耕作方式對(duì)旱作農(nóng)田土壤水熱特性及夏玉米產(chǎn)量的影響

張俊麗，Sikander Khan Tanveer，薛 菁，鄒 宏，董曉梅，李 康，拜翊莎

(1.渭南市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心， 陜西渭南 714000；2.巴基斯坦國家農(nóng)業(yè)研究中心 小麥研究組，巴基斯坦 伊斯蘭堡 44000)

耕作方式對(duì)旱作農(nóng)田土壤水熱特性及夏玉米產(chǎn)量的影響

張俊麗1，Sikander Khan Tanveer2，薛 菁1，鄒 宏1，董曉梅1，李 康1，拜翊莎1

(1.渭南市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心， 陜西渭南 714000；2.巴基斯坦國家農(nóng)業(yè)研究中心 小麥研究組，巴基斯坦 伊斯蘭堡 44000)

設(shè)置田間定位試驗(yàn)，研究免耕(NT)、深松耕(DT)和旋耕(RT)對(duì)旱作玉米田土壤體積質(zhì)量、土壤水分、土壤溫度及夏玉米產(chǎn)量等的影響。2 a研究結(jié)果表明，采取耕作措施后，各處理土壤體積質(zhì)量差異主要集中在0～40 cm(P<0.05)，耕作前后40～60 cm土壤體積質(zhì)量差異不顯著(P>0.05)。耕作方式對(duì)土壤儲(chǔ)水量有明顯影響，其中，播種后0～50 d，深松耕和免耕處理0～100 cm土壤儲(chǔ)水量均高于旋耕；播種后70～120 d，3種耕作方式下土壤儲(chǔ)水量差異不顯著(P>0.05)。各耕作措施對(duì)土壤溫度的影響在作物生育前期(播種后0～30 d)表現(xiàn)明顯(P<0.05)，表現(xiàn)為旋耕玉米田土壤溫度高于免耕和深松耕，播種后50～120 d各處理間無顯著差異(P>0.05)。深松耕和旋耕處理玉米籽粒產(chǎn)量較免耕分別高3.35%和1.91%。結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益分析，免耕和深松耕凈收入較旋耕分別高138.48元/hm2和259.38元/hm2。因此，深松耕為旱作夏玉米田較適宜的耕作方式。

耕作方式；土壤水分；土壤溫度；產(chǎn)量；夏玉米

土壤是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，可提供植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的水分、氧氣、養(yǎng)分等[1]。耕作措施主要通過改善土壤水熱狀況而調(diào)控作物生長(zhǎng)發(fā)育[1-4]，適宜的耕作措施可協(xié)同調(diào)控土壤水、熱、氣、肥等因素，創(chuàng)造適宜作物生長(zhǎng)發(fā)育的優(yōu)良環(huán)境，進(jìn)而為作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)奠定基礎(chǔ)[4-6]。

國內(nèi)外對(duì)不同耕作方式下土壤理化性質(zhì)及土壤水分利用效率等的影響進(jìn)行了廣泛研究[7-13]，其中，黃明等[7]研究表明，在豫西旱作條件下，免耕覆蓋和深松耕覆蓋能顯著提高土壤含水量，減輕旱區(qū)作物生長(zhǎng)后期干旱脅迫，改善作物生長(zhǎng)環(huán)境，從而在一定程度上改善作物產(chǎn)量構(gòu)成因素。許迪等[8]對(duì)華北地區(qū)不同耕作方式下土壤水分動(dòng)態(tài)變化及夏玉米產(chǎn)量的研究表明，耕作措施主要影響耕層土壤水分，尤其是在作物苗期階段；Hillel等[12]、Hatfield等[13]、Barlow等[14]研究顯示，免耕具有較好的蓄水保墑效果，深松耕能有效打破犁地層，改善耕層底部土壤環(huán)境，促進(jìn)作物根系吸取水分和養(yǎng)分，利于作物產(chǎn)量提高；耕作措施對(duì)土壤水分的影響隨作物生育期推進(jìn)而減弱[8-10,12-13]。上述研究多集中在冬小麥和春玉米等作物上，針對(duì)夏玉米展開的研究較少[8]，而夏玉米為中國西北地區(qū)“壓夏擴(kuò)秋”的重要糧食作物，研究提高夏玉米產(chǎn)量的農(nóng)田管理措施對(duì)解決糧食安全問題有積極意義。當(dāng)前，探討耕作措施對(duì)夏玉米田土壤水熱特性、產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的影響較少，且試驗(yàn)區(qū)屬黃土高原半濕潤易干旱區(qū)，年際內(nèi)降雨不均，集中分布在夏玉米生長(zhǎng)季(6～9月)，且降雨季節(jié)強(qiáng)蒸發(fā)、高溫炎熱相疊合，使該地區(qū)土壤表現(xiàn)出獨(dú)特的特征。因此，本試驗(yàn)立足旱作農(nóng)田，探討不同耕作方式對(duì)夏玉米田土壤水熱氣及夏玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響，研究結(jié)果可為該區(qū)域制定合理有效的農(nóng)田管理措施提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2010年6月至2011年10月在西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗(yàn)田(108°10′E， 34°21′N)進(jìn)行。該區(qū)域海拔約520 m，2000-2010年10 a年均降雨量為602.45 mm，且集中在夏玉米生長(zhǎng)季(6～9月，圖1)，年均溫12～14 ℃，年均日照時(shí)數(shù)2 196 h。

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理，分別為免耕(NT)、深松耕(DT)和旋耕(RT)，每處理3次重復(fù)，為便于機(jī)械耕作，采用條區(qū)設(shè)計(jì)，田間布局見圖2。免耕：冬小麥?zhǔn)斋@后，為保證出苗，旋耕機(jī)淺旋土壤表層，耕深0～5 cm；深松耕：冬小麥?zhǔn)斋@后，深松機(jī)(西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院研制)耕作，耕深30～35 cm；旋耕：冬小麥?zhǔn)斋@后，旋耕機(jī)耕作，耕深15～20 cm。硬茬播種機(jī)播種，供試夏玉米品種為‘巡天19號(hào)’，2 a均于6月20日播種，10月15日收獲，播種量90 kg/hm2，行距60 cm，株距24 cm。小區(qū)面積25 m×30 m=750 m2，底肥施尿素[w(N)=46%]375 kg/hm2、磷酸二銨[w(P2O5)=46%]375 kg/hm2。整個(gè)生育期不灌水，為旱作。

圖1 夏玉米生長(zhǎng)季降雨量Fig.1 Rainfall of summer maize during growth period

圖2 田間布局圖Fig.2 Test layout

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 土壤體積質(zhì)量 采用環(huán)刀法測(cè)定土壤體積質(zhì)量。

1.2.2 土壤水分 采用烘干稱量法測(cè)定0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm土壤質(zhì)量含水量。于播種前和夏玉米關(guān)鍵生育時(shí)期測(cè)定。3次重復(fù)。

土壤儲(chǔ)水量計(jì)算公式：

W=∑(△θi×ρi×hi) 式中，W為土壤儲(chǔ)水量(mm)；Δθi為第i層土壤質(zhì)量含水量(%)；ρi為第i層土壤體積質(zhì)量(g/cm3)；hi為第i層土壤厚度(mm)。

1.2.3 土壤溫度 采用曲管地溫計(jì)測(cè)定5、10、15和20 cm土壤溫度。每小區(qū)埋設(shè)3套地溫計(jì)作為3次重復(fù)。

1.3.4 產(chǎn)量和水分利用效率 收獲時(shí)，各小區(qū)均取連續(xù)2行測(cè)產(chǎn)(每行行距60 cm，長(zhǎng)5 m)，測(cè)產(chǎn)樣方面積為6 m2(2×0.6 m×5 m)。根據(jù)宋振偉等[4]方法計(jì)算產(chǎn)量。

土壤水分利用效率計(jì)算公式：WUE=Y/ET；ET=Ws+P-Wh

式中，WUE為土壤水分利用效率[kg/(hm2·mm)]；Y為玉米產(chǎn)量(kg/hm2)；ET為生育期內(nèi)土壤耗水量(mm)；Ws為播前土壤儲(chǔ)水量(mm)；P為生長(zhǎng)季降雨量(mm)；Wh為收獲后土壤儲(chǔ)水量(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和DPS 7.05軟件處理分析數(shù)據(jù)，Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤體積質(zhì)量

土壤體積質(zhì)量可反映土壤孔隙狀況、緊實(shí)程度等結(jié)構(gòu)性特征[9]。翻耕處理可降低土壤緊實(shí)度，增加土壤通透性，降低土壤體積質(zhì)量，而少免耕農(nóng)田土壤體積質(zhì)量則相對(duì)增加[10]。由表1可知，采取耕作處理后，3個(gè)處理間土壤體積質(zhì)量差異主要集中在0～40 cm，RT和DT處理0～40 cm土壤體積質(zhì)量明顯低于NT(P<0.05)；DT處理0～20 cm土壤體積質(zhì)量顯著高于RT，20～40 cm 低于RT，但差異不顯著(P>0.05)；3種處理耕作前后40～60 cm土壤體積質(zhì)量變化不明顯(P>0.05)。隨作物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程推進(jìn)，各處理間差異逐漸縮小，至收獲期，DT、NT和RT 3處理間土壤體積質(zhì)量差異均不顯著(P>0.05)。

表1 耕作前后土壤體積質(zhì)量變化Table 1 Soil buck density before and after tillage g/cm3

注：同列同土層數(shù)據(jù)后的不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note:Different lowercase letters after the same column and soil layer mean significant difference(P<0.05).

2.2 土壤水熱特征分析

2.2.1 土壤水分變化特征 不同耕作方式下土壤儲(chǔ)水量存在差異(圖3)。播種后0～50 d，RT處理0～100 cm土壤儲(chǔ)水量低于DT和NT，2010年播種當(dāng)天，RT處理土壤儲(chǔ)水量較DT和NT分別低7.32(4.51%)和8.36 mm(5.51%)，2011年則較DT和NT分別低5.42 mm(4.36%)和11.99 mm(5.15%)，差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。說明， DT、NT 2種少免耕措施有一定的保墑蓄水作用，并且試驗(yàn)區(qū)夏玉米生長(zhǎng)季氣溫高，土壤水分蒸發(fā)量大，導(dǎo)致旋耕處理土壤水分流失嚴(yán)重。隨后，不同處理間土壤儲(chǔ)水量差異逐漸減小，至播種后70 d，3種處理下土壤儲(chǔ)水量差異不顯著(P>0.05)。2010年全生育期，DT和NT土壤儲(chǔ)水總量分別較RT高14.27 mm和30.03 mm，2011年則分別為20.49 mm和38.86 mm?？傮w上，NT處理對(duì)土壤擾動(dòng)較輕，播種后0～50 d土壤儲(chǔ)水量持續(xù)高于其他處理；而DT和RT對(duì)土壤進(jìn)行耕翻，有助于水分下滲，播種50 d后，土壤儲(chǔ)水量增加，呈現(xiàn)出較好的蓄水效果。

降雨年型不同土壤儲(chǔ)水量也存在差異。2010年夏玉米生長(zhǎng)季有496.0 mm降雨， NT和DT土壤儲(chǔ)水量分別較RT增加8.73%和15.63%；2011年夏玉米生長(zhǎng)季有696.4 mm降雨， NT和DT土壤儲(chǔ)水量分別較RT增加9.47%和16.92%。2010年，播種后0～20 d降雨稀少，土壤水分不足，作物通過消耗土壤水滿足蒸騰需求，播種20 d后降雨明顯增加，因此，播種50 d后土壤儲(chǔ)水量開始增加，播種后70～120 d土壤儲(chǔ)水量均保持相對(duì)較高水平；2011年，播種后0～20 d有少量降雨，開花期(播種后90 d)有集中降雨，因此2011年播種后0～20 d、播種后90～120 d土壤儲(chǔ)水量顯著高于2010年，而播種后50～70 d土壤儲(chǔ)水量顯著低于2010年。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05) The different lowercase letters mean significant difference(P<0.05)

2.2.2 土壤溫度變化特征 2010-2011年夏玉米生長(zhǎng)季，土壤溫度變化趨勢(shì)與日均溫一致，不同處理對(duì)土壤溫度的影響在玉米生育前期(播種后0～30 d)表現(xiàn)明顯，后期(播種后50～120 d)差異逐漸縮小(表2)。播種后0～30 d，不同處理對(duì)5 cm土壤溫度影響有明顯差異(表3)，2010年，播種后0～30 d，各處理土壤溫度均值表現(xiàn)為RT(27.2 ℃)>DT(27.1 ℃)>NT(26.7 ℃)，RT和DT處理5 cm土壤溫度差異均不顯著(P>0.05)；2011年則為RT(27.3 ℃)>DT(27.2 ℃)>NT(26.7 ℃)，播種后0～9 d RT和DT處理5 cm 土壤溫度差異顯著(P<0.05)，播種后11～30 d差異則不顯著(P>0.05)。播種后50～120 d，3種耕作方式下5 cm土壤溫度無顯著差異(P>0.05)。從垂直變化來看，各處理土壤平均溫度隨土層深度增加而逐漸減弱，總體上表現(xiàn)為RT和DT高于NT，但整個(gè)生長(zhǎng)季各處理20 cm土壤溫度差異均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。

表2 播種后0～30 d不同耕作處理下5 cm土壤溫度Table 2 Mean daily temperature at 5 cm soil depthunder different treatments ℃

注：同行數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。表3同。

Note:Different lowercase letters after same rows mean significant difference(P<0.05). The same as table 3.

2.3 產(chǎn)量和水分利用效率

由表3可知，2 a試驗(yàn)期間，RT處理玉米籽粒產(chǎn)量均高于DT和NT，2 a均值表現(xiàn)為RT(9 854.68 kg/hm2)>DT(9 716.79 kg/hm2)> NT(9 534.98 kg/hm2)。其中，2010年RT產(chǎn)量分別較DT和NT高67.80 kg/hm2(6.97%)和446.1 kg/hm2(4.77%)， 2011年則分別高207.97 kg/hm2(2.14%)和193.30 kg/hm2(1.99%)。深松耕處理夏玉米產(chǎn)量較高主要是因?yàn)樵撎幚硐掠衩姿肓?shù)增加。年際間夏玉米產(chǎn)量不同，主要與降雨和光熱條件有關(guān)，氣溫和降雨均較高的2011年NT處理的玉米產(chǎn)量顯著高于2010年。

2 a試驗(yàn)期間，各處理土壤水分利用效率為24.053～25.103 [kg/(hm2·mm)]，15.273～15.697 [kg/(hm2·mm)]。土壤水分利用效率均值為RT 20.400 [kg/(hm2·mm)]>DT 20.056 [kg/(hm2·mm)]>NT 19.721 [kg/(hm2·mm)]，與產(chǎn)量排序一致。年際間，2011年各處理土壤水分利用效率顯著低于2010年，這主要是受生長(zhǎng)季內(nèi)降雨量的影響。

表3 夏玉米產(chǎn)量及土壤水分利用效率Table 3 Grain yield of summer maize and water use efficiency

2.4 經(jīng)濟(jì)效益

分析經(jīng)濟(jì)效益可知，NT和DT 2種少免耕減少了人工投入和機(jī)械作業(yè)投入，表現(xiàn)為凈收入增加。由表4可知， NT和DT處理的投入成本分別較RT少480元/hm2和650元/hm2，其中，NT處理因?qū)ν寥罃_動(dòng)輕，田間雜草及前茬作物冬小麥有明顯生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，使得除草劑成本比其他2個(gè)處理高30元/hm2。另外，由表4可知，2 a試驗(yàn)期間，各處理投入成本表現(xiàn)為RT>DT>NT，產(chǎn)出表現(xiàn)為RT>DT>NT， NT和DT玉米田的凈收入分別較RT高138.48元/hm2和259.38元/hm2。NT和DT產(chǎn)投比分別比RT高1.18和0.87；凈收入表現(xiàn)為DT>NT>RT，其中，NT和DT處理玉米田凈收入分別較RT高1.09%和2.04%。

表4 不同耕作方式下夏玉米田投入和產(chǎn)出分析Table 4 Input and output of maize production under different systems

注：種子價(jià)格為1.60元/kg，勞力成本為每人每天40元。產(chǎn)量為2010～2011年作物產(chǎn)量平均值。

Note:Seed price was 1.60 yuan/kg;labor cost was 40 yuan per person per day. Yields were the mean value of 2010-2011.

3 結(jié)論與討論

耕作措施通過改善土壤物理結(jié)構(gòu)，影響土壤持水性能，且在作物苗期表現(xiàn)較明顯[1,4,8]。不采取耕作措施，減少對(duì)土壤的擾動(dòng)，降低土壤蒸發(fā)，可以暫時(shí)保墑，為玉米出苗和前期生長(zhǎng)創(chuàng)造有利條件[4]；免耕處理土壤儲(chǔ)水量高于耕翻處理，尤其在作物生育前期免耕蓄水保墑效果較好，主要是因?yàn)槊飧催M(jìn)行耕翻，表土水分損失較小，而耕翻處理有效增加土壤與空氣的接觸面積，提高了土壤透氣性，底墑?wù)舭l(fā)多，土壤儲(chǔ)水量下降[1,11]；耕翻可減少地表徑流，可有效增加土壤與雨水的接觸，提高下滲速度與下滲量，使土壤儲(chǔ)水量增加[4]；付國占等[1]在華北地區(qū)的研究顯示，耕翻后農(nóng)田土壤水分損耗較大，不利于作物出苗；另外，黃明等[7]和許迪等[8]研究顯示，免耕因犁地層存在，不利于水分下滲，而深松耕耕作程度較大，能有效打破犁地層，提高土壤蓄水量，且深松耕后農(nóng)田土壤松緊適宜，作物植根環(huán)境良好且土壤水、熱、氣能得到有效協(xié)調(diào)，利于作物生長(zhǎng)發(fā)育。不同耕作處理間土壤儲(chǔ)水量在作物生長(zhǎng)后期逐漸縮小，這主要與土壤固結(jié)沉降作用和作物植被覆蓋率增加有關(guān)[4]。

除土壤水分外，溫度是影響玉米產(chǎn)量的另一重要因素[4]。與土壤水分比較，土壤顆粒熱容量低，熱傳導(dǎo)率較高，導(dǎo)致水分含量較低土壤的溫度變化幅度較大[4,12]。玉米是喜溫作物，對(duì)溫度反應(yīng)較為敏感，即使是1 ℃的差異也會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育造成明顯影響[13-14]。本研究顯示，耕作措施對(duì)夏玉米生育前期土壤溫度影響較大，2010年播種后0～30 d，旋耕和深松耕農(nóng)田5 cm土壤溫度分別較免耕提高0.5 ℃和0.4 ℃，2011年同時(shí)期則分別提高0.8 ℃和0.5 ℃。Hatfield等[13]研究表明，免耕可暫時(shí)保墑，但會(huì)降低作物生育前期土壤溫度，影響作物生長(zhǎng)發(fā)育。拔節(jié)期后，隨植物生長(zhǎng)發(fā)育，植物地表植被遮蔽程度增加，太陽輻射對(duì)土壤影響減弱，不同耕作處理下土壤平均溫度的差異逐漸減小[4]。

本研究中，旋耕玉米田土壤儲(chǔ)水量低于免耕和深松耕，而土壤溫度略高免耕和深松耕，且作物產(chǎn)量與土壤溫度變化趨勢(shì)一致，均表現(xiàn)為旋耕>深松耕>免耕。這可能是因?yàn)樵囼?yàn)區(qū)夏玉米生長(zhǎng)季降雨豐富，土壤水分充沛，在一定程度上土壤溫度表現(xiàn)為增產(chǎn)的限制因素，玉米產(chǎn)量對(duì)土壤溫度的響應(yīng)更靈敏；并且耕翻措施能有效改善土壤物理特性，促進(jìn)根系延伸，汲取水分和營養(yǎng)，助于作物高產(chǎn)[1]。李榮等[15]研究顯示，旱作條件下，合理的耕作措施在降雨相對(duì)較少年份的增產(chǎn)效果高于降雨較多年份，這與本研究條件下降雨相對(duì)較少的2010年深松耕和旋耕較免耕分別增產(chǎn)4.04%和4.77%的結(jié)論一致。結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益分析，深松耕和免耕凈收入較旋耕分別高259.38元/hm2和138.48元/hm2。說明，深松耕有利于土壤水分下滲，增加玉米中后期土壤儲(chǔ)水量，且可適度增加玉米苗期土壤溫度，促進(jìn)玉米發(fā)育，籽粒產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益均高于相同試驗(yàn)條件下的旋耕和免耕，即深松耕為旱作夏玉米田較適宜的耕作方式。

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EffectsofDifferentTillageSystemsonSoilTemperatureandMoistureinDrylandFieldandSummerMaizeYield

ZHANG Junli1, Sikander Khan Tanveer2, XUE Jing1, ZOU Hong1,DONG Xiaomei1, LI Kang1and BAI Yisha1

(1.Weinan Center for Agricultral Technology Extension,Weinan Shaanxi 714000, China;2.Wheat Program of National Agricultural Research Center, Islamabad 44000,Pakistan)

A comparative study were conducted from 2010 and 2011 in dryland area of Loess Plateau in China for investigating the effect of different tillage systems including deep tillage(DT),no tillage(NT) and rotary tillage(RT) on soil bulk density, soil temperature, soil moisture as well as summer maize yield after tillage practices, the results of two years studies indicated that differences of soil volume mass in various treatments were mainly concentrated in the profile 0-40 cm while differences in the profile of 40-60 cm were not statistically significant. It is suggested that tillage management had a obvious effect on soil water storage.0-50 days after sowing (DAS), soil water storage of 0-100 cm under DT and NT treatments was higher than that of RT treatment; for 70-120 DAS, the difference of soil water storage under three tillage practices failed to reach significant level. The effect of tillage practice on soil temperature was significant at earlier stage (0-30 DAS), and it showed RT treated soil temperature was higher than that of DT and NT treatment, while the disparity of various treatments was not obtained statistically significant level at late stage (50-120 DAS). The grain yield of maize treated by DT and RT was 3.35% and 1.91% higher than that of NT, respectively. Combining with economic benefits analysis, the net income of DT and NT was 259.38 yuan/hm2and 138.48 yuan/hm-2higher than that of RT. Consequently, deep tillage was an appropriate tillage practice for summer maize.

Tillage system; Soil moisture; Soil temperature; Yield; Summer maize

2017-04-10

2017-05-05

ZHANG Junli, female，Ph.D. Research area:high-efficiency farming system and agro ecology.E-mail:junlizhang2011@163.com

S157

A

1004-1389(2017)10-1446-07

日期：2017-10-18

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20171018.1733.010.html

2017-04-10

2017-05-05

張俊麗，女，博士，研究方向?yàn)楦咝мr(nóng)作制度和農(nóng)業(yè)生態(tài)。E-mail:junlizhang2011@163.com

(責(zé)任編輯：成敏Responsibleeditor:CHENGMin)