干旱内陆灌区不同秸秆还田方式下春小麦田土壤水分利用特征

殷文，柴强，胡发龙，樊志龙，范虹，于爱忠，赵财



干旱内陆灌区不同秸秆还田方式下春小麦田土壤水分利用特征

殷文，柴强，胡发龙，樊志龙，范虹，于爱忠，赵财

（甘肃农业大学农学院/甘肃省干旱生境作物学重点实验室，兰州 730070）

【目的】针对水资源短缺严重制约干旱绿洲灌区作物生产，传统翻耕产量不稳定及水分利用效率低下等问题，研究不同秸秆还田方式下春小麦农田土壤水分利用特征，旨在优化耕作措施，提高干旱内陆灌区农田的水分利用率。【方法】2014—2016年，在河西绿洲灌区，通过田间定位试验，研究不同秸秆还田方式（少耕，25—30 cm秸秆高留茬立茬还田（NTSS）；少耕，25—30 cm秸秆高留茬覆盖还田（NTS）；翻耕，25—30 cm秸秆高留茬还田（TS）；传统翻耕，无秸秆还田（CT））对春小麦田水分利用的时间动态、耗水结构以及利用效率的影响，以期为优化试区春小麦高产高效栽培管理技术提供理论依据。【结果】少耕秸秆还田可降低春小麦田耗水量，与CT相比，NTSS、NTS分别降低3.1%—7.8%与3.7%—7.7%；NTSS、NTS通过减少春小麦生育前期（灌浆期之前）的耗水，增大生育后期（灌浆初期至成熟期）的耗水量，有效协调春小麦前后生育时期需水矛盾，相比NTSS，NTS处理的调控效应更突出。少耕秸秆还田具有抑制土壤蒸发，减小棵间蒸发占总耗水量（E/ET）的比重，提高水分利用有效性的作用，NTSS、NTS较CT棵间蒸发量分别降低9.3%—17.4%、10.8%—23.3%，较TS分别降低4.0%—5.8%与5.6%—11.4%，以NTS降低棵间蒸发量幅度较大，因而NTS较CT处理E/ET降低6.9%—21.3%。秸秆还田具有增产优势，与CT相比，NTSS、NTS、TS分别增产16.6%—24.9%、18.6%—27.3%、10.2%—18.7%，3个秸秆还田处理中，NTSS、NTS较TS分别增产5.2%—5.9%、7.2%—9.5%。因而，秸秆还田处理具体较高的水分利用效率，NTSS、NTS、TS较CT处理水分利用效率分别提高21.1%—28.3%、26.6%—30.6%、13.1%—20.3%，以NTSS、NTS提高比较大，比TS分别提高6.7%—11.9%、8.6%—13.7%。【结论】在水资源短缺的河西绿洲灌区，集成应用少耕与25—30 cm秸秆立茬及覆盖还田技术是实现春小麦高产、稳产、灌溉水高效利用的理想耕作措施。

秸秆还田；耕作措施；耗水特性；产量；水分利用效率；春小麦

0 引言

【研究意义】土壤水分是作物生长发育及产量形成的关键限制因子，受土壤耕作方式[1]、覆盖措施[2]及种植方式[3]等因素影响，作物群体水分利用状况与其光合同化物累积、分配、产量形成密切相关[4]。而栽培措施是调控作物群体生长发育的重要途径[2]，优化栽培措施，改善作物耗水特性，是提高水分利用效率的主要途径。研究特定栽培措施对土壤水分利用特性的影响，不仅是提高自然资源利用效率的重大需求，同时可为优化作物综合生产技术体系提供重要依据。因此，在资源性缺水地区，研发作物高产高效栽培技术具有重要意义。【前人研究进展】耕作措施、地表覆盖作为调控农田土壤水分环境的主要措施，可通过改善土壤蓄水供肥能力、增加土壤渗透性，实现土壤扩蓄增容[5-6]，具有可操作性强、简捷等优点[7]。其中，秸秆还田具有抑制土壤蒸发、保墒蓄水、调节地温、提高肥力等多种优点[7-8]，但也存在降低作物生长前期表层土壤温度，延缓出苗等缺点[9]。前人研究表明，长期单一免耕土壤压实程度加重，干土体积质量增加，土壤水分无效蒸发严重，不利于作物根系发育，显著降低产量[10-11]。旱作条件下，免耕结合秸秆覆盖可为作物生长创造良好的土壤结构条件，促进作物根系发育和土壤微生物活性，抑制土壤蒸发加强作物有效蒸腾耗水而提高作物产量和水分利用效率[12-13]。【本研究切入点】在灌溉农业区，集成少免耕、秸秆还田技术，能否通过秸秆还田的低温保墒效应，降低作物生育前期土壤水分无效蒸发，增加生育后期作物的有效蒸腾，使无效耗水转化为有效耗水，通过优化作物耗水特性而提高作物产量与水分利用效率的潜力尚未被挖掘。【拟解决的关键问题】本研究在干旱绿洲灌区，将少耕与秸秆还田技术同步集成在春小麦栽培模式中，有望通过优化耗水特性，提高春小麦生育期水分需求与农艺调控效应间的吻合度。阐明不同秸秆还田方式对土壤水分利用的调控机理，建立适用于绿洲灌区春小麦高效生产的秸秆还田技术，从而为试区土壤耕作技术的改进和作物高产、高效栽培提供科学依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2014—2016年度在甘肃农业大学绿洲农业综合试验站（37°30′ N, 103°5′ E）实施。试验站位于甘肃河西走廊东端，属寒温带干旱气候区，多年平均降水低于200 mm、年蒸发量大于2 000 mm，灌溉水资源有限，作物种植须采用地膜覆盖、秸秆还田等高效简易节水措施。试验地土壤为砂壤土，0—30 cm 耕层土壤容重 1.53 g·cm-3，含有机质 14.30 g·kg-1、全氮0.67 g·kg-1、全磷 1.42 g·kg-1、铵态氮 1.87 mg·kg-1、硝态氮 12.51 mg·kg-1。3个试验年份，春小麦生育期内降雨量如表1。

表1 不同年份春小麦生育期内不同月份降雨量

1.2 试验设计

2013年布设预备试验，在当季春小麦收获时为翌年试验所需建立4种秸秆还田方式，即春小麦25—30 cm秸秆高留茬立茬免耕；25—30 cm秸秆高留茬覆盖免耕；25—30 cm秸秆高留茬翻耕；传统低茬收割翻耕，次年施基肥、旋耕（少耕）、耙耱后播种春小麦。形成4个处理，分别是少耕、25—30 cm秸秆高留茬立茬还田（NTSS）；少耕、25—30 cm秸秆高留茬覆盖还田（NTS）；翻耕、25—30 cm秸秆高留茬还田（TS）；传统低茬收割翻耕（CT）。秸秆还田处理全年实施且还田量约为4 200 kg·hm-2。各处理 3 次重复，共12个小区，小区面积 48 m2，田间随机区组排列。

3个试验年度（2014—2016年），春小麦播种日期分别为3月21日、3月29日、3月30 日，收获日期分别为7月24日、7月28日、7月21日。供试春小麦（L.）品种为宁春2号。播种密度为675万粒/ hm2。

灌溉及施肥制度同当地高产田，即灌溉制度为冬灌水120 mm，春小麦生育期内，按苗期、孕穗期、灌浆期分别补灌75、90、75 mm。所有处理施肥量一致，氮肥为尿素，磷肥为磷酸二铵，施225 kgN·hm-2， 150 kg P2O5·hm-2，全作基肥。

1.3 测定指标和计算方法

土壤含水量：0—30 cm土层每10 cm为一层，采用烘干法测定；30—120 cm土层采用水分中子仪（NMM503DR，CA，USA）测定，按30 cm为一层。春小麦播种前和收获后各测定一次，生育期内每约15 d测定一次，灌水前后分别加测一次。中子水分仪测定值与土壤含水量的拟合曲线如下：

式中，为土壤质量含水量，为中子水分仪的实际测定值，0为中子水分仪基础数值。

式中，为土壤贮水量（mm）；为土层厚度（cm）；为土壤容重（g·cm-3），为土壤质量含水量，10为单位换算系数。

作物耗水量（ET）及耗水模系数（CP）：采用农田水分平衡法计算[14]。由于试区水资源短缺，节水灌溉灌水量相对较小，土层深度为1.2 m，试验小区平整且试区地下水埋深在30 m以下，故忽略了渗漏量和地下上升水的影响。因此，作物耗水量、阶段耗水量的计算方程为：ET=P+I - ∆S。式中，ET为时段作物耗水量；P为阶段的降水量；I为阶段灌水量；∆S为时段末与时段初的土壤贮水量之差，单位为mm。

耗水模系数（）＝各生育阶段耗水量/作物全生育期耗水量。

棵间蒸发量：采用微型蒸渗仪（Micro-lysimeter，ML，高 15 cm，直径 11 cm）自小麦出苗后至收获前每隔3—5 d测定，每小区安装1个微型蒸渗仪，土壤蒸发量为两次测量值间的差值，微型蒸发器中土样每降低1 g相当于蒸发水分0.1051 mm。为保证 ML 内土体水分含量和结构与大田相似，每隔 3—5 d 更换器内的原状土体，并且在下雨或灌水后加测。

蒸散比（/）：全生育期蒸散比为全生育期棵间蒸发量（）与总耗水量（）之比；各生育阶段蒸散比为某生育阶段棵间蒸发量（）与该生育阶段耗水量（）之比。

水分利用效率（）：=/

式中，为春小麦籽粒产量（kg·hm-2）；为春小麦全生育期耗水量（mm）。

1.4 数据统计

数据采用Microsoft Excel 2016整理、汇总及图表绘制，利用SPSS 17.0软件进行方差分析。因为本研究属于田间定位试验，年份（时间）会对试验结果产生重大影响，即不同秸秆还田方式与年份之间会有交互效应，因此，本研究以年份（时间）作为一个因子，把文中测定数据进行重复测量方差分析，即采用two-way repeated measures ANOVA（二因子重复测量方差分析）进行显著性检验（＜0.05）。

2 结果

2.1 不同秸秆还田方式下春小麦农田土壤含水量差异

2.1.1 全生育期土壤含水量动态 不同秸秆还田方式下春小麦农田0—120 cm土层土壤含水量在3个试验年度处理间差异均显著，且土壤含水量随灌溉及作物生育进程而有差异（图1）。秸秆还田具有提高春小麦播种时土壤含水量的优势，少耕秸秆还田处理（NTSS、NTS）较传统耕作无秸秆还田（CT）土壤含水量分别提高5.4%—6.9%、8.2%—9.0%，翻耕秸秆还田（TS）比CT提高3.4%—4.0%。播种至拔节期，随着时间的推进，土壤含水量依次降低，3个试验年度NTS较CT提高土壤含水量为5.8%—8.0%。春小麦拔节期之后灌水使得土壤含水量急剧增大，至春小麦孕穗期出现低谷，这一生育时期，NTSS、NTS、TS较CT土壤含水量分别提高7.9%—15.0%、12.3%—19.0%、4.7%—8.3%，3个秸秆还田处理以NTS提高比例较大，比TS高6.7%—9.9%。孕穗期补灌各处理获得较高的土壤含水量使得差异不显著，至开花期各处理土壤含水量均较低，此时NTSS、NTS、TS较CT处理土壤含水量分别提高8.4%—28.1%、15.4%—30.6%、4.6%—11.2%，NTSS、NTS较CT提高比例分别为4.6%—15.2%、10.1%—17.4%。春小麦灌浆初期补灌提高各处理土壤水分含量至收获期而降低，此时NTSS、NTS、TS较CT土壤含水量分别提高11.1%—21.1%、16.2%—29.0%、7.4%—11.1%，NTSS、NTS较CT分别提高4.8%—11.7%、8.2%—16.1%。

图上方的误差线表示LSD 值。下同Error bars above the curves indicate the value of LSD in the figure. The same as below

纵观全生育期内0—120 cm土层平均土壤含水量而言，NTSS、NTS较对照CT土壤含水量分别提高5.1%—8.8%、 8.1%—12.2%，以NTS提高土壤水分含量幅度较大，比TS高4.8%—7.0%。说明少耕、25—30 cm秸秆高留茬覆盖还田具有较好的保水效应，是试区春小麦栽培较好的秸秆还田方式。

2.1.2 不同生育阶段平均土壤含水量垂直变化 不同秸秆还田方式下春小麦播种、营养生长期、生殖生长期、收获时0—120 cm土层土壤含水量在3个试验年度差异均显著，且有少耕秸秆还田在各土层保持较高的土壤含水量，提高幅度随土层加深而降低（图2）。

2014年，小麦播种期、营养生长期、生殖生长期、收获期对应的日期为3月18日、4月22日至6月7日，6月19至7月14日、7月23日；2015年各生育时期对应的日期为3月28日、4月23日至6月5日、6月21日至7月15日、7月27日；2016年各测定时期对应的日期为3月29日、4月19日至6月5日、6月26日至7月12日、7月20日

春小麦播种时，耕层0—30 cm，NTSS、NTS较CT提高土壤含水量分别为6.5%—9.1%、9.3%—12.9%，NTS较TS提高5.2%—10.0%。30—90 cm土层，NTSS、NTS较CT土壤含水量分别提高4.1%—7.7%、7.2%—9.5%。深层90—120 cm土层年际间有差异，2016年春小麦播前土壤含水量明显高于2014与2015年，弱化了免耕还田的保水效应，2014与2015年，NTSS、NTS较CT土壤含水量分别提高4.4%—6.3%、4.0%—6.9%。

春小麦营养生长期，耕层0—30 cm，NTSS、NTS较CT提高土壤含水量分别为3.2%—6.6%、5.9%—9.5%。30—90 cm土层，NTSS、NTS较CT分别提高4.0%—6.2%、5.9%—8.8%。深层90—120 cm土层年际间有差异，2014与2015年，NTSS较CT分别提高5.3%、5.7%，3个试验年度，NTS较CT分别提高5.2%—8.0%。

春小麦生殖生长期，耕层0—30 cm，NTSS、NTS较CT提高土壤含水量分别为4.1%—7.2%、6.4%—8.4%，NTS较TS提高4.2%—5.2%。30—90 cm土层，NTS较TS、CT提高土壤含水量分别为4.1%—5.0%、5.4%—8.6%。深层90—120 cm，3个试验年度，仅有NTS较CT分别提高4.7%、6.2%与5.8%。

春小麦收获时，耕层0—30 cm，NTSS、NTS较CT提高土壤含水量分别为16.4%—23.4%、24.4%—35.3%，较TS分别提高6.3%—9.7%、11.7%—20.3%。30—90 cm土层，NTSS、NTS、TS较CT提高土壤含水量分别为9.4%—27.4%、13.9%—27.8%、7.2%—11.5%，NTS较TS分别提高6.3%—14.6%。深层90—120 cm，2014与2015年，与CT相比，NTSS提高土壤含水量分别为8.7%、19.7%，NTS分别提高9.1%、17.1%，TS分别提高6.4%、7.2%。

不同秸秆还田处理中，春小麦播种期、营养生长期、生殖生长期、收获期0—120 cm土层土壤水分含量随土层加深其变化减弱，但各土层均有少耕秸秆覆盖还田保持较高的土壤含水量，为小麦生长创造适宜的土壤水分环境。春小麦生育期内，营养生长期与生殖生长期，补灌弱化了同一秸秆还田方式下不同深度间土壤含水量差异，且与播种前相比，各处理各土层土壤含水量明显降低，尤其是春小麦旺盛生殖生长期降低幅度更大，以NTS处理缩小土壤水分降低比例。

2.2 不同小麦秸秆还田方式对春小麦各生育阶段耗水量、耗水模系数的影响

2016年，秸秆还田方式对春小麦全生育期耗水量无显著影响，而 2014与2015 年，NTSS耗水量较CT处理分别降低3.1%、7.8%，NTS 较CT分别降低4.1%、7.7%（表2）。

春小麦不同生育阶段耗水量及耗水模系数在3个试验年度差异显著。春小麦播种至拔节期耗水量较大，占总耗水量22.6%—29.1%，不同处理年际间有差异，2014与2015年，NTSS较CT耗水量分别提高15.1%、5.0%，耗水模系数分别提高18.7%、14.0%；2014与2016年，NTS较CT耗水量分别增大12.0%、5.6%，3个试验年份NTS较CT耗水模系数分别提高8.4%—16.8%。随着生育期的推进，在春小麦拔节至孕穗期，NTSS、NTS处理耗水量及耗水模系数均小于 CT，耗水量分别降低5.6%—13.4%、11.3%—16.7%，耗水模系数分别减小3.1%—10.1%、7.5%—13.1%，以NTS降低耗水量及耗水模系数幅度较大，比TS分别低8.2%—14.2%、5.1%—12.4%。与前一生育阶段相似，春小麦孕穗至灌浆初期，3个试验年度，少耕秸秆还田均具有降低耗水量及耗水模系数的作用，以NTS降低作用较大。相反，灌浆期，春小麦处于旺盛生殖生长期，耗水量总体增大，致使灌浆初期至收获期，NTSS、NTS 处理耗水量及耗水模系数均高于 TS 和 CT，NTSS、NTS 较TS处理耗水量分别增大5.9%—11.3%、6.6%—14.8%，耗水模系数分别提高7.9%—12.3%、10.3%—16.2%，NTSS、NTS较CT增大耗水量分别为7.4%—8.3%、5.1%—8.1%，耗水模系数分别提高11.7%—16.5%、9.1%—17.1%。

总体来说，少耕、25—30 cm秸秆覆盖还田减小了春小麦生育前期（灌浆期之前）的耗水，增大了生育后期（灌浆期）的耗水量，有效协调春小麦前后生育时期耗水互补、竞争关系。

2.3 不同秸秆还田方式下春小麦全生育期棵间蒸发量动态差异

不同秸秆还田方式下春小麦全生育期棵间蒸发量在3个试验年度差异不显著，但均表现为秸秆还田（NTSS、NTS、TS）具有抑制春小麦全生育期内土壤蒸发的效应，较传统无秸秆还田翻耕对照处理（CT）相比，全生育期棵间蒸发量分别降低9.3%—17.4%、10.8%—23.3%与 4.3%—13.4% （图3），3个秸秆还田处理中，秸秆覆盖还田配合少耕（NTS）降低土壤蒸发效应更好，比TS降低5.6%—11.4%。

不同秸秆还田方式下春小麦各生育阶段农田棵间蒸发量在3个试验年度差异显著，主要由不同年份不同生育阶段降雨量差异所致。春小麦苗期至拔节期，NTSS、NTS、TS较CT处理土壤蒸发分别降低9.9%—36.9%、7.8%—40.5%、5.0%—26.2%，NTSS、NTS较TS分别降低4.6%—14.5%、4.1%—19.4%（图3）。相反，春小麦拔节至孕穗期，2015与2016年度，NTSS、NTS较CT土壤蒸发分别提高8.4%—10.2%、10.1%—10.9%，NTSS、NTS较TS土壤蒸发分别提高5.8%—6.3%、6.4%—8.0%，2017年，NTS、TS较CT 分别降低5.9%、4.7%。春小麦生殖生长期（开花期至收获期），均为秸秆还田降低棵间蒸发量，NTSS、NTS、TS较CT土壤蒸发分别降低18.4%—25.7%、21.4%—34.7%、5.6%—17.1%，秸秆还田处理中，NTSS、NTS较TS降低土壤蒸发分别达到6.6%—17.5%、12.0%—27.5%。

表2 不同秸秆还田方式下春小麦各生育阶段的耗水量及耗水模系数

数据后不同字母表示同一年度中所有处理在0.05概率水平下差异显著。2014年，小麦播种期、拔节期、孕穗期、灌浆初期、收获期对应土壤水分测定日期为3月18日、4月22日、5月27日、6月19日、7月23日；2015年各测定时期对应日期为3月28日、4月23日、5月30日、6月21日、7月27日；2016年对应日期为3月29日、4月19日、5月28日、6月26日、7月20日。下同

Different letters afterwards indicate significant difference within the same year among the treatments at 0.05 probability level. The measuring dates were 18 March, 22 April, 27 May, 19 June, and 23 July in 2014, 28 March, 23 April, 30 May, 21 June, and 27 July in 2015, and 29 March, 19 April, 28 May, 26 June, and 20 July in 2016. The corresponding growing periods of wheat were sowing, jointing, booting, early-filling, harvesting stage, respectively. The same as below

纵观春小麦全生育期棵间蒸发量动态发现，春小麦开花至成熟期，少耕秸秆还田降低土壤蒸发效应较好，说明少耕秸秆还田对土壤无效蒸发耗水的抑制作用主要体现在开花至成熟期，以25—30 cm秸秆高茬覆盖还田结合少耕措施抑制土壤蒸发相对较好。

2.4 不同秸秆还田方式对春小麦全生育期蒸散比（E/ET）的动态影响

不同秸秆还田方式下春小麦全生育期E/ET在3个试验年度差异不显著，但均表现为少耕秸秆还田降低了春小麦全生育期E/ET（图4）。3个年度，NTSS与NTS较CT处理E/ET降低分别为6.4%—15.2%、6.9%—21.3%。

不同秸秆还田方式下春小麦各生育阶段E/ET在3个试验年度差异显著，均有少耕秸秆还田降低了春小麦各生育阶段E/ET （图4）。春小麦播种后至拔节期，3个试验年份，NTSS、NTS较TS分别降低6.8%—8.5%、5.3%—16.0%，较CT降低E/ET分别达到10.5%—30.7%、5.8%—36.4%。拔节至孕穗期，年际间有差异，2014年，少耕秸秆还田与传统翻耕无秸秆还田处理E/ET差异不显著，TS较CT处理E/ET降低6.9%；2015与2016年度，秸秆还田具有较高E/ET，NTSS、NTS、TS较CT处理提高E/ET分别为19.4%—35.2%、23.5%—30.6%、6.0%—15.9%，NTSS、NTS较TS分别提高12.6%—16.6%、12.7%—16.4%。春小麦孕穗至灌浆初期，2014与2015年，NTSS较TS、CT提高E/ET分别为10.0%—14.7%、9.9%—14.7%；相反，2016年，NTSS、NTS、TS较CT分别降低E/ET为9.9%、15.8%、10.5%，NTS较TS降低5.9%。春小麦灌浆初期至收获期，秸秆还田因旺盛的生殖生长期，增大有效耗水而降低E/ET，NTSS、NTS、TS较CT降低E/ET分别为22.0%—30.8%、25.9%—39.5%、7.5%—11.1%，NTSS、NTS较TS分别降低12.8%—22.1%、20.0%—32.0%，与NTSS相比，NTS降低E/ET为12.7%—16.3%。以上结果表明少耕秸秆还田水分高效利用主要是减少了灌浆初期至收获期土壤的无效耗水，提高了土壤水分利用的有效性，以少耕25—30 cm秸秆高留茬覆盖还田效应突出。

图3 不同秸秆还田方式下春小麦农田土壤蒸发量动态

2.5 春小麦产量及水分利用效率对秸秆还田方式的响应

2.5.1 产量表现 3个试验年度，不同秸秆还田方式对春小麦籽粒产量具有显著影响，均表现出秸秆还田具有增产效应（图5-A）。与传统低茬收割翻耕（CT）相比，少耕秸秆还田（NTSS、NTS）分别增产16.6%—24.9%、18.6%—27.3%，翻耕秸秆还田（TS）增产10.2%—18.7%。3个秸秆还田处理中，以少耕秸秆还田增产效应明显，NTSS、NTS较TS分别增产5.2%—5.9%、7.2%—9.5%，以NTS籽粒产量最大，达到7 203—8 035 kg·hm-2。由此说明，25—30 cm秸秆高留茬立茬与覆盖还田结合少耕有利于提高春小麦籽粒产量。

图中不同小写字母表示处理间在0.05 水平上差异显著。下同

2.5.2 水分利用效率（WUE） 3个试验年份，不同秸秆还田方式下春小麦WUE差异显著，秸秆还田较传统低茬收割翻耕具有提高春小麦农田WUE的作用，秸秆还田结合少耕进一步增强了提高水分利用效率的优势（图5-B）。与CT相比，NTSS、NTS、TS处理提高WUE分别为21.1%—28.3%、26.6%—30.6%、13.1%—20.3%，以NTSS、NTS提高春小麦农田WUE幅度较大，比TS高6.7%—11.9%、8.6%—13.7%。

图中每一试验年份各处理间进行统计分析The statistical analysis was performed in each treatmentin each testing year

3 讨论

3.1 少耕及秸秆还田与耗水特性的关系

近年来，随着水资源的日趋紧缺，干旱环境条件下，农业生产必须以水分的高效利用为重心，而控制土壤蒸发是提高作物水分利用效率的重要途径之一[14]。秸秆还田作为一项简易节水生产技术广泛地应用于农业生产。采用秸秆覆盖技术可以有效地保持土壤水分，降低无效耗水而提高水分利用的有效性[15-16]。本研究表明，春小麦不同生育时期，0—120 cm各土层土壤含水量均有秸秆还田高于传统耕作，而3个秸秆还田处理中，少耕秸秆覆盖还田土壤含水量明显高于立茬、翻耕秸秆还田措施，而立茬、翻耕秸秆还田处理土壤含水量在不同生育阶段差异不同，这是因为翻耕还田弱化了秸秆还田保持土壤水分的优势，立茬还田不能在地表或表土层直接形成秸秆物理隔层，较覆盖还田弱化其保水效应[7]。春小麦生育期结束时，少耕秸秆覆盖保持较高的土壤水分含量，这可能是由于其土壤界面具有良好的导水蓄水保墒能力[17]。秸秆覆盖具有降低土壤蒸发及耗水的效应已被研究所证实[18-19]。本研究中，与传统耕作无秸秆还田处理相比，少耕秸秆覆盖还田显著抑制土壤蒸发，抑制效应主要体现在气温较高的春小麦孕穗至成熟期，主要因为：第一，秸秆覆盖是在土壤表面，减少土壤与大气间水热交换的物理阻隔层，阻碍土壤与大气层间的水分和能量交换，显著降低土壤蒸发[20]；第二，覆盖还田减少生育前期的土壤水分散失，春小麦生长缓慢，消耗水分与养分较少，随着气温回升，生育前期剩余的土壤水分与养分促使春小麦生长发育旺盛，在孕穗至成熟期保持较大的冠层，遮阴面积大，抑制土壤蒸发相对较好。相对于覆盖秸秆还田，立茬秸秆还田不能在地表或表土层直接形成秸秆物理隔层，对春小麦生育前期土壤温度的降低作用不及覆盖还田，生育前期生长较快，给予生育后期的养分与水分少[7]，因此立茬秸秆还田生育后期生长弱于秸秆覆盖还田，冠层相对小，遮阴面积小，抑制土壤蒸发效应较弱。同样，通过分析春小麦播种时、营养生长期、生殖生长期及收获时0—120 cm土层土壤含水量发现，随着土层加深其变化减弱，但每一土层均有少耕秸秆覆盖还田保持较高的土壤含水量，为春小麦生长创造适宜的土壤水分环境。

秸秆、地膜覆盖具有降低耗水的效应已被研究证实[7,15]。本研究中，少耕秸秆还田对春小麦田耗水量的影响表现出年际间差异，2014与2015 年，少耕秸秆还田的耗水量均低于传统耕作；2016年，秸秆还田与传统耕作处理春小麦农田耗水量无显著差异，这是因为此年春小麦播种时的土壤储水量明显高于2014与2015年，弱化了少耕秸秆还田的保水及有效利用土壤水分的效应。另一方面，秸秆还田也可因为其调控土壤水热特性而优化作物生长发育动态，特别是少耕秸秆覆盖还田作物生长前期的低温效应与较好抑制土壤蒸发的效应，更多水分用于热量适宜的生育后期[7]，即降低了春小麦营养生长期的无效蒸发耗水，增强了其生殖生长期的有效耗水。因此，少耕秸秆覆盖还田通过减小春小麦生育前期（灌浆期之前）的耗水，增大了生育后期（灌浆初期至成熟期）的耗水量，有效协调春小麦前后生育时期需水矛盾。降低土壤无效蒸发耗水占总耗水模系数（E/ET）是提高水分有效利用的主要途径之一[21]。本研究中少耕秸秆还田降低了春小麦全生育期E/ET，且降低作用主要体现在春小麦旺盛生长的灌浆初期至收获期，以少耕秸秆覆盖还田降低作用较大，这是因为该措施此生育阶段春小麦旺盛生长期较高的蒸腾耗水与较小的蒸发耗水所致。因此，少耕秸秆覆盖还田措施可优化干旱灌区春小麦农田的耗水特性，在农田作物耗水与调控领域值得进一步试验探讨。

3.2 少耕及秸秆还田对作物产量的影响

耕作及覆盖措施是调控作物群体生长发育的重要因素，通过优化耕作方式及覆盖措施，调控作物生长发育动态，改善作物对资源利用的竞争与互补关系，有效提高作物产量[5]。秸秆还田结合少免耕因较好的保水效应及改善土壤理化性质被广泛应用于干旱雨养农业区作物生产，在干旱绿洲灌区秸秆还田技术尚未成熟，有待进一步研发适宜于干旱灌区秸秆还田技术。大量研究证实，长期单一免耕因根冠早衰而具有减产效应[10-11]。秸秆还田较传统耕作具有较高的增产潜力，其增产机理在于秸秆还田降低土壤容重，提高土壤速效养分含量促进作物对养分的吸收和利用，为高产奠定了物质基础[22-23]。有研究表明，可通过优化耕作及覆盖措施促进作物各器官光合同化物向籽粒的运转而增产[24]。本研究秸秆立茬与覆盖还田结合少耕的具有显著增产优势，其原因在于，第一，少耕结合秸秆覆盖还田为作物生长创造良好的耕层土壤结构[12-13]；第二，少耕秸秆覆盖还田延缓春小麦生育前期地上部生长发育，造成较小的光合源，对水分养分等资源消耗较少，同时抑制土壤蒸发而提高土壤蓄水纳墒能力，为作物生育后期（旺盛生长期）遗留更多的土壤水分和养分[25]，满足作物适宜环境条件下生育后期旺盛生长的资源需求，延缓地上部的衰老，改善功能叶片的光合特性，促使籽粒灌浆而实现高产[25]；第三，秸秆覆盖还田配合少耕技术利于光合产物向籽粒的转移，较高的分蘖数及分蘖成穗率与较多的穗粒数[26]。因此，在干旱绿洲灌区集成应用基于保护性耕作理论的少耕秸秆覆盖还田技术是可行的，值得大面积推广应用。

3.3 作物水分利用效率对少耕秸秆还田的响应

提高产量、降低耗水是提高农田水分利用效率的两个主要途径。优化耕作及秸秆还田方式通过降低农田土壤水分无效蒸发，提高作物有效蒸腾耗水而提高农田水分利用效率[27-28]。已有研究表明，在作物生育期内，降水较多的丰水年份，秸秆覆盖还田结合免耕通过降低农田总耗水量而提高水分利用效率，在降水相对较少的贫水年份，免耕秸秆覆盖还田主要因提高作物产量而提高水分利用效率[5]。当然，免耕秸秆覆盖还田也可通过提高土壤水分入渗率及贮水量[17]、有效降低作物生育前期无效蒸发水分，增加生育后期作物的有效蒸腾，使无效耗水转化为有效耗水、提高作物产量与水分利用效率[5]。本研究得出相似结果，与传统无秸秆还田翻耕处理相比，秸秆还田提高了水分利用效率，以少耕秸秆覆盖还田提高幅度相对较大，主要是因为少耕秸秆覆盖还田降低了春小麦全生育期棵间蒸发量，减小了总耗水量而提高了籽粒产量，特别是在春小麦旺盛生长的灌浆初期至收获期，降低土壤蒸发而提高有效蒸腾耗水作用最显著，为春小麦籽粒灌浆提供充足的水分需求，而增强籽粒灌浆，提高籽粒产量，进而增大水分利用效率。因此，在资源性缺水的干旱内陆灌区，在春小麦生产中集成免耕秸秆还田技术有望缓解作物需水与供水矛盾，为试区作物高效生产提供理论与实践依据。

4 结论

与传统低茬收割翻耕处理（CT）相比，少耕秸秆还田处理（NTSS、NTS）可提高春小麦全生育期内土壤含水量，降低耗水量，通过减少生育前期（灌浆期之前）耗水，增大生育后期（灌浆初期至成熟期）耗水量，有效协调春小麦前后生育时期需水矛盾，以少耕秸秆覆盖还田（NTS）调控效应更为突出。少耕秸秆还田降低了春小麦全生育期棵间蒸发量，降低了蒸散比（E/ET），主要体现在春小麦灌浆初期至收获期。与CT相比，NTSS、NTS具有明显的增产及提高水分利用效率的作用。因此，在水资源短缺的干旱内陆绿洲灌区，集成应用少耕25—30 cm秸秆立茬与覆盖还田技术是实现春小麦高产、稳产、水分高效利用的理想耕作措施。

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Characteristics of Soil Water Utilization in Spring Wheat Field with Different Straw Retention Approaches in Dry Inland Irrigation Areas

YIN Wen, CHAI Qiang, HU FaLong, FAN ZhiLong, FAN Hong, YU AiZhong, ZHAO Cai

(College of Agronomy, Gansu Agricultural University/Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Lanzhou 730070)

【Objective】In oasis irrigated agricultural region, water resources scarcity is one of the most prominent constraints for crop production, which also leads to the unstable yield and the lower water use efficiency of crop production with conventional tillage. In this study, the characteristics of soil water utilization in spring wheat field with different straw retention approaches were investigated in the areas, so as to optimize the farming practices and to improve the water use efficiency. 【Method】A field experiment was carried out in a typical oasis irrigation region, Wuwei, Gansu Province, from 2014 to 2016, to determine the effects of treatments of straw retention patterns on soil water utilization of spring wheat field. The treatments included reduced tillage with 25 to 30 cm high straw standing (NTSS), reduced tillage with 25 to 30 cm high straw covering (NTS), conventional tillage with 25 to 30 cm high straw incorporation (TS), and conventional tillage without straw retention (CT, the control). 【Result】Reduced tillage with straw retention could decrease evapotranspiration of spring wheat field, furthermore NTSS and NTS treatments decreased evapotranspiration by 3.1% to 7.8%, 3.7% to 7.7%, compared to CT treatment, respectively. NTSS and NTS treatments decreased evapotranspiration of wheat before early-filling stage but increased it afterwards, so this created a more optimal balance between early- and late-stage water demand of spring wheat. NTSS and NTS treatments could enhance the effectiveness of water by inhibiting soil evaporation and reducing the proportion of evaporation to evapotranspiration (E/ET) for the spring wheat field. NTSS and NTS treatments reduced soil evaporation by 9.3% to 17.4% and 10.8% to 23.3% over CT treatment, and reduced by 4.0% to 5.8% and 5.6% to 11.4% over TS treatment, respectively. Among the two reduced tillage with straw retention treatments, NTS had the best effect on inhibiting soil evaporation, thus this treatment reduced E/ET by 6.9% to 21.3%. The grain yield of NTSS, NTS, TS was 16.6% to 24.9%, 18.6% to 27.3%, 10.2% to 18.7% greater than that of CT treatment, respectively, among the three straw retention treatments, NTSS and NTS had greater grain yield by 5.2% to 5.9% and 7.2% to 9.5% than that of TS treatment, respectively. Thus, straw retention treatments had greater water use efficiency (WUE), compared to CT treatment, NTSS, NTS, and TS treatments improved WUE by 21.1% to 28.3%, 26.6% to 30.6%, 13.1% to 20.3%, respectively. Across the three straw retention treatments, NTSS and NTS treatments improved WUE by 6.7% to 11.9%, 8.6% to 13.7%, in comparison to TS treatment, respectively.【Conclusion】Our results showed that reduced tillage in combination with 25 to 30 cm high straw standing and covering was the feasible technology for realizing high yield, stable yield and efficient utilization of irrigation water of spring wheat production in the oasis irrigation region.

straw retention; tillage practice; water consumption characteristics; yield; water use efficiency; spring wheat

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.07.012

2018-09-06；

2018-10-29

国家公益性行业（农业）科研专项（201503125-3）、甘肃农业大学人才专项经费（2017RCZX-02）

殷文，E-mail：yinwen@gsau.edu.cn。通信作者柴强，E-mail：chaiq@gsau.edu.cn

（责任编辑 李云霞）