模擬增溫、降溫麥田秸稈覆蓋對地溫、產量和水分利用效率的影響

馬愛平，亢秀麗，靖 華，王裕智，崔歡虎，黃學芳

(1.山西農業大學 小麥研究所，山西臨汾 041000；2.山西農業大學 省部共建有機旱作農業國家重點實驗室(籌)，太原 030006；3.山西農業大學 山西有機旱作農業研究院，太原 030006)

小麥是中國的第二大糧食作物，在保障國家糧食安全中具有重要作用。近年來，隨著氣候變化特別是關鍵氣象因子氣溫升高[1-2]、降水量減少[3-4]，小麥生產系統的脆弱性逐步凸現，其穩定性受到嚴峻挑戰。特別是氣溫升高與降水量減少耦合造成小麥減產[5]，同時由于氣溫升高麥田水分虧缺而導致病蟲次生災害的發生[6]。因此，如何有效消減氣溫升高對小麥生產的不利影響，提出應對氣候變化的適應性栽培途徑，已成為小麥生產系統應對氣候變化的重要課題。

由于土壤溫度與氣溫存在極顯著正相關[7]，因此，通過降低地溫可能會有效緩解或消減氣溫對小麥生產系統的不利影響。在降低地溫栽培途徑中，以往研究表明，秸稈覆蓋在不同生育階段表現出不同的增溫效應和降溫效應，但總體表現為降溫效應和增產效果[8-9]。但這些研究多在常規栽培環境下開展的秸稈覆蓋對地溫及小麥產量的研究，而有關小麥生育期秋、冬、春季全天候增溫情景下秸稈覆蓋對麥田地溫、產量及水分利用效率的研究較少。基于此，本項研究利用地溫增溫可間接反映氣溫增溫[10-11]的研究成果，通過采用模擬增溫降溫設施(由地下隔水層和地上擋板、連接件組成)及方法[12-13]，解析未來增溫情景秸稈覆蓋對不同生育階段的麥田地溫、產量及水分利用效率的影響，以期為應對氣候變化探索和尋求新的適應性栽培途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗地區概況

試驗于2019-2020年在山西農業大學小麥研究所韓村(臨汾市堯都區)基地進行。試驗地點位于111°34′36″E，36°8′43″N，海拔459.00 m，年均降水量457.71 mm，年均氣溫13.08 ℃，≥0 ℃積溫4 965.60 ℃，≥10 ℃積溫4 436.22 ℃。試驗年度小麥休閑期降水(6月中下旬、7、8、9月份)降雨246.2 mm較常年(295.9 mm)少49.7 mm，小麥生育期(10、11、12、1、2、3、4、5、6月上旬)降水201.80 mm較常年(161.60 mm)多 40.20 mm。試驗年度氣溫秋季(10、11月)、冬季(12、1、2月)、春季(3、4、5月)分別較常年各季對應高 0.95、1.10、-0.26 ℃，全生育期平均高 0.40 ℃。小麥全生育期較常年降水偏多、平均氣溫偏高。

1.2 試驗材料

試驗所用小麥品種為‘中麥36號’；秸稈覆蓋材料為玉米秸稈；氣象數據遠程監測系統(SY-QX-X)由邯鄲冀南新區盛炎電子科技有限公司生產；擋板為彩鋼瓦。

1.3 試驗方法與處理

1.3.1 試驗方法 增降溫設施修建于2018-09-07，包括地下隔水層和地上擋板及連接件組成。

(1)地下隔水層的修建 試驗為避免增溫麥田與降溫麥田之間的土壤水分交換，在增溫麥田與降溫麥田之間設置隔水層膜，具體方法為：用挖掘機挖出寬0.70 m、東西長5.0 m、深2.10 m的長方體深坑，其中0～30 cm耕層土壤分放；用長 5.0 m(長方體深坑長)、寬2.10 m(長方體深坑深)的農膜將長方體深坑的南側覆蓋，隨即將挖出的土方回填并夯實，其中分放的0～30 cm耕層土壤最后回填。

(2)地上擋板和連接件的組裝 擋板長10.0 m、寬(高)2.0 m、厚75.0 mm，擋板豎直安裝于隔水層南側正上方，左右各延伸出長方體深坑 2.5 m。擋板南側為增溫麥田，北側為降溫麥田。連接件包括橫梁、縱梁、固定樁、支撐桿、地錨等其他組件，通過連接件將擋板與地面固定。

1.3.2 試驗處理 試驗設計分3類麥田，分別為增溫麥田、降溫麥田、常規麥田(與增、降溫麥田相鄰)，每類麥田均設計秸稈覆蓋(簡稱覆蓋，下同)與露地2個處理，即試驗共設計6個處理，具體為增溫麥田的1/2為露地(CK1)、1/2為覆蓋(WSM)，降溫麥田的1/2為露地(CK2)、1/2為覆蓋(CSM)，同樣相鄰于增、降溫麥田的常規麥田有露地(CK3)、覆蓋(RSM)；各類麥田的覆蓋處理均于2019-11-04覆蓋玉米秸稈，覆蓋量為 6 000 kg·hm-2；各處理于2019-10-04播種，播種量為450萬粒/hm2，各處理種植面積均為3.75 m2(長2.5 m×寬1.5 m)。

1.4 測定項目

1.4.1 試驗地氣溫和各處理的5 cm地溫 各處理氣溫(AT)測定：試驗各處理設置在100 m2范圍內，各處理共用一個氣溫傳感器，其距地面1.5 m。各處理5 cm地溫測定：增溫麥田露地(CK1)、增溫麥田覆蓋(WSM)、降溫麥田露地(CK2)、降溫麥田覆蓋(CSM)處理測定點均在小區寬距擋板50 cm、小區長125 cm的交叉點，常規麥田露地(CK3)、常規麥田覆蓋(RSM)處理測定點均在試驗小區寬(75 cm)、長(125 cm)的中心點；測定時間為2019-11-06至2020-06-04；氣溫(AT)、地溫傳感器每小時測定6次。

1.4.2 土壤貯水量、生長期耗水量和水分利用效率 分別在播種前和成熟期用烘干稱量法測定 0～20、20～40、40～60、……、180～200 cm各土層土壤質量含水率W(%)，根據A=W×ρ×H×10計算土壤貯水量(mm)。式中：A為土壤貯水量(mm)，W為土壤質量含水率(%)，H為土層厚度(mm)，ρ為土壤體積質量(g·cm-3)。生長期耗水量ET(mm)=P+ΔW。式中，ET為作物生長期耗水量(mm)；P為小麥生長期總降雨量(mm)；ΔW為小麥播種時0～200 cm 土層土壤貯水量與小麥收獲時0～200 cm 土層土壤貯水量之差(mm)。水分利用效率WUE=Y/ET。式中，WUE 為水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)；Y為作物產量(kg·hm-2)，ET為生長期耗水量(mm)。

1.4.3 產量 成熟期各處理均收獲2.5 m2(長 2.5 m×寬1.0 m)，單收單打，折算為公頃產量。

1.5 數據處理

生育時間劃分與數據處理 依據當地多年小麥各生育階段進程，劃分為越冬前為2019-11-06-2019-12-05(其中2019-11-15-2019-11-20數據缺失)、越冬期為2019-12-06-2020-02-25、返青期至拔節期為2020-02-26至2020-04-05、拔節期至成熟期為2020-04-05至2020-06-04。對測定的地溫、氣溫值以5 d均值計為1組，各處理的測定點自越冬前至成熟期地溫、氣溫均獲取41組數據，其中越冬前、越冬期、返青期至拔期、拔節期至成熟期分別獲取5、16、8、12組數據。采用Excel 2003和DPS平臺操作系統進行數據處理分析[14]。

2 結果與分析

2.1 各類麥田覆蓋對地溫的影響

2.1.1 各類麥田覆蓋對越冬前至成熟期地溫增溫降溫幅度的影響 由圖1、表1看出，各類麥田覆蓋對越冬前至成熟期地溫增溫降溫幅度的影響不同。越冬前至成熟期，增溫麥田較常規麥田日平均地溫增幅 4.35%，降溫麥田較常規麥田日平均地溫增幅-30.57%；覆蓋麥田較露地麥田日平均地溫增幅-2.29%；CK1、WSM、RSM、CK2、CSM較CK3分別日平均地溫增幅6.18%、1.84%、-0.66%、-30.09%、-31.54%；WSM較CK1日平均地溫增幅-4.08%，CSM較CK2日平均地溫增幅-2.07%，日平均地溫增幅WSM較CK1(-4.08%)大于RSM較CK3(-0.66%)，表明在未來增溫情景下，實施覆蓋其降溫幅度提高。對越冬前至成熟期CK1、WSM、CK2、CSM、CK3、RSM處理間的地溫測定值進行配對T值檢驗結果表明，CK3與CK1、CK2，CK1與CK2間均存在極顯著差異，表明該增溫降溫設施在越冬前至成熟期的各類麥田的露地處理具有較好的模擬增溫、降溫效果；RSM與CSM、CSM與WSM均存在極顯著差異；CK1與WSM存在極顯著差異，表明在未來增溫情景下覆蓋對麥田地溫的影響愈來愈大。

圖1 各類麥田覆蓋下越冬前至成熟期的地溫

表1 各類麥田覆蓋越冬前至成熟期的地溫差異性T值檢驗

2.1.2 各類麥田對各生育階段增溫降溫幅度的影響 由表2、3看出，各類麥田對各生育階段增溫降溫幅度的影響不同。增溫麥田較常規麥田在越冬前、越冬期、返青期至拔節期、拔節期至成熟期增溫幅度分別為12.47%、80.00%、1.52%、-3.58%；降溫麥田較常規麥田在越冬前、越冬期、返青期至拔節期、拔節期至成熟期增溫幅度分別為-29.70%、-204.23%、-30.76%、-13.69%；增溫麥田增溫、降溫麥田降溫幅度均表現為越冬期最大，拔節期至成熟期最小。表明在未來增溫情景下，麥田的增溫時間區間主要在越冬期。各類麥田的不同生育階段的露地處理間的T值檢驗均存在極顯著差異。CK3與CK1和CK2、CK1與CK2間均存在極顯著差異。表明該增溫降溫設施在各個階段的各類麥田的露地處理均具有較好的模擬增溫、降溫效果。

表2 各類麥田覆蓋下不同生育階段地溫增溫降溫幅度

表3 各類麥田覆蓋各生育階段的地溫差異性T值檢驗

2.1.3 覆蓋麥田對各生育階段增溫降溫幅度的影響 由表2、3看出，覆蓋麥田對各生育階段增溫降溫幅度的影響不同。覆蓋麥田在越冬前、越冬期、返青期至拔節期、拔節期至成熟期增溫幅度分別為5.89%、38.72%、-5.08%、-4.85%，表明越冬期增溫幅度大于越冬前，返青期至成熟期隨生育期延后降溫幅度變小。各類麥田的不同生育階段的覆蓋處理間的T值檢驗差異性表現不同。越冬前、越冬期、拔節期至成熟期3個階段的各類麥田覆蓋處理間均存在極顯著差異，返青期至拔節期除CSM與WSM間不存在差異外，其他麥田覆蓋間均存在極顯著差異。表明在各個階段的各類麥田的覆蓋處理具有較好的增溫、降溫效果。

2.1.4 各類麥田覆蓋對各生育階段增溫降溫幅度的影響 由表2、3看出，各類麥田覆蓋對各生育階段增溫降溫幅度的影響不同。RSM較CK3越冬前、越冬期、返青期至拔節期、拔節期至成熟期增幅分別為9.81%、28.16%、-2.28%、-4.32%，返青期至成熟期隨生育期延后其降溫幅度呈增高趨勢；WSM較CK1越冬前、越冬期、返青期至拔節期、拔節期至成熟期增幅分別為 0.13%、-2.34%、-4.22%、-5.28%，越冬期至成熟期隨生育期延后降溫幅度呈增高趨勢；CSM較CK2越冬前、越冬期、返青期至拔節期、拔節期至成熟期增幅分別為9.98%、29.86%、-10.17%、-4.99%，返青期至成熟期隨生育期延后其降溫幅度呈降低趨勢。表明各生育階段降溫幅度WSM較CK1大于RSM較CK3，表明未來增溫情景下，覆蓋在各生育階段均有較好的降溫效果。各類麥田的覆蓋與露地處理間T值檢驗的差異性在不同生育階段表現不同。CK3與RSM在越冬前、越冬期及拔節期至成熟期存在顯著或極顯著差異；CK2與CSM間在越冬期、返青期至拔節期、拔節期至成熟期均存在極顯著差異；CK1與WSM在返青期至拔節期、拔節期至成熟期均存在極顯著差異。

2.1.5 各類麥田覆蓋對地溫低于0 ℃天數的影響 從表4看出，各類麥田及其覆蓋處理對地溫低于0 ℃天數的影響不同。低于0 ℃天數各類麥田表現為降溫麥田>常規麥田>增溫麥田；同類麥田均呈現露地>覆蓋，其中WSM與CK1相差約5 d，RSM與CK3相差16 d，而CSM與CK2相差約10 d；以WSM處理低于0 ℃天數最少為0 d，以CK2處理低于0 ℃天數最多為87 d。最早出現低于0 ℃的為CK2處理，最晚結束低于 0 ℃的處理為CK2和CSM。WSM處理地溫在越冬期至返青期均在0 ℃以上。

表4 各類麥田覆蓋下地溫低于0 ℃的天數

2.1.6 各類麥田覆蓋由增溫效應至降溫效應過程 由圖2看出，各類麥田覆蓋處理均出現了由增溫效應轉為降溫效應的過程，但其出現降溫效應的生育階段不同。其中RSM較CK3、CSM較CK2在越冬前、越冬期均表現增溫，在返青期至拔節期、拔節期至成熟期均表現降溫；而WSM較CK1只有在越冬前增溫，在越冬期、返青期至拔節期、拔節至成熟期均呈現降溫。RSM、CSM、WSM處理出現降溫的時間節點段分別是2月21日-2月25日、2月26日-3月1日、1月21日-1月25日，WSM較RSM出現降溫約早30 d，WSM較CSM出現降溫約早25 d，RSM較CSM出現降溫約早5 d。

圖2 各類麥田覆蓋由增溫效應至降溫效應過程

2.2 各類麥田覆蓋對產量的影響

從表5看出，各類麥田覆蓋對產量的影響不同。以降溫麥田最高，增溫麥田最低，其中降溫麥田、增溫麥田分別較常規麥田增產19.68%、-22.05%；各類麥田的覆蓋均較露地減產，覆蓋較露地平均增產-7.14%；各類麥田覆蓋較露地增產幅度不一，常規、降溫、增溫麥田覆蓋較其露地分別增產-10.45%、-2.60%、-9.62%。表明未來增溫情景下，通過秸稈覆蓋降低麥田地溫并不能有效抑制氣溫升高對產量的不利影響。

表5 各類麥田覆蓋下的產量

2.3 各類麥田覆蓋對水分利用效率的影響

從表6看出，各類麥田覆蓋對水分利用效率的影響不同。各類麥田的平均水分利用效率表現為降溫麥田>常規麥田>增溫麥田；各類麥田覆蓋水分利用效率均低于其對照，其中CK2>CK3>CK1，CSM>RSM>WSM。表明未來增溫情景及其實施覆蓋均不利于水分利用效率的提高。麥田播種前貯水量以降溫麥田>常規麥田>增溫麥田，麥田耗水量以常規麥田>降溫麥田>增溫麥田。

表6 各類麥田覆蓋對水分利用效率的影響

3 討 論

3.1 關于增溫和降溫麥田的設置

本增降溫裝置是利用太陽光能熱輻射的原理模擬了增溫麥田、降溫麥田。在擋板的南側、北側分別模擬了增溫麥田、降溫麥田，擋板的南側向陽御風即具有“陽坡效應”，擋板的北側背光迎風即具有“陰坡效應”。本裝置的增溫效應冬季(越冬期)最大，基本符合中國季節性增溫特征，增溫麥田、常規麥田各生育階段地溫變化趨勢與氣溫變化趨勢基本一致，與田云錄等[15]設計的開放式增溫系統的增溫趨勢相一致。本裝置可使增溫麥田的風速降低、降溫麥田的日照時數減少，而風速降低和日照時數減少也是未來氣候變化的特征之一[1，4]，因此，本裝置形成的增溫麥田是溫度升高和風速降低2個因子的耦合，降溫麥田則是溫度降低和日照時數減少2個因子的耦合(風速和日照時數是依據試驗點所處區域的季風特點和日照特點判定)。該增降溫裝置通過2017-2020年3個試驗年度的應用，表現出了良好的增降溫效應。

3.2 關于各類麥田及其秸稈覆蓋與土壤溫度

本研究結果表明，日平均地溫增溫麥田、降溫麥田分別較常規麥田高0.47 ℃和低2.29 ℃，其增溫和降溫值均低于靖華等[13]采用本增溫降溫設施的結果(增溫麥田、降溫麥田較常規麥田分別高0.85 ℃和低2.57 ℃)，其主要原因是測定地溫的起始時間不同，靖華等測定起始時間為播種出苗(10月1日)，而本研究測定起始時間為越冬前(11月6日)，而10月份是該增溫降溫設施的主要增溫和降溫區間。各類麥田覆蓋較其對應露地均出現了先增溫后降溫的過程，各類麥田覆蓋較其對應露地均總體呈現降溫，這與有關研究[16-18]結果相同。而有關增溫情景下，覆蓋大幅度縮減地溫低于0 ℃的天數，地溫由增溫效應轉換為降溫效應的天數減少即出現降溫效應的生育階段提前至越冬期，地溫隨生育期延后其降溫幅度大于常規麥田等變化特點已有研究較少。

3.3 關于增溫麥田與產量

靖華等[13]研究表明，各類麥田露地處理產量表現為降溫麥田>常規麥田>增溫麥田；田云錄等[19]在江蘇南京采用非對稱性增溫方法研究表明，全天增溫(AW)、白天增溫(DW)和夜間增溫(NW)分別較對照單位面積產量提高了 27.0%、40.1%和18.3%；周林等[20]采用產量生態學模式 SUCROS，模擬了氣候變暖引起的溫度升高和降水量變化對產量的影響，結果表明，在無土壤水分虧缺的理想狀態下，適度升溫有利于冬小麥生長及產量的提高，但在土壤水分虧缺時，溫度升高產量下降。本研究結果表明，增溫麥田較常規麥田減產，其與靖華等、周林等所模擬的土壤水分虧缺時的結果一致，而與田云錄等研究結果不同，但進一步分析田云錄等開展模擬試驗所在地區的年降水量為1 000～1 100 mm，是本研究試驗地區降水量(457.71 mm)的2倍，與本試驗基地相比，田云錄等研究結果為氣溫升高與降水量增加的耦合效應。

3.4 關于秸稈覆蓋與產量

高亞軍等[21]在半濕潤易旱地區的楊凌和渭北旱塬的彬縣研究表明，冬小麥田秸稈覆蓋不增產，甚至顯著減產；陳素英等[22]在河北研究表明，覆蓋導致冬小麥減產，4 a平均減產 7%左右；李全起等[23]在山東的研究表明，秸稈覆蓋顯著降低冬小麥的產量；以上均與本研究的常規麥田覆蓋較其露地減產結果相同；秸稈覆蓋降低小麥產量的主原因可能是覆蓋造成小麥返青時溫度過低，推遲和阻礙了冬小麥的正常生長。但也有較多研究表明，覆蓋較未覆蓋增產[24-25]，其可能是由于生育期干旱程度嚴重或試驗所處氣溫有關。而有關增溫麥田、降溫麥田覆蓋分別較其對應未覆蓋形成減產現象的已有研究較少。

3.5 關于地溫、秸稈覆蓋材料與小麥產量

靖華等[26]采用低海拔模擬高海拔未來增溫情景方法結果表明，露地麥田隨海拔高度的降低產量在下降，即露地麥田隨氣溫(地溫)升高產量下降；本研究在同一海拔高度采用模擬增溫降溫設施方法表明，降溫麥田覆蓋與未覆蓋均較增溫麥田、常規麥田的覆蓋與未覆蓋增產，其主要原因是降溫麥田地溫降低，而降溫麥田、增溫麥田、常規麥田覆蓋均較未覆蓋地溫降低卻造成減產；綜合分析不同海拔高度和同一海拔高度模擬增溫的小麥產量結果，麥田地溫降低可使產量提高，而秸稈覆蓋雖能形成地溫降低但不利于小麥的生長發育和產量的提高。在試驗過程中發現，覆蓋處理的各類麥田在越冬期至拔節期均表現為“黃化、生長不良”，陳素英等[27]研究認為，秸稈覆蓋“出現黃化、生長不良”的現象是由于秸稈腐解時從土壤中吸取氮素麥苗因缺氮而引起，但本試驗是在苗后覆蓋，秸稈在地上部分，其秸稈腐解時是否可從土壤中吸取氮素，仍待進一步研究。基于以上分析，進一步研究現有覆蓋材料的覆蓋時間、覆蓋量、腐熟程度及開發降低麥田地溫的新型覆蓋材料及其覆蓋時間、覆蓋量是有效應對或消減氣溫升高對小麥生產系統不利影響的關鍵。

3.6 關于各類麥田覆蓋與水分利用效率

本研究結果表明，增溫麥田耗水量低于降溫麥田和常規麥田，其主要是由于越冬前、越冬期覆蓋的增溫效應，使麥苗發育階段提前，在試驗年度春季低溫過程中，增溫麥田覆蓋、增溫麥田露地、常規麥田覆蓋、常規麥田露地的凍穗率分別為50.00%、45.00%、26.67%、18.33%，增溫麥田覆蓋較露地、常規麥田覆蓋較露地分別提高 5.00%、8.34%，而降溫麥田覆蓋、露地的凍穗率均為0.00%，由此降低蒸騰速率造成后期土壤耗水量減少。各類麥田水分利用效率與靖華等[13,26]研究結果相同，而有關增溫麥田背景下實施秸稈覆蓋對水分利用效率的研究報道較少。

4 結 論

本研究表明，該增溫降溫設施在各個生育階段均具有較好的模擬增溫降溫效果。未來增溫情景下的增溫麥田，秸稈覆蓋將縮減地溫低于0 ℃的天數，由增溫效應轉為降溫效應的天數會減少即出現降溫效應的生育階段提前，在越冬前至成熟期及其各個生育階段均有較好增溫、降溫效果，且隨生育期延后其降溫幅度呈增加趨勢，通過秸稈覆蓋可降低麥田地溫但并不能有效提高產量和水分利用效率。進一步研究現有覆蓋材料的腐熟程度、覆蓋時間、覆蓋量及探索新型覆蓋材料降低地溫是有效消減氣溫升高對小麥生產系統不利影響的關鍵。