休闲期不同耕作模式对旱地麦田土壤水分、养分及产量的影响

陈梦楠，高志强，孙 敏，杨珍平

(山西农业大学农学院，山西太谷 030801)

休闲期不同耕作模式对旱地麦田土壤水分、养分及产量的影响

陈梦楠，高志强，孙 敏，杨珍平

(山西农业大学农学院，山西太谷 030801)

为探索适宜晋南旱地小麦高效生产的耕作模式，以晋麦92为试验材料，设置休闲期深翻/深翻、深松/深翻、深松/深松、常规耕作(对照)4个耕作模式，研究其对土壤水分及养分、作物生长和水分利用效率的影响。结果表明，深翻/深翻、深松/深翻、深松/深松模式较对照休闲末期3 m 内土壤蓄水量和土壤蓄水效率显著提高，土壤蓄水效率提高达52.5%～91.3%，以深松/深松模式较好；越冬-孕穗期3 m内土壤蓄水量提高，且深松/深松模式与对照差异显著；各生育时期单株干物质积累量提高，且越冬-拔节期深松/深松、深松/深翻模式与对照差异显著，孕穗-成熟期各耕作模式与对照差异均显著；穗数、千粒重、产量和水分利用效率显著提高，其中穗数提高22.7%～29.9%，水分利用效率提高15.1%～21.6%，产量提高39.4%～60.3%，以深松/深松模式较好；收获后0～40 cm土层土壤有机质平均含量提高2.5%～8.7%，速效磷含量提高11.1%～34.4%，碱解氮含量提高5.1%～20.2%，以深松/深松模式较好。总之，深翻/深翻、深松/深翻、深松/深松模式均能提高土壤蓄水保墒能力，改善养分供应状况，有利于促进小麦干物质积累，最终提高产量和水分利用效率，以深松/深松模式最佳。

旱地小麦；耕作模式；土壤水分；产量；土壤养分

黄土高原旱作麦区是北方粮食生产的主要地区，降水不足及其时空分布不均严重制约着作物的生长发育，也是造成该区作物产量低而不稳的关键因素。不同耕作方式通过相应的农机直接改变土壤耕层结构和土粒空间形态分布[1]，进而改变土壤理化性状[2-3]，造成土壤渗透性能和蓄水性能的差异[4]，最终影响作物生长发育。旱作区普遍采用常规耕作方式，由于过多地翻动土壤，导致土壤水分无效损失加剧和耕地土壤退化加重[4]。因此，建立合理的耕作制度对旱作区维持土壤肥力，提高土壤蓄保能力，持续增产增效有着重要的作用。免耕覆盖能促进土壤形成水稳性团聚体，改善土壤孔隙状况，减少表土水分蒸发，增加土壤的保水保肥能力，提高作物产量和水分利用效率[5]。深松能打破犁底层，降低土壤亚表层紧实度，增强土壤接纳和蓄保降水能力，同时有利于作物根系生长，从而提高产量[6-7]。李友军等[3]研究表明，深松覆盖和免耕覆盖较传统耕作麦田全年土壤蓄水量均提高，水分利用效率提高16.37%和10.62%，产量提高23.22%和15.38%。王育红等[8]研究表明，深松/深松处理较传统耕作小麦增产约18.8%，水分利用效率提高约16.8%。党友建等[9]研究表明，深翻能增强土壤渗水和保水能力，提高小麦冬前总茎数和成穗数，为实现高产奠定基础。但不同耕作方式均有其弊端，因此适时的对深松、深翻等措施进行合理的组合与轮换，形成一套与当地旱作种植制度相适应的耕作技术体系，是解决连续单一耕作诸多弊端的有效措施。针对以上问题，前人已做了不少研究[10-13]，但由于小麦品种特性、土壤理化性质和生态环境条件等方面的不同，研究结果具有明显的地域特点。为此，本研究在休闲期实施不同的耕作模式，设置深翻/深翻、深翻/深松、深松/深松和常规耕作4种处理，研究休闲期不同耕作模式对旱地冬小麦土壤水分蓄积、产量及水分利用效率和收获后土壤养分的影响，以期为晋南旱作麦区寻求合理的耕作技术体系提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于黄土丘陵沟壑区的闻喜邱家岭村旱作试验站，该区海拔630 m，年平均降水量 471.1 mm，年平均气温12.9 ℃，年平均日照2 242.0 h，无霜期190 d，属于典型的暖温带半湿润大陆性季风气候。试验田为旱地，无灌溉条件，试验地耕层0～20 cm基础养分：土壤有机质8.7 g·kg-1，全氮0.97 g·kg-1，碱解氮48.3 mg·kg-1，速效磷16.4 mg·kg-1，速效钾108.7 mg·kg-1。试验区年均降水量约60%集中在7-9月，且期间气温较高(图1)。

1.2 试验设计

本团队于2013年6月至2014年6月进行了第一年冬小麦耕作试验， 本试验在第一年的基础上，于2014年6月至2015年6月进行第二年的耕作试验，供试品种为晋麦92，试验设置4种耕作模式：(1)深翻/深翻(DT/DT)：连续两年前茬小麦收获后进行深翻处理；(2)深松/深翻(ST/DT)；第1年前茬小麦收获后进行深松处理，第2年前茬小麦收获后进行深翻处理；(3)深松/深松(ST/ST)：连续两年前茬小麦收获后进行深松处理；(4)对照(CK)：连续两年前茬小麦收获后进行传统翻耕处理。采用随机区组设计，小区面积40 m×4 m=160 m2，3次重复。

试验地前茬小麦收获后留茬20～30 cm，7月上旬撒施或深施有机肥1 500 kg·hm-2，同时进行耕作处理，具体操作如下：(1)传统耕作：前茬小麦收获后和当季小麦播种前均旋耕1次，耕作深度13～15 cm；(2)深翻：采用大型拖拉机牵引的深翻犁进行深翻，深度25～30 cm，使小麦秸秆和有机肥同时翻入耕层土壤，8月底进行耙耱收墒；(3)深松：采用深松施肥一体机进行深松并深施有机肥，深度30～40 cm，使秸秆均匀地覆盖在土壤表层，8月底进行耙耱收墒。播前基施氮磷钾肥，施肥量分别为纯N 150 kg·hm-2，P2O5150 kg·hm-2，K2O 150 kg·hm-2，于10月4日播种，膜际条播，行距30 cm，基本苗为225万株·hm-2。

图1 闻喜试验点降水及气温情况

1.3 测定指标与方法

土壤养分的测定：于小麦收获后(6月11日)在每个小区按5点取样法取土，测定0～20 cm和20～40 cm土层土壤养分含量。土壤有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法，碱解氮采用碱解扩散法，速效磷采用碳酸氢钠浸提法[14]。

土壤水分的测定：于休闲前后和越冬、拔节、孕穗、开花、成熟期用土钻取3 m土样，各小区分层(每20 cm为一土层)取样，采用烘干法测定土壤含水量。相关指标计算如下：

土壤含水量(%)=(湿土重-干土重)/干土重

土壤蓄水量(mm)=土壤含水量×土层厚度×土壤容重

休闲期土壤蓄水效率(%)=(休闲末期土壤蓄水量-休闲前期土壤蓄水量)/休闲期降水量

植株干物质量的测定：于越冬、拔节、孕穗、开花和成熟期等关键生育时期，每个小区选取长势均匀且具代表性的20株样本，采用烘干法测定干物质量。

产量及其构成因素的测定：于成熟期，每个小区选取具有代表性的3行，每行取2 m长调查穗数，并收获至室内调查穗粒数和千粒重；每小区收获16 m2计经济产量。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2003和SAS 9.0软件对数据进行处理和分析，并用LSD法进行显著性检验(P≤0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同耕作模式休闲期土壤蓄水保墒效果

深翻/深翻、深松/深翻、深松/深松处理和对照休闲末期较初期0～3 m土壤蓄水量分别提高150.34、171.09、188.69和98.61 mm(表1)。与对照相比，深翻/深翻、深松/深翻和深松/深松处理休闲末期0～3 m土壤蓄水量和休闲期土壤蓄水效率均显著提高，土壤蓄水量分别提高53.28、65.44和78.11 mm，土壤蓄水效率分别提高52.5%、73.5%和91.3%。可见，深翻/深翻、深松/深翻、深松/深松模式能更好地蓄积休闲期降水，提高播前底墒，以深松/深松模式蓄水保墒效果较好。

2.2 不同耕作模式对各生育时期土壤水分的影响

越冬-孕穗期0～3 m土壤蓄水量以深松/深松处理最高，深松/深翻和深翻/深翻其次，对照最低，且深松/深松处理与对照的差异达显著水平；开花期以深松/深松处理最高，深翻/深翻和深松/深翻其次，对照最低，各处理间无显著差异；成熟期以对照最高，深翻/深翻和深松/深翻处理其次，深松/深松最低，且深松/深松、深松/深翻和深翻/深翻处理与对照的差异均达显著水平(图2)。整个生育期内，深翻/深翻、深松/深翻、深松/深松处理和对照0～3 m平均土壤蓄水量分别为430.73、434.01、445.15和423.44 mm，不同耕作处理较对照分别提高7.29、10.57和21.71 mm。可见，深翻/深翻、深松/深翻、深松/深松模式能有效蓄雨保墒，其蓄水效果至孕穗期仍显著，以深松/深松模式较好。

表1 不同耕作模式对休闲期0～3 m土壤蓄水效率的影响

同一列数据后不同小写字母表示处理间差异达5%显著水平。下同。

Different small letters in the same column mean significant difference at 5% level.The same below.

图2 不同耕作模式对各生育时期0～3 m土壤蓄水量的影响

2.3 不同耕作模式对各生育时期干物质积累量的影响

整个生育期内，小麦单株干物质量积累速率以拔节-孕穗期最大，孕穗-成熟期其次，越冬-拔节期最小(图3)。各生育时期单株干物质积累量均以深松/深松处理最高，深松/深翻和深翻/深翻其次，对照最低，且越冬-拔节期深松/深松、深松/深翻处理与深翻/深翻和对照的差异达显著水平，孕穗-成熟期各处理间差异均达显著水平。可见，深翻/深翻、深松/深翻、深松/深松模式能提高植株物质生产能力，有利于干物质量的积累，为获得高产奠定基础，以深松/深松模式较好。

2.4 不同耕作模式对产量及水分利用效率的影响

与对照相比，深翻/深翻、深松/深翻、深松/深松处理穗数分别提高22.7%、27.5%、29.9%，千粒重分别提高5.1%、7.1%、6.8%，水分利用效率分别提高15.1%、17.0%、21.6%，且不同耕作处理与对照的差异均达显著水平，深松/深松处理与深翻/深翻的穗数和水分利用效率差异达显著水平；穗粒数分别提高3.3%、5.8%、7.0%，深松/深松、深松/深翻处理与对照的差异达显著水平；产量分别提高39.4%、47.4%、60.3%，各处理间差异均达显著水平(表2)。可见，深翻/深翻、深松/深翻、深松/深松模式主要通过提高穗数达到较好的增产效果和较高的水分利用效率，以深松/深松模式增产增效最为显著。

图3 不同耕作模式对各生育时期单株干物质积累量的影响

2.5 不同耕作模式对收获后土壤养分的影响

与对照相比，不同耕作处理0～40 cm土层土壤有机质、速效磷和碱解氮含量均有所增加，且0～20 cm土层土壤养分含量高于20～40 cm。在0～20 cm土层，与对照相比，深翻/深翻处理的速效磷含量显著提高，深松/深翻处理的速效磷和碱解氮含量显著提高，深松/深松处理的3个指标均显著提高；在20～40 cm土层，深松/深翻、深松/深松处理的有机质、碱解氮含量较对照显著提高(表3)。深翻/深翻、深松/深翻、深松/深松处理较对照0～40 cm土层土壤有机质平均含量分别提高2.5%、7.3%、8.7%，速效磷提高11.1%、14.3%、34.4%，碱解氮提高5.1%、11.6%、20.2%。可见，深翻/深翻、深松/深翻、深松/深松模式能维持较高的有机质含量，并且提高氮素磷素的有效性，以满足小麦生长发育的养分需求。

表2 不同耕作模式对产量与水分利用效率的影响

表3 不同耕作模式对收获后0～40 cm土壤养分含量的影响

3 讨 论

保护性耕作能提高土壤的蓄水保水能力，创造出适宜作物生长的土壤水分环境，有利于增产增收，在农业可持续发展中起重要作用[15]。秦红灵等[16]研究表明，休闲期采用保护性耕作技术可以蓄积夏季降水于土壤深层，起到伏雨春夏用的作用，有利于作物后期生长。侯贤清等[17]研究表明，休闲期深松和翻耕处理能有效蓄雨保墒，提高旱地麦田播前土壤蓄水量，以深松处理较好，其2 m内播前土壤蓄水量达310.8 mm，蓄水效率达34.57%。本研究表明，休闲期深翻/深翻、深松/深翻和深松/深松模式较传统耕作显著提高休闲末期0～3 m土壤蓄水量和休闲期土壤蓄水效率，土壤蓄水量分别提高53.28、65.44和78.11 mm，土壤蓄水效率分别提高52.5%、73.5%和91.3%，以深松/深松模式较好。这可能是因为休闲期连年深松降低了对土壤结构的破坏程度，同时结合麦茬秸秆覆盖，能有效减少水分蒸发，更有利于土壤蓄水保水。

休闲期不同耕作模式对小麦生育期间土壤水分的有效性有较大影响[18-19]。尚金霞等[20]研究表明，冬闲期免耕/免耕、深松/深松处理玉米田0～2 m平均土壤贮水量较翻耕分别提高33.4、31.1 mm。张玉娇等[11]研究表明，在30 年定量模拟研究期间，夏闲期免耕/深松、翻耕/深松处理较连续翻耕麦田全年3 m内土壤平均有效含水量提高28.7%、27.2%，休闲期平均有效贮水量提高7.1%、5.6%。本试验研究表明，夏闲期深翻/深翻、深松/深翻、深松/深松模式较传统耕作提高全生育期内0～3 m平均土壤蓄水量，分别达7.29、10.57和21.71 mm，其中越冬-孕穗期土壤蓄水量与对照差异显著。可见，休闲期采用合理的耕作模式能提高各生育时期土壤蓄水量，其蓄水效果至孕穗期仍较明显，且以深松/深松模式较好，这与陈宁宁等[1]的研究结果较为一致。

合理的耕作制度能改善土壤物理性状，提高土壤蓄水保墒能力，为小麦出苗提供良好的土壤环境，促使有效穗数和穗粒数的增加，从而显著增加旱地冬小麦的产量[10]。侯贤清等[17]研究表明，休闲期深松和翻耕能提高旱地冬小麦产量和水分利用效率。王 靖等[21]研究表明，深松能有效延长小麦叶片的光合功能期，加强籽粒灌浆速率和强度，最终通过提高穗粒数和千粒重达到增产。李 涛等[22]研究表明，深耕深翻处理更能促进小麦根系和植株生长，叶面积系数较大，有利于干物质量的形成与积累。孔凡磊等[13]研究表明，免耕/深松处理能为小麦生长创造适宜的土壤环境，有利于种子萌发和植株生长发育，形成高产的小麦群体。本试验研究表明，休闲期深翻/深翻、深松/深翻和深松/深松模式较传统耕作能提高各生育时期单株干物质量，最终产量显著提高39.4%、47.4%、60.3%，水分利用效率显著提高15.1%、17.0%、21.6%，以深松/深松模式较好。一方面可能是因为深松可以充分蓄积利用休闲期降水和生育期降水，提高土壤水分的有效性，促进作物生长；另一方面可能是因为深松能打破犁底层并加深耕层，改善土壤的通透性，促进作物根系生长[23-24]，更好地吸收深层土壤水分用于小麦物质生产，进而提高水分利用效率。

研究表明，连续保护性耕作后土壤养分与土壤搅动程度有关，扰动程度越低，土壤养分越高[25]，且随着土层的加深呈降低趋势[26]。马 林等[27]研究表明，免耕秸秆覆盖能有效提高土壤有机质、速效磷和碱解氮含量；黄 明等[28]研究表明，深松覆盖处理较传统耕作能提高土壤有机质和氮、磷、钾等养分含量。本研究表明，休闲期深翻/深翻、深松/深翻、深松/深松模式较传统耕作收获后0～40 cm土层土壤有机质平均含量分别提高2.5%、7.3%、8.7%，速效磷提高11.1%、14.3%、34.4%，碱解氮提高5.1%、11.6%、20.2%，以深松/深松模式较好。本研究还表明，休闲期不同耕作模式0～20 cm土层有机质、碱解氮、速效磷平均含量均高于20～40 cm，与前人研究结果一致[26]。

4 结 论

深翻/深翻、深松/深翻和深松/深松模式较传统耕作显著提高休闲末期3 m 内土壤蓄水量，显著提高休闲期土壤蓄水效率，达52.5%～91.3%，且蓄水效果至孕穗期仍显著；提高各生育时期干物质量和产量及其构成因素，其中穗数提高22.7%～29.9%，产量提高39.4%～60.3%，最终水分利用效率提高15.1%～21.6%；提高收获后土壤0～40 cm土层有机质、速效磷和碱解氮平均含量，以深松/深松模式蓄水增产保肥的效果较好。总之，深松/深松模式在晋南旱作麦区可多蓄存78.11 mm水分，增产60.3%，是相对较适宜该区高效生产的耕作模式。

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Effect of Different Tillage Systems during Fallow Period on Soil Water，Nutrient Content and Wheat Yield in Dryland

CHEN Mengnan,GAO Zhiqiang,SUN Min,YANG Zhenping

(College of Agriculture,Shanxi Agriculture University,Taigu,Shanxi 030801,China)

In order to explore the suitable tillage systems in dryland for high efficiency wheat production in Jinnan,four systems,including DT/DT (2-year continuous deep plowing during fallow period),ST/DT (2-year rotational subsoiling and deep plowing during fallow period),ST/ST (2-year continuous subsoiling during fallow period) and CK (2-year continuous conventional tillage system during fallow period) were applied.The study was conducted with Jinmai 92 to determine the effect of different tillage systems on soil water storage and nutrient content,crop growth and water use efficiency.The results showed that compared with CK,DT/DT,ST/DT and ST/ST significantly increased soil water storage in the 0-3 m depth after fallow period and soil water storage efficiency.And soil water storage efficiency was increased by 52.5% to 91.3%.The effect of ST/ST on water storage was better.Compared with CK,DT/DT,ST/DT and ST/ST increased soil water storage in the 0-3 m depth from over-wintering stage to booting stage,on which the effect of ST/ST was significant.Compared with CK,DT/DT,ST/DT and ST/ST increased dry weight per plant at different growth stages.Compared ST/ST and ST/DT with CK from over-wintering stage to elongation stage,the effect was significant.And the effect of different tillage systems was significant at booting and maturing stages.Compared with CK,DT/DT,ST/DT and ST/ST significantly increased spike number,1 000-grain weight,yield and water use efficiency.Spike number,water use efficiency and yield were increased by 22.7% to 29.9%,15.1% to 21.6%,and 39.4% to 60.3%,respectively,on which the effects of ST/ST were better.Compared with CK,DT/DT,ST/DT and ST/ST improved soil average nutrient content in 0-40 cm depth after harvest.Organic matter content,available phosphorus content and alkali-hydrolyzable nitrogen content were improved by 2.5% to 8.7%,11.1% to 34.4%,and 5.1% to 20.2%,respectively,on which the effect of ST/ST was better.In conclusion,DT/DT,ST/DT and ST/ST could improve soil water storage capacity and soil nutrient supply status,and promote the accumulation of wheat matter,which was favorable for improving grain yield and water use efficiency.The ST/ST system was optimal.

Dryland wheat; Tillage systems; Soil water; Yield; Soil nutrient content

时间：2017-05-12

2017-01-12

2017-02-19

国家科技支撑计划项目(2015BAD23B04)；国家公益性行业(农业)科研专项(201303104)；国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-03-01-24)；国家公益性行业(农业)科研专项(201503120)；山西省研究生教育创新项目(2016SY025)

E-mail：chenmengnan2010@163.com

高志强(E-mail: gaozhiqiang1964@126.com)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)05-0680-07

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170512.2001.030.html