不同灌水处理和覆膜对西北旱区农田水热状况和春小麦生长的影响研究

杨奇鹤，毛晓敏，杨 健，王 凯

(1.中国农业大学农业水问题研究中心，北京100083；2.中国农业大学水利与土木工程学院，北京100083)

春小麦是我国西北旱区主要粮食作物，种植广泛。然而由于灌溉制度和田间管理不够科学，很难在节水的同时保证高产。小麦的产量形成与生育期内水分动态变化密切相关[1]，而Xue等的试验证明过度灌水反而不利于产量[2]。大量研究表明[3-7]，地膜覆盖能够增加表层土壤含水量和温度，减少土壤蒸发和植株蒸腾，促进作物生长。将地膜覆盖技术在干旱且耗水量大的西北地区小麦种植上推广，具有较广的应用前景。本试验在具有西北地区典型气候特征的石羊河流域进行，通过对不同灌水处理和覆膜条件下农田水热状况和春小麦生长和产量的监测，为寻求科学合理的灌溉和种植制度，为西北干旱地区农业高效用水提供参考。

1 试验布置

春小麦田间试验共设5个水分处理，分别为：100%(W1)、100%减少1次灌浆期灌水(W2)、75%(W3)、75%减少1次灌浆期(W4)、50%(W5)，灌溉方式为畦灌。设置膜上穴播和不覆膜穴播2个田间管理处理，共10个处理，每个处理3个重复。共30个试验小区，每个小区规格为5.5 m×7.5 m。为减少系统误差，试验小区随机排列(见图1)。灌水处理根据当地经验灌水定额设置，播前以当地经验普施75 kg/hm2尿素和120 kg/hm2的过磷化钙为底肥。

春小麦品种为永良4号，于2014年3月26日播种，7月24日收获，生育期120 d。2014年试验田前茬2013年制种玉米,休闲期为180 d，入冬前对试验田进行一次冬灌，使1 m土层内土壤含水率基本达到田间持水率，3月播种时底墒保持良好，能够有效保证顺利出苗和苗期作物对水分的需求。

土壤干密度在作物收获后，用体积为100 cm3的环刀法分层测定，测深为1.0 m，每层取3个重复。采用TRIME-PICO管式TDR系统测定土壤体积含水率，每个小区分别在行间各布置1个测点，定期取土校准，灌水及降雨前后加测；采用温度数采系统监测地温。利用小气象站获得试验区的降雨量、蒸发量、风速、空气温湿度和太阳辐射等气象资料。为消除边际效应，在每小区中间长势均匀处随机取2个1 m2区作为产量观测区，测定其株数、穗粒数、千粒重。成熟时小区实收计产，按其产量换算成单位面积产量。

图1 实验小区布置图(单位：cm) 注：W1～W5分别表示水分处理，Y为覆膜，N为不覆膜。

2 结果分析

2.1 气象数据

试验站内小气象站监测结果表明，2014年生育期内降雨138.8 mm，较往年为多，日均风速0.81 m/s，平均太阳辐射量219.32 W/(m2·d)，全生育期平均相对湿度50.32，全生育期积温1 982.02 ℃·d，有效积温1 851.78 ℃·d与当地多年平均气象资料基本相符。

2.2 土壤含水率和积温状况

图2是1 m土层储水量的变化情况。从0～100 cm土层含水量来看，同水分处理下地膜覆盖小区土壤含水量前期较高于不覆膜小区，后期2者差异不大。产生这种现象的原因是，在春小麦生育期的前期，此时作物覆盖度较低，田间蒸散发量主要以地面蒸发为主，覆膜可以有效减少蒸发，覆膜的1 m土层储水量大于不覆膜；后期随着气温升高，作物覆盖度的增加，作物蒸腾占主导地位，此时覆膜与不覆膜土壤含水率逐渐接近，甚至可能导致覆膜情况下作物蒸腾量增加，耗水量也随之增加，最终造成覆膜储水量更低的情况。

图2 春小麦覆膜与不覆膜处理土壤含水率变化

由于土壤温度数采仪器数量的限制，试验过程中只对W1N、W1Y、W5N和W5Y 4种不同条件进行监测。每台土壤温度数采仪器分别测量10、40、120 cm深度土层的温度。图3(a)

图3 不同深度覆膜与不覆膜处理逐日累计积温差

～(c)分别反映了春小麦生育期内不同土层深度处覆膜相对于不覆膜的地温积累情况。结果表明，地膜覆盖有相当好的保温效果。每层土壤在覆盖地膜的情况下均获得了更大的积温，随着土层深度增加，积温效果有所减弱，因为土层越深，受地膜影响越小。总体而言W1比W5积温效果好，因为灌水越充分，土壤含水越高，水的比热容高，能携带更多的热量。120 cm处，W5获得积温更多，说明在这一深度少灌水温度损失少，覆膜后温度积累的更多。

2.3 春小麦生育期

由表1可知，覆盖地膜使小麦各个物候期提前，苗期平均提升3 d，分蘖期、拔节期平均提高2 d，其他各生育期也都有明显提前。对于生育期较短(平均约为100 d)的春小麦而言，提前作用达到了比较显著的水平。总体表明小麦温度积累或后期水分胁迫会造成生育期提前，Masle J等人的研究也表明温度和干旱会使生育期提前[8]。然而由于水分过度亏缺造成的生育期提前，可能不会对产量产生积极的影响。袁静[9]的研究也证实了这一点

表1 不同处理下小麦物候期统计

2.4 产量及产量构成

表2、图4为春小麦产量及水分生产率。覆膜造成小麦生长受到限制，影响小麦分蘖，同时苗期放苗不能完全保证膜下麦苗出膜，也会导致后期亩穗数减少，所以覆膜小麦亩穗数均小于不覆膜小麦。然而由于地膜覆盖的保水保墒效果，覆膜小区的穗粒数普遍高于不覆膜小区。数据显示，覆膜对于春小麦增产有促进效果，W1和W5增产效果最显著，主要因为这2个水分处理下覆膜与不覆膜的单位面积穗数差异较小，但覆膜处理穗粒数增加较明显，同时说明W5处理条件下，由于地膜的保水作用，使得50%灌水量基本可以保证作物利用。W2、W4水分覆膜处理增产较少，无显著差异，虽然千粒重和单位面积穗数较不覆膜有所降低，但穗粒数的微弱增加仍然使得最终产量小幅提高，也说明了穗粒数是影响春小麦产量形成的主要因素。从产量构成来看，覆膜处理下春小麦千粒重减少，但千粒重减少幅度有限，单位面积穗数减少也在很小的范围内，而除W2外其他水分处理下覆膜比不覆膜穗粒数增加较多。

对比相同覆膜条件下的水分处理，发现不覆膜情况下，随灌水量减少(W1N、W3N、W5N)。W2N、W4N由于灌浆期减少一次灌水，其千粒重分别小于W1N和W3N，其中W3N和W4N的千粒重差距更大。在覆膜条件下，随灌水量减少，千粒重、实际产量也随之减少，W5Y千粒重减少尤其明显，穗粒数受地膜的影响，在不同水分处理下差异并不大(W2Y除外)。无论覆膜与否，单位面积穗数大体随水分减少而减少，少数数据存在异常是由于播种、实验踩踏等人为因素的影响，这是大田实验无法避免的客观条件。总体来说，随着灌水量增加，覆膜与不覆膜春小麦的实际产量均有所增加，水分生产率有所下降。覆膜处理在相同灌水量情况下实际产量和水分生产率均高于不覆膜处理，且在灌水量偏大和偏小时，提高更为显著。

表2 各处理产量及水分生产率

图4 不同灌水处理和覆膜下的产量和水分生产率

3 结 语

研究表明地膜增温效应主要在春小麦冠层最大覆盖前(开花期前)，苗期至抽穗期效果最为显著。地膜覆盖的增温作用使得覆膜处理根系层土壤温度相对不覆膜处 理有明显升高，因此在春小麦苗期至分蘖期大气积温相对较低的西北地区，地膜覆盖可促进春小麦的生长发育。然而在开花期后，气温逐步回升，这时地膜的积温效果不如前期明显。同时覆膜有效提高了土壤含水率，保证了作物生长所必须的水分条件。通过试验可以看出，地膜覆盖在节水保产方面的巨大优势，在覆膜条件下，适当减少灌水量有助于提高水分利用率。然而现阶段对覆膜条件下的春小麦研究还不够充分，后续可以进一步进行地膜覆盖下灌溉制度优化的研究，或者对地膜覆盖下SPAC水热运移机理进行研究。

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