耕作方式和灌水處理對冬小麥-夏玉米水分利用及產量的影響

張 凱，劉戰東，強小嫚，米兆榮，馮榮成，馬巖川，余 軒，孫景生

耕作方式和灌水處理對冬小麥-夏玉米水分利用及產量的影響

張 凱1，劉戰東1※，強小嫚1，米兆榮2，馮榮成3，馬巖川1，余 軒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與調控重點開放實驗室，新鄉 453002；2. 河南科技學院，新鄉 453003；3. 河南省獲嘉縣農業技術推廣中心，新鄉 453800）

為探索華北平原冬小麥-夏玉米復種連作合理耕層構建的技術途徑和技術指標，于2015―2016年在河南新鄉實施了深松（ST）、深松+秸稈還田（ST＋RS）和常規旋耕（RT）3種耕作方式，在不同耕作方式中根據土壤濕潤層有效含水量各設置3種灌水控制下限，高灌水控制下限為60%（H）、中灌水控制下限為50%（M）和低灌水控制下限為40%（L），通過對土壤和作物生長指標及產量的測定，分析各處理作物產量和水分利用效率的變化規律。結果表明，ST和ST＋RS處理均能降低土壤容重，增加土壤孔隙度、田間持水量和飽和含水量，且以深松+秸稈還田處理效果最佳；與RT相比，ST和ST＋RS處理0～40 cm平均土壤容重降低5.0%和6.0%，土壤孔隙度增加6.9%和8.0%，田間持水量增加6.2%和12.8%，飽和含水量增加6.2%和5.7%。耕作方式與灌水處理互作顯著增加了冬小麥-夏玉米復種連作周年0～100 cm土層的儲水量。ST和ST＋RS處理0～100 cm土層儲水量較RT分別增加11.0%和15.8%，高水分、中水分處理較低水分處理分別增加18.1%和11.1%。耕作方式對冬小麥、夏玉米產量和水分利用效率（WUE）影響顯著，其中，ST和ST＋RS處理周年產量較RT分別平均增加9.2%和15.5%，WUE平均提高11.2%和15.3%；灌水處理同樣對冬小麥、夏玉米的產量和水分利用效率（WUE）影響顯著，產量隨灌水控制下限的增加而增加，即高水分>中水分>低水分，而WUE則以中水分處理最高。因此在該地區土壤和氣候條件下，深松秸稈還田輔以適宜灌水控制下限是較為理想的栽培措施，有利于土壤耕層合理構建，并提高水分利用效率和作物產量。

灌溉；作物；耕作；土壤容重；產量；水分利用效率

0 引 言

華北平原是我國水澆地主要分布區之一，以冬小麥和夏玉米復種連作為主要種植模式，是中國重要的糧食生產基地[1-3]。該區農作條件相對較好，常年降雨量550～650 mm，70%降水分布在7―9月，但蒸發量卻在900～1 200 mm，自然降水難以滿足作物生產的需要，容易受到春旱和冬旱的影響[4]。同時，在長期的農業生產中，單一旋耕和地面灌等方式，造成了土壤蓄水保墑能力差、三相比不協調，致使土壤性能不斷退化，嚴重制約著糧食作物產量的提高。突出表現為：農田耕層變淺、犁底層加厚變硬、耕層結構變差，協調土壤水肥氣熱的功能弱化，作物根系分布淺層化，對水分和養分的吸收受到明顯限制[5-6]。

已有研究表明，通過耕作方式構建合理耕層結構，是改善作物對水分和養分利用效率[7]，提升土壤生產能力的一種重要途徑[8]。深松的耕作方式能夠有效打破犁底層，改善土壤通透性，提高土壤蓄水能力，增強抗逆減災能力，為作物生長創造良好的土壤耕層環境，促進作物生長發育和產量提高[9-11]。近年來，我國為改善耕地質量、全面提高農業綜合生產能力，實現藏糧于地、藏糧于技，明確提出要大力推進農機深松整地作業[12-14]。同時，該區域農業生產力的高低與農田土壤水分也有很大關系，調節土壤水分利用率，是提高作物產量的有效途徑之一。灌溉是保障農田作物高產、穩產的關鍵管理措施[6]，隨著區域水資源供需矛盾的不斷加劇，高效節水灌溉已成為當前研究的熱點[15]。然而，灌溉與深松結合，可以改變土壤的微環境，不同的耕作方式與灌水處理勢必會對土壤水、肥、氣、熱等環境因素產生影響[16]，進而影響農田作物的生長發育及水分利用。目前，不同耕作方式和灌水控制下限結合對農田土壤和作物生長影響的研究相對不足。為此，本試驗研究了耕作與灌溉方式相結合對華北地區冬小麥-夏玉米一年兩熟制農田土壤特性及水分分布、作物生長、產量和水分利用情況，以期為優化華北平原的土壤耕層結構和灌溉管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2015～2016年在河南省北部的新鄉市獲嘉縣（35.29°N、113.64°E，a.s.l. 78 m）進行，該區多年平均氣溫14.6℃，無霜期221 d，日照時數2 058.4 h，光熱資源豐富，以一年兩熟（冬小麥-夏玉米）種植制度為主；多年平均降雨量為557.2 mm。試驗地是典型潮土分布區，土質為黏壤土，0～100 cm土壤容重為1.45 g/cm3，田間持水率為25.6%，地下水埋深大于5 m，試驗地基礎養分狀況見表1。

表1 試驗地 0～20 cm土層土壤主要養分指標

1.2 試驗設計

采用耕作方式和灌水處理二因素裂區試驗設計，耕作方式為主區，灌水處理為副區。冬小麥播種前設置3種耕作方式，常規旋耕（15 cm，RT）、深松（35 cm，ST）和深松+秸稈還田（35 cm，ST+RS）；同時在不同耕作方式中各設置高（H）、中（M）和低（L）3種灌水控制下限，對應處理土壤濕潤層有效含水量分別為60%、50%和40%，當各處理濕潤層的土壤含水量達到設定的灌溉控制下限后進行灌溉，小區灌水到田間持水量，灌水方式為常規畦灌。試驗區畦長12 m，寬3.5 m，畦埂寬30 cm，埂高20 cm，面積42 m2，每個試驗小區設有1 m寬保護行。2015年供試冬小麥品種為“矮抗58”，半冬性中熟品種，播種量為225 kg/hm2。肥料施用量為：N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2和 K2O 90 kg/hm2，于整地前作為底肥1次性施入，拔節期追施N 75 kg/hm2。2016 年夏玉米品種為“登海605”，種植密度為67 500株/hm2，種肥同播，播種時一起施入玉米復合肥50 kg（N:P:K=29:6:5），即N 217.5 kg/hm2、P2O545 kg/hm2和K2O 37.5 kg/hm2，其他農業管理措施一致。冬小麥播種日期為2015年10月22日，收獲日期為2016年6月4日，全生育期降雨量共計177.1 mm，如圖1。夏玉米播種日期為2016年6月13日，收獲日期為2016年9月24日，全生育期的降雨總量達648.7 mm。

圖1 2015?2016年冬小麥-夏玉米生育期溫度和降雨分布

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤指標測定

土壤質量含水量采用取土烘干法測定，各處理每7～10 d測定1次，測定深度為100 cm，每20 cm測定1次，以確定灌水時間。

玉米收獲后主要測定土壤容重、土壤孔隙度和土壤含水量。

土壤容重采用土壤容重鉆測定0～40 cm土層深度的容重，每10 cm為1個土層，每個處理3次重復取樣。

土壤孔隙度（%）計算公式如下[17]

土壤孔隙度=(1-1/2)×100 （1）

式中1為土壤密度，g/cm3；2為土粒密度，g/cm3；一般取值為2.56 g/cm3。

田間持水量和飽和含水率均采用環刀浸泡法測定[18]。

土壤儲水量（mm）計算公式如下[19]

土壤儲水量=×××10 （2）

式中為該土層的土壤容重，g/cm3；為土層厚度，cm；為土壤質量含水量，g/g。

1.3.2 作物生長指標及產量測定

冬小麥和夏玉米在成熟期，測定株高、葉面積和干物質等指標。產量方面，冬小麥每個小區隨機選取1 m×2 m（2 m2）為樣本，夏玉米每小區選取相鄰兩行連續10 m（14 m2）為樣本，籽粒經自然風干后稱質量，換算成公頃產量。

1.3.3 作物水分利用效率

采用水分平衡法計算作物農田耗水量（ET，mm）[20]，公式如下

耗水量=---（3）

式中為降水量，mm；為徑流量，mm；為深層滲漏量，mm；SW為生育時期末土壤儲水量與生育時期初土壤儲水量之差，mm。試驗地區為潮土，疏松多孔，再加上試驗地平整，地表徑流小；在有作物生長的農田，多雨年份降水入滲深度不超過2 m，所以和可忽略不計。因此該公式可化簡為

耗水量=-（4）

水分利用效率(WUE，kg/( hm2?mm))=/（5）

式中為作物收獲時籽粒產量。

1.4 數據分析

采用SPSS 22.0軟件進行統計方差分析，多重比較采用LSD方法。利用Excel 2013軟件進行數據處理分析和制圖。

2 結果與分析

2.1 耕作方式對土壤容重、土壤孔隙度、田間持水量和飽和含水率的影響

深松（ST）和深松+秸稈還田（ST+RS）處理均能降低土壤容重，提高土壤孔隙度，增加土壤田間持水量和飽和含水率（圖2），且以深松+秸稈還田處理效果最佳。與常規旋耕（RT）相比，ST、ST＋RS處理0～40 cm平均土壤容重降低5.0%和6.0%，土壤孔隙度增加6.9%和8.0%，田間持水量增加6.2%和12.8%，飽和含水率增加6.2%和5.7%。通過耕作方式對土壤容重、土壤孔隙度和土壤含水量的結果可以看出深松處理降低了不同土層的土壤緊實狀況。

2.2 耕作方式和灌水處理對作物生長指標影響

如表2所示，深松和深松+秸稈還田均顯著增加了冬小麥和夏玉米的株高和干物質累積量，較RT處理分別增加5.5%、7.1%和7.2%、12.0%，同時葉面積指數以ST＋RS處理顯著高于其他耕作方式。不同耕作方式對作物的影響僅在夏玉米的葉面積指數上沒有顯著差異，其它指標均達到不同程度的顯著水平。從表中可以看出，深松條件下秸稈還田對于冬小麥和夏玉米的株高及干物質累積有明顯促進作用。此外，灌水處理也可以顯著提高冬小麥的株高、葉面積指數和干物質量，高灌水控制下限處理（H）顯著高于其它灌水處理，作物生長指標較低灌水控制下限（L）處理分別增加11.2%、35.7%和18.1%；灌溉處理對夏玉米的影響，體現在不同灌水控制下限僅在夏玉米干物質積累方面表現為差異顯著，H處理較L處理增加13.3%，但在株高和葉面積指數方面差異不顯著。同時，耕作方式和灌水處理的交互作用對作物生長指標的影響均未達到顯著性水平。

注：ST為深松，RS為秸稈還田，RT為常規旋耕。下同。

表2 冬小麥-夏玉米復種不同耕作方式和灌水處理成熟期生長指標比較

注：同一列中不同小寫字母表示在5%水平差異顯著。*、**和***分別表示在5%、1%和1‰水平差異顯著，NS表示差異不顯著，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 5% level. *, **, and *** indicate significant differences at the 5%, 1%, and 1‰ levels, respectively, and NS indicates that the difference is not significant, the same below.

2.3 耕作方式和灌水處理對作物不同生育期土壤剖面水分分布的影響

作物不同生育期土壤剖面水分分布在冬小麥返青期，不同處理各土層間差異明顯（圖3），0～100 cm土層ST和ST＋RS處理土壤質量含水量較RT處理分別增加16.5%和17.2%；H和M處理土壤質量含水量較L處理分別增加10.4%和5.0%。在拔節至成熟期，隨著氣溫的上升和冬小麥蒸騰作用的加強，不同處理20 cm以下土層間的土壤質量含水量差異較小。成熟期土壤質量含水量處于冬小麥生育期較低值，不同處理各土層間的差異明顯，0～100 cm土層ST和ST＋RS處理平均土壤質量含水量僅為16.1%和16.5%，較RT處理分別提高28.5%和31.1%；H和M水分處理平均土壤質量含水量僅為16.8%和15.3%，較L處理分別提高29.3%和17.8%。

圖3 不同耕作方式和灌水處理冬小麥各生育期剖面土壤質量含水率分布（返青期：a、b和c；拔節期：d、e和f；成熟期：g、h和i）

夏玉米苗期，不同處理0～20 cm土層間的土壤質量含水量差異不明顯（圖4），而20～100 cm土層ST和ST+RS處理土壤質量含水量較RT處理分別增加31.3%和59.7%；H和M水分處理土壤質量含水量較L處理分別增加41.2%和14.6%。拔節至成熟期是夏玉米耗水旺盛時期，其中拔節期不同處理60～100 cm土層間的土壤質量含水量差異較小；而成熟期夏玉米耗水減少，不同處理0～100 cm土層ST和ST＋RS處理土壤質量含水量較RT處理分別提高12.4%和28.8%；H和M水分處理土壤質量含水量較L水分處理分別提高39.4%和52.3%。

從整體上分析，耕作方式與灌水處理互作顯著增加了冬小麥-夏玉米復種連作周年0～100 cm土層的儲水量。0～100 cm土層ST和ST＋RS處理的儲水量較RT處理分別增加11.0%和15.8%；而H和M水分處理較L水分處理分別增加18.1%和11.1%。此外，耕作方式和灌水處理主要影響了20 cm以下土層土壤水分的變化。

圖4 不同耕作方式和灌水處理夏玉米各生育期剖面土壤質量含水率分布（苗期：a、b和c；拔節期：d、e和f；成熟期：g、h和i）

2.4 耕作方式和灌水處理對作物產量和水分利用效率的影響

耕作方式對冬小麥和夏玉米產量及水分利用效率（WUE）的影響顯著（表3），其中，ST和ST＋RS處理周年平均產量較RT分別增加9.2%和15.5%，WUE平均提高11.2%和15.3%；灌水處理對冬小麥和夏玉米耗水量及產量也具有顯著影響，作物產量隨著灌水控制下限的增加而增大，即H水分>M水分>L水分處理，而WUE則以M水分處理最高。耕作方式與灌水處理的交互對冬小麥季耗水量、產量和水分利用效率不存在顯著的交互效應。但在夏玉米季，作物的水分利用效率則存在顯著的交互效應；其中耕作方式條件下，與RT處理相比，ST和ST＋RS處理夏玉米季作物的水分利用效率分別增加了15.3%和21.3%；灌水處理條件下，M水分處理較L和H水分處理的作物水分利用效率分別增加4.1%和10.7%。

表3 冬小麥-夏玉米復種不同耕作方式和灌水處理作物產量與水分利用效率

3 討 論

耕作方式在改善耕層和促進作物增產方面的研究報道較多。相關研究表明，不同耕作措施對土壤物理性狀的影響不同[8]。然而，作物生長發育需要松緊適宜的土壤環境，作物產量隨著土壤緊實程度的降低而增加[21]。有研究認為，當作物生長在土壤緊實的農田上，采用不同的深松方式可以促進作物生長發育，提高作物產量，且耕作的效應能夠在土壤中長期保持[22]。戰秀梅等[23]在連續進行旋耕的基礎上采用深松和深翻的耕作措施，可以顯著提高作物花后干物質的積累量及其占總生物量的比例和氮素吸收量，促進較深層根系的發育，進而顯著提高產量。趙紅香等[24]認為科學的耕作能夠改善耕層土壤環境，增加土壤總孔隙度、降低毛管與非毛管孔隙度的比值，有利于作物根系在土壤中的生長，增加作物根系數量和根長密度。本研究結果顯示，深松可有效的降低土壤容重，增加土壤孔隙度、田間持水量和飽和含水率，同時深松還能夠增加植株的株高和葉面積指數及干物質積累量，對作物的生長具有促進作用，因而提高作物產量。秸稈還田在培肥地力方面的研究表明，秸稈還田可以促進作物對氮素的吸收，提高作物生物量，連續秸稈還田對小麥和玉米均表現出明顯增產效果，且隨著秸稈還田年限的延長，秸稈還田對作物產量的增產效果更為明顯[25-28]，但是也有關于秸稈還田使作物減產的報道[29]。而本研究中，深松+秸稈還田處理冬小麥和夏玉米產量均高于深松未秸稈還田處理，其中夏玉米產量差異顯著，說明本試驗中秸稈還田對作物的產量提升有促進作用。

當前，華北平原農田的補水措施多采用地面灌溉方式，但由于農田的耕作和保水措施不同，造成作物產量和水分利用效率也不盡相同[30]。趙亞麗等[2,31]通過在河南溫縣和商丘的研究發現，不同耕作方式對作物水分利用效率和產量有顯著影響，深松與秸稈還田能夠降低土壤容重，增加作物農田耗水量，提高土壤貯水消耗量和水分利用效率，同時對作物的產量增加也有促進作用，這與本研究相應處理所表現出的結果趨勢一致。同時本研究中，深松和深松+秸稈還田處理與常規旋耕處理相比，冬小麥和夏玉米季作物水分利用效率分別增加了7.1%、8.8%和15.3%、21.3%。然而，張永麗[32]等研究灌水量對小麥產量影響時發現，冬小麥產量與灌水量、耗水量和水分利用率不是線性相關關系，在小麥生育期間適當減少灌水量，可以提高降水和土壤中儲存水的利用率亦可達到節水高產的目的。本研究中，灌水處理對冬小麥和夏玉米耗水量及產量具有顯著影響，作物產量隨著灌水控制下限的增加而增大，即高水>中水>低水處理，水分利用效率則以中灌水控制下限（M）處理最高。

綜上所述，本研究在華北平原冬小麥-夏玉米兩熟區，耕作方式對冬小麥和夏玉米產量及水分利用效率的影響顯著，而對當季冬小麥耗水量影響不大。深松+秸稈還田處理顯著提高了夏玉米產量及水分利用效率，由于華北平原降雨多集中在夏季[4]，秸稈還田方式能夠有效儲存土壤中的水含量。同時，本研究中灌水處理隨著灌水控制下限的增大，不同處理間作物的產量顯著增加。因此，在該地區土壤和氣候條件下，深松結合秸稈還田輔以適宜水分管理是較為理想的耕作栽培模式，有利于土壤耕層合理構建，并提高作物產量和水分利用效率。然而，如何在深松+秸稈還田方式下穩定冬小麥和夏玉米產量，探明華北平原該模式周年產量和水分利用效率，是接下來長期研究需要解決的關鍵問題。

4 結 論

本研究在大田不同耕作方式下（深松、深松+秸稈還田和常規旋耕），設置3種灌水控制下限（對應處理濕潤層土壤有效含水量高灌水控制下限為60%、中灌水控制下限為50%和低灌水控制下限為40%）對冬小麥-夏玉米復種連作農田土壤特性及水分分布、作物生長、產量和水分利用進行了研究，獲得的主要結論如下

1）深松能降低土壤容重，提高土壤孔隙度，增加田間持水量和飽和含水率，且以ST＋RS處理對土壤改善效果最佳；與傳統旋耕對照相比，ST＋RS處理0～40 cm平均土壤容重降低6.0%，土壤孔隙度、田間持水量和飽和含水率分別增加8.0%、12.8%和5.7%。

2）深松和深松+秸稈還田處理均顯著增加了冬小麥和夏玉米的株高和干物質量積累，同時葉面積指數以ST＋RS處理最高。ST＋RS處理對于冬小麥和夏玉米株高及干物質量的累積均有明顯促進作用。此外，高灌水控制下限可以顯著提高成熟期冬小麥的株高、葉面積指數和干物質量，而對夏玉米的影響在干物質量方面表現為差異顯著，但在株高和葉面積指數方面差異不顯著。

3）耕作方式顯著增加了冬小麥-夏玉米復種連作周年0～100 cm土層的儲水量。ST和ST＋RS處理0～100 cm土層儲水量較RT處理分別增加11.0%和15.8%；灌水處理下，高水分和中水分處理較低水分處理0～100 cm土層儲水量分別增加18.1%和11.1%。此外，耕作方式和灌水處理主要影響了20 cm以下土層土壤的水分變化。

4）豫北地區麥-玉兩熟種植模式，在綜合考慮產量、耗水量和水分利用率以及常規降雨情況下，選擇該地區主栽品種，冬小麥和夏玉米分別為“矮抗58”和“登海605”，耕作方式采用深松35 cm加秸稈還田，灌溉方式采用土壤濕潤層有效含水量控制下限為50%進行灌水，此耕作栽培方式對作物產量較為適宜。

[1] 張光輝，費宇紅，王茜，等. 灌溉農業的地下水保障能力評價方法研究：黃淮海平原為例[J]. 水利學報，2016，47(5)：608－615. Zhang Guanghui, Fei Yuhong, Wang Xi, et al. Evaluation methodology of groundwater safeguard capacity on agricultural irrigation in the Huang-Huai-Hai Plain[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2016, 47(5): 608－615. (in Chinese with English abstract)

[2] 趙亞麗，薛志偉，郭海斌，等. 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[J]. 中國農業科學，2014，47(17)：3359－3371. Zhao Yali, Xue Zhiwei, Guo Haibin, et al. Effects of tillage and straw returning on water consumption characteristics and water use efficiency in the winter wheat and summer maize rotation system[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(17): 359－3371. (in Chinese with English abstract)

[3] 黃會平，曹明明，宋進喜，等. 黃淮海平原主要農作物全生育期水分盈虧變化特征[J]. 干旱區資源與環境，2015，29(8)：138－144. Huang Huiping, Cao Mingming, Song Jinxi, et al. Water budget of main crops during the whole growth period in Huang-Huai-Hai Plain[J]. Journal of Arid Land Resources & Environment, 2015, 29(8): 138－144. (in Chinese with English abstract)

[4] Fan L, Lv C H, Yang B, et al. Long-term trends of precipitation in the North China Plain[J]. Journal of Geographical Sciences, 2012, 22(6): 989－1001.

[5] Liu X B, Zhang X Y, Wang Y X, et al. Soil degradation: a problem threatening the sustainable development of agriculture in Northeast China[J]. Plant Soil and Environment, 2010, 56: 87－97.

[6] Zhang X Y, Shao L W, Sun H Y, et al. Incorporation of soil bulk density in simulating root distribution of winter wheat and maize in two contrasting soils[J]. Soil Science Society of America Journal, 2012, 76: 638－647.

[7] Jagadamma S, Lal R, Rimal B K. Effects of topsoil depth and soil amendments on corn yield and properties of two Alfisols in central Ohio[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2009, 64(1): 70－80.

[8] 白偉，孫占祥，鄭家明，等. 耕層構造對春玉米產量形成及生長發育特征的影響[J]. 華北農學報，2015，30(5)：205－213. Bai Wei, Sun Zhanxiang, Zheng Jiaming, et al. Effect of plough layer constructions on maize growth and yield in western Liaoning Province[J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2015, 30(5): 205－213. (in Chinese with English abstract)

[9] Boomsma C R, Santini J B, West T D, et al. Maize grain yield responses to plant height variability resulting from crop rotation and tillage system in a long-term experiment[J]. Soil & Tillage Research, 2010, 106(2): 227－240.

[10] Tolon-Becerra A, Tourn M, Botta G F, et al. Effects of different tillage regimes on soil compaction, maize(L. ) seedling emergence and yields in the eastern Argentinean Pampas region[J]. Soil & Tillage Research, 2011, 117: 184－190.

[11] Liu Z D, Qin A Z, Zhao B, et al. Yield response of spring maize to inter-row subsoiling and soil water deficit in Northern China[J]. Plos One, 2016, 11(4): e0153809.

[12] 相慧，孔祥斌，武兆坤，等. 中國糧食主產區耕地生產能力空間分布特征[J]. 農業工程學報，2012，28(24)：235－244. Xiang Hui, Kong Xiangbin, Wu Zhaokun, et al. Spatial distribution characteristics of potential productivity of arable land in main crop production area in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(24): 235－244. (in Chinese with English abstract)

[13] 沈仁芳，王超，孫波. “藏糧于地、藏糧于技”戰略實施中的土壤科學與技術問題[J]. 中國科學院院刊，2018，33(2)：135－144. Shen Renfang, Wang Chao, Sun Bo. Soil related scientific and technological problems in implementing strategy of “storing grain in land and technology”[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2018, 33(2): 135－144. (in Chinese with English abstract)

[14] 洪舒蔓，郝晉珉，周寧，等. 黃淮海平原耕地變化及對糧食生產格局變化的影響[J]. 農業工程學報，2014，30(21)：268－277. Hong Shuman, Hao Jinmin, Zhou Ning, et al. Change of cultivated land and its impact on grain production pattern in Huang-Huai-Hai Plain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(21): 268－277. (in Chinese with English abstract)

[15] Gao Y, Yang L L, Shen X J, et al. Winter wheat with subsurface drip irrigation (SDI): Crop coefficients, water-use estimates, and effects of SDI on grain yield and water use efficiency[J]. Agricultural Water Management, 2014, 146: 1－10.

[16] 張明智，牛文全，李康勇，等. 灌溉與深松對夏玉米根區土壤微生物數量的影響[J]. 土壤通報，2015，46(6)：1407－1414. Zhang Mingzhi, Niu Wenquan, Li Kangyong, et al. Effect of Irrigation and Subsoiling on the Number of Summer Maize Rhizosphere Microbes[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2015, 46(6): 1407－1414. (in Chinese with English abstract)

[17] 鄒文秀，楊春葆，江恒，等. 平坦黑土區田間尺度剖面土壤物理性質空間變異性的研究[J]. 土壤與作物，2013，2(3)：127－131. Zhou Wenxiu, Yang Chunbao, Jiang Heng, et al. The spatial variability of soil profile physical properties in a flat black soil[J]. Soil and Crop, 2013, 2(3): 127－131. (in Chinese with English abstract)

[18] 魯如坤. 土壤農業化學分析方法[M]. 北京：中國農業科技出版社，2000：106－271.

[19] 王浩，王淑蘭，徐宗貴，等. 耕作與施肥對旱地玉米田土壤耗水量和水分利用效率的影響[J]. 中國生態農業學報，2017，25(6)：856－864. Wang Hao, Wang Shulan, Xu Zonggui, et al. Effect of tillage and fertilization on water use efficiency of maize in dryland conditions[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(6): 856－864. (in Chinese with English abstract)

[20] Yan Z X, Gao C, Ren Y J, et al. Effects of pre-sowing irrigation and straw mulching on the grain yield and water use efficiency of summer maize in the North China Plain[J]. Agricultural Water Management, 2017, 186(5): 21－28.

[21] 劉爽，何文清，嚴昌榮，等. 不同耕作措施對旱地農田土壤物理特性的影響[J]. 干旱地區農業研究，2010，28(2)：65－70. Liu Shuang, He Wenqing, Yan Changrong, et al. Effects of different tillage managements on soil physical properties in dryland[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2010, 28(2): 65－70. (in Chinese with English abstract)

[22] Li X, Tang M J, Zhang D X, et al. Effects of sub-soiling on soil physical quality and corn yield[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(23): 65－69. 李霞，湯明軍，張東興，等. 深松對土壤特性及玉米產量的影響[J]. 農業工程學報，2014，30(23)：65－69. (in English with Chinese abstract)

[23] 戰秀梅，李秀龍，韓曉日，等. 深耕及秸稈還田對春玉米產量、花后碳氮積累及根系特征的影響[J]. 沈陽農業大學學報，2012，43(4)：461－466. Zhan Xiumei, Li Xiulong, Han Xiaori, et al. Effects of subsoiling and straw-returning on yield and post-anthesis dry matter and nitrogen accumulation and root characteristics of spring maize[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2012, 43(4): 461－466. (in Chinese with English abstract)

[24] 趙紅香，遲淑筠，寧堂原，等. 科學耕作與留茬改良小麥-玉米兩熟農田土壤物理性狀及增產效果[J]. 農業工程學報，2013，29(9)：113－122. Zhao Hongxiang, Chi Shujun, Ning Tangyuan, et al. Covering farming pattern to improve soil physical properties and crop yield in wheat-maize cropping system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(9): 113－122. (in Chinese with English abstract)

[25] 李仟，關小康，楊明達，等. 不同秸稈還田處理對麥玉兩熟制作物產量及氮素利用的影響[J]. 河南農業大學學報，2015，49(2)：171－176. Li Qian, Guan Xiaokang, Yang Mingda, et al. Effects of different straw returning treatments on crop yield and nitrogen use of winter wheat-summer maize cropping system[J]. Journal of Henan Agricultural University, 2015, 49(2): 171－176. (in Chinese with English abstract)

[26] 趙鵬，陳阜，馬新明，等. 麥玉兩熟秸稈還田對作物產量和農田氮素平衡的影響[J]. 干旱地區農業研究，2010，28(2)：162－166. Zhao Peng, Chen Fu, Ma Xinming, et al. Effects of integrated straw on crop yield and nitrogen balance in winter wheat & summer maize[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2010, 28(2): 162－166. (in Chinese with English abstract)

[27] 楊憲龍，路永莉，同延安，等. 長期施氮和秸稈還田對小麥-玉米輪作體系土壤氮素平衡的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2013，19(1)：65－73. Yang Xianlong, Lu Yongli, Tong Yan'an, et al. Effects of long-term N application and straw returning on N budget under wheat-maize rotation system[J]. Plant Nutrition & Fertilizer Science, 2013, 19(1): 65－73. (in Chinese with English abstract)

[28] 濮超，劉鵬，闞正榮，等. 耕作方式及秸稈還田對華北平原土壤全氮及其組分的影響[J]. 農業工程學報，2018，34(9)：160－166. Pu Chao, Liu Peng, Kan Zhengrong, et al. Effects of tillage and straw mulching on soil total nitrogen and its components in north China plain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(9): 160－166. (in Chinese with English abstract)

[29] 李濤，何春娥，葛曉穎，等. 秸稈還田施氮調節碳氮比對土壤無機氮、酶活性及作物產量的影響[J]. 中國生態農業學報，2016，24(12)：1633－1642. Li Tao, He Chun'e, Ge Xiaoying, et al. Responses of soil mineral N contents, enzyme activities and crop yield to different C/N ratio mediated by straw retention and N fertilization[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2016, 24(12): 1633－1642. (in Chinese with English abstract)

[30] 楊永輝，武繼承，張玉亭，等. 耕作與保墑措施對小麥不同生育階段水分利用及產量的影響[J]. 華北農學報，2016，31(3)：184－190. Yang Yonghui, Wu Jicheng, Zhang Yuting, et al. Effects of tillage, moisture conservation on water use and yield in wheat at different growth stages[J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2016, 31(3): 184－190. (in Chinese with English abstract)

[31] 張笑培，周新國，王靜麗，等. 耕作方式對豫東夏玉米產量和水分利用效率的影響[J]. 灌溉排水學報，2017，36(9)：13－19. Zhang Xiaopei, Zhou Xinguo, Wang Jingli, et al. Impact of tillage on yield and water use efficiency of summer maize in eastern Henan Province[J]. Journal of Irrigation & Drainage, 2017, 36(9): 13－19. (in Chinese with English abstract)

[32] 張永麗，于振文. 灌水量對小麥氮素吸收、分配、利用及產量與品質的影響[J]. 作物學報，2008，34(5)：870－878. Zhang Yongli, Yu Zhenwen. Effects of irrigation amount on nitrogen uptake, distribution, use, and grain yield and quality in wheat[J]. Acta Agronomica Sinica, 2008, 34(5): 870－878. (in Chinese with English abstract)

Effects of tillage and irrigation on water use and yield of winter wheat and summer maize

Zhang Kai1, Liu Zhandong1※, Qiang Xiaoman1, Mi Zhaorong2, Feng Rongcheng3, Ma Yanchuan1, Yu Xuan1, Sun Jingsheng1

(1.,,,,453002,;2.,453003,;3.,453800,)

Irrigation and tillage able to maintain a healthy plow layer for sustainable production of winter wheat-summer maize rotation cropping system in North China Plain was experimentally studied in this paper. We investigated three tillages: deep subsoiling (ST), deep subsoiling+ straw incorporation (ST+RS) and conventional rotary tillage (RT) from 2015 to 2016 in Xinxiang, Henan province. The irrigation for each tillage was based on soil moisture in which irrigation was assumed whenever the moisture content in the wet soil layer dropped to 60% of the field capacity (H), 50% of the field capacity (M) and 40% of the field capacity(L), respectively. In each treatment, we measured the yield and water use efficiency (WUE) of the crops. The results showed that ST and ST+RS reduced soil bulk density and increased soil porosity and field holding capacity, especially ST+RS. Compared with RT, ST and ST+RS, on average, reduced the bulk density of 0-40 cm soil by 5.0% and 6.0% respectively, and increasedits porosity by 6.9% and 8.0% respectively, field capacity by 6.2% and 12.8% respectively, and saturated water content by 6.2% and 5.7% respectively. The tillage and irrigation combined to significantly increase water storage in 0-100 cm soil in winter. In particular, ST and ST+RS increased water storage (SWS) in the 0-100 cm soil by 11.0% and 15.8%, respectively, compared to RT. SWS under H and M irrigation treatment increased by 18.1% and 11.1%, respectively, compared with L irrigation. Tillage affected yield and WUE of both winter wheat and summer maize at significant level. Compared to RT, ST and ST+RS increased annual yield by 9.2% and 15.5%, respectively, and WUEby 11.2% and 15.3%, respectively. Irrigation affected yields and WUE of the crops as well. While the yields increased with the controlled soil moisture for irrigation, the M irrigation treatment gave the highest WUE. Under the current soil and climatic condition, deep subsoiling coupled with straw incorporation and an appropriate water management appears to offer a best solution to constructing plow layer and increasing WUE and crop yield. In particular, to best balance yield, water consumption and water use efficiency of the crops under conventional rainfall condition, the optimal tillage is to loosen the soil up to a depth of 35cm combined with incorporating straw prior to sowing the winter wheat. The crops are then irrigated whenever the moisture content in the wet layer drop to 50% of the field capacity. This study is for winter wheat-summer maize rotation system in Henna province, and the lines of the wheat and the maize used in the study were “Aikang 58” and “Denghai 605” respectively, but the results have implications in other regions in North China Plain.

irrigation; crops; tillage; soil bulk density; yield; water use efficiency

2019-04- 08

2019-08-25

公益性行業（農業）科研專項（201503117）；中央科研院所基本科研業務費專項（FIRI2018-05）；國家自然科學基金（51309226）。

張凱，博士，助理研究員，研究方向為農田耕作與水分高效利用研究。E-mail：zhangkai4221@foxmail.com

劉戰東，博士，副研究員，主要從事作物生理與水分高效利用研究。E-mail：lzddragon@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.013

S274

A

1002-6819(2019)-17-0102-08

張 凱，劉戰東，強小嫚，米兆榮，馮榮成，馬巖川，余 軒，孫景生.耕作方式和灌水處理對冬小麥-夏玉米水分利用及產量的影響. [J]. 農業工程學報，2019，35(17)：102－109. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.013 http://www.tcsae.org

Zhang Kai, Liu Zhandong, Qiang Xiaoman, Mi Zhaorong, Feng Rongcheng, Ma Yanchuan, Yu Xuan, Sun Jingsheng. Effects of tillage and irrigation on water use and yield of winter wheat and summer maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(17): 102－109. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.013 http://www.tcsae.org