不同覆膜栽培方式對旱作春小麥土壤溫度和籽粒產量的影響

劉宏勝，崔紅艷，吳 兵，高玉紅，李 映，牛俊義，武江燕，南炳江

(1.會寧縣WFP/IFAD農村綜合發展項目辦公室，甘肅會寧 730799； 2.甘肅省會寧縣農業技術推廣中心，甘肅會寧 730799；3.蘭州大學生命科學學院干旱農業生態研究所，甘肅蘭州 730000； 4.甘肅農業大學生命科學技術學院，甘肅蘭州 730070； 5.甘肅農業大學農學院，甘肅蘭州 730070； 6.甘肅省會寧縣氣象局，甘肅會寧 730799)

小麥是黃土高原半干旱區保障口糧的主要作物。由于該區域降雨稀少、蒸發強、雨水季節分布不均，加之自然降水和小麥需水規律不相吻合、春季低溫、伏旱高溫等因素的影響，小麥產量總體水平長期低而不穩，一般單產1 500 kg·hm-2左右[1-3]。因此，如何采取有效的耕作技術和蓄水保墑措施，增加降雨的入滲、保蓄和利用，提高土壤蓄水量[4]，對黃土高原半干旱區作物生產資源高效利用和農業可持續發展具有十分重要的意義。

地膜覆蓋是西北旱作農業的主要技術，而全膜覆土穴播技術是旱作農業的一項重大突破技術，是旱地小麥栽培的又一場革命[5]。該技術可以改善耕層的土壤水熱狀況，抑制地面的無效蒸發，大幅度提高農田降水利用效率，緩解干旱和春季地溫對小麥生長的不利影響，增產幅度達到30%以上[6-8]。保墑和增溫效應通常被認為是旱作區地膜覆蓋能大幅度增產的主要原因[9]。地膜覆蓋增溫效應的本質是由于近地表空氣相對穩定且傳導性低，地膜易于捕獲太陽輻射，使土壤表層升溫，并在膜下形成“溫室效應”[10-11]。與露地栽培相比，地膜覆蓋具有作物生長前期低溫季節增溫、后期高溫季節降溫的雙重效應，而且可以平緩地溫在季節間和晝夜間的劇烈變化[6,12-13]。研究表明，不同的覆蓋方式[14]、覆蓋材料[15]、覆蓋時期[16]、作物種類、生長季節等對土壤溫度的影響存在較大的差異[9]。山西旱地冬小麥在全地面覆膜平作穴播下全生育期15 cm處的地溫較膜側條播處理增加了0.98 ℃，積溫升高了233 ℃[17]。Ram等[18]指出，麥稈覆蓋總體表現出降溫效應，其中播種層的地溫較未覆蓋處理降低了2.7～3.1 ℃，但最終仍獲得了高產。地膜覆蓋雖能普遍促進作物增產，但覆膜增溫有時會引起小麥生長發育后期出現早衰的現象，粒重也有明顯下降[19]。陳恒洪等[9]研究發現，春季覆膜和秋季覆膜下旱地春小麥的土壤溫度沒有明顯的差異，膜上覆土與不覆土兩種方式間有較大差異，覆土處理的全生育期0～25 cm平均地溫低于不覆土處理1.57 ℃，但小麥產量卻增加了24.4%。在水溫條件差、大陸性氣候強烈、氣候生態條件特殊的黃土高原半干旱雨養農業區，旱地春小麥是少數可適宜種植的作物之一[12,20]。然而，前人在西北旱作小麥覆蓋溫度效應方面的研究較少，而更多關注的焦點是覆蓋的保墑效應[12]。本研究以傳統無覆蓋的露地種植為對照，比較了3種旱地小麥覆膜栽植方式對土壤溫度和籽粒產量的影響，以期明確最優的覆蓋栽培模式，為旱地春小麥高產高效栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2015年3-8月在甘肅省會寧縣會師鎮南嘴村的旱川地(35°38′E，105°02′N)進行。試驗區地處隴中黃土高原丘陵溝壑區，海拔高度1 772.3 m，年均氣溫8.3 ℃，無霜期155 d，≥10 ℃的有效活動積溫2 664 ℃左右，年降雨量356.7 mm。試驗地前茬為小麥，地力均勻，肥力中等。前茬作物收后及時淺耕曬垡，秋季結合深翻打磨收口施有機肥(顆粒雞糞)900 kg·hm-2、過磷酸鈣600 kg·hm-2和尿素300 kg·hm-2。試驗地土壤屬黃綿土，0～20 cm土壤，有機質含量為0.99%，全氮含量為0.07%，全磷含量為0.07%，全鉀含量為2.15%，速效氮含量為32.10 mg·kg-1，速效磷含量為9.72 mg·kg-1，速效鉀含量為165.80 mg·kg-1，pH值8.47。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，設置4個處理：全膜平作覆土穴播(film mulching on flat and hole-sowing with field soil，記為FFs)，選用寬幅120 cm的地膜全地面平鋪覆蓋，并在鋪好的地膜上面均勻撒厚度約1 cm的細綿土；全膜壟溝覆土穴播(film mulching on ridge and hole-sowing with field soil，記為FRs)，按壟寬16 cm，壟高5 cm，人工用手鋤開溝起壟，全地面覆蓋地膜，并在壟溝內均勻撒約1 cm厚的細綿土，壟溝內每間隔1 m打一個直徑約5 mm的滲水孔，壟溝內穴播一行小麥即可；全膜平作無土穴播(film mulching on flat and hole-sowing without field soil，記為FFn)，將地膜全地面平鋪覆蓋，地膜鋪好后每隔2 m在與地膜走向的垂直方向打一個土腰帶，防止大風吹起地膜；露地穴播(flat planting without film mulching，記為CK)，不覆膜，平作穴播。

所有處理均為人工覆膜、播種，設3次重復，小區面積16.15 m2(5.00 m×3.23 m)，走道寬0.5 m，試驗地四周設置保護行。供試品種為甘春25號，2015年3月22日播種，播量為270萬粒·hm-2，每小區播20行，行距16 cm，穴距12 cm，每穴播8粒。生育期間其他管理同當地大田，收獲期為2015年7月17日。

1.3 項目測定與方法

1.3.1 土壤溫度測定

在春小麥主要生育時期(苗期、分蘗期、拔節期、孕穗期、抽穗期、揚花期、灌漿期、成熟期)，各小區分別測定5、10、15、20和25 cm土層的土壤溫度。地溫計插入各小區中間的小麥行間，全生育期均在固定的地方讀取地溫數據。在干燥晴天測定地溫，各生育時期測定分別在8:00、12:00、14:00和18:00，日均溫取平均值。

1.3.2 小麥籽粒產量及其構成因子的測定

在小麥收獲期每個小區隨機取20株進行室內考種，測定株高、穗數、穗長、每穗小穗數、穗粒數和千粒重。小區單打單收，曬干后測定實際產量。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0軟件處理和分析數據，用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 春小麥主要生育時期不同土層溫度的時空差異

在春小麥各生育時期，不同處理的0～25 cm土層溫度存在較大的差異(圖1)。總體上，不同覆膜栽培處理間的差異在分蘗期最大，苗期次之，兩個時期變異系數分別為3.64%和3.07%。從不同土層看，不同個處理間地溫差異以20 cm土層最大，5 cm土層最小，兩個土層的變異系數分別為1.64%和1.41%。各處理的土壤日均溫均隨著春小麥生育進程的推進而逐漸升高，隨著土層的加深而不斷降低。與露地穴播(CK)相比，覆膜處理在春小麥苗期至抽穗期均表現出明顯的增溫效應，而在揚花期和灌漿期有一定降溫效應。就各個處理的增溫幅度而言，全膜平作覆土穴播(FFs)處理在春小麥孕穗期0～25 cm土層增溫幅度最大，地溫平均增加了1.03 ℃，而全膜壟溝覆土穴播(FRs)處理在分蘗期增溫幅度最大，高達1.33 ℃；在拔節期，全膜平作無土穴播(FFn)處理的增溫效應較明顯，比CK增加了1.16 ℃。在春小麥揚花期和灌漿期，3種覆膜栽培處理的0～25 cm土層平均溫度分別比CK低 0.25和0.43 ℃。由此可見，在春小麥不同生育時期，覆膜處理在不同程度上較CK有增溫和降溫的雙重效應。

a:苗期;b:分蘗期;c:拔節期;d:孕穗期;e:抽穗期;f:揚花期;g:灌漿期;h:成熟期;FFs:全膜平作覆土穴播;FRs:全膜壟溝覆土穴播;FFn:全膜平作無土穴播;CK:露地穴播。圖2同。

a:Seedling stage;b:Tillerinng stage;c:Jointing stage;d:Booting stage;e:Heading stage;f:Flowering stage;g:Filling stage;h:Mature stage.FFs:Film mulching on flat and hole-sowing with field soil;FRs:Film mulching on ridge and hole-sowing with field soil;FFn:Film mulching on flat and hole-sowing without field soil;CK:Flat planting without film mulching.The same in figure 2.

圖1春小麥不同生育時期各處理0～25cm土層溫度的時空變化

Fig.1Temporalandspatialchangesoftemperaturein0-25cmsoillayersunderdifferenttreatmentsatdifferentgrowthstages

2.2 春小麥全生育期0～25 cm土層平均溫度的動態差異

從春小麥各個生育時期0～25 cm土層平均溫度(圖2A)看，不同生育時期覆膜栽培處理與露地穴播處理(CK)的差值表現為孕穗期(0.93 ℃)>拔節期(0.92 ℃)>分蘗期(0.82 ℃)>成熟期(0.69 ℃)>苗期(0.46 ℃)>抽穗期(0.31 ℃)>灌漿期(-0.25 ℃)>揚花期(-0.43 ℃)。由圖2B可知，全膜平作覆土穴播(FFs)、全膜壟溝覆土穴播(FRs)和全膜平作無土穴播(FFn)處理在春小麥全生育期0～25 cm土層平均溫度分別為18.19、18.56和18.40 ℃，較CK分別增加了0.12%、2.16%和1.28%，而且FRs、FFn處理與CK之間差異均達到了顯著水平(P<0.05)。春小麥全生育期在0～25 cm土層溫度的變異系數表現為CK(20.50%)>FFn(20.33%)> FFs(18.49%)> FRs(18.24%)，覆膜處理的土壤溫度在春小麥生育期間的波動明顯低于CK，而且FRs處理的變異系數最低，對土壤溫度的變化具有較強的平抑作用。

圖柱上不同小寫字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。

Different small letters above columns indicate significant difference among treatments at 0.05 level.

圖2春小麥不同生育時期(A)和全生育期(B)各處理0～25cm土層平均溫度

Fig.2Meantemperatureofdifferenttreatmentsin0-25cmsoillayeratdifferentgrowthstages(A)andduringthewholegrowthperiod(B)ofspringwheat

2.3 春小麥全生育期土壤溫度的垂直變化

由圖3可以看出，各處理小麥全生育期0～25 cm土層平均溫度均表現為隨著土層的加深而遞減，與5 cm地溫相比，全膜平作覆土穴播(FFs)、全膜壟溝覆土穴播(FRs)和全膜平作無土穴播(FFn)處理及CK的25 cm地溫分別降低了5.48、5.60、5.40和5.38 ℃。各個覆膜處理10 cm地溫的降幅最大，達到2.05～2.40 ℃；25 cm地溫降幅最小，較20 cm地溫平均降低了0.63 ℃。與CK相比，3個覆膜處理的5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm平均地溫分別增加了0.45、0.40、0.38、0.37和0.34 ℃。其中，FFs和FRs處理對5 cm地溫的增加效應比較明顯，增幅達0.41和0.70 ℃；而FFn處理的15 cm地溫增加幅度最大，為0.45 ℃。

2.4 春小麥全生育期不同土層溫度的日變化差異

從小麥全生育期不同土層溫度日變化趨勢(圖4)看，地溫在8:00均隨著土壤深度的增加而不斷增加，在12:00、14:00和18:00則隨土層的加深而逐漸遞減。與CK相比，3種覆膜栽培方式在8:00、12:00和18:00都具有增溫效應，而且增溫效應以18:00最大，地溫平均比CK增加了1.24 ℃。但在14:00，與CK相比，春小麥全生育期FFs處理的地溫降低了0.65 ℃，而FRs和FFn處理分別增加0.55和0.22 ℃。不同處理間的變異系數在8:00、12:00、14:00和18:00分別為7.31%、17.26%、17.01%、13.38%，即土壤溫度的日變化在處理間的差異以12:00最大，14:00次之，8:00最小。不同土層間溫度的變異系數表現為5 cm(25.95%)>10 cm(21.53%)>15 cm(17.03%)>20 cm(10.64%)>25 cm(8.04%)，上層土壤溫度的變化大于下層土壤。

圖3 春小麥全生育期各土層平均溫度

圖4 春小麥全生育期不同土層溫度平均日變化

2.5 不同覆膜栽培方式對春小麥產量及其構成因素的影響

與CK處理相比，覆膜栽培下春小麥產量顯著增加(表1)。其中，FRs處理的產量最高，增產幅度達21.92%，而FFs、FFn處理分別增產了21.08%和9.64%。FFs、FRs和FFn處理的春小麥株高分別比CK高10.64%、6.72%、8.60%，而且差異均達到顯著水平(P<0.05)。不同處理中，FRs處理的穗數最多，FFn處理次之，二者較CK分別增加了6.60%和5.98%，但FRs與FFn處理之間差異不顯著(P>0.05)。春小麥穗長以FRs處理最大，FFs處理次之，分別比CK處理增加9.94%和7.02%，而FFn處理的穗長最短，較CK處理減少了6.43%。3處理中，FRs處理的每穗小穗數最多，而FFn處理最少，分別比CK增加5.88%和5.20%，但FFn與FFs處理間差異未達到顯著水平。春小麥穗粒數表現為FFs>FRs>FFn>CK，三個覆膜處理分別較CK增加15.53%、12.33%和3.00%，其中FFs、FRs處理與CK差異顯著。不同處理間春小麥的千粒重無顯著差異。這說明覆膜栽培對春小麥增產效應主要歸因于穗數和穗粒數的增加。

表1不同覆膜栽培方式對春小麥產量及其構成因素的影響

Table1Effectofdifferentfilm-mulchingplantingpatternsongrainyieldanditscomponentsofspringwheat

處理Treatment籽粒產量Grainyield/(kg·hm-2)株高Plantheight/cm穗數Earnumber/(×104·hm-2)穗長Earlength/cm每穗小穗數Spikeletnumberperspike穗粒數Grainnumberperspike千粒重1000?grainweight/gFFs3888．56ab106．51a228．38b7．32b14．31b33．74a50．38aFRs3915．40a102．74b233．94a7．52a14．40a32．80ab51．23aFFn3521．17c104．55ab232．58a7．28b14．28b30．08bc50．68aCK3211．57d96．27c219．45c6．84c13．60c29．20c50．33aCV/%9．204．332．863．962．606．870．82

3 討 論

土壤溫度是作物生長的重要環境因子之一，甘肅省隴中地區季節性低溫對作物出苗和保苗造成了極大的影響。研究表明，地膜覆蓋可明顯降低作物棵間蒸發，從而改善土壤水熱狀況，對干旱和春季低溫有很好的緩解作用，有利于作物的正常生長發育，提高產量和降水利用效率[21-22]。本試驗條件下，不同覆膜處理下春小麥各生育時期和0～25 cm土層的溫度存在較大的差異。與露地穴播(CK)處理相比，全膜平作覆土穴播(FFs)和全膜壟溝覆土穴播(FRs)處理分別在春小麥孕穗期、分蘗期的土壤溫度增幅最大，平均增溫1.03和1.33 ℃；而在抽穗期，全膜平作無土穴播(FFn)處理0～25 cm土層的溫度增加明顯，較CK增加了1.16 ℃。此外，在春小麥揚花期和灌漿期，3種覆膜栽培處理的0～25 cm土層平均溫度較CK處理分別降低了0.25 和0.43 ℃。從整個生育期看，不同覆膜處理0～25 cm土層溫度的變異系數(18.24%～20.33%)均低于CK(20.50%)。這說明覆膜處理可以減輕土壤溫度的波動。可見，在不同春小麥生育時期，覆膜處理在不同程度上有增溫和降溫的雙重效應[15]，這與在玉米[23]、冬小麥[24]等作物上的研究結論相似，而且FRs處理對土壤溫度的變化具有較強的平抑作用。

小麥苗期土壤溫度對根系和葉片的生長發育影響較大[25]，隨著土壤溫度的升高，植株的干物質積累量也逐漸增加，這為小麥的增產奠定了良好的基礎。李世清等[26]認為，地膜覆蓋有利于增加農田0～5 cm土層的溫度。在本研究中，3種覆膜栽培方式下春小麥全生育期各個土層均呈現增溫效應，以5 cm處增幅最大，平均為0.45 ℃。其中，FRs處理在5 cm處的增溫效應最明顯，增幅達0.70 ℃，高于其他處理19.27%～43.13%。尤其重要的是覆膜處理在18:00能明顯地提高0～25 cm土層的溫度，比CK平均增加了1.24 ℃。但在14:00，FFs處理的土壤溫度分別低于其他處理0.65～1.21 ℃，這一效果在灌漿期更加明顯，FFs處理的地溫比CK降低了0.89 ℃，這可能是由于春小麥灌漿期氣溫較高，FFs處理地膜表面的一層土可以削弱太陽光的直射，緩解了伏期高溫脅迫對小麥生長的危害[23]。

研究表明，干旱脅迫對西北黃土高原半干旱區春小麥的生產造成了嚴重的影響，小麥產量長期處于低而不穩甚至絕收的境況[2,27]。地膜覆蓋可以有效調控土壤水分時空再分配，促進土壤-作物水分的良性循環[28]，滿足生育期間的水分需求，從而使小麥株高、穗長、穗數和穗粒數均增加，最終實現小麥生產高產高效[8,29]。Du等[30]研究發現，相比露地栽培而言，覆膜栽培能使春小麥產量和地上部分生物量分別增加38.5%和44.0%。Ren等[31]和朱國慶等[32]指出，與平作無覆蓋相比，壟溝集雨種植的耕層(0～5 cm)土壤溫度增加了1.0～1.2 ℃，春小麥籽粒產量提高了17.6%～72.8%，水分利用效率提高3.05 kg·hm-2·mm-1。本研究中，地膜覆蓋可使春小麥顯著增產，且FFs、FRs和FFn處理的增產率分別為21.08%、21.92%和9.64%。可見，FRs處理更能促進旱作春小麥實現增產。

在本試驗條件下，地膜覆蓋在春小麥生長初期有明顯的增溫效果，0～25 cm土層的平均溫度可比露地提高0.31～0.93 ℃，而在春小麥揚花至灌漿期可降低土壤溫度0.25～0.43 ℃。與露地穴播處理相比，覆膜栽培可使春小麥顯著增產9.64%～21.92%，其中全膜壟溝覆土穴播處理的增產效果更佳。有研究指出，農業生產區氣溫每降低1 ℃，作物的生育期將會減少7 d，氣溫上升或下降1 ℃，糧食產量均具有增產或減產10%的潛力[33]。由此可知，在黃土高原干旱半干旱區，地膜覆蓋可以提高春小麥生育前期的土壤溫度，有利于加快小麥營養生長期的生育進程；而且還可以緩解伏期高溫對小麥生長的脅迫，減緩植株衰老，延長灌漿時間，從而為春小麥籽粒產量的形成奠定基礎。

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