张 博 高甜甜 程宏波 李 瑞 柴雨葳 李亚伟 柴守玺

（1甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃农业大学农学院，730070，甘肃兰州；2甘肃农业大学生命科学技术学院，730070，甘肃兰州）

小麦是我国西北旱作农区的粮食作物之一，该区气候干旱、热量不足，降水量低且时空分布不均匀，潜在蒸散量高[1]。水分是小麦生长发育的必要因素之一，水分亏缺会对小麦生理机制产生不利影响，进而影响产量形成[2]，是制约该区小麦生产的最主要因素[3-7]。研发以提高水分利用率为核心，同时可加强生态建设的旱地农业技术是该区实现粮食增产和农业可持续生产的关键[8]。

在我国干旱半干旱雨养农业区，通常采用覆盖保墒栽培技术来实现作物的稳产高产。目前主要的覆盖栽培方式有地膜覆盖和秸秆覆盖。地膜覆盖可提高小麦生育前期土壤温度[9]，降低土壤水分蒸发[10]，协调土壤水分和养分的关系，促进小麦营养生长[9，11-12]、增加穗数、千粒重[13]，提高产量[10，12]，是旱作农区提高作物生产力，提升栽培效益的有效措施之一，在玉米、小麦、马铃薯等作物上已大面积推广应用[14]。秸秆覆盖可有效改善土壤水分和养分[15]，改善小麦生育期内植株水分状况，特别是在花后将植株水分维持在较高水平[16-17]，延缓小麦功能叶的衰老[18]，利于光合生产及物质转运[16-17]，促进小麦生长发育、增加生物量[19]，提高小麦产量[20-21]。另外有研究表明，秸秆覆盖可改善土壤物理、化学性质及生物学特性[22-24]，增加降水入渗，降低地表侵蚀和农业生产成本[25]，促进作物产量提高[26]，保护和改善生态环境[27]。但如长期地膜覆盖引起残膜污染等环境问题，影响土壤再生产能力和作物生长发育，进而降低产量[28-29]；传统秸秆全地面覆盖存在降温效应而导致减产的风险，前期秸秆覆盖可降低作物产量[1，30-31]。

秸秆带状覆盖作物种植新技术是采用作物秸秆局部覆盖，分作物种植带和秸秆覆盖带，两带相间排列。该技术有效解决了秸秆覆盖的保墒与降温的矛盾，经多年多点试验证实，在马铃薯[29]和冬小麦[32]上具有显著的增墒增产效果。但有关秸秆带状覆盖对旱地小麦植株水分状况的影响鲜见报道。本研究在前人研究基础上，进一步系统研究秸秆带状覆盖下小麦植株水分状况与产量的关系，为秸秆带状覆盖小麦栽培技术的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018年9月-2019年7月在甘肃省通渭县平襄镇甘肃农业大学试验基地进行，该地为黄土高原典型雨养农业区，土壤为黄绵土，0～2m土层平均容重为1.25g/cm3，0～0.2m耕作层土壤pH 8.50（2.5∶1.0），含有机质 11.72g/kg、含速效磷11.63mg/kg、速效钾122.70mg/kg和全氮0.79g/kg。试验基地属中温带半干旱气候，作物一年一熟，年均温7.2℃，无霜期120～170d，年蒸发量＞1 500mm，多年平均降水量约390.60mm，其中约65%在6-9月集中降落，本试验中小麦生育期内总降雨量约297.50mm，有效降水（≥5mm）约228.70mm。

1.2 试验材料与设计

1.2.1 试验材料 供试冬小麦品种为陇中2号。

1.2.2 试验设计 试验采用随机区组设计，各小区面积为150m2，共设置秸秆带状覆盖（MS）、地膜覆盖（PM）和露地种植（CK）3种种植模式。秸秆带状覆盖分为秸秆带状3行（MS3），种植带为35cm，覆盖带为50cm；秸秆带状4行（MS4），种植带与覆盖带均为50cm；秸秆带状5行（MS5），种植带为70cm，覆盖带为50cm；秸秆带状6行（MS6），种植带为85cm，覆盖带为50cm；采用玉米秆整秆覆盖。MS与CK行距均为17cm，全膜覆土穴播行距20cm。秋播前，将秸秆放置于预留覆盖带，覆盖量为9 000kg/hm2。采用幅宽120cm、厚度0.01mm的地膜，每处理3次重复。各处理播种量均为225kg/hm2，各处理均施纯氮 120kg/hm2、P2O590kg/hm2，均做基肥，于播前结合整地一次性施入，生育时期不再追肥。2018年9月13日播种，2019年7月5日收获，开花7d后用三唑酮、吡虫啉、磷酸二氢钾进行1次“一喷三防”，以防后期病虫害及植株早衰。覆盖模式图与试验方案如图1、表1所示。

图1 不同栽培模式示意图Fig.1 Schematic diagram of different cultivation patterns

表1 不同栽培模式试验方案Table 1 Experiment scheme of different cultivation patterns

1.3 测定项目及方法

1.3.1 植株含水量的动态变化 在小麦开花后第7天开始取样，每隔7d取1次样，各处理各重复均取长势均匀、健康的植株20株，将单株分为旗叶、其他叶、茎鞘和穗，分别称鲜重后分装好，置于105℃烘箱中杀青30min，然后在80℃下烘干至恒重，冷却后称干重。植株的鲜、干重为各器官鲜、干重之和[16]。植株含水量计算公式为：

植株含水量（%）=（植株鲜重-植株干重）/植株鲜重×100

1.3.2 旗叶相对含水量 待小麦旗叶完全展开后，每隔7d取1次样，测定旗叶相对含水量，取样时间为上午8∶00-10∶00，各处理各重复均取10片旗叶，分别装入密封袋后带回室内，称鲜重后浸入水中浸泡12h后，取出擦拭表面水分，称其饱和鲜重，置于105℃烘箱内杀青30min，然后在80℃条件下烘干至恒重，冷却后称其干重[33]。旗叶相对含水量（RWC）计算公式为：

RWC（%）=（旗叶鲜重-旗叶干重）/（旗叶饱和鲜重-旗叶干重）×100

1.3.3 旗叶离体失水速率 在小麦开花后7d左右开始测定离体叶片失水速率，每隔7d取1次叶片样品，各处理各重复均取10片健康的旗叶擦拭干净，称其鲜重后分别装入网袋中，平铺放在干燥、恒温、避风且无阳光直射的实验台上，自然失水12、24h后称取叶重，然后将称重后的叶片样品置于80℃烘箱内烘干至恒重，冷却后称其干重[34]。计算离体叶片失水速率（RWL），12h为RWL12，24h 为 RWL24。

RWL12[mg/（g·h）]=（鲜重-失水重）·1000/（干重·12）

RWL24[mg/（g·h）]=（鲜重-失水重）·1000/（干重·24）

1.3.4 产量测定及考种 成熟期各处理按小区全部实收、单独脱粒计产。现场称鲜重并测定含水量，晾干后称重，测定产量和千粒重。在小麦收获前3d取考种样，采用五点取样法，每小区随机选5个点取样，每个点取5～10株，将每小区的植株样混匀，在混合样中随机选取20株长势均匀、健康的植株样进行室内考种，测定单株干重、株高、穗粒数、结实小穗数。小麦成熟前3d，每小区选3点测定单位面积穗数。

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 19.0软件进行数据分析和图像处理，采用Duncan法进行差异显著性检验，显著水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 覆盖对冬小麦植株含水量的影响

由图2可见，小麦植株含水量在花后35d内逐渐下降。覆盖材料间，MS、PM以及CK处理在花后第7天至第35天植株分别失水14.73、15.06、14.88个百分点，可见秸秆覆盖总体会减缓植株失水和衰老；不同MS处理，植株失水量随覆盖度降低而降低，MS3、MS4、MS5、MS6处理植株分别在花后7、14、21、28、35d失水15.56、15.42、14.11、13.83个百分点。开花后第21～28天为植株快速失水期，覆盖材料间，MS处理在该阶段失水量（7.41个百分点）大于CK（6.84个百分点）、大于PM（6.28个百分点）；则MS3（7.99个百分点）、MS4（7.81个百分点）相近，略高于MS5（7.27个百分点）、MS6（6.60个百分点）。

图2 不同覆盖方式对冬小麦植株含水量的影响Fig.2 Effects of different mulching methods on the plant water content of winter wheat

植株含水量是影响植株失水的主要因素，在一定程度上反映植株的衰老状况。在灌浆阶段，MS处理的植株含水量高于CK 1.49～2.49个百分点，高于PM处理3.24～4.37个百分点；4个MS处理间比较，各测定时间的植株含水量基本表现为随覆盖度降低而降低。即在生育后期，MS可较CK和PM处理延缓植株衰老，延缓作用随覆盖度降低而降低，以MS3处理的延缓作用最明显。

2.2 覆盖对旗叶水分状况的影响

2.2.1 覆盖对RWC的影响 由图3分析可得，各处理的RWC随着生育时期的推进总体呈下降趋势，MS处理在花后7～28d旗叶失水量为25.02个百分点，小于CK（25.79个百分点）和PM（29.47个百分点）处理，说明MS处理延长了灌浆期小麦旗叶功能期，延缓了叶片衰老，为籽粒灌浆奠定了物质基础。不同秸秆覆盖度处理的失水量总体表现为MS3（26.24个百分点）＞MS4（25.10个百分点）＞MS5（24.76个百分点）＞MS6（23.96个百分点）。

图3 不同覆盖方式对冬小麦旗叶相对含水量的影响Fig.3 Effects of different mulching methods on relative water content of flag leaf of winter wheat

花后21～28d为旗叶快速失水期，该阶段MS条件下的失水量（17.20个百分点），大于CK（16.18个百分点）和PM（16.53个百分点）处理；秸秆覆盖度间则MS3（18.27个百分点）、MS4（17.26个百分点）相近，大于MS5（16.73个百分点）、MS6（16.54个百分点）。

MS处理的RWC值在灌浆期内高于CK 3.29～5.26个百分点，高于PM 5.34～10.46个百分点；MS处理间，各测定时间的RWC基本表现为随覆盖度降低而降低。在花后28d内，MS相较CK和PM处理而言，可延缓小麦旗叶衰老，以MS3延缓作用最为明显。比较灌浆阶段各处理RWC的变异系数值可见（表2），MS（14.48%）较CK（15.78%）处理平抑了冬小麦花后7～28d RWC变化，PM处理（18.92%）则加剧了RWC的变化，加快了叶片衰老。

表2 覆盖对旗叶相对含水量的影响Table 2 Effects of mulching on relative water content of flag leaf %

图4 不同覆盖方式对离体旗叶失水速率的影响Fig.4 Effects of different mulching methods on water loss rate of isolated flag leaf of winter wheat

2.2.2 覆盖对RWL的影响 由图4、表3可知，花后7～21d小麦RWL在0～24h整体随着生育期的推进呈下降趋势。MS、CK以及PM处理在花后7～21d 的 0～12、12～24h 降幅分别为 40.68、39.60、39.06mg/（g·h）和18.07、17.29、12.46mg/（g·h）；MS处理不同覆盖度间RWL随着覆盖度降低而降低，0～12h内总体表现为MS3[42.17mg/（g·h）]＞MS4[41.98mg/（g·h）]＞MS5[41.02mg/（g·h）]＞MS6[37.56mg/（g·h）]。0～24h内不同覆盖度总体表现与0～12h一致。各MS处理的失水速率较高是由于其具有高于CK及PM处理的RWC。

生育后期，离体旗叶失水情况能反映小麦代谢情况和衰老进程。花后7～21d，MS处理的RWL值在0～12h内均高于CK[7.11～8.19mg/（g·h）]，高于PM[27.03～28.66mg/（g·h）]，在12～24h内均高于CK[3.77～4.55mg/（g·h）]，高于PM[6.67～12.28mg/（g·h）]；不同秸秆覆盖度间，各测定时间的RWL基本随覆盖度降低而降低，以MS3降低幅度最大。

2.3 覆盖对小麦产量、产量构成因素、群体生物量、株高、收获指数和结实小穗数的影响及其相关分析

从表4可知，MS和PM处理均能不同程度的影响冬小麦籽粒产量、生物产量、株高、收获指数、结实小穗数及产量构成因素（穗数、穗粒数、千粒重）等重要指标。

表3 覆盖对旗叶离体失水速率的影响Table 3 Effects of mulching on water loss rate of isolated flag leaf mg/(g·h)

MS处理籽粒产量比CK平均提高9.05%，其中MS3、MS4、MS5、MS6增产幅度分别为7.94%、8.90%、10.34%和9.06%。与CK相比，MS处理增产的主要原因是显著提高了结实小穗数和千粒重，平均提高14.89%和7.07%。MS5处理增产幅度略高于其他覆盖度是由于其单位面积穗数高于其他覆盖度2.97%～6.51%。PM处理由于较CK显著提高了单位面积穗数23.62%，从而较CK增产11.42%。

表4 不同覆盖方式对冬小麦产量、产量构成因素、群体生物量、株高、收获指数及结实小穗数的影响Table 4 Effects of different mulching methods on yield and its components, population biomass, plant height, harvest index and the number of spikelet in winter wheat

覆盖降低了收获指数，PM、MS处理分别较CK降低9.47和2.28个百分点，即覆盖可以促进小麦营养生长，且PM处理的影响大于MS处理。秸秆不同覆盖度处理对营养生长的效应相近。

相关分析（表5）表明，花后35d内植株平均含水量、花后7d植株含水量及花后35d的植株含水量均与穗粒数呈极显著正相关，相关系数分别为0.800、0.695、0.829，且均与结实小穗数呈极显著正相关，相关系数分别为0.859、0.707、0.855，即花后35d内的含水量可反映出植株代谢水平比较旺盛，利于营养物质的合成和向籽粒的输入，减少秕粒，提高了结实率，从而影响产量形成。花后28d RWC与穗粒数（0.739）和结实小穗数（0.764）均呈极显著正相关。即花后28d较高的RWC，提高了旗叶水势，保持了旗叶细胞活性，利于作物抗旱，为光合作用提供了基础，且利于光合产物的转化与分配，进而增加结实小穗数，从而提高粒重，对产量提高具有积极作用，这与王克鹏等[35]的研究结果相似。RWC与RWL12和RWL24均呈极显著正相关，相关系数分别为0.950、0.957。RWL12、RWL24均与穗粒数和结实小穗数呈极显著正相关，相关系数分别为0.889、0.687和0.799、0.848。产量与千粒重（r=0.965）呈极显著相关，与穗数及穗粒数则相关不显著，千粒重对产量的影响较大。此外，穗数与穗粒数（r=-0.898）极显著负相关，表明穗数与穗粒数之间存在相互制约的关系。

表5 冬小麦产量及其构成因素、植株含水量、离体旗叶失水速率、旗叶相对含水量以及结实小穗数的相关分析Table 5 Correlation analysis among yield, yield components plant water content, water loss rate of isolated flag leaf, water content of flag leaf and number of spikelet of winter wheat

3 讨论

覆盖栽培措施能改善冬小麦土壤水温环境，进而对小麦植株含水量、旗叶相对含水量及离体叶片失水速率有不同程度的影响。研究表明[17，36-37]，秸秆带状覆盖能增加植株含水量，提高植株水分利用效率，延缓植株衰老，有利于籽粒灌浆，且保持旗叶含水量，利于穗粒数和粒重增加，进而提高产量。地膜覆盖可调控土壤水分时空和植株各部位的再分布，有效促进土壤和作物水分的良性循环，有利于作物生长发育及产量的形成[37-38]。有研究[39]表明，地膜覆盖在前期降水充沛，后期严重缺水时易引起作物早衰而减产。

叶片水势是反映植株水分状况和抗旱的重要生理指标[40]。王克鹏等[35]的研究结果表明，提高作物含水量，即提高了作物的水势，利于作物抗旱，进而对产量提高具有积极作用。本研究表明，秸秆带状覆盖各处理均较CK提高了冬小麦花后第7～35天的植株含水量和第7～28天的旗叶相对含水量，通过调控植株水分状况，延缓植株衰老，促进籽粒灌浆，进而促进产量形成，这与李守蕾[17]的研究结果相似；且秸秆带状覆盖提高了小麦花后第7～21天的旗叶失水速率，其原因可能是秸秆带状覆盖提高了旗叶含水量，进而提高了旗叶水势，保持叶片细胞活性，对籽粒灌浆具有积极作用，进而达到增产的效果，以MS3效果最为明显，说明在一定范围内，秸秆覆盖度越大，越利于维持植株的保水能力。秸秆带状覆盖各处理间均较CK提高了产量，其中以MS5处理提高幅度最大，其原因可能是MS5模式更利于光热水肥的协调，促进了养分和水分的转化以及产量要素的协调发展。

He等[41]研究表明，与不覆盖相比，在黄土高原采用地膜覆盖使作物平均产量提高11.00%，净收益增加12.00%。Luo等[42]研究表明，与无覆盖种植相比，地膜覆盖下小麦籽粒平均产量显著提高13.70%。本研究发现，在灌浆期，地膜覆盖较CK降低了植株含水量、旗叶相对含水量及离体旗叶失水速率，加速了冬小麦的衰老进程，但在生育前期促进分蘖、增加有效穗数，进而较CK显著提高了籽粒产量。

4 结论

地膜覆盖降低了灌浆阶段植株含水率和旗叶含水率，加速了植株衰老，但可增加分蘖、促进植株营养生长，从而提高小麦产量。秸秆带状覆盖较露地显著提高灌浆阶段植株含水量和旗叶含水量，提高了结实率，有利于千粒重增加，是其较露地增产的原因之一。产量的形成受多因素影响，尽管MS3在灌浆期植株特别是旗叶含水量均显著高于露地，但因其有效穗数较少而制约了增产幅度。MS5可有效协调穗数、穗粒数和千粒重3个因素，而获得了与地膜覆盖相近的产量，是秸秆带状覆盖较为适宜的模式。