侯慧芝^,, 张绪成^,*, 方彦杰, 于显枫, 王红丽, 马一凡, 张国平, 雷康宁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

Effects of micro ridge-furrow with plastic mulching on soil hydrothermal environment and photosynthesis at seedling stage of spring wheat on cold rain-fed area

HOU Hui-Zhi^,, ZHANG Xu-Cheng^,*, FANG Yan-Jie, YU Xian-Feng, WANG Hong-Li, MA Yi-Fan, ZHANG Guo-Ping, LEI Kang-NingInstitute of Dry Land Farming, Gansu Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of High Water Utilization on Dryland of Gansu Province, Lanzhou 730070, Gansu, China

通讯作者: * 张绪成, E-mail: gszhangxuch@163.com

收稿日期:2020-02-18接受日期:2020-04-15网络出版日期:2020-09-12

基金资助:

本研究由国家重点研发计划项目.2018YFD0200403 国家自然科学基金项目.31560355 甘肃省农业科学院农业科技创新专项资助.2020GAAS32

Received:2020-02-18Accepted:2020-04-15Online:2020-09-12

Fund supported:

National Key Research and Development Program of China.2018YFD0200403 National Natural Science Foundation of China.31560355 Science and Technology Innovation Projects of the Gansu Academy of Agricultural Sciences.2020GAAS32

作者简介 About authors
E-mail: houhuizhi666@163.com










摘要
克服春季寒旱生境限制是提高西北黄土高原寒旱区春小麦产量的关键要素之一, 为了明确全膜微垄沟播对春小麦苗期土壤温度和水分的影响, 明确水热条件改善对春小麦苗期光合作用的调节机制, 2016—2018年在西北黄土高原寒旱区开展大田定位试验, 以陇春35号为试验材料, 设全膜微垄沟播(PRF)、全膜覆土穴播(PMS)和露地穴播(CK)3个处理, 分别在春小麦播种后18、25和32 d测定土壤温度和土壤含水量、春小麦生物量、叶片SPAD、光合速率、蒸腾速率等, 计算土壤贮水量、阶段耗水量、生长速率等。研究结果表明, 在春小麦播种后18、25和32 d, PRF和PMS在0~25 cm土层平均土壤温度分别较CK提高3.6°C、3.0°C、2.0°C和2.9°C、2.5°C、1.7°C; 在播种后18 d和25 d, PRF处理在0、5、10 cm土层的土壤温度较PMS提高1.3°C、0.9°C、0.9°C和0.8°C、0.7°C、0.7°C。PRF和PMS 0~40 cm土壤贮水量在3个阶段依次较CK提高7.3、9.7和12.6 mm和3.9、7.6和11.0 mm; 在播种后18 d, PRF 0~40 cm各土层依次较PMS提高1.1、0.9、0.8和0.6 mm。PRF和PMS苗期植株生物量、生长速率、叶片SPAD值、净光合速率、蒸腾速率均显著高于CK, 且PRF均显著高于PMS, 使PRF较PMS和CK分别增产9.1%和36.5%, WUE分别提高5.9%和30.8%。因此, PRF和PMS均能有效克服寒旱生境对小麦苗期生长的限制, 促进小麦光合和生长, 且PRF较PMS具有更为明显的效果。
关键词： 全膜微垄沟播;春小麦;土壤温度;土壤贮水量;光合作用

Abstract
The solution against drought and cold in spring was one of the most important factors which increased the yield of spring wheat in northwest of Loess Plateau (104°36′E, 35°35′N). The objective of the study was to evaluate the effects of micro ridge-furrow with plastic mulching (PRF) on soil temperature and moisture at the seedlings stage and the regulative mechanism of PRF on soil thermal-moisture and photosynthesis of spring wheat. The field experiments had been conducted using Longchun 35 from 2016 to 2018 in cold rain-fed area of northwest Loess Plateau. The three treatments were: 1) micro ridge-furrow with whole field plastic mulching (PRF), 2) whole field soil-plastic mulching (PMS), and 3) without mulching (CK). The parameters including soil temperature, soil water content, above-ground biomass, leaf SPAD, photosynthetic and transpiration rate, the soil water storage (SWS), periodical evaportranspiration (ET), growth rate, and water use efficiency (WUE) were measured at 18, 25, and 32 days after sowing (DAS), respectively. The results were as follows: the mean soil temperature within 0-25 cm profile treated with PRF and PMS compared with CK, was increased by 3.6°C, 3.0°C, 2.0°C and 2.9°C, 2.5°C, 1.7°C respectively, while those treated PRF compared to PMS increased by 1.3°C, 0.9°C, 0.9°C and 0.8°C, 0.7°C, 0.7°C within 0, 5, and 10 cm profile at 18, 25, and 32 days. The SWS treated with PRF and PMS compared to CK was on the rise by 7.3, 9.7, 12.6 mm and 3.9, 7.6, and 11.0 mm within 0-40 cm profile at 18, 25, and 32 days, respectively. While those treated PRF within 0-40 cm profile with 10 cm intervals compared to PMS risen by 1.1, 0.9, 0.8, 0.6 mm. The parameters treated with PRF and PMS at seeding stage including plant biomass, growth rate, leaf SPAD value, net photosynthetic rate and transpiration rate were significantly higher than those of CK, while those of PRF higher than PMS. Moreover, the yield and WUE of PRF were increased by 9.1%, 36.5%, and 5.9%, 30.8% than those of PMS and CK, respectively. Therefore, the treatment of PRF and PMS could effectively improve the ability of photosynthesis and plant growth by overcoming the cold and drought situation at the seedling stage, and PRF treatment was more effective than PMS.
Keywords：micro ridge-furrow with plastic mulching;spring wheat;soil temperature;soil water storage;photosynthesis.


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本文引用格式
侯慧芝, 张绪成, 方彦杰, 于显枫, 王红丽, 马一凡, 张国平, 雷康宁. 全膜微垄沟播对寒旱区春小麦苗期土壤水热环境及光合作用的影响[J]. 作物学报, 2020, 46(9): 1398-1407. doi:10.3724/SP.J.1006.2020.01012
HOU Hui-Zhi, ZHANG Xu-Cheng, FANG Yan-Jie, YU Xian-Feng, WANG Hong-Li, MA Yi-Fan, ZHANG Guo-Ping, LEI Kang-Ning. Effects of micro ridge-furrow with plastic mulching on soil hydrothermal environment and photosynthesis at seedling stage of spring wheat on cold rain-fed area[J]. Acta Agronomica Sinica, 2020, 46(9): 1398-1407. doi:10.3724/SP.J.1006.2020.01012


西北黄土高原年降水在350~500 mm左右, 春季低温干旱现象常驻, 是典型的寒旱区^[1,2]。降水少、蒸发强、季节分布不均, 自然降水的时空分布与春小麦生长需水错位, 加之春季低温胁迫, 导致该区域小麦产量长期处于低而不稳甚至绝收的境况^[3,4,5]。因此, 改善小麦苗期土壤的水热条件, 是促进该区域小麦生长和提高产量的关键突破方向。地膜覆盖一方面能够降低蒸发而提高土壤含水量, 另外可显著提高土壤温度^[6], 改善寒旱生境对作物生长限制。旱作区小麦地膜覆盖栽培技术先后经历了地膜覆盖^{[7,8,9,10,11]}、膜侧沟播^[10]、全膜覆土穴播^{[11,12,13,14,15,16]}等演变, 均有显著的增产作用。

全膜微垄沟播是在以上技术的基础上创新提出的, 其要点是在田间营建微垄, 全地面地膜覆盖, 在沟内覆盖0.5~1.0 cm细土, 小麦播种在沟内, 可聚集降水、抑制蒸发、调节地温, 能提高降水向土壤水和作物水的转化效率, 解决作物水温供需错位矛盾, 尤其是卡脖子旱问题, 显著提高作物产量和水分利用效率^[17,18]。近年来, 对全膜微垄沟播技术的增产效应开展了较为广泛的研究^[19,20,21], 明确了它较全膜覆土穴播技术有明显的增产效应, 但从优化小麦苗期水热生境及其对光合作用的角度缺乏研究报道, 而这正是认识其增产机制的主要方面。针对这一问题, 本研究以全膜微垄沟播对小麦苗期土壤水分和温度的影响, 及其对叶片光合作用的影响为重点, 将春小麦苗期分为3个阶段(播种后18、25和32 d)测定土壤含水量和土壤温度, 以及小麦叶片光合参数、SPAD值、生物量等指标, 研究全膜微垄沟播对土壤水热环境及春小麦植株生长发育的影响, 阐明不同覆盖方式对春小麦苗期土壤水热生境及其对春小麦苗期生长的调控机制, 这一工作对建立突破寒旱生境制约的耕作栽培技术具有重要的理论指导意义, 进而为寒旱区春小麦生产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016—2018年在甘肃省农业科学院定西试验站(甘肃省定西市安定区团结镇唐家堡村, 104°36′E, 35°35′N)进行。该区海拔1970 m, 年平均气温6.2°C, 年辐射总量5898 MJ m^-2, 年日照时数2500 h, ≥10°C积温2075.1°C, 无霜期140 d, 属中温带半干旱气候。作物一年一熟, 为典型旱地雨养农业区。年均降水量415 mm, 6至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%。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%, 凋萎系数为7.2%。试验区2016年日平均气温为7.5°C, 年降水量为289.3 mm, 春小麦生育期降水167.5 mm, 苗期降水34.0 mm, 蒸发量157.5 mm; 2017年日平均气温为7.2°C, 年降水量为418.4 mm, 春小麦生育期降水142.6 mm, 苗期降水14.0 mm, 蒸发量183.6 mm; 2018年日平均气温为6.9°C, 年降水量为533.3 mm, 春小麦生育期降水312.6 mm, 苗期降水19.0 mm, 蒸发量170.8 mm。

1.2 试验设计

试验以甘肃省农业科学院小麦研究所选育的春小麦陇春35号为试验材料, 设全膜微垄沟播(PRF, 起垄后全地面地膜覆盖, 垄高10 cm, 垄宽20 cm, 沟宽小于2 cm, 沟内覆盖厚0.5~1.0 cm的细土, 小麦种植在沟内, 图1)、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) 3个处理, 每处理3次重复, 小区面积5 m×8 m = 40 m², 采用随机区组设计。全生育期各处理不灌溉, 每年播前揭膜, 施肥, 旋耕后, PRF起垄覆膜, PMS覆膜覆土, 3个处理均用穴播机播种, 每穴播10±2粒, 行距为20 cm, 穴距为12.5 cm, 播种量400万粒 hm^-2。各处理每年施肥量均为: N 120 kg hm^-2, P₂O₅ 90 kg hm^?2。2016年3月20日播种, 7月16日收获; 2017年3月24日播种, 7月20日收获; 2018年3月22日播种, 7月27日收获。

图1

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图1全膜微垄沟播春小麦示意图

Fig. 1Schematic diagram of micro ridge-furrow with plastic mulching of spring wheat

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤温度 春小麦播种后18、25、32 d分别在8:00、14:00、20:00用曲管温度计测定沟内0 cm (地表)、5、10、15、20和25 cm的土壤温度, 每小区测定1个位点。

1.3.2 土壤贮水量 在春小麦播种后18、25、32 d分别用土钻法在各小区沟内取0~40 cm土样, 测定步长为10 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, W_S为土壤重量含水量(%); b为土壤容重(g cm^-3); d为土层深度(cm)。

1.3.3 阶段耗水量(ETi) ET_i= SWS_i - SWS_i+1 + P_i, 式中, SWS_i为某一阶段初始时的土壤贮水量(mm); SWS_i+1为该阶段结束时的土壤贮水量(mm); P_i为该生育期降水量(mm)。

1.3.4 生物量 在春小麦播种后18、25、32 d, 分别取同一叶龄且长势均匀的20株小麦, 用烘干法测定地上生物重。

1.3.5 SPAD值 春小麦苗期(播种后32 d)每小区选取同一叶龄且长势均匀的3株小麦, 用SPAD- 502plus叶绿素仪对春小麦最上部叶片进行SPAD值的测定, 每一片叶测3个位点, 取平均值。

1.3.6 光合速率(P_n)、蒸腾速率(T_r) 春小麦苗期(播种后32 d)选取同一叶龄且长势均匀的3株小麦(与测SPAD值叶片相同), 用Li-Cor 6400型光合测定系统(Li-cor, USA)测定最上部叶片光合速率(P_n, μmol CO₂ m^-2 s^-1)、蒸腾速率(T_r, mmol H₂O m^-2 s^-1)等的变化, 测定时间为晴天9:00?11:00在自然光下测定。固定一个区组, 每处理重复3次, 每片叶读取数据3次, 取3片叶的9次数据平均值为该处理的旗叶P_n和T_r。

1.3.7 生长速率 作物生长速率CR (g d^?1) = (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为该生育阶段的间隔天数(d)。

1.3.8 产量及水分利用效率 成熟期每个小区单打单收, 统计实际产量, 折合成公顷产量。水分利用效率WUE (kg hm^-2 mm^-1) = Y/ET, 式中, Y为春小麦单位面积产量(kg hm^-2); ET为土壤耗水量(mm)。ET = SWS_BF - SWS_HA + P, 式中, SWS_BF为播前土壤贮水量(mm); SWS_HA为收后土壤贮水量(mm); P为生育期降水量(mm)。

1.4 统计分析

用Microsoft Excel 2003和DPS v3.01专业版统计分析软件处理数据, Tukey法检验处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤温度的影响

2.1.1 不同处理对春小麦苗期0~25 cm平均地温的影响 PRF和PMS在播种后18、25、32 d, 0~25 cm土层的平均地温分别较CK提高2.9~4.2°C、2.1~ 3.8°C、1.3~3.0°C和2.3~3.7°C、1.7~3.4°C、1.1~2.7°C, 均达显著性差异(P < 0.05); PRF在播种后18、25、32 d,0~25 cm土层的平均地温较PMS分别提高0.6~0.8°C、0.4~0.7°C、0.2~0.3°C, 且在3年播种后18 d、以及2018年播种后25 d达到显著差异(P < 0.05)。

图2

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图2不同处理对春小麦苗期0~25 cm平均地温的影响

PRF: 全膜微垄沟穴播; PMS: 全膜覆土穴播; CK: 露地穴播。不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。
Fig. 2Effects of different treatments on soil average temperature within 0-25 cm profile at seedling stage of spring wheat

PRF: micro ridge-furrow with whole field plastic mulching and bunching seeding; PMS: whole field soil plastic mulching and bunching seeding; CK: bunching seeding without mulching. Different lowercase letters mean significant difference among treatments at the 0.05 probability level.


2.1.2 不同处理对春小麦苗期0~25 cm垂直地温的影响 在春小麦播种后18、25、32 d, PRF和PMS 0~25 cm各层土壤温度均显著高于CK; PRF 0、5和10 cm土层的土壤温度在播种后18 d显著高于PMS (P < 0.05), 且随播种天数推进增加幅度逐渐降低(图3)。如在春小麦播种后18 d, PRF和PMS 0~25 cm土层的土壤温度分别较CK增加2.1~5.1°C和1.5~4.3°C; PRF较PMS增加0.2~1.6°C。而在32 d, PRF和PMS在0~25 cm土层的土壤温度分别较CK增加0.8~4.3°C和0.5~3.8°C; PRF较PMS增加0.1~0.5°C。

图3

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图3不同处理对春小麦苗期0~25 cm垂直地温的影响

A: 播种后18 d; B: 播种后25 d; C: 播种后32 d。处理同图2。
Fig. 3Effects of different treatments on soil temperature within 0-25 cm profile in the horizontal direction at seedlings stage of spring wheat

A: 18 days after sowing; B: 25 days after sowing; C: 32 days after sowing. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

2.2 不同处理对土壤水分的影响

2.2.1 不同处理对春小麦苗期 0~40 cm土壤贮水量的影响 在春小麦播种后18、25、32 d, PRF和PMS 0~40 cm土壤贮水量分别较CK增加6.7~7.6、9.0~10.6、11.8~13.9 mm和3.5~4.2、7.3~7.8、10.5~ 11.9 mm, 且0~40 cm各层土壤贮水量均显著高于CK (P < 0.05), 随土层深度增加, 提高幅度逐渐降低; PRF在0~10 cm和10~20 cm土层的土壤贮水量在春小麦播种后18 d显著高于PMS (P < 0.05, 图4), 而在25 d和32 d无显著差异。

图4

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图4不同处理对春小麦苗期 0~40 cm土壤贮水量的影响

A: 播种后18 d; B: 播种后25 d; C: 播种后32 d。处理同图2。
Fig. 4Effects of different treatments on soil water storage within 0-40 cm profile at seedling stage of spring wheat

A: 18 days after sowing; B: 25 days after sowing; C: 32 days after sowing. Treatments are the same as those given in Fig. 2.


2.2.2 不同处理对春小麦苗期0~40 cm土壤耗水量的影响 PRF和PMS 0~40 cm的土壤耗水量在春小麦苗期均显著低于CK (图5)。其中, 在春小麦播种后18、25、32 d, PRF和PMS 0~40 cm土壤耗水量分别较CK降低1.2~3.0、1.8~3.1、2.4~3.3 mm和1.4~3.8、3.5~3.8、2.7~4.3 mm, 且均差异显著(P < 0.05)。在播种后18、25、32 d, PRF在0~40 cm土层的耗水量较PMS分别提高0.2~0.8、0.4~1.8、0.3~1.0 mm, 但均无显著差异(P < 0.05)。

图5

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图5不同处理对春小麦苗期 0~40 cm土壤耗水量的影响

不同小写字母表示处理间在0.05 水平差异显著。处理同图2。
Fig. 5Effects of different treatments on seasonal evaportran- spiration within 0-40 cm profile at seedling stage of spring wheat

Different lowercase letters mean significant difference among treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

2.3 不同处理对春小麦苗期叶片SPAD值、光合速率和蒸腾速率的影响

不同处理对春小麦苗期叶片SPAD值有显著影响, 各处理SPAD值大小变化趋势均为PRF最高, 其次为PMS, CK最低(表1)。2016年, PRF和PMS叶片SPAD值分别较CK提高9.3%和4.7%; PRF较PMS提高4.6%。2017年, PRF和PMS叶片SPAD值分别较CK提高22.4%和9.9%; PRF较PMS提高12.5%。2018年, PRF和PMS叶片SPAD值分别较CK提高11.2%和4.0%; PRF较PMS提高7.2%, 以上均达到显著性差异水平(P < 0.05)。

Table 1
表1
表1不同处理对春小麦苗期叶片光合速率和蒸腾速率的影响
Table 1Effects of different treatments on SPAD values, photosynthetic and transpiration rate of spring wheat leaf at seedling stage

处理 Treatment	SPAD值 SPAD value				光合速率 Photosynthetic rate (μmol CO2 m-2 s-1)				蒸腾速率 Transpiration rate (mmol H2O m-2 s-1)
	2016	2017	2018		2016	2017	2018		2016	2017	2018
PRF	51.3 a	53.2 a	41.3 a		23.0 a	22.1 a	20.5 a		4.7 a	4.5 a	4.7 a
PMS	49.1 b	47.8 b	38.6 b		21.3 b	21.8 a	18.3 b		4.6 a	4.2 b	4.4 b
CK	46.9 c	43.5 c	37.1 c		19.1 c	18.5 b	15.0 c		4.0 b	3.7 c	4.2 c

同一列不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。处理同图2。
Different lowercase letters mean significant difference among treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

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地膜覆盖处理均能显著提高春小麦苗期叶片光合速率(表1)。2016年, PRF和PMS叶片光合速率分别较CK提高20.2%和11.3%; PRF较PMS提高8.0%, 均达到显著差异(P < 0.05)。2017年, PRF和PMS叶片光合速率分别较CK提高19.5%和17.8%, 均达到显著差异水平(P < 0.05); PRF较PMS提高1.4%, 但差异不显著(P > 0.05)。2018年, PRF和PMS叶片光合速率分别较CK提高36.7%和22.5%; PRF较PMS提高11.6%, 达到显著差异水平(P < 0.05)。

PMF和PMS均能较CK显著提高春小麦苗期叶片蒸腾速率(表1)。2016年, PRF和PMS叶片蒸腾速率分别较CK提高18.2%和15.3%, 达到显著差异水平(P < 0.05); PRF较PMS提高2.5%, 但差异不显著(P > 0.05)。2017年, PRF和PMS叶片蒸腾速率分别较CK提高21.6%和14.3%; PRF较PMS提高6.4%, 均呈显著差异水平(P < 0.05)。2018年, PRF和PMS叶片蒸腾速率分别较CK提高12.2%和6.5%; PRF较PMS提高5.4%, 达到了显著水平(P < 0.05)。

2.4 不同处理对春小麦苗期生物量积累的影响

PRF和PMS均能显著提高春小麦苗期地上生物量, 且各处理大小变化趋势均为PRF>PMS>CK (图6)。在春小麦播种后18、25、32 d PRF和PMS的生物量分别较CK提高196.1%~493.3%、175.6%~ 363.4%、116.3%~308.3%和176.5%~459.3%、134.6%~ 255.6%、76.1%~217.6%, 且均差异显著(P<0.05)。在播种后18、25、32 d, PRF的生物量较PMS分别提高6.1%~9.2%、17.5%~35.7%、22.8%~28.6%, 且在3年播种后25、32 d均达到显著差异(P<0.05)。

图6

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图6不同处理对春小麦苗期生物量积累的影响

不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。处理同图2。
Fig. 6Effects of different treatments on plant biomass at seedlings stage of spring wheat

Different lowercase letters mean significant difference among treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

2.5 不同处理对春小麦苗期生长速率的影响

PRF和PMS较CK均能显著提高春小麦苗期生长速率(图7)。在春小麦播种后18、25、32 d, PRF和PMS的生长速率分别较CK提高196.1%~493.3%、175.6%~363.4%、116.3%~308.3%和176.5%~459.3%、134.6%~ 255.6%、76.1%~217.6%, 且均差异显著(P < 0.05)。在播种后18、25、32 d PRF的生长速率较PMS分别提高6.1%~9.2%、17.5%~35.7%、22.8%~28.6%, 且在3年播种后25、32 d均达到显著差异(P < 0.05)。

图7

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图7不同处理对春小麦苗期生长速率的影响

不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。处理同图2。
Fig. 7Effects of different treatments on plant growth rate at seedling stage of spring wheat

Different lowercase letters mean significant difference among treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

2.6 不同处理对春小麦产量构成因素的影响

PRF和PMS较CK均能显著提高春小麦公顷穗数、穗粒数和千粒重(表2)。2016—2018年, PRF的公顷穗数较PMS和CK分别增加1.2%~6.6%和6.8%~17.1%, 除2018年PRF和PMS差异不显著外, 其余均差异显著(P<0.05); PMS较CK增加5.0%~9.9%, 差异显著(P<0.05)。PRF和PMS的穗粒数分别较CK增加15.8%~20.0%和10.8%~ 17.5%, 差异显著(P<0.05); PRF和PMS差异不显著。PRF和PMS的千粒重分别较CK增加4.1%~7.6%和2.7%~5.5%, 2016年PRF和PMS均较CK呈显著差异(P<0.05); PRF和PMS之间无显著差异。

Table 2
表2
表2不同处理对春小麦产量构成因素的影响
Table 2Effects of different treatments on factors of yield of spring wheat

处理 Treatment	公顷穗数 Spikes per hectare (10 thousand plant)				穗粒数 Number of spikes				千粒重 Thousand-grain weight (g)
	2016	2017	2018		2016	2017	2018		2016	2017	2018
PRF	195.0 a	198.0 a	259.5 a		43 a	44 a	48 a		35.4 a	35.6 a	38.3 a
PMS	183.0 b	187.5 b	256.5 a		41 a	43 a	47 a		34.6 a	35.1 a	37.8 a
CK	166.5 c	178.5 c	243.0 b		37 b	38 b	40 b		32.9 b	33.9 a	36.8 a

同一列不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。处理同图2。
Different lowercase letters mean significant difference among treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

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2.7 不同处理对春小麦产量和水分利用效率的影响

PRF和PMS较CK均能显著提高春小麦产量和水分利用效率(表3)。2016—2018年, PRF较PMS和CK分别增产10.8%和43.8%、11.9%和37.4%、4.7%和28.4%, 除2018年PRF和PMS处理间差异不显著以外, 其余均差异显著(P<0.05)。2016— 2018年, PRF的WUE较PMS和CK分别提高5.5%和34.7%、8.3%和30.9%、3.8%和26.6%。除2018年PRF和PMS处理间差异不显著以外, 其余均差异显著。

Table 3
表3
表3不同处理对春小麦产量和水分利用效率的影响
Table 3Effects of different treatments on yield level and WUE of spring wheat

处理 Treatment	产量Yield (kg hm?2)				水分利用效率WUE (kg hm?2 mm?1)
	2016	2017	2018		2016	2017	2018
PRF	2837.2 a	2932.2 a	4452.3 a		11.7 a	14.3 a	12.0 a
PMS	2559.8 b	2621.3 b	4250.5 a		11.1 b	13.2 b	11.6 a
CK	1972.7 c	2133.8 c	3467.8 b		8.7 c	10.9 c	9.5 b

同一列不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。处理同图2。
Different lowercase letters mean significant difference among treatments at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Fig. 2.

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3 讨论

低温胁迫是作物栽培中常遇到的一种逆境, 不仅会导致作物产量降低, 严重时还会造成植株死亡^[22]。小麦苗期温度对根系和叶片生长有明显的影响, 随温度的升高, 单株叶片和干物质积累增加, 为以后的生长发育打下一个良好的基础^[7,8,9,10]。西北黄土高原地区早春低温严重影响该区春小麦出苗及产量增长, 使得该区春小麦产量长期处于低而不稳甚至绝收的境况^[3,23]。本试验结果表明,PRF处理在春小麦播种后18 d和25 d, 在0、5、10 cm土层的土壤温度较PMS提高1.3°C、0.9°C、0.9°C和0.8°C、0.7°C、0.7°C; 而在春小麦播种后32 d, 0、5、10 cm土层的土壤温度较PMS仅提高0.3°C、0.4°C、0.3°C, 提高幅度明显降低。在播种后18、25、32 d, PRF和PMS 0~25 cm平均土壤温度分别较CK提高3.6°C、3.0°C、2.0°C和2.9°C、2.5°C、1.7°C, 且随土层加深和播种后天数推进, PRF和PMS较CK的土壤温度增加幅度均降低, 说明PRF和PMS均能较CK显著增加土壤温度, 并在气温越低的时期增温效果越明显, 而且越靠近地表的温度增幅越高。另外, PRF较PMS在大气温度较低的播后18 d具有显著增温效果; 而在气温较高的播后32 d增温效果不显著。因此, PRF较PMS具有更明显地克服低温胁迫的作用, 能有效缓解寒旱区春季低温对春小麦出苗及苗期生长造成的影响, 为春小麦齐苗壮苗提供了保障, 为产量的提高奠定了基础。

优化小麦生育期内的水分利用, 是提高水分利用效率的关键^[24]。全膜微垄沟播因为在田间营建微垄, 具有良好的降水聚集和保蓄功能, 其两侧光滑的垄体将小麦全生育期内有限的降水最大限度地集中到小麦根部, 较PMS更能充分利用<10 mm的微小降水, 从而提高了土壤含水量^[20]。本研究结果表明, PRF处理在春小麦播种后18、25、32 d, 0~40 cm土层的土壤贮水量较PMS分别提高3.3、2.1、1.6 mm, 提高幅度随春小麦播种天数的推进逐渐减少, 说明在春小麦植株生长消耗水分较少的苗期, PRF较PMS能更多地蓄积0~40 cm的土壤水分, 用于后期小麦生长所需。播种到苗期, 小麦植株较小, 对水分需求较低, 但此阶段试验区早春多风, CK地表裸露, 耗水量增多。本试验结果表明, 在春小麦播种后18、25、32 d, PRF和PMS 0~40 cm土壤贮水量分别较CK提高7.3、9.7、12.6 mm和3.9、7.6、11.0 mm, 0~40 cm土壤耗水量分别较CK降低2.4、2.4、2.9 mm和2.9、3.6、3.5 mm。说明PRF和PMS在春小麦苗期能更好地蓄积0~40 cm的土壤水分, 其水分消耗主要用于作物蒸腾, 而CK的水分消耗则主要用于土面蒸发。PRF处理在春小麦播种后18、25、32 d在0~40 cm土壤耗水量较PMS分别提高0.5、1.2、0.5 mm, 但均差异不显著, 这是由于PMS的水分入渗尤其是微小降雨的入渗不足, 使土面蒸发较高, 导致无效耗水增加所致^[20]。

基于对土壤水热条件的优化, PRF苗期叶片SPAD值、生物量和生长速率分别较PMS增加8.1%、19.4%和19.4%; 苗期叶片的净光合速率和蒸腾速率分别较PMS提高7.0%和4.8%; 产量增加9.1%, WUE提高5.9%。因为PRF和PMS具有更优的调节土壤温度和土壤水分的作用, 所以PRF和PMS苗期的叶片SPAD值分别较CK增加14.3%和6.2%, 较高的SPAD值是光合效率增加的物质基础, PRF和PMS苗期叶片净光合速率分别较CK提高25.5%和17.2%, 苗期蒸腾速率分别较CK增加17.3%和12.0%。由于PRF和PMS显著促进了光合作用, 所以苗期生物量分别较CK提高294.9%和234.7%; 苗期生长速率分别较CK提高294.9%和234.7%; 公顷穗数、穗粒数、千粒重分别较CK提高11.6%、17.3%、5.6%和6.8%、13.8%、3.9%; 产量分别增加36.5%和25.1%, WUE分别提高30.8%和23.5%。

4 结论

PRF处理在春小麦播种后18 d在0~10 cm土层的平均土壤温度和0~40 cm土层土壤贮水量分别较PMS提高1.0°C和3.3 mm, 有效克服低温胁迫, 使春小麦苗期叶片SPAD值、生物量、生长速率、旗叶光合速率分别较PMS提高8.1%、19.4%、19.4%、7.0%, 春小麦产量增加9.1%, 水分利用效率提高5.9%。PMF和PMS在春小麦播种后18、25、32 d在0~25 cm平均土壤温度分别较CK提高2.0~3.6°C和1.7~2.9°C; 0~40 cm土层的土壤贮水量提高7.3~12.6 mm和3.9~11.0 mm, 相应的光合速率、产量和水分利用效率分别提高了25.5%和17.2%、36.5%和25.1%、30.8%和23.5%。所以, PRF较PMS的增温效应在气温越低的时期更为明显, 能显著地促进小麦光合作用和苗期发育, 为提高产量和水分利用效率奠定基础。

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