垄沟种植对旱地玉-麦轮作体系生产力和土壤硝态氮累积量的影响

吴金芝，黄修利，侯园泉，田文仲，李俊红，张洁，李芳，吕军杰，姚宇卿，付国占，黄明，李友军

垄沟种植对旱地玉-麦轮作体系生产力和土壤硝态氮累积量的影响

吴金芝1，黄修利1，侯园泉1，田文仲2,3，李俊红2,3，张洁2,3，李芳2,3，吕军杰2,3，姚宇卿2,3，付国占1，黄明，李友军

1河南科技大学农学院，河南洛阳 471023；2洛阳农林科学院，河南洛阳 471023；3中国农业科学院洛阳旱农试验基地，河南洛阳 471023

【目的】探究不同垄沟种植模式对旱地玉-麦轮作体系作物生产力、土壤性状及土壤硝态氮累积量的影响，为改善旱地土壤肥力，提高作物产量和效率，降低环境风险提供科学依据。【方法】基于中国农业科学院洛阳旱农试验基地始于2004年的长期定位试验，设置6行固定道垄沟种植（6RPRF）、6行每年起垄垄沟种植（6REYRF）、4行固定道垄沟种植（4RPRF）、4行每年起垄垄沟种植（4REYRF）和传统平作（CF）5个处理，分析了2015—2021年度玉米、小麦及其周年的产量、水分利用效率，2020年玉米收获期0—40 cm不同土层的容重、养分含量和酶活性，以及2019—2020年度小麦收获期0—380 cm土层土壤硝态氮累积量。【结果】与CF相比，4种垄沟种植下玉米、小麦、周年的6年平均产量分别显著提高8.6%—32.1%、12.5%—25.6%、11.3%—29.6%，水分利用效率分别显著提高8.6%—31.4%、12.5%—31.1%、12.8%—30.3%；0—5 cm和20—40 cm土层的容重分别显著降低7.3%—11.3%和4.9%—11.5%；0—40 cm土层平均有机质、全氮、有效磷和速效钾含量及脲酶活性分别提高6.0%—19.8%、80.8%—100.0%、28.5%—80.9%、58.5%—141.2%和24.0%—46.9%，0—100 cm土层的硝态氮累积量显著提高38.8%—116.0%，其中，总体以4RPRF处理效果最优，其还可以在硝态氮累积量总量维持在CF水平的同时使0—100 cm土层显著提高38.8%、200—380 cm土层显著降低15.0%，具有提高根层、降低深层土壤硝态氮累积量的作用。固定道垄作模式（PRF）与每年起垄模式（EYRF）相比，玉米和周年的6年平均产量分别显著提高10.6%和9.1%，垄面种植6行模式（6R）下玉米、垄面种植4行模式（4R）下小麦和周年的6年平均水分利用效率分别显著提高21.1%、15.2%和8.2%，土壤养分含量表层提高、下层降低，0—380 cm土层的硝态氮累积量显著降低4.9%—30.2%。4行模式较6行模式，玉米和周年的6年平均产量分别显著提高9.9%和6.8%，EYRF下玉米、PRE下小麦和周年的6年平均水分利用效率分别显著提高7.4%、16.5%和6.7%，土壤特性有改善趋势，但其效应因指标而异，且在不同起垄模式和不同土层表现不同。【结论】4行固定道垄沟种植（4RPRF）既可降低土壤容重，提高土壤有机质、全氮和速效钾含量，又可使玉米、小麦、周年的产量和水分利用效率在多数条件下表现最优，还可以有效降低200—380 cm土层的硝态氮累积量，是协同实现旱地雨养玉-麦轮作区作物高产高效和环境友好生产的种植模式。

垄沟种植；旱地；玉-麦轮作；土壤性状；产量；水分利用效率；硝态氮

0 引言

【研究意义】旱地占我国耕地总面积的54.4%，是我国玉米和小麦的主要生产阵地[1]。然而，广大旱地普遍存在干旱和土壤贫瘠的问题，加上作物栽培管理相对粗放，不仅致使产量效率低下，而且易造成土壤硝态氮高量累积，污染环境甚至威胁饮用水安全[2-3]，特别是在对水肥要求较单作高的夏玉米-冬小麦（简称玉-麦）轮作体系更为突出[4]。因此，探寻科学的栽培技术以提高旱地土壤肥力、作物产量效率并降低土壤硝态氮残留已成为当前亟待解决的问题。【前人研究进展】垄沟种植是在田间修筑垄沟的基础上将作物种植在垄上或沟中，形成集垄面产流+沟内集雨+地面覆盖为一体的抗旱栽培技术。众多研究和生产实践表明，该技术既能降水高效收集、抑蒸保墒、缓解径流，改善土壤水热特性[5]，降低土壤容重[6]，促进土壤微生物活动和养分矿化[7]，提高土壤肥力和土壤酶活性[8]，又可发挥边行优势、优化叶片空间分布[9]，增大作物受光面积、降低冠层温度[9-10]，改善作物生理特性[11]和光合荧光特性[12]，促进作物干物质积累[13]和养分吸收利用[14]，最终显著提高产量和水分利用效率[15]，减缓硝态氮向下层土壤淋失[8, 16]，在玉米、小麦等作物生产中都有大面积应用。张建军等[17]研究表明，垄沟种植技术效应与起垄模式有关，减少起垄次数的留膜留茬留垄免耕较每年起垄覆膜有利于土壤有机质及磷钾养分含量、酶活性及微生物数量的提高。也有研究表明，固定道垄作可更好地维持土壤结构，增加土壤的通透性和土壤微生物的多样性[18]，改善小麦冠层结构特性[19]。垄沟种植的技术效应还与垄沟宽度、种植行数关系密切。在甘肃东部，不同垄沟宽度显著影响玉米产量和水分利用效率，最适合的垄沟比例为1﹕1[20]。在陕西杨凌，随着垄宽的增加，土壤蓄水量和垄上温度提高，耗水量也增加，垄沟60 cm﹕60 cm的配置利于小麦干物质积累，提高产量和水分利用效率[21]；在垄宽均为40 cm的条件下，沟内种植3行和种植5行较种植4行可使小麦产量分别显著提高13.9%和17.2%[22]。在陕西关中玉-麦轮作区，增加种植沟宽度，玉米产量先增加后降低，小麦产量增加但水分利用效率降低[23]。在河北玉-麦轮作区，60 cm﹕60 cm沟垄较60 cm﹕50 cm的沟垄可显著提高玉米产量和水分利用效率[24]。【本研究切入点】玉-麦轮作是黄淮海地区主要的种植制度，也是半湿润偏旱地区的重要种植制度。然而，前人有关垄沟种植技术的研究主要围绕雨养旱区一年一熟覆膜沟播体系和灌区垄面种植体系进行，关于雨养条件下垄沟种植影响旱地玉-麦轮作两熟体系生产力和土壤硝态氮残留量的研究尚鲜见报道。【拟解决的关键问题】本研究提出将玉米种植在沟中、小麦种植在垄面并配合周年秸秆覆盖的垄沟种植模式，综合考虑起垄模式、垄面种植行数等因素，分析垄沟种植模式对旱地玉-麦轮作体系土壤特性、作物产量及水分利用效率和土壤硝态氮累积量的影响，为实现旱地玉-麦轮作区作物高产高效和环境友好栽培提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于黄土高原东南缘的河南省洛阳市农林科学院（34°37′12″N，112°27′36″E），海拔130 m。试验地属典型的温带半湿润偏旱季风气候，年平均气温14.6 ℃，平均干旱频率＞40%，干燥度＞1.3，无霜期200—219 d。年平均降水量为549 mm，年平均蒸发量1 870 mm。夏玉米-冬小麦一年两熟轮作为当地主要的种植制度。供试土壤为黄棕色褐土，耕层土壤的容重、田间持水量、饱和水含量和pH分别为1.53 g·cm-3、27%、33%和7.30。2004年10月试验开始前，0—20 cm土层土壤含有机质15.6 g·kg-1、全氮0.9 g·kg-1、碱解氮62.5 mg·kg-1、有效磷10.4 mg·kg-1、速效钾166.0 mg·kg-1。试验期间的降雨量如图1所示。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，共设6行固定道垄沟种植（6RPRF）、6行每年起垄垄沟种植（6REYRF）、4行固定道垄沟种植（4RPRF）、4行每年起垄垄沟种植（4REYRF）和传统平作（CF）5个处理（表1、图2）。小区面积16 m2（4 m×4 m），3次重复。所用肥料为尿素（含N 46%）、复合肥（N﹕P2O5﹕K2O= 15﹕15﹕15）。玉米季拔节期前后遇降雨追施纯氮138 kg·hm-2。小麦季肥料为复合肥，全部基施，氮磷钾肥用量分别为112.5 kg N·hm-2、112.5 kg P2O5·hm-2和112.5 kg K2O·hm-2，有翻耕的处理翻耕前均匀撒施，无翻耕的处理人工模仿免耕施肥播种机开沟条施于两行种子间，深度15—20 cm。本研究始于2015年6月，期间，玉米品种为洛玉114，每年6月上旬播种，9月下旬收获，种植密度45 000株/hm2，6行模式行距133 cm，4行模式行距100 cm，平作行距80 cm；小麦品种为洛旱7号（2015—2020年）和洛旱22（2020—2021年），每年10月上、中旬播种，次年5月下旬或6月初收获，播量为135 kg·hm-2。试验期间未进行任何灌溉，其他管理同当地丰产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤水分 分别在每季作物播种前和收获后，从每个小区采集0—200 cm土层土样，每20 cm为一土层，留取30—40 g土壤样品置于铝盒中，于105 ℃烘至恒重并称量，计算含水量。按照Wu等[15]描述的方法计算0—200 cm土层土壤贮水量和作物生育期耗水量。

SWS＝W×D×H×10/100

折线为2001—2021年连续20年降水量的平均值 The broken line shows the average precipitation of 20 years from 2001 to 2021

表1 试验处理描述

6RPRF：6行固定道垄沟种植；6REYRF：6行每年起垄种植；4RPRF：4行固定道垄沟种植；4REYRF：4行每年起垄种植；CF：传统平作。下同

6RPRF: permanent ridge and furrow and 6 row wheat planted in ridge; 6REYRF: ridge and furrow in each year and other managements kept with 6RPRE; 4RPRF: permanent ridge and furrow and 4 row wheat planted in ridge; 4REYRF: ridge and furrow in each year and other managements kept with 4RPRF (4REYRF); CF: conventional flat planting pattern according to the local farmer. The same as below

图2 不同种植模式示意图

式中，SWS为土壤贮水量（soil water storage，mm）；W为某土层土壤含水量（%）；D为该土层土壤容重（g·cm-3）；H为该土层厚度（cm）；10和100为单位转换系数。

ET＝P+I+GR+ΔSWS-R-D

式中，ET为作物生育期耗水量（evapotranspiration，mm）；P为作物生育期总降雨量（precipitation，mm）；I为灌溉量（irrigation，mm）；R为径流量（run-off，mm）；GR为地下水补给量（groundwater recharge，mm）；D为深层渗漏量（deep percolation，mm）；ΔSWS为作物播种与收获时0—200 cm土层土壤贮水量之差（mm）。当地下水埋深大于2.5 m时，GR值可以忽略不计，本试验地地下水埋深超过3.5 m，作物生育期内无灌水、池栽，故I、GR、R和D值均为0。

1.3.2 作物产量和水分利用效率 在每季作物的成熟期，人工全区收获、脱粒、风干后测定风干重，然后取部分籽粒测定含水量，最后以13%的含水量折算产量（kg·hm-2）。

水分利用效率的计算参照Wu等[15]描述的方法进行。

WUE＝Y/ET

式中，WUE为水分利用效率（water use efficiency，kg·hm-2·mm-1）；Y为籽粒产量（grain yield，kg·hm-2）；ET为作物生育期耗水量（mm）。

1.3.3 土壤容重 在2020年夏玉米收获后，在垄中央用环刀采集0—5、5—10、10—20、20—40 cm土层的土壤，测定土壤容重，每个样点采集4个重复，其平均值为测定值。

1.3.4 土壤养分和土壤酶活性 在2020年夏玉米收获后，在测定土壤容重的同时，每个小区采集0—5、5—10、10—20和20—40 cm土层土壤，每个小区采集3个样点，同层混合均匀后留取300 g左右，迅速装入预先标记好的塑料袋并系紧袋口，带回实验室自然风干，并分别研磨，过1 mm、0.15 mm土筛，保存待测。土壤养分含量参照鲍士旦[25]的方法测定：土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法，土壤全氮含量采用凯氏定氮法，土壤有效磷含量采用钼锑抗比色法，土壤速效钾含量采用火焰光度计法。土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定[26]，土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定[27]。

1.3.5 土壤硝态氮 于2019—2020年度小麦收获期，在每个小区采取0—380 cm的土壤，0—200 cm每20 cm为一层，200—380 cm土层每30 cm为一层，每层土壤混合均匀后留取300 g左右，迅速装入预先标记好的塑料袋并系紧袋口，带回实验室称取5.00 g鲜土，用50 mL 1 mol·L-1KCl溶液振荡浸提1 h，用AA3连续流动分析仪（SEAL公司，德国）测定土壤硝态氮含量（以干重计）。土壤硝态氮累积量用Dai等[2]描述的方法计算。NA＝C×D×H×0.1，式中，NA为硝态氮累积量（nitrate-N accumulation，kg·hm-2），D为该土层的土壤容重（g·cm-3）；C是对应的土壤硝态氮含量（mg·kg-1）；H为土层深度（cm）；0.1为单位转换系数。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2019、Origin 2022和DPS7.05软件处理数据和绘图，用LSD法进行显著性检验。

2 结果

2.1 垄沟种植模式对旱地玉-麦轮作体系作物产量的影响

由表2可知，垄沟种植有利于提高旱地玉-麦轮作体系的作物产量。就玉米而言，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF下6年平均产量较CF分别显著提高23.4%、8.6%、32.1%和22.5%，其中6RPRF有6年，4RPRF和4REYRF有5年，6REYRF有2年表现为显著提高。不同起垄模式间比较，固定道垄沟模式（以下简称PRF）总体上优于每年起垄模式（以下简称EYRF），其中，垄面种植6行模式（以下简称6R）和垄面种植4行模式（以下简称4R）下6年平均产量分别显著提高13.6%和7.8%。不同垄面种植行数之间比较，4R总体上优于6R，其中，RPR和EYRF下6年平均产量分别显著提高7.0%和12.8%，分别有3年和4年表现为显著提高。

表2 垄沟种植模式对旱地玉-麦轮作体系作物产量的影响

同列数据后不同小写字母表示同一作物下处理间差异达到0.05水平。下同

Different lowercase letters after the data in a column within the same crop indicate significant difference among treatments at 0.05 probability level. The same as below

就小麦而言，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF下6年平均产量较CF分别显著提高17.9%、15.8%、25.6%和12.5%，其中，4RPRF有4个年度，6REYRF和4REYRF有3个年度，6RPRF有2个年度表现为显著提高。除EYRF下6R较4R在2017—2018年度显著增产27.1%，4R下PRF较EYRF在2018—2019年度显著增产36.1%外，起垄模式和垄面种植行数对小麦产量无显著影响。

不同处理对周年产量的影响规律与玉米相似。6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF下6年平均产量较CF分别显著提高21.3%、11.3%、29.6%和18.7%，其中，6RPRF连续6年，6REYRF有4个年度表现为显著提高。不同起垄模式间比较，PRF总体上优于EYRF，6R和4R下6年平均分别显著提高9.0%和9.2%，且均有2个年度表现为显著提高。不同垄面种植行数间比较，4R总体上优于6R，PRF和EYRF下6年平均分别提高6.9%和6.7%，且均有3个年度表现为显著提高，但EYRF下在2017—2018年度显著降低17.4%。可见，垄沟种植对玉米的增产作用大于小麦，且以4行固定道垄沟种植的增产效果最好。

2.2 垄沟种植模式对旱地玉-麦轮作体系作物水分利用效率的影响

不同种植模式对玉米、小麦及周年的水分利用效率均具有显著调节作用（表3）。对玉米水分利用效率而言，与CF相比，6RPRF、4RPRF和4REYRF下6年平均分别显著提高31.4%、22.4%和22.4%，其中，6RPRF有5年，4RPRF和4REYRF有4年表现为显著提高；6REYRF下6年平均显著提高8.6%，表现为2年显著提高、2年显著降低。PRF与EYRF相比，6R下6年平均显著提高21.1%，且有5年显著提高；4R下6年均值无显著差异，表现为1年显著提高、1年显著降低。4R与6R相比，PRF下6年均值显著降低7.4%，其中2年显著提高、2年显著降低；EYRF下6年平均显著提高12.7%，除2020年外均提高或显著提高。

分析小麦水分利用效率可知，与CF相比，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF下6年平均分别显著提高12.5%、19.3%、31.1%和13.8%。其中，4RPRF、6REYRF、4REYRF下有4个年度显著提高，而6RPRF下有3个年度显著提高、1个年度显著降低。PRF与EYRF相比，6R下6年平均值无显著差异，但4R下显著提高15.2%。4R与6R相比，PRE下6年平均显著提高16.5%，且有2个年度显著提高；EYRF下6年平均值无显著差异，但有1个年度显著提高、2个年度显著降低。

表3 垄沟种植模式对旱地玉-麦轮作体系作物水分利用效率的影响

从周年水分利用效率来看，与CF相比，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF下6年平均分别显著提高23.3%、12.8%、30.3%和21.5%。其中，6RPRF和6REYRF下有4个年度，4RPRF和4REYRF下有5个年度显著提高。PRF较EYRF，6R和4R下6年平均分别显著提高9.3%和7.2%，分别有4个年度和2个年度显著提高。4R与6R相比，PRE和EYRF下6年平均分别显著提高5.7%和7.8%，分别有4个和3个年度显著提高。综上，垄沟种植有利于提高旱地玉-麦轮作体系作物水分利用效率，且PRF优于EYRF，4R优于6R，但调节效应因作物和年份而异。

2.3 垄沟种植模式对旱地玉-麦轮作体系土壤容重的影响

由图3可知，垄沟种植可降低0—5、5—10和20—40 cm土层的容重。与CF相比，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF在0—5 cm土层分别显著降低7.3%、11.3%、7.7%和11.1%，在20—40 cm土层分别降低8.3%、11.5%、11.0%和4.9%，6REYRF和4REYRF在5—10 cm土层也分别降低5.2%和3.9%。与EYRF相比，PRF有提高0—10 cm土层容重的趋势，且6R下增幅显著，但在20—40 cm土层的作用因垄面种植行数而异，6R下显著提高5.3%，4R下显著降低11.1%。说明垄沟种植有利于降低旱地玉-麦轮作体系土壤容重，但降低幅度因土层、起垄模式和垄面种植行数而异。

柱上方不同字母表示同一土层处理间的差异达到0.05显著水平。下同

2.4 垄沟种植模式对旱地玉-麦轮作体系土壤养分含量的影响

2.4.1 土壤有机质和全氮含量 从表4可以看出，与CF相比，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF下0—40 cm土层的平均有机质含量分别提高6.0%、7.5%、19.8%和17.9%（全部按照除以CF平均18.71），土壤全氮含量分别提高82.6%、80.8%、100.0%和87.9%，但影响效应在不同土层存在差异。就土壤有机质含量而言，与CF相比，6RPRF和6REYRF仅在0—5 cm土层分别显著提高27.3%和11.9%，而4RPRF和4REYRF不仅在0—5 cm土层分别显著提高47.1%和18.6%，在20—40 cm土层也分别显著提高11.1%和15.0%，且4REYRF在5—10 cm和10—20 cm土层还分别显著提高19.7%和 17.6%。从土壤全氮含量来看，与CF相比，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF在0—40 cm各土层均表现为显著提高，增幅分别为51.9%—139.1%、70.4%—90.3%、75.9%—140.6%和81.3%—103.7%。PRF较EYRF，土壤有机质和全氮含量在0—5 cm土层表现为显著提高，在5—20 cm土层多表现为显著降低，在20—40 cm土层无显著差异。垄面种植行数对土壤有机质和全氮含量的影响因起垄方式而异，4R与6R相比，PRF下有机质含量除5—10 cm土层外均显著提高，全氮含量在5—10 cm、10—20 cm土层也显著提高，EYRF下10—20 cm土层的有机质和全氮含量及20—40 cm土层的有机质含量分别显著提高12.1%、19.6%和14.6%。综上，垄沟种植有利于提高土壤有机质和全氮含量，且对全氮含量的影响效应大于有机质含量，4R的效果多优于6R，PRF较EYRF会使有机质和全氮向表层土壤富集。

2.4.2 土壤有效磷和速效钾含量 由表5可知，与CF相比，4种垄沟种植模式均可显著提高0—20 cm各土层的有效磷和速效钾含量，还可显著提高20—40 cm土层的速效钾含量，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF下0—40 cm土层平均有效磷含量分别显著提高80.9%、28.5%、63.1%和35.1%，速效钾含量分别显著提高100.1%、58.4%、141.2%和80.1%。PRF较EYRF，0—5 cm和5—10 cm土层的有效磷和速效钾含量均显著提高，且6R下10—20 cm土层的有效磷含量也显著提高64.9%，但10—40 cm各土层的速效钾含量均显著降低。4R与6R相比，PRF下5—10 cm和10—20 cm土层的有效磷含量显著降低，0—20 cm各土层的速效钾含量显著提高；而EYRF下仅10—20 cm土层的有效磷含量、5—20 cm土层的速效钾含量显著提高。可见，垄沟种植有利于提高土壤有效磷含量和速效钾含量，PRF较EYRF提高了各土层的有效磷含量和0—10 cm土层的速效钾含量，降低了深层土壤速效钾含量；4R与6R相比在PRE下降低了5—20 cm土层有效磷含量，但会增加0—20 cm各土层的速效钾含量。

表4 垄沟种植模式对旱地玉-麦轮作体系土壤有机质和全氮含量的影响

表5 垄沟种植模式对旱地玉-麦轮作体系土壤有效磷和速效钾含量的影响

2.5 垄沟种植模式对旱地玉-麦轮作体系土壤酶活性的影响

种植模式对旱地玉-麦轮作体系土壤脲酶和蔗糖酶活性有显著的调控作用（图4）。与CF相比，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF下0—40 cm土层平均脲酶活性分别提高24.0%、24.1%、46.9%和40.3%，6REYRF和4REYRF下蔗糖酶活性也分别提高9.2%和5.4%，其影响效应与起垄模式和垄面种植行数有关。PRF较EYRF，土壤脲酶活性无显著差异，土壤蔗糖酶活性除4R下在0—5 cm土层和6R下在10—20 cm土层外均表现为显著降低。4R与6R相比，土壤脲酶活性增加且在10—40 cm土层表现为显著增加；土壤蔗糖酶活性PRF下在0—5 cm土层显著提高、在5—40 cm土层则降低，EYRF下在0—5 cm和20—40 cm土层显著降低、在10—20 cm土层显著提高。可见，垄沟种植对土壤脲酶活性的影响大于蔗糖酶，垄面种植行数的调节效应大于起垄模式。

2.6 垄沟种植模式对旱地玉-麦轮作体系土壤硝态氮累积量的影响

从图5可以看出，连续定位试验16年后，各处理土壤硝态氮累积量随着土层的加深均呈降-增-降的趋势，且累积峰均出现在160—200 cm土层，但不同处理在不同土层的表现不同。在0—100 cm土层，6RPRF、6REYRF、4RPRF和4REYRF的硝态氮累积量较CF分别显著提高62.1%、97.7%、38.8%和116.0%。在100—200 cm土层，土壤硝态氮累积量表现为以4REYRF最高，高达647.3 kg·hm-2，较其他处理显著提高86.2%—110.3%。在200—380 cm土层，4REYRF的土壤硝态氮累积量最低，较其他处理显著降低36.8%—46.8%；4RPRF其次，较6RPRF、6REYRF和CF分别降低17.2%、8.6%和15.0%。在0—380 cm土层，6RPRE和4RPRE的土壤硝态氮累积量较CF均无显著变化，但6REYRF和4REYRF分别显著提高11.3%和42.5%；PRF较EYRF，在6R和4R下分别降低4.9%和30.2%；4R较6R，在EYRF下显著提高28.2%。说明垄沟种植有利于提高0—100 cm土层的硝态氮累积量，固定道起垄、垄面种植4行模式可降低土壤硝态氮累积量，特别是在200 cm以下土层表现突出。

图4 垄沟种植模式对旱地玉-麦轮作体系土壤脲酶（A）和蔗糖酶（B）活性的影响

图5 垄沟种植模式对旱地玉-麦轮作体系0—380 cm土层土壤硝态氮累积量的影响

3 讨论

3.1 垄沟种植模式对旱地玉-麦轮作体系作物产量和水分利用效率的影响

众多研究和生产实践表明，将玉米种植在沟中的垄沟覆盖集水种植方式，具有显著的保墒增温效应，促进了根系发育和对养分的吸收，改善了地上部植株生长发育特性，提高了叶片叶绿素含量和光合能力，促进干物质积累，进而显著提高玉米产量和水分利用效率[5-8]。垄作栽培可改善小麦地上部植株形态，优化叶片硝酸还原酶活性和游离氨基酸含量，改善植株光合荧光特性，从而显著提高小麦产量和水分利用效率[9-11, 28]。此外，GHOLAMHOSEINI等[29]表明，夏季在垄上覆盖秸秆，可增加土壤蓄水，降低土壤温度，具有提高土壤有机碳和微生物碳的优势，从而提高作物产量。Fang等[13]研究表明，周年在沟中覆盖秸秆与平作相比，可增加每季小麦、玉米生育期间的土壤蓄水量和地上部干物质积累量，从而显著提高产量和水分利用效率。本研究发现，玉米种植在沟中、小麦种植在垄上并配合周年秸秆覆盖的垄沟种植模式，显著提高了旱地玉-麦轮作体系玉米、小麦、周年的产量和水分利用效率。其原因是这种模式不仅综合了玉米沟播、小麦垄作的农艺作用，协调了土壤水肥气热效应，促进地上部生长发育并改善生理功能，增强光合生产和物质形成能力，而且利用了垄沟种植和秸秆覆盖配合提高作物生产力的优势。总体来看，垄沟种植对玉米产量的影响效应大于小麦，表现为6年平均增产幅度高、显著增产的年数多，说明通过垄沟种植提高玉米产量较提高小麦产量更具优势。这可能因为玉米种植在沟中，垄沟地形促进了雨水朝玉米根区汇集，使无效和微效降水得到有效利用，从而保证玉米生长发育中有较好的水分供应，进而获得较高的水分增益[5]；也与小麦秸秆覆盖可使土壤温度降低，缓解了高温对玉米生产的不利影响有关[29]。

固定道垄作栽培具有改善作物生长区土壤理化特性[8]，缓和土壤温度变化，增加上层土壤含水量[30]，构建的“松塔型”结构有利于光能有效利用，促进干物质积累[19]，进而提高产量和水分利用效率。本研究还发现，固定道垄沟种植较每年起垄有提高作物产量和水分利用效率的作用，玉米和周年6年平均产量增幅分别为7.8%—13.7%和6.7%—6.9%，但对水分利用效率的增幅因作物和种植行数而异，6年平均周年水分利用效率增加7.2%—9.3%。适宜的垄沟比例和种植行数有利于改善土壤水热特性，优化作物群体结构，提高叶面积指数和促进干物质积累，最终实现产量和水分利用效率显著提高[21-22]。本研究表明，适当缩小垄面种植行数，有利于提高旱地玉-麦轮作体系的产量和水分利用效率，与6行模式相比，4行模式的产量和周年水分利用效率显著提高，固定道模式下玉米水分利用效率和每年起垄模式下小麦水分利用效率也显著提高。

3.2 垄沟种植模式对旱地玉-麦轮作体系土壤特性的影响

土壤特性决定着耕地质量，能否改善土壤特性是评价栽培技术适宜与否的重要指标[31]。前人研究普遍表明，垄沟种植会降低耕层土壤容重[8]，提高土壤酶活性[7]以及土壤有机质、全氮含量[8, 32]。本研究发现，垄沟种植较传统平作有利于降低旱地玉-麦轮作体系的土壤容重，且在表层（0—5 cm）和深层（20—40 cm）土壤显著降低，也利于提高土壤有机质、全氮含量和土壤酶活性，这与前人的研究结果基本一致。其原因与垄沟种植模式具有较优土壤环境调节能力有关，还与4种垄沟种植模式均有秸秆覆盖而传统平作无秸秆覆盖有关。本研究发现，在秸秆覆盖还田的条件下，垄沟种植可显著提高0—20 cm各测定土层有效磷含量和0—40 cm各测定土层速效钾含量，这与雷金银等[32]发现垄沟种植+秸秆覆盖会降低土壤有效磷和土壤速效钾含量的研究结果不一致，主要是因为磷钾肥用量不同所致，本研究小麦季氮磷钾肥用量均为112.5 kg·hm-2，而雷金银的研究中施磷量较低且未施钾肥。本研究还发现，垄沟种植模式对土壤特性的影响与起垄模式和垄面种植行数有关，总体表现为固定道垄作有利于降低表层土壤容重，提高表层土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量，但由于固定道垄沟种植一直处于免耕环境，土壤养分向表层富集，对深层土壤特性的改善作用降低甚至会呈现出负效应[33]。垄面种植4行模式较6行模式可提高土壤养分含量和酶活性，说明垄沟种植下适当缩小垄面种植行数利于改善土壤特性，其原因可能是本研究中秸秆覆盖还田于原小区，4行模式下产量高、生物量大，用于还田的秸秆量也就大，不仅改善水热特性的效果好，而且通过秸秆还田引入的养分量多，从而提高土壤养分含量和酶活性。

3.3 垄沟种植模式对旱地玉-麦轮作体系土壤硝态氮累积的影响

土壤硝态氮是作物摄入氮素的主要形式，其在土壤中累积量的高低代表着土壤氮素供应能力的强弱，但农田土壤中硝态氮过高，不仅会增加氨挥发、氮氧化物等温室气体排放，而且会导致地表水体富营养化或地下水体硝酸盐超标，引发严重的环境问题甚至威胁人体健康，因而如何将土壤硝态氮累积量控制在一个合理的范围备受人们关注[34-35]。本研究发现，垄沟种植模式均可显著提高0—100 cm土层的土壤硝态氮累积量，这意味着垄沟种植可以改善作物根层氮素供应能力，其主要原因是垄可将肥料与向下水流隔离，从而减少氮素向深层淋失[16]，也与垄沟种植采用了条施肥并在施肥带局部压实的方式，有利于减少氮素的挥发损失有关[36]，还可能是垄沟种植下土壤有机质含量提高，增加了氮固持量[37]。然而，从0—380 cm土层总量来看，不同处理的土壤硝态氮累积量均超过640 kg·hm-2，且在160—200 cm土层均出现了累积峰（累积量均超过250 kg·hm-2），远远超过玉-麦轮作体系收获期允许的硝态氮残留量100 kg·hm-2 [35]。说明旱地玉-麦轮作体系中土壤硝态氮高量累积的问题已不容忽视。本研究中，与传统平作相比，4种垄沟种植模式的硝态氮残留量并未显著降低，且EYRF下表现为显著提高，这不仅与本研究中垄沟种植处理均有秸秆覆盖，秸秆中的氮素被还田，增加了硝态氮的来源有关[37]，还与每年起垄模式下频繁耕作促进了土壤氮矿化有关。固定道垄作较每年起垄有降低土壤硝态氮累积量的作用，其中，4RPRF在0—380 cm和100— 200 cm土层较4REYRF分别显著降低30.2%和48.7%，在200—380 cm土层较6RPRF、6REYRF和CF均显著降低，说明4种垄沟种植模式中，4RPRF能有效降低土壤硝态氮残留并阻控其向深层土壤淋溶。

3.4 研究的局限性及进一步研究的关注点

垄沟种植有利于改善旱地玉-麦轮作体系土壤性状，提高作物产量和水分利用效率，且总体上以4行固定道垄沟种植（4RPRF）效果最优。但是，本研究仅在黄土高原南部围绕2种起垄模式和2种垄面种植行数展开，且研究内容并未涉及产量形成机理，还需进一步研究垄沟种植增产机制，以及拓展性研究以明确不同生态、土壤、降雨水平下的技术效应，固定垄年限和垄沟比例的最优模式，与垄沟种植配套的施肥技术等，以进一步完善旱地玉-麦轮作体系的垄沟种植理论和技术。

4 结论

与常规平作相比，玉米种植在沟内、小麦种植在垄上并配合秸秆覆盖的垄沟种植有利于改善土壤特性，提高夏玉米、冬小麦产量和水分利用效率，但却增加深层土壤硝态氮累积量，加大淋失风险。固定道垄沟模式与每年起垄模式相比，有利于提高表层土壤养分含量，显著提高周年作物产量和水分利用效率，以及玉米产量、6行模式下玉米和4行模式下小麦的水分利用效率。4行模式较6行模式，有改善土壤特性趋势，显著提高周年产量和水分利用效率，以及玉米产量、固定道垄沟模式下玉米和每年起垄模式下小麦的水分利用效率。从综合效应看，4行固定道垄沟种植改善土壤性状和提高作物生产力的效果最优，且较其他垄沟种植模式还可有效降低土壤硝态氮累积量，是适于旱地玉-麦轮作区的种植模式。

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Effects of Ridge and Furrow Planting Patterns on Crop Productivity and Soil Nitrate-N Accumulation in Dryland Summer maize and winter wheat Rotation System

WU JinZhi1, HUANG XiuLi1, HOU YuanQuan1, TIAN WenZhong2, 3, LI JunHong2, 3, ZHANG Jie2, 3, LI Fang2, 3, Lü JunJie2, 3, YAO YuQing2, 3, FU GuoZhan1, HUANG Ming, LI YouJun

1College of Agriculture, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, Henan;2Luoyang Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Luoyang 471023, Henan;3Luoyang Dryland Agriculture Test Site, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Luoyang 471023, Henan

【Objective】The aim of the present study was to discuss the effects of different ridge and furrow planting patterns on crop productivity, soil properties and soil nitrate-N accumulation, and thus provided a scientific basis for improving soil fertility, increasing crop yield and water use efficiency, and alleviating environmental risks in summer maize-winter wheat rotation system (namely maize-wheat) in dryland.【Method】A study was carried out at the Luoyang Dry Farming Experimental of the Chinese Academy of Agricultural Sciences based on the long-term field experiment initiated in 2004. The experiment included five treatments: permanent ridge and furrow and 6 row wheat planted in ridge (6RPRF), ridge and furrow in each year andother managements kept with 6RPRE (6REYRF), permanent ridge and furrow and 4 row wheat planted in ridge (4RPRF), ridge and furrow in each year and other managements kept with 4RPRF (4REYRF), and conventional flat planting pattern according to the local farmer (CF). The effects of different treatments on the grain yield, water use efficiency of summer maize, winter wheat and the annual in 2015-2021, and the bulk density, nutrient content and enzyme activity in the 0-40 cm soil layer at harvest of summer maize in 2020, and the nitrate-N accumulation in the 0-380 cm soil profile at harvest of winter wheat in 2019-2020 was investigated. 【Result】Compared with CF, the four ridge and furrow planting patterns improved grain yield in summer maize, winter wheat, and all year by 8.6%-32.1%, 12.5%-25.6%, and 11.3%-29.6%, respectively, and water use efficiency by 8.6%-31.4%, 12.5%-31.1% and 12.8%-30.3%, respectively, averaged across the 6 experimental years from 2015 to 2021. They also significantly decreased the soil bulk density by 7.3%-11.3% in 0-5 cm soil layer and by 4.9%-11.5% in 20-40 cm soil layer, respectively, increased the average content of organic matter by 6.0%-19.8%, total nitrogen by 80.8%-100.0%, available phosphors by 28.5%-80.9%, available potassium by 58.5%-141.2%, urease activity by 24.0%-46.9% in 0-40 cm soil layer, as well as increasing the nitrate-N accumulation by 38.8%-116.0% in 0-100 cm soil layer. Among the four ridge and furrow treatments, 4RPRF had the best productivity andthe function of improving root layer but decreasing the sub-layer nitrate-N accumulation, in which the nitrate-N accumulation was significantly increased by 38.7% in the 0-100 cm soil layer but significantly decreased by 15.0% in 200-380 cm soil layer with the total amount in 0-380 cm soil layer maintaining at CF level. Compared with ridge and furrow in each year (EYRF), the 6 year average grain yield in summer maize and all year in permanent ridge and furrow (PRF) treatments were increased by 10.55% and 9.10%, respectively, as well as the WUE in summer maize under 6 rows wheat planted in ridge (6R) pattern, in winter wheat under 4 rows wheat planted in ridge (4R) pattern and in all year were increased by 21.08%, 15.06% and 8.23%, respectively. The soil nutrient content under PRF increased in surface layer but decreased in subsoil layer, and the nitrate nitrate-N accumulation decreased by 4.9%-30.2%, compared with EYRF. Compared with 6R pattern, 4R pattern increased the grain yield in summer maize and in all year by 9.9% and 6.8%, as well as the WUE by 7.4%, 16.5% and 6.7%, respectively, in summer maize under EYRF, in winter wheat under PRF and in all year, averaged across the 6 experimental years. Compared with 6R pattern, 4R pattern had a tendency to improve soil properties, but the effect varied with different indexes, ridge raising patterns and soil layer.【Conclusion】4RPRF could not only reduce soil bulk density and increase soil organic matter, total nitrogen and available potassium contents, but also increase the grain yield and water use efficiency in summer maize, winter wheat and all year under most conditions, and also effectively reduce the nitrate-N accumulation in 200-380 cm soil layer. Therefore, 4RPRF was an alternative planting pattern to achieve high yield, high efficiency and environmentally friendly in dryland summer maize-winter wheat rotation system.

ridge and furrow planting patterns; dryland; maize-wheat rotation; soil properties; grain yield; water use efficiency; nitrate-N

2022-08-25；

2022-12-05

国家重点研发计划（2016YFD0300400，2018YFD0300700）、河南省旱地绿色智慧农业特色骨干学科群建设项目（17100001）

吴金芝，E-mail：yywujz@126.com。通信作者黄明，E-mail：huangming_2003@126.com。通信作者李友军，E-mail：lyj@haust.edu.cn

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.11.004

（责任编辑 杨鑫浩，李莉）