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, 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, 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, 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, 10, 11, 12]}，截止2013年该模式在甘肃省种植面积已累计超过15万hm^{2[13, 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, 9, 10, 11, 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。

试验于2011—2013年在甘肃省农业科学院定西试验站(104°36′ E,35°35′ N)进行。该区海拔1970 m，年平均气温6.2℃,年辐射总量5 898 MJ/m²，年日照时数2 500 h，≥10 ℃积温2 075.1℃，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℃，平均为8—10℃(图 1)，而小麦种子发芽出苗的最适温度是15—20℃，根系生长最适温度为16—20℃。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 2011—2013试验区全年降水分布和日平均气温图 Fig. 1 Distribution of rainfall and average air temperature in test areas from 2011 to 2013

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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×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±2)粒，行距为20 cm，穴距为13 cm。各处理施肥量均为N 150 kg/hm²，P₂O₅ 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。

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。

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：

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。

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。

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℃。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℃，但增温幅度明显小于孕穗前。

图 2 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 Effects of different mulching modes on soil average temperature from 0 to 25 cm during wheat growth period (S1: 二渡河(N27°27′20.7″，E110°53′40.9″)，S2: 河流入库口(N27°26′58.8″，E110°53′38.2″)，S3: 库尾(N27°26′22.8″，E110°53′44.5″)，S4: 水库中心(N27°25′04.9″，E110°53′34.9″)，S5: 库区内(N27°24′06.0″，E110°53′23.3″)，S6: 主库区渡口(N27°23′21.0″，E110°54′19.5″)，S7: 水库大坝(N27°22′29.2″，E110°55′21.5″))

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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℃；2012年FMS比CK分别高1.3、1.3、1.5、1.9、1.8和1.5℃。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℃；2012年FMS比CK分别高0.7、0.8、0.8、0.7、0.4和0.7℃，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。

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℃；从孕穗到灌浆初期，FMS 在14:00的地表地温比CK低3.1—4.3℃，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℃，其余各层在各时段地温均略高于CK。

图 3 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 Effects of different mulching modes on soil temperature of every layer at different stages

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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℃，孕穗到灌浆初期低5.3—6.4℃，灌浆到成熟期低2.6—2.9℃。

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。

图 4 不同覆盖方式春小麦田0—200 cm 土壤贮水量季节变化 Fig. 4 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

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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。

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—145.5%，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 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 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-BF：FM播前Before sowing of FM； FMS-BF： FMS播前Before sowing of FMS； CK-BF： CK播前Before sowing of CK； FM-HA： FM收后After harvesting of FM； FMS-HA： FMS收后After harvesting of FMS； CK-HA： CK收后After harvesting of CK

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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34.1 mm，两个覆膜处理与CK之间差异显著。

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 不同覆盖方式对小麦耗水量的影响 Fig. 6 Effects of different mulching modes on evaportranspiration of wheat

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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52.6%，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 不同覆盖方式对休闲期降水休闲效率的影响 Fig. 7 Effects of different mulching modes on rainwater fallow efficiency

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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39.5%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 kg/hm²，FM产量为1610 kg/hm²，分别比CK高40.4%和16.2%，其中，FMS 和CK到显著差异。

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10.5%。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 不同覆盖方式对小麦产量的影响 Fig. 8 Effects of different mulching modes on yield

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图 9 不同覆盖方式对小麦水分利用效率的影响 Fig. 9 Effects of different mulching modes on WUE

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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”型变化趋势^{[15, 16, 17, 18, 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, 16, 17, 18, 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℃，比CK降低3.1—4.3℃。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%—109.5%)，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。