免耕與秸稈覆蓋對綠洲灌區(qū)冬小麥產(chǎn)量及土壤水分的影響

黃濤 馮福學(xué) 車宗賢 俄勝哲

摘要：通過田間長期定位試驗(yàn)，研究了西北內(nèi)陸河綠洲灌區(qū)不同耕作措施對冬小麥產(chǎn)量及土壤水分動(dòng)態(tài)變化的影響。結(jié)果表明，冬小麥拔節(jié)期前，免耕秸稈覆蓋處理和免耕秸稈立茬處理顯著提高了0～30 cm土層貯水量，處理間差異較大，拔節(jié)后差異變小;而返青至成熟期，免耕秸稈覆蓋處理和免耕秸稈立茬處理30～150 cm土層貯水量均大于傳統(tǒng)耕作處理。免耕秸稈立茬處理和免耕秸稈覆蓋處理均顯著提高了冬小麥產(chǎn)量，較傳統(tǒng)耕作處理分別增產(chǎn)6.98%～24.32%、15.65%～30.59%，較秸稈翻壓處理分別增產(chǎn)2.94%～4.25%、8.01%～11.29%。免耕秸稈覆蓋耕作措施和免耕秸稈立茬這2種保護(hù)性耕作措施均能提高冬小麥產(chǎn)量，適宜在西北內(nèi)陸河綠洲灌區(qū)冬小麥生產(chǎn)上推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：冬小麥;土壤水分;綠洲灌區(qū);免耕;秸稈覆蓋;保護(hù)性耕作

中圖分類號：S512.1 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ?文章編號：1001-1463（2020）06-0001-06

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2020.06.001

Effects of No-tillage and Straw Mulching on Winter Wheat Yield

and Soil Moisture in Oasis Irrigated Areas

HUANG Tao 1， FENG Fuxue 2， CHE Zhongxian 1， E Shengzhe 1

（1. Institute of Soil Fertilizer and Water-saving， Gansu Academy of Agricultural Science， Lanzhou Gansu 730070， China;2. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering， Gansu Agricultural University，Lanzhou Gansu 730070， China）

Abstract：The effects of different tillage measures on winter wheat yield and soil moisture dynamics were studied in the Oasis Irrigation Area of Northwest Inland River through long-term field positioning tests. The results showed that no-tillage with wheat stubble retention（NTS） and no-tillage with stubble standing （NTSS） could increase topper layer（0～30 cm） soil moisture content before jointing of winter wheat， and revealed significant difference among treatments. But the difference of soil moisture among different treatments became smaller after jointing. The soilwater storage of deeper soil layer（30～150 cm） in NTS and NTSS were always higher than that of conventional tillage（T） from turning green stage to maturity stage. The results also showed the grain yield of winter wheat increased significantly under NTSS and NTS treatments， which increased by 6.98%～24.32% and 15.65%～30.59% compared with T treatment， 2.94%～4.25% and 8.01%～11.29%， compared with traditional tillage treatment. Therefore， no-tillage with wheat stubble retention（NTS） and no-tillage with stubble standing（NTSS） could increase the yield of winter wheat and were suitable to be popularized and applied in the production of winter wheat in northwest inland river oasis irrigation area.

Key words：Winter wheat;Soil moisture;Oasis irrigation area;No-tillage;Straw mulching;Conservation tillage

甘肅河西綠洲灌區(qū)深處內(nèi)陸腹地，水資源有限，是甘肅省最主要的產(chǎn)糧區(qū)， 同時(shí)也是沙塵暴的重災(zāi)區(qū)和我國三大沙塵源區(qū)之一[1 ]。近年來，由于氣候的變暖、地下水的過度開采、不合理的灌溉制度及傳統(tǒng)土壤耕作方式使土壤水分無效損耗嚴(yán)重，水資源日趨匱乏，生態(tài)環(huán)境日益惡化。冬小麥在干燥的冬春季以麥苗覆蓋地表，既可防止沙塵暴又可減少水分蒸發(fā)。因此，在河西地區(qū)擴(kuò)種冬小麥實(shí)現(xiàn)冬麥北移，對改善區(qū)域脆弱的生態(tài)環(huán)境具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

保護(hù)性耕作技術(shù)是以免耕覆蓋播種機(jī)為主要作業(yè)機(jī)具，以少耕、免耕和地表生物覆蓋為特征的一種新型耕作技術(shù)，已被世界各國廣泛應(yīng)用。據(jù)FAO統(tǒng)計(jì)，目前，全世界保護(hù)性耕作應(yīng)用面積達(dá)到1.69億hm2，而我國保護(hù)性耕作研究與應(yīng)用起步較晚，且水分和產(chǎn)量效應(yīng)是研究的焦點(diǎn)，而大多研究集中在半干旱農(nóng)區(qū)[2 - 8 ]，在干旱灌區(qū)較少[9 ]，尚未形成適合綠洲灌區(qū)的保護(hù)性耕作模式[10 ]。我們通過長期田間定位試驗(yàn)，研究了不同耕作措施對西北內(nèi)陸河綠洲灌區(qū)冬小麥產(chǎn)量及農(nóng)田土壤水分的影響，闡明了保護(hù)性耕作的節(jié)水增產(chǎn)機(jī)理，旨在為該區(qū)構(gòu)建春小麥改種冬小麥的保護(hù)性耕作技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 ? 材料與方法

1.1 ? 試區(qū)概況

試驗(yàn)于2005年9月至2008年7月在位于甘肅省武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)的甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)場進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于甘肅河西走廊東端，地處東經(jīng)103° 5′，北緯37° 30′，屬冷溫帶干旱區(qū)，是典型的大陸性氣候，日照充足，春季多風(fēng)沙，夏季有干熱風(fēng)。平均海拔1 776 m，降水年際變化不大，但季節(jié)變化較大，多年平均降水量160 mm左右，主要集中在7、8、9月份，冬春季干旱，降水無法滿足作物生長需要。蒸發(fā)量2 400 mm，干燥度5.85， 年平均氣溫7.2 ℃ ，1月最低平均氣溫-27.7 ℃，7月最高平均氣溫34.0 ℃。≥0 ℃積溫為3 513.4 ℃，≥10 ℃積溫為2 985.4℃。全年無霜期156 d，絕對無霜期118 d，年日照時(shí)數(shù)2 945 h。試驗(yàn)地土壤以荒漠灌淤土為主，粉砂壤質(zhì)，土層深厚。

1.2 ? 供試材料

指示冬小麥品種為強(qiáng)冬性品種繁13，種子凈度98%，發(fā)芽率 95%，純度 96%，由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供。氮肥為尿素（含N 46%，甘肅金化集團(tuán)有效責(zé)任公司生產(chǎn)并提供），磷肥為磷酸二銨（總養(yǎng)分含量≥64.0%，含N≥18%、P2O5≥46.0%，由美國特拉肥料有限公司生產(chǎn)并提供）。

1.3 ? 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，分別為：傳統(tǒng)耕作處理（T），前茬作物收獲后深耕25 cm滅茬、耙耱整平;秸稈翻壓處理（TIS），前茬作物收獲后，秸稈切碎為5 cm，結(jié)合秋深耕翻入土壤，秸稈還田量為6 750 kg/hm2;免耕不覆蓋處理（NT），前茬作物收獲后免耕，不覆蓋;免耕秸稈覆蓋處理（NTS），前茬作物收獲后免耕并將秸稈切碎為5 cm長度田間覆蓋，秸稈還田量為6 750 kg/hm2;免耕立茬處理（NTSS），前茬作物收獲后免耕，立稈留茬25 cm，秸稈留量為6 750 kg/hm2。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，小區(qū)面積108 m2（27 m×4 m），小區(qū)四周設(shè)保護(hù)行。

每年9 月18日用免耕覆蓋施肥播種機(jī)按行距15 cm、播深6 cm播種，播量為337.5 kg/hm2?；┝姿岫@300 kg/hm2、尿素300 kg/hm2。拔節(jié)初期結(jié)合灌水追施磷酸二銨150 kg/hm2、尿素225 kg/hm2，抽穗期結(jié)合灌水追施磷酸二銨45 kg/hm2、尿素75 kg/hm2。試驗(yàn)期間灌冬水1 800 m3/hm2（3 a灌溉時(shí)間分別為2005年11月5日、2006年11月5日、2007年11月3日）、拔節(jié)水1 200 m3/hm2（3 a灌溉時(shí)間分別為2006年5月7日、2007年5月7日、2008年5月8日）、抽穗水1 050 m3/hm2（3 a灌溉時(shí)間分別為2006年5月28日、2007年5月20日、2008年5月23日）和灌漿水900 m3/hm2（3 a灌溉時(shí)間分別為2006年6月13日、2007年6月13日、2008年6月12日），全生育期總灌水量為4 950 m3/hm2。

1.4 ? 觀測指標(biāo)及方法

土壤水分在播前和收獲后分別用烘干法測定，測深為150 cm，其中0～30 cm每10 cm為1個(gè)層次，30～90 cm每20 cm為1個(gè)層次，90～150 cm每30 cm為1個(gè)層次。于2007年、2008年在冬小麥返青期到成熟期每隔15 d測定土壤水分1次，澆水前后各加測1次，其中0～10、10～20、20～30 cm 3個(gè)層次用烘干法測定，30 cm以下每10 cm土層均用503DR型中子水分儀測定。中子儀的讀數(shù)最后矯正成體積含水量。

矯正曲線：V%=[0.296 9×（R/R0）-0.155 5]×100% （R2=0.917 3）

式中：V為土壤容積含水量（V/V）;R為中子儀實(shí)際讀數(shù);R0為中子儀基本讀數(shù)。

冬小麥?zhǔn)斋@時(shí)，每小區(qū)隨機(jī)取樣20株進(jìn)行室內(nèi)考種，測定穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量等產(chǎn)量構(gòu)成因素，并按小區(qū)實(shí)收單獨(dú)測產(chǎn)。

1.5 ? 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理采用Excel軟件 和SPSS13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 ? 結(jié)果與分析

2.1 ? 0～30 cm土層土壤水分動(dòng)態(tài)變化

由圖1可看出，隨著冬小麥生育時(shí)期的推進(jìn)，不同處理0～30 cm土層土壤貯水量變化幅度大。由于地表留有作物殘茬，有效抑制了土壤水分蒸發(fā)，返青至拔節(jié)期NTS處理和NTSS處理表層土壤貯水量2007年、2008年均大于其他處理，且NTS處理大于NTSS處理。拔節(jié)后，由于受降水、灌水及農(nóng)田蒸騰蒸散等因素的影響，各處理土壤貯水量差異變小，且2007年、2008年變化趨勢不一致。其中2007年NTS處理和NTSS處理 0～30 cm土層貯水量均大于T處理、TIS處理和NT處理，而2008年卻均小于NT處理、T處理和TIS處理，表明作物生長后期NTS處理 和NTSS處理覆蓋保墑作用減弱。

2.2 ? 30～150 cm土層土壤水分動(dòng)態(tài)變化

由圖2看出，2007年與2008年2個(gè)研究期，冬小麥各生育期NTSS處理和NTS處理貯水量均高于T處理、TIS處理和NT處理。與T處理相比，從返青到成熟期，NTS處理和NTSS處理的土壤貯水量增幅分別為18.44%～30.43%、11.38%～11.93%，而NTS處理與NTSS處理的貯水量間差異不顯著。

2.3 ? 冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

從表1可以看出，免耕秸稈覆蓋處理（NTS）和免耕立茬處理（NTSS）均能顯著提高冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素。與傳統(tǒng)耕作處理（T）相比，NTSS處理和NTS處理的冬小麥成穗數(shù)分別提高9.13%～19.14%、13.56%～20.10%，穗粒數(shù)分別提高3.57%～23.41%、10.34%～12.34%，千粒重分別提高2.82%～6.40%、2.17%～10.13%，折合產(chǎn)量分別提高6.98%～24.32%、15.65%～30.59%，收獲指數(shù)分別提高7.32%～8.11%、16.22%～17.95%。與秸稈翻壓處理（TIS）相比，NTSS處理和NTS處理的成穗數(shù)分別提高8.39%～11.00%、9.61%～11.67%，穗粒數(shù)分別提高0.95%～13.28%、1.83%～9.50%，千粒重分別提高3.23%～3.85%、1.77%～7.69%，冬小麥折合產(chǎn)量分別提高2.94%～4.25%、8.01%～11.29%，收獲指數(shù)分別提高2.43%～4.76%、4.88%～17.95%。由此表明，免耕立茬處理（NTSS）和免耕秸稈覆蓋處理（NTS）是適合西北綠洲灌區(qū)推廣的保護(hù)性耕作措施。

3 ? 結(jié)論與討論

耕作方式及地表覆蓋均能顯著影響作物生長及土壤水熱特性，從而潛在顯著影響作物對土壤水分的利用[11 ]。免耕秸稈覆蓋處理（NTS）和免耕立茬處理（NTSS）均能有效增加冬小麥田土壤貯水量，提高冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率。

冬小麥拔節(jié)前，由于上部冠層小，地面裸露面積大，因此表層土壤耗水主要是以土壤蒸發(fā)為主，而免耕秸稈覆蓋處理和免耕立茬處理地表由于留有作物殘茬，降低了土壤溫度，有效抑制了水分蒸發(fā)，表層（0～30 cm）土壤貯水量顯著大于其他處理，且免耕秸稈覆蓋處理大于免耕立茬處理。拔節(jié)后，一方面由于受灌水、降水及作物蒸騰等因素的影響，另一方面，由于不同耕作措施改變了土壤物理結(jié)構(gòu)，從而影響土壤水分的入滲及再分布，使得各處理土壤表層含水量變化不一致。2006 — 2007年度，拔節(jié)后，各測定時(shí)期免耕秸稈覆蓋處理和免耕立茬處理的 0～30 cm土層貯水量均大于傳統(tǒng)耕作處理、秸稈翻壓處理，而2007 — 2008年度卻均小于傳統(tǒng)耕作處理、秸稈翻壓處理。有研究表明，冬小麥生長后期，氣溫較高，小麥冠層增大，保護(hù)性耕作的小麥蒸騰較大[2， 12];傳統(tǒng)耕作堅(jiān)實(shí)犁底層的形成不易于灌水下滲，免耕土層未受擾動(dòng)，土體結(jié)構(gòu)良好，所以表層水分易于向深層入滲而相對降低了表層水分含量。30～150 cm土層受外界因素的影響小，土壤水分變化主要受作物根系吸水特性和灌水的影響， 變幅相對較小。冬小麥整個(gè)生育期，各測定時(shí)期免耕立茬處理和免耕秸稈覆蓋處理的貯水量均大于傳統(tǒng)耕作處理、秸稈翻壓處理，這主要是一方面由于冬小麥生長前期免耕立茬處理和免耕秸稈覆蓋處理0～30 cm土層水分充足，根系對深層水的利用較少，另一方面免耕覆蓋改善了土壤結(jié)構(gòu)，增大了水分入滲速率[7， 13 - 15]，從而使深層土壤貯水量大于其他處理。與傳統(tǒng)耕作處理相比，從返青到成熟期，免耕秸稈覆蓋處理和免耕立茬處理土壤貯水量增幅分別為18.44%～30.43%和11.38%～11.93%。土壤深層水分的增加對作物后期的生長和產(chǎn)量的提高有重要作用。

作物產(chǎn)量是一個(gè)系統(tǒng)管理水平與土壤生產(chǎn)力的綜合反映，也是農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要評價(jià)指標(biāo)[16 ]。有相當(dāng)多的研究表明，免耕能提高作物的產(chǎn)量[17 - 22 ]，本研究中免耕立茬處理和免耕秸稈覆蓋處理的冬小麥折合產(chǎn)量較傳統(tǒng)耕作處理分別提高15.65%～30.59%和6.98%%～24.32%。這可能是一方面免耕增加了冬小麥的成穗數(shù)和千粒重[17 - 19 ]，本研究中，免耕立茬處理和免耕秸稈覆蓋處理的成穗數(shù)較傳統(tǒng)耕作處理分別提高9.13%～19.14%、13.56%～20.10%，千粒重較傳統(tǒng)耕作處理分別提高2.82%～6.40%、2.17%～10.13%，穗粒數(shù)較傳統(tǒng)耕作處理分別提高3.57%～23.41%、10.34%～12.34%;而另一方面，免耕秸稈覆蓋改善了土體結(jié)構(gòu)[15 ]，增大了根系生物量，提高了土壤含水量[4， 6 ]，從而使根系能有效的吸收土壤水分和養(yǎng)分供地上組織利用，增大產(chǎn)量形成潛力，從而提高冬小麥產(chǎn)量。

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（本文責(zé)編：鄭立龍）