旱區(qū)集雨覆蓋模式對(duì)春小麥土壤水熱效應(yīng)及產(chǎn)量的影響＊

劉宏勝，李 映，蘇靖茸，吳 兵,3△，高玉紅，剡 斌

（1.甘肅省會(huì)寧縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，甘肅 會(huì)寧 730799；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；4.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

小麥?zhǔn)俏鞅钡貐^(qū)主要的糧食作物[1]，受自然環(huán)境影響，西北旱作春麥區(qū)常年降雨不足，年蒸發(fā)量高[2]，且年降雨的60%～70%集中在7～9 月，與小麥需水期產(chǎn)生嚴(yán)重供需錯(cuò)位[3,4]，加之春季低溫、伏旱高溫等因素的影響，小麥產(chǎn)量總體水平長(zhǎng)期低而不穩(wěn)[5]。因此，旱作農(nóng)業(yè)集雨種植方式的發(fā)展是保證干旱半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及和糧食供給的重要途徑。目前不同集雨覆蓋模式已在北方旱作農(nóng)業(yè)區(qū)被廣泛應(yīng)用，它能有效改變耕層土壤溫度，增加土壤貯水量、降低土壤表面蒸發(fā)，加快作物生育進(jìn)程，促進(jìn)作物產(chǎn)量的提高[5,6]。其中，地膜覆蓋和秸稈覆蓋作為常用主要地表覆蓋方式，在改善土壤水熱狀況、蓄水保墑及促進(jìn)產(chǎn)量和水分利用等方面起到了重要作用。研究表明，覆蓋材料[7]、地膜顏色[8]、栽培方式[9]等均對(duì)土壤溫度及水分產(chǎn)生較大的影響。地膜覆蓋的保墑增溫作用已被認(rèn)為是其促使作物增產(chǎn)的關(guān)鍵原因[10]，秸稈覆蓋因具有“高溫時(shí)降溫、低溫時(shí)保溫”的雙重效應(yīng)，能緩沖土壤溫度的變化，為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造良好環(huán)境[11]。也有研究認(rèn)為，覆膜增溫會(huì)引起小麥前期快速生長(zhǎng)，消耗大量水分，引起早衰甚至減產(chǎn)現(xiàn)象[12]；同時(shí)，秸稈覆蓋會(huì)阻礙光照直接到達(dá)地面，有效光照的減少使土壤耕層溫度降低，造成小麥生育期內(nèi)積溫不足，導(dǎo)致作物前期出苗差，后期貪青晚熟，以致產(chǎn)量下降[13,14]。近來(lái)興起的“栽培模式+覆蓋種植”為一體的復(fù)合集雨栽培技術(shù)，因其有利于土壤水分保蓄和利用、改善土壤溫?zé)釥顩r，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量提升而稱為眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)[15,16]。鑒于春小麥在不同集雨覆蓋模式下，改變覆蓋物類型及種植方式對(duì)麥田土壤水熱特征及產(chǎn)量變化的研究較少，因此，本研究以春小麥“甘春27 號(hào)”為供試材料，通過(guò)研究覆蓋物與栽培方式集成的集雨模式下，春小麥水熱效應(yīng)與增產(chǎn)機(jī)理的差異性，為進(jìn)一步探索旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)春小麥的高效增產(chǎn)栽培技術(shù)體系提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017 年3 月～7 月在會(huì)寧縣甘溝鎮(zhèn)六十鋪試驗(yàn)基地（35°55ˊN，105°00ˊE）實(shí)施，該地海拔1639m，年平均氣溫9.2℃，無(wú)霜期154d，≥10℃的有效活動(dòng)積溫2588.5℃，年降水量400mm 左右，年蒸發(fā)量1700mm 左右。氣候干燥，土質(zhì)黃綿土，屬靖會(huì)沿黃段干旱灌溉農(nóng)業(yè)，如圖1 所示。

圖1 2017 年試驗(yàn)區(qū)小麥生育期降雨量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采取單因素區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)6 個(gè)處理，分別為全膜覆土穴播（Full film covering soil acupoint sowing，F(xiàn)SAS）：選用寬幅1.2m 地膜平鋪，表面1cm 左右的薄土，穴播機(jī)播種，播種深度3～5cm，行距15cm，穴距12cm；黑色全膜壟作穴播（Black full film ridge planting，BFRP）：?jiǎn)涡袎抛?，行?7.8cm、壟底寬17～18cm、壟高10cm；雙行壟作，行距33cm、壟底寬32～33cm、壟面寬18～20cm、壟高8cm，起壟后黑色地膜全地面覆蓋,并撒土，穴播機(jī)在壟溝播種；膜側(cè)溝播（Membrane lateral furrow sowing，F(xiàn)LFS）：起壟壟寬25cm、高10～15cm，溝寬15cm，溝內(nèi)覆膜播種；秸稈粉碎微壟覆蓋溝播（Strawcrushing,furrowmulching and seeding，SCFS）：秸稈覆蓋起壟壟寬22cm，幅寬34cm、溝寬12cm，溝內(nèi)播種2 行小麥，行距17cm；秸 稈 帶 狀 覆 蓋 條 播（Straw strip mulching drill，SSCD）：種植帶種3 行，預(yù)留覆蓋帶，播后將玉米整稈置于預(yù)留覆蓋帶，覆蓋時(shí)秸稈帶與播種帶的兩個(gè)邊行各留2～5cm 左右間距，條播機(jī)播種，行距為17cm，種植帶種3 行，總寬度34cm；露地條播（Sowing in drill，CK）：不覆膜條播。

每個(gè)處理3 次重復(fù)，共18 個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積20cm2(5m×4m)，種植密度525 萬(wàn)株·hm-2，控制各處理小區(qū)播量為1.05 萬(wàn)株，保證小區(qū)播量一致。布置處理前，各小區(qū)按尿素150kg.hm-2（純N：46.4%）、磷肥52.5kg.hm-2（P2O5：16%）統(tǒng)一基施。供試小麥品種為甘春27 號(hào)，由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱地小麥育種室提供。2017 年3 月25 日播種，2017 年7 月18 日收獲。其他管理措施同一般大田。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 地溫測(cè)定

在春小麥主要生育時(shí)期（苗期、分蘗期、拔節(jié)期、揚(yáng)花期、灌漿期、成熟期），選取晴朗天氣，每天在8:00、12:00、14:00、18:00，應(yīng)用TZS-3X 農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測(cè)儀觀測(cè)0～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm、20～25cm土層溫度，連續(xù)測(cè)定3d-5d。

1.3.2 土壤水分及水分利用效率

在小麥播前和上述各生育期，用土鉆隨機(jī)在不同處理各小區(qū)取0～100cm 的土，測(cè)定深度分別為0～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm 和80～100cm，稱土壤鮮重后，在105℃恒溫下烘24h 至恒重,稱土壤干重，并計(jì)算土壤含水量、土壤貯水量、春小麥耗水量與春小麥水分利用效率。

土壤貯水量計(jì)算公式：SWS（mm）=Ws×b×d，式中Ws 為土壤重量含水量；b 為土壤容重；d 為土壤深度。

水分利用效率計(jì)算公式：WUE=Yd/ET，式中Yd作物單位面積產(chǎn)量；ET=SWSBF-SWSHA+P，式中SWSBF 為播前貯水量；SWSHA 為收獲后貯水量；P為生育期降水量。

1.3.3 小麥產(chǎn)量

小麥成熟收獲前，在各小區(qū)隨機(jī)取樣20 株，測(cè)定株高、穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因子，按小區(qū)單打單收，測(cè)定實(shí)際產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用Origin8.0與SPSS19.0 作圖及顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋種植方式對(duì)各生育時(shí)期0～25cm 土層溫度的影響

由圖2 可知，出苗期0～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm 與20～25cm 土 層，與CK 相 比，F(xiàn)SAS、BFRP、FLFS 土 壤 溫 度 均 高 于CK，其 中FSAS 與BFRP 處理下0～5cm 增溫幅度最大，分別增溫3.43℃與3.13℃，其次為FLFS 與SCFS。而SSCD 與CK 相比無(wú)明顯差異。分蘗期FSAS、BFRP 與FLFS增溫主要在0～15cm，與CK 相比分別增加了1.88℃、2.42℃、0.04℃，而SCFS 與SSCD 處理下降低了0.83 與0.21℃。拔節(jié)期0～5cm、5～10～cm 土層，與CK 相比，F(xiàn)SAS、BFRP、FLFS、SCFS、SSCD 土壤增溫與CK 無(wú) 明 顯 差 異，10～25cm 土 層，F(xiàn)SAS、BFRP、FLFS、SCFS、SSCD 降低了土壤溫度，分別降低了0.38℃、0℃、0.67℃、0.50℃與0.08℃。揚(yáng)花期0～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm 與20～25cm 土 層，與CK 相比，F(xiàn)SAS、BFRP、FLFS、SCFS 土壤溫度均高于CK，其中FSAS 與BFRP 在5～10cm 增溫幅度最大，分別增溫2.38℃與2.27℃，其次為SCFS 與FLFS，而SSCD 處理下降低了0.5℃。灌漿期0～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm 與20～25cm 土層，F(xiàn)SAS 與BFRP處理下土壤溫度均高于CK，其中在5～10cm，F(xiàn)SAS與BFRP 增加幅度最大，其次為SCFS 與FLFS，而SSCD 增溫幅度最低。成熟期，10～20cm 各處理土壤溫度均低于CK，0～5cm 與20～25cm，與CK 相比，各處理無(wú)明顯差異。

圖2 春小麥不同生育時(shí)期各處理0～25cm 土層溫度變化

由此可見(jiàn)，5 種處理對(duì)土壤增溫效應(yīng)主要在生育前期0～15cm 土層，且FAFS 與BFRP 處理下對(duì)0～15cm 土壤增溫幅度最高，其次為FLFS 與SCFS，SSCD 處理下0～15cm 土壤增溫幅度最低。

2.2 不同覆蓋種植方式對(duì)春小麥0～25cm 土層平均溫度的影響

由圖3A 可知，出苗期在FSAS、BFRP、FLFS、SCFS 與SSCD 處理下，0～25cm 均溫與CK 相比，分別高1.51℃、1.46℃、0.95℃、0.48℃、0.05℃；分蘗期，F(xiàn)SAS、BFRP、FLFS 與CK 相比，分別增加1.53℃、2.25℃、0.3℃，而SCFS 與SSCD 分別降低0.93℃與0.33℃；拔節(jié)期在FSAS、BFRP、FLFS、SCFS 與SSCD處理下，0～25cm 均溫與CK 相比，分別增加0.15℃與0.26℃，而FLFS、SCFS 與SSCD 分別降低0.4℃、0.3℃、0.3℃；揚(yáng)花期在FSAS、BFRP、FLFS、SCFS 與SSCD 處理下，0～25cm 均溫與CK 相比，分別增加1.20℃、0.92℃、0.41℃、0.79℃、-0.08℃；灌漿期，在FSAS、BFRP、FLFS、SCFS 與SSCD 處 理 下，0～25cm均溫與CK 相比，分別增加1.50℃、1.27℃、0.26℃、0.45℃、-0.13℃；成熟期在FSAS、BFRP、FLFS、SCFS、SSCD 與CK 相比，0～25cm 均溫均低于CK。由圖3B可知，在FSAS、BFRP、FLFS、SCFS、SSCD 處理下，春小麥全生育期0～25cm 土層均溫分別為21.15℃、21.04℃、20.18℃、20.07℃、19.51℃，與CK 相比分別增加了7.0%、6.4%、2.1%、1.5%與～1.3%，其中，F(xiàn)SAS與BFRP 對(duì)全生育期0～25cm 均溫增加幅度最大，且二者之間無(wú)明顯差異，其次為FLFS 與SCFS，SSCD 處理下降低了0.26℃（P＜0.05）。由此可見(jiàn)，F(xiàn)SAS 與BFRP 對(duì)春小麥全生育期0～25cm 土壤溫度調(diào)節(jié)作用優(yōu)于FLFS、SCFS 與SSCD，其有效的增溫效應(yīng)降低了早春低溫對(duì)春小麥出苗與生長(zhǎng)的影響。

圖3 春小麥不同生育時(shí)期各處理0～25cm 土層溫度的時(shí)空變化不同小寫(xiě)字母代表處理間達(dá)5%顯著水平（同下）

2.3 不同覆蓋種植方式對(duì)春小麥全生育期0-100cm 土壤貯水量的影響

由圖4 可知，在春小麥出苗至成熟期，5 種處理0～100cm 土壤貯水量均高于CK，其中出苗期，在SCFS 處理下土壤貯水量最高，達(dá)到209.04mm，其次分別為FSAS＞BFRP＞SSCD＞FLFS＞CK，且BFRP 與SSCD 間無(wú)明顯差異；分蘗期0～100cm 土壤貯水量依 次 為FSAS ＞SCFS ＞BFRP ＞SSCD ＞FLFS ＞CK，且BFRP 與SCFS 間無(wú)明顯差異；拔節(jié)期0-100cm 土壤貯 水 量 依 次 分 別 為SCFS ＞FLFS ＞FSAS ＞SSCD ＞BFRP＞CK，且FLFS 與SCFS 間無(wú)明顯差異；揚(yáng)花期，在BFRP 處理下，0～100cm 土壤貯水量最高，達(dá)到189.86mm，其 次 分 別 為SSCD ＞FSAS ＞FLFS ＞SSCD＞CK，且FSAS 與SCFS 間無(wú)顯著差異；灌漿期0～100cm 土壤貯水量依次為FSAS＞SCFS＞BFRP＞FLFS＞SSCD＞CK。成熟期在FSAS 處理下，土壤貯水量高達(dá)137.44mm，其次分別為FLFS＞SCFS＞BFRP＞SSCD＞CK，且FSAS 與FLFS 間無(wú)明顯差異（P＜0.05）。由此可見(jiàn)，F(xiàn)SAS、BFRP 與SCFS 對(duì)降雨的接納入滲能力與減少水分蒸發(fā)率優(yōu)于FLFS、SSCD 與CK，且在生育前期BFRP 耗水速度高于FSAS 與SCFS。

圖4 不同覆蓋栽培方式對(duì)春小麥全生育期0～100cm 土壤貯水量的影響

2.4 不同覆蓋種植方式對(duì)春小麥耗水量、水分利用效率與產(chǎn)量的影響

由圖5 可知，在6 種覆蓋栽培方式下，春小麥耗水量大小依次為：FSAS＞SSCD＞SCFS＞BFRP＞CK＞FLFS，其中FSAS 處理下春小麥耗水量最高，達(dá)到204.80mm，比CK 增加了8.83%；FLFS 處理下耗水增長(zhǎng)幅度最低，達(dá)到188.86mm，且與CK 之間無(wú)明顯差異（P＜0.05）。FSAS、BFRP、FLFS、SCFS 與SSCD處理下春小麥產(chǎn)量依次分別為6935.03kg·ha-2、6946.70kg·ha-2、5563.36kg·ha-2、5548.69kg·ha-2、5270.02kg·ha-2，與CK 相比，分別提高了28.11%、28.33%、2.77%、1.36%，SSCD 降低了2.65%，F(xiàn)SAS、BFRP 與CK 之間有顯著差異，但前二者之間沒(méi)有顯著差異；FLFS、SCFS、SSCD 與CK 之間沒(méi)有顯著 差異（P＜0.05）。FSAS、BFRP、FLFS 處理下水分利用效率分別提高了17.69%、24.59%與2.38%，而SCFS、SSCD 水分利用效率降低了2.6%與8.5%，且 FLFS與SCFS 與CK 之間無(wú)顯著差異（P＜0.05）。由此可見(jiàn)，F(xiàn)SAS 與BFRP 處理最利于春小麥產(chǎn)量大幅度提高同時(shí)水分環(huán)境得以優(yōu)化。見(jiàn)表1。

表1 不同覆蓋方式對(duì)春小麥產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

圖5 不同覆蓋栽培方式對(duì)春小麥耗水量、水分利用效率與產(chǎn)量的影響

3 討論與結(jié)論

早春低溫能夠影響春性作物的種子萌發(fā)與形態(tài)建成，覆蓋處理具有低溫時(shí)增溫、高溫時(shí)降溫的雙重效應(yīng)，對(duì)旱作區(qū)域季節(jié)性低溫有很好的緩解作用，利于作物出苗與保苗[17,18]。本實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AFS、BFRP、FLFS、SCFS 與SSCD 對(duì)土壤增溫效應(yīng)主要體現(xiàn)在春小麥出苗至灌漿期0～10cm 土層，其中FAFS與BFRP 處理下對(duì)出苗期、分蘗期、揚(yáng)花期、灌漿期0～10cm 土壤增溫幅度最高，SSCD 處理下對(duì)0～10cm土壤增溫幅度最低，且在分蘗期與揚(yáng)花期降低了0～10cm 土壤溫度；5 種處理下均提高了全生育期0～25cm 土壤平均溫度，其中FAFS 與BFRP 處理下分別在出苗期與分蘗期對(duì)土壤增溫最明顯，分別提高了1.51℃與2.25℃。成熟期由于外界氣溫較高，5 種處理對(duì)春小麥0～25cm 土壤均有降溫效應(yīng)，與CK 相比 分 別 降 低 了0.28℃、0.385℃、0.85℃、0.87℃與1.15℃。由此可見(jiàn)，對(duì)旱作區(qū)域春小麥而言，F(xiàn)SAS、BFRP、FLFS 與SCFS 對(duì)春小麥具有低溫時(shí)升溫，高溫時(shí)降溫的雙重效應(yīng)，且FSAS 與BFRP 在生育前期對(duì)春小麥的增溫效應(yīng)優(yōu)于FLFS 與SCFS；SSCD對(duì)春小麥生育前期土壤有降溫效應(yīng)，不利于出苗與生長(zhǎng)，這與在馬鈴薯研究中發(fā)現(xiàn)秸稈壟作能夠降低全生育期土壤溫度的結(jié)果基本一致[18]，亦可能與作物品種類型及當(dāng)季氣溫變化規(guī)律有關(guān)。

覆蓋能夠有效攔截和吸收太陽(yáng)輻射及地表有效輻射，阻礙大氣與土壤間的水熱交換，從而減少無(wú)效水分蒸發(fā)，提高土壤含水量[19,20]。溝壟+覆蓋栽培技術(shù)能夠有效蓄積降水，增加降水入滲，但地膜與秸稈覆蓋對(duì)土壤水分的影響機(jī)制不同[21]。研究認(rèn)為覆膜后直接阻斷了土壤水分垂直蒸發(fā)和亂流，迫使膜下水分橫向運(yùn)移，降低水分無(wú)效蒸發(fā)和熱量散失[22]；而秸稈覆蓋后增加了地表粗糙度，降低了地表裸露面積，阻止陽(yáng)光直接照射地表而降低土壤溫度，從而抑制土壤蒸發(fā)，同時(shí)可降低地表徑流[23]。本研究表明出苗期土壤貯水量依次為：SCFS＞FAFS＞BFRP＞SSCD＞FLFS＞CK，分蘗期依次為：FAFS＞ SCFS＞BFRP＞SSCD＞FLFS＞CK，拔節(jié)期：SCFS＞FLFS＞FAFS＞SSCD ＞BFRP ＞CK，灌 漿 期：FAFS ＞SCFS ＞BFRP ＞FLFS＞SSCD＞CK，成熟期：FSAS＞FLFS＞SCFS＞BFRP＞SSCD＞CK；表明在旱作雨養(yǎng)小麥種植區(qū)，F(xiàn)AFS、SCFS 與BFRP 對(duì)降雨的接納入滲能力、減少水分蒸發(fā)率優(yōu)于FLFS、SSCD 與SSCD，充足的土壤貯水確保小麥拔節(jié)前正常生長(zhǎng)與幼穗分化，促進(jìn)揚(yáng)花至灌漿期耗水需求，這亦與陳玉章等在馬鈴薯中的研究結(jié)果一致。

覆蓋對(duì)土壤水分具有時(shí)空再分配的調(diào)控作用，促進(jìn)土壤-作物-水分的良性循環(huán)，滿足小麥生長(zhǎng)水分需求，使小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)增加，產(chǎn)量和水分利用效率顯著提高[24,25]。本研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SAS 處理下全生育期春小麥耗水量最高，達(dá)到204.80mm，比CK 增加了8.83%，其次依次為：SSCD＞SCFS＞BFRP＞FLFS，表明FSAS 與SSCD 耗水速度高于BFRP、SSCD 與FLFS。FSAS、BFRP、FLFS 處理下WUE 分別提高了17.69%、24.59%與2.38%，產(chǎn)量分別提高了28.11%、28.33%、2.77%。SCFS 與SSCD 處理下WUE 降低了2.6%與8.5%，產(chǎn)量分別提高了1.36%與～2.65%。由此可見(jiàn)，相較于FLFS、SCFS 與SSCD，F(xiàn)SAS 與BFRP提高小麥的WUE 與產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)明顯。

因此，在西北旱作雨養(yǎng)小麥種植區(qū)，不同地膜覆蓋集雨模式下麥田土壤水熱效應(yīng)由于秸稈覆蓋模式，相較于FLFS、SCFS 與SSCD 的種植方式，全膜覆土穴播（FSAS）與黑色全膜壟作穴播（BFRP）的種植方式更利于實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)與高效，在具體實(shí)踐過(guò)程中還需要根據(jù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境條件進(jìn)行定位研究，以進(jìn)一步分析不同降雨年份下FSAS 與BFRP 兩種栽培模式的增產(chǎn)效應(yīng)。