不同覆膜種植對(duì)土壤水熱和冬小麥產(chǎn)量的影響

曹 寒，吳淑芳，，馮 浩，張 延

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌712100）

水分作為作物產(chǎn)量的限制因子［1］，對(duì)于作物生長(zhǎng)影響重大。但在我國(guó)干旱半干旱地區(qū)，由于氣候環(huán)境的影響，降雨較少，通過有效的節(jié)水措施，提高天然降雨的高效利用是解決該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的有效途徑之一［2］。地膜覆蓋技 術(shù) 因 其 良 好 的 增 溫 增 產(chǎn)［3－4］，蓄 水保墑［5］和有效提高水分利用效率［6－8］的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到干旱半干旱地區(qū)。壟溝覆膜集雨技術(shù)通過修筑溝壟，壟面覆膜，將更多的降雨匯集到溝內(nèi)，減少無效降雨，延長(zhǎng)水分有效期限［9］。Li等［10］研究表明，溝壟覆膜種植玉米產(chǎn)量較傳統(tǒng)耕作增加108%～143%。王彩榮等［11］研究發(fā)現(xiàn)起壟覆膜溝播較傳統(tǒng)平播增產(chǎn)顯著，水分利用效率較平播提高5.06%。紀(jì)曉玲等［12］通過對(duì)陜北地區(qū)不同覆膜種植下綠豆生長(zhǎng)的研究發(fā)現(xiàn)，壟膜覆蓋較全膜覆蓋能提高水分利用效率，增加綠豆產(chǎn)量。買自珍等［13］研究發(fā)現(xiàn)與裸地相比，黑、白覆膜均能增加土壤水分，提高馬鈴薯產(chǎn)量。林團(tuán)榮等［14］對(duì)不同覆膜條件下馬鈴薯產(chǎn)量的研究發(fā)現(xiàn)，降雨較多條件下黑膜覆蓋下馬鈴薯的產(chǎn)量高于白膜覆蓋，比不覆膜產(chǎn)量增幅達(dá)19.84%。李尚中等［15］在對(duì)覆膜玉米的研究中發(fā)現(xiàn)，覆膜耕層平均地溫較露地高2.4℃。針對(duì)上述研究現(xiàn)狀，筆者發(fā)現(xiàn)目前關(guān)于覆膜種植對(duì)土壤水熱影響的研究多集中在不同種植方式或地膜顏色單一因素條件下的研究，對(duì)于不同顏色地膜和不同種植模式雙重因素影響下土壤水熱分層動(dòng)態(tài)變化以及對(duì)作物水分利用效率的改善效應(yīng)缺乏系統(tǒng)的研究。本文旨在通過設(shè)置平作和壟作條件下黑膜與白膜覆蓋，研究不同的覆膜種植在不同土層對(duì)土壤水熱動(dòng)態(tài)變化和冬小麥產(chǎn)量的影響，系統(tǒng)分析不同覆膜種植對(duì)土壤水熱效應(yīng)的影響，為覆膜技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2013—2014年在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院中進(jìn)行。試驗(yàn)地區(qū)位于34°16′56″N，108°4′30″E，海拔高521m，屬于暖濕帶季風(fēng)半濕潤(rùn)氣候區(qū)，多年平均降水量為635.1 mm，年均蒸發(fā)量為1 440mm，全年降雨量受氣候影響分配不均勻，主要集中在7，8，9個(gè)月。該地區(qū)年晝夜溫差平均為11.5℃，年平均溫度為12.9℃，其中全年無霜期為169～200d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探究覆膜對(duì)土壤水熱動(dòng)態(tài)變化和冬小麥產(chǎn)量的影響，試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理，分別為平作覆黑膜處理（BP）、平作覆白膜處理（WP）、起壟覆黑膜處理（BL）、起壟覆白膜處理（WL）和平作不覆膜處理（CK）。試驗(yàn)處理采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，各處理重復(fù)3次，每個(gè)小區(qū)面積為18m2（4.5m×4m）。試驗(yàn)區(qū)周圍布設(shè)1m寬的作物保護(hù)帶。

試驗(yàn)地土壤為中壤土，田間持水量為23%～25%，凋萎含水率為8.5%。供試冬小麥品種為小偃22號(hào)，播種量為167.5kg/hm2，行距為30cm。冬小麥于2013年10月中旬播種，2014年6月上旬收獲，全生育期為237d。播種前施加氮肥210kg/hm2，磷肥160kg/hm2，鉀肥90kg/hm2；所有肥料于播種前撒施，生育期內(nèi)不追肥。

1.3 觀測(cè)指標(biāo)

試驗(yàn)所需氣象資料由西北農(nóng)林科技大學(xué)灌溉試驗(yàn)站提供，試驗(yàn)主要觀測(cè)的內(nèi)容包括氣象資料、土壤溫度、土壤水分、地上部分生物量以及冬小麥產(chǎn)量。

1.3.1 氣象數(shù)據(jù) 氣象數(shù)據(jù)見圖1，冬小麥生育期內(nèi)（2013年10月—2014年6月）總的降雨量為288.1 mm，該年季降雨充沛，為豐水年型［16］。受氣候條件的影響，全年降雨量分布不均勻，尤其在冬季干旱月份（2013年11月—2014年1月），降雨量?jī)H為16mm；在降雨充沛月份（2014年3月—2014年5月），降雨量達(dá)到209.1mm。

1.3.2 土壤水分 土壤水分的觀測(cè)采用TRIMETDR進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)量深度為200cm，每20cm為一個(gè)測(cè)量深度間隔。土壤蓄水量是指一定土層厚度的土壤總的含水量，根據(jù)不同土層的厚度和土壤體積含水率換算出不同土層的土壤蓄水量（mm）。

式中：W——土層總的蓄水量（mm）；wi——第i層土壤體積含水率（cm3/cm3）；Hi——各土層厚度（cm）；生育期內(nèi)耗水量（ET）：采用農(nóng)田水分平衡法測(cè)定計(jì)算，其中水分平衡方程為：

式中：P——降雨量；I——灌水量；W前，W后——測(cè)定時(shí)間段前、后測(cè)定土層深度的土壤蓄水量；Wg——毛管上升水量；D——土壤的水的深層滲漏量；Df——徑流損失量。該地區(qū)地下水埋深為10m，Wg可以忽略。本試驗(yàn)中不考慮地下深層滲漏和地表徑流損失。

1.3.3 土壤溫度 本試驗(yàn)采用曲管地溫計(jì)進(jìn)行溫度觀測(cè)。試驗(yàn)地溫測(cè)定深度為5，10，15，20，25cm，觀測(cè)間隔為7d，每次的觀測(cè)時(shí)間為早上8：00到下午18：00，每隔2h觀測(cè)記錄一次，取每日觀測(cè)值的平均值作為該天的日平均值。

圖1 2013－2014年楊陵地區(qū)冬小麥生長(zhǎng)季每日氣象數(shù)據(jù)

1.3.4 作物產(chǎn)量 冬小麥成熟時(shí)各小區(qū)單獨(dú)收獲，風(fēng)干后進(jìn)行產(chǎn)量測(cè)定，每一處理小麥產(chǎn)量均以3次重復(fù)產(chǎn)量的平均值作為該處理的實(shí)際產(chǎn)量。

1.3.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Sigmaplot 12.5制圖，用SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和樣本方差分析。試驗(yàn)中所有處理的顯著型檢驗(yàn)均在p＜0.05下進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥全生育期表層土壤溫度變化

冬小麥全生育期表層5cm土壤溫度見圖2。由圖可知，出苗期—拔節(jié)期，不同覆膜處理增溫效果均高于對(duì)照處理。尤其在越冬后期—拔節(jié)期，各處理增溫效果由低到高依次為起壟覆黑膜處理、起壟覆白膜處理、平作覆黑膜處理、平作覆白膜處理和對(duì)照處理。起壟覆膜處理土壤溫度高于平作覆膜處理，黑色覆膜處理高于白色覆膜處理。返青期，起壟覆黑膜處理土壤表層溫度較起壟覆白膜處理和對(duì)照處理分別增加8.19%和34.38%。平作覆黑膜處理表層土壤溫度較平作覆白膜處理和對(duì)照處理分別增加5.59%和20.87%。返青期起壟覆膜處理表層土壤溫度平均值較平作覆膜處理增加1.2℃/d。拔節(jié)期—灌漿期，覆膜增溫效應(yīng)受到抑制，這可能與冬小麥葉面積增大，造成對(duì)太陽(yáng)輻射的攔截和地面的遮蔭作用有關(guān)。

2.2 不同覆膜處理對(duì)不同土層深度土壤溫度的影響

為了探究不同覆膜種植方式和覆膜顏色對(duì)土壤溫度的影響，選擇2014年3月4日為典型日進(jìn)行分析。不同種植方式下覆膜處理對(duì)不同土層溫度的影響見圖3。由圖可知，相同種植方式下，黑、白覆膜處理土壤溫度日變化趨勢(shì)一致。土壤溫度日變化幅度均隨著土層深度的增加逐漸減小，表層5cm土壤溫度日變化幅度最大，25cm土層土壤溫度日變化幅度最小。兩種種植方式下，覆膜處理表層5cm土壤溫度日均值均高于對(duì)照處理，25cm土層土壤溫度日均值均低于對(duì)照處理。

圖2 冬小麥生育期表層5cm土壤溫度變化

由于兩種種植方式下土壤溫度變化規(guī)律相同，現(xiàn)以起壟覆膜種植條件下不同土層的土壤溫度日變化為例。由圖可以看出，不同處理間土壤溫度變化趨勢(shì)相似，土壤溫度日變化幅度隨土層深度的增加逐漸減?。槐韺?cm土壤溫度日變化幅度最大，25cm土層土壤溫度日變化幅度最小。表層土壤溫度最低值均出現(xiàn)在早上8：00，覆膜溫度低于對(duì)照處理，原因是該時(shí)刻外界溫度逐漸升高，膜下水蒸氣受熱液化成水滴，致使表層土壤含水率增加，土壤溫度減小。隨著外界溫度的升高，水分逐漸蒸發(fā)，地膜有效抑制土壤熱量與大氣熱量的交換，表層土壤溫度逐漸升高。土壤表層溫度在14：00達(dá)到最高值。覆膜處理表層5cm土壤溫度最高值明顯高于對(duì)照處理。黑、白覆膜處理表層5cm土壤溫度最高值較對(duì)照分別增加4.9℃和5.7℃。

從一天時(shí)間來看，覆膜處理表層5cm土壤溫度增溫速度和降溫速度均高于對(duì)照處理。從8：00—14：00，表層5cm土壤溫度呈遞增趨勢(shì)，黑、白覆膜處理表層土壤溫度每小時(shí)分別增加3.2℃和3.6℃，較對(duì)照處理分別增加0.8℃和1.2℃。從14：00—18：00，土壤溫度處于遞減趨勢(shì)，黑、白覆膜處理表層土壤溫度每小時(shí)分別下降2.2℃和2.7℃，較對(duì)照處理分別增加0.3℃和0.8℃。隨著土層深度的增加，土壤溫度最高值出現(xiàn)的時(shí)間不斷推后。在15cm土層土壤溫度最高值出現(xiàn)在16：00，在25cm土層土壤溫度最高值出現(xiàn)在18：00，表明溫度在傳遞過程中隨土層深度的增加有明顯的滯后性。從15cm土層開始，黑、白覆膜處理土壤溫度最高值較對(duì)照處理增溫效果降低。15—25cm，起壟覆黑膜處理土壤溫度處理較對(duì)照處理分別增加0.1℃，0.3℃和－0.9℃；起壟覆白膜處理土壤溫度較對(duì)照處理分別增加0.8℃，0.4℃和－0.2℃?？梢姡?5cm土層，起壟覆膜處理土壤溫度低于對(duì)照處理。

圖3 不同覆膜處理5cm土壤溫度日變化

2.3 不同處理土壤水分沿土層深度變化

覆膜處理能夠減少土壤水分蒸發(fā)，且不同的種植方式對(duì)雨水利用的效果不同，導(dǎo)致冬小麥不同生育階段土壤水分含量不同。由圖4可知，越冬期，起壟覆黑膜處理0—100cm土層土壤蓄水量最高，較起壟覆白膜處理、平作覆黑膜處理和對(duì)照處理分別提高5.0，29.6，39.9mm。該生育階段降雨量少，長(zhǎng)期的干旱導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)嚴(yán)重，覆膜有效減少土壤水分的蒸發(fā)，故對(duì)照處理土壤蓄水量減少最為明顯。返青期由于降雨增加，各處理0—100cm土壤蓄水量均增加。拔節(jié)期，各覆膜處理0—100cm土壤蓄水量較對(duì)照處理差異不顯著。抽穗期，由于降雨量的增加，各處理0—100cm土壤蓄水量增加，起壟覆膜處理0—100cm土壤蓄水量高于平作覆膜處理，其中起壟覆黑膜處理0—100cm土壤蓄水量較起壟覆白膜、平作覆黑膜處理和對(duì)照處理分別增加10.0，17.2，45.2mm。

由圖4還可得出同一種植方式下，除冬小麥成熟期，冬小麥全生育期內(nèi)，黑、白覆膜處理土壤0—200 cm土壤蓄水量變化差異不顯著。冬小麥成熟期，壟作覆黑膜處理和平作覆黑膜處理土壤蓄水量均高于相同種植方式下的覆白膜處理。

2.4 不同土層土壤含水率的變化

起壟覆膜處理能夠有效匯集雨水，提高水資源利用效率，增加土壤含水率。圖5為不同土層各處理土壤水分在冬小麥生育期內(nèi)的變化。由圖5可知，在0—20cm，土壤水分變化最劇烈，起壟覆膜處理耕層土壤含水率較平作覆膜處理和對(duì)照處理分別提高5.04%和14.82%，其中起壟覆黑膜處理土壤含水率最高，較起壟覆白膜處理和對(duì)照處理分別提高4.65%和17.42%。20—40cm土層土壤含水率變化規(guī)律與0—20cm土層相同，各覆膜處理土壤含水率隨時(shí)間變化的變化幅度減小。從60—80cm和80—100cm土層土壤含水率變化可知，隨著土層深度的增加，各處理間土壤含水率差異不斷減小，由1.86～6.03 cm3/cm3減小到1.50～4.65cm3/cm3。起壟覆膜處理0—100cm土壤含水率最高，較平作覆膜處理和對(duì)照處理分別提高6.46%和13.50%。

2.5 不同覆膜處理對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率的影響

不同覆膜處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響如表1所示。由表1可知，不同覆膜處理均能有效增加冬小麥產(chǎn)量，起壟覆膜處理冬小麥產(chǎn)量較對(duì)照處理均差異顯著（p＜0.05），其中起壟覆黑膜處理產(chǎn)量較對(duì)照處理增加658.7kg/hm2，產(chǎn)量增幅達(dá)到12.0%。不同種植方式下黑色覆膜處理產(chǎn)量平均值較白色覆膜處理和對(duì)照處理分別提高3.6%和11.8%；不同覆膜顏色條件下起壟覆膜處理產(chǎn)量平均值較平作覆膜處理和對(duì)照分別提高1.4%和10.6%。相同覆膜方式下，黑、白覆膜處理間冬小麥產(chǎn)量差異不顯著；相同覆膜顏色條件下，不同覆膜方式間冬小麥產(chǎn)量差異也不顯著。

圖4 冬小麥不同生育期土壤蓄水量

圖5 冬小麥生育期不同土層含水率變化

覆膜處理能有效提高土壤水分利用效率。起壟覆黑膜處理水分利用效率最高，較對(duì)照提高16.3%。黑色覆膜處理水分利用效率平均值較白色覆膜處理和對(duì)照處理分別提高5.4%和16.1%；起壟覆膜處理水分利用效率平均值較平作覆膜處理和對(duì)照處理分別提高2.9%和14.7%。相同覆膜方式下，黑、白覆膜處理間水分利用效率差異顯著，表明黑色覆膜處理能有效促進(jìn)作物對(duì)水分的利用，提高作物水分利用效率。相同覆膜顏色條件下，不同覆膜方式土壤水分利用效率差異不顯著。

表1 不同覆膜處理對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率的影響

3 結(jié) 論

覆膜處理能夠有效提高表層土壤溫度［4］，但是其覆膜效應(yīng)受外界溫度和冬小麥生長(zhǎng)的影響。在作物越冬期—返青期，覆膜處理增溫效果最為顯著，較對(duì)照該時(shí)期增加了1.3℃，在作物拔節(jié)期—灌漿期，覆膜受植株茂密遮陽(yáng)影響增溫效果不顯著；無論是平作還是壟作，黑膜處理其表層5cm土壤溫度均高于白色覆膜處理和對(duì)照不覆膜處理。

土壤溫度變化過程受外界氣溫影響很大，王衛(wèi)華等［17］研究表明表層土壤溫度受外界影響最大，波動(dòng)幅度隨土層深度的增加而降低。本研究通過對(duì)土壤溫度日變化分析，得出黑、白覆膜處理表層5cm土壤溫度最高值較對(duì)照分別增加4.9℃和5.7℃，且土壤溫度變化呈現(xiàn)明顯先增加后降低的波動(dòng)，這與前人研究結(jié)果一致［17］。在增溫階段，起壟覆白膜處理土壤溫度上升速度較起壟覆黑膜處理和對(duì)照處理分別增加0.4℃/h和1.2℃/h；降溫階段，起壟覆白膜處理土壤溫度下降速度較起壟覆黑膜處理和對(duì)照處理分別增加0.5℃/h和0.8℃/h。

覆膜處理能充分利用水資源，增加作物產(chǎn)量，提高水分利用效率。整個(gè)生育期，0—20cm耕層內(nèi)土壤含水率變化波動(dòng)最顯著，起壟覆膜處理耕層土壤含水率較平作覆膜處理和對(duì)照處理分別提高5.04%和14.82%。在冬小麥抽穗期，起壟覆黑膜處理提高0—100cm土層蓄水量最為顯著，較對(duì)照處理增加45.2mm；整個(gè)生育期產(chǎn)量較對(duì)照處理增加658.7 kg/hm2；水分利用效率較對(duì)照提高16.3%。試驗(yàn)結(jié)果表明豐水年，不同覆膜處理均表現(xiàn)出良好的保水增產(chǎn)效果，與Gao Zhiqiang等［18］研究得出的地膜覆蓋在豐水年份具有良好的貯水保水作用結(jié)論一致。

總體上，幾種覆膜處理均能起到增溫保墑的效果，在寒冷少雨的階段，黑色覆膜增溫效果最為顯著。起壟覆膜處理較平作處理能增加冬小麥產(chǎn)量，提高土壤水分利用效率。由于試驗(yàn)?zāi)隇樨S水年，關(guān)于覆膜處理在其他降雨年型對(duì)土壤水熱的影響還有待進(jìn)一步研究。

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