覆蓋模式對不同類型旱地冬小麥土壤水溫特征、籽粒品質和產量的影響

張禮軍，魯清林，汪恒興，張文濤， 周 剛，白玉龍，張耀輝

(1.甘肅省農業科學院 小麥研究所，蘭州 730070；2. 天水市農業學校，甘肅清水 741400； 3. 天水市農業科學研究所，甘肅天水 741001)

小麥(TriticumaestivumL.)是中國第三大糧食作物。甘肅冬小麥常年種植面積67 萬hm2，90%分布在黃土高原旱地，該區域山、川、塬交錯分布，降水少且分布不均，小麥生產最主要的制約因素是季節性水分虧缺[1]。近年來，以覆蓋(秸稈和地膜)為主的保護性耕作技術有效改變土壤水熱環境，大幅度提高小麥籽粒產量，在西北旱地冬小麥種植區得到有效推廣[2-3]。覆蓋主要包括地膜覆蓋和秸稈覆蓋。大量的研究表明，一方面地膜覆蓋抑蒸保墑，增加冬季積溫，改變作物用水結構，提高越冬成活率和水分利用效率，可使旱作區小麥增產30%以上；另一方面因殘膜難于回收和碳排放增加，地膜覆蓋也造成了嚴重的白色污染和土壤退化[4-10]。秸稈覆蓋是一種更為綠色、可持續的覆蓋模式。在中國西北地區，秸稈覆蓋表現出“高溫時降溫、低溫時增溫”的效應，能緩沖土壤溫度的變化，為作物生長創造良好環境[11]。但在氣候寒冷的北方，秸稈覆蓋的降溫效應會造成小麥生育期內積溫不足，導致前期出苗差，后期貪青晚熟，以致減產[12]。比較而言，秸稈帶狀覆蓋技術是一種利用玉米整秸稈進行局部覆蓋的新型旱地覆蓋技術，其增產幅度接近地膜覆蓋，在西北旱地農業區推廣更具優越性[13]。但秸稈帶狀覆蓋的應用尚處于探索階段，大多數研究多集中在降水量400 mm左右的黃土高原半干旱易旱區，而對其他區域的適應性及其水溫調節機制研究較少。

21世紀以來，中國小麥總產實現了“十四”連增，單產也從2001年的3 806 kg·hm-2提高到2017年5 481 kg·hm-2，大大高于國際同期平均的3 531 kg·hm-2[14]。然而，中國小麥品質不能滿足市場加工要求，結構性短缺問題依然嚴重，品質改良是當前小麥生產實現轉型的關鍵。盡管干旱頻發，但是甘肅冬小麥種植區光熱資源充足，土壤污染相對較輕，在優質小麥生產方面有巨大潛力。因此，如何通過品種改良和技術創新來調優小麥品質，已成為西北旱農區當前亟待解決的關鍵問題。小麥品質受基因型、環境和種植實踐等多種因素影響[15-18]。研究表明，沉降值、面筋指數、面團流變學特性等品質指標主要受基因型影響，而蛋白質質量分數、千粒質量、降落數值等對種植實踐和環境變化較為敏感[17,19]。覆蓋(秸稈、塑料膜等)對農田生態環境中水、肥、氣、熱的改善已經被大量研究所證實[4-6]，但對小麥籽粒品質的影響報道相對較少，僅有的結論也因地域環境、土壤質地、土壤肥力等條件的不同而發生變化[20-21]。為此，本試驗選擇不同的覆蓋模式和品種，在典型的甘肅旱地雨養農業區設計大田試驗，系統研究覆蓋模式對不同類型品種旱地麥田水溫特征、籽粒品質和產量的影響，為甘肅乃至西北旱地雨養農業區小麥優質穩產栽培提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

在甘肅省清水縣溫溝村的旱塬地進行試驗，該區地理坐標34°73′ N、106°20′E，海拔1 438 m，為典型的西北黃土高原半干旱雨養農業區。過去22 a平均降水為547.38 mm (1994-2015)，其中54%的降水發生在7-9月。土壤類型為黃綿土，耕層土壤有機質質量分數1.224%，可溶性氮為0.089 g·kg-1，有效磷12.20 mg·kg-1，速效鉀122.54 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

采用雙因素裂區設計試驗。主區為種植模式，分別為常規耕作(露地翻耕不覆蓋，CT)、全膜覆土穴播(PM)和玉米秸稈帶狀覆蓋(SM)。CT為西北旱地冬小麥種植的常規模式(即對照模式)：小麥收獲時留茬10～15 cm，其余秸稈隨籽粒帶走，7月中旬用鏵式犁深耕20 cm， 10月上旬耙耱后播種，平作，條播，行距20 cm，播量600萬株·hm-2。PM為全膜覆土穴播，其技術要點是在前茬小麥收獲后，秸稈帶走并進行翻耕，種植前覆蓋地膜，并在膜上覆蓋1 cm厚度的干土，穴播，行距20 cm，穴距12 cm，每穴10～12粒，播量約450萬株·hm-2；該模式因其增產潛力高，并且克服了其他地膜覆蓋的缺點，近年來在甘肅省旱地冬麥區得到大面積推廣。SM為玉米秸稈帶狀覆蓋，分秸稈覆蓋帶和種植帶，兩帶共60 cm，相間排列。秸稈覆蓋帶采用玉米整稈覆蓋，覆蓋 9 000 kg·hm-2，覆蓋時秸稈覆蓋帶與播種帶的兩個邊行各留2～5 cm左右間距，以防止秸稈壓苗。每個播種帶平作穴播3行小麥，總寬度約27 cm，相應預留覆蓋帶寬度約33 cm，穴距12 cm，每穴12粒，播量約500萬株·hm-2。副區為小麥品種，分別為‘中麥175’(ZM175)、‘蘭天26號’(LT26)和‘天選50號’(TX50)。‘中麥175’早熟，半矮桿，抗旱、穩產，適合在地膜上種植，中弱筋；‘蘭天26號’中早熟，中稈，大穗，豐產、穩產、適應性好，中筋；‘天選50號’熟性較晚，高桿，大穗，強筋。試驗3次重復，小區面積40 m2，試驗地前茬為小麥，每處理施入等量的N 150 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2。在翻耕前全做基肥一次性施入。其他管理均參考當地栽培實踐。試驗于2016-10-11播種，2017-07-01收獲，地膜覆蓋較露地推遲1周播種。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 水分和溫度 土壤水分的測定采用烘干法，于拔節、灌漿、收獲3個時期分0～10 cm、 10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm、100～120 cm、120～140 cm、140～160 cm、160～200 cm 10層用土鉆取土樣測定。土壤含水量=(土壤鮮質量-土壤干質量)/土壤干質量×100%。土壤溫度測定采用地溫計。拔節前將地溫計埋入各小區中間小麥行，于拔節、灌漿、收獲3個時期按照5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm 5個層次在固定的地方讀取地溫。測定日選擇干燥晴天，從8:00開始到18:00， 每2 h讀數1次，日均溫取6次的算術平均值。

1.3.2 產量和品質 收獲時從小區中部抽取20株，考種，計算穗粒數。同時，通過測量100 cm×60 cm樣方中穗數來確定單位面積有效成穗。小麥收獲后，各小區實收統計籽粒產量，在籽粒風干存放1個月后，每小區取樣3 kg進行品質分析。籽粒收獲后，用常規計數法計算千粒質量。品質測定由新疆農墾科學院作物研究所谷物品質與遺傳改良兵團重點實驗室委托完成。籽粒蛋白質質量分數的測定參照AACC 39-11方法[22]，采用丹麥FOSS公司1241型近紅外谷物成分分析儀檢測；粉質參數的測定參照GB/T14614-2006方法[23]，采用德國BRABENDER公司810110電子型粉質儀檢測；拉伸參數的測定參照GB/T14615-2006方法[24]，采用德國BRABENDER公司860033.002電子型拉伸儀檢測；淀粉糊化粘度的測定參照AACC 76-21方法[22]，采用澳大利亞NEWPORT SCIENTIFIC公司RVA- TecMaster快速粘度測試儀檢測；干、濕面筋質量分數以及面筋指數的測定參照GB/T14608-1993方法[25]，采用瑞典PERTEN公司2200型面筋數量/質量測定系統檢測；沉降值的測定參照AACC 56-61A方法[22]，采用中國農業大學BAU-I型沉淀值測定儀檢測；降落數值的測定參照GB/T10361-2008方法[26]，采用瑞典PERTEN公司生產的1500真菌型降落數值儀檢測。

1.4 數據處理

采用二因素裂區設計方法對數據進行統計分析。用SPSS Statistics 22.0進行方差分析，用Excel 2016作圖，用LSD法進行處理間多重比較(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 覆蓋模式對不同類型品種籽粒產量及其構成要素的影響

由表1可知，全膜覆土穴播(PM)顯著提高了旱地冬小麥籽粒產量，比常規耕作(CT)平均增產9.36%(P<0.05)。玉米秸稈帶狀覆蓋(SM)籽粒產量略高于CT，但差異不顯著(P≥0.05)。PM處理對籽粒產量的影響因品種類型的不同而存在差異，在PM處理條件下‘蘭天26號’‘中麥175’‘天選50號’產量分別為7 023.2、6 572.3、 5 147.3 kg·hm-2，比CT處理條件下相應的品種分別增產6.83%、12.90%、8.53%。顯而易見，增幅最大的品種是ZM175，說明比較其他兩個品種，ZM175在地膜上種植有更高的增產潛力。籽粒產量在品種間差異顯著(P<0.05)，依次為LT26>ZM175>TX50。在所有處理中，PM+LT26處理組合產量最高，比最低的CT+TX50組合提高48.09%。覆蓋模式對千粒質量、穗粒數、有效穗數均有顯著影響(P<0.05)。

表1 不同覆蓋模式條件下不同小麥品種籽粒產量及其構成要素Table 1 Grain yield and yield-related traits of winter wheat under different mulch methods

注：同列數據后不同小寫字母表示各處理差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Values marked with different letters in the column were significantly different (P<0.05)，the same below.

PM顯著提高了穗粒數，相反降低了有效穗數和千粒質量。比較CT，PM穗粒數提高22.45%，有效穗數和千粒質量分別降低11.92%和 4.07%。千粒質量、穗粒數、有效穗數在品種間差異顯著(P<0.05)。ZM175有效穗數最高，穗粒數最低；LT26千粒質量最高，穗粒數和有效穗數較高；TX50穗粒數最高，有效穗數和千粒質量 最低。

2.2 覆蓋模式對不同類型品種旱地麥田水溫特征的影響

從表2可以看出，覆蓋(PM和SM)顯著降低了灌漿期0～25 cm土壤溫度(P<0.05)。PM、SM處理灌漿期土壤溫度分別為17.6 ℃和 17.4 ℃，比CT低1.3 ℃和1.5 ℃。0～25 cm土壤溫度在品種間差異顯著(P<0.05)。比較ZM175，TX50顯著降低了各個時期土壤溫度，拔節期、灌漿期、收獲期分別降低1.5 ℃、2.5 ℃、 1.8 ℃，降幅最大的時期是灌漿期。覆蓋對土壤溫度的影響因土層深度的不同而不同，覆蓋降低了10 cm、15 cm、20 cm各土層土壤溫度，而對 5 cm和25 cm土層影響不顯著。SM處理10 cm、15 cm、20 cm土層土壤溫度分別為18.8 ℃、15.2 ℃、14.7 ℃，比相應的CT處理分別降低 1.9 ℃、0.9 ℃、 1.2 ℃；PM處理10 cm和20 cm土層土壤溫度分別為17.6 ℃和15.7 ℃，比CT處理降低3.1 ℃和0.2 ℃，降幅最大的是10 cm土層。

表2 不同生育時期和土層溫度差異Table 2 Temporal and spatial difference of soil temperature ℃

注：BS.拔節期；FS.灌漿期；HS.收獲期。下同。

Note: BS.Booting stage; FS.Filling stage; HS.Harvesting stage. The same below.

由表3可知，覆蓋(PM和SM)顯著增加了 0～200 cm土壤含水量(P<0.05)。PM處理拔節期和成熟期土壤含水量為12.64%和11.96%，比CT分別提高4.20%和3.28%；SM處理拔節期、灌漿期、成熟期土壤含水量分別為12.88%、 10.07%、12.06%，比CT高6.18%、12.77%、 4.15%。就不同土層而言，覆蓋(PM和SM)提高0～120 cm土壤含水量，而對120～200 cm土壤含水量影響不顯著。PM和SM處理0～120 cm土壤含水量分別為11.12%和11.60%，比CT高5.20%和9.75%。品種對土壤含水量的影響因種植模式、生育時期的不同而存在差異。對常規耕作處理(CT)，TX50和ZM175拔節期土壤含水量顯著低于LT26，灌漿期LT26顯著高于TX50，成熟期土壤水分在品種間無顯著差異。對于覆蓋處理(PM和SM)，所有生育時期土壤含水量在品種間均無顯著差異(P≥0.05)。

表3 不同生育時期和土層水分差異Table 3 Temporal and spatial difference of soil water content %

2.3 覆蓋模式對不同類型品種籽粒品質的影響

2.3.1 蛋白質質量分數、沉淀值、降落數值和面筋特性 覆蓋模式(PM和SM)對籽粒蛋白質質量分數、降落數值、濕面筋質量分數均有顯著影響(P<0.05，圖1)，而對沉淀值、干面筋質量分數、面筋指數影響不顯著(P≥0.05)。PM顯著增加了面粉的降落數值，SM顯著降低了籽粒蛋白質質量分數和濕面筋質量分數。比較CT，PM降落數值增加4.13%，SM籽粒蛋白質和濕面筋分別降低2.52%和6.07%。蛋白質質量分數、降落數值、沉淀值、濕面筋質量分數、面筋指數在品種間差異顯著。在3種種植模式下，籽粒蛋白質質量分數和沉淀值均表現為TX50>LT26>ZM175，蛋白質最高的TX50比最低的ZM175高 12.42%，沉淀值高100.00%。降落數值LT26>TX50>ZM175，LT26和TX50顯著高于ZM175。濕面筋質量分數LT26>ZM175>TX50，LT26顯著高于ZM175和TX50。面筋指數TX50>ZM175>LT26，TX50顯著高于ZM175和LT26，其中TX50面筋指數為88.5%，比LT26和ZM175分別高65.61%和68.76%。

2.3.2 淀粉糊化特性 覆蓋模式對峰值粘度、低谷粘度、最終粘度有顯著影響(P<0.05)，而對稀懈值、反彈值、峰值時間效應不顯著(P≥0.05，圖2)。比較CT，SM處理顯著提高了淀粉的糊化粘度，其中峰值粘度、低谷粘度、最終粘度分別提高1.93%、3.86%、2.46%。PM淀粉糊化粘度與CT無顯著差異。峰值粘度、低谷粘度、最終粘度、稀懈值、反彈值、峰值時間均在品種間存在顯著差異。峰值粘度、稀懈值、反彈值依次為ZM175>TX50>LT26，低谷粘度為LT26>ZM175>TX50，最終粘度為ZM175>LT26>TX50，峰值時間為LT26>TX50>ZM175。

2.3.3 流變學特性 由表4可知，覆蓋模式(PM和SM)對旱地冬小麥面團穩定時間和粉質評價值有顯著影響(P<0.05)，而對面團吸水率、形成時間、拉伸曲線面積、拉伸阻力、拉伸度、拉伸比例等指標無顯著影響(P≥0.05)。PM面團穩定時間和粉質評價值顯著高于SM，而與CT差異不顯著。比較SM，PM面團穩定時間和粉質評價值分別提高16.13%和8.33%。面團吸水率、形成時間、穩定時間、粉質評價值、拉伸曲線面積、拉伸阻力、拉伸度、拉伸比值在品種間均存在極顯著差異(P<0.01)。強筋型品種TX50所有流變學參數均顯著高于LT26和ZM175，LT26面團形成時間、穩定時間、粉質評價值、延伸度顯著高于ZM175，拉伸阻力顯著低于ZM175，吸水率、拉伸曲線面積、拉伸比例與ZM175差異不顯著。

同一種植模式下小寫字母不同者表明品種間差異顯著(P<0.05)。下同。

The different small letters marked above the histograms under the same tillage model represent the significant difference among the cultivars (P<0.05). The same below.

圖1 不同覆蓋模式條件下不同品種小麥籽粒蛋白質質量分數、沉降值、面筋和降落數值
Fig.1 Grain protein mass fraction,SDS sedimentation value,glutens and fallingnumber of various cultivars under different mulch methods

圖2 不同覆蓋模式下不同小麥品種淀粉糊化特性Fig.2 Starch viscosity of various cultivars under different mulch methods

處理Treatment吸水率/%Water absorption形成時間/minDevelopment time穩定時間/minStable time粉質評價值Farograph evaluation value拉伸曲線面積/cm2Extensograph area under curve拉伸阻力/BUExtensograph resistence延伸度/mmExtensibility拉伸比例Extensograph ratioCTZM17557.1 b1.9 c1.4 c25 d24 b108 b154 b0.7 bLT2662.7 a3.0 b2.2 b44 c22 b92 c158 b0.6 bTX5062.3 a5.1 a6.5 a82 a60 a175 a178 a1.0 aPMZM17557.1 b2.0 c1.4 c26 d22 b106 bc146 b0.7 bLT2662.0 a2.9 b2.2 b43 c22 b94 bc154 b0.6 bTX5063.1 a5.3 a7.1 a88 a62 a185 a178 a1.1 aSMZM17556.4 b2.0 c1.4 c26 d21 b104 bc140 c0.7 bLT2662.1 a2.8 b2.2 b43 c24 b94 bc159 b0.6 bTX5062.6 a4.9 a5.7 a74 b64 a177 a185 a1.0 a覆蓋模式 Mulch methodCT60.7 a3.3 a3.4 ab50 ab35 a125 a164 a0.8 aPM60.8 a3.4 a3.6 a52 a36 a128 a159 a0.8 aSM60.4 a3.2 a3.1 b48 b36 a125 a161 a0.8 a品種 CultivarZM17556.9 b2.0 c1.4 c26 c23 b106 b147 c0.7 bLT2662.3 a2.9 b2.2 b43 b23 b93 c157 b0.6 bTX5062.7 a5.1 a6.4 a81 a62 a179 a181 a1.0 a

3 結論與討論

本研究表明，全膜覆土穴播(PM)灌漿期0～25 cm土壤溫度比常規耕作降低1.3 ℃，0～120 cm土壤含水量提高5.20%，籽粒產量增加 9.36%，產量增加的主要原因是穗粒數的顯著增加，這些結論與Li等[27]和He等[9]的研究結果有相似之處。本研究也表明，玉米秸稈帶狀覆蓋 0～25 cm土壤溫度比常規耕作(CT)低1.5 ℃， 0～120 cm土壤含水量提高9.75%，籽粒產量略高于常規耕作，但無顯著差異，原因是產量三要素無顯著差異。王芳等[28]和李瑞等[29]在甘肅通渭進行的試驗結果則表明，覆蓋顯著增加旱地冬小麥籽粒產量，秸稈帶狀覆蓋增產的主要原因一是冬季的增溫有利于小麥安全越冬，增加有效穗數；二是灌漿期的降溫延長了灌漿持續的時間，更有利于籽粒增重。本試驗所在地海拔1 438 mm，年平均氣溫8.9 ℃，年均降水量547.38 mm，而通渭試驗點海拔1 590 m，平均溫度6.6 ℃，年降水量390.7 mm，盡管均屬黃土高原旱地雨養農業區，但氣象因子存在顯著差異，這可能是造成試驗結果差異的主要原因。同時，生育期相對較高的降水量也為常規耕作條件下分蘗成穗和后期灌漿提供了水分保障，這也是本試驗中全膜覆土穴播增產幅度大大低于其他研究的主要原因[5，8]。同樣在地膜覆蓋條件下， ‘中麥175’比‘蘭天26號’和 ‘天選50號’有更高的增產幅度。本試驗田間觀察結果也顯示，‘中麥175’比‘蘭天26號’早熟3～5 d，比‘天選50號’早熟8～10 d，而且在地膜上種植無倒伏發生。相反，‘蘭天26號’和 ‘天選50號’在灌漿后期均發生不同程度的倒伏，這是‘中麥175’在地膜上種植增產幅度更高的原因 之一。

蛋白質質量分數是衡量小麥籽粒加工品質的重要指標。已有的研究結果表明，覆蓋對小麥籽粒蛋白質質量分數的影響主要是通過改變土壤水分、溫度、營養(N、P)等環境因素來實現[30-32]。Grahamn等[33]和Li等[34]認為就單一因素來講，干旱或高溫脅迫在增加蛋白質的同時，增加了面筋強度，有利于加工品質的改善。充足的氮肥供應和合適的碳氮比有利于籽粒蛋白質的積累[28]。本研究結果表明，玉米秸稈帶狀覆蓋籽粒蛋白質質量分數顯著低于常規耕作。究其原因，一方面秸稈帶狀覆蓋蓄水保墑，同時降低灌漿期土壤溫度，有利于淀粉的累積，從而稀釋了籽粒蛋白質質量分數[30]；另一方面秸稈腐熟會降低氮肥有效性，不利于蛋白質累積和氮肥利用效率的提高[32]。與玉米秸稈帶狀覆蓋相比，盡管地膜覆蓋有較強的蓄水保墑效應，但不存在秸稈還田帶來的“爭氮”問題，灌漿期蛋白質和淀粉同步累積，因此對其質量分數影響不大。

本研究也表明，玉米秸稈帶狀覆蓋降低了濕面筋質量分數、面團穩定時間和粉質評價值，但提高淀粉的糊化粘度，有利于弱筋型品種加工品質的改善，同時可能改善面條的蒸煮特性。相反，全膜覆土穴播顯著增加了面粉的降落數值、面團穩定時間、粉質評價值，一定程度上增強了面團的筋力，有利于強筋型品種加工品質的優化。前人研究也表明，小麥面團強度取決于醇溶蛋白、麥谷蛋白的分布和組成，醇溶蛋白決定面團的延伸性，麥谷蛋白決定彈性[35]。地膜覆蓋提高蛋白質各組分中谷蛋白質量分數和谷醇比，從而改善加工品質[36]。另外，還發現除了蛋白質、降落數值、面團穩定時間、粉質評價值、淀粉糊化粘度等指標外，覆蓋模式對面筋指數、沉降值、面團吸水率、形成時間以及所有的拉伸參數均無顯著影響，相反幾乎所有的品質指標在品種之間差異均達顯著或極顯著水平，這一結論與Li等[34]的研究結果相似，這也說明在同一生態條件下，品種基因型是決定小麥加工品質的主要因素，而覆蓋等耕作栽培模式對加工品質的影響相對有限。