全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2014, 40(11): 19801989 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由河北省科技支撑计划项目 (14226401D), 河北省教育厅优秀青年基金项目 (Y2012037), 教育部博士点新教师基金项目
(20101302120002), 河北省青年优秀拔尖人才专项和国家科技支撑计划“粮食丰产科技工程”项目(2011BAD16B08, 2012BAD04B06,
2013BAD07B05)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 杜雄, E-mail: duxiong2002@163.com ** 同等贡献(Contributed equally to this work)
Received(收稿日期): 2013-12-24; Accepted(接受日期): 2014-09-16; Published online(网络出版日期): 2014-10-08.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20141008.1001.012.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2014.01980
土下微膜覆盖与灌水管理对冬小麦水分利用与物质生产效果的影响
何立谦 1,** 张维宏 1,** 张永升 1 曹彩云 2 李科江 2 杜 雄 1,*
1 河北农业大学 / 河北省作物生长调控重点实验室, 河北保定 071001; 2 河北省农林科学院旱作农业研究所, 河北衡水 053000
摘 要: 针对华北平原小麦生产水资源高耗与存量极度稀缺的问题, 通过河北省两地大田试验, 研究了全田土下微
膜覆盖与不同灌水管理对冬小麦水分利用和物质生产效果的作用。结果表明, 土下微膜覆盖条件下, 冬小麦雨养或少
量灌水消耗了占常规生产(对照) 2/3~3/4的耗水量, 生产了不少于 7500 kg hm–2的籽粒产量; 籽粒产量水分利用效率
达到 24.8~26.5 kg mm–1 hm–2, 较对照提高 28.3%~41.0%。与对照相比, 生物产量水分利用效率高峰由抽穗扬花期提
前至拔节期, 且提高 1.3~2.7倍, 雨养或少量灌水还可有效提高小麦收获指数。土下微膜覆盖下的土壤贮水消耗速度
变缓, 2 m土体贮水量播种时不小于 600 mm就可满足小麦的全生育期耗水, 壤质土壤供水量为 212.2 mm, 黏质土壤
供水量为 230.0 mm。土下微膜覆盖下, 雨养或扬花前少量灌水能够显著促进花后 20 d内的净光合速率, 蒸腾速率减
小同步显著提高光合水分利用效率, 但在灌浆中期灌水则对提高净光合速率及光合水分利用效率无意义。在华北平
原, 全田土下微膜覆盖雨养或适时少量灌水是大幅降低小麦耗水和提高水分利用效率, 保证小麦产量的有效方法。
关键词: 土下微膜覆盖; 冬小麦; 水分利用效率; 物质生产; 华北平原
Water Utilization and Matter Production in Winter Wheat under Soil-Coated
Ultrathin Plastic-Film Mulching and Irrigation Management
HE Li-Qian1,**, ZHANG Wei-Hong1,**, ZHANG Yong-Sheng1, CAO Cai-Yun2, LI Ke-Jiang2, and DU Xiong1,*
1 Agricultural University of Hebei / Hebei Key Laboratory of Crop Growth Regulation, Baoding 071001, China; 2 Institute of Dryland Farming, Hebei
Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Hengshui 053000, China
Abstract: Serious deficiency of water resource is one of the biggest problems in winter wheat production in North China Plain.
We conducted a field experiment in 2010–2011 and 2011–2012 growing seasons to study the effect of soil-coated ultrathin
plastic-film mulching (SCUPFM) in combination with controlled irrigation on water use efficiency and matter production of winter
wheat. Compared to traditional planting practice (control), SCUPFM plus zero (rainfed) or small-amount irrigation produced wheat
yield more than 7500 kg ha–1, and consumed 2/3 to 3/4 of water. The yield-based water use efficiency of SCUPFM treatments was
24.8–26.5 kg mm–1 ha–1, which was 28.3%–41.0% higher than that of the control. Under SCUPFM condition, the biomass-based
water use efficiency in the whole growing period was 1.3–2.7 folds of the control, with an earlier peak from heading to jointing
stage. Meanwhile, the harvest index also increased under SCUPFM with no or small irrigation. SCUPFM resulted in slow
consumption of soil water, and 600 mm of moisture content in 2 m soil profile at seeding stage could provide enough water for the
whole growing period of wheat. Water supply from 2 m soil layer was 212.2 mm in loam at Xinji site and 230.0 mm in clay at
Shenzhou site. SCUPFM with irrigation or small irrigation before anthesis could significantly enhance net photosynthetic rate (Pn)
and decrease transpiration rate (Tr) within 20 days after anthesis. As a result, the leaf-based water use efficiency increased
significantly. However, late irrigation at mid-filling stage had no such effect. Therefore, SCUPFM in combination with no or small
irrigation at proper stage is effective to maintain wheat yield and increase water use efficiency greatly in North China Plain.
Keywords: Soil-coated ultrathin plastic-film mulching; Winter wheat; Water use efficiency; Dry matter production; North China Plain
华北平原是我国重要的小麦产区, 水资源匮乏 是区域小麦生产的特征性制约因素[1]。冬小麦生长
第 11期 何立谦等: 土下微膜覆盖与灌水管理对冬小麦水分利用与物质生产效果的影响 1981


季为稳定干旱期, 降雨量远不能满足小麦生长发育
的需要 [2], 灌溉补水是提高其产量的重要手段, 而
传统栽培方式全生育期灌水多达4~5次 , 水分利用
效率低下, 水资源浪费严重, 连续对地下水的开采
已经造成每年地下水位下降1 m以上[3], 华北平原面
临严重的水资源危机。在降水不足和无客水补给的
小麦产区, 麦田土壤水分有效保蓄和自然降水高效
利用是减少地下水过度开采的必然选择。全膜覆土
穴播是当前小麦节水栽培的一项新技术[4-5], 能够最
大限度地保蓄土壤水分, 并对小麦生育期降雨有效
拦截与汇集, 农田降水的保蓄率和利用效率得到大
幅度提高 [6], 这为华北平原小麦节水种植提供了重
要的方法借鉴。但是华北平原春季气温回升快, 小
麦穗分化和灌浆时间短, 穗粒数和粒重在产量构成
中均不占优势, 高产主要依靠增加单位面积基本苗
和穗数 [7], 因而以牺牲苗数和穗数的覆膜穴播节水
技术难以在华北平原实施。本课题组在小麦全膜覆
土节水技术基础上, 经过对超薄微膜和小麦硬胚芽
鞘品种合理选配, 实现了小麦播后全田土下微膜覆
盖和自动破膜生产, 为华北平原冬小麦节水高效生
产提供了新方法。本文旨在研究土下微膜覆盖下的
冬小麦水分消耗与物质生产, 为华北平原冬小麦高
产高效生产提供理论与技术支撑。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
2010—2011和2011—2012年度连续2个小麦生
长季, 分别在河北农业大学辛集试验站和河北省农
林科学院深州旱作节水农业试验站进行田间试验。
辛集试验站位于河北省山前平原和黑龙港平原的过
渡地带(37°47′58.30″ N, 115°17′53.23″ E, 海拔32 m),
土壤为壤质潮土; 深州试验站位于典型的黑龙港平
原区(37°54′12.50″ N, 115°42′10.94″ E, 海拔20 m),
土壤为黏壤质潮土。两站相距37 km, 年均降水量约
500 mm, 小麦季平均降水量65~100 mm, 年平均气
温12.7℃, 地下水埋深10 m 以下, 其生态条件代表
河北省平原区。播前测定试验地耕层(0~20 cm)的基
础养分以及0~200 cm 土层田间持水量和容重(表1),
小麦生长期内实际降水量(表2)由试验站内的自动气
象站测定。

表 1 试验点土壤理化性状
Table 1 Physical and chemical characteristics of soil in experimental sites
试验点
Site
有机质
Organic matter
(g kg–1)
碱解氮
Available N
(mg kg–1)
速效磷
Available P
(mg kg–1)
速效钾
Available K
(mg kg–1)
田间持水量
Field moisture holding
capacity (%)
容重
Bulk density
(g cm–3)
辛集 Xinji 13.50 72.6 15.7 134.5 32.8–36.5 1.24–1.39
深州 Shenzhou 12.53 65.8 15.3 121.9 33.1–39.8 1.38–1.49

表 2 两试验点小麦不同生育阶段的降水量
Table 2 The rainfall amount in wheat growth season in the two sites
辛集 Xinji (2010–2011) 深州 Shenzhou (2011–2012) 生育阶段
Growing period 日期 Date (month/day) 降水量 Rainfall (mm) 日期 Date (month/day) 降水量 Rainfall (mm)
播种–冬前 Sowing–predormancy 10/18–12/05 3.8 10/17–12/05 3.3
冬前–返青 Predormancy–recovery 12/06–03/15 0 12/06–03/11 0
返青–拔节 Recovery–jointing 03/16–04/08 0.6 03/12–04/05 2.4
拔节–抽穗 Jointing–heading 04/09–05/10 54.5 04/06–05/06 49.2
抽穗–成熟 Heading–maturity 05/11–06/15 17.6 05/07–06/12 7.9
全生育期 Whole growing period 10/18–06/15 76.5 10/17–06/12 62.8

1.2 试验设计
2010—2011年度在辛集试验点种植石麦 15 (由
石家庄市农林科学院提供), 以当地常规栽培为对照,
土下微膜覆盖配合 3 种灌溉水平, 分别是无灌溉(雨
养)、播前灌水 100 mm和 60 mm。采用随机区组排
列, 3次重复, 小区面积 6 m × 6 m, 处理间有 1 m宽
的隔离带。对土下微膜覆盖处理于前茬玉米收获前
7 d 灌水, 用水表控制灌溉量; 对照全生育期灌水 3
次, 分别在拔节期(4月 8 日)、孕穗期(4月 30日)和
灌浆期(5月 25日), 每次 75 mm。
1982 作 物 学 报 第 40卷


2011—2012年度深州试验点以石优20为供试品
种(由石家庄市农林科学院提供), 设露地雨养、常规
栽培(对照)、土下微膜覆盖结合不同生育时期灌水
(无灌溉及拔节期、抽穗、灌浆期灌水, 灌水量75 mm)
共6个处理, 随机区组排列, 4次重复, 小区面积4 m
× 4 m, 小区四周留0.8 m宽隔离带。对照于拔节(4
月5日)、孕穗(5月1日)和灌浆期(5月22日)各灌水一次,
每次灌水量75 mm。
播种前将前茬玉米秸秆清出试验田, 均匀撒施
肥料后旋耕 2 遍; 清理玉米根茬后进行镇压、机械
条行播种(15 cm等行距)、田面耱平。土下微膜覆盖
处理在完成上述作业后覆膜 , 用幅宽 2 m、厚
0.004 mm 的可碎解聚乙烯吹塑微膜(山东天壮环保
科技有限公司生产)覆盖地面, 覆膜时将膜拉紧, 膜
面平展无皱褶, 其上覆土 1~2 cm, 以地膜全部被土
覆盖不外露、膜与膜之间不留缝隙且不重叠为标准,
以此实现小麦自动破膜出苗和麦田的无缝隙覆盖 ,
隔绝田间水分蒸发。播种时间分别为 2010 年 10 月
17 日和 2011 年 10 月 18 日, 播种量分别为 270
kg hm–2和 300 kg hm–2。肥料一次性底施, 总施肥量
为纯氮 270 kg hm–2、P2O5 135 kg hm–2、K2O 180
kg hm–2。按当地高产田防治病虫害。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 冬小麦干物质和产量 出苗后 15~20 d 调
查基本苗, 数 2 m双行株数, 每小区 3次重复, 根据
行距折算单位面积基本苗。在越冬前、返青、拔节、
扬花和成熟期各取 20 株, 105℃杀青后(成熟期样品
除外)80℃烘至恒重, 称干重, 并根据基本苗折算生
物产量。成熟后在各小区中心区域选取 2 m × 2 m,
从地面处收割后脱粒, 当籽粒晾晒至含水量 13%时
称重并折合单位面积产量。收获前在每小区在中心
位置选取 2行 2 m, 计数有效穗数, 根据行距折算单
位面积穗数; 随机从地面处收获 50 穗, 考察穗粒
数、千粒重和收获指数, 籽粒重量归入相应小区。
1.3.2 土壤贮水量、田间水分蒸散量和水分利用效
率 在播前(2010年 10月 16日, 2011年 10月 17
日)、冬前(2010年 12月 5日, 2011年 12月 5日)、
返青(2011年 3月 14日, 2012年 3月 11日)、拔节(2011
年 4 月 9 日, 2012 年 4 月 5 日)、抽穗(2011 年 5 月
10 日, 2012 年 5 月 7 日)和成熟(2011 年 6 月 15 日,
2012年 6月 12日)等生育时期用土钻钻取 0~200 cm
土层土样, 每 20 cm 为一层, 采用烘干法测定土壤
重量含水量。试验观察发现, 各年度小麦季降水和
灌水均未形成径流。
土壤贮水量(mm) = 土层厚度(cm) × 土壤容重
(g cm–3) × 土壤重量含水量 × 10;
土壤贮水消耗量(mm) = 本生育阶段初土壤含
水量  本生育阶段末土壤含水量;
田间水分蒸散量(mm) = 土壤贮水消耗量 + 降
水量 + 灌水量;
籽粒产量水分利用效率(WUEgrain, kg mm–1 hm–2)
= 籽粒产量 / 全生育期水分蒸散量;
生物产量水分利用效率 (WUEbiomass, kg mm–1
hm–2) = 某生育期生物产量 / 播种到该生育期的水
分蒸散量。
1.3.3 旗叶光合指标 2010—2011年度于花后0、
10和20 d, 2011—2012年度于花后0、10、15、20和25 d,
选晴天9:00至11:00采用美国产 CI340光合作用测定
系统 , 于自然光下测定旗叶净光合速率(Pn)和蒸腾
速率(Tr)。光合水分利用效率(WUEphoto, μmol CO2
mmol–1 H2O) = Pn / Tr。
1.4 统计分析
用 Microsoft Excel 2003 整理数据和绘图, 用
SAS 8.0软件进行方差分析, 并用 Duncan氏新复极
差法进行显著性比较。
2 结果与分析
2.1 冬小麦籽粒产量及其水分利用效率
2.1.1 冬小麦籽粒产量 两年度土下微膜覆盖下
小麦基本苗数较对照降低 8.0%~14.5%, 由此导致单
位面积有效穗数的降低(表 3)。2010—2011年度, 在
穗粒数和千粒重各处理不存在显著差异的情况下 ,
覆盖结合播前灌水 60~100 mm获得与对照相当的产
量。 2011—2012 年 , 覆盖并在拔节到抽穗灌水
75 mm 时, 产量与对照无差异; 而露地雨养由于产
量构成要素均显著降低造成其产量仅为对照的
68.2%, 较覆盖下的雨养和灌水 75 mm 各处理降低
25.0%~30.6%。综合两年的产量表现, 土下微膜覆盖
雨养处理较对照显著降低 9.1%~12.2%, 但均在
7500 kg hm–2以上; 土下微膜覆盖基础上, 播前灌水
不少于 60 mm或在春季拔节至抽穗灌水 75 mm可实
现产量与对照相当。
2.1.2 田间水分蒸散量与籽粒产量水分利用效率
土下微膜覆盖下, 雨养小麦全生育期田间水分
蒸散量不足对照的 2/3, 灌水处理平均为 316.8 mm、
仅为对照的 67.0%~73.7% (表 3)。覆盖显著减少水分
第 11期 何立谦等: 土下微膜覆盖与灌水管理对冬小麦水分利用与物质生产效果的影响 1983


蒸散, WUEgrain达 24.8~26.5 kg mm–1 hm–2, 较对照提
高 28.3%~41.0%。因露地雨养大量蒸发耗水而低产,
在蒸散量与覆膜雨养无显著差异的情况下 , 其
WUEgrain显著降低 39.2%。籽粒产量水分利用效率以
覆膜雨养为最高, 且与覆膜灌水各处理间的差异不
显著, 而露地栽培为最低。雨养时田间水分蒸散量
在露地与覆膜两处理间无显著差异, 说明试验年度
内土壤贮水的消耗已达上限。

表 3 不同处理冬小麦籽粒产量与水分利用效率
Table 3 Yield and water use efficiency in grain level of winter wheat grain in different treatments
处理
Treatment
基本苗数
Seedlings
(×104 hm–2)
有效穗数
Spike number
(×104 hm–2)
穗粒数
Grains
per spike
千粒重
1000-grain
weight (g)
籽粒产量
Grain yield
(kg hm–2)
田间水分蒸散量
Evapotranspiration
(mm)
籽粒产量水分利用效率
Water use efficiency
in grain yield
(kg mm–1 hm–2)
2010–2011
M&BSI100 481.6 b 621.5 b 37.4 a 40.1 a 8409.0 a 321.4 b 26.2 a
M&BSI60 464.4 b 619.8 b 36.9 a 39.8 a 8119.5 ab 306.0 bc 26.5 a
M&RF 479.4 b 611.5 b 36.2 a 39.4 a 7619.7 b 288.7 c 26.4 a
CK 531.8 a 655.9 a 36.8 a 39.5 a 8674.8 a 456.6 a 19.0 b
2011–2012
M&JI75 498.2 b 627.0 b 36.3 a 39.2 ab 7809.1 ab 325.0 b 24.0 a
M&HI75 505.6 b 622.9 b 36.9 a 40.1 a 8121.8 ab 322.3 b 25.2 a
M&FI75 511.8 b 603.9 bc 35.8 a 39.9 a 7672.6 b 309.4 bc 24.8 a
M&RF 499.1 b 615.5 b 35.4 ab 38.6 b 7511.2 b 284.3 c 26.4 a
B&RF 561.3 a 594.8 c 29.3 c 36.4 c 5633.7 c 297.8 bc 18.9 b
CK 556.4 a 666.6 a 34.6 b 40.1 a 8264.3 a 441.1 a 18.7 b
M&BSI100: 土下微膜覆盖下播前灌水 100 mm; M&BSI60: 土下微膜覆盖下播前灌水 60 mm; M&JI75: 土下微膜覆盖下拔节期
灌水 75 mm; M&HI75: 土下微膜覆盖下抽穗期灌水 75 mm; M&FI75: 土下微膜覆盖下灌浆期灌水 75 mm; M&RF: 土下微膜覆盖下雨
养; B&RF: 露地雨养; CK: 对照, 常规生产。在同一生长季内, 每列数据后不同字母表示处理间在 0.05水平上差异显著。
M&BSI100: irrigation of 100 mm before seeding under soil-coated ultrathin plastic-film mulching (SCUPFM); M&BSI60: irrigation of
60 mm before sowing under SCUPFM; M&JI75: irrigation of 75 mm at jointing under SCUPFM; M&HI75: irrigation of 75 mm at heading
under SCUPFM; M&FI75: irrigation of 75 mm at filling under SCUPFM; M&RF: rain-fed under SCUPFM; B&RF: rain-fed without
SCUPFM (in bare field); CK: control, traditional planting practice. In the same growing season, values followed by different letters within a
column are significantly different at 0.05 probability level.

2.2 土壤水分变化和冬小麦生物产量水分利用
效率
2.2.1 土壤水分变化 全生育期土下微膜覆盖的
土壤水消耗较为平缓, 露地则呈陡然下降的态势(表
4)。播种到拔节, 覆盖处理土壤水消耗 44.6~64.3 mm,
较露地少耗 68.5~90.6 mm。覆盖下拔节期未灌水各
处理其后土壤贮水迅速下降, 至抽穗时减少 57.7~
75.8 mm, 而拔节灌水处理在抽穗时未显著减少; 拔
节后 2 次灌水的对照, 抽穗期土壤贮水较拔节时显
著增加, 而露地雨养则减少 53.2 mm, 比覆盖雨养少
消耗 11.3~18.6 mm, 表明露地雨养的土壤供水已出
现困难。抽穗到收获, 覆盖各处理土壤贮水继续下
降, 但抽穗或灌浆期灌水的土水消耗显著低于雨养
和拔节时灌水处理, 而露地雨养下土壤贮水仅减少
52.2 mm, 表明其在成熟期土壤已无水可供。覆盖下
因抽穗或灌浆时灌水时间较晚, 小麦成熟时土壤贮
水在 500 mm以上。覆盖下播前灌溉有效增加了 0~
2 m 土体的贮水和供水, 春季灌溉较雨养显著增加
了收获时的土壤贮水。试验周期内, 播种时 0~2 m
土体不小于 600 mm 贮水量可满足覆盖下小麦的全
生育期耗水, 其中壤质土体可供水 212.2 mm, 黏壤
质土体可供水 230.0 mm。
2.2.2 冬小麦生物产量及其水分利用效率 不同
处理的小麦生物产量在拔节前无显著差异, 拔节后
差异开始显现(表5)。2010—2011年度主要表现为土
下微膜覆盖处理和对照间的差异, 覆盖雨养收获时
生物产量最低。2010—2011年度拔节后小麦生物产
量对照为最高 , 收获时3个覆盖灌水处理差异不显
著, 比露地雨养提高30.5%~40.0%。与对照相比, 覆
盖下1次灌水或雨养可有效提高小麦的收获指数。
1984 作 物 学 报 第 40卷


表 4 不同处理冬小麦全生育期 0~2 m土体水分变化
Table 4 Variation of soil water content in 0–2 m layer during winter wheat growth in different treatments (mm)
处理
Treatment
播种
Sowing
冬前
Pre-dormancy
返青
Recovery
拔节
Jointing
抽穗
Heading
成熟
Maturity
2010–2011
M&BSI100 671.2 a 657.3 a 639.2 a 606.9 a 531.1 a 426.3 a
M&BSI60 643.6 b 632.8 b 618.5 b 589.6 a 520.6 a 414.1 ab
M&RF 613.9 c 602.0 c 586.6 c 551.7 b 494.0 a 401.7 b
CK 603.5 c 563.8 d 510.6 d 458.9 c 516.8 b 448.4 b
2011–2012
M&JI75 676.7 a 668.4 a 648.9 a 619.7 b 618.6 a 489.5 b
M&HI75 690.5 a 679.6 a 665.9 ab 640.2 a 565.7 b 506.0 ab
M&FI75 673.2 a 665.4 a 648.2 ab 619.5 b 552.8 b 501.6 ab
M&RF 667.4 a 660.1 ab 643.8 b 622.8 b 551.0 b 445.8 c
B&RF 670.1 a 637.9 bc 586.1 c 540.5 c 487.3 c 435.1 c
CK 676.4 a 641.0 c 594.0 c 550.9 c 609.3 a 523.1 a
在同一生长季内, 每列数据后不同字母表示处理间在 0.05水平上差异显著。处理名称缩写同表 3。
In the same growing season, values followed by different letters within a column are significantly different at 0.05 probability level.
The abbreviations of treatments are the same as those in Table 3.

表 5 不同处理冬小麦各生育期的生物产量
Table 5 Biomass at various growth stage of winter wheat in different treatments (kg hm–2)
处理
Treatment
返青
Recovery
拔节
Jointing
孕穗
Booting
抽穗
Heading
成熟
Maturity
收获指数
Harvest index (%)
2010–2011
M&BSI100 1515.9 a 4817.2 a 9234.4 b 12009.8 ab 18202.6 ab 46.2 b
M&BSI60 1432.9 a 4666.8 a 9133.5 b 11819.0 b 17643.7 b 46.0 b
M&RF 1491.5 a 4731.6 a 9063.2 b 11421.2 b 16027.3 c 47.5 a
CK 1667.6 a 4998.3 a 10157.8 a 12792.9 a 18987.8 a 45.7 c
2011–2012
M&JI75 1430.6 a 4518.4 b 8676.7 b 10991.9 bc 16336.9 b 47.8 a
M&HI75 1374.8 a 4463.2 b 8566.3 b 11235.1 bc 16885.3 b 48.1 a
M&FI75 1383.0 a 4491.8 b 8483.1 b 11453.6 b 16500.2 b 46.5 b
M&RF 1342.7 a 4455.9 b 8511.7 b 11352.8 bc 15746.8 c 47.7 a
B&RF 1524.8 a 4988.3 a 7976.5 c 10703.1 c 12063.6 d 46.7 b
CK 1533.2 a 5017.8 a 9835.6 a 12889.2 a 18447.0 a 44.8 c
在同一生长季内, 每列数据后不同字母表示处理间在 0.05水平上差异显著。处理名称缩写同表 3。
In the same growing season, values followed by different letters within a column are significantly different at 0.05 probability level.
The abbreviations of treatments are the same as those in Table 3.

无论在覆盖还是露地 , 冬小麦全生育期
WUEbiomass呈单峰曲线, 覆盖下 WUEbiomass拔节期最
高, 露地下扬花期达到峰值。在整个生长季内, 覆盖
各处理 WUEbiomass比对照高 1.3~2.7倍。2010—2011
年度, 拔节后WUEbiomass在 3个覆盖播前不同水分处
理间差异不显著(图 1-A); 2011—2012年度在拔节和
扬花期, WUEbiomass在覆盖下的春季不同水分处理间
存在显著差异, 到收获时差异则不再显著(图 1-B)。
覆盖或露地处理的平均 WUEbiomass 在年度间差异不
显著。
2.3 冬小麦光合性能和光合水分利用效率
2.3.1 净光合速率 2010—2011年度, 花后 10 d
内表现为土下微膜覆盖下灌水越少 Pn值越大, 处理
间差异显著且均高于对照, 这一期间 Pn呈现平稳或
略升状态(图 2-A); 扬花后 20 d 各处理的 Pn显著下
降并与对照无显著差异, 下降速度与花后 10 d内的
Pn大小恰好相反。2011—2012 年度, 覆盖下一次灌
水各处理在花后 20 d 内保持高于对照或与其相
第 11期 何立谦等: 土下微膜覆盖与灌水管理对冬小麦水分利用与物质生产效果的影响 1985



图 1 冬小麦不同生育期的生物产量水分利用效率
Fig. 1 Water use efficiency in biomass during winter wheat growth
图柱上不同字母表示处理间在 0.05水平上差异显著。处理名称缩写同表 3。
Different letters above columns indicate significant difference among treatments at 0.05 probability level.
The abbreviation of treatments are the same as those in Table 3.

图 2 冬小麦扬花后的净光合速率
Fig. 2 Net photosynthetic rate after anthesis in winter wheat
图柱上不同字母表示处理间在 0.05水平上差异显著。处理名称缩写同表 3。
Different letters above columns indicate significant difference among treatments at 0.05 probability level.
The abbreviations of treatments are the same as those in Table 3.

当的 Pn, 这一阶段为覆盖灌水处理的光合速率稳定
期(图 2-B); 雨养下的 Pn则在花后 15 d时显著下降,
但覆盖雨养显著高于露地雨养, 扬花 20 d后覆盖雨
养 Pn 快速降至与露地无显著差异; 覆盖拔节灌水
处理在花后 25 d时 Pn也开始快速下降, 此时其他 2
个覆盖灌水处理和对照则无显著差异。由于叶片衰
老, 5月 22日灌浆期灌水(花后 13 d)对提升 Pn无显
著作用。
2.3.2 蒸腾速率与光合水分利用效率 因土壤水
分含量不同, 处理间 Tr 具有显著差异, 表现为水分
条件越好 Tr越大(图 3)。在花后 10~15 d内, 覆盖下
不同水分处理的 Pn同 Tr并不呈正相关, 土壤水分条
件越差则 Tr越小、Pn越大, WUEphoto则越高(图 4)。
随着水分胁迫程度增加和灌浆推进, Tr 呈下降趋势,
到花后 20 d 时, 各处理 Tr 大小与 Pn 趋于一致。
2010—2011年度, 冬小麦花后 10 d内, Tr以覆盖播前
灌水 100 mm 处理最高, 而 WUEphoto最高的覆盖雨
养处理则最低(图 4-A)。在 2011—2012年度, 覆盖下
抽穗期灌水致扬花时 Tr最高(图 3-B); 水分条件较好
对照的 Pn最低但 Tr较高, 整个灌浆期间其WUEphoto
最低(图 4-B); 雨养时小麦整个灌浆期均处在不断加
重的水分胁迫之中, 其 Tr 显著小于其他处理, 从扬
花开始便持续下降, 且露地的下降速率更快于覆盖,
2个雨养的 WUEphoto显著高于其他处理。
1986 作 物 学 报 第 40卷



图 3 冬小麦扬花后的蒸腾速率
Fig. 3 Transpiration rate after anthesis in winter wheat
图柱上不同字母表示处理间在 0.05水平上差异显著。处理名称缩写同表 3。
Different letters above columns indicate significant difference among treatments at 0.05 probability level.
The abbreviations of treatments are the same as those in Table 3.

图 4 冬小麦扬花后的光合水分利用效率
Fig. 4 Leaf-based water use efficiency after anthesis in winter wheat
图柱上不同字母表示处理间在 0.05水平上差异显著。处理名称缩写同表 3。
Different letters above columns indicate significant difference among treatments at 0.05 probability level.
The abbreviations of treatments are the same as those in Table 3.

3 讨论
在我国长期粮食供需紧平衡和水资源严重稀缺
的背景下, 小麦节水高产或稳产是一个研究已久的
课题, 有效降低土面蒸发和保蓄土壤水分以求减少
灌溉量是小麦节水技术研究的核心。业已证明, 减
少灌溉量或亏缺灌溉是降低小麦耗水和提高水分利
用效率的有效方法 [8-12], 之所以能够节省与集约用
水, 是作物高产时资源要素利用“报酬递减规律”作
用的结果。在当前品种和技术条件下, “光、热、水、
肥、气”均不成为产量形成的限制因子, 小麦获得了
高产或超高产[13], 若继续增加一种或几种资源要素
的投入, 粮食增产速率则小于或远小于资源要素增
加速率、甚至产量不会再继续提高[14-17], 资源利用
效率降低而出现“报酬递减”[18-22]。在生产中尚不确
定新的“最小限制因子”并有效解决时, 粮食高产与
资源高效则成为一对“孪生矛盾”, 基于此 , 近来提
出了适量降低小麦产量以获得一个提高水分利用效
第 11期 何立谦等: 土下微膜覆盖与灌水管理对冬小麦水分利用与物质生产效果的影响 1987


率和减少地下水开采的观点[21]。利用资源要素适度
胁迫下的作物超补偿对策[23-24], 适度的水分亏缺诱
导小麦用水减量提效, 促进干物质积累和转移, 提
高收获指数和产量[25-27], 应视为小麦实现节水稳产
的重要策略和手段。
本研究中 , 土下微膜覆盖结合不同灌水处理 ,
形成了一个不同含量的土壤水分环境, 随着土壤水
分含量的增加, 小麦花后蒸腾速率提高并快于光合,
光合水分利用效率降低, 说明多水条件导致小麦本
身叶片水平上的“奢侈耗水”(图 2、图 3 和图 4)。足
水或多水条件的常规种植, 生产出比限水更多的产
量, 而耗水增幅比产量增幅更大。常规生产水分足
量供应下, 由于较多的蒸发和蒸腾, 导致经济产量
和生物产量水平上的水分利用效率较覆盖条件显著
降低(表 3和图 1), 这是环境和作物共同作用而产生
的“奢侈耗水”。而减少水分过耗和提高水分利用效
率, 在于有效降低土面蒸发和对小麦合理限水。因
此, 土壤水分含量(或土壤水势)与小麦叶片蒸腾速
率、与光合水分利用效率的函数关系需进一步研究
确定, 以求通过控制土壤水分含量获得节水与高产
的同步实现。
本研究所采用的土下微膜覆盖、冬小麦自动破
膜出苗的栽培方法, 最大限度地避免了土壤水分蒸
发, 利用灌水或雨养产生的适度水分胁迫, 抑制了
“奢侈耗水”, 而且充分利用了小麦本身的超补偿效
应, 有效避免了产量降低, 获得了覆盖下较常规生
产少耗水 116.1~167.9 mm 和水分利用效率提高
28.1%~41.0%的效果, 显著优于现有文献报道[28-33]。
已有研究表明, 冬小麦适宜的灌溉制度是在返青至
起身控水, 拔节和抽穗开花期各灌水 60~70 mm, 可
获得较高产量并显著提高水分利用效率[34], 但限于
当前小户经营和机井轮灌的生产形式, 应用中很难
做到大面积适时灌水。本研究表明, 土下微膜覆盖
下, 播前灌溉 60~100 mm或拔节至灌浆灌溉 75 mm、
甚或雨养, 均可获得理想产量和较高水分利用效率,
故认为土下微膜覆盖, 可作为当前生产条件下活化农
时并同时实现稳产节水的新型种植技术。
研究表明, 适当的水分胁迫能促进小麦根系对
深层土壤水分和养分的吸收, 提高土壤水分利用效
率[35], 以此来减少收获时土壤水分库存、接纳蓄存
更多的后续降水, 充分发挥土壤水库的对作物用水
的调节功能。在小麦-玉米一年两熟种植制度下, 农
田通过接纳夏玉米季降水, 2 m土体贮水可恢复至上
年小麦播种时的状态, 在华北平原降水 546 mm 的
平水年, 2 m土体甚至还存在着少量的渗漏[36]。因此
土壤水分的“夏秋蓄存、春季供应”对于节水高产稳
产具有特别意义, 但秋后土壤贮水的有效保蓄和适
时供应成为小麦节水生产的瓶颈。小麦全田土下微膜
覆盖种植也是一种实现夏玉米汛期降水蓄存、冬小麦
旱季利用的跨季节、跨作物调度的高效用水方法。
本研究固然存在一个残膜污染或回收增本的问
题, 同时小麦常规生产也造成了对地下水的超采。
若不尽快解决地下水超采, 势必会造成地下水甚或
枯竭的后果 [2], 由此引发的缓发性次生地质灾害如
地面下沉和局部塌陷对首都圈所造成的经济、社会
损失与生态成本不可估量。因此用一种发生在农田
表面、可视并可控的地膜“显性污染”去替代发生在
地下深处、不可视且不可控地下水漏斗扩大甚或枯
竭的“隐性灾难”, 必然是一种“优效替代”, 而且意
义重大。为减少华北北部地下水开采, 有人提出改
冬小麦–夏玉米一年两熟为冬小麦－夏玉米－春玉
米两年三熟的种植制度 [37-38], 按此思路, 在全田土
下微膜覆盖种植小麦后 , 机械打孔破膜种植夏玉
米、翌年在夏玉米行间种植春玉米, 可建立起“一膜
两年三用”的小麦、玉米种植模式, 采用两季玉米免
耕种植, 提高地膜利用效率, 减少农田环境污染。
本试验的盖膜和覆土过程是人工实施的, 如何
在实际生产中应用, 覆膜、盖土单项或一体化的机
械开发和配套应是下一步重点解决的技术问题。本
研究的田间观察表明 , 由于麦田的相对无隙覆盖 ,
同时降低了灌水的入渗速度, 微膜扎孔是增加水入
渗速度和数量的有效办法, 但同时也会带来后续土
壤水分蒸发量增加的问题。因此需要在微膜扎孔增
加水分入渗量和土壤水分蒸发量间做出一种平衡 ,
在综合考虑华北平原小麦季灌水量和有效降水量的
前提下, 微膜扎孔的必要性、获得入渗增加量大于
蒸发量结果的孔洞数量和面积, 以及明确其与降水
灌水和蒸发间的数学关系应成为下一步需要解决的
科学问题。
华北平原的小麦需水和自然降水存在着特征性
的时序错位, 降水远不能满足小麦需求。而试验期
间的降水数据表明小麦生长季的降水多为无效降水,
深州试验年度内唯一的有效降水也仅为 24.4 mm
(2012年 4月 24日), 而且相邻 2次降水的间隔长, 不
能将无效降水叠加为有效水。加之冠层和土表对降
水的滞留, 即使是有效降水渗至深处土层的比例也
1988 作 物 学 报 第 40卷


会大为减少。故此认为, 夏秋土壤水分蓄存比利用
春季降水更具节水意义。观察表明, 随着小麦生长
和微膜自然破损, 扬花或灌浆期灌溉覆盖处理的渗
水较露地栽培仅推迟 20~30 min。两熟条件下厚度
0.004 mm微膜的合理选择, 为夏秋汛期恢复土壤库
水、降低夏玉米耗水、实现降水的“秋贮春用”提供
了条件。同时, 土下微膜覆盖方法, 不但实现了小麦
自动破膜出苗, 也由于地膜被土覆盖不外露见光、
膜与地面无间隙而使得膜下不具升温条件, 解决了
传统地膜小麦种植因膜面裸露土壤升温造成小麦后
期早衰、土壤水分快速蒸发而不能有效增产和节水
的问题。
4 结论
土下微膜覆盖下的土壤水分消耗速度变缓, 播
种时 2 m土体不小于 600 mm贮水量可满足小麦的
全生育期耗水, 壤质土壤供水量为 212.2 mm, 黏质
土壤供水量为 230.0 mm。与冬小麦常规生产相比,
土下微膜覆盖条件下雨养或适时少量灌水减少耗水
量 1/4~1/3, 产量可达 7500 kg hm–2, 籽粒水分利用
效率提高 28.3%~41.0%, 而且生物产量水分利用效
率高峰由抽穗扬花期提前至拔节期; 同时能有效提
高小麦收获指数, 显著促进花后 20 d内的光合速率
以及光合水分利用效率。
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