耕作方式對河南小麥產(chǎn)量和水分利用效率影響的Meta分析

趙凱男,吳金芝,黃 明,李友軍,趙廣才,付國占,王春平,張振旺,侯園泉,楊中帥

(1.河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南洛陽 471023；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物生理生態(tài)重點實驗室，北京 100081)

河南作為我國小麥生產(chǎn)第一大省，其小麥種植面積和總產(chǎn)分別占全國總量的23%和27%以上[1]，因此提高河南小麥產(chǎn)量對鞏固我國糧食安全非常重要。然而，半干旱和半濕潤易旱區(qū)耕地面積占河南總耕地面積的60%以上[2]，且降雨量年際和季節(jié)間變化大，導(dǎo)致水資源短缺嚴(yán)重，并制約著河南小麥單產(chǎn)及總產(chǎn)的突破性提高[3]。研究表明，適宜的土壤耕作是打破水資源短缺限制、提高小麥產(chǎn)量和水分利用效率的有效途徑之一[4]。當(dāng)前在河南小麥生產(chǎn)中主要采用翻耕、旋耕、深松耕、免耕等耕作方式。作為常規(guī)耕作方式，翻耕的耕作深度為20～30 cm，具有疏松耕層、增加土壤孔隙度，翻埋雜草等多種優(yōu)點，但易導(dǎo)致土壤水分損失，加劇土壤有機質(zhì)礦化，在土壤肥力保持和作物生產(chǎn)中的負(fù)面作用正日益凸顯[5-6]。旋耕具有簡化作業(yè)步驟、降低耕作成本的優(yōu)點，但長期旋耕會產(chǎn)生耕層變淺，作物根系下扎困難等不利影響[7]。深松耕和免耕作為保護性耕作的重要措施，有利于蓄水保墑，對提高作物水分利用效率和產(chǎn)量具有積極的作用[8-9]?？萍脊ぷ髡哚槍幽鲜〔煌瑓^(qū)域的生產(chǎn)條件已開展了大量的耕作試驗。如Mu等[10]的試驗結(jié)果顯示，與常規(guī)耕作相比，深松耕可以改善耕層氮肥分布狀況，優(yōu)化0～60 cm土層的根系生長環(huán)境，使小麥產(chǎn)量及根系質(zhì)量密度分別提高6.00%和 43.40%。丁晉利等[3]通過河南禹州市年均降雨量為674.9 mm、施氮量為225 kg·hm-2條件下的長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，深松耕和免耕小麥產(chǎn)量在干旱年份較常規(guī)耕作分別提高6.40%和11.30%，在降雨量較多年份分別提高11.30%和9.60%。蘇子友等[11]認(rèn)為，在河南洛陽市年均降雨量600 mm條件下，深松耕小麥產(chǎn)量和水分利用效率較常規(guī)耕作分別提高16.10%和6.30%。熊淑萍等[12]通過河南周口市砂姜黑土上進(jìn)行的耕作試驗得出，深松耕小麥產(chǎn)量在施氮量為120、225和330 kg·hm-2條件下較常規(guī)耕作分別提高13.66%、4.82%和18.58%?？梢姡鞣绞綄幽闲←湲a(chǎn)量及水分利用效率具有顯著的調(diào)控效應(yīng)，但影響程度因研究區(qū)域、氣候環(huán)境、土壤性狀、作物種類以及氮肥運籌等因素的不同而存在差異[7,9]。以往的研究主要針對中國北方麥區(qū)、黃土高原麥區(qū)[13-14]進(jìn)行的大區(qū)域整合分析，著重分析了深松耕和免耕的效應(yīng)，缺乏對旋耕的關(guān)注，且針對河南省不同生產(chǎn)條件下耕作方式對小麥產(chǎn)量及水分利用效率影響的整合分析尚未見報道。本研究通過文獻(xiàn)檢索共獲得45篇與河南省相關(guān)的大田試驗文獻(xiàn)和192組試驗數(shù)據(jù)，采用Meta分析方法(meta-analysis)，定量分析河南不同區(qū)域、不同年降雨量及不同施氮量下耕作方式對河南小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響，以期為優(yōu)化河南各區(qū)域及不同生產(chǎn)條件下的小麥耕作制度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究以“小麥(wheat)”和“旋耕(rotary tillage,RT)/深松耕(subsoiling tillage,ST)/免耕(no-tillage,NT)”、“小麥(Wheat)”和“水分利用效率(water use efficiency)”、“小麥(wheat)”和“產(chǎn)量(yield)”為關(guān)鍵詞，在中國知網(wǎng)(CNKI)和Web of science數(shù)據(jù)庫，檢索了2000-2020年間發(fā)表的耕作方式相關(guān)文獻(xiàn)，并對檢索到的文獻(xiàn)進(jìn)行篩選。篩選依據(jù)如下：(1)試驗地點在河南省內(nèi)；(2)試驗方式為大田試驗，且均以常規(guī)耕作(翻耕、翻耕+旋耕或翻耕+耙地等以翻耕為基礎(chǔ)的耕作方式,CT)作為對照，處理組至少有旋耕、深松、免耕中的一項；(3)小麥產(chǎn)量、水分利用效率等數(shù)據(jù)均有具體圖表形式報道；(4)對不同文獻(xiàn)報道的同一試驗數(shù)據(jù)只統(tǒng)計一次。通過嚴(yán)格篩選，共獲得符合要求的文獻(xiàn)為45篇，其中分別有7、13、9、6和10篇與豫中、豫東、豫西、豫南、豫北地區(qū)相關(guān)。對符合標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)提取試驗地點、耕作方式、年降雨量、施氮量等數(shù)據(jù)。經(jīng)篩選，共獲得分布于河南省5個生產(chǎn)區(qū)域的192 組配對試驗和609個試驗觀測值。

1.2 數(shù)據(jù)分類

依據(jù)耕作方式將篩選后的數(shù)據(jù)分為3類：旋耕，即試驗期間只進(jìn)行過旋耕作業(yè)；深松耕，即前茬作物收獲后至小麥播種前，使用深松機對土壤深松30～40 cm；免耕，即前茬作物收獲后的休閑期，不對土壤進(jìn)行任何耕作處理，適播期用免耕播種機同時完成播種和施肥。3種耕作方式均以常規(guī)耕作為對照。具體統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 分析統(tǒng)計分類信息Table 1 Analysis of classified data

根據(jù)河南區(qū)域劃分方法[15-17]，將河南分為豫中、豫東、豫西、豫南、豫北5個區(qū)域，各生產(chǎn)區(qū)域氣候特點見表2。參照魏歡歡等[14]和趙愛琴等[18]的方法將小麥種植區(qū)域年降雨量分為≤500 mm、500～600 mm(包含600 mm)和>600 mm；綜合河南省小麥生產(chǎn)中肥料使用特點[12,19-22]，將施氮量分為≤150 kg·hm-2(低氮水平)、150～240 kg·hm-2(中氮水平，包含240 kg·hm-2)和>240 kg·hm-2(高氮水平)；根據(jù)本文收集數(shù)據(jù)以及土壤分類方法[23]，將土壤類型分為壤土、黃土、潮土、砂姜黑土。

表2 河南省各區(qū)域劃分及其氣候特征Table 2 Areas division in Henan province and its climate characteristics

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

在Meta分析中，當(dāng)試驗結(jié)果不為0且為物理尺寸測量時，兩組數(shù)據(jù)的均值比可用作效應(yīng)量，即反應(yīng)比R[23-24]。本研究選用反應(yīng)比R來計算效應(yīng)量M[24-25]，M=lnR=ln(Xt/Xc)，其中Xt為試驗組(旋耕/深松耕/免耕)對應(yīng)的小麥產(chǎn)量、水分利用效率的平均值，Xc為對照組對應(yīng)的小麥產(chǎn)量、水分利用效率的平均值。同時參考了Pittelkow[26]的方法進(jìn)行效應(yīng)量權(quán)重W的計算，W=(nt×nc)/(nt+nc)，nt為試驗組重復(fù)數(shù)，nc為對照組重復(fù)數(shù)。整合分析在對同類獨立研究進(jìn)行統(tǒng)計分析之前，需要明確試驗處理間及試驗結(jié)果是否存在異質(zhì)性(偏倚性)。本研究通過方差齊性檢驗，分析結(jié)果均顯示P>0.05，即本研究所用數(shù)據(jù)不存在偏倚。

通過Meta分析得出每組數(shù)據(jù)對應(yīng)的效應(yīng)量，加權(quán)后得到綜合效應(yīng)量。同時采用Bootstrapping運算方法通過4 999次迭代計算其95%的置信區(qū)間。為了更好地解釋耕作方式對小麥產(chǎn)量、水分利用效率的影響，將數(shù)據(jù)分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為相對變化率Y，Y=[exp(M)-1]×100%[24-25]。結(jié)果表達(dá)中，當(dāng)Y的 95% 上下限不與橫軸重疊時，則認(rèn)為P<0.05，即研究有統(tǒng)計學(xué)意義，表明旋耕/深松耕/免耕處理下小麥產(chǎn)量、水分利用效率與對照差異顯著，反之表示差異不顯著[27]。

本研究采用 Metawin2.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及圖表 制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作方式對河南不同區(qū)域小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響

旋耕、深松耕、免耕對河南全省及不同區(qū)域小麥產(chǎn)量的調(diào)節(jié)效應(yīng)不同(圖1)。與常規(guī)耕作相比，旋耕小麥產(chǎn)量總體降低3.08%(P< 0.05)，其中豫東、豫南、豫北地區(qū)分別降低10.58%、 7.85%、 4.05%，均達(dá)到0.05顯著水平。深松耕小麥產(chǎn)量總體較常規(guī)耕作提高10.46%(P< 0.05)，其中豫中、豫東、豫西地區(qū)分別提高 12.58%、 15.01%、12.29%，豫北地區(qū)提高 4.34%，豫南地區(qū)下降 2.72%，后兩個地區(qū)產(chǎn)量變化未達(dá)到顯著水平。免耕對小麥產(chǎn)量的影響在各生產(chǎn)區(qū)域存在差異，豫西和豫南地區(qū)分別提高 8.38%和下降4.15%，均達(dá)到0.05顯著水平。豫中、豫東、豫北無顯著變化；免耕較常規(guī)耕作平均增產(chǎn)2.32%(P>0.05)。

通過對檢索的所有大田文獻(xiàn)篩選，所得數(shù)據(jù)不能滿足各區(qū)域相對水分利用效率的計算，因此本研究僅在全省整體水平下分析了不同耕作方式間水分利用效率的差異(圖2)。與常規(guī)耕作相比，旋耕小麥水分利用效率降低3.75%(P> 0.05)；而深松耕和免耕小麥水分利用效率分別提高8.56%和8.32%，均達(dá)到顯著水平。這表明水分利用效率對旋耕和常規(guī)耕作的響應(yīng)不明顯，而深松耕和免耕則可以較好地發(fā)揮蓄水保墑作用，對提高小麥水分利用效率產(chǎn)生積極的影響。

2.2 不同年降雨量下耕作方式對河南小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響

不同年降雨量下(每組數(shù)據(jù)的年降雨量均為當(dāng)年實際降雨量，下同)，旋耕、深松耕、免耕對小麥產(chǎn)量的影響存在差異(圖3)。與常規(guī)耕作相比，在年降雨量≤500 mm、500～600 mm和>600 mm下，旋耕小麥產(chǎn)量分別降低6.30%、 4.20%和3.33%，差異均顯著，說明在不同年降雨量下旋耕都會造成小麥減產(chǎn)，但隨著年降雨量的增加，減產(chǎn)幅度呈降低的趨勢，主要是因為旋耕小麥難以利用深層土壤水分，而較多的降雨可以減輕水分脅迫，從而使產(chǎn)量差異減小。與常規(guī)耕作相比，在年降雨量≤500 mm、500～600 mm 和>600 mm下深松耕產(chǎn)量分別提高13.68%、 7.19%和11.45%，差異均顯著，這是因為深松耕打破了犁底層，在降雨較少時小麥根系可以更好地利用深層土壤水分，降雨多時則促進(jìn)水分入滲、蓄積于深層土壤，因此無論在干旱還是濕潤的情況下都可以提高小麥產(chǎn)量，對高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有積極影響。免耕小麥產(chǎn)量在年降雨量500～600 mm的條件下提高6.23%(P<0.05)，而在其他降雨量下的增產(chǎn)效應(yīng)不顯著，說明免耕僅在適宜降雨量下才具有顯著的增產(chǎn)效果。

不同年降雨量條件下旋耕、深松耕、免耕對小麥水分利用效率的影響也存在差異(圖4)。由于年降雨量≤500 mm下與旋耕水分利用效率有關(guān)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)僅1組，故不進(jìn)行該降雨量下的Meta分析。與常規(guī)耕作相比，在年降雨量500～600 mm和>600 mm下旋耕的水分利用效率分別降低4.18%和1.69%，但降幅均不顯著。與常規(guī)耕作相比，在年降雨量≤500 mm、500～600 mm 和>600 mm下深松耕的水分利用效率分別提高 9.23%、6.45%和16.79%，其中在年降雨量 ≤500 mm和>600 mm下差異顯著，表明深松耕對水分利用效率的促進(jìn)作用在干旱和降雨較多的情況下效果更佳。較常規(guī)耕作，在3種年降雨量條件下免耕的水分利用效率均不同程度提高，但僅在年降雨量>600 mm下差異顯著，增幅為10.87%。

2.3 不同施氮量下耕作方式對河南小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響

從圖5來看，與常規(guī)耕作相比，在施氮量 ≤150 kg·hm-2時，旋耕小麥產(chǎn)量下降2.75%(P>0.05)，而深松耕和免耕均顯著增加了小麥產(chǎn)量，增幅分別為12.41%和8.88%。在施氮量為150～240 kg·hm-2時，旋耕小麥產(chǎn)量較常規(guī)耕作下降5.39%(P<0.05)，深松耕產(chǎn)量提高 9.65%(P<0.05)，而免耕產(chǎn)量無顯著變化。當(dāng)施氮量>240 kg·hm-2時，旋耕和免耕小麥產(chǎn)量較常規(guī)耕作分別下降2.95%和8.19%，深松耕小麥產(chǎn)量提高7.32%，但差異均未達(dá)到顯著水平。

由于旋耕、免耕在施氮量>240 kg·hm-2條件下的水分利用效率數(shù)據(jù)不足2對，無法進(jìn)行Meta分析，因此將其排除(圖6)。在施氮量≤150 kg·hm-2下，旋耕小麥水分利用效率下降1.66%(P>0.05)；深松耕和免耕小麥水分利用效率分別增加8.98%和11.10%，差異均顯著。在施氮量150～240 kg·hm-2條件下，旋耕小麥水分利用效率顯著下降7.54%；深松耕和免耕小麥水分利用效率分別提高11.69%和4.88%，其中深松耕變化顯著。而在施氮量>240 kg·hm-2條件下，深松耕水分利用效率可顯著提高11.21%。

2.4 不同土壤類型下耕作方式對河南小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響

耕作方式對小麥產(chǎn)量的影響因土壤類型的不同而異(圖7)。與常規(guī)耕作相比，壤土條件下免耕顯著降低小麥產(chǎn)量，降幅為6.42%；3種耕作方式在黃土條件下均能夠增加小麥產(chǎn)量，其中深松耕和免耕影響均顯著，增幅分別為12.29%和 8.38%；潮土條件下，旋耕降低小麥產(chǎn)量，降幅為 9.48%(P<0.05)，深松耕增加小麥產(chǎn)量，增幅為16.59%(P<0.05)；砂漿黑土下僅旋耕小麥產(chǎn)量顯著降低，深松耕影響較小(砂姜黑土下免耕產(chǎn)量數(shù)據(jù)不足兩對，無法進(jìn)行Meta分析)。

由于壤土、潮土條件下的旋耕和免耕以及潮土條件下的深松耕小麥水分利用效率數(shù)據(jù)不足2對，無法進(jìn)行Meta分析，因此將其排除。黃土條件下，免耕和深松耕小麥水分利用效率分別提高9.21%(P<0.05)和8.64%(P<0.05)；砂姜黑土下旋耕小麥產(chǎn)量顯著降低，降幅為5.97%，免耕和深松耕無顯著影響；壤土條件下深松耕小麥產(chǎn)量顯著提高，增幅達(dá)到11.21%。

3 討 論

3.1 耕作方式對小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響

在河南小麥生產(chǎn)中，廣泛采用播前翻耕整地作業(yè)，雖然有效地提高了作物產(chǎn)量，但犁鏵對土壤的擠壓作用易造成厚實的犁底層，且土壤翻轉(zhuǎn)會產(chǎn)生地表裸露、礦化加速等問題，增加了水分和養(yǎng)分的損失，其在小麥高產(chǎn)、高效、綠色生產(chǎn)中的負(fù)面作用正日益凸顯[6-7]。本研究表明，在河南生產(chǎn)條件下，與常規(guī)耕作相比，旋耕總體使小麥產(chǎn)量降低3.08%(P<0.05)，水分利用效率降低3.75%(P>0.05)，主要是因為旋耕深度一般為0～15 cm，多數(shù)在10 cm左右，耕作深度較常規(guī)耕作 (20～30 cm)淺，在旋耕刀對底層土壤的打擊和擠壓下，使犁底層加厚上移，不利于小麥根系下扎，同時旋耕后表層土壤過于疏松，透風(fēng)失墑嚴(yán)重，不利于種子發(fā)芽出苗，以上不足均會造成小麥產(chǎn)量和水分利用效率的降低[5]。本研究表明，在河南生產(chǎn)條件下，深松耕總體使小麥產(chǎn)量及水分利用效率分別顯著提高10.46%和8.56%，主要是因為深松耕入土深度一般在35～40 cm，相比較常規(guī)耕作而言，不僅可以在不打亂土層結(jié)構(gòu)的前提下破除犁底層，增加土壤通氣、透水能力，并且能使耕層土壤粒徑>0.25 mm的團聚體含量大幅度提高[28]，土壤容重和緊實度分別顯著降低6.50%和25.00%[29]，從而降低小麥根系下扎阻力，優(yōu)化小麥根系生長環(huán)境，促進(jìn)土壤中水分和養(yǎng)分向上運輸，為小麥的生長發(fā)育奠定良好的基礎(chǔ)，有利于提升光合同化和物質(zhì)轉(zhuǎn)運能力，最終達(dá)到提高小麥產(chǎn)量和水分利用效率的目的[30]。本研究還發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)耕作相比，免耕總體使河南小麥水分利用效率顯著提高，但增產(chǎn)作用不顯著，主要是免耕雖然有諸多優(yōu)點，比如減少了對土壤的擾動，利于維持耕層土壤孔隙結(jié)構(gòu)以及提高土壤穩(wěn)定性和飽和透水率[31]，覆蓋于地表的殘茬還可以減緩雨水徑流，減少水分蒸發(fā)，提高土壤含水量[32-34]，增加耕層微生物活性和種類，提高多種生物酶的活性，對提高土壤生產(chǎn)力產(chǎn)生積極影響[35-37]，但是免耕農(nóng)田的表層土壤往往較為硬實，不利于小麥出苗以及幼苗根系下扎[38]，且容易造成群體偏小、偏弱、缺苗斷壟、病蟲草害加重[39]，導(dǎo)致小麥產(chǎn)量不穩(wěn)。

3.2 耕作方式對小麥產(chǎn)量和水分利用效率產(chǎn)生影響的因素分析

3.2.1 區(qū)域因素

通過Meta分析可知，耕作方式對河南省不同區(qū)域小麥產(chǎn)量的影響存在明顯差異，其中旋耕在豫東、豫南、豫北地區(qū)分別下降10.58%、 7.85%、4.05%，深松耕在豫中、豫東、豫西地區(qū)分別提高12.58%、15.01%、12.29%，免耕在豫西地區(qū)增加8.38%，在豫南地區(qū)降低4.15%。說明不同耕作方式對河南小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響在不同地區(qū)間存在差異。國內(nèi)外的相關(guān)報道也多表明旋耕不利于增產(chǎn)增效[7,13]，旋耕在河南不同區(qū)域也均導(dǎo)致減產(chǎn)。在降雨較少的的豫東、豫西、豫北、豫中地區(qū)，深松耕蓄水保墑、改土促根效應(yīng)突出，增加了小麥對深層土壤水分的利用，最終實現(xiàn)小麥產(chǎn)量顯著增加；而豫南地區(qū)降雨較多，水分對小麥產(chǎn)量提高的限制作用減弱，深松耕的增蓄、保墑、增產(chǎn)、增效作用也隨之降低，增產(chǎn)幅度不顯著。免耕僅在豫西地區(qū)表現(xiàn)為顯著增產(chǎn)，這是因為水分不足是限制豫西地區(qū)小麥產(chǎn)量形成的最主要因素，免耕的抗旱保墑作用得到有效地發(fā)揮；而在其他地區(qū)，由于有較好的降雨或灌溉條件，在一定程度上減輕了水分對小麥高產(chǎn)形成的限制作用，此時免耕在小麥生產(chǎn)中根系下扎困難、土層通氣不暢等負(fù)面效應(yīng)逐漸突出，因此小麥產(chǎn)量表現(xiàn)為區(qū)域間不穩(wěn)定現(xiàn)象，特別是在豫南地區(qū)，降水較多，免耕的負(fù)面效應(yīng)更為突出，從而導(dǎo)致顯著減產(chǎn)。此外，砂姜黑土普遍存在于豫東南小麥產(chǎn)區(qū)，面積約為90萬hm2[40]，土層堅實，通氣性差，肥力較低，在這種情況下采用常規(guī)耕作或旋耕，更易形成堅實的犁底層，降低了雨水的下滲能力，增加了表層水分和養(yǎng)分的損失量，嚴(yán)重限制小麥產(chǎn)量提升[4]，而深松耕因具備減少土壤擾動和破除犁底層的雙重作用，優(yōu)化了土層結(jié)構(gòu)，有效彌補了砂姜黑土的不足，較好地滿足了作物生產(chǎn)的需要[41]。

3.2.2 年降雨量

耕作方式對小麥產(chǎn)量的影響因年降水條件而異。魏歡歡等[14]研究表明，在年降雨量≤500 mm條件下，免耕對黃土高原小麥增產(chǎn)效果不佳，而在年降雨量>500 mm下免耕小麥產(chǎn)量和水分利用效率都會顯著提高，而深松耕小麥產(chǎn)量和水分利用效率則在不同降雨量下均顯著增加。河南省年降雨量在340～1 400 mm范圍(表2)，多年平均降雨量在550 mm左右[42]，豫南地區(qū)可常年保持降雨800 mm左右，而豫西丘陵地區(qū)年降雨量卻經(jīng)常在550 mm以下[43]，這種巨大的降水差異勢必影響小麥生產(chǎn)中不同耕作措施的效果。杜聰陽等[44]研究表明，在降雨較多的豫南驛城區(qū)，旋耕會使15～25 cm和25～35 cm土層土壤容重平均提高5.90%和7.70%，使產(chǎn)量降低7.60%。黃 明等[45]研究發(fā)現(xiàn)，在豫西洛陽市，欠水年和豐水年旋耕小麥產(chǎn)量分別較常規(guī)耕作降低5.20%和5.16%。本研究表明，與常規(guī)耕作相比，在年降雨量≤500 mm、500～600 mm、>600 mm下，旋耕產(chǎn)量分別降低6.30%、4.20%、3.33%，旋耕的減產(chǎn)幅度隨年降雨量的增加而減弱，在一定程度上說明水分是導(dǎo)致旋耕減產(chǎn)的主要原因之一，增加水分供應(yīng)可減弱或消除旋耕對小麥產(chǎn)量和水分利用效率的負(fù)效應(yīng)，這與黃 明等[45]的研究結(jié)果一致。在河南各區(qū)域小麥生產(chǎn)中，生育期的降雨量僅占全年降雨量的30%～40%[46]，耕作措施的雨水蓄積能力是其影響小麥產(chǎn)量和水分利用效率的關(guān)鍵。楊永輝等[47]研究表明，在豫中開封市年降雨量658 mm條件下，深松耕使植株總干物質(zhì)積累較常規(guī)耕作提高21.27%，株間水分無效蒸發(fā)降低12.10%，最終使產(chǎn)量和水分利用效率分別顯著提高35.32%和63.58%。在豫北溫縣年降雨量為550 mm的情況下，深松耕可以使 20～40 cm土層的土壤容重降低6.60%，小麥株間蒸發(fā)量降低5.80%，最終小麥產(chǎn)量和水分利用效率分別提高10.30%和6.60%[48]。本研究表明，在年降雨量≤500 mm、500～600 mm、>600 mm下，深松耕產(chǎn)量提高13.68%、7.19%、 11.45%，水分利用效率提高9.23%、6.45%、 16.79%，主要是由于深松耕優(yōu)化了耕層結(jié)構(gòu)，增強了土壤的蓄水保墑能力，在不同年降雨量下均會對小麥產(chǎn)量和水分利用效率的提高產(chǎn)生積極影響[49-50]，這與魏歡歡等[14]的研究結(jié)果一致。免耕作為保護性耕作，對提高土壤水分利用效率有積極影響，但其增產(chǎn)作用卻受年降雨量的影響較大。李向東等[51]研究表明，在豫南西平縣年降雨量852 mm情況下，免耕小麥產(chǎn)量較常規(guī)耕作降低3.28%，而在年降雨量為550 mm左右的豫西地區(qū)，免耕條件下小麥產(chǎn)量和水分利用效率分別提高 19.30%和17.50%[52]。本研究中，免耕小麥產(chǎn)量在年降雨量500～600 mm下提高6.23%，水分利用效率在年降雨量>600 mm下提高 10.87%，這是因為免耕的主要作用是提高土壤保水能力、減少水分蒸發(fā)，雖然在年降雨量>600 mm下免耕增產(chǎn)不顯著，但其土壤水分消耗量降低，從而顯著提高水分利用效率，但免耕僅在中等年降雨量條件下顯著增產(chǎn)的原理還有待研究。

3.2.3 施氮水平

耕作方式和施氮量存在顯著的互作效應(yīng)，在適宜耕作方式的基礎(chǔ)上合理施氮可以有效提高土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力，增加土壤微生物種類和酶活性，促進(jìn)根系對養(yǎng)分的吸收和利用，最終實現(xiàn)高產(chǎn)高效[53]。由于受生產(chǎn)區(qū)域或生產(chǎn)條件的影響，適宜不同耕作方式的施氮量并不相同。杜聰陽等[44]研究表明，不同耕作方式下小麥產(chǎn)量均隨著施氮量的增加而增加，但施氮量超過240 kg·hm-2后，產(chǎn)量增幅不顯著。熊淑萍等[12]研究表明，常規(guī)耕作小麥產(chǎn)量在施氮量225 kg·hm-2條件下達(dá)到最大值，繼續(xù)增施氮肥，產(chǎn)量會顯著下降，而深松耕小麥在施氮量330 kg·hm-2下產(chǎn)量最高。本研究表明，不同耕作方式對小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響因施氮量的不同而存在差異，與常規(guī)耕作相比，旋耕小麥產(chǎn)量和水分利用效率在施氮量150～240 kg·hm-2下分別降低5.39%和7.54%；深松耕小麥產(chǎn)量在施氮量≤150 kg·hm-2和150～240 kg·hm-2下分別提高12.41%和9.65%，水分利用效率在施氮量≤150 kg·hm-2、150～240 kg·hm-2、 >240 kg·hm-2下分別提高8.98%、11.69%和11.21%；免耕產(chǎn)量和水分利用效率在施氮量 ≤150 kg·hm-2下分別提高8.88%和11.10%。其原因主要是，旋耕處理氮肥位于0～15 cm土層，氮肥損失量增加，且施肥量越高氮素?fù)p失越多，從而造成小麥生育中后期缺肥早衰[4,20]，最終降低產(chǎn)量和水分利用效率；深松耕作多采用深松施肥一體機，可以將肥料施入25～35 cm土層，不僅減少了肥料損失，而且促進(jìn)了小麥生育前期根系下扎，增加小麥對深層水分和養(yǎng)分的吸收，從而同步提高產(chǎn)量和水分利用效率[8]。免耕條件下，小麥產(chǎn)量和水分利用效率在≤150 kg·hm-2施氮量條件下顯著提高，但隨著施氮量的增加，小麥產(chǎn)量和水分利用效率的提高幅度均呈現(xiàn)下降趨勢，這可能是因為免耕多采用種肥淺層同播，肥料與小麥種子的間隔距離往往較小，施氮量較低時有利于改善養(yǎng)分供應(yīng)并促進(jìn)小麥生長發(fā)育，但施氮量較高時可能導(dǎo)致燒苗等不良影響，因此表現(xiàn)為增產(chǎn)不顯著甚至減產(chǎn)的現(xiàn)象[54]。

3.2.4 土壤類型

不同耕作方式對小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響因土壤類型的不同存在一定差異。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，適宜的耕作措施能夠改善土層結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤生態(tài)環(huán)境[55]，協(xié)調(diào)土層養(yǎng)分分布，促進(jìn)養(yǎng)分有效性的發(fā)揮[56]。劉衛(wèi)玲等[57]研究表明，在砂姜黑土地區(qū)深松耕能夠顯著提高耕層土壤全效及速效養(yǎng)分含量，緩解了砂姜黑土養(yǎng)分貧瘠的缺點，最終顯著提高了小麥產(chǎn)量。龍 潛等[58]研究表明，深耕能夠顯著提高潮土20～40 cm土層土壤有機質(zhì)及全氮含量，對產(chǎn)量的增加具有積極影響。周延輝等[59]Meta分析結(jié)果表明，相較于壤質(zhì)土壤，潮土條件下土壤耕作結(jié)合秸稈覆蓋更有利于協(xié)調(diào)小麥產(chǎn)量三要素共同提高，對促進(jìn)小麥高產(chǎn)高效生產(chǎn)具有積極影響。本研究表明，相較于傳統(tǒng)耕作，潮土和砂姜黑土地區(qū)，旋耕小麥產(chǎn)量均顯著降低，同時也顯著降低了砂姜黑土水分利用效率，這是因為潮土和砂姜黑土均屬于養(yǎng)分含量較少的中、低產(chǎn)田，僅通過旋耕不利于培肥地力，因此最終造成了產(chǎn)量和水分利用效率均降低。免耕小麥在壤土條件下產(chǎn)量顯著降低，但在黃土條件下產(chǎn)量和水分利用效率均顯著提高，這是因為壤土中黏粒、粉粒、砂粒含量適中，通氣透水能力以及保水保溫能力均較好，結(jié)合傳統(tǒng)翻耕能夠為小麥生長創(chuàng)造更好的外界條件，因此產(chǎn)量表現(xiàn)為免耕較傳統(tǒng)翻耕下降；而黃土作為干旱氣候條件下形成的多孔性土壤，翻耕加速了水分的損失，而免耕能夠較好的蓄住土壤水分，減少水分的無效損失，為小麥生長提供更多的水分，因此表現(xiàn)為產(chǎn)量及水分利用效率的顯著增加。不同土壤類型下深松耕均能夠提高小麥產(chǎn)量及水分利用效率，其中在黃土和潮土條件下產(chǎn)量增幅達(dá)到最佳水平，在壤土和黃土條件下水分利用效率達(dá)到最佳水平，這是因為深松耕既能夠打破由翻耕形成的犁底層增加水分入滲，同時又減少土壤擾動，具備免耕的保墑能力，因此表現(xiàn)為在多種土壤類型下均具有增產(chǎn)效果。

4 結(jié) 論

與常規(guī)耕作相比，旋耕降低了河南省各區(qū)域小麥產(chǎn)量和水分利用效率，深松耕在豫中、豫東、豫西可顯著提高小麥產(chǎn)量，總體提高10.46%，而免耕僅在豫西有顯著增產(chǎn)效應(yīng)。在年降雨量≤500 mm、500～600 mm和>600 mm的條件下，旋耕小麥產(chǎn)量均顯著降低，降幅分別為6.30%、4.20%、 3.33%，深松耕分別顯著提高，增幅分別為13.68%、7.19%和11.45%，而免耕僅在年降雨量500～600 mm的條件下顯著增產(chǎn)(增幅 6.23%)(P<0.05)。在施氮量150～240 kg·hm-2的條件下，旋耕小麥產(chǎn)量和水分利用效率分別顯著降低，降幅分別為5.39%和 7.54%，深松耕在不同施氮量條件下小麥產(chǎn)量和水分利用效率均大幅增加，而免耕僅在施氮量≤150 kg·hm-2的條件下小麥產(chǎn)量和水分利用效率分別顯著提高，增幅分別為8.88%和11.10%。潮土和砂姜黑土條件下旋耕小麥產(chǎn)量分別降低9.48%和9.25%，黃土條件下免耕小麥產(chǎn)量和水分利用效率分別提高8.38%和9.21%，深松耕在不同土壤類型下均能提高小麥產(chǎn)量及水分利用效率，其中在黃土和潮土條件下顯著提高產(chǎn)量，壤土和黃土條件下顯著增加水分利用效率。綜上所述，深松耕在河南除豫南外的不同生產(chǎn)條件下增產(chǎn)增效作用顯著，免耕在豫西、低施氮量以及黃土區(qū)域也有較好的應(yīng)用效果。