柴守玺¹, 杨长刚^1,*, 张淑芳², 陈恒洪³, 常磊^1
1甘肃省干旱生境作物学国家重点实验室 / 甘肃农业大学农学院, 甘肃兰州 730070

²甘肃省临夏州气象局, 甘肃临夏 73110,³甘肃国丰科技股份有限公司, 甘肃兰州 730070

^* 通讯作者(Corresponding author): 杨长刚, E-mail: cgyang1985@126.com, Tel: 13519612741 第一作者联系方式: E-mail: sxchai@126.com, Tel: 13893357084
收稿日期:2015-04-02 基金:本研究由国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-3-2-49)和国家公益性行业(农业)科研专项(201303104)资助

摘要为探讨黄土高原半干旱雨养条件下覆膜种植冬麦田土壤水分动态特征和增产效果, 在2008—2009和2009—2010年生长季, 以露地种植为对照(CK), 研究了3种覆膜方式(全膜覆土穴播、全膜穴播、垄膜沟播)对冬小麦农田土壤水分、产量和水分利用效率的影响。结果表明, 孕穗前期覆膜处理0~200 cm平均土壤含水量在2个生长季分别较CK高2.3%和1.7%, 而在孕穗期至成熟期分别较CK低14.7%和7.6%。地膜覆盖可显著改善0~20 cm土壤墒情, 但拔节后20~90 cm土层以及全生育期90~200 cm土层含水量普遍低于CK; 2个生长季收获期0~200 cm平均土壤含水量覆膜处理较CK分别低64.7 mm和47.0 mm。在2个生长季中, 覆膜处理平均耗水量分别较CK多64.6 mm和77.2 mm。2个生长季夏季休闲后, 覆膜处理在秋播时0~200 cm的土壤含水量分别比CK高29.8 mm和22.8 mm, 显然, 覆膜有利于土壤水分的快速恢复。2个生长季覆膜处理的平均产量分别较CK高49.4%和53.2%, 水分利用效率分别提高11.8%和14.3%。在3种覆膜处理中, 虽然全膜穴播的产量和水分利用效率最高, 但从劳动力和生产资料的投入同产出效益角度考虑, 则以全膜覆土穴播最优。因此认为, 全膜覆土穴播是一种高产高效、操作简单、适宜于半干旱区推广应用的冬小麦种植方式。

关键词:旱地; 冬小麦; 地膜覆盖; 土壤水分; 水分利用效率
Effects of Plastic Mulching Modes on Soil Moisture and Grain Yield in Dryland Winter Wheat
CHAI Shou-Xi¹, YANG Chang-Gang^1,*, ZHANG Shu-Fang², CHEN Heng-Hong³, CHANG Lei^1
1Gansu Provincial Key Laboratory of Aridland Crop / College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China

²Meteorological Bureau of Linxia Autonomous Prefecture of Gansu Province, Linxia 731100, China

³Gansu Guofeng Agriculture Technology Co., Ltd., Lanzhou 730070, China


AbstractMulching strategies and practices are required to increase crop yields in arid and semiarid rainfed areas. This study was carried out to determine the effect of different mulching modes on soil moisture, grain yield, and water use efficiency for winter wheat in a semiarid rainfed region of Loess Plateau, Northwest China during 2008-2009 and 2009-2010 growing seasons. Winter wheat was grown under four cultivation patterns: whole field plastic mulching with soil cover on the top of the plastic mulch and bunch-seeding (T1), whole field plastic mulching without soil cover on the top of the plastic mulch and bunch-seeding (T2), ridges mulched with plastic film and row-seeding in the furrow (T3), and non-mulching with row-seeding as control (CK). Compared with CK, the three plastic mulching treatments showed the increase of water storage in the 0-200 cm soil layer before booting stage by 2.3% in the 2008-2009 season and 1.7% in the 2009-2010 season and the decrease of 0-200 cm soil water storage from booting to harvest by 14.7% and 7.6% in the two seasons, respectively. In the three plastic mulching treatments, the 0-20 cm soil moisture during the whole growth season was obviously higher than that in CK, however the 20-90 cm soil moisture after jointing and the 90-200 cm soil moisture during the whole growth season were lower than that in CK. As a result, the 0-200 cm soil water storage at harvest in the plastic mulching treatments was 64.7 mm (2008-2009 growing season) and 47.0 mm (2009-2010 growing season) lower than that in CK. Although T1, T2 and T3 consumed 64.6 mm and 77.2 mm more soil water than CK in two growing seasons, the 0-200 cm soil water storage was 29.8 mm and 22.8 mm higher at seeding stage in autumn after the summer fallowing. This result indicated that soil water storage was restored rapidly during summer fallow in plastic mulching treatments. Compared with CK, plastic mulching treatments enhanced wheat yield by 49.4% in 2008-2009 season and 53.2% in 2009-2010 season and water use efficiency by 11.8% in 2008-2009 season and 14.3% in 2009-2010 season. In a comprehensive consideration of yield, water use efficiency and economical return, T1 is recommended as a simple and applicable technique in semiarid rainfed wheat production aiming at high yield and high efficiency.

Keyword:Dryland; Winter wheat; Plastic film mulching; Soil moisture; Water use efficiency
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西北黄土高原是中国以小麦生产为主的古老旱作区。该区年降水量200~700 mm, 雨季降水量大而集中, 整个冬春季干旱少雨, 年降水的60%~70%集中于7月至9月, 与冬小麦生长需水错位, 严重限制该区冬小麦生产^{[1, 2, 3]}。因此, 寻求有效措施提高有限降水利用率是实现该区小麦稳产高产的关键, 也是该区农业生产中急需解决的问题。长期以来, 传统栽培技术力求纳秋水、抗春旱, 但由于地表裸露、蒸发强烈, 80%以上的耕地土壤水分无效蒸发, 致使冬小麦产量低而不稳^[4]。地膜覆盖是旱农地区有效蓄水保墒和提高作物产量的重要技术措施^{[3, 4, 5, 6, 7, 8]}, 在旱地小麦种植中被大面积推广应用^{[1, 2, 5, 8]}。在陕西关中半湿润易旱区, 覆膜种植冬小麦在返青时0~100 cm土层较露地栽培多蓄水6.5 mm, 且冬小麦对深层土壤水分的利用加强, 产量较对照增加28.9% ^[9]。在山西旱作地区, 地膜覆盖能降低土壤水分蒸发损失, 使冬小麦增产11.7%~13.9% ^[10]。在甘肃中部半干旱地区, 覆膜种植能使冬小麦开花前0~90 cm土壤墒情得到改善, 而全生育期90~200 cm土层含水量普遍低于露地, 冬小麦产量较露地提高20.3%~29.0% ^[11]; 春小麦覆膜后, 棵间蒸发受到抑制, 蒸腾/蒸发比提高, 有限水分主要用于蒸腾性生产, 利于产量形成^[12]。研究表明, 旱作地区覆膜种植增产效果显著, 一方面在于地膜覆盖集雨保墒, 提高土壤水库库容^{[1, 2, 5, 9]}; 另一方面在于地膜覆盖改变作物耗水模式, 使有限水分主要用于蒸腾性生产, 提高水分生产效率^{[2, 8, 12, 13]}。但也有研究发现, 覆膜后春小麦前期旺盛生长, 导致后期供水不足, 引起脱水脱肥, 导致早衰甚至减产^{[14, 15]}。
地膜小麦发展到目前, 已形成了多种覆膜种植技术。不同覆膜技术引起的土壤水分变化因覆膜时间、技术本身的特点以及气候条件等的不同而有较大差异。但现有覆膜种植土壤水分效应研究多针对小麦个别时期和土层, 缺乏全生育期、分土层的动态监测, 难以全面认识覆膜对土壤水分在时空上的影响。因此需针对不同的生态条件、覆膜技术, 开展全面系统的比较研究。西北黄土高原半干旱雨养农业区大陆性气候强烈, 旱情比其他旱作区严峻, 土壤、生态条件等也较为特殊。本研究在西北黄土高原雨养生态环境下, 采用3种有代表性的覆膜种植技术, 以传统无覆盖露地种植为对照, 全面系统比较不同覆膜技术对冬小麦土壤水分在时空上的影响, 旨在深化认识覆膜用水机制, 为改进或研发新技术, 进一步提高旱地冬小麦降水利用效率提供依据。
1 材料与方法1.1 试验地概况甘肃农业大学定西旱农生态综合试验站, 海拔1970 m, 年日照时数2476.6 h, 年均温6.4℃, ≥ 10℃积温2239.1℃, 年降水量390.9 mm (表1), 年蒸发量1531 mm, 属黄土高原西部典型的半干旱雨养农业区。试区土壤为典型的黄绵土, 0~200 cm土层平均容重为1.25 g cm^-3, 其中0~20、20~40、40~60、60~90、90~120、120~150、150~180、180~200 cm 各土层容重分别为1.261、1.266、1.270、1.263、1.257、1.241、1.236、1.246 g cm^-3。
表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 冬小麦生育期及休闲期降水量 Table 1 Precipitations in winter wheat growing duration and fallow stage (mm) 月份/生育阶段 Month/period 总降水量 Total precipitation 有效降水量 ≥ 5 mm Precipitation 2008-2009 2009-2010 Mean of 1970-2010 2008-2009 2009-2010 9月 September 53.8 0 0 53.8 0 10月 October 39.3 38.2 28.5 33.8 32.5 11月 November 4.3 7.1 5.3 0 0 12月 December 0 3.4 1.6 0 0 1月 January 2.1 0 3.3 0 0 2月 February 9.5 1.5 4.6 7.4 0 3月 March 11.9 20.1 12.1 0 16.7 4月 April 18.0 36.0 28.0 10.4 36.0 5月 May 29.9 74.4 44.6 20.0 65.9 6月 June 22.3 44.9 53.4 18.2 44.9 7月 July 85.3 27.2 77.4 85.3 22.3 8月 August 97.4 40.2 82.6 95.0 33.4 9月 September 10.7 30.6 49.5 0 27.2 生育期 Growth duration 191.1 243.2 181.4 143.6 211.9 休闲期 Fallow stage 193.4 80.4 209.5 180.3 67.0 总计 Total 384.5 323.6 390.9 323.9 278.9 Growing period and fallow stage in 2008-2009 were from 20 Sep. 2008 to 14 July 2009 and from 15 July to 22 Sep. 2009, respectively. Growing period and fallow stage in 2009-2010 were from 23 Sep. 2009 to 1 July 2010 and from 2 July to 20 Sep. 2010, respectively. 2008-2009年度冬小麦生育期为2008年9月20日至2009年7月14日, 休闲期为2009年7月15日至9月22日; 2009-2010年度冬小麦生育期为2009年9月23日至2010年7月1日, 休闲期为2010年7月2日至9月20日。

表1 冬小麦生育期及休闲期降水量 Table 1 Precipitations in winter wheat growing duration and fallow stage (mm)

两年度降水量分布见表1。2008— 2009年度, 冬小麦返青前降水趋于多年均值, 但次年3月至6月降水较常年同期少40.6%, 冬小麦生长后期受旱较重; 2009— 2010年度, 冬小麦播种至返青阶段降水只有50.2 mm, 比上一年度同期降水少53.9%, 造成冬小麦返青前受旱较重。
1.2 试验设计设4个处理, 分别为露地条播(CK)、全膜覆土穴播(T1)、全膜穴播(T2)、垄膜沟播(T3), 每处理5次重复, 随机区组排列, 小区面积24 m² (3 m× 8 m)。T1处理在秋季播种前全地面平作覆膜, 膜面覆土1 cm, 穴播, 行距20 cm, 穴距15 cm, 每小区种15行, 行播量30 g; T2处理秋播前全地面平作覆膜, 膜上不覆土, 种植行距、穴距、行播量等同T1; T3处理在秋播前起垄, 垄底宽30 cm, 垄高5~10 cm, 两垄底间距30 cm, 垄面覆膜, 每垄沟条播2行, 2行间距24 cm, 各行距离垄底3 cm, 每小区种12行, 行播量37.5 g; 露地CK在播前不覆膜, 平作, 条播, 行距20 cm, 每小区种15行, 行播量30 g。第1生长季在2008年9月18日覆膜, 9月20日播种, 2009年7月1日收获; 第2生长季T1继续保留覆膜, T2和T3处理则在2009年9月21日揭掉上茬残膜, 然后耕作整地、重新覆膜, 于2009年9月23日播种, 2010年7月14日收获。
各小区播种和施肥量相同, 冬小麦供试品种为陇中1号, 播种量均为187.5 kg hm^-2。第1个生长季各处理覆膜前将充分腐熟的牛粪4500 kg hm^-2、纯氮105 kg hm^-2和P₂O₅ 105 kg hm^-2在整地时作基肥一次性深翻30 cm施入; 第2个生长季各处理均不再施肥。各处理所施氮肥为尿素, 磷肥为磷酸二铵。2个生长季均在灌浆前期将叶面肥、杀虫剂和杀菌剂等混合喷施用于防止后期病虫害、干热风和冬小麦植株早衰。
1.3 土壤水分相关指标的测定和计算方法在小麦播种前1天、冬前、返青、拔节、孕穗、开花、灌浆和成熟期, 从小麦种植行间取土样, 按0~20、20~40、40~60、60~90、90~120、120~150、150~180和180~200 cm 8个土层, 用烘干法测定土壤含水量。2个生长季以播种前1天测定的土壤含水量值比较夏闲期各处理的土壤水分恢复状况。多土层含水量为各土层含水量的加权平均值。土壤含水量(%) = (土壤鲜质量-土壤干质量) / 土壤干质量 × 100。
W = 10 × h × ρ × ω ^[13], 式中W为土壤贮水量(mm), h为土层深度(cm), ρ 为土壤容重(g cm^-3), ω 为土壤含水量(%);
ET = (W1-W2) + P ^[3], 式中ET为作物生育期耗水量(mm), P为作物生育期≥ 5 mm有效降雨量, W1、W2分别为播前和收获时的土壤贮水量(mm)。
WUE=Y/ET ^[3], 式中WUE为水分利用效率(kg mm^-1 hm^-2), Y为小麦籽粒产量(kg hm^-2), ET为农田耗水量(mm)。
1.4 小麦产量及其构成因素测定小麦成熟前1周, 从每小区选3点测定单位面积穗数; 成熟后按小区收获, 脱粒后晒干称重, 计算产量, 籽粒含水量约为12.5%。从各小区随机取20株室内考种, 按国标方法测定穗粒数、千粒重。
1.5 统计分析采用Microsoft Excel 2003和SPSS 20.0软件处理和分析数据, 用LSD法进行多重比较。用SigmaPlot 12.3作图。

2 结果与分析2.1 不同处理的产量和种植效益地膜覆盖的3个处理显著提高冬小麦产量和水分利用效率(表2)。覆膜各处理较CK增产39.3%~ 64.6% (2008— 2009年度)和37.0%~79.1% (2009— 2010年度), 水分利用效率提高8.8%~22.1% (2008— 2009年度)和4.2%~24.0% (2009— 2010年度)。以T2的产量和水分利用效率最高, 且显著高于其他处理。
表2
Table 2
表2(Table 2)

表2 冬小麦产量及种植效益 Table 2 Yield and planting benefit of winter wheat 处理 Treatment 产量 Yield (kg hm-2) 穗数 SN (m-2) 穗粒数 GNS 千粒重 GW (g) 水分利用效率WUE (kg hm-2 mm-1) 投入 Cost (Yuan hm-2) 收入 Income (Yuan hm-2) 纯收益 Return (Yuan hm-2) 地膜 Plastic 机械 Mechanization 总量 Total 2008-2009 T1 3789.5 b 532.4 a 23.8 c 32.9 a 14.8 b 1470.0 1050.0 4130.0 9094.8 4964.8 T2 4312.5 a 522.5 a 27.5 b 33.0 a 16.6 a 1470.0 1050.0 4730.0 10350.0 5620.0 T3 3655.5 c 428.3 b 27.6 b 34.0 a 14.2 c 630.0 1050.0 3890.0 8773.2 4883.2 CK 2623.5 d 265.5 c 33.1 a 32.8 a 13.6 d 0 675.0 2885.0 6296.4 3411.4 2009-2010 T1 3103.5 b 281.6 a 30.2 b 36.4 ab 11.0 b 0 675.0 1350.0 7448.4 6098.4 T2 3874.5 a 352.2 a 29.8 b 37.9 a 11.9 a 1470.0 1725.0 4470.0 9298.8 4828.8 T3 2964.0 c 328.8 a 27.1 c 35.4 bc 10.0 c 630.0 1725.0 3630.0 7113.6 3483.6 CK 2163.5 d 168.2 b 38.2 a 34.6 c 9.6 d 0 1350.0 2625.0 5192.4 2567.4 Total cost contains expenses on herbicide, fertilizer, and seed etc. in addition to plastic film and mechanization. The herbicide costs were 0 Yuan ha-1 for T1 and 600 Yuan ha-1 for other treatments in both years. The sums for fertilizer, seed and other items were the same in all treatments, which were 1610 Yuan ha-1 in 2008-2009 and 675 Yuan ha-1 in 2009-2010. The prices of diammonium phosphate and urea were 2.5 Yuan kg-1 and 1.6 Yuan kg-1, respectively. The income was from benefit of wheat product at the price of 2.4 Yuan kg-1. In each growing season, different letters after data within a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05). SN: spike number, GNS: grain numbers per spike, GW: 1000-grain weight. WUE: water use efficiency. 除地膜、机械外, 总投入还包括除草剂、肥料、种子等; 两年度除草剂投入均为T1 0元 hm-2, 其他处理600 元 hm-2; 肥料、种子等其他投入各处理相同, 2008-2009年度为1610 元 hm-2, 2009-2010年度为675 元 hm-2, 其中磷酸二铵2.5 元 kg-1, 尿素1.6元 kg-1。收入为产量收入, 小麦市场价格为2.4 元 kg-1。同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(P < 0.05)。

表2 冬小麦产量及种植效益 Table 2 Yield and planting benefit of winter wheat

覆膜增产的原因主要是提高单位面积穗数60.0%以上, 同时千粒重也有一定增加, 尤其是2009— 2010年度覆膜各处理千粒重与CK有显著差异。但覆膜处理的穗粒数显著低于CK, 两年度分别降低16.6%~28.1%和20.9%~29.1% (表2)。
覆膜栽培的经济效益远高于露地栽培(表2)。2008— 2009年度, T1、T2、T3的纯收益分别较CK增加45.5%、64.7%和43.1%; 2009— 2010年度, 3个处理的纯收益较CK依次增加137.5%、88.1%和35.7%。第2个生长季T1处理纯收益最高, 主要是由于T1处理为一次覆膜、两茬使用, 大幅度降低生产成本。
2.2 0~200 cm土壤贮水量动态变化各覆膜处理全生育期整体水分状况不如CK (图1)。2008— 2009年度和2009— 2010年度播种至成熟期0~200 cm平均贮水量, 覆膜处理平均比CK低5.0%和2.8%, 以T2和T3处理贮水量降低明显。但不同生育期各处理对土壤贮水量影响不尽相同, 孕穗前覆膜具有增墒效应, 但此后表现出明显的降墒效应。2008— 2009年度, 由于孕穗后降水偏少, 覆膜处理0~200 cm土壤墒情明显不如CK, 平均比CK低14.7%, 其中在孕穗期、开花期、灌浆期、成熟期依次比CK低10.3%、11.6%、15.9%和21.1%; 2009— 2010年度, 孕穗后降水偏多, 覆膜处理0~200 cm土壤贮水量仅平均比CK低7.6%, 其中在孕穗期、开花期和成熟期分别比CK低11.5%、5.4%和15.0%, 而在灌浆期甚至比CK略高1.6%。3种覆膜处理中以T1的土壤贮水量较高, 而T3的土壤贮水量较低。
图1
Fig. 1

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	图1 0~200 cm土层贮水量动态变化. 误差线代表LSD0.05。SD: 播种期; WT: 越冬期; RV: 返青期; JT: 拔节期; BT: 孕穗期; FL: 开花期; GF: 灌浆期; MT: 成熟期。Fig. 1 Dynamical changes of soil water storage in 0-200 cm soil layer. Error bars show the LSD0.05. SD: seeding; WT: wintering; RV: revival; JT: jointing; BT: booting; FL: flowering; GF: grain-filling; MT: maturity.

2.3 不同土层和生育时期土壤水分变化地膜覆盖在小麦不同生育期和土层都不同程度地存在增墒和降墒的双重效应, 但受年际间降水量多少及分布的影响, 年际间动态变化规律不尽相同(图2)。播种至越冬期, 小麦生长耗水少, 由于覆膜的保墒效应, 覆膜处理0~90 cm土层的含水量较CK高, 但120 cm的更深土层则比CK低10.0%以上, 而且降低百分率与同期降水量有关。经过冬季补充和恢复, 加上覆膜的保水作用, 返青期覆膜处理0~120 cm各土层含水量均显著高于CK, 而120~200 cm含水量受越冬期降水量影响较大, 降水量正常的2008— 2009年度表现高于CK, 而降水偏少的2009— 2010年度则比CK低9.8%。
图2
Fig. 2

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	图2 不同生育时期和土层的土壤含水量. 误差线代表LSD0.05。SD: 播种期; WT: 越冬期; RV: 返青期; JT: 拔节期; BT: 孕穗期; FL: 开花期; GF: 灌浆期; MT: 成熟期。Fig. 2 Soil water content at different growth stages and soil layers. Error bars show the LSD0.05. SD: seeding; WT: wintering; RV: revival; JT: jointing; BT: booting; FL: flowering; GF: grain-filling; MT: maturity.

拔节期冬小麦耗水开始增加, 由于各覆膜处理在返青期的墒情显著好于CK, 因此在拔节期0~90 cm土壤的含水量比CK显著高14.3%~17.6%, 而深层(120~200 cm)土壤含水量比CK低9.1%~13.1%。
从孕穗期开始, 小麦进入生长需水最多的阶段, 覆膜由于群体大、耗水多, 0~200 cm土层含水量逐渐不如CK。2008— 2009年度, 从孕穗期开始降水量减少, 远低于多年同期水平, 冬小麦遭遇较为严重的干旱, 在孕穗期覆膜处理仅0~40 cm含水量平均比CK高11.6%, 40~200 cm含水量则平均比CK低13.0%; 在开花期、灌浆期和成熟期, 各覆膜处理仅0~20 cm含水量分别平均比CK高23.9%、58.6%和34.8%, 20~200 cm含水量在3个时期则依次平均比CK低13.5%、18.7%和23.3%。2009— 2010年度, 在孕穗期, 由于拔节至孕穗阶段降水量仅10.8 mm, 加上冬小麦耗水急剧增加, 覆膜处理仅0~20 cm含水量平均比CK高27.4%, 20~200 cm含水量则平均比CK低13.1%; 在开花期至灌浆期, 由于孕穗至灌浆阶段降水量高达77.6 mm, 覆膜处理0~200 cm含水量有所回升, 在开花期0~40 cm含水量覆膜平均比CK高15.8%, 但40~200 cm含水量仍平均比CK低10.0%, 在灌浆期0~90 cm含水量覆膜平均比CK高23.9%, 但90~200 cm含水量平均比CK低11.4%; 至成熟期, 各覆膜处理仅0~20 cm含水量平均比CK高17.1%, 而20~200 cm含水量则平均比CK低18.0%。
综合两年度试验结果, 覆膜能显著改善全生育期0~20 cm土层土壤墒情, 20~90 cm土壤墒情覆膜在孕穗前显著好于CK, 孕穗期开始则普遍显著低于CK, 90~200 cm土壤墒情覆膜全生育期(除2008— 2009年度返青期外)始终普遍显著低于CK。覆膜处理0~20 cm土壤表层墒情全生育期均好于CK, 表明覆膜能使表层土壤更长时间保持湿润状态, 避免作物遭受严重旱害, 利于抗旱播种和作物生长发育。覆膜处理20~90 cm土层含水量受降水入渗、冬小麦生长耗水的双重影响, 在孕穗前冬小麦耗水较少时显著高于CK, 孕穗期开始随冬小麦耗水的增多而显著低于CK。90~200 cm土层, 由于无降水入渗补充, 加上覆膜小麦耗水多, 全生育期土壤水分普遍低于CK。
3种覆膜处理间比较, 0~20 cm土壤墒情全生育期总体以T1最好, 20~90 cm土层含水量覆膜处理间差异不明显, 90 cm以下土层含水量在孕穗期至灌浆期以T1明显较好, T2相对最差。
从冬小麦生育进程看, 越冬至拔节期植株耗水较少, 各层土壤水分经过漫长越冬期的交换平衡, 相互之间差异较小; 从孕穗期开始, 随着植株耗水加剧, 各土层含水量下层明显大于上层。但2009— 2010年度, 各处理在开花期至成熟期0~60 cm土层含水量上层明显高于下层, 这与此年度孕穗后较多降水有关。
2.4 0~200 cm各土层土壤贮水消耗量覆膜显著提高冬小麦生育期耗水量(表3), 2008— 2009和2009— 2010年度生育期耗水量覆膜分别平均比CK增加33.4%和34.4%。覆膜生育期耗水量的增加, 主要由于覆膜促进冬小麦对土壤贮水的消耗, 两年度0~200 cm土壤贮水消耗量覆膜分别比CK增加64.6 mm和77.2 mm; 土壤水分消耗主要集中在0~90 cm的上层土壤, 虽然在这土层区间覆膜的耗水量两年度分别比CK多11.3 mm和53.0 mm, 但耗水占0~200 cm土壤总耗水的比例(56.5%和73.6%)却低于CK (107.0%和103.7%), 说明覆膜提高了深层土壤的用水量和用水比例。
表3
Table 3
表3(Table 3)

表3 不同土层的土壤贮水消耗量和总耗水量 Table 3 Consumption of soil water storage (CSWS) in different soil layers and total water consumption (TWC) (mm) 处理 Treatment 土壤深度 Soil depth (cm) 土壤贮水 消耗量 CSWS 总耗水量 TWC 0-20 20-40 40-60 60-90 90-120 120-150 150-180 180-200 2008-2009 T1 19.3 b 21.2 a 12.6 a 11.0 a 7.1 a 7.8 b 21.1 a 12.6 a 112.7 a 256.4 a T2 19.6 ab 21.9 a 12.6 a 11.0 a 5.3 b 10.1 a 22.2 a 14.1 a 116.8 a 260.4 a T3 20.3 a 21.4 a 12.4 a 10.2 a 4.5 b 11.9 a 22.2 a 10.4 b 113.3 a 257.0 a CK 20.7 a 20.0 a 9.5 b 3.0 b 5.3 b -0.2 c -3.3 b -5.3 c 49.7 b 193.3 b 2009-2010 T1 5.6 b 15.5 b 19.5 b 12.5 b 8.1 b 2.8 c 4.8 c 1.7 b 70.4 c 282.3 c T2 8.0 a 25.7 a 26.4 a 27.2 a 8.7 b 7.8 a 6.1 b 4.5 a 114.5 a 326.4 a T3 4.8 b 13.3 b 16.4 b 25.7 a 9.4 a 6.0 b 7.4 a 4.0 a 87.0 b 298.9 b CK 6.0 b 2.8 c 2.5 c 2.6 c 4.5 c 2.0 c -1.1 d -5.9 c 13.4 d 225.3 d In each growing season, different letters after data within a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05). 同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(P < 0.05)。

表3 不同土层的土壤贮水消耗量和总耗水量 Table 3 Consumption of soil water storage (CSWS) in different soil layers and total water consumption (TWC) (mm)

相关分析表明, 冬小麦产量与生育期耗水量(r = 0.952~0.958, P< 0.05)和水分利用效率(r = 0.930~0.935, P< 0.05)均呈显著正相关, 而耗水量与水分利用效率无显著相关(r = 0.650~0.798, P> 0.05)。
2.5 休闲期土壤水分恢复状况覆膜处理在提高小麦产量的同时也增加了土壤耗水量, 至成熟期0~200 cm土壤贮水量3个覆膜处理平均比CK低64.7 mm (2008— 2009年度)和47.0 mm (2009— 2010年度)。经过7月至9月夏季休闲, 土壤水分得到补充和恢复, 至秋季播种时覆膜处理0~200 cm土壤贮水量分别平均比CK增加29.8 mm和22.8 mm, 覆膜处理的土壤贮水量和休闲期土壤补水量均显著高于CK (表4)。
表4
Table 4
表4(Table 4)

表4 下茬秋播时土壤贮水量 Table 4 Soil water storage (SWS) at the autumn sowing of succession cropping (mm) 处理 Treatment 成熟期土壤贮水量 SWS at harvest 夏闲期结束时土壤贮水量 SWS after summer fallow 夏闲期土壤贮水补充量 SWS increment during summer fallow 2008-2009 T1 226.2 b 354.7 b 128.5 b T2 222.5 b 374.5 a 152.0 a T3 225.2 b 361.5 b 136.3 b CK 289.3 a 333.8 c 44.5 c 2009-2010 T1 284.2 b 292.1 a 7.9 b T2 260.0 d 288.4 b 28.4 a T3 275.9 c 283.9 b 8.0 b CK 320.4 a 265.4 c -55.0 c In each growing season, different letters after data within a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05). 同一年度中, 同列的数据后不同字母表示处理间差异显著(P < 0.05)。

表4 下茬秋播时土壤贮水量 Table 4 Soil water storage (SWS) at the autumn sowing of succession cropping (mm)

3 讨论地膜覆盖能大幅降低土壤水分的无效蒸发, 达到在作物需水较少时期保蓄更多水分, 以供需水旺盛期使用的目的, 进而协调土壤蓄水与作物生长用水间的矛盾^{[8, 9, 16, 17, 18, 19, 20]}。本研究中, 各覆膜处理均能明显改善冬小麦孕穗前0~200 cm土壤水分条件; 从孕穗期开始随气温增高和冬小麦生长加速, 植株蒸腾、棵间蒸发加强, 覆膜0~200 cm土壤贮水量迅速降低, 显著低于CK。该结果进一步印证了覆膜种植能改变冬小麦用水模式, 使作物用水与土壤蓄水达到协调^{[8, 9, 18]}。
旱作农业技术措施的中心是充分利用自然降水, 而对深层土壤水分的有效利用是其途径之一^{[16, 21, 22]}。覆膜能有效降低土壤水分蒸发, 提升深层土壤水分至作物可利用层, 促进土壤-作物-水分的良性循环, 改善作物生长发育状况, 使作物产量和水分利用效率显著提高^{[23, 24, 25, 26, 27]}。本研究结果显示, 覆膜后冬小麦孕穗前90 cm以下土层水分状况不如CK, 孕穗后扩展到20~200 cm土层含水量全面不如CK, 而只有0~20 cm土层水分状况全生育期均好于CK。说明覆膜促进土壤水分的时空再分配, 使冬小麦对深层土壤水分的利用增加, 生育期耗水量显著增加。与CK相比, 两年度覆膜处理耗水量分别提高33.4%和34.4%, 但籽粒产量分别增加49.4%和53.2%, 水分利用效率分别提高11.8%和14.3%。可见, 覆膜种植下冬小麦生育期水分利用效率和产量得到同步提升。有研究认为, 覆膜的高产建立在高耗水基础之上, 如持续采用地膜种植, 则可能造成土壤墒情的持续恶化, 不利于旱地农业的可持续发展^{[15, 21, 22, 28]}。本研究两年度的连续观测表明, 虽然覆膜种植冬小麦成熟期0~200 cm贮水量分别平均比CK低64.7 mm和47.0 mm, 但夏闲期土壤贮水补充量平均比CK高94.4 mm和69.8 mm, 说明覆膜种植不会造成土壤墒情的持续恶化, 而且由于蓄水保墒作用, 在冬小麦生长前期营造良好的土壤水分环境, 后期又能促进对深层土壤水分的利用, 最终显著提高产量和自然降水的利用效率, 是旱作农田可持续发展的有效技术措施^{[11, 13, 29, 30]}。
本研究还发现, 2008— 2009年度覆膜处理在拔节至灌浆阶段, 0~60 cm土层含水量持续降到7.0%以下, 土壤含水量长期在凋萎系数(7.5%)以下。理论上讲, 0~60 cm土层能供小麦根系吸收利用的水分很少^{[11, 23, 24]}, 显然维持地膜小麦拔节后生长的水分来自更深土层。覆膜种植90~200 cm土层含水量两年度全生育期均明显低于露地种植(CK), 间接证明维持地膜小麦后期生长的水分来自更深土层。本研究仅以0~200 cm土层为考察范围, 而黄土高原土层深厚, 土壤水分分布较为复杂, 深层水分的上移补充可能在作物生长中起到作用^{[11, 31, 32]}, 如CK的120 cm以下土层耗水量出现负值, 间接说明冬小麦生育期间存在更深层次土壤水分的补充。因此, 黄土高原地区对小麦耗水的研究应尽量扩展到更深土层。
3种覆膜种植方式产量和水分利用效率差异较大, 从经济效益和田间种植难度上比较, 全膜覆土穴播(T1)一次覆膜、多茬利用, 降低投入成本, 操作简单, 经济效益较高; 全膜穴播(T2)产量和水分利用效率虽最高, 但苗与膜孔错位问题突出, 且地膜只用一年, 投入成本较高; 垄膜沟播(T3)播种方便, 但播种面积只占土地总面积一半, 提高产量幅度有限, 效益较低。相互比较, 全膜覆土穴播(T1)是一种操作简单、更加高产高效、适宜在旱作区推广应用的覆膜栽培方式。
4 结论覆膜能明显改善冬小麦孕穗前0~200 cm土壤水分条件, 并促进冬小麦对深层土壤水分的利用, 显著提高产量和水分利用效率。从各时期各土层来看, 地膜覆盖可改善冬小麦全生育期0~20 cm土壤墒情以及孕穗前20~90 cm土壤墒情, 并促进全生育期对90~200 cm土层土壤水分的利用。地膜覆盖的高产造成土壤水分的大量消耗, 但通过夏闲期的降水补充等途径, 下茬秋播时0~200 cm土体的水分可恢复到露地水平, 不会造成下茬作物墒情的持续恶化。覆膜方式间产量和水分利用效率虽然有明显差异, 但综合考虑经济效益和田间操作的难易程度, 全膜覆土穴播是最适合在旱农区大面积推广的种植模式。
The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。


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