模拟增温、降温麦田秸秆覆盖...、产量和水分利用效率的影响_马爱平.pdf

西 北 农 业 学 报 ，（）：模拟增温、降温麦田秸秆覆盖对地温、产量和水分利用效率的影响收稿日期：修回日期：基金项目：国家重点研发计划（）；山西农业大学省部共建有机旱作农业国家重点实验室自主研发项目（）；国家农业环境尧都实验站（）；山西农业大学特优农业高质量发展科技支撑工程项目（）。第一作者：马爱平，女，研究员，从事气候变化与有机旱作农业研究。：通信作者：黄学芳，男，研究员，从事有机旱作农业研究。：马爱平，亢秀丽，靖华，王裕智，崔欢虎，黄学芳，（山西农业大学 小麦研究所，山西临汾 ；山西农业大学 省部共建有机旱作农业国家重点实验室（筹），太原 ；山西农业大学 山西有机旱作农业研究院，太原 ）摘要为探索未来增温情景适应性栽培途径，明确增温、降温麦田及其秸秆覆盖对地温、产量和水分利用效率的影响，年在山西临汾建立了增温降温设施并模拟了增温麦田、降温麦田和常规麦田，年开展了增温麦田露地（）、增温麦田覆盖（）、降温麦田露地（）、降温麦田覆盖（）、常规麦田露地（）、常规麦田覆盖（）对不同生育阶段 地温、产量和水分利用效率的影响研究。结果表明：越冬前至成熟期日平均地温增温、降温麦田分别较常规麦田增幅 、，覆盖麦田较露地麦田增幅 ，较 增幅 较 增幅 较 增幅 ；在返青期至成熟期随生育期延后 较 、较 降温幅度呈增高趋势，较 则呈降低趋势；各生育阶段降温幅度均表现为 较 较 。增温、降温和常规麦田覆盖处理低于 天数为 ；增温、降温和常规麦田覆盖处理的降温效应天数为 ；各生育阶段各类麦田覆盖较露地的增温、降温效应表现为：越冬前各类麦田均呈现增温效应，返青至成熟期常规、降温麦田均呈现降温效应，越冬期至成熟期增温麦田则呈现降温效应；降温麦田、增温麦田较常规麦田分别增产 、；、分别较 、增产 、。各类麦田覆盖水分利用效率均低于其对照，其中 ，。该项研究为有效消减气温升高因子，探索和寻求降低地温的适应性栽培途径提供了理论与技术支撑。关键词地温；小麦；气候变化；秸秆覆盖小麦是中国的第二大粮食作物，在保障国家粮食安全中具有重要作用。近年来，随着气候变化特别是关键气象因子气温升高、降水量减少，小麦生产系统的脆弱性逐步凸现，其稳定性受到严峻挑战。特别是气温升高与降水量减少耦合造成小麦减产，同时由于气温升高麦田水分亏缺而导致病虫次生灾害的发生。因此，如何有效消减气温升高对小麦生产的不利影响，提出应对气候变化的适应性栽培途径，已成为小麦生产系统应对气候变化的重要课题。由于土壤温度与气温存在极显著正相关，因此，通过降低地温可能会有效缓解或消减气温对小麦生产系统的不利影响。在降低地温栽培途径中，以往研究表明，秸秆覆盖在不同生育阶段表现出不同的增温效应和降温效应，但总体表现为降温效应和增产效果。但这些研究多在常规栽培环境下开展的秸秆覆盖对地温及小麦产量的研究，而有关小麦生育期秋、冬、春季全天候增温情景下秸秆覆盖对麦田地温、产量及水分利用效率的研究较少。基于此，本项研究利用地温增温可间接反映气温增温 的研究成果，通过采用模拟增温降温设施（由地下隔水层和地上挡板、连接件组成）及方法 ，解析未来增温情景秸秆覆盖对不同生育阶段的麦田地温、产量及水分利用效率的影响，以期为应对气候变化探索和寻求新的适应性栽培途径。材料与方法 试验地区概况试验于 年在山西农业大学小麦研究所韩村（临汾市尧都区）基地进行。试验地点位于 ，海拔 ，年均降水量 ，年均气温 ，积温 ，积温 。试验年度小麦休闲期降水（月中下旬、月份）降雨 较常年（）少 ，小麦生育期（、月上旬）降水 较 常 年（）多 。试验年度气温秋季（、月）、冬季（、月）、春季（、月）分别较常年各季对应高 、，全生育 期 平 均 高 。小麦全生育期较常年降水偏多、平均气温偏高。试验材料试验所用小麦品种为 中麦 号；秸秆覆盖材料为玉米秸秆；气象数据远程监测系统（）由邯郸冀南新区盛炎电子科技有限公司生产；挡板为彩钢瓦。试验方法与处理 试验方法增降温设施修建于 ，包括地下隔水层和地上挡板及连接件组成。（）地下隔水层的修建 试验为避免增温麦田与降温麦田之间的土壤水分交换，在增温麦田与降温麦田之间设置隔水层膜，具体方法为：用挖掘机挖出宽 、东西长、深 的长方体深坑，其中 耕层土壤分放；用长（长方体深坑长）、宽 （长方体深坑深）的农膜将长方体深坑的南侧覆盖，随即将挖出的土方回填并夯实，其中分放的 耕层土壤最后回填。（）地上挡板和连接件的组装 挡板长 、宽（高）、厚 ，挡板竖直安装于隔水层南侧正上方，左右各延伸出长方体深坑。挡板南侧为增温麦田，北侧为降温麦田。连接件包括横梁、纵梁、固定桩、支撑杆、地锚等其他组件，通过连接件将挡板与地面固定。试验处理试验设计分类麦田，分别为增温麦田、降温麦田、常规麦田（与增、降温麦田相邻），每类麦田均设计秸秆覆盖（简称覆盖，下同）与露地个处理，即试验共设计个处理，具体为增温 麦 田 的 为 露 地（）、为 覆 盖（），降温麦田的为露地（）、为覆盖（），同样相邻于增、降温麦田的常规麦田有露地（）、覆盖（）；各类麦田的覆盖处理均于 覆盖玉米秸秆，覆盖量为 ；各处理于 播种，播种量为 万粒，各处理种植面积均为 （长 宽）。测定项目 试验地气温和各处理的 地温各处理气温（）测定：试验各处理设置在 范围内，各处理共用一个气温传感器，其距地面。各 处 理 地 温 测 定：增 温 麦 田 露 地（）、增温麦田覆盖（）、降温麦田露地（）、降温麦田覆盖（）处理测定点均在小区宽距挡板 、小区长 的交叉点，常规麦田露地（）、常规麦田覆盖（）处理测定点均在试验小区宽（）、长（）的中心点；测定时间为 至 ；气温（）、地温传感器每小时测定次。土壤贮水量、生长期耗水量和水分利用效率分别在播种前和成熟期用烘干称量法测定、各土层土壤质量含水率（），根据 计算土壤贮水量（）。式中：为土壤贮水量（），为土壤质量含水率（），为土层厚度（），为土壤体积质量（）。生长期耗水量（）。式中，为作物生长期耗水量（）；为小麦生长期总降雨量（）；为小麦播种时 土层土壤贮水量与小麦收获时 土层土壤贮水量之差（）。水分利用效率 。式中，为水分利用效率（）；为作物产量（），为生长期耗水量（）。产量成熟期各处理均收获（长 宽），单收单打，折算为公顷产量。数据处理生育时间划分与数据处理 依据当地多年小麦各生育阶段进程，划分为越冬前为 （其中 数据缺失）、越冬期为 、返青期至拔节期为 至 、拔节期至成熟期为 至 。对测定的期马爱平等：模拟增温、降温麦田秸秆覆盖对地温、产量和水分利用效率的影响地温、气温值以均值计为组，各处理的测定点自越冬前至成熟期地温、气温均获取 组数据，其中越冬前、越冬期、返青期至拔期、拔节期至成熟期分别获取、组数据。采用 和 平台操作系统进行数据处理分析。结果与分析 各类麦田覆盖对地温的影响 各类麦田覆盖对越冬前至成熟期地温增温降温幅度的影响由图、表看出，各类麦田覆盖对越冬前至成熟期地温增温降温幅度的影响不同。越冬前至成熟期，增温麦田较常规麦田日平均地温增幅 ，降温麦田较常规麦田日平均地温增幅 ；覆盖麦田较露地麦田日平均地温增幅 ；、较 分 别 日 平 均 地 温 增 幅 、；较 日平均地温增幅 ，较 日平 均 地 温 增 幅 ，日 平 均 地 温 增 幅 较 （）大 于 较 （），表明在未来增温情景下，实施覆盖其降温幅度提高。对越冬前至成熟期 、处理间的地温测定值进行配对值检验结果表明，与 、，与 间均存在极显著差异，表明该增温降温设施在越冬前至成熟期的各类麦田的露地处理具有较好的模拟增温、降温效果；与 、与 均存在极显著差异；与 存在极显著差异，表明在未来增温情景下覆盖对麦田地温的影响愈来愈大。图各类麦田覆盖下越冬前至成熟期的地温 表各类麦田覆盖越冬前至成熟期的地温差异性值检验 处理 注：“”“”表示两处理差异显著（）和极显著（），下同。：“”“”，各类麦田对各生育阶段增温降温幅度的影响由表、看出，各类麦田对各生育阶段增温降温幅度的影响不同。增温麦田较常规麦田在越冬前、越冬期、返青期至拔节期、拔节期至成熟期增温幅度分别为 、；降温麦田较常规麦田在越冬前、越冬期、返青期至拔节期、拔节期至成熟期增温幅度分别为 、；西北农业学报 卷表各类麦田覆盖下不同生育阶段地温增温降温幅度 生育阶段（日期）（）处理 增温麦田 降温麦田 常规麦田 越冬前（）日平均地温 各处理较 增幅 、分别较 、增幅 ，增温、降温麦田较常规麦田增幅 覆盖麦田较露地麦田增幅 越冬期（）日平均地温 各处理较 增幅 、分别较 、增幅 ，增温、降温麦田较常规麦田增幅 覆盖麦田较露地麦田增幅 返青期至拔节期（）日平均地温 各处理较 增幅 、分别较 、增幅 ，增温、降温麦田较常规麦田增幅 覆盖麦田较露地麦田增幅 拔节期至成熟期（）日平均地温 各处理较 增幅 、分别较 、增幅 ，增温、降温麦田较常规麦田增幅 覆盖麦田较露地麦田增幅 期马爱平等：模拟增温、降温麦田秸秆覆盖对地温、产量和水分利用效率的影响表各类麦田覆盖各生育阶段的地温差异性值检验 生育阶段（日期）（）处理 越冬前 （）越冬期 （）返青期至拔节期 （）拔节期至成熟期 （）增温麦田增温、降温麦田降温幅度均表现为越冬期最大，拔节期至成熟期最小。表明在未来增温情景下，麦田的增温时间区间主要在越冬期。各类麦田的不同生育阶段的露地处理间的 值检验均 存 在 极 显 著 差 异。与 和 、与 间均存在极显著差异。表明该增温降温设施在各个阶段的各类麦田的露地处理均具有较好的模拟增温、降温效果。覆盖麦田对各生育阶段增温降温幅度的影响由表、看出，覆盖麦田对各生育阶段增温降温幅度的影响不同。覆盖麦田在越冬前、越冬期、返青期至拔节期、拔节期至成熟期增温幅度分别为 、，表明越冬期增温幅度大于越冬前，返青期至成熟期随生育期延后降温幅度变小。各类麦田的不同生育阶段的覆盖处理间的 值检验差异性表现不同。越冬前、越冬期、拔节期至成熟期个阶段的各类麦田覆盖处理间均存在极显著差异，返青期至拔节期除 与 间不存在差异外，其他麦田覆盖间均存在极显著差异。表明在各个阶段的各类麦田的覆盖处理具有较好的增温、降温效果。各类麦田覆盖对各生育阶段增温降温幅度的影响由表、看出，各类麦田覆盖对各生育阶段增温降温幅度的影响不同。较 越冬前、越冬期、返青期至拔节期、拔节期至成熟期增 幅 分 别 为 、，返青期至成熟期随生育期延后其降温幅度呈增高趋势；较 越冬前、越冬期、返青期至拔节期、拔节期至成熟期增幅分别为 、，越冬期至成熟期随生育期延后降温幅度呈增高趋势；较 越冬前、越冬期、返青期至拔节期、拔节期至 成 熟 期 增 幅 分 别 为 、，返青期至成熟期随生育期延后其降温幅度呈降低趋势。表明各生育阶段降温幅度 较 大于 较 ，表明未来增温情景下，覆盖在各生育阶段均有较好的降温效果。各类麦田的覆盖与露地处理间 值检验的差异性在不同生育阶段表现不同。与 在越冬前、越冬期及拔节期至成熟期存在显西北农业学报 卷著或极显著差异；与 间在越冬期、返青期至拔节期、拔节期至成熟期均存在极显著差异；与 在返青期至拔节期、拔节期至成熟期均存在极显著差异。各类麦田覆盖对地温低于 天数的影响从表看出，各类麦田及其覆盖处理对地温低于天数的影响不同。低于天数各类麦田表现为降温麦田常规麦田增温麦田；同类麦田均呈现露地覆盖，其中 与 相差约，与 相差，而 与 相差约；以 处理低于 天数最少为，以 处理低于 天数最多为。最早出现低于 的为 处理，最晚结束低于的处理为 和 。处理地温在越冬期至返青期均在以上。各类麦田覆盖由增温效应至降温效应过程由图看出，各类麦田覆盖处理均出现了由增温效应转为降温效应的过程，但其出现降温效应的生育阶段不同。其中 较 、较 在越冬前、越冬期均表现增温，在返青期至拔节期、拔节期至成熟期均表现降温；而 较 只有在越冬前增温，在越冬期、返青期至拔节期、拔节至成熟期均呈现降温。、处理出现降温的时间节点段分别是月 日月 日、月 日月日、月 日月 日，较 出现降温约早，较 出现降温约早，较 出现降温约早。表各类