不同灌水處理和覆膜對西北旱區農田水熱狀況和春小麥生長的影響研究

楊奇鶴，毛曉敏，楊 健，王 凱

(1.中國農業大學農業水問題研究中心，北京100083；2.中國農業大學水利與土木工程學院，北京100083)

春小麥是我國西北旱區主要糧食作物，種植廣泛。然而由于灌溉制度和田間管理不夠科學，很難在節水的同時保證高產。小麥的產量形成與生育期內水分動態變化密切相關[1]，而Xue等的試驗證明過度灌水反而不利于產量[2]。大量研究表明[3-7]，地膜覆蓋能夠增加表層土壤含水量和溫度，減少土壤蒸發和植株蒸騰，促進作物生長。將地膜覆蓋技術在干旱且耗水量大的西北地區小麥種植上推廣，具有較廣的應用前景。本試驗在具有西北地區典型氣候特征的石羊河流域進行，通過對不同灌水處理和覆膜條件下農田水熱狀況和春小麥生長和產量的監測，為尋求科學合理的灌溉和種植制度，為西北干旱地區農業高效用水提供參考。

1 試驗布置

春小麥田間試驗共設5個水分處理，分別為：100%(W1)、100%減少1次灌漿期灌水(W2)、75%(W3)、75%減少1次灌漿期(W4)、50%(W5)，灌溉方式為畦灌。設置膜上穴播和不覆膜穴播2個田間管理處理，共10個處理，每個處理3個重復。共30個試驗小區，每個小區規格為5.5 m×7.5 m。為減少系統誤差，試驗小區隨機排列(見圖1)。灌水處理根據當地經驗灌水定額設置，播前以當地經驗普施75 kg/hm2尿素和120 kg/hm2的過磷化鈣為底肥。

春小麥品種為永良4號，于2014年3月26日播種，7月24日收獲，生育期120 d。2014年試驗田前茬2013年制種玉米,休閑期為180 d，入冬前對試驗田進行一次冬灌，使1 m土層內土壤含水率基本達到田間持水率，3月播種時底墑保持良好，能夠有效保證順利出苗和苗期作物對水分的需求。

土壤干密度在作物收獲后，用體積為100 cm3的環刀法分層測定，測深為1.0 m，每層取3個重復。采用TRIME-PICO管式TDR系統測定土壤體積含水率，每個小區分別在行間各布置1個測點，定期取土校準，灌水及降雨前后加測；采用溫度數采系統監測地溫。利用小氣象站獲得試驗區的降雨量、蒸發量、風速、空氣溫濕度和太陽輻射等氣象資料。為消除邊際效應，在每小區中間長勢均勻處隨機取2個1 m2區作為產量觀測區，測定其株數、穗粒數、千粒重。成熟時小區實收計產，按其產量換算成單位面積產量。

圖1 實驗小區布置圖(單位：cm) 注：W1～W5分別表示水分處理，Y為覆膜，N為不覆膜。

2 結果分析

2.1 氣象數據

試驗站內小氣象站監測結果表明，2014年生育期內降雨138.8 mm，較往年為多，日均風速0.81 m/s，平均太陽輻射量219.32 W/(m2·d)，全生育期平均相對濕度50.32，全生育期積溫1 982.02 ℃·d，有效積溫1 851.78 ℃·d與當地多年平均氣象資料基本相符。

2.2 土壤含水率和積溫狀況

圖2是1 m土層儲水量的變化情況。從0～100 cm土層含水量來看，同水分處理下地膜覆蓋小區土壤含水量前期較高于不覆膜小區，后期2者差異不大。產生這種現象的原因是，在春小麥生育期的前期，此時作物覆蓋度較低，田間蒸散發量主要以地面蒸發為主，覆膜可以有效減少蒸發，覆膜的1 m土層儲水量大于不覆膜；后期隨著氣溫升高，作物覆蓋度的增加，作物蒸騰占主導地位，此時覆膜與不覆膜土壤含水率逐漸接近，甚至可能導致覆膜情況下作物蒸騰量增加，耗水量也隨之增加，最終造成覆膜儲水量更低的情況。

圖2 春小麥覆膜與不覆膜處理土壤含水率變化

由于土壤溫度數采儀器數量的限制，試驗過程中只對W1N、W1Y、W5N和W5Y 4種不同條件進行監測。每臺土壤溫度數采儀器分別測量10、40、120 cm深度土層的溫度。圖3(a)

圖3 不同深度覆膜與不覆膜處理逐日累計積溫差

～(c)分別反映了春小麥生育期內不同土層深度處覆膜相對于不覆膜的地溫積累情況。結果表明，地膜覆蓋有相當好的保溫效果。每層土壤在覆蓋地膜的情況下均獲得了更大的積溫，隨著土層深度增加，積溫效果有所減弱，因為土層越深，受地膜影響越小。總體而言W1比W5積溫效果好，因為灌水越充分，土壤含水越高，水的比熱容高，能攜帶更多的熱量。120 cm處，W5獲得積溫更多，說明在這一深度少灌水溫度損失少，覆膜后溫度積累的更多。

2.3 春小麥生育期

由表1可知，覆蓋地膜使小麥各個物候期提前，苗期平均提升3 d，分蘗期、拔節期平均提高2 d，其他各生育期也都有明顯提前。對于生育期較短(平均約為100 d)的春小麥而言，提前作用達到了比較顯著的水平?？傮w表明小麥溫度積累或后期水分脅迫會造成生育期提前，Masle J等人的研究也表明溫度和干旱會使生育期提前[8]。然而由于水分過度虧缺造成的生育期提前，可能不會對產量產生積極的影響。袁靜[9]的研究也證實了這一點

表1 不同處理下小麥物候期統計

2.4 產量及產量構成

表2、圖4為春小麥產量及水分生產率。覆膜造成小麥生長受到限制，影響小麥分蘗，同時苗期放苗不能完全保證膜下麥苗出膜，也會導致后期畝穗數減少，所以覆膜小麥畝穗數均小于不覆膜小麥。然而由于地膜覆蓋的保水保墑效果，覆膜小區的穗粒數普遍高于不覆膜小區。數據顯示，覆膜對于春小麥增產有促進效果，W1和W5增產效果最顯著，主要因為這2個水分處理下覆膜與不覆膜的單位面積穗數差異較小，但覆膜處理穗粒數增加較明顯，同時說明W5處理條件下，由于地膜的保水作用，使得50%灌水量基本可以保證作物利用。W2、W4水分覆膜處理增產較少，無顯著差異，雖然千粒重和單位面積穗數較不覆膜有所降低，但穗粒數的微弱增加仍然使得最終產量小幅提高，也說明了穗粒數是影響春小麥產量形成的主要因素。從產量構成來看，覆膜處理下春小麥千粒重減少，但千粒重減少幅度有限，單位面積穗數減少也在很小的范圍內，而除W2外其他水分處理下覆膜比不覆膜穗粒數增加較多。

對比相同覆膜條件下的水分處理，發現不覆膜情況下，隨灌水量減少(W1N、W3N、W5N)。W2N、W4N由于灌漿期減少一次灌水，其千粒重分別小于W1N和W3N，其中W3N和W4N的千粒重差距更大。在覆膜條件下，隨灌水量減少，千粒重、實際產量也隨之減少，W5Y千粒重減少尤其明顯，穗粒數受地膜的影響，在不同水分處理下差異并不大(W2Y除外)。無論覆膜與否，單位面積穗數大體隨水分減少而減少，少數數據存在異常是由于播種、實驗踩踏等人為因素的影響，這是大田實驗無法避免的客觀條件。總體來說，隨著灌水量增加，覆膜與不覆膜春小麥的實際產量均有所增加，水分生產率有所下降。覆膜處理在相同灌水量情況下實際產量和水分生產率均高于不覆膜處理，且在灌水量偏大和偏小時，提高更為顯著。

表2 各處理產量及水分生產率

圖4 不同灌水處理和覆膜下的產量和水分生產率

3 結 語

研究表明地膜增溫效應主要在春小麥冠層最大覆蓋前(開花期前)，苗期至抽穗期效果最為顯著。地膜覆蓋的增溫作用使得覆膜處理根系層土壤溫度相對不覆膜處 理有明顯升高，因此在春小麥苗期至分蘗期大氣積溫相對較低的西北地區，地膜覆蓋可促進春小麥的生長發育。然而在開花期后，氣溫逐步回升，這時地膜的積溫效果不如前期明顯。同時覆膜有效提高了土壤含水率，保證了作物生長所必須的水分條件。通過試驗可以看出，地膜覆蓋在節水保產方面的巨大優勢，在覆膜條件下，適當減少灌水量有助于提高水分利用率。然而現階段對覆膜條件下的春小麥研究還不夠充分，后續可以進一步進行地膜覆蓋下灌溉制度優化的研究，或者對地膜覆蓋下SPAC水熱運移機理進行研究。

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