耕作与保墒措施对小麦不同生育阶段水分利用及产量的影响

杨永辉，武继承，张玉亭，潘晓莹，丁晋利，张洁梅，何 方，王 越

（1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南郑州 450002；2.农业部作物高效用水科学观测实验站，河南原阳 453514；3.郑州师范学院，河南郑州 450044）

耕作与保墒措施对小麦不同生育阶段水分利用及产量的影响

杨永辉1，2，武继承1，2，张玉亭1，潘晓莹1，2，丁晋利3，张洁梅1，2，何 方1，2，王 越1，2

（1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南郑州 450002；2.农业部作物高效用水科学观测实验站，河南原阳 453514；3.郑州师范学院，河南郑州 450044）

为探明不同耕作与保墒措施下冬小麦不同生育阶段的水分利用特征，采用田间试验，研究了普通耕作、深松、秸秆覆盖、保水剂、有机肥等措施对小麦不同生育阶段的耗水量、干物质积累量、水分利用及产量等的影响。结果表明，在小麦不同生育阶段均以秸秆覆盖和深松处理的保墒、储水效果较佳。在小麦整个生育期中，有机肥处理的耗水量最大，而深松和秸秆覆盖处理较少。在小麦拔节期前，有机肥处理更利于干物质的积累；在小麦拔节-孕穗期，以保水剂和深松处理积累的干物质量较高。孕穗期以后，秸秆覆盖处理的干物质积累量均高于其他处理，且秸秆覆盖处理在小麦全生育期的干物质积累量也较高。除返青-拔节期和孕穗-扬花期外，小麦不同生育阶段的水分利用效率均以秸秆覆盖处理最高，且其产量和水分生产效率均高于其他处理，其产量较普通耕作提高了50.9%，水分生产效率提高了11.7 kg/（mm·hm2）。综上所述，秸秆覆盖处理较其他措施更能有效地改善小麦不同生育阶段的水分环境，从而促进小麦产量和水分利用率的提高。

耕作；保墒；生育阶段；干物质量；水分利用

水分是限制作物生长、发育及农业生产力提高的重要因素之一［1］。了解作物不同生育阶段对水分的需求状况，对提高作物水分利用效率和实施科学节水补灌具有重要意义。耕作与保墒措施对于改善旱作农业区的土壤水分环境，促进作物生长，提高水分利用率及产量具有重要意义。研究表明，不同耕作及保墒措施可调节作物不同生育时期地上及地下的生长状况，干物质积累以及分配状况等，最终影响作物的产量［2-5］。深耕能够打破犁底层，增加土壤耕作层的厚度，降低土壤容重，改善土壤孔隙度状况，促进土壤蓄水能力的提高和作物根系的下扎能力，提高土壤深层水利用率。而采用合理的保墒措施，如：秸秆覆盖可提高土壤有机质含量，改善土壤结构，从而增强土壤的蓄水能力，提高土壤含水率［6］；还可调节土壤温度，控制土壤水分蒸发，提高土壤水分利用率［7］。而采用合理土壤改良和保水措施也有利于土壤水分环境的改善，增强作物的抗旱机能，促进作物生长。例如，通过施用有机肥可培肥地力，增强土壤的蓄水和保水能力，从而提高作物光合能力、产量及水分利用效率［8-14］。此外，施用保水剂能够提高土壤蓄水、保肥及保墒能力，从而改善作物的生理功能［15-16］，减少或减缓作物的干旱胁迫，促进作物不同生育阶段的干物质积累量［17］、产量及水分利用率［18］。有关不同耕作、保墒措施对作物产量及水分利用率影响的研究较多［19-22］，但不同耕作、保墒措施对小麦不同生育阶段的耗水特征、干物质积累特征及水分利用特征影响的研究鲜见报道。因此，本试验采用秸秆覆盖、深松、有机肥及保水剂等措施，研究了冬小麦不同生育阶段的耗水、干物质积累及水分利用等特征，以期阐明不同耕作与保墒措施对小麦生长过程的影响及其作用机制，为优化和应用合理的耕作与保墒技术提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验在河南省开封市通许县节水农业试验示范基地（114°26′58.47′E′、34°25′44.26′′N）进行，海拔62 m。该地区属温暖带半干旱型气候，年降水量657.9 mm，其中68.8%集中在6-9月份，年际变化大，地表径流丰枯年份悬殊，旱涝灾害频发，旱灾多于涝灾。地下水深度为15～20 m。试验地土壤为潮土，肥力均匀，地势平坦，耕层含有机质11.4 g/kg、全氮0.81 g/kg、碱解氮74.31 mg/kg、速效磷19.8 mg/kg、速效钾90.3 mg/kg。种植方式为小麦、玉米轮作。

1.2 试验设计

试验共设置5个处理，即普通耕作处理：犁地、旋耕，耕作深度20 cm；深松处理：耕作深度30 cm；秸秆覆盖处理：采用普通耕作，将玉米秸秆粉碎成1 cm，于小麦出苗2周后将4 500 kg/hm2玉米秸秆均匀撒于麦行之间；保水剂处理：将45 kg/hm2白色粉末状聚丙烯酰胺类物质（保水剂）撒于试验小区后进行普通耕作；有机肥处理：将750 kg/hm2鸡粪（含氮、磷、钾量分别为1.5%，1.2%，0.8%）均匀撒于试验小区后进行普通耕作。每个处理3次重复，随机区组排列。小区面积为33.6 m2，小区间隔为60 cm。所有处理的总氮、磷、钾用量相同，过磷酸钙（P2O5，105 kg/hm2）和钾肥（K2O，75 kg/hm2）于播种前底施；氮肥（N，225 kg/hm2）底施50%，拔节期追施30%（同时灌水，灌水量为600 m3/hm2），灌浆期追施20%（同时灌水，灌水量为600 m3/hm2）。小麦品种为矮抗58，于2013年10月17日播种，播种量为195 kg/hm2，2014年6月5日收获。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤含水量 在小麦不同生育时期，采用土钻分别采集0～20，20～40，40～80，80～100 cm土层土壤，采用烘干法测定土壤含水量，并计算0～100 cm土层土壤储水量、生育期耗水量。其中，0～100 cm土层土壤储水量为0～20，20～40，40～80，80～100 cm土层土壤含水量之和，生育期耗水量=播种前0～100 cm土层土壤储水量+生育期内降雨量+生育期内灌水量-收获时0～100 cm土层土壤储水量。

1.3.2 小麦生物量、株高、产量及其构成因素 分别在返青、拔节、孕穗、扬花和收获期采取1 m双行植株样，采用烘干法测定小麦不同生育时期的生物量，并计算水分利用效率，水分利用效率=生育期内干物质积累量/生育期耗水量。收获期，随机取小麦样品10株进行考种，每小区收获4 m2测产，并计算水分生产效率，水分生产效率=籽粒产量/全生育期耗水量。

1.4 数据处理

试验结果为3次重复的平均值，应用SPSS软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 不同处理对小麦不同生育时期土壤储水量的影响

从表1可知，不同耕作、保墒处理下，小麦不同生育时期的土壤储水量总体表现为：返青期＞孕穗期＞扬花期＞收获期＞拔节期。在小麦返青期，以秸秆覆盖处理0～100 cm土层土壤储水量最高，显著高于其他处理，其次为深松处理，有机肥处理最低；在拔节期，仍以秸秆覆盖处理土壤储水量最高，其次为保水剂处理，两者差异不显著，但均显著高于其他处理，普通耕作处理最低；到孕穗期，秸秆覆盖处理的土壤储水量仍最高，其次为深松处理，两者差异不显著，但均显著高于其他和普通耕作处理，有机肥处理最低；在扬花期，以保水剂处理的土壤储水量最高，显著高于其他处理，其次为深松和普通耕作处理，有机肥处理仍最低；到收获期，以深松处理的土壤储水量最高，显著高于其他处理，其次为秸秆覆盖处理，有机肥处理最低。说明，在小麦不同生育时期，不同耕作与保墒措施的保墒能力存在一定的差异，各处理中，以秸秆覆盖和深松处理保墒、储水效果较佳，分别较对照增加了27.5%和31.7%。这是因为秸秆覆盖减少了阳光对地面的直接照射，从而降低了土面的温度，减少了土面水分的蒸发，而深松促进了水分向更深土层的入渗而减少了水分的蒸发。

表1 不同处理下小麦不同生育时期0～100 cm土壤储水量Tab.1 Soil water storage of 0-100 cm of d ifferen t treatm en ts at different grow th stages of wheat mm

2.2 不同处理对小麦不同生育阶段耗水量的影响

由表2可知，普通耕作处理以扬花-收获期耗水量最高，其次为返青-拔节期和播种-返青期，其他生育阶段耗水量较少。在播种-返青期，以有机肥处理耗水量最大，显著高于其他处理，保水剂处理次之，秸秆覆盖处理最低，深松处理次之；在返青-拔节期，以普通耕作处理耗水量最大，显著高于其他处理，其次为深松和秸秆覆盖处理，有机肥和保水剂处理较小；在拔节-孕穗期，仍以有机肥处理耗水量最大，显著高于其他处理，其次为保水剂处理，深松处理最低，秸秆覆盖处理次之；在孕穗-扬花期，秸秆覆盖处理耗水最大，显著高于其他处理，这可能是秸秆覆盖处理条件下小麦长势较佳而水分蒸腾作用较大所致，而以保水剂处理最低；在扬花-收获期，以保水剂处理耗水量最大，显著高于其他处理，其次为普通耕作处理，秸秆覆盖处理耗水量最少，深松处理次之。在小麦整个生育期中，以有机肥处理的耗水量最大，深松和秸秆覆盖处理耗水量较少。说明，进行秸秆覆盖或深松更利于促进保墒和减少水分的消耗。从小麦不同生育阶段的耗水量来看，其间的降雨量均无法满足小麦对水分的需要，而必须进行补灌和利用土壤中的水分才能维持其正常生长。

表2 不同处理下小麦不同生育阶段的耗水量Tab.2 W ater consum p tion of different treatm ents at d ifferen t grow th stages of wheat mm

2.3 不同处理对小麦不同生育阶段干物质量积累的影响

由表3可知，小麦各生育阶段的干物质积累量表现为：拔节-孕穗＞扬花-收获＞孕穗-扬花＞播种-返青＞返青-拔节。在播种-返青期，小麦干物质量表现为有机肥处理＞深松处理＞秸秆覆盖处理＞保水剂处理＞普通耕作处理，其中仅有机肥处理与深松处理差异不显著，其他各处理之间的差异均达到显著水平；在返青-拔节期，干物质量表现为有机肥处理＞秸秆覆盖处理＞保水剂处理＞深松处理＞普通耕作处理，各处理之间差异均显著；在拔节-孕穗期，干物质量表现为保水剂处理＞深松处理＞秸秆覆盖处理＞有机肥处理＞普通耕作处理，各处理之间差异均显著；在孕穗-扬花期，干物质量表现为秸秆覆盖处理＞保水剂处理＞有机肥处理＞深松处理＞普通耕作处理，各处理之间的差异均显著；在扬花-收获期，干物质量表现为秸秆覆盖处理＞保水剂处理＞有机肥处理＞深松处理＞普通耕作处理，其中仅保水剂处理与有机肥处理之间的差异不显著，其他处理之间的差异均达到显著水平。小麦总干物质量以保水剂和秸秆覆盖处理较高，两者差异不显著，其次为深松和有机肥处理，普通耕作处理最低。说明，不同耕作、保墒措施有效地提高了小麦不同生育阶段及总干物质量，且总体以秸秆覆盖处理效果较佳。

表3 不同处理小麦不同生育时期干物质量Tab.3 Biom ass of different treatm ents in different grow th stages of wheat kg/hm2

2.4 不同处理对小麦不同生育时期水分利用效率的影响

由表4可知，随小麦生育期的推进，普通耕作处理的水分利用效率表现为先增后降的趋势；深松处理表现为先增后降再增的趋势；秸秆覆盖处理表现为先降低后增再降再增的趋势；保水剂和有机肥处理表现为先增后降再增再降的趋势。在播种-返青期，小麦水分利用效率表现为秸秆覆盖处理＞有机肥处理＞保水剂处理＞普通耕作处理＞深松处理，各处理之间差异显著；在返青-拔节期，小麦水分利用效率表现为有机肥处理＞秸秆覆盖处理＞保水剂处理＞普通耕作处理＞深松处理，各处理之间差异显著；在拔节-孕穗期，小麦水分利用效率表现为秸秆覆盖处理＞有机肥处理＞保水剂处理＞深松处理＞普通耕作处理，其中仅普通耕作处理与深松处理之间的差异不显著，其他处理之间的差异均达到显著水平；在孕穗-扬花期，小麦水分利用效率表现为有机肥处理＞秸秆覆盖处理＞保水剂处理＞普通耕作处理＞深松处理，仅保水剂和秸秆覆盖处理之间差异不显著；而在扬花-收获期，小麦水分利用效率表现为秸秆覆盖处理＞有机肥处理＞深松处理＞保水剂处理＞普通耕作处理，各处理之间差异均显著。小麦整个生育期的水分利用效率表现为秸秆覆盖处理＞深松处理＞保水剂处理＞有机肥处理＞普通耕作处理，其中秸秆覆盖处理与深松处理差异不显著，但均显著高于其他处理。综上所述，深松和秸秆覆盖处理全生育期的水分利用效率均显著高于其他耕作、保墒措施，表明深松和秸秆覆盖处理具有较强的蓄水保墒和促进小麦水分利用的作用，其总水分利用效率较普通耕作分别提高了47.9%和46.9%。

表4 不同处理小麦不同生育时期水分利用效率Tab.4 W ater use efficiency of d ifferen t treatm en ts in different grow th stages of wheat kg/（mm·hm2）

2.5 不同处理对小麦产量及水分生产效率的影响

由表5可知，与普通耕作处理相比，不同耕作、保墒处理总体上均提高了小麦的株高、成穗数、穗长、小穗数、穗粒数、千粒质量等，且小麦穗长、小穗数及穗粒数以秸秆覆盖处理最佳，其次为保水剂、有机肥和深松处理；进而显著地提高了小麦产量，也以秸秆覆盖处理最高，较普通耕作处理显著提高了50.9%，其次为有机肥、深松、保水剂处理，分别较普通耕作处理增产38.6%，35.3%，33.2%；显著提高了小麦的水分生产效率，仍以秸秆覆盖处理最高，较普通耕作处理提高了11.7 kg/（mm·hm2），其次为深松、有机肥、保水剂处理，分别比普通耕作处理提高了9.6，4.9，4.8 kg/（mm·hm2）。说明，秸秆覆盖较其他措施能更有效地改善小麦生产要素，提高小麦产量和水分生产效率。

表5 不同处理对小麦株高和产量及水分生产效率的影响Tab.5 Effects of different treatm ents on p lan t height，yield and water use of w heat

2.6 小麦不同生育阶段耗水量、生物量、水分利用效率与产量及水分生产效率的相关性

由表6可以看出，小麦产量与孕穗-扬花期的耗水量呈显著正相关，与播种-返青、返青-拔节、孕穗-扬花、扬花-收获期的生物量呈显著正相关，与拔节-孕穗和扬花-收获期的水分利用效率呈显著正相关。小麦水分生产效率与孕穗-扬花期的耗水量以及孕穗-扬花和扬花-收获期的生物量呈显著正相关，而与扬花-收获期的耗水量呈显著负相关，与扬花-收获期的水分利用效率呈显著正相关。说明小麦不同生育阶段的生物量对产量和水分生产效率影响较大，尤其是孕穗期以后，而扬花期以后的水分利用效率的提高有利于小麦产量和水分生产效率的提高。

表6 小麦不同生育时期耗水量、生物量、水分利用效率与小麦产量及水分生产效率的相关性Tab.6 Relationships of water consum p tion，biom ass and w ater use efficiency w ith yield and water production efficiency of wheat at d ifferent grow th stages

3 结论与讨论

小麦不同生育阶段的土壤水分、有机物积累、水分利用特征因其自身的生物学特性以及外界环境（水分条件）的影响存在一定差异［23］。秸秆覆盖、深松及施用保水剂和有机肥可改善土壤结构［24］，促进土壤水分蓄存［25］，且深松可有效降低土壤容重［26］，促进水分向更深层入渗［27］，减少土面蒸发量，从而可有效缓解因干旱胁迫给作物带来的伤害，促进小麦对水分的吸收与利用［28］。本试验发现，在小麦不同生育阶段吸收利用水分的过程中，以秸秆覆盖和深松处理保墒、储水效果较佳，其在小麦收获时的储水量分别较对照增加了27.5%和31.7%。而试验结果表明，二者相结合更利于作物产量与水分利用效率的提高［28］。

明确作物不同生育阶段的耗水规律，可确定作物的补灌量及补灌时期。本试验发现，除播种-返青期的降雨量能够基本满足深松、秸秆覆盖、普通耕作处理的小麦生长需要外，其他生育阶段降雨亏缺较大，尤其是返青-拔节期，作物需要利用土壤中的水分或进行补灌才能满足其生长需要。在小麦整个生育期中，以有机肥处理的耗水量最大，这可能是因为有机肥处理增加了小麦的蒸腾速率所致［22］。深松和秸秆覆盖处理的耗水量较其他处理少。由此说明，进行秸秆覆盖或进行深松更利于促进保墒和减少水分的消耗。

冬小麦不同生育阶段的干物质积累量与水分利用效率存在一定的差异。各生育阶段小麦的干物质积累量表现为拔节-孕穗＞扬花-收获＞孕穗-扬花＞播种-返青＞返青-拔节。在小麦拔节期前，有机肥处理更利于干物质的积累。在小麦拔节-孕穗期，保水剂和深松处理积累的干物质量较高。在孕穗-扬花期和扬花-收获期，秸秆覆盖处理的干物质积累量显著高于其他处理。小麦全生育期的水分利用效率以秸秆覆盖处理最高，较普通耕作处理提高了47.9%，表明秸秆覆盖处理较其他处理具有较强的蓄水保墒和促进小麦水分利用的作用。

本试验发现，不同耕作与保墒措施总体上均提高了小麦的产量及水分生产效率。各处理中，以秸秆覆盖处理的产量最高，较普通耕作处理提高了50.9%，其次为有机肥、深松及保水剂处理，较普通耕作处理增产38.6%，35.3%，33.2%；而小麦的水分生产效率仍以秸秆覆盖处理最高，较普通耕作处理提高了11.7 kg/（mm·hm2），其次为深松、有机肥、保水剂处理。试验结果说明，秸秆覆盖较其他措施更能有效提高小麦产量和水分生产效率。这与近年来的一些研究结论相反［29-31］，这可能与秸秆覆盖的时间、覆盖方式、秸秆大小及秸秆腐熟程度有关，需要进一步研究。

对小麦不同生育阶段耗水量、生物量、水分利用效率与产量及水分生产效率进行相关分析发现，总体上小麦不同生育阶段的生物量对产量和水分生产效率影响较为显著，尤其在孕穗期，而采用有效措施提高扬花期以后的小麦水分利用效率，对于提高小麦产量和水分生产效率更有效。

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Effects of Tillage，M oisture Conservation on W ater Use and Yield in W heat at Different G row th Stages

YANG Yonghui1，2，WU Jicheng1，2，ZHANG Yuting1，PAN Xiaoying1，2，DING Jinli3，ZHANG Jiemei1，2，HE Fang1，2，WANG Yue1，2
（1.Institute of Plant Nutrition&Resource Environment，Henan Academy of Agricultural Sciences，Zhengzhou 450002，China；2.Yuanyang Experimental Station of Crop Water Use，Ministry of Agriculture，Yuanyang 453514，China；3.Zhengzhou Normal University，Zhengzhou 450044，China）

To develop the better practices of tillage，moisture conservation and soil improvement for improving water use at different growth stages of wheat，a field experiment was conducted to investigate the effects of the conventional tillage（CK），subsoiling，straw mulching，super absorbent polymer（SAP）and organic fertilizer on water consumption，dry biomass accumulation and water utilization at different growth stages of wheat.The results showed that：at the different growth stages ofwheat，the treatments of straw mulching and subsoiling were better in preserving soilmoisture.During the whole growth period of wheat，the water consumption of the treatment of organic fertilizer was the largest in all treatments，while the consumption of the treatments of subsoiling and straw mulch was less compared with other treatments.Before jointing stage of wheat，the treatment of organic fertilizer wasmore advantageous to the accumulation of dry biomass.From jointing to booting stage，dry biomass of the treatments of SAP and subsoiling were higher than other treatments.A fter flowering grow th stage and at the whole grow th period，dry bio-mass of the treatment of straw mulching was the highest compared with other treatments.And in addition to regreening-jointing and booting-flowering stage，water use efficiency at different growth stages of the treatment of straw mulching was still the highest.The water production efficiency and the water production efficiency of the treatment of straw mulching was still highest，increased by 50.9%and 11.7 kg/（mm·ha）respectively，compared with the CK.The results of this study showed that the straw mulching could improve the water environment at different growth stages of wheat，so as to improve the yield and water utilization of wheat.

Tillage；Soilmoisture；Growth stage；Dry biomass；Water use

S512.01 文献标识码：A 文章编号：1000-7091（2016）03-0184-07

10.7668/hbnxb.2016.03.027

2016-01-26

国家自然科学基金项目（U1404404）；国家“863”计划项目（2013AA102904）；公益性行业（农业）科研专项（201203077）；国家科技支撑计划项目（2013BAD07B07）；河南省农业科学院优秀青年科技基金项目（2016YQ12）

杨永辉（1978-），男，陕西西安人，副研究员，博士，主要从事土壤生态与节水农业方面的研究。