不同覆膜方式對西北旱地麥田土壤水熱特征和產(chǎn)量形成的影響

吳 兵，高玉紅，李 映，?？×x，崔紅艷，劉宏勝，南炳江(.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，蘭州 70070；.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，蘭州 70070；.甘肅省會寧縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，甘肅會寧 70799；.蘭州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院干旱農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，蘭州 70070；.甘肅省會寧縣氣象局，甘肅會寧 70799)

小麥是中國西北旱區(qū)主要糧食作物，由于該區(qū)自然降水和小麥生長的需水分布不吻合，水資源供需矛盾十分突出，春季低溫干旱和伏旱高溫等因素造成小麥產(chǎn)量低而不穩(wěn)，一般單產(chǎn)1 500 kg·hm-2左右[1-3]。因此，發(fā)展以高效利用有限降水為核心的旱地農(nóng)業(yè)技術(shù)是保證半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)糧食供給安全的重要手段。

地膜覆蓋作為西北旱作農(nóng)業(yè)的主要技術(shù)，在蓄水保墑、改善土壤水熱狀況和提高作物產(chǎn)量以及降水利用效率等方面發(fā)揮著重要的作用，可使小麥等作物普遍增產(chǎn)30%左右[4-7]。保墑和增溫效應(yīng)通常被認為是旱作區(qū)地膜覆蓋能顯著增產(chǎn)的關(guān)鍵原因[8]。與露地栽培相比，覆膜種植不僅可明顯增加作物全生育期0～200 cm土層總耗水量，還可促進土壤深層水分特別是140 cm以下土層水分的調(diào)用[9-12]。此外，覆膜能夠抑制土壤水分的蒸發(fā)損失，改變作物的耗水結(jié)構(gòu)，使有限的水分主要用于蒸騰性生產(chǎn)，從而利于產(chǎn)量形成[9,13]。研究發(fā)現(xiàn)覆蓋材料[14]、地膜顏色[15]、種植方式[16]等對土壤溫度產(chǎn)生較大的影響。蘭雪梅等[17]研究指出，在冬小麥全生育期，秸稈帶狀覆蓋處理的各土層總體表現(xiàn)出降溫效應(yīng)，而地膜覆蓋則具有增溫效應(yīng)。張立功等[18]研究表明，黑色地膜覆蓋下小麥全生育期0～25 cm土層的積溫較無色膜覆蓋和露地種植分別明顯下降108.8、62.9 ℃。陳恒洪等[11]研究認為，春季和秋季覆膜下麥田土壤溫度間區(qū)別不明顯，但膜上覆土處理全生育期0～25 cm平均地溫低于不覆土處理1.57 ℃。近年來，地膜覆蓋對不同農(nóng)作物產(chǎn)量和土壤水分的影響已成為眾多學(xué)者研究的焦點，但在同一農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境下不同覆膜種植方式對同一作物產(chǎn)量及土壤水分、溫度等研究較少[19]，特別是春小麥在多種覆膜方式下，通過改變地膜顏色和栽培模式等對麥田土壤水熱情況如何變化的報道更少。因此，本研究在西北黃土高原旱作生態(tài)條件下，以‘甘春25號’為試驗材料，研究不同覆膜方式對麥田土壤水熱效應(yīng)及春小麥籽粒產(chǎn)量的影響，以期篩選出適宜于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的覆膜模式，為保證西北旱區(qū)春小麥高產(chǎn)高效種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2015年3―8月在甘肅省會寧縣會師鎮(zhèn)南嘴村的旱川地(35°38′N，105°02′E)進行。試驗區(qū)地處隴中黃土高原丘陵溝壑區(qū)，海拔高度1 772.3 m，年均氣溫8.3 ℃，無霜期155 d，≥10 ℃的有效活動積溫2 664 ℃左右，年降雨量356.7 mm。試驗地前茬為小麥，地力均勻，肥力中等。前茬作物收后及時淺耕曬垡，秋季用手扶拖拉機帶步犁深翻打磨收口，結(jié)合打磨收口施有機肥(顆粒雞糞)900 kg·hm-2，過磷酸鈣600 kg·hm-2，尿素300 kg·hm-2。試驗地土質(zhì)為黃綿土，0～20 cm土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分為：有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)0.99%，全氮質(zhì)量分數(shù)0.07%，全磷質(zhì)量分數(shù)0.07%，全鉀質(zhì)量分數(shù)2.15%，速效氮32.10 mg·kg-1，速效磷9.72 mg·kg-1，速效鉀165.80 mg·kg-1，pH 8.47。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置白膜平鋪覆土穴播(T1)、黑膜平鋪覆土穴播(T2)、白膜壟溝覆土穴播(T3)、黑膜壟溝覆土穴播(T4)、白膜平鋪無土穴播(T5)、黑膜平鋪無土穴播(T6)和露地穴播(CK)7個處理。

白膜(黑膜)平鋪覆土穴播：選用寬幅120 cm的白色(黑色)地膜全地面平鋪覆蓋，并在鋪好的地膜上面均勻撒厚度約1 cm的細綿土。

白膜(黑膜)壟溝覆土穴播：按壟寬16 cm，壟高5 cm，人工用手鋤開溝起壟，全地面覆蓋白色(黑色)地膜，并在壟溝內(nèi)均勻撒約 1 cm厚的細綿土，壟溝內(nèi)每間隔1 m打一個直徑約5 mm的滲水孔，壟溝內(nèi)穴播一行小麥即可。白膜(黑膜)平鋪無土穴播：將白色(黑色)地膜全地面平鋪覆蓋，地膜鋪好后每隔2 m在與地膜走向的垂直方向打一個土腰帶，防止大風(fēng)吹起地膜。

露地對照：不覆膜，平作穴播。

所有處理均為人工覆膜、播種。設(shè)3次重復(fù)，小區(qū)面積16.15 m2(5.00 m×3.23 m)，走道寬0.5 m，試驗地四周設(shè)置保護行。試驗材料為‘甘春25號’，2015-03-22播種，播量為270萬?！m-2，每小區(qū)播20行，行距16 cm，穴距12 cm，每穴播8粒。生育期間其他管理同當(dāng)?shù)卮筇?，收獲期為2015-07-17。春小麥生育期降雨量為218.9 mm。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤溫度 在春小麥主要生育時期(苗期、分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、揚花期、灌漿期、成熟期)，各小區(qū)分別測定5、10、15、20和25 cm 土層的土壤溫度。地溫計插入各小區(qū)中間的小麥行間，全生育期均在固定的地方讀取地溫數(shù)據(jù)。

1.3.2 土壤貯水量 在春小麥播前、苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期用土鉆法取0～200 cm土樣，每20 cm為一個土層。采用烘干法測定土壤含水量，并計算土壤貯水[20]。土壤貯水量為Sw=d×r×w×10/100[21]，式中，Sw為土壤貯水量(mm)，d為土層厚度(cm)，r為土壤體積質(zhì)量(g·cm-3)，w為土壤質(zhì)量含水量(%)。

1.3.3 階段耗水量(ETi)ETi=Swi-Swi+1+Pi。式中，Swi為某生育時期初始時的土壤貯水量(mm)，Swi+1為某生育時期初始時的土壤貯水量(mm)，Pi為降雨量(mm)。

1.3.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成因子 在小麥收獲期每個小區(qū)隨機取20株進行室內(nèi)考種，測定分蘗數(shù)、穗數(shù)、穗長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量。小區(qū)單打單收，曬干后測定實際產(chǎn)量。

1.3.5 水分利用效率(WUE)WUE=Y/ET。式中，Y為小麥單位面積產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0對試驗數(shù)據(jù)進行處理，用LSD法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 春小麥不同生育期土壤溫度的變化

由表1可知，隨著春小麥生育進程的后延，0～25 cm土層的平均溫度呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，而且不同覆膜栽培處理的平均土壤溫度與CK的差值在不同生育時期從大到小的順序依次為：分蘗期(0.88 ℃)>苗期(0.73 ℃)>孕穗期(0.72 ℃)>拔節(jié)期(0.70 ℃)>抽穗期(0.20 ℃)>成熟期(0.12 ℃)>揚花期(-0.38 ℃)>灌漿期(-0.75 ℃)。其中，T3處理在分蘗期和苗期分別增溫1.50 ℃和1.20 ℃。比較春小麥各個生育時期0～25 cm土壤平均溫度(圖1)可以發(fā)現(xiàn)，T3處理最高，高達18.65 ℃，顯著高于CK處理3.36%，而T1、T4和T5處理無顯著差異(P>0.05)，但分別較CK處理顯著增加1.20%、1.72%和1.92%；T2處理土壤平均溫度為18.08 ℃，高于CK處理0.19%，而低于其他覆膜處理0.62%～3.06%。春小麥全生育期不同處理在0～25 cm土壤溫度的變異系數(shù)依次為CK(21.48%)>T6(20.02%)>T5(19.75%)>T2(18.81%)>T4(18.79%)>T1(18.49%)>T3(18.24%)。在春小麥全生育期，6種覆膜處理0～25 cm土層土壤溫度的波動明顯低于CK處理，而且T3處理的變異系數(shù)最低，對土壤溫度的變化具有較強的平抑作用。

表1 春小麥不同生育時期各處理0～25 cm土壤平均溫度

注：不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。

Note:Different lowercase indicate significant difference among treatments at 0.05 level.

不同字母表示處理間在0.05水平上差異顯著 Different lowercase indicate significant difference among treatments at 0.05 level

圖1春小麥全生育期各處理0～25cm土壤平均溫度

Fig.1Meantemperatureof0-25cmsoillayerindifferenttreatmentsduringthewholegrowthperiodofspringwheat

2.2 春小麥全生育期不同土層土壤溫度的變化

由表2可知，不同處理下小麥全生育期0～25 cm土層平均溫度的變化趨勢大致相同，均表現(xiàn)為隨土層的加深而逐漸降低，T1、T2、T3、T4、T5、T6和CK處理在25 cm地溫比5 cm處的分別降低5.2、5.5、5.5、5.7、5.2、5.2和5.2 ℃。各覆膜處理在10 cm土層處的降溫幅度最大，達2.2～2.5 ℃；在25 cm土層處降溫效應(yīng)最小，較20 cm處地溫平均降低0.37 ℃。與CK處理相比，6個覆膜處理在5、10、15、20和25 cm土層平均地溫分別增加0.52、0.53、0.48、0.30和0.33 ℃；其中，T3處理在5 cm和10 cm處的增溫效應(yīng)比較明顯，增幅均為0.8 ℃。不同膜色相比較發(fā)現(xiàn)，T2、T4和T6處理0～25 cm土層平均溫度分別較T1、T3、T5處理下降0.11、0.37、0.39 ℃，可見黑色地膜覆蓋較白色地膜可以明顯降低地溫。不同起壟方式間，T1、T2處理的地溫低于T3、T4處理0.26 ℃和0.48 ℃，這說明壟溝種植增加了地表面積，從而有利于熱量的吸收。此外，覆土對土層溫度沒有較大的影響作用，與T1、T2處理相比，T5、T6處理的地溫僅降低0.06 ℃和0.02 ℃。

表2 春小麥全生育期不同土層溫度平均日變化

2.3 春小麥各生育階段耗水量及其占總耗水量比例的差異

由表3可知，不同覆膜處理在春小麥各生育階段的耗水量及其占總耗水量的比例存在一定的差異，且表現(xiàn)為在抽穗至灌漿階段的耗水量最多。在播種至拔節(jié)期，各個覆膜處理下麥田的耗水量平均為21.61 mm，少于CK處理29.98%，其中T5處理在此階段的耗水量及其占總耗水量的比例最高，分別達27.76 mm和10.41%，但均與 CK處理差異不顯著(P>0.05)。在拔節(jié)至抽穗，T1、T2和T3處理的耗水量顯著高于CK處理8.99%、5.25%和7.40%(P<0.05)，而其他3種覆膜處理與CK處理差異不顯著。抽穗至灌漿期是春小麥的主要耗水階段，覆膜處理在此階段的耗水量顯著高于CK處理，其中T3處理的最高，高達136.16 mm，T6處理次之，T5處理最低，為121.46 mm，三者分別較CK處理顯著增加21.33%、18.72%和8.23%。此外，各覆膜處理在抽穗至灌漿期階段的耗水量占總耗水量的比例均與CK處理達顯著差異，且增幅為5.02%～15.38%。就春小麥灌漿至成熟期耗水量而言，T4、T6處理分別較CK降低5.06%、6.38%，而其他覆膜處理在此階段的耗水量均高于CK處理0.41%～5.00%，但差異不顯著。與CK處理相比，T1、T4和T6處理在灌漿至成熟期的階段耗水量占總耗水量的比例分別顯著降低4.38%、5.91%和10.02%，而其他覆膜處理均與CK處理差異不顯著。

表3 春小麥各生育階段耗水量及其占總耗水量的比例

注：不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著，下同。

Note:Different lowercase letters indicate significant difference among treatments at 0.05 level, the same below.

2.4 不同覆膜方式對旱地春小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表4可知，覆膜處理的春小麥基本苗數(shù)平均為234.38×104hm-2，較CK處理增加4.11%。就春小麥的株高而言，T2處理最高，T4處理的次之，二者分別高于CK處理14.66%和13.74%，差異顯著。不同覆膜方式下春小麥的穗數(shù)以T4處理最多(244.18×104hm-2)，T1處理最少(228.38×104hm-2)，相比CK處理顯著增加4.07%、11.27%，而T2、T3、T5和T6處理間差異不顯著。比較6種覆膜栽培方式下小麥穗長的差異可知，T3、T4處理的穗長較長，分別較CK處理顯著增加9.94%和10.53%，而其他覆膜處理的穗長均與CK差異不顯著。各覆膜處理春小麥的小穗數(shù)平均為14.31個，相比CK處理而言，顯著增加5.22%，但不同覆膜處理差異不顯著。不同處理下春小麥穗粒數(shù)的變化表現(xiàn)為T1處理最多，為33.74個，明顯多于CK處理15.55%，其他覆膜處理的穗粒數(shù)也較CK處理有所增加，但無顯著差異。對于春小麥的千粒質(zhì)量而言，覆膜處理下千粒質(zhì)量平均為51.07 g，各覆膜處理的千粒質(zhì)量與CK間無較大差異。

表4 不同覆膜方式對旱地春小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.5 不同覆膜方式對旱地春小麥籽粒產(chǎn)量和水分利用效率的影響

由表5可知，地膜覆蓋栽培可顯著提高春小麥的籽粒產(chǎn)量和水分利用效率。比較不同覆膜處理籽粒產(chǎn)量可以發(fā)現(xiàn)，6種覆膜方式下小麥的籽粒產(chǎn)量較CK處理平均增加18.29%。其中，T3處理的籽粒產(chǎn)量最高，其次是T4、T1處理，三者間無顯著差異，但較CK處理分別顯著增加21.92%、21.14%和21.08%；而不同覆膜方式中小麥產(chǎn)量最低T5處理，較CK處理增產(chǎn)9.64%，差異顯著。就覆膜栽培對麥田土壤貯水消耗量的影響而言，與CK處理相比，各覆膜處理土壤貯水消耗量平均增加10.40 mm，其中以T3處理最多，而T4處理最少，分別高于CK處理49.79%和5.72%。地膜覆蓋栽培在增加麥田土壤貯水消耗量的同時，春小麥全生育期的總耗水量也在提高。除T5處理外，其他覆膜處理的總耗水量均與CK之間存在顯著差異。T3處理的總耗水量最多，其次為T1處理，分別較CK處理顯著增加7.66%和4.96%。不同處理水分利用效率從大到小順序依次為：T4>T1>T6>T3>T2>T5>CK，各覆膜方式中以T4處理最高，為14.91 kg·hm-2·mm-1，T1處理次之，T5處理最低，為13.21 kg·hm-2·mm-1，與CK相比，分別顯著增加20.15%、15.39%和6.45%。

表5 不同覆膜方式下春小麥產(chǎn)量及水分利用效率

3 討論與結(jié)論

自然降雨是甘肅省旱作小麥生產(chǎn)唯一的水分來源，年降雨量為300～700 mm，約60%的降水集中在小麥休閑期(7-9月)，而且年均氣溫8～12 ℃，旱、寒是影響該區(qū)小麥正常生長發(fā)育的主要因素[18,21-22]。研究表明，采用地膜覆蓋栽培可明顯降低棵間蒸發(fā)，從而改善田間水熱狀況，對干旱和春季低溫有很好的緩解作用，利于作物正常生長發(fā)育，大幅度提升籽粒產(chǎn)量和降水利用效率[23-24]。本試驗中，不同覆膜處理下春小麥在分蘗期和苗期具有較大的增溫效應(yīng)，平均溫度較CK處理分別增加0.88 ℃和0.73 ℃，其中T3處理增幅最大，在春小麥這2個生育時期分別增溫1.50 ℃和1.20 ℃。從整個生育期看，不同覆膜處理在0～25 cm土壤溫度的變異系數(shù)(18.24%～20.02%)低于CK處理(21.48%)，這說明地膜覆蓋可以降低土壤溫度的晝夜變化，減輕土壤溫度的波動。因此，與露地栽培相比，在春小麥各生育時期地膜覆蓋栽培可不同程度地表現(xiàn)出增溫和降溫的雙重效應(yīng)[14]，這在玉米[25]、冬小麥[26]等作物上也已取得了相似的研究結(jié)論，而且T2處理對土壤溫度的變化具有較強的平抑作用。

溫度對苗期小麥根系和葉片生長發(fā)育會產(chǎn)生極大影響作用[27]，而且隨溫度遞增，干物質(zhì)累積量也增加，為實現(xiàn)小麥增產(chǎn)奠定良好基礎(chǔ)。張淑芳等[28]研究發(fā)現(xiàn)，地膜穴播方式下春小麥全生育期15 cm處土壤平均溫度較露地種植增加1.29 ℃，可使土壤積溫提高307 ℃。李世清等[29]認為，地膜覆蓋有利于增加作物根系0～5 cm土層土壤溫度。本試驗條件下，不同處理下小麥全生育期0～25 cm土層平均溫度均表現(xiàn)為隨土層加深逐漸降低，這與陳麗娟等[30]研究結(jié)果一致，而且各覆膜處理在25 cm處的平均地溫較5 cm處下降5.38 ℃。與CK處理比較，各覆膜處理下春小麥全生育期0～20 cm土層均具有增溫效應(yīng)，而且T3處理在5 cm和10 cm處的增溫效應(yīng)比較明顯，增幅均為0.8 ℃，高于T1處理0.2、0.5 ℃，這說明不同起壟方式之間，壟溝種植可增加地表面積，從而有利于熱量的吸收[18]；而與T4處理相比，T3處理在5 cm和10 cm處的地溫明顯提高0.2、0.1 ℃，可見黑色地膜覆蓋較白色地膜可有效降低土壤溫度[15]。

研究表明，常駐性干旱脅迫對西北黃土高原半干旱區(qū)春小麥的生產(chǎn)造成嚴重影響，小麥產(chǎn)量長期處于低而不穩(wěn)甚至絕收的境況[31-32]。寇江濤等[33]指出，壟覆膜集雨種植可大幅增加苜蓿田土壤貯水量，有效地增強土壤水分的供應(yīng)能力。此外，覆膜處理可調(diào)節(jié)春小麥不同生育階段的耗水比例，將更多比例的水分用于拔節(jié)至成熟期，以保證作物增產(chǎn)[34]。本研究發(fā)現(xiàn)，春小麥在抽穗至灌漿期階段的耗水量和耗水比例均最大，平均分別為126.83 mm和47.37%，6種覆膜處理在此階段的耗水量以T3處理最高，顯著高于CK處理21.33%。Ren等[35]和朱國慶等[36]指出，與平作無覆蓋相比，壟溝集雨種植的耕層(0～5 cm)土壤溫度增加1.0～1.2 ℃，春小麥籽粒產(chǎn)量提高17.6%～72.8%，水分利用效率提高3.05 kg·hm-2·mm-1。本試驗中，地膜覆蓋可顯著提高春小麥的籽粒產(chǎn)量，增產(chǎn)率9.64%～21.92%，其中以T3處理籽粒產(chǎn)量最高，高達3 915.40 kg·hm-2，但與T1、T4處理間無顯著差異。不同覆膜處理的水分利用效率較CK處理提高6.45%～20.15%，其中以T4處理水分利用效率最高，高達14.91 kg·hm-2·mm-1，而T1處理次之，T5處理最低，為13.21 kg·hm-2·mm-1，分別較CK顯著增加20.15%、15.39%和6.45%，三者間差異不顯著。這可能是由于黑色地膜覆蓋下土壤溫度低于白色地膜，而且壟溝種植較平作可明顯增強土壤的保水保墑效果，即二者有利于防止生長后期干旱和高溫對春小麥根系的影響，延緩植株的衰老，進一步促進了小麥籽粒產(chǎn)量的形成。綜合考慮之下，T4處理(黑膜壟溝覆土穴播)是最適宜在西北旱區(qū)條件下推廣的春小麥種植模式。

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