西北旱地春小麥不同覆蓋措施的溫度和產量效應

程宏波, 柴守璽, 陳玉章, 范穎丹, 黃彩霞, 常 磊, 楊長剛

1 甘肅農業大學生命科學與技術學院, 干旱生境國家重點實驗室, 蘭州 730070 2 甘肅農業大學農學院, 干旱生境國家重點實驗室, 蘭州 730070 3 甘肅農業大學工學院, 干旱生境國家重點實驗室, 蘭州 730070

西北旱地春小麥不同覆蓋措施的溫度和產量效應

程宏波1, 柴守璽2,*, 陳玉章2, 范穎丹2, 黃彩霞3, 常 磊2, 楊長剛2

1 甘肅農業大學生命科學與技術學院, 干旱生境國家重點實驗室, 蘭州 730070 2 甘肅農業大學農學院, 干旱生境國家重點實驗室, 蘭州 730070 3 甘肅農業大學工學院, 干旱生境國家重點實驗室, 蘭州 730070

在西北半干旱雨養條件下，以春小麥為材料，研究了夏季覆膜(T1)、秋季覆膜(T2)、春季覆膜(T3)、小麥碎稈覆蓋(T4)、小麥整稈覆蓋(T5)、夏季覆膜+麥稈還田 (T6)和無覆蓋對照(CK)7個處理間0—20 cm土壤溫度、產量和重要農藝指標的差異。結果表明：處理間在不同生育時期、不同土層的土壤溫度存在顯著差異。生育時期間比較，處理間土壤溫度差異以播種期—分蘗期最大、蠟熟期—成熟期次之、拔節期—灌漿中期較小；土層間比較，處理間土壤5 cm處的溫度差異依次大于10 cm、15 cm、20 cm處。T6在各時期、各土層均表現出突出的增溫效應，全生育期土壤平均溫度較CK高0.57 ℃，以成熟期、播種期及分蘗期增溫效果較大；其它覆蓋處理存在增溫和降溫的雙重效應，增溫效應覆膜>秸稈覆蓋，而降溫效應則秸稈覆蓋>覆膜，各處理的32個土壤溫度測試點中，增溫點次以T4最少(僅有9個)，降溫點次為23個，且T4降溫幅度最大，全生育期0—20 cm土壤平均溫度較CK低0.63 ℃，降溫效果在播種期和分蘗期尤為突出。覆蓋處理全生育期土壤平均溫度表現為覆膜>CK>秸稈覆蓋。溫差最高值出現在分蘗期土壤5 cm處的T6與T4間，T6高出T44.23 ℃。T6可以平抑生育期間土壤溫度的變化，其它5個覆蓋處理則加劇土壤溫度的波動，以T4處理的土壤溫度波動最明顯(CV為32.4%)。處理間產量、單位面積穗數、穗粒數間差異顯著，而千粒重差異不顯著。無論覆膜還是秸稈覆蓋，都較CK穗粒數顯著增加(17.4%—36.3%)。除T5較CK顯著減產14.1%外，其它覆蓋處理均較CK顯著增產21.7%—37.3%，其中以全膜覆土穴播基礎上的秋季覆膜 (T2)增產最顯著，適宜在西北旱地春小麥產區推廣應用。土壤溫度主要影響營養生長，拔節—開花期0—20 cm的土壤溫度與株高高度正相關(0.77*—0.92**)，但覆蓋引起土壤溫度的變化最終對西北旱地春小麥產量沒有關鍵影響。

雨養農業區; 春小麥; 地膜覆蓋; 秸稈覆蓋; 土壤溫度; 西北

覆蓋栽培是西北旱作農業的關鍵技術，包括地膜覆蓋和秸稈覆蓋兩種。保墑和調節土壤溫度是覆蓋最明顯的效應，但以往人們更關注覆蓋的保墑效應，而對覆蓋溫度效應的研究重視不夠，尤其在西北旱地春小麥上關于覆蓋溫度效應方面的研究報道很少。在西北積溫不足的旱作區，覆蓋的溫度效應有時具有特殊重要的生態生產意義，甚至直接影響覆蓋技術成敗或適用范圍。保墑與增溫通常被認為是西北旱作區地膜覆蓋能大幅度增產的主要原因。近年甘肅省成功推廣全膜雙壟溝旱地地膜玉米栽培新技術80萬hm2，不僅能普遍大幅度增產，而且由于覆膜增溫效應，可將玉米種植帶擴展到海拔2000 m以上的寒旱區。不少研究表明，地膜覆蓋可明顯提高地溫[1-5]，冬小麥覆膜一般提高苗期0—10 cm地溫1—2 ℃，可促進早熟，彌補冬前積溫不足，降低越冬死亡率[6-7]，延長穗分化時間和增加小穗數[8]，增產30%以上[9-10]。而秸稈覆蓋由于明顯降低地溫[11-16]，進而會導致小麥[11,17-18]、玉米[12,15,19]出苗率降低，生育延遲，營養生長受到抑制，有時造成嚴重減產。

但隨著研究的深入，發現覆蓋的溫度效應遠比人們想象的要復雜得多。在小麥、棉花、玉米、大豆等作物上發現，無論地膜覆蓋還是秸稈覆蓋，與無覆蓋相比，都會出現前期低溫季節增溫、后期高溫季節降溫的雙重效應[8,17-18,20-25]，并能平抑地溫在季節間和晝夜間的劇烈變化[8,26]，這種雙重效應被認為也是覆蓋增產的重要機制[17]。不少研究表明，覆蓋對土壤溫度的影響因覆蓋材料[1-2,27]、覆蓋方式與時期[3-6]、土壤層次[7]、作物種類、當地氣候條件和作物生長季節等的不同也有很大差異[8-10,28]。但覆蓋引起的地溫變化是否有利或不利于作物生長及高產、或對其有無明顯影響，也視具體情況而定，不能一概而論。例如，Hari等[14]在印度西北部同樣對小麥和玉米秸稈覆蓋研究表明，麥稈覆蓋后雖然地溫始終低于未覆蓋，其中播種層低2.7—3.1 ℃，但最終仍顯著提高了產量和水分利用率。覆膜雖能普遍增產，但有時覆膜增溫可能會導致小麥后期早衰和粒重下降[29]。在玉米上也發現由于覆膜增溫生育期明顯提前，抽雄前后常易遭受嚴重伏旱而減產，有時減產達70%[30]。不同覆蓋方式間土壤溫度差異也很大。山西在旱地冬小麥上測定[31]，全地面覆膜平作穴播較壟膜溝播(又稱膜側條播)全生育期15 cm處地溫高出0.98 ℃，積溫增加233 ℃，但二者的幼穗分化期長短及進程、穗粒數、千粒重都差異不大，地溫差異似乎與產量高低關系不大。旱地春小麥研究發現[21]，春季覆膜和秋季覆膜地溫差異不大，但膜上覆土與不覆土兩種方式間差異較大，全生育期0—25 cm平均地溫覆土較不覆土低1.57 ℃，但產量高24.4%，覆土高產原因主要是提高了穗粒數，而千粒重相差不大，穗粒數增多顯然與低溫有利于延長穗分化期有關；研究同時發現覆膜增溫效果土壤下層大于上層，早晨依次大于傍晚和中午。

西北旱地春小麥主要分布在甘肅、寧夏、青海，在生態區劃上屬西北春播春性麥區，該區域積溫不足、一年一熟、旱寒同駐、內陸性氣候強烈，旱地春小麥是當地雨養區少數可適宜種植的主要作物。但春小麥播種后氣溫一直處于持續提高狀態，又常遭遇春末夏初干旱，水熱互作明顯，產量低而不穩，覆蓋種植是當地春小麥抗旱增產、穩產的主要途徑。為了實現有限降水的高效蓄保和提高降水生產效率，各地近年通過積極探索改進，提出了一些小麥覆蓋栽培新技術，包括在全膜覆土穴播新技術基礎上的不同季節覆蓋技術，為了避免地膜污染和節省成本、實現用養結合和水肥互調而提出的各種秸稈覆蓋技術，以及地膜覆蓋與秸稈還田結合技術等。這些研發改進的新技術大多具有程度不等的保墑增產效果，但對地溫的影響、以及地溫變化對生長發育和產量形成的影響如何，尚缺乏較全面深入的研究。西北旱地春小麥分布區的生態生產條件、以及該作物本身具有一定的特殊性，如前所述，覆蓋的溫度效應又隨覆蓋技術、作物種類、時空環境等的不同差異很大，已有在其它作物和環境下的研究結果只能借鑒，究其上述新型覆蓋技術在西北旱地春小麥上的溫度效應以及溫度對產量影響如何，還需通過當地具體試驗研究才能確定。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究地區概況

試驗于2012年3月—2012年7月在西北旱地春小麥代表區甘肅省通渭縣甘肅農業大學試驗基地進行。試驗基地屬溫帶半干旱氣候帶，土壤為黃綿土，海拔1590 m，年日照時數2100—2430 h，年均氣溫7.4 ℃，無霜期120—170 d，年蒸發量>1500 mm，年均降水量444.2 mm。試驗年度小麥生育期(3—7月)總降水量471.0 mm，其中≥5 mm的有效降水350.0 mm。

1.2 試驗設計

春小麥供試品種為西旱2號，地膜采用幅寬120 cm、厚度0.008 mm高強度地膜。試驗共設7個處理，其中地膜覆蓋處理4個(T1、T2、T3、T6)，秸稈覆蓋處理2個(T4、T5)，以無覆蓋露地種植為對照(CK)。小區面積31.9 m2(5.8 m×5.5 m)，3次重復，隨機區組。

夏季覆膜(T1) 采取全膜覆土穴播方式。夏茬收獲后立即滅茬整地，夏季全地面平作覆膜、膜面覆土1 cm，秋季穴播。

秋季覆膜(T2) 秋季覆膜，其余同T1。

春季覆膜(T3) 春季播前覆膜，其余同T1。

小麥碎稈夏季覆蓋(T4) 夏季將秸稈粉碎成5 cm左右，均勻覆蓋于小區中，覆蓋厚度以不見裸地為宜，覆蓋量為風干重3540 kg/hm2。播種時把秸稈豁開開溝，種子均勻播灑于溝內，然后覆土并蓋回秸稈。

小麥整稈夏季覆蓋(T5) 夏季將小麥整稈均勻覆蓋于小區中，覆蓋量和開溝播種方法同T4。

夏季覆膜+麥秸還田(T6) 將小麥秸稈粉碎成5 cm左右，夏季將秸稈旋耕還田后隨即覆膜，秸稈還田量為風干重4500 kg/hm2，覆膜方式同T1。

對照(CK) 不覆膜，平作，穴播。

夏季地膜覆蓋及秸稈覆蓋的時間為2011年8月10日，秋季覆膜時間為同年10月2日，春季覆膜時間為2012年3月12日，播種期為2012年3月20日。各處理播種量和施肥量相同。播量按187.5 kg/hm2下種，每小區種29行，行距20 cm。穴播小區穴距12 cm，每穴8粒，條播小區每行播量21.2 g。播前施優質農家肥45 t/hm2，純氮和P2O5各120 kg/hm2，所有肥料在夏季結合滅茬一次性旋耕施入。生育時期不再追肥，灌漿后期進行“一噴三防”。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤溫度測定

各生育時期各小區分5、10、15、20 cm 4個土層分別測定，地溫計埋入各小區中間行間，全生育期均在固定地方讀取地溫。各生育時期測定時，均選在干燥晴天進行，分別在早晨(6:00—8:00)、中午(12:00—14:00)和傍晚(17:00—18:30)分3次測定，日均溫取早、中、晚3次測定平均值。

1.3.2 土壤含水量測定

各生育時期各小區取0—20 cm土層土樣采用烘干法測定土壤含水量。

土壤含水量=(土壤鮮質量-烘干土質量)/烘干土質量×100%

1.3.3 農藝指標的測定

各生育時期采用烘干法測定植株含水量，在開花期測定單株干重，取樣方法均為各小區隨機選小麥20株。苗期每小區選3點測定單位面積穗數、基本苗。成熟時每小區全部實收、單獨脫粒計產，同時每小區隨機取20株室內測定穗粒數、千粒重、株高等農藝指標。

1.4 數據處理

數據用Excel作圖，用SPSS16.0軟件進行統計分析。

2 結果分析

2.1 土壤溫度的時空動態差異

圖1直觀反映了不同時期和土層土壤溫度的時空變化及差異。各處理的土壤絕對溫度(日均溫)一致表現為：隨著土層加深而降低，隨著生育時期的推進而升高。處理間在各時期、各土層都存在顯著(P>0.05)和不顯著(P<0.05)的差異，但處理間差異幅度因時期、土層的不同有較大差別。從時期上比較，處理間的差異以前期(播種期—分蘗期)最明顯且達到顯著水平(P>0.05)、后期(蠟熟期—完熟期)次之、中期(拔節期—灌漿中期)較小；土層間比較，上層大于下層。比較不同時期0—20 cm平均溫度(圖2)和各土層全生育期平均溫度(圖3)，也可明顯看出上述隨不同時期和土層的溫度變化趨勢和處理間差異趨勢。夏季覆膜+麥秸還田處理(T6)和小麥碎稈覆蓋(T4)無論各時期平均溫度、還是各土層平均溫度，均與其它處理有顯著差異(P>0.05)。

處理間溫度極差最高值出現在分蘗期土壤5cm處的T6與T4間，T6高出T44.23 ℃，最小值出現在拔節期土壤15 cm處的T2與T3間(0.33℃)；各時期0—20 cm的平均極差為：前期2.70 ℃—2.88 ℃、中期0.35—0.76 ℃、后期1.00—1.99 ℃，各土層全生育期的平均極差依次為5 cm(1.75 ℃)>10 cm(1.52 ℃)>15 cm(1.38 ℃)>20 cm(1.28 ℃)。處理間變異系數(CV)前期7.54%—11.92%，中期0.77%—1.14%，后期1.55%—3.43%，各時期CV和極差趨勢一致，但各土層處理間CV大小相近(3.79%—4.05%)。

從圖1明顯可見，覆膜處理的溫度一般高于秸稈覆蓋處理。夏覆膜+麥秸還田處理(T6)在大多情況都處于最高或較高狀態，而小麥碎稈覆蓋(T4)在大多情況下處于最低或較低狀態。

與無覆蓋的CK相比，T6在各時期、各土層表現出突出的增溫效應，而其它覆蓋處理都不同程度地存在增溫和降溫的雙重效應，增溫效應覆膜>秸稈覆蓋，而降溫效應則秸稈覆蓋>覆膜，以碎稈覆蓋(T4)降溫最明顯。

統計圖1中覆蓋較CK增溫點次比例，在覆蓋處理共192個測定點次中，有54.7%的點次高于CK，相應45.3%點次低于CK。但處理間相差較大，各處理較CK增溫點次比例依次為：T6(96.9%)>T3(68.7%) >T5(53.1%) >T1(46.9%) >T2(43.8%) >T4(28.8%)。比較增溫和降溫幅度，各處理全生育期0—20 cm土壤平均溫度與CK的差值依次為：T6(0.57 ℃)>T3(0.21 ℃)>T2(-0.05 ℃)>T1(-0.07 ℃)>T5(-0.25 ℃)>T4(-0.63 ℃)。

圖1 各生育期各土層溫度的時空變化Fig.1 The temporal and spatial differences of soil temperature on different growth stages and soil layers treatmentsT1：夏季覆膜Mulching plastic film applied in the summer； T2：秋季覆膜Mulching plastic film applied in the autumn；T3：春季覆蓋Mulching plastic film applied in the spring；T4：小麥碎稈覆蓋 Mulching 5 cm length wheat straw in summer；T5：小麥整稈覆蓋 Mulching whole wheat straw in summer； T6：夏季覆膜+麥稈還田The combination T1 to field-returned wheat straw；CK：無覆蓋對照 Un-mulched control

全生育期0—20cm土壤平均溫度CK與T6、T3、T5、T4間分別存在顯著差異(P<0.05)，春季覆膜顯著高于秋季覆膜和夏季覆膜，整稈覆蓋明顯高于碎稈覆蓋。平均來看，覆膜(19.68 ℃)>CK(19.51 ℃)>秸稈覆蓋(19.07 ℃)。

比較各時期0—20 cm土壤平均溫度(圖2)，覆膜平均與CK的差值各時期依次為：成熟期(1.14 ℃)>孕穗期和播種期(0.30 ℃)>拔節期(0.21 ℃)>開花期(0.02 ℃)>灌漿中期(-0.02 ℃)>蠟熟期(-0.14 ℃)>分蘗期(-1.00 ℃)；而秸稈覆蓋平均與CK的差值各時期依次為：蠟熟期(0.25 ℃)>拔節期(0.06 ℃) >成熟期(-0.03 ℃)>孕穗期(-0.07 ℃)>開花期(-0.19 ℃)>灌漿中期(-0.28 ℃)>播種期(-1.54 ℃)>分蘗期(-1.73 ℃)。由上述差值可見，覆膜的增溫效應以成熟期最大，而秸稈覆蓋降溫效應以前期(播種—分蘗期)最明顯。需要強調的是：在拔節—孕穗期營養生長旺盛階段，覆膜較CK的明顯增溫有利于促進營養生長，秸稈覆蓋雖然有普遍降溫效應，但該階段秸稈覆蓋與CK地溫相差很小，不會造成對營養生長的明顯抑制。在開花—灌漿中期的氣溫較高季節，秸稈覆蓋的明顯降溫效應顯然有利于減輕高溫脅迫和促進籽粒灌漿，覆膜雖然前期有明顯增溫效應，但在該階段也與CK相近，不會明顯抑制籽粒形成和灌漿。小麥粒重在蠟熟期達到最大且灌漿結束，因此成熟期的溫度差異意義不大。

比較全生育期各土層平均溫度(圖3)，覆膜增溫效應和秸稈覆蓋降溫效應都以土壤5 cm處最明顯。覆膜-CK差值各土層依次為：5 cm(0.35 ℃)>10 cm(0.29 ℃)>15 cm(0.02 ℃)>20 cm(-0.02 ℃)，而秸稈覆蓋-CK差值各土層依次為：10 cm和20 cm(-0.35 ℃)>15 cm(-0.42 ℃)>5 cm(-0.61 ℃)。

圖3 各土層全生育期土壤平均溫度 Fig.3 The mean temperature in the different soil layers during the whole growth period of spring wheat

T6和T4不僅具有全面突出的增溫和降溫效應，而且在增溫和降溫的時空表現上有一定特殊性。T6與其他3種覆膜處理(T1、T2、T3)相比，除在成熟期增溫最明顯外(1.86 ℃)，播種期(0.87 ℃)和分蘗期(0.59 ℃)增溫幅度也明顯高于其他時期(0.13 ℃—0.35 ℃)，在土層上則以10 cm處增溫幅度最大，T6-CK差值各土層依次為：10 cm(0.72 ℃)>5 cm(0.68 ℃)>15 cm(0.47 ℃)>20 cm(0.40 ℃)；T4與T5相比，T4降溫幅度分蘗期>播種期，而T5相反，T4-CK差值各時期依次為：蠟熟期(0.02 ℃)>拔節期(0.01 ℃) > 成熟期(-0.13 ℃)>孕穗期(-0.17 ℃)>開花期(-0.24 ℃)>灌漿中期(-0.41 ℃) >播種期(-1.83 ℃)>分蘗期(-2.29 ℃)；土層間比較，T4與T5雖然都以5 cm處降溫幅度最大，分別為-0.78 ℃和-0.43 ℃，但T4在其它3個土層降溫幅度相近(-0.55 ℃—-0.60 ℃)，而T5在10 cm(-0.21 ℃)和15 cm(-0.24 ℃)處的降溫幅度高出20 cm處1倍以上(-0.11 ℃)。

各處理0—20 cm土壤平均溫度在不同生育時期間的變異系數依次為：T4(32.4%)>T5(30.7%)>T2(29.9%)>T1(29.3%)>T3(29.0%)>CK(27.5%)>T6(26.8%)，可見除T6外，其它5個覆蓋處理較CK明顯加劇了生育期間溫度的波動，以秸稈覆蓋的溫度波動幅度最大，而T6可平抑溫度的劇烈變化。

作物生長發育是一個循序漸進的過程，因此溫度對生長發育的影響實際上主要反映的是有效積溫影響。以往對小麥生長與氣溫關系研究表明，主莖每出生一片葉，約需有效積溫75 ℃[32]，相應地可長出1條(個)以上的次生根和分蘗，前期根、莖、葉的出生數量和出生早晚對營養生長量會產生重要影響。本試驗期間，春小麥全生育期土壤平均溫度每相差1 ℃，土壤有效積溫相差124 ℃。T6和T4全生育期0—20 cm土壤平均溫度雖然與CK分別僅相差0.57 ℃和-0.63 ℃，但全生育期有效積溫(≥0 ℃)相差甚大，T6和T4與CK分別相差70.7 ℃、-78.1 ℃，T6和T4間相差高達148.8 ℃。有效積溫的差異主要在前期，T6和T4在播種—拔節的苗期階段土壤有效積溫相差122.1 ℃，占到全生育期有效積溫總差異的82%。

2.2 土壤溫度的日變化差異

圖4反映了早、中、晚全生育期平均溫度差異及變化，各處理一致表現為：早晨隨著土層加深、溫度越高，中午和傍晚則相反。處理間的差異傍晚>中午>早晨、上層大于下層。處理間變異系數早、中、晚分別為1.3%、2.1%、2.6%，土層間依次為5 cm(2.4%)>10 cm(2.0%)>15 cm(1.9%)>20 cm(1.8%)。與CK相比，覆膜的增溫幅度和秸稈覆蓋的降溫幅度平均以傍晚和土壤5 cm處最明顯。

圖4 不同土層溫度平均日變化Fig.4 Average diurnal changes of soil temperature in various soil layers across the whole growth period

覆膜的增溫效應主要出現在早晨和傍晚，在中午各土層覆膜(除T6外)也出現普遍降溫現象，但兩種秸稈覆蓋在早、中、晚各土層一致表現為降溫效應。需要強調的是，T6在早、中、晚各土層都高于CK和其他處理，而T4則都低于CK和其他處理，分別表現全面、明顯的增溫和降溫效應。

2.3 產量及主要農藝指標差異

從表1可見，處理間產量存在顯著差異。除小麥整稈夏季覆蓋(T5)較無覆蓋對照(CK)顯著減產14.1%外，其它覆蓋處理均較CK顯著增產，以秋季覆膜(T2)增產幅度最大(37.3%)、小麥碎稈夏季覆蓋(T4)增產幅度最小(21.7%)。覆膜處理間比較，夏季覆膜(T1)和秋季覆膜(T2)的產量顯著高于春季覆膜(T3)，但夏季覆膜+麥秸還田(T6)和夏季覆膜(T1)間產量差異不顯著，表明短期秸稈還田沒有顯著增產效應。

比較產量三要素差異，處理間單位面積穗數、穗粒數差異顯著，而千粒重差異不顯著，表明覆蓋與否對粒重無明顯影響；單位面積穗數以產量最高的秋季覆膜(T2)最高、較CK顯著增加15.7%，T2的單位面積穗數也顯著高于T1、T4、T6。以產量最低的小麥整稈夏季覆蓋(T5)最低，較CK顯著降低15.7%。

覆蓋可顯著提高穗粒數，無論覆膜還是秸稈覆蓋，所有覆蓋處理都較CK穗粒數顯著增加(17.4%—36.3%)，以夏季覆膜+麥秸還田(T6)和夏季覆膜(T1)增加穗粒數最明顯，分別較CK提高36.3%和30.9%，T6和T1較與其它覆蓋處理穗粒數也顯著增加，表明夏季覆膜更有利于增加穗粒數。

從生長和產量形成角度綜合分析各處理產量高低的原因，發現秋季覆膜(T2)產量最高的原因是產量三要素、營養生長指標(株高和單株生物量)、收獲指數維持在一個相對較高和協調的水平；小麥整稈夏季覆蓋(T5)產量最低，主要是單位面積穗數嚴重不足；無覆蓋CK全生育期0—20 cm土壤平均含水量顯著低于覆蓋各處理，因此CK產量低可能主要受土壤干旱影響，導致穗粒數和單位面積穗數明顯較低、營養生長受到明顯抑制。

比較處理間變異系數，技術處理對單株營養生長量(DMW)影響最大(35.3%)，對單位面積穗數的影響(13.4%)大于穗粒數(9.5%)，以千粒重最穩定(2.9%)。

表1 產量及主要農藝指標

GY：籽粒產量Grain yield per unit area；YIR：增產率Yield increasing rate；SPUA：單位面積穗數Spikes per unit area；GPS：穗粒數Grains per spike；TKW：千粒重Thousand kernels weight；WUE：水分利用效率water use efficiency；PH：株高Plant height；DMW：開花期單株干重Dry matter weight per plant at anthesis；MT：全生育期0—20cm土壤平均溫度Mean temperature in 0—20cm soil across whole period；AMCS：全生育期0—20cm土壤平均含水量Average moisture content in 0—20cm soil across whole period；MMCS：全生育期0—200cm土壤平均含水量Mean moisture content in 0—200cm soil across whole period；WC：耗水量Water consumption；CV：變異系數Coefficient of variation; 同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.4 土壤溫度與產量及農藝指標相關

拔節期—開花期是春小麥植株開始增高到定長、單株干重進入快速增加到最大的旺盛營養生長階段，其中株高是反映營養生長狀況最可靠和明顯的指標。相關分析表明(表2)，株高與孕穗期均溫(0.81*)、拔節—開花期均溫(0.77*)、孕穗—開花階段積溫(0.79*)、拔節—孕穗期積溫(0.92**)、拔節—開花期積溫(0.91**)達到顯著或極顯著正相關。開花期單株生物量與孕穗期均溫也顯著正相關(0.84*)，表明土壤溫度的高低直接影響營養生長量的大小。但從表2可見，土壤溫度指標與產量及產量三因素相關不顯著(-0.07—0.55)。各時期和全生育期平均地溫和土壤含水量間也相關不顯著(-0.06—0.57)。

表2 土壤溫度與農藝指標相關

無論0—20 cm耕層、還是0—200 cm土壤水庫的全生育期平均含水量，產量最高的處理不一定含水量最高(表1)。相關分析也表明，產量與0—20 cm、0—200 cm全生育期平均含水量均無顯著相關，但這并不意味著產量與土壤水分沒有關系。產量與土壤墑情無顯著相關的原因主要是由覆蓋條件下耗水結構的改變引起的。農田耗水包括植株蒸騰和棵間土壤蒸發，后者約占麥田耗水30%—40%[33]，覆蓋阻隔了棵間土壤水分蒸發，無疑具有保墑效應，尤其是全地面覆膜幾乎阻隔了所有棵間土壤蒸發。從表1可見，全生育期耗水量覆膜與無覆蓋CK相近，覆膜平均較CK僅多5.5%，而產量覆膜平均較CK 高達30.0%，由此可見，覆蓋增產的原因主要是提高了蒸騰/蒸發比例，使得耗水主要用于植株蒸騰性生產，從而提高了水分生產效率和籽粒產量。

3 討論

本研究表明，春小麥0—20 cm土層全生育期平均溫度覆膜高于秸稈覆蓋，這與前人在冬小麥[8,34]、玉米[35]、青蔥[36]上的研究結果一致。隨著生育時期和土層不同，覆膜和秸稈覆蓋都不同程度的出現較無覆蓋對照增溫和降溫的雙重效應，這也與在冬小麥[34]、玉米[22,24,37]及棉花[23]等作物上的研究結論類似。同時本研究發現，春小麥秸稈覆蓋較無覆蓋生育期間的土壤溫度波動更劇烈，而劉煒[26]在冬小麥秸稈覆蓋溫度效應研究上得出了相反結論，這可能與冬、春小麥的生長季節不同、進而導致覆蓋對熱量傳導和溫度變化的影響不同有關。

夏季覆膜+麥秸還田處理(T6)具有突出、全面的增溫效應，且在同樣夏季覆膜情況下，溫度也顯著高于T1，表明秸稈對增加地溫有較強烈影響。秸稈在埋入土壤后，在土壤微生物作用下分解的同時，也會伴隨熱量和CO2的放出，同時在覆膜條件下會加快秸稈分解、阻止熱量和CO2的散失，這可能是T6地溫高的主要原因。

土壤溫度→營養生長→產量結構因素→產量之間的因果關系非常復雜，土壤溫度對產量形成的影響也因具體覆蓋技術不同而異。本研究表明，小麥碎稈夏季覆蓋雖然有最明顯土壤降溫效應，可能受土壤降溫較強烈影響，它的營養生長指標(株高和開花期干物質量)也最低，但其產量反而顯著高于CK(14.1%)和小麥整稈夏季覆蓋(41.7%)。而產量最高的秋季覆膜也不具有最明顯的增溫效應和最高的營養生長量。小麥整稈夏季覆蓋產量最低的直接原因是單位面積穗數嚴重不足，穗數少的原因不是基本苗少、而是成穗率低，成穗率低可能與前期地溫較低有關，也可能與非溫度未知因素有關。可見在一定土壤溫度范圍內，覆蓋引起土壤溫度的變化最對西北旱地春小麥產量不產生關鍵影響。本文雖然從表觀簡單相關分析發現，各時期和全生育期土壤溫度與產量、產量因素無顯著相關，但簡單相關分析并不能揭示土壤溫度與產量形成間真實的內在聯系。土壤溫度或大或小肯定影響生長和產量形成。

土壤溫度影響土壤水分蒸發，土壤水熱交換是同時進行的，因此土壤溫度和土壤水分之間存在著必然的互作效應。但本文對各時期對應的土壤溫度和水分相關分析發現，二者間無顯著相關，這與覆蓋本身有關。覆蓋阻礙了土壤水分地表蒸發，導致處理0—20 cm的土壤水分差異不大，必然會出現土壤溫度和水分不顯著相關的情況。

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Effect of mulching method on soil temperature and grain yield of spring wheat in rainfed agricultural areas of northwestern China

CHENG Hongbo1, CHAI Shouxi2,*, CHEN Yuzhang2, FAN Yingdan2, HUANG Caixia3, CHANG Lei2,YANG Changgang2

1CollegeofBioscienceandTechnology,GansuProvincialKeyLabofAridlandCropScience,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China2CollegeofAgronomy,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China3CollegeofEngineering,Lanzhou730070,China

This study determined the effects of mulching method on soil temperatures in the 0—20 cm soil layer, and grain yield of spring wheat (TriticumaestivumL.) in a semiarid rainfed agricultural area of northwestern China. The experiment was conducted at Tongwei Research Station, Gansu Agricultural University (34°55′N, 104°57′E) in 2012. The following 7 treatments were evaluated: plastic film mulch applied in summer (T1), plastic film mulch applied in autumn (T2), plastic film mulch applied in spring (T3), mulching with chopped wheat straw (5 cm in length) on the soil surface in summer (T4), mulching with whole wheat straw in summer (T5), T1in combination with harvested wheat straw returned to the field (T6), and control (no mulching, CK). Soil temperatures were measured and recorded at 32 points in each treatment. Soil temperatures differed significantly among mulching treatments, growth stages and soil layers. The largest difference in soil temperature occurred from the sowing to tillering period, followed by the dough stage to maturation period, whereas the smallest differences in soil temperature were in the jointing-middle filling stage. Soil temperature decreased with soil depth in the order 5 cm > 10 cm >15 cm >20 cm. Soil temperature in the T6plots was significantly (0.57 ℃) higher than, and this effect was more pronounced in the sowing, tillering, and maturing stages than in the other growth stages. The other five treatments either increased or decreased soil temperatures depending on growth stage and soil layer. Soil temperature was consistently increased by plastic film mulch but consistently decreased by straw mulching. The T4treatment had 9 points with soil temperatures higher than the CK, and 23 points lower than the CK. Mean soil temperature over the whole growth period was 0.63℃ lower in the T4 treatment than in the CK, with the difference being more obvious at the time of sowing and the tillering stage. Average soil temperatures over the whole growth period were in the order: plastic film mulch > CK > straw mulching. The highest difference occurred between T6and T4in the 5 cm soil layer at the tillering stage, with T6being 4.23 ℃ higher than T4. The largest variation soil temperature among growth stages was found in the T4treatment, with a coefficient of variation of 32.4%. Mulching increased the number of kernels per spike by 17.4% to 36.3% compared with the CK. Mulching increased wheat grain yield by 21.7% to 37.3% compared to the CK, with the maximum yield increase being with plastic film mulch applied in the autumn (T2). The exception was the T5treatment which decreased grain yield by 14.1% compared to the CK. It appears that theT2mulching method is the most suitable for spring wheat production in rainfed agricultural regions of northwestern China. There were highly positive correlations (r= 0.77*—0.92**) between soil temperature and plant height at jointing-flowering, but mulching method did not have a significant impact on spring wheat grain yield in the study area.

rainfed area; spring wheat; plastic mulch; straw mulching; soil temperature; Northwestern China

公益性行業(農業)科研專項(20130314); 現代農業產業技術體系建設專項(CARS-3-2-49)

2014-03-05; < class="emphasis_bold">網絡出版日期:

日期:2014-12-04

10.5846/stxb201403050373

*通訊作者Corresponding author.E-mail: sxchai@126.com

程宏波, 柴守璽, 陳玉章, 范穎丹, 黃彩霞, 常磊, 楊長剛.西北旱地春小麥不同覆蓋措施的溫度和產量效應.生態學報,2015,35(19):6316-6325.

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