長期免耕覆蓋對旱地小麥-玉米周年產量及水分利用的影響

邵運輝，呂軍杰，李俊紅，丁志強，張 潔，姚宇卿，李向東

(1.河南省農業科學院 小麥研究所，河南 鄭州 450002；2.洛陽農林科學院，河南 洛陽 471023；3.中國農業科學院洛陽旱農試驗基地，河南 洛陽 471023)

小麥和玉米是重要的糧食作物，約占世界谷物產量的70%。隨著糧食消費趨勢的增加，預計到2050年，世界糧食產量需要增加56%才能滿足日益增長的人口需求[1]。因此，大幅度提高小麥-玉米周年產量是保證糧食供應的重要措施。作物產量取決于產量構成因素(穗數、穗粒數和粒質量)，而產量構成因素在很大程度上受降雨、溫度、土壤水分和養分狀況的影響[2]。在干旱和半干旱地區，降雨量少且分布不均導致水分供需矛盾突出，降低作物單產[3]。因此，在我國旱作區采取有效措施增加土壤貯水量、提高水分利用效率是提高作物產量的關鍵。冬小麥-夏玉米兩熟制是我國北方半濕潤偏旱區主要的種植模式，該旱區種植模式土壤水分消耗較多，節約、高效用水是實現小麥-玉米周年持續穩定生產的重要措施[4]。

免耕覆蓋技術是調節干旱環境下土壤水分利用的有效措施，可減少坡耕地水土流失，有效保持土壤水分，并增加農作物產量[5-6]。研究表明，免耕覆蓋可以減少因蒸發引起的土壤失水，增加土壤貯水量，提高土壤濕度，從而改變土壤生物學特性和肥力，促進作物生長。同時免耕覆蓋可減少作業工序，通過降低耕作成本實現農業增產增效[7-9]。大量研究表明，免耕覆蓋技術是我國西部地區提高作物產量及水分利用的有效手段，在墨西哥及印度等地區也有類似的研究結果[10-11]。免耕覆蓋技術主要在我國西北干旱半干旱地區推廣，研究對象多為一年一熟制作物[12-13]，對于旱作下一年兩熟制作物的長期定位研究相對較少[1,3]，尤其是對小麥-玉米的周年長期(10 a以上)定位研究鮮見報道。為此，針對豫西旱作區半濕潤偏旱的氣候下降水偏少、降水分布不均、干旱頻發與降水滿足率低(表現為一季有余兩季不足)的特點，以旱作小麥、玉米為研究對象，通過14 a(2004—2018年)的連續定位試驗，研究了免耕覆蓋對小麥-玉米周年產量及水分利用的影響，為該項技術的推廣和應用提供技術支撐和理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在中國農業科學院洛陽旱農試驗基地進行，該區為半濕潤偏旱氣候類型，年降水量在600 mm左右，70%集中在6—9月，年平均氣溫為14 ℃，日均溫度超過10 ℃的時間約為210 d，≥10 ℃活動積溫約為4 000 ℃，年均蒸發量約為1 841.5 mm。供試土壤為潮褐土，質地為重壤，耕層土壤容重為1.53 g/cm3，土壤耕層含有機質15.6 g/kg、堿解氮(N)62.5 mg/kg、速效磷(P2O5)10.4 mg/kg、速效鉀(K2O)166.0 mg/kg，肥力中等偏上。

1.2 試驗設計

試驗于2004年開始，設4 m×4 m(16 m2)防滲精確水分池，設置2個處理，每個處理重復3次。免耕覆蓋(No tillage with straw mulching，NTM):小麥收獲時留30～40 cm的茬，等行鐵茬種植玉米5行；玉米收獲后秸稈整稈均勻覆蓋地表，小麥播種時運出，人工開溝(溝寬5 cm、深5 cm)免耕播種，五葉時將秸稈覆蓋于小麥行間；傳統耕作(Conventional tillage，CK)：小麥收獲時留茬高5～10 cm，等行鐵茬種植玉米5行，玉米收獲后秸稈全部運出，翻耕(深20～25 cm)、耬平，每區等行人工開溝播種16行小麥，無秸稈覆蓋。播種密度：小麥基本苗270萬株/hm2，玉米4.5萬株/hm2。施肥：小麥底施氮磷鉀復合肥(15-15-15)600 kg/hm2，免耕覆蓋處理人工開溝條施(溝寬2～3 cm，深15～20 cm)，傳統耕作結合翻耕均勻撒施；玉米不施底肥，均在拔節初期追施尿素(含N 46.2%)300 kg/hm2。小麥10月15日左右播種，5月底至6月初收獲；玉米于小麥收獲后至6月15日前播種，9月中下旬收獲。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 降雨量 在試驗區附近采用人工觀測的方法記錄降雨量。

1.3.2 土壤貯水量、水分利用效率 在小麥、玉米主要生育時期(小麥：苗期、越冬期、拔節期、抽穗期和成熟期，玉米：苗期、拔節期、抽雄期、灌漿期和成熟期)取土樣。各處理隨機選3點，用土鉆取樣，每次取完土樣，用周圍田間手感濕度相似的土壤回填，以避免取土對小區造成破壞。0～200 cm土層每20 cm取一個有代表性的新鮮土樣，刮去土鉆中的上部浮土，將土鉆中部約20 g土壤迅速裝入已測質量的鋁盒內，蓋緊，帶回室內，將鋁盒外表擦拭干凈在分析天平上稱量，準確至0.01 g，然后置于已預熱至105 ℃的烘箱中烘至恒質量。取出，蓋好，在干燥器中冷卻至室溫，立即稱質量，做3 次平行測定。計算土壤含水量。

容重測定采用環刀法，用體積為100 cm3的環刀，每20 cm一層采集原狀土樣，重復3 次。用修土刀修平土壤剖面，按剖面層次分層采樣，每層重復3個。具體操作：在環刀內壁涂上凡士林，把環刀托放在已知質量的環刀上，將環刀刃口向下垂直壓入土中，直至環刀筒中充滿樣品為止，環刀壓入要平穩、用力一致。用修土刀切開環刃周圍的土樣，取出環刀，削去環刀兩端多余的土，擦凈外面的土，將裝有土的環刀兩端立即加蓋。然后，將裝有土的環刀于105 ℃烘至恒質量，在密閉烘箱中冷卻后稱質量，洗去內壁土壤，烘干稱質量，計算土壤體積質量[14]。

土壤貯水量的計算公式[15]：W=ρ×h×b×10。式中，W為土壤貯水量，ρ為土壤體積質量，h為土層深度，b為土壤含水量。

土壤耗水量的計算公式[16]：ET=P+I+W1-W2-D+ε。式中，ET為實際蒸散量，P為降水量，I為灌溉水量，W1為播前土壤貯水量，W2為成熟后的土壤貯水量，D為地表徑流量，ε為計算誤差。因試驗在防滲精確水分池中進行，無地表徑流，土壤貯水量及耗水量均以200 cm土層含水量計算。

水分利用效率(WUE)計算公式：WUE=Y/ET。式中，Y為作物產量。

1.3.3 產量及其構成因素 成熟期，選取小區內與群體長勢一致的20株小麥和4株玉米進行考種，測定穗數、穗粒數和千粒質量，每處理3次重復，取平均值。整區收獲計產。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel 2007進行整理匯總。

2 結果與分析

2.1 免耕覆蓋下小麥、玉米收獲時土壤貯水量變化

從2005—2018年試驗點土壤貯水量看，小麥收獲時為周年土壤含水量最低時期，傳統耕作處理最低僅為337.8 mm，不足田間持水量的50%(表1)。與傳統耕作處理相比，免耕覆蓋處理小麥收獲時土壤貯水量增加-11.3～41.4 mm，平均增加15.4 mm，玉米收獲時免耕覆蓋下土壤貯水量增加-9.3～57.8 mm，平均增加18.0 mm，有效緩解了旱作小麥-玉米周年生產中水分供需矛盾。

表1 免耕覆蓋下小麥、玉米收獲時土壤貯水量年際間變化

2.2 免耕覆蓋對旱地小麥、玉米產量構成因素的影響

與傳統耕作處理相比，2004—2018年免耕覆蓋處理小麥穗數平均增加13.5萬穗/hm2，增幅為3.26%；穗粒數平均增加1.8粒，增幅為6.38%；千粒質量提高1.5 g，增幅為3.56%(表2)。玉米穗數平均增加0.23萬穗/hm2，增幅為5.57%；穗粒數平均增加37粒，增幅為8.45%；千粒質量平均提高20.1 g，增幅為8.11%(表3)。從產量構成因素在不同年份間的變化看，小麥穗數變化最大，其次為穗粒數，千粒質量變化最小；玉米千粒質量變化最大，其次為穗粒數，穗數變化最小。

表2 免耕覆蓋對旱地小麥產量構成因素的影響

表3 免耕覆蓋對旱地玉米產量構成因素的影響

2.3 免耕覆蓋對旱地小麥-玉米周年產量的影響

連續14 a試驗結果表明，傳統耕作處理小麥產量平均為3 909 kg/hm2，玉米產量平均為4 305 kg/hm2；免耕覆蓋處理小麥產量平均提高12.43%，玉米產量平均提高24.02%，小麥-玉米周年產量平均提高18.50%(表4)。不同年份間，當小麥產量低于4 500 kg/hm2時，免耕覆蓋處理增產效果較大。

表4 免耕覆蓋對旱地小麥、玉米產量的影響

2.4 免耕覆蓋對旱地小麥-玉米周年水分利用效率的影響

由表5可知，免耕覆蓋處理下，小麥水分利用效率介于0.500～1.914 kg/m3，平均為1.312 kg/m3，較傳統耕作處理平均提高10.9%；玉米水分利用效率介于0.393～2.421 kg/m3，平均為1.773 kg/m3，較傳統耕作處理平均提高32.1%；玉米-小麥周年水分利用效率平均為1.803 kg/m3，較傳統耕作處理平均提高20.7%。以上結果表明免耕覆蓋技術可有效提高旱地小麥、玉米水分利用效率，有利于保持旱作農田持續生產。

表5 免耕覆蓋對旱地小麥、玉米水分利用效率的影響

3 結論與討論

3.1 免耕覆蓋可改善旱作小麥-玉米周年土壤水分狀況

旱作條件下作物消耗的水一方面來自播種時土壤儲存的水，另一方面來自于作物生長期間的自然降水。因此，增加播種時的土壤水分存儲量是保證作物穩健生長的關鍵。一些研究表明，免耕覆蓋可增加播種時的土壤貯水量[17]。在本研究中，相比于傳統耕作處理，免耕覆蓋處理明顯提高了小麥、玉米成熟期土壤貯水量。其主要原因一方面在于土壤上的秸稈使土壤表面絕緣，限制了土壤與空氣之間的水交換，從而減少蒸發引起的土壤水分流失[18]。另一方面，秸稈覆蓋物還可以通過改善水的滲透性、水力傳導率及土壤水的吸附性來改善土壤特性及水分的傳輸[19]。

3.2 免耕覆蓋可提高旱地小麥-玉米周年產量

對于谷類作物，產量構成因素之間的協調發展是實現作物高產的基礎[20-21]。免耕覆蓋可提高土壤溫度并阻止土壤水分流失，提高土壤水分含量，從而促進作物生長發育，提高作物生產能力[6]。連續14 a定位試驗表明，與傳統耕作處理相比，免耕覆蓋處理分別提高小麥、玉米產量12.43%、24.02%，這與蔡艷等[22]、丁昆侖等[23]的研究結果一致。從兩季作物看，免耕覆蓋處理在玉米上的應用效果優于小麥，這與玉米生長季降雨量大有關。受降雨量及降雨分布的影響，免耕覆蓋技術的應用效果年度間變化較大，當小麥產量低于4 500 kg/m3時增產效果更為明顯。

3.3 免耕覆蓋可提高旱地小麥-玉米周年水分利用效率

降雨量少且水分利用效率偏低是制約旱地作物生產的主要因素[24-25]。免耕覆蓋可提高土壤水分含量，增加土壤保水性，提高作物對土壤水分的利用效率[26]。有研究顯示，免耕覆蓋可降低土壤蒸發和蒸散，進而減少水分流失，提高作物水分利用效率[27]。也有研究表明，干旱地區通過免耕覆蓋可促進作物產生更深的根系，增加蒸騰速率，進而提高干旱脅迫下土壤水的有效利用[28]。本研究中，免耕覆蓋處理明顯提高了小麥、玉米水分利用效率，其中小麥水分利用效率平均提高10.9%，玉米水分利用效率平均提高32.1%，周年水分利用效率平均提高20.7%，這與陳宇等[29]的研究結果一致。免耕覆蓋處理作物水分利用效率的提高主要是免耕覆蓋減少了水分蒸發，增加了植物根部區域土壤儲水，部分抵消了周年生產中的水分虧缺，進而提高作物產量和水分利用效率[30-31]。可見，免耕覆蓋通過提高土壤對降水的利用率、減少土壤水分散失，有效地協調了作物不同生育階段及不同作物之間的水分供需，有利于增強作物生產的穩定性，是豫西旱作區小麥-夏玉米周年穩定生產的重要措施。