不同降水年型黄土旱塬冬小麦免耕与深松轮耕蓄墒增收效应

于琦，李军，周栋，王淑兰，王浩，李敖，张元红，宁芳，王小利，王瑞



不同降水年型黄土旱塬冬小麦免耕与深松轮耕蓄墒增收效应

于琦，李军，周栋，王淑兰，王浩，李敖，张元红，宁芳，王小利，王瑞

（西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100）

【】为旱区不同降水年型冬小麦蓄墒增产耕作方式的选择提供科学依据。于2007—2018年在陕西黄土旱塬实施免耕与深松轮耕长期定位试验，设置免耕/免耕/深松（NNS）、免耕/深松（NS）和连续免耕（N）3种耕作处理，分析不同降水年型轮耕模式下冬小麦休闲期和生育期蓄墒效果及ET、WUE、产量和经济效益。降水年型对冬小麦休闲期及生育期土壤蓄墒、ET、WUE、产量和经济效益影响显著。丰水年型较干旱和平水年型分别提高冬小麦休闲期（23.9%和31.9%）和生育期（6.5%和16.6%）0—200 cm土层土壤蓄墒量，并在冬小麦水分急剧消耗的拔节期至灌浆期，分别增加耗水量1倍和3倍以上，且较干旱和平水年型WUE分别提高21.1%和16.3%，增产70.0%和25.8%，增效2倍和1/2倍以上。干旱、丰水和平水年型分别以免耕/深松（NS）（106.1 mm）、连续免耕（N）（192.0 mm）和连续免耕（N）（91.5 mm）处理休闲期0—200 cm土壤蓄墒量最高；生育期0—100 cm土壤蓄墒效果受降雨和冬小麦生长发育影响波动较大，但120—200 cm深层土壤蓄水量基本呈“先增后减”的稳定变化趋势，并以免耕和深松轮耕措施蓄墒效果较好；免耕/免耕/深松（NNS）处理在干旱和丰水年型WUE及增产增效优势显著，在平水年型，连续免耕（N）处理产量和经济效益最高，分别为4 297 kg·hm-2和4 773元/hm2。受深松作业及其频次影响，免耕/免耕/深松（NNS）和免耕/深松（NS）轮耕处理分别增加生产成本172和227元/hm2，但生产投入的高低并非是影响经济效益的关键因素。较免耕/深松（NS）处理，免耕/免耕/深松（NNS）能以较少的深松频次节省生产成本，以较高的籽粒产量实现经济效益的最大化，具有减耗节水、提高冬小麦WUE和节本增效的优势，并在多数试验年份下保持节水减耗、经济高效的生产正效应，更具生产普适性。从可持续农业生产及绿色低耗高效的发展目标综合分析，推荐免耕/免耕/深松（NNS）轮耕措施为黄土旱区冬小麦蓄墒增产增收的最适耕作方式。

黄土旱塬；冬小麦；免耕与深松轮耕；蓄水保墒；产量；经济效益

0 引言

【研究意义】保护性耕作能有效吸收—贮蓄—利用降水[1-3]，减轻农田风蚀与水蚀危害[4-6]，促进作物蓄墒增产[7-8]；同时也是缓解黄土旱塬区因降水时空变率大且季节分布不均导致冬小麦生产矛盾的关键技术措施[9-10]。但长期应用单一耕作方式会积累生产负效应，如土壤耕层变浅，犁底层上移，水分利用效率降低[11-13]，病虫草害加剧[14]，作物减产[15]和生产成本提高[16]等。因此，亟需将不同耕作措施进行合理组配与轮换，使其均衡互补地发挥生产正效应[17-20]。黄土旱区降水年际变率大，不同年份降水量及其季节分布是影响冬小麦土壤蓄墒和增产的重要因素，分析不同降水年型下不同轮耕模式的蓄墒增产效应，有助于筛选和补充与当地降水年型相适应的保护性耕作模式[18-19]。【前人研究进展】目前，对免耕和深松轮耕系统的相关研究显示，免耕/深松轮耕措施能改善土壤孔隙分布，利于冬小麦蓄水保墒[21]；免耕/深松/免耕和深松/免耕/深松轮耕措施WUE较传统翻耕方式平均提高7%以上；在免耕基础上实施深松，可降低表层土壤容重，增加作物耗水量，提高作物水分利用效率和产量[22-24]。不均衡的自然降水易使小麦不同生产年份差别较大。高艳梅等[25]研究显示，不同降水年型麦田休闲期蓄水量均高于休闲初期，在干旱年份休闲期覆盖麦田蓄水效果较好，且更利于麦田深层蓄水；胡雨彤等[26]在黄土高原多年定位试验结果表明，冬小麦平均产量以丰水年最高，平水年次之，干旱年最低，且丰水年麦田产量在2 676.73—3 941.13 kg·hm-2范围内变化。【本研究切入点】尽管对免耕和深松保护性轮耕系统蓄水保墒效应的探索已取得一些进展，但对不同降水年型免耕和深松轮耕系统蓄水增墒和节本增产效应的研究仍尚需关注和深入。【拟解决的关键问题】本研究依托黄土旱塬连作冬小麦秸秆覆盖保护性轮耕试验，探讨不同降水年型免耕与深松轮耕措施对冬小麦休闲期及生育期蓄墒效果、籽粒产量和经济效益的影响，旨在为旱区不同降水年型冬小麦蓄墒增产和节本增效耕作方式的选择提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2007—2018年在陕西省合阳县甘井镇西北农林科技大学旱作试验站（35°19′N，110°05′E，海拔877 m）进行。该区为典型暖温带半干旱大陆性季风气候，2007—2018年试验期间年平均气温和年降水量分别为11.5℃和501.4 mm，夏闲期（7—9月）平均降雨量为286.8 mm，占年降雨总量的57.2%；冬小麦生育期平均降雨量为214.7 mm，占年降雨总量的42.8%。试验田地势平坦，土壤为黑垆土，容重平均为1.31 g·cm-3，田间持水量平均为30.2%，饱和含水量平均为32.9%。

1.2 降水年型划分

降水年型依据干燥指数DI为划分标准[27]，DI= (P-M)/σ，式中，DI为干燥指数；P为当年降雨（mm）；M为多年平均降雨（mm）；σ为多年平均降雨均方差。2007—2018年冬小麦夏闲期、生育期和生产年度降水年型划分结果如表1所示：（1）若按冬小麦夏闲期降水量划分，2009—2010、2012—2013和2015—2017年均为干旱年；2011—2012、2014—2015和2017—2018年为丰水年；2007—2009、2010—2011和2013—2014年为平水年。（2）若按冬小麦生育期降水量划分，2010—2011、2012—2013、2014—2015和2017—2018年为干旱年；2008—2009、2011—2012和2015—2016年为丰水年；2007—2008、2009—2010、2013—2014和2016—2017年为平水年。（3）若按小麦生产年度（夏闲期+生育期）降水总量划分，2009—2011年和2012—2014年均为干旱年；2008—2009、2011—2012、2014—2015年为丰水年；2007—2008和2015—2018年均为平水年型。2009—2018年降水年型数据分析均采用冬小麦夏闲期、生育期和生产年度降水年型划分结果中全部年份的平均值（表2），夏闲期相关数据用来分析冬小麦夏闲期0—200 cm土层蓄墒情况，生育期相关数据用来分析冬小麦生育期和关键生育时期0—200 cm土层蓄水量及土壤湿度剖面分布情况，冬小麦生产年度相关数据分析其ET、WUE、产量及经济收益。

冬小麦生育期无论何种降水年型（图1），降雨均集中于生育前期（播种期—返青期），返青—拔节期降雨最匮乏，之后随冬小麦生育进程推进有所增加。干旱、丰水和平水年型平均降雨总量分别为436.2、583.3和489.4 mm；3种年型冬小麦播种期—返青期、返青期—拔节期、拔节期—灌浆期及灌浆期—成熟期的平均降雨量分别为57.6、29.3、27.7和44.8 mm（干旱年型）；160、18.3、29.1和62 mm（丰水年型）；83.2、18.1、42.6和69 mm（平水年型）。

表1 2007—2018年冬小麦夏闲期、生育期和生产年度降水年型划分情况

AR，年降水；TPG，生育期总降水；TPF，夏闲期总降水；DI，干燥指数（DI＜-0.35为干旱型；DI＞0.35为丰水型；-0.35≤DI≤0.35为平水型）；DI-1，年降水干燥指数；DI-2，生育期总降水干燥指数；DI-3，夏闲期总降水干燥指数；D，干旱年型；H，丰水年型；N，平水年型。下同

AR, annual precipitation; TPG, total precipitation during growth period; TPF, total precipitation in summer fallow period; DI, the drought index (DI＜-0.35 was dry year. DI＞0.35 was humid year. -0.35≤DI≤0.35 was normal year); DI-1, annual precipitation drought index; DI-2, total precipitation drought index during the growth period; DI-3, drought index of total precipitation in summer fallow period; D, dry precipitation pattern; H, humid precipitation pattern; N, normal precipitation pattern. The same as below

表2 2009—2018年冬小麦夏闲期、生育期和生产年度各年份与降水年型匹配情况

Table 2 Different years under precipitation patterns in summer fallow, growth period and productivity period of winter wheat in 2009-2018

1.3 试验设计

长期定位试验分别设置免耕/免耕/深松（NNS）轮耕、免耕/深松（NS）轮耕和连续免耕（N）共3种耕作处理，试验采用随机区组设计，小区面积为112.5 m2（22.5 m×5 m）。2007年试验前，土壤耕作均采用传统翻耕措施。在2007—2018年试验期间，每年前茬冬小麦收获后进行免耕（秸秆等残茬全额粉碎还田后无任何土壤耕作措施）或深松（秸秆高留茬覆盖地表，每间隔40—60 cm使用深松机留茬深松35—40 cm）处理。2007—2018年试验期间逐年麦田耕作措施如表3所示，各耕作处理品种、施肥水平及其他田间管理措施均相同。2007—2013年冬小麦品种为晋麦47；2014年至今冬小麦品种为长6359。采用冬小麦连作一年一熟制，通常于当年9月下旬播种，翌年6月中旬收获，试验期间无灌溉。播种时以尿素、磷酸二铵和硫酸钾为基肥，施肥量分别为150 kg N·hm-2、120 kg P2O5·hm-2、90 kg K2O·hm-2。此外，夏闲期统一喷施除草剂。

表3 2007—2018年冬小麦生产耕作处理情况

NNS，免耕/免耕/深松轮耕；NS，免耕/深松轮耕；N，连续免耕。下同

NNS, no-tillage/no-tillage/subsoiling rotation; NS, no-tillage/subsoiling rotation; N, continuous no-tillage. The same as below

1.4 测定指标及计算方法

1.4.1 降雨量 采用试验站雨量器进行连续定位观测并记录当地逐日降雨量。

1.4.2 土壤水分 冬小麦夏闲期（7—9月）及生育期每小区设定1个样点，采用土钻取土烘干法测定0—200 cm土壤含水量。土壤含水量（C）、土壤蓄水量（S）、土壤蒸散量（ET）、水分利用效率（WUE）计算公式如下：

C= (M1-M2)/M2×100%

S= H×D×C×10

ET= P+ (Ss-Sh)

WUE= Y/ET

式中，C为土壤含水量（%），M1和M2分别为湿土质量和烘干土质量（g）；S为土壤蓄水量（mm），H为土层深度（cm），通常为20 cm，D为土壤容重（g·cm-3）；ET为冬小麦生育期土壤蒸散量（mm），P为冬小麦生育期降雨总量（mm），Ss为播种期0—200 cm土层蓄水量（mm），Sh为成熟期0—200 cm土层蓄水量（mm）；WUE为水分利用效率（kg·hm-2·mm-1），Y为籽粒产量（kg·hm-2）。

1.4.3 产量和经济效益 冬小麦收获期，每小区沿对角线方向选取长势均匀的3个样点，每样点取1.0 m2进行测产。

经济效益（元/hm2）= 产量收益（元/hm2）-生产投入（元/hm2）。产量收益为籽粒产量（kg·hm-2）×市价（元/kg），试验期间冬小麦平均市价为2.2元/kg。2007—2018年试验期间种子、肥料、机械作业及药剂费用均以试验期间多年平均值进行计算（表4）。

表4 冬小麦生产投入情况

Table 4 Total input of winter wheat production

供试品种每季播种量为150 kg·hm-2；N，免耕；S，深松

The sowing amount of the tested varieties is 150 kg·hm-2per year; N, no-tillage; S, subsoiling

1.5 数据分析

本文选取2009—2018年相关数据进行分析。采用Excel 2016软件计算数据，SPSS 17.0（SPSS Inc.，Chicago，IL，USA）软件进行差异显著性检验（LSD法）和相关性分析，制图软件为Origin 2015。

2 结果

2.1 冬小麦休闲期0—200 cm土层蓄墒情况

休闲初期冬小麦0—200 cm土层蓄墒量受年型影响较小，但经雨季休闲，不同降水年型0—200 cm土层蓄墒量表现为丰水年型（453.1 mm）＞干旱年型（365.7 mm）＞平水年型（343.9 mm），丰水年型较干旱和平水年型分别增墒23.9%和31.8%（图2）。丰水年型NNS、NS和N处理0—200 cm土层蓄水量较休闲初期分别提高169.5、187.5和192.0 mm，N处理较NS和NNS处理分别增墒13.3%和2.4%；干旱年型，0—200 cm土层蓄水量较休闲初期N处理增幅较小（81.7 mm），而NS处理增幅较大（106.1 mm），较N和NNS处理分别提高29.9%和27.1%；平水年型，NNS、NS和N处理麦田0—200 cm土层蓄水量较休闲初期分别提高49.1、78.3和91.5 mm，N较NNS和NS处理分别增墒42.4和13.2 mm。

休闲期蓄积更多的自然降水，有利于提高麦田底墒，为冬小麦适期播种提供保障。冬小麦休闲期0—200 cm土壤蓄水量受降水年型影响显著，具体表现为丰水年型蓄墒量最高，干旱年型次之，平水年型较低。在丰水和平水年型N处理增墒效果较好；在干旱年型NS处理增墒效果较好。

同一降水年型不同字母表示耕作处理间差异达到显著水平（P＜0.05）。下同

2.2 冬小麦生育期0—200 cm土层蓄墒情况

降水年型对冬小麦生育期0—200 cm土层蓄墒效果影响显著（图3）。不同降水年型冬小麦生育期0—200 cm土层平均蓄水总量为丰水年（345.1 mm）＞干旱年（323.9 mm）＞平水年（296 mm），丰水较干旱和平水年型分别增墒6.5% 和16.6%。不同耕作处理0—200 cm土壤蓄墒量随冬小麦生长发育进程而逐渐降低，经拔节期和灌浆期不同程度耗水后，灌浆期与成熟期蓄水量无显著差异。在干旱年型，NNS，NS和N处理冬小麦生育期0—200 cm土壤蓄水量分别降低117.3、143.2和106.7 mm，以NS处理土壤水分消耗量最多；在丰水和平水年型，NNS、NS和N处理0—200 cm土壤蓄水量分别降低197.3、226.9和227.3 mm（丰水年型）和71.9、78.5和80.0 mm（平水年型），且均以N处理土壤水分消耗量最多。

R—返青期；E—拔节期；G—灌浆期；H—成熟期

生育期蓄水保墒效果将直接影响冬小麦生长发育状况，最终直观体现在产量水平。冬小麦生育期0—200 cm土壤蓄墒效果受降水年型显著影响，表现为丰水年型＞干旱年型＞平水年型。在干旱年型NS处理生育期耗水量最多；丰水和平水年型N处理土壤水分消耗量最多。

2.3 冬小麦关键生育时期0—200 cm土层水分剖面分布

无论何种降水年型，冬小麦均在拔节期至灌浆期期间急剧耗水，干旱、丰水和平水年型灌浆期0—200 cm土壤平均蓄水量分别较拔节期降低27%、56%和12%，且丰水年型较干旱和平水年型分别显著提高耗水量1倍和3倍以上（图4）。此外，无论何种降水年型冬小麦拔节期、灌浆期和成熟期各处理蓄墒量均在0—100 cm土层表现出不同程度的波动，而在120—200 cm相对较深的土层，土壤蓄水量基本呈“先增后减”的稳定变化趋势。

误差线表示相同土层耕作处理间差异达到显著水平（P＜0.05）

不同生育时期及降水年型条件下各耕作处理平均蓄水量差异显著。拔节期干旱和平水年型各处理分别在160—180 cm和0—40 cm土层差异最显著，NNS较N和NS处理分别在干旱年型增墒8.6%和9.2%，在平水年型增墒7.7%和9.7%；丰水年型各处理在100—120 cm土层差异最显著，N较NS和NNS处理分别增墒2.0%和4.5%；同理，灌浆期干旱年型各处理在120—140 cm土层差异最显著，NS较N和NNS处理分别增墒5.1%和13.9%；丰水年型各耕作处理在100—120 cm土层差异最显著，N较NS和NNS处理分别增墒5.4%和6.7%；平水年型各处理在140—160 cm土层差异最显著，NNS较NS和N处理分别增墒2.9%和3.1%；在冬小麦成熟期，干旱和丰水年型各处理分别在80—100 cm和120—140 cm土层差异最显著，N较NNS和NS处理分别在干旱年型增墒7.1%和15.5%，在丰水年型增墒15.0%和11.6%；平水年型各处理在0—40 cm土层差异最显著，NNS较N和NS处理分别增墒7.4%和4.5%。

2.4 冬小麦ET、WUE和产量

冬小麦ET、WUE和产量受降水年型影响显著（表5）。丰水年型平均ET、WUE和产量分别为397.0 mm、13.8 kg·hm-2·mm-1和5 308 kg·hm-2，较干旱和平水年型ET分别增加43.6%和12.8%，WUE分别提高21.1%和16.3%，平均增产70.0%和25.8%。

在干旱年型，NNS、NS和N处理ET波动范围分别为226.2—232.3、235.7—329.0和251.3—340.9 mm，NS和N处理平均ET（282.3和282.6 mm）较NNS处理显著增加6.6%和6.8%；同理，各处理WUE分别为10.8—13.9、9.0—15.3和9.5—11.8 kg·hm-2·mm-1，产量分别为2 444—3 656、2 544—3 611和2 389—4 022 kg·hm-2，其中NNS处理平均WUE（12.3 kg·hm-2·mm-1）和产量（3 238 kg·hm-2）最高，较N处理分别显著提高16.5%和8.0%。在丰水年型，NNS、NS和N处理ET波动范围分别为359.1—440.4、344.3—468和344.9—425.2 mm，NNS和NS处理平均ET（399.8和406.2 mm）较N处理显著增加3.8%和5.5%；各处理WUE分别为11.0—17.8、9.1—17.9和12.0—14.8 kg·hm-2·mm-1；产量分别为4 833—6 408、4 250—6 161和5 083— 5 113 kg·hm-2，其中NNS处理平均WUE（14.4 kg·hm-2·mm-1）和产量（5 621 kg·hm-2）较N处理分别显著提高8.0%和10.2%。在平水年型，NNS、NS和N处理ET波动范围分别为276.3—373.2、310.8—436.4和310.2—427.9 mm，NS和N处理平均ET（367.4和358.5 mm）较NNS处理分别显著提高11.3%和8.6%；各处理WUE分别为10.1—15.0、10.4—13.3和9.3—13.9 kg·hm-2·mm-1，NNS处理平均WUE（12.1 kg·hm-2·mm-1）最高，较NS处理显著提高5.5%；各处理产量分别为2 792— 5 612、3 347—5 817和2 881—5 333 kg·hm-2，NS和N处理平均产量（4 282和4 297 kg·hm-2）较NNS处理分别显著增加5.0%和5.4%。另外，多年定位试验结果表明NS 和N处理多年平均ET（338.2和330.7 mm）分别较NNS处理显著提高6.9%和4.5%；NNS处理多年平均WUE（12.7 kg·hm-2·mm-1）分别较NS和N处理显著提高7.6%和9.5%，且NNS处理多年平均产量（4 048 kg·hm-2）较N处理显著提高3.8%。

可见，丰水年型冬小麦WUE较高，增产效果显著。NNS处理在干旱和丰水年型高效用水及增产效应显著；在平水年型N处理增产效果较好。同时，多年试验结果表明NNS处理具备相对稳定的节水增效的生产正效应。

2.5 冬小麦生产收益与经济效益

2009—2018年冬小麦生产收益与经济效益情况如表6所示，降水年型对冬小麦生产收益和经济效益影响显著。丰水年型平均生产收益和经济效益最高，分别为11 678元/hm2和6 891元/hm2，较干旱和平水年型分别增收70.0%和25.8%，增效2倍和1/2倍以上。

在干旱年型，免耕和深松轮耕处理生产收益和经济效益均高于N处理，其中NNS较N处理增收8.0%，增效14.4%。在丰水年型，各处理生产收益均突破10 000元/hm2，其中NNS较N处理增收10.2%，增效17.6%。在平水年型，N处理生产收益（9 453元/hm2）和经济效益（4 773元/hm2）最高，较NNS和NS处理分别增收5.3%和0.4%，增效15.7%和4.4%。多年试验结果表明，NNS和NS处理平均生产投入（4 852和4 907元/hm2）分别较N处理增加172和227元/hm2，但产量收益均以免耕和深松轮耕处理较高，其中NNS处理平均产量收益较N处理提高329元/hm2，差异显著，经济效益也显著高于N处理，提高162元/hm2。

表5 不同降水年型各耕作处理冬小麦ET、WUE与产量情况

ET，播种期—成熟期蒸散量；WUE，水分利用效率；Yield，产量。平均值为全部试验年份的平均值（2009—2018年）。相同年型同列不同字母表示处理间差异达到显著水平（＜0.05）。下同

ET, values of evapotranspiration from sowing to harvesting stages; WUE, water use efficiency; Yield, yield of winter wheat. The average of all years during the 2009-2018 trial. Different letters under the same rainfall pattern and volume are significantly different among treatments at＜0.05. The same as below

表6 不同降水年型冬小麦生产收益与经济效益情况

可见，在丰水年型冬小麦经济效益较高。免耕和深松轮耕措施受深松作业及其频次影响均不同程度增加了生产成本，但其对经济效益的影响并不是绝对的。相比NS处理，NNS处理能以相对较少的深松频次，实现产投比间的协调平衡，并以较高的产量收益实现经济收益的最大化。

3 讨论

3.1 不同降水年型各耕作处理休闲期及生育期蓄水增墒效果

耕作措施可改变麦田土壤结构，从而影响其蓄水保墒效果[28-29]。相关研究表明，在休闲期降雨相对集中的旱区，采用秸秆覆盖免耕保护性耕作方式，其休闲期蓄水量较高[30]；侯贤清等[31]在宁南旱区的研究认为，2年免耕1年深松和2年深松1年免耕的保护性轮耕措施较传统翻耕措施，可显著降低土壤表层体积质量，提升麦田蓄水增墒能力。本试验研究结果表明，降水年型对冬小麦休闲期0—200 cm土壤蓄墒效果影响显著，并以丰水年型蓄墒效果较好。休闲期丰水和平水年型，N处理蓄墒效果较好，干旱年型以NS处理蓄墒效果较好。可能是由于休闲期地表秸秆覆盖能在一定程度上减少地表水分无效蒸发。在降雨相对充足的丰水和平水年型，连续免耕（N）处理0—100 cm土层水分能得到及时补充，从而缓解其水分匮乏状况；干旱年型在免耕基础上进行深松作业，能改善土体结构，增加土壤蓄水保墒的深度和性能[32-33]，进而提高麦田蓄墒水平。冬小麦生育期丰水年型0—200 cm土壤蓄墒总量最高，较干旱和平水年型分别增加6.5%和16.6%。拔节期、灌浆期和成熟期，受降水和冬小麦生长影响，无论何种降水年型，麦田0—100 cm土层蓄墒量波动较大，但120—200 cm深层土壤蓄水量基本呈“先增后减”的稳定变化趋势，并以免耕和深松轮耕措施蓄水效果较好。这可能是适度深松能缓解长期免耕带来的土壤紧实问题[34]，促进水分向深层入渗，与冬小麦生长发育阶段需水逐渐加深趋势一致，能增强土壤透气性和贮水能力，扩大土壤水库容[35]。

3.2 不同降水年型各耕作处理水分利用效率

科学的耕作措施，能营造“虚实并存”的耕层结构，减少土壤水分无效蒸发，最大限度地提高WUE[36-38]。本试验研究结果表明，降水年型对冬小麦ET和WUE影响显著，丰水年型较干旱和平水年型ET平均提高43.6%和12.8%，WUE增加21.1%和16.3%，增产70.0%和25.8%。同时，无论何种降水年型，NNS处理均能保持较高的水分利用效率，这可能是由于麦田秸秆覆盖能够减少地表因裸露造成的水分无效蒸发，同时适度深松能够改善麦田土层结构和孔隙分布，利于冬小麦根系生长，增强其根系吸水和用水能力，促进更多有效水分参与冬小麦生长发育进程，进而提高其WUE和产量。特别是在干旱年型条件下，适度深松对促进麦田WUE的提高效果更显著，这与前人研究结果相一致[39-40]。

3.3 不同降水年型各耕作处理冬小麦产量及经济效益

轮耕方式不仅能改善麦田土壤孔隙状况，降低土壤体积质量和紧实度，还能促进冬小麦籽粒萌发，提高产量[41]；靳海洋等[42]对砂姜黑土连续周年耕作对夏玉米-冬小麦田产量等影响的研究也表明，进行深松-旋耕、深松-免耕轮耕措施，作物籽粒产量显著增加。本试验研究结果表明，降水年型对冬小麦产量收益和经济效益影响显著。丰水年型生产收益和经济效益最高，较干旱年型增收70.0%，增效近2倍以上。干旱和丰水年型NNS处理产量收益和经济效益最高，平水年型N处理产量收益和经济效益最高。受深松作业影响，NNS和NS处理在一定程度上增加了生产投入成本，但其并非是决定经济效益高低的关键因素。多年试验结果显示，NNS较NS处理能以相对适宜的深松次数节省生产成本，并以较高的籽粒产量实现经济效益的最大化。这也表明免耕基础上实施深松作业具有较好的增产增收潜力，但深松次数需适宜。本试验在连续免耕2年后第3年深松（NNS）的轮耕措施冬小麦产量及经济效益最优。

4 结论

增强麦田深蓄水能力，进而提高其WUE是雨养旱地冬小麦增产增效的关键。丰水年型较干旱和平水年型能分别提高休闲期（23.9%和31.9%）和生育期（6.5%和16.6%）0—200 cm土壤蓄墒量，并在冬小麦水分急剧消耗的拔节期至灌浆期，分别增加耗水量1倍和3倍以上，且较干旱和平水年型WUE分别提高21.1%和16.3%，增产70.0%和25.8%，增效2倍和1/2倍以上。

干旱、丰水和平水年型分别以免耕/深松（NS）（106.1 mm）、连续免耕（N）（192.0 mm）和连续免耕（N）（91.5 mm）处理休闲期0—200 cm土壤蓄墒效果较好；生育期0—100 cm土壤蓄墒效果受降雨和冬小麦生长发育影响波动较大，但120—200 cm深层土壤蓄水量基本呈“先增后减”的稳定变化趋势，并以免耕和深松轮耕措施蓄墒效果最佳；免耕/免耕/深松（NNS）处理在干旱和丰水年型WUE及增产增效优势显著。尽管受深松作业及其频次影响，NNS和NS处理分别增加生产成本172和227元·hm-2，但NNS处理能以适宜的深松频次节省生产成本，并以较高的籽粒产量实现经济效益的最大化，具有减耗节水、提高冬小麦WUE和节本增效的优势，特别是在连续9年定位试验中的干旱年型（4年）和丰水年型（2年）都具有稳定突出的生产正效应。因此，从长远生产效益及绿色低耗高效的生产目标综合分析，免耕/免耕/深松（NNS）轮耕措施应为黄土旱区冬小麦蓄墒增产增收的最适耕作方式。

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Effects of No-Tillage/Subsoiling Rotational Tillage System on Increasing Soil Water Storage and Crop Yield Under Different Precipitation Patterns of Winter Wheat in the Loess Plateau

YU Qi, LI Jun, ZHOU Dong, WANG ShuLan, WANG Hao, LI Ao, ZHANG YuanHong, NING Fang, WANG XiaoLi, WANG Rui

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

【】The aims of this study were to provide scientific basis for the selection of tillage method of soil moisture accumulation and yield increase in different precipitation types of winter wheat in the arid region of China. 【】Long-term no-tillage and subsoiling rotational tillage experiments were carried out in the Loess Plateau dryland, Shaanxi province from 2007 to 2018. Three tillage treatments, including no-tillage/no-tillage/subsoiling(NNS), no-tillage/subsoiling(NS) and continuous no-tillage (N), were set up to compare and analyze the effects of different precipitation patterns and tillage treatments on soil water storage, ET, WUE, yield and economic profits of winter wheat during its summer-fallow and growth period. 【】Different precipitation patterns had significant impact on soil water storage, ET, WUE, yield and economic profits during the fallow and growth period of winter wheat. Compared with dry and normal year, the soil water storage of 0-200 cm soil layer in fallow period (23.9% and 31.9%) and growth period (6.5% and 16.6%) of winter wheat could be increased in humid precipitation pattern, and the water consumption in elongation and grain-filling period of winter wheat with rapid water consumption increased by more than 1 and 3 times, respectively; whilst, the WUE increased by 21.1% and 16.3%, yield increased by 70.0% and 25.8%, and economic profits increased by more than 2 and 1/2 times, respectively. The soil water storage of 0-200 cm in fallow period was better treated by dry, humid and normal year under no-tillage/subsoiling (NS) (106.1mm), continuous no-tillage (N) (192.0 mm) and continuous no-tillage (N) (91.5 mm), respectively. The soil water accumulation of 0-100 cm in the growth period fluctuates greatly under the influence of precipitation and the growth of winter wheat. However, the soil water storage in 120-200 cm soil depth showed a stable change trend of “first increase, then decrease”, and the water storage effect of no-tillage and subsoiling rotational system was better. No-tillage/no-tillage/subsoiling (NNS) treatment had significant advantages in prompting yield and increasing the WUE in dry and humid year. In normal year, the yield and economic profits of continuous no-tillage (N) treatment were the highest, 4 297 kg·hm-2and 4 773 yuan/hm2, respectively. Under the influence of subsoiling and its frequency, the production cost of no-tillage/no- tillage/subsoiling (NNS) and no-tillage/subsoiling (NS) average increased by 172 and 227 yuan/hm2, respectively, but the level of production input was not the key factor affecting economic profits. Compared with no-tillage/subsoiling (NS) treatment, no-tillage/no-tillage/subsoiling (NNS) treatment could save production input with less subsoiling frequency and increase grain yield at the same time to maximize economic benefits. It had the advantages of reducing consumption and saving water, improving WUE and saving cost of winter wheat and increasing economic profit and maintains a positive production effect in most experimental years, also had more universal application. 【】Based on the comprehensive analysis of sustainable agricultural production and the development goals of green, low consumption and high water efficiency, no-tillage/no-tillage/subsoiling (NNS) rotational tillage was recommended as the most suitable tillage method for the winter wheat continuous cropping field in the Loess Plateau.

Loess Plateau; winter wheat; no-tillage and subsoiling rotational system; soil water storage conservation; yield;economic profit

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.11.003

2019-01-10；

2019-03-18

国家科技支撑计划（2015BAD22B02）、国家自然科学基金（31571620，31671641）、国家公益性行业（农业）科研专项（201503116）

于琦，E-mail：yq@nwsuaf.edu.cn。通信作者李军，E-mail：junli@nwsuaf.edu.cn

（责任编辑 杨鑫浩）