干旱內陸灌區不同秸稈還田方式下春小麥田土壤水分利用特征

殷文，柴強，胡發龍，樊志龍，范虹，于愛忠，趙財

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干旱內陸灌區不同秸稈還田方式下春小麥田土壤水分利用特征

殷文，柴強，胡發龍，樊志龍，范虹，于愛忠，趙財

（甘肅農業大學農學院/甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，蘭州 730070）

【目的】針對水資源短缺嚴重制約干旱綠洲灌區作物生產，傳統翻耕產量不穩定及水分利用效率低下等問題，研究不同秸稈還田方式下春小麥農田土壤水分利用特征，旨在優化耕作措施，提高干旱內陸灌區農田的水分利用率?！痉椒ā?014—2016年，在河西綠洲灌區，通過田間定位試驗，研究不同秸稈還田方式（少耕，25—30 cm秸稈高留茬立茬還田（NTSS）；少耕，25—30 cm秸稈高留茬覆蓋還田（NTS）；翻耕，25—30 cm秸稈高留茬還田（TS）；傳統翻耕，無秸稈還田（CT））對春小麥田水分利用的時間動態、耗水結構以及利用效率的影響，以期為優化試區春小麥高產高效栽培管理技術提供理論依據?！窘Y果】少耕秸稈還田可降低春小麥田耗水量，與CT相比，NTSS、NTS分別降低3.1%—7.8%與3.7%—7.7%；NTSS、NTS通過減少春小麥生育前期（灌漿期之前）的耗水，增大生育后期（灌漿初期至成熟期）的耗水量，有效協調春小麥前后生育時期需水矛盾，相比NTSS，NTS處理的調控效應更突出。少耕秸稈還田具有抑制土壤蒸發，減小棵間蒸發占總耗水量（E/ET）的比重，提高水分利用有效性的作用，NTSS、NTS較CT棵間蒸發量分別降低9.3%—17.4%、10.8%—23.3%，較TS分別降低4.0%—5.8%與5.6%—11.4%，以NTS降低棵間蒸發量幅度較大，因而NTS較CT處理E/ET降低6.9%—21.3%。秸稈還田具有增產優勢，與CT相比，NTSS、NTS、TS分別增產16.6%—24.9%、18.6%—27.3%、10.2%—18.7%，3個秸稈還田處理中，NTSS、NTS較TS分別增產5.2%—5.9%、7.2%—9.5%。因而，秸稈還田處理具體較高的水分利用效率，NTSS、NTS、TS較CT處理水分利用效率分別提高21.1%—28.3%、26.6%—30.6%、13.1%—20.3%，以NTSS、NTS提高比較大，比TS分別提高6.7%—11.9%、8.6%—13.7%?！窘Y論】在水資源短缺的河西綠洲灌區，集成應用少耕與25—30 cm秸稈立茬及覆蓋還田技術是實現春小麥高產、穩產、灌溉水高效利用的理想耕作措施。

秸稈還田；耕作措施；耗水特性；產量；水分利用效率；春小麥

0 引言

【研究意義】土壤水分是作物生長發育及產量形成的關鍵限制因子，受土壤耕作方式[1]、覆蓋措施[2]及種植方式[3]等因素影響，作物群體水分利用狀況與其光合同化物累積、分配、產量形成密切相關[4]。而栽培措施是調控作物群體生長發育的重要途徑[2]，優化栽培措施，改善作物耗水特性，是提高水分利用效率的主要途徑。研究特定栽培措施對土壤水分利用特性的影響，不僅是提高自然資源利用效率的重大需求，同時可為優化作物綜合生產技術體系提供重要依據。因此，在資源性缺水地區，研發作物高產高效栽培技術具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】耕作措施、地表覆蓋作為調控農田土壤水分環境的主要措施，可通過改善土壤蓄水供肥能力、增加土壤滲透性，實現土壤擴蓄增容[5-6]，具有可操作性強、簡捷等優點[7]。其中，秸稈還田具有抑制土壤蒸發、保墑蓄水、調節地溫、提高肥力等多種優點[7-8]，但也存在降低作物生長前期表層土壤溫度，延緩出苗等缺點[9]。前人研究表明，長期單一免耕土壤壓實程度加重，干土體積質量增加，土壤水分無效蒸發嚴重，不利于作物根系發育，顯著降低產量[10-11]。旱作條件下，免耕結合秸稈覆蓋可為作物生長創造良好的土壤結構條件，促進作物根系發育和土壤微生物活性，抑制土壤蒸發加強作物有效蒸騰耗水而提高作物產量和水分利用效率[12-13]?！颈狙芯壳腥朦c】在灌溉農業區，集成少免耕、秸稈還田技術，能否通過秸稈還田的低溫保墑效應，降低作物生育前期土壤水分無效蒸發，增加生育后期作物的有效蒸騰，使無效耗水轉化為有效耗水，通過優化作物耗水特性而提高作物產量與水分利用效率的潛力尚未被挖掘。【擬解決的關鍵問題】本研究在干旱綠洲灌區，將少耕與秸稈還田技術同步集成在春小麥栽培模式中，有望通過優化耗水特性，提高春小麥生育期水分需求與農藝調控效應間的吻合度。闡明不同秸稈還田方式對土壤水分利用的調控機理，建立適用于綠洲灌區春小麥高效生產的秸稈還田技術，從而為試區土壤耕作技術的改進和作物高產、高效栽培提供科學依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本研究于2014—2016年度在甘肅農業大學綠洲農業綜合試驗站（37°30′ N, 103°5′ E）實施。試驗站位于甘肅河西走廊東端，屬寒溫帶干旱氣候區，多年平均降水低于200 mm、年蒸發量大于2 000 mm，灌溉水資源有限，作物種植須采用地膜覆蓋、秸稈還田等高效簡易節水措施。試驗地土壤為砂壤土，0—30 cm 耕層土壤容重 1.53 g·cm-3，含有機質 14.30 g·kg-1、全氮0.67 g·kg-1、全磷 1.42 g·kg-1、銨態氮 1.87 mg·kg-1、硝態氮 12.51 mg·kg-1。3個試驗年份，春小麥生育期內降雨量如表1。

表1 不同年份春小麥生育期內不同月份降雨量

1.2 試驗設計

2013年布設預備試驗，在當季春小麥收獲時為翌年試驗所需建立4種秸稈還田方式，即春小麥25—30 cm秸稈高留茬立茬免耕；25—30 cm秸稈高留茬覆蓋免耕；25—30 cm秸稈高留茬翻耕；傳統低茬收割翻耕，次年施基肥、旋耕（少耕）、耙耱后播種春小麥。形成4個處理，分別是少耕、25—30 cm秸稈高留茬立茬還田（NTSS）；少耕、25—30 cm秸稈高留茬覆蓋還田（NTS）；翻耕、25—30 cm秸稈高留茬還田（TS）；傳統低茬收割翻耕（CT）。秸稈還田處理全年實施且還田量約為4 200 kg·hm-2。各處理 3 次重復，共12個小區，小區面積 48 m2，田間隨機區組排列。

3個試驗年度（2014—2016年），春小麥播種日期分別為3月21日、3月29日、3月30 日，收獲日期分別為7月24日、7月28日、7月21日。供試春小麥（L.）品種為寧春2號。播種密度為675萬粒/ hm2。

灌溉及施肥制度同當地高產田，即灌溉制度為冬灌水120 mm，春小麥生育期內，按苗期、孕穗期、灌漿期分別補灌75、90、75 mm。所有處理施肥量一致，氮肥為尿素，磷肥為磷酸二銨，施225 kgN·hm-2， 150 kg P2O5·hm-2，全作基肥。

1.3 測定指標和計算方法

土壤含水量：0—30 cm土層每10 cm為一層，采用烘干法測定；30—120 cm土層采用水分中子儀（NMM503DR，CA，USA）測定，按30 cm為一層。春小麥播種前和收獲后各測定一次，生育期內每約15 d測定一次，灌水前后分別加測一次。中子水分儀測定值與土壤含水量的擬合曲線如下：

式中，為土壤質量含水量，為中子水分儀的實際測定值，0為中子水分儀基礎數值。

式中，為土壤貯水量（mm）；為土層厚度（cm）；為土壤容重（g·cm-3），為土壤質量含水量，10為單位換算系數。

作物耗水量（ET）及耗水模系數（CP）：采用農田水分平衡法計算[14]。由于試區水資源短缺，節水灌溉灌水量相對較小，土層深度為1.2 m，試驗小區平整且試區地下水埋深在30 m以下，故忽略了滲漏量和地下上升水的影響。因此，作物耗水量、階段耗水量的計算方程為：ET=P+I - ?S。式中，ET為時段作物耗水量；P為階段的降水量；I為階段灌水量；?S為時段末與時段初的土壤貯水量之差，單位為mm。

耗水模系數（）＝各生育階段耗水量/作物全生育期耗水量。

棵間蒸發量：采用微型蒸滲儀（Micro-lysimeter，ML，高 15 cm，直徑 11 cm）自小麥出苗后至收獲前每隔3—5 d測定，每小區安裝1個微型蒸滲儀，土壤蒸發量為兩次測量值間的差值，微型蒸發器中土樣每降低1 g相當于蒸發水分0.1051 mm。為保證 ML 內土體水分含量和結構與大田相似，每隔 3—5 d 更換器內的原狀土體，并且在下雨或灌水后加測。

蒸散比（/）：全生育期蒸散比為全生育期棵間蒸發量（）與總耗水量（）之比；各生育階段蒸散比為某生育階段棵間蒸發量（）與該生育階段耗水量（）之比。

水分利用效率（）：=/

式中，為春小麥籽粒產量（kg·hm-2）；為春小麥全生育期耗水量（mm）。

1.4 數據統計

數據采用Microsoft Excel 2016整理、匯總及圖表繪制，利用SPSS 17.0軟件進行方差分析。因為本研究屬于田間定位試驗，年份（時間）會對試驗結果產生重大影響，即不同秸稈還田方式與年份之間會有交互效應，因此，本研究以年份（時間）作為一個因子，把文中測定數據進行重復測量方差分析，即采用two-way repeated measures ANOVA（二因子重復測量方差分析）進行顯著性檢驗（＜0.05）。

2 結果

2.1 不同秸稈還田方式下春小麥農田土壤含水量差異

2.1.1 全生育期土壤含水量動態 不同秸稈還田方式下春小麥農田0—120 cm土層土壤含水量在3個試驗年度處理間差異均顯著，且土壤含水量隨灌溉及作物生育進程而有差異（圖1）。秸稈還田具有提高春小麥播種時土壤含水量的優勢，少耕秸稈還田處理（NTSS、NTS）較傳統耕作無秸稈還田（CT）土壤含水量分別提高5.4%—6.9%、8.2%—9.0%，翻耕秸稈還田（TS）比CT提高3.4%—4.0%。播種至拔節期，隨著時間的推進，土壤含水量依次降低，3個試驗年度NTS較CT提高土壤含水量為5.8%—8.0%。春小麥拔節期之后灌水使得土壤含水量急劇增大，至春小麥孕穗期出現低谷，這一生育時期，NTSS、NTS、TS較CT土壤含水量分別提高7.9%—15.0%、12.3%—19.0%、4.7%—8.3%，3個秸稈還田處理以NTS提高比例較大，比TS高6.7%—9.9%。孕穗期補灌各處理獲得較高的土壤含水量使得差異不顯著，至開花期各處理土壤含水量均較低，此時NTSS、NTS、TS較CT處理土壤含水量分別提高8.4%—28.1%、15.4%—30.6%、4.6%—11.2%，NTSS、NTS較CT提高比例分別為4.6%—15.2%、10.1%—17.4%。春小麥灌漿初期補灌提高各處理土壤水分含量至收獲期而降低，此時NTSS、NTS、TS較CT土壤含水量分別提高11.1%—21.1%、16.2%—29.0%、7.4%—11.1%，NTSS、NTS較CT分別提高4.8%—11.7%、8.2%—16.1%。

圖上方的誤差線表示LSD 值。下同Error bars above the curves indicate the value of LSD in the figure. The same as below

縱觀全生育期內0—120 cm土層平均土壤含水量而言，NTSS、NTS較對照CT土壤含水量分別提高5.1%—8.8%、 8.1%—12.2%，以NTS提高土壤水分含量幅度較大，比TS高4.8%—7.0%。說明少耕、25—30 cm秸稈高留茬覆蓋還田具有較好的保水效應，是試區春小麥栽培較好的秸稈還田方式。

2.1.2 不同生育階段平均土壤含水量垂直變化 不同秸稈還田方式下春小麥播種、營養生長期、生殖生長期、收獲時0—120 cm土層土壤含水量在3個試驗年度差異均顯著，且有少耕秸稈還田在各土層保持較高的土壤含水量，提高幅度隨土層加深而降低（圖2）。

2014年，小麥播種期、營養生長期、生殖生長期、收獲期對應的日期為3月18日、4月22日至6月7日，6月19至7月14日、7月23日；2015年各生育時期對應的日期為3月28日、4月23日至6月5日、6月21日至7月15日、7月27日；2016年各測定時期對應的日期為3月29日、4月19日至6月5日、6月26日至7月12日、7月20日

春小麥播種時，耕層0—30 cm，NTSS、NTS較CT提高土壤含水量分別為6.5%—9.1%、9.3%—12.9%，NTS較TS提高5.2%—10.0%。30—90 cm土層，NTSS、NTS較CT土壤含水量分別提高4.1%—7.7%、7.2%—9.5%。深層90—120 cm土層年際間有差異，2016年春小麥播前土壤含水量明顯高于2014與2015年，弱化了免耕還田的保水效應，2014與2015年，NTSS、NTS較CT土壤含水量分別提高4.4%—6.3%、4.0%—6.9%。

春小麥營養生長期，耕層0—30 cm，NTSS、NTS較CT提高土壤含水量分別為3.2%—6.6%、5.9%—9.5%。30—90 cm土層，NTSS、NTS較CT分別提高4.0%—6.2%、5.9%—8.8%。深層90—120 cm土層年際間有差異，2014與2015年，NTSS較CT分別提高5.3%、5.7%，3個試驗年度，NTS較CT分別提高5.2%—8.0%。

春小麥生殖生長期，耕層0—30 cm，NTSS、NTS較CT提高土壤含水量分別為4.1%—7.2%、6.4%—8.4%，NTS較TS提高4.2%—5.2%。30—90 cm土層，NTS較TS、CT提高土壤含水量分別為4.1%—5.0%、5.4%—8.6%。深層90—120 cm，3個試驗年度，僅有NTS較CT分別提高4.7%、6.2%與5.8%。

春小麥收獲時，耕層0—30 cm，NTSS、NTS較CT提高土壤含水量分別為16.4%—23.4%、24.4%—35.3%，較TS分別提高6.3%—9.7%、11.7%—20.3%。30—90 cm土層，NTSS、NTS、TS較CT提高土壤含水量分別為9.4%—27.4%、13.9%—27.8%、7.2%—11.5%，NTS較TS分別提高6.3%—14.6%。深層90—120 cm，2014與2015年，與CT相比，NTSS提高土壤含水量分別為8.7%、19.7%，NTS分別提高9.1%、17.1%，TS分別提高6.4%、7.2%。

不同秸稈還田處理中，春小麥播種期、營養生長期、生殖生長期、收獲期0—120 cm土層土壤水分含量隨土層加深其變化減弱，但各土層均有少耕秸稈覆蓋還田保持較高的土壤含水量，為小麥生長創造適宜的土壤水分環境。春小麥生育期內，營養生長期與生殖生長期，補灌弱化了同一秸稈還田方式下不同深度間土壤含水量差異，且與播種前相比，各處理各土層土壤含水量明顯降低，尤其是春小麥旺盛生殖生長期降低幅度更大，以NTS處理縮小土壤水分降低比例。

2.2 不同小麥秸稈還田方式對春小麥各生育階段耗水量、耗水模系數的影響

2016年，秸稈還田方式對春小麥全生育期耗水量無顯著影響，而 2014與2015 年，NTSS耗水量較CT處理分別降低3.1%、7.8%，NTS 較CT分別降低4.1%、7.7%（表2）。

春小麥不同生育階段耗水量及耗水模系數在3個試驗年度差異顯著。春小麥播種至拔節期耗水量較大，占總耗水量22.6%—29.1%，不同處理年際間有差異，2014與2015年，NTSS較CT耗水量分別提高15.1%、5.0%，耗水模系數分別提高18.7%、14.0%；2014與2016年，NTS較CT耗水量分別增大12.0%、5.6%，3個試驗年份NTS較CT耗水模系數分別提高8.4%—16.8%。隨著生育期的推進，在春小麥拔節至孕穗期，NTSS、NTS處理耗水量及耗水模系數均小于 CT，耗水量分別降低5.6%—13.4%、11.3%—16.7%，耗水模系數分別減小3.1%—10.1%、7.5%—13.1%，以NTS降低耗水量及耗水模系數幅度較大，比TS分別低8.2%—14.2%、5.1%—12.4%。與前一生育階段相似，春小麥孕穗至灌漿初期，3個試驗年度，少耕秸稈還田均具有降低耗水量及耗水模系數的作用，以NTS降低作用較大。相反，灌漿期，春小麥處于旺盛生殖生長期，耗水量總體增大，致使灌漿初期至收獲期，NTSS、NTS 處理耗水量及耗水模系數均高于 TS 和 CT，NTSS、NTS 較TS處理耗水量分別增大5.9%—11.3%、6.6%—14.8%，耗水模系數分別提高7.9%—12.3%、10.3%—16.2%，NTSS、NTS較CT增大耗水量分別為7.4%—8.3%、5.1%—8.1%，耗水模系數分別提高11.7%—16.5%、9.1%—17.1%。

總體來說，少耕、25—30 cm秸稈覆蓋還田減小了春小麥生育前期（灌漿期之前）的耗水，增大了生育后期（灌漿期）的耗水量，有效協調春小麥前后生育時期耗水互補、競爭關系。

2.3 不同秸稈還田方式下春小麥全生育期棵間蒸發量動態差異

不同秸稈還田方式下春小麥全生育期棵間蒸發量在3個試驗年度差異不顯著，但均表現為秸稈還田（NTSS、NTS、TS）具有抑制春小麥全生育期內土壤蒸發的效應，較傳統無秸稈還田翻耕對照處理（CT）相比，全生育期棵間蒸發量分別降低9.3%—17.4%、10.8%—23.3%與 4.3%—13.4% （圖3），3個秸稈還田處理中，秸稈覆蓋還田配合少耕（NTS）降低土壤蒸發效應更好，比TS降低5.6%—11.4%。

不同秸稈還田方式下春小麥各生育階段農田棵間蒸發量在3個試驗年度差異顯著，主要由不同年份不同生育階段降雨量差異所致。春小麥苗期至拔節期，NTSS、NTS、TS較CT處理土壤蒸發分別降低9.9%—36.9%、7.8%—40.5%、5.0%—26.2%，NTSS、NTS較TS分別降低4.6%—14.5%、4.1%—19.4%（圖3）。相反，春小麥拔節至孕穗期，2015與2016年度，NTSS、NTS較CT土壤蒸發分別提高8.4%—10.2%、10.1%—10.9%，NTSS、NTS較TS土壤蒸發分別提高5.8%—6.3%、6.4%—8.0%，2017年，NTS、TS較CT 分別降低5.9%、4.7%。春小麥生殖生長期（開花期至收獲期），均為秸稈還田降低棵間蒸發量，NTSS、NTS、TS較CT土壤蒸發分別降低18.4%—25.7%、21.4%—34.7%、5.6%—17.1%，秸稈還田處理中，NTSS、NTS較TS降低土壤蒸發分別達到6.6%—17.5%、12.0%—27.5%。

表2 不同秸稈還田方式下春小麥各生育階段的耗水量及耗水模系數

數據后不同字母表示同一年度中所有處理在0.05概率水平下差異顯著。2014年，小麥播種期、拔節期、孕穗期、灌漿初期、收獲期對應土壤水分測定日期為3月18日、4月22日、5月27日、6月19日、7月23日；2015年各測定時期對應日期為3月28日、4月23日、5月30日、6月21日、7月27日；2016年對應日期為3月29日、4月19日、5月28日、6月26日、7月20日。下同

Different letters afterwards indicate significant difference within the same year among the treatments at 0.05 probability level. The measuring dates were 18 March, 22 April, 27 May, 19 June, and 23 July in 2014, 28 March, 23 April, 30 May, 21 June, and 27 July in 2015, and 29 March, 19 April, 28 May, 26 June, and 20 July in 2016. The corresponding growing periods of wheat were sowing, jointing, booting, early-filling, harvesting stage, respectively. The same as below

縱觀春小麥全生育期棵間蒸發量動態發現，春小麥開花至成熟期，少耕秸稈還田降低土壤蒸發效應較好，說明少耕秸稈還田對土壤無效蒸發耗水的抑制作用主要體現在開花至成熟期，以25—30 cm秸稈高茬覆蓋還田結合少耕措施抑制土壤蒸發相對較好。

2.4 不同秸稈還田方式對春小麥全生育期蒸散比（E/ET）的動態影響

不同秸稈還田方式下春小麥全生育期E/ET在3個試驗年度差異不顯著，但均表現為少耕秸稈還田降低了春小麥全生育期E/ET（圖4）。3個年度，NTSS與NTS較CT處理E/ET降低分別為6.4%—15.2%、6.9%—21.3%。

不同秸稈還田方式下春小麥各生育階段E/ET在3個試驗年度差異顯著，均有少耕秸稈還田降低了春小麥各生育階段E/ET （圖4）。春小麥播種后至拔節期，3個試驗年份，NTSS、NTS較TS分別降低6.8%—8.5%、5.3%—16.0%，較CT降低E/ET分別達到10.5%—30.7%、5.8%—36.4%。拔節至孕穗期，年際間有差異，2014年，少耕秸稈還田與傳統翻耕無秸稈還田處理E/ET差異不顯著，TS較CT處理E/ET降低6.9%；2015與2016年度，秸稈還田具有較高E/ET，NTSS、NTS、TS較CT處理提高E/ET分別為19.4%—35.2%、23.5%—30.6%、6.0%—15.9%，NTSS、NTS較TS分別提高12.6%—16.6%、12.7%—16.4%。春小麥孕穗至灌漿初期，2014與2015年，NTSS較TS、CT提高E/ET分別為10.0%—14.7%、9.9%—14.7%；相反，2016年，NTSS、NTS、TS較CT分別降低E/ET為9.9%、15.8%、10.5%，NTS較TS降低5.9%。春小麥灌漿初期至收獲期，秸稈還田因旺盛的生殖生長期，增大有效耗水而降低E/ET，NTSS、NTS、TS較CT降低E/ET分別為22.0%—30.8%、25.9%—39.5%、7.5%—11.1%，NTSS、NTS較TS分別降低12.8%—22.1%、20.0%—32.0%，與NTSS相比，NTS降低E/ET為12.7%—16.3%。以上結果表明少耕秸稈還田水分高效利用主要是減少了灌漿初期至收獲期土壤的無效耗水，提高了土壤水分利用的有效性，以少耕25—30 cm秸稈高留茬覆蓋還田效應突出。

圖3 不同秸稈還田方式下春小麥農田土壤蒸發量動態

2.5 春小麥產量及水分利用效率對秸稈還田方式的響應

2.5.1 產量表現 3個試驗年度，不同秸稈還田方式對春小麥籽粒產量具有顯著影響，均表現出秸稈還田具有增產效應（圖5-A）。與傳統低茬收割翻耕（CT）相比，少耕秸稈還田（NTSS、NTS）分別增產16.6%—24.9%、18.6%—27.3%，翻耕秸稈還田（TS）增產10.2%—18.7%。3個秸稈還田處理中，以少耕秸稈還田增產效應明顯，NTSS、NTS較TS分別增產5.2%—5.9%、7.2%—9.5%，以NTS籽粒產量最大，達到7 203—8 035 kg·hm-2。由此說明，25—30 cm秸稈高留茬立茬與覆蓋還田結合少耕有利于提高春小麥籽粒產量。

圖中不同小寫字母表示處理間在0.05 水平上差異顯著。下同

2.5.2 水分利用效率（WUE） 3個試驗年份，不同秸稈還田方式下春小麥WUE差異顯著，秸稈還田較傳統低茬收割翻耕具有提高春小麥農田WUE的作用，秸稈還田結合少耕進一步增強了提高水分利用效率的優勢（圖5-B）。與CT相比，NTSS、NTS、TS處理提高WUE分別為21.1%—28.3%、26.6%—30.6%、13.1%—20.3%，以NTSS、NTS提高春小麥農田WUE幅度較大，比TS高6.7%—11.9%、8.6%—13.7%。

圖中每一試驗年份各處理間進行統計分析The statistical analysis was performed in each treatmentin each testing year

3 討論

3.1 少耕及秸稈還田與耗水特性的關系

近年來，隨著水資源的日趨緊缺，干旱環境條件下，農業生產必須以水分的高效利用為重心，而控制土壤蒸發是提高作物水分利用效率的重要途徑之一[14]。秸稈還田作為一項簡易節水生產技術廣泛地應用于農業生產。采用秸稈覆蓋技術可以有效地保持土壤水分，降低無效耗水而提高水分利用的有效性[15-16]。本研究表明，春小麥不同生育時期，0—120 cm各土層土壤含水量均有秸稈還田高于傳統耕作，而3個秸稈還田處理中，少耕秸稈覆蓋還田土壤含水量明顯高于立茬、翻耕秸稈還田措施，而立茬、翻耕秸稈還田處理土壤含水量在不同生育階段差異不同，這是因為翻耕還田弱化了秸稈還田保持土壤水分的優勢，立茬還田不能在地表或表土層直接形成秸稈物理隔層，較覆蓋還田弱化其保水效應[7]。春小麥生育期結束時，少耕秸稈覆蓋保持較高的土壤水分含量，這可能是由于其土壤界面具有良好的導水蓄水保墑能力[17]。秸稈覆蓋具有降低土壤蒸發及耗水的效應已被研究所證實[18-19]。本研究中，與傳統耕作無秸稈還田處理相比，少耕秸稈覆蓋還田顯著抑制土壤蒸發，抑制效應主要體現在氣溫較高的春小麥孕穗至成熟期，主要因為：第一，秸稈覆蓋是在土壤表面，減少土壤與大氣間水熱交換的物理阻隔層，阻礙土壤與大氣層間的水分和能量交換，顯著降低土壤蒸發[20]；第二，覆蓋還田減少生育前期的土壤水分散失，春小麥生長緩慢，消耗水分與養分較少，隨著氣溫回升，生育前期剩余的土壤水分與養分促使春小麥生長發育旺盛，在孕穗至成熟期保持較大的冠層，遮陰面積大，抑制土壤蒸發相對較好。相對于覆蓋秸稈還田，立茬秸稈還田不能在地表或表土層直接形成秸稈物理隔層，對春小麥生育前期土壤溫度的降低作用不及覆蓋還田，生育前期生長較快，給予生育后期的養分與水分少[7]，因此立茬秸稈還田生育后期生長弱于秸稈覆蓋還田，冠層相對小，遮陰面積小，抑制土壤蒸發效應較弱。同樣，通過分析春小麥播種時、營養生長期、生殖生長期及收獲時0—120 cm土層土壤含水量發現，隨著土層加深其變化減弱，但每一土層均有少耕秸稈覆蓋還田保持較高的土壤含水量，為春小麥生長創造適宜的土壤水分環境。

秸稈、地膜覆蓋具有降低耗水的效應已被研究證實[7,15]。本研究中，少耕秸稈還田對春小麥田耗水量的影響表現出年際間差異，2014與2015 年，少耕秸稈還田的耗水量均低于傳統耕作；2016年，秸稈還田與傳統耕作處理春小麥農田耗水量無顯著差異，這是因為此年春小麥播種時的土壤儲水量明顯高于2014與2015年，弱化了少耕秸稈還田的保水及有效利用土壤水分的效應。另一方面，秸稈還田也可因為其調控土壤水熱特性而優化作物生長發育動態，特別是少耕秸稈覆蓋還田作物生長前期的低溫效應與較好抑制土壤蒸發的效應，更多水分用于熱量適宜的生育后期[7]，即降低了春小麥營養生長期的無效蒸發耗水，增強了其生殖生長期的有效耗水。因此，少耕秸稈覆蓋還田通過減小春小麥生育前期（灌漿期之前）的耗水，增大了生育后期（灌漿初期至成熟期）的耗水量，有效協調春小麥前后生育時期需水矛盾。降低土壤無效蒸發耗水占總耗水模系數（E/ET）是提高水分有效利用的主要途徑之一[21]。本研究中少耕秸稈還田降低了春小麥全生育期E/ET，且降低作用主要體現在春小麥旺盛生長的灌漿初期至收獲期，以少耕秸稈覆蓋還田降低作用較大，這是因為該措施此生育階段春小麥旺盛生長期較高的蒸騰耗水與較小的蒸發耗水所致。因此，少耕秸稈覆蓋還田措施可優化干旱灌區春小麥農田的耗水特性，在農田作物耗水與調控領域值得進一步試驗探討。

3.2 少耕及秸稈還田對作物產量的影響

耕作及覆蓋措施是調控作物群體生長發育的重要因素，通過優化耕作方式及覆蓋措施，調控作物生長發育動態，改善作物對資源利用的競爭與互補關系，有效提高作物產量[5]。秸稈還田結合少免耕因較好的保水效應及改善土壤理化性質被廣泛應用于干旱雨養農業區作物生產，在干旱綠洲灌區秸稈還田技術尚未成熟，有待進一步研發適宜于干旱灌區秸稈還田技術。大量研究證實，長期單一免耕因根冠早衰而具有減產效應[10-11]。秸稈還田較傳統耕作具有較高的增產潛力，其增產機理在于秸稈還田降低土壤容重，提高土壤速效養分含量促進作物對養分的吸收和利用，為高產奠定了物質基礎[22-23]。有研究表明，可通過優化耕作及覆蓋措施促進作物各器官光合同化物向籽粒的運轉而增產[24]。本研究秸稈立茬與覆蓋還田結合少耕的具有顯著增產優勢，其原因在于，第一，少耕結合秸稈覆蓋還田為作物生長創造良好的耕層土壤結構[12-13]；第二，少耕秸稈覆蓋還田延緩春小麥生育前期地上部生長發育，造成較小的光合源，對水分養分等資源消耗較少，同時抑制土壤蒸發而提高土壤蓄水納墑能力，為作物生育后期（旺盛生長期）遺留更多的土壤水分和養分[25]，滿足作物適宜環境條件下生育后期旺盛生長的資源需求，延緩地上部的衰老，改善功能葉片的光合特性，促使籽粒灌漿而實現高產[25]；第三，秸稈覆蓋還田配合少耕技術利于光合產物向籽粒的轉移，較高的分蘗數及分蘗成穗率與較多的穗粒數[26]。因此，在干旱綠洲灌區集成應用基于保護性耕作理論的少耕秸稈覆蓋還田技術是可行的，值得大面積推廣應用。

3.3 作物水分利用效率對少耕秸稈還田的響應

提高產量、降低耗水是提高農田水分利用效率的兩個主要途徑。優化耕作及秸稈還田方式通過降低農田土壤水分無效蒸發，提高作物有效蒸騰耗水而提高農田水分利用效率[27-28]。已有研究表明，在作物生育期內，降水較多的豐水年份，秸稈覆蓋還田結合免耕通過降低農田總耗水量而提高水分利用效率，在降水相對較少的貧水年份，免耕秸稈覆蓋還田主要因提高作物產量而提高水分利用效率[5]。當然，免耕秸稈覆蓋還田也可通過提高土壤水分入滲率及貯水量[17]、有效降低作物生育前期無效蒸發水分，增加生育后期作物的有效蒸騰，使無效耗水轉化為有效耗水、提高作物產量與水分利用效率[5]。本研究得出相似結果，與傳統無秸稈還田翻耕處理相比，秸稈還田提高了水分利用效率，以少耕秸稈覆蓋還田提高幅度相對較大，主要是因為少耕秸稈覆蓋還田降低了春小麥全生育期棵間蒸發量，減小了總耗水量而提高了籽粒產量，特別是在春小麥旺盛生長的灌漿初期至收獲期，降低土壤蒸發而提高有效蒸騰耗水作用最顯著，為春小麥籽粒灌漿提供充足的水分需求，而增強籽粒灌漿，提高籽粒產量，進而增大水分利用效率。因此，在資源性缺水的干旱內陸灌區，在春小麥生產中集成免耕秸稈還田技術有望緩解作物需水與供水矛盾，為試區作物高效生產提供理論與實踐依據。

4 結論

與傳統低茬收割翻耕處理（CT）相比，少耕秸稈還田處理（NTSS、NTS）可提高春小麥全生育期內土壤含水量，降低耗水量，通過減少生育前期（灌漿期之前）耗水，增大生育后期（灌漿初期至成熟期）耗水量，有效協調春小麥前后生育時期需水矛盾，以少耕秸稈覆蓋還田（NTS）調控效應更為突出。少耕秸稈還田降低了春小麥全生育期棵間蒸發量，降低了蒸散比（E/ET），主要體現在春小麥灌漿初期至收獲期。與CT相比，NTSS、NTS具有明顯的增產及提高水分利用效率的作用。因此，在水資源短缺的干旱內陸綠洲灌區，集成應用少耕25—30 cm秸稈立茬與覆蓋還田技術是實現春小麥高產、穩產、水分高效利用的理想耕作措施。

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Characteristics of Soil Water Utilization in Spring Wheat Field with Different Straw Retention Approaches in Dry Inland Irrigation Areas

YIN Wen, CHAI Qiang, HU FaLong, FAN ZhiLong, FAN Hong, YU AiZhong, ZHAO Cai

(College of Agronomy, Gansu Agricultural University/Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Science, Lanzhou 730070)

【Objective】In oasis irrigated agricultural region, water resources scarcity is one of the most prominent constraints for crop production, which also leads to the unstable yield and the lower water use efficiency of crop production with conventional tillage. In this study, the characteristics of soil water utilization in spring wheat field with different straw retention approaches were investigated in the areas, so as to optimize the farming practices and to improve the water use efficiency. 【Method】A field experiment was carried out in a typical oasis irrigation region, Wuwei, Gansu Province, from 2014 to 2016, to determine the effects of treatments of straw retention patterns on soil water utilization of spring wheat field. The treatments included reduced tillage with 25 to 30 cm high straw standing (NTSS), reduced tillage with 25 to 30 cm high straw covering (NTS), conventional tillage with 25 to 30 cm high straw incorporation (TS), and conventional tillage without straw retention (CT, the control). 【Result】Reduced tillage with straw retention could decrease evapotranspiration of spring wheat field, furthermore NTSS and NTS treatments decreased evapotranspiration by 3.1% to 7.8%, 3.7% to 7.7%, compared to CT treatment, respectively. NTSS and NTS treatments decreased evapotranspiration of wheat before early-filling stage but increased it afterwards, so this created a more optimal balance between early- and late-stage water demand of spring wheat. NTSS and NTS treatments could enhance the effectiveness of water by inhibiting soil evaporation and reducing the proportion of evaporation to evapotranspiration (E/ET) for the spring wheat field. NTSS and NTS treatments reduced soil evaporation by 9.3% to 17.4% and 10.8% to 23.3% over CT treatment, and reduced by 4.0% to 5.8% and 5.6% to 11.4% over TS treatment, respectively. Among the two reduced tillage with straw retention treatments, NTS had the best effect on inhibiting soil evaporation, thus this treatment reduced E/ET by 6.9% to 21.3%. The grain yield of NTSS, NTS, TS was 16.6% to 24.9%, 18.6% to 27.3%, 10.2% to 18.7% greater than that of CT treatment, respectively, among the three straw retention treatments, NTSS and NTS had greater grain yield by 5.2% to 5.9% and 7.2% to 9.5% than that of TS treatment, respectively. Thus, straw retention treatments had greater water use efficiency (WUE), compared to CT treatment, NTSS, NTS, and TS treatments improved WUE by 21.1% to 28.3%, 26.6% to 30.6%, 13.1% to 20.3%, respectively. Across the three straw retention treatments, NTSS and NTS treatments improved WUE by 6.7% to 11.9%, 8.6% to 13.7%, in comparison to TS treatment, respectively.【Conclusion】Our results showed that reduced tillage in combination with 25 to 30 cm high straw standing and covering was the feasible technology for realizing high yield, stable yield and efficient utilization of irrigation water of spring wheat production in the oasis irrigation region.

straw retention; tillage practice; water consumption characteristics; yield; water use efficiency; spring wheat

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.07.012

2018-09-06；

2018-10-29

國家公益性行業（農業）科研專項（201503125-3）、甘肅農業大學人才專項經費（2017RCZX-02）

殷文，E-mail：yinwen@gsau.edu.cn。通信作者柴強，E-mail：chaiq@gsau.edu.cn

（責任編輯 李云霞）