覆膜對不同播期冬小麥根系生長和產量的影響

陳紫薇，丁奠元，董文俊，王乃江，李 悅，馮 浩,3

(1. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2. 揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009；3. 中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

冬小麥-夏玉米輪作是關中地區主要種植模式之一[1]。為了獲得更大的周年生產力，晚熟品種玉米不斷得到推廣，隨之導致了輪作系統中冬小麥的晚播[2-3]。冬小麥過度晚播會導致小麥苗期生長溫度過低，使得分蘗發苗率低；開花期溫度過高，加速植株發育，減少灌漿持續時間，最終造成冬小麥減產[4]。因此，穩定晚播冬小麥產量是進一步提升周年生產力的關鍵，如何穩定晚播冬小麥的產量成為亟待解決的重要科學問題。

地膜覆蓋技術是干旱半干旱地區有效蓄水保墑、穩產高產的重要農藝措施之一。研究表明，地膜覆蓋可以改善耕層的土壤水熱狀況，抑制土壤水分的無效蒸發，優化田間土壤中的水分條件，改善冬小麥關鍵生育期內土壤水分的供應[5]，進而提高作物水分利用效率[6-7]。與裸地處理相比，覆膜措施可以增加作物生長前期地溫季節溫度、降低后期高溫季節溫度，并且可以減緩土壤溫度在季節間和晝夜間的劇烈變化[8-9]。

地膜覆蓋技術對土壤水熱的改善必然影響作物根系的發展。根系是作物吸收水分和養分的重要器官，在SPAC系統中發揮著重要作用。優化根系形態對于冬小麥獲得高產至關重要[10]。研究表明，覆膜措施能有效促進早期的根系生長發育，增加根系參數，優化根系在土壤中的時空分布[11]。作物的主要根系參數包括根長密度、根表面積密度和根直徑[12]。研究表明，增加根長密度和根表面積密度可以緩解干旱脅迫對小麥生長發育的影響[13]。盡管前人對覆膜措施下冬小麥根系生長發育的規律進行了大量研究，但少有涉及覆膜措施對晚播冬小麥根系空間分布的研究。此外，在“覆膜+晚播”措施下，冬小麥根系生長與產量形成之間的關系需要深入研究。

鑒于以上研究現狀和存在的問題，本研究基于連續兩年度田間試驗，系統分析了覆膜措施對晚播冬小麥生育期內根系生長、根系空間分布、產量和水分利用效率的影響；通過分析比較覆膜與裸地處理間相關參數的異同，深入分析晚播冬小麥產量對覆膜措施的響應機制，以期緩解“冬小麥晚播-夏玉米晚收”種植模式對冬小麥生長產生的負面影響，為進一步提升該種植模式的周年生產力提供數據支持和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年10月至2019年6月在陜西省楊凌農業高新產業示范區西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院(34°20′ N、108°24′ E，海拔521 m)進行。該區位于關中平原中部，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，四季分明，降水主要集中在7—10月，多年年平均降水量630 mm左右，無霜期213 d。供試土壤為中壤土(砂粒∶粉?！灭ちＹ|量比為8∶73∶19)。土壤基礎理化指標：0～1 m土層的平均田間持水率為23%，凋萎含水率為8.5%(以上均為質量含水率)，土壤pH平均值為8.2，土壤平均容重、有機碳、全氮、全磷、全鉀、速效磷和速效鉀含量分別為1.37 g·cm-3、8.14 g·kg-1、0.95 g·kg-1、0.83 g·kg-1、20.42 g·kg-1、21.00 mg·kg-1和290.00 mg·kg-1。該站地下水埋深5 m以下，其向上補給水量可忽略不計。

1.2 試驗設計和田間管理

試驗設置不覆蓋(CK)和地膜覆蓋平作(PM)2種栽培方式，每種栽培方式下分別設置傳統播種時間、晚播10 d和晚播20 d 3個播期處理，共6個處理，各重復3次，共18個小區，具體處理見表1。試驗小區南北走向，長5.5 m，寬4 m，面積為22 m2，各小區隨機排列分布，周圍布置1 m寬的保護行。播種前先進行翻耕、整地和施肥，所用地膜為普通聚乙烯塑料薄膜，膜厚0.01 mm。

表1 冬小麥田間試驗處理

供試小麥品種為‘小偃22號’，人工穴播，穴距10 cm，行距20 cm，播種密度均為187.5 kg·hm-2。分別于2018年6月6日和2019年6月6日收獲。各處理冬小麥全生育期不灌水，于播種前將肥料一次翻入土壤，施用量分別為N 150 kg·hm-2、P2O5100 kg·hm-2、K2O 100 kg·hm-2。鋤草方式為定期人工鋤草，耕作方式為機械旋耕。2017—2018年和2018—2019年度冬小麥生育期降水分別為181.5 mm和205.8 mm，平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫分別如圖1a、b所示。

1.3 觀測項目和方法

1.3.1 根系參數和根冠比 用直徑為7 cm的根鉆在冬小麥各個主要生育時期采集根系樣本。每個小區選取具有代表性的2穴冬小麥，從莖基部切斷，獲得完整的地上部，使用根鉆在每穴冬小麥正下方取樣，距地面0～30 cm土層每10 cm為一層取樣，30 cm以下每20 cm為一層取樣直至無根出現。樣品分層裝袋，清水沖洗，去除雜物。使用EPSON Perfection V700型根系掃描儀掃描根系，利用WinRHIZO Pro軟件分析根系數據，獲得相應土層的根長、根表面積和根體積等各項特征參數。隨后將冬小麥根系和地上部在105℃殺青30 min，在75℃ 恒溫條件下烘干至質量恒定，測定根系生物量和地上部生物量，兩者的比值為根冠比。

小麥根長密度(RLD)及根表面積密度(RSD)計算；用已知測得的根長、根表面積，根據取根時的區域面積(根鉆內表面積)，以相應土層深度進行分層計算，用每個區域的根長、根表面積除以相應的體積得到各個區域的根長密度、根表面積密度，具體計算公式如下：

pli=li/vi

(1)

psi=si/vi

(2)

式中,pli為根長密度,cm·cm-3;psi為根表面積密度，cm2·cm-3；li為對應的總根長，cm；si為對應的總表面積，cm2；vi為對應的土體的體積，cm3。

1.3.2 考種測產及地上部生物量 冬小麥成熟后，在各個小區取1 m2(樣區)的小麥植株，人工脫粒測產，測量并記錄穗數、穗粒數和千粒重。

冬小麥關鍵生育期(返青期、開花期、灌漿期、成熟期)在每個小區選取生長狀況良好、具有代表性的5穴冬小麥，從莖基部切斷，獲得完整的地上部，105℃殺青30 min后，在75℃恒溫條件下烘干至質量恒定后稱重。

1.3.3 蒸發蒸騰量和水分利用效率 采用管式土壤水分測定系統Trime-IPH(TDR)分層測定0～200 cm土層土壤體積含水率，在0～100 cm土層每隔10 cm測量一次。100 cm土層以下每隔20 cm測量一次。在作物播種前和收獲后分層測定，全生育期內，測定時間間隔為10 d，下雨后加測一次。

土壤貯水量的計算公式如下：

(3)

式中，H為土壤貯水量(按100 cm計)，mm；θi為第i層土壤體積含水率，%；hi為第i層土壤厚度，cm；n(n=10)為所測土壤體積含水率時的層序。

冬小麥蒸發蒸騰量(ET)采用農田水量平衡公式計算。

ET=ΔH+P+I+K

(4)

式中，ET為作物蒸發蒸騰量，mm；ΔH為計算時段內土壤貯水量的變化(按100 cm計)，mm；P為時段降水量，mm；I為灌溉量，旱作為0，mm；K為時段內地下水的補給量，mm。由于試驗田地下水埋深在5 m以下，可視K為0；降水入滲深度不超過2 m，可視深層滲漏為0。

冬小麥水分利用效率(WUE)計算公式如下：

WUE=Y/ET

(5)

式中，WUE為水分利用效率，kg·hm-2·mm-1；Y為產量，kg·hm-2;ET為作物蒸發蒸騰量，mm。

1.4 統計分析方法

試驗數據采用Microsoft Excel 2018進行整理和處理，所有數據均為各重復測定的平均值，Sigmaplot 12.5軟件作圖，運用SPSS 20.0統計分析軟件對數據進行單因素方差分析，采用LSD法檢驗差異顯著性(P<0.05)。利用R中的“Corrplot”包分析產量、水分利用效率等和根系參數的相關性。

2 結果分析

2.1 冬小麥根系的時空分布特征

在冬小麥的3個典型生育期，冬小麥RLD主要分布在0～30 cm土層中，其中0～10 cm土層為根系主要富集區(圖2)。不同處理下RLD隨土層深度的變化趨勢基本一致，越接近表層土壤，根系分布越多，RLD越大；隨著土層的深入，RLD呈遞減趨勢(圖2)。2017—2018年返青期，PM0處理0～10 cm土層RLD比CK0處理顯著增加了14.4%，PM10、PM20處理分別比CK0處理降低了22.84%和61.03%(P<0.05，圖2a)，>10 cm土層返青期RLD處理間差異均不顯著(P>0.05)；2017—2018年開花期PM0、PM10處理0～10 cm土層RLD分別較CK0處理顯著提高44.76%、16.82%(P<0.05)，PM20處理RLD顯著低于CK0處理(圖2b)；2017—2018年灌漿期PM0、PM10處理0～10 cm土層RLD低于CK0處理，差異不顯著，PM20處理RLD較CK0處理顯著降低了14.70%(P<0.05，圖2c)。2018—2019年返青期，PM0、PM10、PM20處理0～10 cm土層RLD分別較同播期裸地處理提高26.31%、53.81%和65.43%，PM0、PM10處理0～10 cm土層RLD均高于CK0處理，差異不顯著(圖2d)；2018—2019年冬小麥開花期PM0、PM10處理0～10 cm土層RLD分別比CK0處理顯著增加了26.33%和28.63%(P<0.05，圖2e)；2018—2019年灌漿期PM0、PM10處理0～10 cm土層RLD均高于CK0處理，差異不顯著(圖2f)。

在冬小麥整個生育期，RSD主要集中分布在0～30 cm(圖3)，處理間差異性主要來自于0～20 cm土層。2017—2018年返青期，PM0處理的0～10 cm土層RSD大于CK0處理，差異不顯著，PM10、PM20處理RSD分別比CK0處理降低了31.77%和55.97%(P<0.05，圖3a)；2017—2018年開花期，PM0、PM10處理0～10 cm土層RSD較CK0處理分別增加了46.36%和36.33%，PM20處理RSD較CK0降低了31.03%，差異顯著(P<0.05，圖3b)；2017—2018年灌漿期，PM0、PM10處理0～10 cm土層RSD均高于CK0處理，PM20處理較CK0處理低，差異均不顯著(圖3c)。2017—2018年3個典型生育期，除了開花期和灌漿期PM20處理，覆膜處理下0～10 cm土層的RSD均高于同播期裸地處理，開花期各覆膜處理0～10 cm土層的RSD與同播期裸地處理間差異顯著(P<0.05)。2018—2019年覆膜效果較好，3個生育期覆膜措施下3個處理RSD均高于同播期裸地處理。2018—2019年返青期和開花期，PM0處理0～20 cm土層RSD較CK0處理高，PM10、PM20處理低于CK0處理，差異均不顯著(圖3d,e)；2018—2019年灌漿期，PM0、PM10、PM20處理0～20 cm土層RSD較CK0處理高，其中，PM0處理比CK0處理高124.59%，差異顯著(P<0.05,圖3f)。兩季冬小麥覆膜處理0～10 cm土層RLD、RSD大小均表現為PM0>PM10>PM20。

2.2 不同處理對冬小麥根系生物量的影響

2017—2018年冬小麥返青期，PM0與CK0處理根系生物量無顯著性差異，PM10、PM20處理根系生物量顯著低于CK0處理(P<0.05，表2)。2017—2018年開花期和灌漿期，PM0、PM10處理根系生物量較CK0處理高，PM20處理根系生物量比CK0處理低，差異均不顯著(P>0.05);在兩種種植模式下，正常播期和晚播10 d處理間根系生物量無顯著性差異，晚播20 d處理均顯著小于其對應的正常播期處理根系生物量(P<0.05)。

2018—2019年冬小麥覆膜措施下3個處理在3個典型生育期根系生物量均顯著高于同播期裸地處理(P<0.05，表2)。2018—2019年返青期，PM0、PM10、PM20處理的根系生物量與CK0處理相比，分別顯著增加69.86%、63.66% 和50.60%，較同播期裸地處理分別顯著增加69.86%、63.67%和50.59%(P<0.05)；在兩種種植模式下，播期處理間均無顯著性差異。2018—2019年冬小麥開花期，PM0處理根系生物量顯著高于其他處理(P<0.05)，PM10、PM20處理略低于CK0處理，差異不顯著(P>0.05)。2018—2019年冬小麥灌漿期，PM0處理的根系生物量顯著高于其他處理，較其它處理平均值高出130.2%(P<0.05)，PM10、PM20處理略高于CK0處理，差異不顯著。2018—2019年冬小麥灌漿期根系生物量在覆膜和晚播處理間具有極顯著交互作用(P<0.01)。2018—2019年冬小麥3個生育期覆膜措施下處理間根系生物量均表現為PM0>PM10>PM20。

2.3 不同處理對冬小麥地上部生物量和根冠比的影響

如表2所示，2017—2018年冬小麥返青期，與CK0處理相比，PM0處理地上部生物量顯著提高了148.10%(P<0.05)，PM10、PM20處理地上部生物量低于CK0處理，其中PM20處理比CK0處理低36.43%，處理間差異顯著(P<0.05)；2017—2018年開花期，3個覆膜處理地上部生物量均較CK0處理大，差異不顯著(P>0.05)；2017—2018年灌漿期，PM0和PM10處理地上部生物量比CK0處理大，PM20處理地上部生物量比CK0處理小，差異均不顯著。2018—2019年返青期，覆膜措施下3個處理的地上部生物量與CK0處理相比，分別增加了147.74%、58.28%和10.26%，其中PM20與CK0處理間差異不顯著；2018—2019年3個生育期覆膜措施下3個處理均顯著高于CK0處理(返青期PM20除外，P<0.05)；覆膜措施下3個處理的地上部生物量均顯著高于同播期裸地處理(P<0.05)(表2)。

表2 不同處理對冬小麥根系生物量、地上部生物量和根冠比的影響

2017—2018年返青期，覆膜措施下3個播期處理根冠比均顯著低于CK0處理(P<0.05)；2017—2018年開花期，兩種種植模式下，根冠比最大值均出現在晚播10 d處理；2017—2018年灌漿期，所有處理的根冠比無顯著性差異。2018—2019年返青期后除了PM10處理的根冠比與其對應的裸地處理間無顯著性差異，其余均表現為覆膜處理的根冠比顯著低于同播期裸地處理(P<0.05)。

2.4 不同處理對冬小麥產量和水分利用效率的影響

由表3可知，2017—2018年PM0、PM10處理分別比CK0處理增產3.58%、8.43%，水分利用效率比CK0處理提高4.11%、7.89%，差異均不顯著(P>0.05)；PM20處理比CK0處理顯著減產21.58%，水分利用效率比CK0處理顯著降低10.40%(P<0.05)；覆膜措施下3個處理產量和水分利用效率均高于同播期裸地處理，其中PM20處理與CK20處理差異顯著(P<0.05)。在兩種種植模式下，正常播期與晚播10 d處理間產量和水分利用效率均無顯著性差異，晚播20 d處理顯著低于其他播期處理(P<0.05)。與CK0處理相比，PM0、PM10處理增產主要是增加了單位面積上有效穗數，較CK0處理分別增加了8.70%、1.21%。地上部生物量處理間無顯著性差異，不同處理間ET值無顯著性差異。

表3 不同處理對冬小麥產量、生物量和水分利用效率的影響

2018—2019年，PM0、PM10、PM20處理比CK0處理分別增產58.58%(P<0.05)、21.27%、6.65%，水分利用效率比CK0處理分別顯著提高56.23%、47.83%、93.74%(P<0.05)。PM0處理的產量比其他處理增加顯著(P<0.05)。覆膜措施下3個處理產量和水分利用效率均高于同播期裸地處理。在兩種種植模式下，產量和水分利用效率均表現為，隨著播期推遲產量與水分利用效率呈減小的趨勢。與CK0處理相比，PM10、PM20處理增產主要是增加了單位面積上有效穗數和地上部生物量，差異均顯著(P<0.05)。覆膜處理中，兩季千粒重均在PM10處理達到最大。除了2018—2019年PM20處理顯著低于其他處理外，處理間ET值無顯著性差異。

3 討 論

3.1 不同處理條件下冬小麥根系動態變化

根系是冬小麥吸收水分和養分的重要器官，其生長動態從側面反映了冬小麥的生長發育狀況，對籽粒產量也具有極其重要的影響[14]。研究表明，RLD和RSD在作物提高土壤水分和養分利用效率方面作用顯著[15]。Hu等[16]研究發現,覆膜處理提高了0～40 cm土層的土壤水分，顯著提高上層土壤中根系參數，從而提高籽粒產量和水分利用效率。潘小蓮等[17]研究發現，覆膜處理能夠改善表層土壤的水熱條件和物理結構，從而導致根系的富集深度變淺。本研究中，冬小麥返青期、開花期覆膜措施下3個播期處理的兩季RLD、RSD、根系生物量均高于同播期裸地處理。此外，本研究也表明，覆膜措施對晚播冬小麥的根系生長具有一定的促進作用，該促進作用可由PM10和PM20處理的根系指標同CK0處理的根系指標對比得出。2017—2018年的PM10和PM20處理的根系生物量在開花期趕上甚至超過CK0處理(表2)，其中PM10處理0～10 cm土層的RLD、RSD在開花期超過了CK0處理(圖2，圖3)；2018—2019年PM10和PM20處理根系生物量在返青期均顯著大于CK0處理(表2)，其中PM10處理0～30 cm土層的RLD在返青期高于CK0處理，PM10處理0～30 cm土層的RSD在開花期趕上了CK0處理(圖2，圖3)。2018—2019年的覆膜效果相比2017—2018年存在明顯的效果，原因可能是2017—2018年冬小麥整體播期推遲導致冬前覆膜措施促進根系生長的作用不明顯。

前人研究發現，隨著冬小麥生育期的發展，冬小麥RLD、RSD和根系生物量均呈先增后減的趨勢，在越冬到開花期根系生長最為旺盛[13,18]。本研究中，2017—2018年開花期冬小麥RLD、RSD和根系生物量均達到最大值，但是2018—2019年根系參數均在返青期就達到最大值，兩季根系參數在何時達到最大值，并未取得一致的結果。原因可能是2018—2019年所有處理的播期均早于2017—2018年，使得2018—2019年冬小麥冬前生長期變長，根系獲取了更多的水分和養分，更早地進入快速生長階段。此外，冬小麥越冬期“上閑下忙”，是晚播冬小麥擴大根系的重要時機。雖然傳統播期小麥的根系增長量比晚播的大[19]，但是，若以返青期苗情為基礎，晚播小麥根系指標的增長率顯著大于傳統播期冬小麥的根系性狀增長率[20]。本試驗中，2018—2019年越冬期至返青期，晚播10 d、晚播20 d處理根系增長率均優于正常播期處理。因此，進一步優化冬小麥播期對當地冬小麥穩產增產有重要意義。

3.2 不同處理冬小麥產量和水分利用效率

作物產量綜合反映了系統管理水平與土壤生產力，是農業持續發展的重要評價指標，提高作物產量和水分利用效率是相關科研工作的主要目的[21]。前人研究表明，作物產量形成與其所在地區的光溫水等生態條件密切相關[22]。在冬小麥-夏玉米輪作模式中，在不增加任何投入的前提下，由于播/收期的調整，晚播冬小麥生長天數及其分配的光溫水資源量逐漸減少，從而導致其產量降低[2, 23]。本研究中，兩種種植模式下，兩季冬小麥平均產量均隨著播種日期的推遲，呈現出逐漸下降的趨勢(表3)。大量研究表明，覆蓋栽培是提高作物產量的有效栽培方式[24-26]。地膜覆蓋增產的主要原因是提高了土壤水分和溫度，減少了土壤水分的無效蒸發，促進了作物生長，增加了有效穗數[15, 27-28]。近年來，黃土高原南部地區全膜覆蓋可平均增產34%[29]。闞玉文等[30]研究發現，覆膜處理對不同播期冬小麥均具有顯著的增產效果和節水防旱效果。本研究中，PM0、PM10、PM20處理平均產量分別比同播期裸地處理增產了22.71%、22.00%和78.11%；水分利用效率分別提高17.87%、30.33%、74.27%(表3)。整個生育期各覆膜處理與同播期裸地處理間ET無顯著性差異，所以WUE主要受到產量的影響。晚播冬小麥覆膜增產機理的核心是覆膜充分利用了太陽輻射，提高了土壤耕層的溫度，補償或部分補償了因晚播而減少的積溫[31]。劉峰等[32]研究發現，在播種量相同的情況下，晚播冬小麥主要是通過增加穗數來提高產量。本研究中，PM10處理的有效穗數、千粒重等產量性狀均優于CK0處理，兩年平均產量較CK0處理提高了11.71%。適時晚播條件下冬小麥覆膜穴播能夠取得，甚至超過傳統播期冬小麥的產量。

3.3 覆膜處理下冬小麥產量、水分利用效率與根系參數的相關關系

各主要生育期根系參數都對產量具有重要作用。生育初期，冬小麥生物量增加迅速，對水分和養分要求較高，因此前期根系參數的快速生長對產量形成具有正效應[33]。同時，開花期時根系的生長發育對作物生產非常重要，尤其是易受干旱脅迫地區，開花期較高的根長密度有利于產量的提升[34-35]。本研究中，返青期、開花期、灌漿期總RLD與有效穗數、產量、水分利用效率呈極顯著正相關關系(P<0.01，圖4)。冬小麥返青期總RSD、根系生物量與有效穗數、產量及水分利用效率呈極顯著正相關關系(P<0.01，圖4)，開花期、灌漿期均與之呈弱正相關或者負相關關系。在這3個生育期，總RLD、總RSD、根系生物量均與地上部生物量呈正相關關系。其中，在開花期和灌漿期小麥總RLD和地上部生物量呈顯著正相關關系(P<0.05，圖4)。以上結果表明，覆膜措施通過改良土壤環境，加速并促進了冬小麥根系的生長發育，進而改善了冬小麥根系對水分和養分的吸收，有效保證了關鍵生育期(如開花期)根系對冬小麥植株養分和水分的供應，增加冬小麥植株的抗逆性，更好地保證了冬小麥穩產高產。

4 結 論

1)覆膜處理促進了冬小麥根系和地上部生物量生長發育。與同播期裸地處理相比，返青期后覆膜措施增加了兩季冬小麥平均RLD、RSD、根系生物量和地上部生物量。覆膜措施對晚播冬小麥根系生長具有加速作用，有助于適度晚播冬小麥的RLD、RSD和根系生物量在返青期至開花期趕超裸地正常播期處理。

2)覆膜處理有效增加了晚播冬小麥的產量和水分利用效率。在兩種種植模式下，冬小麥平均產量和水分利用效率均隨著播期推遲而減小。

3)覆膜措施下不同播期冬小麥產量和水分利用效率均與返青期總RLD、總RSD和根系生物量呈顯著正相關性。覆膜措施通過加速晚播冬小麥根系生長，促進了根系對水分和養分的吸收利用，有效保證了關鍵生育期(如開花期)根系對冬小麥植株生長所需養分和水分的供應，促進了冬小麥產量的形成。