小麥/玉米免耕處理對產量及土壤水分和風蝕的影響

包興國，舒秋萍，李全福，劉生戰，張久東，胡志橋，孫建好，張旭臨

(甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所，730070，蘭州)

我國是世界上耕地土壤侵蝕最嚴重的國家之一，全國耕地土壤侵蝕面積為4 033 萬hm2，占耕地總面積的33.15%，僅風力侵蝕就占耕地土壤侵蝕面積的11.08%，全國因風蝕沙化損失的土壤有機質以及氮、磷、鉀等有效成分高達5 590 萬t［1］。耕地土壤侵蝕已對我國的糧食安全、生態安全和經濟社會可持續發展構成了嚴重威脅［1］。以免耕秸稈覆蓋為主的保護性耕作技術是人類在遭受嚴重土壤風蝕、水蝕危害后，從保護耕地和治理沙塵暴角度出發逐漸研究和發展起來的一項新型水土保持耕作技術。免耕具有減少土壤侵蝕、提高土壤保水性、增加土壤有機質、增強土壤微生物活性和改善土壤結構的作用，是作物增產的重要基礎［2－5］。劉立晶等［6］、高煥文等［7］研究結果顯示，在華北一年兩熟地區，采用玉米(Zea mays)+小麥(Triticum aestivum)全程免耕秸稈覆蓋處理可提高玉米和小麥產量9.71%～11.81%。李洪文等［8］在山西省進行了旱地整秸稈覆蓋免耕研究，認為夏閑期采用秸稈覆蓋免耕具有良好的蓄水保墑作用，并可有效地減輕土壤水分的無效蒸發。廖充成等［9］在陜西乾縣的研究認為，夏閑期實行小麥高留茬的殘茬覆蓋能將夏閑期50%的降水最大限度地蓄住、保住，蓄水率超過55%。賈延明等［10］在山西省壽陽縣的研究認為，旱地玉米進行免耕秸稈覆蓋可使土壤有機質含量年平均增加35.74%，水解氮增加6.55%，速效磷增加16.4%，速效鉀增加10.17%。據王守陸等［11］的研究，武川縣上禿亥鄉的旱坡地留茬覆蓋后，旱平地減少風蝕30%以上，旱地減少風蝕92%以上，減少風蝕作用明顯，對抑制沙塵暴十分有效。因此，在農區進行秸稈覆蓋免耕不僅符合農業生態建設的發展方向，而且也是可持續農業發展的重要舉措。

小麥玉米間套作(又稱小麥玉米帶田)主要種植于西北的甘肅河西走廊、新疆、銀川平原、內蒙古河套地區以及東北平原上。目前，甘肅河西走廊此模式已出現1 萬hm2土地上“畝產超噸田”的高產紀錄。在今后20 ～25 年內，全國可能推廣面積達267萬hm2，每hm2可增產3.75 t，增產糧食1 000 萬t，這對緩和我國糧食緊缺將起關鍵性作用;但是，在小麥玉米間套作主要種植區，因氣候干旱，風多沙大，水資源貧乏，植被稀疏，農業生態環境十分脆弱，干旱、風蝕、沙化和土壤肥力下降已成為制約小麥玉米間套作產業可持續發展的主要限制性因素。近年來，我國北方干旱頻繁，沙塵暴逐年增加，加劇了小麥玉米間套作主產區生態環境的惡化;然而，目前對于小麥玉米間套作條件下的秸稈覆蓋免耕措施對土壤風蝕狀況、作物長勢和產量等問題的研究較少。筆者通過研究小麥玉米間套作條件下，采用小麥秸稈高茬收割覆蓋、玉米秸稈立地過冬的免耕技術，對小麥/玉米產量及土壤水分和風蝕的影響，旨在為干旱及半干旱間套作地區農業可持續性發展提供依據。

1 試驗地概況

試驗設于甘肅省金昌市永昌縣朱王堡鎮流泉村。地處石羊河灌區綠洲的邊緣與騰格里沙漠接壤地區，是沙塵暴的起源地之一。按氣候類別劃分，屬干旱氣候帶。當地海拔1 500 m，蒸發量超過2 000 mm，干燥度3.1，年平均氣溫7.8 ℃，日照時間3 020 h，≥10 ℃的有效積溫3 010 ℃，年太陽輻射總量140 ～158 kJ/cm2，無霜期150 ～165 d，年均風速1.76 m/s，年均大風時間5 d，主要害風為西北風，東風次之。試驗田年降雨量50 ～120 mm，灌水量8 400 m3/hm2(灌水8 次，每次1 050 m3/hm2);土壤質地為灰鈣沙壤土，耕層0 ～20 cm 土壤平均含有機質質量分數17.78 g/kg、全氮1.09 g/kg、全磷1.68 g/kg、堿解氮76.3 mg/kg、速效磷18.0 mg/kg、速效鉀140 mg/kg。試驗地前茬為馬鈴薯(Solanum tuberosun L)。主要自然災害為春季沙塵暴。

2 材料及方法

2.1 試驗設計與方法

2.1.1 試驗設計 試驗設免耕高留茬、免耕秸稈覆蓋、免耕秸稈覆蓋+播前耙地、傳統耕作(鏵式犁翻耕)(CK)4 個處理。2006—2009 年采用定位設計，4次重復，隨機排列。小區面積120.0 m2(長30.0 m×寬4.0 m)，小區間筑0.5 m 埂。小麥/玉米不倒茬。

2.1.2 作物管理 1)播幅:試驗采用現行當地大面積推廣的小麥玉米間作播幅1.6 m 帶幅，即小麥80 cm 種6 行，玉米80 cm 種2 行。每小區種植2.5 帶幅。小麥品種為永良4 號，玉米品種為沈單16 號。

2)播種:于每年3 月中旬采用小麥免耕施肥播種機播種小麥，一次完成開溝、施肥、隔層播種，覆土壓實，播種量225 kg/hm2;小麥顯行后，于每年4 月中旬采用玉米點播機播種玉米，行距26 cm，株距20 cm，種植密度6.7 萬株/hm2。

3)施肥:全生育期施N 肥525 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2、K2O120 kg/hm2，100%磷、鉀肥作基肥一次性施入，氮肥20%基施、20%苗期追施、30%玉米拔節期追施、30%玉米吐絲期追施。基肥采用施肥播種機施入，追肥用追肥器施入。

4)收割:小麥采用聯合收割機收割，收割高度20 ～30 cm，玉米采用人工收穗。

5)秸稈覆蓋:小麥收獲后，將小麥秸稈全部覆蓋到小麥行間(按測定數量施入)，玉米秸稈不刈割，立稈過冬，讓其自然腐解倒伏，在下茬玉米拔節期對仍不能腐解倒伏的秸稈壓倒覆蓋在玉米行間，以增加冬春季節的防風蝕能力。

6)管理:播前、苗期用化學除草劑野麥畏、2.4-D 丁脂除草，根據病蟲害發生情況及時采用化學藥劑防治。其他田間管理方法同大田。

2.1.3 取樣及測試方法 取樣及測試內容主要有土壤含水率、地溫、土壤風蝕量、作物產量等。

土壤含水率:分別在播種前(03-12—03-15)、小麥灌頭水前(04-15—04-20)、小麥灌水后(05-03—05-05)、小麥收獲后(07-15—07-18)、玉米收獲后(10-05—10-08)分5 個時期用土鉆法測定0 ～100 cm 土壤含水率，每20 cm 取樣1 次，用稱量烘干法測定土壤含水率。

地溫:用曲管地溫計分別測定播種前、小麥苗期、小麥抽穗期3 個時期土壤5、10、15 和20 cm 的土壤溫度。每天記錄08:00、14:00、20:00 的土壤溫度，取平均值作為該層的地溫。

土壤風蝕量:每年于小麥播種后2 d(3 月下旬)在每個試驗小區的土壤中插直尺(每個小區插3點)至小麥齊苗后(4 月下旬)，每隔10 d 觀測1 次土壤風蝕量，共測定3 次。

作物產量:分別在小麥、玉米成熟時，每小區割取20 m2樣方曬干、脫粒，采用稱量法測定小麥、玉米籽粒產量及秸稈產量。

2.2 統計分析

試驗數據用SPSS 統計分析軟件進行方差分析。

3 結果與分析

3.1 免耕處理對作物產量的影響

不同免耕處理對作物產量的影響結果見表1。

3.1.1 對小麥籽粒產量的影響 從表1 可以看出，采用小麥/玉米間作免耕處理，2007—2009 年3 年小麥平均產量在4 005.5 ～4 163.0 kg/hm2之間，傳統耕作處理的小麥平均產量為4 389.5 kg/hm2，前者比后者的產量降低5.2%～8.8%，以免耕高留茬處理降低的最多，為8.8%。

3.1.2 對玉米植株性狀及產量的影響 在玉米灌漿期對玉米植株性狀進行了測定。結果表明:采用免耕處理，植株性狀極顯著地優于傳統耕作處理，玉米株高增加28.2 ～50.4 cm，莖粗增加0.4 ～0.75 cm，葉長增加5.02 ～13.12 cm，葉寬增加2.1 cm，單株鮮質量增加0.315 ～0.772 kg/株，增加比例53.6%～131.3%，經方差分析，差異達極顯著水平。以免耕秸稈覆蓋處理最優，免耕秸稈覆蓋+播前耙地處理次之，免耕高留茬處理居第3 位。

表1 不同免耕處理對作物產量的影響Tab.1 Effects of different no-tillage treatments on crop yield

從表1 可以看出，采用免耕處理，2007—2009年3 年平均玉米產量在8 986.0 ～9 368.5 kg/hm2之間，均高于傳統耕作處理。其中:免耕秸稈覆蓋+播前耙地處理玉米產量最高，為9 368.5 kg/hm2，較傳統耕作處理8 277.0 kg/hm2增加1 091.5 kg/hm2，增產13.2%;免耕秸稈覆蓋處理玉米產量9 094.0 kg/hm2，較傳統耕作處理增加817.0 kg/hm2，增產9.9%;免耕高留茬處理玉米產量8 986.0 kg/hm2，較傳統耕作處理增加709.0 kg/hm2，增產8.6%。

3.1.3 對小麥玉米帶田產量的影響 從表1 還可看出，免耕高留茬、免耕秸稈覆蓋、免耕秸稈覆蓋+播前耙地3 種免耕處理小麥玉米帶田產量分別為1 萬2 991.5、1 萬3 257.0 和1 萬3 503.0 kg/hm2，較傳統耕作處理增加325.0、590.5 和836.5 kg/hm2，增產比例分別為2.6%、4.7%和6.6%。

3.2 免耕處理對土壤含水率的影響

分播種前、灌頭水前、灌頭水后、小麥收獲后、玉米收獲后5 次對4 種耕作處理方式下的土壤含水率進行測定，其中小麥灌頭水前和小麥收獲后土壤含水率的測定結果見圖1。

圖1 不同免耕處理對小麥不同時期土壤含水率的影響Fig.1 Effects of different no-tillage treatments on the content of soil water during Triticum aestivum growth periods

從圖1(a)可以看出:小麥灌頭水前，土層深度為0 ～20 cm 的免耕處理，土壤含水率為12.81%～13.10%，傳統耕作處理土壤含水率為11.30%，前者比后者高出1.51 ～1.80 百分點，提高土壤含水率13.4%～15.9%;土層深度為20 ～40 cm 的免耕處理，土壤含水率為14.80%～17.09%，傳統耕作處理土壤含水率為11.73%，前者比后者高出3.07 ～5.36 百分點，提高土壤含水率26.2%～45.7%;土層深度為40 ～100 cm 的免耕處理，土壤含水率14.41%～19.35%，傳統耕作處理土壤含水率為13.69%～16.75%，前者比后者高出0.72 ～2.60 百分點，提高土壤含水率5.3%～15.5%，免耕秸稈覆蓋+播前耙地、免耕高留茬與免耕秸稈覆蓋處理土壤含水率均高于對照傳統耕作處理。

從圖1(b)可以看出:小麥收獲后，土層深度為0 ～20 cm 的免耕處理，土壤含水率為9.92% ～10.99%，傳統耕作處理土壤含水率為10.27%，前者比后者高－0.35 ～0.72 百分點，提高土壤含水率3.4%～7.0%;土層深度為20 ～40 cm 的免耕處理，土壤含水率為12.27%～13.11%，傳統耕作處理土壤含水率為11.96%，前者比后者高0.31 ～1.15 百分點，提高土壤含水率2.6%～9.6%;土層深度為40 ～100 cm 的免耕處理，土壤含水率為15.03%～18.03%，傳統耕作處理土壤含水率為14.13%，前者比后者高0.9 ～3.9 百分點，提高土壤含水率6.4%～27.6%。免耕秸稈覆蓋+播前耙地、免耕高留茬與免耕秸稈覆蓋處理土壤含水率均高于對照傳統耕作處理。

上述結果表明，小麥玉米間作免耕處理對土壤具有較好的保墑能力。其保墑機制可解釋為:采取免耕處理種植小麥/玉米時，由于進行了秸稈覆蓋，使土壤水分蒸發減少，而且播種時不翻動土壤，開溝、施肥、播種和覆土壓實農藝環節是在瞬間內完成的，即土壤水分還來不及蒸發時表土被迅速壓實，故可提高土壤的保墑能力，而秋翻地會使表土層風化干燥程度加重。

3.3 免耕處理對土壤溫度的影響

不同免耕處理對不同土層土壤溫度的影響結果見表2。可以看出，采用免耕處理不同土層的土壤溫度較傳統耕作處理降低1 ～3 ℃，各處理0 ～25 cm土層土壤溫度平均降低2.0 ～2.5 ℃，降低比例13.3%～16.7%，以免耕秸稈覆蓋處理降低的最多。這是由于在地表均勻地覆蓋秸稈，阻止了太陽直接輻射，減少了熱量向土壤中的傳遞，同時也減少了土壤熱量向大氣中散發，使土壤溫度年、日變化均趨緩和。另外，溫度的降低，能顯著減少土壤水分的蒸發，從而對保持地下墑情、保住全苗非常有利。這對地處荒漠地帶的河西走廊水資源緊缺的地區具有重要的意義。

表2 不同免耕處理對不同土層土壤溫度的影響Tab.2 Effects of different no-tillage treatments on soil temperature of different soil layers

3.4 免耕處理對土壤風蝕的影響

免耕處理對土壤風蝕量的影響結果見表3。可以看出:不同免耕處理，土壤風蝕量有較大差異，其中免耕留高茬、免耕秸稈覆蓋處理的土壤沒有產生土壤風蝕，而免耕秸稈覆蓋+播前耙地處理的土壤風蝕量僅為4 mm，較傳統耕作處理的土壤風蝕量降低55.6%。分析上述結果的原因，是冬春季采用玉米立稈過冬的秸稈覆蓋，有效地降低了風速，而且根茬可以固土，起到了風力對表土土壤的阻攔作用，最大限度地保持了土壤的原始結構，使土壤抗蝕性增強，從而使免耕秸稈覆蓋處理沒有產生風蝕。

表3 免耕處理對不同時期土壤風蝕量的影響Tab.3 Effects of different no-tillage treatments on soil erosion by wind in various periods

4 結論與討論

1)在小麥玉米間套作區，連續3 年的免耕秸稈覆蓋處理，可顯著地增加間作玉米的產量，但間作小麥產量比傳統耕作有所降低。3 種免耕處理下間作作物平均產量順序是:免耕秸稈覆蓋+播前耙地＞免耕秸稈覆蓋＞免耕高留茬。

2)采用免耕秸稈覆蓋技術，保墑效果最好，可使耕作層土壤蓄水量顯著增加，提高水分利用率。全程采用秸稈覆蓋免耕后，每季作物至少可以少灌1 次水，每hm2可以少灌水1 200 m3。

3)采用小麥秸稈高茬收割覆蓋、玉米秸稈立地過冬的間作免耕處理可完全防止土壤風蝕，采用秸稈覆蓋播前耙地處理可減少風蝕50%以上。

綜上所述，在小麥玉米間作區實施秸稈覆蓋免耕技術是緩解土壤風蝕沙化的重要途徑，并可增產小麥玉米混合產量4.0%以上，而且一年可減少作業工序2 ～5 道，降低作業成本20%左右，節本增產帶來的綜合經濟效益在1 500 元/hm2以上，這對保護生態環境和提高主產區的糧食生產能力與節本增效具有重要意義。

［1］ 楊愛民，劉孝盈.發展保護性耕作技術有效防治耕地土壤侵蝕［J］.中國水土保持科學，2010，8(6):47-52

［2］ 王濤，屈建軍，姚正毅，等.北方農牧交錯帶風水蝕復合區水土流失現狀與綜合治理對策［J］.中國水土保持科學，2008，6(1):28-36

［3］ 李銳，上官周平，劉寶元.近60 年我國土壤侵蝕科學研究進展［J］.中國水土保持科學，2009，7(5):1-16

［4］ 周興祥.一年兩熟地區機械化保護性耕作體系試驗與分析［D］.北京:中國農業大學工學院，2001:38-65

［5］ 姚寶林，施林，席琳喬.河西內陸河灌區覆蓋免耕的農田水分效益［J］.干旱地區農業研究，2007，25(1):98-101

［6］ 劉立晶，高煥文，李洪文.玉米-小麥一年兩熟保護性耕作體系試驗研究［J］.農業工程學報，2004，20(3):70-73

［7］ 高煥文，李洪文，陳君達.可持續機械化旱作農業研究［J］.干旱地區農業研究，1999，17(1):57-62

［8］ 李洪文，陳君達，高煥文.旱地玉米免耕覆蓋播種技術及機具試驗研究［J］.干旱地區農業研究，1994，12(3):95-100

［9］ 廖允成，韓思明，溫曉霞.黃土臺原旱地小麥機械化保護性耕作栽培體系的水分及產量效應［J］.農業工程學報，2002，(18)4:68-70

［10］賈延明，尚長青，張振國.保護性耕作適應性試驗及關鍵技術研究［J］.農業工程學報，2002，18(1):78-82

［11］王守陸，趙淑華.保護性耕作是農牧業生態建設的重要內容［J］.農村牧區機械化，2002，52(4):4-6