小麥/玉米輪作旱地長期輪耕的保墑增產效應

張玉嬌，王 浩，王淑蘭，王 瑞，李 軍，王小利

（西北農林科技大學農學院，楊凌 712100）

0 引 言

黃土旱塬是指位于黃土高原中南部半濕潤易旱和偏旱氣候區的陜西渭北旱塬、甘肅隴東旱塬等黃土臺塬區和殘塬溝壑區，塬面地勢比較平坦，是黃土高原冬小麥和春玉米傳統生產基地，素有“旱塬糧倉”之稱[1]。但該地區水資源缺乏，氣候干燥，地形和土壤性質復雜，水分是植被恢復和農業產業發展的主要限制因子。該地區盛行的“冬小麥→春玉米”輪作制，在作物收獲后多部分采用翻耕和耙耱結合的農田耕作法，在輪作體制休閑期進行翻耕耕作，促使土壤的熟化作用增強，土壤土層水分蒸發散失，土壤蓄水保墑能力差[2-6]，嚴重制約了當地冬小麥和春玉米的高效生產[7]。但該地區廣闊的黃土臺塬，土層深厚，土壤結構疏松，滲透能力強，蓄水性好，據測定2 m深的土層可蓄存500～600 mm的水分，即可把全年的降雨全部蓄存起來，這是黃土旱塬高效利用將水資源的有利條件[5]。因此，如何充分利用有限的降水，增加土壤的入滲能力，減少土壤水分的無效蒸發，增加農田的蓄水保墑能力和提高水分利用效率是黃土旱塬旱作農業高效和可持續發展的關鍵。

以作物休閑期秸稈覆蓋免耕和深松為主的保護性耕作技術，能有效減少耕層土壤擾動量，增加地表覆蓋物和土壤有機質含量[8-9]，促進自然降水多蓄少耗，提高作物產量與質量，同時能減輕水土流失威脅，降低風蝕揚塵危害，維護和改善耕地質量，是黃土旱塬旱作農田蓄水保墑、培肥地力和增產節本的重要技術措施之一[10-11]。然而，近年來，眾多研究發現，長期采用單一的保護性耕作方式不僅不能促進作物增產，反而會對土壤和生態環境帶來一些不利影響。如長期翻耕土壤失墑大，形成犁底層，影響土壤蓄水能力和作物根系生長發育；長期采用少、免耕技術，會造成表層土壤體積質量增加、犁底層上移、耕層變淺、結構性差、產量降低等問題，不利于作物的生長發育[12]。土壤輪耕（Rotational tillage）技術通過合理配置土壤耕作技術措施，將翻、旋、免等土壤耕作措施進行合理的組合與配置，對于減少長期單一耕作缺點具有重要的作用[12-13]。侯賢清等[13]和李娟等[14]在黃土旱塬的輪耕試驗表明，不同年限的免耕與深松輪換耕作模式均能顯著改善土壤結構，提高土壤蓄水量，促進作物增產。深松和免耕耕作技術均是秸稈和殘茬覆蓋地表，能減少降雨產生的地表徑流量，且深松能夠打破犁底層，促進自然降雨的入滲和土壤水分貯蓄，有利于作物生長和根系下扎，提高了作物對土壤水分和養分利用率[6,9,12]。不同耕作措施的組合與輪換多種多樣，且土壤輪耕周期較長。但受大田試驗技術條件和試驗周期過長等因素的限制，目前，對土壤輪耕的相關報道均多集中于短期試驗研究（2～5 a），且重心多集中于免耕和深松的土壤輪耕模式，而相對其他輪耕模式和中長期定位試驗研究較少。對旱作田保護性耕作輪耕效應和模式缺乏深入系統研究，表明以土壤耕作、水肥利用與作物生長關系為核心的保護性耕作理論與模式研究亟待深入和強化。本研究依托在黃土旱塬小麥/玉米輪作田連續10 a定位試驗，研究了不同輪耕模式小麥/玉米輪作田的產量效應、土壤水分變化動態及土壤蓄水效應，為進一步探索適宜的旱地作物生產保水蓄水及作物增產的輪耕模式提供理論依據。

1 材料方法

1.1 試驗設計

試驗于2007－2017年在陜西省合陽縣甘井鎮西北農林科技大學試驗站（海拔 877 m，35°19′N,106°4′E）進行。該地區屬于暖溫帶大陸性季風氣候，氣溫及降水年較差和日較差都較大，多年平均氣溫在9～13.3℃之間，試驗期間年降水量波動范圍為349.9～710.5 mm，平均年降雨量為529.6 mm（2007－2017年）。每年降雨主要集中在7、8和9月（圖1），占全年降雨量的42.6%～77.5%，是典型的半濕潤易旱地區[15]。該地區農田代表性土壤為黑壚土，土壤質地疏松深厚，試驗前土壤容重為1.42g/cm3，田間持水量25.2%。2007年試驗前土壤理化性質見表1。

圖1 合陽試驗點2007－2016年月降雨量Fig.1 Monthly rainfall during 2007－2016 at Heyang Station

2007年試驗開始前，試驗地連年種植春玉米，作物收獲后秸稈焚燒并進行翻耕。本試驗在冬小麥 →春玉米輪作條件下，每年作物收獲后秸稈粉碎還田，并立即實施3種耕作處理：①免耕處理（NT:no tillage）：不采取任何土壤耕作措施，休閑期秸稈覆蓋地表；②深松處理（ST:subsoiling）：每間隔60 cm寬度行間深松30～35 cm，休閑期秸稈覆蓋地表；③翻耕處理（CT:conventional tillage）：土壤全面翻耕20～25 cm，將秸稈翻入耕層土壤。除休閑期噴灑一次除草劑，播種前對土壤沒有任何擾動。本研究以連續翻耕處理(CT)為對照，3種耕作處理組成3種不同的隔年輪耕模式：免耕/深松(NS)、深松/翻耕(SC)和翻耕/免耕(CN)輪耕模式。試驗采用隨機區組設計，小區面積為112.5 m2（22.5 m×5 m）。在2007－2017年試驗期間共完成5個輪耕周期，具體的土壤耕作情況見表2。

表1 2007年試驗前土壤理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of soil in 2007

表2 不同處理2007－2017年小麥-玉米輪作田耕作概況Table 2 Tillage details in winter wheat-spring maize field during 2007－2017

表3 2007－2017年小麥/玉米輪作田作物種植情況Table 3 Planting details in winter wheat-spring maize field during 2007－2017

本試驗中，冬小麥在9月底播種，春玉米在4月底播種，播量分別為150和75 kg/hm2。冬小麥行距20 cm，春玉米行距60 cm，種植密度為67500株/hm2。在播種前人工撒施化肥，施肥量為N 150 kg/hm2，P2O5120 kg/hm2，K2O 90 kg/hm2，其中氮磷鉀肥分別為尿素、磷酸二銨和硫酸鉀。2007－2017年具體作物種植情況見表3。

1.2 田間取樣及計算方法

1.2.1 土壤容重

在冬小麥收獲后，即每個輪耕周期完成后，采用環刀法測定小麥/玉米輪作田土壤容重。每個小區隨機選3個取樣點，取樣深度為0～60 cm耕層，每個取樣點分3個土層取樣，每20 cm土層深度取一次樣，分別為0～20、20～40和40～60 cm。取樣環刀高5 cm，直徑為5.04 cm，容積為100 cm3。

式中，D為土壤容重，g/cm3；WS為環刀及土壤干質量，g；W為環刀質量，g；V為環刀容積，cm3。

1.2.2 土壤水分

土壤含水量測量采用土鉆取樣和烘箱烘干法。在作物生長的每個時期及休閑期用2 m土鉆取樣測定0～2 m土層土壤水分含量。每20 cm取一層土樣，共10層。樣品放入鋁盒中稱質量，烘箱105℃烘8h，并稱干質量，計算土壤含水量。利用測定的土壤容重計算土壤蓄水量。

土壤含水量Wi（%）=（濕土質量-干土質量）/干土質量×100%；

式中Wi代表第i層土壤含水量，%；SWS為0～2 m土層土壤蓄水量，mm；Di為第i層土壤容重，g/cm3；Hi為第i層土層厚度，cm；ET為作物生育期耗水量，mm；P為作物生育時期降雨量，mm；SWS1為作物播種時0～2 m土壤蓄水量；SWS2為作物收獲時0～2 m土壤蓄水量；WUE為作物水分利用效率，kg/(hm2·mm)；Y為作物產量，kg/hm2。

1.2.3產量

冬小麥產量于各小區隨機選取3個樣點，每個樣點取3 m2；春玉米產量于各小區隨機選取3個樣點，每個樣點取9 m2。樣品經過人工脫粒，自然風干后計算產量。

1.3 統計方法及數據分析

本文采用Excel 2007軟件計算數據，采用SPSS17.0軟件進行差異顯著性檢驗（LSD法）和相關性分析，采用Origin 2015作圖。

2 結果與分析

2.1 不同輪耕處理土壤容重變化

土壤容重是反映土壤結構、透氣性、透水性能以及保水能力的主要物理指標。在試驗初期，由于該地區長期實施翻耕，在20～40 cm形成犁底層，土壤容重較大（表4）。經過一個輪耕周期，耕作處理間0～60 cm土壤容重無顯著差異；隨著試驗時間的延長，耕作處理間的差異顯著。

經過5個輪耕周期后，各耕作處理表層（0～20 cm）土壤容重相較于試驗初期明顯下降；NS、SC、CN輪耕和CT處理表層容重分別較試驗前降低7.5%、6.7%、4.8%和5.2%，以NS輪耕處理表層容重最低，為1.24 g/cm3。而土壤深層容重（20～60 cm）則與表層土壤容重表現不同，其中CT處理20～60 cm土壤容重隨試驗時間的延長逐漸增大。在20～40 cm土層，長期翻耕形成犁底層，土壤容重較試驗前2007年升高3.7%，而NS、SC和CN輪耕較試驗前分別降低4.1%、2.7%和11%，以CN輪耕處理容重較低，為1.32 g/cm3；耕作處理間差異隨著試驗時間的延長逐漸增大（P<0.05），經過5個輪耕周期后，以CN輪耕較低，比CT處理容重低14.2%。在40～60 cm土層，各輪耕處理土壤容重均隨著試驗時間延長有所降低，NS、SC和CN輪耕分別較試驗前降低6.9%、2.8%和9.3%，而CT處理則較試驗前增加1.4%；耕作處理間差異隨試驗時間延長增大，經過5個輪耕周期，以CN輪耕處理容重最低為1.31 g/cm3，較CT處理低10.5%。

表4 2007－2016年小麥/玉米輪作田土壤容重變化Table 4 Soil bulk density in winter wheat-spring maize field during 2007－2016

2.2 不同輪耕處理休閑期農田土壤蓄水效應

2.2.1 土壤蓄水量

休閑期輪耕能有效提高農田土壤蓄水量（圖2a）。在2007－2017年試驗期間，共有5個休閑期。不同耕作處理休閑期0～2 m土層平均土壤蓄水量表現為CN(385.8 mm)>NS(380.9 mm)>SC(369.0 mm)>CT(360.7 mm)，輪耕處理土壤蓄水量均高于CT處理。在休閑期2008－2009年，NS與CN輪耕處理蓄水量顯著高于對照翻耕處理，分別提高了4.7%和7.7%，而SC輪耕處理含水量則較翻耕低4.5%。在2010－2011年，NS與CN輪耕處理蓄水量顯著高于對照翻耕處理，分別提高了7.4%和2.6%，而SC輪耕處理含水量則較CT低1.3%。而在2012－2013年度，休閑期降雨量較少，耕作處理間沒有顯著差異（P>0.05）。在2014－2015年度，NS、SC與CN輪耕處理土壤蓄水量分別較翻耕處理提高11.0%、10.9%和13.7%。在2016－2017年度，NS、SC與CN輪耕處理分別較翻耕處理提高2.7%、3.4%和8.0%。在不同休閑年度，以CN輪耕模式蓄水效果較好。

圖2 2007－2017年不同輪耕處理休閑年度和休閑時期土壤蓄水量變化Fig.2 Soil water storage in different fallow years and periods during 2007－2017 under different tillage rotations

冬小麥→春玉米一年一熟制輪作田整個休閑期從當年冬小麥收獲的6月中旬至下年春玉米播種的4月中下旬，長達10個月，2007－2017年試驗期間休閑期平均土壤蓄水量變化動態如圖2b所示。在整個休閑期各輪耕處理土壤蓄水量差異顯著（P<0.05）；在雨水充足的夏季（7、8、9月），土壤含水量持續上升；而在降雨較少的冬季及次年春季，土壤含水量則逐漸減少。在休閑初期（7月），NS（367.6 mm）輪耕模式蓄水效果較好，較CT（354.2 mm）高3.8%；到休閑中期（9月），各輪耕處理的蓄水量均高于連續翻耕處理，NS、SC和CN分別較CT蓄水量高32.2、20.1和24.0 mm；而在休閑中后期（11月），SC輪耕處理蓄水效果下降，NS和CN輪耕模式蓄水效果較好；到休閑末期，CN和NS輪耕處理的蓄水效果顯著高于SC和CT處理，CN輪耕較CT高17.7 mm。在整個休閑時期CN輪耕處理的蓄水效果較好。

2.2.2 土壤剖面含水量

圖3為休閑期不同輪耕處理土壤剖面含水量動態變化，休閑期土壤含水量受降水影響較大，不同年度差異較大，但均在40～60 cm土層土壤含水量一直保持較高水平。

圖3 不同輪耕處理休閑期土壤剖面含水量Fig.3 Soil water content in fallow period under different tillage rotations

在2008－2009年度，休閑期降雨相對較少，其土壤含水量相對較低，土壤含水量范圍為10.95%～16.03%；處理間土壤表層水分差異僅在20～40 cm處達到顯著差異（P<0.05），且以CT處理土壤含水量較高；而土壤深層，特別是120～200 cm，耕作處理間水分差異顯著，NS與CN處理土壤含水量顯著高于SC和CT。在2010－2011年度，土壤含水量范圍為11.73%～17.87%；處理間土壤表層水分差異僅在20～40 cm處達到顯著差異（P<0.05），且以NS處理土壤含水量較高；而土壤深層，特別是100～200 cm，耕作處理間土壤含水量差異顯著，輪耕處理高于連續翻耕處理。在2012－2013年度，土壤含水量波動范圍為11.15%～18.61%；各土層耕作處理間土壤含水量差異顯著，CN處理土壤含水量顯著高于CT。在2014－2015年度，休閑期降雨相對較多，其土壤含水量相對較高，土壤含水量波動范圍為16.13%～19.90%；耕作處理間土壤含水量的顯著差異僅出現在20～40 cm和120～140 cm土層。在2016－2017年，休閑期降雨相對較少，其土壤含水量相對較低，土壤含水量范圍為11.05%～18.55%；耕作處理間土壤含水量差異顯著，CN處理土壤含水量顯著高于其他耕作處理。在整個試驗進程中，CN處理蓄水效果和土壤含水量均高于其他耕作處理。

2.3 不同輪耕處理作物生育期土壤水分效應

2.3.1 作物生育期多年平均土壤蓄水量變化

作物生育期水分的動態變化顯著影響作物產量。在冬小麥生育期，0～200 cm土壤蓄水量呈顯著下降趨勢（圖4a）。在整個小麥生育期，均以NS和CN輪耕處理土壤蓄水量較高。在播種期、苗期、拔節期和抽穗期，不同輪耕處理間土壤蓄水量差異顯著（P<0.05）；但經過小麥抽穗期和灌漿期的急劇耗水，灌漿期和收獲期，輪耕處理間土壤蓄水量差異不顯著。在整個冬小麥生育期，NS、SC、CN和CT處理0～200 cm土壤蓄水量分別降低157.0、149.6、160.7和140.6 mm，以CN輪耕處理土壤水分消耗量較高。

圖4 不同輪耕處理冬小麥和春玉米生育期土壤蓄水量變化Fig.4 Soil water storage of winter wheat and spring maize under different tillage rotations

而在春玉米生育期，0～200 cm土壤蓄水量呈現先升高后急劇降低，到收獲期又急劇升高的趨勢（圖-4b）。從播種至拔節期，不同輪耕處理均以CN輪耕處理土壤蓄水量較高，且耕作處理間差異顯著（P<0.05）。抽雄和灌漿期，玉米生長速度較快，不同輪耕處理土壤蓄水量均顯著降低，其中以CN處理降幅較大；在灌漿期，輪耕處理間土壤蓄水量差異顯著（P<0.05），以CN輪耕較低，CT處理較高。在玉米收獲期，作物水分需求量較小且降雨較多，土壤水分得到恢復；輪耕處理間差異顯著（P<0.05），以NS輪耕處理土壤蓄水量較高。在整個春玉米生育期，NS、SC、CN和CT處理0～200 cm土壤蓄水量分別降低-16.4、3.3、10.6和 8.0 mm。

2.3.2 作物生育期多年土壤剖面平均含水量變化

在整個冬小麥生育期，各土層的土壤含水量隨著冬小麥的生長逐漸降低（圖5）。在冬小麥播種時期，土壤含水量較高，且在20～60 cm和100～200 cm土層耕作處理間差異顯著，其范圍為14.17%～18.31%。在苗期，土壤含水量為13.01%～18.06%；不同輪耕處理間在20～40和120～160 cm土層顯著差異。在拔節期，土壤含水量范圍為12.47%～17.00%；輪耕處理間在80～100和140～180 cm土層差異顯著。在抽穗期，土壤含水量范圍為10.87%～15.88%；在0～20、60～100和140～200 cm土層處理間差異顯著。在小麥灌漿期，作物生長耗水量較大，土壤含水量急劇下降，其范圍為9.27%～13.47%；耕作處理間顯著差異表現在20～40和160～200 cm土層。在收獲期，土壤含水量為8.32%～12.83%；土壤表層0～80 cm以CT處理土壤含水量較高，各輪耕處理土壤深層100～200 cm水分較高；耕作處理間顯著差異出現在0～60和140～160 cm土層。在冬小麥生育期，0～100 cm土層土壤水分受降雨影響較大，隨降雨量和作物生長而波動；而1～2 m土層土壤含水量變化較為穩定，隨著土層的加深，土壤含水量逐漸增加。在整個冬小麥生育期，NS和CN輪耕土壤深層水分（1～2 m）優于SC和CT處理。

圖5 不同輪耕處理冬小麥各生育期土壤剖面含水量Fig.5 Soil water content in winter wheat growth periods under different tillage rotation treatments

在整個春玉米生育期，各時期土壤含水量波動較小，僅在玉米灌漿期，土壤含水量顯著降低，其他時期土壤含水量均保持基本穩定（圖6）。在春玉米播種時期，土壤含水率波動范圍為13.16%～17.34%；耕作處理間存在顯著差異，主要表現在土壤深層120～200 cm；在20～40 cm和60～80 cm土層，耕作處理間也有顯著差異。在苗期，土壤含水量相對于播種時期有一定的提高，其波動范圍為14.57%～18.33%；耕作處理間的顯著差異主要表現在表層0～40 cm和深層100～200 cm土層，且土壤深層耕作處理間差異較大。在拔節期，土壤含水量波動范圍為13.16%～17.41%，耕作處理間的顯著差異僅表現在土壤深層140～180 cm。到抽雄期，玉米生長較快，耕作處理間深層160～200 cm土層水分差異顯著，土壤含水量波動范圍為11.7%～16.10%。灌漿時期是玉米生長的關鍵時期，土壤水分消耗量大，各土層土壤含水量均急劇下降，以表層土壤水分消耗量較大，隨土層加深而逐漸減少；其土壤含水率波動范圍為9.64%～15.32%；耕作處理間40～120 cm土層土壤含水量差異顯著，土壤深層水分差異不顯著。在春玉米收獲期，作物生長基本停滯，且降雨較多，土壤水分得到一定的補充和恢復；土壤含水率相較于灌漿期顯著增加，其波動范圍為12.27%～18.11%；耕作處理間土壤含水量差異顯著，主要表現在土壤深層100～200 cm，土壤表層40～60 cm土層也存在顯著差異。在整個春玉米生育期，除玉米灌漿期，NS和CN輪耕處理土壤水分均優于SC和CT處理，以CN輪耕土壤含水量最高。

2.4 不同輪耕處理作物生育期耗水量

作物生育期耗水為作物生長提供充足的水分，保證作物生長。作物生育期耗水量與作物生長季土壤蓄水量、土壤作物生育期多年降雨量多少及分布顯著相關。各處理冬小麥生育期平均耗水量無顯著差異（P>0.05），表現為CT（380.7 mm）>NS（368.3 mm）>CN（364.3 mm）>SC（364.2 mm）；在試驗初期，CN輪耕處理耗水量顯著低于其他耕作處理（圖7a）；而在2010年小麥生產季，CT處理耗水量顯著高于輪耕處理（NS、SC和CN）；在2012和2014年小麥生產季，耕作處理間耗水量無顯著差異；而在2016年小麥生產季，NS和CN輪耕處理耗水量顯著高于SC和CT處理。而2007－2017年春玉米生育期平均耗水量表現為SC（371.6 mm）>CT（368.5 mm）>CN（368.2 mm）>NS（358.1 mm），各輪耕處理間亦無顯著差異（圖7b）。在2009年玉米生產年度，CN輪耕處理耗水量顯著低于其他耕作處理；在2011玉米生產年度，各處理生育期耗水量無顯著差異；在2013年，SC和CN輪耕處理耗水量顯著高于NS和CT處理；而在2015年，耕作處理間差異顯著，SC輪耕和CT處理玉米生育期耗水量顯著高于CN和NS輪耕處理；在2017年，CN輪耕處理耗水量顯著高于其他處理。

圖6 不同輪耕處理春玉米各生育期土壤剖面含水量Fig.6 Soil water content in spring maize growth periods under different tillage rotation treatments

2.5 不同輪耕處理產量和水分利用效率的變化

在輪耕第一周期（2008和2009年），各耕作處理間產量沒有顯著差異（表5）；隨著試驗時間的延長，輪耕第二周期，耕作處理間產量出現顯著差異（P<0.05）。在2010、2014和2016年冬小麥生產年度，各輪耕處理的產量均顯著高于對照連續翻耕處理，其中以CN輪耕處理增產效應較好，分別較CT增產14.1%、8.8%和13.2%；而在2012年冬小麥生產季，則以SC輪耕處理產量較高，比CT高13.1%。在冬小麥生產季，不同輪耕處理冬小麥平均產量表現為SC、CN和NS處理間無顯著差異，但均顯著大于CT，較CT分別高7.4%、7.2%和5.4%。在2011年春玉米生產年度，SC輪耕處理增產效果顯著，比CT增產19%；而在2013和2015年，耕作處理間產量無顯著差異；在2017年，玉米生育關鍵時期遭遇嚴重干旱，產量較低，CN輪耕處理產量顯著高于其他耕作處理，分別比NS、SC輪耕和CT處理高196%、267%和98.8%。2007－2017年春玉米生產季，平均產量表現為CN>NS>>SC；其中以CN輪耕處理產量較高，較CT高6.7%。在10 a的輪作試驗中，CN輪耕處理均表現出較好的小麥和玉米增產效應。

圖7 不同輪耕處理冬小麥和春玉米生育期耗水量Fig.7 Water consumption during winter wheat and spring maize growth season under different tillage rotations

在冬小麥生產季，冬小麥平均WUE表現為CN>SC>NS>CT；輪耕處理WUE均顯著高于CT處理（P<0.05），SC、CN和NS輪耕分別較CT高13.1%、12.4%和10.4%，其中CN處理平均WUE為15.5kg/(hm2·mm)（表5）。在2008年冬小麥生產年度，CN輪耕處理WUE顯著高于其他耕作處理，比CT高17.5%；在2010年，NS輪耕處理WUE顯著高于CT處理，較CT高31.3%；在2012和2014年，耕作處理間WUE無顯著差異；在2016年，SC輪耕處理WUE顯著高于其他耕作處理，比CT高11.2%。而春玉米生產季，春玉米平均WUE表現為CN>NS>CT>SC；CN和NS輪耕處理WUE顯著高于CT（P<0.05），以CN輪耕WUE較高，較CT高7.8%。在2009和2017年春玉米生產年度，CN輪耕處理WUE顯著高于其他耕作處理，分別比CT高13.9%和81%；而在2011年春玉米生產年度，則以SC輪耕處理WUE較高，比CT處理高18.2%；在2013和2015年春玉米生產年度，以NS輪耕處理WUE較高，分別較CT處理高36.1%和8.9%。10年試驗中，CN輪耕處理冬小麥和春玉米WUE均高于其他耕作處理。

表5 不同輪耕模式作物產量與水分利用效率Table 5 Grain yield and water use efficiency under different tillage rotation treatments

2.6 不同輪耕處理經濟效益變化

在2007－2017年試驗期間，小麥/玉米輪作田投入、收益及經濟收益如表6所示。由于玉米產量較高，其經濟效益也較高。在四種耕作方式中，SC輪耕模式投入較大，CT次之，NS和CN輪耕投入較低。在試驗2017年，由于春玉米生長關鍵時期遭遇嚴重干旱，產量較低，NS、SC輪耕和CT處理經濟收益為負收入，但CN輪耕處理經濟收益為正收益，為1554元/hm2，且顯著高于其他耕作處理（P<0.05）；SC和NS無顯著差異。長期試驗結果表明，CN輪耕處理平均收益較高，為12561元/hm2，其經濟投入也較低，經濟效益優于其他耕作處理；CT處理收益最低，為11 789元/hm2。長期試驗結果顯示，CN輪耕平均經濟效益較高為6254元/hm2，比傳統CT處理高21.6%。

表6 不同輪耕處理的經濟效益Table 6 Economic profits under different tillage rotations

3 討論

土壤容重隨著土層加深而逐漸增大[16]，但在本研究中，試驗前長期翻耕形成深厚的犁底層，導致20～40 cm土層土壤容重大于40～60 cm，這與前人結論不同。不同耕作措施均能通過機械對土壤土壤物理性狀產生直接作用[17]，合理的耕作措施對農田土壤結構的改善起到促進作用，有效減少農田風蝕水蝕；而不合理的耕作措施則引起土壤地力衰退，導致土壤肥力衰竭，甚至會造成嚴重的水土流失[18-20]。本研究長期輪耕定位試驗結果表明，相較于CT處理，不同輪耕處理（NS、SC和CN）均能夠有效改善土壤結構，降低土壤容重。深松能疏松土壤，緩解連續免耕造成的土壤緊實，打破連續翻耕形成的犁底層[16]，免耕對土壤的擾動量較小，能促進土壤中大團聚體的形成，提高團聚體穩定性，顯著改善耕層土壤結構[12-13]，有利于土壤蓄水保墑，而翻耕和深松均能緩解長期免耕帶來的土壤緊實問題。在輪耕初期，不同耕作處理土壤容重無顯著差異，而隨著試驗時間延長差異顯著，這說明輪耕效應是一個長期過程，其對土壤結構的改良效應具有一定的滯后性。長期CN和NS輪耕充分發揮單一免耕、深松和翻耕的優點，有效改善耕層土壤結構，土壤容重顯著降低。

輪耕技術在降低土壤容重的同時，促進不同土層土壤孔隙空間再分配，形成較好的土壤結構，進而改善土壤物理性質和土壤通氣狀況[16]，提高降雨入滲和土壤蓄水能力，促進農田土壤蓄水保墑[17-18]。本研究結果表明，相對于CT處理，NS和CN輪耕能有效提高休閑期農田土壤蓄水量。從休閑初期至休閑末期，NS和CN輪耕均表現出較好的蓄水效果，但SC輪耕的蓄水效果較差。這是免耕及其地表秸稈覆蓋發揮作用的結果。休閑期的秸稈覆蓋，秸稈覆蓋減少了地表蒸發，能更好地蓄納休閑期雨水，有效保蓄土壤水分，改良了土壤結構，協調作物生長用水、需水矛盾，并且可促進深層水分的利用[19]。免耕配合深松或翻耕輪耕在疏松土壤的同時，改善了土壤的物理結構，增強土壤的蓄水能力，同時，在休閑期免耕或深松配合秸稈覆蓋也有效的減少了土壤蒸發，起到蓄水保墑的效果。這與前人的研究結論相同[20]。而傳統的翻耕地表裸露，蒸發量較大，蓄水效果較差[21-22]。深松與翻耕輪耕處理，在前一年的深松之后，土壤結構疏松，增大土壤孔隙度，而之后的翻耕和疏松的土壤結構加劇了休閑期的土壤水分蒸發，導致休閑期土壤蓄水效果較差。這與李娟等[14]在旱地玉米田的研究結論不同，這可能是不同輪作系統和休閑時期共同作用的結果。不同輪作系統對土壤水分及作物的影響不盡相同。在前兩個輪耕周期（2008－2009年和2010－2011年）內，SC輪耕休閑期的蓄水效果低于CT處理，這可能是在輪耕初期，深松和翻耕輪換疏松土壤，且休閑期地表裸露，蒸發量顯著高于連續翻耕處理，因此蓄水效果較差。而隨著試驗時間的延長，在第四及五輪耕周期內（2014－2015年和2016-2017年），SC輪耕休閑期的蓄水效果優于CT處理，主要是由于輪耕處理較優的土壤結構促進土壤水分下滲，土壤深層水分增加，而長期傳統翻耕造成土壤形成深厚的犁底層，不利于土壤水分下滲，土壤蓄水效果低于輪耕模式。

播前良好的土壤水分條件是保證作物全苗、壯苗，獲得高產的前提條件[23]。本研究中，在春玉米播種前，NS和CN輪耕在休閑期的良好蓄水能力為春玉米的播種和生產提供了較好的土壤水分條件。在接下來的春玉米生長季，降雨較多，作物對土壤水分的利用相對較少，僅在玉米生長關鍵時期的灌漿期對土壤消耗較大。然而，這種消耗在接下來多雨收獲期又得以補充。這為下一季冬小麥的播種和生產提供了良好的土壤水分條件。而在冬小麥生產季，旱地麥田播前土壤有效水的多少直接影響小麥的出苗與生長狀況，并決定小麥產量的高低[24]。在雨養旱區，小麥生長季作物耗水量的60%～70%源于土壤貯水量，這說明土壤貯水量在小麥生產中發揮著至關重要的作用[25]。在本研究中，NS和CN輪耕處理的冬小麥播前土壤水分均優于CT處理，為冬小麥高產提供了前提條件。而黃土高原半干旱地區降水多集中在夏季,小麥生育期內水分的來源在很大程度上取決于其對土壤深層水分利用的可能性[26]。在小麥整個生育期，NS和CN輪耕在0～2 m土層均表現出較好的水分效應，而CT的水分效應相對較差，這也是NS和CN輪耕增產的主要原因之一。保護性耕作的蓄水保水效應主要歸功于秸稈覆蓋，秸稈覆蓋可以有效減少作物棵間土壤水分蒸發，增加貯水量，降低水分虧缺程度[27-28]。在冬小麥生育期內，小麥生長前期，CT處理地表裸露，土壤水分無效蒸發量相對較大，導致CT處理在冬小麥生育期內耗水量較高，其水分利用效率也較低。而在春玉米生產季，恰逢夏季，土壤蒸發量較大，CT處理無秸稈覆蓋，而SC輪耕疏松表層土壤，加劇了土壤蒸發量，造成SC輪耕和CT處理玉米生育期耗水量高于NS和CN輪耕處理，其水分利用效率也較低。

旱地土壤耕作的目的是建立適宜作物生長的土壤環境條件，增強蓄水保墑能力，促進作物增產[29]。本研究中，CN輪耕處理疏松的土壤結構以及在休閑期和作物生育時期內均表現出較好的土壤水分狀況，為作物高產打下基礎。然而，SC輪耕處理土壤水分條件較差，但其小麥水分利用效率及產量與NS和CN處理無顯著差異。這可能是由于輪耕所提供的良好的土壤物理結構及作物根系分布有關。王永華等[30]研究表明，耕作能改善土壤結構，提高作物根系對土壤養分和深層土壤水分的吸收。深松能打破犁底層，促進降雨入滲土壤和貯蓄，并有利于作物根系伸長，更加有效地提高了作物的產量和水分利用效率[31]。SC輪耕能有效地培肥土壤，改良土壤物理結構，這促使作物根系下扎，充分利用土壤深層水分，達到高產[13]。而但長期SC輪耕不利于土壤水分蓄存，CN輪耕無論是在休閑期和作物生育期均表現出較好的蓄水效應，并在長期試驗中表現出較好的增產增收效應。在特別干旱的2017年，CN輪耕處理表現出較好的增產效應，而其他耕作處理作物產量效應較差，這說明在特別干旱年份，CN輪耕更有利于作物生產。從長期水分保持可持續發展的角度，CN輪耕更有利于作物增產和土壤蓄水保墑，更適宜于雨養旱區農業可持續發展。

4 結論

有效地蓄存更多土壤水分是雨養旱區作物高產和可持續發展的關鍵，傳統單一的土壤耕作方式不利于農田土壤蓄水和作物增產，土壤輪耕能有效改善土壤結構，蓄存土壤水分，促進作物增產增收。

1）翻耕/免耕輪輪耕能有效降低土壤容重，特別是土壤深層容重，經過長期輪耕試驗，翻耕/免耕輪耕處理0～60 cm土層土壤容重顯著降低，較試驗前降低8.5%。

2）輪耕能改善土壤結構，在休閑期蓄存更多土壤水分，以翻耕/免耕輪耕蓄水效果最優，10a平均值為385.8mm。在冬小麥和春玉米生育期，翻耕/免耕輪耕處理能為作物生長提高更好的土壤水分條件。

3）輪耕能顯著提高作物產量和水分利用效率，其中以翻耕/免耕輪耕處理增產增收效應較好。2007-2017年試驗期間，冬小麥和春玉米平均產量分別為5221和7433 kg/hm2，水分利用效率分別為15.5和20.7 kg/hm2·mm。其經濟效益也較高，平均值為6254元/hm2。

綜上所述，在黃土旱塬小麥/玉米輪作田，以翻耕/免耕輪耕的土壤蓄水保墑效果和增產增收效應較好，是適宜于該地區旱作農田長期可持續發展的土壤輪耕模式。

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