免耕对冬小麦-夏玉米周年产量及水分利用的影响

丁晋利，何先进，高 荣

(1.郑州师范学院地理与旅游学院，中国 郑州 450044;2.邯郸市水利水电勘测设计研究院，中国 邯郸 056000;3.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，中国 杭州 311122)

冬小麦和夏玉米是我国北方主要的粮食作物，其种植面积在2016年分别达到了2 419.1和3 540.0万公顷[1]。河南省作为我国粮食主产区，冬小麦-夏玉米轮作模式为我国粮食安全提供了重要保障，但近年来由于水资源短缺及季节性干旱严重影响了冬小麦和夏玉米的产量[2-4]。同时，长期传统耕作方式的土壤蓄水保墒能力较弱，土壤水分散失严重[5]。因此，采用有效的农艺节水措施，提高水分利用效率是冬小麦和夏玉米节水栽培的重要途径[6,7]。

以免耕为核心的保护性耕作，能够改善土壤结构，保持土壤水分，提高作物产量[8-10]。但也有研究表明，长期免耕可以导致土壤容重增大，耕层变浅，作物产量降低[11]。秸秆覆盖也能够提高土壤水分含量[12]，增加作物产量和水分利用效率[13,14]。前人关于耕作研究多集中于免耕或秸秆还田对单一作物生长周期土壤水分及产量的影响，较少研究周年产量及周年水分生产力的变化特征。本研究通过3年耕作试验，研究免耕+秸秆覆盖和免耕措施对冬小麦-夏玉米轮作模式土壤贮水量、作物耗水特性、周年产量及水分利用效率影响，以期为河南省推广保护性耕作提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

定位试验于2014—2017年在河南省中部禹州农业试验基地(34.16°N，113.15°E，海拔100 m)进行。该地区位于河南省中部，属温带大陆性季风气候，多年平均降水量为674.9 mm，其中60%以上的降水量集中在7～9月份，存在较严重的季节性干旱。该地区的土壤为褐土，黄土性母质，土层深厚，质地疏松，肥力均匀，土壤的理化性质如表1所示。

表1 试验前土壤的理化性质Table 1 Soil physical and chemical properties before the experiment

试验采用随机区组设计，试验共3个处理，分别为传统耕作(CT)、免耕(NT)和免耕+秸秆覆盖(NTS)。土壤耕作在冬小麦播种前实施，传统耕作采用铧式犁翻耕1遍，耕作深度15 cm，随后耙地1遍，以便于播种小麦。免耕是在前茬玉米收获后，玉米残茬粉碎还田，冬小麦播种前耙地2遍，无其他措施；免耕秸秆覆盖措施是玉米收获后，玉米残茬粉碎还田，当小麦播种出苗后，将夏玉米秸秆粉碎至5 cm左右小段，按4 500 kg·hm-2覆盖地表。同样，在玉米苗期，将小麦秸秆粉碎(4 500 kg·hm-2)覆盖地表。

种植的冬小麦和玉米品种分别为“矮抗58”和“郑丹958”，播种量分别为150 kg·hm-2和75 000株·hm-2，冬小麦播种时间为10月中上旬，收获时间为次年5月下旬。夏玉米为6月初播种，9月底收获。冬小麦播种前施用氮肥(纯氮225 kg·hm-2)、过磷酸钙(P2O5105 kg·hm-2)和钾肥(KCl 75 kg·hm-2)，一次性底施；玉米播种前使用氮肥和磷肥(纯氮120 kg·hm-2和P2O5100 kg·hm-2)。为了保证小麦正常出苗，播前进行灌溉，灌溉量为60 mm，小区面积6 m×6 m=36 m2。2014—2017年逐日降水量如图1所示。

图1 禹州试验站2014—2017年逐日降水量Fig. 1 Daily rainfall in 2014—2017 of Yuzhou experiment station

1.2 测量指标

1.2.1 冬小麦夏玉米产量测定 小麦收获时，每小区沿对角线选取长势均匀的3点，每点取4 m2植株样，脱粒，风干，计算产量。夏玉米成熟后，每小区收获2行果穗，3次重复，脱粒，风干，称取质量，计算产量。

1.2.2 土壤水分测定 分别在冬小麦苗期、拔节期、扬花期、灌浆期和成熟期及夏玉米拔节期、扬花期和成熟期钻取0～100 cm土层土样，每20 cm一层，装入铝盒中称鲜土质量，然后，放入烘箱(105 ℃)烘干至质量恒定后称量，计算土壤含水率。

(1)

式中，ω为土壤含水率，%；M1为原土质量，g；M2为烘干土壤质量，g。

1.3 数据处理与统计分析

1.3.1 土壤贮水量及水分利用效率计算 土壤贮水量可以反映土壤水分的真实值。1 m深土层贮水量计算方法[15]：

(2)

式中，W为土壤贮水量，mm；wi为第i层土壤质量含水率，%；Di为第i层土壤容重，g·cm-3；Hi为第i层土层厚度，cm。

本研究中水分利用效率[16](WUE)指蒸散的每单位(mm)水分在单位面积上所生产的经济产量。

WUE=Y/ET，

(3)

ET=I+P+U-R-F±ΔS。

(4)

式中，Y为经济产量，kg·hm-2；ET为作物生长期间的蒸散量，mm；I为时段内灌水量，mm；P为时段内有效降水量，mm；U为地下水通过毛管作用上移补给作物水量，mm；R为地表径流量，mm；F为深层渗漏量，mm；ΔS为收获期与播种期0～100 cm 土壤贮水量之差，mm。该试验区地下水埋深4 m以下，可视为地下水补给量为零，U值可忽略不计。同时，当计算大田试验水分利用效率时深层渗漏量(F)和地表径流量(R)忽略不计。

1.3.2 统计分析 采用Microsoft Excel 2007计算数据；采用SPSS软件进行差异显著性检验(LSD 法)；采用SigmaPlot 10.0作图。

2 结果分析

2.1 冬小麦夏玉米不同生育期土壤贮水量变化特征

与传统耕作相比(CT)，免耕+秸秆覆盖(NTS)处理在冬小麦不同生育期均不同程度地提高0～100 cm土壤贮水量(图2)。2014—2015年，NTS处理较CT处理在冬小麦苗期、拔节期和成熟期分别提高0～100 cm土壤贮水量12.5%，10.1%和4.4%，NTS处理在2015—2016和2016—2017年苗期和扬花期均显著提高了0～100 cm土壤贮水量，这说明NTS处理较CT耕作蓄水保墒能力强。与CT耕作相比，免耕(NT)处理在不同年份不同生育期表现不同。2014—2015年，NT处理显著提高冬小麦苗期和成熟期0～100 cm土壤贮水量(P<0.05)；2015—2016年，NT较CT处理分别提高冬小麦苗期、扬花期和成熟期0～100 cm土壤贮水量10%，18.1%和8.6%；在2016—2017年冬小麦苗期和成熟期，NT处理0～100 cm贮水量显著低于传统耕作(P<0.05)。在玉米生长期内，NTS处理较CT处理相比提高了拔节期0～100 cm贮水量而降低了成熟期0～100 cm贮水量。与CT相比，NTS分别提高了2015，2016和2017年玉米拔节期0～100 cm贮水量10.3%，11.1%和4.6%，而NT处理仅在2015年玉米拔节期显著增加了0～100 cm贮水量。在2015和2016年玉米成熟期，NTS和NT处理较CT处理显著降低了0～100 cm贮水量。

注：a,b,c等不同小写字母表示差异差著(P<0.05)，下同。图2 2014—2017年冬小麦夏玉米不同生育期0～100 cm土壤贮水量Fig. 2 Soil water storage of 0～100 cm during different growingstages of winter wheat and summer maize in 2014—2017

2.2 不同处理对冬小麦-夏玉米生育期耗水特性的影响

冬小麦整个生育期，各耕作处理间农田耗水量无显著差异(P>0.05，表2)。与CT处理相比，NTS和NT处理下冬小麦整个生育期农田耗水量略有减少。不同生育期冬小麦农田耗水量受耕作方式、生育期降水量及作物耗水量影响。在2014—2015和2015—2016年，冬小麦苗期-拔节期和拔节期-扬花期不同耕作方式农田耗水量无显著差异，但2016—2017年，与CT处理相比，NTS处理下冬小麦苗期-拔节期和拔节期-扬花期农田耗水量分别降低14.7%和12.7%。

不同年份各生育期冬小麦耗水量差异较大。2015—2016年冬小麦生长期农田耗水量较2014—2015和2016—2017年降低，这是由于该年度降水量较少所致。

在2016年，NTS较CT处理夏玉米季农田耗水量提高了6.0%(P<0.05，表2)。NT与CT处理无显著差异，但NT处理下夏玉米季农田耗水量较CT处理提高3.8%。夏玉米不同生育期农田耗水量在不同年份不同耕作方式下表现也不相同。在2017年夏玉米拔节期-扬花期，NT处理农田耗水量较CT处理降低42.5%(P<0.05)。此外，在2014—2017年不同耕作措施处理下的周年农田耗水量无显著差异。

表2 2014—2017年冬小麦夏玉米不同生育期农田耗水量及周年耗水量 单位：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 冬小麦-夏玉米产量及周年产量变化特征

与CT相比，NT处理在2014—2015年分别提高了冬小麦产量和地上部生物量10.4%和11.1%(P<0.05，表3)。NT处理较CT分别提高2015和2017年夏玉米产量15.6%和17.9%，提高地上部生物量5.6%和28.8%(P<0.05)。而NTS处理并未显著提高冬小麦产量和玉米产量(P>0.05)。与CT处理相比，NTS和NT处理分别提高平均周年产量2.2%和9.2%，周年平均地上部生物量分别提高了5.0%和9.6%，这说明免耕更有利于提高周年产量。

表3 不同耕作处理对冬小麦夏玉米地上部生物量和产量的影响Table 3 Effects of different tillage on above ground biomass and yield of winter wheat and summer maize

2.4 不同处理对冬小麦-夏玉米水分利用效率的影响

与CT相比，NT处理显著提高了2014—2015和2015—2016年冬小麦及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处理显著提高了冬小麦产量水分利用效率，分别提高了1.0和1.9 kg·hm-2·mm-1。与CT相比，NT处理在2017年提高夏玉米的水分利用效率19.4%。在2014—2015和2016—2017年，NT处理周年水分利用效率显著高于传统耕作(P<0.05)。

表4 2014—2017不同耕作处理对水分利用效率的影响Table 4 Effects of different tillage on water use efficiency in 2014—2017

3 讨论

由于免耕能减少对土壤的扰动，降低土壤水分蒸发，从而具有良好的蓄水保墒作用[17]。秸秆覆盖措施能有效地降低土壤容重，提高土壤总孔隙度，增加土壤通透性[18]，提高土壤水分入渗[19,20]，减少土壤水分蒸发[21]，提高土壤平均含水量[22,23]及土壤贮水量[15]。本研究表明，免耕+秸秆覆盖处理较传统耕作不但提高了冬小麦关键生育期0～100 cm土壤贮水量，而且提高了夏玉米拔节期和扬花期0～100 cm土壤贮水量，这与前人研究结果一致[24]。对于作物耗水特征，秸秆覆盖措施能够提高冬小麦整个生育期农田总耗水量[25]，但也有研究结果表明免耕秸秆覆盖措施在冬小麦季耗水量最少，且周年耗水量也最少[26]。本研究结果表明，在冬小麦-夏玉米的轮作体系中，免耕+秸秆覆盖处理并未显著提高冬小麦整个生长期耗水量和周年耗水量(P>0.05)，其中免耕+秸秆覆盖较传统耕作分别降低了2016—2017年冬小麦苗期-拔节期和拔节期-扬花期农田耗水量14.7%和12.7%。

与传统耕作相比，免耕覆盖措施对作物产量的影响由于区域和降水量不同，研究结果有所差异。有研究结果表明，免耕秸秆覆盖措施能够提高小麦、玉米产量和周年产量[25]，但也有结果表明，免耕覆盖措施有减产效应[27]。本研究结果表明，在冬小麦-夏玉米的轮作体系中，免耕+秸秆覆盖处理虽未显著提高冬小麦和夏玉米的产量，但其平均周年产量较传统耕作提高2.2%。与传统耕作相比，免耕则显著提高了2014—2015年冬小麦产量、2015和2017年夏玉米产量及平均周年产量，这说明免耕处理更有利于增产。

水分利用效率是衡量耕作方式节水保墒的重要指标，由产量和作物耗水量的比值决定。有研究表明，秸秆覆盖较传统耕作能够显著提高水分利用效率[25-27]。本研究结果则表明，在冬小麦-夏玉米轮作系统中，免耕+秸秆覆盖处理较传统耕作并未显著提高周年水分利用效率，这是由于免耕+秸秆覆盖措施增加了周年耗水量的原因，而免耕由于降低土壤扰动，减少了水分蒸发，进而提高了水分利用效率。

4 结论

(1)与传统耕作相比，免耕+秸秆覆盖处理均不同程度地提高了冬小麦关键生育期0～100 cm土壤贮水量，且连续3年提高了夏玉米拔节期0～100 cm土壤贮水量。免耕较传统耕作提高了2014—2015年冬小麦生长期0～100 cm土壤贮水量。在冬小麦-夏玉米的轮作体系中，免耕+秸秆覆盖和免耕处理并未显著提高冬小麦整个生长期耗水量和周年耗水量(P>0.05)，但免耕+秸秆覆盖处理显著提高了2016年玉米生长期农田耗水量(P<0.05)。

(2)与传统耕作相比，免耕处理显著提高了2014—2015和2016—2017年冬小麦产量、夏玉米产量和周年产量。免耕+秸秆覆盖和免耕处理较传统耕作提高了平均周年产量2.2%和9.2%。此外，免耕较传统耕作有效提高了周年WUE，从冬小麦-夏玉米轮作系统来看，免耕更有利于周年产量提高及水分有效利用。