免耕及深松耕對(duì)黃土高原地區(qū)春玉米和冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率影響的整合分析

魏歡歡，王仕穩(wěn)，楊文稼，孫海妮，殷俐娜，鄧西平

（1中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所/黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

免耕及深松耕對(duì)黃土高原地區(qū)春玉米和冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率影響的整合分析

魏歡歡1,2，王仕穩(wěn)1,3，楊文稼3，孫海妮3，殷俐娜1,3，鄧西平1,3

（1中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所/黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

【目的】明確免耕、深松耕在黃土高原不同區(qū)域春玉米、冬小麥種植中的適用性和增產(chǎn)效果。【方法】通過(guò)文獻(xiàn)檢索共獲得45篇大田試驗(yàn)文獻(xiàn)和209組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用整合分析方法（Meta-analysis），定量分析免耕、深松耕在黃土高原不同區(qū)域、不同年降雨量和不同年均溫度下對(duì)春玉米、冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響特征?！窘Y(jié)果】與常規(guī)耕作相比，在黃土高原北部和中部采用免耕能有效提高春玉米產(chǎn)量和水分利用效率 10%以上；在年降雨量≤500 mm地區(qū)免耕春玉米的產(chǎn)量和水分利用效率增加最顯著，分別增加13.4%和13.6%（P＜0.05）；在年均溫度≤10℃地區(qū)免耕春玉米的產(chǎn)量和水分利用效率顯著增加，分別增加 7.6%和 9.3%（P＜0.05）。在黃土高原東南部和西北部采用深松耕都能顯著提高冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率；在年降雨量500—600 mm地區(qū)，采用深松耕的冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率增加最顯著，分別增加14.5%和12.2%（P＜0.05）；在不同年均溫度地區(qū)，深松耕冬小麥的產(chǎn)量和水分利用效率均顯著增加。在不同區(qū)域、不同年降雨量和不同年均溫度下，采用深松耕的冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率增加率均高于免耕。【結(jié)論】免耕、深松耕在黃土高原不同區(qū)域的適應(yīng)性不同,在黃土高原中部和北部采用免耕更有利于提高春玉米產(chǎn)量和水分利用效率；在年降雨量≤500 mm地區(qū)和年均溫度≤10℃地區(qū)采用免耕更有利于春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的增加;在黃土高原東南部和西北部采用深松耕均有利于提高冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率，且效果優(yōu)于免耕。

免耕；深松耕；作物；產(chǎn)量；水分利用效率；整合分析

0 引言

【研究意義】水資源短缺是限制黃土高原地區(qū)作物產(chǎn)量的主要因素[1]。面對(duì)不斷增長(zhǎng)的人口壓力、糧食需求以及生態(tài)環(huán)境改善的技術(shù)需求，尋求更有效的方式來(lái)提高作物水分利用效率和產(chǎn)量，成為保障黃土高原地區(qū)糧食安全和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵[2]。相比常規(guī)耕作，免耕和深松耕能夠增加土壤持水量，有利于提高作物水分利用效率和產(chǎn)量[3-4],因此免耕和深松耕常被作為黃土高原地區(qū)提高作物產(chǎn)量和水分利用效率的重要技術(shù)之一?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】代快等[5]研究表明，在山西壽陽(yáng)縣免耕春玉米產(chǎn)量和水分利用效率比常規(guī)耕作分別增加 6.1%和 9.7%。尚金霞等[6]研究表明，在陜西合陽(yáng)縣免耕春玉米產(chǎn)量和水分利用效率分別增加4.0%和9.4%。而張立建等[7]研究表明，在甘肅省安定區(qū)免耕春玉米產(chǎn)量和水分利用效率分別增加15.3%和11.8%。王維等[8]研究表明，相比常規(guī)耕作，在年降雨量≤500 mm的寧夏彭陽(yáng)縣，深松耕冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率分別增加 35.3%和37.8%。柏?zé)樝嫉萚9]研究表明，在年降雨量500—600 mm的陜西省合陽(yáng)縣，深松耕冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率分別增加13.9%和13.1%。而蘇子友等[10]研究表明，在年降雨量＞600 mm的河南省孟津縣，深松耕冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率分別增加16.1%和6.3%。柏?zé)樝嫉萚9]研究表明，免耕春玉米產(chǎn)量和水分利用效率比常規(guī)耕作分別增加-5.2%和-11.0%，而免耕冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率分別增加 6.2%和 9.0%?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】已有研究結(jié)果表明，由于地域、氣候、作物種類(lèi)等的差異，導(dǎo)致免耕和深松耕對(duì)黃土高原不同區(qū)域作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響存在較大差異。而常規(guī)的獨(dú)立單一試驗(yàn)因研究尺度小，受地區(qū)特定氣候影響大，試驗(yàn)結(jié)果間差異較大，因此不能從區(qū)域尺度定量說(shuō)明免耕和深松耕對(duì)黃土高原地區(qū)作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響程度。為了整體認(rèn)識(shí)黃土高原不同區(qū)域和不同氣候條件下，免耕和深松耕對(duì)春玉米、冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響，須利用已有的獨(dú)立單一試驗(yàn)結(jié)果，從宏觀(guān)區(qū)域尺度進(jìn)行大樣本數(shù)據(jù)的定量綜合分析?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究通過(guò)文獻(xiàn)檢索獲得45篇大田試驗(yàn)文獻(xiàn)和 209組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用整合分析方法（meta-analysis），定量分析免耕和深松耕在黃土高原不同區(qū)域、不同年降雨量以及不同年均溫度下對(duì)春玉米、冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響特征，為免耕和深松耕對(duì)黃土高原不同區(qū)域糧食增產(chǎn)效果的定量化及該類(lèi)技術(shù)的適宜應(yīng)用區(qū)域提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

通過(guò)Web of Science和中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）等數(shù)據(jù)庫(kù)，分別輸入“小麥（wheat）/玉米（maize）”和（and）“免耕（no-tillage）/深松耕（Subsoiling）”、“小麥（wheat）/玉米（maize）”和（and）“水分利用效率（water use efficiency）”關(guān)鍵詞，檢索近30年發(fā)表的黃土高原地區(qū)免耕、深松耕與作物產(chǎn)量及水分利用效率相關(guān)的文獻(xiàn)，并對(duì)檢索到的文獻(xiàn)進(jìn)行篩選。篩選標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）試驗(yàn)地點(diǎn)為黃土高原地區(qū)；（2）試驗(yàn)方式為大田試驗(yàn)，且作物全生育期不灌溉；（3）試驗(yàn)處理至少包含免耕和深松耕處理中的一項(xiàng)，且每項(xiàng)處理均以常規(guī)耕作為對(duì)照；（4）玉米、小麥產(chǎn)量和水分利用效率等指標(biāo)以數(shù)字或圖表形式報(bào)道；（5）對(duì)不同文獻(xiàn)報(bào)道的同一試驗(yàn)數(shù)據(jù)只納入其中一次。經(jīng)篩選，共有45篇文獻(xiàn)（春玉米19篇，冬小麥26篇）符合要求。45篇文獻(xiàn)在黃土高原各區(qū)域的數(shù)量分布為：春玉米（東部7篇，中部6篇，南部4篇，北部2篇，西部無(wú)研究資料），冬小麥（東南部 19篇，西北部 7篇）。對(duì)篩選得到的文獻(xiàn)提取試驗(yàn)地點(diǎn)、作物種類(lèi)、耕作處理、籽粒產(chǎn)量、水分利用效率、作物耗水量等數(shù)據(jù)。為消除各試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)不同年份氣象條件的差異，本研究根據(jù)引用文獻(xiàn)對(duì)試驗(yàn)期降雨量和年型的說(shuō)明，只將屬于平水年（正常年份）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)納入分析。經(jīng)篩選，共獲得分布于黃土高原15個(gè)地區(qū)（圖1）的209組配對(duì)試驗(yàn)和1190個(gè)試驗(yàn)觀(guān)測(cè)值。

1.2 數(shù)據(jù)分類(lèi)

圖1 春玉米、冬小麥試驗(yàn)地點(diǎn)分布圖Fig. 1 Test places of spring maize and winter wheat in Loess Plateau

為分析免耕、深松耕在黃土高原不同區(qū)域、不同年降雨量和不同年均溫度下對(duì)春玉米、冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率的影響，根據(jù)耕作方式和作物種類(lèi)對(duì)篩選后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道的耕作類(lèi)型，將數(shù)據(jù)分為2類(lèi)：免耕，即前茬作物收獲后的休閑期不對(duì)土壤進(jìn)行任何耕作處理，到適播期直接播種；深松耕，即前茬作物收獲后的休閑期按照一定間距對(duì)土壤深松30—40 cm。免耕和深松耕處理均以常規(guī)耕作（前茬作物收獲后的休閑期或者播種前對(duì)土壤進(jìn)行旋耕或翻耕）作為對(duì)照。研究共涉及春玉米和冬小麥2種作物，春玉米耕作處理包含免耕和常規(guī)耕作（春玉米無(wú)深松耕研究資料），冬小麥耕作處理包含免耕、深松耕和常規(guī)耕作，具體統(tǒng)計(jì)分類(lèi)如表1所示。

根據(jù)黃土高原地區(qū)氣候的差異[11-17]，本研究將黃土高原劃分為5個(gè)區(qū)域（圖2）：東部、中部、西部、南部、北部，各區(qū)域氣候特征如表 2所示?？紤]到春玉米和冬小麥試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)量的限制及其種植區(qū)域的差異，將春玉米種植區(qū)劃分為東部、中部、南部和北部4個(gè)區(qū)域（西部區(qū)域無(wú)免耕春玉米資料），冬小麥種植區(qū)劃分為東南部和西北部2個(gè)區(qū)域 （東南部為圖2中的南部，西北部為圖2中除南部以外的其他區(qū)域）。一般年降雨量350—500 mm為半干旱地區(qū)，大于500 mm為濕潤(rùn)地區(qū)[18]，因此，以年降雨量500 mm為分界，將春玉米種植區(qū)年降雨量分為：≤500 mm和＞500 mm；將冬小麥種植區(qū)年降雨量分為：≤500 mm、500—600 mm和＞600 mm。根據(jù)試驗(yàn)地點(diǎn)年均溫度的差異，將春玉米、冬小麥種植區(qū)年均溫度劃分為≤10℃和＞10℃。

圖2 黃土高原分區(qū)示意圖Fig. 2 Zoning map of Loess Plateau

表1 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分類(lèi)信息Table 1 Analysis of classified data

表2 黃土高原區(qū)域劃分及其氣候特征Table 2 Areas division and characteristics of climate in Loess Plateau

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

在 Meta分析中，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果為物理尺寸測(cè)量，且結(jié)果不可能為0的研究領(lǐng)域中，兩組數(shù)值間的均值比可作為效應(yīng)量即反應(yīng)比R[19]。本研究使用反應(yīng)比R計(jì)算效應(yīng)量M，計(jì)算公式為[20]：

式中，M為試驗(yàn)的效應(yīng)量；Xe為試驗(yàn)組(免耕/深松耕)對(duì)應(yīng)作物產(chǎn)量或水分利用效率的平均值，Xc為對(duì)照組(常規(guī)耕作)對(duì)應(yīng)作物產(chǎn)量或水分利用效率的平均值。為便于使用作物產(chǎn)量、水分利用效率相對(duì)變化率來(lái)解釋免耕、深松耕對(duì)作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響，將分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為相對(duì)變化率Y,計(jì)算公式為[21]：

如果Y的95%置信區(qū)間與0重疊，可認(rèn)為處理組與對(duì)照組間差異不顯著，即免耕、深松耕處理下作物產(chǎn)量和水分利用效率相比常規(guī)耕作處理差異不顯著；若不與 0重疊，則認(rèn)為試驗(yàn)組和對(duì)照組間差異顯著[22]（P＜0.05）。本研究采用SAS 9.4軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用Excel 2007和Sigmaplot 12.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖。

2 結(jié)果

2.1 不同區(qū)域免耕、深松耕對(duì)作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響

在黃土高原不同區(qū)域，免耕和深松耕對(duì)作物產(chǎn)量的影響不同（圖 3）。黃土高原地區(qū)免耕春玉米整體平均產(chǎn)量為6 583 kg·hm-2，各區(qū)域產(chǎn)量為5 119—8 513 kg·hm-2。與常規(guī)耕作相比，免耕春玉米的產(chǎn)量整體平均增加6.0%（圖4-a），各區(qū)域中除南部以外其余3個(gè)區(qū)域的春玉米產(chǎn)量均顯著增加，增加率依次為中部＞北部＞東部。黃土高原地區(qū)免耕和深松耕冬小麥整體平均產(chǎn)量分別為3 818 kg·hm-2和4 225 kg· hm-2，各區(qū)域東南部產(chǎn)量均顯著高于西北部（P＜0.05）。深松耕冬小麥的整體平均產(chǎn)量和各區(qū)域產(chǎn)量均高于免耕。與常規(guī)耕作相比，免耕冬小麥的產(chǎn)量整體平均增加6.1%，東南部增加8.2%（P＜0.05），西北部減少2.9%，變化不顯著；深松耕冬小麥的整體平均產(chǎn)量和各區(qū)域產(chǎn)量均顯著增加（P＜0.05），增加率均高于免耕。

在黃土高原不同區(qū)域，免耕和深松耕對(duì)作物水分利用效率的影響不同（圖 5）。免耕春玉米整體平均水分利用效率為15. 8 kg·hm-2·mm-1，各區(qū)域水分利用效率為12.5—20.5 kg·hm-2·mm-1。與常規(guī)耕作相比，免耕春玉米的水分利用效率整體平均增加 7.6%（圖4-b），各區(qū)域中除南部以外其余3個(gè)區(qū)域的春玉米水分利用效率均顯著增加（P＜0.05），增加率依次為北部＞中部＞東部。免耕和深松耕冬小麥整體平均水分利用效率為12.3 kg·hm-2·mm-1和13.3 kg·hm-2·mm-1，各區(qū)域東南部水分利用效率均顯著高于西北部（P＜0.05）。深松耕冬小麥的整體平均水分利用效率和各區(qū)域水分利用效率均高于免耕。與常規(guī)耕作相比，深松耕冬小麥的水分利用效率整體平均增加9.8%，東南部和西北部分別增加9.6%和10.9%（P＜0.05），增加率均高于免耕。圖4-c表明，免耕對(duì)春玉米生育期耗水量增加率整體影響不顯著，各區(qū)域東部和北部耗水量出現(xiàn)降低，南部和中部增加不顯著。免耕和深松耕條件下的冬小麥整體平均耗水量大于常規(guī)耕作，各區(qū)域中深松耕冬小麥耗水量增加率均高于免耕。可見(jiàn)，在黃土高原北部和中部采用免耕可顯著提高春玉米產(chǎn)量和水分利用效率10%以上；在黃土高原東南部和西北部采用深松耕有利于提高冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率，且效果優(yōu)于免耕。

2.2 不同年降雨量下免耕、深松耕對(duì)作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響

不同年降雨量下免耕和深松耕對(duì)作物產(chǎn)量的影響不同（圖6）。年降雨量≤500 mm地區(qū)的免耕春玉米產(chǎn)量高于年降雨量＞500 mm地區(qū)，二者差異不顯著。與常規(guī)耕作相比，免耕春玉米的產(chǎn)量在年降雨量≤500 mm地區(qū)增加13.4%（圖7-a），增加率顯著高于年降雨量＞500 mm地區(qū)。免耕和深松耕冬小麥產(chǎn)量隨年降雨量的增加而顯著增加。在3個(gè)不同年降雨量地區(qū)，深松耕冬小麥產(chǎn)量均高于免耕冬小麥。與常規(guī)耕作相比，免耕冬小麥的產(chǎn)量在年降雨量500—600 mm和＞600 mm地區(qū)分別增加5.4%和8.4%（P＜0.05），年降雨量≤500 mm地區(qū)增加不顯著；深松耕冬小麥的產(chǎn)量在3個(gè)不同年降雨量地區(qū)均顯著增加（P＜0.05），三者差異不顯著，但均高于免耕。

圖4 免耕、深松耕處理下黃土高原各區(qū)域作物相對(duì)產(chǎn)量變化率（a）、相對(duì)水分利用效率變化率（b）、相對(duì)耗水量變化率（c）Fig. 4 Effect of no-tillage and subsoiling tillage on change rate of relative yiled (a), change rate of relative water use efficiency (b), and change rate of relative evapotranspiration (c) of crops in different areas of Loess Plateau

不同年降雨量下免耕和深松耕對(duì)作物水分利用效率的影響不同（圖8）。年降雨量≤500 mm地區(qū)的免耕春玉米水分利用效率高于年降雨量＞500 mm地區(qū)，二者差異不顯著。與常規(guī)耕作相比，免耕春玉米的水分利用效率在年降雨量≤500 mm地區(qū)增加13.6%（圖7-b），增加率高于年降雨量＞500 mm地區(qū)。免耕和深松耕冬小麥水分利用效率隨年降雨量的增加而增加。在3個(gè)不同年降雨量地區(qū)，深松耕冬小麥水分利用效率均高于免耕冬小麥。與常規(guī)耕作相比，在年降雨量≤500 mm、500—600 mm和＞600 mm地區(qū)，深松耕冬小麥的水分利用效率分別增加10.9%、12.2%和7.7%（P＜0.05），三者間差異不顯著，但均高于免耕。另外，由圖 7-c可知，與常規(guī)耕作相比，免耕春玉米耗水量在不同年降雨量地區(qū)增加不顯著。免耕和深松耕冬小麥的耗水量在年降雨量≤500 mm和＞600 mm地區(qū)顯著增加，在年降雨量500—600 mm地區(qū)增加不顯著?？梢?jiàn)，在黃土高原春玉米種植區(qū)采用免耕有利于提高春玉米產(chǎn)量和水分利用效率，且在年降雨量≤500 mm地區(qū)的效果優(yōu)于年降雨量＞500 mm地區(qū)。相比免耕，在黃土高原冬小麥種植區(qū)采用深松耕更有利于提高冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率，其中在年降雨量500—600 mm地區(qū)效果最好。

圖8 不同年降雨量下免耕、深松耕對(duì)春玉米、冬小麥水分利用效率的影響Fig. 8 Effect of no-tillage and subsoiling tillage on water use efficiency of spring maize and winter wheat in different annual precipitation areas

2.3 不同年均溫度下免耕、深松耕對(duì)作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響

圖9 不同年均溫度下免耕、深松耕對(duì)春玉米、冬小麥產(chǎn)量的影響Fig. 9 Effect of no-tillage and subsoiling tillage on yield of spring maize and winter wheat in different annual average temperature areas

不同年均溫度下免耕和深松耕對(duì)作物產(chǎn)量的影響不同（圖 9）。年均溫度≤10℃地區(qū)的免耕春玉米產(chǎn)量顯著低于年均溫度＞10℃地區(qū)（P＜0.05）。與常規(guī)耕作相比，免耕春玉米的產(chǎn)量在年均溫度≤10℃地區(qū)增加 7.6%（P＜0.05），在年均溫度＞10℃地區(qū)增加不顯著（圖10-a）。免耕和深松耕冬小麥的產(chǎn)量在年均溫度≤10℃地區(qū)顯著低于年均溫度＞10℃地區(qū)（P＜0.05）。在不同年均溫度地區(qū)，深松耕冬小麥的產(chǎn)量均高于免耕冬小麥。與常規(guī)耕作相比，免耕冬小麥的產(chǎn)量在年均溫度＞10℃地區(qū)增加8.2%（P＜0.05），在年均溫度≤10℃地區(qū)增加不顯著。深松耕冬小麥的產(chǎn)量在不同年均溫度地區(qū)均顯著增加，增加率大于免耕。

不同年均溫度下免耕和深松耕對(duì)作物水分利用效率的影響不同（圖11）。年均溫度≤10℃地區(qū)的免耕春玉米水分利用效率顯著低于年均溫度＞10℃地區(qū)（P＜0.05）。與常規(guī)耕作相比，免耕春玉米的水分利用效率在年均溫度≤10℃地區(qū)增加 9.3%（P＜0.05）（圖10-b），在年均溫度＞10℃地區(qū)增加不顯著。免耕和深松耕冬小麥的水分利用效率在年均溫度＞10℃地區(qū)均顯著高于年均溫度≤10℃地區(qū)。在不同年均溫度地區(qū)，深松耕冬小麥的水分利用效率均高于免耕冬小麥。與常規(guī)耕作相比，在年均溫度≤10℃和＞10℃地區(qū)，深松耕冬小麥的水分利用效率分別增加 10.9%和 9.6%（P＜0.05），二者差異不顯著，但均高于免耕冬小麥。另外，由圖10-c可知，與常規(guī)耕作相比，免耕春玉米的耗水量在年均溫度≤10℃地區(qū)出現(xiàn)降低，在年均溫度＞10℃地區(qū)增加不顯著。深松耕冬小麥的耗水量在年均溫度≤10℃和＞10℃地區(qū)均出現(xiàn)增加，增加率均高于免耕?？梢?jiàn)，在年均溫度≤10℃地區(qū)采用免耕，有利于提高春玉米產(chǎn)量和水分利用效率；在年均溫度≤10℃和＞10℃地區(qū)采用深松耕，都有利于提高冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率，且效果優(yōu)于免耕。

3 討論

3.1 免耕、深松耕使作物產(chǎn)量和水分利用效率增加的原因

通過(guò)比較黃土高原不同區(qū)域、不同年降雨量和不同年均溫度下，免耕和深松耕對(duì)春玉米、冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響，結(jié)果表明，與常規(guī)耕作相比，采用免耕和深松耕均能提高春玉米、冬小麥的整體平均產(chǎn)量和水分利用效率。前人研究免耕和深松耕條件下作物產(chǎn)量和水分利用效率增加的原因主要有：（1）相比常規(guī)耕作，免耕降低了對(duì)表層土壤的擾動(dòng)，保護(hù)了表層土壤微孔隙和其連續(xù)的孔隙路徑[23]，改善了土壤結(jié)構(gòu)，提高了土壤穩(wěn)定性滲透率和飽和導(dǎo)水率[24]，從而使土壤持水量增大，有利于作物生長(zhǎng)和增產(chǎn)；（2）常規(guī)旋耕和翻耕作用土層為0—30 cm表層土壤，由于旋耕刀和犁鏵對(duì)土壤的擠壓、打擊作用，連續(xù)采用常規(guī)耕作會(huì)使30 cm以下土壤層變緊、變硬，形成犁底層，土壤孔隙度和通透性降低，土壤儲(chǔ)水能力下降，不利于作物根系生長(zhǎng)和對(duì)水分的吸收，從而導(dǎo)致作物產(chǎn)量和水分利用效率下降[25]。深松耕打破了犁底層，相比常規(guī)耕作能顯著降低土壤容重6.6%[3]，降低土壤緊實(shí)度25%左右[26]，同時(shí)深松耕增加了土壤孔隙度，提高了土壤持水能力，有利于作物的生長(zhǎng)。

圖10 不同年均溫度下免耕、深松耕對(duì)作物相對(duì)產(chǎn)量變化率（a）、相對(duì)水分利用效率變化率（b）、相對(duì)耗水量變化率（c）的影響Fig. 10 Effect of no-tillage and subsoiling tillage on change rate of relative yield (a), change rate of relative water use efficiency (b), and change rate of relative evapotranspiration (c) of crops in different annual average temperature areas

3.2 免耕、深松耕對(duì)作物產(chǎn)量和水分利用效率影響的因素分析

3.2.1 區(qū)域 結(jié)果表明，免耕和深松在黃土高原各區(qū)域的適應(yīng)性存在差異，受地域影響比較大。其主要原因有：黃土高原地區(qū)年降雨量為150—722 mm，平均為434.4 mm[12,27]，各區(qū)域間年降雨量差異較大。免耕和深松耕具有改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤水分入滲能力，增加土壤儲(chǔ)水量的作用，但因各區(qū)域年降雨量存在較大差異，導(dǎo)致免耕和深松耕對(duì)不同區(qū)域作物產(chǎn)量和水分利用效率的影響不同。春玉米生育期降雨量約占全年降雨量80%以上，降雨相對(duì)較多。相比其他區(qū)域，黃土高原東部和南部區(qū)域春玉米生育期降雨相對(duì)充沛，水分對(duì)春玉米生長(zhǎng)制約程度減弱，因而在東部和南部區(qū)域免耕所具有的改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤儲(chǔ)水的作用弱化，導(dǎo)致春玉米產(chǎn)量和水分利用效率在南部區(qū)域增長(zhǎng)不顯著，東部區(qū)域增加幅度相對(duì)較小。而在黃土高原北部和中部區(qū)域，春玉米生育期降雨量偏少，水分缺乏嚴(yán)重限制了春玉米生長(zhǎng)，此時(shí)免耕所具有的保蓄水分作用得到凸顯，從而北部和中部區(qū)域的春玉米產(chǎn)量和水分利用效率顯著增加，導(dǎo)致中部區(qū)域免耕春玉米產(chǎn)量高于南部。相比春玉米，冬小麥生育期需水與黃土高原季節(jié)降雨嚴(yán)重錯(cuò)位，冬小麥生育期降雨極少，冬小麥生長(zhǎng)受水分制約嚴(yán)重[28]。冬小麥生育期內(nèi)黃土高原西北部區(qū)域降雨匱乏，加之蒸發(fā)量大，免耕有限的保蓄水分能力在此條件下受到限制，導(dǎo)致該區(qū)域免耕冬小麥產(chǎn)量增加不顯著，且水分利用效率顯著降低。而冬小麥生育期東南部區(qū)域降雨相對(duì)較多，免耕措施保蓄水分的作用得到凸顯，因此在黃土高原東南部免耕冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率顯著增加。深松耕打破了犁底層結(jié)構(gòu)，增加了土壤孔隙度，相比免耕措施具有更好的土壤儲(chǔ)水能力，所以在黃土高原東南部和西北部均有良好的適應(yīng)性，因此深松耕冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率在黃土高原東南部和西北部顯著增加，且增加率均高于免耕冬小麥。

3.2.2 年降雨量 因受水分制約程度不同，常規(guī)耕作條件下，年降雨量≤500 mm地區(qū)春玉米產(chǎn)量低于年降雨量＞500 mm地區(qū)。但由于在黃土高原年降雨量≤500 mm地區(qū)，太陽(yáng)總輻射量和年日照時(shí)數(shù)均大于年降雨量＞500 mm地區(qū)[29]，這有利于年降雨量≤500 mm地區(qū)春玉米產(chǎn)量的提高，因此在常規(guī)耕作條件下，年降雨量≤500 mm地區(qū)的春玉米產(chǎn)量小于降雨量＞500 mm地區(qū)，但二者差異不顯著。另外，由于2個(gè)不同年降雨量地區(qū)在春玉米生育期間降雨量差異較大，從而導(dǎo)致在常規(guī)耕作條件下，年降雨量≤500 mm地區(qū)春玉米水分利用效率大于年降雨量＞500 mm地區(qū)，但二者差異不顯著。與常規(guī)耕作相比，免耕和深松耕在黃土高原不同年降雨量地區(qū)對(duì)作物產(chǎn)量和水分利用效率影響不同。其主要原因是，免耕春玉米生育期降雨量約占全年降雨量80%以上，且春玉米生長(zhǎng)后期的 6—9月份，降雨類(lèi)型多為暴雨[30]，在降雨量＞500 mm地區(qū)容易造成土壤排水不暢和局部澇災(zāi)，從而影響免耕春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的進(jìn)一步增加。而在年降雨量≤500 mm地區(qū)，由于春玉米全生育期和生長(zhǎng)后期降雨量相對(duì)較少，降雨被土壤吸收供植物生長(zhǎng)，不易形成土壤排水不暢和局部澇災(zāi)，因此該地區(qū)免耕春玉米產(chǎn)量和水分利用效率增加率高于年降雨量＞500 mm地區(qū)。冬小麥生育期為9月至翌年6月，而黃土高原地區(qū)50%—60%的年降雨量集中在6—9月[31]，生育期需水與季節(jié)降雨錯(cuò)位導(dǎo)致冬小麥生長(zhǎng)嚴(yán)重受水分制約。雖然免耕有助于增加土壤水分，但是在黃土高原年降雨量≤500 mm地區(qū)，過(guò)低的降雨量并不能使免耕的保水能力得到發(fā)揮，從而導(dǎo)致該地區(qū)免耕冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率增加率不顯著。而隨著年降雨量逐漸增加，免耕保蓄土壤水分的作用得到凸顯，從而使年降雨500—600 mm和＞600 mm地區(qū)免耕冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率增加率依次顯著升高。相比免耕，深松耕改善了土壤30—40 cm層的結(jié)構(gòu)，增大了土壤孔隙度[32]，使水分入滲能力和蓄水能力進(jìn)一步增強(qiáng)，在降雨季增加了深層土壤儲(chǔ)水，從而使深松耕冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率在不同年降雨量地區(qū)均顯著增加，且高于免耕冬小麥。

3.2.3 年均溫度 結(jié)果表明，免耕和深松耕在黃土高原不同年均溫度地區(qū)適應(yīng)性不同。其主要原因是，玉米是喜溫作物，生育期要求較高的溫度，在年均溫度≤10℃地區(qū)日溫差和季節(jié)溫差較大，不利于春玉米種子萌發(fā)和生長(zhǎng)。免耕具有保蓄水分、穩(wěn)定土壤溫度的作用，為春玉米種子萌發(fā)和生長(zhǎng)提供了有利環(huán)境，從而促進(jìn)了年均溫度≤10℃地區(qū)春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的增加。深松耕改善了深層土壤透氣性，增強(qiáng)了土壤導(dǎo)熱性，正常情況下可提高土壤溫度0.5—1℃，有利于作物種子萌發(fā)和生長(zhǎng)[33]。另外，在播種至拔節(jié)期，深松耕0—30 cm土層溫度波動(dòng)小于免耕秸稈覆蓋[34]，有利于冬小麥生長(zhǎng)。因此，在黃土高原不同年均溫度區(qū)域，深松耕冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率增加率顯著高于免耕冬小麥。

4 結(jié)論

4.1 免耕和深松耕在黃土高原不同區(qū)域的適應(yīng)性不同。與常規(guī)耕作相比，在黃土高原中部和北部區(qū)域，采用免耕可提高春玉米產(chǎn)量和水分利用效率10%以上。在黃土高原東南部和西北部區(qū)域，采用深松耕可顯著提高冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率，且效果優(yōu)于免耕。

4.2 與常規(guī)耕作相比，在黃土高原采用免耕都能提高春玉米的產(chǎn)量和水分利用效率，其中年降雨量≤500 mm地區(qū)的增加率顯著高于年降雨量＞500 mm地區(qū)。在黃土高原不同年降雨量地區(qū)，深松耕冬小麥的產(chǎn)量和水分利用效率均顯著增加，且增加率高于免耕處理。

4.3 與常規(guī)耕作相比，在黃土高原年均溫度≤10℃地區(qū)，采用免耕能顯著提高春玉米產(chǎn)量和水分利用效率。在不同年均溫度地區(qū)采用深松耕可顯著提高冬小麥產(chǎn)量和水分利用效率，且效果優(yōu)于免耕。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Meta Analysis on Impact of No-Tillage and Subsoiling Tillage on Spring Maize and Winter Wheat Yield and Water Use Efficiency on the Loess Plateau

WEI HuanHuan1,2, WANG ShiWen1,3, YANG WenJia3, SUN HaiNi3, YIN LiNa1,3, DENG XiPing1,3
(1Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources/State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Yangling 712100, Shaanxi;2University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049;3Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi)

【Objective】The objective of the experiment was to clarify the adaptability of no-tillage and subsoiling tillage to spring maize and winter wheat planting in different areas of Loess Plateau, and the effects of no-tillage and subsoiling tillage on crop yield-increasing in Loess Plateau.【Method】A total of 209 databases were obtained from 45 published literatures, and then the effects of no-tillage and subsoiling tillage on the yield and water use efficiency of spring maize and winter wheat were quantified using a meta-analysis method in different areas, annual precipitations and annual average temperatures of Loess Plateau.【Result】Compared with those under conventional tillage, the yield and water use efficiency of spring maize under no-tillage conditions increased bymore than 10% in north and middle of Loess Plateau; the yield and water use efficiency of spring maize under no-tillage conditions significantly increased by 13.4% and 13.6% (P＜0.05) in areas with annual precipitation ≤500 mm and significantly increased by 7.6% and 9.3% (P＜0.05) in areas with annual average temperature ≤10℃. Moreover, the yield and water use efficiency of winter wheat under subsoiling tillage conditions significantly increased in southeast and northwest of Loess Plateau. In areas with annual precipitation of 500-600 mm, the yield and water use efficiency of winter wheat under subsoiling conditions significantly increased by 14.5% and 12.2% (P＜0.05), and the yield and water use efficiency of winter wheat under subsoiling conditions also increased significantly in areas with annual average temperature of ≤10℃ or ＞10℃. In various areas, annual precipitation, annual average temperature, the increases of the yield and water use efficiency of winter wheat under subsoiling tillage conditions were higher than that under no-tillage conditions.【Conclusion】In different areas of Loess Plateau, the adaptability of no-tillage and subsoiling tillage were different. No-tillage was beneficial to the yield and water use efficiency of spring maize in north and middle of Loess Plateau. The yield and water use efficiency of spring maize under no-tillage conditions increased more significantly in areas with annual precipitation of 500-600 mm and annual average temperature ≤10℃. Subsoiling tillage was beneficial to the yield and water use efficiency of winter wheat in southeast and northwest of Loess Plateau, and the effects of subsoiling tillage were better than that of no-tillage.

no-tillage; subsoiling tillage; crops; yield; water use efficiency; meta-analysis

2016-06-20；接受日期：2016-09-12

國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2015BAD22B01）、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目（2015CB150402）

聯(lián)系方式：魏歡歡，E-mail：weihuanhuan_ucas@126.com。通信作者王仕穩(wěn)，E-mail：shiwenwang@nwsuaf.edu.cn