寧南山區保護性農業措施對冬小麥農田休閑期土壤水分的影響

董立國, 袁漢民, 蔡進軍, ALLEND·McHugh,

潘占兵1, 馬 璠1, 張源潤1, 李生寶2

(1.寧夏農林科學院 荒漠化治理研究所, 寧夏 銀川 750002;

2.寧夏農林科學院， 寧夏 銀川 750002; 3.國際玉米小麥改良中心，墨西哥 埃爾巴丹 56 237)

寧南山區保護性農業措施對冬小麥農田休閑期土壤水分的影響

董立國1, 袁漢民2, 蔡進軍1, ALLEND·McHugh3,

潘占兵1, 馬 璠1, 張源潤1, 李生寶2

(1.寧夏農林科學院 荒漠化治理研究所, 寧夏 銀川 750002;

2.寧夏農林科學院， 寧夏 銀川 750002; 3.國際玉米小麥改良中心，墨西哥 埃爾巴丹 56 237)

摘要：[目的] 研究寧南山區冬小麥農田休閑期保護性農業措施對土壤水分的影響，為該區降雨資源的高效利用以及保護性農業的可持續發展提供理論依據。 [方法] 基于不同時期多個保護性農業試驗土壤水分數據比較分析。 [結果] (1) 在干旱的情況下，免耕留茬處理能夠顯著增加土壤表層(0—20 cm)含水量。 (2) 在免耕的情況下，隨著秸稈留茬高度的增加，土壤水分呈現增加趨勢。 (3) 在降雨量較大且降雨量具有連續性的情況下，常規耕作處理在土壤表層保蓄了較多的土壤水分(0—20 cm)，免耕秸稈覆蓋處理能夠增加土壤20—80 cm土壤水分含量。 (4) 冬小麥休閑期種植豆科作物，降低了土壤水分，其降低幅度與降雨量以及種植密度有關，種植密度越大，對土壤水分的影響越大。 [結論] 免耕+留茬耕作措施能夠提高冬小麥農田休閑期土壤水分含量，覆蓋作物降低了休閑期土壤水分含量。

關鍵詞：保護性農業; 冬小麥農田休閑期; 土壤水分; 覆蓋作物; 綠肥; 寧南山區

土壤水分是土壤內部物理、化學和生物過程不可缺少的介質，不僅影響土壤物理、化學和生物學性質，關系土壤中養分溶解、轉移和微生物活動，而且是植物生長發育重要條件，在旱作農業區尤為重要。保護性農業是一種關于水土資源保護和農業可持續發展的重要措施[1-2]，是當前農學和資源環境領域的重要研究課題，其理念對農業的可持續發展具有重要的指導意義，將這一理念應用到作物休閑期土壤水分的保持上將對現有田間管理措施具有重要意義。冬小麥農田休閑期主要指從冬小麥收獲后到播種下一茬作物(冬小麥)的時間，本研究主要針對的時間為從6月中下旬冬小麥收獲開始到9月上旬再次種植冬小麥的時間間隔。在黃土高原尤其是雨養農業區，如何利用好這一階段各種資源，對區域農業發展具有重要作用。李青等[3]在山西省聞喜縣研究得出休閑期施肥與覆蓋處理均改善了土壤水分狀況和增加土壤產量，其中有機肥+地膜覆蓋效果最好。白冬等[4]在山西聞喜縣研究得出休閑期雨后深翻覆蓋能夠提高產量、水分利用效率、氮素吸收效率及氮素生產效率,其中滲水地膜覆蓋效果更好。溫斐斐等[5]在山西省聞喜縣研究得出旱地小麥休閑期等雨后深翻有利于提高土壤蓄水量與水分利用效率,深翻后覆蓋有較大的調控效應,且采用滲水地膜覆蓋效果更好。劉爽等[6]研究得出免耕和深松覆蓋處理可以顯著增加土壤含水率,具有良好的保墑作用，深松覆蓋作物產量和水分利用效率最高,其次為免耕處理,深翻處理效果較差。

寧南山區位于我國黃土高原的腹地、寧夏回族自治區南部，包括原州區、西吉、海原、隆德、涇源、彭陽、鹽池、同心等縣區及部分地區。該區域是我國黃土高原的典型代表區。干旱少雨、水資源短缺、生態系統結構功能失調是該區域持續發展的嚴重制約因素。本研究以冬小麥休閑期土壤水分為對象，采用不同的田間處理措施，分析土壤水分變化特征，為寧南山區及類似區域降雨資源的高效利用以及保護性農業的可持續發展提供理論依據。

1研究區概況

本研究選擇位于寧夏回族自治區彭陽縣城東北21 km處的中莊村，屬于典型的溫帶大陸性氣候,地貌類型屬黃土高原腹部梁峁丘陵地，年平均降水量433.6 mm(22 a)左右,分明顯的旱季和雨季，其中50%～75%集中在6—9月份。3—5月的降水量，只有全年降水量的10%～20%。年平均氣溫7.4 ℃，≥10 ℃的積溫為2 200～2 750 ℃，地面平均氣溫8～9 ℃，7月最高，平均為22～23 ℃；1月最低，平均為-8 ℃左右。一般11月中下旬土壤結凍，至翌年3月初開始解凍。最大凍土深度一般超過100 cm。日照時數為2 200～2 700 h，日照百分率為50%～65%，一年之中，6月日照時數最多，9月日照時數最少。近10 a的干燥度為1.40～3.04(可能蒸散量/降雨量)，無霜期140～160 d。主要氣象災害有干旱、霜凍、冰雹等。干旱是該區發生次數多、影響面廣、危害最嚴重的農業氣象災害。

2研究方法

2.1　試驗設計

2.1.1冬小麥不同留茬高度試驗共包括2個試驗： (1) 自2006年7月份麥收后留茬開始,設置常規耕作(CK)(麥收后犁地15 cm,雨季耙耱收墑,9月17號左右開溝播種)、留茬15 cm(9月17號左右直接開溝播種)和留茬30 cm(9月17號左右直接開溝播種),共3個處理，每個處理布設1根1 m長TDR水分測試管,小區面積為20 m2。 (2) 自2006年7月份麥收后留茬開始,設置留茬5 cm(麥收后時留茬5 cm)、留茬15 cm(麥收后時留茬15 cm)和留茬30 cm(麥收后時留茬30 cm),共3個處理，每個處理布設2根1 m長TDR水分測試管,小區面積為50 m2，2007年冬麥收獲后將留茬5 cm 處理進行翻耕作為對照(CK)，保留留茬15 cm(麥收后時留茬15 cm)和留茬30 cm(麥收后時留茬30 cm)處理，繼續進行土壤水分的調查。其他操作同大田。

2.1.2冬小麥不同保護性農業措施試驗本試驗自2013年7月開始，隨機區組設計，設置常規耕作、免耕+秸稈覆蓋和免耕+種植覆蓋作物(三角豆)共3個處理，隨機區組設計，3次重復，每個小區布設一根2米長TDR水分測試管，7—23日旋耕土地、布設TDR水分測試管，7月24日開始測定土壤水分，截止種植冬麥前共測定3次。播種冬麥時(9—11)三角豆干重為772.5 kg/hm2。其他操作同大田。

2.1.3冬小麥休閑期種植綠肥試驗自2012年7月開始，隨機區組設計，設置常規耕作和種植綠肥共2個處理，重復3次。翻壓期綠肥(三角豆)鮮重達到6 388.5 kg/hm2。其他操作同大田。

2.2　測定項目及方法

時域反射儀TDR(time domain reflectometry)測定土壤水分：根據布設TDR水分測試管數量進行土壤水分的測定，測定的土壤深度分別為0—60 cm，0—100 cm或0—200 cm，土壤層次為:0—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—80 cm，80—100 cm，100—120 cm，120—140 cm，140—160 cm，160—180 cm和180—200 cm。

采用稱重法測定土壤水分：試驗3土壤水分采用稱重法測試，每小區取混合樣進行測試，重復3次，測定的土壤深度分別為0—60 cm。

3結果與分析

3.1　冬小麥不同留茬高度對土壤水分的影響

免耕是一種節約能源和保護土壤的重要耕作措施，對不同留茬高度免耕措施土壤水分的調查對進一步發展免耕農業具有重要意義。通過對2006年常規耕作、留茬15 cm秸稈和留茬30 cm秸稈處理土壤水分的調查(圖1)。由圖1可以看出，不同處理土壤水分存在差異，免耕留茬在表層具有一定的保水效果，在冬麥播種期，0—20 cm土壤層次，留茬15 cm和留茬30 cm比常規耕作增加0.9%和11.7%；在20—40 cm土壤層次，有可能與8月份降雨量較大有關，留茬15 cm和留茬30 cm比常規耕作增加減少了23.2%和10.6%；在40—60 cm土壤層次，留茬30 cm比常規耕作增加17.3%。本試驗土壤水分測定主要基于每個處理1個TDR管，試驗結果有待進一步驗證。

圖1　研究區2006年常規耕作和不同留茬高度土壤水分變化

通過對研究區域2007年常規耕作、留茬15 cm秸稈和留茬30 cm秸稈處理條件下土壤水分的調查(圖2)。由圖2可以看出，不同處理土壤水分存在差異，但總體趨勢為免耕留茬具有一定的保水效果，在冬麥播種期，0—20 cm土壤層次，留茬15 cm和留茬30 cm比常規耕作增加18.5%和17.8%；在20—40 cm土壤層次，留茬15 cm和留茬30 cm比常規耕作增加了17.8%和19.2%。免耕留茬30 cm在1 m內土壤水分明顯高于常規耕作，即留茬高度的增加能夠增加土壤水分。

圖2　研究區2007年常規耕作和不同留茬高度土壤水分變化

通過對研究區域2006年留茬5 cm秸稈、留茬15 cm秸稈和留茬30 cm秸稈處理土壤水分的調查(圖3)。

由圖3可得，不同處理土壤水分存在差異，免耕留茬具有一定的保水效果，在冬麥播種期，0—20 cm土壤層次，留茬15 cm和留茬30 cm比常規耕作增加9.8%和14.8%；在20—40 cm土壤層次，留茬15 cm和留茬30 cm比常規耕作增加了16.7%和23.5%；在40—60 cm土壤層次，留茬15 cm和留茬30 cm比常規耕作增加了4.8%和17.9%。1 m內留茬15 cm和留茬30 cm土壤平均含水量比常規耕作增加了7.5%和22.0%，即留茬高度的增加能夠增加土壤水分。

3.2　冬小麥不同保護性農業措施對土壤水分的影響

通過研究區域3種田間耕作措施土壤水分的測試結果可以得出(圖4)，由于年度降雨量較大，3種處理措施土壤水分在試驗處理初期和試驗中期差異較小，在休閑期結束及冬麥播種期，3種處理措施在20—80 cm土壤層次土壤水分變異較大，0—20 cm和80—200 cm土壤水分變異較小。土壤擾動對耕層土壤水分影響較大。

由圖4可以得出，在試驗處理初期(試驗布設后第2天)，免耕兩處理土壤水分平均比旋耕處理(CK)提高9.9%。

在休閑期結束后(冬麥播種期)，旋耕后的土壤在降雨量較大的情況下，表層0—20 cm土壤蓄積了較多的土壤水分，免耕+秸稈覆蓋和免耕+覆蓋作物兩處理分別比旋耕處理(CK)降低了5.2%和5.7%。20—40 cm，免耕+秸稈覆蓋土壤水分比旋耕處理(CK)提高了12.2%，免耕+覆蓋作物比旋耕處理(CK)降低了1.9%。40—60 cm，免耕+秸稈覆蓋土壤水分比旋耕處理(CK)提高了24.9%，免耕+覆蓋作物比旋耕處理(CK)降低了6.2%。60—80 cm，免耕+秸稈覆蓋和免耕+覆蓋作物兩處理分別比旋耕處理(CK)提高了22.3%和18.3%。

3.3　冬小麥休閑期種植綠肥對土壤水分的影響

土壤水是植物吸收水分的主要來源(水培植物除外)，是干旱區農業生產、生態建設的關鍵因子。通過對研究區域秋后常規耕作和種植綠肥兩種處理措施土壤水分的分析得出，種植綠肥后土壤水分明顯降低，尤其是40—60 cm土壤深度達到顯著水平。

種植綠肥后土壤0—20 cm，20—40 cm和40—60 cm土壤水分分別比休閑期降低18.3%，25.2%和25.9%。

圖3　研究區2006年不同留茬高度土壤水分變化

圖4　不同保護性農業措施土壤水分變化

4討 論

水是生命之源，是人類社會懶以生存和發展的重要物質資源，土壤水分作為植物吸收水分的主要來源，其水分含量的多少直接關系著植物的生存，耕作措施對作物高產和水土等資源的持續利用具有舉足輕重的作用，本研究針對保護性農業這一農業領域的重要課題，開展免耕和覆蓋作物等措施對寧夏雨養農業區冬小麥休閑期土壤水分響應研究，通過對免耕留茬15 cm、免耕留茬30 cm和常規耕作3種處理土壤水分研究得出結果具有不確定性，主要原因為試驗中土壤水分的測定重復數為1次(2006年)和2次(2007年)，但具有一定的趨勢即免耕處理增加了土壤0—20 cm的土壤含水量，免耕+秸稈留茬能夠抑制土壤水分的無效蒸發，保蓄較多的土壤水分。主要原因是翻耕處理對土壤表層的擾動，使土壤表層疏松、從而具有較大的土壤空隙，促進了土壤水分蒸發。免耕留茬15 cm、免耕留茬30 cm和常規耕作3種處理產量結果具有一定的變化趨勢，2007年產量結果顯示免耕留茬產量高于常規耕作的趨勢，2008年產量變化趨勢為常規耕作產量優于免耕留茬處理的產量。但是產量結果方差分析結果顯示差異均差異不顯著，主要原因為取樣小區間差異較大，導致方差分析結果差異不顯著，也即在免耕初期作物產量存在一定變異性即不穩定性。

通過免耕留茬5 cm、免耕留茬15 cm、免耕留茬30 cm這3種處理土壤水分(土壤水分數據基于每個小區2根TDR水分管測定結果的平均值)分析得出在免耕留茬的情況下，隨著秸稈留茬高度的增加，土壤水分呈現增加趨勢。也即免耕秸稈留茬高度在一定的范圍內，土壤水分隨留茬高度的增加，呈現增加趨勢，在保護性農業中較多的秸稈覆蓋能夠增加土壤的蓄水保水能力。產量結果顯示留茬5 cm產量為758±137 kg/hm2，留茬15 cm產量為813±36 kg/hm2，留茬30 cm產量為867±186 kg/hm2，產量隨著留茬高度的增加，呈現增加的趨勢，但是不同留茬高度處理產量結果方差分析差異不顯著。

常規耕作、免耕秸稈覆蓋和免耕種植綠肥3種處理土壤水分分析得出，在降雨量較大即具有連續降雨的情況下，常規耕作處理在土壤表層貯存了較多的土壤水分，從而使表層土壤水分較大，但對于20 cm以下免耕處理仍然具有明顯的優勢，免耕處理使得土壤具有良好的孔隙結構，促進的土壤的深層入滲。王小彬等[7]研究得出采用免耕和深松,對于增加土壤蓄水、減少蒸發損失、提高水分有效性、節省能耗以及改善作物產量顯示出最佳的效果。免耕+種植覆蓋作物(三角豆)處理降低了0—60 cm土壤水分含量，即冬麥休閑期種植覆蓋作物，消耗了一定的土壤水分。3種處理產量結果顯示常規耕作冬小麥產量2 483±720 kg/hm2，免耕秸稈覆蓋冬小麥產量2 450±276 kg/hm2，和免耕種植綠肥冬小麥產量3 585±630 kg/hm2,3種試驗處理產量結果顯示免耕秸稈覆蓋略微減產，免耕種植綠肥略微增產，但3者產量結果方差分析差異不顯著。

通過試驗結果可知，冬小麥休閑期種植綠肥，明顯降低的0—60 cm的土壤水分(密度較大)，土壤水分的變化與種植密度具有極大的關系，種植密度越大，消耗水分越多，但我們也發現雖然種植綠肥消耗了土壤水分，但是通過翻壓秋覆膜處理后，第2年土壤水分的研究得出，種植覆蓋作物并沒有影響下一茬作物，可能與綠肥翻壓以后，綠肥本身含有70%的土壤水分以及經過一個冬季土壤水分進行了新的空間運移有關。綠肥秋翻壓覆膜第二年種植玉米以后，綠肥翻壓小區玉米產量8 895±600 kg/hm2，千粒重345 g，而常規秋覆膜玉米產量9 180±600 kg/hm2，千粒重為320 g，綠肥處理的千粒重明顯高于常規種植，產量略低于常規耕作3%，但差異不顯著。董立國等[8]研究膜側冬麥土壤水分和溫度得出，膜側土壤水分明顯高于膜內，膜側溫度明顯低于膜上。說明一定的地表處理措施明顯影響著土壤水分。免耕等耕作措施的采用必定會影響到土壤水分的重新分配。本文得出部分結論，但是關于不同耕作措施對土壤水分的利用研究，仍然需要系統的長期的定位試驗研究。

5結 論

(1) 在干旱的情況下，免耕留茬處理能夠顯著增加表層土壤(0—20 cm)含水量。

(2) 試驗處理均為免耕的情況下，隨著秸稈留茬高度的增加，土壤水分呈現增加趨勢。

(3) 常規耕作、免耕秸稈覆蓋和免耕種植綠肥3種處理土壤水分分析得出，在降雨量較大的情況下，常規耕作處理在土壤表層貯存了較多的土壤水分，免耕秸稈覆蓋處理能夠增加土壤20—80 cm土壤水分含量。

(4) 冬小麥休閑期種植覆蓋作物(三角豆)，降低了土壤水分，其降低幅度與降雨量以及種植密度有關，種植密度越大，對土壤水分的影響越大，土壤水分的減少在本試驗中不影響下一茬作物產量。

[參考文獻]

[1]Hobbs P R. Conservation agriculture: What is it and why is it important for future sustainable food production?[J]. Journal of Agricultural Science, 2007, 145(2):127-137.

[2]Hobbs P R, Ken S, Raj G. The role of conservation agriculture in sustainable agriculture[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society(B)： Biological Sciences, 2008, 363(1491): 543-555.

[3]李青,高志強,孫敏,等.偏旱年休閑期施肥覆蓋對旱地小麥播前土壤水分的影響及其與產量的相關分析[J].中國農學通報,2013,29(9)：112-116.

[4]白冬,高志強,孫敏,等.休閑期深翻覆蓋對旱地小麥水氮利用效率和產量的影響[J],生態學雜志,2013,32(6):1497-1503.

[5]溫斐斐,孫敏,鄧聯峰,等.旱地小麥休閑期深翻覆蓋對土壤水分及其利用效率的影響[J].中國生態農業學報,2013,21(11)：1358-1364.

[6]劉爽,武雪萍,吳會軍,等.休閑期不同耕作方式對洛陽冬小麥農田土壤水分的影響[J].中國農業氣象,2007,28(3)：292-295.

[7]王小彬,蔡典雄,金軻,等.旱坡地麥田夏閑期耕作措施對土壤水分有效性的影響[J].中國農業科學,2003,36(9)：1044-1049.

[8]董立國,袁漢民,火勇,等.膜側冬麥土壤水分溫度時空變化規律研究[J].節水灌溉,2007,32(8)：1-3.

Effects of Conservation Agriculture Measures on Soil Moisture of Winter Wheat During Fallow Period in Southern Mountain Area of Ningxia Region

DONG Liguo1, YUAN Hanmin2, CAI Jinjun1, ALLEND·McHugh3,

PAN Zhanbing1, MA Fan1, ZHANG Yuanrun1, LI Shengbao2

(1.InstituteofDesertificationControl,NingxiaAcademyofAgricultureandForestryScience,Yinchuan,Ningxia750002,China; 2.NingxiaAcademyofAgricultureandForestryScience,Yinchuan,Ningxia750002,China; 3.InternationalMaizeandWheatImprovementCenter,EIBatan56237,Mexico)

Abstract：[Objective] Soil moisture under conservation agriculture measures during winter wheat fallow period in southern mountain area of Ningxia Hui Autonomous Region was investigated in order to provide a theoretical basis for the effective utilization of precipitation resources. [Methods] Soil moisture storages of more than one field trials at different phases were assessed. [Results] (1) Soil moisture in the soil surface(0—20 cm) increased with stubble retention and no tillage under drought conditions. (2) Under the measure of no-till, soil moisture showed an increasing trend with the increase of straw stubble height. (3) When large or consecutive rainfall event happened, soil moisture increased at depths of 20—80 cm under the measure of no-tillage; whereas, an increase occurred at top layer of 0—20 cm under conventional tillage. (4) Plantation of cover crop(chickpea) during the fallow period of winter wheat could decreased soil moisture(0—60 cm). The decrement mainly depended upon precipitation amount and planting density. [Conclusion] Measures of no-till and stubble retention can improve soil moisture in winter wheat fallow period; while cover crop can potentially reduce soil moisture.

Keywords:conservation agriculture; fallow period of winter wheat field; soil moisture; cover crops; green manure; Southern Mountain Area of Ningxia Autonomous Region

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0047-06

中圖分類號：S152.7

收稿日期：2014-11-11修回日期：2014-12-03

資助項目：寧夏農林科學院自主研發項目“寧南山區水土保持耕作措施對土壤關鍵因子的響應”(NKYJ-13-07)， “寧南山區典型水土保持措施下土壤水分和養分變化特征及機理研究”(NKYJ-15-19); 寧夏自然科學基金項目(NZ12247)； 寧夏環境保護科研項目(20120803)； 國家科技支撐計劃項目(2015BAC01B01); 寧夏科技支撐重點項目 (2012ZZS50)。

第一作者：董立國(1980—),男(漢族),寧夏自治區青銅峽市人,碩士,助理研究員，主要從事農業水資源與環境、生態修復、生態農業等研究工作。E-mail:dlg0303@163.com。