黄土高原南部地膜覆盖小麦产量及水分利用效应分析

叶玉莲，封涌涛，徐佳星 ，张润泽 ，胡昌录，雷 同 ，张树兰

(1.西北农林科技大学 资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100; 2.宝鸡市农业技术推广服务中心，陕西宝鸡 721001)

黄土高原是中国典型的雨养农业区，该区降水较少且季节分布不均匀，年降水量为400～600mm，主要集中在6月至9月，降水与农作物需水错位，水分胁迫是限制该区作物高产稳产的一个重要因素[1-3]。过去50多年的降雨资料表明该区降雨量以每年1～2mm在减少[4-5]。因此，如何高效利用有限的水资源，保障区域粮食安全供应面临严峻的挑战。小麦是黄土高原区主要粮食作物之一，受水分胁迫的影响，产量低而不稳[6]。地膜覆盖技术是保蓄旱地土壤水分与提高产量的重要措施之一[7]，在黄土高原地区小麦生产上广泛应用[8-10]。

许多研究表明，地膜覆盖可有效保蓄土壤水分，增加土壤贮水量，减少土壤水分的无效蒸发，协调作物生长用水、需水矛盾，并且促进对土壤深层水分的利用，从而提高水分利用效率[11-15]。同时覆膜能提高耕层土壤温度，促进作物早期生长发育[16-18]。王俊等[19]研究认为，播种后30d地膜覆盖可以增温5℃以上，但后期的高温不利于作物生长。此外，覆膜也可增加土壤中微生物的数量，促进土壤微生物活动，调节土壤养分[20-22]。程宏波等[23]研究表明，地膜覆盖较不覆膜显著增产44.9%。但地膜覆盖并不总是增加作物产量，在播前底墒不足，前期作物生长过旺，增加耗水，后期降水或土壤供水不足会引起穗发育不良，灌浆持续时间缩短[24-25]，也会导致减产。

覆膜小麦发展到目前，已形成了不同覆膜种植技术[26]，如半膜覆盖(至少50%覆盖地表)、全膜覆盖(100%覆盖地表)，但半膜覆盖与全膜覆盖作物的产量效应、土壤水分利用的差异，研究结果之间具有很大的差异性，个别研究难以全面地评价地膜覆盖对土壤水分利用及小麦产量的影响。加之，地膜残留对土壤环境的不良影响[27-29]，十分有必要在区域尺度上进行综合评价半膜与全膜覆盖的差异。因此，本文综合分析黄土高原南部地膜覆盖对小麦产量、水分利用及水分利用效率的影响，探讨地膜覆盖效应与生育期降雨以及海拔之间的关系，综合评价地膜覆盖技术的效应，为黄土高原南部地膜覆盖种植模式的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 文献收集与数据库构建

在中国知网(CNKI)、Web of Science与EI Compendex文献数据库，根据“小麦”“蒸散量”“产量”“地膜覆盖”以及“黄土高原”关键词，收集1997-2017年发表的有关文章。考虑到蒸散量和水分利用效率估算受土层深度、土壤水分深层渗漏等的影响[9]，本研究选取蒸散量或水分利用效率基于2～3 m土壤深度估算的文献进行研究。另外，每个文献需要包括不覆膜(CK)、全膜覆盖(FM)和或半膜覆盖(RM)。其中部分文献全膜覆盖包括全膜覆盖不覆土和全膜覆盖覆土两个处理，覆土是指在膜上大约覆盖1 cm细土。本研究将这两种处理均做全膜覆盖处理进行计算。最终筛选出旱作条件下共42篇文献(表1)，涉及黄土高原山西、陕西以及甘肃3个省18个不同的地区(图1)。文献的研究地点集中分布在黄土高原南部，主要与中北部小麦种植面积较小有关。利用文章中图或表的数据，构建了小麦产量、蒸散量以及水分利用效率的数据集。

1.2 数据计算与统计分析

全膜覆盖和半膜覆盖下小麦产量、蒸散量、水分利用效率的增加率计算如下：

增加率=(参数F-参数CK)/参数CK×100%

式中，F表示覆膜；CK表示不覆膜。

小麦季潜在蒸腾效率：采用边界函数的方法获得研究区域小麦潜在蒸腾效率，即水分生产潜力。具体方法为分位数回归的方法[30]，即将蒸散量的数据从小到大排列(作为x轴)，产量(作为y轴)基于蒸散量的数据排列。将蒸散量以20 mm为间隔划分，每个区段提取产量最大的数据点，直至产量达到最高产量。然后对产量最大的数据点进行线性回归，得到的线性函数，其斜率代表潜在蒸腾效率，即黄土高原南部小麦水分生产潜力，横坐标截距表示小麦当季最低的土壤蒸发量。

半膜或全膜覆盖与不覆膜处理之间比较采用配对样本t检验进行分析，半膜覆盖与全膜覆盖比较采用独立样本t检验进行分析。数据采用SPSS 16.0进行统计分析。

表1 数据库文献Table 1 Database used in this paper

(续表1 Continued table 1)

2 结果与分析

2.1 小麦产量、蒸散量及水分利用效率

由表2可以看出，全膜覆盖或半膜覆盖与对照相比均显著提高小麦产量、蒸散量以及水分利用效率。全膜覆盖与半膜覆盖相比，小麦产量、蒸散量以及水分利用效率差异均不显著。

与对照相比，半膜覆盖与全膜覆盖小麦增产率、蒸散量增加率及水分利用效率增加率见图2。半膜覆盖的增产幅度为-21%～97%，平均增产率为29%；全膜覆盖的增产幅度为-14%～153%，平均增产率为34%。半膜覆盖与全膜覆盖小麦蒸散量较不覆膜有所增加，半膜覆盖增加范围为-36%～39%，均值为5.9%；全膜覆盖增加范围为-9%～45%，均值为5.6%。半膜覆盖小麦水分利用效率增加幅度为-21%～84%，平均增加率为24%，全膜覆盖增加幅度为-15%～152%，平均增加率为31%。

图中数字代表各个试验地点的文献数

表2 黄土高原南部不同处理小麦籽粒产量、蒸散量及水分利用效率Table 2 Wheat yield,evapotranspiration (ET) and water use efficiency (WUE) under plastic film mulching in the southern Loess Plateau

每个箱子的上下限分别代表变化率的75%和25%；箱子中的横线代表中位数，空心正方形代表均值；空心三角形与空心圆分别代表最大值和最小值；相同字母表示处理间差异不显著(P>0.05)

2.2 产量与蒸散量的关系

覆膜与不覆膜措施下线性边界函数为y=22.5×(x-35)(图3-A)，其中22.5 kg·hm-2·mm-1表示研究区域小麦潜在的蒸腾效率，35 mm代表小麦生育期土壤水分蒸发量。当蒸散量为359.2 mm 时，小麦产量达到最高，为7 898 kg·hm-2。图3-B方程为不覆膜时线性边界函数y=18.5×(x-54.4)，其中18.5 kg·hm-2·mm-1表示常规种植小麦潜在的蒸腾效率，54.4 mm为小麦生育期土壤水分蒸发量。当蒸散量增加到398.2 mm时，小麦产量可达6 336.5 kg·hm-2。与不覆膜相比，地膜覆盖减少了20 mm的小麦生育期土壤蒸发量，同时提高了 4 kg·hm-2·mm-1的小麦潜在的蒸腾 效率。

图中空心圆代表线性函数回归数据点

2.3 海拔及生育期降雨量对黄土高原南部覆膜小麦增产率的影响

由图4可知，半膜覆盖与全膜覆盖下，小麦增产率随试验地点海拔高度没有明显的变化规律。但是小麦生育期降雨量与增产率的相关性不同(图5)。当生育期降雨量<200 mm时，半膜覆盖条件下小麦增产率随降雨量的增加呈现显著的增加趋势；而全膜覆盖下小麦增产率随生育期降雨量没有明显的变化趋势(图5)。当生育期降雨 量>200 mm时，全膜覆盖下小麦增产率随降雨量的增加呈现显著的下降趋势；而半膜覆盖下小麦增产率随生育期降雨量没有明显的变化趋势(图5)。

图4 不同海拔半膜和全膜覆盖小麦增产率Fig.4 Yield increase rate of winter wheat under 50% film mulching and 100% film mulching at different altitudes

图5 不同生育期降雨量半膜和全膜覆盖小麦增产率Fig.5 Yield increase rate of winter wheat under 50% film mulching and 100% film mulching with different rainfalls in growing season

3 讨 论

3.1 地膜覆盖对黄土高原南部小麦产量的影响

本研究表明，黄土高原南部区域尺度上半膜覆盖小麦平均增产率为29%，全膜覆盖小麦平均增产34%(图2)。地膜覆盖小麦增产主要归结于地膜能增加耕层土壤温度，减少土壤水分的无效蒸发，提高水分利用效率，从而提高小麦产量[48,69-73]。也有研究认为地膜覆盖使小麦穗数增加，从而促进增产[44,71]。本研究发现地膜覆盖较不覆膜不仅减少了20 mm的土壤无效蒸发量，而且增加了14～16 mm蒸散量，提高了 4 kg·hm-2·mm-1的小麦潜在蒸腾效率(图3)。Lin等[30]对玉米产量与蒸散量间的关系研究发现，与不覆膜相比，地膜覆盖使土壤无效蒸发量降低13 mm，同时使玉米潜在的蒸腾效率提高 13 kg·hm-2·mm-1，因而显著增加了玉米产量。地膜覆盖增加小麦、玉米潜在蒸腾效率与其增加作物光能利用效率有关[74]。不过无论是覆膜还是不覆膜处理，处于边界线以下的小麦产量(图3)，水分不是限制产量的因素，小麦产量可能是受其他因素(如播期、品种、养分等)的影响[9,75]，未能达到产量潜力。

本研究也发现半膜覆盖情况下有很小比例的小麦出现减产，减产率最高为21%，全膜覆盖也有很小的比例显示减产，减产率最高为14%(图2)。李凤民等[24]在甘肃春小麦覆膜试验中发现减产率为49.6%。罗来超等[71]发现一些试验点个别年份存在减产的现象。一般认为，覆膜作物减产的主要原因是播前底墒不足，作物前期生长过旺，增加耗水，而后期降水不足会引起穗发育不良，灌浆时间缩短[24-25]，导致减产。因此，在特别干旱的气候条件下，不宜选择地膜覆盖。另外，在区域尺度上，地膜覆盖小麦增产率与种植地点的海拔没有明显的相关性(图5)，表明地膜覆盖在黄土高原南部大多数情况下是可行的。不过生育期降雨量低于200 mm时，半膜覆盖小麦的增产率与降雨量呈现显著的正相关关系，而当生育期降雨量大于200 mm，全膜覆盖小麦的增产率呈下降趋势，表明地膜覆盖在生育期降雨量低于200 mm的季节更高效。这与其他研究报道相同[70,76-77]。

本研究还发现，在区域尺度上尽管全膜覆盖小麦产量高于半膜覆盖，但二者差异不显著，并且二者小麦增产率相当。以往一些研究表明全膜覆盖小麦的增产幅度和增产量显著高于半膜覆盖，认为主要与全膜提高穗数有关[23,40,49,78-80]。另外一些研究表明全膜与半膜覆盖均提高小麦产量，二者之间增产作用相似，可能与试验年份降水量较多，没有发挥全膜覆盖的作用，或者全膜覆盖加剧了小麦生长冗余，导致半膜与全膜覆盖间增产差异不显著[57,39]。然而，也有研究显示全膜与半膜覆盖都能提高小麦产量，全膜覆盖小麦产量却低于半膜覆盖，原因可能是全膜穴播模式膜面截留部分降水不能达到小麦根部,致使土壤水分状况相对较差[68]。另外王小明等[81]研究报道，半膜有明显的集雨增墒效果，促进冬小麦有效分蘖的形成，提高单株成穗率；全膜覆盖尽管增墒效应较差，但增温效应明显，能延长穗分化时间，增加穗粒数及千粒质量。因此，区域尺度上综合过去多点多种气候年型对比全膜与半膜效应，结论更为可靠。另外，农田地膜覆盖后，残膜回收率低，且不易降解，随着农田地膜覆盖使用年限的增加，土壤中残膜量逐步增加，造成地膜污染[82]，考虑到地膜污染与经济成本因素，建议黄土高原南部小麦栽培选用半膜覆盖。

3.2 地膜覆盖对黄土高原南部小麦水分利用及水分利用效率的影响

本研究表明，覆膜显著提高小麦产量，同时也显著增加了小麦的水分利用(蒸散量)(表2)。这与杨长刚等[39]研究结果一致。尽管本研究发现覆膜可以减少小麦生育期土壤无效蒸发20 mm，同一地区有研究表明覆膜可以减少玉米生育期土壤无效蒸发13 mm[30]，但是小麦水分利用的显著增加意味着需要有可靠的水分供应来维持覆膜作物的高产水平。而黄土高原南部年际降雨量变幅很大，覆膜作物高产的可持续性还存在不确定性。另外，大多数研究基于2 m土层或者更浅的土层计算作物蒸散量，这可能没有真正反映覆膜小麦水分利用的情况，现有发表的数据可能偏低。例如在年均降雨量为390 mm的黄土高原定西地区，小麦收获期在200 cm土层不论半膜覆盖还是全膜覆盖土壤含水量均低于不覆膜处理(图6)，表明地膜覆盖下小麦利用土壤水分深度超过了200 cm土层，这种情况下蒸散量的计算结果低于小麦实际耗水量。在这种气候条件下如果连续覆膜，由于土壤水分耗竭，在小麦生长期降水不足的情况下，会对灌浆和籽粒的形成不利，导致产量下降[25-26,36,83]，不能维持高产和稳产。所以，在黄土高原年降雨量为400 mm以下区域，地膜覆盖措施有待进一步评估。不过在年均降雨量为550 mm的半湿润易旱区如陕西永寿，小麦收获期地膜覆盖土壤水分含量高于不覆膜(图7)。杨志宁等[84]对山西运城旱地小麦的研究也表明，地膜覆盖土壤含水量高于不覆膜，从而有效地保证了覆膜小麦不同生育时期的水分需求，达到了增产、增收效果。由此看来，在降雨量高的情况下，地膜覆盖增加土壤耗水的风险可能小一些。综合以往研究来看，地膜覆盖的研究均基于短期田间试验，目前还未见发表长期覆膜作物水分利用的报道。因此，黄土高原南部地膜覆盖是否具有可持续还需要长期试验或者短期试验结合模型手段进一步评价。

CKb.不覆膜播前；CKs.不覆膜收获期；RMb.半膜覆盖播前；RMs.半膜覆盖收获期

另外，本研究发现，由于地膜覆盖显著提高了小麦产量，尽管显著增加小麦蒸散量，地膜覆盖仍然显著提高了小麦水分利用效率。不过半膜覆盖与全膜覆盖水分利用效率相似(图2)。Wang和Shangguan等[85]认为，无论是半膜还是全膜覆盖都能促进黄土高原南部小麦增产，但降水不足时半膜覆盖更能提高水分利用效率。考虑到覆膜对土壤水分环境以及地膜残留的长期影响，黄土高原南部小麦选择半膜覆盖较好。

4 结 论

综合黄土高原南部过去20 a田间试验表明地膜覆盖可以显著增加小麦产量和水分利用效率。这与地膜覆盖降低土壤无效蒸发量，增加土壤水分有效利用，同时提高小麦潜在的蒸腾效率有关。半膜覆盖与全膜覆盖对黄土高原南部小麦产量、蒸散量及水分利用效率具有等效性，考虑到地膜的环境污染与经济成本因素，推荐黄土高原南部小麦栽培选用半膜覆盖。