休閑期耕作方式和施用保水劑對旱地小麥產(chǎn)量及水分利用率的影響

裴雪霞 黨建友 張定一 張 晶 王姣愛 程麥鳳

(山西農(nóng)業(yè)大學小麥研究所，山西 臨汾 041000)

中國正面臨著前所未有的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)挑戰(zhàn)，以滿足人口眾多和不斷增長的糧食需求。小麥是發(fā)展中國家最重要的糧食作物之一，也是我國三大主食之一。旱地冬小麥約占山西省南部小麥總種植面積的50%～60%，旱地麥區(qū)休閑期降水量占比大，導致降水分布與冬小麥生育期需水量不同步，因此將休閑期降水最大化利用是旱地冬小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要途徑[1-3]。前人研究結(jié)果表明，休閑期深耕和深松可以打破犁底層，提高土壤入滲速度，最大限度地接受自然降水[4-6]，從而促進小麥根系生長，吸收深層土壤水分，提高水分利用效率和小麥產(chǎn)量，同時促進養(yǎng)分的吸收和運轉(zhuǎn)，改善小麥籽粒品質(zhì)和面粉加工品質(zhì)[7-11]；Sun 等[12]研究也表明，7月上旬深耕或深松，8月底旋耕耙耕，可增加播種前土壤貯水量，促進小麥根系吸收深層土壤水分，提高旱地冬小麥產(chǎn)量。保水劑作為一種吸水能力強的高分子材料，適量施用可減少土壤水分蒸發(fā)，提高土壤含水量，保證干旱條件下水分的可控釋放，增加水分的貯留，為保證旱地小麥正常生長發(fā)育提供足夠的水分[13]。研究表明，施用適量保水劑可以降低土壤密度，提高土壤水穩(wěn)性團聚體含量，增加土壤孔隙度[14-15]；也有研究表明，過量施用保水劑可造成土壤板結(jié)[16]，但因地區(qū)、土質(zhì)、施用方法和施用量不同，應用效果有差異。綜上所述，雨養(yǎng)旱地麥田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵在于最大限度貯存休閑期降水。本研究在晉南雨養(yǎng)旱地以冬小麥為試驗材料，研究3 種耕作方式和不同保水劑施用量對播前和收獲后土壤水分含量、水分利用率、土壤養(yǎng)分含量及旱地小麥產(chǎn)量的影響，旨在探索最大限度利用休閑期降水的新途徑，以期為雨養(yǎng)旱地小麥穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

試驗于2017—2018年，在臨汾市堯都區(qū)大陽鎮(zhèn)岳壁村旱地(36.09°N，111.76°E，海拔693.5 m)進行。該地年均降水量489.2 mm，年均氣溫12.6℃，年蒸發(fā)量1 658.7 mm，年均日照時數(shù)2 170.2 h，無澆水條件，屬雨養(yǎng)旱地，一年一作。供試土壤為石灰性褐土，據(jù)2017年小麥播前測定，0 ～20 cm 土層含有機質(zhì)10.61 g·kg-1、全氮0.93 g·kg-1、堿解氮33.02 mg·kg-1、速效磷11.13 mg·kg-1、速效鉀109.00 mg·kg-1。供試保水劑(super absorbent polymers，SAP)由中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所提供；供試小麥品種為品育8161，由山西農(nóng)業(yè)大學小麥研究所培育并提供。試驗年份及前10年的月降水量如圖1 所示。2017—2018年年降水量(551.60 mm)高于前10年的平均年降水量(445.73 mm)，為豐水年；休閑期(6—9月份)降水量為366.8 mm，屬豐水型，分別占試驗年份和前10年年均降水量的66.5%和65.0%；生育期降水184.8 mm，屬豐水型，降水年型劃分參照文獻[3]。從全年度降水分布看，2017—2018年度休閑期降水主要分布在6—8月份，其降水量占休閑期總降水量的95.88%。小麥生育期降水主要分布在幼苗期和生育后期，小麥生長關(guān)鍵期11—3月份降水量僅為24 mm，遭遇嚴重冬春連旱。

1.2 試驗設計

采用裂區(qū)設計，主區(qū)為休閑期耕作方式(2017年7月26日):深松(SS，深度30 ～40 cm)、深翻(DP，深度27～30 cm)和旋耕(RT，深度15 ～20 cm)，副區(qū)為保水劑施用量:0、45 和90 kg·hm-2。小麥收獲后留茬長度23～28 cm，麥秸覆蓋均勻。小麥播前將保水劑按試驗設計用量與適量細土混勻，撒施?；适┯昧繛榧僋 150 kg·hm-2，P2O5105 kg·hm-2，休閑期耕作前撒施50%磷肥，播前撒施全部氮肥和剩余50%磷肥。小區(qū)面積100 m×35 m＝350 m2，采用大區(qū)設計，不設重復。2017年9月28日播種，各小區(qū)均采用旋耕、播種、鎮(zhèn)壓一次完成，播量225 kg·hm-2，行距20 cm，全生育期不澆水，不追肥，進行2 次病蟲草害防治，2018年6月2日收獲。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤蓄水量 于播種和收獲當天，測定0 ～200 cm 土壤含水量，每20 cm 一層，共10 層，用鋁盒烘干法測定土壤含水量(soil water content，SWC)[3]。并根據(jù)公式計算每一上層土壤貯水量(soil water storage，SWS)、生育期耗水量水分利用率(water use efficiency，WUE)和降水利用率(precipitation use efficiency，PUE):

式中，W 為土層貯水量，mm；WC 為土層含水量，%；ρs為土層容重(各土層平均容重為1.28 g·cm-3)；h為土層厚度，cm；0.1 為單位換算系數(shù)。

1.3.2 籽粒產(chǎn)量 成熟期前每處理調(diào)查6 個定點1 m2樣方內(nèi)所有≥3 粒以上的穗數(shù)，為有效成穗數(shù)。其中每小區(qū)在1 個調(diào)查樣方內(nèi)隨機選2 個單行，拔取單行20 cm 的全部穗數(shù)，去除穗粒數(shù)小于3 粒的穗后，調(diào)查粒數(shù)，平均值為穗粒數(shù)。成熟期每小區(qū)收獲其余5 個1 m2定點樣方，曬干后脫粒稱重，折算成公頃產(chǎn)量；數(shù)500 粒稱質(zhì)量，換算成千粒重，2 次重復(重復間相差≤0.5 g)。

1.3.3 土壤養(yǎng)分含量 成熟期采取0 ～20 和20 ～40 cm 土層土樣，風干，過2 mm 土篩用于測定土壤有機質(zhì)及速效養(yǎng)分含量。土壤有機質(zhì)含量采用高錳酸鉀容量法測定，堿解氮含量采用堿解擴散法測定，速效磷含量采用NaHCO3浸提-釩鉬酸銨比色法測定，速效鉀含量采用NH4OAc 浸提-火焰光度法測定[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007 和DPS 13.5 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用Duncan 法進行方差分析和多重比較(α＝0.05)。利用Excel 2007 作圖。表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作方式和施用保水劑對土壤含水量的影響

由圖2 可知，播種前，與休閑期旋耕相比，休閑期深松20～160 cm 土層的土壤含水量平均增加0.69 個百分點，休閑期深翻0 ～20 cm 和60 ～140 cm 土層的土壤含水量分別平均增加0.35 個和0.76 個百分點。可見，休閑期深松可以明顯提高旱地小麥的貯水和持水能力，為旱地小麥的合理播種提供有利條件。收獲后，休閑期深松和深翻較休閑期旋耕總體增加了0～20 cm 土層土壤含水量(除不施用保水劑深松0 ～20 cm 土層土壤含水量稍低于旋耕外)，總體降低了20～200 cm 土層土壤含水量。不施保水劑時，休閑期深松的土壤含水量總體高于休閑期深翻，而保水劑用量為45 或90 kg·hm-2時，休閑期深翻土壤含水量則總體高于休閑期深松。

2.2 耕作方式和施用保水劑對水分利用率的影響

由表1 可知，與休閑期旋耕相比，休閑期深松和深翻總體提高了小麥生育期耗水量，極顯著提高了0 ～200 cm 土壤水分利用率和降水利用率，且休閑期深松處理水分利用率和降水利用率總體高于休閑期深翻處理。各耕作方式的水分利用率和降水利用率均在保水劑施用量為45 kg·hm-2時最高，與不施用保水劑和保水劑施用量為90 kg·hm-2時差異達顯著水平。保水劑施用量為45 kg·hm-2時，休閑期深松和深翻的降水利用率分別比休閑期旋耕提高51.48%和38.74%。

表1 耕作方式和施用保水劑對水分利用率和降水利用率的影響Table 1 Effects of tillage at fallow period and SAP on water use efficiency and precipitation use efficiency

2.3 耕作方式和施用保水劑對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

表2 耕作方式和施用保水劑對旱地小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響Table 2 Effects of tillage at fallow period and SAP on yield and its component of dry-land wheat

由表2 可知，與休閑期旋耕相比，休閑期深松和深翻配合施用保水劑均極顯著提高了成穗數(shù)和穗粒數(shù)，并提高了旱地小麥產(chǎn)量，其中休閑期深松配施保水劑的提高效果達到顯著或極顯著水平。旱地小麥產(chǎn)量，但耕作方式對千粒重影響較小。休閑期深松平均產(chǎn)量較休閑期旋耕增加12.63%，休閑期深翻平均產(chǎn)量較休閑期旋耕增加6. 88%?？梢娦蓍e期深松增產(chǎn)效果優(yōu)于休閑期深翻。各耕作方式旱地小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成均在保水劑施用量為45 kg·hm-2時最高，且籽粒產(chǎn)量與不施用保水劑處理間差異達顯著水平；保水劑施用量為90 kg·hm-2次之，其中休閑期深松和深翻配施保水劑45 kg·hm-2分別較不施用保水劑處理產(chǎn)量增加17. 88%和11. 85%，分別較保水劑施用量為90 kg·hm-2增加6. 32% 和4. 28%，因此休閑期深松配施保水劑45 kg·hm-2增產(chǎn)效果最好。.

2.4 土壤含水量、旱地小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成和水分利用率的相關(guān)性分析

為進一步研究土壤含水量、旱地小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成和水分利用率之間的關(guān)系，進行了相關(guān)性分析(表3)。結(jié)果表明，播前60～120 cm 土層土壤含水量與成穗數(shù)、穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān)，與產(chǎn)量、水分利用率和降水利用率也呈正相關(guān)，但未達顯著水平。收獲期土壤含水量、生育期耗水量與產(chǎn)量及其構(gòu)成、水分利用率和降水利用率的相關(guān)性較小，產(chǎn)量、成穗數(shù)、穗粒數(shù)、水分利用率和降水利用率相互間呈極顯著正相關(guān)。

表3 土壤含水量、旱地小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成和水分利用率的相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlation among the soil water content，yields of dryland wheat and its components，and water use efficiency

2.5 耕作方式和施用保水劑對土壤養(yǎng)分含量的影響

由表4 可知，與休閑期旋耕相比，相同保水劑施用量下，休閑期深松降低了0～20 cm 土壤堿解氮和速效磷含量；休閑期深翻提高了0 ～20 cm 土壤速效磷和速效鉀含量，降低了堿解氮含量。由表5 可知，與休閑期旋耕相比，相同保水劑施用量下，休閑期深松和深翻極顯著提高了20 ～40 cm 土壤有機質(zhì)、堿解氮和速效磷含量。與不施用保水劑相比，休閑期深松配施保水劑，顯著降低了0～20 cm 和20 ～40 cm 土壤有機質(zhì)含量，提高了0～20 cm 和20 ～40 cm 土壤堿解氮含量，顯著降低了0～20 cm 土壤速效磷含量，卻顯著提高了20 ～40 cm 土壤速效磷和速效鉀含量，其中配施保水劑45 kg·hm-2，20 ～40 cm 土壤養(yǎng)分含量總體高于配施保水劑90 kg·hm-2；與不施用保水劑相比，休閑期深翻配施保水劑顯著降低了0～20 cm 和20～40 cm 土壤有機質(zhì)和堿解氮含量，顯著提高了0 ～20 cm 和20 ～40 cm 土壤效磷和速效鉀含量。相同保水劑施用量下，休閑期深松或深翻20～40 cm 土層土壤養(yǎng)分含量與休閑期旋耕間差異均達顯著或極顯著水平，因此，休閑期深松和深翻可以打破犁底層，提高土壤滲透性，從而改善土壤質(zhì)量。

表4 耕作方式和施用保水劑對0～20 cm 土層土壤養(yǎng)分含量的影響Table 4 Effects of tillage at fallow period and SAP on 0～20 cm soil nutrient

表5 耕作方式和施用保水劑對20～40 cm 土層土壤養(yǎng)分含量的影響Table 5 Effects of tillage at fallow period and SAP on 20～40 cm soil nutrient

3 討論

3.1 降水分布及休閑期耕作方式對水分利用率的影響

旱地小麥生產(chǎn)主要依靠自然降水。據(jù)報道，我國黃土高原東部地區(qū)小麥需要480 mm 左右的降水量才能獲得最大產(chǎn)量[2]。裴雪霞等[6]研究表明，山西省臨汾市旱地麥田近54年來生育期降水量為70.2 ～237.0 mm，占全年降水量的15.1%～43.5%，平均占30.3%。2017—2018年休閑期降水量為366.8 mm，屬豐水型，但其降水主要分布在6—8月份，不利于休閑期納雨蓄墑，小麥生育期降水量為184.8 mm，主要分布在幼苗期和生育后期，不能很好地滿足小麥生長。提高土壤持水能力和最大限度利用休閑期降水對旱地小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)至關(guān)重要[3-4，18-20]。本研究結(jié)果表明，與休閑期旋耕相比，休閑期深松和深翻能明顯提高播前土壤含水量和水分利用率，休閑期深松增加了播前深層土壤含水量，休閑期深翻增加了播前耕層(0 ～20 cm)和60 ～140 cm 土層土壤含水量。旱地小麥成穗數(shù)和穗粒數(shù)與播前60～120 cm 土層土壤含水量均呈顯著正相關(guān)。因此，休閑期深松或深翻有助于土壤吸收休閑期的降水，為小麥適時播種提供水分，0 ～200 cm 土壤水分利用率和降水利用率也有所增加，這與前人研究結(jié)果一致[3，6]。

3.2 耕作方式對旱地小麥產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分含量的影響

本研究結(jié)果表明，與休閑期旋耕相比，休閑期深松配施保水劑能顯著或極顯著提高小麥產(chǎn)量，休閑期深翻也能提高小麥產(chǎn)量，差異不顯著，并增加了成穗數(shù)和穗粒數(shù)；休閑期深松的小麥產(chǎn)量和水分利用率、降水利用率總體均高于休閑期深翻，這與孫敏等[21]的研究結(jié)果一致，即豐水年深松蓄水效果好于深翻。究其原因，休閑期深翻和深松都能打破多年耕作造成的厚犁底層，但休閑期深松比深翻深度更深，且不上下擾動整個土層，蒸發(fā)量小，更有利于休閑期的蓄水保水，因此播前土壤蓄水較深翻效果好。這與裴雪霞等[6]和黨建友等[3]的結(jié)果一致，但與Sun 等[2]和Xue 等[22]的結(jié)果不一致，可能是由于不同地區(qū)的氣候條件、土壤條件不同，如土壤孔隙度、降水量、風和溫度等[19，23]，其具體機理還需進一步深入研究。

大量研究表明，土壤特性與耕作實踐密切相關(guān)[24-26]。長期少耕或免耕可增加土壤容重，有利于小麥根系對水分和養(yǎng)分的吸收，進而提高產(chǎn)量[27]。耕作措施強烈影響土壤結(jié)構(gòu)，如土壤容重、土壤孔隙度和耕作層的保水特性[22，28-29]。本研究結(jié)果表明，與休閑期旋耕相比，相同保水劑施用量下，休閑期深松降低了0～20 cm 土層土壤堿解氮和速效磷含量；休閑期深松和深翻極顯著提高20 ～40 cm 土層土壤有機質(zhì)、堿解氮和速效磷含量，其中休閑期深翻處理0 ～20 cm 土層有機質(zhì)、堿解氮和速效磷含量以及20 ～40 cm 土層速效磷含量高于深松處理。這與黨建友等[3]的研究結(jié)果，即8月上旬和中旬深翻可以改善土壤滲水特性，積蓄更多的秋季降水量，促進小麥對氮磷的吸收，增加冬前莖蘗數(shù)，提高產(chǎn)量相一致。與休閑期旋耕和深松相比，休閑期深翻處理明顯提高20 ～40 cm 土層速效磷含量，可能與磷素移動性極慢，深翻使得20 ～40 cm 土層土壤磷素分布增加有關(guān)。試驗結(jié)果有待多年驗證。

3.3 施用保水劑對小麥產(chǎn)量及降水利用率的影響

大量研究表明，施用一定量的保水劑可降低土壤密度，提高土壤孔隙度，增加土壤入滲率，減少土壤侵蝕[30-31]，確保干旱條件下土壤水分的可控釋放，從而減少水分脅迫，加速土壤有機質(zhì)的分解和礦化，提高土壤養(yǎng)分含量[32-34]；此外，過量施用保水劑也可使土壤板結(jié)或作物減產(chǎn)[16]。本研究結(jié)果表明，休閑期深松、深翻和旋耕，配施保水劑，分別較不施用保水劑增產(chǎn)10.87% ～17.88%、 7.26% ～11.85% 和 5.53% ～11.89%，休閑期深翻和深松增產(chǎn)的主要原因是明顯提高了成穗數(shù)；水分利用率分別提高4.28 ～5.38、5.02 ～7.58 和1.20 ～2.91 kg·hm-2·mm-1，同時休閑期深松和深翻提高了20～40 cm 土層土壤速效磷和速效鉀含量，其中休閑期耕作配施保水劑45 kg·hm-2，旱地小麥產(chǎn)量和水分利用率均高于配施保水劑90 kg·hm-2。原因可能是適量施用保水劑可吸納休閑期及小麥生育期降雨，以確保根際有足夠的水分供應，供作物吸收利用，綜合考慮保水劑成本及增收效益，休閑期深松或深翻，配施保水劑45 kg·hm-2，可實現(xiàn)旱地小麥高產(chǎn)及水分的高效利用。

4 結(jié)論

綜上所述，休閑期深松和深翻較休閑期旋耕可提高旱地小麥播前土壤含水量、水分利用率、降水利用率以及20 ～40 cm 土層的土壤養(yǎng)分含量(除速效鉀含量)，且分別較休閑期旋耕平均增產(chǎn)12.63% 和6.88%，休閑期深松和深翻配施保水劑45 kg·hm-2分別較不施用保水劑增產(chǎn)17.88%和11.85%，其中主要通過增加成穗數(shù)和穗粒數(shù)來增產(chǎn)；休閑期深松增產(chǎn)增效作用優(yōu)于休閑期深翻。小麥產(chǎn)量、水分利用率、降水利用率與旱地小麥播前60 ～120 cm 土層土壤含水量呈正相關(guān)。本研究結(jié)果對晉南旱地小麥優(yōu)化耕作方式和保水劑施用量、提高小麥產(chǎn)量和水分利用率具有重要意義。