不同耕作方式下雨養冬小麥產量和水分利用

劉 鵬，趙秀玲，闞正榮，祁劍英，濮 超，趙 鑫，馬守田，張海林

(中國農業大學 農學院/農業部農作制度重點實驗室，北京 100193)

水資源短缺是限制全球大部分地區農業集約可持續發展的重大挑戰之一，干旱造成的損失占全球各類自然災害造成農業損失的43%左右[1-2]。因此，充分利用自然降水，發展旱作雨養農業以應對和緩解水資源緊張顯得尤為重要。華北平原存在嚴重的干旱問題，水資源短缺正在威脅著華北平原的農業可持續發展[3]，在該地區實施雨養農業是重要農作措施。與灌溉農業相比，雨養農業產量低而不穩[4]，但是雨養農業在減少成本投入和提高農民效益等方面有利。雨養農業也面臨諸多挑戰，自然降水量的不足和時空不均是主要不利因素，能否合理投入肥料也限制了雨養農業產量，并有研究表明在干旱半干旱地區傳統翻耕模式導致雨養農田出現水土流失和地力下降[5-6]。在氣候變化背景下，極端氣候的增多也為旱作雨養農業的發展增加了很大不確定性，而雨養農業中最重要的是土壤蓄水保墑以達到穩產，因此，在干旱地區選擇適宜的抗旱穩產品種和耕作措施尤為重要。

雨養條件下水分是最主要的產量限制因素，選用能夠提高水分儲蓄和利用率的耕作方式是必然。保護性耕作是一項重要的蓄水保墑技術，并在改善土壤質量、控制水土流失和減少沙塵危害等方面發揮著重要作用[7]，已成為現代農業的重要發展趨勢。有研究表明免耕秸稈還田可以改善土壤孔隙度狀況和土壤結構，從而增強土壤蓄水能力，提高土壤含水率和供水能力[8-9]；但也有研究表明，免耕秸稈還田會引起土壤體積質量上升、土壤機械阻力增大和通氣性變差，從而限制根系生長及其對土壤水分的吸收[10]。關于免耕秸稈還田對作物產量的影響，由于研究位點氣候條件、土壤類型以及研究年限等的差異，不同研究的結果并不一致[11-12]。

華北平原是中國重要冬小麥種植區，水資源匱乏是該區域冬小麥種植的主要限制性因素。有關不同耕作方式對華北平原作物產量和水分利用影響的研究較多[13-14]，但在旱作雨養條件下基于不同耕作措施并結合不同冬小麥品種的研究還很少。篩選適宜在華北平原種植的冬小麥品種并且探索配套的耕作方式對該地區農業集約可持續發展具有重要意義。本試驗通過2 a的田間試驗，研究不同的耕作方式和品種對華北地區冬小麥產量和水分利用效率的影響，以期在雨養條件下篩選出適宜該地區的旱作冬小麥品種和配套耕作措施。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間試驗在河北省吳橋縣中國農業大學吳橋實驗站(北緯37°36′，東經116°21′，海拔19.7m)進行，吳橋縣地處華北平原東部，黑龍港流域中部，屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，冬季寒冷，夏季高溫，年平均氣溫12.6 ℃，全年積溫(≥ 0 ℃) 4 862.9 ℃，年降雨量約為500 mm，年內季節性分布不均，約60%～70%的降雨集中在6至8月份。試驗進行期間冬小麥生育期內降水分布情況見圖1。試驗地土壤類型為沖積型鹽化潮土，田間最大持水量為30%，0～30 cm土層有機質質量分數為12.4 g·kg-1，全氮0.79 g·kg-1，速效磷44.6 g·kg-1，速效鉀94.2 g·kg-1。該區主要的種植模式為冬小麥-夏玉米一年兩熟。

圖1 冬小麥生育期內不同月份降水量Fig.1 Precipitation of different months in season of winter wheat

1.2 試驗設計與田間管理

田間試驗于2015-2017年冬小麥季進行，采用裂區試驗設置，主處理為耕作方式，設2個水平，分別是免耕秸稈還田(NTS)和旋耕秸稈還田(RTS)，冬小麥品種為副處理，設8個水平，分別是‘濟麥22’(CK)、‘汶農14’(V1)、‘魯麥21’(V2)、‘山農29’(V3)、‘農大399’(V4)、‘煙農19’(V5)、‘青麥6’(V6)和‘魯源502’(V7)，這8個品種種植區域均為華北冬麥區，具有較強的可獲得性，符合試驗地種植條件，且各個品種特性具有明顯差異，共16個處理，每個處理重復3次，共48個小區，每個小區面積為5 m×6 m。

除耕作方式外，各處理的田間管理措施保持一致。小麥采用人工溝播方式進行播種，在播種的同時開側溝進行人工施肥，具體的肥料用量為：尿素196.5 kg·hm-2(含純氮46%)，磷酸二銨327 kg·hm-2(含純氮18%、含P2O546%)，硫酸鉀240.0 kg·hm-2(含K2O 50%)。除底墑水(90 mm)外冬小麥生育期內不進行灌溉。夏玉米采用免耕直播機進行播種，在播種的同時施用750 kg·hm-2的復合肥(N-P-K，28-12-8)；夏玉米采用聯合收割機進行收獲，玉米秸稈使用秸稈粉碎機粉碎后均勻覆蓋在地表。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤水分 于冬小麥播種前和收獲后，以20 cm為間隔，用土鉆取0～200 cm土層的土樣，測定其鮮質量和烘干后的質量，計算土壤質量含水量(%)。

土壤質量含水量=(鮮土質量-干土質量)/干土質量×100%

(1)

土壤儲水量采用公式(2)計算：

V=ρ×H×W× 10

(2)

式中，V為土壤儲水量(mm)；ρ為土壤體積質量(g·cm-3)；H為土層厚度(cm)；W為土壤質量含水率(%)。

冬小麥生育期耗水量根據水分平衡公式計算：

ET=P+I+ΔW-R-D+CR

(3)

式中，ET為耗水量(mm)；P為降雨量(mm)；I為灌溉量；ΔW為2 m內土壤儲水量的變化(mm)；R為徑流(mm)；D為2 m以下土壤排水(mm)；CR為地下水到根域的上升流量(mm)。R、D、CR在本試驗中可以忽略，本試驗為雨養條件，灌水量I為90 mm。

水分利用效率(WUE)= 小麥籽粒產量/ 耗水量

(4)

降水生產力(Pr)= 小麥籽粒產量/小麥生育期降水量

(5)

1.3.2 葉面積指數 分別在冬小麥返青期、拔節期、孕穗期、開花期和灌漿期測定單株葉面積，葉面積使用Yaxin-1241葉面積儀進行測量，葉面積指數(LAI)計算表達式為：

葉面積指數=群體葉面積/小區面積

(6)

群體葉面積=單株葉面積×單位面積株數

(7)

1.3.3 冬小麥產量測定及考種 測產時，每個小區選擇2個2 m2的樣方進行收獲，待自然風干后脫粒，分別稱量生物產量和經濟產量，并計算收獲指數(HI)：

收獲指數(HI)= 經濟產量/生物產量

(8)

1.4 數據分析

本研究使用Excel 2013整理數據并進行常規計算，使用Microsoft Excel 2013作圖。使用SPSS 20.0進行方差分析、多重比較和T檢驗，多重比較采用最小顯著差異法(Least-significant difference,LSD)。

2 結果與分析

2.1 耕作方式對不同品種冬小麥產量的影響

由表1可知，2015-2016年除‘魯原502’的生物產量在RTS處理下略低于NTS，其余品種的生物產量和經濟產量均表現出RTS高于NTS趨勢，其中‘汶農14’和‘農大399’達到顯著水平(P<0.05)，RTS較NTS分別高23.96%和25.17%。耕作方式對HI無顯著影響，其中‘煙農19’經濟產量和HI在2種耕作處理下均表現最好，分別為4 775和4 400 kg·hm-2以及0.35和0.36。2016-2017年，各品種在RTS處理下的生物產量均高于NTS，且‘山農29’和‘青麥6’達到顯著水平(P<0.05)，RTS較NTS分別高24.24%和22.2%，經濟產量在RTS處理下高于NTS，但‘青麥6’表現相反，其中以‘山農29’‘農大399’和‘煙農19’產量表現較好；除‘濟麥22’外各品種的HI表現為NTS高于RTS。不同品種生物產量和經濟產量在年際間有較大差異，表現為2016-2017年高于2015-2016年。

2.2 不同耕作方式對冬小麥產量構成因素的影響

由表2可知，2015-2016年，‘煙農19’‘青麥6’和‘魯原502’的穗數在RTS下低于NTS，其余品種則表現出RTS高于NTS趨勢，其中‘魯麥21’和‘山農29’達到顯著水平(P<0.05)，RTS較NTS分別高10.13%和8.30%。‘農大399’在2種耕作方式下的穗粒數均為最高，分別為40.72和40.52。各品種的千粒質量在RTS下均高于NTS，其中‘濟麥22’和‘農大399’達到顯著水平(P<0.05)，RTS較NTS分別高10.69%和8.5%。2016-2017年，除‘煙農19’穗數表現RTS略低于NTS，其余品種均表現為RTS高于NTS。‘汶農14’的穗數在2種耕作方式下均表現出最高值，分別為622.1×104和595.88×104hm-2。各冬小麥品種穗數在2016-2017年表現高于2015-2016年，而各品種穗粒數和千粒質量在年際間表現沒有一致性。

表1 不同冬小麥品種產量的差異Table 1 Yield differences of winter wheat

注：不同小寫字母表示同一耕作方式下不同品種間在P<0.05水平差異顯著； *表示同一品種在不同耕作方式間差異顯著(P<0.05)。下同。

Note:Different lowercase letters indicate significant difference among varieties in the same tillage practice(P<0.05); * indicates significant difference among tillage practices of the same variety(P<0.05).The same below.

表2 不同冬小麥品種產量構成因素的差異Table 2 Differences of yield components for winter wheat

2.3 不同耕作方式對冬小麥葉面積指數的影響

2種耕作方式下不同品種冬小麥的葉面積指數呈現先增高后下降的趨勢，且均在孕穗期達到最高值(圖2)。2015-2016年，‘農大399’的LAI在拔節期、孕穗期和開花期均高于其余品種，其均值分別比CK高26.49%、57.46%和48.85%。與NTS相比RTS處理下各品種的LAI在拔節、孕穗和開花期有優勢。2016-2017年，LAI變化趨勢與上一年一致，但‘農大399’的優勢降低，RTS處理下LAI在開花期的優勢消失，甚至低于NTS。總體上看，2016-2017年各品種LAI高于2015-2016年，但2016-2017年孕穗至灌漿期的LAI下降速率明顯增大，在灌漿期甚至出現低于前一年的現象。綜上‘農大399’在拔節期至開花期這段產量形成的關鍵時期較其他品種具有明顯優勢，其均值分別達到5.39、6.47、3.81；此外，‘煙農19’和‘魯原502’也有較好表現。

2.4 不同耕作方式對冬小麥耗水量的影響

由圖3可知，2015-2016年，除‘煙農19’和‘魯原502’的生育期耗水量在RTS下略低于NTS，其余品種均表現為RTS高于NTS，其中‘濟麥22’‘汶農14’和‘魯麥21’達到顯著水平。‘山農29’在RTS和NTS處理下均表現出最低的耗水量，分別為446.03和407.64 mm，比CK分別低4.73%和3.35%；2016-2017年，除‘濟麥22’和‘煙農19’，其余品種的生育期耗水量在RTS處理下均高于NTS，其中‘汶農14’達到顯著水平(P<0.05)，RTS較NTS高12.14%。‘濟麥22’在2種耕作方式下均表現最低值，分別為402.92和378.21 mm，‘山農29’和‘煙農19’也表現出相對較低的耗水量。整體上看，‘濟麥22’ ‘山農29’和‘煙農19’在不同耕作處理下均表現出較低的耗水量。

圖2 不同生育期冬小麥葉面積指數的差異Fig.2 Differences of leaf area index at different growing stages of winter wheat

圖3 不同冬小麥品種耗水量的差異Fig.3 Difference of water consumption of winter wheat

2.5 不同耕作方式對冬小麥水分利用效率的影響

由表3可知，2015-2016年，‘山農29’‘農大399’和‘煙農19’在2種耕作處理下均保持較高的WUE，其峰值分別為10.14、9.65和10.45 kg·hm-2·mm-1。各品種的降雨生產力在RTS處理下均高于NTS，‘濟麥22’‘汶農14’和‘農大399’達到顯著水平(P<0.05)，RTS較NTS分別高20.00%、22.62%和25.18%。2016-2017年，‘魯麥21’‘山農29’和‘煙農19’在2種耕作處理下均保持較高的WUE，其中‘煙農19’表現尤為突出，在RTS和NTS下分別為14.29和14.26 kg·hm-2·mm-1。‘汶農14’‘魯麥21’和‘煙農19’在各耕作方式下均表現出較高的降雨生產力。綜上所述，‘煙農19’在對土壤水分和降水的高效利用方面表現優于其他品種，且在不同降水年份和耕作方式下保持較好的穩定性。

表3 不同冬小麥品種水分利用效率的差異Table 3 Difference of water use efficiency of winter wheat

3 討 論

雨養條件下，降水是影響小麥產量的關鍵因素。本研究發現生育期內降水分布的差異對冬小麥產量形成有重要影響，2015-2016年的降水主要集中在10月和11月，達到63.2mm，占生育期總降水量的57.2%，而冬前苗期過多降水對冬小麥基本苗有不利影響[15]；2016-2017年的降水分布較均衡，且在越冬后的3至6月降水量比前一年高出42.2 mm，這個時期是冬小麥產量形成的關鍵時期，對水分脅迫較為敏感，充足水分供應增加了穗數，最終使得產量遠高于前一年。對比2 a降水量分布，可以看出苗期少量降水而中后期的充足降水更有利于產量形成。陳曉遠等[16]研究也發現，前期干旱而中后期充分供水，小麥株高、葉面積、生物量和產量都有明顯增加，這與本研究結果相似。

本研究發現適宜的降水分布尤其是拔節孕穗期的充足水分顯著提高了冬小麥水分利用效率和關鍵生育時期葉面積指數，這與Xu等[17]提出合理的水分供應可以提高小麥光合能力和水分利用效率一致。然而雨養條件下降水是不可控因素，選擇抗旱小麥品種是重要抗旱節水措施，有研究表明抗旱品種的減產幅度顯著小于普通品種[18]。本研究發現，‘煙農19’相比其余供試品種具有明顯的抗旱高產穩產優勢，對不同水分環境都有較強的適應能力，這與趙倩等[19]研究結果一致。此外，‘農大399’和‘魯原502’也表現出較好的耗水特性和穩產性。

前人關于耕作方式對冬小麥生長發育、耗水特性和產量的影響已經做了大量的研究，但不同耕作方式對冬小麥產量影響的研究結果不盡相同。有研究表明，免耕覆蓋相比傳統耕作方式增加土壤肥力，改善土壤結構，提高有機質質量分數和活性，顯著增加了小麥籽粒產量[14,20]。但是不同研究的增產幅度不一致，甚至有減產的情況，如陳四龍等[21]在華北平原的田間試驗中發現免耕秸稈還田導致種床條件復雜而影響出苗，在返青期免耕土地溫度上升緩慢影響冬小麥返青和其他生育進程；De等[22]和孔凡磊等[23]也發現免耕導致冬小麥籽粒產量顯著低于旋耕和翻耕；本研究結果發現旋耕秸稈還田相比免耕秸稈還田顯著提高了冬小麥產量，這與上述研究的結論相似。

光合作用對小麥產量貢獻達90%～95%，尤其是生育后期的葉面積指數和光合能力是小麥產量形成的關鍵[14]。本研究結果表明，旋耕秸稈還田相比免耕秸稈還田提高了拔節期和孕穗期葉面積指數最終促進產量提高，唐江華等[24]在大豆田間試驗中發現旋耕處理下的葉面積指數顯著高于免耕，與本研究結論有相似之處。然而大部分研究表明免耕秸稈還田有利于葉面積指數的保持并延緩花后葉片衰落[25]，免耕秸稈還田能延緩旗葉葉綠素的降解，提高葉面積指數和光和能力[14]。研究結果間的差異可能由于試驗年份不同氣候條件和試驗地點不同土壤環境以及品種不同所導致。

已有研究表明耕作方式對冬小麥的水分利用效率有顯著影響。Ali等[26]研究表明保護性耕作增強土壤保持水分的能力從而導致冬小麥的水分利用效率提高；還有研究發現免耕與傳統耕作相比增加了土壤深層儲水量增加了產量和水分利用效率[27]。此外，免耕下的高土壤體積質量增強土壤保水能力而秸稈覆蓋減少了土壤水分蒸發并為作物提供足夠水分從而表現出更好的水分利用效率[22]。本研究中，免耕秸稈還田有利于減少冬小麥耗水量，但水分利用效率在不同耕作方式下表現并不一致，這可能與不同品種的產量差異相關。

4 結 論

與NTS相比，RTS提高冬小麥產量以及各品種拔節期和孕穗期等關鍵生育時期葉面積指數；NTS有利于收獲指數提高，這表明NTS增加了同化物向籽粒中轉運，同時NTS還明顯降低冬小麥的耗水量，而不同品種在不同耕作方式下的水分利用效率表現不一致。因此在華北半干旱地區，‘魯麥21’‘山農29’‘農大399’品種在免耕秸稈還田下以及‘濟麥22’‘汶農14’‘青麥6’品種在旋耕秸稈還田下可以表現出較好的水分適應性。