不同保墒耕作措施对小麦、玉米耗水特征及周年水分利用的影响

杨永辉，武继承，张洁梅，潘晓莹，王 越，何 方，韩伟锋

(1.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002；2.农业部作物高效用水原阳科学观测实验站，河南 原阳 453514)

不同保墒耕作措施对小麦、玉米耗水特征及周年水分利用的影响

杨永辉1，2，武继承1，2，张洁梅1，2，潘晓莹1，2，王 越1，2，何 方1，2，韩伟锋1，2

(1.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002；2.农业部作物高效用水原阳科学观测实验站，河南 原阳 453514)

为探明土壤结构改良与保墒耕作措施对小麦、玉米周年水分利用的作用机制。采用田间试验，研究了常规耕作、秸秆还田、保水剂、有机肥、免耕、深松、深松+秸秆覆盖等措施对小麦、玉米生长过程中的耗水特征、光合特征及周年水分利用的影响。结果表明：深松+秸秆覆盖在小麦生育期内储水量较高。从小麦播种-返青期，深松+秸秆覆盖处理的耗水量最低。而在返青-拔节期，该处理最大，而其在孕穗-抽穗期的耗水量却最低。在拔节-孕穗期，保水剂处理的耗水量最大，而在抽穗-灌浆期，其耗水量最小。在灌浆-收获期，秸秆还田和保水剂处理的耗水量较其他处理低。在玉米整个生育期内，保水剂和免耕处理的耗水量较其他处理低。不同措施改善了小麦和玉米的光合生理特征，促进了小麦、玉米产量和水分利用率的提高。各处理中，以免耕处理的小麦产量和水分生产效率最高，分布较常规耕作提高了18.3%和20.0%。以秸秆还田处理的玉米产量和水分生产效率最高，分别较常规耕作提高了21.6%和23.8%。而深松处理的小麦-玉米复合产量最高，其次为免耕处理，其分别较常规耕作处理增产14.9%和14.3%。而深松+秸秆覆盖处理和免耕处理的总水分生产效率较其他处理高，分别较常规耕作处理提高了18.5%和18.1%。说明深松和免耕处理更利于小麦、玉米周年节水增产。

土壤结构改良；保墒耕作；小麦；玉米；耗水特征；周年水分利用

水资源紧缺是限制农业生产的主要因素之一，采用合理的耕作或保墒措施，可改善土壤水分环境，缓解因水分不足对作物造成的伤害。如秸秆覆盖可减少土面蒸发，增强土壤的蓄水保墒能力[1]。赵小蓉等[2]研究表明，秸秆覆盖后土壤含水率比不覆盖高17.7%～75.9%，小麦产量比不覆盖处理增产6.3%～19.5%，且比翻耕覆盖增产3.2%～8.0%。宋淑亚等[3]研究结果显示，旱作玉米农田使用地膜覆盖有较好的保墒增产效果。而免耕施肥播种、深松与表土作业等保护性耕作技术，可节水保墒、增加土壤有机质、改良土壤结构[4]，增强土壤微生物活性，降低干旱胁迫对作物的伤害[5]，且能够促进土壤肥力的提高[6]和改善土壤孔隙[7]，从而有利于作物正常生长[8]。刘定辉等[9]研究表明，秸秆还田与免耕结合可改善耕层土壤孔隙和土壤结构，有利于土壤持水能力和蓄水量的提高。有机肥能够增加土壤有机质含量，改善土壤结构，促进土壤蓄水保墒，提高作物产量和水分利用率[10]。同时，有机肥与有机无机肥结合施用，可改善土壤团粒结构及其稳定性[11]，从而有利于水分在土壤中的保持，改善土壤水分环境。同时，有机粪肥可提高土壤有机质含量[12]，改善土壤结构，促进土壤蓄水保墒。而施用适量的保水剂，能够改善土壤结构与孔隙状况[13]，且具有保水保肥，减少土壤蒸发，提高作物抗旱能力等作用[14-15]。在砂质潮土区，杨永辉等[16]在潮土区采用不同耕作与保墒措施，初步研究了小麦、玉米周年水分利用特征，且发现深松增产节水效果最佳。但在褐土旱作区，小麦-玉米轮作生长过程中不同耕作与保墒措施对小麦、玉米光合生理特征、周年水分利用特征以及不同措施的叠加效应如何，需要深入研究。因此，为揭示褐土旱作区土壤结构改良与保墒耕作措施下小麦、玉米周年水分利用特征，探讨不同措施对小麦、玉米生长、产量及水分利用的影响，筛选提高作物水分高效利用的技术与模式，实现节水、增产及土壤环境的协调发展，开展此项研究，旨在为褐土旱作区的水资源高效利用和可持续发展提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验设置在河南省禹州试验基地(113°03′～113°39′E，33°59′～34°24′N)进行，海拔高度116.1 m，多年平均降水量674.9 mm，其中60%以上的降雨量集中在夏季，存在较严重的春旱、伏旱和秋旱；土壤为褐土，土壤母质为黄土性物质，该地区地势平坦，肥力均匀，耕层有机质含量12.3 g/kg，全氮含量0.80 g/kg，水解氮含量47.82 mg/kg，速效磷含量6.66 mg/kg，速效钾含量114.8 mg/kg。为小麦-玉米轮作区。小麦品种为周麦22，玉米品种为郑单958。

1.2 试验设计

试验共设置7个处理：常规耕作(CK)；秸秆还田(小麦单季秸秆直接全部还田旋耕，JG)；保水剂(聚丙烯酰胺类，施用量为60 kg/hm2，SAP)；有机肥(鸡粪，750 kg/hm2，YJF)；免耕(小麦、玉米播种时均免耕，MG)；深松(深度30 cm，SF)；深松(深度30 cm)+秸秆覆盖(4 500 kg/hm2，S+J)。肥料采用N25P15K15复合型肥料，在小麦播种时一次性底施。除深松处理外，其他处理耕作深度为15 cm。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 光合参数测定 光合参数采用美国Li-Cor公司生产的Li-6400光合仪进行测定。于小麦拔节期、抽穗期、灌浆期和玉米小喇叭口期、抽雄期、灌浆期选择晴朗无风的天气于9：30-11：00进行光合参数的测定。

测定叶片部位： 小麦在拔节期为最新全展叶，抽穗期和灌浆期为旗叶，玉米在小喇叭口期为最新全展叶，抽穗期和灌浆期为穗位叶。

测定参数：净光合速率(Pn，μmol/(m2·s))、蒸腾速率(Tr，mmol (m2·s))。

叶片水分利用效率WUE (μmol/mmol)计算公式[17-18]：

WUE = Pn/Tr

①

1.3.2 产量计算小麦收获时以每小区收获4 m2记产，玉米收获时以每小区3行玉米记产，将其产量折合成每公顷产量。

1.3.3 水分生产效率计算 水分生产效率(kg/(mm·hm2))=籽粒产量(kg/hm2)/生育期耗水量(mm)

②

生育期耗水量(mm)=播种前(某生育期)0～100 cm土层土壤储水量(mm)+生育期内降雨(mm)-(某生育时期)收获时0～100 cm土层土壤储水量(mm)

③

1.4 数据处理

试验光合各参数值均为9次重复(每处理3个重复内分别测定3个样品)的算术平均值，其他结果为3次重复的算术平均值，且所得的数据应用统计学及相关的数理统计软件(SPSS)进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同措施下小麦不同生育时期储水特征

从图1可以看出，随小麦生育期的推进，土壤的储水量表现为先增再降的趋势。除小麦孕穗期、抽穗期SAP处理和拔节期SF处理以及灌浆期JG处理的储水量低于CK处理外，不同措施均提高了土壤的储水量。在返青期，S+J处理的土壤储水量最高，其次为JG处理、SAP处理和YJF处理，CK处理最低。在拔节期，以JG处理最高，其次为S+J处理，SF处理最低。在孕穗期以后到灌浆期，S+J处理的土壤储水量最高，其次为YJF处理和MG处理。到小麦收获时，仍以S+J处理最高，其次为YJF处理和JG处理，CK处理最低。说明，深松+秸秆覆盖(S+J)更有效地保存了小麦生育过程中的水分，有利于作物的生长。

图中不同字母表示LSD检验差异显著(P<0.05)。图2，5-6同。

2.2 不同措施下小麦不同生育阶段耗水特征

从图2可以看出，播种-返青期的耗水量最大，其次为抽穗期-灌浆期，灌浆期-收获期，孕穗期-抽穗期，返青期-拔节期，拔节期-孕穗期耗水量最低。在播种-返青期，CK处理耗水量明显高于其他处理，其次为SF处理和MG处理，S+J处理最低。说明，在小麦播种-返青期，田间土壤水分损失主要以棵间蒸发为主，而深松结合秸秆覆盖处理更利于水分的保持。在返青期-拔节期，S+J处理的小麦耗水量显著大于其他处理，CK处理的小麦耗水量最低。在拔节期-孕穗期，SAP处理的耗水量显著高于其他处理，其次为JG处理，其他处理的耗水量均明显低于CK处理。在孕穗期-抽穗期，S+J处理的耗水量最低，其次为YJF处理，SAP和SF处理的小麦耗水量均高于CK处理。在抽穗期-灌浆期，SAP处理的小麦耗水量最小，其次为SF处理和S+J处理，JG处理的耗水量最大。在灌浆期-收获期，除JG处理和SAP处理外，其他处理的小麦耗水量均高于CK处理。在小麦全生育期，不同措施的耗水量均低于CK处理，而全生育期的降雨量不能满足小麦对水分的需求，必须利用土壤中储存的水分才能维持小麦正常生长。

图2 不同措施对小麦不同生育阶段耗水特征的影响

2.3 不同措施下小麦不同生育时期光合生理特征

不同措施对小麦的光合生理特征产生重要影响。从图3可以看出，抽穗期的净光合速率和蒸腾速率均最大，其次为灌浆期，拔节期最低。CK处理的净光合速率和蒸腾速率均低于其他处理。在拔节期和抽穗期，JG处理和SAP处理的净光合速率和蒸腾速率均较其他处理高，而JG处理在灌浆期的净光合速率也仍较高，但其蒸腾速率明显低于其他处理(CK处理除外)。YJF处理的光合速率随生育期的推进而增大，且YJF处理在灌浆期的净光合速率均高于其他处理，但在该时期，其蒸腾速率居中。SF处理的净光合速率和蒸腾速率居中，而S+J处理较低。

图3 不同措施对小麦不同生育时期光合速率和蒸腾速率的影响

从图4可以看出，随小麦生育期的推进，其叶片水分利用效率均降低。在拔节期，以S+J处理的叶片水分利用效率高于其他处理，其次为JG处理和MG处理，SF处理最低。到抽穗期和灌浆期，JG处理和S+J处理的叶片水分利用效率较高，而以MG处理最低。说明，深松+秸秆覆盖(S+J)和秸秆还田(JG)更利于提高叶片水分利用效率。

2.4 不同措施下小麦成产要素、产量及水分利用特征

从表1可以看出，不同措施均提高了小麦的穗长、小穗数、穗粒数、千粒质量。S+J处理促进了小麦小穗数的显著提高；而YJF更利于提高小麦的穗长和穗粒数；SAP处理对于小麦千粒质量的提高更为有效。最终小麦产量以MG处理最高，其较CK增产18.3%，其次为SF和YJF处理，其他处理居中。水分生产效率仍以MG处理最高，较CK提高了20.0%，其次为S+J处理、YJF处理、SF处理、JG处理和SAP处理，CK处理水分利用效率最低。

图4 不同措施对小麦不同生育时期叶片水分利用效率的影响

处理Treatment穗长/cmPaniclelength小穗数/穗Numberofpanicle穗粒数/粒Grainsnumberperpanicle不孕穗/个Sterileear千粒质量/g1000-grainquality产量/(kg/hm2)Yield水分生产效率/(kg/(mm·hm2))WaterproductionefficiencyCK8.5b20.1d41.0f3.1c41.6e7592.6f17.5cJG9.7a21.8ab43.6d2.8c48.5a8027.8e19.2bSAP9.7a21.8ab44.7cd3.3c49.1a8101.9d18.8bYJF9.9a20.5cd45.5bc3.2c48.5a8388.9c20.8aMG8.9b21.2bc48.4a4.3b46.5b8981.5a21.0aSF9.2ab22.0a44.1d3.0c45.5c8703.7b20.4aS+J8.8b22.2a42.0e6.6a42.5d8166.7d20.9a

注：同一列不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。表2-3同。

Note：Different small letters in the same column mean significant difference among treatments at 0.05 level (LSD test).The same as Tab.2-3.

2.5 不同措施下玉米不同生育时期储水特征

从图5可以看出，随玉米生育期的推进，其土壤储水量降低。在小喇叭口期，以S+J处理的土壤储水量最高，其他处理间差异较小，但均显著高于CK处理。在抽雄期，以MG处理的土壤储水量最高，其次为S+J处理、JG处理和SF处理，其他处理居中，CK处理最小。在灌浆期，SF处理、S+J处理及MG处理的土壤储水量显著高于其他处理，JG处理最小。在收获期，以MG处理的土壤储水量最高，其次为S+J处理、JG处理和SAP处理。全生育期，深松+秸秆覆盖和免耕处理更能有效提高土壤的储水量。

图5 不同措施对玉米不同生育时期储水量的影响

2.6 不同措施下玉米不同生育阶段期耗水特征

从图6可以看出，随玉米生育期的推进，其耗水量表现为先增加再降低的趋势。播种-小喇叭口期的玉米耗水量明显低于其他生育阶段，且该时期的降雨量远高于玉米的耗水量，以SAP处理耗水量最低。在小喇叭期-抽雄期，除YJF处理的耗水量最高外，其他处理均明显低于CK处理，尤其是MG处理。在抽穗期-灌浆期，不同措施的玉米耗水量均高于CK处理。到灌浆期-收获期，除SF处理外，其他处理的玉米耗水量均低于CK处理。在玉米全生育期，CK处理的耗水量最高，而SAP处理和MG处理的耗水量显著低于其他处理。说明，保水剂和免耕处理更为有效地减少了玉米全生育期的水分消耗。在玉米全生育期内的降雨量高于玉米的耗水量，多余的降水能储存于土壤中以供下茬小麦的生长。

图6 不同措施对玉米不同生育时期耗水特征的影响

2.7 不同措施下玉米不同生育期光合生理特征

从图7可以看出，随玉米生育期的推进，其净光合速率降低，蒸腾速率除JG处理和S处理在灌浆期提高外，其他处理均降低。在拔节期，S+J处理的玉米净光合速率和蒸腾速率均最高，其次为SF处理，MG处理和CK处理最低。在抽雄期和灌浆期，SAP处理和SF处理的净光合速率高于其他处理，S+J处理居中。而MG处理在抽雄期的蒸腾速率最高，其次为S+J处理，SAP处理和SF处理最低。但到灌浆期，SAP处理和SF处理提高。说明，SAP处理和SF处理能够提高玉米的净光合速率，且可减少其蒸腾速率，从而有利于水分利用潜力的提高。

从图8可以看出，随生育期的推进，玉米的叶片水分利用效率表现为先增加再降低的趋势。CK处理在玉米不同生育期均低于其他处理。在小剌叭口期，YJF处理的叶片水分利用效率最高，其次为JG处理、MG处理、SF处理、S+J处理及SAP处理。在抽雄期，SF处理最高，其次为JG处理、SAP处理、YJF处理、MG处理和S+J处理。到灌浆期，SAP处理的叶片水分利用效率最高，其次为YJF处理，其他处理居中。说明保水剂和有机肥更利于玉米后期碳水化合物的合成和干物质的积累。

2.8 不同措施下玉米成产要素、产量及水分利用特征

从表2可以看出，不同措施实施后，有效提高了玉米的行数、双行粒数、穗粗及百粒质量，最终提高了玉米的产量和水分生产效率。各处理中，以JG处理产量最高，较CK增产21.6%，其次为SAP处理、S+J处理、MG处理和SF处理，YJF处理较低，但仍高于CK处理。而水分生产效率仍以JG处理最高，较CK处理提高了23.8%，其次为SAP处理、S+J处理、MG处理和SF处理，YJF处理较低，且仍高于CK处理。

图8 不同措施对玉米不同生育期叶片水分利用效率的影响

处理Treat-ment行数/行Numberofrows双行粒数/粒Doublerowgrainnumber穗粗/cmSpikewidth有效穗长/cmEffectivepaniclelength茎粗/cmStemdiameter百粒质量/g100grainsquality产量/(kg/hm2)Yield水分生产效率/(kg/(mm·hm2))WaterproductionefficiencyCK14.8b72.4e15.6c16.6d2.6a25.0e6484.5d18.5dJG15.2a78.8b17.2a16.8d2.6a27.3c7882.1a22.9aSAP15.2a77.2b16.9ab17.6cd2.5a26.4d7509.1b22.7aYJF15.2a80.4a17.0ab19.0a2.5a30.0a6955.1c20.1cMG15.2a81.2a17.2a18.6ab2.6a29.5a7110.7c21.6bSF14.4b74.4cd17.3a18.0bc2.4a29.9a7466.2b21.5bS+J15.6a73.2de16.6b16.6d2.6a28.9b7533.7b21.7b

2.9 不同措施下小麦、玉米周年产量及水分利用特征

不同措施对小麦、玉米总产量及水分利用的影响见表3。SF处理的小麦-玉米复合产量高于其他处理，其次为MG处理，其分别较CK处理增产14.9%和14.3%。而总耗水量以S+J处理处理最低，其次为YJF处理和MG处理，CK处理耗水量最高。不同处理中，以S+J处理和MG处理的总水分生产效率较其他处理高，分别较CK处理提高了18.5%和18.1%。说明，采用深松和进行适当免耕有利于促进周年水分利用的提高。

表3 不同措施对小麦-玉米周年产量及水分利用的影响

3 结论与讨论

不同耕作与保墒措施主要是通过改善农田土壤的有机质、土壤孔隙[7，13]、土壤结构来调节水气在土壤界面的交换，从而影响农田中的土壤水分状况来调节作物地上和地下部分的生长，减缓外界不利条件对作物造成的伤害，促进作物稳产、增产[19]，提高水分利用率[20]。而不同措施对小麦、玉米周年水分调控及利用特征产生重要影响。

本研究发现，在小麦和玉米生长过程中，其储水量均表现为逐渐降低的趋势。在小麦全生育期，深松+秸秆覆盖处理的储水量最高。在小麦全生育期，不同措施的总耗水量均低于普通耕作处理，且全生育期的降雨量不能满足小麦对水分的需求，必须利用土壤中的水分才能维持小麦正常生长。在玉米全生育期，深松+秸秆覆盖和免耕处理更能有效提高土壤的储水量。而保水剂和免耕处理更能有效地减少玉米全生育期的水分消耗，且在玉米全生育期内的降雨量高于玉米的耗水量，多余的降水能储存于土壤中以供下茬小麦的生长。

不同措施改善了土壤的水分状况，其作物生理特征也得到了改善[21-22]。在壤质潮土区，深松更利于小麦光合生理特征的改善[23]。而对于旱作褐土区，本研究发现，在小麦拔节期和抽穗期，秸秆还田处理和保水剂处理的光合速率和蒸腾速率均高于其他处理。在灌浆期，有机肥处理的光合速率和蒸腾速率均高于其他处理。随小麦生育期的推进，其叶片水分利用效率均降低。在拔节期，以深松+秸秆覆盖处理的叶片水分利用效率高于其他处理。到抽穗期和灌浆期，秸秆还田处理和深松+秸秆覆盖处理的叶片水分利用效率较高。而对于玉米光合生理特征而言，保水剂和深松处理利于玉米光合速率的提高，而降低了其蒸腾速率，因此其叶片水分利用率提高。在小喇叭口期，有机肥处理更利于叶片水分利用效率的提高，其次为秸秆还田处理。在抽雄期，深松处理叶片水分利用效率最高，其次为秸秆还田处理。到灌浆期，保水剂处理的叶片水分利用效率最高，其次为有机肥处理。

不同耕作保墒措施对于土壤水分调控及作物生理特征的改善，有利于作物的生长和产量与水分生产效率的提高。王维等[24]研究表明，深松和免耕或二者轮耕均利于旱地小麦后期光合能力的提高，促进小麦增产、节水。而本研究发现，小麦产量以免耕处理最高，其较普通耕作增产18.3%，其次为深松和有机肥处理。水分生产效率仍以免耕处理最高，较普通耕作提高了20.0%，其次为深松+秸秆覆盖处理和有机肥处理，普通耕作处理最低。玉米产量以秸秆还田处理产量和水分生产效率均最高，分别较普通耕作提高了21.6%和23.8%。说明，小麦秸秆还田对于后茬玉米生长产生重要的影响，其在玉米生长季节能够更为有效地减少水分蒸发，改善土壤水分环境，促进其生长和水分的利用。

对于小麦、玉米周年的产量和水分利用生产效率而言。以深松处理的总产量最高，这与杨永辉等[16]在砂质潮土区得到的结果一致。其次为免耕处理，分别较普通耕作处理增产14.9%和14.3%。以深松+秸秆覆盖和免耕处理的水分生产效率高于其他处理，分别较普通耕作处理提高18.5%和18.1%。说明，采用深松和进行适当免耕有利于小麦周年产量和水分利用的提高。

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Effects of Different Tillage Measures Maintaining Soil Moisture on Water Consumption Characteristics and Anniversary Water Utilization for Wheat and Maize

YANG Yonghui1，2，WU Jicheng1，2，ZHANG Jiemei1，2，PAN Xiaoying1，2，WANG Yue1，2，HE Fang1，2，HAN Weifeng1，2

(1.Institute of Plant Nutrition & Resource Environment，Henan Academy of Agricultural Sciences，Zhengzhou 450002，China； 2.Scientific Observing and Experimental Station of Crop Water Use of Yuanyang，Ministry of Agriculture，Yuanyang 453514，China)

To ascertain the mechanisms of anniversary water usage of wheat and maize under the measures of soil structure improvement and tillage measures for soil moisture conservation，a field experiment was conducted to determine the water consumption characteristics，photosynthetic characteristics and annual water use of wheat and maize.The treatments included conventional tillage，straw returning，super absorbent polymer (SAP)，organic fertilizer，no-tillage，deep loosening and deep loosening plus straw mulching.The results showed that the soil water storage of deep loosening plus straw mulching treatment was the highest compared with other treatments in whole wheat growth period，while the water consumption of it was the lowest from sowing to re-greening stage.From re-greening to jointing stage，wheat water consumption of deep loosening plus straw mulching treatment was the highest，while it was the lowest from booting to heading.From jointing to booting stage，water consumption of SAP treatment was the highest，but from heading to filling stage，it was the lowest.From filling to harvest stage，the water consumption of straw returning and SAP treatments were significantly lower than that of conventional tillage.In the whole growth period of maize，water consumption of SAP and no-tillage treatments were lower than that of other treatments.Different measures could improve the photosynthetic characteristics and yield and water use of wheat and maize.Of all treatments，the yield and water production efficiency of wheat in no-tillage treatment was the highest，increased by 18.3% and 20.0% respectively，compared with conventional tillage treatment.While yield and water production efficiency of maize was the highest，increased by 21.6% and 23.8% respectively compared with the conventional tillage.The composite yield of wheat and maize of deep loosening treatment was the highest，followed by no-tillage treatment， increased by 14.9% and 14.3% respectively compared with conventional tillage treatment.While the total water production efficiency of deep tillage plus straw mulching and no-tillage treatments were higher than other treatments，increased by 18.5% and 18.1% respectively compared with the conventional tillage treatment.It was concluded that deep tillage and no-tillage were more conducive to increase of anniversary water utilization and yield of wheat and maize.

Soil structure improvement； Conservation tillage； Wheat； Maize； Water consumption characteristics； Anniversary water use

2017-03-24

国家自然科学基金项目(U1404404)；河南省农业科学院优秀青年科技基金项目(2016YQ12)；国家“863”计划项目(2013AA102904-2)；国家科技支撑计划项目(2013BAD07B07)

杨永辉(1978-)，男，陕西西安人，副研究员，博士，主要从事节水农业研究。

S152.7

A

1000-7091(2017)03-0103-08

10.7668/hbnxb.2017.03.016