土壤耕作与春季灌水次数对冬小麦产量要素与经济效益的影响

辛秀竹，石怡彤，张璐鑫，甄文超，尹宝重

（1.河北农业大学植物保护学院，河北保定071001；2.河北农业大学农学院，河北保定071001；3.省部共建华北作物改良与调控国家重点实验室，河北保定071001；4.河北省作物生长调控重点实验室，河北保定071001）

小麦是我国重要口粮作物，2018年我国小麦播种面积2 426.8 万hm2，总产1.31 亿t，对保障国家粮食安全具有重要作用[1]。我国80%以上的小麦种植在干旱和半干旱地区，水分条件是小麦持续高产的首要限制因素。在黄土高原和华北平原，采用单一深松或旋耕/免耕/深松交替，显著提高土壤含水量[6-8]；在巴基斯坦[9]、美国[10]等地小麦种植中也均采用过深松技术以实现水分储蓄和农田增产。尤其在多年采用少免耕，耕层较浅的小麦产区，通过适宜耕作方式提升农田对灌水和降水的储蓄具有重要意义[6,11-13]。因此，以水资源匮乏的华北平原小麦产区为代表，越来越重视节水条件下小麦丰产、稳产与资源高效利用研究[2,3]。比如，卢小兰等[4]通过测墒补灌，实现了精量灌水条件下的小麦节水丰产；闫正宗等[5]在地下水压采区开展了小麦最佳灌水次数和灌水量研究。这类研究报道均表明，通过优化灌水时期、灌量和次数可以同步实现节水丰产。

海河平原位于华北平原北部，是我国冬小麦主产区之一，同时也是水资源严重匮乏区域[14]。该区为冬小麦-夏玉米一年两熟种植区，玉米季免耕、小麦季浅旋耕为主要耕作方式，而长年少免耕，已明显造成农田耕层变浅，不仅影响了根系下扎，且不利于降水和灌水的储蓄。因此，改进耕作方式，完善该区小麦节水丰产技术已十分迫切。本研究以海河平原常规旋耕和春季2次灌水为对照，研究土壤深松耕作与春季不同灌水次数组合对小麦产量要素及农田综合效益的影响，旨在为海河低平原区小麦节水丰产高效栽培提供理论和技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016-2019年小麦生长季，在河北农业大学辛集实验站（河北省辛集市马庄乡，115.22°E，37.92°N）进行。试验区土壤为黏性壤土，0～20 cm 耕层土壤有机质14.214 2 g/kg、全氮1.21 g/kg、碱解氮64.9 mg/kg、速效磷23.8 mg/kg、速效钾120.6 mg/kg。试验区小麦季常年降水量128.6 mm，2016年和2018年小麦季试验区降水量分别为107.5 mm和63.9 mm，2017年小麦季因试验区降水量较大（216.5 mm），导致灌水处理未能正常进行，故未进行数据采集。

1.2 试验设计

供试小麦品种为石麦15（国审麦2009025），试验设4 个处理：①旋耕+春季2 次灌水（简称RT2，常规对照）；②深松+春季1 次灌水（ST1）；③深松+春季2 次灌水（ST2）；④旋耕+春季1 次灌水（RT1）。每处理3 次重复，每重复1 个小区，小区面积200 m2，采用随机区组设计。2 个生长季均于10月12日播种，播量195 kg/hm2，6月12日收获。土壤耕作和灌水方式如下。

（1）土壤旋耕。前茬玉米秸秆还田，1GN-180 型旋耕机旋耕2遍，作业深度15 cm。机播后镇压。

（2）土壤深松。前茬玉米秸秆全量粉碎还田，WLSG-2700型深松旋耕镇压整地机作业一遍，作业深度25 cm。

（3）灌水方式。春季2次灌水处理的灌水时期为小麦起身后期和开花期；春季1次灌水处理的灌水时期为拔节期，目标灌水量均为0～80 cm 土层相对含水量90%。灌水量采用水表计量，各处理灌水时期和灌水量见表1。

表1 不同处理灌水时期、灌水量及灌水后实际土壤相对含水量Tab.1 Irrigation period，irrigation amount and actual soil relative water content of different treatments

1.3 测定内容与方法

（1）小麦群体动态与开花结实特征。于小麦三叶（TP）、冬前（WP）、返青（RP）、拔节（JP）、开花（AP）和完熟（EP）等时期，每小区选1 m×1 m 计数总茎数（完熟期为穗数），折合单位面积茎数（穗数）。小麦抽穗开始，每3 d 取样1次，每次每小区随机采集取20穗，至开花期结束。计数有完整绿色花药的可孕小花数[15]和退化小花数。成熟期每小区随机选取20 穗，计数每穗小穗数、穗粒数、结实小穗数、不孕小穗数。

（2）小麦灌浆速率与产量。花后第6 d开始，每隔3d取样1次，每小区选20个长势均匀的麦穗，测定籽粒干重，计算灌浆速率。用Logistic方程y，对籽粒灌浆过程拟合。

式中：a为终极生长量；t为开花后天数；b和c为参数[16,17]。

根据方程推导出快速灌浆时间段起始时间（T1）、终止时间（T2），假定y达a的97%时为灌浆期缓增期终止时间(T3)，则灌浆渐增期为T1-0，快增期为T2-T1，缓增期为T3-T2，相应阶段灌浆速率分别为V1、V2、V3；灌浆期最大灌浆速率和出现时间分别为Vmax和Tmax，平均灌浆速率和活跃灌浆分别为Vmean和D。小麦成熟期，每小区随机选取1 m×1 m 为样本，收获籽粒经自然风干后称质量，折算每公顷产量。

（3）经济效益评价。小麦种植成本总投入=物质与服务费用（种子费用+化肥费用+农药费用+灌溉费用+机械费用）+人工成本+土地成本，根据2016年小麦季试验田平均数据，折合种子费用498.15 元/hm2，化肥费用1 647.75 元/hm2，农药费用498.15 元/hm2，灌溉费用637.65 元/hm2，机械费用2 446.65 元/hm2，人工成本1 630.95 元/hm2，土地成本4 996.5 元/hm2；按小麦平均价格2.2 元/kg，总产出=产量×2.2 元/kg。产投比=（总投入/总产出）×100%。

1.4 数据统计与分析

通过SPSS 24.0 统计分析软件进行数据分析和差异显著性检验（Duncan 法），采用Origin 9.0软件做图。

2 结果与分析

2.1 不同土壤耕作方式与春季灌水次数对冬小麦群体动态与有效穗数的影响

由图1可知，相同灌水条件下，三叶至越冬期各处理总茎数无显著差异；而在返青期深松处理2个生长季总茎数比旋耕处理平均高10.8%，拔节期平均高10%，均达差异显著水平；开花期各处理总茎数无显著差异。成熟期，各处理穗数相比，同次数灌水条件下，深松处理比旋耕处理有效穗数增多，但差异不显著；相同土壤耕作条件下，2 次灌水处理比1 次灌水处理有效穗数也无显著差异。总体来看，相同灌水次数下，虽然最终成穗数差异不显著，但深松处理比旋耕处理在返青至拔节期群体数量明显增加，较高的群体则意味着会形成更多的次生根，这有利于小麦抗旱性提高，对后期产量形成也更为有利。

图1 不同处理麦田总茎数（穗数）Fig.1 Total stems(spikes)of different treatments

2.2 不同土壤耕作方式与春季灌水次数对冬小麦开花结实的影响

由表2可知，同为春季2 次灌水的ST2 与RT2 处理相比，小花数、可孕小花数、小花退化率、小穗数和结实小穗数无显著差异，不孕小穗数与不孕小穗比例显著降低，2个生长季平均分别降低21.4%和21.3%；同为1 次灌水的ST1 与RT1 处理相比，小花数、可孕小花数、结实小穗数明显提高，同时不孕小穗数和不孕小穗比例则明显下降；不同处理对穗粒数影响较大，春季2 次灌水的ST2 和春季1 次灌水的ST1 处理，穗粒数均分别高于同次数灌水的RT2 和RT1 处理，2 个生长季平均高分别3.2%和5.7%。各指标与穗粒数相关性分析表明，小花数、可孕小花数和结实小穗数与穗粒数显著正相关，而不孕小穗数和不孕小穗比例则与穗粒数显著负相关，小花退化率和小穗数与穗粒数无显著相关关系（表3）。对粒重而言，可孕小花数、结实小穗数和不孕小穗比例影响最为显著。

表2 不同耕作与春季灌水次数下小麦开花结实状况Tab.2 Characteristics of wheat flowering and fruiting under different tillage and irrigation methods

表3 小麦灌浆特征值与千粒重相关性Tab.3 Correlation between characteristic value of wheat grain filling and 1000 grain weight

2.3 不同土壤耕作方式与春季灌水次数对冬小麦粒重的影响

由表4可知，相同灌水次数下，T1无明显差异，但ST1处理的T2 比RT1 处理延后，2年平均延后1.9 d；T3 也有类似趋势，2年平均延后3.1 d，占活跃灌浆期的16.2%。不同处理的Tmax相比，2 水处理较为相近，ST1 处理则比RT1 有所延后（1.1 d），其中2016年表现较为明显（延后1.5 d）。ST2 和RT2相比，灌浆活跃时间差异不明显，但ST1 处理比RT12 个生长季平均延长3.4d。另外，各处理V1 值差异较小，而快增期则表现为ST1 低于RT1，2 个生长季平均值低7.6%，缓增期也有类似规律。同时，ST1 处理与RT1 相比，Vmean和Vmax值均有所下降，而ST2与RT2相比，Vmean和Vmax则无明显规律。

表4 不同处理灌浆模拟方程参数及灌浆特征值Tab.4 Simulation equation fitting parameter and characteristic value of grain filling for different treatments

同次数灌水的深松条件下2 个处理千粒重和旋耕处理相比，深松处理2个灌水次数的处理千粒重也均显著高于同样灌水次数旋耕条件下处理，2个生长季平均高4.8%。总体看，春季1水条件下，深松处理比旋耕处理Vmean和Vmax并未有效提升，但可明显延长有效灌浆期；2水条件下，降水较多的2016年表现为深松处理比旋耕处理提升灌浆速率，而降水较少的2018年则为延长活跃灌浆期；而2个生长季整体分析，灌浆不同阶段到来早晚、渐增期时间长短和Vmax到来时间与最终粒重相关性较高，在P＜0.05水平上差异显著（表5）。另外，分析产量构成要素与产量相关性可知，小麦产量水平超过7 000 kg/hm2条件下，穗粒数与粒重与产量相关性更大，相关系数r均超过0.9。

表5 小麦灌浆特征值与千粒重相关性Tab.5 Correlation between characteristic value of wheat grain filling and 1000 grain weight

2.4 不同土壤耕作方式与春季灌水次数下冬小麦生产的经济效益评价

由表6可知，采用深松施肥旋耕一体化作业可有效降低农田耕作施肥投入，显著提高农田投入与产出比。不同耕作方式相比，ST1 和ST2 处理简化了物质与服务费用，比RT1 和RT2 处理投入降低1/3（600 元/hm2）；不同灌水次数相比，春季1次灌水的ST1和RT1两项比ST2和RT2在2个生长季中平均降低45.8%。不同处理单位面积总投入相比，同次数灌水的深松处理均显著低于旋耕处理，ST1 比RT1 降低7.9%，ST2 比RT2 降低6.5%；深松处理可同样提高产量，同为2 次灌水的ST2 处理籽粒产量比RT2 处理2 个生长季平均提高6.5%，同为1 次灌水的ST1 比RT1 提高幅度更大，为13.1%，总产出也获得相应幅度提升。深松处理对提高收获指数和产投比也有积极意义，ST2 比RT2 分别提升4.8%和28.1 个百分点，ST1 比RT1分别提升和11.3%和46.0个百分点。

表6 不同耕作与灌水方式下麦田投入与产出Tab.6 Input and output of wheat field under different tillage and irrigation methods

3 讨 论

3.1 耕作方式与灌水对小麦产量要素的影响

耕作对土壤环境，作物根系生长发育，以及产量形成具有显著影响[1,3,18]。尤其对小麦季连年浅旋耕、玉米季免耕造成耕层变浅、犁底层上移的海河平原，急需打破犁底层，促进水分入渗，诱导作物根系深扎的耕作技术。研究认为，深松是一种可不大规模翻动土层且打破犁底层、增加土壤水分入渗的耕作技术[19]，在黄土高原[3,20]、华北平原[21,22]等中国冬小麦主产区，以及巴基斯坦[9]、美国[10]、瑞士[11]等小麦产区，均有在耕作体系中融入深松，实现水资源高效利用并提升小麦产量的相关报道。同时，也有围绕深松与灌水次数组合对小麦节水增产效应的研究，比如王永华等[23]报道，与常规旋耕+不同灌水组合相比，采用深松+拔节期灌1 水处理产量最高，且指出耕作方式主要通过调控千粒重影响产量，灌水次数则主要通过调控穗粒数和千粒重而影响产量。高志强等[24]也报道，间隔年份深松，同等灌水条件下有利于增加小麦粒重。

本研究发现，春季减少灌水次数，旋耕处理麦田穗数降低，但深松处理不显著；相同灌水次数下深松处理可提高穗粒数和粒重，并提高产量。从产量构成要素分析，相同灌水次数下，深松处理与旋耕处理相比，虽然成穗数差异不大，但在返青至拔节群体明显增大，较高的群体显示深松处理次生根数量会更多，这十分有利于小麦抗逆性提高，对后期产量有重要意义。深松可有效提升小麦小花数、可孕小花数和结实小穗数，并降低不孕小穗数和不孕小穗比例，且1次灌水条件下深松处理的调控效应更为显著；深松处理可延长灌浆活跃期，提高粒重，且同样表现为1次灌水的更明显。由此可见，深松处理对小麦生长的整体调控在春季1次灌水下更为显著，这说明深松处理适于在节水条件下运用，利于提高作物抗逆性；而小麦抗逆性的提高，这对保证二棱期穗分化前期的小穗数分化、颖片分化，形成足够小穗和小花数量，保障灌浆有重要作用；这也支持了前人有关增加小花分化、减少小花退化是提高穗粒数根本途径的研究结果。同时，延长灌浆活跃期，说明深松可延缓早衰，利于在逆境年份提高粒重，比如本研究中的2018-2019年相对干旱则灌浆活跃期延长较多。

3.2 不同土壤耕作与灌水模式对麦田经济效益的影响

土壤耕作作为一种农事管理措施，与整个作物生产系统是否配套，是否适于推广，不仅体现在技术效果上，还要考虑成本和产出，但目前薄弱的就是这部分，这也使得很多土壤耕作技术在理论研究中意义很大，但推广却相对困难。因此，越来越多的研究开始评估包括土壤耕作、灌水及其他农事管理措施的节本增效价值。比如，HE J 等[21]在黄土高原开展的研究表明，与传统翻耕相比，4年免耕/1年深松小麦经济效益209%，但如每年深松经济效益则仅为135%，且指出在中国北方推广深松联合作业机械的必要性；李洪文等[22]在山西的研究也有类似结论。本研究显示，同等灌水次数下，深松处理总产出均显著高于免耕处理，而减少1 次灌水的ST1 处理依然与RT2 对照无显著差异，且显著高于同为1 次灌水的RT1处理。虽然本研究受研究时间所限，未对长时期轮耕效益进行评价，但也为下一步的研究提供一种方向，即深松技术之所以在现阶段普及度不高，作业繁琐、投入高是重要因素；而通过联合作业机械，既实现了深松改善土壤性状的优势，与适宜时期灌水相结合促进作物生长与产量形成，且可有效降低投入，对水资源紧缺地区轮耕体系的完善有重要参考价值。

4 结 论

在海河平原小麦玉米一年两熟种植区，通过土壤深松可有效弥补春季减少1次灌水对作物生长的不利影响，同次数灌水条件下，深松处理可促进春季分蘖形成，但对有效穗数影响不显著；深松处理可降低不孕小穗数和不孕小穗比例，并在不同年型通过延长灌浆活跃期或提高灌浆速率增加粒重，最终实现产量和效益同步提升，其中春季1水处理的调控效应表现更为显著。