耕作對渭北旱塬小麥-玉米輪作田土壤水分和產(chǎn)量的影響

郭星宇，王浩，于琦，王瑞，王小利，李軍

耕作對渭北旱塬小麥-玉米輪作田土壤水分和產(chǎn)量的影響

郭星宇，王浩，于琦，王瑞，王小利，李軍

西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100

【】探討不同降水年型下，耕作方式對冬小麥-休閑-春玉米輪作田土壤水分和作物產(chǎn)量的影響，為旱區(qū)糧田降雨高效利用與耕作制度創(chuàng)新提供理論支撐。于2007—2019年在渭北旱塬進(jìn)行長期定位保護(hù)性耕作試驗(yàn)，以傳統(tǒng)翻耕（CT）為對照，設(shè)置免耕（NT）和深松（ST）2種少耕耕作方式，分析不同降水年型下耕作方式對小麥-玉米輪作田休閑期土壤蓄墑、作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響。（1）降水年型、耕作方式及其互作均顯著影響休閑期末期土壤貯水量和休閑期蓄墑率，其中降水年型是休閑末期土壤貯水量和休閑期蓄墑率變化的主導(dǎo)因素。休閑末期0—200 cm土層土壤貯水量（mm）表現(xiàn)為豐水年型（430.6）＞欠水年型（405.9）＞平水年型（381.5）；NT（417.4）＞ST（402.3）＞CT（398.2）；豐水年型NT處理休閑末期0—200 cm土層土壤貯水量最高（438.5），平水年型ST處理最低（370.2）；休閑期蓄墑率（%）表現(xiàn)為豐水年型（27.1）＞欠水年型（26.6）＞平水年型（25.1）；NT（27.6）＞ST（26.4）＞CT（25.8）；欠水年型NT處理土壤蓄墑率最高（29.1），平水年型CT處理土壤蓄墑率最低（25.0）。（2）降水年型、耕作方式及其互作均顯著影響冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率（WUE），其中耕作方式是冬小麥產(chǎn)量（kg?hm-2）和WUE（kg?hm-2?mm-1）變化的主導(dǎo)因素。冬小麥產(chǎn)量表現(xiàn)為豐水年型（4985）＞欠水年型（3984）；NT（4522）＞ST（4468）＞CT（4465）；豐水年型NT處理產(chǎn)量最高（5033），欠水年型ST處理最低（3957）；冬小麥WUE表現(xiàn)為豐水年型（15.4）＞欠水年型（14.9）；NT（16.2）＞ST（15.4）＞CT（14.0）；豐水年型NT處理WUE最高（16.5），欠水年型CT處理最低（13.9）。（3）降水年型、耕作方式及其互作均顯著影響春玉米產(chǎn)量和水分利用效率（WUE），其中降水年型是春玉米產(chǎn)量（kg?hm-2）和WUE（kg?hm-2?mm-1）變化的主導(dǎo)因素。春玉米產(chǎn)量表現(xiàn)為豐水年型（7677）＞欠水年型（6999）＞平水年型（5887）；NT（6900）＞ST（6879）＞CT（6785）；豐水年型ST處理產(chǎn)量最高（8003），平水年型ST處理最低（5723）；春玉米WUE表現(xiàn)為豐水年型（18.7）＞欠水年型（17.5）＞平水年型（14.8）；NT（17.8）＞ST（17.0）＞CT（16.2）；豐水年型ST處理WUE最高（19.3），平水年型CT處理最低（13.9）。（4）在冬小麥-休閑-春玉米輪作周期中，耕作方式顯著影響作物產(chǎn)量和WUE。其中NT處理多年平均產(chǎn)量和WUE分別較CT處理提高1.6%和9.5%，ST處理多年平均產(chǎn)量和WUE分別較CT處理提高1.2%和3.9%。綜合各降水年型下土壤水分與作物產(chǎn)量得出，保護(hù)性耕作可以相對高效地實(shí)現(xiàn)保水增產(chǎn)目的，其中以免耕處理蓄水與增產(chǎn)效應(yīng)最佳。從旱作農(nóng)田高產(chǎn)高效及長期可持續(xù)發(fā)展的角度綜合考慮，推薦免耕作為黃土高原地區(qū)實(shí)現(xiàn)蓄水保墑及增產(chǎn)增收目的的耕作方式。

渭北旱塬；降水年型；保護(hù)性耕作；水分；產(chǎn)量

0 引言

【研究意義】渭北旱塬地處陜西省中部的黃土高原南部臺塬和殘塬溝壑區(qū)，屬暖溫帶半濕潤易旱氣候區(qū)，糧食作物以冬小麥和春玉米為主，是陜西省重要的糧食生產(chǎn)基地[1-2]。該地區(qū)降水量僅為500—600 mm，且季節(jié)降水分布不均勻，作物生產(chǎn)所需水分完全依賴于自然降水，是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)[3]。因此，如何有效蓄存自然降水，促進(jìn)旱地土壤休閑期水分貯蓄和生長期水分高效利用，是該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵問題。【前人研究進(jìn)展】保護(hù)性耕作通過對農(nóng)田實(shí)行休閑期秸稈覆蓋免耕和深松等措施促進(jìn)雨水入滲，有利于增強(qiáng)旱作農(nóng)田的蓄水保墑能力，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率，是促進(jìn)北方旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一[4-6]。李玲玲等[7]研究表明，不同保護(hù)性耕作措施土壤耗水量差異顯著，免耕秸稈覆蓋在增加作物耗水的同時提高作物產(chǎn)量及水分利用效率，實(shí)現(xiàn)黃土高原西部旱區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，提高土壤肥力。李友軍等[8]研究表明，與傳統(tǒng)翻耕相比，免耕覆蓋和深松覆蓋能有效提高休閑期土壤蓄水量7.72%—8.05%和8.79%—13.39%，提高產(chǎn)量23.22%和15.38%。張貴云等[9]研究表明，保護(hù)性耕作顯著提高黃土高原旱作麥田土壤有機(jī)質(zhì)含量及土壤貯水量，其中深松免耕結(jié)合較傳統(tǒng)翻耕提高土壤有機(jī)質(zhì)含量61.5%。KAN等[10]的研究表明，在華北平原長期免耕具有儲存土壤水分的潛力，與翻耕相比，免耕在降低水分消耗的同時顯著提高水分利用效率16.5%—29.1%。【本研究切入點(diǎn)】盡管國內(nèi)外學(xué)者對長期定位保護(hù)性耕作展開了許多研究[11-14]，然而關(guān)于不同降水年型下長期定位保護(hù)性耕作對旱作農(nóng)田蓄水保墑及增產(chǎn)效應(yīng)仍需關(guān)注和深入。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究依托渭北旱塬開展的長期保護(hù)性耕作定位試驗(yàn)，分析不同降水年型下保護(hù)性耕作對冬小麥-春玉米輪作田的土壤蓄水效應(yīng)和增產(chǎn)效應(yīng)，旨在為旱作糧田增產(chǎn)增效及耕作制度創(chuàng)新與發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于陜西省關(guān)中平原區(qū)以北、陜北丘陵溝壑區(qū)以南的渭北旱塬合陽縣甘井鎮(zhèn)（35°19′E，109°64′N），平均海拔877 m，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。2007—2019年的年平均降雨量為506.9 mm，該地區(qū)降雨年際間分配不均，降水多集中在7—9月，其分布模式如圖1所示。試驗(yàn)地土壤為黑壚土，萎蔫系數(shù)為9%[15]，土壤質(zhì)地疏松深厚，0—60 cm土層平均土壤容重為1.42 g·cm-3，屬全年無灌溉雨養(yǎng)地。

圖1 合陽試驗(yàn)站2007—2019年逐月降雨量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，其中降水年型為主處理，耕作方式為副處理。2007年9月試驗(yàn)開始前，試驗(yàn)地連年種植春玉米，作物收獲后秸稈移出田間并進(jìn)行翻耕。試驗(yàn)在連續(xù)12年“冬小麥-休閑-春玉米”一年一熟輪作模式下進(jìn)行，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積為112.5 m2（22.5m×5m）。前茬作物冬小麥或春玉米收獲后，在晴天使用秸稈粉碎機(jī)將秸稈全部粉碎覆蓋地表后立即實(shí)施如下3種土壤耕作處理：（1）免耕處理（NT），不采取任何土壤耕作措施，地表秸稈覆蓋度過休閑期；（2）深松處理（ST），每間隔40—60 cm使用深松機(jī)留茬深松30—35 cm，地表秸稈覆蓋渡過休閑期；（3）翻耕處理（CT），使用鏵式犁全面翻耕20—25 cm，將秸稈等殘茬全部翻入耕層土壤中，地表疏松裸露度過休閑期。在2007—2019年試驗(yàn)期間，除休閑期噴灑一次除草劑，播種前對土壤沒有任何擾動，各耕作處理品種、施肥水平及其他田間管理措施均相同。

本試驗(yàn)中，冬小麥和春玉米田施肥處理為150 kg N·hm-2、120 kg P2O5·hm-2、90 kg K2O·hm-2（其中N、P、K分別為尿素、磷酸二銨和氯化鉀，均以基肥形式施入）。冬小麥種植行距為20 cm，春玉米種植行距為60 cm，分別采用條播機(jī)和點(diǎn)播機(jī)按冬小麥150 kg·hm2和春玉米37.5 kg·hm2播量進(jìn)行播種。作物具體種植概況及播種收獲日期見表1。

表1 2007-2019年冬小麥-春玉米輪作田作物種植概況

1.3 降水年型劃分

降水年型依據(jù)干燥指數(shù)DI = ( P - M ) /σ進(jìn)行劃分[16]，式中，P為當(dāng)年降雨量（mm）；M為多年平均降雨量（mm）；σ為多年平均降雨方差。借用降水年型劃分的思路和方法，按照降雨量高低把各年度休閑期、冬小麥和春玉米生長期分為不同降水年型，劃分結(jié)果如下：（1）按休閑期降雨量劃分，2010—2011、2012—2013、2014—2015年休閑期均為豐水年型，2008—2009年休閑期為平水年型，2016—2017、2018—2019年休閑期均為欠水年型。（2）按冬小麥生長期降雨量劃分，2007—2008、2011—2012、2013—2014、2015—2016年冬小麥生長期為豐水年型，2009—2010、2017—2018年冬小麥生長期為欠水年型。（3）按春玉米生長期降雨量劃分，2009、2011年春玉米生長期為豐水年型，2017年春玉米生長期為平水年型，2013、2015、2019年春玉米生長期為欠水年型。

1.4 測定項(xiàng)目與方法

1.4.1 土壤水分 土壤水分采用烘干法[17]測定，在休閑期和作物關(guān)鍵生長期用土鉆取樣測定0—200 cm土層土壤含水量，每20 cm為一層，共10層。土壤樣品放入鋁盒中稱鮮重，烘箱105℃烘8 h后稱干重，計(jì)算土壤含水量。利用測定的土壤容重計(jì)算土壤貯水量。

土壤含水量W（%）=（鮮土重量-干土重量）/ 干土重量×100；

土壤貯水量SWS（mm）= D×H×W×10。

式中，SWS為0—200 cm土層土壤貯水量（mm）；D為土壤容重（g·cm-3）；H為土層厚度（20 cm/層）；W為土壤含水量（%）。

休閑期土壤蓄墑率P（%）=（V1-V2）/R×100。

式中，P為土壤蓄墑率（%）[18]；V1為休閑末期0—200 cm土層土壤貯水量（mm）；V2為休閑初期0—200 cm土層土壤貯水量（mm）；R為休閑期降雨量（mm）。

生長期耗水量ET（mm）= P + U - R - F – ΔW。式中，ET為作物生長期耗水量（mm）；P為作物生長期總降雨量（mm）；R為徑流量（mm）；U為地下水補(bǔ)給量（mm）；F為深層滲漏量（mm）；ΔW為作物播種時0—200 cm土層土壤貯水量與作物收獲時0—200 cm土層土壤貯水量之差（mm）。由于試驗(yàn)地區(qū)為疏松多孔的黑壚土，再加上試驗(yàn)地平整，地表徑流小，地下水埋深在40 m以下，不易上移補(bǔ)給；在有作物生長的農(nóng)田，多雨年份降水入滲深度不超過2 m，所以F、U、R可忽略不計(jì)[19]。因此該公式可簡化為：

生長期耗水量ET（mm）= P-ΔW；

水分利用效率WUE = Y / ET。

式中，WUE為作物水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）；Y為作物產(chǎn)量（kg·hm-2）。

1.4.2 作物產(chǎn)量 冬小麥產(chǎn)量于收獲期沿每個小區(qū)對角線方向選取長勢均勻的3點(diǎn)，每個樣點(diǎn)取3 m2；春玉米產(chǎn)量于收獲期沿每個小區(qū)對角線方向選取長勢均勻的3點(diǎn)，每個樣點(diǎn)取9 m2。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

本試驗(yàn)使用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用Origin Pro 2015作圖，使用SPSS17.0軟件進(jìn)行方差分析（LSD0.05）。

2 結(jié)果

2.1 不同降水年型休閑期農(nóng)田土壤蓄水效應(yīng)

2.1.1 休閑末期0—200 cm土層土壤貯水量 方差分析表明降水年型、耕作方式及其互作均顯著影響休閑末期0—200 cm土層土壤貯水量（圖2）。其中降水年型對休閑末期0—200 cm土層土壤貯水量影響最為顯著（=9.15，=0.002），其次為耕作方式（=4.55，=0.024），最后為降水年型與耕作方式的交互作用（=1.31，=0.049）。對降水年型進(jìn)行比較分析，休閑末期0—200 cm土層土壤貯水量表現(xiàn)為H（430.6 mm）＞D（405.9 mm）＞N（381.5 mm）；對耕作方式進(jìn)行比較分析，休閑末期0—200 cm土層土壤貯水量表現(xiàn)為NT（417.4 mm）＞ST（402.3 mm）＞CT（398.2 mm），但ST與CT處理無顯著差異；對降水年型與耕作方式交互作用進(jìn)行比較分析，豐水年型NT處理休閑末期0—200 cm土層土壤貯水量最高，平水年型ST處理最低。在平水年型，NT較CT處理提高休閑末期土壤貯水量10.1 mm，而ST較CT處理降低休閑末期土壤貯水量11.9 mm。在豐水年型，NT和ST處理休閑末期土壤貯水量分別較CT處理提高16.8 mm和9.7 mm；在欠水年型，NT和ST處理休閑末期土壤貯水量分別較CT處理提高30.7 mm和14.4 mm。

2.1.2 休閑期土壤蓄墑率 方差分析表明降水年型、耕作方式及其互作均顯著影響休閑期土壤蓄墑率（圖3）。其中降水年型對休閑期蓄墑率影響最為顯著（=173.97，=0.000），其次為耕作方式（=71.90，=0.000），最后為耕作方式與降水年型的交互作用（=40.15，=0.000）。對降水年型進(jìn)行比較分析，休閑期蓄墑率表現(xiàn)為H（27.1%）＞D（26.6%）＞N（25.1%），但H與D無顯著差異；對耕作方式進(jìn)行比較分析，休閑期蓄墑率表現(xiàn)為NT（27.6%）＞ST（26.4%）＞CT（25.8%）；對降水年型與耕作方式交互作用進(jìn)行比較分析，欠水年型NT處理土壤蓄墑率最高，平水年型CT處理土壤蓄墑率最低。在平水年型各耕作處理無顯著差異。在豐水年型，NT、ST處理蓄墑率分別較CT處理顯著提高2.7%和2.5%；在欠水年型，NT處理蓄墑率較CT處理顯著提高2.6%，而ST處理蓄墑率較CT處理降低0.9%。

N：平水年型；H：豐水年型；D：欠水年型；NT：免耕；ST：深松耕；CT：翻耕。不同小寫字母表示處理間差異達(dá)到顯著水平（P<0.05）。下同

圖3 不同降水年型各耕作處理休閑期土壤蓄墑率變化動態(tài)

2.2 不同降水年型生長期農(nóng)田土壤蓄水效應(yīng)

2.2.1 冬小麥生長期多年平均土壤貯水量 對冬小麥生長期0—200 cm土層土壤貯水量分析（圖4），在豐水年型，耕作顯著影響小麥全生長期土壤貯水量。播種期NT、ST處理土壤貯水量較CT處理顯著提高10.7 mm和12.6 mm；拔節(jié)期以ST處理土壤貯水量最高，顯著高于CT處理（10.0 mm），NT與CT處理無顯著差異；灌漿期和收獲期NT處理土壤貯水量最高，分別較CT處理顯著提高15.6 mm和14.1 mm。在欠水年型，耕作顯著影響冬小麥播種期、拔節(jié)期和收獲期土壤貯水量。播種期和拔節(jié)期NT處理土壤貯水量較ST處理顯著提高23.1 mm和8.2 mm，NT與CT處理無顯著差異；收獲期NT、ST處理土壤貯水量顯著高于CT處理，分別較CT處理提高13.7 mm和7.5 mm。

圖4 不同降水年型冬小麥生長期0-200 cm土層土壤貯水量

2.2.2 春玉米生長期多年平均土壤貯水量 對春玉米生長期0—200 cm土層土壤貯水量分析（圖5），在平水年型，耕作顯著影響玉米全生長期土壤貯水量。播種期NT、ST處理土壤貯水量顯著高于CT處理36.4和23.7 mm；拔節(jié)期NT、ST處理土壤貯水量分別較CT處理提高46.4和17.4 mm；灌漿期和收獲期NT處理土壤貯水量最高，較CT處理顯著提高23.4 mm和11.7 mm，ST與CT處理無顯著差異。在豐水年型，耕作顯著影響玉米播種期和拔節(jié)期土壤貯水量。播種期和拔節(jié)期NT處理土壤貯水量最高，較CT處理顯著提高40.7 mm和27.8 mm，ST與CT處理無顯著差異。在欠水年型，耕作顯著影響玉米全生長期土壤貯水量。播種期和拔節(jié)期NT處理土壤貯水量較ST處理提高26.4 mm和20.3 mm，NT與CT處理無顯著差異；灌漿期和收獲期均以NT處理土壤貯水量最高，較CT處理提高19.6 mm和4.1 mm，而ST較CT處理顯著降低23.8 mm和11.9 mm。

圖5 不同降水年型春玉米生長期0—200 cm土層土壤貯水量

2.3 不同降水年型作物耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率

2.3.1 冬小麥耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率 方差分析表明降水年型、耕作方式及其互作均顯著影響冬小麥耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率（表2）。其中耕作方式對冬小麥耗水量（ET），產(chǎn)量和水分利用效率（WUE）影響最為顯著（=164136.138，=0.000；=220992.587，=0.000；=31408.451，=0.000），其次為降水年型（=28130.932，=0.000；=311.566，=0.000；=4605.515，=0.000），最后為降水年型與耕作方式互作（=576.798，=0.000；=98.552，=0.000；=336.738，=0.000）。對降水年型進(jìn)行比較分析，冬小麥ET表現(xiàn)為H（324.9 mm）＞D（267.9 mm）；產(chǎn)量表現(xiàn)為H（4 985 kg·hm-2）＞D（3 984 kg·hm-2）；WUE表現(xiàn)為H（15.4 kg·hm-2·mm-1）＞D（14.9 kg·hm-2·mm-1）。對耕作方式進(jìn)行比較分析，冬小麥ET表現(xiàn)為CT（319.0 mm）＞ST（291.0 mm）＞NT（279.3 mm）；產(chǎn)量表現(xiàn)為NT（4 522 kg·hm-2）＞ST（4 468 kg·hm-2）＞CT（4 465 kg·hm-2）；WUE表現(xiàn)為NT（16.2 kg·hm-2·mm-1）＞ST（15.4 kg·hm-2·mm-1）＞CT（14.0 kg·hm-2·mm-1）。對降水年型與耕作方式交互作用進(jìn)行比較分析，在豐水年型，NT和ST處理ET較CT處理顯著降低14.9%和9.9%，產(chǎn)量和WUE提高1.8%、0.7%和17.0%、10.6%；在欠水年型，NT處理ET較CT處理顯著降低13.4%，產(chǎn)量和WUE提高0.6%和14.1%。

2.3.2 春玉米耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率 方差分析表明降水年型、耕作方式及其互作均顯著影響春玉米ET、產(chǎn)量和WUE（表3）。其中降水年型對春玉米ET，產(chǎn)量和WUE影響最為顯著（=154000.459，=0.000；=707.055，=0.000；=119754.339，=0.000），其次為耕作方式（=2276.719，=0.000；=3247.531，=0.000；=16076.113，=0.000），最后為降水年型與耕作方式互作（=401.884，=0.000；=426.440，=0.000；=4849.037，= 0.000）。對降水年型進(jìn)行比較分析，春玉米ET表現(xiàn)為H（411.3 mm）＞D（401.2 mm）＞N（398.6 mm）；產(chǎn)量表現(xiàn)為H（7 677 kg·hm-2）＞D（6 999 kg·hm-2）＞N（5 887 kg·hm-2）；WUE表現(xiàn)為H（18.7kg·hm-2·mm-1）＞D（17.5 kg·hm-2·mm-1）＞N（14.8 kg·hm-2·mm-1）。對耕作方式進(jìn)行比較分析，春玉米ET表現(xiàn)為CT（419.6 mm）＞ST（403.8 mm）＞NT（387.8 mm）；產(chǎn)量表現(xiàn)為NT（6 900 kg·hm-2）＞ST（6 879 kg·hm-2）＞CT（6 785 kg·hm-2）；WUE表現(xiàn)為NT（17.8 kg·hm-2·mm-1）＞ST（17.0 kg·hm-2·mm-1）＞CT（16.2 kg·hm-2·mm-1）。對降水年型與耕作方式交互作用進(jìn)行比較分析，在平水年型，NT處理ET較CT降低8.9%，產(chǎn)量和WUE提高1.9%和11.5%；在豐水年型，ST處理ET較CT處理降低1.1%，產(chǎn)量和WUE分別較CT處理提高5.9%和7.2%；在欠水年型，NT處理ET較CT處理降低9.1%，產(chǎn)量和WUE分別較CT處理提高4.7%和10.0%。

表2 不同降水年型各耕作處理冬小麥耗水量、產(chǎn)量與水分利用效率

ET，播種期-成熟期耗水量；WUE，水分利用效率。相同年型和相同耕作方式同列不同字母表示處理間差異達(dá)到顯著水平（＜0.05），**表示處理間差異達(dá)到極顯著水平（＜0.01）。下同

ET, values of water consumption from sowing to harvesting stages; WUE, water use efficiency; Yield, yield of winter wheat and spring maize. Different letters under the same rainfall type and volume are significantly different among treatments at＜0.05. ** represents significantly different among treatments at<0.01. The same as below

表3 不同降水年型各耕作處理春玉米耗水量、產(chǎn)量與水分利用效率

2.4 冬小麥-休閑-春玉米輪作周期耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率

對不同耕作處理下冬小麥-休閑-春玉米各輪作周期ET、產(chǎn)量和WUE進(jìn)行分析（表4）。NT、ST處理多年平均ET分別較CT處理降低7.6%和3.0%。其中，NT、ST處理顯著降低周期1和3的ET，分別較CT處理降低7.3%、3.7%（Cycle 1）和7.3%、4.9%（Cycle 3）。保護(hù)性耕作措施顯著影響輪作周期產(chǎn)量和WUE，NT、ST處理多年平均產(chǎn)量分別較CT處理提高1.6%和1.2%。ST處理產(chǎn)量在周期1和2中分別較CT處理提高3.4%和5.0%，NT處理產(chǎn)量在周期4、5和6中分別較CT處理提高3.8%、2.3%和2.4%。NT、ST處理多年平均WUE分別較CT處理提高9.5%和3.9%。其中NT、ST處理的WUE在周期1、3和5中分別較CT處理提高6.6%、7.3%（Cycle 1），7.4%、7.4%（Cycle 3），12.2%、9.5%（Cycle 5）；NT處理WUE在周期4和6中分別較CT處理提高12.2%和13.1%。

表4 不同冬小麥-休閑-春玉米輪作周期ET、產(chǎn)量與WUE

Cycle代表冬小麥-休閑-春玉米輪作周期，1代表2007—2009年，2代表2009—2011年，3代表2011—2013年，4代表2013—2015年，5代表2015—2017年，6代表2017—2019年

Cycle represents the winter wheat-fallow-spring maize rotation cycle, 1 represents 2007-2009, 2 represents 2009-2011, 3 represents 2011-2013, 4 represents 2013-2015, 5 represents 2015-2017, 6 represents 2017-2019

3 討論

3.1 保護(hù)性耕作對休閑期農(nóng)田土壤蓄水保墑效應(yīng)的影響

休閑期是冬小麥-休耕-春玉米種植系統(tǒng)土壤水分補(bǔ)充的主要階段，休閑期降雨的多蓄少耗可以為作物生長提供更多水分，在半干旱區(qū)域具有重要的生產(chǎn)意義。本研究對休閑末期土壤貯水量分析表明，降水年型對休閑末期0—200 cm土層土壤貯水量影響最為顯著，其次為耕作方式，最后為降水年型與耕作方式互作。該結(jié)果表明降水年型是決定休閑末期土壤貯水量的關(guān)鍵因素，這是因?yàn)楸驹囼?yàn)研究區(qū)域?yàn)榈湫偷暮底饔牮B(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，降雨幾乎是土壤水分的唯一補(bǔ)給途徑，因此降雨量的多少直接決定著休閑末期土壤貯水量。本研究進(jìn)一步表明耕作方式對休閑末期土壤貯水量產(chǎn)生顯著影響，這說明耕作顯著影響土壤貯水量，這與不同耕作措施改變土壤理化性質(zhì)有關(guān)，通過優(yōu)化農(nóng)業(yè)耕作措施，有利于減少土壤水分無效蒸發(fā)，增強(qiáng)農(nóng)田土壤的蓄水保墑能力[20]。此外在本研究中，降水年型與耕作方式互作對休閑末期土壤貯水量也產(chǎn)生顯著影響。在豐水和欠水年型，NT和ST處理休閑末期土壤貯水量較CT處理顯著提高；但在平水年型，NT較CT處理顯著提高休閑末期土壤貯水量，而ST較CT處理降低休閑末期土壤貯水量。這表明NT處理在豐水、平水和欠水年型較CT處理均能顯著提高休閑末期土壤貯水量；而ST處理僅在豐水和欠水年型提高休閑末期土壤貯水量，這可能與耕作對土壤的擾動強(qiáng)度有關(guān)，免耕下零土壤擾動，有效增強(qiáng)土壤的蓄水保墑能力，因此提高不同降水年型下休閑末期土壤貯水量[21]；而深松對底土進(jìn)行疏松，有利于降雨向深層土壤轉(zhuǎn)移，在豐水型有利于儲存自然降雨[22-24]；此外深松較翻耕降低表層土壤擾動，但增加深層土壤擾動，雖然有利于減少表土水分的無效蒸散，但同時也增加底土水分散失的風(fēng)險，本研究結(jié)果也進(jìn)一步說明在平水年型下深松會降低休閑末期土壤貯水量，表現(xiàn)出水分保蓄劣勢。

蓄墑率反映耕作措施本身的土壤水分保蓄能力，本研究進(jìn)一步對蓄墑率分析表明，降水年型對休閑期蓄墑率影響最為顯著，其次為耕作方式，最后為降水年型與耕作方式互作。由于試驗(yàn)地區(qū)季節(jié)降雨分布不均勻，降雨多集中分布于6—9月，因此休閑期降水年型是影響休閑土壤蓄墑率的主要因素。本研究進(jìn)一步表明耕作方式對休閑土壤蓄墑率產(chǎn)生顯著影響，這種影響主要是由于耕作措施的不同影響土壤的顆粒大小和組成，改變土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響土壤的水熱過程[25]。此外降水年型與耕作方式互作也顯著影響蓄墑率，這與不同耕作措施對降雨的響應(yīng)不同有關(guān)。如本研究進(jìn)一步分析表明在豐水年型，NT、ST處理蓄墑率分別較CT處理顯著提高；在欠水年型，NT處理蓄墑率較CT處理顯著提高；在平水年型各耕作處理無顯著差異。

3.2 保護(hù)性耕作對作物生長期農(nóng)田土壤蓄水保墑效應(yīng)的影響

旱作農(nóng)田休閑期進(jìn)行保護(hù)性耕作可以接納并蓄存更多自然降水，為秋播和春播作物生長創(chuàng)造更加適宜的土壤水分環(huán)境。在本研究中，豐水和欠水年型NT處理均顯著提高冬小麥播種期和拔節(jié)期土壤貯水量。該結(jié)果表明農(nóng)田實(shí)行免耕能有效抑制冬小麥生長前期地表裸露造成的無效蒸發(fā)，提高冬小麥播期和拔節(jié)期土壤貯水量，這與黃高寶等[26]研究結(jié)果相一致。此外豐水年型各耕作處理灌漿期土壤貯水量差異不顯著，而欠水年型NT處理顯著提高冬小麥灌漿期土壤貯水量，其原因是豐水年型底墑充足，各處理差異不大。在冬小麥?zhǔn)斋@期，NT和ST處理較CT處理均顯著提高土壤貯水量，這與免耕、深松等保護(hù)性耕作措施能夠有效蓄存冬小麥生長期降水，提高土壤表層含水率從而達(dá)到蓄水保墑效果有關(guān)[27-28]。本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)無論何種降水年型，均以NT處理春玉米蓄水保墑效果較好。這是因?yàn)槊飧麥p少擾動，抑制農(nóng)田土壤水分蒸發(fā)。春玉米生長季恰逢夏季，田間土壤水分蒸發(fā)量大，而深松強(qiáng)烈改變土壤結(jié)構(gòu)，增大土壤孔隙，造成土壤持水能力下降，不利于春玉米田蓄水保墑[29]。這與謝軍紅等[30]研究結(jié)果不一致，可能是試驗(yàn)?zāi)晗薏煌斐傻摹?/p>

第二，采用科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，提高識字學(xué)習(xí)的能力。識字教學(xué)十分枯燥還很抽象。在課堂學(xué)習(xí)的時候，我們老師應(yīng)該開動自己的腦筋，運(yùn)用所學(xué)開發(fā)一些新的科學(xué)的教學(xué)方式，讓學(xué)生感興趣并且能夠主動積極地參與到學(xué)習(xí)中來，充分發(fā)揮主觀能動性。所以在我們課堂教學(xué)的時候，可以根據(jù)小學(xué)生活潑好動的特點(diǎn)，創(chuàng)設(shè)一些有趣的課堂小游戲，既可以幫助學(xué)生深刻記憶所學(xué)知識，又可以活躍課堂氣氛，還可以拉近師生距離，更能提高學(xué)生課堂參與度，學(xué)生喜歡學(xué)習(xí)，課堂效果肯定就提高了。例如，采用“蘿卜蹲”游戲，把生字學(xué)習(xí)與記憶以比賽的形式進(jìn)行，課堂效率就會大大提高。

3.3 保護(hù)性耕作對作物耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率的影響

本研究對冬小麥耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率分析表明，耕作方式對冬小麥ET、產(chǎn)量和WUE影響最為顯著，其次為降水年型，最后為降水年型與耕作方式互作。這表明旱作農(nóng)田實(shí)行保護(hù)性耕作能夠使作物充分利用有限的降水資源，進(jìn)而促進(jìn)產(chǎn)量提高和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[7]。在本研究中降水年型對冬小麥ET、產(chǎn)量和WUE也產(chǎn)生顯著影響，但該影響低于耕作方式。這是因?yàn)樵囼?yàn)地區(qū)降雨季節(jié)分布不均勻，雨季與冬小麥生長期錯位，因此降雨效應(yīng)減弱。此外降水年型與耕作方式互作也顯著影響冬小麥ET、產(chǎn)量和WUE。在豐水和欠水年型均以NT處理ET最低，冬小麥產(chǎn)量和WUE最高。這是因?yàn)樵谧魑锷L季實(shí)行免耕秸稈覆蓋能增加土壤入滲率，減少地表徑流，抑制農(nóng)田土壤水分無效蒸發(fā)，進(jìn)而增加土壤表層和深層的含水量，提高水分利用效率，這與秦紅靈等[31]研究結(jié)果相一致。

本研究對春玉米ET、產(chǎn)量和WUE分析表明，降水年型對春玉米ET、產(chǎn)量和WUE影響最為顯著，其次為耕作方式，最后為降水年型與耕作方式互作。由于土壤水分是制約該地區(qū)作物產(chǎn)量高低的主要因素，因此降水年型是決定春玉米ET、產(chǎn)量和WUE的關(guān)鍵。在本研究中，耕作方式對春玉米ET、產(chǎn)量和WUE也產(chǎn)生顯著影響，這種影響主要是由于耕作措施改變土壤物理性質(zhì)和耕層結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對作物生長產(chǎn)生影響。此外降水年型與耕作方式互作也顯著影響春玉米ET、產(chǎn)量和WUE。豐水年型ST較CT處理顯著降低ET，提高春玉米產(chǎn)量和WUE；平水和欠水年型，NT較CT處理顯著降低ET，提高春玉米產(chǎn)量和WUE。其原因是豐水型實(shí)行深松有利于打破犁底層，提高土壤通透性，促進(jìn)雨水入滲從而提高作物水分利用效率，促進(jìn)作物增產(chǎn)。在平水和欠水型下，深松耕疏松深層土壤可能會降低土壤的蓄水保墑能力[32]。這與孫敏等[33]研究結(jié)果不一致，可能與深松耕作累積效應(yīng)有關(guān)。

3.4 保護(hù)性耕作對冬小麥-休閑-春玉米輪作周期的影響

在冬小麥-休閑-春玉米輪作田中，冬小麥?zhǔn)斋@后至春玉米播種前有長達(dá)10個月的休閑期，采用傳統(tǒng)翻耕無法有效蓄存休閑期降水資源，土壤蓄水保墑能力較差。旱作農(nóng)田休閑期進(jìn)行免耕秸稈覆蓋，能抑制土壤水分蒸發(fā)，增加耕作層貯水量，為春玉米播種提供良好的土壤水分條件。同時由于黃土高原半干旱地區(qū)年降水分布不均，年降水量多集中分布在夏季，正好相悖于冬小麥需水期，加之前季春玉米對水分大量消耗，很大程度上會造成冬小麥生長季干旱缺水，最終造成減產(chǎn)。春玉米生長季應(yīng)用免耕秸稈覆蓋能夠減少地表徑流，增加土壤水分存儲，補(bǔ)充后季冬小麥生長發(fā)育所需用水。而深松僅在豐水年型，增加土壤水分存儲促進(jìn)作物產(chǎn)量提高。多年試驗(yàn)結(jié)果表明，免耕可以相對高效地實(shí)現(xiàn)節(jié)水增產(chǎn)目的，同時在干旱年份增產(chǎn)效果顯著，是更加適宜雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)可持續(xù)發(fā)展的耕作模式。

3.5 研究的局限性與意義

由于渭北旱塬冬小麥-春玉米輪作田土壤水分存儲和產(chǎn)量形成，不僅與研究區(qū)域氣候環(huán)境、作物品種、土壤肥力因素有關(guān)，還與降水年型、耕作方式等因素密切相關(guān)，而本研究中按休閑期和春玉米生長期降雨量劃分平水年型僅出現(xiàn)1次，因此平水年型農(nóng)田土壤水分和產(chǎn)量變化，有待于后期進(jìn)一步研究。盡管如此，本研究所得結(jié)論對旱區(qū)糧田降雨高效利用與耕作制度創(chuàng)新具有一定的參考價值。

4 結(jié)論

在豐水年型，NT和ST處理較CT處理提高休閑末期土壤貯水量（16.8 mm和9.7 mm）和休閑期土壤蓄墑率（2.7%和2.5%），且冬小麥產(chǎn)量和WUE分別提高1.8%、0.7%和17.0%、10.6%；在平水和欠水年型，NT較CT處理提高休閑末期土壤貯水量（10.1 mm和30.7 mm）和休閑期土壤蓄墑率（0.2%和2.6%），且春玉米產(chǎn)量和WUE分別提高1.9%、4.7%和11.5%、10.0%。多年試驗(yàn)結(jié)果表明，免耕有利于旱作農(nóng)田產(chǎn)量和水分利用效率持續(xù)提高，同時在干旱年份能顯著提高作物產(chǎn)量，是更加適合渭北旱塬冬小麥-休閑-春玉米輪作田長期可持續(xù)發(fā)展的耕作模式。

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Effects of Tillage on Soil Moisture and Yield of Wheat-Maize Rotation Field in Weibei Upland Plateau

GUO XingYu, WANG Hao, YU Qi, WANG Rui, WANG XiaoLi, LI Jun

College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi

【】 In this paper, the effects of tillage practices on soil moisture and crop yield in winter wheat-fallow-spring maize rotation fields under different rainfall patterns were studied, so as to provide the theoretical support for the efficient use of rainfall and innovation of tillage systems in dryland region.【】In 2007-2019, a long-term consecutive in-situ conservation tillage experiment was conducted in the Weibei Upland Plateau. Two conservation tillage practices were set, including no-tillage (NT) and subsoiling (ST), using conventional tillage (CT) as a control. Then, the effects of different tillage methods on soil moisture storage, yield and water use efficiency during the fallow and growth periods under different rainfall patterns were analyzed. 【】(1) The rainfall pattern and tillage practice as well as their interactions all significantly affected the soil water storage at the end of the fallow period and moisture storage rate, with rainfall pattern as the dominant factor. The soil water storage (mm) in the 0-200 cm soil layer at the end of fallow period values decreased in the following order: humid year (430.6) > dry year (405.9) > normal year (381.5); NT (417.4) > ST (402.3) > CT (398.2); The soil water storage in the 0-200 cm soil layer at the end of fallow period was the highest in the humid year under NT treatment (438.5) and the lowest in the normal year under ST treatment (370.2). The moisture storage rate (%) during the fallow period values decreased in the following order: humid year (27.1) > dry year (26.6) > normal year (25.1); NT (27.6) > ST (26.4) > CT (25.8); NT in the dry year had the highest moisture storage rate (29.1) and CT in the normal year had the lowest moisture storage rate (25.0). (2) The rainfall pattern and tillage practice as well as their interactions all significantly affected yield and water use efficiency (WUE) in winter wheat, of which the influence of tillage practice was the most significant factor of winter wheat yield (kg?hm-2) and WUE (kg?hm-2?mm-1). The winter wheat yield values decreased in the following order: humid year (4985) > dry year (3984); NT (4522) > ST (4468) > CT (4465); The winter wheat yield was the highest in the humid year under NT treatment (5033) and the lowest in the dry year under ST treatment (3957). The winter wheat WUE values decreased in the following order: humid year (15.4) > dry year (14.9); NT (16.2) > ST (15.4) > CT (14.0); The winter wheat WUE was the highest in the humid year under NT treatment (16.5) and the lowest in the dry year under CT treatment (13.9). (3) The rainfall pattern and tillage practice as well as their interactions all significantly affected yield and WUE in spring maize, of which the influence of rainfall pattern was the most significant factor of spring maize yield and WUE. The spring maize yield values (kg?hm-2) decreased in the following order: humid year (7677) > dry year (6999) > normal year (5887); NT (6900) > ST (6879) > CT (6785); the spring maize yield was the highest in the humid year under ST treatment (8003) and the lowest in the normal year under ST treatment (5723). The spring maize WUE values (kg?hm-2?mm-1) decreased in the following order: humid year (18.7) > dry year (17.5) > normal year (14.8); NT (17.8) > ST (17.0) > CT (16.2); the spring maize WUE was the highest in the humid year under NT treatment (19.3) and the lowest in the normal year under CT treatment (13.9). (4) In the winter wheat-fallow-spring maize rotation cycle, the tillage practice significantly affected the crop yield and WUE. The mean yield and WUE under NT and ST were 1.6%, 1.2% and 9.5%, 3.9% higher than that under CT treatment, respectively. 【】Integrating soil moisture and crop yield under each rainfall pattern, conservation tillage could achieve water conservation and yield increase relatively efficiently, among which the effects of water storage and yield of no-tillage were better. Based on the high yield, high efficiency and long-term sustainable development of upland plateau, no-tillage was recommended to realize the aim of water storage, soil water conservation, yield and income increased in Loess Plateau region.

Weibei Upland Plateau; rainfall pattern; conservation tillage; moisture; yield

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.14.005

2020-10-07；

2020-11-25

國家自然科學(xué)基金（31671641，31571620）、國家科技支撐計(jì)劃（2015BAD22B02）

郭星宇，E-mail：1140652623@qq.com。通信作者李軍，E-mail：junli@nwsuaf.edu.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）