半干旱区全膜覆土穴播对春小麦耗水特征和产量的影响

侯慧芝, 张绪成,, 尹嘉德, 方彦杰, 于显枫, 王红丽,马一凡

(1.甘肃省农业科学院旱地农业研究所 / 甘肃省旱作区水资源高效利用重点实验室, 甘肃 兰州730070；2.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州730070)

西北黄土高原旱作区作物产量长期低而不稳，其原因一方面在于自然降水和作物需水错位，另外与蒸发强烈和作物水分利用效率低有直接关系[1-2]。农田全地面地膜覆盖后，实现了自然降水的跨季节利用，部分解决了水分供需错位的问题，增加土壤贮水量，活化土壤养分，促进作物生长发育，提高作物出苗后耗水速度并加大耗水量[3-4]，显著提高作物的养分和水分利用效率，使得作物产量大幅度提高[4-6]。目前，对于地膜覆盖条件下小麦、玉米、马铃薯、小杂粮等作物的增产效应已有共识[7-12]，认为地膜覆盖后提高了土壤水分和温度，促进了作物群体发育[6-10]。地膜覆盖的保水效应及其对作物产量和水分利用效率的影响已有很多研究，但对作物的水分利用过程和耗水特征研究较少。作物的耗水特征受养分、覆盖、灌溉制度等因素的显著影响[13-16]。深耕和深松的耗水模系数在播种-拔节期下降、拔节-成熟期升高[17]；地膜覆盖降低了冬小麦播种-返青期、抽穗-成熟期的耗水量，但提高了拔节-抽穗期的耗水量[18]；使玉米抽雄以后的耗水速率增加，但在拔节-抽雄期下降[19]。以上耕作栽培措施改变了作物耗水特性的主要原因是影响了农田蒸发，进而影响了作物的耗水过程[20]。

全膜覆土穴播栽培技术(地膜平铺覆盖全部农田后在地膜上覆土 1～2 cm，用专用地膜穴播机播种)，通过抑制蒸发(尤其是休闲期和春季播前的蒸发)改善了作物生育前期的土壤水分状况，并显著提高小麦前期土壤温度，有效降低灌浆期土壤温度，从而避免高温导致青干造成的小麦减产，可使小麦增产30%以上，显著提高水分利用效率[5,7]。土壤水分和热量条件的阶段性改变，必然影响作物的发育进程和需耗水特性。全膜覆土穴播可能会通过调节农田蒸腾、蒸发关系来影响春小麦的耗水特征，但目前对此缺乏系统研究。因此，本文通过3年大田定位试验，对比分析全膜覆土穴播和露地穴播小麦不同生育期的阶段耗水量、耗水模系数、耗水速率、耗水效率等，探明全膜覆土穴播小麦的耗水特征及其对产量形成和水分利用的影响，为阐明全膜覆土穴播的水分效应和增产机制提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于甘肃省农业科学院定西试验站(104°36′ E, 35°35′ N)。该区海拔1 970 m，年均气温6.2 ℃，年均降水量415 mm，6-9月降水量占年降水量的68%，降水相对变率为24%，400 mm降水保证率为48%，为典型旱地雨养农业区。试验区土壤为黄绵土，0～30 cm土层平均容重1.25 g·cm-3，田间持水量为21.18%，永久凋萎系数为7.2%。

1.2 试验设计

供试春小麦品种为甘肃省农业科学院小麦研究所选育的陇春27号。试验设全膜覆土穴播(PMS，地膜平铺整个地面，在膜上覆土1～2 cm)和露地穴播(CK)2个处理，每处理3次重复，小区面积7 m×7.5 m=52.5 m2。2个处理均用穴播机播种，每穴播10±2粒，行距20 cm，穴距为13 cm；2012年PMS处理在播种前整地、施肥、覆膜，2012年和2013年小麦收获后及时整地、施肥、覆膜，于次年春季播种。各处理施肥量均为N 150 kg·hm-2、P2O5180 kg·hm-2、K2O 84 kg·hm-2，肥料采用基施。2012年3月16日播种，7月23日收获；2013年3月20日播种，7月30日收获；2014年3月23日播种，7月30日收获。

根据甘肃省农业科学院定西试验站气象资料统计(图1)，2012年试验区全年降雨484.4 mm，春小麦生育期降雨219.3 mm，主要集中在5-7月；2013年试验区全年降雨551.9 mm，春小麦生育期降雨308.6 mm，但从2 月19日到4月18日无降雨，7月份降雨几乎占春小麦整个生育期降雨的50%;2014年试验区全年降雨量为482.2 mm，春小麦生育期降雨量为205.7 mm，其中4月降雨76.3 mm，5月降雨17.2 mm，6月降雨81.9 mm，降雨季节分配严重不均，季节性干旱特征非常明显，与春小麦生育期需水规律不吻合。2012年试验区最低温为-19.8℃，最高温为21.6℃，平均气温为6.33℃；2013年最低温为-13.6℃，最高温为21.4℃，平均气温为7.19℃；2014年最低温为-11.9℃，最高温为23.6℃，平均气温为6.82℃。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 土壤贮水量 在小麦播前、苗期、拔节期、孕穗期、灌浆期和成熟期分别用土钻法取各小区 0～300 cm土样，测定步长为20 cm，用烘干称重法测定土壤含水量。土壤贮水量SWS(mm)=Ws×b×d，式中，WS为土壤含水量(%),b为土壤容重(g·cm-3),d为土壤深度(mm)。

1.3.2 地上部生物量 在小麦苗期、拔节期、孕穗期、灌浆期和成熟期，每个小区分别选取长势均一的10株小麦，用烘干法测定干物质重。

1.3.3 产量及其构成因素 成熟期每小区随机取20株小麦进行室内考种，考种指标包括穗长、穗重、穗粒数、千粒重、单株干物质；每个小区单打单收，统计实际产量，折合成公顷产量。

1.3.4 阶段耗水量(ETi) 参考王红丽等[8]的方法

ETi=SWSi-SWSi+1+Pi

图1 2012-2014年定西试验区降水分布和平均气温变化Fig.1 Distribution of precipitation and average air temperature in study areas(Dingxi)from 2012 to 2014

式中，SWSi为某个生育时期初始时的土壤贮水量(mm),SWSi+1为该生育时期结束时的土壤贮水量(mm),Pi为该生育期降雨量(mm)。

1.3.5 耗水模系数和耗水速率 参考马尚宇等[21]的方法:

耗水模系数=ETi/ET×100%

式中,ETi为各生育阶段麦田耗水量(mm)，ET为麦田总耗水量(mm)。

耗水速率CWR=ETi/d

式中，ETi为各生育阶段麦田耗水量(mm)，d为生育阶段天数(d)。

1.3.6 生长速率 参考刘军等[22]的方法略做修改。

作物生长速率CR=(W1-W2)/d

式中，W1为生育阶段始期的地上部干物质累积量(g)，W2为生育阶段末期的地上部干物质累积量(g)，d为该生育期的间隔天数(d)。

1.3.7 耗水效率和水分利用效率

耗水效率VCWR=CR/CWR

式中，CR为作物生长速率(g·d-1)，CWR为耗水速率(mm·d-1)。

参考王红丽等的方法[8]，水分利用效率WUE=Y/ET,其中，ET=SWSBF-SWSHA+P。式中，Y为小麦单位面积产量(kg·hm-2)，ET为小麦生育期耗水量(mm)，SWSBF为播前土壤贮水量(mm)，SWSHA为收后土壤贮水量(mm)，P为生育期降雨量(mm)。

1.4 数据处理与分析

运用Microsoft Excel 2007 软件计算并作图，DPS 9.50数据处理软件进行方差分析，用Tukey 法检验处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 全膜覆土穴播对春小麦不同生育期0～300 cm土层土壤贮水量的影响

春小麦农田土壤贮水量随生育进程呈下降趋势，且受降水影响显著(图2)。PMS处理在0～300 cm土层土壤贮水量高于CK，并在部分生育期达到显著差异(P<0.05)：2012-2014年苗期PMS处理0～300 cm的土壤贮水量分别比CK增加了15.6、34.1 mm和18.0 mm，拔节期分别增加了21.9、22.1 mm和20.7 mm，灌浆期分别增加了15.1、42.1 mm和37.4 mm；并在2013年 和2014年播前分别增加了42.1 mm和27.4 mm。

2.2 全膜覆土穴播对春小麦阶段耗水量的影响

春小麦阶段耗水量在2个处理间有显著差异，而且在不同降水年型明显不同(图3)。2012年在播种-拔节期PMS处理的耗水量较CK降低了18.3%(P<0.05)，其余生育阶段处理间耗水量无显著差异。2013年在播种-拔节期、拔节-抽穗期，PMS处理耗水量较CK增加了20.0%和18.0%，均呈显著差异(P<0.05)；在灌浆-成熟期，PMS处理的耗水量显著低于CK(P<0.05)，下降了36.7%。2014年PMS处理与CK耗水量差异不显著。

注：BS：播种前；SE：苗期；JO：拔节期；HE：抽穗期；FI：灌浆期；MA：成熟期Note: BS:before sowing; SE: seeding; JO: jointing; HE: heading; FI: filling; MA: maturing图2 全膜覆土穴播小麦田0～300 cm土层土壤贮水量随生育期的变化Fig.2 Variation of soil water storage in 0～300 cm profile of PMS in different growth stages of spring wheat

2.3 全膜覆土穴播对春小麦耗水模系数的影响

PMS对春小麦的耗水模系数有影响，而且在不同降水年型有明显变化(图4)。2012年在播种-拔节期，PMS处理的耗水模系数显著低于CK(P<0.05)，下降了9.8%；在拔节-抽穗期、抽穗-灌浆期，PMS处理的耗水模系数则显著高于CK(P<0.05)，增加了15.2%和12.1%；而在灌浆-成熟期处理间无显著差异。2013年在播种-拔节期、拔节-抽穗期，PMS处理的耗水模系数较CK分别增加了16.9%和14.9%(P<0.05)；在灌浆-成熟期，PMS处理显著低于CK(P<0.05)，下降了28.2%；在抽穗-灌浆期，处理间差异不显著。2014年在播种-拔节期，PMS处理的耗水模系数显著高于CK(P<0.05)，增加了10.5%；在灌浆-成熟期，PMS处理显著低于CK(P<0.05)，下降了10.6%；其它生育期处理间差异不显著。

2012年，耗水模系数PMS处理以播种-拔节期最高，抽穗-灌浆期次之，拔节-抽穗期和灌浆-成熟期相近；CK以播种-拔节期最高，抽穗-灌浆期次之，拔节-抽穗期最低。2013、2014年各处理的耗水模系数表现出相似的规律，均以播种-拔节期最高，灌浆-成熟期次之，抽穗-灌浆期最低，虽然2013年PMS处理拔节-抽穗期较灌浆-成熟期下降了6.2%，但两个生育阶段间无显著差异。比较不同生育期耗水模系数在不同降水年型之间的变化，以播种-拔节期、灌浆-成熟期的耗水模系数在不同降水年型之间的变化最大，表明这两个生育期的耗水特征受耕作栽培等措施的显著影响，水分调控可取得更为显著的效果。

2.4 全膜覆土穴播对春小麦耗水速率的影响

春小麦的耗水速率在不同处理、生育期和降水年型间的差异见图5。2012年PMS处理在播种-拔节期的耗水速率显著低于CK(P<0.05)，下降了15.5%，其余生育期差异不显著。2013年在播种-拔节期、拔节-抽穗期，PMS处理的耗水速率显著高于CK(P<0.05)，分别增加了20.0%和18.0%；在灌浆-成熟期，PMS处理显著低于CK(P<0.05)，下降了26.3%。2014年PMS处理和CK的耗水速率在4个生育阶段均无显著差异。

注：SO-JO：播种到拔节期；JO-HE：拔节期到抽穗期；HE-FI：抽穗期到灌浆期；FI-MA：灌浆期到成熟期。不同字母表示同一生育阶段不同处理间差异显著 (P<0.05)。下同。Note: SO-JO: sowing-jointing; JO-HE: jointing-heading; HE-FI: heading-filling; FI-MA: filling-maturing. Different letters in the same growth stage mean significant difference among treatments (P<0.05). The same below.图3 全膜覆土穴播对春小麦阶段耗水量的影响Fig.3 Effects of PMS on periodical water consumption of spring wheat

图4 全膜覆土穴播对春小麦耗水模系数的影响Fig.4 Effects of PMS on water consumption modulus coefficient of spring wheat

2.5 全膜覆土穴播对春小麦地上部生物量、生长速率和耗水效率的影响

PMS处理的小麦地上部生物量在2012-2014年显著高于CK(P<0.05)(图6)，3 a成熟期分别增加了95.7%、42.8%和108.7%。春小麦生长速率在抽穗-灌浆期最高，PMS处理在整个生育期均显著高于CK(P<0.05)，在2013年依生育期分别增加了366.1%、222.1%、165.0%和42.8%，在2012年和2014年，分别增加了153.7%、87.0%、101.9%、95.7%和87.4%、129.2%、133.0%、108.7%。PMS的耗水效率在不同年份均显著高于CK(P<0.05)，且不同年份表现出不同的特征，2012年在灌浆-成熟期最高，而2013年和2014年都是在抽穗-灌浆期最高。PMS与CK的耗水效率在不同年份有明显不同，如灌浆-成熟期2013年PMS较CK增加了93.8%，2012年和2014年分别增加了115.5%和143.7%。

图5 全膜覆土穴播对春小麦耗水速率的影响Fig.5 Effects of PMS on water consumption rate of spring wheat

图6 全膜覆土穴播对春小麦生物量、生长速率和耗水效率的影响Fig.6 Effects of PMS on aboveground biomass,growth rate and water consumption efficiency of spring wheat

2.6 全膜覆土穴播对春小麦产量构成因子的影响

地膜覆盖对小麦产量构成因子有显著影响(表1)。与CK 相比，PMS处理的株高、单株重、小穗数、穗粒数、穗粒重和千粒重显著增加(P<0.05)，3 a试验期间的株高增加了15.8%～39.0%，单株重增加了53.1%～141.6%，小穗数增加了26.1%～55.8%；穗粒数增加了36.9%～102.9%，穗粒重增加了51.7%～133.8%，千粒重增加了10.8%～18.9%。

2.7 全膜覆土穴播对春小麦耗水量、产量和水分利用效率的影响

与CK相比，PMS处理没有显著提高春小麦全生育期的耗水量，但产量在2012-2014年分别增加了35.4%、58.9%和61.9%，水分利用效率(WUE)增加了44.6%、56.7%和63.3%，均达显著差异水平(P<0.05)(图7)。2013年降雨较多，但产量较2012年和2014年分别下降了24.9%和18.2%，WUE分别下降了36.1%和16.7%(P<0.05)，这主要是由于2013年2月19日-4月18日2个月无降雨，严重影响了小麦苗期生长，而且在灌浆期的7月份降雨较多，达到150 mm，严重影响了籽粒灌浆，导致产量和WUE显著下降。

表1 全膜覆土穴播对春小麦产量构成因子的影响

注：不同字母表示同一年份不同处理间差异显著(P<0.05)。

Note: Different letters in the same year mean significant difference among treatments (P<0.05).

图7 全膜覆土穴播对春小麦产量、耗水量和水分利用效率的影响Fig.7 Effects of PMS on yield,evapotranspiration and water use efficiency of spring wheat

3 讨 论

调节蒸腾蒸发比能够显著改变作物的耗水特征[20，23-24]，耕作栽培措施、养分管理模式、灌溉制度等因素均能通过调节作物蒸腾蒸发比来显著影响作物的耗水特征[13-15]。地膜覆盖降低了土面蒸发量，使苗期耗水量下降，提高土壤贮水量[7-8,18-19]，但土面蒸发受降水量和土壤温度的直接影响[14,25]。本试验中，受年际降水量差异的影响，春小麦阶段耗水量、耗水模系数、耗水速率和耗水效率在不同年份有明显不同。在降水稍多的2013年，全膜覆土穴播(PMS)在播种-拔节期的耗水量、耗水模系数、耗水速率和耗水效率较CK分别增加了20.0 mm、16.9%、20.1%和288.2%；但在2012年，相同生育期的耗水量、耗水模系数和耗水速率分别下降了21.9 mm、9.8%和15.5%，耗水效率增加了200.1%，差异均达到显著水平。生育前期PMS处理和CK所消耗水分的用途不同，前者主要用于作物蒸腾，而后者主要是土面蒸发。在全生育期，PMS和CK的阶段耗水量、耗水模系数、耗水速率和耗水效率在不同年份的变化不同，在降水较多的年份，PMS处理的耗水速率在播种-拔节期、拔节-抽穗期显著高于CK，而灌浆-成熟期显著低于CK。

地膜覆盖显著提高了作物生育前期的土壤含水量，促进了作物生长发育[7-8]，这对植株形态建成有积极意义。本试验中，PMS处理的小麦株高显著高于CK。PMS处理的土壤贮水量在拔节-抽穗期、抽穗-灌浆期高于CK，PMS处理的耗水量较CK无显著提高，但地膜覆盖处理耗散的水分主要用于作物蒸腾，而CK的土面蒸发较强，所以PMS处理的小穗数、穗粒数、穗粒重和千粒重均显著高于CK；另外，PMS处理在抽穗-灌浆期、灌浆-成熟期的耗水量较CK不但无显著增加，且在降水较为充裕的2013年其灌浆-成熟期耗水量显著低于CK，表明CK在这一生育阶段有较多土壤水分被蒸发。PMS不仅对春小麦阶段耗水量、耗水模系数、耗水速率和耗水效率有显著影响，而且调节了春小麦的耗水过程。在降水较多年份，PMS处理阶段耗水量以播种-拔节期最高，灌浆-成熟期次之，抽穗-灌浆期最低；但CK在播种-拔节期、灌浆-成熟期最高，抽穗-灌浆期最低。在降水较少的2012年，播种-拔节期PMS处理的耗水量较CK有较明显的降低趋势，但显著提高了春小麦的生长速率和耗水效率。表明全膜覆土穴播能够降低土面蒸发，调节作物的蒸腾蒸发关系，影响春小麦在不同降水年型的耗水过程和耗水特性，提高耗水效率，所以PMS处理的地上生物量、产量及其构成因子和水分利用效率均显著高于CK。

4 结 论

全膜覆土穴播能显著调节春小麦在不同降水年型的耗水进程和耗水特性，使地上部生物量、生长速率和耗水效率分别提高42.8%～108.7%、42.8%～366.1%和73.3%～288.2%。在全生育期耗水量无显著增加的条件下，PMS产量提高35.4%～61.9%，水分利用效率提高44.6%～63.3%。