保護(hù)性耕作對土壤水分利用與小麥需水特性和產(chǎn)量影響研究

摘要：氣候變暖導(dǎo)致冬小麥整個生育期內(nèi)潛在蒸散量顯著增加，致使水分利用率顯著降低，進(jìn)一步加劇了水資源供需矛盾。耕作方式可以調(diào)控土壤中水、肥、氣、熱，對冬小麥產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響。通過總結(jié)保護(hù)性耕作對土壤水分及水分利用效率、小麥需水特性和產(chǎn)量影響的研究進(jìn)展，提出了彌補(bǔ)免耕缺陷的研究方向和區(qū)域性選擇深松的建議，展望了實現(xiàn)節(jié)水高產(chǎn)低碳的可持續(xù)發(fā)展種植模式，為冬小麥高效保水耕作提供了系統(tǒng)的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：耕作方式；小麥；水分利用；特性；產(chǎn)量

Impact of Conservation Tillage on Soil Moisture Utilization，

Wheat Water Requirements and Yield

MENG Zili，ZHU Qian，NI Xuefeng，WANG Qi，LYU Xialei，YAN Xiangquan，ZHU Wei

（Shangqiu Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Shangqiu 476000，Henan）

以免耕和深層松土為核心的保護(hù)性耕作方法，能夠提高土壤的透氣性，增強(qiáng)土壤的有機(jī)質(zhì)含量，優(yōu)化土壤的排水性能和結(jié)構(gòu)，從而改善生態(tài)環(huán)境，對于推動土地資源的持續(xù)利用具有關(guān)鍵性的作用[1]。

免耕方法相較于常規(guī)耕作方式，能夠在土壤表層累積更多的水分，同時提高作物對水分的利用效率。這樣的變化可能會引起土壤微生物的活動與常規(guī)耕作條件下的活性存在某種程度的區(qū)別[2-3]，需要指出的是，免耕法與旋耕法相比，冬小麥生長期間所受的平均土壤溫度較低，這種情況可能會妨礙作物的正常成長，導(dǎo)致冬小麥的生長期延后。低溫環(huán)境會使植株的生長速度放慢，進(jìn)而減少地上部分的生物總量，最終對冬小麥的產(chǎn)量造成不利影響[4-5]。冬小麥實現(xiàn)高光合作用和水分利用效率的基礎(chǔ)在于葉綠素含量的增加、質(zhì)膜穩(wěn)定性的提升以及光能捕獲能力的增強(qiáng)。這些生理特性的改善，對冬小麥地上部分生物量的合成與運(yùn)輸產(chǎn)生了積極影響，從而促進(jìn)了高產(chǎn)和高效水分利用的實現(xiàn)，探討保護(hù)性耕作方法如何影響冬小麥的生理特征及其水分利用效率，對于促進(jìn)小麥產(chǎn)量增加具有至關(guān)重要的

意義。

1 保護(hù)性耕作對土壤水分及水分利用效率的影響

保護(hù)性耕作是一種有效的土壤管理方法，它能夠增強(qiáng)土壤的保水和保墑能力[6]。采用保護(hù)性耕作方法，通過改良傳統(tǒng)的耕作模式及實施秸稈還田措施，能夠促進(jìn)雨水的有效下滲，達(dá)到保持土壤水分和肥料的效果，進(jìn)而優(yōu)化土壤環(huán)境，確保耕地的高效利用[7]。有研究指出，當(dāng)氣溫較低時，采用保護(hù)性耕作方法能起到為土壤加溫的效果；而在高溫環(huán)境下，則能夠有助于降低溫度。采取保護(hù)性耕作措施能夠極大地促進(jìn)土壤水分與養(yǎng)分的積累，使得土地更具肥沃度，特別是加入了秸稈覆蓋的情況下，這種效果更為顯著[8]。與慣例的農(nóng)業(yè)勞作方式相比，保護(hù)性耕作技術(shù)能夠有效地降低土壤的密度，增加其孔隙率，從而顯著提升土壤的水分含量及其儲水能力[9]。

保護(hù)性耕作技術(shù)，如免耕和深松，能夠顯著提升土壤的保水能力，進(jìn)而優(yōu)化冬小麥對水分的利

用[10]。研究結(jié)果顯示，免耕和深層松土可以有效地增加小麥生長期間的土壤濕度保持率。與常規(guī)耕作方法相比，免耕方法對提高小麥在其生命周期各階段的平均土壤含水量更為有效。特別是在干旱年份，免耕在蓄水和保持土壤濕度方面的成效顯著優(yōu)于深松法。這表明，不同的土壤處理方式對土壤中的水分含量產(chǎn)生了顯著的影響[11]。

免耕可以減少對土壤表層的擾動，可以有效減少土壤中水分的流失，提高水分利用率[12]。在免耕的環(huán)境中，將秸稈覆蓋在地面上，不僅促進(jìn)了水分的滲透，還有效地遏制了水流沖刷和地表水分的蒸發(fā)。土壤表層的濕度得以保持甚至提升，同時也提高了土壤對水分的利用效率[13]。在傳統(tǒng)農(nóng)耕方式的基礎(chǔ)上，如果采用相同的施肥手段，免耕法能顯著降低土壤水分的流失，特別是在0～20cm的土壤層中，可以觀察到土壤含水量的增加，這種現(xiàn)象與免耕對作物生物量的影響密切相關(guān)。此外，當(dāng)田地表面覆蓋著秸稈時，免耕法還能夠通過調(diào)整作物生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成，從而增加植物可以利用的水資源[14]。作物的根系擴(kuò)展及其布局直接受到作物水分消耗的影響，為了應(yīng)對這一情況，探索提升作物水分利用效率的策略至關(guān)重要，將對土壤水資源的優(yōu)化利用產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，實現(xiàn)土壤水的高效利用[15]。作物耗水受到棵間蒸發(fā)這一環(huán)節(jié)的重要影響[16]。研究結(jié)果顯示，采用無耕作方式并覆蓋作物秸稈，能夠在作物生長后期顯著減少土壤水分的蒸發(fā)，從而有效提升作物水資源的利用效率[17]。

深松（耕）對于改善土壤結(jié)構(gòu)、推動小麥根系發(fā)展以及提升作物對水分的利用效率具有積極影響，而且相比深松，深耕帶來的效果更為顯著。當(dāng)深耕與深松結(jié)合時，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)對土壤耕層特性的改善，這種組合方式在促進(jìn)作物根系增長和提升作物對水分利用方面表現(xiàn)得尤為突出[18]。不難看出，恰當(dāng)?shù)耐寥栏鞣椒軆?yōu)化土壤的生態(tài)環(huán)境，同時提高對水分的利用效率，最終有助于保持土壤濕度并增加農(nóng)作物產(chǎn)量。

2 保護(hù)性耕作對小麥需水特性的影響

小麥的需水特性包括小麥需水量的大小及其變化規(guī)律，決定于耕作方式、小麥的特性、土壤性質(zhì)和氣象條件等。耕作方式對于土壤的水分、溫度以及其他物理和化學(xué)特性有著顯著的影響，這些因素又會直接作用于小麥的生長周期。研究發(fā)現(xiàn)，耕作活動能夠直接調(diào)整土壤的孔隙度和含水量等關(guān)鍵指標(biāo)，進(jìn)而對作物的生長和發(fā)育產(chǎn)生重要影響[19]。此外，小麥在水分短缺的情況下，因品種的不同可能會展現(xiàn)出多樣化的適應(yīng)性對策[20]。小麥的蒸騰作用與土壤的含水量有著直接的聯(lián)系[21]。在小麥生長的季節(jié)，免耕可以有效提高土壤表層的濕度[22]，使得小麥在蒸騰作用方面會有所變化。然而，在逆境條件下，采用免耕措施往往難以維持土壤的良好滲透調(diào)節(jié)性能，進(jìn)而觸發(fā)一連串負(fù)面效應(yīng)：土壤的滲透調(diào)節(jié)功能減弱，細(xì)胞膜的穩(wěn)定性遭到破壞，同時光合作用的效率也跟著下降。這些改變最終會引起葉片水分的勢能降低，進(jìn)而影響到冬小麥的光合作用進(jìn)程。在免耕條件下，冬小麥葉片的離體失水速率超過了深松（耕）和常規(guī)耕作條件下的失水速率，揭示出免耕可能導(dǎo)致葉片水分喪失更多。與此同時，深松（耕）和常規(guī)耕作似乎能優(yōu)化葉片的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，有效地減少水分的流失。這種改進(jìn)有助于優(yōu)化冬小麥葉片的含水量，進(jìn)而增強(qiáng)其在后期的光合作用能力，從而促進(jìn)其整體生長和生理活動。研究發(fā)現(xiàn)，深松（耕）有助于讓冬小麥在滲透調(diào)節(jié)和光合作用這兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)上表現(xiàn)得更加出色和穩(wěn)定。可見，保護(hù)性耕作中深松（耕）更符合小麥的需水規(guī)律，有利于實現(xiàn)增產(chǎn)。

3 保護(hù)性耕作對小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響

保護(hù)性耕作法在實施過程中所取得的效果因地區(qū)的降水量及氣候條件而有所不同，對農(nóng)作物的產(chǎn)量會產(chǎn)生一定的負(fù)面或正面作用。例如，免耕法有利于增加土壤表層的濕度，這樣就會造成作物植株之間在水分含量上的不一致性，這種不一致性有可能干擾植物葉片的氣體交換效率、減損其光合作用的強(qiáng)度，以及改變田間的微氣候環(huán)境，這些因素綜合作用于作物的生長過程，進(jìn)而影響其最終的產(chǎn)量及對水分的利用效率。不同地區(qū)的小麥產(chǎn)量受保護(hù)性耕作影響各不相同。我國北方小麥主產(chǎn)區(qū)對免耕研究不多，內(nèi)蒙古地區(qū)小麥免耕研究結(jié)論顯示，免耕小麥產(chǎn)量較常規(guī)耕作低20%，原因可能是春播加劇了表層土壤水分散失，出苗率下降，另外，在地表無秸稈覆蓋的半干旱地區(qū)，免耕效果也不明顯。在黃土高原的各個區(qū)域里，有兩種主要的農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)能夠有效地提高小麥的產(chǎn)量和對水資源的利用率。具體來說，在黃土高原的北部和中部地區(qū)，不進(jìn)行耕作（免耕）的方法顯著增加了小麥的產(chǎn)量，并提高了水資源的利用效率；而在黃土高原的東南部和西北部，深度耕作（深松耕作）的技術(shù)也顯示出了同樣的效果，即能顯著提高作物的產(chǎn)量和對水資源的利用效率[23]。黃淮區(qū)域在秸稈覆蓋不同處理的試驗中認(rèn)為，雖然保護(hù)性耕作播種質(zhì)量不如傳統(tǒng)耕作，但由于提高了水分利用效率，小麥千粒重比傳統(tǒng)耕作有顯著提高，增產(chǎn)10%以上。

小麥的產(chǎn)量最終取決于若干關(guān)鍵因素，包括穗的數(shù)量、每穗的粒數(shù)以及每粒的重量[24]。冬小麥的產(chǎn)量可能會因為免耕耕作方式而明顯減少，因為這種方式可以減少穗數(shù)，但不同的基因型能夠部分地彌補(bǔ)這種損失[25]。深松（耕）法對于冬小麥的生長后期具有顯著的正面影響，通過促進(jìn)植物的光合作用，進(jìn)而提高干物質(zhì)的積累。這種耕作方式確立了支撐作物灌漿期維持較高速度所需的物質(zhì)基礎(chǔ)，提高了粒重，最終實現(xiàn)了冬小麥產(chǎn)量的增加[26]。盡管根據(jù)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，免耕法與其他農(nóng)業(yè)耕作方法相比可以有效地降低土壤的溫度，對小麥的生長周期有著積極的促進(jìn)作用，還可以延長作物的關(guān)鍵生長期，但免耕秸稈覆蓋后播種質(zhì)量不高也會帶來一定的缺陷，即可能會降低冬小麥的穗數(shù)，對農(nóng)作物的總產(chǎn)量產(chǎn)生一定的影響。因此，關(guān)于免耕法是否可持續(xù)提升冬小麥產(chǎn)量的看法尚未統(tǒng)一。

4 展望

本文歸納了在水資源短缺的情況下，將小麥自身的需水規(guī)律與保護(hù)性耕作方式相結(jié)合，探討了土壤水分和小麥需水規(guī)律的變化。從前人研究結(jié)論來看，保護(hù)性耕作方式雖然在保水方面效果顯著，但是其中免耕條件下小麥的產(chǎn)量不一定能夠提高，為了彌補(bǔ)免耕的負(fù)效應(yīng)，未來需要開展免耕模式下不同基因型冬小麥生理特性的研究，篩選葉綠素含量高、質(zhì)膜穩(wěn)定和抗旱性好等生理特性較好的冬小麥品種，從而維持高效水分利用，提升小麥產(chǎn)量。目前，在黃淮南片區(qū)域，生產(chǎn)上還是以應(yīng)用深松（耕）來提高土壤蓄水保肥能力，促進(jìn)小麥節(jié)水高產(chǎn)為主。另外，由于全球氣候變暖，我國黃淮南片區(qū)域不僅存在著水資源量逐漸減少的狀況，而且面臨著二氧化碳排放量日益增加的現(xiàn)實[27]。然而，目前相關(guān)研究結(jié)論均沒有考慮大氣二氧化碳日益增加的事實，運(yùn)用土壤中的碳排放和水分結(jié)合的作用，進(jìn)而探討減少麥田碳排放的方式。因此，找到一種合理的方式來減少二氧化碳排放十分重要，通過選擇碳排放量相對較低的小麥輪作種植模式，在減少水分消耗的基礎(chǔ)上實現(xiàn)碳、水定量分析，可以為實現(xiàn)節(jié)水高產(chǎn)低碳的可持續(xù)發(fā)展提供思路。

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（收稿日期：2024-07-09）