0 引言
【研究意义】西北黄土高原半干旱区多年平均降水量在300—400 mm左右,为典型的雨养农业区。水资源短缺、降水少、有效性差且波动性大是限制该区作物产量提高的瓶颈[1-3],“卡脖子旱”问题十分突出。小麦是该区保障口粮的主要作物,但受春季低温、小麦需水规律和自然降水不吻合、伏旱高温胁迫等因素的影响,该区春小麦降水利用率低,产量长期低而不稳 [2]。因此,春改冬将是该区未来小麦发展的趋势[4],如何充分挖掘冬小麦的水分和产量生产潜力是该区小麦稳产高产的关键。【前人研究进展】大量研究认为地膜覆盖栽培是旱作区生产力跃升和稳定提高的主要驱动力之一[2, 5]。20世纪80年代推广的地膜小麦可改善耕层土壤水热状况[6-8],促进作物生长发育[9-10],提高作物的水分和养分利用率[11-13],增加产量[14-19]。但是,该技术容易造成苗穴错位,且小麦灌浆因土壤高温胁迫而受阻,常因穗部青干而降低产量,使水分生产潜力不能充分发挥[20]。21世纪初在西北黄土高原半干旱区大面积推广应用的全膜覆土穴播技术,是在20世纪80年代地膜穴播技术上发展而来,其主要技术优势在于在地膜上覆盖1—2 cm厚的细土,一方面可显著降低地表温度,减轻灌浆期的高温胁迫;另一方面有效解决了苗穴错位问题,增大群体和亩穗数;还能抑制杂草生长,提高小麦产量和水肥利用效率;再次,由于调节了土壤温湿度,所以能够提高小麦出苗后耗水速度并加大耗水量,充分利用光热资源,大幅提高农田降水利用率和产量[2, 20-21]。但是,由于西北黄土高原干旱半干旱区<10 mm的无效降水多,占全年总降水量的45%以上,膜上覆土后阻止了无效降水的入渗,导致降水的生产潜力不能充分发挥;另外,膜上覆土后增加了残膜回收难度,这必然对农田环境造成污染。膜侧沟播技术是20世纪90年代和21世纪初有较大应用范围的一项集雨保墒技术,它是在田间营造微垄并覆盖地膜作为集雨面,作物种植在沟内,由于能够增温和聚集降水,提高对微小降水的利用效率,同样能够显著提高小麦产量[22-24]。但就西北黄土高原半干旱旱作区而言,春季蒸发强烈,膜侧沟播由于只覆盖垄面而沟内裸露,不能最大限度地抑制土面蒸发,所以同样存在局限性。近几年,我们在全膜覆土穴播和膜侧沟播的基础上,借鉴全膜双垄沟播技术的理念,设计了全膜微垄沟穴播技术（简称全膜微垄沟穴播）。该技术较膜上覆土穴播具有有效聚集降水的优势,较膜侧沟播更能有效抑制无效蒸发,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[25-27]。程宏波等[28]依托1年的大田试验,研究认为全膜微垄沟穴播能够提高春小麦各生育期的土壤含水量和地温,在没有明显增加耗水量的基础上显著提高产量和水分利用效率。【本研究切入点】目前对全膜微垄沟穴播春小麦的水热和产量效应有初步研究,但在长期田间试验条件下,从土壤水分效应—作物阶段耗水—干物质动态—产量及其构成因子的角度,就冬小麦的增产效应及机制未见研究报道,而这一工作对探索干旱半干旱区作物高产、资源高效、生态安全的技术途径有重要意义。【拟解决的关键问题】本试验从2011—2015年以冬小麦中粮1号为试验材料,测定全膜微垄沟穴播冬小麦各生育时期土壤含水量、生物量和产量,分析阶段耗水量、生物量积累及产量构成,从而揭示全膜微垄沟穴播小麦的季节性耗水特征及其对小麦水分利用效率和产量形成的影响。1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于2011—2015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1 970 m,年平均气温6.2℃,年辐射总量5 898 MJ·m-2,年日照时数2 500 h,≥10℃积温2 075.1℃,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—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%,土壤有机质、全氮、全磷、全钾、NH+4-N、NO-3-N、速效磷、速效钾含量分别为12.0 g·kg-1、1.2 g·kg-1、0.7 g·kg-1、17.3 g·kg-1、4.8 mg·kg-1、0.8 mg·kg-1、8.7 mg·kg-1和121.5 mg·kg-1,pH为8.4。本文采用国内比较常用的降水年型划分标准[29]划分降水年型。丰水年：Pi>P+0.33&;欠水年：Pi<P-0.33&。式中：Pi为当年降水量（mm）;P为多年平均降水量（mm）;&为多年降水量的均方差（mm）,试验区多年冬小麦生育期降水量平均为261.25 mm,均方差为58.87 mm。根据甘肃省定西市唐家堡试验站气象资料统计（图1）,2011—2012年冬小麦生育期降水量为274.3 mm,属平水年,其中,>10 mm降水仅有9次,为144.3 mm,<10 mm降水有58次,为130 mm。2012—2013年冬小麦生育期降水量为338.5 mm,属丰水年,其中,>10 mm降水仅有13次,为207.1 mm,<10 mm降水有39次,为131.4 mm。季节分配不均,2012年11月到2013年4月19日仅降水11.9 mm,对冬小麦的越冬和返青造成不利影响;收获前15天降水118 mm,不利于冬小麦籽粒灌浆。2013—2014年冬小麦生育期降水量为265.0 mm,属平水年,其中,>10 mm降水仅有7次,为118.5 mm,<10 mm降水有53次,为146.5 mm。2014—2015年冬小麦生育期降水量为335.9 mm,属丰水年,其中,>10 mm降水仅有12次,为171.7 mm,<10 mm降水有60次,为139.3 mm。因此,试验执行期2011— 2015年降水量年际间变率较大,年内季节分配不均,对冬小麦的生长造成不利影响,10 mm以下的无效降水,蒸发散失较多。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图12011—2015试验区降水分布和平均气温变化
-->Fig. 1Distribution of precipitation and average air temperature in test areas from 2011 to 2015
-->
2011—2012冬小麦生育期内最低温-19.8℃,最高温20.6℃,平均气温4.0℃;2012—2013冬小麦生育期内最低温-14.4℃,最高温21.3℃,平均气温4.9℃;2013—2014冬小麦生育期内最低温-13.6℃,最高温21.1℃,平均气温4.2℃;2014—2015冬小麦生育期内最低温-10.2℃,最高温19.7℃,平均气温4.6℃。
1.2 试验设计
试验以冬小麦中粮1号为试验材料,设全膜微垄沟穴播（PRF,起垄后全地面地膜覆盖,垄高10 cm,垄宽20 cm,沟内覆盖厚0.5—1 cm的细土）、全膜覆土穴播（PMS,地膜平铺整个地面,在膜上覆土1—2 cm）、覆砂穴播（SM,地面上覆盖3—5 cm细砂）和露地穴播（CK）4个处理,每处理3次重复,小区面积40 m2（5 m×8 m）,采用随机区组设计。各处理全生育期不灌溉,每年播前揭膜,旋耕,施肥,再旋耕后,PRF起垄覆膜,PMS覆膜覆土,SM覆砂。4个处理均用穴播机播种,每穴播（10±2）粒,行距为20 cm,穴距为13 cm,播种量400万粒/hm2。各处理每年施肥量均为尿素183 kg·hm-2（甘肃刘化公司黄河牌,含氮量为46.4%）,磷酸二铵 196 kg·hm-2（云南三环中化美盛化肥有限公司美盛牌,含氮量为18%,含磷量为46%）,即N 120 kg·hm-2,P2O5 90 kg·hm-2,其中,50%的氮素在播前基施,50%的氮素在返青期随雨追施。2011年9月15日播种,2012年7月5日收获;2012年9月19日播种,2013年7月16日收获;2013年9月14日播种,2014年7月5日收获;2014年9月20日播种,2015年7月11日收获。1.3 测定指标及方法
1.3.1 土壤贮水量 在冬小麦播前、返青期、抽穗期、灌浆期和成熟期分别用土钻法取各小区 0—200 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为土壤重量含水量（%）;b为土壤容重（g·cm-3）;d为土层深度（cm）。1.3.2 阶段耗水量（ETi） ETi=SWSi–SWSi+1+Pi,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为该生育期降水量（mm）。
1.3.3 生物量 在小麦苗期、抽穗期、灌浆期和成熟期,分别取长势均一的10株小麦,用烘干法测定地上生物重。
1.3.4 产量及其构成因素 成熟期每小区随机取20株进行室内考种,考种指标包括穗长、穗重、穗粒数、千粒重、单株生物量;每个小区单打单收,统计实际产量,折合成公顷产量。
1.3.5 水分利用效率和收获指数 水分利用效率WUE（kg·hm-2·mm-1）=Y/ET,式中,Y为冬小麦单位面积产量（kg·hm-2）;ET为土壤耗水量（mm）。ET=SWSBF-SWSHA+P,式中,SWSBF为播前土壤贮水量（mm）;SWSHA为收后土壤贮水量（mm）;P为生育期降水量（mm）。收获指数HI=Yd/DW,Yd为作物单位面积籽粒产量（kg·hm-2）,DW为单位面积地上干物质总量（kg·hm-2）。
1.4 数据处理与分析
用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
2.1 全膜微垄沟穴播对冬小麦不同生育期0—200 cm土层土壤贮水量的影响
不同覆盖方式对冬小麦田0—200 cm土层土壤贮水量有显著影响,且各处理不同生育时期贮水量与降水分布密切相关（图2）。返青期,PRF 0—200 cm的土壤贮水量在平水年份（2011—2012年和2013—2014年）显著高于其他处理;在丰水年份则无显著差异。抽穗期PRF 0—200 cm的土壤贮水量在平水年份显著高于PMS和CK,与SM差异不显著;在丰水年显著高于PMS,在2012—2013年与SM 和CK差异不显著,而在2014—2015年显著低于SM和CK。2011—2014的冬小麦灌浆期无有效降雨,PRF 0— 200 cm的土壤贮水量在平水年（2013—2014年）显著高于PMS;2014—2015年灌浆期降雨38.8 mm,PRF 0—200 cm的土壤贮水量比PMS增加26.3 mm,比SM和CK分别降低23.3 mm和66.1 mm,这主要是PMS和PRF地上植株生长较旺盛,消耗了大量的土壤水分,而PRF比PMS能更好的蓄积降水,故PRF此阶段的贮水量高于PMS。2011—2015年冬小麦成熟期分别降水56.7mm、174.9 mm、86.7 mm和113.4 mm,PRF 0—200 cm的土壤贮水量比PMS增加9.1—48.3 mm。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2不同覆盖方式对冬小麦0—200 cm土壤贮水量的影响
-->Fig. 2Effects of different planting methods on soil water storage in 0 to 200 cm layers of winter wheat
-->
PRF 0—200 cm的土壤贮水量在播前、返青、抽穗、灌浆和成熟期4年平均比PMS分别增加24.3、38.8、52.0、16.0和23.6 mm;在播前、返青、抽穗和灌浆期分别比SM增加7.4、18.2、6.1和9.6 mm,在成熟期比SM降低7.1 mm;在播前、返青、抽穗期分别比CK增加26.9、67.8和27.0 mm,在灌浆期和成熟期分别比CK降低10.6 mm和6.1 mm。2011—2015年休闲期分别降水254.2 mm、187.6 mm、183.4mm,2012—2015年3年播前0—200 cm贮水量大小顺序为PRF>SM>PMS>CK,表明PRF能聚集更多的自然降水贮存于土壤中。
2.2 全膜微垄沟穴播对冬小麦阶段性耗水的影响
不同覆盖方式对冬小麦阶段性耗水有显著影响（图3）。与PMS相比,PRF能增加抽穗—灌浆期0—200 cm土壤耗水量;与SM相比,PRF能增加返青—抽穗、灌浆—成熟期0—200 cm的耗水量;与CK相比,PRF能增加返青—抽穗、抽穗—灌浆期0—200 cm的土壤耗水。其中,PRF 0—200 cm的耗水量在播前—返青、返青—抽穗、灌浆—成熟期4年平均比PMS降低20.5、13.2和7.5 mm;但在抽穗—灌浆期比PMS增加36.0 mm,均达显著差异水平。在返青—抽穗、灌浆—成熟期PRF 4年平均耗水量分别比SM增加12.1 mm和16.7 mm,达到显著差异;在播前—返青和抽穗—灌浆期分别比SM降低12.7 mm和3.5 mm,且在播前—返青期达显著差异。在返青—抽穗、抽穗—灌浆期PRF 4年平均耗水量分别比CK增加 40.8 mm和37.6 mm,呈显著性差异;在播前—返青期和灌浆—成熟期分别比CK降低47.6mm和4.5 mm,其中播前—返青期达到显著差异水平。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3不同覆盖方式对冬小麦阶段性耗水的影响
-->Fig. 3Effects of different planting methods on seasonal water consumption of winter wheatBS-RG：播前到返青;RG-HE：返青到抽穗期;HE-FI：抽穗到灌浆期;FI-MA：灌浆期到成熟期BS-RG: Before sowing-Resume growth; RG-HE: Resume growth -Heading; HE-FI: Heading-Filling; FI-MA: Filling-Maturing
-->
2.3 全膜微垄沟穴播对冬小麦干物质积累的影响
覆膜和覆砂均能提高冬小麦地上生物量,且各生育期大小趋势均为PRF>PMS>SM>CK（图4）。PRF苗期的生物量比PMS增加2.2%—10.6%,且在2014—2015年达到显著性差异;显著高于SM和CK,分别增加41.7%—64.2%和132.3%—278.5%。抽穗期,PRF的生物量较PMS增加5.7%—15.4%,在2014—2015年差异显著;比SM 和CK分别增加21.3%—42.1%和52.1%—163.5%,均达显著性差异。灌浆期,PRF的生物量比PMS 增加2.7%—10.9%,且2011—2012年差异显著;比SM和CK分别增加10.7%—44.6%和29.8%—53.4%,均达显著性差异。成熟期,PRF的生物量较PMS 增加5.3%—8.2%,且在2011—2012年差异显著;比SM和CK分别增加12.4%—15.8%和30.3%—42.8%,均达显著差异性。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4不同覆盖方式对冬小麦地上生物量积累的影响
-->Fig. 4Effects of different planting methods on the aboveground dry matters accumulation of winter wheat
-->
2.4 全膜微垄沟穴播对冬小麦产量构成因子和收获指数的影响
公顷穗数、穗粒数和千粒重均表现为PRF>PMS>SM,但3个处理间无显著差异（表1）。PRF的公顷穗数、穗粒数、千粒重分别比CK增加7.9%— 15.8%、7.6%—19.3%和7.9%—23.6%,均差异显著;PMS的公顷穗数、穗粒数、千粒重分别较CK增加9.2%—13.2%、3.3%—15.3%和8.1%—17.2%,除2011—2012年的穗粒数外,其余年份各指标与CK均达显著差异;SM的公顷穗数、穗粒数、千粒重分别较CK增加6.6%—10.5%、1.5%—6.5%和5.9%—14.7%,除2011—2012、2013—2014和2014—2015的穗粒数外,其余年份各指标与CK均差异显著。PRF、PMS 和SM在4年的收获指数均低于CK,但差异不显著。Table 1
表1
表1不同覆盖方式对冬小麦产量构成因子和收获指数的影响
Table 1Effect of different mulching methods on wheat yield components and harvest index
| 日期 Time | 处理 Treatment | 公顷穗数 Spike number (×104·hm-2) | 穗粒数 Grain number | 千粒重 1000-grain weight (g) | 收获指数 Harvest index (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 2011-2012 | PRF | 333.8a | 42.7a | 40.3a | 36.6a |
| PMS | 339.8a | 41.0ab | 38.2a | 37.0a | |
| SM | 341.6a | 40.3ab | 37.4b | 37.7a | |
| CK | 309.3b | 39.7b | 32.6c | 37.8a | |
| 2012-2013 | PRF | 357.1a | 36.9a | 37.5a | 37.3a |
| PMS | 355.2a | 36.6a | 36.8a | 37.8a | |
| SM | 346.8a | 36.2a | 35.3a | 39.9a | |
| CK | 325.3b | 34.0b | 32.3b | 40.8a | |
| 2013-2014 | PRF | 370.1a | 39.0a | 38.4a | 41.3a |
| PMS | 372.8a | 37.7a | 38.5a | 39.9a | |
| SM | 359.6a | 34.4b | 37.7a | 40.7a | |
| CK | 332.5b | 32.7b | 35.6b | 41.7a | |
| 2014-2015 | PRF | 371.46a | 43.0a | 41.8a | 40.1a |
| PMS | 363.1a | 42.6a | 41.5a | 41.6a | |
| SM | 353.1a | 41.2ab | 40.7a | 41.1a | |
| CK | 320.7b | 39.7b | 37.9b | 41.8a |
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2.5 全膜微垄沟穴播对冬小麦耗水量、产量和水分利用效率的影响
2011—2014年4个处理全生育期耗水量无显著性差异;2014—2015年PMS全生育期耗水量最大,PRF次之,均显著地高于SM和CK,而且SM显著高于CK（图5）。PRF、PMS和SM的产量均显著高于CK。PRF的产量为4 373.6 —4 950.0 kg·hm-2,较PMS增加了2.4%—12.7%,并在丰水年的2012— 2013和2014—2015达到显著差异水平;较SM增加5.3%—13.4%,除了2011—2012年外,其余年份均达显著性差异;较CK增加35.8—43.8%,4年均达显著性差异。PRF的水分利用效率最高,为10.0— 11.3 kg·hm-2·mm-1,较PMS增加0.4%—12.8%,除2013—2014外,其余年份均差异显著;较SM增加5.3%—19.7%,在2012—2013和2013—2014差异显著;较CK增加8.1%—42.1%,均达显著性差异。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5不同覆盖方式对冬小麦耗水量、产量和水分利用效率的影响
-->Fig. 5Effect of different planting methods on evapotranspiration, wheat yield and WUE
-->
3 讨论
水分不足是限制旱作区冬小麦生长的一个重要因子,对其生长发育及最终产量形成有重要影响。如何最大限度利用自然降水,以较少的水分消耗获得尽可能多的经济产量,是旱地农业生产研究的一个重要课题[2]。垄覆膜集雨种植能使垄上降水流入沟内,产生水分叠加,同时田间垄沟能降低风速,抑制蒸发,提高入渗深度,起到蓄积雨水、增加土壤含水率的作用[30]。任小龙等[31]通过模拟降水研究发现,垄沟集雨种植夏玉米沟内0—120 cm 土层平均含水率均显著高于对照平作,表层土壤含水率变化较大,100 cm 土层以下土壤含水率变化不明显。寇江涛等[32]研究发现垄覆膜集雨处理在集雨前期（4 月中旬至 6 月上旬）显著提高苜蓿 0—20 cm 土层土壤含水率,在中后期（6 月中旬至 9 月下旬）显著提高 0—120 cm 土层平均含水率。韩娟等[33]研究发现垄覆膜集雨种植能显著增加冬小麦播种至拔节期、抽穗期至灌浆期 0—20 cm 和 20—100 cm土壤贮水量。本试验研究结果表明,PRF 0—200 cm的土壤贮水量在播前、返青、抽穗、灌浆和成熟期比PMS分别增加24.3、38.8、52.0、16.0和23.6 mm;在播前、返青、抽穗和灌浆期分别比SM增加7.4、18.2、6.1和9.6 mm,在播前、返青、抽穗分别比CK增加26.9、67.8和27.0 mm。这一结果与任小龙[31]和韩娟[33]等研究结果相似。另外,笔者的研究结果表明,PRF 在0—200 cm土层的耗水量在抽穗—灌浆期比PMS增加36.0 mm;在返青—抽穗、灌浆—成熟期分别比SM增加 12.1 mm和16.7 mm,在返青—抽穗、抽穗—灌浆期分别比CK增加40.8mm和37.6 mm。证明全膜微垄沟穴播通过增加土壤贮水来促进冬小麦生长发育,并促进灌浆耗水,这将对冬小麦生长发育、产量形成和水分利用产生影响[14, 33]。
本试验依据冬小麦生育期降水量的多少划分2011—2012、2013—2014为平水年,2012—2013、2014—2015为丰水年。其中,两个平水年播种—返青期>10 mm的降水各只有1次,2011—2012为12.1 mm,2013—2014为13.6 mm,而这两年PRF 0—200 cm的土壤贮水量均显著高于其他几个处理,由此可见,PRF土壤贮水量的增加绝大多数源于对<10 mm降水的蓄积。本试验区冬小麦生育期有一半左右的降水都是<10 mm的无效降水,以往的小麦种植模式（如裸地和全膜覆土穴播）都不能充分利用这部分降水而蒸发散失。全膜微垄沟穴播栽培技术利用垄沟集雨面将大量<10 mm的降水聚集,实现雨水富集叠加,变无效雨为有效雨,变小雨为中雨,有效提高降水入渗率而使降水利用率显著提高,改善土壤水分状况[34]。
垄沟覆膜集雨栽培技术能大幅度提高生物量[35-37]。本研究结果表明,PRF在冬小麦各个生育时期较PMS、SM和CK均能增加生物量,其中在苗期、抽穗期、灌浆期和成熟期的生物量分别比CK增加132.3%—278.5%、52.1%—163.5%、29.8%—53.4%和30.3%—42.8%,达到显著差异水平。基于较为旺盛的地上生物量,冬小麦公顷穗数、穗粒数、千粒重表现为PRF>PMS>SM,其中PRF分别比CK高7.9%—15.8%、7.6%—19.3%和7.9%—23.6%,达到显著差异,实现了通过增加穗粒数和千粒重等穗部相关系数以及单位面积的分蘖数而达到增产目标[3, 38-41]。PRF的产量为4 373.6—4 950.0 kg·hm-2,较PMS增加2.4%—12.7%,其中在丰水的2012—2013和2014—2015年差异显著;较CK增加35.8%—43.8%,均达显著性差异。由于PRF能更有效集蓄<10 mm的无效降水,尤其丰水年份在小麦营养生长阶段蓄积较多水分,为生殖生长奠定良好的水分基础,并显著增大了灌浆期耗水量,在增产的基础上显著提高水分利用效率,分别较CK增加8.1%—42.1%,均达显著性差异;较PMS增加0.4%—12.8%,除2013—2014年外均达显著性差异。
4 结论
在播前和返青期,全膜微垄沟穴播（PRF） 0—200 cm的土壤贮水量较全膜覆土穴播（PMS）分别增加24.3 mm和38.8 mm;较覆砂穴播（SM）分别增加7.4 mm和18.2 mm;较CK分别增加26.9 mm和67.8 mm。PRF在提高冬小麦各生育期生物量和公顷穗数的基础上,促进灌浆期耗水,增加穗粒数和千粒重,产量达到4 373.6—4 950.0 kg·hm-2,较PMS增加2.4%— 12.7%,较SM和CK分别增加5.3%—16.8%和35.8%— 43.8%;水分利用效率较PMS增加0.4%—12.8%,较SM和CK增加5.3%—19.7%和8.1%—42.1%。因此,全膜微垄沟穴播较全膜覆土穴播能更充分利用<10 mm的无效降水。PRF种植模式能优化土壤水分环境和调节阶段性耗水,从而增加小麦产量和水分利用效率,是西北黄土高原半干旱区冬小麦高产高效的种植模式。The authors have declared that no competing interests exist.
