不同覆膜方式对旱作冬小麦耗水特性及籽粒产量的影响
中国农业科学 2015,48(4):661-671
Scientia Agricultura Sinica doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2015.04.04
不同覆膜方式对旱作冬小麦耗水特性及籽粒产量的影响
杨长刚1，柴守玺1，常 磊1，杨德龙2
（1甘肃农业大学农学院/甘肃省干旱生境作物学国家重点实验室，兰州 730070；2甘肃农业大学生命科学技术学院/甘肃省干旱生境作物学国家
重点实验室，兰州 730070）
摘要：【目的】研究黄土高原雨养条件下，不同地膜覆盖方式对冬小麦耗水特性、产量和休闲期土壤水分补给的影响，为促进增产和提高水分利用效率提供理论依据。【方法】2008—2009和2009—2010年小麦生长季，设
置全膜覆土穴播（A）、全膜覆盖穴播（B）、垄膜沟播（C）和露地条播（CK）4种不同栽培模式，测量不同处理的
土壤贮水量、耗水量、产量和水分利用效率。【结果】全膜穴播可使冬小麦增产64.4%—79.1%，水分利用效率提
高22.1%—24.0%，达到11.9—16.6 kg·hm-2·mm-1；全膜覆土穴播可增产43.4%—44.4%，水分利用效率提高8.8%—
14.6%，达到11.0—14.8 kg·hm-2·mm-1；垄膜沟播可增产37.0%—39.3%，水分利用效率提高4.2%—4.4%，达到10.0
—14.2 kg·hm-2·mm-1。主要原因是，地膜覆盖可增加冬小麦拔节前0—200 cm土层贮水量，提高拔节至成熟阶段的
耗水量及其占总耗水量的比例，促进生育期对土壤贮水的利用，同时干旱年份可促进冬小麦利用深层土壤水分，
最终提高冬小麦成熟期的生物量和籽粒产量；虽然生育期耗水增加，但水分利用效率也提高。冬小麦产量与生育
期耗水量呈显著正相关（r=0.96*）。覆膜的高产建立在高耗水基础上，但通过休闲期水分补充，地膜茬0—200 cm
土层水分在冬小麦秋播前可恢复到露地水平。覆膜处理间的耗水差异远小于覆膜与露地间的差异。综合考虑产量、
经济效益和田间操作难易程度，全膜覆土穴播一次覆膜可多茬使用，节省地膜成本，田间操作简单，经济效益高，
是本试验条件下的最优栽培方式。【结论】全膜覆土穴播是西北黄土高原旱地小麦兼顾高产高效的栽培模式。
关键词：地膜覆盖；冬小麦；土壤贮水量；耗水量
Effects of Plastic Mulching on Water Consumption Characteristics
and Grain Yield of Winter Wheat in Arid
Region of Northwest China
YANG Chang-gang1, CHAI Shou-xi1, CHANG Lei1, YANG De-long2
(1College of Agronomy, Gansu Agricultural University/Gansu Provincial Key Lab of Aridland Crop, Lanzhou 730070; 2College of Life Science and Technology, Gansu Agricultural University/Gansu Provincial Key Lab of Aridland Crop, Lanzhou 730070)
Abstract: 【Objective】Strategies and practices are required to increase crop yields and improve water use efficiency (WUE)
in arid and semiarid rainfed areas. This study was carried out to determine the effect of different plastic mulching modes on water consumption characteristics, grain yield, and soil water recharge postharvest fallow period for winter wheat in a semiarid rainfed
Loess Plateau area of Northwest China. 【Method】This experiment was conducted under arid conditions during wheat growing
seasons in 2008-2010 and soil water storage, water consumption amount, grain yield and WUE for winter wheat were analyzed by
using four cultivation patterns which were whole field plastic mulching with soil covering on the top of mulch and bunch-seeding (A),
whole field plastic mulching without soil cover and bunch-seeding (B), ridges mulched with plastic and row-seeding in the furrow
(C), and uncovered and row-seeding (CK), respectively. 【Result】Results showed that compared to CK, the whole field plastic
mulching without soil cover and with bunch-seeding increased winter wheat yield by 64.4%-79.1% and WUE by 22.1%-24.0%, with
收稿日期：2014-03-25；接受日期：2014-07-01
基金项目：国家现代农业产业技术体系建设专项（CARS-3-2-49）、公益性行业（农业）科研专项（201303104）、陇原青年创新人才扶持计划
联系方式：杨长刚，Tel：135********；E-mail：yangcg1985@https://www.sodocs.net/doc/354941617.html,。通信作者柴守玺，Tel：138********；E-mail：sxchai@https://www.sodocs.net/doc/354941617.html,
662 中国农业科学48卷
WUE reached 11.9 to 16.6 kg·hm-2·mm-1. The whole field plastic mulching with soil cover on the top of the mulch and bunch-seeding increased winter wheat yield by 43.4%-44.4% and WUE by 8.8%-14.6%, with WUE reached11.0 to 14.8 kg·hm-2·mm-1. The ridge-furrow mulching and row-seeding in the furrow increased winter wheat yield by 37.0%-39.3% and WUE by 4.2%-4.4%, with WUE reached 10.0 to 14.2 kg·hm-2·mm-1. Plastic film mulching was found to able to increase the soil water storage of 0-200 cm soil profile before the jointing stage, increase water consumption amount from jointing to maturity, and increase the proportion of water consumption after jointing to the total water consumption during the whole growing season. Plastic mulching also improved the use of soil water storage during the whole growth period, enhanced deep soil water usage in arid years, and then enhanced the biomass and grain yield at harvest. Plastic mulching led to a higher soil water consumption over the whole growing season, but the water use efficiency was also increased due to much more increase of grain yield. There was a significant positive correlation between the crop productivity and the soil water consumption during the growth period (r=0.96*). Though the high grain yield of plastic mulching was based on high water consumption, the soil moisture in the 0-200 cm depth with plastic mulching was restored from postharvest to the autumn seeding of the next crop to the level equivalent to the soil moisture in open field. The differences of water consumption among mulching treatments were significantly smaller than those between mulching treatment and open field contrast. By comparison of the three mulching methods, an added feature with the whole field plastic mulching with soil cover on the top of the mulch and bunch-seeding is that the plastic film can be reused for the next crops with simplified cropping operation, helping save film cost, and improving economic benefits, and therefore, it was recommended that is the most appropriate cultivation practice in the experiment. 【Conclusion】It was concluded that the whole field plastic mulching with soil cover on the top of mulch and bunch-seeding is a highly-efficient cultivation pattern for increasing crop productivity, enhancing water use efficiency, and improving economic benefits for winter wheat in the semiarid rainfed Loess Plateau area of Northwest China.
Key words: plastic film mulching; winter wheat; soil water storage; water consumption amount
0 引言
【研究意义】小麦是中国最主要的口粮作物，其约1/6分布在北方半干旱地区[1]。这些地区年均降水250—600 mm，但小麦主要耗水阶段（3—6月）的降水一般只占年降水的20%—40%，而其中仅有约60%可供小麦利用，大部分降水集中在7—10月的休闲期，降水与冬小麦生长需要严重错位[2-4]，易造成冬小麦生育期水分亏缺[5]，严重限制该区冬小麦产量。因此，寻求有效措施来最大限度保蓄降水，增加土壤水库有效蓄水量，提高作物产量和水分利用效率已成为该区小麦稳产高产的关键。【前人研究进展】地膜覆盖栽培自1978年引入中国，在中国旱作区得到大面积推广[6]，可使小麦等作物普遍增产30%左右[1,7-8]。覆膜栽培能够增产，主要是由于其显著地集雨保墒效果[9-13]。覆膜后土壤蒸发损失降低，相比露地栽培土壤贮水量增加30%、蒸散量降低50%、水分亏缺减少15%以上[6,14-15]，使有限的水分主要用于蒸腾性生产[15-16]。覆膜在增加土壤贮水量的同时，可促进深层土壤水分向表层富集[17]，保证耕层土壤有较高的含水量[17-18]。地膜冬小麦从越冬至拔节阶段耕层含水量比露地高9.4%—11.9%[19-20]，根际土壤水分状况的改善有利于小麦的生长和最终增产。也有研究认为，地膜覆盖作物产量的提高是建立在高耗水的基础上[21]，覆膜后不但作物生育期0—200 cm土层总耗水量明显高于露地[6,21-22]，160 cm土壤耗水量比对照增加3.7%—12.2%[22]，而且覆膜促使作物增加对140 cm以下土壤水分的调用[9-10,23-25]，对深层水分的利用是对照的1.6—1.7倍[22]。此外，部分学者认为[26-27]，覆膜处理会加剧土壤水分耗竭，作物后期易出现脱水，导致小麦减产，而且也不利于下茬作物的持续生产。【本研究切入点】以往有关地膜小麦水分效应的研究大多针对小麦个别生育时期和土层，且多关注小麦生长季节土壤水分的变化，而对大田定位条件下地膜覆盖的季节性耗水、阶段耗水特征、不同土层耗水状况以及休闲期水分恢复状况等未见系统报道。【拟解决的关键问题】在黄土高原典型旱作生态条件下，本研究采用3种有代表性、应用推广面积较大的旱地小麦覆膜栽培技术，系统开展覆膜与露地栽培、不同覆膜方式之间农田耗水特征的比较研究，旨在为深化覆膜增产机理认识、进一步改进和创新覆膜保墒技术，大幅度提高旱地降水利用效率提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于2008—2010年在甘肃农业大学定西旱农生态综合试验站进行。试验地点属黄土高原西部典型的半干旱雨养农业区，海拔1 970 m，年均气温6.4℃，年日照时数2 476.6 h，年蒸发量1 531 mm，无霜期
4期杨长刚等：不同覆膜方式对旱作冬小麦耗水特性及籽粒产量的影响 663
141 d，年均降水量420 mm，且分配极为不均。试验点土壤为黄绵土，0—200 cm平均土壤容重为 1.25 g·cm-3，pH 8.36，肥力中等。试验点1970—2010年40年全年平均降水为390.9 mm，其中冬小麦生育期降水为181.4 mm，占全年降水的46.4%，休闲期降水为209.5 mm。
由图1可见，2008—2009年总降水384.8 mm，冬小麦生育期和休闲期降水分别为191.1和193.4 mm，5 mm以上有效降水分别为143.6和180.3 mm。2009—2010年总降水323.6 mm，冬小麦生育期和休闲期降水分别为243.2和80.4 mm，有效降水分别为211.9和60.7 mm。2008—2009生长季，2009年返青前降水趋于多年均值，但3—6月降水较常年同期偏少约40%，冬小麦生长后期受旱较重。2009—2010生长季，2010年3—6月份雨量充裕，但2009年越冬前降水比多年同期偏少约40%，冬小麦前期生长受旱较重。
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Feb
日期
Date
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图1 冬小麦生育期内降水变化
Fig. 1 Dynamics of precipitation during the whole growth period of winter wheat
1.2 试验设计
试验共设4个处理，其中地膜覆盖处理3个（A、
B、C），以露地条播为对照（CK）。小区面积24 m2
（3 m×8 m），5次重复，随机区组排列。各处理如
下：全膜覆土穴播种植（A）：秋季播种前全地面平
作覆膜，膜面覆土1 cm，穴播，行距20 cm，穴距15
cm，每小区种15行，行播量30 g；全膜穴播种植（B）：
秋播前全地面平作覆膜，膜上不覆土，种植行距、穴
距、穴播量等同于A；垄膜沟播种植（C）：秋播前
起垄，垄宽30 cm，垄高5—10 cm，垄距24 cm，垄
面覆膜，每垄沟条播2行，每小区种12行，行播量
37.5 g；露地条播种植（CK）：露地（不覆膜）平作，
开沟条播，行距20 cm，每小区种15行，行播量30 g。
第1生长季在2008年9月18日覆膜，9月20日播种，
2009年7月1日收获。第2生长季A处理继续保留覆
膜，B和C处理则在2009年9月21日揭掉上茬残膜，
然后耕作整地、重新覆膜，于2009年9月23日播种，
2010年7月14日收获。
各小区播种和施肥量相同，冬小麦供试品种为“陇
中1号”，播种量均为187.5 kg·hm-2。第1生长季各处理
播前将充分腐熟的牛粪4 500 kg·hm-2、纯氮105 kg·hm-2、
磷（P2O5）105 kg·hm-2等所有肥料在播前整地时做基肥
一次性深翻施入。第2生长季各处理均不再施肥。两个生
长季均在灌浆前期进行1次“一喷三防”作业。
1.3 取样及分析方法
在冬小麦各主要生育时期采用烘干法测定0—
664 中 国 农 业 科 学 48卷
200 cm 土层的土壤含水量，分0—20、20—40、40—60、60—90、90—120、120—150、150—180和180—200 cm 共8个土层分别取土样，各处理取样位置均位于种植行间，计算土壤贮水量和水分利用效率。收获时每个小区收割9 m 2进行测产。计算方法如下[28]：
（1）土壤含水量（%）=（土壤鲜质量-土壤干质量）/土壤干质量×100%
（2）土壤贮水量W=h ×ρ×ω×10
式中W 为土壤贮水量（mm ）；h 为土层深度（cm ）；ρ为土壤容重（g·cm -3），本试验各土层ρ平均为1.25 g·cm -3；ω为土壤含水量（%）。
（3）农田耗水量ET=ΔW+P+I -D+Wg -R ，ΔW= W1-W2
式中ET 为冬小麦生育期农田耗水量（mm ）；ΔW 为生育期土壤贮水量变化量（mm ）；P 为≥5 mm 有效降雨量；I 为灌溉量（mm ）；D 为灌溉后土壤水向下层流动量（mm ）；Wg 为深层地下水利用量（mm ）；R 为地表径流（mm ）；W1、W2分别为某一生育阶段初始和结束时的土壤贮水量（mm ）。本试验无灌溉条件，地下水位在10 m 以下，且无地表径流，故I 、D 、Wg 和R 可忽略不计。
（4）水分利用效率WUE=Y/ET 式中WUE 为水分利用效率（kg·hm -2·mm -1），Y 为籽粒 产量（kg·hm -2）
，ET 为冬小麦生育期农田总耗水量（mm ）。 2 结果
2.1 覆膜对0—200 cm 土壤贮水量的影响
由图2可知，覆膜在播种—拔节期具有增墒效应，而开花期—成熟期则表现出明显降墒效应。具体来讲，在播种—拔节期，2008—2009和2009—2010年，覆膜0—200 cm 土壤贮水量分别平均比CK 高1.3%和4.2%，其中A 、B 处理分别比CK 高1.8%、2.9%和3.6%、5.9%，而C 处理第2生长季比CK 高3.1%，第1生长季则比CK 略低-0.7%；在开花期—成熟期，两个生长季，覆膜0—200 cm 土层贮水量分别比CK 低17.7%和6.7%，其中A 、B 、C 处理分别比CK 低14.1%、22.2%、16.8%和4.1%、4.3%、11.6%。覆膜处理中，播种—拔节期以B 处理增墒效果较好，开花期—成熟期以A 处理墒情相对较好。
随生育时期的推进，各处理0—200 cm 土层贮水量，2008—2009年均表现为随冬小麦生育期的后延而逐渐降低；而2009—2010年伴随返青后多次出现的单次10 mm 以上的降水，表现出“高低反复”的变化趋势。
180
220260300340380420460生育时期 Growth stage 土壤贮水量 S o i l w a t e r s t o r g e (m m )
180
220260
300340380
420460S TG J BM F R
生育时期 Growth stage
S ：播种；TG ：返青期；J ：拔节期；BM ：开花期；F ：灌浆期；R ：成熟期
S: Sowing stage; TG: Turning green stage; J: Jointing stage; BM: Blooming stage; F: Filling stage; R: Ripening stage
图2 0—200 cm 土壤贮水量随生育时期的变化
Fig. 2 The dynamics of soil water storage in 0-200 cm soil profile during the winter wheat growing season
比较各处理0—200 cm 土壤贮水生育时期间的变异系数，2008—2009年依次为B （29.9%）＞A （24.9%）＞C （24.5%）＞CK （15.7%），2009—2010年依次为
B （11.4%）＞
C （10.7%）＞A （7.0%）＞CK （3.3%）。可见覆膜加剧了土壤贮水的波动，供水稳定性不如CK ，而覆膜处理间供水稳定性以A 处理相对较好。
4期 杨长刚等：不同覆膜方式对旱作冬小麦耗水特性及籽粒产量的影响 665
2.2 覆膜对麦田耗水量的影响
由表1可见，覆膜显著提高对土壤贮水的利用。 2008—2009和2009—2010年，覆膜土壤贮水消耗量分别平均比CK 高64.7和76.8 mm ，其中A 、B 、C 处理分别比CK 高63.2、66.8、64.2 mm 和57.0、101.1、72.2 mm 。覆膜处理中以B 处理土壤贮水利用最多，A 处理最少。
覆膜提高土壤贮水消耗量的同时，生育期农田耗水量也同步增加。2008—2009和2009—2010年，覆膜农田总耗水量分别平均比CK 高33.5%和34.1%，其中A 、B 、C 处理分别比CK 高32.7%、34.6%、33.2%和25.3%、44.9%、32.0%。覆膜处理中以B 处理农田耗水量最高，A 处理最少。
年际间比较，2008—2009年覆膜处理土壤贮水消
耗量平均为114.4 mm ，比2009—2010年高27%，表明地膜小麦对土壤贮水的利用在干旱年份（2008—2009）更加突出。
2.3 覆膜对0—200 cm 各土层土壤贮水消耗量的影响
由图3可见，覆膜0—200 cm 各土层耗水量整体大于CK 。2008—2009和2009—2010年，覆膜土壤贮水耗水量分别平均比CK 高1.3倍和5.8倍。
两个生长季，处理间0—200 cm 土壤贮水消耗量依次为：A ＞B ＞C ＞CK 。各处理0—200 cm 各土层耗水量的变异系数，两个生长季均表现为：CK （159.9%、218.4%）＞覆膜（42.4%、95.3%），可见覆膜处理各土层贮水消耗的差异小于CK ，各土层水分调用比CK 均衡。
比较覆膜与露地在各土层耗水的差异，2008—
表1 麦田总耗水量及其分配
Table 1 Total water consumption amount and its distribution
耗水组成 Water resource composition
降水量 Precipitation amount 土壤贮水消耗量 Soil water consumption amount 年份 Years
处理 Treatments
总耗水量 Water consumption amount (mm)
总量 Sum (mm)
比例 Ratio (%)
总量 Sum (mm) 比例 Ratio (%)
2008-2009 A
256.5a
143.6
56.0b
112.9a
44.0a
B 260.1a 143.6 55.2b 116.5a 44.8a
C 257.5a 143.6 55.8b 113.9a 44.2a CK 193.3b 143.6 74.3a 49.7b 25.7b AF 258.0 55.7 114.4 44.3 2009-2010 A
282.3c
211.9
75.0b
70.4c
25.0c
B 326.4a 211.9 64.9d 114.5a 35.1a
C 297.5b 211.9 71.2c 85.6b 28.8b CK 225.3d 211.9 94.1a 13.4d 5.9d AF 302.1
70.4 90.2
29.6
AF ：覆膜均值。表中不同小写字母表示5%水平的差异显著性。下同
AF: Average of plastic film mulching. Tables with the same small letter are not significant at 5% level respectively. The same as below
土壤贮水消耗量 Soil water consumption amount (mm)020406080100120140160180200
-8-4
4
8
121620242832364044
土层 S o i l l a y e r (c m )
020
406080100120140160180200
-8-40
4
8
121620242832364044
土壤贮水消耗量 Soil water consumption amount (mm)
图3 0—200 cm 各土层土壤贮水消耗量
Fig. 3 Soil storage water consumption amounts at 0-200 cm soil layers
666 中国农业科学48卷
2009年，覆膜与CK的差异主要集中在90 cm以下土层，90—200 cm平均比CK多耗水53.9 mm，而0—90 cm仅平均比CK多耗水10.9 mm。2009—2010年，覆膜与CK的差异主要集中在90 cm以上土层，0—90 cm 平均比CK多耗水68.9 mm，而90—200 cm仅平均比CK多耗水8.8 mm。表明覆膜增加了深层土壤水分的使用，而干旱年份覆膜对深层土壤水分的利用更加突出。
3种覆膜方式比较，2008—2009年各土层耗水量差异以90—150 cm土层较大，2009—2010年各土层耗水量差异以40—90 cm土层较大。各土层耗水量的变异系数2008—2009年为C（44.8%）＞B（41.8%）＞A（40.5%），2009—2010年为B（107.9%）＞C （99.8%）＞A（78.2%），可见覆膜处理中以A处理对各土层土壤贮水的调用最为均衡。
2.4 覆膜对阶段耗水的影响
由表2可见，处理间各生育阶段耗水状况差异显著，由于覆膜改变了土壤水热状况，对小麦生长发育产生影响，进而小麦各生育阶段的耗水状况也随之改变。播种至越冬期，小麦植株小，水分散失以地表蒸发为主，尽管覆膜降低地表蒸发，但覆膜小麦基础群体大（表3）及增温促进苗期生长[16]，两个生长季覆膜处理此阶段耗水量及其占总耗水量的比例均显著高于CK，且各处理耗水量及其占总耗水的比例均为B ＞C＞A＞CK。2008—2009年各处理此阶段耗水显著低于2009—2010年，原因是2008—2009年此阶段降水补充较多。
表2 小麦各生育阶段耗水量及其占总耗水量的比例
Table 2 Water consumption amounts and ratios to total water consumption in different periods of wheat growth
播种至越冬Sowing to wintering
越冬至返青
Winter to revival
返青至拔节
Revival to jointing
拔节至开花
Jointing to anthesis
开花至成熟
Anthesis to maturity
年份Years
处理
Treatments
数量
Amount (mm)
比例
Ratio (%)
数量
Amount (mm)
比例
Ratio (%)
数量
Amount (mm)
比例
Ratio (%)
数量
Amount (mm)
比例
Ratio (%)
数量
Amount (mm)
比例
Ratio (%)
2008-2009 A 6.6c 2.6c 1.3c 0.5c 75.3ab 29.4ab85.0b 33.1c 88.3a 34.4a
B 12.8a 4.9a 2.1c 0.8c 73.7b 28.3b 98.8a 38.0a 72.7b 28.0c
C
10.2b
4.0a
5.6b
2.2b
81.5a
31.7a
90.8ab
35.3b
69.4b
27.0c
CK 2.6d 1.3c 26.7a 13.8a 50.8c 26.3c 56.0c 29.0d 57.2c 29.6b
AF 9.9 3.8 3.0 1.2 76.8 29.8 91.5 35.5 76.8 29.8
2009-2010 A 52.0b 18.4b 40.2c 14.2d 26.3b 9.3a 68.2bc 24.2b 95.6b 33.9b
B 63.9a 19.6a 48.9b 15.0c 22.6b 6.9b 74.6b 22.9b 116.4a 35.8a
C 57.5ab 19.3a 52.2b 17.6b 30.3a 10.2a 82.6a 27.8a 74.8c 25.4d
CK 22.8c 10.1c 63.2a 28.1a 10.7c 4.7c 66.2c 29.4a 62.4d 27.7c
AF 57.8 19.1 47.1 15.6 26.4 8.8 75.1 24.9 95.6 31.6
越冬至返青期，土壤封冻，小麦生长基本停止，水分消耗以无效土壤蒸发为主，因覆膜的保墒效应，两个生长季覆膜处理此阶段耗水量及其占总耗水量的比例均显著低于CK，且各处理耗水量及其占总耗水的比例均为CK＞C＞B＞A。2009—2010年各处理此阶段耗水显著高于2008—2009年，原因是2009—2010年此阶段较多的降水多以无效蒸发的形式损失掉，导致此阶段耗水显著高于2008—2009。
返青至拔节期，气温回升，覆膜群体生长较露地快，两个生长季覆膜处理此阶段耗水量及其占总耗水量的比例均显著高于CK，且各处理耗水量及其占总耗水的比例均为C＞A＞B＞CK。2008—2009年此阶段降水仅为4.9 mm，而此阶段温度回升快且多大风，土壤散墒快，因此2008—2009年各处理此阶段耗水显著高于2009—2010年。
拔节至成熟期是小麦生育期主要耗水阶段。两个生长季，覆膜处理在拔节至开花期和开花至成熟期的耗水量均高于CK。而阶段耗水量占总耗水量的比例，2008—2009年拔节后降水较少，有限水分首先用于满足拔节至开花期的干物质生产，因此覆膜处理在拔节至开花期的耗水比例显著高于CK，同时此阶段覆膜处理耗水比例为生育期最高；而在开花至成熟期，覆膜小麦由于高温造成早衰，因此耗水比例低于CK。2009—2010年覆膜处理在拔节至开花期阶段的耗水比例低于CK；而开花后降水较为充足，覆膜处理在开花至成熟期阶段的耗水比例高于CK，且此阶段覆
4期 杨长刚等：不同覆膜方式对旱作冬小麦耗水特性及籽粒产量的影响 667
膜处理耗水比例为全生育期最高。两个生长季，覆膜处理间在拔节至开花期、开花至成熟期的阶段耗水量及其占总耗水量的比例分布无明显规律。
相关分析显示，产量与播种至越冬期耗水量（r =0.95*）、拔节至成熟期耗水量（r =0.98*）呈显著正相关，而与越冬至拔节期耗水量（r =-0.84）以及返青至拔节期耗水量（r =0.71）相关不显著。生物量与各阶段耗水量的相关关系与产量与各阶段耗水量的相关关系一致。水分利用效率与各阶段耗水量（r =-0.67—0.87）相关不显著。
由上述可见，覆膜可优化小麦耗水结构，大幅降低越冬至返青期土壤无效蒸发耗水，将更多的水分运用在拔节至成熟期，利于小麦成穗和形成籽粒。覆膜方式中，B 处理能显著提高播种至越冬期耗水比例，更加有利于幼苗建成；A 处理则能均衡拔节至开花期和开花至成熟期耗水比例，有利于小麦拔节后稳定供水。 2.5 覆膜对休闲期0—200 cm 土层水分恢复状况的影
响
由图4可知，两个生长季，覆膜处理下茬秋播时0—200 cm 土壤贮水量分别平均比露地CK 高29.8 mm
（8.9%）和16.8 mm （6.3%）。表明通过夏闲期的降水补充、深层水移等途径，0—200 cm 土壤贮水量从总量上得到了完全恢复，地膜茬口不会造成下茬墒情的恶化。
从土层上来看，覆膜处理主要是0—120 cm 土壤水分得到了恢复且显著高于CK ，而150—200 cm 仍略低于CK 。2008—2009和2009—2010年，覆膜处理0—120 cm 土壤贮水量分别平均比CK 高56.2和24.3 mm ，其中A 、B 、C 处理分别比CK 高32.2、81.7、54.7 mm 和18.1、31.0、23.6 mm ，而120—200 cm 土壤贮水量覆膜分别平均比CK 低26.4和7.5 mm ，其中A 、B 、C 处理分别比CK 低11.3、41.0、26.8 mm 和9.2、8.1、5.2 mm 。
3种覆膜方式间，在0—200 cm 土层土壤水分的恢复状况以B 处理最好，C 处理次之，A 处理因为地膜保存的较完整不利于降水入渗而恢复状况最差。但从下茬秋播时0—200 cm 各土层土壤贮水量分布图来看（图4），A 处理各土层贮水量的分布最为均衡，B 处理变化最为剧烈，而土壤水分的均衡分布有利于土壤稳定供水。
土层 S o i l l a y e r (c m
)
图4 下茬秋播时0—200 cm 土壤贮水量
Fig.4 Soil water storage in 0-200 cm soil profile at the autumn sowing of succession cropping
2.6 覆膜对产量和水分利用效率的影响
由表3可见，覆膜可显著提高冬小麦产量、生物量和水分利用效率。2008—2009和2009—2010年覆膜处理分别平均较CK 显著增产49.4%和53.2%，提高生物量63.2%和72.1%，提高水分利用效率11.9%和13.9%。覆膜处理间产量和水分利用效率高依次为B ＞A ＞C ，而生物量依次为B ＞C ＞A 。相关分析显示，产量与生物量（r =0.99**）、水分利用效率（r =0.92*）、耗水量（r =0.96*）以
及生物量与耗水量（r =0.96*）、水分利用效率（r =0.91*）均呈显著正相关，而耗水量与水分利用效率相关不显著（r =0.75、0.72）。
覆膜增产的原因主要是提高了单位面积穗数，两个生长季，覆膜处理单位面积穗数分别平均比CK 显著高86.2%和90.8%，穗粒数分别平均较CK 显著低20.6%和24.0%，千粒重则分别平均比CK 略高1.5%和 5.7%。两个生长季，覆膜处理基本苗分别平均比CK 高11.3%和8.8%。
668 中国农业科学48卷
表3 冬小麦籽粒产量和水分利用效率
Table 3 Grain yield and water use efficiency of winter wheat
年份Years
处理
Treatment
生物量
Biomass (kg·hm-2)
籽粒产量
Yield (kg·hm-2)
水分利用效率
WUE (kg·hm-2·mm-1)
穗数
SN (×104·hm?2)
穗粒数
GNS
千粒重
GW (g)
基本苗
BS (×104·hm?2)
2008-2009 A 8084.7b 3789.5ab 14.8b 532.4a 23.8b 32.9a 323b
B
10005.8a
4312.7a
16.6a
522.5a
27.5b
33a
364.7a C
8177.9b
3655.4b
14.2c
428.3b
27.6b
34a
312.5b CK 5365.0c 2623.5c 13.6d 265.5c 33.1a 32.8a 299.6c
AF 8756.1 3919.2 15.2 494.4 26.3 33.3 333.4
2009-2010 A 7017.4b 3103.2b 11.0a 281.6a 30.2b 36.4ab 337a
B
9566.7a
3874.2a
11.9a
352.2a
29.8b
37.9a
354a C
7125.2b
2964.0b
10.0b
328.8a
27.1b
35.4bc
342a CK
4593.4c
2163.5c
9.6b
168.2b
38.2a
34.6c
316.5b AF 7903.1 3313.8 11.0 320.9 29.0 36.6 344.3 WUE：水分利用效率；BS：基本苗；SN：穗数；GNS：穗粒数；GW：千粒重
WU E: Water use efficiency; BS: Basic seedlings; SN: Spike numbers; GNS: Grain numbers per spike; GW: 1000-grain weight
3 讨论
有研究认为[28-29]，地膜覆盖可改变作物耗水模式，在前期减少土壤无效蒸发、后期增加植株蒸腾，使有限水分更多用于干物质的生产，从而提高水分利用效率。两个生长季的试验结果表明，不同处理在冬小麦不同生育期的农田耗水规律基本一致，而总耗水量有所差别。覆膜处理能够调节不同生育期耗水比例，在总耗水量高于对照的同时，将更多比例的水分用于拔节至成熟期，以保证最终增产，这与李儒等[28]和李尚中等[30]研究结论基本一致。两个生长季，覆膜处理耗水量分别平均较对照增加64.7 和76.7 mm，而产量分别平均较对照增加1 295.7和1 150.3 kg·hm-2，生物量增加更是高达3 391.1和3 309.7 kg·hm-2。这相当于覆膜处理每增加1 mm的耗水量多生产籽粒20.0和15.0 kg·hm-2，而多生产的生物量则分别为52.4和43.1 kg·hm-2，水分生产效率远高于本研究中覆膜处理农田耗水的实际生产效率（15.2和11.0 kg·hm-2）。从单位干物质积累量所需的水分来看，覆膜处理两个生长季每生产1 kg生物量所需的水量平均分别为0.3和0.4 m3，而露地对照每生产1 kg生物量所需的水量平均分别为0.4和0.5 m3。可见地膜覆盖栽培阻断了土壤水分的垂直蒸发和乱流，使土壤水分消耗由物理过程向生理过程转化，大幅提高蒸腾/蒸发比，使作物干物质生产得到大幅提高，从而显著提高产量和水分利用效率。此外，地膜覆盖的增温效应对产量形成也产生积极作用，两个生长季覆膜处理基本苗仅分别比CK平均高11.3%和8.8%，而单位面积穗数却分别比CK平均高86.2%和90.8%。显然地膜覆盖仅仅具有保墒作用并不能够达到这样的效果。研究认为[19,26,31]，地膜覆盖具有增温效应，能促苗早发，补积温不足，降低越冬死亡率。一般覆膜可提高苗期0—10 cm地温1—2℃，增加冬前的耕层活动积温160℃[19]，利于成苗和成穗。
本研究表明，地膜覆盖能改善拔节前0—200 cm 土壤墒情，增加生育期对土壤贮水的使用，提高深层用水比例。王红丽等[32]发现地膜覆盖能改善玉米拔节前0—200 cm土壤的水分条件。对陕西关中地区垄膜沟播小麦的测定表明[12]，覆膜冬小麦返青时0—100 cm土层较未覆膜多蓄水6.5 mm，收获时各土层的水分明显减少，且覆膜对深层土壤水分的利用增强。笔者参与的研究发现，冬小麦[21]地膜覆盖能改善开花前0—90 cm土壤墒情，而开花后0—90 cm土层以及生育期90—200 cm土层含水量普遍低于露地，春小麦[24]地膜覆盖可显著提高0—20 cm土壤墒情，但拔节后土壤深层墒情覆膜明显不如露地。从各土层水分动态来看，2008—2009年冬小麦孕穗后0—90 cm土层含水率基本都在10.0%以下，拔节至灌浆期覆膜处理0—60 cm土层含水率持续降到7.0%以下，土壤含水率长期在凋萎系数（7.5%）以下。理论上讲0—60 cm 土层能供小麦根系吸收利用的水分很少，显然维持小麦拔节后生长的水分应该来自更深土层。2008—2009年覆膜处理90—200 cm土层耗水量明显高于露地，这间接证明了覆膜处理后期维持小麦生长的水分来自更
4期杨长刚等：不同覆膜方式对旱作冬小麦耗水特性及籽粒产量的影响 669
深的土层。小麦根系主要集中在60 cm以上土层，而地膜小麦60 cm以下土层根系也不一定比露地多[8,31]，地膜覆盖增加深层用水的原因推测：一是地膜覆盖具有增温作用，在膜下温度高，土层之间热梯度大的情况下，深层水分通过毛细管作用能上升到作物可利用层[17]。二是地膜小麦的初生根可能更发达、下扎更深，初生根对深层土壤水分的调用可能比想象中的大[24]。
地膜覆盖栽培作为旱作农业的核心技术之一，其显著的保墒增产效应是其能够得到大面积应用的主要原因。潘晓云等[33]和Du等[34]研究发现，相比露地对照，覆膜栽培能使春小麦产量和地上部分生物量分别显著提高38.5%和44.7%，而繁殖分配和收获指数分别显著降低5.2%和4.5%；覆膜种植加剧了生长冗余，其干物质生产并非总是高效的。本研究中，两个生长季，覆膜处理平均分别较对照增产49.4%和53.2%，而生物产量却分别较对照提高63.2%和72.1%，这明显也存在干物质生产的浪费。干物质过量生产必然伴随土壤水分的过量消耗，而土壤水分过量消耗则有可能导致最终减产，那么地膜栽培将失去其存在的意义。地膜栽培条件下如何降低无效生产，进一步提高有效水分的生产效率，有待于进一步研究。
3种覆膜方式耗水差异较小，但产量差异较大，因此覆膜方式的选择应从经济效益和操作难易度上考虑。全膜覆土穴播（A）一次覆膜可多茬使用，节省地膜成本，保墒效果好；垄膜沟播（C）播种方便，但播种面积只占总面积一半，植株局部拥挤，更适合水肥条件较差、对群体要求较小条件下使用。同时，垄膜沟播（C）的保墒效果也不如全膜覆土穴播（A）和全膜穴播（B）。全膜穴播（B）由于苗与膜孔错位弊端较突出、且用膜成本高，生产上已很少应用。综合考虑，全膜覆土穴播（A）是一种更高效、生产上容易推广的模式。对于当前地膜种植中出现的污染问题可通过研发地膜田间回收机械、使用可降解地膜、提高地膜强度等途径进行解决。
4 结论
覆膜栽培可显著提高冬小麦产量和水分利用效率。地膜覆盖显著增产来源于耗水量的增加和冬小麦用水方式的改变，在耗水模式上将有限水分更多用于拔节后成穗阶段和籽粒灌浆阶段，在用水比例上更加突出对土壤水分的利用，在耗水层次上增加对深层水分的调用。而这种改变在干旱年份更加突出。地膜覆盖在高耗水的同时并不会造成下茬土壤墒情的恶化，符合旱作区农业可持续发展的需求。覆膜处理间，综合考虑经济效益和田间操作的难易程度，全膜覆土穴播（A）是最适合在旱农区大面积推广的种植模式。
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（责任编辑郭银巧，杨鑫浩）