華北平原小麥新型耕作施肥播種方式增產(chǎn)增效研究*

徐 萍,楊憲杰,馮佐龍,孫彥玲,楊 震,張西群,鄧學(xué)斌,史家益,張正斌**

(1.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心 石家莊 050022; 2.中國(guó)科學(xué)院種子創(chuàng)新研究院 北京 100101;3.山東馳象機(jī)械有限公司 德州 253000; 4.河北省農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣總站 石家莊 050011; 5.河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所有限公司 石家莊 050051; 6.山東省德州市陵城區(qū)農(nóng)業(yè)廣播電視學(xué)校 德州 253000)

小麥()是我國(guó)北方的主要糧食作物,在保障我國(guó)糧食安全中占有重要地位。華北平原是我國(guó)夏玉米()-冬小麥主產(chǎn)區(qū),近20年來(lái),華北平原主要是在玉米收割后進(jìn)行秸稈粉碎還田和撒施化肥后旋耕(15 cm)播種小麥,小麥?zhǔn)崭詈竺飧シN玉米,導(dǎo)致耕層普遍變淺,土壤退化,增產(chǎn)增效幅度下降。同時(shí)華北平原又是半濕潤(rùn)易旱地區(qū)、地下水嚴(yán)重超采區(qū)和現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展區(qū)。除了選育種植抗旱節(jié)水作物品種發(fā)展生物節(jié)水技術(shù),小麥-玉米抗旱節(jié)水技術(shù)一體化研究已成為華北平原作物持續(xù)綠色增產(chǎn)增效的重點(diǎn)發(fā)展方向。近年來(lái)隨著耕作栽培和農(nóng)業(yè)機(jī)械的快速發(fā)展,配套農(nóng)業(yè)機(jī)械功率越來(lái)越大,農(nóng)藝和農(nóng)機(jī)緊密結(jié)合,許多學(xué)者開(kāi)展了深松機(jī)、旋耕深松一體機(jī)、小麥播種施肥一體機(jī)、小麥旋耕深松分層施肥寬幅勻播一體機(jī)的研發(fā)和示范推廣,小麥整地施肥播種農(nóng)藝農(nóng)機(jī)技術(shù)更加趨于多功能集成一體化和高效率化。以前大多數(shù)研究都集中在免耕、旋耕、深松、深翻、深松分層施肥等不同耕作施肥方式對(duì)土壤容重、養(yǎng)分和水分及產(chǎn)量的影響,肯定了深松和分層施肥技術(shù)可以打破犁底層、降低土壤容重、蓄水保墑、提高土壤養(yǎng)分和水分利用效率和產(chǎn)量等。近年來(lái)更多的研究則是轉(zhuǎn)向不同耕作和施肥播種集成方式對(duì)小麥產(chǎn)量形成調(diào)控機(jī)理的研究。例如,孫彥玲等在河北開(kāi)展了小麥深松旋耕施肥等深勻播機(jī)試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,該機(jī)具一次作業(yè)完成旋耕、深松、分層施肥、等深勻播、覆土、鎮(zhèn)壓等工序,減少農(nóng)機(jī)具進(jìn)地次數(shù),可節(jié)約農(nóng)機(jī)作業(yè)費(fèi)150～200 元·hm。等深勻播地塊比傳統(tǒng)條播對(duì)照地塊小麥個(gè)體發(fā)育好,利于冬前幼苗生根增蘗,提高成穗率,增加單位面積穗數(shù),提高小麥產(chǎn)量。郭麗果等研究了播前旋耕、深松和深耕對(duì)節(jié)水栽培下冬小麥光合特性、葉綠素含量、葉面積指數(shù)、成熟期干物質(zhì)積累量與分配量以及籽粒產(chǎn)量的影響,結(jié)果表明在河北平原區(qū)推廣播前深松技術(shù),能有效改善小麥群體和個(gè)體發(fā)育,增加光合同化面積和光合碳同化能力和產(chǎn)量。本課題組在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃糧食豐產(chǎn)增效項(xiàng)目的資助下,在山東省德州市開(kāi)展了旋松耕層優(yōu)化綠色提質(zhì)增產(chǎn)增效試驗(yàn)研究,旋松耕層優(yōu)化田與深耕田對(duì)比,小麥株高高出5 cm 左右,分蘗增加2 個(gè)左右,增加1 個(gè)綠色葉片,穗大粒多粒飽粒大,明顯衰老落黃延后,產(chǎn)量潛力明顯提高,實(shí)打?qū)嵤諡?237 kg·hm,比深耕田(7344 kg·hm)增產(chǎn)25.8%; 其后茬玉米實(shí)打?qū)嵤债a(chǎn)量達(dá)12 904.95 kg·hm,比前茬深耕田產(chǎn)量(10 042.2 kg·hm)增產(chǎn)28.5%; 周年小麥-玉米總產(chǎn)22 141.95 kg·hm,有望今后在節(jié)水條件下實(shí)現(xiàn)噸半糧田(22 500 kg·hm)。但目前在河北省小麥-玉米主產(chǎn)區(qū),還少見(jiàn)有在節(jié)水灌溉下,開(kāi)展不同耕作播種施肥優(yōu)化集成模式對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控、產(chǎn)量形成、水分養(yǎng)分利用效率、玉米-小麥周年增產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益比較研究。為了打破犁底層,提高水分和養(yǎng)分等資源利用效率,減少耕種作業(yè)次數(shù)、降低生產(chǎn)成本增產(chǎn)增效,本試驗(yàn)在河北省石家莊當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)種植模式基礎(chǔ)上,集成新的耕作栽培種植模式,設(shè)置了4 種不同耕作施肥播種處理,調(diào)查不同處理下小麥生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量構(gòu)成性狀、水分養(yǎng)分利用效率、玉米-小麥周年產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的變化,以期篩選出高產(chǎn)高效的耕作施肥播種優(yōu)化模式,并揭示其增產(chǎn)增效機(jī)理,為華北平原農(nóng)田高質(zhì)量發(fā)展、玉米-小麥持續(xù)節(jié)水綠色提質(zhì)增產(chǎn)增效技術(shù)示范推廣提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站(37°53′N,114°41′E,海拔50 m)進(jìn)行,屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,是華北平原干旱氣候的中心區(qū)域,年降水量530 mm。該站位于太行山山前平原區(qū),土壤類型以潮褐土為主,生態(tài)類型是以小麥-玉米為主體的兩熟制農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),代表華北平原北部典型潮褐土高產(chǎn)農(nóng)業(yè)生態(tài)類型,具有集約高產(chǎn)型、資源約束型、井灌農(nóng)業(yè)類型和城郊型等特征。由中國(guó)科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站提供的氣象數(shù)據(jù)表明,2020年10月8日小麥播種到2021年6月13日小麥?zhǔn)斋@,降水量為97.9 mm,屬干旱年份,各月降水如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)小麥生育期降雨量(2020-2021年)Fig.1 Precipitation during wheat growth season of 2020-2021 in the study area

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)材料

采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì),主區(qū)為前茬免耕玉米播種和遁耕分層施肥玉米播種2 個(gè)處理,玉米免耕播種主區(qū)里設(shè)置人工施肥-小麥旋耕-條播(T1)、人工施肥-小麥旋耕深松一體機(jī)-條播(T2) 2 個(gè)副區(qū); 玉米遁耕分層施肥處理主區(qū)后茬為人工施肥-小麥旋耕-條播(T3)和小麥旋耕深松分層施肥寬幅勻播(T4) 2 個(gè)副區(qū)處理。每個(gè)處理面積是0.11 hm,隨機(jī)排列,重復(fù)3次。統(tǒng)一施用的是衡水湖牌復(fù)混肥(N∶PO∶KO=18∶20∶5) 600 kg·hm。統(tǒng)一灌溉底墑水900 mm。供試小麥品種為‘紫優(yōu)5 號(hào)’,T1、T2 和T3 播量為300 kg·hm,T4 播量為375 kg·hm。

前茬玉米免耕播種利用40 馬力小四輪拖拉機(jī)牽引的河北農(nóng)哈哈2BYFSF-4 型免耕種肥同播一體機(jī),播種深度5 cm,施肥深度10 cm。前茬玉米遁耕分層施肥機(jī)(專利號(hào)CN210298459U)由山東馳象機(jī)械有限科技公司制造,由180 馬力拖拉機(jī)配套作業(yè),可以遁耕(底層深耕深松40 cm)并在耕層下15 cm 和25 cm進(jìn)行分層施肥,分層施肥量分別占總施肥量的40%和60%。

2020年10月8日進(jìn)行統(tǒng)一播種后茬小麥,利用180 馬力拖拉機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行小麥旋耕滅茬2 遍,在T1處理小區(qū)進(jìn)行小麥旋耕(15 cm)整地; 用山東馳象機(jī)械有限科技公司制造的旋耕深松(40 cm)一體機(jī)(專利號(hào)CN209527085U)在T2 和T3 處理整地,再利用40 馬力小四輪拖拉機(jī)配套河北農(nóng)哈哈2BX-9 型小麥播種機(jī)在T1、T2 和T3 處理作業(yè)。利用180 馬力拖拉機(jī)配套使用河北省興華農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司制造的2BFSG-12(12)(200)型旋耕深松分層施肥寬幅勻播機(jī)(簡(jiǎn)稱旋松施肥播種機(jī))在T4 處理作業(yè),深松30 cm并在耕層下15 cm 和25 cm 分層施肥,其分層施肥量分別占總施肥量的40%和60%。小麥條播和寬幅勻播的行距都是17 cm,條播帶寬2 cm,寬幅勻播帶寬5 cm。返青拔節(jié)期統(tǒng)一打除草劑1 次。

1.3 土壤樣品測(cè)定

土壤容重: 在小麥播種前和成熟期以10 cm 為一層,利用環(huán)刀法和烘干法測(cè)定0～100 cm 土壤容重,每個(gè)處理重復(fù)3 次。

土壤含水率測(cè)定: 在小麥播種前和成熟期以10 cm為一層,采用土鉆環(huán)刀法和鋁盒-烘干法測(cè)定0～100 cm 土壤質(zhì)量含水率,每個(gè)處理重復(fù)3 次。

土壤養(yǎng)分含量: 在小麥播種前和成熟期每個(gè)小區(qū)多點(diǎn)混合采集0～20 cm 和20～40 cm 土樣,風(fēng)干研磨過(guò)篩。全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定,堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定,速效磷含量采用NaHCO浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定,速效鉀含量采用NHOAc 浸提-火焰光度法測(cè)定。

1.4 小麥水分利用效率及氮肥偏生產(chǎn)力測(cè)定

水分利用效率(WUE,kg·hm·mm)為產(chǎn)量()和生育期總耗水量(ET)之比,WUE=/ET。

ET 為生育期土壤水分蒸發(fā)和小麥植株的蒸騰量之和,計(jì)算公式:

式中:為全生育期灌水總量(mm),為生育期有效降雨量(mm),為地表徑流(mm),地下水補(bǔ)給(mm),ΔSW 為播前與收后土壤儲(chǔ)水量變化量(mm),SW 為土壤儲(chǔ)水量(mm)。由于本試驗(yàn)站所在地區(qū)地下水位超過(guò)5 m,故和可忽略不計(jì)。

式中:為土壤容重(g·cm),為土層厚度(cm),SWC為土壤質(zhì)量含水量(%)。

氮肥偏生產(chǎn)力(partial factor productivity of nitrogen,PFP)計(jì)算公式為:

式中:為施氮小區(qū)籽粒產(chǎn)量(kg·hm),為施氮小區(qū)總施氮量(kg·hm)。

1.5 農(nóng)藝性狀測(cè)定

分別在分蘗期(tillage stage)、拔節(jié)期(jointing stage)、開(kāi)花期(flowering stage)、灌漿期(filling period)和成熟期(mature stage),每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取1 行30 cm 行長(zhǎng)的完整植株,重復(fù)3 次,測(cè)定小麥株高、分蘗、地上部干物質(zhì)量、40 cm 土層根干重等生長(zhǎng)發(fā)育性狀。收獲前每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取2 m×2 m 測(cè)產(chǎn),測(cè)定株高、單位面積穗數(shù)、每穗小穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、生物學(xué)產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)等產(chǎn)量性狀。

1.6 經(jīng)濟(jì)效益分析

按照每個(gè)處理的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行投入計(jì)價(jià)并最后進(jìn)行投入成本合計(jì),按照玉米和小麥?zhǔn)袌?chǎng)收購(gòu)價(jià),分別計(jì)算單位面積玉米和小麥產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)收入,再按照產(chǎn)出/投入比較不同種植模式的經(jīng)濟(jì)效益。

1.7 數(shù)據(jù)分析

使用 Excel 2017 和 SPSS 20.0 軟件進(jìn)行農(nóng)藝性狀差異比較和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥耕種方式對(duì)土壤容重和土壤含水率的影響

由圖2A 可以看出,小麥成熟期0～20 cm 土層的容重低于下層土壤,這主要是由于0～20 cm 耕層有旋耕處理和大量植物根系分布,土壤相對(duì)疏松。T1 處理在前茬玉米免耕播種和后茬小麥旋耕(15 cm)播種的多年連續(xù)作業(yè)下,土壤容重最大。T2 處理在前茬玉米免耕播種后小麥旋松(40 cm)播種,土壤容重有一定的降低。T3 處理在玉米遁耕(40 cm)和小麥旋松(40 cm)作業(yè)后,0～20 cm 耕層容重最低。T4 處理在前茬玉米遁耕(40 cm)和后茬小麥旋松施肥播種機(jī)(30 cm)作業(yè)后土壤容重排第3,T3 和T4 處理的容重顯著低于T1(＜0.05) 。

20～40 cm 耕層土壤容重整體高于0～20 cm 耕層。T1 土壤容重最大,T2 處理與T1 處理無(wú)顯著差異,T3 處理顯著低于其他處理(＜0.05),T4 處理土壤容重排第3,顯著低于T1 處理(＜0.05)。

在40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm 耕層土壤容重差異不大,但各處理間差異不顯著。

由圖2B 可以看出,4 個(gè)耕作處理小麥成熟期的0～20 cm 土壤含水率較高,主要是由于6月10日有10.4 mm 的降雨(圖1)。T1 處理因?yàn)橹仓臧?、稀?表層土壤水分蒸散量大,土壤含水率最低。T2 處理因?yàn)橹仓贻^為疏散,表層土壤也有較大的蒸散,含水率倒數(shù)第2。T3 和T4 處理植株高密,表層土壤蒸水分散少,因此含水率相對(duì)較高。T1 和T3、T4 處理0～20 cm 土壤含水率差異顯著(＜0.05)。

圖2 不同耕作處理土壤容重(A)和土壤含水率(B)差異比較Fig.2 Comparison of soil bulk density(A) and soil water content(B) under different tillage treatments

由于小麥根系主要集中在20～40 cm 耕層土壤,耗水量大,土壤含水率最低; 且由于長(zhǎng)期干旱,地表水下滲很少、地下水上供也很少,因此不同耕作處理該土層含水率均低,且沒(méi)有顯著差異。

40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm 土壤中,T1處理因?yàn)殚L(zhǎng)期沒(méi)有深松,含水率顯著低于有遁耕和深松的T2、T3 和T4 處理(＜0.05,60～80 cm T2 處理除外)。因?yàn)樾←溕谥挥?7.9 mm的降水,小麥又是深根作物,根系可以達(dá)2 m 以下,因此耗去了大量深層土壤水分,導(dǎo)致T2、T3 和T4 處理間深層土壤含水率沒(méi)有太大差異。

2.2 小麥耕種方式對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

從圖3 可以看出,由于長(zhǎng)期玉米免耕和小麥旋耕及表層施肥,T1 處理0～20 cm 土層全氮(圖3A)、堿解氮(圖3B)、速效磷(圖3C)和速效鉀(圖3D)含量均顯著高于20～40 cm 土層(＜0.05)。T2 處理0～20 cm土壤全氮(圖3A)顯著低于20～40 cm 耕層土壤(＜0.05),可能是由于上層秸稈被旋耕到20 cm 以下所致; T2 處理的堿解氮(圖3B)、速效磷(圖3C)和速效鉀(圖3D)含量0～20 cm 土層顯著高于20～40 cm土層(＜0.05),但差異縮小,說(shuō)明小麥旋松(40 cm)加快了上層土壤中速效養(yǎng)分向下層土壤的轉(zhuǎn)移。T3和T4 處理0～20 cm 土層全氮(圖3A)、堿解氮(圖3B)、速效磷(圖3C)和速效鉀(圖3D)均顯著低于20～40 cm 土層(＜0.05),說(shuō)明這兩種處理更利于上層土壤養(yǎng)分向下層的轉(zhuǎn)移。

圖3 不同耕作處理在不同土層中全氮(A)、堿解氮(B)、速效磷(C)和速效鉀(D)含量差異比較Fig.3 Contents of total nitrogen(A),alkali-hydrolysis nitrogen(B),available phosphorus(C) and available potassium(D) under different tillage treatments

2.3 耕種方式對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響

從圖4A 中可以看出,株高在分蘗期不同處理間差異不明顯。在拔節(jié)期株高快速增長(zhǎng),且不同處理差異顯著(＜0.05),且隨著深松深耕次數(shù)的增加有提高的趨勢(shì),即T4＞T3＞T2＞T1。在開(kāi)花期株高達(dá)峰值,到灌漿期再到成熟期株高變化不大。在開(kāi)花期、灌漿期和成熟期,T4 處理株高顯著高于T1(＜0.05),其他兩個(gè)處理間差異不明顯。

從圖4B 可以看出,單位面積分蘗數(shù)從冬前分蘗期到春季拔節(jié)期呈增加趨勢(shì),從拔節(jié)期到開(kāi)花期有一定的下降,從開(kāi)花期到成熟期基本穩(wěn)定,且均為T4＞T3＞T2＞T1。在分蘗期,不同處理間差異顯著(＜0.05); 拔節(jié)期到成熟期,T4 處理顯著高于T1 處理(＜0.05),其他兩個(gè)處理間差異不顯著。

從圖4C 可以看出,地上部干物質(zhì)量從分蘗期到灌漿期呈快速上升趨勢(shì),灌漿期到成熟期略微下降,這與成熟期植株脫水和養(yǎng)分轉(zhuǎn)移有關(guān)。地上部干物質(zhì)量在分蘗期和拔節(jié)期不同處理間差異不顯著。開(kāi)花期到成熟期有T4＞T3＞T2＞T1 的趨勢(shì)。開(kāi)花期T4處理顯著高于T1 處理(＜0.05),其他兩個(gè)處理間差異不顯著。灌漿期4 個(gè)處理之間差異增大,T4 顯著高于T1 處理(＜0.05)。成熟期4 個(gè)處理之間差異顯著(＜0.05)。

從圖4D 可以看出,0～40 cm 耕層根干重分蘗期到開(kāi)花期快速上升,開(kāi)花期到成熟期,因?yàn)楦邓趾宛B(yǎng)分向上運(yùn)移和自然死亡,根干重略微下降。拔節(jié)期到成熟期不同處理間均為T4＞T3＞T2＞T1,且差異顯著(＜0.05)。

圖4 不同耕作處理下小麥不同生育期株高(A)、分蘗數(shù)(B)、地上部干物質(zhì)量(C)和根干重(D)的差異Fig.4 Plant height(A),tillage number(B),shoot dry weight(C) and root dry weight(D) of wheat at different growth stages under different tillage treatments

由于T1 處理長(zhǎng)期表層旋耕(15 cm)和施肥,不利于根系的下扎和高效利用土壤水分和養(yǎng)分,因此株高、分蘗數(shù)、地上部干物質(zhì)量和根干重4 個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育性狀均低于其他處理。T2 處理因?yàn)橹挥行←溞?40 cm),無(wú)分層施肥,因此4 個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育性狀排列第3。T3 處理因?yàn)橛星安缬衩锥莞?40 cm)分層施肥和后小麥旋深松(40 cm),4 個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育性狀都排第2。T4 處理有前茬玉米遁耕(40 cm)分層施肥和后茬小麥旋松(30 cm)分層施肥,耕層結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分分布得到了優(yōu)化,最有利于小麥株高增長(zhǎng)、根系下扎、分蘗增多和地上部干物質(zhì)積累,4 個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育性狀都排第1。

2.4 耕種方式對(duì)小麥農(nóng)藝性狀的影響

從圖5 中可以看出來(lái),成熟期株高(圖5A)、穗粒數(shù)(圖5D)、生物學(xué)產(chǎn)量(圖5F)和收獲指數(shù)(圖5H)均為T4＞T3＞T2＞T1,且不同處理間差異顯著(＜0.05)。單位面積穗數(shù)(圖5B)以T4 處理最高,T1 處理最低,差異顯著(＜0.05); T2 和T3 處理相近且居中。每穗小穗數(shù)(圖5C) T2 處理最多,T1 處理最少,差異顯著(＜0.05); T3 和T4 處理無(wú)顯著性差異,且居中。籽粒產(chǎn)量(圖5G)表現(xiàn)為T4(8333.75 kg·hm)＞T3(8222.63 kg·hm)＞T2(7778.17 kg·hm)＞T1(7000.35 kg·hm)。T4、T3、T2 處理分別比T1 處理顯著增產(chǎn)19.05%、17.46%和11.1%(＜0.05)。

T4 處理的株高(圖5A)、單位面積穗數(shù)(圖5B)、穗粒數(shù)(圖5D)、生物學(xué)產(chǎn)量(圖5F)、籽粒產(chǎn)量(圖5G)和收獲指數(shù)(圖5H) 表現(xiàn)最好,說(shuō)明“玉米遁耕分層施肥-小麥旋松分層施肥寬幅勻播”模式可以明顯提高單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù),進(jìn)而提高籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)。T1 處理的株高(圖5A)、單位面積穗數(shù)(圖5B)、每穗小穗數(shù)(圖5C)、穗粒數(shù)(圖5D)、千粒重(圖5E)、生物學(xué)產(chǎn)量(圖5F)、籽粒產(chǎn)量(圖5G)和收獲指數(shù)(圖5H)都表現(xiàn)最低,說(shuō)明 “玉米硬茬播種-小麥旋耕播種”的長(zhǎng)期表層旋耕是低產(chǎn)模式。由以上分析可以看出,“前茬玉米遁耕分層施肥” “后茬小麥旋松施肥播種” 和“小麥旋松一體機(jī)”模式都能夠在不同程度上比“玉米硬茬播種-小麥旋耕播種”傳統(tǒng)模式增產(chǎn)。但不同耕作施肥播種處理的產(chǎn)量構(gòu)成三要素穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重有不同的自動(dòng)優(yōu)化調(diào)控方式,形成了不同的產(chǎn)量水平。

圖5 不同耕作處理下小麥株高(A)、穗數(shù)(B)、每穗小穗數(shù)(C)、穗粒數(shù)(D)、千粒重(E)、生物學(xué)產(chǎn)量(F)、產(chǎn)量(G)和收獲指數(shù)(H)的差異Fig.5 Plant height(A),spike number(B),spikelets per spike(C),grain number per spike(D),1000-grain weight(E),biomass weight(F),yield(G) and harvest index(H) of wheat under different tillage treatments

2.5 耕種方式對(duì)小麥生產(chǎn)效率的影響

由圖6 可以看出,小麥水分利用效率(圖6A)和氮肥偏生產(chǎn)力(圖6B)均表現(xiàn)為T4＞T3＞T2＞T1。說(shuō)明“玉米遁耕分層施肥-小麥旋松分層施肥寬幅勻播”處理,在深松耕層優(yōu)化和分層養(yǎng)分優(yōu)化組合下,小麥水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力最高,小麥旋耕深松一定程度上有利于提高小麥水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力; 而“玉米硬茬播種-小麥旋耕播種”明顯不利于水分和氮素利用效率的提高。

玉米-小麥周年總產(chǎn)(圖6C)和產(chǎn)出/投入比(圖6D)均為T4＞T3＞T2＞T1。說(shuō)明“玉米遁耕分層施肥-小麥旋松分層施肥寬幅勻播”通過(guò)減少農(nóng)機(jī)作業(yè)次數(shù)、耕層優(yōu)化、養(yǎng)分分布優(yōu)化,能夠明顯提高全年糧食總產(chǎn)和產(chǎn)出投入比。特別是T4 處理,在前茬玉米生育期降水較多、產(chǎn)量潛力高,后茬小麥節(jié)水灌溉條件下,累計(jì)全年糧食總產(chǎn)達(dá)19 469.7 kg·hm,超過(guò)了噸糧田(15 000 kg·hm),產(chǎn)出/投入比達(dá)3.76,是華北平原節(jié)水綠色提質(zhì)增產(chǎn)增效的耕作發(fā)展模式。

圖6 不同耕作處理下小麥水分利用效率(WUE,A)、氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN,B)、玉米+小麥總產(chǎn)量(C)和產(chǎn)投比(D)的差異Fig.6 Water use efficiency(WUE,A),partial factor productivity of nitrogen(PFPN,B),maize+wheat yield(C) and rate of output and input(D) of wheat under different tillage treatments

3 討論與結(jié)論

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展,農(nóng)藝農(nóng)機(jī)緊密結(jié)合、功能多樣化集成一體化的大功率農(nóng)業(yè)機(jī)械是華北平原未來(lái)發(fā)展方向。近年來(lái)許多學(xué)者對(duì)不同類型的新型耕作施肥播種農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行了示范推廣和增產(chǎn)增效研究,為未來(lái)農(nóng)業(yè)科學(xué)發(fā)展提供了重要信息。但不同地區(qū)的生態(tài)環(huán)境不同,有關(guān)研究結(jié)論不盡統(tǒng)一,需要因地制宜地高效利用不同類型農(nóng)業(yè)機(jī)械。例如,有研究表明,耕作方式對(duì)土壤性狀和冬小麥生長(zhǎng)有顯著影響。深耕打破了密實(shí)的土層,相對(duì)于淺耕改善了土壤性質(zhì),但由于犁盤的壓實(shí)作用,則可能形成深耕的犁底層。旋耕可疏松表層土壤,降低土壤容重,但由于表土過(guò)于疏松,增加了土壤水分迅速散失,不利于保墑; 同時(shí)小麥根系不能與松散的土壤保持緊密接觸,出現(xiàn)懸根和斷根,影響根系和分蘗生長(zhǎng)。長(zhǎng)期免耕或少耕會(huì)增加0～20 cm 土層土壤容重和滲透阻力,從而降低作物籽粒產(chǎn)量。

張勝愛(ài)等在冀中南山前平原研究表明,免耕和深松耕的耕作方式有利于改善土體結(jié)構(gòu),增加土壤蓄水保墑性能,提高小麥水分利用效率,節(jié)水、節(jié)本、增產(chǎn)增效明顯。郭麗果等在河北研究表明,在小麥增產(chǎn)方面,深松處理最佳,深耕處理次之,旋耕處理最差。王丹等在山東研究表明,免耕和深松處理更有利于小麥栽培高效輕簡(jiǎn)方式的形成和小麥產(chǎn)量的增加。Wu 等研究表明,經(jīng)過(guò)1 次垂直深旋耕后3年小麥都在一定程度表現(xiàn)持續(xù)增產(chǎn)。He 等研究表明,深松可以打破犁底層,但不上翻養(yǎng)分含量少的犁底層土壤,其增產(chǎn)效應(yīng)可以持續(xù)4年。我們的研究表明,小麥旋耕深松一體機(jī)和小麥旋耕深松分層施肥寬幅勻播一體機(jī)作業(yè)明顯比傳統(tǒng)小麥旋耕模式增產(chǎn),這與前人深松能夠使小麥增產(chǎn)的結(jié)論相同,但與免耕播種小麥增產(chǎn)的結(jié)論不同。本試驗(yàn)研究表明,前茬玉米硬茬播種后茬小麥旋耕播種,土壤容重大,小麥成熟期土壤含水率、水分利用和氮肥偏生產(chǎn)力低,其產(chǎn)量明顯低于前茬玉米遁耕分層施肥和后茬小麥旋耕深松一體機(jī)處理; 小麥-玉米周年總產(chǎn)和投入產(chǎn)出比降低,和以上免耕增產(chǎn)增效結(jié)果不同。在玉米遁耕分層施肥、小麥旋松、小麥旋耕深松分層施肥寬幅勻播條件下,降低了土壤容重、增加了成熟期土壤含水率,不但提高了水分利用效率,而且提高了偏氮肥生產(chǎn)力,同時(shí)還提高玉米-小麥周年總產(chǎn)和投入產(chǎn)出比,實(shí)現(xiàn)了節(jié)水、節(jié)本增效,結(jié)果和以上深耕效果相同。

王錫久等在山東的研究表明,深松分層施肥可以促進(jìn)小麥個(gè)體健壯,抗凍害能力增強(qiáng),群體質(zhì)量提高,單位面積穗數(shù)和產(chǎn)量增加,而穗粒數(shù)和千粒重變化不明顯。He 等研究表明,條帶旋耕和深松能增加穗數(shù)、減緩小麥葉片衰落、增加灌漿速率、提高千粒重而進(jìn)一步增加產(chǎn)量。我們的研究表明深松分層施肥可以明顯增加穗數(shù)和產(chǎn)量,這與上述研究結(jié)論相同。同時(shí)深松分層施肥可以增加穗粒數(shù),千粒重在深松或者深松分層施肥的處理也明顯較高,這些結(jié)果與上述研究結(jié)果有所不同。

Latifmanesh 等研究表明,旋耕可以增加小麥產(chǎn)量和干物質(zhì)積累。Shi 等研究表明,深松可以加快小麥干物質(zhì)積累和提高小麥產(chǎn)量。 Chu 等研究表明,深松可以加快干物質(zhì)積累和運(yùn)轉(zhuǎn)并提高水分利用效率和產(chǎn)量。這與我們的研究結(jié)果相同,我們的研究同時(shí)表明,深松可以提高小麥花后地上部干物質(zhì)產(chǎn)量,同時(shí)提高了小麥水分利用效率和產(chǎn)量。

Mu 等研究表明,深翻耕30 cm 和深松30 cm比翻耕15 cm 土壤,可以分別增加小麥和玉米根重密度達(dá)40.6%和39.4%。Zhai 等研究表明,和硬茬播種、深松相比,垂直深旋耕可以降低土壤密度和增加土壤孔隙度,顯著增加了0～40 cm 玉米根系干物質(zhì)積累。我們的研究表明,前茬遁耕可以增加0～30 cm土層的玉米根干重,深松可以加快后茬0～40 cm 耕層小麥根系重量的增加。

本文的特色是結(jié)合了華北平原前茬玉米硬茬播種和玉米遁耕分層施肥兩個(gè)處理,后茬小麥旋耕條播、旋耕深松條播、旋耕深松分層施肥寬幅播種3個(gè)處理,進(jìn)行耕作施肥播種優(yōu)化模式篩選,結(jié)果表明,前茬玉米遁耕分層施肥、后茬小麥旋耕深松一體機(jī)、小麥旋耕深松分層施肥寬幅勻播,應(yīng)該是華北平原不同農(nóng)事情景下的優(yōu)化選擇模式,特別是“小麥旋耕深松分層寬幅勻播”是華北平原未來(lái)發(fā)展的主流技術(shù),應(yīng)該加大該農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼和加快示范推廣。不同地區(qū)的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)機(jī)械不同,有關(guān)研究結(jié)論不盡統(tǒng)一,需要因地制宜利用不同類型農(nóng)業(yè)機(jī)械。集成優(yōu)良品種、農(nóng)藝措施和先進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械,一方面可以挖掘不同生態(tài)地區(qū)小麥高產(chǎn)潛力,另一方面可以形成縮小小麥產(chǎn)量和效益差的技術(shù)體系,是現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

張正斌通過(guò)抗旱節(jié)水高產(chǎn)小麥和玉米品種的篩選和組合及農(nóng)藝措施的配套,實(shí)現(xiàn)了華北節(jié)水噸糧田。近年來(lái)隨著玉米深松分層施肥精量播種密植、小麥旋耕深松分層施肥寬幅勻播等技術(shù)的推廣,再配合現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)如水肥一體化和高產(chǎn)抗逆優(yōu)良品種,出現(xiàn)了許多噸糧田和噸半糧田,由大面積高產(chǎn)走向超高產(chǎn)。近日,《德州市噸半糧生產(chǎn)能力建設(shè)方案》在北京通過(guò)專家論證,計(jì)劃利用5年時(shí)間,建成全國(guó)第一個(gè)大面積噸半糧示范區(qū),帶動(dòng)全市糧食大面積均衡增產(chǎn),成為總產(chǎn)過(guò)百億的地級(jí)市。說(shuō)明隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械和水肥一體化等關(guān)鍵技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,華北平原糧食生產(chǎn)潛力很大。

本研究表明“玉米遁耕分層施肥-小麥旋耕深松分層施肥寬幅勻播”模式能夠降低0～40 cm 耕層土壤容重,增加深層土壤含水率,同時(shí)優(yōu)化了耕層養(yǎng)分分布,提高了水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力; 增加了小麥株高、分蘗、地上部干物質(zhì)量和0～40 cm 耕層的根干重,進(jìn)而提高了單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù),實(shí)現(xiàn)了節(jié)水條件下的小麥高產(chǎn); 同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了玉米-小麥周年高產(chǎn)高效。本文篩選出了玉米-小麥周年高產(chǎn)高效優(yōu)化耕作方式,揭示了不同耕作施肥播種條件下,小麥產(chǎn)量形成的生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控機(jī)理和增產(chǎn)要素及增產(chǎn)增效特征。建議加快在華北平原示范推廣“小麥旋耕深松分層施肥和寬幅勻播技術(shù)”。以上研究結(jié)果為華北平原農(nóng)田高質(zhì)量發(fā)展、小麥-玉米持續(xù)節(jié)水綠色提質(zhì)增產(chǎn)增效技術(shù)示范推廣提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐。