播种方式对旱地春小麦产量、干物质及水分利用效率的影响

房彦飞 罗晓颖 唐江华 孙婷婷 王鲁振 唐甜 徐文修

摘要：为提高新疆旱地春小麦产量及水分利用效率，筛选出适宜的播种方式，采用单因素随机区组试验，设置传统平作（T1）、起垄沟播（T2）、起垄覆膜沟播（T3）3个播种方式，研究不同播种方式下旱地的土壤含水量及春小麦的叶面积指数（leaf area index，LAI）、干物质量、产量，并进一步比较土壤贮水量、耗水量及水分利用效率等。结果表明，在抽穗期之前，T2和T3处理均可显著增加旱地春小麦的LAI和干物质量；在抽穗期之后，T3处理较T2和T1处理更有利于提高旱地春小麦的LAI和干物质量。同时，T3处理可显著提高拔节期土壤0—80 cm土层的含水量和贮水量，分别较T2、T1处理显著提高32.09%、34.64%和38.20%、38.85%；T3处理降低了播种—拔节期土壤耗水量，增加了拔节期—收获期的土壤耗水量，有利于植株中、后期的生长发育。T3处理可提高旱地春小麦的有效穗数、单穗粒数、籽粒产量、水分利用效率和降水利用效率，其中产量最高为2 474.43 kg·hm-2，较T1、T2处理分别显著增加50.13%和50.47%；水分利用效率和降水利用效率分别显著提高48.99%、51.02%和49.41%、50.15%。综上所述，起垄覆膜沟播有利于小麦增产和水分高效利用，为新疆旱地春小麦蓄水保墒和高产高效提供了理论依据及技术参考。

关键词：播种方式；旱地春小麦；干物质；产量；水分利用率

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0718

中图分类号：S512.1+2 文献标志码：A 文章编号：10080864（2024）01017309

近半个世纪以来，受全球气候变暖的影响，北疆地区气候总体呈现气温升高、降水量增加的暖湿化趋势[1]。新疆虽然是我国典型的绿洲灌溉农业，但仍然有20.45万 hm2的雨养农业作为灌溉农业的必要补充[2]，尤其是昌吉州东部的木垒县，是面积较大的典型旱作农业区，同时也是当地农民收入的主要来源之一。然而，该区常年存在降水时空分布不均、与作物生长需水错位等问题，严重制约了当地旱地小麦生产力的提高。因此，在新疆“暖湿化”气候变化背景下，寻求更科学的旱地蓄水保墒技术、最大程度地提高降水利用率是该区旱地小麦高产稳产的关键，也是新疆旱地农业生产中亟待解决的重要问题。

近年来，沟垄集水农业技术作为提高旱地作物生产力的一种手段被广泛重视，该技术不但能够对降水资源实现时空调控，增加农业抗旱的主动性，而且能明显提高水分利用效率，满足作物对水分的生长需求[3]。其中，起垄覆膜沟播作为沟垄集水农业技术的一种，集合了垄作与覆膜2种技术的优点，通过起垄改变田间微地形，增加土壤表面积，通过两垄之间的沟灌水或者垄上覆膜的微集水，改变土壤光、热、水条件，为作物创造良好的水分利用条件，聚水保墒和增产效果显著[45]。研究指出，沟垄地膜覆盖栽培能将小于3 mm的无效降水经沟垄富集叠加后变为有效降水，供给作物生长；其中，对小于10 mm的降水利用效果尤为显著[6-8]。在黄土高原旱作区，地膜覆盖不仅能提高降水生产效率，协调土壤孔隙中水分和空气的占比关系，还能提高作物产量和水分利用效率[9]。前人对不同播种方式下玉米、马铃薯及小麦等旱地作物进行了大量研究。起垄覆膜较平作能够促进无效水转换为有效水，改善作物的耗水结构，获得更高的干物质积累和相对生长速率[10]，作物水分利用效率和产量明显高于传统平作[11]。王同花等[12]研究表明，虽然起垄覆膜沟播栽培方式因起垄导致小麦播种面积减少，小麦穗数有所降低，但由于土壤有效水的增加，小麦的叶面积、干物质量等生长指标在起垄覆膜模式下明显高于传统平作，最终其籽粒产量和水分利用效率分别较传统平作增加15.3% 和5.06%。目前，垄作种植技术对旱地作物的研究主要集中于降水量较大的西北黄土高原半干旱区、半湿润偏旱区，而就极度干旱的新疆旱地农业区有关节水高产播种模式的研究鲜有报道。因此，本文以新疆木垒县旱地春小麦为研究对象，分析不同播种方式对旱地春小麦产量、干物质量及水分利用效率的影响，旨在为新疆旱作农业区小麦水分持续高效利用和增产增收提供理论指导和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2021年4—8月在新疆维吾尔自治区东北部的昌吉州木垒哈萨克自治县孙家沟村进行（N 43.83°，E 90.28°），海拔1 272 m；年均降水量330 mm，年均气温6 ℃，全年日照时数3 070 h，无霜期145 d，属温带大陆性干旱气候，为典型的丘陵雨养农牧区。试验地播前0—30 cm 土壤有机质25.59 g·kg-1，全氮0.56 g·kg-1，碱解氮47.50 mg·kg-1，速效磷20.01 mg·kg-1，速效钾463.44 mg·kg-1，pH 8.23。春小麦生育期降水量详见表1。

1.2 试验设计

采用单因素随机区组试验设计，设置传统平作（T1）、起垄沟播（T2）、起垄覆膜沟播（T3）3种播种方式，其中T2处理的垄高15 cm，垄宽25 cm，垄距90 cm，沟内种植5行小麦；T3处理垄上覆膜，膜宽60 cm，其他参数同T2处理。每处理重复3次，共计9个小区，小区面积35 m2。所有处理均采用人工开沟15 cm，等行距播种，播种量225 kg·hm-2，并于播种时施用150 kg·hm-2磷酸二铵作为种肥，于拔节至灌浆期间结合降雨追施氮肥75 kg·hm-2。小麦品种选用抗旱性较好的‘新春41号，其播种和收获日期分别为4月11日和7月27日，其他管理措施同当地大田一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分的测定 分别于小麦播种前和收获后，挖80 cm深的剖面坑，每20 cm为一土层，采用环刀法测定土壤容重。分别于苗期（4月28日）、拔节期（6月7日）和成熟期（7月26日），每个小区选取2 个点，用土钻采集各处理0—20、20—40、40—60、60—80 cm土层的土样，用烘干法测定土壤含水量，并计算土壤贮水量（soil water storage，Sw）、土壤耗水量（evapotranspiration，ET）、水分利用效率（water use efficiency，WUE）和降水利用效率（rainfall use efficiency，RUE），计算公式如下。

Sw=0.1×d×r×w （1）

ET=Sw1+P-Sw2 （2）

WUE=Y/ET （3）

RUE=Y/P （4）

式中，Sw 为土壤贮水量（mm）；d 为土层厚度（cm）；r 为土壤容重（g·cm-3）；w 为土壤含水量（%）；0.1为单位换算系数；ET代表总耗水量；Sw1代表播种时土壤贮水量；P 为小麦全生育期降水量（mm）；Sw2为收获时土壤贮水量（mm）；WUE为水分利用效率（kg·mm-2·hm-2）；Y 为小麦籽粒产量（kg·hm-2）；RUE代表降水利用效率（kg·mm-1·hm-2）。

1.3.2 叶面积指数的测定 分别于小麦分蘖期（5月26日）、拔节期（6月7日）、抽穗期（6月15日）、开花期（6月23日）、灌浆期（7月5日）重复选取长势均匀一致、连续的小麦植株10株，采用长宽系数法测定叶面积（leaf area，LA，m2），折算长宽系数为0.8，计算叶面积指数（leaf area index，LAI）。

LA=Σ每叶（叶长×叶宽×0.8/10 000） （5）

LAI =单株小麦叶面积×每公顷株数/10 000 （6）

1.3.3 干物质的测定 于小麦分蘖期（5月26日）、拔节期（6 月7 日）、抽穗期（6 月15 日）、开花期（6月23日）、灌浆期（7月5日）和成熟期（7月22日）在各小区内连续选择具有代表性的小麦植株10株，剪去根系，将植株分为茎鞘、叶、穗后分装入袋，在105 ℃烘箱中杀青30 min，降至80 ℃烘干至恒重，并测定各器官干物质量。

1.3.4 测产及考种 于成熟后分别在各小区内选取长势均匀一致的3个1 m2区域的作物，收获后脱粒、晒干，记录产量；另在每个点上选取具有代表性的20株植株进行室内考种，测定穗粒数、千粒重等指标。

1.4 数据分析

采用Excel 2010 软件处理数据和作图，用SPSS 19.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同播种方式对旱地春小麦土壤水分的影响

2.1.1 不同播种方式对旱地春小麦0—80 cm 土壤含水量的影响 不同播种方式下小麦各生育时期0—80 cm土层的土壤含水量变化如图1所示。各处理0—80 cm土层土壤含水量随生育期的推进呈不断下降的趋势，至小麦成熟期，各处理的土壤含水量为4.09%～7.46%。在苗期，各处理土壤含水量随土层的加深均不断降低，其中0—20 cm土层的土壤含水量最高，平均22.54%；且各土层不同处理间均差异不显著。在拔节期，各处理表现为40—60 cm土层的土壤含水量最高，其中T3处理土壤含水量最高，为16.16%，较T1、T2处理分别显著提高32.94%、22.98%；其他土层也均表现为T3处理的土壤含水量显著高于T1、T2处理，而T1、T2处理间差异不显著。在成熟期，T1、T2处理20—40 cm土层的土壤含水量最高，而T3处理40—60 cm 土层的土壤含水量最高；其中0—20 cm土层表现为T3、T2>T1，且T3处理的土壤含水量较T1 处理显著提高25.61%。由此表明，在拔节期起垄覆膜沟播处理对自然降水的富集效果最为明显，不仅能显著提高土壤含水量，更有利于小麦产量形成。

2.1.2 不同播种方式对旱地小麦土壤贮水量及耗水量的影响 由图2可知，收获期不同处理下旱地春小麦的土壤贮水量无显著差异，但拔节期T3处理的土壤贮水量显著高于T1、T2处理，较T1、T2处理分别显著增加38.20%、38.85%。进一步分析土壤耗水量可知，旱地春小麦全生育期的总耗水量为221.98～223.43 mm，不同处理间无显著差异，但各生育时期土壤耗水量占其总耗水量的比例存在差异。在播种—拔节期，T1、T2处理的土壤耗水量较T3处理增加35.61%、36.04%，其中T1处理此阶段的占比高达69.61%。在拔节—收获期， T3处理的土壤耗水量最高，较T1、T2处理分别显著增加62.31%和58.09%，且占比高达49%。由此可知，起垄覆膜沟播显著提高了小麦拔节期的土壤贮水量，降低了拔节前土壤耗水量，增加了拔节后的土壤耗水量，有利于小麦生长关键时期的物质积累和光合产物的形成，为作物增产奠定良好的基础。

2.2 不同播种方式对旱地春小麦叶面积指数的影响

由图3可知，不同处理下旱地春小麦叶面积指数（LAI）随着生育进程均表现出先增后降的变化趋势，且均在抽穗期达到峰值，其中以T3处理最高，为4.68，较T1、T2 处理分别显著提高29.64%、7.83%。在分蘖期和抽穗期，T2、T3处理的LAI显著高于T1处理；在开花期和灌浆期，T3处理的LAI均显著高于T1、T2处理。由此表明，在小麦生长前期，雨水较为充足的条件下起垄沟播和起垄覆膜沟播均有利于增加LAI；但在小麦生长后期，起垄覆膜沟播的蓄水效果更优，有利于提高旱地春小麦的LAI。

2.3 不同播种方式对旱地春小麦干物质积累量的影响

不同播种方式对小麦干物质积累量的影响不同（图4）。不同处理下旱地小麦单株干物质积累量的总变化趋势一致，均表现为随生育时期的推进呈现先增后降的趋势，至灌浆期达到最大。在抽穗期前，T3、T2处理的干物质量较T1处理显著增加26.01%～50.94%，说明抽穗期之前、降水量较大的情况下起垄沟播和起垄覆膜沟播的蓄水效果较好，有利于增加植株干物质量。在抽穗期之后，T3处理的干物质量较T1、T2分别平均显著增加21.62%、15.52%；而T2和T1处理间差异不显著，表明抽穗期后降雨量少，起垄覆膜沟播更有利于干物质积累。

2.4 不同播种方式对旱地春小麦产量、产量构成因素及水分利用的影响

由表2可知，T3处理下旱地春小麦的产量最高，达2 474.43 kg·hm-2，分别较T1、T2处理显著提高50.13%、50.47%，而T1、T2处理间差异不显著；且T3 处理的有效穗数、单穗粒重均极显著高于T1、T2处理；T1处理的千粒重较T3处理显著增加14.47%，与T2处理差异不显著。由此表明，T3处理的有效穗数和穗粒数显著提高，弥补了千粒重下降对产量的影响，因此起垄覆膜沟播对产量仍然表现为正效应。

进一步分析水分利用效率及降水利用效率可知（表2），T3处理的水分利用效率和降水利用效率分别较T1、T2处理极显著提高48.99%、51.02%和49.41%、50.15%。由此表明，起垄覆膜沟播较其他处理有显著增产作用，有利于提高旱地春小麦的水分利用效率和降水利用效率。由于起垄覆膜沟播处理由于植株长势较好，因此需水量较大，而在小麦生长中、后期降雨量极少（约8.9 mm），导致后期水分补给不足影响籽粒灌浆，造成千粒重有所下降。

3 讨论

3.1 不同播种方式对旱地春小麦土壤水分的影响

水分是限制旱区农作物增产的一大瓶颈，如何充分利用有限的天然降水、最大限度地挖掘有限降水的生产潜力、增加土壤蓄水保墒能力对旱区作物产量提高发挥着举足轻重的作用[13]。研究认为，垄沟覆膜可有效减少地面蒸发，增加土壤含水率，提高土壤贮水能力[1415]。李吾强等[16]研究发现，起垄覆膜沟播处理旱地冬小麦越冬期、拔节期和收获期的土壤储水量均高于起垄沟播和传统平作处理，且整个生育期的总耗水量差异不大。吴兵等[17]研究表明，不同覆膜处理下春小麦各生育阶段的耗水量及其占总耗水量的比例存在一定差异，其中播种—拔节期覆膜处理的耗水量低于裸地处理；抽穗至灌浆期的耗水量和耗水比例均最大，显著高于裸地处理。本研究表明，起垄覆膜沟播处理显著提高了旱地小麦拔节期的土壤含水量和贮水量，且整个生育期的总耗水量与其他处理无显著差异，但各阶段耗水比例存在差异，其中起垄覆膜沟播处理显著减少了播种—拔节期的土壤耗水量，增加了拔节—收获期的土壤耗水量，说明起垄覆膜具有抑蒸、聚水、保水等作用[18]，有利于小麦拔节期土壤水分的积累，并调节了春小麦不同生育阶段的耗水比例，降低了拔节前的耗水量，将更多的水分用于拔节至成熟期，以保证作物增产[19]。但本研究还发现，在苗期和收获期各处理的土壤含水量和贮水量无显著差异，与前人研究结果存在差异。这可能是由于苗期气温低、土壤蒸发量小，加之植株处于幼苗阶段，需水量较少，因此土壤水分变化较小；随着小麦生长，且起垄覆膜处理下植株生长旺盛，叶面积扩展迅速，蒸腾作用加强，使其土壤耗水量超过了非地膜覆盖处理，加之降水量极少，因此生长后期土壤贮水量处于较低水平[20]。

3.2 不同播种方式对旱地春小麦LAI 和干物质积累量的影响

水分调控显著影响作物的生长发育。本研究表明，起垄覆膜沟播能显著增加小麦LAI及干物质量，与王同花等[21]、黄素芳等[22]在旱地冬小麦上的研究结果一致。这表明沟垄覆膜的集水保墒效应通过优化土壤水环境，改善作物群体结构，增加作物叶面积，提高叶片光合效能，增加农田作物光合物质的运输和积累速率，从而积累更多的干物质[6，23]。同时，本研究还发现，起垄沟播仅在小麦抽穗期之前较传统平作显著增加LAI 和干物质量；抽穗期之后，起垄沟播和传统平作处理无显著差异，这可能是因为起垄沟播的垄面未覆膜，降雨量较大时垄的集水作用相对显著，但对于无效降水（<10 mm）的蓄积作用较小[24]，加之未覆膜土壤的蓄水保墒能力降低，因此在降水量较少的中后期对旱地小麦的生长发育无显著促进作用。

3.3 不同播种方式对旱地春小麦产量、产量构成因素及水分利用的影响

起垄覆膜通过改善土壤水分促进作物生长，从而增加籽粒产量，提高作物水分利用效率[25-27]。冯攀等[24]研究发现，起垄覆膜沟播较常规条播和起垄沟播能显著提高马铃薯产量和水分利用效率，但常规条播和起垄沟播间无显著差异。李吾强等[16]研究表明，起垄覆膜沟播虽然降低了小麦穗数，但获得了较高的千粒重和穗粒数，产量较传统平作栽培增加19.3%，且水分利用效率明显高于传统平作和起垄沟播。本研究表明，起垄覆膜沟播处理显著增加了小麦穗粒数和籽粒产量，且水分利用效率和降水利用效率也显著提高，与前人研究结果一致。这说明起垄覆膜沟播栽培方式较起垄沟播和传统平作模式的降雨蓄积效率高，将无效、微效降水有效化，提高了降水的利用效率，改善了作物生长发育过程中对水分的供求矛盾[28]，尤其在降水亏缺年份可提高作物生育后期农田耗水量和耗水模系数，增强中后期叶面蒸腾耗水，有利于后期光合生产及光合产物的转移积累，从而提高作物产量[2930]。但本研究还发现，虽然起垄覆膜显著增加了小麦穗数，但千粒重有所降低，这与前人研究结果存在差异。这一方面是由于本研究在播种后遭遇降温、雨雪天气，起垄覆膜改变了耕层微生态环境，集雨、保墒、增温作用显著，起到出苗、保苗的好效果[31]，并促进分蘖成穗[32]，从而增加了群体数量；另一方面在孕穗至成熟期降水量非常少（约8.9 mm），导致作物生长后期土壤水分供应不足，同化产物的浪费和繁殖器官发育不良[33]，从而造成千粒重降低。

参 考 文 献

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（责任编辑：张冬玲）