膜下滴灌對春小麥水熱條件及產量品質的影響

劉 偉 ，田德龍*，侯晨麗 ，徐 冰，任 杰，張匯娟

（1.內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018；2.水利部牧區水利科學研究所， 呼和浩特 010020；3.巴彥淖爾市農牧業科學研究院，內蒙古 巴彥淖爾 015000）

0 引 言

近年來，內蒙古河套灌區引黃水量不斷減少，農業灌溉水資源供需矛盾凸顯。春小麥是內蒙古河套灌區特色農產品之一，傳統畦灌條播模式耗水量較大，當地多年實踐灌溉定額平均為4 200～4 800 m3/hm2（除秋澆）；另外，傳統畦灌條播很容易受到倒春寒（4 月）、干熱風（7 月）的影響，導致產量低、品質差、效益低，農民種植意愿較低。因此，利用新的節水灌溉技術、改變傳統密植條播模式、提高麥后復種指數實現1 年2 茬糧經作物種植模式是解決這一問題的有效途徑。膜下滴灌小麥采用覆膜穴播的種植方式將滴灌小麥[1]和小麥覆膜穴播[2]技術的優勢有效結合，打破了密植作物難以覆蓋的區域。地膜覆蓋后土壤水分與近地面大氣交換受到地膜的阻斷，控制了土壤毛管水的土面蒸發，膜內的小環境水氣達到過飽和狀態，當土壤溫度降低時凝結成水珠，滴落在膜下土壤上，滲入下層土壤中，這種模式循環進行，達到保墑作用[3]。由此使得春小麥出苗提前7～9 d[4-5]，增加了播種—拔節階段積溫，使小麥分蘗數增加，且延長了幼穗分化時間，后期的增溫效應使小麥提早成熟，避開了高溫條件下的灌漿，生長期一般提早10～20 d，其中苗期縮短5～12 d，開花期提前3～16 d，結實期提前4～15 d[6]。膜下滴灌顯著提高產量三因素，尤其以穗粒數增加明顯。因此膜下滴灌充分發揮保墑、增溫、提早播種、提前收獲、提質增產、降低種子及肥料用量的特點[7-9]。小麥收獲后利用原有地膜、滴灌帶進行免耕種植一茬西蘭花等作物提高收益。

目前小麥有關研究多集中于覆膜方式[10-13]、生理生態效應[14-15]方面的研究。滴灌小麥是新疆在棉田滴灌技術的基礎上發展起來的一種密植型作物灌溉方式，具有增產、增效、節水、節肥等特點[1]。有關研究主要集中于作物生長[16-17]、水鹽運移[18]、耗水規律[19]、灌溉制度[17]、滴灌帶布設方式等方面[21-22]。覆膜措施可提高耕作層土壤水熱環境，作物出苗率及產量發生變化。以上2 種技術結合針對膜下滴灌小麥的研究鮮有報道。本文探討膜下滴灌對春小麥水熱條件及產量品質的影響，明確膜下滴灌小麥的優勢特點，為內蒙古河套灌區膜下滴灌小麥的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于內蒙古磴口縣三海子，為溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫7.6 ℃，年平均降水量為138.2 mm，年平均蒸發量2 096.4 mm，無霜期136～144 d。2017 年、2018 年小麥生育期內降水量分別為56.4、30.2 mm，但降水量分布極不均勻，參考作物蒸發蒸騰量（ET0）分別為698.3、669.9 mm（圖1）。土壤0～20 cm 為砂壤土，20～100 cm 為粉壤土，平均體積質量為1.52 g/cm3，生育期地下水埋深300 cm 以下。耕作層0～30 cm土層田間持水率為22%（體積含水率），土壤凋萎含水率為8%，有機質量7.51 g/kg、速效氮量11.33 g/kg、速效磷量31.11 g/kg、速效鉀量122.68 g/kg，冬季最大凍土層厚度1.2 m。

1.2 試驗設計

供試春小麥品種為永良4 號（中熟品種），當地傳統播種方式為條播，播種量為450 kg/hm2。不同于傳統條播，膜下滴灌采用人工點播，每穴播種8～12顆，播種量為300 kg/hm2。2 膜間行距和平均穴距均為12.5 cm，3 月中旬播種，7 月上旬收獲。試驗布置采用“1 膜2 帶”的膜下滴管模式，滴灌帶間距60 cm，選用普通白色塑料地膜（寬170 cm，厚0.008 mm），每膜播種12 行。試驗采用的滴管帶為單翼迷宮式（外徑：16 mm，壁厚：0.3 mm），設計流量2.4 L/h，滴孔間距30 cm，工作壓力50～100 kPa。

參照當地春小麥灌水量：灌水定額為1 050 m3/hm2，生育期灌水4 次，分別在分蘗期、拔節期、抽穗期、灌漿期，灌溉定額為4 200 m3/hm2。根據當地傳統畦灌灌溉定額，膜下滴灌試驗設置3 個節水標準（節水48%、36%、23%），依次對應灌溉定額分別為：2 175 m3/hm2（W1）、2 700 m3/hm2（W2）、3 225 m3/hm2（W3），膜下滴灌小麥生育期滴灌7 次，灌水周期為7～10 d。灌水量均采用水表控制（精度：0.001 m3）。每個處理3 次重復，共12 個小區，小區長50 m、寬7 m，小區設有隔離帶，在各小區間留有50 cm 寬、40 cm 高的小埂以供試驗灌溉和觀測，在試驗地四周按地形和小區布置情況留有保護區。

參照當地施肥量：播種前種肥施用磷酸二銨525 kg/hm2，尿素75 kg/hm2，追肥施用尿素600 kg/hm2（分別在分蘗—拔節期、抽穗—開花期施入，2 次等量撒施）。本試驗中膜下滴灌小麥播種前施肥磷酸二銨375 kg/hm2，尿素75 kg/hm2，追肥施用尿素300 kg/hm2，隨水滴施。追肥時間分別在分蘗期、拔節期、抽穗期、灌漿期。試驗開始之前，結合秋翻，秋翻施入腐熟的有機肥30 000～45 000 kg/hm2，之后秋澆。

1.3 測定內容及方法

氣象數據：試驗田附近自設的氣象站（HOBO-U30）自動采集，設定為1 min 測量1 次，每60 min 平均1 次，記錄數據包括氣溫、降水量、濕度、太陽輻射、大氣壓、風速等。

株高：每個生育期測定1 次，用卷尺測定，每個處理小區測10 株（定株）。

穗長：小麥抽穗后測定，每5 d 用卷尺測定1 次，每個處理小區測10 株（定株），取平均值使用；

干物質：每個生育期測定1 次。取長勢差異不大的10 株作為樣品，將地上部分及根部分開，分別稱取鮮質量后，放入烘箱在105 ℃殺青30 min 后，繼續在80 ℃烘干48 h 后稱其干質量。

小麥產量及品質：每個處理單打單收，曬干后稱質量，統計每個處理的籽粒產量。籽粒風干存放1 個月后，每個處理取樣3 kg 進行品質分析，主要測定指標為蛋白質量、濕面筋量、吸水率、穩定時間、形成時間、沉降值、拉伸面積、出粉率、延展性、最大阻力，采用瑞典波通DA7200 型近紅外分析儀。

土壤含水率：采用TDR 和土鉆相結合的方法，每個處理沿滴灌帶平行方向2 根滴灌帶中間設置5 根TDR 管。從開始播種至收獲結束每10 d 觀測1 次，灌水及降水前后12 h 加測。取樣深度為0～40 cm 每10 cm 為1 層；40～100 cm 每20 cm。

土壤水熱狀況監測：將北京東方生態科技有限公司生產的“云墑”水熱監測儀分別設置在W3 處理和CK，實時監測不同灌溉方式下土壤水熱狀況變化。水分測量精度±4%（體積含水率），土壤溫度測量精度±0.5 ℃。

根據各小區的生物量、籽粒產量和生長期間有效降水量（1 次或24 h 降水量大于5 mm）、灌溉量，計算各小區田間耗水量、水分利用效率進行算術平均，作為各處理的平均值。

采用水量平衡法計算各小區間耗水量，計算式為：

式中：ET 為田間耗水量（mm）；ΔW 為土壤貯水變化量（mm）；P 為有效降水量（mm）；I 為灌溉量（mm）；R 為徑流量（mm）；D 為地下水的補給和滲漏量（mm）。

試驗期間試驗區未發生持續性降雨，地面徑流損失R 可忽略不計；一般認為P<5 mm 為無效降雨，降雨系數為0；P=5～50 mm 時，降雨系數為1；當P>50 mm 時，降雨系數為0.8[19]。由于灌溉方式為滴灌，且該區域地下水位在3 m 以下，故忽略地下水補給和滲漏量。

小麥水分利用效率計算式為：

式中：WUE 為水分利用效率（kg/（hm2·m3））；Y 為產量（kg/hm2）。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel 2007制作圖表，用SPSS 17.0軟件進行單因素方差分析；如果差異顯著，則采用鄧肯氏新復極差檢驗法進行多重比較，檢驗處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 膜下滴灌對春小麥水熱狀況的影響

膜下滴灌小麥中，由于覆膜作用抑制了土壤水分的蒸發，小麥苗期外界溫度較低，覆蓋度較低，蒸騰強度小，膜下滴灌與畦灌0～40 cm 土層之間土壤含水率差異小，小麥快速生長期，蒸騰作用逐漸加強，畦灌處理地表完全裸露在大氣中，蒸發作用強于膜下滴灌，故整個生育期膜下滴灌土層間含水率均大于傳統畦灌，小麥生育后期，差異更為明顯。表1 為2017年和2018 年小麥W3 處理和CK 生育期平均體積含水率。

表1 2017、2018 年小麥生育期0～40 cm 土壤體積含水率 Table 1 Volumetric moisture content of wheat at 0 to 40 cm during the growth period in 2017 and 2018 %

由表1 可知，膜下滴灌小麥含水率較高，2017年生育期內膜下滴灌小麥0～40 cm 土壤平均體積含水率為15.03%，較傳統畦灌高5.29%，膜下滴灌小麥0～20 cm 平均體積含水率均顯著高于傳統畦灌（p<0.05）。2017 年3—4 月由于土壤溫度梯度，下層土壤水分向上運移，0～20 cm 土壤體積含水率大于20～40 cm。隨小麥生育期推進，5 月后，地表蒸發強度增加，小麥0～20 cm 土壤體積含水率較20～40 cm土層降低；與傳統畦灌相比，膜下滴灌條件下0～40 cm土壤體積含水率平均增加6.91%。2018 年膜下滴灌小麥0～40 cm 土壤平均體積含水率為21.99%，受秋澆影響，土壤體積含水率同比上年增加46.31%，較傳統畦灌增加6.47%。膜下滴灌小麥0～20 cm 土壤體積含水率較傳統畦灌增加0.14%～3.62%；20～40 cm 膜下滴灌小麥土壤平均含水率較傳統畦灌增加2.42%～17.94%，其中4—7 月膜下滴灌20～40 cm 土壤含水率顯著高于傳統畦灌（p<0.05）。膜下滴灌增加土壤水分，減少表層土壤水分蒸發，達到保墑效果。

由表2 可知，土壤溫度受外界溫度影響較大，隨外界溫度升高，0～40 cm 土層土壤溫度均升高。由于水的比熱容比土壤大，隨土層深度增加，土壤體積含水率增加，導致小麥20～40 cm 土壤溫度較0～20 cm土層偏低。2017 年膜下滴灌小麥0～20、20～40 cm 土壤平均溫度較傳統畦灌分別提高1.40、0.91 ℃。3 月膜下滴灌小麥0～20 cm 土壤溫度較傳統畦灌增溫最小，為0.47 ℃；5 月膜下滴灌小麥20～40 cm 土壤溫度較傳統畦灌增溫最大，為1.55 ℃。6 月后期受灌溉水溫度及小麥葉面積指數影響，土壤溫度增溫幅度減緩。2018 年膜下滴灌小麥生育期內0～20、20～40 cm土壤溫度較傳統畦灌增溫幅度呈平緩變化趨勢，分別增溫0.53、0.36 ℃。5 月膜下滴灌小麥0～20 cm 土壤溫度較傳統畦灌增溫最小，為0.38 ℃，可能原因為5 月外界氣溫在回升中上下幅度變化較大，同時該時期小麥進入拔節期進行灌溉，灌溉水溫偏低導致土壤溫度小幅降低。2017 年、2018 年膜下滴灌小麥生育期土壤溫度進行差異性分析可得，2018 年膜下滴灌小麥平均土壤溫度與傳統畦灌差異不顯著（p>0.05）；2017 年5 月膜下滴灌小麥20～40 cm 平均土壤溫度與傳統畦灌差異性顯著（p<0.05），其他月份土壤溫度均無顯著差異。可以看出與傳統畦灌土壤相比較，膜下滴灌可增加0～40 cm 土層土壤溫度，但土壤溫度差異不具有統計學意義。

表2 2017、2018 年小麥0～40 cm 土壤溫度變化規律 Table 2 Soil temperature changes of 0～40 cm wheat in 2017 and 2018 ℃

2.2 膜下滴灌對小麥生長及產量的影響

各處理小麥生育期株高及干物質累積量變化規律如圖2 所示。小麥拔節期—灌漿期株高增長速度最快，灌漿期達到最大，與CK 相比，2 a 膜下滴灌小麥灌漿期株高分別平均增加5.97%、2.89%。成熟期株高變化趨于穩定，小麥生長速度減緩。2 a 膜下滴灌小麥成熟期株高較CK 分別平均增高3.70、3.00 cm；2 a 膜下滴灌條件下，當灌水量從W2 處理增加到W3處理，株高明顯增高，分別增加5.51%、2.69%。小麥拔節期前干物質累積速度緩慢，拔節期—成熟期干物質積累速度加快。2 a 膜下滴灌條件下不同處理小麥成熟期干物質累積量較傳統畦灌相比平均提高7.53%和4.11%，2 a 膜下滴灌條件下，隨灌水量增加，小麥單株干物質累積量平均增加13.75%、5.60%，W3 處理干物質累積量最大，分別為7.13、6.55 g/株。表明膜下滴灌條件下有利于提高小麥株高及干物質累積量，灌水量增加促進小麥生長發育。

表3 為小麥各處理產量構成要素及水分利用效率結果。由表3 可知，與畦灌相比，膜下滴灌小麥2 a平均穗數、百粒質量和單株籽粒產量分別增加11.02%、2.71%和10.03%；2 a 膜下滴灌小麥的平均產量為5 219 kg/hm2，較畦灌提高20.80%。2017 年小麥產量最高，且不同處理小麥產量構成要素表現較好，其中低水處理小麥百粒質量、產量顯著高于CK（p<0.05），產量較傳統畦灌增加21.31%；隨灌水量增加，穗數、百粒質量及產量均增加，分別平均提高15.44%、10.26%、3.29%。2018 年不同處理小麥產量較上1 年下降，膜下滴灌不同處理小麥產量與灌水量呈正相關，當灌水量從W1 到W2 處理，W2 到W3處理，小麥產量分別增加21.03%、4.70%，灌水量過量增加，對小麥增產效應開始減小。較傳統畦灌（CK），膜下滴灌小麥各處理產量平均增加480.80 kg/hm2；W2 及W3 處理產量顯著高于傳統畦灌（CK）（p<0.05），分別增產663.67、867.10 kg/hm2。W1 處理小麥產量減小降低2.41%，其中百粒質量降低0.29 g。

圖2 2017 年、2018 年各處理小麥株高、干物質累積量變化規律 Fig.2 Changes of plant height and dry matter accumulation in wheat growth stages in 2017 and 2018

表3 2017、2018 年不同處理產量、產量構成要素及水分利用效率 Table 3 Yield components and WUE of different irrigation treatments of wheat in 2017 and 2018

小麥各處理生育期耗水量隨灌水量增加呈上升趨勢，由于灌水量增加，促進小麥快速生長發育，致使蒸騰量增加，2 a 均為傳統畦灌耗水最大，較膜下滴灌耗水量平均增加18.96%。膜下滴灌條件下不同處理中2 a 均為W3 處理耗水最大，2017 年W1、W2處理的總耗水量較W3 處理分別低13.97%、4.87%，2018 年則低11.42%、7.11%。2 a 的水分利用效率隨灌水量的變化存在差異。2017 年小麥不同處理水分利用效率隨灌水量增加而降低，膜下滴灌小麥各處理水分利用效率較傳統畦灌（CK）平均提高51.40%；2018 年小麥不同處理水分利用效率隨灌水量增加呈先增加后降低趨勢，膜下滴灌小麥不同處理水分利用效率均高于傳統畦灌（CK），平均提高43.92%。膜下滴灌條件下W2 處理水分利用效率最大，W1 處理最低，呈拋物線趨勢。可見在干旱地區，膜下滴灌較傳統畦灌可提高小麥產量，降低耗水量，提高作物水分利用效率；過量灌水會降低水分利用效率，適度水分虧缺可提高作物水分利用效率。

2.3 膜下滴灌對小麥品質的影響

表4 為不同處理小麥品質指標測定結果。2 a 膜下滴灌小麥各處理較傳統畦灌（CK）蛋白質、濕面筋量平均提高1.02%、2.42%，吸水率、穩定時間、形成時間等指標均增加。2 a 膜下滴灌小麥各處理受灌水量影響，小麥蛋白質、濕面筋量均為W1 處理最高，W3 處理最低；當灌水量從W1 到W2 處理，W2到W3 處理，蛋白質量平均減少0.34%、0.62%，濕面筋量平均減少0.89、1.46%。可以看出灌水過量時，小麥品質下降。2 a 膜下滴灌小麥各處理吸水率、穩定時間、形成時間等指標隨灌水量增加，變化趨勢不同，2017年隨灌水量呈遞減趨勢，W1 處理最大，2018 年呈拋物線變化趨勢，W2 處理最大。2017 年膜下滴灌小麥各處理蛋白質、濕面筋量平均值較CK 分別高1.32%、3.03%；2018 年則為0.73%、1.81%。其中W1 處理蛋白質、濕面筋量均顯著高于較傳統畦灌（CK）（p<0.05）。通過以上分析表明膜下滴灌有利于小麥各項品質指標的提高，膜下滴灌條件下灌水量2 175～2 700 m3/hm2更利于小麥品質的提升。

表4 2017 、2018 年不同處理小麥品質指標 Table 4 Quality indicators of different irrigation treatments for wheat in 2017 and 2018

3 討 論

膜下滴灌條件下土壤溫度的提高和水分狀況的改善是小麥增產的主要原因，覆膜措施調節了作物播種期土壤溫度，形成有利于春播作物播種及苗期生長的土壤水、熱環境，提高小麥出苗率。本研究膜下滴灌小麥0～20、20～40 cm 較傳統畦灌土壤平均溫度高0.97、0.64 ℃，較傳統畦灌0～40 cm 土壤含水率2017年、2018 年分別增加5.29%、6.47%，因2017 年試驗地秋澆水量較大導致2018 年試驗各處理0～40 cm 土壤體積含水率高于2017 年。因土壤水熱條件的改善，促進了小麥根系的生長，提高根系吸水和吸收礦質營養元素的能力，進而影響作物干物質的積累，提高作物產量。小麥從播種到拔節，一般土壤蒸發占總耗水50%～60%，植株蒸騰占40%～50%。拔節后土壤蒸發占40%，而植株蒸騰占60%左右[23]。覆膜有效阻隔了土壤水分蒸發，無效水分消耗減少，提高了蒸騰/蒸發比例，作物水分的良性循環，加大了土壤熱量梯度的差異，使土壤深層水分向上移動，并在上層聚積，形成提水上升的保墑效應[24]。與傳統畦灌相比，滴灌滴頭鋪設在膜下，土面蒸發減少，可溶性肥料隨水滴入作物根系區域，直接滿足作物水肥要求，滴灌不會產生地表徑流，減少水分滲漏，水肥利用效率均提高，作物達到豐產、增產目的[25]。本研究表明2017、2018年膜下滴灌小麥平均產量較CK 分別增產1 316.21、480.80 kg/hm2，2018 年膜下滴灌小麥同比上1 年產量下降34.11%，原因是2018 年小麥灌漿期蚜蟲危害發生，造成小麥產量嚴重減產。蛋白質是反映小麥品質的最直接目標，而濕面筋量在一定程度上反映了蛋白質品質，濕面筋量不同使得面團的彈性和黏性不同[23]。小麥品質受遺傳和環境的雙重影響，其中土壤水分對籽粒蛋白質量影響顯著，一般蛋白質量與土壤含水率負相關[27]，本研究表明，膜下滴灌小麥蛋白質及濕面筋量顯著高于CK，低水處理小麥蛋白質及濕面筋量最大。土壤水分過多或過少均會導致小麥產量、營養品質和加工品質的下降，適宜的土壤含水率既可以提高產量，又可以改善品質，水分多少影響了小麥籽粒氮代謝關鍵酶活性[28]，從而導致籽粒蛋白質量及其產量下降，影響籽粒品質。膜下滴灌小麥適宜灌水量為2 700 m3/hm2，較傳統畦灌可達到節水增產目的，達到提高水分對產量的增產效應，有利于提高生物量、產量、蛋白質及濕面筋量等指標。

4 結 論

1）膜下滴灌有利于增加前期積溫，使小麥能夠提前出苗且提高有效穗數，有利于后期小麥提早成熟。

2）膜下滴灌均有利于小麥各項品質指標的提高，膜下滴灌條件下灌水量2 175～2 700 m3/hm2更利于小麥品質的提升，同時提高了小麥水分利用效率。