半干旱雨養(yǎng)區(qū)不同覆膜方式對(duì)冬小麥土壤水分利用及產(chǎn)量的影響

楊長剛，柴守璽，常 磊

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 甘肅省干旱生境作物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070

半干旱雨養(yǎng)區(qū)不同覆膜方式對(duì)冬小麥土壤水分利用及產(chǎn)量的影響

楊長剛，柴守璽*，常 磊

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 甘肅省干旱生境作物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070

在黃土高原半干旱雨養(yǎng)條件下，于2008—2009、2009—2010兩個(gè)年度，以露地種植為對(duì)照(CK)，研究了不同覆膜方式(全膜覆土穴播，全膜穴播，壟膜溝播)對(duì)旱地冬小麥產(chǎn)量和水分利用的影響。結(jié)果表明：兩年度覆膜平均較CK產(chǎn)量分別顯著提高49.4%和53.2%，水分利用效率提高11.8%和14.3%。覆膜的高產(chǎn)建立在高生長量、高耗水基礎(chǔ)上，產(chǎn)量與生育期耗水量顯著正相關(guān)(r=0.952*—0.958*)，兩年度覆膜分別平均較CK多耗水33.5%和34.1%。覆膜處理中以全膜穴播較CK的增產(chǎn)幅度和WUE提高幅度最大，耗水量也最大。由于覆膜耗水量大，覆膜各處理收獲期0—200 cm土壤貯水量均顯著低于CK，但通過全年連續(xù)覆膜和夏閑期降水補(bǔ)充，在下茬秋播時(shí)，覆膜各處理0—200 cm土壤貯水量均超過CK，夏閑期覆膜的水分休閑效率兩年度分別平均高出CK 41.8和86.4個(gè)百分點(diǎn)，覆膜有利于土壤水分恢復(fù)和下茬作物的可持續(xù)生產(chǎn)。覆膜方式中，以全膜覆土穴播種植效益最高，兩個(gè)年度純收益平均達(dá)5531.6元/hm2，較CK增收2542.2元/hm2。綜合考慮，全膜覆土穴播是一種高產(chǎn)高效兼顧、操作簡單、適宜于半干旱雨養(yǎng)區(qū)推廣應(yīng)用的冬小麥覆膜種植方式。

冬小麥; 地膜覆蓋; 土壤水分; 產(chǎn)量; 雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)

地膜覆蓋是西北旱作農(nóng)業(yè)的主要技術(shù)[1-5]，大量實(shí)踐證明其在年降水量200—650 mm的地區(qū)可使小麥等作物增產(chǎn)30%左右[1-3,6-7]。保墑通常被認(rèn)為是旱作區(qū)地膜覆蓋能大幅度增產(chǎn)的最直接原因[2-3]。研究認(rèn)為[8]，地膜覆蓋由于抑制了土壤水分的蒸發(fā)損失，較露地栽培可增加土壤貯水量30%、降低蒸散量50%、減少水分虧缺15%以上。

但隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)覆膜除保墑作用外，還具有集雨提墑、提高土壤深層用水比例等效應(yīng)[9-15]。廖允成等研究表明[16]，在夏閑期采用地膜和秸稈兩元覆蓋技術(shù)，可將夏閑期降水的73.2%蓄積于土壤之中，0—200 cm土層較傳統(tǒng)耕法多蓄水108.4 mm。其后采用壟膜溝播技術(shù)種植小麥，可最大限度地截留生育期降水，明顯改善旱地小麥的水分狀況[11,16-17]。覆膜首先會(huì)明顯提高耕層土壤含水量[18-19]。許多研究認(rèn)為[8,10,15,20-21]，覆膜通過抑制棵間蒸發(fā)，改變了耗水結(jié)構(gòu)，提高了蒸騰/蒸發(fā)比，使得有限水分主要用于蒸騰性生產(chǎn)，利于產(chǎn)量形成。李儒等[11]和王紅麗等[22]研究發(fā)現(xiàn)，覆膜前期降低蒸發(fā)、后期增加蒸騰，有利于干物質(zhì)積累，促進(jìn)水分消耗由物理過程向生理過程轉(zhuǎn)化，從而提高水分利用效率。另有研究表明，覆膜在提高產(chǎn)量和水分利用效率同時(shí)，對(duì)土壤水分的消耗也同步增加。覆膜后不但作物全生育期0—200 cm土層總耗水量明顯高于露地[18,20,23-24]，而且促進(jìn)了對(duì)土壤深層水分的調(diào)用[18,20,23]。Ramakrishna等[21]和GAO等[18]研究發(fā)現(xiàn)覆膜促進(jìn)根系下扎，作物對(duì)140 cm以下土層水分的調(diào)用明顯加強(qiáng)。有研究發(fā)現(xiàn)[10,25-26]，覆膜前期的旺盛生長會(huì)導(dǎo)致后期供水不足，引起脫水脫肥，導(dǎo)致早衰甚至減產(chǎn)。在玉米上研究發(fā)現(xiàn)[22,27-28]，隨地膜覆蓋種植年限的增加，地膜玉米的耗水深度下移，連續(xù)覆膜種植會(huì)因耗水過度、土壤水分短時(shí)難以補(bǔ)充平衡而形成干化層，影響持續(xù)生產(chǎn)。

地膜覆蓋在20世紀(jì)80年代開始應(yīng)用于小麥，發(fā)展到目前已形成了多種覆膜種植方式。覆膜對(duì)土壤水分的影響因覆膜方式、覆膜時(shí)期、作物種類、當(dāng)?shù)貧夂驐l件和作物生長季節(jié)等的不同而有很大差異。覆膜引起的土壤水分變化是否有利作物生長或高產(chǎn)、或?qū)ψ魑锍掷m(xù)生產(chǎn)有無影響，也要視具體情況而定，不能一概而論。西北黃土高原半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)不僅水溫條件較差、而且大陸性氣候強(qiáng)烈，大氣和土壤下墊面的水溫交換劇烈，氣候生態(tài)條件特殊，因此不同覆膜種植技術(shù)的水溫效應(yīng)、以及對(duì)小麥生長和產(chǎn)量形成的影響可能與其它旱作區(qū)有較大差異。但目前在西北黃土高原半干旱雨養(yǎng)生態(tài)生產(chǎn)條件下，冬小麥不同覆膜種植方式間關(guān)于水分利用比較方面的研究報(bào)道較少，現(xiàn)有的地膜小麥研究大多針對(duì)個(gè)別生育時(shí)期、個(gè)別土層，缺乏土壤耗水特征、休閑期土壤水分補(bǔ)充、耗水與生長和產(chǎn)量形成的相關(guān)、對(duì)下茬土壤供水和可持續(xù)生產(chǎn)影響方面的研究。因此，本研究采用3種旱地小麥生產(chǎn)上應(yīng)用面積較大、有代表性的覆膜種植方式，以傳統(tǒng)無覆蓋露地種植為對(duì)照，開展了對(duì)土壤水分利用、生長與產(chǎn)量、耗水與土壤水分恢復(fù)等方面的比較研究，研究結(jié)果將為揭示覆膜增產(chǎn)機(jī)理、改進(jìn)技術(shù)、篩選適宜的覆膜種植方式、指導(dǎo)生產(chǎn)應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2008—2010年在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)定西旱農(nóng)生態(tài)綜合試驗(yàn)站實(shí)施。該區(qū)海拔1970 m，年日照時(shí)數(shù)2476.6 h，年均溫6.4℃，≥10℃積溫2239.1℃，年降水量390.9 mm(表1)，年蒸發(fā)量1531 mm，為黃土高原西部典型的半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。試區(qū)土壤為典型的黃綿土，土層深厚，土壤質(zhì)地較均勻，0—200 cm土層平均容重為1.25 g/cm3。

1970—2010年40a全年平均降水為390.9 mm，其中冬小麥生育期降水為181.4 mm，占全年降水的46.4%，休閑期降水為209.5 mm；2008—2009年總降水384.8 mm，冬小麥生育期和休閑期降水分別為191.1 mm和193.4 mm，5 mm以上有效降水分別為143.6 mm和180.3 mm；2009—2010年總降水323.6 mm，冬小麥生育期和休閑期降水分別為243.2 mm和80.4 mm，有效降水分別為211.9 mm和60.7 mm。2008—2009生長季，冬小麥返青前降水趨于多年均值，但3—6月降水較常年同期偏少40.6%，冬小麥生長后期受旱較重。2009—2010生長季，冬小麥播種至返青階段降水只有50.2 mm，比上一年度同期降水偏少53.9%，造成冬小麥返青前受旱較重。

表1 2008—2010年冬小麥生育期及休閑期降水量(mm)Table 1 Precipitation during winter wheat growing stage and summer fallow from 2008 to 2010

2008—2009年度冬小麥生育期為2008年9月20日至2009年7月14日，休閑期為2009年7月15日至9月22日；2009—2010年度冬小麥生育期為2009年9月22日至2010年7月1日，休閑期為2009年7月2日至9月20日

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，其中地膜覆蓋處理3個(gè)(PSB、PB、RPR)，以無覆蓋露地條播為對(duì)照(CK)。小區(qū)面積24 m2(3 m×8 m)，5次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。

全膜覆土穴播種植(PSB)：全地面平作覆膜，膜面覆土1 cm，穴播，行距20 cm，穴距15 cm，每穴8粒種子，每小區(qū)種15行。

全膜穴播種植(PB)：全地面平作覆膜，膜上不覆土，種植行距、穴距、穴播量等同PSB。

壟膜溝播種植(RPR)：秋播前起壟，壟底寬30 cm，壟高5—10 cm，兩壟底間距30 cm，壟面覆膜，每壟溝條播2行，2行間距24 cm，各行距離壟底3 cm，每小區(qū)種12行，行播量37.5 g。

露地條播種植(CK)：露地(不覆膜)平作，開溝條播，行距20 cm，每小區(qū)種15行，行播量30 g。第1生長季在2008年9月18日覆膜，9月20日播種，2009年7月1日收獲；第2生長季PSB繼續(xù)保留覆膜，PB和RPR處理則在2009年9月21日揭掉上茬殘膜，然后耕作整地、重新覆膜，于2009年9月23日播種，2010年7月14日收獲。

各小區(qū)播種和施肥量相同，冬小麥供試品種為隴中1號(hào)，播種量均為187.5 kg/hm2。第1生長季各處理播前將充分腐熟的牛糞4500 kg/hm2、純氮105 kg/hm2，磷(P2O5)105 kg/hm2等所有肥料在播前整地時(shí)做基肥一次性深翻施入。第2生長季各處理均不再施肥。兩個(gè)生長季均在灌漿前期進(jìn)行1次“一噴三防”作業(yè)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤水分測(cè)定

(1)在小麥播種期、開花期、完熟期及休閑期，各小區(qū)分0—20、20—40、40—60、60—90、90—120、120—150、150—180和180—200 cm共8個(gè)土層分別取土樣，各處理取樣位置均位于種植行間，用烘干法測(cè)定土壤含水量：

土壤含水量(%)=(土壤鮮質(zhì)量-土壤干質(zhì)量)/土壤干質(zhì)量×100%

(2)土壤貯水量、作物耗水量及水分利用效率計(jì)算

土壤貯水量計(jì)算公式為[11]：

W=h×ρ×ω%×10

式中,W為土壤貯水量(mm)；h土層深度(cm)；ρ為土壤容重(g/cm3)，本試驗(yàn)各土層ρ平均為1.25 g/cm3；ω%為土壤含水量。

農(nóng)田耗水量計(jì)算公式為[11]：

ET=ΔW+P+I-D+Wg-R，ΔW=W1-W2。

式中,ET為小麥生育期農(nóng)田總耗水量(mm)，ΔW為生育期土壤貯水量變化量(mm)；P為≥5 mm有效降雨量；I為灌溉量(mm)；D為灌溉后土壤水向下層流動(dòng)量(mm)；Wg為深層地下水利用量(mm)；R為地表徑流(mm)；W1、W2分別為播前和收獲時(shí)的土壤貯水量(mm)。本試驗(yàn)無灌溉條件，地下水位在10 m以下，冬小麥生育期無地表徑流，故I、D、Wg和R可忽略不計(jì)。

(3)水分利用效率及休閑效率計(jì)算

WUE=Y/ET

式中[11]，WUE為水分利用效率(kg hm-2mm-1)，Y為籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)，ET為小麥生育期總耗水量(mm)。

休閑效率(%)=(休閑期結(jié)束時(shí)土壤貯水量-上季收獲時(shí)土壤貯水量)/休閑期降水量×100%。

1.3.2 植株含水量、干物質(zhì)積累及產(chǎn)量測(cè)定

在開花期和收獲期采集植物樣品，每小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)采樣點(diǎn)，每點(diǎn)取20株，沿根莖結(jié)合處剪去根系后，同一小區(qū)3個(gè)樣點(diǎn)混合，作為一個(gè)分析樣品，現(xiàn)場(chǎng)稱取鮮重。稱取鮮重后，在120℃下殺青30 min，80℃烘干至恒重，稱量干重。冬小麥產(chǎn)量數(shù)據(jù)采用全區(qū)收獲法確定，現(xiàn)場(chǎng)稱鮮重，取樣測(cè)定含水量后計(jì)算烘干重。小麥開花期的生物量，收獲期的生物量和產(chǎn)量均采用烘干重表示。植株含水量(%)=(植株鮮重-植株干重)/植株鮮重×100%。

1.3.3 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

產(chǎn)量收入(元/hm2)=籽粒產(chǎn)量×市場(chǎng)價(jià)格

產(chǎn)量純收益(元/hm2)=產(chǎn)量收入-總投入

總投入包括化學(xué)肥料投入、種子、農(nóng)藥、地膜、人工投入，還有播種、耕作處理的機(jī)械投入。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel軟件處理、SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量和主要農(nóng)藝指標(biāo)

從表2可見，地膜覆蓋較無覆蓋(CK)顯著提高了冬小麥籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量，但收獲指數(shù)卻低于CK，處理間上述指標(biāo)存在顯著差異。以PB的籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量最高，但收獲指數(shù)最低。

覆膜首先影響營養(yǎng)生長，覆膜較CK生物產(chǎn)量提高幅度遠(yuǎn)大于籽粒產(chǎn)量提高幅度。2008—2009年覆膜平均較CK籽粒單產(chǎn)提高49.4%(39.3%—64.4%)，生物產(chǎn)量提高63.2%(50.7%—86.5%)，收獲指數(shù)降低8.2%(4.1%—11.9%)。2009—2010年度趨勢(shì)與2008—2009年度相似，覆膜平均較CK增產(chǎn)53.2%(37.0%—79.1%)，生物產(chǎn)量提高72.1%(52.8%—108.3%)，收獲指數(shù)降低10.6%(6.1%—14.0%)。

兩年度單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重的處理間變異系數(shù)依次為：28.3%—28.9%、13.7%—15.3%、1.7%—3.9%，表明處理間產(chǎn)量差異主要由穗數(shù)差異引起，其次為穗粒數(shù)，而千粒重處理間差異較小或較穩(wěn)定。

兩年相關(guān)分析表明，籽粒產(chǎn)量與生物產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)(r=0.992**—0.995**)，收獲指數(shù)與產(chǎn)量(r=-0.943*—0.946*)、生物產(chǎn)量(r=-0.959*—-0.963*)均呈顯著負(fù)相關(guān)。表明籽粒高產(chǎn)建立在高生長量基礎(chǔ)上，但隨著生物產(chǎn)量提高，收獲指數(shù)下降，生長冗余相應(yīng)提高。以PB生長量最大、但生長冗余最多，以CK生長量最小，但收獲指數(shù)最高、生長冗余最小，表明露地在土壤更加干旱時(shí)，反而會(huì)促進(jìn)干物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)移。RPR生物產(chǎn)量雖然高于PSB，但籽粒產(chǎn)量、收獲指數(shù)均低于PSB，是一種籽粒生產(chǎn)效率較低的覆膜種植方式。

表2 冬小麥產(chǎn)量及農(nóng)藝指標(biāo)Table 2 Yield and agronomic traits of winter wheat

PSB：全膜覆土穴播 Whole field plastic mulching with soil covering on the top of the plastic mulch and bunch-seeding；PB：全膜穴播 Whole field plastic mulching without soil cover on the top of the plastic mulch and bunch-seeding；RPR：壟膜溝播 Ridges mulched with plastic film and row-seeding in the furrow；CK：露地條播 Un-mulched with row-seeding as control; HI： Harvesting index；SN： Spike numbers；GNS： Grain numbers per spike；GW： 1000-grain weight; 同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 耗水量與產(chǎn)量、生長量的相關(guān)

覆膜的高產(chǎn)和高生長量建立在高耗水基礎(chǔ)上。兩年度覆膜處理的單位面積籽粒產(chǎn)量、收獲期生物產(chǎn)量不僅顯著高于CK(表2)，而且生育期耗水量、水分利用效率(WUE)也顯著高于CK(表3)。由于覆膜耗水較多，因此開花期和收獲期的土壤貯水量各覆膜處理都顯著低于CK。兩年相關(guān)分析表明，產(chǎn)量與耗水量(r=0.952*—0.958*)、WUE(r=0.930*—0.935*)顯著正相關(guān)，收獲期生物產(chǎn)量也與耗水量(r=0.957*—0.973*)、WUE(r=0.900*—0.926*)顯著正相關(guān)，而耗水量與WUE(r=0.650—0.798)相關(guān)未達(dá)到顯著水平。

兩年度籽粒產(chǎn)量、收獲期生物產(chǎn)量、耗水量的變異系數(shù)分別為19.7%—23.2%、24.2%—28.7%、13.4%—15.0%，表明旱地小麥對(duì)水分敏感，耗水量較小的差異就可引起產(chǎn)量和生長量的較大差異。

開花期是營養(yǎng)器官生長量達(dá)到最大的時(shí)期，也是氣溫最高、耗水強(qiáng)度最大的時(shí)期。從表3可見，開花期干物質(zhì)積累量、植株含水量覆膜明顯高于CK，但由于高生長伴隨著高耗水，開花期土壤貯水量明顯低于CK。2008—2009年，覆膜處理平均較CK開花期干物質(zhì)積累量提高69.9%(57.0%—89.9%)，植株含水量提高8.0%(5.8%—11.4%)，但0—200 cm土壤貯水量降低14.9%(9.8%—19.0%)。2009—2010年度的差異趨勢(shì)與上年度相同，覆膜處理平均較CK開花期干物質(zhì)積累量提高151.6%(132.8%—184.4%)，植株含水量提高10.1%(7.0%—14.4%)，土壤貯水量降低9.6%(4.1%—19.6%)。3種覆膜方式間比較，兩年度雖然PB開花期生長量均最大、但由于生長耗水過度、開花期土壤水分狀況最差，而PSB的植株和土壤水分狀況均好于其它兩種覆膜方式。

覆膜與CK間耗水量的差異遠(yuǎn)大于覆膜處理間的差異，同時(shí)，覆膜較CK耗水量提高幅度遠(yuǎn)高于WUE提高幅度。2008—2009年耗水量覆膜平均較CK高33.5%(32.7%—34.6%)，而覆膜處理間高低相差只有1.4%；2009—2010年耗水量覆膜平均較CK高34.1%(25.3%—44.9%)，而覆膜處理間高低相差只有15.6%。水分利用效率覆膜處理兩年度則分別平均比CK提高11.8%(8.8%—22.1%)和14.3%(4.2%—24.0%)。

開花前的旺盛生長階段的耗水量占生育期總耗水量的大部分，相應(yīng)的有效降水也占全生育期總有效降水的大部分，耗水與降水比例基本吻合。2008—2009年開花前的耗水量和有效降水量分別為170.0、125.4 mm，耗水比例和有效降水比例分別為70.3%、87.3%。2009—2010年開花前耗水量和有效降水量分別為195.6、150.9 mm，耗水比例和有效降水比例分別為69.4%、71.2%。

表3 耗水量與土壤貯水量變化Table 3 Changes of total water consumption and soil water storage

WS： Soil water storage；WP：Water content of plant；DMA：Dry matter accumulation amount；WCA：Water consumption amount；WUE：Water use efficiency

2.3 土壤水分恢復(fù)狀況

覆膜的高耗水是否會(huì)造成下茬作物墑情的惡化、進(jìn)而影響生產(chǎn)的可持續(xù)性，主要看下茬播前覆膜土壤水分是否能達(dá)到CK水平。從表4可見，由于覆膜耗水較多，收獲期0—200 cm土壤貯水量覆膜顯著低于CK，2008—2009和2009—2010年覆膜平均分別比CK低64.7 mm(63.1—66.8 mm)、47.0 mm(36.2—60.4 mm)。但通過7—9月夏閑期土壤水分的補(bǔ)充恢復(fù)，2009和2010年秋播時(shí)0—200 cm土壤貯水量覆膜均超過CK，分別比CK高29.8 mm(20.9—40.7 mm)、22.8 mm(18.5—26.7 mm)，表明連續(xù)覆膜種植不會(huì)造成下茬墑情的惡化。

休閑效率是衡量夏閑期降水轉(zhuǎn)化為土壤貯水的指標(biāo)，休閑效率的高低主要與土壤蓄水保墑能力有關(guān)。從表4可見，覆膜的休閑效率顯著高于CK，2009年和2010年夏閑期覆膜的休閑效率分別較CK平均高出41.8和86.4個(gè)百分點(diǎn)，兩年休閑效率均以PB最高。覆膜的休閑效率顯著高于CK，顯然與覆膜的保墑功能有直接關(guān)系。

比較上茬和下茬播種期土壤貯水，可以看出水分的周年平衡狀況。上、下茬播種期土壤墑情的差異大小，不僅與各處理的生長季耗水量、蓄水保墑能力有關(guān)，也與年度間降水量差異有關(guān)。比較播種期0—200 cm土壤貯水量(表4)，覆膜處理第二茬(2009年)平均高出第一茬(2008年)24.7 mm(15.8—35.6 mm)，而CK由于夏閑期土壤貯水補(bǔ)充量小，低于第一茬播種期5.1 mm，可見覆膜通過有效的蓄水保墑，更有利于維持年度間的水分平衡和可持續(xù)生產(chǎn)。

進(jìn)一步比較2008年和2009年播種期不同土層水分差異(表5)，雖然覆膜處理2009年播種期0—200 cm土壤貯水明顯高于2008年，但主要是增加了0—150 cm的土壤貯水，而150—200 cm的土壤深層仍低于2008年，表明上茬和下茬間土壤水分的恢復(fù)平衡主要靠降水入滲補(bǔ)充。

表4 土壤貯水量和休閑效率的變化Table 4 Changes of soil water storage and summer fallow efficiency

WSS：Soil water storage at winter wheat sowing；WSH：Soil water storage at harvest；CWS： Changes of soil water storage；IWS： Increase of soil water storage after summer fallow；WSAS：Soil water storage after summer fallow

表5 2009與2008冬小麥播種期0—200 cm土層水分變化Table 5 Change of water storage in 0—200 cm soil layers at winter wheat sowing in 2009 compared to that in 2008

差值=2009年播種期土壤貯水(mm)—2008年播種期土壤水分(mm);TCWS：Total change of soil water storage

2.4 種植效益比較

覆膜栽培的種植效益遠(yuǎn)高于CK(表6)。2008—2009年，PB、PSB和RPR的純收益分別較CK高2208.6、1553.4和1471.8元/hm2。2009—2010年，PB、PSB和RPR的純收益分別較CK高2262.4、3531.0和916.2元/hm2。第二茬PSB純收益高于PB，主要是PSB可一次覆膜、兩茬使用，因此成本大幅降低；兩個(gè)生長季平均純收益，以PSB最高、PB次之、RPR最低。

表6 冬小麥生產(chǎn)成本和經(jīng)濟(jì)效益Table 6 Cost and return of winter wheat production

機(jī)械投入費(fèi)用包括：機(jī)械覆膜、機(jī)械耕地等投入費(fèi)用；其它投入包括：農(nóng)藥、種子等材料投入費(fèi)用; 機(jī)械覆膜：375元/hm2，機(jī)械耕地：675元/hm2；肥料價(jià)格：磷酸二銨2.5元/kg，尿素1.6元/kg，小麥的市場(chǎng)價(jià)格為2.4元/kg

3 討論

兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓认啾?，雖然第一年度生育期有效降水降水量(143.6 mm)低于第二年度(211.9 mm)，但第一年度的產(chǎn)量、收獲期生物產(chǎn)量和WUE平均分別明顯高于第二年度18.8%、11.8%和39.3%。這主要有兩個(gè)方面原因：第一，第二年度各處理均未施肥，可能影響了生長和產(chǎn)量；第二，與兩年度降水和干旱發(fā)生的時(shí)段有關(guān)。第一年度播種-抽穗期有效降水量(105.4 mm)明顯高于第二年度(85.2 mm)，因此第一年度前期供水狀況較好，營養(yǎng)生長量較大，抽穗后干旱才開始凸顯。而第二年度孕穗前受旱較重，雖然抽穗后降水較多，但前期干旱已經(jīng)嚴(yán)重抑制了營養(yǎng)生長和分蘗成穗，導(dǎo)致穗數(shù)不足而減產(chǎn)。由此可見，旱地小麥前期干旱減產(chǎn)損失更大；從表1可見，第二年各處理單位面積穗數(shù)較第一年度分別平均下降35.3%，而由于后期降水較多，穗粒數(shù)、千粒重反而分別平均提高11.9%和8.7%。

植株生長量和冠層蒸騰面積雖然第二年度小于第一年度，但各處理生育期耗水量均明顯一致高于第一年度。生育期總耗水量第二年度平均高出第一年度17.0%(41.0 mm)，其中開花前平均多耗水25.6 mm，開花后多耗水15.4 mm，這與第二年度氣溫總體偏高、導(dǎo)致地溫相應(yīng)推高、加劇了植株蒸騰有關(guān)。第二年度返青-成熟期0—25 mm土壤溫度平均高出第一年度3.0℃，其中返青-抽穗期平均高出3.8℃，開花-成熟期平均高出2.2℃。

國內(nèi)外相關(guān)研究認(rèn)為[2,11,17,25]，覆膜的高產(chǎn)建立在高耗水基礎(chǔ)之上，本研究結(jié)論與之相符。但單純的比較耗水量的意義有限，覆膜的真正作用在于其改變了土壤耗水結(jié)構(gòu)，使得耗水主要用于蒸騰性生產(chǎn)[15,21]。全地面覆蓋的PB和PSB的耗水幾乎100%屬于植株蒸騰耗水，考慮到PB和PSB穴孔和地膜破損，PB和PSB的植株蒸騰耗水比例估計(jì)可達(dá)95%。按照收獲期生物產(chǎn)量估算WUE，第一和第二年度PB生物產(chǎn)量WUE最高，分別為40.5 kg hm-2mm-1和30.9 kg hm-2mm-1。若露地CK和半覆蓋RPR的生物產(chǎn)量WUE與PB相同，則可推算出CK第一和第二年度的棵間蒸發(fā)(即土壤蒸發(fā))耗水比例分別為31.4%和34.0%，推算結(jié)果與前人普遍研究結(jié)果接近(30%—40%)[29]，同樣可推算出半覆蓋RPR兩年度土壤蒸發(fā)耗水比例分別為21.5%和22.5%。RPR無覆膜種植帶棵間蒸發(fā)耗水比例低于CK，可能與RPR種植帶局部密植、冠層郁閉程度高于CK有關(guān)。冠層大小影響太陽輻射和氣流交換、進(jìn)而可能會(huì)降低影響土壤溫度、減少土壤蒸發(fā)耗水。無論如何，以上推算僅僅是建立在簡單假設(shè)基礎(chǔ)上，不同種植方式間的耗水差異和影響因素的可能比想象的更復(fù)雜，例如水溫互作、穴孔水分散失的邊緣效應(yīng)等因素對(duì)耗水量和耗水結(jié)構(gòu)的影響如何，尚未可知。

本研究發(fā)現(xiàn)，覆膜在籽粒高產(chǎn)伴隨高生物產(chǎn)量同時(shí)，生長冗余也增加，這和前人研究結(jié)果一致[30-33]。若覆膜處理達(dá)到CK的收獲指數(shù)，可推算出兩年度覆膜分別平均有362.6 kg/hm2和408.4 kg/hm2的生物產(chǎn)量可轉(zhuǎn)化為籽粒產(chǎn)量，相應(yīng)的，覆膜處理籽粒產(chǎn)量可在原基礎(chǔ)上分別提高9.1%和12.0%，可見通過栽培和育種途徑，削減覆膜生長冗余、實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的潛力較大。

比較3種覆膜方式的種植效益和農(nóng)事操作難度，PSB可實(shí)現(xiàn)一次覆膜、多茬使用，節(jié)省購膜成本，操作簡單，經(jīng)濟(jì)效益較高；PB容易造成苗與膜孔錯(cuò)位，掏苗費(fèi)工費(fèi)時(shí)，且地膜只能用1a，用膜成本高；RPR播種方便，但播種面積只占土地總面積一半，提高單位面積穗數(shù)較困難，同時(shí)植株局部擁擠，增產(chǎn)幅度較小，效益較低。綜合考慮，PSB是一種高產(chǎn)高效、農(nóng)事操作簡單、適宜推廣應(yīng)用的覆膜種植方式。

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Influences of different plastic film mulches on soil water use and yield of winter wheat in semiarid rain-fed region

YANG Changgang, CHAI Shouxi*, CHANG Lei

CollegeofAgronomy,GansuAgriculturalUniversity,GansuProvincialKeyLaboratoryofAridlandCropSciencs,Lanzhou730070,China

Plastic film mulching has been shown to increase crop yields in many crop species, but little has been reported how this technology can be applied to winter wheat in rainfed areas. This study determined the effects of different plastic mulching modes on water use and grain yield of winter wheat in a semiarid rain-fed region of Loess Plateau, Northwest China during 2008—2009 and 2009—2010 growing seasons. The experiment was carried out in a randomized complete block design with three replicates, including four treatments: (i) whole field plastic mulching with soil covering on the top of the plastic mulch and bunch-seeding, (ii) whole field plastic mulching without soil cover on the top of the plastic mulch and bunch-seeding, (iii) ridges mulched with plastic film and row-seeding in the furrow, and (iv) un-mulched with row-seeding as control (CK). Results showed that compared to the CK, the mean plastic film mulching increased the grain yield of winter wheat by 49.4% in the 2008—2009 season and 53.2% in the 2009—2010 season, and water use efficiency (WUE) was increased by 11.8% and 14.3% in the two seasons, respectively. The increased grain yield with plastic film mulching was largely attributable to improved plant growth and high water consumption. The grain yield of winter wheat was significantly and positively correlated (r=0.952*—0.958*) with water consumption during the growth period. Winter wheat with plastic film mulching used 33.5% and 34.1% more water than the CK in the two years, respectively. Of the mulching methods evaluated in the study, the whole field plastic mulching without soil cover and bunch-seeding achieved the highest grain yield and WUE, and also highest water consumption. Due to the large amount of water consumption with plastic film mulching, the water storage in the 0—200 cm soil layer at harvest was significantly lower in the fields with plastic film mulching compared to the CK. However, due to the year-round continuous plastic mulching coupled with the recharge of soil water during the summer fallow period after winter wheat harvest, the water storage in the 0—200 cm depth in the fields with plastic film mulching exceeded that in the CK field by 41.8 to 86.4 percentage points by the autumn sowing date the following year. Plastic film mulching and soil moisture conservation during summer fallow period is beneficial to the rehabilitation of soil moisture and sustainable production of the crops the following year. Among the plastic film mulching methods, the whole field plastic mulching with soil covering on the top of the mulch and bunch-seeding gained the highest economic benefit, and reached up to 5531 Chinese Yuan/hm-2, which was 2542 Yuan more than the CK. Additionally, the whole field plastic mulching with soil cover on the top of the mulch and bunch-seeding allows the plastic film to be reused for the crops grown in the following year, helping save film cost, and improving economic benefits. Therefore, we recommend that whole field plastic mulching with soil cover on the top of the mulch and bunch-seeding is suitable to be popularized in the semiarid rain-fed areas.

winter wheat; plastic film mulching; soil moisture; yield; rain-fed agricultural region

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-3-2-49)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303104)

2013-06-05;

2014-08-29

10.5846/stxb201406051158

*通訊作者Corresponding author.E-mail: sxchai@126.com

楊長剛，柴守璽，常磊.半干旱雨養(yǎng)區(qū)不同覆膜方式對(duì)冬小麥土壤水分利用及產(chǎn)量的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(8):2676-2685.

Yang C G, Chai S X, Chang L.Influences of different plastic film mulches on soil water use and yield of winter wheat in semiarid rain-fed region.Acta Ecologica Sinica,2015,35(8):2676-2685.