不同灌水處理和覆膜對(duì)西北旱區(qū)農(nóng)田水熱狀況和春小麥生長(zhǎng)的影響研究

楊奇鶴，毛曉敏，楊 健，王 凱

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)水問(wèn)題研究中心，北京100083；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京100083)

春小麥?zhǔn)俏覈?guó)西北旱區(qū)主要糧食作物，種植廣泛。然而由于灌溉制度和田間管理不夠科學(xué)，很難在節(jié)水的同時(shí)保證高產(chǎn)。小麥的產(chǎn)量形成與生育期內(nèi)水分動(dòng)態(tài)變化密切相關(guān)[1]，而Xue等的試驗(yàn)證明過(guò)度灌水反而不利于產(chǎn)量[2]。大量研究表明[3-7]，地膜覆蓋能夠增加表層土壤含水量和溫度，減少土壤蒸發(fā)和植株蒸騰，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。將地膜覆蓋技術(shù)在干旱且耗水量大的西北地區(qū)小麥種植上推廣，具有較廣的應(yīng)用前景。本試驗(yàn)在具有西北地區(qū)典型氣候特征的石羊河流域進(jìn)行，通過(guò)對(duì)不同灌水處理和覆膜條件下農(nóng)田水熱狀況和春小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量的監(jiān)測(cè)，為尋求科學(xué)合理的灌溉和種植制度，為西北干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)高效用水提供參考。

1 試驗(yàn)布置

春小麥田間試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)水分處理，分別為：100%(W1)、100%減少1次灌漿期灌水(W2)、75%(W3)、75%減少1次灌漿期(W4)、50%(W5)，灌溉方式為畦灌。設(shè)置膜上穴播和不覆膜穴播2個(gè)田間管理處理，共10個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。共30個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)規(guī)格為5.5 m×7.5 m。為減少系統(tǒng)誤差，試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)排列(見(jiàn)圖1)。灌水處理根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)灌水定額設(shè)置，播前以當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)普施75 kg/hm2尿素和120 kg/hm2的過(guò)磷化鈣為底肥。

春小麥品種為永良4號(hào)，于2014年3月26日播種，7月24日收獲，生育期120 d。2014年試驗(yàn)田前茬2013年制種玉米,休閑期為180 d，入冬前對(duì)試驗(yàn)田進(jìn)行一次冬灌，使1 m土層內(nèi)土壤含水率基本達(dá)到田間持水率，3月播種時(shí)底墑保持良好，能夠有效保證順利出苗和苗期作物對(duì)水分的需求。

土壤干密度在作物收獲后，用體積為100 cm3的環(huán)刀法分層測(cè)定，測(cè)深為1.0 m，每層取3個(gè)重復(fù)。采用TRIME-PICO管式TDR系統(tǒng)測(cè)定土壤體積含水率，每個(gè)小區(qū)分別在行間各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，定期取土校準(zhǔn)，灌水及降雨前后加測(cè)；采用溫度數(shù)采系統(tǒng)監(jiān)測(cè)地溫。利用小氣象站獲得試驗(yàn)區(qū)的降雨量、蒸發(fā)量、風(fēng)速、空氣溫濕度和太陽(yáng)輻射等氣象資料。為消除邊際效應(yīng)，在每小區(qū)中間長(zhǎng)勢(shì)均勻處隨機(jī)取2個(gè)1 m2區(qū)作為產(chǎn)量觀測(cè)區(qū)，測(cè)定其株數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重。成熟時(shí)小區(qū)實(shí)收計(jì)產(chǎn)，按其產(chǎn)量換算成單位面積產(chǎn)量。

圖1 實(shí)驗(yàn)小區(qū)布置圖(單位：cm) 注：W1～W5分別表示水分處理，Y為覆膜，N為不覆膜。

2 結(jié)果分析

2.1 氣象數(shù)據(jù)

試驗(yàn)站內(nèi)小氣象站監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，2014年生育期內(nèi)降雨138.8 mm，較往年為多，日均風(fēng)速0.81 m/s，平均太陽(yáng)輻射量219.32 W/(m2·d)，全生育期平均相對(duì)濕度50.32，全生育期積溫1 982.02 ℃·d，有效積溫1 851.78 ℃·d與當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶜庀筚Y料基本相符。

2.2 土壤含水率和積溫狀況

圖2是1 m土層儲(chǔ)水量的變化情況。從0～100 cm土層含水量來(lái)看，同水分處理下地膜覆蓋小區(qū)土壤含水量前期較高于不覆膜小區(qū)，后期2者差異不大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，在春小麥生育期的前期，此時(shí)作物覆蓋度較低，田間蒸散發(fā)量主要以地面蒸發(fā)為主，覆膜可以有效減少蒸發(fā)，覆膜的1 m土層儲(chǔ)水量大于不覆膜；后期隨著氣溫升高，作物覆蓋度的增加，作物蒸騰占主導(dǎo)地位，此時(shí)覆膜與不覆膜土壤含水率逐漸接近，甚至可能導(dǎo)致覆膜情況下作物蒸騰量增加，耗水量也隨之增加，最終造成覆膜儲(chǔ)水量更低的情況。

圖2 春小麥覆膜與不覆膜處理土壤含水率變化

由于土壤溫度數(shù)采儀器數(shù)量的限制，試驗(yàn)過(guò)程中只對(duì)W1N、W1Y、W5N和W5Y 4種不同條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每臺(tái)土壤溫度數(shù)采儀器分別測(cè)量10、40、120 cm深度土層的溫度。圖3(a)

圖3 不同深度覆膜與不覆膜處理逐日累計(jì)積溫差

～(c)分別反映了春小麥生育期內(nèi)不同土層深度處覆膜相對(duì)于不覆膜的地溫積累情況。結(jié)果表明，地膜覆蓋有相當(dāng)好的保溫效果。每層土壤在覆蓋地膜的情況下均獲得了更大的積溫，隨著土層深度增加，積溫效果有所減弱，因?yàn)橥翆釉缴睿艿啬び绊懺叫　？傮w而言W1比W5積溫效果好，因?yàn)楣嗨匠浞郑寥篮礁撸谋葻崛莞撸軘y帶更多的熱量。120 cm處，W5獲得積溫更多，說(shuō)明在這一深度少灌水溫度損失少，覆膜后溫度積累的更多。

2.3 春小麥生育期

由表1可知，覆蓋地膜使小麥各個(gè)物候期提前，苗期平均提升3 d，分蘗期、拔節(jié)期平均提高2 d，其他各生育期也都有明顯提前。對(duì)于生育期較短(平均約為100 d)的春小麥而言，提前作用達(dá)到了比較顯著的水平。總體表明小麥溫度積累或后期水分脅迫會(huì)造成生育期提前，Masle J等人的研究也表明溫度和干旱會(huì)使生育期提前[8]。然而由于水分過(guò)度虧缺造成的生育期提前，可能不會(huì)對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生積極的影響。袁靜[9]的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)

表1 不同處理下小麥物候期統(tǒng)計(jì)

2.4 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成

表2、圖4為春小麥產(chǎn)量及水分生產(chǎn)率。覆膜造成小麥生長(zhǎng)受到限制，影響小麥分蘗，同時(shí)苗期放苗不能完全保證膜下麥苗出膜，也會(huì)導(dǎo)致后期畝穗數(shù)減少，所以覆膜小麥畝穗數(shù)均小于不覆膜小麥。然而由于地膜覆蓋的保水保墑效果，覆膜小區(qū)的穗粒數(shù)普遍高于不覆膜小區(qū)。數(shù)據(jù)顯示，覆膜對(duì)于春小麥增產(chǎn)有促進(jìn)效果，W1和W5增產(chǎn)效果最顯著，主要因?yàn)檫@2個(gè)水分處理下覆膜與不覆膜的單位面積穗數(shù)差異較小，但覆膜處理穗粒數(shù)增加較明顯，同時(shí)說(shuō)明W5處理?xiàng)l件下，由于地膜的保水作用，使得50%灌水量基本可以保證作物利用。W2、W4水分覆膜處理增產(chǎn)較少，無(wú)顯著差異，雖然千粒重和單位面積穗數(shù)較不覆膜有所降低，但穗粒數(shù)的微弱增加仍然使得最終產(chǎn)量小幅提高，也說(shuō)明了穗粒數(shù)是影響春小麥產(chǎn)量形成的主要因素。從產(chǎn)量構(gòu)成來(lái)看，覆膜處理下春小麥千粒重減少，但千粒重減少幅度有限，單位面積穗數(shù)減少也在很小的范圍內(nèi)，而除W2外其他水分處理下覆膜比不覆膜穗粒數(shù)增加較多。

對(duì)比相同覆膜條件下的水分處理，發(fā)現(xiàn)不覆膜情況下，隨灌水量減少(W1N、W3N、W5N)。W2N、W4N由于灌漿期減少一次灌水，其千粒重分別小于W1N和W3N，其中W3N和W4N的千粒重差距更大。在覆膜條件下，隨灌水量減少，千粒重、實(shí)際產(chǎn)量也隨之減少，W5Y千粒重減少尤其明顯，穗粒數(shù)受地膜的影響，在不同水分處理下差異并不大(W2Y除外)。無(wú)論覆膜與否，單位面積穗數(shù)大體隨水分減少而減少，少數(shù)數(shù)據(jù)存在異常是由于播種、實(shí)驗(yàn)踩踏等人為因素的影響，這是大田實(shí)驗(yàn)無(wú)法避免的客觀條件。總體來(lái)說(shuō)，隨著灌水量增加，覆膜與不覆膜春小麥的實(shí)際產(chǎn)量均有所增加，水分生產(chǎn)率有所下降。覆膜處理在相同灌水量情況下實(shí)際產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率均高于不覆膜處理，且在灌水量偏大和偏小時(shí)，提高更為顯著。

表2 各處理產(chǎn)量及水分生產(chǎn)率

圖4 不同灌水處理和覆膜下的產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率

3 結(jié) 語(yǔ)

研究表明地膜增溫效應(yīng)主要在春小麥冠層最大覆蓋前(開(kāi)花期前)，苗期至抽穗期效果最為顯著。地膜覆蓋的增溫作用使得覆膜處理根系層土壤溫度相對(duì)不覆膜處 理有明顯升高，因此在春小麥苗期至分蘗期大氣積溫相對(duì)較低的西北地區(qū)，地膜覆蓋可促進(jìn)春小麥的生長(zhǎng)發(fā)育。然而在開(kāi)花期后，氣溫逐步回升，這時(shí)地膜的積溫效果不如前期明顯。同時(shí)覆膜有效提高了土壤含水率，保證了作物生長(zhǎng)所必須的水分條件。通過(guò)試驗(yàn)可以看出，地膜覆蓋在節(jié)水保產(chǎn)方面的巨大優(yōu)勢(shì)，在覆膜條件下，適當(dāng)減少灌水量有助于提高水分利用率。然而現(xiàn)階段對(duì)覆膜條件下的春小麥研究還不夠充分，后續(xù)可以進(jìn)一步進(jìn)行地膜覆蓋下灌溉制度優(yōu)化的研究，或者對(duì)地膜覆蓋下SPAC水熱運(yùn)移機(jī)理進(jìn)行研究。

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