半干旱區(qū)全膜覆土穴播對(duì)春小麥耗水特征和產(chǎn)量的影響

侯慧芝, 張緒成,, 尹嘉德, 方彥杰, 于顯楓, 王紅麗,馬一凡

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所 / 甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

西北黃土高原旱作區(qū)作物產(chǎn)量長期低而不穩(wěn)，其原因一方面在于自然降水和作物需水錯(cuò)位，另外與蒸發(fā)強(qiáng)烈和作物水分利用效率低有直接關(guān)系[1-2]。農(nóng)田全地面地膜覆蓋后，實(shí)現(xiàn)了自然降水的跨季節(jié)利用，部分解決了水分供需錯(cuò)位的問題，增加土壤貯水量，活化土壤養(yǎng)分，促進(jìn)作物生長發(fā)育，提高作物出苗后耗水速度并加大耗水量[3-4]，顯著提高作物的養(yǎng)分和水分利用效率，使得作物產(chǎn)量大幅度提高[4-6]。目前，對(duì)于地膜覆蓋條件下小麥、玉米、馬鈴薯、小雜糧等作物的增產(chǎn)效應(yīng)已有共識(shí)[7-12]，認(rèn)為地膜覆蓋后提高了土壤水分和溫度，促進(jìn)了作物群體發(fā)育[6-10]。地膜覆蓋的保水效應(yīng)及其對(duì)作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響已有很多研究，但對(duì)作物的水分利用過程和耗水特征研究較少。作物的耗水特征受養(yǎng)分、覆蓋、灌溉制度等因素的顯著影響[13-16]。深耕和深松的耗水模系數(shù)在播種-拔節(jié)期下降、拔節(jié)-成熟期升高[17]；地膜覆蓋降低了冬小麥播種-返青期、抽穗-成熟期的耗水量，但提高了拔節(jié)-抽穗期的耗水量[18]；使玉米抽雄以后的耗水速率增加，但在拔節(jié)-抽雄期下降[19]。以上耕作栽培措施改變了作物耗水特性的主要原因是影響了農(nóng)田蒸發(fā)，進(jìn)而影響了作物的耗水過程[20]。

全膜覆土穴播栽培技術(shù)(地膜平鋪覆蓋全部農(nóng)田后在地膜上覆土 1～2 cm，用專用地膜穴播機(jī)播種)，通過抑制蒸發(fā)(尤其是休閑期和春季播前的蒸發(fā))改善了作物生育前期的土壤水分狀況，并顯著提高小麥前期土壤溫度，有效降低灌漿期土壤溫度，從而避免高溫導(dǎo)致青干造成的小麥減產(chǎn)，可使小麥增產(chǎn)30%以上，顯著提高水分利用效率[5,7]。土壤水分和熱量條件的階段性改變，必然影響作物的發(fā)育進(jìn)程和需耗水特性。全膜覆土穴播可能會(huì)通過調(diào)節(jié)農(nóng)田蒸騰、蒸發(fā)關(guān)系來影響春小麥的耗水特征，但目前對(duì)此缺乏系統(tǒng)研究。因此，本文通過3年大田定位試驗(yàn)，對(duì)比分析全膜覆土穴播和露地穴播小麥不同生育期的階段耗水量、耗水模系數(shù)、耗水速率、耗水效率等，探明全膜覆土穴播小麥的耗水特征及其對(duì)產(chǎn)量形成和水分利用的影響，為闡明全膜覆土穴播的水分效應(yīng)和增產(chǎn)機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院定西試驗(yàn)站(104°36′ E, 35°35′ N)。該區(qū)海拔1 970 m，年均氣溫6.2 ℃，年均降水量415 mm，6-9月降水量占年降水量的68%，降水相對(duì)變率為24%，400 mm降水保證率為48%，為典型旱地雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。試驗(yàn)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%，永久凋萎系數(shù)為7.2%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試春小麥品種為甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所選育的隴春27號(hào)。試驗(yàn)設(shè)全膜覆土穴播(PMS，地膜平鋪整個(gè)地面，在膜上覆土1～2 cm)和露地穴播(CK)2個(gè)處理，每處理3次重復(fù)，小區(qū)面積7 m×7.5 m=52.5 m2。2個(gè)處理均用穴播機(jī)播種，每穴播10±2粒，行距20 cm，穴距為13 cm；2012年P(guān)MS處理在播種前整地、施肥、覆膜，2012年和2013年小麥?zhǔn)斋@后及時(shí)整地、施肥、覆膜，于次年春季播種。各處理施肥量均為N 150 kg·hm-2、P2O5180 kg·hm-2、K2O 84 kg·hm-2，肥料采用基施。2012年3月16日播種，7月23日收獲；2013年3月20日播種，7月30日收獲；2014年3月23日播種，7月30日收獲。

根據(jù)甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院定西試驗(yàn)站氣象資料統(tǒng)計(jì)(圖1)，2012年試驗(yàn)區(qū)全年降雨484.4 mm，春小麥生育期降雨219.3 mm，主要集中在5-7月；2013年試驗(yàn)區(qū)全年降雨551.9 mm，春小麥生育期降雨308.6 mm，但從2 月19日到4月18日無降雨，7月份降雨幾乎占春小麥整個(gè)生育期降雨的50%;2014年試驗(yàn)區(qū)全年降雨量為482.2 mm，春小麥生育期降雨量為205.7 mm，其中4月降雨76.3 mm，5月降雨17.2 mm，6月降雨81.9 mm，降雨季節(jié)分配嚴(yán)重不均，季節(jié)性干旱特征非常明顯，與春小麥生育期需水規(guī)律不吻合。2012年試驗(yàn)區(qū)最低溫為-19.8℃，最高溫為21.6℃，平均氣溫為6.33℃；2013年最低溫為-13.6℃，最高溫為21.4℃，平均氣溫為7.19℃；2014年最低溫為-11.9℃，最高溫為23.6℃，平均氣溫為6.82℃。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 土壤貯水量 在小麥播前、苗期、拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期和成熟期分別用土鉆法取各小區(qū) 0～300 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為土壤含水量(%),b為土壤容重(g·cm-3),d為土壤深度(mm)。

1.3.2 地上部生物量 在小麥苗期、拔節(jié)期、孕穗期、灌漿期和成熟期，每個(gè)小區(qū)分別選取長勢均一的10株小麥，用烘干法測定干物質(zhì)重。

1.3.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 成熟期每小區(qū)隨機(jī)取20株小麥進(jìn)行室內(nèi)考種，考種指標(biāo)包括穗長、穗重、穗粒數(shù)、千粒重、單株干物質(zhì)；每個(gè)小區(qū)單打單收，統(tǒng)計(jì)實(shí)際產(chǎn)量，折合成公頃產(chǎn)量。

1.3.4 階段耗水量(ETi) 參考王紅麗等[8]的方法

ETi=SWSi-SWSi+1+Pi

圖1 2012-2014年定西試驗(yàn)區(qū)降水分布和平均氣溫變化Fig.1 Distribution of precipitation and average air temperature in study areas(Dingxi)from 2012 to 2014

式中，SWSi為某個(gè)生育時(shí)期初始時(shí)的土壤貯水量(mm),SWSi+1為該生育時(shí)期結(jié)束時(shí)的土壤貯水量(mm),Pi為該生育期降雨量(mm)。

1.3.5 耗水模系數(shù)和耗水速率 參考馬尚宇等[21]的方法:

耗水模系數(shù)=ETi/ET×100%

式中,ETi為各生育階段麥田耗水量(mm)，ET為麥田總耗水量(mm)。

耗水速率CWR=ETi/d

式中，ETi為各生育階段麥田耗水量(mm)，d為生育階段天數(shù)(d)。

1.3.6 生長速率 參考劉軍等[22]的方法略做修改。

作物生長速率CR=(W1-W2)/d

式中，W1為生育階段始期的地上部干物質(zhì)累積量(g)，W2為生育階段末期的地上部干物質(zhì)累積量(g)，d為該生育期的間隔天數(shù)(d)。

1.3.7 耗水效率和水分利用效率

耗水效率VCWR=CR/CWR

式中，CR為作物生長速率(g·d-1)，CWR為耗水速率(mm·d-1)。

參考王紅麗等的方法[8]，水分利用效率WUE=Y/ET,其中，ET=SWSBF-SWSHA+P。式中，Y為小麥單位面積產(chǎn)量(kg·hm-2)，ET為小麥生育期耗水量(mm)，SWSBF為播前土壤貯水量(mm)，SWSHA為收后土壤貯水量(mm)，P為生育期降雨量(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

運(yùn)用Microsoft Excel 2007 軟件計(jì)算并作圖，DPS 9.50數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行方差分析，用Tukey 法檢驗(yàn)處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 全膜覆土穴播對(duì)春小麥不同生育期0～300 cm土層土壤貯水量的影響

春小麥農(nóng)田土壤貯水量隨生育進(jìn)程呈下降趨勢，且受降水影響顯著(圖2)。PMS處理在0～300 cm土層土壤貯水量高于CK，并在部分生育期達(dá)到顯著差異(P<0.05)：2012-2014年苗期PMS處理0～300 cm的土壤貯水量分別比CK增加了15.6、34.1 mm和18.0 mm，拔節(jié)期分別增加了21.9、22.1 mm和20.7 mm，灌漿期分別增加了15.1、42.1 mm和37.4 mm；并在2013年 和2014年播前分別增加了42.1 mm和27.4 mm。

2.2 全膜覆土穴播對(duì)春小麥階段耗水量的影響

春小麥階段耗水量在2個(gè)處理間有顯著差異，而且在不同降水年型明顯不同(圖3)。2012年在播種-拔節(jié)期PMS處理的耗水量較CK降低了18.3%(P<0.05)，其余生育階段處理間耗水量無顯著差異。2013年在播種-拔節(jié)期、拔節(jié)-抽穗期，PMS處理耗水量較CK增加了20.0%和18.0%，均呈顯著差異(P<0.05)；在灌漿-成熟期，PMS處理的耗水量顯著低于CK(P<0.05)，下降了36.7%。2014年P(guān)MS處理與CK耗水量差異不顯著。

注：BS：播種前；SE：苗期；JO：拔節(jié)期；HE：抽穗期；FI：灌漿期；MA：成熟期Note: BS:before sowing; SE: seeding; JO: jointing; HE: heading; FI: filling; MA: maturing圖2 全膜覆土穴播小麥田0～300 cm土層土壤貯水量隨生育期的變化Fig.2 Variation of soil water storage in 0～300 cm profile of PMS in different growth stages of spring wheat

2.3 全膜覆土穴播對(duì)春小麥耗水模系數(shù)的影響

PMS對(duì)春小麥的耗水模系數(shù)有影響，而且在不同降水年型有明顯變化(圖4)。2012年在播種-拔節(jié)期，PMS處理的耗水模系數(shù)顯著低于CK(P<0.05)，下降了9.8%；在拔節(jié)-抽穗期、抽穗-灌漿期，PMS處理的耗水模系數(shù)則顯著高于CK(P<0.05)，增加了15.2%和12.1%；而在灌漿-成熟期處理間無顯著差異。2013年在播種-拔節(jié)期、拔節(jié)-抽穗期，PMS處理的耗水模系數(shù)較CK分別增加了16.9%和14.9%(P<0.05)；在灌漿-成熟期，PMS處理顯著低于CK(P<0.05)，下降了28.2%；在抽穗-灌漿期，處理間差異不顯著。2014年在播種-拔節(jié)期，PMS處理的耗水模系數(shù)顯著高于CK(P<0.05)，增加了10.5%；在灌漿-成熟期，PMS處理顯著低于CK(P<0.05)，下降了10.6%；其它生育期處理間差異不顯著。

2012年，耗水模系數(shù)PMS處理以播種-拔節(jié)期最高，抽穗-灌漿期次之，拔節(jié)-抽穗期和灌漿-成熟期相近；CK以播種-拔節(jié)期最高，抽穗-灌漿期次之，拔節(jié)-抽穗期最低。2013、2014年各處理的耗水模系數(shù)表現(xiàn)出相似的規(guī)律，均以播種-拔節(jié)期最高，灌漿-成熟期次之，抽穗-灌漿期最低，雖然2013年P(guān)MS處理拔節(jié)-抽穗期較灌漿-成熟期下降了6.2%，但兩個(gè)生育階段間無顯著差異。比較不同生育期耗水模系數(shù)在不同降水年型之間的變化，以播種-拔節(jié)期、灌漿-成熟期的耗水模系數(shù)在不同降水年型之間的變化最大，表明這兩個(gè)生育期的耗水特征受耕作栽培等措施的顯著影響，水分調(diào)控可取得更為顯著的效果。

2.4 全膜覆土穴播對(duì)春小麥耗水速率的影響

春小麥的耗水速率在不同處理、生育期和降水年型間的差異見圖5。2012年P(guān)MS處理在播種-拔節(jié)期的耗水速率顯著低于CK(P<0.05)，下降了15.5%，其余生育期差異不顯著。2013年在播種-拔節(jié)期、拔節(jié)-抽穗期，PMS處理的耗水速率顯著高于CK(P<0.05)，分別增加了20.0%和18.0%；在灌漿-成熟期，PMS處理顯著低于CK(P<0.05)，下降了26.3%。2014年P(guān)MS處理和CK的耗水速率在4個(gè)生育階段均無顯著差異。

注：SO-JO：播種到拔節(jié)期；JO-HE：拔節(jié)期到抽穗期；HE-FI：抽穗期到灌漿期；FI-MA：灌漿期到成熟期。不同字母表示同一生育階段不同處理間差異顯著 (P<0.05)。下同。Note: SO-JO: sowing-jointing; JO-HE: jointing-heading; HE-FI: heading-filling; FI-MA: filling-maturing. Different letters in the same growth stage mean significant difference among treatments (P<0.05). The same below.圖3 全膜覆土穴播對(duì)春小麥階段耗水量的影響Fig.3 Effects of PMS on periodical water consumption of spring wheat

圖4 全膜覆土穴播對(duì)春小麥耗水模系數(shù)的影響Fig.4 Effects of PMS on water consumption modulus coefficient of spring wheat

2.5 全膜覆土穴播對(duì)春小麥地上部生物量、生長速率和耗水效率的影響

PMS處理的小麥地上部生物量在2012-2014年顯著高于CK(P<0.05)(圖6)，3 a成熟期分別增加了95.7%、42.8%和108.7%。春小麥生長速率在抽穗-灌漿期最高，PMS處理在整個(gè)生育期均顯著高于CK(P<0.05)，在2013年依生育期分別增加了366.1%、222.1%、165.0%和42.8%，在2012年和2014年，分別增加了153.7%、87.0%、101.9%、95.7%和87.4%、129.2%、133.0%、108.7%。PMS的耗水效率在不同年份均顯著高于CK(P<0.05)，且不同年份表現(xiàn)出不同的特征，2012年在灌漿-成熟期最高，而2013年和2014年都是在抽穗-灌漿期最高。PMS與CK的耗水效率在不同年份有明顯不同，如灌漿-成熟期2013年P(guān)MS較CK增加了93.8%，2012年和2014年分別增加了115.5%和143.7%。

圖5 全膜覆土穴播對(duì)春小麥耗水速率的影響Fig.5 Effects of PMS on water consumption rate of spring wheat

圖6 全膜覆土穴播對(duì)春小麥生物量、生長速率和耗水效率的影響Fig.6 Effects of PMS on aboveground biomass,growth rate and water consumption efficiency of spring wheat

2.6 全膜覆土穴播對(duì)春小麥產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

地膜覆蓋對(duì)小麥產(chǎn)量構(gòu)成因子有顯著影響(表1)。與CK 相比，PMS處理的株高、單株重、小穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗粒重和千粒重顯著增加(P<0.05)，3 a試驗(yàn)期間的株高增加了15.8%～39.0%，單株重增加了53.1%～141.6%，小穗數(shù)增加了26.1%～55.8%；穗粒數(shù)增加了36.9%～102.9%，穗粒重增加了51.7%～133.8%，千粒重增加了10.8%～18.9%。

2.7 全膜覆土穴播對(duì)春小麥耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率的影響

與CK相比，PMS處理沒有顯著提高春小麥全生育期的耗水量，但產(chǎn)量在2012-2014年分別增加了35.4%、58.9%和61.9%，水分利用效率(WUE)增加了44.6%、56.7%和63.3%，均達(dá)顯著差異水平(P<0.05)(圖7)。2013年降雨較多，但產(chǎn)量較2012年和2014年分別下降了24.9%和18.2%，WUE分別下降了36.1%和16.7%(P<0.05)，這主要是由于2013年2月19日-4月18日2個(gè)月無降雨，嚴(yán)重影響了小麥苗期生長，而且在灌漿期的7月份降雨較多，達(dá)到150 mm，嚴(yán)重影響了籽粒灌漿，導(dǎo)致產(chǎn)量和WUE顯著下降。

表1 全膜覆土穴播對(duì)春小麥產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

注：不同字母表示同一年份不同處理間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different letters in the same year mean significant difference among treatments (P<0.05).

圖7 全膜覆土穴播對(duì)春小麥產(chǎn)量、耗水量和水分利用效率的影響Fig.7 Effects of PMS on yield,evapotranspiration and water use efficiency of spring wheat

3 討 論

調(diào)節(jié)蒸騰蒸發(fā)比能夠顯著改變作物的耗水特征[20，23-24]，耕作栽培措施、養(yǎng)分管理模式、灌溉制度等因素均能通過調(diào)節(jié)作物蒸騰蒸發(fā)比來顯著影響作物的耗水特征[13-15]。地膜覆蓋降低了土面蒸發(fā)量，使苗期耗水量下降，提高土壤貯水量[7-8,18-19]，但土面蒸發(fā)受降水量和土壤溫度的直接影響[14,25]。本試驗(yàn)中，受年際降水量差異的影響，春小麥階段耗水量、耗水模系數(shù)、耗水速率和耗水效率在不同年份有明顯不同。在降水稍多的2013年，全膜覆土穴播(PMS)在播種-拔節(jié)期的耗水量、耗水模系數(shù)、耗水速率和耗水效率較CK分別增加了20.0 mm、16.9%、20.1%和288.2%；但在2012年，相同生育期的耗水量、耗水模系數(shù)和耗水速率分別下降了21.9 mm、9.8%和15.5%，耗水效率增加了200.1%，差異均達(dá)到顯著水平。生育前期PMS處理和CK所消耗水分的用途不同，前者主要用于作物蒸騰，而后者主要是土面蒸發(fā)。在全生育期，PMS和CK的階段耗水量、耗水模系數(shù)、耗水速率和耗水效率在不同年份的變化不同，在降水較多的年份，PMS處理的耗水速率在播種-拔節(jié)期、拔節(jié)-抽穗期顯著高于CK，而灌漿-成熟期顯著低于CK。

地膜覆蓋顯著提高了作物生育前期的土壤含水量，促進(jìn)了作物生長發(fā)育[7-8]，這對(duì)植株形態(tài)建成有積極意義。本試驗(yàn)中，PMS處理的小麥株高顯著高于CK。PMS處理的土壤貯水量在拔節(jié)-抽穗期、抽穗-灌漿期高于CK，PMS處理的耗水量較CK無顯著提高，但地膜覆蓋處理耗散的水分主要用于作物蒸騰，而CK的土面蒸發(fā)較強(qiáng)，所以PMS處理的小穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗粒重和千粒重均顯著高于CK；另外，PMS處理在抽穗-灌漿期、灌漿-成熟期的耗水量較CK不但無顯著增加，且在降水較為充裕的2013年其灌漿-成熟期耗水量顯著低于CK，表明CK在這一生育階段有較多土壤水分被蒸發(fā)。PMS不僅對(duì)春小麥階段耗水量、耗水模系數(shù)、耗水速率和耗水效率有顯著影響，而且調(diào)節(jié)了春小麥的耗水過程。在降水較多年份，PMS處理階段耗水量以播種-拔節(jié)期最高，灌漿-成熟期次之，抽穗-灌漿期最低；但CK在播種-拔節(jié)期、灌漿-成熟期最高，抽穗-灌漿期最低。在降水較少的2012年，播種-拔節(jié)期PMS處理的耗水量較CK有較明顯的降低趨勢，但顯著提高了春小麥的生長速率和耗水效率。表明全膜覆土穴播能夠降低土面蒸發(fā)，調(diào)節(jié)作物的蒸騰蒸發(fā)關(guān)系，影響春小麥在不同降水年型的耗水過程和耗水特性，提高耗水效率，所以PMS處理的地上生物量、產(chǎn)量及其構(gòu)成因子和水分利用效率均顯著高于CK。

4 結(jié) 論

全膜覆土穴播能顯著調(diào)節(jié)春小麥在不同降水年型的耗水進(jìn)程和耗水特性，使地上部生物量、生長速率和耗水效率分別提高42.8%～108.7%、42.8%～366.1%和73.3%～288.2%。在全生育期耗水量無顯著增加的條件下，PMS產(chǎn)量提高35.4%～61.9%，水分利用效率提高44.6%～63.3%。