全 文 ：第 34 卷第 19 期
2014年 10月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.19
Oct.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:甘肃省杰出青年基金项目(1210RJDA011); 农业部公益性行业(农业)科研专项(201203031);国家自然科学基金项目(31060071)
收稿日期:2013鄄11鄄27; 摇 摇 修订日期:2014鄄07鄄02
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: gszhangxuch@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201311272827
侯慧芝, 吕军峰,郭天文,张国平, 张平良,张绪成.西北黄土高原半干旱区全膜覆土穴播对土壤水热环境和小麦产量的影响.生态学报,2014,34
(19):5503鄄5513.
Hou H Z, L俟 J F,Guo T W,Zhang G P, Zhang P L, Zhang X C.Effects of whole field soil鄄plastic mulching on soil thermal鄄moisture status and wheat yield
in semiarid region on Northwest Loess Plateau.Acta Ecologica Sinica,2014,34(19):5503鄄5513.
西北黄土高原半干旱区全膜覆土穴播
对土壤水热环境和小麦产量的影响
侯慧芝, 吕军峰,郭天文,张国平, 张平良,张绪成*
(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, 兰州摇 730070)
摘要:全膜覆土穴播是西北黄土高原旱作区大面积应用于密植作物栽培的关键增产技术,可显著提高降水利用率和作物生产
力,但目前对其增产机制和环境效应缺乏系统研究分析。 在 2011—2013 年以春小麦陇春 27 号为试验材料,设全膜覆土穴播
(FMS)、地膜覆盖穴播(FM)和露地穴播(CK)3个处理,研究半干旱旱作区全膜覆土穴播的土壤水热效应及其对小麦产量的影
响。 结果表明,小麦苗期 FMS在 0—25 cm土层的平均地温比 CK提高 1.4—3.5益,但孕穗到灌浆期正午地表地温比 FM 和 CK
分别降低 5.3—6.4益和 3.1—4.3益。 FMS和 FM使小麦拔节前 0—200 cm土层土壤贮水量分别增加 33.1和 29.3 mm,且可促进
小麦对深层水分(100—200 cm)的利用,FMS成熟期 100—200 cm 土层土壤贮水量比播前下降 44.4—69.6 mm,较 CK 高 8.4—
145.5%,但 FMS在休闲期补充土壤水分 77—127 mm,分别较 FM和 CK增加 4.5%—40.9%和 12.8%—109.5%;FMS的休闲效率
为 30.5%—52.6%,比 CK高 12.8%—109.5%,比 FM高 4.5%—40.9%。 基于对土壤水热环境和作物耗水的影响,FMS 的产量达
1750—3180 kg / hm2,水分利用效率为 5.5—11.5 kg hm-2 mm-1,分别比 CK增加 40%—220%和 27%—239%,而且干旱年份的增
加幅度更高。 因此,FMS改善了小麦生长前期的土壤水热条件,调节作物不同生育期的耗水强度,显著提高作物水分利用效率
和产量,并提高降水休闲效率,使小麦生育期耗散的土壤水分在休闲期得到有效补充。
关键词:旱地; 全膜覆土穴播; 小麦; 土壤水热效应; 产量; 休闲效率
Effects of whole field soil鄄plastic mulching on soil thermal鄄moisture status and
wheat yield in semiarid region on Northwest Loess Plateau
HOU Huizhi, L譈 Junfeng,GUO Tianwen,ZHANG Guoping, ZHANG Pingliang, ZHANG Xucheng*
Institute of Dryland Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Key Laboratory of Efficient Utilization of Water in Dry Farming, Lanzhou
730070, China
Abstract: The main factors that limit wheat productivity on the northwestern Loess Plateau in China are drought, low
temperature in spring, and the seasonal rainfall dynamics, which do not meet the water requirements of wheat. Efficient
conservation of rainwater in the soil, and its utilization in the wheat鄄growing period, are the most important means of
increasing wheat yield in this region. Whole鄄field plastic and soil mulching ( i.e., the whole soil surface in a field is first
mulched with plastic, on top of which a soil layer about 1 cm thick is spread), which is commonly used for high鄄planting鄄
density crops on the Loess Plateau, could significantly improve rainfall use efficiency and crop productivity. However, no
systematic analysis of the productivity increment and environmental effects of this technique has been undertaken previously.
Spring wheat (Triticum aestivum cv. Lunchun 27) was selected as the test material for a field experiment conducted from
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2011 to 2013 to study the effects of whole鄄field plastic and soil mulching on soil temperature, soil moisture, water use
efficiency and wheat yield. The three treatments applied were 1) whole鄄field plastic and soil mulching and bunch seeding
(FMS), 2) whole鄄field plastic mulching and bunch seeding (FM), and 3) soil uncovered and bunch seeding (CK). The
seasonal soil water content, soil temperature, and wheat yield were recorded and the rainwater fallow efficiency,
evapotranspiration, and water use efficiency were calculated. The FMS treatment increased average soil temperature in the
0—25 cm soil profile by 1.4—3.5 益 compared with CK at the seedling stage, and reduced the surface ground temperature
by 5.3—6.4 益 and 3.1—4.3 益 compared with FM and CK, respectively, at 14:00 from the booting stage to the filling
stage. Both FMS and FM treatments improved soil water storage in the 0—200 cm soil profile by 33.1 mm and 29.3 mm,
respectively, compared with CK before the jointing stage. Water storage was lower at deeper soil depths (100—200 cm) in
FMS and FM compared with CK. At the maturing stage, the soil water storage in the 100—200 cm soil profile of the FMS
treatment decreased by 44.4—69.6 mm compared with before the seeding stage, which was 8.4—145.5% higher than that of
CK. However, the soil water of the FMS treatment was recharged by 77—127 mm in the fallow period, which was 4.5—
40郾 9% and 12.8—109.5% higher than that of FM and CK, respectively. The rainwater fallow efficiency of FMS was 30.5—
52郾 6%, which exceeded that of CK and FM by 12.8—109.5% and 4.5—40.9%, respectively. Based on the regulatory
effect of soil thermal鄄moisture status and crop water use, the wheat yield and water use efficiency of FMS were 1750—3180
kg / hm2 and 5.5—11.5 kg hm-2 mm-1, respectively, which were 40—220% and 27—239% higher than those of CK. The
increased extent of yield and water use efficiency were higher in a dry year than that in a wet year. Consequently, FMS
ameliorated soil thermal鄄moisture status, optimized wheat water use, and increased wheat water use efficiency and yield.
Rainwater fallow efficiency was significantly higher in FMS, so the soil water consumed in the wheat鄄growing period was
recharged completely in the fallow period, which is important for maintenance of the inter鄄annual soil water balance.
Key Words: rain鄄fed cropland; whole field soil鄄plastic mulching; spring wheat; soil water and heat status; yield;
rainwater fallow efficiency
摇 摇 西北黄土高原半干旱区降水少、蒸发强、季节分
布不均[1],降水与农作物供需错位是限制农业生产
力提高、农业经济发展的主要因子[2鄄3]。 尤其是常驻
性干旱胁迫和春季低温使该区小麦产量长期处于低
而不稳甚至绝收的境况[4鄄5]。 地膜覆盖可改善耕层
土壤水热状况[6],有效减轻干旱和春季低温对作物
生长的危害[7鄄8],显著提高作物产量。 近年来,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(地膜平铺覆盖全部农田地面,然后在地膜上
覆土 1—2 cm,用专用地膜穴播机播种),是对传统地
膜小麦穴播技术的改进,能够大幅度提高小麦产
量[8]。 已有研究表明,全膜覆土穴播小麦能抑制地
面的无效蒸发,提高水分利用效率,使小麦增产 30%
以上[9鄄12],截止 2013年该模式在甘肃省种植面积已
累计超过 15万 hm2 [13鄄14]。 然而,目前对全膜覆土穴
播小麦栽培技术的研究仅限于其增产效应方
面[8鄄12],对其增产机制如水热效应、降水休闲效率和
土壤水分年际持续性等方面的研究较少,尤其缺乏
在大田定位试验条件下的系统分析。 本试验以春小
麦陇春 27号为试验材料,在小麦全生育期测定土壤
温度和土壤含水量,揭示全膜覆土穴播的土壤水热
效应及其对小麦产量的影响,并结合该技术的降水
休闲效率分析其对土壤水分年际持续性的影响,这
一工作对探讨旱作区高产高效和生态安全的栽培技
术体系有重要意义。
1摇 材料和方法
1.1摇 试验地概况
试验于 2011—2013 年在甘肃省农业科学院定
西试验站(104毅36忆 E, 35毅35忆 N)进行。 该区海拔
1970 m,年平均气温 6.2益,年辐射总量 5 898 MJ /
m2,年日照时数 2 500 h,逸10 益积温 2 075.1益,无
霜期 140天,属中温带半干旱气候。 作物一年一熟,
无灌溉,为典型旱地雨养农业。 平均年降水量为 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
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为黄绵土,0—30 cm土层平均容重 1.25 g / cm3,田间
持水量为 21.2%,永久凋萎系数为 7.2%。
根据甘肃省定西市唐家堡试验站气象资料统计
(图 1),2011年试验区全年降雨 346.4 mm,春小麦全
生育期降雨 107.8 mm,4 月仅降雨 4.2 mm,6 月 13
日到收获前降雨占整个生育期降雨的一半以上,
2011—2012春小麦休闲期降雨 241.4 mm;2012 年试
验区全年降雨 484.4 mm,春小麦全生育期降雨 219.3
mm,主要集中在 5、6 和 7 月,2012—2013 春小麦休
闲期降雨 250.5 mm;2013 年试验区全年降雨 551.9
mm,春小麦生育期降雨 308.6 mm,但从 2 月 19 日到
4月 18 日无降雨,7 月份降雨几乎占整个生育期降
雨的一半。 试验区降雨量极不稳定,且季节分配不
均,与春小麦生育期需水规律不吻合。 从每年 3 月
底小麦播种到 5月中旬小麦拔节试验区最低日均温
为-4益,平均为 8—10益 (图 1),而小麦种子发芽出
苗的最适温度是 15—20益,根系生长最适温度为
16—20益。 试验区春季低温对露地春小麦的出苗及
小麦苗期、拔节期生长造成一定影响。
图 1摇 2011—2013试验区全年降水分布和日平均气温
Fig.1摇 Distribution of rainfall and average air temperature in test areas from 2011 to 2013
1.2摇 试验设计
以春小麦陇春 27号为试验材料,采用完全随机
设计,设全膜覆土穴播(FMS 地膜平铺整个地面,在
膜上覆土 1—2 cm)、地膜覆盖穴播(FM 地膜平铺整
个地面,用土压紧地膜接缝,3—5 m 用土横压地膜,
防止大风揭膜)和露地穴播(CK)3 个处理,每处理 3
次重复,小区面积 3 m伊5 m = 15 m2。 本试验执行 3
年,3个处理均利用地膜穴播机播种,每穴播(10依2)
粒,行距为 20 cm,穴距为 13 cm。 各处理施肥量均为
N 150 kg / hm2,P 2O5 180 kg / hm2,K2O 84 kg / hm2,肥
料在 2011 年播前一次性施入,2012 和 2013 年不再
施肥。 2011年 3月 23 日播种,7 月 19 日收获;2012
年 3月 16日播种,7月 23日收获;2013年 3月 20日
播种,7月 30日收获。 FM在 2012和 2013年免耕换
膜,FMS和 CK 3a种植期间免耕(FMS 不换膜)。 各
处理全生育期不灌溉,除拔草外不进行其它管理。
1.3摇 测定指标及方法
1.3.1摇 土壤温度
土壤温度在 2011 年和 2012 年按小区定点定时
测试。 播种后每隔 7d 分别在 8:00、14:00、20:00 测
定。 测量土壤深度分别为 0 cm(地表)、5、10、15、20
cm和 25 cm,每小区测定 1个位点。
1.3.2摇 土壤贮水量、水分利用效率和休闲效率
在小麦播前、苗期、拔节期、孕穗期、灌浆期和成
熟期用烘干称重法测定 0—200 cm 土壤含水量,测
定步长为 20 cm。 土壤贮水量(mm)计算公式为:
5055摇 19期 摇 摇 摇 侯慧芝摇 等:西北黄土高原半干旱区全膜覆土穴播对土壤水热环境和小麦产量的影响 摇
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SWS=Ws伊b伊d
式中,Ws 为土壤含水量;b 为土壤容重;d 为土壤深
度。 水分利用效率(kg hm-2 mm-1)计算公式为:
WUE=Y / ET
其中, ET=SWSBF-SWSHA+P
式中,Y 为小麦单位面积产量;SWSBF为播前土壤贮
水量;SWSHA为收后土壤贮水量;P 为生育期降雨量。
休闲效率(%)指农田休闲期,土壤对自然降水的保
蓄率,计算公式为:
FE=(SWSBF+1-SWSHA) / R伊100
式中,SWSBF+1为当季作物播前贮水量,SWSHA为上季
作物收后贮水量,R为休闲期降雨量。
1.3.3摇 产量
成熟期每小区单打单收,晒干后统计实际产量,
折合成公顷产量。
1.4摇 数据处理与分析
通过 Excel 2003 和 DPS 统计分析软件处理数
据,采用 Tukey 法检验处理间的差异显著性。
2摇 结果与分析
2.1摇 不同覆盖方式对春小麦土壤温度状况的影响
2.1.1摇 不同覆盖方式对春小麦 0—25cm土层平均温
度的影响
从整个生育期看,3 个处理 0—25 cm 平均地温
均表现为随生育期的递进地温逐渐升高。 孕穗前,
FM和 FMS 0—25 cm 平均地温分别比 CK 高 1.6 和
1.4益。 孕穗到灌浆中期 FMS 和 FM 的增温效应明
显减弱,与 CK相比无显著差异;灌浆后期到成熟期
FMS和 FM 0—25 cm 平均地温分别比 CK 高 1.0 和
0.7益,但增温幅度明显小于孕穗前。
图 2摇 不同覆盖方式对小麦全生育期 0—25 cm平均地温的影响
Fig.2摇 Effects of different mulching modes on soil average temperature from 0 to 25 cm during wheat growth period
2.1.2摇 不同生育阶段不同覆盖方式对 0—25cm各层
地温的影响
两年试验结果表明:苗期到拔节期 FMS 和 FM
在 0—25 cm 各层的地温均显著高于 CK (图 3)。
2011年 FMS在 0、5、10、15、20 和 25 cm 土层的温度
分别比 CK高 0.8、1.5、2.0、2.2、2.5 和 1.8益;2012 年
FMS比 CK分别高 1.3、1.3、1.5、1.9、1.8和 1.5益。 孕
穗到灌浆初期 FMS地表温度显著低于 FM和 CK,其
余各层地温在处理间无显著差异(图 3)。 灌浆到成
熟期 FMS 和 FM 在各层的地温均高于 CK,其中,
2011年 FMS 比 CK 0、5、10、15、20 和 25 cm 的温度
分别高 0.2、0.6、0.9、1.2、1.6 和 0.8益;2012 年 FMS
比 CK分别高 0.7、0.8、0.8、0.7、0.4 和 0.7益,但此阶
段温度的增加幅度明显低于苗期到拔节期。 由于
2011年小麦生育期降雨较少,所以 2011 年同期所有
处理各层的温度均高于 2012 年。 与 FM 相比,除孕
穗到灌浆初期 FMS 地表地温明显低于 FM 以外,其
余各生育阶段各层两个处理的地温均无显著差异。
2.1.3摇 不同覆盖方式在不同生育阶段对春小麦不同
土层温度日变化的影响
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早 8:00 地温随土层加深温度上升;14:00 地温
则随土层加深而下降;20:00 地温随土层加深先升
高,到 10 cm 处达最大,后又逐渐下降(表 1)。 从苗
期到拔节期,FMS在 8:00 和 20:00 各土层温度均明
显高于 CK,在 14:00地表的地温比 CK低 1.8—2益;
从孕穗到灌浆初期,FMS 在 14:00 的地表地温比 CK
低 3.1—4.3益,其余各层在各时段地温和 CK 相比增
减无规律性,且差异不明显;从灌浆到成熟期,FMS
14:00的地表地温比 CK 低 1.6—2.8益,其余各层在
各时段地温均略高于 CK。
图 3摇 不同生育阶段不同覆盖方式对 0—25 cm各层地温的影响
Fig.3摇 Effects of different mulching modes on soil temperature of every layer at different stages
摇 摇 FMS与 FM 相比 5—25 cm 各层 8:00、14:00 和
20:00 的地温差异不明显,但在 14:00,苗期到拔节
期 FMS的地温比 FM 低 1.9—2.6益,孕穗到灌浆初
期低 5.3—6.4益,灌浆到成熟期低 2.6—2.9益。
表 1摇 各处理不同生育阶段不同土层温度日变化
Table 1摇 The diurnal variation of temperature at different layers changes in different stages
年份
Year
生育阶段
Grow stage
层次
Soil depth
8:00
FM FMS CK
14:00
FM FMS CK
20:00
FM FMS CK
2011 苗期鄄拔节期 0 6.3a 6.6a 4.9b 33.7a 31.1b 33.1a 12.6a 12.9a 10.3b
Seeding鄄Jointing 5 8.7a 8.6a 8.2a 26.8a 26.8a 24.5b 18.3a 17.9a 16.1b
10 10.2a 9.9a 7.5b 21.8a 19.8b 18.7c 19.4a 18.8a 16.4b
15 10.3a 10.2a 8.3b 17.3a 16.2a 14.7b 18.3a 18.4a 15.2b
20 11.7a 11.7a 9.3b 14.6a 14.8a 12.4b 17.0a 17.1a 14.2b
25 11.6a 11.8a 9.8b 12.6a 12.2a 10.7b 14.5a 14.4a 12.6b
7055摇 19期 摇 摇 摇 侯慧芝摇 等:西北黄土高原半干旱区全膜覆土穴播对土壤水热环境和小麦产量的影响 摇
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续表
年份
Year
生育阶段
Grow stage
层次
Soil depth
8:00
FM FMS CK
14:00
FM FMS CK
20:00
FM FMS CK
孕穗期鄄灌浆初期 0 15.3a 15.8a 14.6a 36.3a 30.1b 37.1a 22.7a 23.2a 22.9a
Booting鄄Filling 5 16.5a 16.6a 16.1a 32.6ab 31.8b 32.9a 24.4a 24.7a 24.4a
10 17.9a 17.8a 17.3a 28.0a 27.9a 27.7a 26.3a 26.0a 25.9a
15 18.4a 19.2a 18.6a 25.1a 25.6a 24.9a 25.8a 25.4a 25.1a
20 19.4a 19.3a 18.8a 22.4a 22.3a 22.4a 24.4a 24.3a 24.3a
25 19.9a 19.4a 19.1a 20.3a 20.3a 21.4a 22.4a 22.3a 22.1a
灌浆中期鄄成熟期 0 16.4a 16.1a 14.8b 44.3a 41.7b 43.a 28.4a 27.8ab 26.9b
Filling鄄Maturing 5 17.6a 17.2ab 16.6b 37.6a 36.9a 37.0a 30.4a 29.2b 27.9c
10 18.8a 18.6a 17.8a 33.0a 32.2a 31.5a 31.3a 30.8a 29.5b
15 19.8a 19.5a 18.8a 28.5a 28.2a 26.4b 30.6a 30.0a 28.9b
20 21.8a 21.7a 20.9b 25.7a 25.6a 24.3b 29.0a 28.5a 25.6b
25 21.9a 21.3a 21.1a 23.0a 22.8a 21.2b 26.6a 26.7a 26.0a
2012 苗期鄄拔节期 0 4.7a 4.1a 1.4b 31.2a 29.6b 31.4a 11.8a 10.5b 7.5c
Seeding鄄Jointing 5 7.6a 7.4a 5.7b 25.0a 24.3b 23.0c 17.2a 16.0b 15.1c
10 9.0a 9.4a 6.1b 20.6a 17.9b 17.8b 18.0a 16.6b 15.4c
15 9.3a 9.6a 6.5b 15.4a 14.5b 13.4c 16.9a 15.8b 14.1c
20 9.8a 9.9a 7.0b 12.4a 11.7b 10.8c 14.7a 14.3a 12.6b
25 10.2a 10.4a 7.5b 10.2a 9.3b 8.7c 12.6a 11.7b 10.8c
孕穗期鄄灌浆初期 0 14.4a 12.7b 11.5c 36.6a 30.2b 37.5a 19.3ab 19.9a 18.4b
Booting鄄Filling 5 14.8a 14.5a 13b 25.7c 27.1b 28.8a 21.3a 21.7a 21.3a
10 15.2a 15.1a 14.8a 24.8a 24.4a 24.1a 22.5a 22.3a 21.8a
15 15.4a 15.3a 15.0a 21.2a 21.5a 21.8a 21.6a 21.5a 20.5b
20 16.4a 16.3a 16.0a 19.3a 19.6a 19.8a 20.3a 20.9a 20.2a
25 16.8a 16.9a 16.6a 17.9a 17.8a 17.8a 19.2a 19.4a 19.6a
灌浆中期鄄成熟期 0 15.0a 14.5a 12.8b 33.5a 31.0b 33.8a 23.5a 22.8a 19.5b
Filling鄄Maturing 5 15.8a 16.0a 14.2b 27.8a 27.3a 28.3a 24.0a 24.4a 22.9b
10 17.0a 16.8a 15.5b 25.5a 25.3a 25.0a 24.5a 24.7a 23.9a
15 17.3a 17.2a 16.7a 22.2a 22.3a 21.8a 23.2a 23.7a 22.5a
20 17.7a 17.8a 17.1a 20.8a 20.6a 20.4a 21.6a 21.3a 21.0a
25 17.8a 17.9a 17.3a 19.5a 19.8a 19.0a 20.6a 20.4a 19.8a
摇 摇 各时间段同一行不同字母表示处理差异显著(P<0.05)
2.2摇 不同覆盖方式对春小麦土壤水分状况的影响
2.2.1摇 不同覆盖方式对春小麦生育期内阶段贮水量
的影响
不同覆盖方式春小麦田 0—200 cm 土壤贮水量
季节变化与小麦生育进程和降雨分布密切相关(图
4)。 3a试验结果显示:FMS 和 FM 0—200 mm 的贮
水量在拔节前分别比 CK 高 33.1和 29.3 mm,拔节到
灌浆低于 CK,灌浆到成熟期又高于 CK。
2011年,试验区春小麦生育期内降雨偏少,且大
多为无效降雨,小麦田 0—200 cm 土壤贮水量季节
变化趋势较为平稳,3个处理均表现为随生育期的推
进,贮水量逐渐减少。 2012 年播前各处理的底墒较
好,0—200 cm土壤贮水量均比 2011年播前高,土壤
贮水量在处理间表现为 FMS>FM>CK。 苗期 20. 7
mm降雨后,FMS和 CK的贮水量与播前相比变化不
大,FM比播前略有增加。 拔节期小麦生长逐渐旺
盛,FMS和 FM的土壤水分大量消耗,降雨 77.4 mm
后覆膜处理 0—200 cm 的贮水量比苗期明显下降;
而 CK 贮水量反而比苗期增加 26.1 mm。 孕穗期土
壤贮水量明显减少,FMS、FM 和 CK 此阶段 0—200
cm土壤贮水量分别为 254.4、251.7和 265.9 mm。 灌
浆期各处理的土壤贮水量与孕穗期相比基本没有变
化,且 FMS和 FM的贮水量均小于 CK。 成熟期降雨
59.7 mm,各处理 0—200 cm土壤贮水量均比灌浆期
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增加,且 FMS 和 FM 均比 CK 增加幅度大,表现出良
好的蓄水保墒效果,此时 FMS、FM 和 CK 的贮水量
分别达到 283.7、287.0和 277.8 mm。 2013 年春小麦
田 0—200 cm土壤贮水量随季节变化规律与 2012年
类似。 由于 2013 年小麦生育期降雨较 2012 年多,
所以 2013 年同期各处理的土壤贮水量都较 2012
年高。
图 4摇 不同覆盖方式春小麦田 0—200 cm 土壤贮水量季节变化
Fig.4摇 Seasonal dynamics of soil water storage in 0—200 cm profile of different mulching methods
BS:播前 Before sowing;SE:苗期 Seeding;JO:拔节期 Jointing;BO:孕穗期 Booting; FI:灌浆期 Filling;HA:成熟期 Harvesting;FE:休闲期
Fallow efficiency
2.2.2摇 不同覆盖方式对春小麦播前和收后 0—200
mm土壤贮水量垂直分布的影响
不同覆盖方式对播前和收后土壤贮水量有明显
影响(图 5)。 3a试验结果显示:FMS和 FM播前 0—
200 cm各层的土壤贮水量均大于 CK,说明休闲期覆
膜处理能充分蓄存降水,为下一年作物的生长提供
充足的水分。 FMS 和 FM 收后 0—100 cm 的土壤贮
水量均高于 CK,100—200 cm 的土壤贮水量均低于
CK。 FMS 在 100—200 cm土层土壤贮水量收后比播
前减少 44.4—69.6 mm,比 CK高 8.4—145郾 5%,说明
FMS在小麦生长期间把深层水分提升到耕作层以满
足小麦的生长。
图 5摇 不同覆盖方式对小麦播前和收后 0—200 cm土壤贮水量的影响
Fig.5摇 Effects of different mulching modes on soil water storage in 0—200 cm before sowing and harvest of wheat
BF: 播前 Before sowing; FM鄄BF:FM播前 Before sowing of FM; FMS鄄BF: FMS播前 Before sowing of FMS; CK鄄BF: CK播前 Before sowing of CK;
FM鄄HA: FM收后 After harvesting of FM; FMS鄄HA: FMS收后 After harvesting of FMS; CK鄄HA: CK收后 After harvesting of CK
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摇 摇 2011年,0—100 cm FMS和 FM收获后的土壤贮
水量分别较播前减少 34.0和 35.3 mm,分别较 CK收
获后的贮水量高 13.9 和 12.6 mm;在 100—200 mm
FMS、FM和 CK收获后的土壤贮水量分别较播种前
减少 44. 4、46. 1 和 41. 0 mm,处理间无显著差异。
2012年,在 0—100 cm 土层,FMS和 FM收获后的土
壤贮水量分别较播前减少 20.3 和 15.1 mm,分别较
CK收获后的贮水量高 13.0和 15.4 mm;在 100—200
mm土层,FMS、FM和 CK 收获后的土壤贮水量分别
较播前减少 37.8、31.1 和 15.4 mm,两个覆膜处理与
CK之间均有显著性差异。 2013年,播前一个多月到
播后 20d(2月 19日到 4月 18日)无降雨,而灌浆中
期到成熟期(7月 2日到 28日)降雨 140 mm,各处理
收后 0—100 cm 的土壤贮水量明显高于播前。 0—
100 cm FMS和 FM收获后的土壤贮水量分别较播前
增加 39.6和 23.2 mm,分别较 CK收获后的贮水量高
18.8和 18.5 mm;在 100—200 mm FMS、FM和 CK收
获后的土壤贮水量分别较播前减少 69. 6、68. 3 和
34郾 1 mm,两个覆膜处理与 CK之间差异显著。
2.2.3摇 不同覆盖方式在整个春小麦生育期对土壤耗
水量的影响
不同覆盖方式下小麦耗水量存在差异(图 6)。
2011年 3个处理的耗水量无显著差异;2012 年 FMS
全生育期的耗水量最高,为 276.0 mm,FM 的耗水量
为 264.3 mm,二者分别比 CK 高 8.0%和 2.9%,但处
理间无显著差异;2013 年 FMS 和 FM 耗水量分别为
353.0 mm和 335.5 mm,比 FM和 CK分别高 11.0%和
5.2%,其中,FMS和 CK达显著差异。
图 6摇 不同覆盖方式对小麦耗水量的影响
Fig.6摇 Effects of different mulching modes on evaportranspiration
of wheat
2.2.4摇 不同覆盖方式对降水休闲效率的影响
FMS两年的休闲效率均显著地高于 CK(图 7)。
其中,2011—2012 年休闲期降雨量为 241. 4 mm,
FMS、FM和 CK 0—200 cm 的土壤贮水量分别增加
127. 0、 121. 6 和 112. 6 mm, FMS 的休闲效率为
52郾 6%,比 FM 和 CK 分别高 4.5%和 12.8%;2012—
2013年休闲期降雨量为 250.5 mm,FMS、FM 和 CK
0—200 cm的土壤贮水量分别增加 76.5、54.3和 36.5
mm, FMS的休闲效率为 30.5%,比 FM和 CK分别高
40.9%和 109.5%。
图 7摇 不同覆盖方式对休闲期降水休闲效率的影响
Fig. 7 摇 Effects of different mulching modes on rainwater
fallow efficiency
2.3摇 不同覆盖方式对春小麦产量及水分利用效率
的影响
2.3.1摇 不同覆盖方式对春小麦产量的影响
2011年试验区春小麦整个生育期降雨不足 110
mm,尤其在小麦出苗期有效降雨偏少(3 月底播种
后,4月降雨仅为 3.2 mm),致使小麦的出苗受到严
重影响,CK 产量仅为 540 kg / hm2,FMS 的产量在
1750 kg / hm2 左右,达到 CK 的 3 倍,FM 的产量为
1390 kg / hm2,与 CK达到显著性差异,两个覆膜处理
均表现出较好的增产效果。 2012年春小麦生育期降
雨 219.7 mm,属于丰水年份,FMS 和 FM 的产量为
3179 kg / hm2 和 3248 kg / hm2,分别比露地增产
39郾 5%和 42.5%。 2013 年春小麦生育期降水 325.1
mm,在西北黄土高原半干旱区属于罕见的丰水年
份,但降雨的季节分配存在很大差异,从 3 月底小麦
播种到 4月 18日无降雨,严重影响了小麦出苗;6 月
24日以后到小麦收获前降雨达 156.5 mm,约为整个
生育期降雨的一半,严重影响了小麦籽粒的灌浆,致
使各处理产量均有大幅度降低,FMS 产量为 1945
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kg / hm2, FM 产量为 1610 kg / hm2,分别比 CK 高
40郾 4%和 16.2%,其中,FMS 和 CK到显著差异。
2.3.2摇 不同覆盖方式对小麦水分利用效率的影响
从 2011—2013年,两个覆膜处理的水分利用效
率均高于 CK。 其中:2011年 FMS和 FM的水分利用
效率为 9.45 和 7.37 kg hm-2 mm-1,分别比 CK 增加
239%和 164%;2012 年 FMS 和 FM 的水分利用效率
为 11.5和 12.3 kg hm-2 mm-1,分别比 CK增加 29.7%
和 38.4%;2013年 FMS和 FM的水分利用效率为 5.5
和 4. 8 kg hm-2 mm-1,分别比 CK 增加 26. 9%和
10郾 5%。 2011 年试验区春小麦生育期降雨量不足
110 mm,远远低于 2012 和 2013 年。 由此可见,与
CK相比,FMS在越干旱的年份 WUE增加幅度越大。
图 8摇 不同覆盖方式对小麦产量的影响
Fig.8摇 Effects of different mulching modes on yield
图 9摇 不同覆盖方式对小麦水分利用效率的影响
Fig.9摇 Effects of different mulching modes on WUE
3摇 结论与讨论
地膜覆盖的增温效应影响作物的生育进程。 生
长前期因冠层覆盖度低,地膜覆盖的土壤增温效果
显著;生长中期,由于地膜改善了小麦的水热条件,
更有利于作物地上部分的生长,因此发达的冠层遮
荫导致增温作用减弱;生长后期叶片逐渐衰老死亡,
地面覆盖度降低,地膜覆盖的增温效果又趋增强,所
以全生育期覆膜的增温效应呈 “ U冶 型变化趋
势[15鄄19]。 本试验表明,FMS 较 CK 在小麦孕穗前有
明显的土壤增温效果,孕穗后的增温效果不明显甚
至负增长,灌浆末期到成熟期 0—25 cm 的增温效果
又趋明显,与前人研究结果类似[15鄄19]。 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。 地膜覆盖能显著增加根层 0—5
cm的土壤温度[20],本试验条件下,FMS 在小麦苗期
提高 0—25 cm各层地温,为春小麦齐苗壮苗提供了
保障。 尤其重要的是,FMS 在 8:00 和 20:00 能提高
春小麦各个生长阶段 0—25cm各层地温,但14:00的
地表地温均低于 FM 和 CK,这一效果在高温时期
(孕穗至灌浆初期)更加明显,FMS 地表温度比 FM
降低 5.3—6.4益,比 CK 降低 3.1—4.3益。 造成这一
结果的原因可能是试验区此阶段气温较高,正午正
是太阳直射的时候,FMS 由于覆膜后又在表面覆了
一层土,对太阳光的直射有一定削弱,地表温度明显
低于 FM和 CK。 这对缓解伏期高温胁迫对小麦的生
长有重要意义,而且 FMS 的这一降温效应对晴天中
午的地表温度(0—5 cm)尤为显著。 因此,FMS 不仅
能够提高春季低温时期的土壤温度,而且能够降低
夏季高温时段的土壤温度尤其是地表温度,并降低
土壤温度的昼夜变化幅度,避免小麦根系受到高温
危害,有利于小麦生长。
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。 地膜覆盖可以通过防止蒸发和提升
土壤深层水分至作物可利用层来增加土壤中有效水
分含量,利于作物利用[21]。 地膜覆盖后,耕层土壤
含水量增加 1%—4%[20],改善的地表水温条件促进
作物耗水,若后期降水不足,中下部丰富的根系不能
发挥作用,导致产量下降[22]。 本研究发现,FMS 和
FM能提高拔节期以前 0—200 cm的贮水量(分别比
CK高 33.1和 29.3 mm),拔节以后,由于 FMS 的小
麦生长旺盛,消耗大量的土壤水分,致使 0—200 cm
土壤贮水量急剧下降,甚至低于 CK,但休闲期覆膜
处理能充分接纳降水,为下一年作物的生长提供充
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足的水分。 本试验中 FMS 和 FM 每年播前 0—200
cm各层的土壤贮水量均大于 CK;FMS 和 FM 收后
0—100 cm 的土壤贮水量均高于 CK,100—200 cm
的土壤贮水量均低于 CK,FMS 100—200 cm 收后比
播前减少 44.4—69.6 mm,比 CK 收后与播前减少量
增加 8.4—145.5%,说明 FMS 能促进小麦对深层水
分的高效利用。
西北黄土高原半干旱区每年有近 60%的降雨集
中在春小麦休闲期,此阶段是土壤水分补充、恢复时
期,此期土壤贮水量决定着旱地小麦播前底墒的丰
欠,是影响旱地小麦产量波动的重要因素[23]。 因
此,休闲效率的高低对来年小麦的生长有重要作用。
本试验中 FMS可抑制土壤水分蒸发,缓解土壤水分
耗散,提高休闲期 0—200 cm土壤贮水量的增值(比
CK播前到上年收后的土壤贮水量增值高 14—40
mm) 和降水休闲效率 (比 CK 提高 12. 8%—
109郾 5%),使小麦生长期耗散的土壤水分得到有效
补充,改善下季作物的土壤水分条件,确保土壤水分
的年际平衡,为土壤水分的可持续利用奠定基础,有
效解决土壤干旱造成的土地生产力低下的问题。
基于对土壤水热条件的优化和深层水分的利
用,FMS 可大幅度提高小麦产量及水分利用效率。
其中,FMS 产量达 1750—3180 kg / hm2,比 CK 增加
40%—220%;水分利用效率为 5. 5—11. 5 kg hm-2
mm-1,比 CK 增加 27%—239%,而且这一增产效果
在干旱年份更加显著。 虽然 FMS消耗了较多的土壤
深层水分,但由于具有抑制蒸发和促进水分入渗的
特点,所以在小麦生育期耗散的水分可在休闲期得
到补充,本试验结果表明,采用 FMS种植小麦 3a后,
0—100 cm 土层的土壤贮水量增加了 43. 2 mm,较
CK增加了 18.8 mm;100—200 cm 土层的土壤贮水
量减少了 19.4 mm,较 CK减少了 7.4 mm。 证明 FMS
不仅可以高效利用自然降水,而且对维持土壤水分
的年际平衡有积极作用。
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