黃土高原南部地膜覆蓋小麥產(chǎn)量及水分利用效應(yīng)分析

葉玉蓮，封涌濤，徐佳星 ，張潤(rùn)澤 ，胡昌錄，雷 同 ，張樹蘭

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100; 2.寶雞市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，陜西寶雞 721001)

黃土高原是中國(guó)典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，該區(qū)降水較少且季節(jié)分布不均勻，年降水量為400～600mm，主要集中在6月至9月，降水與農(nóng)作物需水錯(cuò)位，水分脅迫是限制該區(qū)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的一個(gè)重要因素[1-3]。過(guò)去50多年的降雨資料表明該區(qū)降雨量以每年1～2mm在減少[4-5]。因此，如何高效利用有限的水資源，保障區(qū)域糧食安全供應(yīng)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。小麥?zhǔn)屈S土高原區(qū)主要糧食作物之一，受水分脅迫的影響，產(chǎn)量低而不穩(wěn)[6]。地膜覆蓋技術(shù)是保蓄旱地土壤水分與提高產(chǎn)量的重要措施之一[7]，在黃土高原地區(qū)小麥生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用[8-10]。

許多研究表明，地膜覆蓋可有效保蓄土壤水分，增加土壤貯水量，減少土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)，協(xié)調(diào)作物生長(zhǎng)用水、需水矛盾，并且促進(jìn)對(duì)土壤深層水分的利用，從而提高水分利用效率[11-15]。同時(shí)覆膜能提高耕層土壤溫度，促進(jìn)作物早期生長(zhǎng)發(fā)育[16-18]。王俊等[19]研究認(rèn)為，播種后30d地膜覆蓋可以增溫5℃以上，但后期的高溫不利于作物生長(zhǎng)。此外，覆膜也可增加土壤中微生物的數(shù)量，促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)，調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分[20-22]。程宏波等[23]研究表明，地膜覆蓋較不覆膜顯著增產(chǎn)44.9%。但地膜覆蓋并不總是增加作物產(chǎn)量，在播前底墑不足，前期作物生長(zhǎng)過(guò)旺，增加耗水，后期降水或土壤供水不足會(huì)引起穗發(fā)育不良，灌漿持續(xù)時(shí)間縮短[24-25]，也會(huì)導(dǎo)致減產(chǎn)。

覆膜小麥發(fā)展到目前，已形成了不同覆膜種植技術(shù)[26]，如半膜覆蓋(至少50%覆蓋地表)、全膜覆蓋(100%覆蓋地表)，但半膜覆蓋與全膜覆蓋作物的產(chǎn)量效應(yīng)、土壤水分利用的差異，研究結(jié)果之間具有很大的差異性，個(gè)別研究難以全面地評(píng)價(jià)地膜覆蓋對(duì)土壤水分利用及小麥產(chǎn)量的影響。加之，地膜殘留對(duì)土壤環(huán)境的不良影響[27-29]，十分有必要在區(qū)域尺度上進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)半膜與全膜覆蓋的差異。因此，本文綜合分析黃土高原南部地膜覆蓋對(duì)小麥產(chǎn)量、水分利用及水分利用效率的影響，探討地膜覆蓋效應(yīng)與生育期降雨以及海拔之間的關(guān)系，綜合評(píng)價(jià)地膜覆蓋技術(shù)的效應(yīng)，為黃土高原南部地膜覆蓋種植模式的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 文獻(xiàn)收集與數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

在中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)、Web of Science與EI Compendex文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)“小麥”“蒸散量”“產(chǎn)量”“地膜覆蓋”以及“黃土高原”關(guān)鍵詞，收集1997-2017年發(fā)表的有關(guān)文章?？紤]到蒸散量和水分利用效率估算受土層深度、土壤水分深層滲漏等的影響[9]，本研究選取蒸散量或水分利用效率基于2～3 m土壤深度估算的文獻(xiàn)進(jìn)行研究。另外，每個(gè)文獻(xiàn)需要包括不覆膜(CK)、全膜覆蓋(FM)和或半膜覆蓋(RM)。其中部分文獻(xiàn)全膜覆蓋包括全膜覆蓋不覆土和全膜覆蓋覆土兩個(gè)處理，覆土是指在膜上大約覆蓋1 cm細(xì)土。本研究將這兩種處理均做全膜覆蓋處理進(jìn)行計(jì)算。最終篩選出旱作條件下共42篇文獻(xiàn)(表1)，涉及黃土高原山西、陜西以及甘肅3個(gè)省18個(gè)不同的地區(qū)(圖1)。文獻(xiàn)的研究地點(diǎn)集中分布在黃土高原南部，主要與中北部小麥種植面積較小有關(guān)。利用文章中圖或表的數(shù)據(jù)，構(gòu)建了小麥產(chǎn)量、蒸散量以及水分利用效率的數(shù)據(jù)集。

1.2 數(shù)據(jù)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)分析

全膜覆蓋和半膜覆蓋下小麥產(chǎn)量、蒸散量、水分利用效率的增加率計(jì)算如下：

增加率=(參數(shù)F-參數(shù)CK)/參數(shù)CK×100%

式中，F(xiàn)表示覆膜；CK表示不覆膜。

小麥季潛在蒸騰效率：采用邊界函數(shù)的方法獲得研究區(qū)域小麥潛在蒸騰效率，即水分生產(chǎn)潛力。具體方法為分位數(shù)回歸的方法[30]，即將蒸散量的數(shù)據(jù)從小到大排列(作為x軸)，產(chǎn)量(作為y軸)基于蒸散量的數(shù)據(jù)排列。將蒸散量以20 mm為間隔劃分，每個(gè)區(qū)段提取產(chǎn)量最大的數(shù)據(jù)點(diǎn)，直至產(chǎn)量達(dá)到最高產(chǎn)量。然后對(duì)產(chǎn)量最大的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性回歸，得到的線性函數(shù)，其斜率代表潛在蒸騰效率，即黃土高原南部小麥水分生產(chǎn)潛力，橫坐標(biāo)截距表示小麥當(dāng)季最低的土壤蒸發(fā)量。

半膜或全膜覆蓋與不覆膜處理之間比較采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行分析，半膜覆蓋與全膜覆蓋比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)采用SPSS 16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)文獻(xiàn)Table 1 Database used in this paper

(續(xù)表1 Continued table 1)

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥產(chǎn)量、蒸散量及水分利用效率

由表2可以看出，全膜覆蓋或半膜覆蓋與對(duì)照相比均顯著提高小麥產(chǎn)量、蒸散量以及水分利用效率。全膜覆蓋與半膜覆蓋相比，小麥產(chǎn)量、蒸散量以及水分利用效率差異均不顯著。

與對(duì)照相比，半膜覆蓋與全膜覆蓋小麥增產(chǎn)率、蒸散量增加率及水分利用效率增加率見(jiàn)圖2。半膜覆蓋的增產(chǎn)幅度為-21%～97%，平均增產(chǎn)率為29%；全膜覆蓋的增產(chǎn)幅度為-14%～153%，平均增產(chǎn)率為34%。半膜覆蓋與全膜覆蓋小麥蒸散量較不覆膜有所增加，半膜覆蓋增加范圍為-36%～39%，均值為5.9%；全膜覆蓋增加范圍為-9%～45%，均值為5.6%。半膜覆蓋小麥水分利用效率增加幅度為-21%～84%，平均增加率為24%，全膜覆蓋增加幅度為-15%～152%，平均增加率為31%。

圖中數(shù)字代表各個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)的文獻(xiàn)數(shù)

表2 黃土高原南部不同處理小麥籽粒產(chǎn)量、蒸散量及水分利用效率Table 2 Wheat yield,evapotranspiration (ET) and water use efficiency (WUE) under plastic film mulching in the southern Loess Plateau

每個(gè)箱子的上下限分別代表變化率的75%和25%；箱子中的橫線代表中位數(shù)，空心正方形代表均值；空心三角形與空心圓分別代表最大值和最小值；相同字母表示處理間差異不顯著(P>0.05)

2.2 產(chǎn)量與蒸散量的關(guān)系

覆膜與不覆膜措施下線性邊界函數(shù)為y=22.5×(x-35)(圖3-A)，其中22.5 kg·hm-2·mm-1表示研究區(qū)域小麥潛在的蒸騰效率，35 mm代表小麥生育期土壤水分蒸發(fā)量。當(dāng)蒸散量為359.2 mm 時(shí)，小麥產(chǎn)量達(dá)到最高，為7 898 kg·hm-2。圖3-B方程為不覆膜時(shí)線性邊界函數(shù)y=18.5×(x-54.4)，其中18.5 kg·hm-2·mm-1表示常規(guī)種植小麥潛在的蒸騰效率，54.4 mm為小麥生育期土壤水分蒸發(fā)量。當(dāng)蒸散量增加到398.2 mm時(shí)，小麥產(chǎn)量可達(dá)6 336.5 kg·hm-2。與不覆膜相比，地膜覆蓋減少了20 mm的小麥生育期土壤蒸發(fā)量，同時(shí)提高了 4 kg·hm-2·mm-1的小麥潛在的蒸騰 效率。

圖中空心圓代表線性函數(shù)回歸數(shù)據(jù)點(diǎn)

2.3 海拔及生育期降雨量對(duì)黃土高原南部覆膜小麥增產(chǎn)率的影響

由圖4可知，半膜覆蓋與全膜覆蓋下，小麥增產(chǎn)率隨試驗(yàn)地點(diǎn)海拔高度沒(méi)有明顯的變化規(guī)律。但是小麥生育期降雨量與增產(chǎn)率的相關(guān)性不同(圖5)。當(dāng)生育期降雨量<200 mm時(shí)，半膜覆蓋條件下小麥增產(chǎn)率隨降雨量的增加呈現(xiàn)顯著的增加趨勢(shì)；而全膜覆蓋下小麥增產(chǎn)率隨生育期降雨量沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)(圖5)。當(dāng)生育期降雨 量>200 mm時(shí)，全膜覆蓋下小麥增產(chǎn)率隨降雨量的增加呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)；而半膜覆蓋下小麥增產(chǎn)率隨生育期降雨量沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)(圖5)。

圖4 不同海拔半膜和全膜覆蓋小麥增產(chǎn)率Fig.4 Yield increase rate of winter wheat under 50% film mulching and 100% film mulching at different altitudes

圖5 不同生育期降雨量半膜和全膜覆蓋小麥增產(chǎn)率Fig.5 Yield increase rate of winter wheat under 50% film mulching and 100% film mulching with different rainfalls in growing season

3 討 論

3.1 地膜覆蓋對(duì)黃土高原南部小麥產(chǎn)量的影響

本研究表明，黃土高原南部區(qū)域尺度上半膜覆蓋小麥平均增產(chǎn)率為29%，全膜覆蓋小麥平均增產(chǎn)34%(圖2)。地膜覆蓋小麥增產(chǎn)主要?dú)w結(jié)于地膜能增加耕層土壤溫度，減少土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)，提高水分利用效率，從而提高小麥產(chǎn)量[48,69-73]。也有研究認(rèn)為地膜覆蓋使小麥穗數(shù)增加，從而促進(jìn)增產(chǎn)[44,71]。本研究發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋較不覆膜不僅減少了20 mm的土壤無(wú)效蒸發(fā)量，而且增加了14～16 mm蒸散量，提高了 4 kg·hm-2·mm-1的小麥潛在蒸騰效率(圖3)。Lin等[30]對(duì)玉米產(chǎn)量與蒸散量間的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，與不覆膜相比，地膜覆蓋使土壤無(wú)效蒸發(fā)量降低13 mm，同時(shí)使玉米潛在的蒸騰效率提高 13 kg·hm-2·mm-1，因而顯著增加了玉米產(chǎn)量。地膜覆蓋增加小麥、玉米潛在蒸騰效率與其增加作物光能利用效率有關(guān)[74]。不過(guò)無(wú)論是覆膜還是不覆膜處理，處于邊界線以下的小麥產(chǎn)量(圖3)，水分不是限制產(chǎn)量的因素，小麥產(chǎn)量可能是受其他因素(如播期、品種、養(yǎng)分等)的影響[9,75]，未能達(dá)到產(chǎn)量潛力。

本研究也發(fā)現(xiàn)半膜覆蓋情況下有很小比例的小麥出現(xiàn)減產(chǎn)，減產(chǎn)率最高為21%，全膜覆蓋也有很小的比例顯示減產(chǎn)，減產(chǎn)率最高為14%(圖2)。李鳳民等[24]在甘肅春小麥覆膜試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)減產(chǎn)率為49.6%。羅來(lái)超等[71]發(fā)現(xiàn)一些試驗(yàn)點(diǎn)個(gè)別年份存在減產(chǎn)的現(xiàn)象。一般認(rèn)為，覆膜作物減產(chǎn)的主要原因是播前底墑不足，作物前期生長(zhǎng)過(guò)旺，增加耗水，而后期降水不足會(huì)引起穗發(fā)育不良，灌漿時(shí)間縮短[24-25]，導(dǎo)致減產(chǎn)。因此，在特別干旱的氣候條件下，不宜選擇地膜覆蓋。另外，在區(qū)域尺度上，地膜覆蓋小麥增產(chǎn)率與種植地點(diǎn)的海拔沒(méi)有明顯的相關(guān)性(圖5)，表明地膜覆蓋在黃土高原南部大多數(shù)情況下是可行的。不過(guò)生育期降雨量低于200 mm時(shí)，半膜覆蓋小麥的增產(chǎn)率與降雨量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，而當(dāng)生育期降雨量大于200 mm，全膜覆蓋小麥的增產(chǎn)率呈下降趨勢(shì)，表明地膜覆蓋在生育期降雨量低于200 mm的季節(jié)更高效。這與其他研究報(bào)道相同[70,76-77]。

本研究還發(fā)現(xiàn)，在區(qū)域尺度上盡管全膜覆蓋小麥產(chǎn)量高于半膜覆蓋，但二者差異不顯著，并且二者小麥增產(chǎn)率相當(dāng)。以往一些研究表明全膜覆蓋小麥的增產(chǎn)幅度和增產(chǎn)量顯著高于半膜覆蓋，認(rèn)為主要與全膜提高穗數(shù)有關(guān)[23,40,49,78-80]。另外一些研究表明全膜與半膜覆蓋均提高小麥產(chǎn)量，二者之間增產(chǎn)作用相似，可能與試驗(yàn)?zāi)攴萁邓枯^多，沒(méi)有發(fā)揮全膜覆蓋的作用，或者全膜覆蓋加劇了小麥生長(zhǎng)冗余，導(dǎo)致半膜與全膜覆蓋間增產(chǎn)差異不顯著[57,39]。然而，也有研究顯示全膜與半膜覆蓋都能提高小麥產(chǎn)量，全膜覆蓋小麥產(chǎn)量卻低于半膜覆蓋，原因可能是全膜穴播模式膜面截留部分降水不能達(dá)到小麥根部,致使土壤水分狀況相對(duì)較差[68]。另外王小明等[81]研究報(bào)道，半膜有明顯的集雨增墑效果，促進(jìn)冬小麥有效分蘗的形成，提高單株成穗率；全膜覆蓋盡管增墑效應(yīng)較差，但增溫效應(yīng)明顯，能延長(zhǎng)穗分化時(shí)間，增加穗粒數(shù)及千粒質(zhì)量。因此，區(qū)域尺度上綜合過(guò)去多點(diǎn)多種氣候年型對(duì)比全膜與半膜效應(yīng)，結(jié)論更為可靠。另外，農(nóng)田地膜覆蓋后，殘膜回收率低，且不易降解，隨著農(nóng)田地膜覆蓋使用年限的增加，土壤中殘膜量逐步增加，造成地膜污染[82]，考慮到地膜污染與經(jīng)濟(jì)成本因素，建議黃土高原南部小麥栽培選用半膜覆蓋。

3.2 地膜覆蓋對(duì)黃土高原南部小麥水分利用及水分利用效率的影響

本研究表明，覆膜顯著提高小麥產(chǎn)量，同時(shí)也顯著增加了小麥的水分利用(蒸散量)(表2)。這與楊長(zhǎng)剛等[39]研究結(jié)果一致。盡管本研究發(fā)現(xiàn)覆膜可以減少小麥生育期土壤無(wú)效蒸發(fā)20 mm，同一地區(qū)有研究表明覆膜可以減少玉米生育期土壤無(wú)效蒸發(fā)13 mm[30]，但是小麥水分利用的顯著增加意味著需要有可靠的水分供應(yīng)來(lái)維持覆膜作物的高產(chǎn)水平。而黃土高原南部年際降雨量變幅很大，覆膜作物高產(chǎn)的可持續(xù)性還存在不確定性。另外，大多數(shù)研究基于2 m土層或者更淺的土層計(jì)算作物蒸散量，這可能沒(méi)有真正反映覆膜小麥水分利用的情況，現(xiàn)有發(fā)表的數(shù)據(jù)可能偏低。例如在年均降雨量為390 mm的黃土高原定西地區(qū)，小麥?zhǔn)斋@期在200 cm土層不論半膜覆蓋還是全膜覆蓋土壤含水量均低于不覆膜處理(圖6)，表明地膜覆蓋下小麥利用土壤水分深度超過(guò)了200 cm土層，這種情況下蒸散量的計(jì)算結(jié)果低于小麥實(shí)際耗水量。在這種氣候條件下如果連續(xù)覆膜，由于土壤水分耗竭，在小麥生長(zhǎng)期降水不足的情況下，會(huì)對(duì)灌漿和籽粒的形成不利，導(dǎo)致產(chǎn)量下降[25-26,36,83]，不能維持高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。所以，在黃土高原年降雨量為400 mm以下區(qū)域，地膜覆蓋措施有待進(jìn)一步評(píng)估。不過(guò)在年均降雨量為550 mm的半濕潤(rùn)易旱區(qū)如陜西永壽，小麥?zhǔn)斋@期地膜覆蓋土壤水分含量高于不覆膜(圖7)。楊志寧等[84]對(duì)山西運(yùn)城旱地小麥的研究也表明，地膜覆蓋土壤含水量高于不覆膜，從而有效地保證了覆膜小麥不同生育時(shí)期的水分需求，達(dá)到了增產(chǎn)、增收效果。由此看來(lái)，在降雨量高的情況下，地膜覆蓋增加土壤耗水的風(fēng)險(xiǎn)可能小一些。綜合以往研究來(lái)看，地膜覆蓋的研究均基于短期田間試驗(yàn)，目前還未見(jiàn)發(fā)表長(zhǎng)期覆膜作物水分利用的報(bào)道。因此，黃土高原南部地膜覆蓋是否具有可持續(xù)還需要長(zhǎng)期試驗(yàn)或者短期試驗(yàn)結(jié)合模型手段進(jìn)一步評(píng)價(jià)。

CKb.不覆膜播前；CKs.不覆膜收獲期；RMb.半膜覆蓋播前；RMs.半膜覆蓋收獲期

另外，本研究發(fā)現(xiàn)，由于地膜覆蓋顯著提高了小麥產(chǎn)量，盡管顯著增加小麥蒸散量，地膜覆蓋仍然顯著提高了小麥水分利用效率。不過(guò)半膜覆蓋與全膜覆蓋水分利用效率相似(圖2)。Wang和Shangguan等[85]認(rèn)為，無(wú)論是半膜還是全膜覆蓋都能促進(jìn)黃土高原南部小麥增產(chǎn)，但降水不足時(shí)半膜覆蓋更能提高水分利用效率?？紤]到覆膜對(duì)土壤水分環(huán)境以及地膜殘留的長(zhǎng)期影響，黃土高原南部小麥選擇半膜覆蓋較好。

4 結(jié) 論

綜合黃土高原南部過(guò)去20 a田間試驗(yàn)表明地膜覆蓋可以顯著增加小麥產(chǎn)量和水分利用效率。這與地膜覆蓋降低土壤無(wú)效蒸發(fā)量，增加土壤水分有效利用，同時(shí)提高小麥潛在的蒸騰效率有關(guān)。半膜覆蓋與全膜覆蓋對(duì)黃土高原南部小麥產(chǎn)量、蒸散量及水分利用效率具有等效性，考慮到地膜的環(huán)境污染與經(jīng)濟(jì)成本因素，推薦黃土高原南部小麥栽培選用半膜覆蓋。