顯著影響，且各處理不同生育時期貯水量與降水分布密切相關（圖2）。返青期，PRF 0—200 cm的土壤貯水量在平水年份（2011—2012年和2013—2014年）顯著高于其他處理；在豐水年份則無顯著差異。抽穗期PRF 0—200 cm的土壤貯水量在平水年份顯著高于PMS和CK，與SM差異不顯著；在豐水年顯著高于PMS，在2012—2013年與SM 和CK差異不顯著，而在2014—2015年顯著低于SM和CK。2011—2014的冬小麥灌漿期無有效降雨，PRF 0—200 cm的土壤貯水量在平水年（2013—2014年）顯著高于PMS；2014—2015年灌漿期降雨38.8 mm，PRF 0—200 cm的土壤貯水量比PMS增加26.3 mm，比SM和CK分別降低23.3 mm和66.1 mm，這主要是PMS和PRF地上植株生長較旺盛，消耗了大量的土壤水分，而PRF比PMS能更好的蓄積降水，故PRF此階段的貯水量高于PMS。2011—2015年冬小麥成熟期分別降水56.7mm、174.9 mm、86.7 mm和113.4 mm，PRF 0—200 cm的土壤貯水量比PMS增加9.1—48.3 mm。

PRF 0—200 cm的土壤貯水量在播前、返青、抽穗、灌漿和成熟期4年平均比PMS分別增加24.3、38.8、52.0、16.0和23.6 mm；在播前、返青、抽穗和灌漿期分別比SM增加7.4、18.2、6.1和9.6 mm，在成熟期比SM降低7.1 mm；在播前、返青、抽穗期分別比CK增加26.9、67.8和27.0 mm，在灌漿期和成熟期分別比CK降低10.6 mm和6.1 mm。2011—2015年休閑期分別降水254.2 mm、187.6 mm、183.4mm，2012—2015年3年播前0—200 cm貯水量大小順序為PRF＞SM＞PMS＞CK，表明PRF能聚集更多的自然降水貯存于土壤中。

2.2 全膜微壟溝穴播對冬小麥階段性耗水的影響

圖2 不同覆蓋方式對冬小麥0—200 cm土壤貯水量的影響Fig. 2 Effects of different planting methods on soil water storage in 0 to 200 cm layers of winter wheat

圖3 不同覆蓋方式對冬小麥階段性耗水的影響Fig. 3 Effects of different planting methods on seasonal water consumption of winter wheat

不同覆蓋方式對冬小麥階段性耗水有顯著影響（圖3）。與PMS相比，PRF能增加抽穗—灌漿期0—200 cm土壤耗水量；與SM相比，PRF能增加返青—抽穗、灌漿—成熟期 0—200 cm的耗水量；與CK相比，PRF能增加返青—抽穗、抽穗—灌漿期0—200 cm的土壤耗水。其中，PRF 0—200 cm的耗水量在播前—返青、返青—抽穗、灌漿—成熟期4年平均比PMS降低20.5、13.2和7.5 mm；但在抽穗—灌漿期比PMS增加36.0 mm，均達顯著差異水平。在返青—抽穗、灌漿—成熟期PRF 4年平均耗水量分別比SM增加12.1 mm和16.7 mm，達到顯著差異；在播前—返青和抽穗—灌漿期分別比SM降低12.7 mm和3.5 mm，且在播前—返青期達顯著差異。在返青—抽穗、抽穗—灌漿期PRF 4年平均耗水量分別比CK增加 40.8 mm和37.6 mm，呈顯著性差異；在播前—返青期和灌漿—成熟期分別比CK降低47.6mm和4.5 mm，其中播前—返青期達到顯著差異水平。

2.3 全膜微壟溝穴播對冬小麥干物質積累的影響

覆膜和覆砂均能提高冬小麥地上生物量，且各生育期大小趨勢均為PRF＞PMS＞SM＞CK（圖4）。PRF苗期的生物量比PMS增加2.2%—10.6%，且在2014—2015年達到顯著性差異；顯著高于SM和CK，分別增加 41.7%—64.2%和 132.3%—278.5%。抽穗期，PRF的生物量較 PMS增加 5.7%—15.4%，在2014—2015年差異顯著；比 SM 和 CK分別增加21.3%—42.1%和52.1%—163.5%，均達顯著性差異。灌漿期，PRF的生物量比PMS 增加2.7%—10.9%，且2011—2012年差異顯著；比SM和CK分別增加10.7%—44.6%和29.8%—53.4%，均達顯著性差異。成熟期，PRF的生物量較PMS 增加5.3%—8.2%，且在2011—2012年差異顯著；比SM和CK分別增加12.4%—15.8%和30.3%—42.8%，均達顯著差異性。

圖4 不同覆蓋方式對冬小麥地上生物量積累的影響Fig. 4 Effects of different planting methods on the aboveground dry matters accumulation of winter wheat

2.4 全膜微壟溝穴播對冬小麥產量構成因子和收獲指數(shù)的影響

公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均表現(xiàn)為PRF＞PMS＞SM，但3個處理間無顯著差異（表1）。PRF的公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重分別比 CK增加 7.9%—15.8%、7.6%—19.3%和7.9%—23.6%，均差異顯著；PMS的公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重分別較 CK增加9.2%—13.2%、3.3%—15.3%和 8.1%—17.2%，除2011—2012年的穗粒數(shù)外，其余年份各指標與CK均達顯著差異；SM的公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重分別較CK增加6.6%—10.5%、1.5%—6.5%和5.9%—14.7%，除2011—2012、2013—2014和2014—2015的穗粒數(shù)外，其余年份各指標與CK均差異顯著。PRF、PMS 和SM在4年的收獲指數(shù)均低于CK，但差異不顯著。

表1 不同覆蓋方式對冬小麥產量構成因子和收獲指數(shù)的影響Table 1 Effect of different mulching methods on wheat yield components and harvest index

2.5 全膜微壟溝穴播對冬小麥耗水量、產量和水分利用效率的影響

2011—2014年4個處理全生育期耗水量無顯著性差異；2014—2015年PMS全生育期耗水量最大，PRF次之，均顯著地高于SM和CK，而且SM顯著高于CK（圖5）。PRF、PMS和SM的產量均顯著高于CK。PRF的產量為4 373.6 —4 950.0 kg·hm-2，較PMS增加了2.4%—12.7%，并在豐水年的2012—2013和 2014—2015達到顯著差異水平；較 SM增加5.3%—13.4%，除了2011—2012年外，其余年份均達顯著性差異；較CK增加35.8—43.8%，4年均達顯著性差異。PRF的水分利用效率最高，為10.0—11.3 kg·hm-2·mm-1，較PMS增加0.4%—12.8%，除2013—2014外，其余年份均差異顯著；較SM增加 5.3%—19.7%，在 2012—2013和 2013—2014差異顯著；較CK增加8.1%—42.1%，均達顯著性差異。

3 討論

水分不足是限制旱作區(qū)冬小麥生長的一個重要因子，對其生長發(fā)育及最終產量形成有重要影響。如何最大限度利用自然降水，以較少的水分消耗獲得盡可能多的經濟產量，是旱地農業(yè)生產研究的一個重要課題[2]。壟覆膜集雨種植能使壟上降水流入溝內，產生水分疊加，同時田間壟溝能降低風速，抑制蒸發(fā)，提高入滲深度，起到蓄積雨水、增加土壤含水率的作用[30]。任小龍等[31]通過模擬降水研究發(fā)現(xiàn)，壟溝集雨種植夏玉米溝內0—120 cm 土層平均含水率均顯著高于對照平作，表層土壤含水率變化較大，100 cm土層以下土壤含水率變化不明顯?？芙瓭萚32]研究發(fā)現(xiàn)壟覆膜集雨處理在集雨前期（4 月中旬至 6 月上旬）顯著提高苜蓿 0—20 cm 土層土壤含水率，在中后期（6 月中旬至 9 月下旬）顯著提高 0—120 cm土層平均含水率。韓娟等[33]研究發(fā)現(xiàn)壟覆膜集雨種植能顯著增加冬小麥播種至拔節(jié)期、抽穗期至灌漿期0—20 cm 和 20—100 cm土壤貯水量。本試驗研究結果表明，PRF 0—200 cm的土壤貯水量在播前、返青、抽穗、灌漿和成熟期比PMS分別增加24.3、38.8、52.0、16.0和23.6 mm；在播前、返青、抽穗和灌漿期分別比SM增加7.4、18.2、6.1和9.6 mm，在播前、返青、抽穗分別比CK增加26.9、67.8和27.0 mm。這一結果與任小龍[31]和韓娟[33]等研究結果相似。另外，筆者的研究結果表明，PRF 在0—200 cm土層的耗水量在抽穗—灌漿期比PMS增加36.0 mm；在返青—抽穗、灌漿—成熟期分別比SM增加 12.1 mm和16.7 mm，在返青—抽穗、抽穗—灌漿期分別比CK增加40.8mm和37.6 mm。證明全膜微壟溝穴播通過增加土壤貯水來促進冬小麥生長發(fā)育，并促進灌漿耗水，這將對冬小麥生長發(fā)育、產量形成和水分利用產生影響[14,33]。

圖5 不同覆蓋方式對冬小麥耗水量、產量和水分利用效率的影響Fig. 5 Effect of different planting methods on evapotranspiration, wheat yield and WUE

本試驗依據(jù)冬小麥生育期降水量的多少劃分2011—2012、2013—2014為平水年，2012—2013、2014—2015為豐水年。其中，兩個平水年播種—返青期＞10 mm的降水各只有1次，2011—2012為12.1 mm，2013—2014為13.6 mm，而這兩年PRF 0—200 cm的土壤貯水量均顯著高于其他幾個處理，由此可見，PRF土壤貯水量的增加絕大多數(shù)源于對＜10 mm降水的蓄積。本試驗區(qū)冬小麥生育期有一半左右的降水都是＜10 mm的無效降水，以往的小麥種植模式（如裸地和全膜覆土穴播）都不能充分利用這部分降水而蒸發(fā)散失。全膜微壟溝穴播栽培技術利用壟溝集雨面將大量＜10 mm的降水聚集，實現(xiàn)雨水富集疊加，變無效雨為有效雨，變小雨為中雨，有效提高降水入滲率而使降水利用率顯著提高，改善土壤水分狀況[34]。

壟溝覆膜集雨栽培技術能大幅度提高生物量[35-37]。本研究結果表明，PRF在冬小麥各個生育時期較PMS、SM和CK均能增加生物量，其中在苗期、抽穗期、灌漿期和成熟期的生物量分別比 CK增加132.3%—278.5%、52.1%—163.5%、29.8%—53.4%和30.3%—42.8%，達到顯著差異水平?；谳^為旺盛的地上生物量，冬小麥公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重表現(xiàn)為 PRF＞PMS＞SM，其中 PRF分別比 CK高7.9%—15.8%、7.6%—19.3%和7.9%—23.6%，達到顯著差異，實現(xiàn)了通過增加穗粒數(shù)和千粒重等穗部相關系數(shù)以及單位面積的分蘗數(shù)而達到增產目標[3,38-41]。PRF的產量為4 373.6—4 950.0 kg·hm-2，較PMS增加2.4%—12.7%，其中在豐水的 2012—2013 和2014—2015年差異顯著；較CK增加35.8%—43.8%，均達顯著性差異。由于PRF能更有效集蓄＜10 mm的無效降水，尤其豐水年份在小麥營養(yǎng)生長階段蓄積較多水分，為生殖生長奠定良好的水分基礎，并顯著增大了灌漿期耗水量，在增產的基礎上顯著提高水分利用效率，分別較CK增加8.1%—42.1%，均達顯著性差異；較PMS增加0.4%—12.8%，除2013—2014年外均達顯著性差異。

4 結論

在播前和返青期，全膜微壟溝穴播（PRF） 0—200 cm的土壤貯水量較全膜覆土穴播（PMS）分別增加24.3 mm和38.8 mm；較覆砂穴播（SM）分別增加7.4 mm和18.2 mm；較CK分別增加26.9 mm和67.8 mm。PRF在提高冬小麥各生育期生物量和公頃穗數(shù)的基礎上，促進灌漿期耗水，增加穗粒數(shù)和千粒重，產量達到 4 373.6—4 950.0 kg·hm-2，較 PMS增加 2.4%—12.7%，較SM和CK分別增加5.3%—16.8%和35.8%—43.8%；水分利用效率較PMS增加0.4%—12.8%，較SM和CK增加5.3%—19.7%和8.1%—42.1%。因此，全膜微壟溝穴播較全膜覆土穴播能更充分利用＜10 mm的無效降水。PRF種植模式能優(yōu)化土壤水分環(huán)境和調節(jié)階段性耗水，從而增加小麥產量和水分利用效率，是西北黃土高原半干旱區(qū)冬小麥高產高效的種植模式。

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（責任編輯 楊鑫浩）

Effects of Micro Ridge-Furrow with Plastic Film Mulching and Bunching Seeding on Water Consumption Characteristics and Water Use Efficiency of Winter Wheat in Semiarid Areas of Northwest Loess Plateau

HOU Hui-zhi1,2, Gao Shi-Ming1,3, ZHANG Xu-cheng1,2, WANG De-gui1
(1Agronomy College, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070;2Institute of Dry-Land Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Northwest Drought-Resistant Crop Farming, Lanzhou 730070;3Gansu Academy of Sciences, Lanzhou 730000)

micro ridge-furrow with whole field plastic film mulching and bunching seeding; winter wheat; soil water storage; periodical water consumption; yield; Northwest Loess Plateau

2016-05-09；接受日期：2016-10-31

國家自然科學基金（31560355）、國家科技支撐計劃（2015BAD22B04）

聯(lián)系方式：侯慧芝，E-mail：houhuizhi666@163.com。通信作者高世銘，E-mail：gao-shm@sohu.com。通信作者張緒成，E-mail：gszhangxuch@163.com