黃淮海平原地區深松和灌水次數對冬小麥-夏玉米節水增產的影響

強小嫚，張凱，米兆榮，劉戰東，王萬寧，孫景生

?

黃淮海平原地區深松和灌水次數對冬小麥-夏玉米節水增產的影響

強小嫚1，張凱1，米兆榮2，劉戰東1，王萬寧1，孫景生1

（1中國農業科學院農田灌溉研究所/農業部作物需水過程與調控重點實驗室，河南新鄉 453002；2河南科技學院園藝園林學院園藝系， 河南新鄉 453003）

【目的】研究黃淮海平原地區冬小麥-夏玉米不同深松時機交互不同灌水次數對作物產量及水分生產效率的影響，為優化黃淮海地區土壤耕作方式提供理論依據?！痉椒ā坎捎猛寥栏鞣绞脚c灌水次數相結合的方法，設置秋深松+冬小麥2水（QS-2）、秋深松+冬小麥3水（QS-3）、夏深松+冬小麥2水（XS-2）、夏深松+冬小麥3水（XS-3）、對照（CK）共5個處理，研究深松與灌水次數對冬小麥-夏玉米一年兩熟農田土壤物理性質、植株生長發育、產量、總產出值及水分生產效率等的影響。【結果】深松和灌水次數對土壤容重、土壤緊實度、土壤儲水量、總產出值、水分生產效率均有不同程度顯著影響。與對照相比，QS-2、XS-2、XS-3處理均顯著降低深松后第1年土壤耕層（0—40 cm）及深松后第2年0—20 cm土層的土壤容重；深松各處理均顯著降低第1年土壤緊實度，對第2年土壤緊實度影響效果不明顯；秋深松后第2年QS-2處理的冬小麥整個生育期平均土壤儲水量較CK顯著增加18.14%，QS-3處理次之，夏深松后第2年XS-2、XS-3處理分別較CK顯著提高24.7%、25.6%；秋深松能顯著提高當季冬小麥生長發育，QS-2、QS-3處理地上生物量分別較CK增加了19.29%、27.06%，第2年QS-2和QS-3處理地上生物量較CK均有所提高，差異不顯著，秋深松對第2年冬小麥生長發育影響效果減弱，夏深松第2年XS-2和XS-3處理的葉面積和地上生物量均較對照顯著提高，夏深松能顯著促進后茬冬小麥生長發育；QS-2處理對2年冬小麥-夏玉米總產出值和水分生產效率均顯著提高，第1年總產出值和水分生產效率分別較CK提高27.21%、23.51%，第2年分別提高19.54%、18.84%，夏深松顯著提高第2年冬小麥-夏玉米總產出值及水分生產效率，XS-2處理分別提高18.50%、17.65%，XS-3處理分別提高19.57%、15.35%?！窘Y論】黃淮海平原冬小麥-夏玉米連作采用冬小麥播前秋深松耕作方式，冬小麥全生育期灌水2次，有利于降低農田土壤容重、降低土壤緊實度、提高土壤儲水效果、顯著提高深松周期內冬小麥-夏玉米總產出值及水分生產效率。建議在黃淮海平原地區平水年和豐水年（夏玉米季降雨充沛），冬小麥-夏玉米種植區采用秋深松+冬小麥灌2水耕作模式，實現高產與高效。

深松；灌水次數；產量；水分生產效率；節水增產效應；冬小麥；夏玉米

0 引言

【研究意義】黃淮海平原地區是中國重要的糧食生產基地，在保障國家糧食安全中具有十分重要的地位。該地區長期采用傳統的冬小麥播前旋耕、夏玉米免耕播種的耕作模式，導致土壤耕層逐年變淺、犁底層逐漸變硬變厚，耕層質量日趨下降，造成土壤生產能力持續減弱。該地區降水量主要集中在夏玉米生長季（7—9月份），冬小麥生長季主要采用傳統地面灌溉等粗放式灌溉方式，水分利用效率低下，水資源浪費嚴重。不合理耕層結構及粗放的灌溉制度加劇了農業用水無法高效利用，已成為限制該地區糧食穩產高產的主要因素。因此，通過深松耕作措施打破犁底層，改善土壤結構、增強土壤蓄水能力、提高水分利用效率，是黃淮海地區的糧食生產重要農業技術之一，同時，研究深松耕作方式下配備的科學合理的灌溉制度，以期為該地區深松耕作的推廣提供科學依據?！厩叭搜芯窟M展】前人研究表明，深松耕作能有效降低土壤容重及土壤緊實度、增加土壤通透性、提高土壤蓄水能力，提高產量及水分利用效率[1-3]?？讜悦竦萚4]研究表明，深松后耕層土壤容重較常規旋耕和免耕分別下降6.5%和8.8%，土壤緊實度分別下降25.6%和32.3%，產量分別增加4.3%和5.7%。尹寶重等[5]研究表明，海河低平原渠灌區深松處理較旋耕和深耕處理相比，明顯提高20—80 cm土層土壤含水量，對降水和灌水的消耗比例顯著高于其他處理，同時顯著提高冬小麥產量及水分利用效率。MOHANTY等[6]研究表明，深松能打破犁底層，改善土壤的滲透性能，利于降水和灌溉水的接納和蓄存能力，提高水分利用效率。王萬寧等[7]研究表明，0—40 cm土層，深松處理較旋耕處理土壤容重降低了0.63%—3.85%，孔隙度提高了0.27%—3.67%，夏玉米產量提高了9.5%，水分利用效率提高了5.08%。SU等[8]在中國北部黃土高原地區連續6年試驗研究表明，深松處理的水分利用利用效率明顯高于旋耕和常規耕作處理。QIN等[9]研究表明，深松處理能增加降水入滲，提高土壤貯水能力。然而也有研究[10-13]指出深松后土壤容重無顯著性變化，土壤水分蒸發加劇，甚至出現作物減產現象。這可能與深松時機有關，也可能因為缺乏與深松耕作方式相配套的灌水技術模式，具體結論和原因還有待進一步深入研究?！颈狙芯壳腥朦c】黃淮海平原地區常年采用傳統耕作結合大水漫灌灌溉方式，容易造成大量灌溉水無效蒸發或徑流。傳統耕作模式灌溉施肥后，上層土壤水分和養分充足，而犁底層緊實的土壤結構導致土壤水分和養分不能有效補充至深層土壤，不利于作物最優根系的構建，容易造成后期倒伏，不利于作物高產的形成，又不利于機械化收獲。前人研究多測重研究單一的土壤耕作方式和土壤水分對土壤物理性狀、土壤水分變化、產量及水分利用效率等的影響，極少探討不同土壤耕作方式及灌溉技術對農田土壤性狀、作物生長發育及水分利用效率等的交互作用。因此，制定科學合理的耕作方式并提出配套的灌溉技術模式，是該地區冬小麥-夏玉米節水高產栽培的關鍵技術之一。【擬解決的關鍵問題】本研究通過2年試驗，研究冬小麥播前深松-夏玉米免耕播種、冬小麥播前旋耕-夏玉米播前深松及冬小麥播前旋耕-夏玉米免耕播種（CK）3種耕作方式與作物不同關鍵生育期灌水次數的組合模式對田間土壤理化性質、土壤貯水能力、作物產量形成及水分生產效率等的影響，提出有利于作物高產穩產及水資源高效利用的耕作模式及其配套的灌溉技術，為推進節水型社會建設、保障糧食安全的耕作方式及灌溉模式進行示范和推廣提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2015年10月至2017年9月在河南省新鄉市獲嘉縣（35.29°N、113.64°E，海拔78 m）進行。該地區屬于典型黃淮海平原地區，多年平均氣溫14.6°C，無霜期221 d，日照時數2 058.4 h，多年平均降雨量為574.5 mm。2015年10月至2017年9月試驗期間月降雨量見圖1，可知，2016年為豐水年，深松后第一季冬小麥-夏玉米生育周期（2015年10月至2016年9月）共降雨880.5 mm，較長期（1951—2015年）平均降雨量（574.5 mm）高53.3%，冬小麥季節降雨量為184.8 mm，夏玉米季節降雨量為695.7 mm，夏玉米生育關鍵期降雨充沛，故該季夏玉米無需進行灌溉。2017年為平水年，深松后第2季冬小麥-夏玉米生育周期（2016年10月至2017年9月）降雨量為522.9 mm，較長期平均降雨量低9.0%，冬小麥季節降雨量為246.9 mm，夏玉米季節降雨量為276.0 mm。試驗地土質為砂壤土，田間持水量為25.6%，0—1 m土層的土壤理化性質為：pH 8.74，土壤電導率為193.47 μS·cm-1。0—40 cm土層堿解氮含量為48.68 mg·kg-1，速效磷為15.19 mg·kg-1，速效鉀為97.15 mg·kg-1，有機質為8.5 g·kg-1。

圖1 2015—2017年試驗期間月降雨量

1.2 試驗設計

供試冬小麥和夏玉米品種分別為矮抗58和登海605。冬小麥播種量為225 kg·hm-2，行距25 cm。底肥采用三環復合肥料（N-P2O5-K2O：15-15-15總養分≥45%），施肥量為750 kg·hm-2，種、肥同播，拔節期畦灌追施“心連心”尿素（總氮≥46.4%）375 kg·hm-2。夏玉米種植密度為6.7萬株/hm-2，株距25 cm，行距60 cm，底肥采用“登海605”緩控釋玉米專用摻混肥料（N-P2O5-K2O：27-8-5總養分≥40%）900 kg·hm-2，種、肥同播，期間無追肥。

試驗為裂區試驗設計，主因素為耕作方式，設冬小麥播前深松—夏玉米免耕播種（秋深松，QS）、冬小麥播前旋耕—夏玉米播前深松（夏深松，XS）和冬小麥播前旋耕—夏玉米免耕播種（旋耕，CK）3種耕作水平；副因素為冬小麥灌水次數，根據該項目組近幾年在冬小麥、夏玉米節水灌溉試驗中采取的灌水技術為參考，設為：冬小麥2水（冬灌+拔節水）、冬小麥3水（冬灌+拔節水+孕穗水）共2個灌水水平，以旋耕+冬小麥灌2水作為對照處理，共5個處理，每個處理重復3次，分別為：秋深松+冬小麥2水（QS-2）、秋深松+冬小麥3水（QS-3）、夏深松+冬小麥2水（XS-2）、夏深松+冬小麥3水（XS-3）、對照（CK）。2016年夏玉米季降雨比較充沛，夏玉米全生育期無需灌水，2017年結合當季降雨情況，夏玉米生育期共灌水2次（出苗水+拔節水）。灌水式為畦灌灌水方式，灌水定額為90 mm。畦田規格設為3 m×50 m，共15個小區。

秋深松時間為2015年10月（冬小麥播種前），夏深松時間為2016年5月（夏玉米播種前），深松深度為35 cm，深松周期為2年深松1次。旋耕深度為15 cm。深松機采用山東大華機械有限公司的大華寶來1S-250型深松機，深松鏟為全方位弧面倒梯型，同時作業行數為4行，鏟間距62 cm，工作幅寬250 cm。旋耕機采用河北雙天機械制造有限公司的1GKN-220A1型中高箱旋耕機。前茬作物收獲后秸稈全量粉碎還田，各處理其他田間管理措施相同。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤容重測定 冬小麥、夏玉米成熟期，各處理挖取1 m×1 m×0.6 m的長方體坑，采用環刀法（體積為100 cm3）分別測定0—50 cm土層土壤容重，每10 cm為一層，每處理重復3次。

1.3.2 土壤緊實度 冬小麥、夏玉米成熟期采用土壤緊實度儀（Sc?900 Soil Compaction Mate）測定各處理畦首（畦長1/5處）、畦中（畦長1/2處）、畦尾（畦長4/5處）處土壤緊實度，測定深度為0—50 cm，每處理重復3次。

1.3.3 土壤含水量 冬小麥、夏玉米各個生育期采用土鉆取土烘干法測定田間土壤含水量，測定深度為0—100 cm，每20 cm為一層，采用精度為0.01 g的電子天平稱稱取濕土重和干土重。灌水和降雨前后加測一次。

1.3.4 植株生長發育指標 冬小麥、夏玉米各生育期內，每個小區隨機選取5株長勢均一無病蟲害的植株于各個生育階段定期觀測株高和葉面積，測量時采用精度為0.1 cm的鋼尺量取株高（最頂葉完全伸展至莖基部距離）和每片葉長、葉寬；另選取長勢均一、無病蟲害的植株測量地上生物量，測量時采用0.01 g電子天平稱取每部分（莖、葉、穗）干物質，105℃殺青30 min，75℃烘干至恒重測定干物質重量。每個處理重復3次。

1.3.5 產量 冬小麥成熟后，每小區隨機選取1 m×2 m樣方進行收獲，籽粒風干后稱重計產；夏玉米成熟后，每小區收獲2 m雙行果穗，籽粒風干后稱重計產。每處理重復3次。

1.3.6 田間耗水量 田間耗水量采用水量平衡法[14-15]計算，見公式（1）：

=++-f-+（0-t） （1）

式中，為階段耗水量（mm）；為時段內凈灌水總量（mm）；為時段內總降雨量（mm）；為時段內地下水補給量（mm），由于試驗地地下水位較深，一般在5.0 m以下，作物無法吸收利用，故認為可忽略地下水補給，即≈0；f為時段內地表徑流量（mm），由于試驗區地勢平坦，故無地表徑流產生，f≈0；為時段內根區的深層滲漏量（mm），其計算方法為灌水（或降雨）前100 cm土層內有效土壤含水量（mm）+灌水量（或降雨量，mm）-田間持水量（mm）；0、t分別為時段初期和時段末期的土壤儲水量（mm）。

1.3.7 水分生產效率 作物水分生產效率（Water Productivity，WP）等于作物經濟效益與作物耗水量的比值[16]，見公式（2）：

=/（2）

式中，為水分生產效率（元/m3）；為冬小麥和夏玉米總的經濟效益（元）；為田間總實際耗水量（mm）。

1.4 數據統計分析

運用Excel和DPS軟件對試驗數據進行統計分析，采用LSD法進行差異顯著性比較（a=0.05）。

2 結果

2.1 不同耕作方式及水分處理對田間土壤容重的影響

分別于2016年和2017年冬小麥-夏玉米連作系統結束時觀測田間土壤容重，結果見表1。分析可知，深松后第1年QS-2、XS-2和XS-3處理較CK相比均顯著降低了0—40 m土層土壤容重，40—50 cm土層各處理無顯著性差異。0—40 m土層中，QS-2處理土壤容重較CK降低5.3%（＜0.05）、XS-2處理較CK降低5.9%（＜0.05）、XS-3處理較CK降低4.8%（＜0.05），QS-3處理與CK相比各土層土壤容重有所降低，但差異不顯著。說明采用秋深松和夏深松耕作方式結合適宜的灌水次數在深松后第1年均不同程度降低了土壤耕層0—40 cm土層土壤容重。2017年結果為，QS-2、XS-2和XS-3處理較對照相比均顯著降低了0—20 cm土層土壤容重，20—40 cm土層容重有所降低，差異不顯著，QS-3處理各土層土壤容重與CK比較接近，無顯著性差異。表明秋深松且冬小麥灌3水對土壤容重的影響小于其他深松處理，原因可能是過多的灌水導致耕層土壤板結，也可能是土壤容重測定過程存在的誤差導致，具體原因還有待進一步試驗研究確定。總體看來，深松處理第1年土壤耕層土壤容重顯著降低，第2年土壤容重的影響效果減弱。

2.2 不同耕作方式及水分處理對田間土壤緊實度的影響

表2為2016年和2017年冬小麥-夏玉米連作系統結束時不同土壤耕層土壤緊實度變化情況，可知，2016年深松處理整體上顯著降低0—40 cm土層土壤緊實度，其中，QS-2、QS-3、XS-2和XS-3分別較對照降低34.1%、31.3%、40.4%及37.5%。40—50 cm土層各處理無顯著性差異。2017年各處理在各土層均較CK相比偏小，但差異不顯著。表明，深松耕作方式能有效降低深松后第1年冬小麥-夏玉米連作系統農田土壤緊實度，為作物根系生長發育創造了適宜的土壤環境，對第2年土壤緊實度影響不明顯。

2.3 不同耕作方式及水分處理對土壤儲水量的影響

圖2為不同耕作方式及水分處理下冬小麥田間土壤水分動態變化過程（2017年），可知，深松后第2年各處理0—100 cm土層土壤儲水量均高于對照處理，灌水和降雨后，深松處理0—100 cm土層土壤儲水量顯著高于對照處理，冬灌和拔節期灌水1周后（12月24日、3月18日），QS-2處理較CK土壤含水量顯著提高，其次為QS-3處理，表明秋深松灌2水相比秋深松灌3水在第2年田間保水效果更好。抽穗期灌水1周后（4月22日），QS-3處理土壤含水量較CK顯著提高26.93%，XS-3處理較CK提高21.32%，這是由于抽穗期QS-3和XS-3處理均較其他處理多灌1次水，因此土壤儲水量較高。整體可以看出，QS-2處理整個生育期平均土壤儲水量最高，較CK增加了18.14%，QS-3處理次之，整個生育期較CK增加了16.69%，XS-2和XS-3處理與CK處理無顯著差異。表明，秋深松灌2水在第二季冬小麥生育期間仍然有利于土壤水分向深層蓄積，增加了下層土壤含水量。綜合考慮耕作方式和灌水次數雙重作用可知，深松處理使得土壤耕層土壤容重降低，孔隙度增大，當灌水次數適宜時，土壤水分入滲性能得以提高，能有效接受適度灌水，在冬小麥第二季仍具有提高土壤蓄水的能力。當灌水次數較多時，過多的灌水對土壤結構具有一定的影響，細土粒隨水分入滲導致土壤容重增加，引起表層土壤板結，故秋深松冬小麥灌3水在冬小麥第二季土壤儲水量并沒有因為增加一次灌水而提高。

表1 不同耕作方式和水分處理對土壤容重的影響

同一年份同列不同字母表示處理間差異顯著（＜0.05）。下同

Different letters in the same column in same year meant significant difference among treatments at 0.05 level. The same as below

表2 耕作方式和灌溉模式對土壤緊實度的影響

圖3為不同耕作方式及水分處理下夏玉米田間土壤水分動態變化過程（2017年），可知，深松后第2年夏玉米季深松各處理0—100 cm土層土壤儲水量均高于對照處理，灌水后差異較大，其他時期各處理差異不顯著。苗期和拔節期灌水1周后（6月25日、7月27日）土壤儲水量數據可知，灌水后深松各處理明顯高于對照，其中XS-2、XS-3處理分別較CK提高24.7%、25.6%，差異顯著。QS-2、QS-3處理分別較CK提高12.2%、18.0%，差異不顯著。8月30日降雨40.5 mm，深松各處理含水量高于對照處理，各處理差異較小。表明，夏深松對第2年夏玉米田間土壤水分含量在灌水后影響較大，隨著生育進程的推進，深松對土壤儲水量的影響效果差異不明顯。綜合分析深松后第二季冬小麥和夏玉米農田土壤儲水量可知，深松處理結合適宜的灌水次數對于土壤儲水量的后效至少延續至第2年。

圖2 不同耕作方式和水分處理下冬小麥0—100 cm土層土壤含水量動態變化（2017）

圖3 不同耕作方式和水分處理下夏玉米0—100 cm土層土壤含水量動態變化（2017）

2.4 不同耕作方式和水分處理對作物株高、葉面積和地上生物量的影響

秋深松處理顯著增加了當季冬小麥灌漿期株高、葉面積及地上生物量含量（表3）。2016年QS-2和QS-3處理株高較CK分別增加了14.24%、27.86%，葉面積分別增加了35.61%、57.74%，地上生物量分別增加了19.29%、27.06%。XS-2處理在株高、葉面積及地上生物量方面與CK無顯著差異，XS-3處理葉面積較CK顯著增加24.46%，其他方面無顯著差異。原因是夏深松在冬小麥收獲后進行，深松耕作方式對前茬冬小麥生長指標的影響是不存在的，而XS-3處理比CK多1次灌水導致其在灌漿期葉面積較CK顯著提高。秋深松第2年冬小麥灌漿期株高、葉面積及地上生物量有所提高，但較第1年效果減弱。2017年數據顯示，QS-3處理在葉面積上較CK顯著提高32.90%，與第1年相比有所降低。株高和地上生物量方面QS-2和QS-3處理較CK有所提高，差異不顯著。XS-2和XS-3處理在葉面積和地上生物量方面均較對照顯著提高，說明夏深松對后茬冬小麥的生長發育有積極促進作用。表明，秋深松能顯著提高當季冬小麥生長發育，對第2年冬小麥生長發育影響效果減弱。夏深松能顯著促進后茬冬小麥生長發育。

秋深松和夏深松處理與對照相比均顯著增加了第1年夏玉米抽雄期葉面積和地上生物量的積累（表4），夏深松影響效果強于秋深松處理。2016年XS-2和XS-3處理葉面積較CK分別增加了23.83%、25.28%，地上生物量分別增加了29.57%、33.28%。QS-2和QS-3處理葉面積分別增加了19.30%、17.90%，地上生物量分別增加了16.48%、18.45%。2016年夏玉米生育期降雨充沛，整個生育期不進行灌溉，深松處理對降雨的有效利用明顯改善了田間土壤水分狀況，促進了夏玉米植株的生長發育。夏深松第2年夏玉米抽雄期作物生長指標較CK有所提高，但較第1年效果減弱，其中XS-2和XS-3處理與CK相比葉面積和地上生物量表現出顯著差異，秋深松對第2年夏玉米生長發育指標無顯著影響。

表3 不同耕作方式和水分處理對冬小麥灌漿期作物生長發育的影響

表4 不同耕作方式和水分處理對夏玉米抽雄期作物生長發育的影響

2.5 不同耕作方式及水分處理對作物產量、經濟效益及水分生產效率的影響

不同耕作方式及水分處理下冬小麥及夏玉米產量、產出值及水分生產效率見表5。2016年數據顯示，深松后第1年冬小麥-夏玉米總產出值表現為QS-3＞QS-2＞XS-2＞XS-3＞CK，QS-3、QS-2、XS-2、XS-3處理分別較CK提高27.53%、27.21%、18.17%、17.83%，各處理均與CK相比差異顯著。水分生產效率表現為：QS-2＞QS-3＞XS-3＞XS-2＞CK，QS-2、QS-3、XS-3、XS-3處理分別較CK提高23.51%、19.48%、15.46%、14.52%，各處理均與CK相比差異顯著。分析可知，秋深松QS-2處理較QS-3處理總產出值略高，夏深松XS-3處理較XS-2處理總產出值略高，均無顯著差異，同等深松條件下并沒有因為多灌1水而顯著提高產量。2017年數據顯示，深松第2年冬小麥-夏玉米總產出值表現為：XS-3＞QS-2＞XS-2＞QS-3＞CK，XS-3、QS-2和XS-2分別較CK提高19.57%、19.54%、18.50%，三者均與CK相比差異顯著。水分生產效率表現為：QS-2＞XS-2＞XS-3＞QS-3＞CK，QS-2、XS-2和XS-3處理分別較CK提高18.84%、17.65%、15.35%，三者均與CK相比差異顯著。秋深松對第2年冬小麥和夏玉米產量、總產出值及水分生產效率影響效果較第1年相比有所減弱。說明秋深松灌2水對2年冬小麥-夏玉米總產出值和水分生產效率方面有顯著提高作用，夏深松對后茬冬小麥產量有明顯促進作用，顯著提高了第2年冬小麥-夏玉米總產出值及水分生產效率。

表5 不同耕作方式和水分處理下作物產量、經濟效益及水分生產效率

冬小麥價格參照當年市場參考價2.2元/kg計算，夏玉米價格參照當年市場參考價1.6元/kg計算

Price of winter wheat was 2.2 yuan/kg according to market price in 2016 and 2017, price of summer maize was1.6 yuan/kg according to market price in 2016 and 2017

3 討論

深松利用深松鏟疏松土壤，加深耕層而不翻轉土壤，打破了犁底層，降低耕層土壤容重，提高了土壤孔隙度，進而改善了耕層土壤結構與通氣狀況[17]，有效提高了土壤蓄水保墑能力[18-19]。李榮等[20]研究表明，深松結合不同覆蓋方式能有效降低耕層土壤體積質量，增大土壤孔隙度。王萬寧等[7]研究表明，冬小麥播前深松顯著降低了后茬夏玉米苗期、拔節期0—40 cm土層土壤容重和土壤緊實度。翟振等[21]研究表明，犁底層破除2/3及完全破除犁底層能夠顯著降低10—30 cm土層土壤容重和穿透阻力。BORGHEI等[22]研究表明，深松不僅可以加深耕層，對土壤緊實具有良好的改良效應，還可以改善土壤通透性，提高土壤蓄水能力和水分利用效率。本研究表明，深松后第1年，冬小麥-夏玉米連作系統結束時QS-2、XS-2和XS-3處理較CK相比均顯著降低了0—40 cm土層容重，深松后第2年QS-2、XS-2和XS-3處理較對照相比均顯著降低了0—20 cm土層容重，20—40 cm土層容重有所降低，差異不顯著，QS-3處理土壤容重對耕作措施的響應小于其他處理，與CK相比差異不顯著。本研究同時表明，深松后第1年0—40 cm土層土壤緊實度顯著降低，QS-2、QS-3、XS-2和XS-3分別較對照降低34.1%、31.3%、40.4%及37.5%，深松后第2年各處理均較CK偏小，但差異不顯著。本研究認為，深松后第1年0—40 cm土壤耕層土壤容重和土壤緊實度顯著降低，第2年后深松對土壤容重和土壤緊實度的影響效果減弱。主要原因是，深松打破了犁底層，改善了土壤結構，增加了土壤通透性，深松第1年后結合適宜的灌水次數能有效降低土壤容重和土壤緊實度，2016年夏玉米季強降雨導致土壤表層積水較多，土壤發生板結現象，因此深松第2年后土壤容重和土壤緊實度影響效果減弱。

深松利用深松鏟在土壤中劃出條帶性的深松溝，并不擾亂土層，加深耕層，疏松土壤，可有效改善土壤的滲透性，提高旱地蓄水保墑性能，進而提高產量和水分利用效率[23-24]。深松能打破犁底層，改善土壤的滲透性能和對降水的接納和蓄存能力，提高旱地蓄水保墑性能和水分利用效率[25]。柏煒霞等[26]研究表明，免耕/深松輪耕處理0—200 cm土層土壤蓄水量較連續翻耕處理提高18.2 mm。本研究表明，秋深松冬小麥灌2水在第2季冬小麥生育期間仍然有利于土壤水分向深層蓄積，增加了下層土壤含水量。夏深松對第2年夏玉米田間土壤水分含量在灌水后影響較大，其他時期影響較小。這是由于深松耕作方式結合適宜的灌水次數能有效改善土壤結構，使得水分在短時間內下滲到深層并儲存，避免了灌溉水的無效蒸發和徑流的發生。因此其貯水能力較好。

深松耕作通過改善土壤結構，提高土壤耕層土壤蓄水量，促進了作物生長發育及干物質積累能力，進而提高了產量和水分利用效率[27]。王紅光等[28]研究表明，較其他耕作模式，深松+條旋耕有助于提高小麥開花至成熟期的干物質積累量、穗粒數和水分利用效率。李華等[29]研究表明，深松可有效打破犁底層，顯著改善土壤物理結構，有利于作物根系下扎，促進作物生長發育，有利于玉米的高產穩產。本研究表明，秋深松和夏深松均能顯著提高第1年冬小麥和夏玉米生長發育，第2年冬小麥和夏玉米生長發育影響效果減弱。秋深松灌2水對2年冬小麥-夏玉米總產出值和水分生產效率方面有顯著提高作用。夏深松對后茬冬小麥產量有明顯促進作用，顯著提高了第2年冬小麥-夏玉米總產出值及水分生產效率。這是由于夏深松在夏閑期打破了犁底層，相比傳統耕作措施有利于提高夏閑期土壤對降水的保蓄[30]，提高了冬小麥播前的土壤墑情，有利于冬小麥產量的形成。朱文新等[31]研究表明，深松和灌水次數均可顯著提高春玉米產量，且相同灌水次數下深松處理提高春玉米產量1 786.48—1 827.30 kg·hm-2。本研究表明，秋深松和夏深松均提高了周年總耗水量，同時隨著深松條件下灌水次數的增多，耗水量也隨之增加，深松條件下適宜的灌水次數能顯著提高水分生產效率。本研究表明，秋深松灌2水在第1年顯著提高總產出值和水分生產效率，同時該處理第2年在總產出值和水分生產效率方面亦表現出明顯優勢。

本研究在該地區氣候條件下特定的耕層結構下展開，對于不同氣候條件或不同耕層結構結果可能會產生差異，因此本研究結果只適應于該地區氣候條件下的耕作措施，并不是各種情況下的普適性結論。

4 結論

黃淮海平原地區冬小麥-夏玉米一年兩熟種植模式，在平水年和豐水年（夏玉米季降雨充沛）氣候條件下，采用冬小麥播前秋深松耕作方式，冬小麥生育期灌水2次，可顯著降低深松周期內連作系統第1年0—40 cm土層土壤容重及土壤緊實度，第2年影響效果減弱；提高了農田土壤儲水量，促進了作物生長發育并顯著提高作物產量和水分生產效率，其中，第1年總產出值和水分生產效率分別較CK提高27.21%、23.51%，第2年分別提高19.54%、18.84%。該地區特定氣候條件下，冬小麥-夏玉米連作系統中，采用秋深松耕作方式，冬小麥灌2水，夏玉米視該季節降雨情況灌0—2水的灌溉耕作模式，可達到節水增產高效的目的。

[1] Muhammad I, AnwarulHassan, Muhammad I. Effects of tillage systems and mulch on soil physical quality parameters and maize (L.) yield in semi-arid Pakistan., 2008, 25(4): 311-325.

[2] Borghei A M, Taghinejad J, Minaei S, Karimi M, Varnamkhasti M. Effects of subsoiling on soil bulk density, penetration resistance and cotton yield in northwest of Iran., 2008, 10(1): 120-123.

[3] 魏歡歡, 王仕德, 楊文稼, 孫海妮, 殷俐娜, 鄧西平. 免耕及深松耕對黃土高原地區春玉米和冬小麥產量及水分利用效率影響的整合分析, 中國農業科學, 2017, 50(3): 461-473.

WEI H H, WANG S D, YANG W J, SUN H N, YIN L N, DENG X P. Mata analysis on impact of no-tillage and subsoiling tillage on spring maize and winter wheat yield and water use efficiency on the Loess Plateau., 2017, 50(3): 461-473. (in Chinese)

[4] 孔曉民, 韓成衛, 曾蘇明, 吳秋平, 劉麗. 不同耕作方式對土壤物理性狀及玉米產量的影響. 玉米科學, 2014, 22(1): 108-113.

KONG X M, HAN C W, ZENG S M, WU Q P, LIU L. Effects of different tillage managements on soil physical properties and maize yield.2014, 22(1): 108-113. (in Chinese)

[5] 尹寶重, 張永升, 甄文超. 海河低平原渠灌區麥田深松的節水增產效應研究. 中國農業科學, 2015, 48(7): 1311-1320.

YIN B Z, ZHANG Y S, ZHEN W C. Effects of sub-soiling tillage on wheat field water-saving and yield-increasing in canal irrigation district of Haihe Lowland Plain., 2015, 48(7): 1311-1320. (in Chinese)

[6] Mohanty M, Bandyopadhyay K K, Painuli D K, Ghosh P K, Misra A K. Water transmission characteristics of a vertisol and water use efficiency of rainfed soybean (( L.)Merr.) under subsoiling and manuring., 2007, 93(2): 420-428.

[7] 王萬寧, 強小嫚, 劉浩, 孫景生, 馬筱建, 崔永生. 麥前深松對夏玉米土壤物理性狀和生長特性的影響. 水土保持學報, 2017, 31(6): 229-236.

WANG W N, QIANG X M, LIU H, SUN J S, MA X J, CUN Y S. Effects of subsoiling before sowing of winter wheat on soil physical properties and growth characteristics of summer maize., 2017, 31(6): 229-236. (in Chinese)

[8] Su Z Y, Zhang J S, Wu W L, Cai D X, Lv J J, Jiang G H, Huang J,Gao J, Hartmann R, Gabriels D. Effects of conservation tillage practices on winter wheat water-use efficiency and crop yield on the Loess Plateau, China., 2007, 87(3): 307-314.

[9] Qin H L, Gao W S, Ma Y C, Ma L, Yin C M, Chen Z, Chen C L. Effects of subsoiling on soil moisture under no-tillage for two years., 2008, 41(1): 78-85.

[10] Olesen J E, Munkholm L J. Subsoil loosening in a crop rotation for organic farming eliminated plough pan with mixed effects on crop yield., 2007, 94(2): 376-385.

[11] 晉鵬宇, 任偉, 陶洪斌, 王璞. 深松對夏玉米物質生產、光合性能及根系生長的影響. 玉米科學, 2014, 22(1): 114-120.

JIN P Y, REN W, TAO H B, WANG P. Effects of subsoiling on dry matter production, photosynthetic performance and root development of summer maize.2014, 22(1): 114-120. (in Chinese)

[12] Anne K, Peter M, Nyambilila A, GACHENE C K, PATRICK G. Tillage effects on selected soil physical properties in a maize-bean intercropping system in Mwala District, Kenya., 2014(7): 1-12.

[13] Osunbitan J A, Oyedele D J, Adekalu K O. Tillage effects on bulk density, hydraulic conductivity and strength of a loamy sand soil in southwestern Nigeria., 2005, 82(1): 57-64.

[14] MOFOKE A L E, ADEXUMI J K, BABATUNDE F E, MUDIARE O J, RAMALAN A A. Yield of tomato grown under continuous-flow drip irrigation in Bauchi state of Nigeria. Agricultural Water Management, 2006, 84(1): 166-172.

[15] ERTEK A, SENSOY S, GEDIK I, KüCüKYUMUK C. Irrigation scheduling based on pan evaporation values for cucumber (L.) grown under field conditions. Agricultural Water Management, 2006, 81(1): 159-172.

[16] ALI M H, TALUKDER M S U. Increasing water productivity in crop production—A synthesis. Agricultural Water Management, 2008, 95(11): 1201-1213.

[17] 秦紅靈, 高旺盛, 馬月存, 馬麗, 尹春梅. 兩年免耕后深松對土壤水分的影響. 中國農業科學, 2008, 41(1): 78-85.

QIN H L, GAO W S, MA Y C, MA L, YIN C M. Effects of subsoiling on soil moisture under no-tillage 2 years later., 2008, 41(1): 78-85. (in Chinese)

[18] 何進, 李洪文, 高煥文. 中國北方保護性耕作條件下深松效應與經濟效益研究. 農業工程學報, 2006, 22(10): 62-67.

HE J, LI H W, GAO H W. Subsoiling effect and economic benefit under conservation tillage mode in Northern China., 2006, 22(10): 62-67. (in Chinese)

[19] PIKUL J L J, AASE J K. Water infiltration and storage affected by subsoiling and subsequent tillage., 2003, 67(3): 859-866.

[20] 李榮, 侯賢清. 深松條件下不同地表覆蓋對馬鈴薯產量及水分利用效率的影響. 農業工程學報, 2015, 31(20): 115-123.

LI R, HOU X Q. Effects of different ground surface mulch under subsoiling on potato yield and water use efficiency., 2015, 31(20): 115-123. (in Chinese)

[21] 翟振, 李玉義, 郭建軍, 王婧, 董國豪, 郭智慧, 逄煥成. 耕深對土壤物理性質及小麥-玉米產量的影響. 農業工程學報, 2017, 33(11): 115-123.

ZHAI Z, LI Y Y, GUO J J,WANG J, DONG G H, GUO Z H, PANG H C. Effect of tillage depth on soil physical properties and yield of winter wheat-summer maize., 2017, 33(11): 115-123. (in Chinese)

[22] Borghei A M, Taghinejad J, Minaei S, Karimi M, Varnamkhasti M G. Effect of subsoiling on soil bulk density, penetration resistance and cotton yield in northwest of Iran., 2008, 10(1): 120-123.

[23] 郭志軍, 佟金, 周志立, 任露泉. 深松技術研究現狀與展望. 農業工程學報, 2001, 17(6): 169-174.

GUO Z J, TONG J, ZHOU Z L, REN L Q. Review of subsoiling techniques and their applications., 2001, 17(6): 169-174. (in Chinese)

[24] 趙亞麗, 薛志偉, 郭海斌, 穆心愿, 李潮海. 耕作方式與秸稈還田對冬小麥-夏玉米耗水特性和水分利用效率的影響. 中國農業科學, 2014, 47(17): 3359-3371.

ZHAO Y L, XUE Z W, GUO H B, MU X Y, LI C H. Effects of tillage and straw returning on water consumption characteristics and water use efficiency in the winter wheat and summer maize rotation system., 2014, 47(17): 3359-3371. (in Chinese)

[25] 鄭侃, 何進, 李洪文, 王慶杰, 李問盈. 中國北方地區深松對小麥玉米產量的Meta分析. 農業工程學報, 2015, 31(22): 7-15.

ZHENG K, HE J, LI H W, WANG Q J, LI W Y. Meta-analysis on maize and wheat yield under subsoiling in Northern China., 2015, 31(22): 7-15. (in Chinese)

[26] 柏煒霞, 李軍, 王玉玲, 王麗. 渭北旱塬小麥玉米輪作區不同耕作方式對土壤水分和作物產量的影響. 中國農科科學, 2014, 47(5): 880-894.

BAI W X, LI J, WANG Y L, WANG L. Effects of different tillage methods on soil water and crop yield of winter wheat-spring maize rotation region in Weibei Highland., 2014, 47(5): 880-894. (in Chinese)

[27] 鄭成巖, 于振文, 張永麗, 王東, 石玉, 許振柱. 土壤深松和補灌對小麥干物質生產及水分利用效率的影響. 生態學報, 2013, 33(7): 2260-2271.

ZHENG C Y, YU Z W, ZHANG Y L, WANG D, SHI Y, XU Z Z. Effects of subsoiling and supplemental irrigation on dry matter production and water use efficiency in wheat., 2013, 33(7): 2260-2271. (in Chinese)

[28] 王紅光, 于振文, 張永麗, 石玉, 王東. 耕作方式對旱地小麥耗水特性和干物質積累的影響, 作物學報, 2012, 38(4): 675-682.

WANG H G, YU Z W, ZHANG Y L, SHI Y, WANG D. Effects of tillage regimes on water consumption and dry matter accumulation in dryland wheat., 2012, 38(4): 675-682. (in Chinese)

[29] 李華, 逄煥成, 任天志. 深旋松耕作法對東北棕壤物理性狀及春玉米生長的影響. 中國農業科學, 2013, 46(3): 647-656.

LI H, PANG H C, REN T Z. Effects of deep rotary-subsoiling tillage method on brown physical properties and maize growth in Northeast of China.2013, 46(3): 647-656. (in Chinese)

[30] 侯賢清, 李榮, 韓清芳, 王維, 賈志寬. 夏閑期不同耕作模式對土壤蓄水保墑效果及作物水分利用效率的影響. 農業工程學報, 2012, 28(3): 94-100.

Hou X Q, Li R, Han Q F, Wang W, Jia Z K. Effects of different tillage patterns during summer fallow on soil water conservation and crop water use efficiency., 2012, 28(3): 94-100. (in Chinese)

[31] 朱文新, 孫繼穎, 高聚林, 胡樹平, 于曉芳, 王志剛, 于博, 朱全貴. 深松和灌水次數對春玉米耗水特性及產量的影響. 玉米科學, 2016, 24(5): 75-82.

ZhU W X, SUN J Y, GAO J L, HU S P, YU X F, WANG Z G,YU B, ZHU Q G. Effect of subsoiling and irrigation frequency on water consumption characteristics and yield of super high yield spring maize., 2016, 24(5): 75-82. (in Chinese)

Effects of Subsoiling and Irrigation Frequency on Water Saving and Yield Increasing of Winter Wheat and Summer Maize in the Huang-Huai-Hai Plain

QIANG XiaoMan1, ZHANG Kai1, MI ZhaoRong2, LIU ZhanDong1, WANG WanNing1, SUN JingSheng1

(1Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop Water Use and Regulation, Ministry of Agriculture, Xinxiang 453002, Henan;2School of Horticulture and Landscape Architecture, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, Henan)

【Objective】The effects of interactions between subsoiling and irrigation frequency on crop yield and water productivity of winter wheat and summer maize were investigated to optimize tillage practices in the Huang-Huai-Hai Plain.【Method】Considering different tillage methods and irrigation times, a field experiment was carried out with five treatments, including autumn subsoiling with two irrigation applications during winter wheat growth period (QS-2), autumn subsoiling with three irrigations applications during winter wheat growth period (QS-3), summer subsoiling with two irrigations applications during winter wheat growth period (XS-2), summer subsoiling with three irrigations applications during winter wheat growth period (XS-3) and control (CK). The effects of subsoiling and irrigation times on soil physical properties, plant growth and development, yield, total output, and water productivity of winter wheat and summer maize were investigated. 【Result】Subsoiling and irrigation times had significant impacts on soil bulk density, soil compaction, soil water storage, total output and water productivity. After subsoiling, the bulk density decreased significantly in topsoil 40 cm at the first year and in topsoil 20 cm at the second year under all QS-2, XS-2 and XS-3 treatments, compared with CK treatment. The decline of soil compaction was remarkable in the first year, but inapparent in the second year. After autumn subsoiling, the average soil water storage of QS-2 treatment increased by 18.14% compared with CK, and the QS-3 treatment was the second. While, in the second year after summer subsoiling, the XS-2 and XS-3 treatments were significantly higher than CK by 24.7% and 25.6%, respectively. Compared with CK treatment, aboveground biomass of winter wheat increased by 19.29% for QS-2 and 27.06% for QS-3 treatment, respectively, for the first year, while there was slight increase for the second year. This indicated that the improvement of winter wheat growth and development by autumn subsoiling was pronounced in the first year but weak in the second year. However, the leaf area index and aboveground biomass of XS-2 and XS-3 treatments were increased significantly, and this demonstrated that summer subsoiling could improve the winter wheat growth and development in the second year. The total output and water productivity of winter wheat and summer maize rotation for QS-2 treatment were improved by 27.21% and 23.51% in the first year, respectively, and 19.54% and 18.84% in the second year, respectively, meanwhile, there were significant improvement for XS-2 and XS-3 treatment in the second year. The increase of total output and water productivity were 18.50% and 17.65% for XS-2, respectively, and 19.57% and 15.35% for XS-3 treatment, respectively.【Conclusion】It was concluded that autumn subsoiling before winter wheat seeding could facilitate the reduction of soil bulk density and compaction, increase of soil storage capacity, and improvement of total output and water productivity of winter wheat and summer maize rotation in the Huang-Huai-Hai Plain. It was suggestion that the appropriate tillage practice in the Huang-Huai-Hai Plain was autumn subsoiling with two irrigation applications during winter wheat growth stage.

subsoiling; irrigation frequency; crop yield; water productivity; water saving and yield increasing effects; winter wheat; summer maize

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.03.009

2017-07-03；

2018-08-21

國家公益性行業（農業）科技專項（201503117）、國家自然科學基金（31700368）、中國農業科學院基本科研業務費專項（FIRI 2016-08）

強小嫚，E-mail：xiaomanqiang@126.com。通信作者孫景生，E-mail：jshsun623@163.com

（責任編輯 李云霞）