不同覆膜种植对土壤水热和冬小麦产量的影响

曹 寒，吴淑芳，，冯 浩，张 延

（1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌712100；2.西北农林科技大学 中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌712100）

水分作为作物产量的限制因子［1］，对于作物生长影响重大。但在我国干旱半干旱地区，由于气候环境的影响，降雨较少，通过有效的节水措施，提高天然降雨的高效利用是解决该地区农业发展的有效途径之一［2］。地膜覆盖技 术 因 其 良 好 的 增 温 增 产［3－4］，蓄 水保墒［5］和有效提高水分利用效率［6－8］的特点被广泛应用到干旱半干旱地区。垄沟覆膜集雨技术通过修筑沟垄，垄面覆膜，将更多的降雨汇集到沟内，减少无效降雨，延长水分有效期限［9］。Li等［10］研究表明，沟垄覆膜种植玉米产量较传统耕作增加108%～143%。王彩荣等［11］研究发现起垄覆膜沟播较传统平播增产显著，水分利用效率较平播提高5.06%。纪晓玲等［12］通过对陕北地区不同覆膜种植下绿豆生长的研究发现，垄膜覆盖较全膜覆盖能提高水分利用效率，增加绿豆产量。买自珍等［13］研究发现与裸地相比，黑、白覆膜均能增加土壤水分，提高马铃薯产量。林团荣等［14］对不同覆膜条件下马铃薯产量的研究发现，降雨较多条件下黑膜覆盖下马铃薯的产量高于白膜覆盖，比不覆膜产量增幅达19.84%。李尚中等［15］在对覆膜玉米的研究中发现，覆膜耕层平均地温较露地高2.4℃。针对上述研究现状，笔者发现目前关于覆膜种植对土壤水热影响的研究多集中在不同种植方式或地膜颜色单一因素条件下的研究，对于不同颜色地膜和不同种植模式双重因素影响下土壤水热分层动态变化以及对作物水分利用效率的改善效应缺乏系统的研究。本文旨在通过设置平作和垄作条件下黑膜与白膜覆盖，研究不同的覆膜种植在不同土层对土壤水热动态变化和冬小麦产量的影响，系统分析不同覆膜种植对土壤水热效应的影响，为覆膜技术的进一步发展应用提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2013—2014年在陕西杨凌西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院中进行。试验地区位于34°16′56″N，108°4′30″E，海拔高521m，属于暖湿带季风半湿润气候区，多年平均降水量为635.1 mm，年均蒸发量为1 440mm，全年降雨量受气候影响分配不均匀，主要集中在7，8，9个月。该地区年昼夜温差平均为11.5℃，年平均温度为12.9℃，其中全年无霜期为169～200d。

1.2 试验设计

为探究覆膜对土壤水热动态变化和冬小麦产量的影响，试验共设置5个处理，分别为平作覆黑膜处理（BP）、平作覆白膜处理（WP）、起垄覆黑膜处理（BL）、起垄覆白膜处理（WL）和平作不覆膜处理（CK）。试验处理采用随机区组设计，各处理重复3次，每个小区面积为18m2（4.5m×4m）。试验区周围布设1m宽的作物保护带。

试验地土壤为中壤土，田间持水量为23%～25%，凋萎含水率为8.5%。供试冬小麦品种为小偃22号，播种量为167.5kg/hm2，行距为30cm。冬小麦于2013年10月中旬播种，2014年6月上旬收获，全生育期为237d。播种前施加氮肥210kg/hm2，磷肥160kg/hm2，钾肥90kg/hm2；所有肥料于播种前撒施，生育期内不追肥。

1.3 观测指标

试验所需气象资料由西北农林科技大学灌溉试验站提供，试验主要观测的内容包括气象资料、土壤温度、土壤水分、地上部分生物量以及冬小麦产量。

1.3.1 气象数据 气象数据见图1，冬小麦生育期内（2013年10月—2014年6月）总的降雨量为288.1 mm，该年季降雨充沛，为丰水年型［16］。受气候条件的影响，全年降雨量分布不均匀，尤其在冬季干旱月份（2013年11月—2014年1月），降雨量仅为16mm；在降雨充沛月份（2014年3月—2014年5月），降雨量达到209.1mm。

1.3.2 土壤水分 土壤水分的观测采用TRIMETDR进行观测，测量深度为200cm，每20cm为一个测量深度间隔。土壤蓄水量是指一定土层厚度的土壤总的含水量，根据不同土层的厚度和土壤体积含水率换算出不同土层的土壤蓄水量（mm）。

式中：W——土层总的蓄水量（mm）；wi——第i层土壤体积含水率（cm3/cm3）；Hi——各土层厚度（cm）；生育期内耗水量（ET）：采用农田水分平衡法测定计算，其中水分平衡方程为：

式中：P——降雨量；I——灌水量；W前，W后——测定时间段前、后测定土层深度的土壤蓄水量；Wg——毛管上升水量；D——土壤的水的深层渗漏量；Df——径流损失量。该地区地下水埋深为10m，Wg可以忽略。本试验中不考虑地下深层渗漏和地表径流损失。

1.3.3 土壤温度 本试验采用曲管地温计进行温度观测。试验地温测定深度为5，10，15，20，25cm，观测间隔为7d，每次的观测时间为早上8：00到下午18：00，每隔2h观测记录一次，取每日观测值的平均值作为该天的日平均值。

图1 2013－2014年杨陵地区冬小麦生长季每日气象数据

1.3.4 作物产量 冬小麦成熟时各小区单独收获，风干后进行产量测定，每一处理小麦产量均以3次重复产量的平均值作为该处理的实际产量。

1.3.5 试验数据处理 试验数据采用Sigmaplot 12.5制图，用SPSS 16.0软件进行数据统计分析和样本方差分析。试验中所有处理的显著型检验均在p＜0.05下进行。

2 结果与分析

2.1 冬小麦全生育期表层土壤温度变化

冬小麦全生育期表层5cm土壤温度见图2。由图可知，出苗期—拔节期，不同覆膜处理增温效果均高于对照处理。尤其在越冬后期—拔节期，各处理增温效果由低到高依次为起垄覆黑膜处理、起垄覆白膜处理、平作覆黑膜处理、平作覆白膜处理和对照处理。起垄覆膜处理土壤温度高于平作覆膜处理，黑色覆膜处理高于白色覆膜处理。返青期，起垄覆黑膜处理土壤表层温度较起垄覆白膜处理和对照处理分别增加8.19%和34.38%。平作覆黑膜处理表层土壤温度较平作覆白膜处理和对照处理分别增加5.59%和20.87%。返青期起垄覆膜处理表层土壤温度平均值较平作覆膜处理增加1.2℃/d。拔节期—灌浆期，覆膜增温效应受到抑制，这可能与冬小麦叶面积增大，造成对太阳辐射的拦截和地面的遮荫作用有关。

2.2 不同覆膜处理对不同土层深度土壤温度的影响

为了探究不同覆膜种植方式和覆膜颜色对土壤温度的影响，选择2014年3月4日为典型日进行分析。不同种植方式下覆膜处理对不同土层温度的影响见图3。由图可知，相同种植方式下，黑、白覆膜处理土壤温度日变化趋势一致。土壤温度日变化幅度均随着土层深度的增加逐渐减小，表层5cm土壤温度日变化幅度最大，25cm土层土壤温度日变化幅度最小。两种种植方式下，覆膜处理表层5cm土壤温度日均值均高于对照处理，25cm土层土壤温度日均值均低于对照处理。

图2 冬小麦生育期表层5cm土壤温度变化

由于两种种植方式下土壤温度变化规律相同，现以起垄覆膜种植条件下不同土层的土壤温度日变化为例。由图可以看出，不同处理间土壤温度变化趋势相似，土壤温度日变化幅度随土层深度的增加逐渐减小；表层5cm土壤温度日变化幅度最大，25cm土层土壤温度日变化幅度最小。表层土壤温度最低值均出现在早上8：00，覆膜温度低于对照处理，原因是该时刻外界温度逐渐升高，膜下水蒸气受热液化成水滴，致使表层土壤含水率增加，土壤温度减小。随着外界温度的升高，水分逐渐蒸发，地膜有效抑制土壤热量与大气热量的交换，表层土壤温度逐渐升高。土壤表层温度在14：00达到最高值。覆膜处理表层5cm土壤温度最高值明显高于对照处理。黑、白覆膜处理表层5cm土壤温度最高值较对照分别增加4.9℃和5.7℃。

从一天时间来看，覆膜处理表层5cm土壤温度增温速度和降温速度均高于对照处理。从8：00—14：00，表层5cm土壤温度呈递增趋势，黑、白覆膜处理表层土壤温度每小时分别增加3.2℃和3.6℃，较对照处理分别增加0.8℃和1.2℃。从14：00—18：00，土壤温度处于递减趋势，黑、白覆膜处理表层土壤温度每小时分别下降2.2℃和2.7℃，较对照处理分别增加0.3℃和0.8℃。随着土层深度的增加，土壤温度最高值出现的时间不断推后。在15cm土层土壤温度最高值出现在16：00，在25cm土层土壤温度最高值出现在18：00，表明温度在传递过程中随土层深度的增加有明显的滞后性。从15cm土层开始，黑、白覆膜处理土壤温度最高值较对照处理增温效果降低。15—25cm，起垄覆黑膜处理土壤温度处理较对照处理分别增加0.1℃，0.3℃和－0.9℃；起垄覆白膜处理土壤温度较对照处理分别增加0.8℃，0.4℃和－0.2℃。可见，在25cm土层，起垄覆膜处理土壤温度低于对照处理。

图3 不同覆膜处理5cm土壤温度日变化

2.3 不同处理土壤水分沿土层深度变化

覆膜处理能够减少土壤水分蒸发，且不同的种植方式对雨水利用的效果不同，导致冬小麦不同生育阶段土壤水分含量不同。由图4可知，越冬期，起垄覆黑膜处理0—100cm土层土壤蓄水量最高，较起垄覆白膜处理、平作覆黑膜处理和对照处理分别提高5.0，29.6，39.9mm。该生育阶段降雨量少，长期的干旱导致土壤水分蒸发严重，覆膜有效减少土壤水分的蒸发，故对照处理土壤蓄水量减少最为明显。返青期由于降雨增加，各处理0—100cm土壤蓄水量均增加。拔节期，各覆膜处理0—100cm土壤蓄水量较对照处理差异不显著。抽穗期，由于降雨量的增加，各处理0—100cm土壤蓄水量增加，起垄覆膜处理0—100cm土壤蓄水量高于平作覆膜处理，其中起垄覆黑膜处理0—100cm土壤蓄水量较起垄覆白膜、平作覆黑膜处理和对照处理分别增加10.0，17.2，45.2mm。

由图4还可得出同一种植方式下，除冬小麦成熟期，冬小麦全生育期内，黑、白覆膜处理土壤0—200 cm土壤蓄水量变化差异不显著。冬小麦成熟期，垄作覆黑膜处理和平作覆黑膜处理土壤蓄水量均高于相同种植方式下的覆白膜处理。

2.4 不同土层土壤含水率的变化

起垄覆膜处理能够有效汇集雨水，提高水资源利用效率，增加土壤含水率。图5为不同土层各处理土壤水分在冬小麦生育期内的变化。由图5可知，在0—20cm，土壤水分变化最剧烈，起垄覆膜处理耕层土壤含水率较平作覆膜处理和对照处理分别提高5.04%和14.82%，其中起垄覆黑膜处理土壤含水率最高，较起垄覆白膜处理和对照处理分别提高4.65%和17.42%。20—40cm土层土壤含水率变化规律与0—20cm土层相同，各覆膜处理土壤含水率随时间变化的变化幅度减小。从60—80cm和80—100cm土层土壤含水率变化可知，随着土层深度的增加，各处理间土壤含水率差异不断减小，由1.86～6.03 cm3/cm3减小到1.50～4.65cm3/cm3。起垄覆膜处理0—100cm土壤含水率最高，较平作覆膜处理和对照处理分别提高6.46%和13.50%。

2.5 不同覆膜处理对产量和水分利用效率的影响

不同覆膜处理对冬小麦产量和水分利用效率的影响如表1所示。由表1可知，不同覆膜处理均能有效增加冬小麦产量，起垄覆膜处理冬小麦产量较对照处理均差异显著（p＜0.05），其中起垄覆黑膜处理产量较对照处理增加658.7kg/hm2，产量增幅达到12.0%。不同种植方式下黑色覆膜处理产量平均值较白色覆膜处理和对照处理分别提高3.6%和11.8%；不同覆膜颜色条件下起垄覆膜处理产量平均值较平作覆膜处理和对照分别提高1.4%和10.6%。相同覆膜方式下，黑、白覆膜处理间冬小麦产量差异不显著；相同覆膜颜色条件下，不同覆膜方式间冬小麦产量差异也不显著。

图4 冬小麦不同生育期土壤蓄水量

图5 冬小麦生育期不同土层含水率变化

覆膜处理能有效提高土壤水分利用效率。起垄覆黑膜处理水分利用效率最高，较对照提高16.3%。黑色覆膜处理水分利用效率平均值较白色覆膜处理和对照处理分别提高5.4%和16.1%；起垄覆膜处理水分利用效率平均值较平作覆膜处理和对照处理分别提高2.9%和14.7%。相同覆膜方式下，黑、白覆膜处理间水分利用效率差异显著，表明黑色覆膜处理能有效促进作物对水分的利用，提高作物水分利用效率。相同覆膜颜色条件下，不同覆膜方式土壤水分利用效率差异不显著。

表1 不同覆膜处理对产量和水分利用效率的影响

3 结 论

覆膜处理能够有效提高表层土壤温度［4］，但是其覆膜效应受外界温度和冬小麦生长的影响。在作物越冬期—返青期，覆膜处理增温效果最为显著，较对照该时期增加了1.3℃，在作物拔节期—灌浆期，覆膜受植株茂密遮阳影响增温效果不显著；无论是平作还是垄作，黑膜处理其表层5cm土壤温度均高于白色覆膜处理和对照不覆膜处理。

土壤温度变化过程受外界气温影响很大，王卫华等［17］研究表明表层土壤温度受外界影响最大，波动幅度随土层深度的增加而降低。本研究通过对土壤温度日变化分析，得出黑、白覆膜处理表层5cm土壤温度最高值较对照分别增加4.9℃和5.7℃，且土壤温度变化呈现明显先增加后降低的波动，这与前人研究结果一致［17］。在增温阶段，起垄覆白膜处理土壤温度上升速度较起垄覆黑膜处理和对照处理分别增加0.4℃/h和1.2℃/h；降温阶段，起垄覆白膜处理土壤温度下降速度较起垄覆黑膜处理和对照处理分别增加0.5℃/h和0.8℃/h。

覆膜处理能充分利用水资源，增加作物产量，提高水分利用效率。整个生育期，0—20cm耕层内土壤含水率变化波动最显著，起垄覆膜处理耕层土壤含水率较平作覆膜处理和对照处理分别提高5.04%和14.82%。在冬小麦抽穗期，起垄覆黑膜处理提高0—100cm土层蓄水量最为显著，较对照处理增加45.2mm；整个生育期产量较对照处理增加658.7 kg/hm2；水分利用效率较对照提高16.3%。试验结果表明丰水年，不同覆膜处理均表现出良好的保水增产效果，与Gao Zhiqiang等［18］研究得出的地膜覆盖在丰水年份具有良好的贮水保水作用结论一致。

总体上，几种覆膜处理均能起到增温保墒的效果，在寒冷少雨的阶段，黑色覆膜增温效果最为显著。起垄覆膜处理较平作处理能增加冬小麦产量，提高土壤水分利用效率。由于试验年为丰水年，关于覆膜处理在其他降雨年型对土壤水热的影响还有待进一步研究。

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