半干旱區全膜覆土穴播對春小麥耗水特征和產量的影響

侯慧芝, 張緒成,, 尹嘉德, 方彥杰, 于顯楓, 王紅麗,馬一凡

(1.甘肅省農業科學院旱地農業研究所 / 甘肅省旱作區水資源高效利用重點實驗室, 甘肅 蘭州730070；2.甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州730070)

西北黃土高原旱作區作物產量長期低而不穩，其原因一方面在于自然降水和作物需水錯位，另外與蒸發強烈和作物水分利用效率低有直接關系[1-2]。農田全地面地膜覆蓋后，實現了自然降水的跨季節利用，部分解決了水分供需錯位的問題，增加土壤貯水量，活化土壤養分，促進作物生長發育，提高作物出苗后耗水速度并加大耗水量[3-4]，顯著提高作物的養分和水分利用效率，使得作物產量大幅度提高[4-6]。目前，對于地膜覆蓋條件下小麥、玉米、馬鈴薯、小雜糧等作物的增產效應已有共識[7-12]，認為地膜覆蓋后提高了土壤水分和溫度，促進了作物群體發育[6-10]。地膜覆蓋的保水效應及其對作物產量和水分利用效率的影響已有很多研究，但對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在播種-拔節期下降、拔節-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-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-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田蒸發，進而影響了作物的耗水過程[20]。

全膜覆土穴播栽培技術(地膜平鋪覆蓋全部農田后在地膜上覆土 1～2 cm，用專用地膜穴播機播種)，通過抑制蒸發(尤其是休閑期和春季播前的蒸發)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，從而避免高溫導致青干造成的小麥減產，可使小麥增產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，必然影響作物的發育進程和需耗水特性。全膜覆土穴播可能會通過調節農田蒸騰、蒸發關系來影響春小麥的耗水特征，但目前對此缺乏系統研究。因此，本文通過3年大田定位試驗，對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、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產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和增產機制提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于甘肅省農業科學院定西試驗站(104°36′ E, 35°35′ N)。該區海拔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%，降水相對變率為24%，400 mm降水保證率為48%，為典型旱地雨養農業區。試驗區土壤為黃綿土，0～30 cm土層平均容重1.25 g·cm-3，田間持水量為21.18%，永久凋萎系數為7.2%。

1.2 試驗設計

供試春小麥品種為甘肅省農業科學院小麥研究所選育的隴春27號。試驗設全膜覆土穴播(PMS，地膜平鋪整個地面，在膜上覆土1～2 cm)和露地穴播(CK)2個處理，每處理3次重復，小區面積7 m×7.5 m=52.5 m2。2個處理均用穴播機播種，每穴播10±2粒，行距20 cm，穴距為13 cm；2012年PMS處理在播種前整地、施肥、覆膜，2012年和2013年小麥收獲后及時整地、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。

根據甘肅省農業科學院定西試驗站氣象資料統計(圖1)，2012年試驗區全年降雨484.4 mm，春小麥生育期降雨219.3 mm，主要集中在5-7月；2013年試驗區全年降雨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生育期降雨的50%;2014年試驗區全年降雨量為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，降雨季節分配嚴重不均，季節性干旱特征非常明顯，與春小麥生育期需水規律不吻合。2012年試驗區最低溫為-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 測定指標與方法

1.3.1 土壤貯水量 在小麥播前、苗期、拔節期、孕穗期、灌漿期和成熟期分別用土鉆法取各小區 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、拔節期、孕穗期、灌漿期和成熟期，每個小區分別選取長勢均一的10株小麥，用烘干法測定干物質重。

1.3.3 產量及其構成因素 成熟期每小區隨機取20株小麥進行室內考種，考種指標包括穗長、穗重、穗粒數、千粒重、單株干物質；每個小區單打單收，統計實際產量，折合成公頃產量。

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年定西試驗區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為某個生育時期初始時的土壤貯水量(mm),SWSi+1為該生育時期結束時的土壤貯水量(mm),Pi為該生育期降雨量(mm)。

1.3.5 耗水模系數和耗水速率 參考馬尚宇等[21]的方法:

耗水模系數=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(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累積量(g)，W2為生育階段末期的地上部干物質累積量(g)，d為該生育期的間隔天數(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 數據處理與分析

運用Microsoft Excel 2007 軟件計算并作圖，DPS 9.50數據處理軟件進行方差分析，用Tukey 法檢驗處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 全膜覆土穴播對春小麥不同生育期0～300 cm土層土壤貯水量的影響

春小麥農田土壤貯水量隨生育進程呈下降趨勢，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 全膜覆土穴播對春小麥階段耗水量的影響

春小麥階段耗水量在2個處理間有顯著差異，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-拔節期、拔節-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PMS處理與CK耗水量差異不顯著。

注：BS：播種前；SE：苗期；JO：拔節期；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 全膜覆土穴播對春小麥耗水模系數的影響

PMS對春小麥的耗水模系數有影響，而且在不同降水年型有明顯變化(圖4)。2012年在播種-拔節期，PMS處理的耗水模系數顯著低于CK(P<0.05)，下降了9.8%；在拔節-抽穗期、抽穗-灌漿期，PMS處理的耗水模系數則顯著高于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-拔節期、拔節-抽穗期，PMS處理的耗水模系數較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-拔節期，PMS處理的耗水模系數顯著高于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PMS處理以播種-拔節期最高，抽穗-灌漿期次之，拔節-抽穗期和灌漿-成熟期相近；CK以播種-拔節期最高，抽穗-灌漿期次之，拔節-抽穗期最低。2013、2014年各處理的耗水模系數表現出相似的規律，均以播種-拔節期最高，灌漿-成熟期次之，抽穗-灌漿期最低，雖然2013年PMS處理拔節-抽穗期較灌漿-成熟期下降了6.2%，但兩個生育階段間無顯著差異。比較不同生育期耗水模系數在不同降水年型之間的變化，以播種-拔節期、灌漿-成熟期的耗水模系數在不同降水年型之間的變化最大，表明這兩個生育期的耗水特征受耕作栽培等措施的顯著影響，水分調控可取得更為顯著的效果。

2.4 全膜覆土穴播對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PMS處理在播種-拔節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-拔節期、拔節-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PMS處理和CK的耗水速率在4個生育階段均無顯著差異。

注：SO-JO：播種到拔節期；JO-HE：拔節期到抽穗期；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 全膜覆土穴播對春小麥耗水模系數的影響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PMS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 全膜覆土穴播對春小麥產量構成因子的影響

地膜覆蓋對小麥產量構成因子有顯著影響(表1)。與CK 相比，PMS處理的株高、單株重、小穗數、穗粒數、穗粒重和千粒重顯著增加(P<0.05)，3 a試驗期間的株高增加了15.8%～39.0%，單株重增加了53.1%～141.6%，小穗數增加了26.1%～55.8%；穗粒數增加了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 全膜覆土穴播對春小麥耗水量、產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%，均達顯著差異水平(P<0.05)(圖7)。2013年降雨較多，但產量較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個月無降雨，嚴重影響了小麥苗期生長，而且在灌漿期的7月份降雨較多，達到150 mm，嚴重影響了籽粒灌漿，導致產量和WUE顯著下降。

表1 全膜覆土穴播對春小麥產量構成因子的影響

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 全膜覆土穴播對春小麥產量、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

調節蒸騰蒸發比能夠顯著改變作物的耗水特征[20，23-24]，耕作栽培措施、養分管理模式、灌溉制度等因素均能通過調節作物蒸騰蒸發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]，但土面蒸發受降水量和土壤溫度的直接影響[14,25]。本試驗中，受年際降水量差異的影響，春小麥階段耗水量、耗水模系數、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-拔節期的耗水量、耗水模系數、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。在全生育期，PMS和CK的階段耗水量、耗水模系數、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-拔節期、拔節-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，促進了作物生長發育[7-8]，這對植株形態建成有積極意義。本試驗中，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-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的土面蒸發較強，所以PMS處理的小穗數、穗粒數、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。PMS不僅對春小麥階段耗水量、耗水模系數、耗水速率和耗水效率有顯著影響，而且調節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-拔節期最高，灌漿-成熟期次之，抽穗-灌漿期最低；但CK在播種-拔節期、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，調節作物的蒸騰蒸發關系，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、產量及其構成因子和水分利用效率均顯著高于CK。

4 結 論

全膜覆土穴播能顯著調節春小麥在不同降水年型的耗水進程和耗水特性，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產量提高35.4%～61.9%，水分利用效率提高44.6%～63.3%。