黃土旱塬區平衡施肥下不同土壤耕作模式的蓄水納墑及作物增產增收效應研究

王玉玲, 李 軍

(1西北農林科技大學農學院，陜西楊凌 712100; 2河南科技學院生命科技學院，河南新鄉 453003)

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黃土旱塬區平衡施肥下不同土壤耕作模式的蓄水納墑及作物增產增收效應研究

王玉玲1，2, 李 軍1*

(1西北農林科技大學農學院，陜西楊凌 712100; 2河南科技學院生命科技學院，河南新鄉 453003)

鑒此，本研究選擇黃土高原中南部旱塬區—陜西省合陽縣一年一熟旱作冬小麥→春玉米輪作田，以連續翻耕、 連續深松和連續免耕為對照，將免耕、 深松、 翻耕3種耕作措施組成4種土壤輪耕模式進行定位試驗，著重探討不同土壤耕作模式對休閑期和作物生育期0—200cm土層土壤水分狀況、 作物產量及經濟效益的影響，旨在為黃土旱塬區建立合理的與一定肥力水平下輪作體系相配套的土壤耕作模式提供理論依據。

1　材料與方法

1.1試驗地概況

表1　試驗區20072011年月降水量(mm)Table 1　Monthly precipitation in 2007-2011 at experiment site

1.2試驗設計

施肥處理: 根據陜西省農業廳推薦旱作冬小麥和春玉米平衡施肥方案，冬小麥和春玉米播種時均基施尿素(N46%)150kg/hm2, 磷酸二銨(N18%、P2O545%)120kg/hm2和氯化鉀(K2O50%)90kg/hm2，并通過旋耕切碎殘茬、 平整地表和混合肥料。冬小麥生育期不追肥，春玉米在大喇叭口期追施尿素150kg/hm2。

表2　20072011年作物輪作與土壤耕作次序Table 2　Sequence of crop cultivation and soil tillage treatments from 2007 to 2011

注(Note):NT—免耕No-tillage;ST—深松Subsoiling;PT—翻耕Ploughing;RT1—年際間翻耕與免耕輪流進行PTandNTrotation;RT2—深松與翻耕逐年輪耕STandPTrotation;RT3—免耕與深松逐年進行輪耕NTandSTrotation;RT4—免耕、 翻耕和深松依次逐年進行輪耕，實施夏閑期和冬閑期土壤輪耕試驗NT,PTandSTrotation,summerandwinterfallowinturn.

1.3測定項目與方法

土壤含水量=(濕土重-烘干土重)/烘干土重 × 100%。

1.3.2 土壤貯水量W=h×a×b×10/100[26]式中，W為土壤貯水量(mm)，h為土層深度(cm)，a為地段實測土壤容重(g/cm3)，b為土壤含水率(%)。1.3.3 作物生育期間總耗水量(ET)

ET=(p+I)-ΔS[27]式中，ET為生育期間總耗水量(mm)，p為作物生育期降水量(mm)，ΔS為收獲期與播種期0—200cm土壤貯水量之差; 因試驗地地勢平坦，地下水位深，旱地無灌溉，故I可以忽略不計。

1.3.4 水分利用效率計算WUE=Y/ET[28]

式中，WUE為水分利用效率[kg/(hm2·mm)]，Y為單位面積籽粒產量(kg/hm2)。

1.3.5 作物產量在作物成熟后，冬小麥每小區選3個點，每點3m2，共取9m2，脫粒、 曬干，稱重計產; 春玉米每小區選3個點，每點取20株，共取60株，脫粒，曬干，稱重計產。

1.3.6 經濟效益經濟效益以單位耕地面積的純收益表示。

純收益(yuan/hm2)= 總產值(yuan/hm2)- 總成本(yuan/hm2)。

其中, 總產值(yuan/hm2)=總籽粒產量(kg/hm2)×市場價格(yuan/kg);

總成本(yuan/hm2)=物質費用(yuan/hm2)+勞動報酬(yuan/hm2)。

總成本包括耕作、 播種等機械費和化肥、 種子、 農藥等費用。

1.4數據處理

采用SAS8.01數據處理軟件對數據進行方差(ANOVA)分析，并采用LSD法進行顯著性檢驗(P<0.05)。

2　結果與分析

2.1不同耕作模式對休閑期土壤水分的影響

圖1　休閑期不同耕作模式0—200 cm土層土壤貯水量Fig.1　Water storage of 0-200 cm soil layers during fallow period under different tillage patterns

2008年夏閑末較夏閑初0—200cm土層土壤貯水量的增加量，RT2處理較CK1、CK3分別高42.1mm、 16.7mm，RT3處理分別高50.8mm、 25.4mm，RT1處理高于CK1，而RT4處理均低于 3種對照，且上述各項差異均達到顯著水平(P<0.05)。2010年夏閑末較夏閑初0—200cm土層土壤貯水量的增加量，以RT2、RT3和RT4處理較高，較CK1和CK3分別高23.7mm、 29.5mm、 27.2mm和13.9mm、 19.7mm、 17.4mm，差異達顯著水平(P<0.05)。

綜合兩年試驗結果，每一年夏閑期末0—200cm土層土壤貯水量均以RT3蓄水保墑效果最好，2年平均較CK1和CK3多蓄水75.9mm和43.3mm，較CK2無差異。整個休閑期土壤貯水量，也以RT3最高，其次是RT2和RT4，RT1最低。與對照組相比，4種輪耕模式均高于CK1;RT3與CK2差異不顯著，而其他3種輪耕模式均有所降低;RT3高于CK3，其他3種輪耕模式無差異。

從圖2的4個時間點看出，不同耕作模式0—200cm土層剖面土壤含水量變化趨勢基本一致，且0—80cm土層差異較小，而80cm以下土層差異較大。4個時間點不同輪耕模式0—200cm土層平均土壤含水量均以RT3最高。2008年9月15日(圖2a)和2009年4月19日(圖2b)的RT1、RT2和RT3處理土壤含水量較CK1均不同程度增加，其中RT3處理土壤含水量在這兩個時間點均顯著增加(P<0.05); 與CK2、CK3相比，兩個時間點的前3種輪耕模式土壤含水量均無顯著差異，而RT4處理土壤含水量顯著減少。

2010年9月29日(圖2c)和2011年4月23日(圖2d)的4種輪耕模式0—200cm土層平均土壤含水量較CK1均顯著增加(P<0.05);RT2、RT3和RT4處理較CK2差異均不顯著;RT2、RT3較CK3均顯著增加(P<0.05)。結果表明，兩個休閑期0—200cm土層剖面平均土壤含水量因各輪耕模式采取的不同耕作措施而呈現差異性。其中RT3處理，即免耕和深松輪換耕作，加之秸稈覆蓋，更有利于增進土壤的蓄水保墑效果。

圖2　不同耕作模式0—200 cm土層土壤含水量Fig.2　Water content of 0-200 cm soil layers under different tillage patterns.

2.2不同耕作模式對冬小麥生育期土壤水分的影響

圖3　冬小麥生育期內不同耕作模式0—200 cm土層土壤貯水量Fig.3　Water storage of 0—200 cm soil layers during winter wheat growth period under different tillage patterns

[注(Note):BS—播種前Beforesowing;OV—越冬期Over-winteringperiod;EL—拔節期Jointingstage;BO—孕穗期Bootingstage;GF—灌漿期Fillingstage;HR—成熟期Harveststage. 圖中觀測數據為三個重復的平均值，誤差線為標準誤差Thedataarethemeanvaluesoftriplicatemeasurementsandtheverticalbarsindicatethestandarderrorsofthreereplicates.]

綜上，兩個冬小麥生育期4種輪耕模式0—200cm土層土壤貯水量高低差異與當年或上一年所采用的耕作措施有關，其中RT3和CK2處理的平均土壤貯水量相對較高。RT3處理平均土壤貯水量高也可能與其采用的免耕冬小麥生長較差、 產量較低、 水分消耗較少也有很大的關系。2.2.2 冬小麥關鍵生育時期土壤剖面含水量變化拔節期和灌漿期是冬小麥兩個比較關鍵的需水時期。2008年和2010年冬小麥在拔節期(圖4a、c)和灌漿期(圖4b、c)不同耕作模式0—200cm土層土壤含水量剖面變化趨勢不盡一致，但不同耕作模式在冬小麥同一時期其土壤含水量剖面分布特征基本一致。

2.3不同耕作模式對春玉米生育期土壤水分的影響

2.3.1 春玉米生育期0—200cm土層土壤貯水量變化春玉米生長期正逢雨季，2009年和2011年春玉米生育時期降水量分別為379.2和448.3mm。由于降水量及其季節分布不均勻，春玉米不同生育時期各耕作模式0—200cm土層土壤貯水量變化趨勢不盡一致，2009年呈現“升→降→升”趨勢，而2011年則呈“降→升”趨勢(圖5)，同時2個試驗年份灌漿期各耕作模式土壤貯水量均達全生育期的最低值。

2009年春玉米生育期， 4種輪耕中除RT1、RT3處理0—200cm平均土壤貯水量較CK1分別顯著高(P<0.05)27.6和23.4mm外，其余較對照組均無顯著差異。到2011年春玉米生育期0—200cm平均土壤貯水量以RT3最高。4種輪耕較CK1分別顯著高(P<0.05)37.5、 22.3、 57.3和49.2mm;RT3較CK2顯著高(P<0.05)25.8mm，而RT2較CK3顯著低(P<0.05)20.4mm，其余輪耕處理與對照相比均無差異。綜合兩個春玉米生育期的試驗結果，RT3和CK3處理較其他處理增加土壤貯水量效果更明顯。

2.3.2 春玉米關鍵生育時期土壤剖面含水量變化同樣，拔節期和灌漿期也分別是春玉米第一個和第二個需水高峰時期。2009年和2011年春玉米拔節期和灌漿期各耕作模式0—200cm土層土壤含水量變化趨勢如圖6所示。在同一生育階段，各耕作模式0—200cm土壤含水量分布特征基本一致。

圖4　2008和2010年不同耕作模式冬小麥拔節期(a、 c)和灌漿期(b、 d)0—200 cm土層土壤水分含量Fig.4　Water content of 0-200 cm soil at the jointing (a, c) and filling stages (b, d) of winter wheat under different tillage patterns in 2008, 2010

圖5　春玉米生育期內不同耕作模式0—200 cm土層土壤貯水量Fig.5　Water storage of 0-200 cm soil layers during spring maize growth period under different tillage patterns

[注(Note):BS—播種前Beforesowing;EL—拔節期Jointingstage;MG—大喇叭口期Mid-growthstage;TA—抽雄期Tasseling;FI—灌漿期Fillingstage;HR—成熟期Harveststage. 圖中觀測數據為三個重復的平均值，誤差線為標準誤差Thedataarethemeanvaluesoftriplicatemeasurementsandtheverticalbarsindicatethestandarderrorsofthreereplicates.]

2009年兩個春玉米關鍵生育時期(圖6a、b)，0—200cm土層平均土壤含水量均以RT3較高。拔節期，RT1、RT3處理平均土壤含水量較CK1分別高0.8和1.1個百分點，達到顯著水平(P<0.05); 除RT4處理外，其余3種輪耕較CK2、CK3差異均不顯著。灌漿期，4種輪耕模式平均土壤含水量較CK1分別提高1.0(P<0.05)、 0.8(P<0.05)、 1.1(P<0.05)和0.1個百分點; 與CK2、CK3相比，僅RT4顯著偏低(P<0.05)，其余輪耕均無差異。到2011年，4種耕作模式在拔節期(圖6c)0—200cm土層平均土壤含水量均顯著高于(P<0.05)CK1; 與CK2、CK3相比，RT1、RT2和RT3處理差異均不顯著，而RT4處理分別高0.7和0.9(P<0.05)個百分點。灌漿期(圖6d)，與CK1平均土壤含水量相比，除了RT2處理，其他處理均顯著偏高(P<0.05); 與CK2相比，RT3和RT4平均土壤含水量顯著高(P<0.05); 和CK3相比，除了RT2平均土壤含水量顯著偏低(P<0.05)外，其余均無差異。綜合兩個春玉米關鍵生育時期的試驗結果，RT3和CK3比其他耕作模式土壤含水量較高。

2.4不同耕作模式對作物籽粒產量及水分利用效率的影響

在冬小麥-春玉米輪作田，不同耕作模式作物籽粒產量和水分利用效率(WUE)表現出顯著差異(P<0.05)(表3)。

不論是冬小麥，還是春玉米，不同年份4種輪耕模式中均以當年采用的深松處理籽粒產量和水分利用效率(WUE)最高，翻耕次之，免耕最低。4年7種耕作模式相同耕作措施平均，深松和翻耕較免耕分別增加作物籽粒產量15.3%和8.3%，水分利用率顯著提高(P<0.05)12.3%和6.2%。這與不同耕作措施所創造土壤環境條件的優、 劣密切相關。

圖6　2009, 2011年春玉米拔節期(a、 c)和灌漿期(b、 d)不同耕作模式0—200 cm土層土壤水分含量Fig.6　Water content of 0-200 cm soil layers at the jointing (a, c) and filling (b, d) stages of spring maize under different tillage patterns in 2009, 2011

而從連續4年的整體效應看，在4種輪耕模式中，作物籽粒產量和水分利用效率4年均以RT2處理最高，且作物籽粒產量較RT1、RT3和RT4分別顯著增加(P<0.05)12.0%、 6.4%、 9.6%,水分利用效率分別提高12.4%、 7.3%、 8.5%;RT1、RT3和RT4之間無差異顯著性。

表3　不同耕作模式作物籽粒產量與水分利用效率Table 3　Grain yields and water use efficiency (WUE) under different tillage patterns

注(Note):GY—籽粒產量Grainyield(kg/hm2);ET—總耗水量Totalwaterconsumption(mm);WUE—水分利用效率Wateruseefficiency[kg/(hm2·mm)]. 各行不同小寫字母間差異顯著(P<0.05)Differentlettersinthesamerowsrepresentsignificantdifferenceamongtreatmentsat0.05level(P<0.05).

2.5不同耕作模式對冬小麥和春玉米經濟效益的影響

在不同試驗年份不同耕作模式的經濟效益，因作物產量的高低和各種投入的不同，而表現出顯著差異(P < 0.05)(表4)。

從表4看出，不同年份冬小麥和春玉米純經濟收益均與不同耕作模式當年采用耕作措施有關。不同年份不同作物同一耕作措施純收益平均比較，深松(7041.2元/hm2)和翻耕(5886.5元/hm2)較免耕(5650.0元/hm2)分別增收24.6%(P<0.05)和4.2%。

表4　不同輪耕模式作物生產成本和經濟效益Table 4　Cost and economic benefits of crops under different tillage patterns

注(Note):TO—總產值Totaloutput(yuan/hm2);TC—總成本Totalcost(yuan/hm2);RN—純收益Return(yuan/hm2). 冬小麥以每公斤售價2.1元計，春玉米以每公斤售價1.8元計Thepricesofwinterwheatandspringmaizeare2.1and1.8yuan/kg,respectively. 每公頃機械費用標準如下: 收獲和粉碎費用，冬小麥1200元、 春玉米1500元，翻耕費525元，深松費450元、 旋耕費300元，常規播種300元. 每公頃化肥投入: 冬小麥2319元，春玉米3839元(2009年)和3898元(2011年); 其他投入(包括種子、 農藥和人工費)，冬小麥合計1140yuan/hm2; 春玉米合計860yuan/hm2。Themechanicalcostperhectare:winterwheatharvestandstraw-returning1200yuan,springmaize1500yuan;ploughing525yuan,sub-soiling450yuan;sowing300yuan.Thefertilizationcostperhectare:winterwheat2319yuan/hm2,springmaize3839yuanin2009and3989yuanin2011;Othercost(seed,farmchemical,labor):Winterwheat1140yuan/hm2,springmaize860yuan/hm2. 各行數據后不同小寫字母間差異顯著(P<0.05)Differentlettersinthesamerowsrepresentsignificantdifferenceamongtreatmentsat0.05level(P<0.05).

3　討論與結論

本研究連續4年的定位試驗表明，一年一熟冬小麥→春玉米輪作模式下的土壤休閑期及冬小麥生育期0—200cm土壤蓄水保墑效果均以RT3(免耕→深松→免耕→深松)和CK2(深松→深松→深松→深松)為最高; 在春玉米生育期0—200cm土壤蓄水保墑則以RT3和CK3(免耕→免耕→免耕→免耕)模式較好，與CK2無明顯差異。因此，RT3在整個的輪耕周期中，比其他耕作模式更有利于蓄納降水，有效增加土壤貯水量和土壤含水量，具有良好的蓄水保墑效應。這可能與RT3采用的兩種耕作措施(免耕和深松)均對土壤的擾動較少有關。RT3模式下的作物產量高于CK3，這可能與連年免耕相比，深松措施能夠打破犁底層，使得耕層及耕層以下土壤容重降低，通透性增強，有利于地表水分下滲，促進土壤養分釋放，為作物生長發育提供了較好的水分和養分條件。而在RT3模式下，作物秸稈保留在地表，使得地表松弛，其土壤環境受到影響，不利于種子發芽，甚至會產生吊根現象，因此使作物的增產效果也受到一定影響，產量水平顯著低于RT2(深松→翻耕→深松→翻耕)，而顯著高于CK3，但與其他模式無顯著差異。

盡管RT2的蓄水保墑效應略低于RT3，但RT2土壤的增產增收效果優于RT3，這說明深松+翻耕組合可以更好地促進作物增產增收。RT2較對照組增產最高可達17.1%，增收最高可達28.3%，但與CK2增產無顯著差異，這也說明RT2土壤環境能較好的促進作物生長發育。因為，RT2既能打破犁底層，促進降水入滲，提高蓄水保墑性能，又能促進土壤熟化，土壤養分得到釋放，改善了土壤團粒結構，使整個耕層營養物質充實均勻，雜草病蟲減少。而連續深松(CK2)能夠增加水分入滲，保護土壤，增加蓄水能力，產量僅次于RT2，也是本地區比較適宜的耕作模式。由于黃土旱塬半濕潤易旱區土壤和生態類型多樣，可根據不同地區和生態狀況，選擇適宜的耕作模式，達到蓄水納墑、 增產增收的目的。

前人研究表明，深松作為保護性耕作的重要技術之一，能夠有效促進降水入滲，且具有極好的保水、 保土和增產增收的效果[29-35]。本研究RT2、RT3和CK2模式較其他耕作模式在蓄雨納墑及提高作物籽粒產量、 水分利用效率(WUE)、 經濟效益等效應方面表現較優，在RT2、RT3和CK2模式中，均采用了深松措施，也再次證明了深松的良好效果。在黃土旱塬未來的耕作模式構建中，深松措施將繼續扮演重要的角色。

總之，“深松→翻耕”輪耕模式在水分利用效率和經濟效益等能夠綜合表征資源利用效果的指標上表現最優，連年深松模式位居其次，它們均可作為試驗區域周圍地區及黃土旱塬類似地區值得推薦的土壤耕作模式。

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Studyonsoilwaterstorage,cropyieldsandincomesunderdifferentsoiltillagepatternswithbalancefertilizationintheLoessDrylandregion

WANGYu-ling1, 2,LIJun1*

(1 College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100，China;2HenanInstituteofScienceandTechnology,Xinxiang,Henan453003,China)

【Objectives】Thesemi-humidandprone-to-droughtLoessDrylandisatypicalrainfedagriculturalregion,wherethemostlycommoncropsystemisonceayearoronceeverytwoyears.Reasonablerotationoftillagesystemsisimportantinmaintainingthesustainabledevelopmentoffarmlandecosystem,thestudyonwhichwillprovidebaseforefficientcropproduction. 【Methods】Along-termfieldexperimentwasconductedtoinvestigatetheeffectsoftillagepatternsonyields,wateruseefficiency(WUE)andeconomicbenefitsofwinterwheatandspringmaizefrom2007to2011inHeyangCounty,ShaanxiProvince.Thetillagepatterntreatmentsincluded:ploughing→no-tillage→ploughing→no-tillage(RT1),subsoiling→ploughing→subsoiling→ploughing(RT2),no-tillage→subsoiling→no-tillage→subsoiling(RT3),no-tillage→ploughing→subsoiling→no-tillage(RT4),andploughingin4years(CK1),subsoilingin4years(CK2), 3no-tillagein4years(CK3)forcomparisonpropose.Thesoilwaterstorageandwatercontentinthe0-200cmsoillayer,thecropyields,wateruseefficiencyandeconomicbenefitsweremeasured. 【Results】 1)Duringthefallowperiod,thehighestsoilwaterstoragewasinRT3,followedbyRT2.ThesoilwaterstorageinallthefourtreatmentswassignificantlyhigherthaninCK1,thatinRT3wasalsosignificantlyhigherthaninCK3,andthedifferencebetweenCK2andRT3wasnotsignificant.ThehighestsoilwatercontentwasalsofoundinRT3. 2)Duringwinterwheatgrowthperiod,allsoilwaterstorageandsoilwatercontentinRT3andCK2werehigherthaninothertreatments. 3)Duringspringmaizegrowthperiod,boththesoilwaterstoragesandcontentsinRT3andCK3werehigherthaninothertreatments. 4)BothRT2andCK2showedthebesteffectsinincreasingcropgrainyields,wateruseefficienciesandeconomicbenefits.ComparedwithCK1,CK2andCK3,thefouryears’averagecropgrainyieldsinRT2increasedby10.2%, 3.6%and17.1%,thenetincomesby23.6%, 6.8%and28.3%,andWUEby9.7% (P<0.05), 4.3%and18.6% (P<0.05),respectively.【Conclusions】AlthoughtheRT2isnotthebestinsavingsoilwater,itisbestinimprovingWUE,cropyieldsandeconomicbenefits.CK2producesthehighestwaterinfiltration,water-holdingcapacityandsoil-protectingcapacity,althoughitscropyieldsisnotashighasRT2.Consideringthelocalconditions,RT2andCK2arerecommendedassuitablesoiltillagepatternsinthetesteddryplateauarea.

loessdryland;tillagepatterns;soilwater;cropyield;wateruseefficiency

2014-06-26接受日期: 2014-09-09網絡出版日期: 2015-05-14

國家“863”項目(2013AA102902); 公益性行業(農業)科研專項(201303104); “十一五”國家科技支撐計劃項目(2006BAD29B03); 國家自然科學基金項目(30771280，31071374)資助。

王玉玲(1982—)，女， 河南沈丘人，講師，主要從事高效農作制度和作物高產栽培研究。E-mail:wangyuling634@163.com

E-mail:junli@nwsuaf.edu.cn

S341.1;S512.1+1;S513

A

1008-505X(2016)01-0151-13