免耕与秸秆覆盖对绿洲灌区冬小麦产量及土壤水分的影响
黄涛 冯福学 车宗贤 俄胜哲
摘要：通过田间长期定位试验，研究了西北内陆河绿洲灌区不同耕作措施对冬小麦产量及土壤水分动态变化的影响。结果表明，冬小麦拔节期前，免耕秸秆覆蓋处理和免耕秸秆立茬处理显著提高了0～30 cm土层贮水量，处理间差异较大，拔节后差异变小;而返青至成熟期，免耕秸秆覆盖处理和免耕秸秆立茬处理30～150 cm土层贮水量均大于传统耕作处理。免耕秸秆立茬处理和免耕秸秆覆盖处理均显著提高了冬小麦产量，较传统耕作处理分别增产6.98%～24.32%、15.65%～30.59%，较秸秆翻压处理分别增产2.94%～4.25%、8.01%～11.29%。免耕秸秆覆盖耕作措施和免耕秸秆立茬这2种保护性耕作措施均能提高冬小麦产量，适宜在西北内陆河绿洲灌区冬小麦生产上推广应用。
关键词：冬小麦;土壤水分;绿洲灌区;免耕;秸秆覆盖;保护性耕作
中图分类号：S512.1 ? ? ? ?文献标志码：A ? ? ? ?文章编号：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
甘肃河西绿洲灌区深处内陆腹地，水资源有限，是甘肃省最主要的产粮区， 同时也是沙尘暴的重灾区和我国三大沙尘源区之一[1 ]。近年来，由于气候的变暖、地下水的过度开采、不合理的灌溉制度及传统土壤耕作方式使土壤水分无效损耗严重，水资源日趋匮乏，生态环境日益恶化。冬小麦在干燥的冬春季以麦苗覆盖地表，既可防止沙尘暴又可减少水分蒸发。因此，在河西地区扩种冬小麦实现冬麦北移，对改善区域脆弱的生态环境具有重要现实意义。
保护性耕作技术是以免耕覆盖播种机为主要作业机具，以少耕、免耕和地表生物覆盖为特征的一种新型耕作技术，已被世界各国广泛应用。据FAO统计，目前，全世界保护性耕作应用面积达到1.69亿hm2，而我国保护性耕作研究与应用起步较晚，且水分和产量效应是研究的焦点，而大多研究集中在半干旱农区[2 - 8 ]，在干旱灌區较少[9 ]，尚未形成适合绿洲灌区的保护性耕作模式[10 ]。我们通过长期田间定位试验，研究了不同耕作措施对西北内陆河绿洲灌区冬小麦产量及农田土壤水分的影响，阐明了保护性耕作的节水增产机理，旨在为该区构建春小麦改种冬小麦的保护性耕作技术提供科学依据。
1 ? 材料与方法
1.1 ? 试区概况
试验于2005年9月至2008年7月在位于甘肃省武威市凉州区黄羊镇的甘肃农业大学教学实验场进行。试验区位于甘肃河西走廊东端，地处东经103° 5′，北纬37° 30′，属冷温带干旱区，是典型的大陆性气候，日照充足，春季多风沙，夏季有干热风。平均海拔1 776 m，降水年际变化不大，但季节变化较大，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，降水无法满足作物生长需要。蒸发量2 400 mm，干燥度5.85， 年平均气温7.2 ℃ ，1月最低平均气温-27.7 ℃，7月最高平均气温34.0 ℃。≥0 ℃积温为3 513.4 ℃，≥10 ℃积温为2 985.4℃。全年无霜期156 d，绝对无霜期118 d，年日照时数2 945 h。试验地土壤以荒漠灌淤土为主，粉砂壤质，土层深厚。
1.2 ? 供试材料
指示冬小麦品种为强冬性品种繁13，种子净度98%，发芽率 95%，纯度 96%，由甘肃农业大学农学院提供。氮肥为尿素（含N 46%，甘肃金化集团有效责任公司生产并提供），磷肥为磷酸二铵（总养分含量≥64.0%，含N≥18%、P2O5≥46.0%，由美国特拉肥料有限公司生产并提供）。
1.3 ? 试验方法
试验共设5个处理，分别为：传统耕作处理（T），前茬作物收获后深耕25 cm灭茬、耙耱整平;秸秆翻压处理（TIS），前茬作物收获后，秸秆切碎为5 cm，结合秋深耕翻入土壤，秸秆还田量为6 750 kg/hm2;免耕不覆盖处理（NT），前茬作物收获后免耕，不覆盖;免耕秸秆覆盖处理（NTS），前茬作物收获后免耕并将秸秆切碎为5 cm长度田间覆盖，秸秆还田量为6 750 kg/hm2;免耕立茬处理（NTSS），前茬作物收获后免耕，立秆留茬25 cm，秸秆留量为6 750 kg/hm2。试验采用随机区组设计，3次重复，小区面积108 m2（27 m×4 m），小区四周设保护行。
每年9 月18日用免耕覆盖施肥播种机按行距15 cm、播深6 cm播种，播量为337.5 kg/hm2。基施磷酸二铵300 kg/hm2、尿素300 kg/hm2。拔节初期结合灌水追施磷酸二铵150 kg/hm2、尿素225 kg/hm2，抽穗期结合灌水追施磷酸二铵45 kg/hm2、尿素75 kg/hm2。试验期间灌冬水1 800 m3/hm2（3 a灌溉时间分别为2005年11月5日、2006年11月5日、2007年11月3日）、拔节水1 200 m3/hm2（3 a灌溉时间分别为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灌溉时间分别为2006年5月28日、2007年5月20日、2008年5月23日）和灌浆水900 m3/hm2（3 a灌溉时间分别为2006年6月13日、2007年6月13日、2008年6月12日），全生育期总灌水量为4 950 m3/hm2。
1.4 ? 观测指标及方法
土壤水分在播前和收获后分别用烘干法测定，测深为150 cm，其中0～30 cm每10 cm为1个层次，30～90 cm每20 cm为1个层次，90～150 cm每30 cm为1个层次。于2007年、2008年在冬小麦返青期到成熟期每隔15 d测定土壤水分1次，浇水前后各加测1次，其中0～10、10～20、20～30 cm 3个层次用烘干法测定，30 cm以下每10 cm土层均用503DR型中子水分仪测定。中子仪的读数最后矫正成体积含水量。
矫正曲线：V%=[0.296 9×（R/R0）-0.155 5]×100% （R2=0.917 3）
式中：V为土壤容积含水量（V/V）;R为中子仪实际读数;R0为中子仪基本读数。
冬小麦收获时，每小区随机取样20株进行室内考种，测定穗粒数、千粒质量等产量构成因素，并按小区实收单独测产。
1.5 ? 数据分析
数据处理采用Excel软件 和SPSS13.0统计分析软件进行数据处理。
2 ? 结果与分析
2.1 ? 0～30 cm土层土壤水分动态变化
由图1可看出，随着冬小麦生育时期的推进，不同处理0～30 cm土层土壤贮水量变化幅度大。由于地表留有作物残茬，有效抑制了土壤水分蒸发，返青至拔节期NTS处理和NTSS处理表层土壤贮水量2007年、2008年均大于其他处理，且NTS处理大于NTSS处理。拔节后，由于受降水、灌水及农田蒸腾蒸散等因素的影响，各处理土壤贮水量差异变小，且2007年、2008年变化趋势不一致。其中2007年NTS处理和NTSS处理 0～30 cm土层贮水量均大于T处理、TIS处理和NT处理，而2008年却均小于NT处理、T处理和TIS处理，表明作物生长后期NTS处理 和NTSS处理覆盖保墒作用减弱。
2.2 ? 30～150 cm土层土壤水分动态变化
由图2看出，2007年与2008年2个研究期，冬小麦各生育期NTSS处理和NTS处理贮水量均高于T处理、TIS处理和NT处理。与T处理相比，从返青到成熟期，NTS处理和NTSS处理的土壤贮水量增幅分别为18.44%～30.43%、11.38%～11.93%，而NTS处理与NTSS处理的贮水量间差异不顯著。
2.3 ? 冬小麦产量及其构成因素
从表1可以看出，免耕秸秆覆盖处理（NTS）和免耕立茬处理（NTSS）均能显著提高冬小麦产量及其构成因素。与传统耕作处理（T）相比，NTSS处理和NTS处理的冬小麦成穗数分别提高9.13%～19.14%、13.56%～20.10%，穗粒数分别提高3.57%～23.41%、10.34%～12.34%，千粒重分别提高2.82%～6.40%、2.17%～10.13%，折合产量分别提高6.98%～24.32%、15.65%～30.59%，收获指数分别提高7.32%～8.11%、16.22%～17.95%。与秸秆翻压处理（TIS）相比，NTSS处理和NTS处理的成穗数分别提高8.39%～11.00%、9.61%～11.67%，穗粒数分别提高0.95%～13.28%、1.83%～9.50%，千粒重分别提高3.23%～3.85%、1.77%～7.69%，冬小麦折合产量分别提高2.94%～4.25%、8.01%～11.29%，收获指数分别提高2.43%～4.76%、4.88%～17.95%。由此表明，免耕立茬处理（NTSS）和免耕秸秆覆盖处理（NTS）是适合西北绿洲灌区推广的保护性耕作措施。
3 ? 结论与讨论
耕作方式及地表覆盖均能显著影响作物生长及土壤水热特性，从而潜在显著影响作物对土壤水分的利用[11 ]。免耕秸秆覆盖处理（NTS）和免耕立茬处理（NTSS）均能有效增加冬小麦田土壤贮水量，提高冬小麦产量及水分利用效率。
冬小麦拔节前，由于上部冠层小，地面裸露面积大，因此表层土壤耗水主要是以土壤蒸发为主，而免耕秸秆覆盖处理和免耕立茬处理地表由于留有作物残茬，降低了土壤温度，有效抑制了水分蒸发，表层（0～30 cm）土壤贮水量显著大于其他处理，且免耕秸秆覆盖处理大于免耕立茬处理。拔节后，一方面由于受灌水、降水及作物蒸腾等因素的影响，另一方面，由于不同耕作措施改变了土壤物理结构，从而影响土壤水分的入渗及再分布，使得各处理土壤表层含水量变化不一致。2006 — 2007年度，拔节后，各测定时期免耕秸秆覆盖处理和免耕立茬处理的 0～30 cm土层贮水量均大于传统耕作处理、秸秆翻压处理，而2007 — 2008年度却均小于传统耕作处理、秸秆翻压处理。有研究表明，冬小麦生长后期，气温较高，小麦冠层增大，保护性耕作的小麦蒸腾较大[2， 12];传统耕作坚实犁底层的形成不易于灌水下渗，免耕土层未受扰动，土体结构良好，所以表层水分易于向深层入渗而相对降低了表层水分含量。30～150 cm土层受外界因素的影响小，土壤水分变化主要受作物根系吸水特性和灌水的影响， 变幅相对较小。冬小麦整个生育期，各测定时期免耕立茬处理和免耕秸秆覆盖处理的贮水量均大于传统耕作处理、秸秆翻压处理，这主要是一方面由于冬小麦生长前期免耕立茬处理和免耕秸秆覆盖处理0～30 cm土层水分充足，根系对深层水的利用较少，另一方面免耕覆盖改善了土壤结构，增大了水分入渗速率[7， 13 - 15]，从而使深层土壤贮水量大于其他处理。与传统耕作处理相比，从返青到成熟期，免耕秸秆覆盖处理和免耕立茬处理土壤贮水量增幅分别为18.44%～30.43%和11.38%～11.93%。土壤深层水分的增加对作物后期的生长和产量的提高有重要作用。
作物产量是一个系统管理水平与土壤生产力的综合反映，也是农业持续发展的重要评价指标[16 ]。有相当多的研究表明，免耕能提高作物的产量[17 - 22 ]，本研究中免耕立茬处理和免耕秸秆覆盖处理的冬小麦折合产量较传统耕作处理分别提高15.65%～30.59%和6.98%%～24.32%。这可能是一方面免耕增加了冬小麦的成穗数和千粒重[17 - 19 ]，本研究中，免耕立茬处理和免耕秸秆覆盖处理的成穗数较传统耕作处理分别提高9.13%～19.14%、13.56%～20.10%，千粒重较传统耕作处理分别提高2.82%～6.40%、2.17%～10.13%，穗粒数较传统耕作处理分别提高3.57%～23.41%、10.34%～12.34%;而另一方面，免耕秸秆覆盖改善了土体结构[15 ]，增大了根系生物量，提高了土壤含水量[4， 6 ]，从而使根系能有效的吸收土壤水分和养分供地上组织利用，增大产量形成潜力，从而提高冬小麦产量。
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（本文责编：郑立龙）
