免耕對(duì)冬小麥-夏玉米周年產(chǎn)量及水分利用的影響

丁晉利，何先進(jìn)，高 榮

(1.鄭州師范學(xué)院地理與旅游學(xué)院，中國(guó) 鄭州 450044;2.邯鄲市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，中國(guó) 邯鄲 056000;3.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，中國(guó) 杭州 311122)

冬小麥和夏玉米是我國(guó)北方主要的糧食作物，其種植面積在2016年分別達(dá)到了2 419.1和3 540.0萬(wàn)公頃[1]。河南省作為我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)，冬小麥-夏玉米輪作模式為我國(guó)糧食安全提供了重要保障，但近年來(lái)由于水資源短缺及季節(jié)性干旱嚴(yán)重影響了冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量[2-4]。同時(shí)，長(zhǎng)期傳統(tǒng)耕作方式的土壤蓄水保墑能力較弱，土壤水分散失嚴(yán)重[5]。因此，采用有效的農(nóng)藝節(jié)水措施，提高水分利用效率是冬小麥和夏玉米節(jié)水栽培的重要途徑[6,7]。

以免耕為核心的保護(hù)性耕作，能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，保持土壤水分，提高作物產(chǎn)量[8-10]。但也有研究表明，長(zhǎng)期免耕可以導(dǎo)致土壤容重增大，耕層變淺，作物產(chǎn)量降低[11]。秸稈覆蓋也能夠提高土壤水分含量[12]，增加作物產(chǎn)量和水分利用效率[13,14]。前人關(guān)于耕作研究多集中于免耕或秸稈還田對(duì)單一作物生長(zhǎng)周期土壤水分及產(chǎn)量的影響，較少研究周年產(chǎn)量及周年水分生產(chǎn)力的變化特征。本研究通過(guò)3年耕作試驗(yàn)，研究免耕+秸稈覆蓋和免耕措施對(duì)冬小麥-夏玉米輪作模式土壤貯水量、作物耗水特性、周年產(chǎn)量及水分利用效率影響，以期為河南省推廣保護(hù)性耕作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

定位試驗(yàn)于2014—2017年在河南省中部禹州農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地(34.16°N，113.15°E，海拔100 m)進(jìn)行。該地區(qū)位于河南省中部，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量為674.9 mm，其中60%以上的降水量集中在7～9月份，存在較嚴(yán)重的季節(jié)性干旱。該地區(qū)的土壤為褐土，黃土性母質(zhì)，土層深厚，質(zhì)地疏松，肥力均勻，土壤的理化性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)前土壤的理化性質(zhì)Table 1 Soil physical and chemical properties before the experiment

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，試驗(yàn)共3個(gè)處理，分別為傳統(tǒng)耕作(CT)、免耕(NT)和免耕+秸稈覆蓋(NTS)。土壤耕作在冬小麥播種前實(shí)施，傳統(tǒng)耕作采用鏵式犁翻耕1遍，耕作深度15 cm，隨后耙地1遍，以便于播種小麥。免耕是在前茬玉米收獲后，玉米殘茬粉碎還田，冬小麥播種前耙地2遍，無(wú)其他措施；免耕秸稈覆蓋措施是玉米收獲后，玉米殘茬粉碎還田，當(dāng)小麥播種出苗后，將夏玉米秸稈粉碎至5 cm左右小段，按4 500 kg·hm-2覆蓋地表。同樣，在玉米苗期，將小麥秸稈粉碎(4 500 kg·hm-2)覆蓋地表。

種植的冬小麥和玉米品種分別為“矮抗58”和“鄭丹958”，播種量分別為150 kg·hm-2和75 000株·hm-2，冬小麥播種時(shí)間為10月中上旬，收獲時(shí)間為次年5月下旬。夏玉米為6月初播種，9月底收獲。冬小麥播種前施用氮肥(純氮225 kg·hm-2)、過(guò)磷酸鈣(P2O5105 kg·hm-2)和鉀肥(KCl 75 kg·hm-2)，一次性底施；玉米播種前使用氮肥和磷肥(純氮120 kg·hm-2和P2O5100 kg·hm-2)。為了保證小麥正常出苗，播前進(jìn)行灌溉，灌溉量為60 mm，小區(qū)面積6 m×6 m=36 m2。2014—2017年逐日降水量如圖1所示。

圖1 禹州試驗(yàn)站2014—2017年逐日降水量Fig. 1 Daily rainfall in 2014—2017 of Yuzhou experiment station

1.2 測(cè)量指標(biāo)

1.2.1 冬小麥夏玉米產(chǎn)量測(cè)定 小麥?zhǔn)斋@時(shí)，每小區(qū)沿對(duì)角線選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的3點(diǎn)，每點(diǎn)取4 m2植株樣，脫粒，風(fēng)干，計(jì)算產(chǎn)量。夏玉米成熟后，每小區(qū)收獲2行果穗，3次重復(fù)，脫粒，風(fēng)干，稱(chēng)取質(zhì)量，計(jì)算產(chǎn)量。

1.2.2 土壤水分測(cè)定 分別在冬小麥苗期、拔節(jié)期、揚(yáng)花期、灌漿期和成熟期及夏玉米拔節(jié)期、揚(yáng)花期和成熟期鉆取0～100 cm土層土樣，每20 cm一層，裝入鋁盒中稱(chēng)鮮土質(zhì)量，然后，放入烘箱(105 ℃)烘干至質(zhì)量恒定后稱(chēng)量，計(jì)算土壤含水率。

(1)

式中，ω為土壤含水率，%；M1為原土質(zhì)量，g；M2為烘干土壤質(zhì)量，g。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

1.3.1 土壤貯水量及水分利用效率計(jì)算 土壤貯水量可以反映土壤水分的真實(shí)值。1 m深土層貯水量計(jì)算方法[15]：

(2)

式中，W為土壤貯水量，mm；wi為第i層土壤質(zhì)量含水率，%；Di為第i層土壤容重，g·cm-3；Hi為第i層土層厚度，cm。

本研究中水分利用效率[16](WUE)指蒸散的每單位(mm)水分在單位面積上所生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

WUE=Y/ET，

(3)

ET=I+P+U-R-F±ΔS。

(4)

式中，Y為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，kg·hm-2；ET為作物生長(zhǎng)期間的蒸散量，mm；I為時(shí)段內(nèi)灌水量，mm；P為時(shí)段內(nèi)有效降水量，mm；U為地下水通過(guò)毛管作用上移補(bǔ)給作物水量，mm；R為地表徑流量，mm；F為深層滲漏量，mm；ΔS為收獲期與播種期0～100 cm 土壤貯水量之差，mm。該試驗(yàn)區(qū)地下水埋深4 m以下，可視為地下水補(bǔ)給量為零，U值可忽略不計(jì)。同時(shí)，當(dāng)計(jì)算大田試驗(yàn)水分利用效率時(shí)深層滲漏量(F)和地表徑流量(R)忽略不計(jì)。

1.3.2 統(tǒng)計(jì)分析 采用Microsoft Excel 2007計(jì)算數(shù)據(jù)；采用SPSS軟件進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(LSD 法)；采用SigmaPlot 10.0作圖。

2 結(jié)果分析

2.1 冬小麥夏玉米不同生育期土壤貯水量變化特征

與傳統(tǒng)耕作相比(CT)，免耕+秸稈覆蓋(NTS)處理在冬小麥不同生育期均不同程度地提高0～100 cm土壤貯水量(圖2)。2014—2015年，NTS處理較CT處理在冬小麥苗期、拔節(jié)期和成熟期分別提高0～100 cm土壤貯水量12.5%，10.1%和4.4%，NTS處理在2015—2016和2016—2017年苗期和揚(yáng)花期均顯著提高了0～100 cm土壤貯水量，這說(shuō)明NTS處理較CT耕作蓄水保墑能力強(qiáng)。與CT耕作相比，免耕(NT)處理在不同年份不同生育期表現(xiàn)不同。2014—2015年，NT處理顯著提高冬小麥苗期和成熟期0～100 cm土壤貯水量(P<0.05)；2015—2016年，NT較CT處理分別提高冬小麥苗期、揚(yáng)花期和成熟期0～100 cm土壤貯水量10%，18.1%和8.6%；在2016—2017年冬小麥苗期和成熟期，NT處理0～100 cm貯水量顯著低于傳統(tǒng)耕作(P<0.05)。在玉米生長(zhǎng)期內(nèi)，NTS處理較CT處理相比提高了拔節(jié)期0～100 cm貯水量而降低了成熟期0～100 cm貯水量。與CT相比，NTS分別提高了2015，2016和2017年玉米拔節(jié)期0～100 cm貯水量10.3%，11.1%和4.6%，而NT處理僅在2015年玉米拔節(jié)期顯著增加了0～100 cm貯水量。在2015和2016年玉米成熟期，NTS和NT處理較CT處理顯著降低了0～100 cm貯水量。

注：a,b,c等不同小寫(xiě)字母表示差異差著(P<0.05)，下同。圖2 2014—2017年冬小麥夏玉米不同生育期0～100 cm土壤貯水量Fig. 2 Soil water storage of 0～100 cm during different growingstages of winter wheat and summer maize in 2014—2017

2.2 不同處理對(duì)冬小麥-夏玉米生育期耗水特性的影響

冬小麥整個(gè)生育期，各耕作處理間農(nóng)田耗水量無(wú)顯著差異(P>0.05，表2)。與CT處理相比，NTS和NT處理下冬小麥整個(gè)生育期農(nóng)田耗水量略有減少。不同生育期冬小麥農(nóng)田耗水量受耕作方式、生育期降水量及作物耗水量影響。在2014—2015和2015—2016年，冬小麥苗期-拔節(jié)期和拔節(jié)期-揚(yáng)花期不同耕作方式農(nóng)田耗水量無(wú)顯著差異，但2016—2017年，與CT處理相比，NTS處理下冬小麥苗期-拔節(jié)期和拔節(jié)期-揚(yáng)花期農(nóng)田耗水量分別降低14.7%和12.7%。

不同年份各生育期冬小麥耗水量差異較大。2015—2016年冬小麥生長(zhǎng)期農(nóng)田耗水量較2014—2015和2016—2017年降低，這是由于該年度降水量較少所致。

在2016年，NTS較CT處理夏玉米季農(nóng)田耗水量提高了6.0%(P<0.05，表2)。NT與CT處理無(wú)顯著差異，但NT處理下夏玉米季農(nóng)田耗水量較CT處理提高3.8%。夏玉米不同生育期農(nóng)田耗水量在不同年份不同耕作方式下表現(xiàn)也不相同。在2017年夏玉米拔節(jié)期-揚(yáng)花期，NT處理農(nóng)田耗水量較CT處理降低42.5%(P<0.05)。此外，在2014—2017年不同耕作措施處理下的周年農(nóng)田耗水量無(wú)顯著差異。

表2 2014—2017年冬小麥夏玉米不同生育期農(nóng)田耗水量及周年耗水量 單位：mmTable 2 Soil water consumption during different growing stages of winter wheat and summer maize and annual water consumption in 2014—2017 Unit：mm

2.3 冬小麥-夏玉米產(chǎn)量及周年產(chǎn)量變化特征

與CT相比，NT處理在2014—2015年分別提高了冬小麥產(chǎn)量和地上部生物量10.4%和11.1%(P<0.05，表3)。NT處理較CT分別提高2015和2017年夏玉米產(chǎn)量15.6%和17.9%，提高地上部生物量5.6%和28.8%(P<0.05)。而NTS處理并未顯著提高冬小麥產(chǎn)量和玉米產(chǎn)量(P>0.05)。與CT處理相比，NTS和NT處理分別提高平均周年產(chǎn)量2.2%和9.2%，周年平均地上部生物量分別提高了5.0%和9.6%，這說(shuō)明免耕更有利于提高周年產(chǎn)量。

表3 不同耕作處理對(duì)冬小麥夏玉米地上部生物量和產(chǎn)量的影響Table 3 Effects of different tillage on above ground biomass and yield of winter wheat and summer maize

2.4 不同處理對(duì)冬小麥-夏玉米水分利用效率的影響

與CT相比，NT處理顯著提高了2014—2015和2015—2016年冬小麥及2015和2017年夏玉米的水分利用效率(WUE值)(表4)。在2015—2016年，NTS和NT處理顯著提高了冬小麥產(chǎn)量水分利用效率，分別提高了1.0和1.9 kg·hm-2·mm-1。與CT相比，NT處理在2017年提高夏玉米的水分利用效率19.4%。在2014—2015和2016—2017年，NT處理周年水分利用效率顯著高于傳統(tǒng)耕作(P<0.05)。

表4 2014—2017不同耕作處理對(duì)水分利用效率的影響Table 4 Effects of different tillage on water use efficiency in 2014—2017

3 討論

由于免耕能減少對(duì)土壤的擾動(dòng)，降低土壤水分蒸發(fā)，從而具有良好的蓄水保墑作用[17]。秸稈覆蓋措施能有效地降低土壤容重，提高土壤總孔隙度，增加土壤通透性[18]，提高土壤水分入滲[19,20]，減少土壤水分蒸發(fā)[21]，提高土壤平均含水量[22,23]及土壤貯水量[15]。本研究表明，免耕+秸稈覆蓋處理較傳統(tǒng)耕作不但提高了冬小麥關(guān)鍵生育期0～100 cm土壤貯水量，而且提高了夏玉米拔節(jié)期和揚(yáng)花期0～100 cm土壤貯水量，這與前人研究結(jié)果一致[24]。對(duì)于作物耗水特征，秸稈覆蓋措施能夠提高冬小麥整個(gè)生育期農(nóng)田總耗水量[25]，但也有研究結(jié)果表明免耕秸稈覆蓋措施在冬小麥季耗水量最少，且周年耗水量也最少[26]。本研究結(jié)果表明，在冬小麥-夏玉米的輪作體系中，免耕+秸稈覆蓋處理并未顯著提高冬小麥整個(gè)生長(zhǎng)期耗水量和周年耗水量(P>0.05)，其中免耕+秸稈覆蓋較傳統(tǒng)耕作分別降低了2016—2017年冬小麥苗期-拔節(jié)期和拔節(jié)期-揚(yáng)花期農(nóng)田耗水量14.7%和12.7%。

與傳統(tǒng)耕作相比，免耕覆蓋措施對(duì)作物產(chǎn)量的影響由于區(qū)域和降水量不同，研究結(jié)果有所差異。有研究結(jié)果表明，免耕秸稈覆蓋措施能夠提高小麥、玉米產(chǎn)量和周年產(chǎn)量[25]，但也有結(jié)果表明，免耕覆蓋措施有減產(chǎn)效應(yīng)[27]。本研究結(jié)果表明，在冬小麥-夏玉米的輪作體系中，免耕+秸稈覆蓋處理雖未顯著提高冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量，但其平均周年產(chǎn)量較傳統(tǒng)耕作提高2.2%。與傳統(tǒng)耕作相比，免耕則顯著提高了2014—2015年冬小麥產(chǎn)量、2015和2017年夏玉米產(chǎn)量及平均周年產(chǎn)量，這說(shuō)明免耕處理更有利于增產(chǎn)。

水分利用效率是衡量耕作方式節(jié)水保墑的重要指標(biāo)，由產(chǎn)量和作物耗水量的比值決定。有研究表明，秸稈覆蓋較傳統(tǒng)耕作能夠顯著提高水分利用效率[25-27]。本研究結(jié)果則表明，在冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)中，免耕+秸稈覆蓋處理較傳統(tǒng)耕作并未顯著提高周年水分利用效率，這是由于免耕+秸稈覆蓋措施增加了周年耗水量的原因，而免耕由于降低土壤擾動(dòng)，減少了水分蒸發(fā)，進(jìn)而提高了水分利用效率。

4 結(jié)論

(1)與傳統(tǒng)耕作相比，免耕+秸稈覆蓋處理均不同程度地提高了冬小麥關(guān)鍵生育期0～100 cm土壤貯水量，且連續(xù)3年提高了夏玉米拔節(jié)期0～100 cm土壤貯水量。免耕較傳統(tǒng)耕作提高了2014—2015年冬小麥生長(zhǎng)期0～100 cm土壤貯水量。在冬小麥-夏玉米的輪作體系中，免耕+秸稈覆蓋和免耕處理并未顯著提高冬小麥整個(gè)生長(zhǎng)期耗水量和周年耗水量(P>0.05)，但免耕+秸稈覆蓋處理顯著提高了2016年玉米生長(zhǎng)期農(nóng)田耗水量(P<0.05)。

(2)與傳統(tǒng)耕作相比，免耕處理顯著提高了2014—2015和2016—2017年冬小麥產(chǎn)量、夏玉米產(chǎn)量和周年產(chǎn)量。免耕+秸稈覆蓋和免耕處理較傳統(tǒng)耕作提高了平均周年產(chǎn)量2.2%和9.2%。此外，免耕較傳統(tǒng)耕作有效提高了周年WUE，從冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)來(lái)看，免耕更有利于周年產(chǎn)量提高及水分有效利用。