地膜覆盖是西北旱作农业的主要技术^{[1, 2, 3, 4, 5]}，大量实践证明其在年降水量200—650 mm的地区可使小麦等作物增产30%左右^{[1, 2, 3, 6, 7]}。保墒通常被认为是旱作区地膜覆盖能大幅度增产的最直接原因^{[2, 3]}。研究认为^[8]，地膜覆盖由于抑制了土壤水分的蒸发损失，较露地栽培可增加土壤贮水量30%、降低蒸散量50%、减少水分亏缺15%以上。

但随着研究的深入，发现覆膜除保墒作用外，还具有集雨提墒、提高土壤深层用水比例等效应^{[9, 10, 11, 12, 13, 14, 15]}。廖允成等研究表明^[16]，在夏闲期采用地膜和秸秆两元覆盖技术，可将夏闲期降水的73.2%蓄积于土壤之中，0—200 cm土层较传统耕法多蓄水108.4 mm。其后采用垄膜沟播技术种植小麦，可最大限度地截留生育期降水，明显改善旱地小麦的水分状况^{[11, 16, 17]}。覆膜首先会明显提高耕层土壤含水量^{[18, 19]}。许多研究认为^{[8, 10, 15, 20, 21]}，覆膜通过抑制棵间蒸发，改变了耗水结构，提高了蒸腾/蒸发比，使得有限水分主要用于蒸腾性生产，利于产量形成。李儒等^[11]和王红丽等^[22]研究发现，覆膜前期降低蒸发、后期增加蒸腾，有利于干物质积累，促进水分消耗由物理过程向生理过程转化，从而提高水分利用效率。另有研究表明，覆膜在提高产量和水分利用效率同时，对土壤水分的消耗也同步增加。覆膜后不但作物全生育期0—200 cm土层总耗水量明显高于露地^{[18, 20, 23, 24]}，而且促进了对土壤深层水分的调用^{[18, 20, 23]}。Ramakrishna等^[21]和GAO等^[18]研究发现覆膜促进根系下扎，作物对140 cm以下土层水分的调用明显加强。有研究发现^{[10, 25, 26]}，覆膜前期的旺盛生长会导致后期供水不足，引起脱水脱肥，导致早衰甚至减产。在玉米上研究发现^{[22, 27, 28]}，随地膜覆盖种植年限的增加，地膜玉米的耗水深度下移，连续覆膜种植会因耗水过度、土壤水分短时难以补充平衡而形成干化层，影响持续生产。

地膜覆盖在20世纪80年代开始应用于小麦，发展到目前已形成了多种覆膜种植方式。覆膜对土壤水分的影响因覆膜方式、覆膜时期、作物种类、当地气候条件和作物生长季节等的不同而有很大差异。覆膜引起的土壤水分变化是否有利作物生长或高产、或对作物持续生产有无影响，也要视具体情况而定，不能一概而论。西北黄土高原半干旱雨养农业区不仅水温条件较差、而且大陆性气候强烈，大气和土壤下垫面的水温交换剧烈，气候生态条件特殊，因此不同覆膜种植技术的水温效应、以及对小麦生长和产量形成的影响可能与其它旱作区有较大差异。但目前在西北黄土高原半干旱雨养生态生产条件下，冬小麦不同覆膜种植方式间关于水分利用比较方面的研究报道较少，现有的地膜小麦研究大多针对个别生育时期、个别土层，缺乏土壤耗水特征、休闲期土壤水分补充、耗水与生长和产量形成的相关、对下茬土壤供水和可持续生产影响方面的研究。因此，本研究采用3种旱地小麦生产上应用面积较大、有代表性的覆膜种植方式，以传统无覆盖露地种植为对照，开展了对土壤水分利用、生长与产量、耗水与土壤水分恢复等方面的比较研究，研究结果将为揭示覆膜增产机理、改进技术、筛选适宜的覆膜种植方式、指导生产应用提供依据。

试验于2008—2010年在甘肃农业大学定西旱农生态综合试验站实施。该区海拔1970 m，年日照时数2476.6 h，年均温6.4℃，≥10℃积温2239.1℃，年降水量390.9 mm(表 1)，年蒸发量1531 mm，为黄土高原西部典型的半干旱雨养农业区。试区土壤为典型的黄绵土，土层深厚，土壤质地较均匀，0—200 cm土层平均容重为1.25 g/cm³。

1 970—2010年40a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；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 mm和193.4 mm，5 mm以上有效降水分别为143.6 mm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 mm和80.4 mm，有效降水分别为211.9 mm和60.7 mm。2008—2009生长季，冬小麦返青前降水趋于多年均值，但3—6月降水较常年同期偏少40.6%，冬小麦生长后期受旱较重。2009—2010生长季，冬小麦播种至返青阶段降水只有50.2 mm，比上一年度同期降水偏少53.9%，造成冬小麦返青前受旱较重。

试验共设4个处理，其中地膜覆盖处理3个(PSB、PB、RPR)，以无覆盖露地条播为对照(CK)。小区面积24 m²(3 m×8 m)，5次重复，随机区组排列。

全膜覆土穴播种植(PSB)：全地面平作覆膜，膜面覆土1 cm，穴播，行距20 cm，穴距15 cm，每穴8粒种子，每小区种15行。

全膜穴播种植(PB)：全地面平作覆膜，膜上不覆土，种植行距、穴距、穴播量等同PSB。

垄膜沟播种植(RPR)：秋播前起垄，垄底宽30 cm，垄高5—10 cm，两垄底间距30 cm，垄面覆膜，每垄沟条播2行，2行间距24 cm，各行距离垄底3 cm，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PSB继续保留覆膜，PB和RPR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/hm²。第1生长季各处理播前将充分腐熟的牛粪4500 kg/hm²、纯氮105 kg/hm²，磷(P₂O₅)105 kg/hm²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)在小麦播种期、开花期、完熟期及休闲期，各小区分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，用烘干法测定土壤含水量：

(2)土壤贮水量、作物耗水量及水分利用效率计算

土壤贮水量计算公式为^[11]：

式中,W为土壤贮水量(mm)；h土层深度(cm)；ρ为土壤容重(g/cm³)，本试验各土层ρ平均为1.25 g/cm³；ω%为土壤含水量。

农田耗水量计算公式为^[11]：

式中,ET为小麦生育期农田总耗水量(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分别为播前和收获时的土壤贮水量(mm)。本试验无灌溉条件，地下水位在10 m以下，冬小麦生育期无地表径流，故I、D、Wg和R可忽略不计。

(3)水分利用效率及休闲效率计算

式中^[11]，WUE为水分利用效率(kg hm^-2 mm^-1)，Y为籽粒产量(kg/hm²)，ET为小麦生育期总耗水量(mm)。

休闲效率(%)=(休闲期结束时土壤贮水量－上季收获时土壤贮水量)/休闲期降水量×100%。

在开花期和收获期采集植物样品，每小区随机选取3个采样点，每点取20株，沿根茎结合处剪去根系后，同一小区3个样点混合，作为一个分析样品，现场称取鲜重。称取鲜重后，在120℃下杀青30 min，80℃烘干至恒重，称量干重。冬小麦产量数据采用全区收获法确定，现场称鲜重，取样测定含水量后计算烘干重。小麦开花期的生物量，收获期的生物量和产量均采用烘干重表示。植株含水量(%)=(植株鲜重－植株干重)/植株鲜重×100%。

总投入包括化学肥料投入、种子、农药、地膜、人工投入，还有播种、耕作处理的机械投入。

数据采用Excel软件处理、SPSS 20.0软件进行统计分析，采用LSD法进行差异显著性检验，显著性水平设定为α=0.05。

从表 2可见，地膜覆盖较无覆盖(CK)显著提高了冬小麦籽粒产量和生物产量，但收获指数却低于CK，处理间上述指标存在显著差异。以PB的籽粒产量和生物产量最高，但收获指数最低。

覆膜首先影响营养生长，覆膜较CK生物产量提高幅度远大于籽粒产量提高幅度。2008—2009年覆膜平均较CK籽粒单产提高49.4%(39.3%—64.4%)，生物产量提高63.2%(50.7%—86.5%)，收获指数降低8.2%(4.1%—11.9%)。2009—2010年度趋势与2008—2009年度相似，覆膜平均较CK增产53.2%(37.0%—79.1%)，生物产量提高72.1%(52.8%—108.3%)，收获指数降低10.6%(6.1%—14.0%)。

两年度单位面积穗数、穗粒数、千粒重的处理间变异系数依次为：28.3%—28.9%、13.7%—15.3%、1.7%—3.9%，表明处理间产量差异主要由穗数差异引起，其次为穗粒数，而千粒重处理间差异较小或较稳定。

两年相关分析表明，籽粒产量与生物产量呈极显著正相关(r=0.992^{* *}—0.995^{* *})，收获指数与产量(r=-0.943^*—0.946^*)、生物产量(r=-0.959^*—-0.963^*)均呈显著负相关。表明籽粒高产建立在高生长量基础上，但随着生物产量提高，收获指数下降，生长冗余相应提高。以PB生长量最大、但生长冗余最多，以CK生长量最小，但收获指数最高、生长冗余最小，表明露地在土壤更加干旱时，反而会促进干物质向籽粒的转移。RPR生物产量虽然高于PSB，但籽粒产量、收获指数均低于PSB，是一种籽粒生产效率较低的覆膜种植方式。

覆膜的高产和高生长量建立在高耗水基础上。两年度覆膜处理的单位面积籽粒产量、收获期生物产量不仅显著高于CK(表 2)，而且生育期耗水量、水分利用效率(WUE)也显著高于CK(表 3)。由于覆膜耗水较多，因此开花期和收获期的土壤贮水量各覆膜处理都显著低于CK。两年相关分析表明，产量与耗水量(r=0.952^*—0.958^*)、WUE(r=0.930^*—0.935^*)显著正相关，收获期生物产量也与耗水量(r=0.957^*—0.973^*)、WUE(r=0.900^*—0.926^*)显著正相关，而耗水量与WUE(r=0.650—0.798)相关未达到显著水平。

两年度籽粒产量、收获期生物产量、耗水量的变异系数分别为19.7%—23.2%、24.2%—28.7%、13.4%—15.0%，表明旱地小麦对水分敏感，耗水量较小的差异就可引起产量和生长量的较大差异。

开花期是营养器官生长量达到最大的时期，也是气温最高、耗水强度最大的时期。从表 3可见，开花期干物质积累量、植株含水量覆膜明显高于CK，但由于高生长伴随着高耗水，开花期土壤贮水量明显低于CK。2008—2009年，覆膜处理平均较CK开花期干物质积累量提高69.9%(57.0%—89.9%)，植株含水量提高8.0%(5.8%—11.4%)，但0—200 cm土壤贮水量降低14.9%(9.8%—19.0%)。2009—2010年度的差异趋势与上年度相同，覆膜处理平均较CK开花期干物质积累量提高151.6%(132.8%—184.4%)，植株含水量提高10.1%(7.0%—14.4%)，土壤贮水量降低9.6%(4.1%—19.6%)。3种覆膜方式间比较，两年度虽然PB开花期生长量均最大、但由于生长耗水过度、开花期土壤水分状况最差，而PSB的植株和土壤水分状况均好于其它两种覆膜方式。

覆膜与CK间耗水量的差异远大于覆膜处理间的差异，同时，覆膜较CK耗水量提高幅度远高于WUE提高幅度。2008—2009年耗水量覆膜平均较CK高33.5%(32.7%—34.6%)，而覆膜处理间高低相差只有1.4%；2009—2010年耗水量覆膜平均较CK高34.1%(25.3%—44.9%)，而覆膜处理间高低相差只有15.6%。水分利用效率覆膜处理两年度则分别平均比CK提高11.8%(8.8%—22.1%)和14.3%(4.2%—24.0%)。

开花前的旺盛生长阶段的耗水量占生育期总耗水量的大部分，相应的有效降水也占全生育期总有效降水的大部分，耗水与降水比例基本吻合。2008—2009年开花前的耗水量和有效降水量分别为170.0、125.4 mm，耗水比例和有效降水比例分别为70.3%、87.3%。2009—2010年开花前耗水量和有效降水量分别为195.6、150.9 mm，耗水比例和有效降水比例分别为69.4%、71.2%。

覆膜的高耗水是否会造成下茬作物墒情的恶化、进而影响生产的可持续性，主要看下茬播前覆膜土壤水分是否能达到CK水平。从表 4可见，由于覆膜耗水较多，收获期0—200 cm土壤贮水量覆膜显著低于CK，2008—2009和2009—2010年覆膜平均分别比CK低64.7 mm(63.1—66.8 mm)、47.0 mm(36.2—60.4 mm)。但通过7—9月夏闲期土壤水分的补充恢复，2009和2010年秋播时0—200 cm土壤贮水量覆膜均超过CK，分别比CK高29.8 mm(20.9—40.7 mm)、22.8 mm(18.5—26.7 mm)，表明连续覆膜种植不会造成下茬墒情的恶化。

休闲效率是衡量夏闲期降水转化为土壤贮水的指标，休闲效率的高低主要与土壤蓄水保墒能力有关。从表 4可见，覆膜的休闲效率显著高于CK，2009年和2010年夏闲期覆膜的休闲效率分别较CK平均高出41.8和86.4个百分点，两年休闲效率均以PB最高。覆膜的休闲效率显著高于CK，显然与覆膜的保墒功能有直接关系。

比较上茬和下茬播种期土壤贮水，可以看出水分的周年平衡状况。上、下茬播种期土壤墒情的差异大小，不仅与各处理的生长季耗水量、蓄水保墒能力有关，也与年度间降水量差异有关。比较播种期0—200 cm土壤贮水量(表 4)，覆膜处理第二茬(2009年)平均高出第一茬(2008年)24.7 mm(15.8—35.6 mm)，而CK由于夏闲期土壤贮水补充量小，低于第一茬播种期5.1 mm，可见覆膜通过有效的蓄水保墒，更有利于维持年度间的水分平衡和可持续生产。

进一步比较2008年和2009年播种期不同土层水分差异(表 5)，虽然覆膜处理2009年播种期0—200 cm土壤贮水明显高于2008年，但主要是增加了0—150 cm的土壤贮水，而150—200 cm的土壤深层仍低于2008年，表明上茬和下茬间土壤水分的恢复平衡主要靠降水入渗补充。

覆膜栽培的种植效益远高于CK(表 6)。2008—2009年，PB、PSB和RPR的纯收益分别较CK高2208.6、1553.4和1471.8元/hm²。2009—2010年，PB、PSB和RPR的纯收益分别较CK高2262.4、3531.0和916.2元/hm²。第二茬PSB纯收益高于PB，主要是PSB可一次覆膜、两茬使用，因此成本大幅降低；两个生长季平均纯收益，以PSB最高、PB次之、RPR最低。

机械投入费用包括：机械覆膜、机械耕地等投入费用；其它投入包括：农药、种子等材料投入费用; 机械覆膜：375元/hm²，机械耕地：675元/hm²；肥料价格：磷酸二铵2.5元/kg，尿素1.6元/kg，小麦的市场价格为2.4元/kg

两个试验年度相比，虽然第一年度生育期有效降水降水量(143.6 mm)低于第二年度(211.9 mm)，但第一年度的产量、收获期生物产量和WUE平均分别明显高于第二年度18.8%、11.8%和39.3%。这主要有两个方面原因：第一，第二年度各处理均未施肥，可能影响了生长和产量；第二，与两年度降水和干旱发生的时段有关。第一年度播种-抽穗期有效降水量(105.4 mm)明显高于第二年度(85.2 mm)，因此第一年度前期供水状况较好，营养生长量较大，抽穗后干旱才开始凸显。而第二年度孕穗前受旱较重，虽然抽穗后降水较多，但前期干旱已经严重抑制了营养生长和分蘖成穗，导致穗数不足而减产。由此可见，旱地小麦前期干旱减产损失更大；从表 1可见，第二年各处理单位面积穗数较第一年度分别平均下降35.3%，而由于后期降水较多，穗粒数、千粒重反而分别平均提高11.9%和8.7%。

植株生长量和冠层蒸腾面积虽然第二年度小于第一年度，但各处理生育期耗水量均明显一致高于第一年度。生育期总耗水量第二年度平均高出第一年度17.0%(41.0 mm)，其中开花前平均多耗水25.6 mm，开花后多耗水15.4 mm，这与第二年度气温总体偏高、导致地温相应推高、加剧了植株蒸腾有关。第二年度返青-成熟期0—25 mm土壤温度平均高出第一年度3.0℃，其中返青-抽穗期平均高出3.8℃，开花－成熟期平均高出2.2℃。

国内外相关研究认为^{[2, 11, 17, 25]}，覆膜的高产建立在高耗水基础之上，本研究结论与之相符。但单纯的比较耗水量的意义有限，覆膜的真正作用在于其改变了土壤耗水结构，使得耗水主要用于蒸腾性生产^{[15, 21]}。全地面覆盖的PB和PSB的耗水几乎100%属于植株蒸腾耗水，考虑到PB和PSB穴孔和地膜破损，PB和PSB的植株蒸腾耗水比例估计可达95%。按照收获期生物产量估算WUE，第一和第二年度PB生物产量WUE最高，分别为40.5 kg hm^-2 mm^-1和30.9 kg hm^-2 mm^-1。若露地CK和半覆盖RPR的生物产量WUE与PB相同，则可推算出CK第一和第二年度的棵间蒸发(即土壤蒸发)耗水比例分别为31.4%和34.0%，推算结果与前人普遍研究结果接近(30%—40%)^[29]，同样可推算出半覆盖RPR两年度土壤蒸发耗水比例分别为21.5%和22.5%。RPR无覆膜种植带棵间蒸发耗水比例低于CK，可能与RPR种植带局部密植、冠层郁闭程度高于CK有关。冠层大小影响太阳辐射和气流交换、进而可能会降低影响土壤温度、减少土壤蒸发耗水。无论如何，以上推算仅仅是建立在简单假设基础上，不同种植方式间的耗水差异和影响因素的可能比想象的更复杂，例如水温互作、穴孔水分散失的边缘效应等因素对耗水量和耗水结构的影响如何，尚未可知。

本研究发现，覆膜在籽粒高产伴随高生物产量同时，生长冗余也增加，这和前人研究结果一致^{[30, 31, 32, 33]}。若覆膜处理达到CK的收获指数，可推算出两年度覆膜分别平均有362.6 kg/hm²和408.4 kg/hm²的生物产量可转化为籽粒产量，相应的，覆膜处理籽粒产量可在原基础上分别提高9.1%和12.0%，可见通过栽培和育种途径，削减覆膜生长冗余、实现增产的潜力较大。

比较3种覆膜方式的种植效益和农事操作难度，PSB可实现一次覆膜、多茬使用，节省购膜成本，操作简单，经济效益较高；PB容易造成苗与膜孔错位，掏苗费工费时，且地膜只能用1a，用膜成本高；RPR播种方便，但播种面积只占土地总面积一半，提高单位面积穗数较困难，同时植株局部拥挤，增产幅度较小，效益较低。综合考虑，PSB是一种高产高效、农事操作简单、适宜推广应用的覆膜种植方式。