旱区集雨覆盖模式对春小麦土壤水热效应及产量的影响＊

刘宏胜，李 映，苏靖茸，吴 兵,3△，高玉红，剡 斌

（1.甘肃省会宁县农业技术推广中心，甘肃 会宁 730799；2.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃 兰州 730070；3.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070；4.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070）

小麦是西北地区主要的粮食作物[1]，受自然环境影响，西北旱作春麦区常年降雨不足，年蒸发量高[2]，且年降雨的60%～70%集中在7～9 月，与小麦需水期产生严重供需错位[3,4]，加之春季低温、伏旱高温等因素的影响，小麦产量总体水平长期低而不稳[5]。因此，旱作农业集雨种植方式的发展是保证干旱半干旱区农业可持续发展及和粮食供给的重要途径。目前不同集雨覆盖模式已在北方旱作农业区被广泛应用，它能有效改变耕层土壤温度，增加土壤贮水量、降低土壤表面蒸发，加快作物生育进程，促进作物产量的提高[5,6]。其中，地膜覆盖和秸秆覆盖作为常用主要地表覆盖方式，在改善土壤水热状况、蓄水保墒及促进产量和水分利用等方面起到了重要作用。研究表明，覆盖材料[7]、地膜颜色[8]、栽培方式[9]等均对土壤温度及水分产生较大的影响。地膜覆盖的保墒增温作用已被认为是其促使作物增产的关键原因[10]，秸秆覆盖因具有“高温时降温、低温时保温”的双重效应，能缓冲土壤温度的变化，为作物生长创造良好环境[11]。也有研究认为，覆膜增温会引起小麦前期快速生长，消耗大量水分，引起早衰甚至减产现象[12]；同时，秸秆覆盖会阻碍光照直接到达地面，有效光照的减少使土壤耕层温度降低，造成小麦生育期内积温不足，导致作物前期出苗差，后期贪青晚熟，以致产量下降[13,14]。近来兴起的“栽培模式+覆盖种植”为一体的复合集雨栽培技术，因其有利于土壤水分保蓄和利用、改善土壤温热状况，促进作物生长发育和产量提升而称为众多学者关注的热点[15,16]。鉴于春小麦在不同集雨覆盖模式下，改变覆盖物类型及种植方式对麦田土壤水热特征及产量变化的研究较少，因此，本研究以春小麦“甘春27 号”为供试材料，通过研究覆盖物与栽培方式集成的集雨模式下，春小麦水热效应与增产机理的差异性，为进一步探索旱作雨养农业区春小麦的高效增产栽培技术体系提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017 年3 月～7 月在会宁县甘沟镇六十铺试验基地（35°55ˊN，105°00ˊE）实施，该地海拔1639m，年平均气温9.2℃，无霜期154d，≥10℃的有效活动积温2588.5℃，年降水量400mm 左右，年蒸发量1700mm 左右。气候干燥，土质黄绵土，属靖会沿黄段干旱灌溉农业，如图1 所示。

图1 2017 年试验区小麦生育期降雨量

1.2 试验设计

采取单因素区组设计，设6 个处理，分别为全膜覆土穴播（Full film covering soil acupoint sowing，FSAS）：选用宽幅1.2m 地膜平铺，表面1cm 左右的薄土，穴播机播种，播种深度3～5cm，行距15cm，穴距12cm；黑色全膜垄作穴播（Black full film ridge planting，BFRP）：单行垄作，行距17.8cm、垄底宽17～18cm、垄高10cm；双行垄作，行距33cm、垄底宽32～33cm、垄面宽18～20cm、垄高8cm，起垄后黑色地膜全地面覆盖,并撒土，穴播机在垄沟播种；膜侧沟播（Membrane lateral furrow sowing，FLFS）：起垄垄宽25cm、高10～15cm，沟宽15cm，沟内覆膜播种；秸秆粉碎微垄覆盖沟播（Strawcrushing,furrowmulching and seeding，SCFS）：秸秆覆盖起垄垄宽22cm，幅宽34cm、沟宽12cm，沟内播种2 行小麦，行距17cm；秸 秆 带 状 覆 盖 条 播（Straw strip mulching drill，SSCD）：种植带种3 行，预留覆盖带，播后将玉米整秆置于预留覆盖带，覆盖时秸秆带与播种带的两个边行各留2～5cm 左右间距，条播机播种，行距为17cm，种植带种3 行，总宽度34cm；露地条播（Sowing in drill，CK）：不覆膜条播。

每个处理3 次重复，共18 个小区。小区面积20cm2(5m×4m)，种植密度525 万株·hm-2，控制各处理小区播量为1.05 万株，保证小区播量一致。布置处理前，各小区按尿素150kg.hm-2（纯N：46.4%）、磷肥52.5kg.hm-2（P2O5：16%）统一基施。供试小麦品种为甘春27 号，由甘肃农业大学旱地小麦育种室提供。2017 年3 月25 日播种，2017 年7 月18 日收获。其他管理措施同一般大田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 地温测定

在春小麦主要生育时期（苗期、分蘖期、拔节期、扬花期、灌浆期、成熟期），选取晴朗天气，每天在8:00、12:00、14:00、18:00，应用TZS-3X 农业环境检测仪观测0～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm、20～25cm土层温度，连续测定3d-5d。

1.3.2 土壤水分及水分利用效率

在小麦播前和上述各生育期，用土钻随机在不同处理各小区取0～100cm 的土，测定深度分别为0～20cm、20～40cm、40～60cm、60～80cm 和80～100cm，称土壤鲜重后，在105℃恒温下烘24h 至恒重,称土壤干重，并计算土壤含水量、土壤贮水量、春小麦耗水量与春小麦水分利用效率。

土壤贮水量计算公式：SWS（mm）=Ws×b×d，式中Ws 为土壤重量含水量；b 为土壤容重；d 为土壤深度。

水分利用效率计算公式：WUE=Yd/ET，式中Yd作物单位面积产量；ET=SWSBF-SWSHA+P，式中SWSBF 为播前贮水量；SWSHA 为收获后贮水量；P为生育期降水量。

1.3.3 小麦产量

小麦成熟收获前，在各小区随机取样20 株，测定株高、穗数、穗粒数、千粒重等产量构成因子，按小区单打单收，测定实际产量。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 进行数据统计，应用Origin8.0与SPSS19.0 作图及显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖种植方式对各生育时期0～25cm 土层温度的影响

由图2 可知，出苗期0～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm 与20～25cm 土 层，与CK 相 比，FSAS、BFRP、FLFS 土 壤 温 度 均 高 于CK，其 中FSAS 与BFRP 处理下0～5cm 增温幅度最大，分别增温3.43℃与3.13℃，其次为FLFS 与SCFS。而SSCD 与CK 相比无明显差异。分蘖期FSAS、BFRP 与FLFS增温主要在0～15cm，与CK 相比分别增加了1.88℃、2.42℃、0.04℃，而SCFS 与SSCD 处理下降低了0.83 与0.21℃。拔节期0～5cm、5～10～cm 土层，与CK 相比，FSAS、BFRP、FLFS、SCFS、SSCD 土壤增温与CK 无 明 显 差 异，10～25cm 土 层，FSAS、BFRP、FLFS、SCFS、SSCD 降低了土壤温度，分别降低了0.38℃、0℃、0.67℃、0.50℃与0.08℃。扬花期0～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm 与20～25cm 土 层，与CK 相比，FSAS、BFRP、FLFS、SCFS 土壤温度均高于CK，其中FSAS 与BFRP 在5～10cm 增温幅度最大，分别增温2.38℃与2.27℃，其次为SCFS 与FLFS，而SSCD 处理下降低了0.5℃。灌浆期0～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm 与20～25cm 土层，FSAS 与BFRP处理下土壤温度均高于CK，其中在5～10cm，FSAS与BFRP 增加幅度最大，其次为SCFS 与FLFS，而SSCD 增温幅度最低。成熟期，10～20cm 各处理土壤温度均低于CK，0～5cm 与20～25cm，与CK 相比，各处理无明显差异。

图2 春小麦不同生育时期各处理0～25cm 土层温度变化

由此可见，5 种处理对土壤增温效应主要在生育前期0～15cm 土层，且FAFS 与BFRP 处理下对0～15cm 土壤增温幅度最高，其次为FLFS 与SCFS，SSCD 处理下0～15cm 土壤增温幅度最低。

2.2 不同覆盖种植方式对春小麦0～25cm 土层平均温度的影响

由图3A 可知，出苗期在FSAS、BFRP、FLFS、SCFS 与SSCD 处理下，0～25cm 均温与CK 相比，分别高1.51℃、1.46℃、0.95℃、0.48℃、0.05℃；分蘖期，FSAS、BFRP、FLFS 与CK 相比，分别增加1.53℃、2.25℃、0.3℃，而SCFS 与SSCD 分别降低0.93℃与0.33℃；拔节期在FSAS、BFRP、FLFS、SCFS 与SSCD处理下，0～25cm 均温与CK 相比，分别增加0.15℃与0.26℃，而FLFS、SCFS 与SSCD 分别降低0.4℃、0.3℃、0.3℃；扬花期在FSAS、BFRP、FLFS、SCFS 与SSCD 处理下，0～25cm 均温与CK 相比，分别增加1.20℃、0.92℃、0.41℃、0.79℃、-0.08℃；灌浆期，在FSAS、BFRP、FLFS、SCFS 与SSCD 处 理 下，0～25cm均温与CK 相比，分别增加1.50℃、1.27℃、0.26℃、0.45℃、-0.13℃；成熟期在FSAS、BFRP、FLFS、SCFS、SSCD 与CK 相比，0～25cm 均温均低于CK。由图3B可知，在FSAS、BFRP、FLFS、SCFS、SSCD 处理下，春小麦全生育期0～25cm 土层均温分别为21.15℃、21.04℃、20.18℃、20.07℃、19.51℃，与CK 相比分别增加了7.0%、6.4%、2.1%、1.5%与～1.3%，其中，FSAS与BFRP 对全生育期0～25cm 均温增加幅度最大，且二者之间无明显差异，其次为FLFS 与SCFS，SSCD 处理下降低了0.26℃（P＜0.05）。由此可见，FSAS 与BFRP 对春小麦全生育期0～25cm 土壤温度调节作用优于FLFS、SCFS 与SSCD，其有效的增温效应降低了早春低温对春小麦出苗与生长的影响。

图3 春小麦不同生育时期各处理0～25cm 土层温度的时空变化不同小写字母代表处理间达5%显著水平（同下）

2.3 不同覆盖种植方式对春小麦全生育期0-100cm 土壤贮水量的影响

由图4 可知，在春小麦出苗至成熟期，5 种处理0～100cm 土壤贮水量均高于CK，其中出苗期，在SCFS 处理下土壤贮水量最高，达到209.04mm，其次分别为FSAS＞BFRP＞SSCD＞FLFS＞CK，且BFRP 与SSCD 间无明显差异；分蘖期0～100cm 土壤贮水量依 次 为FSAS ＞SCFS ＞BFRP ＞SSCD ＞FLFS ＞CK，且BFRP 与SCFS 间无明显差异；拔节期0-100cm 土壤贮 水 量 依 次 分 别 为SCFS ＞FLFS ＞FSAS ＞SSCD ＞BFRP＞CK，且FLFS 与SCFS 间无明显差异；扬花期，在BFRP 处理下，0～100cm 土壤贮水量最高，达到189.86mm，其 次 分 别 为SSCD ＞FSAS ＞FLFS ＞SSCD＞CK，且FSAS 与SCFS 间无显著差异；灌浆期0～100cm 土壤贮水量依次为FSAS＞SCFS＞BFRP＞FLFS＞SSCD＞CK。成熟期在FSAS 处理下，土壤贮水量高达137.44mm，其次分别为FLFS＞SCFS＞BFRP＞SSCD＞CK，且FSAS 与FLFS 间无明显差异（P＜0.05）。由此可见，FSAS、BFRP 与SCFS 对降雨的接纳入渗能力与减少水分蒸发率优于FLFS、SSCD 与CK，且在生育前期BFRP 耗水速度高于FSAS 与SCFS。

图4 不同覆盖栽培方式对春小麦全生育期0～100cm 土壤贮水量的影响

2.4 不同覆盖种植方式对春小麦耗水量、水分利用效率与产量的影响

由图5 可知，在6 种覆盖栽培方式下，春小麦耗水量大小依次为：FSAS＞SSCD＞SCFS＞BFRP＞CK＞FLFS，其中FSAS 处理下春小麦耗水量最高，达到204.80mm，比CK 增加了8.83%；FLFS 处理下耗水增长幅度最低，达到188.86mm，且与CK 之间无明显差异（P＜0.05）。FSAS、BFRP、FLFS、SCFS 与SSCD处理下春小麦产量依次分别为6935.03kg·ha-2、6946.70kg·ha-2、5563.36kg·ha-2、5548.69kg·ha-2、5270.02kg·ha-2，与CK 相比，分别提高了28.11%、28.33%、2.77%、1.36%，SSCD 降低了2.65%，FSAS、BFRP 与CK 之间有显著差异，但前二者之间没有显著差异；FLFS、SCFS、SSCD 与CK 之间没有显著 差异（P＜0.05）。FSAS、BFRP、FLFS 处理下水分利用效率分别提高了17.69%、24.59%与2.38%，而SCFS、SSCD 水分利用效率降低了2.6%与8.5%，且 FLFS与SCFS 与CK 之间无显著差异（P＜0.05）。由此可见，FSAS 与BFRP 处理最利于春小麦产量大幅度提高同时水分环境得以优化。见表1。

表1 不同覆盖方式对春小麦产量及构成因素的影响

图5 不同覆盖栽培方式对春小麦耗水量、水分利用效率与产量的影响

3 讨论与结论

早春低温能够影响春性作物的种子萌发与形态建成，覆盖处理具有低温时增温、高温时降温的双重效应，对旱作区域季节性低温有很好的缓解作用，利于作物出苗与保苗[17,18]。本实验研究发现，FAFS、BFRP、FLFS、SCFS 与SSCD 对土壤增温效应主要体现在春小麦出苗至灌浆期0～10cm 土层，其中FAFS与BFRP 处理下对出苗期、分蘖期、扬花期、灌浆期0～10cm 土壤增温幅度最高，SSCD 处理下对0～10cm土壤增温幅度最低，且在分蘖期与扬花期降低了0～10cm 土壤温度；5 种处理下均提高了全生育期0～25cm 土壤平均温度，其中FAFS 与BFRP 处理下分别在出苗期与分蘖期对土壤增温最明显，分别提高了1.51℃与2.25℃。成熟期由于外界气温较高，5 种处理对春小麦0～25cm 土壤均有降温效应，与CK 相比 分 别 降 低 了0.28℃、0.385℃、0.85℃、0.87℃与1.15℃。由此可见，对旱作区域春小麦而言，FSAS、BFRP、FLFS 与SCFS 对春小麦具有低温时升温，高温时降温的双重效应，且FSAS 与BFRP 在生育前期对春小麦的增温效应优于FLFS 与SCFS；SSCD对春小麦生育前期土壤有降温效应，不利于出苗与生长，这与在马铃薯研究中发现秸秆垄作能够降低全生育期土壤温度的结果基本一致[18]，亦可能与作物品种类型及当季气温变化规律有关。

覆盖能够有效拦截和吸收太阳辐射及地表有效辐射，阻碍大气与土壤间的水热交换，从而减少无效水分蒸发，提高土壤含水量[19,20]。沟垄+覆盖栽培技术能够有效蓄积降水，增加降水入渗，但地膜与秸秆覆盖对土壤水分的影响机制不同[21]。研究认为覆膜后直接阻断了土壤水分垂直蒸发和乱流，迫使膜下水分横向运移，降低水分无效蒸发和热量散失[22]；而秸秆覆盖后增加了地表粗糙度，降低了地表裸露面积，阻止阳光直接照射地表而降低土壤温度，从而抑制土壤蒸发，同时可降低地表径流[23]。本研究表明出苗期土壤贮水量依次为：SCFS＞FAFS＞BFRP＞SSCD＞FLFS＞CK，分蘖期依次为：FAFS＞ SCFS＞BFRP＞SSCD＞FLFS＞CK，拔节期：SCFS＞FLFS＞FAFS＞SSCD ＞BFRP ＞CK，灌 浆 期：FAFS ＞SCFS ＞BFRP ＞FLFS＞SSCD＞CK，成熟期：FSAS＞FLFS＞SCFS＞BFRP＞SSCD＞CK；表明在旱作雨养小麦种植区，FAFS、SCFS 与BFRP 对降雨的接纳入渗能力、减少水分蒸发率优于FLFS、SSCD 与SSCD，充足的土壤贮水确保小麦拔节前正常生长与幼穗分化，促进扬花至灌浆期耗水需求，这亦与陈玉章等在马铃薯中的研究结果一致。

覆盖对土壤水分具有时空再分配的调控作用，促进土壤-作物-水分的良性循环，满足小麦生长水分需求，使小麦穗数和穗粒数增加，产量和水分利用效率显著提高[24,25]。本研究发现，FSAS 处理下全生育期春小麦耗水量最高，达到204.80mm，比CK 增加了8.83%，其次依次为：SSCD＞SCFS＞BFRP＞FLFS，表明FSAS 与SSCD 耗水速度高于BFRP、SSCD 与FLFS。FSAS、BFRP、FLFS 处理下WUE 分别提高了17.69%、24.59%与2.38%，产量分别提高了28.11%、28.33%、2.77%。SCFS 与SSCD 处理下WUE 降低了2.6%与8.5%，产量分别提高了1.36%与～2.65%。由此可见，相较于FLFS、SCFS 与SSCD，FSAS 与BFRP提高小麦的WUE 与产量优势明显。

因此，在西北旱作雨养小麦种植区，不同地膜覆盖集雨模式下麦田土壤水热效应由于秸秆覆盖模式，相较于FLFS、SCFS 与SSCD 的种植方式，全膜覆土穴播（FSAS）与黑色全膜垄作穴播（BFRP）的种植方式更利于实现小麦高产与高效，在具体实践过程中还需要根据当地生态环境条件进行定位研究，以进一步分析不同降雨年份下FSAS 与BFRP 两种栽培模式的增产效应。