黃土高原休閑期深松后覆蓋播種對旱地小麥產量的影響

楊清山，孫 敏，高志強，張慧芋，張 娟，梁艷妃，李念念

(山西農業大學農學院，山西 太谷 030801)

山西省黃土高原半干旱地區自然降雨大約60%集中在小麥夏閑期(7-9月)，如何運用合理的耕作與覆蓋措施，充分接納與利用有限水資源來解決本省小麥因水分虧缺而低產的問題，是本省農業生產一直關注的主要課題[1-2]。前人關于旱地小麥耕作蓄水與覆蓋保水的理論研究與技術研發兩方面均已取得了較大進展。休閑期深松可改善土壤結構，增加土壤對降水的蓄積能力，提高冬小麥播前土壤含水量[3-4]。周興祥等[5]與楊永輝等[6]研究均表明，休閑期深松有利于加快土壤水分入滲速度，改善土壤水分狀況，影響冬小麥的生育特性，優化產量構成，提高產量。黃明等[7]研究表明，休閑期深松較傳統耕作分別提高開花期、灌漿期0～40 cm土層土壤水分含量6%和9%，均提高產量9%。趙亞麗等[8]對黃淮海地區土壤耕作方式的研究表明，深松較傳統耕作提高冬小麥產量10%、水分利用效率7%。可見，旱地麥田采用深松有較好的蓄水增產效果。自從中國引入地膜覆蓋栽培技術后，其蓄水保墑及增產作用顯著，已被生產認可并應用[9-11]。陳夢楠等[12]研究表明，應用地膜覆蓋栽培技術有利于土壤有效含水量的增加，實現增產。李儒等[13]研究表明，黃土高原旱作區地膜覆蓋較不覆蓋能提高降水生產效率，協調土壤孔隙中水分和空氣的占比關系，提高了產量和水分利用效率。白麗婷等[14]針對渭北旱塬區地膜栽培技術研究表明，地膜覆蓋較不覆蓋顯著增加了冬小麥的成穗數，穗粒數也有一定的增加，進而提高小麥產量8%～22%，提高水分利用效率13%～14%，且干旱年份覆膜優勢較明顯。劉曉偉等[15]針對甘肅旱作農業區研究表明，全膜覆土穴播較常規條播能提高0～60 cm土壤含水量，有較明顯的保墑效果，提高產量、水分利用效率分別達33%、22%。但李鳳民等[16]研究表明，地膜覆蓋技術的應用尤其在干旱年份，會造成穗數不足，導致小麥減產。休閑期耕作蓄水和播種覆蓋保墑為旱地水分調控的兩類主要技術，深松耕作可有效提高底墑，并加深耕層，促進根系深扎，避免地膜覆蓋播種造成的弊端。前人研究多注重于單方面耕作蓄水或覆蓋的蓄水保墑與增產技術，二者結合的研究較少。為此，本研究分析了休閑期深松蓄水提高底墑結合覆蓋播種對土壤水分、產量和水分利用效率的影響，旨在探索最佳蓄水保墑方式，從而改進旱地小麥的高產高效栽培技術模式。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2014-2016年在山西省聞喜縣邱家嶺村旱地小麥試驗田進行，該地為丘陵旱地，位于 35°20′N，111°17′E，無灌溉條件，一年一熟，夏季休閑，是典型的暖溫帶大陸氣候，年均氣溫12.5℃，無霜期190 d。2014年6月10日測定土壤養分(0～20 cm)：有機質10.55 g·kg-1、全氮0.68 g·kg-1、水解氮37.65 mg·kg-1、速效磷17.64 mg·kg-1；2015年6月10日測定土壤養分(0～20 cm)：有機質11.16 g·kg-1、水解氮39.44 mg·kg-1、速效磷15.67 mg·kg-1。2014-2016年度試驗田年降雨情況由聞喜縣氣象站提供，如圖 1所示。

注：FP: 休閑期; STW: 播種-越冬期; WTJ: 越冬-拔節期; JTA: 拔節-開花期; ATM: 開花-成熟期.Notes：FP: Fallow period; STW: Sowing to wintering stage; WTJ: Wintering to jointing stage; JTA: Jointing to Anthesis stage; ATM: Anthesis to maturity stage.圖1 聞喜試驗基地降雨量Fig.1 Precipitation at the experimental site in Wenxi

1.2 試驗設計

試驗小麥品種“運旱20410”由山西省聞喜縣農委提供。試驗采用二因素裂區設計，以休閑期耕作為主區，設深松(深度30～40 cm，Subsoiling，SS)、當地傳統耕作對照(CK)兩個水平；以播種方式為副區，設全膜覆土穴播(Film covering soil hole sowing，FSH)、膜際條播(Film mulch sowing，FM)、常規條播(Drilling sowing，DS)三個水平，共6個處理，小區面積50 m×3 m=150 m2，重復3次。全膜覆土穴播：即秋播前地面覆膜，膜面覆土1 cm，穴播，行距20 cm，穴距15 cm，每小區種植10 行。膜際條播：即地膜覆蓋播種，起壟(壟底寬40 cm，壟高10 cm)、覆膜、播種一次完成，60 cm為一帶，地膜覆蓋壟上，地膜兩側覆土，壟膜側溝內種植2行小麥(地膜采用普通地膜)。常規條播：傳統種植方式，逢雨淺旋，平整土地播種，行距20 cm。2014年7月15日土地進行深松，8月25日淺旋土地一次、粑耱、鎮壓平整土地，10月4日播種，基施純N 150 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2、K2O 150 kg·hm-2，播量90 kg·hm-2，三葉期定苗，基本苗225×104株·hm-2。同生產上人工揭膜，膜際條播處理揭膜時間為小麥開花后10 d左右，2015年6月10日收獲。全膜覆土穴播處理于小麥收獲后(次年6月上旬)回收地膜。

1.3 測定項目與方法

在試驗田范圍內選取具有代表性小區，深挖一個3 m的剖面坑,采用環刀法從上到下每隔20 cm土層取樣，3次重復，測定土壤容重[12]。

分別于播種期、越冬期、拔節期、孕穗期、開花期、成熟期，采用土鉆法，每20 cm分層取0～300 cm土層土樣，裝入鋁盒稱取鮮重，105℃烘干至恒重稱取干重，測定土壤含水量并計算土壤蓄水量[12]。土壤蓄水量Wi=hi×ρi×ωi×10。式中，W為土壤蓄水量(mm)；i為土層；h為土層厚度(cm)；ω為土壤質量含水量(%)；ρ為土壤容重(g·cm-3)；10為換算單位。

蠟熟期測定單位面積穗數、穗粒數及千粒重，每處理小區取50株進行考種，收割20 m2計算經濟產量。

其他具體計算方法如下，參照陳夢楠等[12]。

休閑期耗水量(mm)=播種期土壤蓄水量-休閑期土壤蓄水量+休閑期降水量。

生育期耗水量(mm)=成熟期土壤蓄水量-播種期土壤蓄水量+生育期降水量。

休閑期土壤蓄水效率(%)=(播種期土壤蓄水量-休閑期土壤蓄水量)/休閑期降水量。

降水生產效率(kg·hm-2·mm-1)=籽粒產量/全年降水量。

水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)=籽粒產量/生育期耗水量。

單位蓄水量的增產量(kg·hm-2·mm-1)=(休閑期深松籽粒產量-對照籽粒產量)/(休閑期深松播種期土壤蓄水量-對照播種期土壤蓄水量)。

1.4 數據處理與分析

試驗采用Microsoft Excel 2003進行數據繪圖，利用DPS 7.05和SAS 9.0軟件統計分析數據，LSD法進行顯著性差異分析，顯著水平設為0.05。因為2 a試驗結果趨勢基本一致，部分圖表數據分析只以2014-2015年為主。

2 結果與分析

2.1 休閑期深松和覆蓋播種對冬小麥播種期和各生育時期土壤水分的影響

如圖2所示，與對照相比，休閑期深松耕作顯著提高了播種期土壤蓄水量，2 a間0～300 cm土層較傳統耕作蓄水多達24～33 mm，尤其2014-2015年的60～120 cm、160～220 cm土層； 2015-2016年的60～220 cm土層土壤蓄水量顯著提高。2 a間休閑期深松耕作顯著提高了越冬-成熟期土壤蓄水量，但開花期差異不顯著。與常規條播相比，兩種覆蓋播種模式提高了越冬-開花期土壤蓄水量，而成熟期降低。2014-2015年，無論深松與否，各生育時期土壤蓄水量均有所提高，且拔節-孕穗期差異顯著。2015-2016年深松條件下，各生育時期土壤蓄水量均提高，且拔節-孕穗期差異顯著；對照處理只在孕穗-開花期差異顯著(圖3)。2 a間全膜覆土穴播較膜際條播越冬-開花期土壤蓄水量提高，而膜際條播較全膜覆土穴播成熟期蓄水量顯著降低。可見，休閑期深松有利于增強土壤蓄保降水能力，且降水少的年份蓄墑效果好(2015-2016年)，并能有效提高各生育時期土壤蓄水量；覆蓋播種有利于提高生育前期和中期土壤水分，且兩種覆蓋播種模式的保水效果差異不明顯。

注：ns:差異不顯著; *:差異顯著。 Note: ns: No significant difference; *: Significant difference.圖2 休閑期深松(SS)和對照(CK)對小麥播種期0～300 cm各土層土壤蓄水量的影響Fig.2 Impact of subsoiling and CK on soil water storage in 0～300 cm depth during sowing stage of winter wheat

注：WS:越冬期; JS: 拔節期; BS: 孕穗期; AS: 開花期; MS: 成熟期。圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Note: WS: Wintering stage; JS: Jointing stage; BS: Booting stage; AS: Anthesis stage; MS: Maturity stage. Different lowercase letters in the figure showed significant differences between treatments (P<0.05).圖3 播種方式對小麥各生育時期0～300 cm土壤蓄水量的影響Fig.3. Impact of sowing modes on soil water storage in 0～300 cm depth under different growth stages of wheat

2.2 休閑期深松和覆蓋播種對冬小麥產量及其構成因素的影響

與對照相比，休閑期深松模式下小麥產量及其構成因素提高(表1)，2014-2015年穗數提高7%～10%，穗粒數提高3%～6%，千粒重提高2%～3%，產量提高12%～16%；2015-2016年穗數提高9%～14%，穗粒數提高2%～7%，千粒重提高1%～2%，產量提高18%～24%。休閑期深松模式下，2014-2015年兩種覆蓋播種模式較常規條播穗數和產量顯著提高，穗數提高4%～9%，產量提高9%～13%，膜際條播與常規條播穗粒數差異顯著，千粒重無顯著變化。膜際條播較全膜覆土穴播產量及其構成因素均提高，且穗數顯著提高4%，產量提高3%；2015-2016年兩種覆蓋播種模式較常規條播穗數、穗粒數和產量顯著提高，穗數提高13%～17%，穗粒數提高7%～11%，產量提高8%～21%，千粒重無顯著變化。膜際條播較全膜覆土穴播產量及其構成因素均提高，且穗數顯著提高4%，產量顯著提高12%。對照條件下，2014-2015年兩種覆蓋播種模式較常規條播穗數和產量顯著提高，分別提高2%～6%、6%～13%，膜際條播與常規條播穗粒數差異顯著，千粒重無顯著變化。膜際條播較全膜覆土穴播產量及其構成因素均提高，且穗數顯著提高4%，產量顯著提高7%；2015-2016年兩種覆蓋播種模式較常規條播穗數和產量顯著提高，穗數提高8%～13%，產量提高12%～19%，穗粒數和千粒重無顯著變化。膜際條播較全膜覆土穴播產量及其構成因素均提高，且穗數顯著提高4%，產量顯著提高6%。可見，休閑期深松和覆蓋播種主要通過增加穗數來提高產量，對穗粒數和千粒重影響不明顯，且降水少的年份深松下覆膜播種增幅效果大，尤其膜際條播增產效果明顯。

另外，年份、耕作、播種方式、耕作×播種方式、年份×耕作×播種方式對產量均有顯著或極顯著影響(表1)，年份的影響最大，其次是耕作，最后是播種方式。而且年份、耕作和播種方式對穗數、穗粒數和千粒重有極顯著影響，年份×耕作、年份×播種方式和耕作×播種方式對穗數均有極顯著影響，耕作×播種方式對千粒重有顯著影響。

2.3 不同生育時期土壤蓄水量與冬小麥產量及其構成因素的關系

2.3.1 與產量構成因素的關系 表2可見，休閑期深松結合覆蓋播種條件下，越冬期、拔節期、孕穗期0～300 cm土層土壤蓄水量與穗數，拔節期40～160 cm、孕穗期40～80 cm、200～300 cm，開花期180～300 cm土層土壤蓄水量與穗粒數呈顯著或極顯著相關關系，且越冬期20～100 cm、拔節期40～160 cm、孕穗期200～300 cm土層土壤蓄水量與穗數關系較密切，尤其是拔節期。可見，本試驗條件下，穗數的形成與越冬期上層土壤水分、拔節期中層土壤水分、孕穗期深層土壤水分關系密切。

表1 休閑期深松和覆蓋播種對小麥產量及其構成因素的影響

注：表中同列不同小寫字母代表在P=0.05水平差異顯著。*和**分別代表在P=0.05和P=0.01水平差異顯著。下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference level atP=0.05. * and ** show significant level atP=0.05 andP=0.01, respectively. The same below.

2.3.2 土壤蓄水量與產量的關系 表3可見，休閑期深松配套覆蓋播種條件下，越冬期-孕穗期0～300 cm，開花期40～140 cm、180～300 cm土層土壤蓄水量與產量呈顯著或極顯著正相關，且越冬期0～40 cm，拔節期40～200 cm，孕穗期和開花期220～300 cm土層土壤蓄水量與產量關系更密切。可見，本試驗條件下，產量的形成與越冬期上層、拔節期上層和中層、孕穗期和開花期深層水分關系密切。開花前各生育時期土壤蓄水量為小麥后期奠定基礎，充足的底墑水有利于小麥產量的提高。

2.4 休閑期深松和覆蓋播種對土壤水分利用效率的影響

相較于對照，2 a休閑期深松可實現蓄水增產(表4)。2014-2015年土壤蓄墑每增加1 mm，休閑期增墑增產量達14～26 kg·hm-2，且結合膜際條播蓄水對產量的貢獻最高，與常規條播差異顯著，而兩種覆蓋播種處理間差異不顯著；2015-2016年土壤蓄墑每增加1 mm，休閑期增墑增產量達22～46 kg·hm-2，且結合膜際條播蓄水對產量的貢獻最高，并與其他處理差異顯著。休閑期深松較對照，2 a土壤蓄水效率顯著提高，降水生產效率顯著提高，達12%～16%、18%～24%，水分利用效率顯著提高，達 6%～11%、15%～23%。2 a間兩種覆蓋播種模式較常規條播降水生產效率和水分利用效率顯著提高。2014-2015年膜際條播較全膜覆土穴播降水生產利用效率和水分利用效率提高，深松下兩者降水生產效率差異不顯著；2015-2016年膜際條播較全膜覆土穴播降水生產利用效率和水分利用效率提高，且對照下水分利用效率差異不顯著。可見，深松蓄水覆蓋保水能提高土壤水分對產量的貢獻，且休閑期深松結合膜際條播有利于充分利用降水，提高產量和水分利用效率。

表2 小麥關鍵生育時期0～300 cm各土層土壤蓄水量與產量構成因素的相關性

表3 小麥各生育時期0～300 cm各土層土壤蓄水量與產量的相關性

表4 休閑期深松和覆蓋播種土壤水分積累對產量貢獻及水分利用效率的影響

注：ΔW：蓄墑增量；ΔY：蓄墑增產量；ΔY/ΔW：休閑期增墑增產效率。

Note: ΔW: Storage increase; ΔY: Storage capacity increase; ΔY/ΔW: Increase storage and production efficiency during fallow period.

3 討 論

劉爽等[17]研究表明休閑期深松處理較傳統耕作方式，可以提高土壤含水率，從而增強土壤的保墑效果。賀立恒等[18]研究表明，休閑期深松處理可增加土壤水分有效性，使旱地小麥各生育期土壤蓄水量顯著提高。本研究發現，2 a間0～300 cm土層較傳統耕作多蓄水達24～33 mm，休閑期土壤蓄水效率顯著提高，越冬-成熟期土壤蓄水量提高，且越冬期、拔節期、孕穗期、成熟期差異顯著，這與李俊紅等[19]，付國占等[20]研究結果一致，這是因為休閑期深松可以打破犁底層，能夠增加土壤水分入滲，耕作時減少土壤水分損失，提高了深層土壤蓄水量，促進作物中后期對深層土壤水分的吸收。Borghei等[21]研究表明，深松處理能加深耕層，增加土壤的通透性，有利于作物生長發育，提高作物產量。熊淑萍等[22]研究表明，與傳統耕作相比，休閑期深松耕作提高小麥穗數5%、產量12%。本研究發現，休閑期深松較對照，小麥產量及其構成因素提高，2014-2015年提高穗數7%～10%、產量12%～16%，2015-2016年提高穗數9%～14%、產量18%～24%。休閑期深松較對照，2 a降水生產效率分別顯著提高達12%～16%、18%～24%，水分利用效率顯著提高分別達6%～11%、15%～23%，這與前人研究結果一致。因此表明休閑期深松可有效蓄積降雨，尤其降水少的年份蓄水效果最佳，且滿足各生育期對水分的需求，提高降水生產效率和水分利用效率，并主要通過穗數的增加，達到小麥增產的目的。

劉金海等[23]研究表明，受播種方式影響，土壤含水量隨土層深度增加而升高。在小麥生育中后期，土壤水分由于地膜覆蓋影響而降低。趙虹等[24]，王法宏等[25]研究表明，地膜覆蓋減少生育期地表水分蒸發損失，增強保水效果，增加了穗數和穗粒數，促進小麥產量提高。本研究結果表明，休閑期深松下，2 a間兩種覆蓋播種模式較常規條播穗數和產量顯著提高，其中穗數分別提高4%～9%和9%～13%，產量分別提高13%～17%和8%～21%；膜際條播較全膜覆土穴播產量提高了3%～12%。對照條件下，2 a間兩種覆蓋播種模式較常規條播穗數顯著提高，其中穗數分別提高2%～6%和6%～13%，產量分別提高8%～13%和12%～19%；膜際條播較全膜覆土穴播產量提高了6%～7%。2 a間兩種覆蓋播種模式較常規條播降水生產效率和水分利用效率顯著提高。杜守宇等[26]研究表明，膜際條播較常規條播增產達42%，主要通過延長幼穗分化天數增加穗粒數和延長灌漿期提高千粒重。也有前人針對西北黃土高原丘陵溝壑區小麥不同覆膜的研究表明[27]，年降水量531.8 mm條件下，全膜覆土穴播產量較膜側條播產量高。本研究結果表明：2 a全膜覆土穴播較膜際條播提高了越冬-開花期土壤蓄水量，而膜際條播較全膜覆土穴播成熟期蓄水量顯著降低。膜際條播較全膜覆土穴播產量及其構成因素均提高，且產量顯著提高3%～7%、6%～12%。膜際條播較全膜覆土穴播水分利用效率提高。這與董琦等[28]、楊長剛等[29]研究結果一致，因為深松蓄水與覆蓋增溫，加大小麥耗水，促進前期的生長發育，增加孕穗期成穗數，從而提高產量。上述試驗結果與前人結果不盡一致之處，可能是受不同生態區生育期降雨量和區域土壤性質等原因影響，導致耕作的增產效應有所差異，有待進一步對比研究。另外，年份、耕作、播種方式、耕作×播種方式、年份×耕作×播種方式對產量均有顯著或極顯著影響，尤其年份的影響最大。耕作對穗數和產量的影響大于播種方式，這與增產效果結果一致。可見，休閑期深松結合生育期覆蓋播種，提高了穗數、穗粒數和產量，且主要通過提高穗數來提高產量，對穗粒數和千粒重影響不明顯，采用膜際條播增產效果較好。

本研究還表明，休閑期深松結合覆蓋播種條件下，穗數的形成與越冬期上層土壤水分、拔節期中層土壤水分、孕穗期深層土壤水分關系密切。產量的形成與越冬期上層、拔節期上層和中層、孕穗期和開花期深層水分關系密切。因此，決定穗數的關鍵時期是小麥越冬—孕穗期，隨著生育期的推移，土壤水分與穗數和產量的相關性由淺層轉向深層，且各個生育期蓄水量的提高為小麥高產奠定基礎。

謝英荷等[30]，劉庚山等[31]研究表明，冬前充足的土壤墑情可促進小麥形成深根系，提高水分利用效率，有利于旱地小麥實現節水高產。孟曉瑜等[32]研究表明，每增加1 mm的播前底墑，旱地小麥可增產10.6～11.4 kg·hm-2。本研究表明，與對照相比，2 a休閑期深松可實現蓄水增產。2014-2015年土壤蓄墑每增加1 mm，休閑期增墑增產量達14～26 kg·hm-2，且結合膜際條播蓄水對產量的貢獻最高，與常規條播差異顯著；2015-2016年土壤蓄墑每增加1 mm，休閑期增墑增產量達22～46 kg·hm-2，且結合膜際條播蓄水對產量的貢獻最高，并與其他處理差異顯著。因此，深松蓄水覆蓋保水能提高土壤水分對產量的貢獻。播前底墑的高低，決定著小麥產量的高低[33]。深松措施作為保護性耕作技術之一，可降低土壤容重，增強深層土壤蓄水能力，有利于小麥花后對深層水分的吸收利用，提高籽粒產量，避免地膜覆蓋引起的弊端[34]。有研究認為，休閑期深松處理可有效提高各生育時期的土壤蓄水量，避免因地膜覆蓋引起后期深層水分不足的弊端，減弱地膜覆蓋的負效應，有利于小麥增產[35]。本研究表明，休閑期深松結合生育期覆蓋播種，通過休閑期深松蓄積水分和覆蓋高效保墑，達到小麥增產的目的，以膜際條播效果最好，且降水少的年份效果明顯。因此，休閑期深松結合生育期膜際條播處理是兼顧高產蓄水高效的耕作栽培方式。

4 結 論

1)旱地小麥休閑期深松結合生育期覆蓋播種的栽培措施，顯著提高了播種期和各生育時期0～300 cm土壤蓄水量。兩種覆蓋處理間，膜際條播較全膜覆土穴播水分利用效率顯著提高，尤其降水少的年份降水生產效率提高顯著。因此，深松蓄水覆蓋保墑能高效利用土壤水分，實現小麥的增產。

2)休閑期深松條件下，膜際條播較全膜覆土穴播提高了產量及其構成因素，且降水少的年份產量在兩種覆蓋處理間差異顯著。因此，休閑期深松結合膜際條播具有最大增產潛力。

3)休閑期深松結合覆蓋播種條件下，產量的形成與越冬期上層、拔節期上層和中層、孕穗期和開花期深層水分關系密切，尤其是小麥后期深層土壤水分影響較大。

4)休閑期深松可實現蓄水、增產，2 a土壤蓄墑每增加1 mm，休閑期土壤增墑增產量分別達26 kg·hm-2和46 kg·hm-2，且結合膜際條播蓄水對產量的貢獻最高。