旱作區不同降水年型壟作覆蓋下冬小麥土壤水分動態變化研究

李俊紅，丁志強，李 舞，張 潔，呂軍杰，姚宇卿

(1.洛陽農林科學院，河南 洛陽 471023；2.中國農業科學院 洛陽旱農試驗基地，河南 洛陽 471023)

豫西旱作區農業生產以旱作為主，農作物所需水分主要依靠自然降雨，豫西旱區降雨常表現為十年九旱，且表現為一季有余，兩季不足，加之降水分布極為不均，對農作物生產造成較大的影響。自然降水必須轉化為土壤水方能被作物吸收利用，通過提高土壤對降水的吸納和儲存，來提高降水利用率和土壤水分利用效率，進而為旱地作物提供持續不斷的供水，使農作物生產實現高產穩產[1]。多項研究表明，旱作區壟作覆蓋保墑技術通過提高土壤水分儲蓄率，減少土壤水分蒸發，提高土壤水分利用效率來達到為作物提供持續的供水，實現作物增產，在不同降水年型下對作物的增產效果不同，欠水年增產效果最大，平水年次之，豐水年最小。北方旱作區冬小麥生育期內降水量嚴重不足，僅為高產小麥需水量的1/4～1/2[2]，且降水分配極不均，受底墑水分的影響較大，因此，筆者通過改良耕作措施來緩解冬小麥生育期需水與土壤供水之間的矛盾，緩解因降雨不足及降雨分配不均而造成的冬小麥減產問題。前人研究多為少數年份內壟作覆蓋下對冬小麥產量和水分的影響，本文通過長期定位試驗，劃分不同降水年型，研究了不同降水年型壟作覆蓋下底墑對冬小麥生產的影響，以及壟作覆蓋對一年兩熟制下冬小麥土壤水分運移規律，旨在為探明豫西旱作區長期定位下壟作覆蓋技術對冬小麥農田水分動態變化特征，為今后選擇適宜豫西旱作區農作物生產的農業耕作措施提供科學依據，為我國北方旱作區實現可持續農業發展提供可靠的技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗為長期定位試驗，試驗于2004～2018年在洛陽農林科學院旱農試驗基地4 m×4 m防滲精確水分池內進行。本文試驗數據采用其中較為典型的3年不同降水年型下的試驗數據，即欠水年(2007～2008年)、平水年(2009～2010年)、豐水年(2011～2012年)。土壤為潮褐土，質地為重壤，耕層土壤容重為1.53 g/cm3，肥力中等偏上。田間持水量達23.5%，飽和含水量達33.4%，年平均輻射量為491.5 kJ/cm2，年平均氣溫為14 ℃，其中日平均溫度超過10 ℃的天數約為210 d，積溫約為4000 ℃·d，年平均蒸發量約為1841.5 mm,土壤耕層有機質含量約為15.6 g/kg，堿解氮(N)62.5 mg/kg，速效磷(P2O5)10.4 mg/kg，速效鉀(K2O)166.0 mg/kg。該試驗區種植制度為小麥-玉米一年兩熟。

1.2 試驗設計

本試驗設2個處理，3次重復，隨機排列。處理1：壟作覆蓋(Ridge tillage mulching，RTM)：起壟種小麥后進行秸稈全覆蓋+溝內種玉米壟上秸稈覆蓋(每年起壟，壟上種4行小麥，溝內種1行玉米)，處理2：對照(CK)為傳統耕作(Conventional tillage)，即深翻耕25～30 cm(小麥、玉米秸稈均不還田)。小麥采用人工開溝播種，基本苗270萬株/hm2，底施氮磷鉀復合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)600 kg/hm2。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 降雨量 在試驗區附近用自動氣象參數觀測記錄。

1.3.2 土壤含水量 在小麥、玉米主要生育期(小麥：苗期、越冬期、拔節期、抽穗期和成熟期；玉米：苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期和成熟期)利用烘干法測定土壤含水量，測定深度為0～200 cm，每20 cm為一層。

1.3.3 產量的測定 于收獲期在田間測定穗數，同時進行常規室內考種，整區收獲計產。

1.3.4 水分利用效率 水分利用效率/[kg/(hm2·mm)]=作物產量/作物耗水量×100%。

1.3.5 降水利用效率 降水利用效率/[kg/(hm2·mm)]= 作物產量/生育期降雨量×100%。

1.4 試驗期內不同降水年型降雨的分布情況

土壤水分狀況決定于水分的收支狀況，豫西旱區土壤水分收支主要取決于自然降雨的多少。因此，不同降水年型的劃分結合季節降水和土壤水分循環分布特點，豫西旱區一年兩熟制下降雨表現為一季有余，兩季不足。從表1可以看出，冬小麥生育期常年平均降水占全年的34.8%，且降水分配不均，依據“麥收胎里富”的理論，從土壤蓄墑期至冬小麥生育期(即土壤失墑期)結束[1]，劃分出3個降水年型。利用長期定位試驗，從中選出具有代表性的3個降水年型。6～9月份降雨量占全年降水的51.1%～72.7%，欠水年6～9月份降雨量較常年減少36.95%，年降雨量較常年減少19.5%,加之降水分布極為不均，僅5月份降雨量高達118.5 mm，小麥已接近成熟，此時的降雨對冬小麥產量的提高毫無意義，該年度為典型的欠水年。豐水年6～9月份降水較常年增加47.9%，年降雨量較常年增加32.8%，降水分布較為合理，可以作為豐水年的代表。平水年6～9月份降水較常年減少6.5%，年降雨量較常年減少7.5%，與常年降雨量基本相當，且降雨分布較為合理。

2 結果與分析

2.1 不同降水年型壟作覆蓋對冬小麥耗水量、水分利用效率和降水利用效率的影響

冬小麥產量與底墑關系很大，從表2可以看出，3個降水年型下冬小麥生育期降雨量基本相當，受底墑的影響，3個降水年型的產量相差較大，從耗水量和降水利用效率來看，欠水年<平水年<豐水年。欠水年和豐水年耗水量壟作覆蓋與對照間差異不顯著，主要原因是欠水年0～200 cm土壤水分含量較低，作物生長受到嚴重制約,耗水量也最低。而豐水年土壤水分處于高水平狀態，6～9月份降雨量高達568.9 mm，接近田間持水量(567.9 mm)水平，作物生長有水可耗，耗水量大，冬小麥整體產量也高。欠水年水分利用效率和降水利用效率分別較對照高87.9%、83.9%，說明壟作覆蓋在欠水年更有利于提高土壤的蓄水保墑能力。豐水年壟作覆蓋冬小麥耗水量和降水利用效率均高于對照，說明壟作覆蓋在豐水年仍有利于提高土壤的蓄水保墑效果。壟作覆蓋下土壤的水分利用效率與對照相比差異不顯著，說明豐水年土壤水分含量處于高水平狀態，在一定程度上削弱了栽培技術措施的效果。平水年壟作覆蓋下冬小麥耗水量和降水利用效率分別較對照高10.8%和7.7%，說明壟作覆蓋在平水年具有明顯的蓄水保墑作用。綜上所述，壟作覆蓋在不同降水年型均可提高土壤的蓄水保墑作用，進而提高了土壤的供水能力，為作物豐產穩產奠定基礎。

表2 不同降水年型壟作覆蓋對冬小麥耗水量、水分利用效率及降水利用效率的影響

2.2 不同降水年型壟作覆蓋下冬小麥不同生育期土壤水分動態變化研究

2.2.1 不同降水年型壟作覆蓋下冬小麥全生育期平均土壤含水量 從圖1可以看出，不同降水年型壟作覆蓋下，冬小麥全生育期平均土壤含水量表現為平水年>豐水年>欠水年，壟作覆蓋下平均土壤含水量平水年較欠水年高13.1%，豐水年較欠水年高8.4%，平水年較豐水年高4.4%。從平均含水量來看，平水年與豐水年差異不大，而造成產量差異較大的主要原因是受降水分布和底墑的影響而引起的。從各個年型來看，欠水年壟作覆蓋下冬小麥生育期平均土壤含水量較對照高11%，而平水年和豐水年分別較對照高3.8%和3.0%，二者之間差異不明顯。受底墑和降雨分布的影響，其產量間差異則表現為欠水年增產效果最好，平水年增產效果次之，豐水年增產效果不明顯。綜上所述，造成產量差異的主要原因是底墑和降雨時空分布不均。

圖1 不同降水年型壟作覆蓋下冬小麥全生育期平均土壤含水量(0～200 cm)

2.2.2 不同降水年型壟作覆蓋下冬小麥不同生育期土壤水分動態變化 壟作覆蓋下冬小麥不同生育期不同降水年型土壤水分的動態變化差異較大(圖2～圖4)。總體來看，冬小麥不同生育期壟作覆蓋與對照0～200 cm土壤含水量間差異較0～20 cm耕層土壤含水量變化緩和，但在不同降水年型下二者差異不同，在不同降水年型下壟作覆蓋冬小麥0～200 cm土壤含水量與對照間的差異表現出欠水年>平水年>豐水年，在平水年和豐水年冬小麥自播種至成熟土壤水分含量由高到低呈逐漸下降的趨勢，說明土壤含水量多時其耗水量也隨之增加。0～20 cm耕層土壤含水量在冬小麥不同生育期較0～200 cm土壤含水量變化大，二者受氣候影響而表現出較大的差異，0～20 cm土壤含水量在冬小麥不同降水年型不同生育期受自然降水多寡的影響較大，較對照變幅更大，且與0～200 cm土壤含水量在不同降水年型下的表現不同。壟作覆蓋下冬小麥0～20 cm土壤水分含水量與對照間的差異則表現為平水年>欠水年>豐水年。

(1)欠水年壟作覆蓋下冬小麥不同生育0～200 cm土壤水分含量變幅較大(圖2a)，各生育期較對照增加幅度為8.31%～18.23%，平均較對照增加了11.05%，其中受播種時的底墑和降雨分布的影響，苗期壟作覆蓋下土壤含水量較對照高14.13%，有利于形成壯苗。越冬期土壤含水量最低，壟作覆蓋下土壤含水量較對照高8.99%，孕穗期壟作覆蓋下土壤含水量較對照高18.23%，有利于冬小麥粒數的增加，灌漿期壟作覆蓋下土壤含水量較對照高9.45%，利于冬小麥粒重的增加。而收獲期雖然土壤含水量較高，由于降雨集中在5月份小麥成熟期，此階段的降雨對小麥產量的提高意義不大，而收獲期壟作覆蓋下土壤含水量較對照高8.31%。從整個生育期來看，壟作覆蓋下冬小麥土壤含水量始終高于對照，說明壟作覆蓋有利于提高土壤蓄水保墑能力，有利于提高冬小麥產量。從圖2b又可以看出，欠水年冬小麥0～20 cm土壤含水量的變化受降雨的影響更大，壟作覆蓋下冬小麥土壤含水量0～20 cm播種期到灌漿期較對照高11.4%～27.2%，平均較對照增加15.4%，說明壟作覆蓋有利于提高耕層土壤的蓄水保墑能力，有利于提高冬小麥的抗旱能力，為小麥高產穩產奠定基礎；而對照遇旱后耕層土壤更容易散墑而導致旱情加重，進而造成一定程度的減產，收獲期的集中大量降雨使其二者土壤含水量基本相當。

ST：播種期，SS：苗期；WS：越冬期；GS：返青期；ES：拔節期；HD：抽穗期；FS：灌漿期；HS：收獲期。下同。

(2)平水年壟作覆蓋下冬小麥0～200 cm土壤含水量(圖3a)在各生育期內較對照變幅小，其變幅為0.47%～7.68%，且土壤含水量整體隨著生育期的推進而呈逐漸降低的趨勢，而小麥生育期內耕層的土壤含水量(圖3b)增幅較大，其增幅為6.2%～47.9%，平均較對照增加了21.3%。

圖3 平水年壟作覆蓋下冬小麥不同生育期0～200 cm和0～20 cm耕層土壤水分含量的變化

(3)豐水年降雨充沛，在一定程度上減弱了耕作措施的效果，從圖4a可知，壟作覆蓋下冬小麥不同生育期0～200 cm土壤含水量較對照變幅小，平均較對照增加了2.96%，而耕層土壤(圖4b)0～20 cm壟作覆蓋下冬小麥平均土壤含水量較對照增加了8.9%，不同生育期土壤含水量較對照的增幅為2.9%～13.6%。

圖4 豐水年壟作覆蓋下冬小麥不同生育期0～200 cm和0～20 cm耕層土壤水分含量的變化

2.2.3 不同降水年型壟作覆蓋下麥田水分的垂直變化 不同降水年型壟作覆蓋下冬小麥主要生育期即播種和收獲時土壤水分0～200 cm土層之間水分變化存在較大差異，整體來看，壟作覆蓋下冬小麥0～200 cm土壤水分的垂直變化幅度表現為欠水年>平水年>豐水年。

由圖5a可知，欠水年壟作覆蓋下冬小麥播種期土壤含水量明顯高于對照，0～200 cm土壤含水量較對照多36.1 mm。0～120 cm的土壤含水量變化較大，平均較對照高15.4%，且隨著土層深度的增加，土壤水分含量逐漸降低，說明壟作覆蓋有利于提高土壤的蓄水保墑能力和土壤供水能力，利于冬小麥根系向土壤深層擴展，吸收利用深層土壤水分。140～200 cm土壤水分相對穩定，兩者土壤水分含量基本相當。

由圖5b可知，欠水年壟作覆蓋冬小麥收獲時的土壤含水量隨著土層深度的增加，土壤含水量的變化呈現出增加-降低-穩定的狀態，0～200 cm土層儲水量較對照多37.7 mm，0～20 cm土壤含水量較對照高20.9%，且20～60 cm土壤含水量下降較對照緩慢，平均較對照高22.1%。120 cm以下土壤含水量二者基本相當。

由圖5c可知，平水年壟作覆蓋下冬小麥播種期0～160 cm土層水分含量隨著土層深度的增加而逐漸減少，0～20 cm土壤含水量壟作覆蓋較對照高11.8%，隨后二者基本相當，120～140 cm土壤含水量壟作覆蓋又顯著高于對照，說明壟作覆蓋不僅能提高土壤的蓄水保墑能力，還可以減少耕層土壤水分的蒸發。

由圖5d可知，平水年冬小麥收獲期0～200 cm土壤含水量，二者均隨土層深度的增加而降低，且二者含水量基本相當。

由圖5e可知，豐水年播種期0～200 cm的土壤含水量變化趨勢與平水年較為相似，壟作覆蓋冬小麥土壤含水量略高于對照，且隨著土層深度的增加，土壤含水量逐漸降低。

由圖5f可知，收獲期則由于冬小麥生育期內降雨充沛，能夠滿足冬小麥生產需求且有一定的盈余。因此，隨著土層深度的增加，土壤含水量逐漸升高，平水年和豐水年的這種土壤水分隨土層深度變化的趨勢，說明在冬小麥生育期內降雨和土壤供水相對比較充足的情況下削弱了耕作措施的應用效果。

圖5 不同降水年型壟作覆蓋下冬小麥播種期和收獲期土壤水分含量的垂直變化

3 討論與結論

豫西旱區是以山地丘陵為主的旱作農業區，豫西旱區一年兩熟制下降雨表現為一季有余，兩季不足，且降雨季節分配不均，十年九旱，秋冬連旱和伏旱也時有發生，通過改良耕作措施，采用覆蓋保墑技術來確保冬小麥高產穩產，多年試驗結果表明壟作覆蓋保墑效果較好，能夠提高豫西旱區一年兩熟制作物產量，冬小麥生育期常年平均降水占全年的34.8%，加之生育期內降雨不均是造成小麥減產的主要原因。由于冬小麥生產受底墑的影響較大，因此，利用長期定位試驗，選出3個較為典型且有代表性的不同降水年型，研究了小麥生育期需水規律和供水之間的矛盾，3個降水年型的產量相差較大。從耗水量和降水利用效率來看，壟作覆蓋與對照間表現出的差異依次為欠水年<平水年<豐水年，欠水年受干旱影響土壤含水量處于較低水平，作物生長嚴重缺水，導致產量降低，耗水量和水分利用效率較低，壟作覆蓋的效果明顯。而豐水年降雨充足，土壤含水量處于較高水平狀態，作物生長不受土壤水分含量的制約，產量較高，耗水量和水分利用效率自然較高。不同降水年型壟作覆蓋下冬小麥全生育期平均土壤含水量表現為平水年>豐水年>欠水年，這可能與冬小麥全生育期降雨分布、耗水量及水分利用效率有關。

在不同降水年型下壟作覆蓋冬小麥0～200 cm土壤含水量與對照間的差異表現為欠水年>平水年>豐水年，隨著干旱的加劇，傳統耕作由于翻耕措施和地表無覆蓋更容易散墑而導致旱情愈加嚴重。而不同降水年型壟作覆蓋下冬小麥主要生育期即播種和收獲時土壤水分0～200 cm土層之間水分變化可以反映出土壤的儲水能力，不同降水年型壟作覆蓋下冬小麥0～200 cm土壤水分的垂直變化表現為欠水年的變化幅度大于平水年和豐水年。欠水年壟作覆蓋與對照間變化幅度差異大，說明耕作措施起到一定的保墑作用，壟作覆蓋提高了土壤的儲水量和土壤的供水能力，為作物生產提供保障。平水年土壤含水量在播種期和收獲期都是隨著土層深度的增加而逐漸降低，這與小麥生長需水和降雨分布有很大關系；而豐水年收獲期土壤水分含量隨著土層深度的增加而逐漸增加，說明冬小麥生育期內降雨量較為充足，能夠充分滿足冬小麥生長需求，這在一定程度上削弱了耕作措施在農業生產上的應用效果。抗旱節水始終是人們研究和關注的重點，旱作區如何通過改善耕作措施提高土壤蓄水保墑能力和供水能力，進而提高作物產量是主要的研究內容，選擇適宜豫西旱區一年兩熟制下更好的耕作措施，如何更大程度上提高降雨利用效率和土壤水分利用效率則有待于深入研究。