免耕對冬小麥-夏玉米周年產量及水分利用的影響

丁晉利，何先進，高 榮

(1.鄭州師范學院地理與旅游學院，中國 鄭州 450044;2.邯鄲市水利水電勘測設計研究院，中國 邯鄲 056000;3.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，中國 杭州 311122)

冬小麥和夏玉米是我國北方主要的糧食作物，其種植面積在2016年分別達到了2 419.1和3 540.0萬公頃[1]。河南省作為我國糧食主產區，冬小麥-夏玉米輪作模式為我國糧食安全提供了重要保障，但近年來由于水資源短缺及季節性干旱嚴重影響了冬小麥和夏玉米的產量[2-4]。同時，長期傳統耕作方式的土壤蓄水保墑能力較弱，土壤水分散失嚴重[5]。因此，采用有效的農藝節水措施，提高水分利用效率是冬小麥和夏玉米節水栽培的重要途徑[6,7]。

以免耕為核心的保護性耕作，能夠改善土壤結構，保持土壤水分，提高作物產量[8-10]。但也有研究表明，長期免耕可以導致土壤容重增大，耕層變淺，作物產量降低[11]。秸稈覆蓋也能夠提高土壤水分含量[12]，增加作物產量和水分利用效率[13,14]。前人關于耕作研究多集中于免耕或秸稈還田對單一作物生長周期土壤水分及產量的影響，較少研究周年產量及周年水分生產力的變化特征。本研究通過3年耕作試驗，研究免耕+秸稈覆蓋和免耕措施對冬小麥-夏玉米輪作模式土壤貯水量、作物耗水特性、周年產量及水分利用效率影響，以期為河南省推廣保護性耕作提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

定位試驗于2014—2017年在河南省中部禹州農業試驗基地(34.16°N，113.15°E，海拔100 m)進行。該地區位于河南省中部，屬溫帶大陸性季風氣候，多年平均降水量為674.9 mm，其中60%以上的降水量集中在7～9月份，存在較嚴重的季節性干旱。該地區的土壤為褐土，黃土性母質，土層深厚，質地疏松，肥力均勻，土壤的理化性質如表1所示。

表1 試驗前土壤的理化性質Table 1 Soil physical and chemical properties before the experiment

試驗采用隨機區組設計，試驗共3個處理，分別為傳統耕作(CT)、免耕(NT)和免耕+秸稈覆蓋(NTS)。土壤耕作在冬小麥播種前實施，傳統耕作采用鏵式犁翻耕1遍，耕作深度15 cm，隨后耙地1遍，以便于播種小麥。免耕是在前茬玉米收獲后，玉米殘茬粉碎還田，冬小麥播種前耙地2遍，無其他措施；免耕秸稈覆蓋措施是玉米收獲后，玉米殘茬粉碎還田，當小麥播種出苗后，將夏玉米秸稈粉碎至5 cm左右小段，按4 500 kg·hm-2覆蓋地表。同樣，在玉米苗期，將小麥秸稈粉碎(4 500 kg·hm-2)覆蓋地表。

種植的冬小麥和玉米品種分別為“矮抗58”和“鄭丹958”，播種量分別為150 kg·hm-2和75 000株·hm-2，冬小麥播種時間為10月中上旬，收獲時間為次年5月下旬。夏玉米為6月初播種，9月底收獲。冬小麥播種前施用氮肥(純氮225 kg·hm-2)、過磷酸鈣(P2O5105 kg·hm-2)和鉀肥(KCl 75 kg·hm-2)，一次性底施；玉米播種前使用氮肥和磷肥(純氮120 kg·hm-2和P2O5100 kg·hm-2)。為了保證小麥正常出苗，播前進行灌溉，灌溉量為60 mm，小區面積6 m×6 m=36 m2。2014—2017年逐日降水量如圖1所示。

圖1 禹州試驗站2014—2017年逐日降水量Fig. 1 Daily rainfall in 2014—2017 of Yuzhou experiment station

1.2 測量指標

1.2.1 冬小麥夏玉米產量測定 小麥收獲時，每小區沿對角線選取長勢均勻的3點，每點取4 m2植株樣，脫粒，風干，計算產量。夏玉米成熟后，每小區收獲2行果穗，3次重復，脫粒，風干，稱取質量，計算產量。

1.2.2 土壤水分測定 分別在冬小麥苗期、拔節期、揚花期、灌漿期和成熟期及夏玉米拔節期、揚花期和成熟期鉆取0～100 cm土層土樣，每20 cm一層，裝入鋁盒中稱鮮土質量，然后，放入烘箱(105 ℃)烘干至質量恒定后稱量，計算土壤含水率。

(1)

式中，ω為土壤含水率，%；M1為原土質量，g；M2為烘干土壤質量，g。

1.3 數據處理與統計分析

1.3.1 土壤貯水量及水分利用效率計算 土壤貯水量可以反映土壤水分的真實值。1 m深土層貯水量計算方法[15]：

(2)

式中，W為土壤貯水量，mm；wi為第i層土壤質量含水率，%；Di為第i層土壤容重，g·cm-3；Hi為第i層土層厚度，cm。

本研究中水分利用效率[16](WUE)指蒸散的每單位(mm)水分在單位面積上所生產的經濟產量。

WUE=Y/ET，

(3)

ET=I+P+U-R-F±ΔS。

(4)

式中，Y為經濟產量，kg·hm-2；ET為作物生長期間的蒸散量，mm；I為時段內灌水量，mm；P為時段內有效降水量，mm；U為地下水通過毛管作用上移補給作物水量，mm；R為地表徑流量，mm；F為深層滲漏量，mm；ΔS為收獲期與播種期0～100 cm 土壤貯水量之差，mm。該試驗區地下水埋深4 m以下，可視為地下水補給量為零，U值可忽略不計。同時，當計算大田試驗水分利用效率時深層滲漏量(F)和地表徑流量(R)忽略不計。

1.3.2 統計分析 采用Microsoft Excel 2007計算數據；采用SPSS軟件進行差異顯著性檢驗(LSD 法)；采用SigmaPlot 10.0作圖。

2 結果分析

2.1 冬小麥夏玉米不同生育期土壤貯水量變化特征

與傳統耕作相比(CT)，免耕+秸稈覆蓋(NTS)處理在冬小麥不同生育期均不同程度地提高0～100 cm土壤貯水量(圖2)。2014—2015年，NTS處理較CT處理在冬小麥苗期、拔節期和成熟期分別提高0～100 cm土壤貯水量12.5%，10.1%和4.4%，NTS處理在2015—2016和2016—2017年苗期和揚花期均顯著提高了0～100 cm土壤貯水量，這說明NTS處理較CT耕作蓄水保墑能力強。與CT耕作相比，免耕(NT)處理在不同年份不同生育期表現不同。2014—2015年，NT處理顯著提高冬小麥苗期和成熟期0～100 cm土壤貯水量(P<0.05)；2015—2016年，NT較CT處理分別提高冬小麥苗期、揚花期和成熟期0～100 cm土壤貯水量10%，18.1%和8.6%；在2016—2017年冬小麥苗期和成熟期，NT處理0～100 cm貯水量顯著低于傳統耕作(P<0.05)。在玉米生長期內，NTS處理較CT處理相比提高了拔節期0～100 cm貯水量而降低了成熟期0～100 cm貯水量。與CT相比，NTS分別提高了2015，2016和2017年玉米拔節期0～100 cm貯水量10.3%，11.1%和4.6%，而NT處理僅在2015年玉米拔節期顯著增加了0～100 cm貯水量。在2015和2016年玉米成熟期，NTS和NT處理較CT處理顯著降低了0～100 cm貯水量。

注：a,b,c等不同小寫字母表示差異差著(P<0.05)，下同。圖2 2014—2017年冬小麥夏玉米不同生育期0～100 cm土壤貯水量Fig. 2 Soil water storage of 0～100 cm during different growingstages of winter wheat and summer maize in 2014—2017

2.2 不同處理對冬小麥-夏玉米生育期耗水特性的影響

冬小麥整個生育期，各耕作處理間農田耗水量無顯著差異(P>0.05，表2)。與CT處理相比，NTS和NT處理下冬小麥整個生育期農田耗水量略有減少。不同生育期冬小麥農田耗水量受耕作方式、生育期降水量及作物耗水量影響。在2014—2015和2015—2016年，冬小麥苗期-拔節期和拔節期-揚花期不同耕作方式農田耗水量無顯著差異，但2016—2017年，與CT處理相比，NTS處理下冬小麥苗期-拔節期和拔節期-揚花期農田耗水量分別降低14.7%和12.7%。

不同年份各生育期冬小麥耗水量差異較大。2015—2016年冬小麥生長期農田耗水量較2014—2015和2016—2017年降低，這是由于該年度降水量較少所致。

在2016年，NTS較CT處理夏玉米季農田耗水量提高了6.0%(P<0.05，表2)。NT與CT處理無顯著差異，但NT處理下夏玉米季農田耗水量較CT處理提高3.8%。夏玉米不同生育期農田耗水量在不同年份不同耕作方式下表現也不相同。在2017年夏玉米拔節期-揚花期，NT處理農田耗水量較CT處理降低42.5%(P<0.05)。此外，在2014—2017年不同耕作措施處理下的周年農田耗水量無顯著差異。

表2 2014—2017年冬小麥夏玉米不同生育期農田耗水量及周年耗水量 單位：mmTable 2 Soil water consumption during different growing stages of winter wheat and summer maize and annual water consumption in 2014—2017 Unit：mm

2.3 冬小麥-夏玉米產量及周年產量變化特征

與CT相比，NT處理在2014—2015年分別提高了冬小麥產量和地上部生物量10.4%和11.1%(P<0.05，表3)。NT處理較CT分別提高2015和2017年夏玉米產量15.6%和17.9%，提高地上部生物量5.6%和28.8%(P<0.05)。而NTS處理并未顯著提高冬小麥產量和玉米產量(P>0.05)。與CT處理相比，NTS和NT處理分別提高平均周年產量2.2%和9.2%，周年平均地上部生物量分別提高了5.0%和9.6%，這說明免耕更有利于提高周年產量。

表3 不同耕作處理對冬小麥夏玉米地上部生物量和產量的影響Table 3 Effects of different tillage on above ground biomass and yield of winter wheat and summer maize

2.4 不同處理對冬小麥-夏玉米水分利用效率的影響

與CT相比，NT處理顯著提高了2014—2015和2015—2016年冬小麥及2015和2017年夏玉米的水分利用效率(WUE值)(表4)。在2015—2016年，NTS和NT處理顯著提高了冬小麥產量水分利用效率，分別提高了1.0和1.9 kg·hm-2·mm-1。與CT相比，NT處理在2017年提高夏玉米的水分利用效率19.4%。在2014—2015和2016—2017年，NT處理周年水分利用效率顯著高于傳統耕作(P<0.05)。

表4 2014—2017不同耕作處理對水分利用效率的影響Table 4 Effects of different tillage on water use efficiency in 2014—2017

3 討論

由于免耕能減少對土壤的擾動，降低土壤水分蒸發，從而具有良好的蓄水保墑作用[17]。秸稈覆蓋措施能有效地降低土壤容重，提高土壤總孔隙度，增加土壤通透性[18]，提高土壤水分入滲[19,20]，減少土壤水分蒸發[21]，提高土壤平均含水量[22,23]及土壤貯水量[15]。本研究表明，免耕+秸稈覆蓋處理較傳統耕作不但提高了冬小麥關鍵生育期0～100 cm土壤貯水量，而且提高了夏玉米拔節期和揚花期0～100 cm土壤貯水量，這與前人研究結果一致[24]。對于作物耗水特征，秸稈覆蓋措施能夠提高冬小麥整個生育期農田總耗水量[25]，但也有研究結果表明免耕秸稈覆蓋措施在冬小麥季耗水量最少，且周年耗水量也最少[26]。本研究結果表明，在冬小麥-夏玉米的輪作體系中，免耕+秸稈覆蓋處理并未顯著提高冬小麥整個生長期耗水量和周年耗水量(P>0.05)，其中免耕+秸稈覆蓋較傳統耕作分別降低了2016—2017年冬小麥苗期-拔節期和拔節期-揚花期農田耗水量14.7%和12.7%。

與傳統耕作相比，免耕覆蓋措施對作物產量的影響由于區域和降水量不同，研究結果有所差異。有研究結果表明，免耕秸稈覆蓋措施能夠提高小麥、玉米產量和周年產量[25]，但也有結果表明，免耕覆蓋措施有減產效應[27]。本研究結果表明，在冬小麥-夏玉米的輪作體系中，免耕+秸稈覆蓋處理雖未顯著提高冬小麥和夏玉米的產量，但其平均周年產量較傳統耕作提高2.2%。與傳統耕作相比，免耕則顯著提高了2014—2015年冬小麥產量、2015和2017年夏玉米產量及平均周年產量，這說明免耕處理更有利于增產。

水分利用效率是衡量耕作方式節水保墑的重要指標，由產量和作物耗水量的比值決定。有研究表明，秸稈覆蓋較傳統耕作能夠顯著提高水分利用效率[25-27]。本研究結果則表明，在冬小麥-夏玉米輪作系統中，免耕+秸稈覆蓋處理較傳統耕作并未顯著提高周年水分利用效率，這是由于免耕+秸稈覆蓋措施增加了周年耗水量的原因，而免耕由于降低土壤擾動，減少了水分蒸發，進而提高了水分利用效率。

4 結論

(1)與傳統耕作相比，免耕+秸稈覆蓋處理均不同程度地提高了冬小麥關鍵生育期0～100 cm土壤貯水量，且連續3年提高了夏玉米拔節期0～100 cm土壤貯水量。免耕較傳統耕作提高了2014—2015年冬小麥生長期0～100 cm土壤貯水量。在冬小麥-夏玉米的輪作體系中，免耕+秸稈覆蓋和免耕處理并未顯著提高冬小麥整個生長期耗水量和周年耗水量(P>0.05)，但免耕+秸稈覆蓋處理顯著提高了2016年玉米生長期農田耗水量(P<0.05)。

(2)與傳統耕作相比，免耕處理顯著提高了2014—2015和2016—2017年冬小麥產量、夏玉米產量和周年產量。免耕+秸稈覆蓋和免耕處理較傳統耕作提高了平均周年產量2.2%和9.2%。此外，免耕較傳統耕作有效提高了周年WUE，從冬小麥-夏玉米輪作系統來看，免耕更有利于周年產量提高及水分有效利用。