土壤耕作與春季灌水次數(shù)對冬小麥產(chǎn)量要素與經(jīng)濟(jì)效益的影響

辛秀竹，石怡彤，張璐鑫，甄文超，尹寶重

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，河北保定071001；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河北保定071001；3.省部共建華北作物改良與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071001；4.河北省作物生長調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071001）

小麥?zhǔn)俏覈匾诩Z作物，2018年我國小麥播種面積2 426.8 萬hm2，總產(chǎn)1.31 億t，對保障國家糧食安全具有重要作用[1]。我國80%以上的小麥種植在干旱和半干旱地區(qū)，水分條件是小麥持續(xù)高產(chǎn)的首要限制因素。在黃土高原和華北平原，采用單一深松或旋耕/免耕/深松交替，顯著提高土壤含水量[6-8]；在巴基斯坦[9]、美國[10]等地小麥種植中也均采用過深松技術(shù)以實(shí)現(xiàn)水分儲蓄和農(nóng)田增產(chǎn)。尤其在多年采用少免耕，耕層較淺的小麥產(chǎn)區(qū)，通過適宜耕作方式提升農(nóng)田對灌水和降水的儲蓄具有重要意義[6,11-13]。因此，以水資源匱乏的華北平原小麥產(chǎn)區(qū)為代表，越來越重視節(jié)水條件下小麥豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)與資源高效利用研究[2,3]。比如，盧小蘭等[4]通過測墑補(bǔ)灌，實(shí)現(xiàn)了精量灌水條件下的小麥節(jié)水豐產(chǎn)；閆正宗等[5]在地下水壓采區(qū)開展了小麥最佳灌水次數(shù)和灌水量研究。這類研究報道均表明，通過優(yōu)化灌水時期、灌量和次數(shù)可以同步實(shí)現(xiàn)節(jié)水豐產(chǎn)。

海河平原位于華北平原北部，是我國冬小麥主產(chǎn)區(qū)之一，同時也是水資源嚴(yán)重匱乏區(qū)域[14]。該區(qū)為冬小麥-夏玉米一年兩熟種植區(qū)，玉米季免耕、小麥季淺旋耕為主要耕作方式，而長年少免耕，已明顯造成農(nóng)田耕層變淺，不僅影響了根系下扎，且不利于降水和灌水的儲蓄。因此，改進(jìn)耕作方式，完善該區(qū)小麥節(jié)水豐產(chǎn)技術(shù)已十分迫切。本研究以海河平原常規(guī)旋耕和春季2次灌水為對照，研究土壤深松耕作與春季不同灌水次數(shù)組合對小麥產(chǎn)量要素及農(nóng)田綜合效益的影響，旨在為海河低平原區(qū)小麥節(jié)水豐產(chǎn)高效栽培提供理論和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016-2019年小麥生長季，在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)辛集實(shí)驗(yàn)站（河北省辛集市馬莊鄉(xiāng)，115.22°E，37.92°N）進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)土壤為黏性壤土，0～20 cm 耕層土壤有機(jī)質(zhì)14.214 2 g/kg、全氮1.21 g/kg、堿解氮64.9 mg/kg、速效磷23.8 mg/kg、速效鉀120.6 mg/kg。試驗(yàn)區(qū)小麥季常年降水量128.6 mm，2016年和2018年小麥季試驗(yàn)區(qū)降水量分別為107.5 mm和63.9 mm，2017年小麥季因試驗(yàn)區(qū)降水量較大（216.5 mm），導(dǎo)致灌水處理未能正常進(jìn)行，故未進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

供試小麥品種為石麥15（國審麥2009025），試驗(yàn)設(shè)4 個處理：①旋耕+春季2 次灌水（簡稱RT2，常規(guī)對照）；②深松+春季1 次灌水（ST1）；③深松+春季2 次灌水（ST2）；④旋耕+春季1 次灌水（RT1）。每處理3 次重復(fù)，每重復(fù)1 個小區(qū)，小區(qū)面積200 m2，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。2 個生長季均于10月12日播種，播量195 kg/hm2，6月12日收獲。土壤耕作和灌水方式如下。

（1）土壤旋耕。前茬玉米秸稈還田，1GN-180 型旋耕機(jī)旋耕2遍，作業(yè)深度15 cm。機(jī)播后鎮(zhèn)壓。

（2）土壤深松。前茬玉米秸稈全量粉碎還田，WLSG-2700型深松旋耕鎮(zhèn)壓整地機(jī)作業(yè)一遍，作業(yè)深度25 cm。

（3）灌水方式。春季2次灌水處理的灌水時期為小麥起身后期和開花期；春季1次灌水處理的灌水時期為拔節(jié)期，目標(biāo)灌水量均為0～80 cm 土層相對含水量90%。灌水量采用水表計量，各處理灌水時期和灌水量見表1。

表1 不同處理灌水時期、灌水量及灌水后實(shí)際土壤相對含水量Tab.1 Irrigation period，irrigation amount and actual soil relative water content of different treatments

1.3 測定內(nèi)容與方法

（1）小麥群體動態(tài)與開花結(jié)實(shí)特征。于小麥三葉（TP）、冬前（WP）、返青（RP）、拔節(jié)（JP）、開花（AP）和完熟（EP）等時期，每小區(qū)選1 m×1 m 計數(shù)總莖數(shù)（完熟期為穗數(shù)），折合單位面積莖數(shù)（穗數(shù)）。小麥抽穗開始，每3 d 取樣1次，每次每小區(qū)隨機(jī)采集取20穗，至開花期結(jié)束。計數(shù)有完整綠色花藥的可孕小花數(shù)[15]和退化小花數(shù)。成熟期每小區(qū)隨機(jī)選取20 穗，計數(shù)每穗小穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)小穗數(shù)、不孕小穗數(shù)。

（2）小麥灌漿速率與產(chǎn)量?；ê蟮? d開始，每隔3d取樣1次，每小區(qū)選20個長勢均勻的麥穗，測定籽粒干重，計算灌漿速率。用Logistic方程y，對籽粒灌漿過程擬合。

式中：a為終極生長量；t為開花后天數(shù)；b和c為參數(shù)[16,17]。

根據(jù)方程推導(dǎo)出快速灌漿時間段起始時間（T1）、終止時間（T2），假定y達(dá)a的97%時為灌漿期緩增期終止時間(T3)，則灌漿漸增期為T1-0，快增期為T2-T1，緩增期為T3-T2，相應(yīng)階段灌漿速率分別為V1、V2、V3；灌漿期最大灌漿速率和出現(xiàn)時間分別為Vmax和Tmax，平均灌漿速率和活躍灌漿分別為Vmean和D。小麥成熟期，每小區(qū)隨機(jī)選取1 m×1 m 為樣本，收獲籽粒經(jīng)自然風(fēng)干后稱質(zhì)量，折算每公頃產(chǎn)量。

（3）經(jīng)濟(jì)效益評價。小麥種植成本總投入=物質(zhì)與服務(wù)費(fèi)用（種子費(fèi)用+化肥費(fèi)用+農(nóng)藥費(fèi)用+灌溉費(fèi)用+機(jī)械費(fèi)用）+人工成本+土地成本，根據(jù)2016年小麥季試驗(yàn)田平均數(shù)據(jù)，折合種子費(fèi)用498.15 元/hm2，化肥費(fèi)用1 647.75 元/hm2，農(nóng)藥費(fèi)用498.15 元/hm2，灌溉費(fèi)用637.65 元/hm2，機(jī)械費(fèi)用2 446.65 元/hm2，人工成本1 630.95 元/hm2，土地成本4 996.5 元/hm2；按小麥平均價格2.2 元/kg，總產(chǎn)出=產(chǎn)量×2.2 元/kg。產(chǎn)投比=（總投入/總產(chǎn)出）×100%。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

通過SPSS 24.0 統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和差異顯著性檢驗(yàn)（Duncan 法），采用Origin 9.0軟件做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤耕作方式與春季灌水次數(shù)對冬小麥群體動態(tài)與有效穗數(shù)的影響

由圖1可知，相同灌水條件下，三葉至越冬期各處理總莖數(shù)無顯著差異；而在返青期深松處理2個生長季總莖數(shù)比旋耕處理平均高10.8%，拔節(jié)期平均高10%，均達(dá)差異顯著水平；開花期各處理總莖數(shù)無顯著差異。成熟期，各處理穗數(shù)相比，同次數(shù)灌水條件下，深松處理比旋耕處理有效穗數(shù)增多，但差異不顯著；相同土壤耕作條件下，2 次灌水處理比1 次灌水處理有效穗數(shù)也無顯著差異?？傮w來看，相同灌水次數(shù)下，雖然最終成穗數(shù)差異不顯著，但深松處理比旋耕處理在返青至拔節(jié)期群體數(shù)量明顯增加，較高的群體則意味著會形成更多的次生根，這有利于小麥抗旱性提高，對后期產(chǎn)量形成也更為有利。

圖1 不同處理麥田總莖數(shù)（穗數(shù)）Fig.1 Total stems(spikes)of different treatments

2.2 不同土壤耕作方式與春季灌水次數(shù)對冬小麥開花結(jié)實(shí)的影響

由表2可知，同為春季2 次灌水的ST2 與RT2 處理相比，小花數(shù)、可孕小花數(shù)、小花退化率、小穗數(shù)和結(jié)實(shí)小穗數(shù)無顯著差異，不孕小穗數(shù)與不孕小穗比例顯著降低，2個生長季平均分別降低21.4%和21.3%；同為1 次灌水的ST1 與RT1 處理相比，小花數(shù)、可孕小花數(shù)、結(jié)實(shí)小穗數(shù)明顯提高，同時不孕小穗數(shù)和不孕小穗比例則明顯下降；不同處理對穗粒數(shù)影響較大，春季2 次灌水的ST2 和春季1 次灌水的ST1 處理，穗粒數(shù)均分別高于同次數(shù)灌水的RT2 和RT1 處理，2 個生長季平均高分別3.2%和5.7%。各指標(biāo)與穗粒數(shù)相關(guān)性分析表明，小花數(shù)、可孕小花數(shù)和結(jié)實(shí)小穗數(shù)與穗粒數(shù)顯著正相關(guān)，而不孕小穗數(shù)和不孕小穗比例則與穗粒數(shù)顯著負(fù)相關(guān)，小花退化率和小穗數(shù)與穗粒數(shù)無顯著相關(guān)關(guān)系（表3）。對粒重而言，可孕小花數(shù)、結(jié)實(shí)小穗數(shù)和不孕小穗比例影響最為顯著。

表2 不同耕作與春季灌水次數(shù)下小麥開花結(jié)實(shí)狀況Tab.2 Characteristics of wheat flowering and fruiting under different tillage and irrigation methods

表3 小麥灌漿特征值與千粒重相關(guān)性Tab.3 Correlation between characteristic value of wheat grain filling and 1000 grain weight

2.3 不同土壤耕作方式與春季灌水次數(shù)對冬小麥粒重的影響

由表4可知，相同灌水次數(shù)下，T1無明顯差異，但ST1處理的T2 比RT1 處理延后，2年平均延后1.9 d；T3 也有類似趨勢，2年平均延后3.1 d，占活躍灌漿期的16.2%。不同處理的Tmax相比，2 水處理較為相近，ST1 處理則比RT1 有所延后（1.1 d），其中2016年表現(xiàn)較為明顯（延后1.5 d）。ST2 和RT2相比，灌漿活躍時間差異不明顯，但ST1 處理比RT12 個生長季平均延長3.4d。另外，各處理V1 值差異較小，而快增期則表現(xiàn)為ST1 低于RT1，2 個生長季平均值低7.6%，緩增期也有類似規(guī)律。同時，ST1 處理與RT1 相比，Vmean和Vmax值均有所下降，而ST2與RT2相比，Vmean和Vmax則無明顯規(guī)律。

表4 不同處理灌漿模擬方程參數(shù)及灌漿特征值Tab.4 Simulation equation fitting parameter and characteristic value of grain filling for different treatments

同次數(shù)灌水的深松條件下2 個處理千粒重和旋耕處理相比，深松處理2個灌水次數(shù)的處理千粒重也均顯著高于同樣灌水次數(shù)旋耕條件下處理，2個生長季平均高4.8%?？傮w看，春季1水條件下，深松處理比旋耕處理Vmean和Vmax并未有效提升，但可明顯延長有效灌漿期；2水條件下，降水較多的2016年表現(xiàn)為深松處理比旋耕處理提升灌漿速率，而降水較少的2018年則為延長活躍灌漿期；而2個生長季整體分析，灌漿不同階段到來早晚、漸增期時間長短和Vmax到來時間與最終粒重相關(guān)性較高，在P＜0.05水平上差異顯著（表5）。另外，分析產(chǎn)量構(gòu)成要素與產(chǎn)量相關(guān)性可知，小麥產(chǎn)量水平超過7 000 kg/hm2條件下，穗粒數(shù)與粒重與產(chǎn)量相關(guān)性更大，相關(guān)系數(shù)r均超過0.9。

表5 小麥灌漿特征值與千粒重相關(guān)性Tab.5 Correlation between characteristic value of wheat grain filling and 1000 grain weight

2.4 不同土壤耕作方式與春季灌水次數(shù)下冬小麥生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益評價

由表6可知，采用深松施肥旋耕一體化作業(yè)可有效降低農(nóng)田耕作施肥投入，顯著提高農(nóng)田投入與產(chǎn)出比。不同耕作方式相比，ST1 和ST2 處理簡化了物質(zhì)與服務(wù)費(fèi)用，比RT1 和RT2 處理投入降低1/3（600 元/hm2）；不同灌水次數(shù)相比，春季1次灌水的ST1和RT1兩項(xiàng)比ST2和RT2在2個生長季中平均降低45.8%。不同處理單位面積總投入相比，同次數(shù)灌水的深松處理均顯著低于旋耕處理，ST1 比RT1 降低7.9%，ST2 比RT2 降低6.5%；深松處理可同樣提高產(chǎn)量，同為2 次灌水的ST2 處理籽粒產(chǎn)量比RT2 處理2 個生長季平均提高6.5%，同為1 次灌水的ST1 比RT1 提高幅度更大，為13.1%，總產(chǎn)出也獲得相應(yīng)幅度提升。深松處理對提高收獲指數(shù)和產(chǎn)投比也有積極意義，ST2 比RT2 分別提升4.8%和28.1 個百分點(diǎn)，ST1 比RT1分別提升和11.3%和46.0個百分點(diǎn)。

表6 不同耕作與灌水方式下麥田投入與產(chǎn)出Tab.6 Input and output of wheat field under different tillage and irrigation methods

3 討 論

3.1 耕作方式與灌水對小麥產(chǎn)量要素的影響

耕作對土壤環(huán)境，作物根系生長發(fā)育，以及產(chǎn)量形成具有顯著影響[1,3,18]。尤其對小麥季連年淺旋耕、玉米季免耕造成耕層變淺、犁底層上移的海河平原，急需打破犁底層，促進(jìn)水分入滲，誘導(dǎo)作物根系深扎的耕作技術(shù)。研究認(rèn)為，深松是一種可不大規(guī)模翻動土層且打破犁底層、增加土壤水分入滲的耕作技術(shù)[19]，在黃土高原[3,20]、華北平原[21,22]等中國冬小麥主產(chǎn)區(qū)，以及巴基斯坦[9]、美國[10]、瑞士[11]等小麥產(chǎn)區(qū)，均有在耕作體系中融入深松，實(shí)現(xiàn)水資源高效利用并提升小麥產(chǎn)量的相關(guān)報道。同時，也有圍繞深松與灌水次數(shù)組合對小麥節(jié)水增產(chǎn)效應(yīng)的研究，比如王永華等[23]報道，與常規(guī)旋耕+不同灌水組合相比，采用深松+拔節(jié)期灌1 水處理產(chǎn)量最高，且指出耕作方式主要通過調(diào)控千粒重影響產(chǎn)量，灌水次數(shù)則主要通過調(diào)控穗粒數(shù)和千粒重而影響產(chǎn)量。高志強(qiáng)等[24]也報道，間隔年份深松，同等灌水條件下有利于增加小麥粒重。

本研究發(fā)現(xiàn)，春季減少灌水次數(shù)，旋耕處理麥田穗數(shù)降低，但深松處理不顯著；相同灌水次數(shù)下深松處理可提高穗粒數(shù)和粒重，并提高產(chǎn)量。從產(chǎn)量構(gòu)成要素分析，相同灌水次數(shù)下，深松處理與旋耕處理相比，雖然成穗數(shù)差異不大，但在返青至拔節(jié)群體明顯增大，較高的群體顯示深松處理次生根數(shù)量會更多，這十分有利于小麥抗逆性提高，對后期產(chǎn)量有重要意義。深松可有效提升小麥小花數(shù)、可孕小花數(shù)和結(jié)實(shí)小穗數(shù)，并降低不孕小穗數(shù)和不孕小穗比例，且1次灌水條件下深松處理的調(diào)控效應(yīng)更為顯著；深松處理可延長灌漿活躍期，提高粒重，且同樣表現(xiàn)為1次灌水的更明顯。由此可見，深松處理對小麥生長的整體調(diào)控在春季1次灌水下更為顯著，這說明深松處理適于在節(jié)水條件下運(yùn)用，利于提高作物抗逆性；而小麥抗逆性的提高，這對保證二棱期穗分化前期的小穗數(shù)分化、穎片分化，形成足夠小穗和小花數(shù)量，保障灌漿有重要作用；這也支持了前人有關(guān)增加小花分化、減少小花退化是提高穗粒數(shù)根本途徑的研究結(jié)果。同時，延長灌漿活躍期，說明深松可延緩早衰，利于在逆境年份提高粒重，比如本研究中的2018-2019年相對干旱則灌漿活躍期延長較多。

3.2 不同土壤耕作與灌水模式對麥田經(jīng)濟(jì)效益的影響

土壤耕作作為一種農(nóng)事管理措施，與整個作物生產(chǎn)系統(tǒng)是否配套，是否適于推廣，不僅體現(xiàn)在技術(shù)效果上，還要考慮成本和產(chǎn)出，但目前薄弱的就是這部分，這也使得很多土壤耕作技術(shù)在理論研究中意義很大，但推廣卻相對困難。因此，越來越多的研究開始評估包括土壤耕作、灌水及其他農(nóng)事管理措施的節(jié)本增效價值。比如，HE J 等[21]在黃土高原開展的研究表明，與傳統(tǒng)翻耕相比，4年免耕/1年深松小麥經(jīng)濟(jì)效益209%，但如每年深松經(jīng)濟(jì)效益則僅為135%，且指出在中國北方推廣深松聯(lián)合作業(yè)機(jī)械的必要性；李洪文等[22]在山西的研究也有類似結(jié)論。本研究顯示，同等灌水次數(shù)下，深松處理總產(chǎn)出均顯著高于免耕處理，而減少1 次灌水的ST1 處理依然與RT2 對照無顯著差異，且顯著高于同為1 次灌水的RT1處理。雖然本研究受研究時間所限，未對長時期輪耕效益進(jìn)行評價，但也為下一步的研究提供一種方向，即深松技術(shù)之所以在現(xiàn)階段普及度不高，作業(yè)繁瑣、投入高是重要因素；而通過聯(lián)合作業(yè)機(jī)械，既實(shí)現(xiàn)了深松改善土壤性狀的優(yōu)勢，與適宜時期灌水相結(jié)合促進(jìn)作物生長與產(chǎn)量形成，且可有效降低投入，對水資源緊缺地區(qū)輪耕體系的完善有重要參考價值。

4 結(jié) 論

在海河平原小麥玉米一年兩熟種植區(qū)，通過土壤深松可有效彌補(bǔ)春季減少1次灌水對作物生長的不利影響，同次數(shù)灌水條件下，深松處理可促進(jìn)春季分蘗形成，但對有效穗數(shù)影響不顯著；深松處理可降低不孕小穗數(shù)和不孕小穗比例，并在不同年型通過延長灌漿活躍期或提高灌漿速率增加粒重，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量和效益同步提升，其中春季1水處理的調(diào)控效應(yīng)表現(xiàn)更為顯著。