不同覆膜栽培方式对旱作春小麦土壤温度和籽粒产量的影响

刘宏胜，崔红艳，吴 兵，高玉红，李 映，牛俊义，武江燕，南炳江

(1.会宁县WFP/IFAD农村综合发展项目办公室，甘肃会宁 730799； 2.甘肃省会宁县农业技术推广中心，甘肃会宁 730799；3.兰州大学生命科学学院干旱农业生态研究所，甘肃兰州 730000； 4.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃兰州 730070； 5.甘肃农业大学农学院，甘肃兰州 730070； 6.甘肃省会宁县气象局，甘肃会宁 730799)

小麦是黄土高原半干旱区保障口粮的主要作物。由于该区域降雨稀少、蒸发强、雨水季节分布不均，加之自然降水和小麦需水规律不相吻合、春季低温、伏旱高温等因素的影响，小麦产量总体水平长期低而不稳，一般单产1 500 kg·hm-2左右[1-3]。因此，如何采取有效的耕作技术和蓄水保墒措施，增加降雨的入渗、保蓄和利用，提高土壤蓄水量[4]，对黄土高原半干旱区作物生产资源高效利用和农业可持续发展具有十分重要的意义。

地膜覆盖是西北旱作农业的主要技术，而全膜覆土穴播技术是旱作农业的一项重大突破技术，是旱地小麦栽培的又一场革命[5]。该技术可以改善耕层的土壤水热状况，抑制地面的无效蒸发，大幅度提高农田降水利用效率，缓解干旱和春季地温对小麦生长的不利影响，增产幅度达到30%以上[6-8]。保墒和增温效应通常被认为是旱作区地膜覆盖能大幅度增产的主要原因[9]。地膜覆盖增温效应的本质是由于近地表空气相对稳定且传导性低，地膜易于捕获太阳辐射，使土壤表层升温，并在膜下形成“温室效应”[10-11]。与露地栽培相比，地膜覆盖具有作物生长前期低温季节增温、后期高温季节降温的双重效应，而且可以平缓地温在季节间和昼夜间的剧烈变化[6,12-13]。研究表明，不同的覆盖方式[14]、覆盖材料[15]、覆盖时期[16]、作物种类、生长季节等对土壤温度的影响存在较大的差异[9]。山西旱地冬小麦在全地面覆膜平作穴播下全生育期15 cm处的地温较膜侧条播处理增加了0.98 ℃，积温升高了233 ℃[17]。Ram等[18]指出，麦秆覆盖总体表现出降温效应，其中播种层的地温较未覆盖处理降低了2.7～3.1 ℃，但最终仍获得了高产。地膜覆盖虽能普遍促进作物增产，但覆膜增温有时会引起小麦生长发育后期出现早衰的现象，粒重也有明显下降[19]。陈恒洪等[9]研究发现，春季覆膜和秋季覆膜下旱地春小麦的土壤温度没有明显的差异，膜上覆土与不覆土两种方式间有较大差异，覆土处理的全生育期0～25 cm平均地温低于不覆土处理1.57 ℃，但小麦产量却增加了24.4%。在水温条件差、大陆性气候强烈、气候生态条件特殊的黄土高原半干旱雨养农业区，旱地春小麦是少数可适宜种植的作物之一[12,20]。然而，前人在西北旱作小麦覆盖温度效应方面的研究较少，而更多关注的焦点是覆盖的保墒效应[12]。本研究以传统无覆盖的露地种植为对照，比较了3种旱地小麦覆膜栽植方式对土壤温度和籽粒产量的影响，以期明确最优的覆盖栽培模式，为旱地春小麦高产高效栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2015年3-8月在甘肃省会宁县会师镇南嘴村的旱川地(35°38′E，105°02′N)进行。试验区地处陇中黄土高原丘陵沟壑区，海拔高度1 772.3 m，年均气温8.3 ℃，无霜期155 d，≥10 ℃的有效活动积温2 664 ℃左右，年降雨量356.7 mm。试验地前茬为小麦，地力均匀，肥力中等。前茬作物收后及时浅耕晒垡，秋季结合深翻打磨收口施有机肥(颗粒鸡粪)900 kg·hm-2、过磷酸钙600 kg·hm-2和尿素300 kg·hm-2。试验地土壤属黄绵土，0～20 cm土壤，有机质含量为0.99%，全氮含量为0.07%，全磷含量为0.07%，全钾含量为2.15%，速效氮含量为32.10 mg·kg-1，速效磷含量为9.72 mg·kg-1，速效钾含量为165.80 mg·kg-1，pH值8.47。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，设置4个处理：全膜平作覆土穴播(film mulching on flat and hole-sowing with field soil，记为FFs)，选用宽幅120 cm的地膜全地面平铺覆盖，并在铺好的地膜上面均匀撒厚度约1 cm的细绵土；全膜垄沟覆土穴播(film mulching on ridge and hole-sowing with field soil，记为FRs)，按垄宽16 cm，垄高5 cm，人工用手锄开沟起垄，全地面覆盖地膜，并在垄沟内均匀撒约1 cm厚的细绵土，垄沟内每间隔1 m打一个直径约5 mm的渗水孔，垄沟内穴播一行小麦即可；全膜平作无土穴播(film mulching on flat and hole-sowing without field soil，记为FFn)，将地膜全地面平铺覆盖，地膜铺好后每隔2 m在与地膜走向的垂直方向打一个土腰带，防止大风吹起地膜；露地穴播(flat planting without film mulching，记为CK)，不覆膜，平作穴播。

所有处理均为人工覆膜、播种，设3次重复，小区面积16.15 m2(5.00 m×3.23 m)，走道宽0.5 m，试验地四周设置保护行。供试品种为甘春25号，2015年3月22日播种，播量为270万粒·hm-2，每小区播20行，行距16 cm，穴距12 cm，每穴播8粒。生育期间其他管理同当地大田，收获期为2015年7月17日。

1.3 项目测定与方法

1.3.1 土壤温度测定

在春小麦主要生育时期(苗期、分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、扬花期、灌浆期、成熟期)，各小区分别测定5、10、15、20和25 cm土层的土壤温度。地温计插入各小区中间的小麦行间，全生育期均在固定的地方读取地温数据。在干燥晴天测定地温，各生育时期测定分别在8:00、12:00、14:00和18:00，日均温取平均值。

1.3.2 小麦籽粒产量及其构成因子的测定

在小麦收获期每个小区随机取20株进行室内考种，测定株高、穗数、穗长、每穗小穗数、穗粒数和千粒重。小区单打单收，晒干后测定实际产量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0软件处理和分析数据，用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 春小麦主要生育时期不同土层温度的时空差异

在春小麦各生育时期，不同处理的0～25 cm土层温度存在较大的差异(图1)。总体上，不同覆膜栽培处理间的差异在分蘖期最大，苗期次之，两个时期变异系数分别为3.64%和3.07%。从不同土层看，不同个处理间地温差异以20 cm土层最大，5 cm土层最小，两个土层的变异系数分别为1.64%和1.41%。各处理的土壤日均温均随着春小麦生育进程的推进而逐渐升高，随着土层的加深而不断降低。与露地穴播(CK)相比，覆膜处理在春小麦苗期至抽穗期均表现出明显的增温效应，而在扬花期和灌浆期有一定降温效应。就各个处理的增温幅度而言，全膜平作覆土穴播(FFs)处理在春小麦孕穗期0～25 cm土层增温幅度最大，地温平均增加了1.03 ℃，而全膜垄沟覆土穴播(FRs)处理在分蘖期增温幅度最大，高达1.33 ℃；在拔节期，全膜平作无土穴播(FFn)处理的增温效应较明显，比CK增加了1.16 ℃。在春小麦扬花期和灌浆期，3种覆膜栽培处理的0～25 cm土层平均温度分别比CK低 0.25和0.43 ℃。由此可见，在春小麦不同生育时期，覆膜处理在不同程度上较CK有增温和降温的双重效应。

a:苗期;b:分蘖期;c:拔节期;d:孕穗期;e:抽穗期;f:扬花期;g:灌浆期;h:成熟期;FFs:全膜平作覆土穴播;FRs:全膜垄沟覆土穴播;FFn:全膜平作无土穴播;CK:露地穴播。图2同。

a:Seedling stage;b:Tillerinng stage;c:Jointing stage;d:Booting stage;e:Heading stage;f:Flowering stage;g:Filling stage;h:Mature stage.FFs:Film mulching on flat and hole-sowing with field soil;FRs:Film mulching on ridge and hole-sowing with field soil;FFn:Film mulching on flat and hole-sowing without field soil;CK:Flat planting without film mulching.The same in figure 2.

图1春小麦不同生育时期各处理0～25cm土层温度的时空变化

Fig.1Temporalandspatialchangesoftemperaturein0-25cmsoillayersunderdifferenttreatmentsatdifferentgrowthstages

2.2 春小麦全生育期0～25 cm土层平均温度的动态差异

从春小麦各个生育时期0～25 cm土层平均温度(图2A)看，不同生育时期覆膜栽培处理与露地穴播处理(CK)的差值表现为孕穗期(0.93 ℃)>拔节期(0.92 ℃)>分蘖期(0.82 ℃)>成熟期(0.69 ℃)>苗期(0.46 ℃)>抽穗期(0.31 ℃)>灌浆期(-0.25 ℃)>扬花期(-0.43 ℃)。由图2B可知，全膜平作覆土穴播(FFs)、全膜垄沟覆土穴播(FRs)和全膜平作无土穴播(FFn)处理在春小麦全生育期0～25 cm土层平均温度分别为18.19、18.56和18.40 ℃，较CK分别增加了0.12%、2.16%和1.28%，而且FRs、FFn处理与CK之间差异均达到了显著水平(P<0.05)。春小麦全生育期在0～25 cm土层温度的变异系数表现为CK(20.50%)>FFn(20.33%)> FFs(18.49%)> FRs(18.24%)，覆膜处理的土壤温度在春小麦生育期间的波动明显低于CK，而且FRs处理的变异系数最低，对土壤温度的变化具有较强的平抑作用。

图柱上不同小写字母表示处理间在0.05水平上差异显著。

Different small letters above columns indicate significant difference among treatments at 0.05 level.

图2春小麦不同生育时期(A)和全生育期(B)各处理0～25cm土层平均温度

Fig.2Meantemperatureofdifferenttreatmentsin0-25cmsoillayeratdifferentgrowthstages(A)andduringthewholegrowthperiod(B)ofspringwheat

2.3 春小麦全生育期土壤温度的垂直变化

由图3可以看出，各处理小麦全生育期0～25 cm土层平均温度均表现为随着土层的加深而递减，与5 cm地温相比，全膜平作覆土穴播(FFs)、全膜垄沟覆土穴播(FRs)和全膜平作无土穴播(FFn)处理及CK的25 cm地温分别降低了5.48、5.60、5.40和5.38 ℃。各个覆膜处理10 cm地温的降幅最大，达到2.05～2.40 ℃；25 cm地温降幅最小，较20 cm地温平均降低了0.63 ℃。与CK相比，3个覆膜处理的5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm平均地温分别增加了0.45、0.40、0.38、0.37和0.34 ℃。其中，FFs和FRs处理对5 cm地温的增加效应比较明显，增幅达0.41和0.70 ℃；而FFn处理的15 cm地温增加幅度最大，为0.45 ℃。

2.4 春小麦全生育期不同土层温度的日变化差异

从小麦全生育期不同土层温度日变化趋势(图4)看，地温在8:00均随着土壤深度的增加而不断增加，在12:00、14:00和18:00则随土层的加深而逐渐递减。与CK相比，3种覆膜栽培方式在8:00、12:00和18:00都具有增温效应，而且增温效应以18:00最大，地温平均比CK增加了1.24 ℃。但在14:00，与CK相比，春小麦全生育期FFs处理的地温降低了0.65 ℃，而FRs和FFn处理分别增加0.55和0.22 ℃。不同处理间的变异系数在8:00、12:00、14:00和18:00分别为7.31%、17.26%、17.01%、13.38%，即土壤温度的日变化在处理间的差异以12:00最大，14:00次之，8:00最小。不同土层间温度的变异系数表现为5 cm(25.95%)>10 cm(21.53%)>15 cm(17.03%)>20 cm(10.64%)>25 cm(8.04%)，上层土壤温度的变化大于下层土壤。

图3 春小麦全生育期各土层平均温度

图4 春小麦全生育期不同土层温度平均日变化

2.5 不同覆膜栽培方式对春小麦产量及其构成因素的影响

与CK处理相比，覆膜栽培下春小麦产量显著增加(表1)。其中，FRs处理的产量最高，增产幅度达21.92%，而FFs、FFn处理分别增产了21.08%和9.64%。FFs、FRs和FFn处理的春小麦株高分别比CK高10.64%、6.72%、8.60%，而且差异均达到显著水平(P<0.05)。不同处理中，FRs处理的穗数最多，FFn处理次之，二者较CK分别增加了6.60%和5.98%，但FRs与FFn处理之间差异不显著(P>0.05)。春小麦穗长以FRs处理最大，FFs处理次之，分别比CK处理增加9.94%和7.02%，而FFn处理的穗长最短，较CK处理减少了6.43%。3处理中，FRs处理的每穗小穗数最多，而FFn处理最少，分别比CK增加5.88%和5.20%，但FFn与FFs处理间差异未达到显著水平。春小麦穗粒数表现为FFs>FRs>FFn>CK，三个覆膜处理分别较CK增加15.53%、12.33%和3.00%，其中FFs、FRs处理与CK差异显著。不同处理间春小麦的千粒重无显著差异。这说明覆膜栽培对春小麦增产效应主要归因于穗数和穗粒数的增加。

表1不同覆膜栽培方式对春小麦产量及其构成因素的影响

Table1Effectofdifferentfilm-mulchingplantingpatternsongrainyieldanditscomponentsofspringwheat

处理Treatment籽粒产量Grainyield/(kg·hm-2)株高Plantheight/cm穗数Earnumber/(×104·hm-2)穗长Earlength/cm每穗小穗数Spikeletnumberperspike穗粒数Grainnumberperspike千粒重1000⁃grainweight/gFFs3888．56ab106．51a228．38b7．32b14．31b33．74a50．38aFRs3915．40a102．74b233．94a7．52a14．40a32．80ab51．23aFFn3521．17c104．55ab232．58a7．28b14．28b30．08bc50．68aCK3211．57d96．27c219．45c6．84c13．60c29．20c50．33aCV/%9．204．332．863．962．606．870．82

3 讨 论

土壤温度是作物生长的重要环境因子之一，甘肃省陇中地区季节性低温对作物出苗和保苗造成了极大的影响。研究表明，地膜覆盖可明显降低作物棵间蒸发，从而改善土壤水热状况，对干旱和春季低温有很好的缓解作用，有利于作物的正常生长发育，提高产量和降水利用效率[21-22]。本试验条件下，不同覆膜处理下春小麦各生育时期和0～25 cm土层的温度存在较大的差异。与露地穴播(CK)处理相比，全膜平作覆土穴播(FFs)和全膜垄沟覆土穴播(FRs)处理分别在春小麦孕穗期、分蘖期的土壤温度增幅最大，平均增温1.03和1.33 ℃；而在抽穗期，全膜平作无土穴播(FFn)处理0～25 cm土层的温度增加明显，较CK增加了1.16 ℃。此外，在春小麦扬花期和灌浆期，3种覆膜栽培处理的0～25 cm土层平均温度较CK处理分别降低了0.25 和0.43 ℃。从整个生育期看，不同覆膜处理0～25 cm土层温度的变异系数(18.24%～20.33%)均低于CK(20.50%)。这说明覆膜处理可以减轻土壤温度的波动。可见，在不同春小麦生育时期，覆膜处理在不同程度上有增温和降温的双重效应[15]，这与在玉米[23]、冬小麦[24]等作物上的研究结论相似，而且FRs处理对土壤温度的变化具有较强的平抑作用。

小麦苗期土壤温度对根系和叶片的生长发育影响较大[25]，随着土壤温度的升高，植株的干物质积累量也逐渐增加，这为小麦的增产奠定了良好的基础。李世清等[26]认为，地膜覆盖有利于增加农田0～5 cm土层的温度。在本研究中，3种覆膜栽培方式下春小麦全生育期各个土层均呈现增温效应，以5 cm处增幅最大，平均为0.45 ℃。其中，FRs处理在5 cm处的增温效应最明显，增幅达0.70 ℃，高于其他处理19.27%～43.13%。尤其重要的是覆膜处理在18:00能明显地提高0～25 cm土层的温度，比CK平均增加了1.24 ℃。但在14:00，FFs处理的土壤温度分别低于其他处理0.65～1.21 ℃，这一效果在灌浆期更加明显，FFs处理的地温比CK降低了0.89 ℃，这可能是由于春小麦灌浆期气温较高，FFs处理地膜表面的一层土可以削弱太阳光的直射，缓解了伏期高温胁迫对小麦生长的危害[23]。

研究表明，干旱胁迫对西北黄土高原半干旱区春小麦的生产造成了严重的影响，小麦产量长期处于低而不稳甚至绝收的境况[2,27]。地膜覆盖可以有效调控土壤水分时空再分配，促进土壤-作物水分的良性循环[28]，满足生育期间的水分需求，从而使小麦株高、穗长、穗数和穗粒数均增加，最终实现小麦生产高产高效[8,29]。Du等[30]研究发现，相比露地栽培而言，覆膜栽培能使春小麦产量和地上部分生物量分别增加38.5%和44.0%。Ren等[31]和朱国庆等[32]指出，与平作无覆盖相比，垄沟集雨种植的耕层(0～5 cm)土壤温度增加了1.0～1.2 ℃，春小麦籽粒产量提高了17.6%～72.8%，水分利用效率提高3.05 kg·hm-2·mm-1。本研究中，地膜覆盖可使春小麦显著增产，且FFs、FRs和FFn处理的增产率分别为21.08%、21.92%和9.64%。可见，FRs处理更能促进旱作春小麦实现增产。

在本试验条件下，地膜覆盖在春小麦生长初期有明显的增温效果，0～25 cm土层的平均温度可比露地提高0.31～0.93 ℃，而在春小麦扬花至灌浆期可降低土壤温度0.25～0.43 ℃。与露地穴播处理相比，覆膜栽培可使春小麦显著增产9.64%～21.92%，其中全膜垄沟覆土穴播处理的增产效果更佳。有研究指出，农业生产区气温每降低1 ℃，作物的生育期将会减少7 d，气温上升或下降1 ℃，粮食产量均具有增产或减产10%的潜力[33]。由此可知，在黄土高原干旱半干旱区，地膜覆盖可以提高春小麦生育前期的土壤温度，有利于加快小麦营养生长期的生育进程；而且还可以缓解伏期高温对小麦生长的胁迫，减缓植株衰老，延长灌浆时间，从而为春小麦籽粒产量的形成奠定基础。

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