覆盖模式对不同类型旱地冬小麦土壤水温特征、籽粒品质和产量的影响

张礼军，鲁清林，汪恒兴，张文涛， 周 刚，白玉龙，张耀辉

(1.甘肃省农业科学院 小麦研究所，兰州 730070；2. 天水市农业学校，甘肃清水 741400； 3. 天水市农业科学研究所，甘肃天水 741001)

小麦(TriticumaestivumL.)是中国第三大粮食作物。甘肃冬小麦常年种植面积67 万hm2，90%分布在黄土高原旱地，该区域山、川、塬交错分布，降水少且分布不均，小麦生产最主要的制约因素是季节性水分亏缺[1]。近年来，以覆盖(秸秆和地膜)为主的保护性耕作技术有效改变土壤水热环境，大幅度提高小麦籽粒产量，在西北旱地冬小麦种植区得到有效推广[2-3]。覆盖主要包括地膜覆盖和秸秆覆盖。大量的研究表明，一方面地膜覆盖抑蒸保墒，增加冬季积温，改变作物用水结构，提高越冬成活率和水分利用效率，可使旱作区小麦增产30%以上；另一方面因残膜难于回收和碳排放增加，地膜覆盖也造成了严重的白色污染和土壤退化[4-10]。秸秆覆盖是一种更为绿色、可持续的覆盖模式。在中国西北地区，秸秆覆盖表现出“高温时降温、低温时增温”的效应，能缓冲土壤温度的变化，为作物生长创造良好环境[11]。但在气候寒冷的北方，秸秆覆盖的降温效应会造成小麦生育期内积温不足，导致前期出苗差，后期贪青晚熟，以致减产[12]。比较而言，秸秆带状覆盖技术是一种利用玉米整秸秆进行局部覆盖的新型旱地覆盖技术，其增产幅度接近地膜覆盖，在西北旱地农业区推广更具优越性[13]。但秸秆带状覆盖的应用尚处于探索阶段，大多数研究多集中在降水量400 mm左右的黄土高原半干旱易旱区，而对其他区域的适应性及其水温调节机制研究较少。

21世纪以来，中国小麦总产实现了“十四”连增，单产也从2001年的3 806 kg·hm-2提高到2017年5 481 kg·hm-2，大大高于国际同期平均的3 531 kg·hm-2[14]。然而，中国小麦品质不能满足市场加工要求，结构性短缺问题依然严重，品质改良是当前小麦生产实现转型的关键。尽管干旱频发，但是甘肃冬小麦种植区光热资源充足，土壤污染相对较轻，在优质小麦生产方面有巨大潜力。因此，如何通过品种改良和技术创新来调优小麦品质，已成为西北旱农区当前亟待解决的关键问题。小麦品质受基因型、环境和种植实践等多种因素影响[15-18]。研究表明，沉降值、面筋指数、面团流变学特性等品质指标主要受基因型影响，而蛋白质质量分数、千粒质量、降落数值等对种植实践和环境变化较为敏感[17,19]。覆盖(秸秆、塑料膜等)对农田生态环境中水、肥、气、热的改善已经被大量研究所证实[4-6]，但对小麦籽粒品质的影响报道相对较少，仅有的结论也因地域环境、土壤质地、土壤肥力等条件的不同而发生变化[20-21]。为此，本试验选择不同的覆盖模式和品种，在典型的甘肃旱地雨养农业区设计大田试验，系统研究覆盖模式对不同类型品种旱地麦田水温特征、籽粒品质和产量的影响，为甘肃乃至西北旱地雨养农业区小麦优质稳产栽培提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

在甘肃省清水县温沟村的旱塬地进行试验，该区地理坐标34°73′ N、106°20′E，海拔1 438 m，为典型的西北黄土高原半干旱雨养农业区。过去22 a平均降水为547.38 mm (1994-2015)，其中54%的降水发生在7-9月。土壤类型为黄绵土，耕层土壤有机质质量分数1.224%，可溶性氮为0.089 g·kg-1，有效磷12.20 mg·kg-1，速效钾122.54 mg·kg-1。

1.2 试验设计

采用双因素裂区设计试验。主区为种植模式，分别为常规耕作(露地翻耕不覆盖，CT)、全膜覆土穴播(PM)和玉米秸秆带状覆盖(SM)。CT为西北旱地冬小麦种植的常规模式(即对照模式)：小麦收获时留茬10～15 cm，其余秸秆随籽粒带走，7月中旬用铧式犁深耕20 cm， 10月上旬耙耱后播种，平作，条播，行距20 cm，播量600万株·hm-2。PM为全膜覆土穴播，其技术要点是在前茬小麦收获后，秸秆带走并进行翻耕，种植前覆盖地膜，并在膜上覆盖1 cm厚度的干土，穴播，行距20 cm，穴距12 cm，每穴10～12粒，播量约450万株·hm-2；该模式因其增产潜力高，并且克服了其他地膜覆盖的缺点，近年来在甘肃省旱地冬麦区得到大面积推广。SM为玉米秸秆带状覆盖，分秸秆覆盖带和种植带，两带共60 cm，相间排列。秸秆覆盖带采用玉米整秆覆盖，覆盖 9 000 kg·hm-2，覆盖时秸秆覆盖带与播种带的两个边行各留2～5 cm左右间距，以防止秸秆压苗。每个播种带平作穴播3行小麦，总宽度约27 cm，相应预留覆盖带宽度约33 cm，穴距12 cm，每穴12粒，播量约500万株·hm-2。副区为小麦品种，分别为‘中麦175’(ZM175)、‘兰天26号’(LT26)和‘天选50号’(TX50)。‘中麦175’早熟，半矮杆，抗旱、稳产，适合在地膜上种植，中弱筋；‘兰天26号’中早熟，中秆，大穗，丰产、稳产、适应性好，中筋；‘天选50号’熟性较晚，高杆，大穗，强筋。试验3次重复，小区面积40 m2，试验地前茬为小麦，每处理施入等量的N 150 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2。在翻耕前全做基肥一次性施入。其他管理均参考当地栽培实践。试验于2016-10-11播种，2017-07-01收获，地膜覆盖较露地推迟1周播种。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 水分和温度 土壤水分的测定采用烘干法，于拔节、灌浆、收获3个时期分0～10 cm、 10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm、100～120 cm、120～140 cm、140～160 cm、160～200 cm 10层用土钻取土样测定。土壤含水量=(土壤鲜质量-土壤干质量)/土壤干质量×100%。土壤温度测定采用地温计。拔节前将地温计埋入各小区中间小麦行，于拔节、灌浆、收获3个时期按照5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm 5个层次在固定的地方读取地温。测定日选择干燥晴天，从8:00开始到18:00， 每2 h读数1次，日均温取6次的算术平均值。

1.3.2 产量和品质 收获时从小区中部抽取20株，考种，计算穗粒数。同时，通过测量100 cm×60 cm样方中穗数来确定单位面积有效成穗。小麦收获后，各小区实收统计籽粒产量，在籽粒风干存放1个月后，每小区取样3 kg进行品质分析。籽粒收获后，用常规计数法计算千粒质量。品质测定由新疆农垦科学院作物研究所谷物品质与遗传改良兵团重点实验室委托完成。籽粒蛋白质质量分数的测定参照AACC 39-11方法[22]，采用丹麦FOSS公司1241型近红外谷物成分分析仪检测；粉质参数的测定参照GB/T14614-2006方法[23]，采用德国BRABENDER公司810110电子型粉质仪检测；拉伸参数的测定参照GB/T14615-2006方法[24]，采用德国BRABENDER公司860033.002电子型拉伸仪检测；淀粉糊化粘度的测定参照AACC 76-21方法[22]，采用澳大利亚NEWPORT SCIENTIFIC公司RVA- TecMaster快速粘度测试仪检测；干、湿面筋质量分数以及面筋指数的测定参照GB/T14608-1993方法[25]，采用瑞典PERTEN公司2200型面筋数量/质量测定系统检测；沉降值的测定参照AACC 56-61A方法[22]，采用中国农业大学BAU-I型沉淀值测定仪检测；降落数值的测定参照GB/T10361-2008方法[26]，采用瑞典PERTEN公司生产的1500真菌型降落数值仪检测。

1.4 数据处理

采用二因素裂区设计方法对数据进行统计分析。用SPSS Statistics 22.0进行方差分析，用Excel 2016作图，用LSD法进行处理间多重比较(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 覆盖模式对不同类型品种籽粒产量及其构成要素的影响

由表1可知，全膜覆土穴播(PM)显著提高了旱地冬小麦籽粒产量，比常规耕作(CT)平均增产9.36%(P<0.05)。玉米秸秆带状覆盖(SM)籽粒产量略高于CT，但差异不显著(P≥0.05)。PM处理对籽粒产量的影响因品种类型的不同而存在差异，在PM处理条件下‘兰天26号’‘中麦175’‘天选50号’产量分别为7 023.2、6 572.3、 5 147.3 kg·hm-2，比CT处理条件下相应的品种分别增产6.83%、12.90%、8.53%。显而易见，增幅最大的品种是ZM175，说明比较其他两个品种，ZM175在地膜上种植有更高的增产潜力。籽粒产量在品种间差异显著(P<0.05)，依次为LT26>ZM175>TX50。在所有处理中，PM+LT26处理组合产量最高，比最低的CT+TX50组合提高48.09%。覆盖模式对千粒质量、穗粒数、有效穗数均有显著影响(P<0.05)。

表1 不同覆盖模式条件下不同小麦品种籽粒产量及其构成要素Table 1 Grain yield and yield-related traits of winter wheat under different mulch methods

注：同列数据后不同小写字母表示各处理差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Values marked with different letters in the column were significantly different (P<0.05)，the same below.

PM显著提高了穗粒数，相反降低了有效穗数和千粒质量。比较CT，PM穗粒数提高22.45%，有效穗数和千粒质量分别降低11.92%和 4.07%。千粒质量、穗粒数、有效穗数在品种间差异显著(P<0.05)。ZM175有效穗数最高，穗粒数最低；LT26千粒质量最高，穗粒数和有效穗数较高；TX50穗粒数最高，有效穗数和千粒质量 最低。

2.2 覆盖模式对不同类型品种旱地麦田水温特征的影响

从表2可以看出，覆盖(PM和SM)显著降低了灌浆期0～25 cm土壤温度(P<0.05)。PM、SM处理灌浆期土壤温度分别为17.6 ℃和 17.4 ℃，比CT低1.3 ℃和1.5 ℃。0～25 cm土壤温度在品种间差异显著(P<0.05)。比较ZM175，TX50显著降低了各个时期土壤温度，拔节期、灌浆期、收获期分别降低1.5 ℃、2.5 ℃、 1.8 ℃，降幅最大的时期是灌浆期。覆盖对土壤温度的影响因土层深度的不同而不同，覆盖降低了10 cm、15 cm、20 cm各土层土壤温度，而对 5 cm和25 cm土层影响不显著。SM处理10 cm、15 cm、20 cm土层土壤温度分别为18.8 ℃、15.2 ℃、14.7 ℃，比相应的CT处理分别降低 1.9 ℃、0.9 ℃、 1.2 ℃；PM处理10 cm和20 cm土层土壤温度分别为17.6 ℃和15.7 ℃，比CT处理降低3.1 ℃和0.2 ℃，降幅最大的是10 cm土层。

表2 不同生育时期和土层温度差异Table 2 Temporal and spatial difference of soil temperature ℃

注：BS.拔节期；FS.灌浆期；HS.收获期。下同。

Note: BS.Booting stage; FS.Filling stage; HS.Harvesting stage. The same below.

由表3可知，覆盖(PM和SM)显著增加了 0～200 cm土壤含水量(P<0.05)。PM处理拔节期和成熟期土壤含水量为12.64%和11.96%，比CT分别提高4.20%和3.28%；SM处理拔节期、灌浆期、成熟期土壤含水量分别为12.88%、 10.07%、12.06%，比CT高6.18%、12.77%、 4.15%。就不同土层而言，覆盖(PM和SM)提高0～120 cm土壤含水量，而对120～200 cm土壤含水量影响不显著。PM和SM处理0～120 cm土壤含水量分别为11.12%和11.60%，比CT高5.20%和9.75%。品种对土壤含水量的影响因种植模式、生育时期的不同而存在差异。对常规耕作处理(CT)，TX50和ZM175拔节期土壤含水量显著低于LT26，灌浆期LT26显著高于TX50，成熟期土壤水分在品种间无显著差异。对于覆盖处理(PM和SM)，所有生育时期土壤含水量在品种间均无显著差异(P≥0.05)。

表3 不同生育时期和土层水分差异Table 3 Temporal and spatial difference of soil water content %

2.3 覆盖模式对不同类型品种籽粒品质的影响

2.3.1 蛋白质质量分数、沉淀值、降落数值和面筋特性 覆盖模式(PM和SM)对籽粒蛋白质质量分数、降落数值、湿面筋质量分数均有显著影响(P<0.05，图1)，而对沉淀值、干面筋质量分数、面筋指数影响不显著(P≥0.05)。PM显著增加了面粉的降落数值，SM显著降低了籽粒蛋白质质量分数和湿面筋质量分数。比较CT，PM降落数值增加4.13%，SM籽粒蛋白质和湿面筋分别降低2.52%和6.07%。蛋白质质量分数、降落数值、沉淀值、湿面筋质量分数、面筋指数在品种间差异显著。在3种种植模式下，籽粒蛋白质质量分数和沉淀值均表现为TX50>LT26>ZM175，蛋白质最高的TX50比最低的ZM175高 12.42%，沉淀值高100.00%。降落数值LT26>TX50>ZM175，LT26和TX50显著高于ZM175。湿面筋质量分数LT26>ZM175>TX50，LT26显著高于ZM175和TX50。面筋指数TX50>ZM175>LT26，TX50显著高于ZM175和LT26，其中TX50面筋指数为88.5%，比LT26和ZM175分别高65.61%和68.76%。

2.3.2 淀粉糊化特性 覆盖模式对峰值粘度、低谷粘度、最终粘度有显著影响(P<0.05)，而对稀懈值、反弹值、峰值时间效应不显著(P≥0.05，图2)。比较CT，SM处理显著提高了淀粉的糊化粘度，其中峰值粘度、低谷粘度、最终粘度分别提高1.93%、3.86%、2.46%。PM淀粉糊化粘度与CT无显著差异。峰值粘度、低谷粘度、最终粘度、稀懈值、反弹值、峰值时间均在品种间存在显著差异。峰值粘度、稀懈值、反弹值依次为ZM175>TX50>LT26，低谷粘度为LT26>ZM175>TX50，最终粘度为ZM175>LT26>TX50，峰值时间为LT26>TX50>ZM175。

2.3.3 流变学特性 由表4可知，覆盖模式(PM和SM)对旱地冬小麦面团稳定时间和粉质评价值有显著影响(P<0.05)，而对面团吸水率、形成时间、拉伸曲线面积、拉伸阻力、拉伸度、拉伸比例等指标无显著影响(P≥0.05)。PM面团稳定时间和粉质评价值显著高于SM，而与CT差异不显著。比较SM，PM面团稳定时间和粉质评价值分别提高16.13%和8.33%。面团吸水率、形成时间、稳定时间、粉质评价值、拉伸曲线面积、拉伸阻力、拉伸度、拉伸比值在品种间均存在极显著差异(P<0.01)。强筋型品种TX50所有流变学参数均显著高于LT26和ZM175，LT26面团形成时间、稳定时间、粉质评价值、延伸度显著高于ZM175，拉伸阻力显著低于ZM175，吸水率、拉伸曲线面积、拉伸比例与ZM175差异不显著。

同一种植模式下小写字母不同者表明品种间差异显著(P<0.05)。下同。

The different small letters marked above the histograms under the same tillage model represent the significant difference among the cultivars (P<0.05). The same below.

图1 不同覆盖模式条件下不同品种小麦籽粒蛋白质质量分数、沉降值、面筋和降落数值
Fig.1 Grain protein mass fraction,SDS sedimentation value,glutens and fallingnumber of various cultivars under different mulch methods

图2 不同覆盖模式下不同小麦品种淀粉糊化特性Fig.2 Starch viscosity of various cultivars under different mulch methods

处理Treatment吸水率/%Water absorption形成时间/minDevelopment time稳定时间/minStable time粉质评价值Farograph evaluation value拉伸曲线面积/cm2Extensograph area under curve拉伸阻力/BUExtensograph resistence延伸度/mmExtensibility拉伸比例Extensograph ratioCTZM17557.1 b1.9 c1.4 c25 d24 b108 b154 b0.7 bLT2662.7 a3.0 b2.2 b44 c22 b92 c158 b0.6 bTX5062.3 a5.1 a6.5 a82 a60 a175 a178 a1.0 aPMZM17557.1 b2.0 c1.4 c26 d22 b106 bc146 b0.7 bLT2662.0 a2.9 b2.2 b43 c22 b94 bc154 b0.6 bTX5063.1 a5.3 a7.1 a88 a62 a185 a178 a1.1 aSMZM17556.4 b2.0 c1.4 c26 d21 b104 bc140 c0.7 bLT2662.1 a2.8 b2.2 b43 c24 b94 bc159 b0.6 bTX5062.6 a4.9 a5.7 a74 b64 a177 a185 a1.0 a覆盖模式 Mulch methodCT60.7 a3.3 a3.4 ab50 ab35 a125 a164 a0.8 aPM60.8 a3.4 a3.6 a52 a36 a128 a159 a0.8 aSM60.4 a3.2 a3.1 b48 b36 a125 a161 a0.8 a品种 CultivarZM17556.9 b2.0 c1.4 c26 c23 b106 b147 c0.7 bLT2662.3 a2.9 b2.2 b43 b23 b93 c157 b0.6 bTX5062.7 a5.1 a6.4 a81 a62 a179 a181 a1.0 a

3 结论与讨论

本研究表明，全膜覆土穴播(PM)灌浆期0～25 cm土壤温度比常规耕作降低1.3 ℃，0～120 cm土壤含水量提高5.20%，籽粒产量增加 9.36%，产量增加的主要原因是穗粒数的显著增加，这些结论与Li等[27]和He等[9]的研究结果有相似之处。本研究也表明，玉米秸秆带状覆盖 0～25 cm土壤温度比常规耕作(CT)低1.5 ℃， 0～120 cm土壤含水量提高9.75%，籽粒产量略高于常规耕作，但无显著差异，原因是产量三要素无显著差异。王芳等[28]和李瑞等[29]在甘肃通渭进行的试验结果则表明，覆盖显著增加旱地冬小麦籽粒产量，秸秆带状覆盖增产的主要原因一是冬季的增温有利于小麦安全越冬，增加有效穗数；二是灌浆期的降温延长了灌浆持续的时间，更有利于籽粒增重。本试验所在地海拔1 438 mm，年平均气温8.9 ℃，年均降水量547.38 mm，而通渭试验点海拔1 590 m，平均温度6.6 ℃，年降水量390.7 mm，尽管均属黄土高原旱地雨养农业区，但气象因子存在显著差异，这可能是造成试验结果差异的主要原因。同时，生育期相对较高的降水量也为常规耕作条件下分蘖成穗和后期灌浆提供了水分保障，这也是本试验中全膜覆土穴播增产幅度大大低于其他研究的主要原因[5，8]。同样在地膜覆盖条件下， ‘中麦175’比‘兰天26号’和 ‘天选50号’有更高的增产幅度。本试验田间观察结果也显示，‘中麦175’比‘兰天26号’早熟3～5 d，比‘天选50号’早熟8～10 d，而且在地膜上种植无倒伏发生。相反，‘兰天26号’和 ‘天选50号’在灌浆后期均发生不同程度的倒伏，这是‘中麦175’在地膜上种植增产幅度更高的原因 之一。

蛋白质质量分数是衡量小麦籽粒加工品质的重要指标。已有的研究结果表明，覆盖对小麦籽粒蛋白质质量分数的影响主要是通过改变土壤水分、温度、营养(N、P)等环境因素来实现[30-32]。Grahamn等[33]和Li等[34]认为就单一因素来讲，干旱或高温胁迫在增加蛋白质的同时，增加了面筋强度，有利于加工品质的改善。充足的氮肥供应和合适的碳氮比有利于籽粒蛋白质的积累[28]。本研究结果表明，玉米秸秆带状覆盖籽粒蛋白质质量分数显著低于常规耕作。究其原因，一方面秸秆带状覆盖蓄水保墒，同时降低灌浆期土壤温度，有利于淀粉的累积，从而稀释了籽粒蛋白质质量分数[30]；另一方面秸秆腐熟会降低氮肥有效性，不利于蛋白质累积和氮肥利用效率的提高[32]。与玉米秸秆带状覆盖相比，尽管地膜覆盖有较强的蓄水保墒效应，但不存在秸秆还田带来的“争氮”问题，灌浆期蛋白质和淀粉同步累积，因此对其质量分数影响不大。

本研究也表明，玉米秸秆带状覆盖降低了湿面筋质量分数、面团稳定时间和粉质评价值，但提高淀粉的糊化粘度，有利于弱筋型品种加工品质的改善，同时可能改善面条的蒸煮特性。相反，全膜覆土穴播显著增加了面粉的降落数值、面团稳定时间、粉质评价值，一定程度上增强了面团的筋力，有利于强筋型品种加工品质的优化。前人研究也表明，小麦面团强度取决于醇溶蛋白、麦谷蛋白的分布和组成，醇溶蛋白决定面团的延伸性，麦谷蛋白决定弹性[35]。地膜覆盖提高蛋白质各组分中谷蛋白质量分数和谷醇比，从而改善加工品质[36]。另外，还发现除了蛋白质、降落数值、面团稳定时间、粉质评价值、淀粉糊化粘度等指标外，覆盖模式对面筋指数、沉降值、面团吸水率、形成时间以及所有的拉伸参数均无显著影响，相反几乎所有的品质指标在品种之间差异均达显著或极显著水平，这一结论与Li等[34]的研究结果相似，这也说明在同一生态条件下，品种基因型是决定小麦加工品质的主要因素，而覆盖等耕作栽培模式对加工品质的影响相对有限。