免耕直播對(duì)谷子耗水量、水分利用效率及產(chǎn)量的影響

劉朋程，于國(guó)紅，崔海英，郭安強(qiáng)，杜 紅，郝洪波，李明哲

(河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所/河北省農(nóng)作物抗旱研究實(shí)驗(yàn)室，河北 衡水 053000)

近幾年來，河北省黑龍港流域降雨量減少，地下水超采現(xiàn)象嚴(yán)重，成為華北地區(qū)最大的地下水漏斗區(qū)，嚴(yán)重影響了該地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。黑龍港地區(qū)是河北省谷子發(fā)展的核心區(qū)域，谷子具有耐瘠薄、耐干旱的特點(diǎn)[3]，如何通過栽培技術(shù)更好地發(fā)揮谷子的生產(chǎn)潛力，在不減產(chǎn)或者增產(chǎn)的前提下減少谷子生育期耗水量，提高水分利用效率是目前研究的重點(diǎn)。

保護(hù)性耕作是一項(xiàng)可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，具有增加土壤水分、改善土壤結(jié)構(gòu)、減輕土壤侵蝕和減緩?fù)恋赝嘶葍?yōu)勢(shì)[3-6]。有研究表明，耕作活動(dòng)會(huì)引起土壤結(jié)構(gòu)改變，從而改變土壤的水力學(xué)特性，影響土壤的蓄水保墑能力[6]。這是因?yàn)槊飧苡行У乇３滞寥浪趾?，其中免耕秸稈覆蓋較傳統(tǒng)耕作更有效地提高了土壤含水量，免耕土壤水分蒸發(fā)量明顯小于傳統(tǒng)耕作，這是由于免耕秸稈覆蓋避免太陽(yáng)光直射地面，抑制土壤表層水分蒸發(fā)[7-11]。

免耕直播法也得到國(guó)外研究學(xué)者的充分肯定，據(jù)美國(guó)學(xué)者研究，在科羅拉多州少耕和免耕可以增加土壤蓄水量，提高作物產(chǎn)量[8]。免耕直播較傳統(tǒng)耕作具有一定優(yōu)勢(shì)這一學(xué)術(shù)觀點(diǎn)在國(guó)際上已得到認(rèn)可。但是，不同地區(qū)免耕效果各有差異，本試驗(yàn)通過研究黑龍港典型地區(qū)谷子在免耕直播和傳統(tǒng)旋耕播種條件下土壤貯水量的變化，對(duì)比兩種處理下的耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率，探討氣象因子與農(nóng)藝性狀之間的關(guān)系，以期為黑龍港地區(qū)谷子免耕直播栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2011—2013年在河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所深州試驗(yàn)站進(jìn)行，供試品種為衡谷10號(hào)，前茬為小麥。試驗(yàn)共設(shè)2個(gè)處理，分別為：旋耕播種(CT，麥茬粉碎還田后旋耕播種谷子)和免耕播種(NT，麥稈粉碎滅茬后直接播種)，各處理小區(qū)面積為6.4 m2，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，其它管理方式兩處理一致。谷子生長(zhǎng)發(fā)育期間氣象資料見圖1。

圖1 谷子生育期各氣象因子的變化Fig.1 The change of meteorological factors in the growth period of foxtail millet

1.2 指標(biāo)測(cè)定及計(jì)算方法

土壤含水量采用取土烘干法測(cè)定，分別于播種期和成熟期測(cè)定0～150 cm土層(0～50 cm每10 cm一層，50～150 cm每20 cm一層)土壤含水量。使用土鉆將不同層次土壤取出裝入鋁盒后稱重，然后于105℃烘箱烘12 h，冷卻后稱重，并計(jì)算土壤含水量。

w=(w1-w2)/w2×100%

式中，w為土壤含水量，w1為濕土重，w2為干土重。

在測(cè)定土壤含水量的同時(shí)，利用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，進(jìn)而計(jì)算土壤貯水量、耗水量。

Sw=d×r×w/10

式中,Sw為土壤貯水量(mm)，d為土層厚度(cm)，r為土壤容重(g·cm-3)。

耗水量ET0采用土壤水分平衡法計(jì)算：

ET0=I+P+ΔSW

式中,I和P分別為時(shí)段內(nèi)的灌水量和降水量(mm)，ΔSW為時(shí)段內(nèi)土壤貯水量的變化量(mm)，由于試驗(yàn)地點(diǎn)水位較低，因此忽略地下水補(bǔ)給和深層滲漏。

作物水分利用效率計(jì)算公式如下：

WUE=Y/ET0

式中,WUE為作物水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)，Y為籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

2011—2013年試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2013進(jìn)行整理及作圖，由于2011年部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，故部分?jǐn)?shù)據(jù)僅使用2012—2013年數(shù)據(jù)。采用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析以及回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤貯水量變化量的影響

如圖2所示，2012年土層5 cm、15 cm處，NT處理土壤貯水量變化量較CT處理分別顯著降低6.5 mm和5.0 mm，降低百分比為46.19%和50.35%。CT處理土壤貯水量變化量隨土層深度呈單峰曲線變化，在土層60 cm處土壤貯水量變化量達(dá)到最小值-23.84 mm。NT處理土壤貯水量隨土層變化呈M型曲線，在土層100 cm處土壤貯水量變化量達(dá)到最小值-25.15 mm。2013年在25 cm土層，NT處理土壤貯水量變化量較CT處理顯著降低3.5 mm,下降了48.78%。NT處理和CT處理土壤貯水量變化量均隨土層深度呈單峰曲線變化，且在60 cm土層處達(dá)到最小值，分別為-27.92 mm和-26.09 mm。由2年結(jié)果可知，2個(gè)處理的土壤貯水量變化量在0～140 cm土層內(nèi)上層(0～25 mm土層)和下層(140 cm處)為正值，中層土壤處(25～100 cm土層)為負(fù)值。

圖2 不同處理對(duì)土壤貯水量變化量的影響Fig.2 Effects of different treatments on the variation of soil water storage capacity

2.2 不同處理對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率的影響

2年結(jié)果顯示(表1)，免耕處理下谷子產(chǎn)量顯著升高，2012年和2013年分別比旋耕處理提高350.17 kg·hm-2和468.1 kg·hm-2,分別升高了6.12%和9.67%。2012年免耕處理較旋耕處理耗水量顯著減少，減少量為35.75 mm；水分利用效率顯著升高2.21 g·m-2·mm-1,升高了16.13%，相關(guān)系數(shù)為0.96。2013年免耕處理耗水量比旋耕處理降低1.53 mm,水分利用效率比旋耕處理升高了1.55 g·m-2·mm-1。說明免耕處理較旋耕處理可以減少谷子生長(zhǎng)發(fā)育期間耗水量，提高其水分利用效率，增加產(chǎn)量。

表1 不同年份不同處理對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率的影響

2.3 農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量的相關(guān)性分析

由表2可知，穗長(zhǎng)與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，穗重與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.96。穗粒重、株高、千粒重與產(chǎn)量無顯著關(guān)系，但穗粒重與產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)較高，為0.93，株高和千粒重與產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)均低于0.3。因此，對(duì)穗長(zhǎng)、穗重、穗粒重與產(chǎn)量進(jìn)行多元回歸分析，結(jié)果表明，穗長(zhǎng)與產(chǎn)量呈顯著相關(guān)(R2=0.99*)，見圖3。

圖3 谷子穗長(zhǎng)與產(chǎn)量相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis of ear length and yield of millet

表2 2011—2013年谷子農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量的相關(guān)性分析

因此，本試驗(yàn)中穗長(zhǎng)為影響產(chǎn)量的主要因素，且得出穗長(zhǎng)(X)與產(chǎn)量(Y)線性回歸方程為Y=2 977.34X-50 508.48。

2.4 氣象因子對(duì)農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

由表3可知，谷子生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期內(nèi)的平均氣溫與谷子株高呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P≤0.05),相關(guān)系數(shù)為-0.97，與千粒重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P≤0.01),相關(guān)系數(shù)為0.99。原因可能是平均氣溫的升高使生長(zhǎng)發(fā)育期積溫變大，加快營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)的過渡，從而降低株高、增加千粒重；日照時(shí)數(shù)和降水量均與穗長(zhǎng)、穗重和穗粒重呈顯著正相關(guān)關(guān)系；而風(fēng)速與穗長(zhǎng)、穗重和穗粒重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明谷子生育期內(nèi)平均風(fēng)速偏高，會(huì)造成葉片蒸騰旺盛，導(dǎo)致葉片內(nèi)的水分條件惡化，從而使氣孔導(dǎo)度減小，降低光合作用，減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累。結(jié)合表3可看出，影響谷子產(chǎn)量的氣象因子主要為日照時(shí)數(shù)、降水量和風(fēng)速。

表3 2011—2013年氣象因子與農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

免耕具有顯著的水土保持效應(yīng)和作物增產(chǎn)效應(yīng)，王慶杰等[12]研究表明，免耕可以明顯改善春玉米生長(zhǎng)發(fā)育期間的土壤環(huán)境，有效降低土壤水分蒸發(fā)，提高春玉米的水分利用效率。趙小蓉等[13]發(fā)現(xiàn)，在小麥生育期內(nèi)免耕處理土壤含水量顯著高于翻耕處理，并對(duì)提高小麥產(chǎn)量有明顯作用。本研究結(jié)果表明，與常規(guī)旋耕處理相比，免耕顯著影響0～140 cm土壤上層(0～25 cm土層)和下層(140 cm處)土壤貯水量的變化，免耕處理可以顯著增加上層和下層土壤貯水量。余海英等[14]研究也表明，免耕處理下春玉米全生育期土壤剖面的平均含水量均明顯高于傳統(tǒng)翻耕。免耕覆蓋對(duì)表層土壤水分含量影響較大，表層土壤含水量的增加與免耕覆蓋減少對(duì)土層的擾動(dòng)、無效蒸發(fā)有關(guān)[15-16]。因此，本試驗(yàn)結(jié)果與前人研究較為一致。在0～140 cm土層內(nèi)，中部土層土壤貯水量的增加量最高，高于上層土壤和下層土壤。與常規(guī)旋耕相比，免耕可以提高谷子產(chǎn)量，降低生育期內(nèi)耗水量，提高水分利用效率。

研究農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量之間的關(guān)系，探討免耕直播條件下谷子農(nóng)藝性狀的發(fā)育過程和對(duì)產(chǎn)量的影響，可以為直播谷子生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在2種耕作模式下，谷子的穗長(zhǎng)、穗重和穗粒重3個(gè)指標(biāo)與谷子產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)較高，回歸分析結(jié)果表明，穗長(zhǎng)與產(chǎn)量的回歸結(jié)果達(dá)到顯著水平(R2=0.99)，因此，穗長(zhǎng)是影響產(chǎn)量的主要因素，穗長(zhǎng)(X)與產(chǎn)量(Y)線性回歸方程為Y=2 977.34X-50 508.48。因此，在免耕直播條件下通過提高谷穗長(zhǎng)度的栽培技術(shù)可以增加谷子產(chǎn)量。

免耕對(duì)土壤含水量的影響程度會(huì)因地區(qū)、年份以及季節(jié)降雨量的不同而有所差異[17]，前人在研究免耕模式時(shí)多是針對(duì)一個(gè)地區(qū)，且對(duì)所研究地區(qū)的氣候資料研究較少，本試驗(yàn)通過研究免耕模式下農(nóng)藝性狀與氣象因子之間的關(guān)系，可以清楚地知道除了耕作模式外影響谷子產(chǎn)量形成的氣候因素，這不僅可以為耕作模式的改進(jìn)提供理論依據(jù)，也可以篩選出適合免耕播種的其它氣候適宜的地區(qū)，增加免耕技術(shù)模式的推廣范圍，理論上得到創(chuàng)新。周國(guó)勤等[18]研究表明，充足的降雨量和日照時(shí)數(shù)對(duì)小麥千粒重和穗粒重有直接和較大的正效應(yīng)。韓毅強(qiáng)等[19]研究表明，在黑龍江西部地區(qū)影響玉米產(chǎn)量最關(guān)鍵的氣象因子是抽雄～成熟期的溫度和降雨，此時(shí)適量的灌溉更有利于增加產(chǎn)量。本研究結(jié)果表明，在免耕直播和旋耕播種模式下谷子生育期內(nèi)的日照時(shí)數(shù)和降水量都與谷子的穗長(zhǎng)、穗重和穗粒重呈顯著正相關(guān)關(guān)系；而風(fēng)速與谷子穗長(zhǎng)、穗重和穗粒重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明在免耕模式下，在本試驗(yàn)地區(qū)選降水和日照充足、風(fēng)速適當(dāng)小的地區(qū)有利于增加谷子產(chǎn)量。