旱區集雨覆蓋模式對春小麥土壤水熱效應及產量的影響＊

劉宏勝，李 映，蘇靖茸，吳 兵,3△，高玉紅，剡 斌

（1.甘肅省會寧縣農業技術推廣中心，甘肅 會寧 730799；2.甘肅農業大學生命科學技術學院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；4.甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州 730070）

小麥是西北地區主要的糧食作物[1]，受自然環境影響，西北旱作春麥區常年降雨不足，年蒸發量高[2]，且年降雨的60%～70%集中在7～9 月，與小麥需水期產生嚴重供需錯位[3,4]，加之春季低溫、伏旱高溫等因素的影響，小麥產量總體水平長期低而不穩[5]。因此，旱作農業集雨種植方式的發展是保證干旱半干旱區農業可持續發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業區被廣泛應用，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，加快作物生育進程，促進作物產量的提高[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、蓄水保墑及促進產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]等均對土壤溫度及水分產生較大的影響。地膜覆蓋的保墑增溫作用已被認為是其促使作物增產的關鍵原因[10]，秸稈覆蓋因具有“高溫時降溫、低溫時保溫”的雙重效應，能緩沖土壤溫度的變化，為作物生長創造良好環境[11]。也有研究認為，覆膜增溫會引起小麥前期快速生長，消耗大量水分，引起早衰甚至減產現象[12]；同時，秸稈覆蓋會阻礙光照直接到達地面，有效光照的減少使土壤耕層溫度降低，造成小麥生育期內積溫不足，導致作物前期出苗差，后期貪青晚熟，以致產量下降[13,14]。近來興起的“栽培模式+覆蓋種植”為一體的復合集雨栽培技術，因其有利于土壤水分保蓄和利用、改善土壤溫熱狀況，促進作物生長發育和產量提升而稱為眾多學者關注的熱點[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麥田土壤水熱特征及產量變化的研究較少，因此，本研究以春小麥“甘春27 號”為供試材料，通過研究覆蓋物與栽培方式集成的集雨模式下，春小麥水熱效應與增產機理的差異性，為進一步探索旱作雨養農業區春小麥的高效增產栽培技術體系提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017 年3 月～7 月在會寧縣甘溝鎮六十鋪試驗基地（35°55ˊN，105°00ˊE）實施，該地海拔1639m，年平均氣溫9.2℃，無霜期154d，≥10℃的有效活動積溫2588.5℃，年降水量400mm 左右，年蒸發量1700mm 左右。氣候干燥，土質黃綿土，屬靖會沿黃段干旱灌溉農業，如圖1 所示。

圖1 2017 年試驗區小麥生育期降雨量

1.2 試驗設計

采取單因素區組設計，設6 個處理，分別為全膜覆土穴播（Full film covering soil acupoint sowing，FSAS）：選用寬幅1.2m 地膜平鋪，表面1cm 左右的薄土，穴播機播種，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）：單行壟作，行距17.8cm、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，穴播機在壟溝播種；膜側溝播（Membrane lateral furrow sowing，FLFS）：起壟壟寬25cm、高10～15cm，溝寬15cm，溝內覆膜播種；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，預留覆蓋帶，播后將玉米整稈置于預留覆蓋帶，覆蓋時秸稈帶與播種帶的兩個邊行各留2～5cm 左右間距，條播機播種，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。

每個處理3 次重復，共18 個小區。小區面積20cm2(5m×4m)，種植密度525 萬株·hm-2，控制各處理小區播量為1.05 萬株，保證小區播量一致。布置處理前，各小區按尿素150kg.hm-2（純N：46.4%）、磷肥52.5kg.hm-2（P2O5：16%）統一基施。供試小麥品種為甘春27 號，由甘肅農業大學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 測定項目與方法

1.3.1 地溫測定

在春小麥主要生育時期（苗期、分蘗期、拔節期、揚花期、灌漿期、成熟期），選取晴朗天氣，每天在8:00、12:00、14:00、18:00，應用TZS-3X 農業環境檢測儀觀測0～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm、20～25cm土層溫度，連續測定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，用土鉆隨機在不同處理各小區取0～100cm 的土，測定深度分別為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。

水分利用效率計算公式：WUE=Yd/ET，式中Yd作物單位面積產量；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 小麥產量

小麥成熟收獲前，在各小區隨機取樣20 株，測定株高、穗數、穗粒數、千粒重等產量構成因子，按小區單打單收，測定實際產量。

1.4 數據處理

采用Excel 2010 進行數據統計，應用Origin8.0與SPSS19.0 作圖及顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋種植方式對各生育時期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，FSAS、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℃。拔節期0～5cm、5～10～cm 土層，與CK 相比，FSAS、BFRP、FLFS、SCFS、SSCD 土壤增溫與CK 無 明 顯 差 異，10～25cm 土 層，FSAS、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℃。揚花期0～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm 與20～25cm 土 層，與CK 相比，FSAS、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，FSAS 與BFRP處理下土壤溫度均高于CK，其中在5～10cm，FSAS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，各處理無明顯差異。

圖2 春小麥不同生育時期各處理0～25cm 土層溫度變化

由此可見，5 種處理對土壤增溫效應主要在生育前期0～15cm 土層，且FAFS 與BFRP 處理下對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，FSAS、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，FSAS與BFRP 對全生育期0～25cm 均溫增加幅度最大，且二者之間無明顯差異，其次為FLFS 與SCFS，SSCD 處理下降低了0.26℃（P＜0.05）。由此可見，FSAS 與BFRP 對春小麥全生育期0～25cm 土壤溫度調節作用優于FLFS、SCFS 與SSCD，其有效的增溫效應降低了早春低溫對春小麥出苗與生長的影響。

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

2.3 不同覆蓋種植方式對春小麥全生育期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，達到209.04mm，其次分別為FSAS＞BFRP＞SSCD＞FLFS＞CK，且BFRP 與SSCD 間無明顯差異；分蘗期0～100cm 土壤貯水量依 次 為FSAS ＞SCFS ＞BFRP ＞SSCD ＞FLFS ＞CK，且BFRP 與SCFS 間無明顯差異；拔節期0-100cm 土壤貯 水 量 依 次 分 別 為SCFS ＞FLFS ＞FSAS ＞SSCD ＞BFRP＞CK，且FLFS 與SCFS 間無明顯差異；揚花期，在BFRP 處理下，0～100cm 土壤貯水量最高，達到189.86mm，其 次 分 別 為SSCD ＞FSAS ＞FLFS ＞SSCD＞CK，且FSAS 與SCFS 間無顯著差異；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137.44mm，其次分別為FLFS＞SCFS＞BFRP＞SSCD＞CK，且FSAS 與FLFS 間無明顯差異（P＜0.05）。由此可見，FSAS、BFRP 與SCFS 對降雨的接納入滲能力與減少水分蒸發率優于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春小麥耗水量、水分利用效率與產量的影響

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，達到204.80mm，比CK 增加了8.83%；FLFS 處理下耗水增長幅度最低，達到188.86mm，且與CK 之間無明顯差異（P＜0.05）。FSAS、BFRP、FLFS、SCFS 與SSCD處理下春小麥產量依次分別為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%，FSAS、BFRP 與CK 之間有顯著差異，但前二者之間沒有顯著差異；FLFS、SCFS、SSCD 與CK 之間沒有顯著 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 之間無顯著差異（P＜0.05）。由此可見，FSAS 與BFRP 處理最利于春小麥產量大幅度提高同時水分環境得以優化。見表1。

表1 不同覆蓋方式對春小麥產量及構成因素的影響

圖5 不同覆蓋栽培方式對春小麥耗水量、水分利用效率與產量的影響

3 討論與結論

早春低溫能夠影響春性作物的種子萌發與形態建成，覆蓋處理具有低溫時增溫、高溫時降溫的雙重效應，對旱作區域季節性低溫有很好的緩解作用，利于作物出苗與保苗[17,18]。本實驗研究發現，FAFS、BFRP、FLFS、SCFS 與SSCD 對土壤增溫效應主要體現在春小麥出苗至灌漿期0～10cm 土層，其中FAFS與BFRP 處理下對出苗期、分蘗期、揚花期、灌漿期0～10cm 土壤增溫幅度最高，SSCD 處理下對0～10cm土壤增溫幅度最低，且在分蘗期與揚花期降低了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 種處理對春小麥0～25cm 土壤均有降溫效應，與CK 相比 分 別 降 低 了0.28℃、0.385℃、0.85℃、0.87℃與1.15℃。由此可見，對旱作區域春小麥而言，FSAS、BFRP、FLFS 與SCFS 對春小麥具有低溫時升溫，高溫時降溫的雙重效應，且FSAS 與BFRP 在生育前期對春小麥的增溫效應優于FLFS 與SCFS；SSCD對春小麥生育前期土壤有降溫效應，不利于出苗與生長，這與在馬鈴薯研究中發現秸稈壟作能夠降低全生育期土壤溫度的結果基本一致[18]，亦可能與作物品種類型及當季氣溫變化規律有關。

覆蓋能夠有效攔截和吸收太陽輻射及地表有效輻射，阻礙大氣與土壤間的水熱交換，從而減少無效水分蒸發，提高土壤含水量[19,20]。溝壟+覆蓋栽培技術能夠有效蓄積降水，增加降水入滲，但地膜與秸稈覆蓋對土壤水分的影響機制不同[21]。研究認為覆膜后直接阻斷了土壤水分垂直蒸發和亂流，迫使膜下水分橫向運移，降低水分無效蒸發和熱量散失[22]；而秸稈覆蓋后增加了地表粗糙度，降低了地表裸露面積，阻止陽光直接照射地表而降低土壤溫度，從而抑制土壤蒸發，同時可降低地表徑流[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；表明在旱作雨養小麥種植區，FAFS、SCFS 與BFRP 對降雨的接納入滲能力、減少水分蒸發率優于FLFS、SSCD 與SSCD，充足的土壤貯水確保小麥拔節前正常生長與幼穗分化，促進揚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果一致。

覆蓋對土壤水分具有時空再分配的調控作用，促進土壤-作物-水分的良性循環，滿足小麥生長水分需求，使小麥穗數和穗粒數增加，產量和水分利用效率顯著提高[24,25]。本研究發現，FSAS 處理下全生育期春小麥耗水量最高，達到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%，產量分別提高了1.36%與～2.65%。由此可見，相較于FLFS、SCFS 與SSCD，FSAS 與BFRP提高小麥的WUE 與產量優勢明顯。

因此，在西北旱作雨養小麥種植區，不同地膜覆蓋集雨模式下麥田土壤水熱效應由于秸稈覆蓋模式，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現小麥高產與高效，在具體實踐過程中還需要根據當地生態環境條件進行定位研究，以進一步分析不同降雨年份下FSAS 與BFRP 兩種栽培模式的增產效應。