地膜覆蓋對小麥土壤水熱狀況及灌漿特性的影響

趙凱男，常旭虹，張趙星，王德梅，陶志強， 張正茂，張保軍，趙廣才

(1.西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院，陜西楊凌 712100；2.中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所/農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)重點實驗室，北京 100081)

陜西關中平原作為我國主要的糧食產(chǎn)地之一，水資源日益緊缺是限制該地區(qū)作物生產(chǎn)的主要因素。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)和生活用水需求量大幅增加，農(nóng)業(yè)用水占比明顯下降；大量廢水、污水的過度排放，更給農(nóng)業(yè)用水帶來了巨大的壓力[1]。推行節(jié)水栽培措施以提高水分生產(chǎn)率勢在必行。地膜覆蓋作為節(jié)水栽培技術，具有良好的保墑、增溫、保肥、增產(chǎn)等作用，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛應用[2-3]。楊俊峰等[4]研究認為，地膜小麥增產(chǎn)的原因是土壤的水、熱、養(yǎng)分等狀況得到改善，使小麥前期生長速度加快，綠葉面積增大，同化能力增強，最終實現(xiàn)產(chǎn)量增加。張保軍等[5]研究發(fā)現(xiàn)，地膜小麥在拔節(jié)期之前增溫效果顯著,拔節(jié)期之后的增溫效果不明顯,甚至降低。曹玉軍等[6]研究認為，地膜覆蓋可有效提高苗期至拔節(jié)期 5～25 cm 土壤平均溫度。李吾強等[7]研究發(fā)現(xiàn)，雨水沿著壟體聚集到壟溝中，即使較小的雨水也能匯集到小麥根部供小麥利用，從而提高降水利用率。塞力汗等[8]研究認為，覆膜有利于增加小麥粒重，其灌漿速率及強度始終高于露地小麥。楊祁峰等[9]研究表明，地膜小麥籽粒灌漿期具有較強的生長勢，灌漿速率快、時間長，最終表現(xiàn)為粒重高。也有研究認為，地膜覆蓋雖然增產(chǎn)效果明顯，但是遇到雨水較多的年份，會因土壤含水量較高而使根系早衰、活力下降，且生育后期溫度過高時地膜覆蓋會使小麥根系加速衰老，限制小麥產(chǎn)量增加[10]。目前，在關中旱區(qū)針對此方面的研究未見報道。本試驗擬在陜西關中平原旱作區(qū)進行地膜覆蓋對旱作冬小麥土壤含水量、土壤溫度、灌漿特性以及小麥產(chǎn)量影響的研究，旨在進一步豐富和完善冬小麥栽培技術，以推動小麥生產(chǎn)更好發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2016年11月-2017年6月在西北農(nóng)林科技大學農(nóng)作一站試驗田(34°17′N，108°05′E)進行，該地位于關中平原西部，海拔約520 m，年均降水量550 mm，且主要集中于7月至9月，常年小麥播種至成熟期間降水250 mm，年均氣溫約13 ℃。前茬休閑，耕層(0～20 cm)土壤基礎養(yǎng)分：有機質(zhì)16.5 g·kg-1，全氮0.909 g·kg-1，速效氮78 g·kg-1，速效磷15.6 g·kg-1，速效鉀192.65 g·kg-1。

供試材料為旱地小麥新品種普冰151。地膜選用寬120 cm、厚0.008 mm聚乙烯地膜，于2016年10月28日整地及覆膜，設置露地條播(CK)、覆膜穴播(T1)、起壟覆膜溝播(T2)三種方式。CK處理行距20 cm； T1處理穴距10 cm，行距20 cm，每穴人工點播10粒；T2處理每小區(qū)3壟，壟寬 30 cm，壟距 70 cm,壟高15 cm，壟脊覆膜,每壟兩側各種1行。小區(qū)面積12.5 m2(5 m×2.5 m),重復三次，隨機排列。播種量均為187.5 kg · hm-2，于10月29日播種。各處理施尿素240 kg·hm-2(含N 46%)，過磷酸鈣(含P2O515%)120 kg·hm-2，氧化鉀(含K2O 50%)120 kg·hm-2,氮、磷、鉀肥全部基施。其他管理措施同當?shù)卮筇锷a(chǎn)。

1.2 測定項目與方法

土壤溫度測定 于小麥越冬期、返青期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期，每小區(qū)取 3 個樣點，使用電子地溫計測定不同土層土壤溫度，測定時間為8:00、14:00、18:00，測定土層為地下0、5、10、15、20 cm。

土壤水分測定 每小區(qū)取樣 3 個樣點，采用土鉆取土，烘干法測定0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層土壤含水量，取樣時期同上。

籽粒灌漿指標的測定 于小麥開花初期，在每個小區(qū)選擇同一天開花、長勢相同的200個穗子進行標記，從花后第5天開始，每5 d取10個被標記穗子，取穗子中間4個小穗籽粒，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，放入干燥器中至常溫，折算千粒重，計算灌漿速率。

農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的調(diào)查 成熟期隨機取小麥20株考察株高、穗長、穗粒數(shù)、千粒重；按小區(qū)收獲、測產(chǎn)及容重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理、分析并制作圖表；采用DPS進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 地膜覆蓋對土壤水熱狀況的影響

2.1.1 不同生育時期土壤含水量的動態(tài)變化

由圖1可知，在各生育時期不同處理間小麥田各土層土壤含水量存在不同程度差異。在0～20 cm土層，各處理土壤水分變化趨勢相同，隨生育期的推移均呈先降后升再降的趨勢。T1、T2處理在越冬期、拔節(jié)期和灌漿期土壤含水量顯著高于CK處理；T1與T2處理在越冬至拔節(jié)期間土壤含水量差異不顯著，抽穗與灌漿期，T2處理土壤含水量顯著高于T1處理。除抽穗期，兩種覆膜處理均提高了0～20 cm土層土壤含水量。

在20～40 cm土層處，T1處理土壤含水量隨生育期的推移呈持續(xù)下降趨勢，這可能是由于返青后氣溫升高、小麥生長速度加快、消耗過多的水分引起的。T2和CK處理在抽穗期出現(xiàn)高峰可能因為抽穗期前幾日降水導致。抽穗與灌漿期，T1處理含水量顯著低于T2和CK處理，這可能與覆膜穴播小麥長勢較快、消耗水分較多有關。

40～60、60～80、80～100 cm土層，T1處理小麥土壤含水量隨著生育時期的推移呈下降趨。T2和CK處理40～60 cm 土層土壤含水量在越冬至拔節(jié)期間呈先降低后升高的趨勢，拔節(jié)期之后呈下降趨勢；T2處理60～80、80～100 cm土層土壤含水量在小麥各生育時期(除80～100 cm土層拔節(jié)期)均顯著高于CK處理，有利于小麥對深層水分的利用如圖1F所示。就0～100 cm土層土壤平均含水量而言，T1和T2處理在拔節(jié)期之前均大于CK,且在越冬期差異顯著；隨生育期推移，T1處理呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,在抽穗期，CK和T2處理土壤含水量顯著高于T1處理，可能由于T1處理小麥消耗較多水分的原因。

相同生育時期圖柱上不同小寫字母表示種植方式間差異顯著(P<0.05)。下同。

Different small letters above column at the same stages of growth mean significant difference among the treatments at 0.05 levels.The same in figure 2-6. A:0-20 cm;B:20-40 cm;C:40-60 cm;D:60-80 cm;E:80-100 cm;F:0-100 cm.

圖1地膜小麥不同生育期土壤含水量變化

Fig.1Changesofsoilwatercontentatdifferentgrowthstages

2.1.2 0～20 cm土壤溫度的日變化

由圖2可以看出，8：00時，各土層地溫表現(xiàn)為20 cm>15 cm>10 cm>5 cm>0 cm；在5、10、15 cm土層處，覆膜處理地溫顯著高于對照。14：00時，各土層地溫表現(xiàn)為5 cm>0 cm>10 cm>15 cm>20 cm，且覆膜穴播地溫顯著高于對照。18：00時，各處理間不同土層溫度變化趨勢不盡相同，T1處理不同土層地溫表現(xiàn)為5 cm>10 cm>15 cm>20 cm>0 cm,T2和CK處理為10 cm>15 cm>20 cm>5 cm>0 cm，且 T1顯著高于T2、CK處理，說明T1處理在溫度較低的越冬期具有更好的保溫效果。

由圖3可以看出，在返青期，8：00時，各土層地溫均表現(xiàn)為20 cm>15 cm>5 cm>10 cm>0 cm,且處理間表現(xiàn)為T1>T2>CK，其中，在5、10 cm處，T1和T2處理較對照差異顯著。在14：00和18：00，土壤溫度表現(xiàn)為0 cm>5 cm>10 cm>15 cm>20 cm，與8：00時趨勢相反。各處理地溫最高值均出現(xiàn)在14：00，此時T1處理地溫最高，且顯著高于其他處理。這說明在返青期氣溫較低的情況下，T1具有良好的增溫、保溫效果，有利于小麥早春返青。

圖2 越冬期不同土壤深度地膜小麥土壤溫度日變化Fig.2 Diurnal variation of soil temperature at different soil depths over wintering stage

圖3 返青期不同土壤深度地膜小麥土壤溫度日變化Fig.3 Diurnal variation of soil temperature at different soil depths at reviving stage

由圖4可以看出，在8：00時，不同處理隨土層深度的增加土壤溫度呈上升趨勢，在0、5、10、15 cm土層處，T1處理地溫顯著高于對照。在14：00時，0 cm土層地溫表現(xiàn)為T1>T2>CK，且處理間差異顯著；隨著土層深度增加，地溫呈現(xiàn)CK>T2>T1的現(xiàn)象，且5、10、15 cm 土層地溫CK顯著高于T1處理。這可能是隨著生育時期的推移，T1處理小麥由于長勢較旺，株高明顯高于T2和CK處理,導致土層接受陽光輻射少于T2和CK處理所致。在18：00時，各土層地溫均呈T1>T2>CK,這說明了T1處理具有良好的保溫效果。

圖4 拔節(jié)期不同土壤深度地膜小麥土壤溫度日變化Fig.4 Diurnal variation of soil temperature at different soil depths at shooting stage

圖5 抽穗期不同土壤深度地膜小麥土壤溫度日變化Fig.5 Diurnal variation of soil temperature at different soil depths at heading stage

圖6 灌漿期不同土層深度地膜小麥土壤溫度的日變化Fig.6 Diurnal variation of soil temperature at different soil depths at grain filling stage

由圖5可以看出，在抽穗期，除0 cm處各處理溫度存在較大差異外，其他土層中各處理間差異較小，各土層溫度整體為0 cm>15 cm>20 cm>10 cm>5 cm。在8:00時，除0 cm處地溫表現(xiàn)為T1>T2>CK，其他土層地溫均以T2處理顯著高于T1和CK處理。14:00和18:00時，土壤溫度變化與8:00時大致相同。這是因為0 cm地表溫度受陽光輻射熱影響較大，隨著土層深度的增加，T2處理各土層溫度顯著高于T1處理，這可能是因為T2處理接受光照的機會大于T1處理。

灌漿期各時段均以0 cm土層地溫最高(圖6)。8：00時，地表處地溫表現(xiàn)為T1處理顯著高于T2和CK處理；其他土層地溫表現(xiàn)為T2>CK>T1，0 cm除外的各土層地溫差異較小。14：00時，各土層地均較8:00時有所增高；在0、5、10、15 cm 處，T1處理顯著高于T2和CK處理。18：00時，各處理對不同土層地溫影響規(guī)律不盡相同。

2.2 地膜覆蓋對植株及產(chǎn)量性狀的影響

由表1可知，兩種覆膜方式均可增加株高、穗長、穗粒數(shù)、千粒重、容重和產(chǎn)量，其中，穗長、千粒重、產(chǎn)量均顯著高于CK；T1和T2處理分別較CK增產(chǎn)523.1 kg·hm-2和232.6 kg·hm-2，增產(chǎn)率分別為10.8%和4.9%。膜覆蓋的增產(chǎn)效應來自千粒重和穗粒數(shù)的增加。

表1 不同處理地膜對小麥植株及產(chǎn)量性狀的變化影響Table 1 Effect of different treatments on plant and yield traits

同列數(shù)字后不同小寫字母表示種植方式間差異顯著(P<0.05)。

Different small letters following data within same columns mean significant difference among the treatments at 0.05 level.

圖7 小麥千粒重動態(tài)變化Fig.7 Dynamic change of 1 000 grain weight of wheat

2.3 地膜覆蓋下小麥籽粒灌漿特性

2.3.1 對千粒重的影響

由圖7可知，三種處理小麥千粒重變化趨勢均呈慢-快-慢的增長趨勢，與灌漿時間的擬合方程分別為：yCK= -0.021x2+ 2.151x-10.013；Y1= -0.024x2+2.357x-9.923；y2=-0.024x2+2.277x-10.097(x為開花后天數(shù),y為千粒重)。在灌漿初期，籽粒干物質(zhì)積累相對緩慢，灌漿中期增長速率最大，灌漿后期小麥籽粒干物質(zhì)積累速度又趨于平緩，直至成熟。成熟期，不同覆膜方式小麥千粒重存在差異，以T1處理最大，為42.06 g，其次是T2處理，為38.45 g，CK處理千粒重最小，為37.48 g。

2.3.2 對灌漿特性參數(shù)的影響

由表2可知，不同處理間的平均灌漿速率和灌漿持續(xù)期存在一定的差異，以T1處理的平均灌漿速率最大、灌漿持續(xù)期最長，達到1.127 g·d-1、39.182 d，且顯著高于T2和CK處理，說明覆膜穴播可有效提高籽粒的平均灌漿速率和灌漿持續(xù)期。地膜覆蓋可以顯著提高小麥的最大灌漿速率，以T1處理灌漿速率最大，為2.201 g·d-1，T2處理為2.196 g·d-1。T1和T2處理

表2 不同處理地膜小麥籽粒灌漿特征參數(shù)比較Table 2 Parameters of grain-filling characteristics under different treatments

Va:籽粒平均灌漿速率；T:籽粒灌漿持續(xù)期；Vm:最大灌漿速率；Tm:達到最大灌漿速率的時間。

Va:Average filling rate;T:Grain filling duration;Vm:Maximum filling rate;Tm:Time of maximum filling rate.

到達最大灌漿速率的時間較CK分別提前0.398 d和0.609 d，與對照差異顯著，可能是由于地膜小麥生長較快所致。

由表3可以看出，不同處理方式下，小麥灌漿期的3個階段中，均以緩增期持續(xù)時間最長，且T1處理緩增期持續(xù)時間較T2和CK處理顯著延長；小麥平均灌漿速率表現(xiàn)為快增期>漸增期>緩增期，快增期的灌漿速率顯著高于其他兩個時期(P<0.05)；T1處理快增期、漸增期、緩增期的灌漿速率分別為2.364、0.912、0.559 g·d-1，均顯著高于T2和CK處理。千粒積累量同樣表現(xiàn)為快增期>漸增期>緩增期，說明灌漿快增期是籽粒累積量形成關鍵時期，對小麥產(chǎn)量的形成至關重要。灌漿快增期對籽粒干物質(zhì)積累量貢獻率約為56%，而灌漿漸增期和緩增期籽粒干物質(zhì)積累量比較接近，各約為22%。

表3 不同處理地膜小麥籽粒不同灌漿階段的特征參數(shù)比較Table 3 Characteristics of three grain-filling phases under different treatments

t:灌漿持續(xù)時間;v平均灌漿速率；w:千粒累積量。

t:Filling duration;v:Average filling rate;w:Accumulated mass of 1 000 kernel.

3 討 論

3.1 地膜覆蓋對土壤含水量的影響

研究表明，地膜覆蓋具有保墑提墑、提高土壤水分利用率、提高小麥生育期抗旱性、改善土壤環(huán)境、加速土壤有機質(zhì)礦化、提高養(yǎng)分利用率等土壤學效應[11-12]。覆膜穴播在有效控制土壤水分無效蒸發(fā)和提墑方面具有很好的效果[13-17]；同時促進了小麥根、莖、葉的發(fā)育，以及對養(yǎng)分的吸收和利用，從而提高了作物產(chǎn)量[18]。起壟覆膜溝播具有良好的雨水儲存功能，其依靠兩側光滑的壟體將小麥全生育期內(nèi)有限的降水最大限度地集中到小麥根部，從而提高了土壤含水量[19-20]。本試驗中，兩種覆膜方式在拔節(jié)期之前土壤含水量均高于對照，且在越冬期達到顯著水平，有利于小麥冬前形成壯苗和早春返青；拔節(jié)期之后覆膜穴播小麥土壤含水量有所降低，可能是由于小麥長勢較快，消耗較多水分所致。兩種覆膜種植方式的保墑作用存在一定差異，在越冬期，T1土壤平均含水量高于T2處理，且達到顯著水平。拔節(jié)期及之后，T2土壤含水量顯著高于T1處理，可能是與T1處理小麥長勢較快消耗水分較多有關。

3.2 地膜覆蓋對土壤溫度的影響

地膜覆蓋在不同程度上增加了土壤溫度，王樹森和鄧根之[21]研究提出,地膜小麥增溫機制主要是地膜阻隔土壤與外界水汽交換，減少熱量損失，且地膜及其表面的水層可以削弱長波輻射，使得夜間氣溫下降緩慢。王 俊等[22]研究發(fā)現(xiàn)，春小麥地膜覆蓋后30 d，日平均地溫可增加5 ℃以上。也有研究提出，生育后期覆膜會抑制作物根系發(fā)育,使得作物蒸散量和水分利用效率下降,影響產(chǎn)量的形成甚至減產(chǎn)[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋在小麥越冬期、返青期等氣溫比較低的情況下具有良好的保溫、增溫效果，有利用小麥形成冬前壯苗，安全越冬及早春返青；覆膜穴播小麥種植方式的增溫效果主要體現(xiàn)在小麥生長前期，從拔節(jié)期以后增溫效果減弱，甚至在某一時間段和土層低于其他栽培方式，這可能是小麥前期生長過快導致綠葉面積過大，群體透光率下降導致的,這與張保軍等[24]研究結果相近。

3.3 地膜覆蓋對灌漿特性的影響

灌漿期是決定小麥籽粒干物質(zhì)積累量的關鍵時期[25]。地膜小麥有利于提高小麥的平均灌漿速率、最大灌漿速率，并且有利于提前到達最大灌漿速的時間，減小灌漿漸增期的持續(xù)時間，增加灌漿快增期的持續(xù)時間、平均灌漿速率，有利于小麥籽粒干物質(zhì)的積累和產(chǎn)量的提高。研究得出，籽粒干物質(zhì)積累量與平均灌漿速率、快增期灌漿速率及最大灌漿速率有關，這與錢宏兵等[26]和李 娜等[27]研究結果相近。

地膜覆蓋栽培在有效提高作物產(chǎn)量的同時也導致了土壤污染現(xiàn)象，從保護生態(tài)環(huán)境方面來考慮，發(fā)展可降解地膜勢在必行[28]。地膜覆蓋在保證較高的出苗率、保溫、保墑的前提下，使膜下雜草生長受到一定的限制，有效的預防了田間雜草，使得小麥在全生育期中的生長環(huán)境得到顯著的改善，因此產(chǎn)量得到大幅度的提升，與露地條播相比具有明顯的經(jīng)濟和生態(tài)優(yōu)勢[29]。旱作小麥地膜覆蓋具有明顯的增產(chǎn)效果，在小麥全生育期具有良好保溫、保墑、提高灌漿速率等有益影響，但是若遇雨水過多年份,地膜覆蓋會因為土壤含水量太高而使根系活力下降，且容易出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象；另外,小麥生長后期氣溫過高時地膜覆蓋會使小麥根系加速衰老,這些因素都可能引起小麥的產(chǎn)量下降。因此,如何應對覆膜小麥生長過程中這些突發(fā)氣象因素,并通過實施配套栽培技術加以克服，有待進一步研究。