黄土高原休闲期深松后覆盖播种对旱地小麦产量的影响

2019-05-17杨清山高志强张慧芋梁艳妃李念念

干旱地区农业研究 2019年2期

杨清山，孙敏，高志强，张慧芋，张娟，梁艳妃，李念念

(山西农业大学农学院，山西太谷 030801)

山西省黄土高原半干旱地区自然降雨大约60%集中在小麦夏闲期(7-9月)，如何运用合理的耕作与覆盖措施，充分接纳与利用有限水资源来解决本省小麦因水分亏缺而低产的问题，是本省农业生产一直关注的主要课题[1-2]。前人关于旱地小麦耕作蓄水与覆盖保水的理论研究与技术研发两方面均已取得了较大进展。休闲期深松可改善土壤结构，增加土壤对降水的蓄积能力，提高冬小麦播前土壤含水量[3-4]。周兴祥等[5]与杨永辉等[6]研究均表明，休闲期深松有利于加快土壤水分入渗速度，改善土壤水分状况，影响冬小麦的生育特性，优化产量构成，提高产量。黄明等[7]研究表明，休闲期深松较传统耕作分别提高开花期、灌浆期0～40 cm土层土壤水分含量6%和9%，均提高产量9%。赵亚丽等[8]对黄淮海地区土壤耕作方式的研究表明，深松较传统耕作提高冬小麦产量10%、水分利用效率7%。可见，旱地麦田采用深松有较好的蓄水增产效果。自从中国引入地膜覆盖栽培技术后，其蓄水保墒及增产作用显著，已被生产认可并应用[9-11]。陈梦楠等[12]研究表明，应用地膜覆盖栽培技术有利于土壤有效含水量的增加，实现增产。李儒等[13]研究表明，黄土高原旱作区地膜覆盖较不覆盖能提高降水生产效率，协调土壤孔隙中水分和空气的占比关系，提高了产量和水分利用效率。白丽婷等[14]针对渭北旱塬区地膜栽培技术研究表明，地膜覆盖较不覆盖显著增加了冬小麦的成穗数，穗粒数也有一定的增加，进而提高小麦产量8%～22%，提高水分利用效率13%～14%，且干旱年份覆膜优势较明显。刘晓伟等[15]针对甘肃旱作农业区研究表明，全膜覆土穴播较常规条播能提高0～60 cm土壤含水量，有较明显的保墒效果，提高产量、水分利用效率分别达33%、22%。但李凤民等[16]研究表明，地膜覆盖技术的应用尤其在干旱年份，会造成穗数不足，导致小麦减产。休闲期耕作蓄水和播种覆盖保墒为旱地水分调控的两类主要技术，深松耕作可有效提高底墒，并加深耕层，促进根系深扎，避免地膜覆盖播种造成的弊端。前人研究多注重于单方面耕作蓄水或覆盖的蓄水保墒与增产技术，二者结合的研究较少。为此，本研究分析了休闲期深松蓄水提高底墒结合覆盖播种对土壤水分、产量和水分利用效率的影响，旨在探索最佳蓄水保墒方式，从而改进旱地小麦的高产高效栽培技术模式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2014-2016年在山西省闻喜县邱家岭村旱地小麦试验田进行，该地为丘陵旱地，位于 35°20′N，111°17′E，无灌溉条件，一年一熟，夏季休闲，是典型的暖温带大陆气候，年均气温12.5℃，无霜期190 d。2014年6月10日测定土壤养分(0～20 cm)：有机质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日测定土壤养分(0～20 cm)：有机质11.16 g·kg-1、水解氮39.44 mg·kg-1、速效磷15.67 mg·kg-1。2014-2016年度试验田年降雨情况由闻喜县气象站提供，如图 1所示。

注：FP: 休闲期; STW: 播种-越冬期; WTJ: 越冬-拔节期; JTA: 拔节-开花期; ATM: 开花-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.图1 闻喜试验基地降雨量Fig.1 Precipitation at the experimental site in Wenxi

1.2 试验设计

试验小麦品种“运旱20410”由山西省闻喜县农委提供。试验采用二因素裂区设计，以休闲期耕作为主区，设深松(深度30～40 cm，Subsoiling，SS)、当地传统耕作对照(CK)两个水平；以播种方式为副区，设全膜覆土穴播(Film covering soil hole sowing，FSH)、膜际条播(Film mulch sowing，FM)、常规条播(Drilling sowing，DS)三个水平，共6个处理，小区面积50 m×3 m=150 m2，重复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，每小区种植10 行。膜际条播：即地膜覆盖播种，起垄(垄底宽40 cm，垄高10 cm)、覆膜、播种一次完成，60 cm为一带，地膜覆盖垄上，地膜两侧覆土，垄膜侧沟内种植2行小麦(地膜采用普通地膜)。常规条播：传统种植方式，逢雨浅旋，平整土地播种，行距20 cm。2014年7月15日土地进行深松，8月25日浅旋土地一次、粑耱、镇压平整土地，10月4日播种，基施纯N 150 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2、K2O 150 kg·hm-2，播量90 kg·hm-2，三叶期定苗，基本苗225×104株·hm-2。同生产上人工揭膜，膜际条播处理揭膜时间为小麦开花后10 d左右，2015年6月10日收获。全膜覆土穴播处理于小麦收获后(次年6月上旬)回收地膜。

1.3 测定项目与方法

在试验田范围内选取具有代表性小区，深挖一个3 m的剖面坑,采用环刀法从上到下每隔20 cm土层取样，3次重复，测定土壤容重[12]。

分别于播种期、越冬期、拔节期、孕穗期、开花期、成熟期，采用土钻法，每20 cm分层取0～300 cm土层土样，装入铝盒称取鲜重，105℃烘干至恒重称取干重，测定土壤含水量并计算土壤蓄水量[12]。土壤蓄水量Wi=hi×ρi×ωi×10。式中，W为土壤蓄水量(mm)；i为土层；h为土层厚度(cm)；ω为土壤质量含水量(%)；ρ为土壤容重(g·cm-3)；10为换算单位。

蜡熟期测定单位面积穗数、穗粒数及千粒重，每处理小区取50株进行考种，收割20 m2计算经济产量。

其他具体计算方法如下，参照陈梦楠等[12]。

休闲期耗水量(mm)=播种期土壤蓄水量-休闲期土壤蓄水量+休闲期降水量。

生育期耗水量(mm)=成熟期土壤蓄水量-播种期土壤蓄水量+生育期降水量。

休闲期土壤蓄水效率(%)=(播种期土壤蓄水量-休闲期土壤蓄水量)/休闲期降水量。

降水生产效率(kg·hm-2·mm-1)=籽粒产量/全年降水量。

水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)=籽粒产量/生育期耗水量。

单位蓄水量的增产量(kg·hm-2·mm-1)=(休闲期深松籽粒产量-对照籽粒产量)/(休闲期深松播种期土壤蓄水量-对照播种期土壤蓄水量)。

1.4 数据处理与分析

试验采用Microsoft Excel 2003进行数据绘图，利用DPS 7.05和SAS 9.0软件统计分析数据，LSD法进行显著性差异分析，显著水平设为0.05。因为2 a试验结果趋势基本一致，部分图表数据分析只以2014-2015年为主。

2 结果与分析

2.1 休闲期深松和覆盖播种对冬小麦播种期和各生育时期土壤水分的影响

如图2所示，与对照相比，休闲期深松耕作显著提高了播种期土壤蓄水量，2 a间0～300 cm土层较传统耕作蓄水多达24～33 mm，尤其2014-2015年的60～120 cm、160～220 cm土层； 2015-2016年的60～220 cm土层土壤蓄水量显著提高。2 a间休闲期深松耕作显著提高了越冬-成熟期土壤蓄水量，但开花期差异不显著。与常规条播相比，两种覆盖播种模式提高了越冬-开花期土壤蓄水量，而成熟期降低。2014-2015年，无论深松与否，各生育时期土壤蓄水量均有所提高，且拔节-孕穗期差异显著。2015-2016年深松条件下，各生育时期土壤蓄水量均提高，且拔节-孕穗期差异显著；对照处理只在孕穗-开花期差异显著(图3)。2 a间全膜覆土穴播较膜际条播越冬-开花期土壤蓄水量提高，而膜际条播较全膜覆土穴播成熟期蓄水量显著降低。可见，休闲期深松有利于增强土壤蓄保降水能力，且降水少的年份蓄墒效果好(2015-2016年)，并能有效提高各生育时期土壤蓄水量；覆盖播种有利于提高生育前期和中期土壤水分，且两种覆盖播种模式的保水效果差异不明显。

注：ns:差异不显著; *:差异显著。 Note: ns: No significant difference; *: Significant difference.图2 休闲期深松(SS)和对照(CK)对小麦播种期0～300 cm各土层土壤蓄水量的影响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: 拔节期; BS: 孕穗期; AS: 开花期; MS: 成熟期。图中不同小写字母表示处理间差异显著(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).图3 播种方式对小麦各生育时期0～300 cm土壤蓄水量的影响Fig.3. Impact of sowing modes on soil water storage in 0～300 cm depth under different growth stages of wheat

2.2 休闲期深松和覆盖播种对冬小麦产量及其构成因素的影响

与对照相比，休闲期深松模式下小麦产量及其构成因素提高(表1)，2014-2015年穗数提高7%～10%，穗粒数提高3%～6%，千粒重提高2%～3%，产量提高12%～16%；2015-2016年穗数提高9%～14%，穗粒数提高2%～7%，千粒重提高1%～2%，产量提高18%～24%。休闲期深松模式下，2014-2015年两种覆盖播种模式较常规条播穗数和产量显著提高，穗数提高4%～9%，产量提高9%～13%，膜际条播与常规条播穗粒数差异显著，千粒重无显著变化。膜际条播较全膜覆土穴播产量及其构成因素均提高，且穗数显著提高4%，产量提高3%；2015-2016年两种覆盖播种模式较常规条播穗数、穗粒数和产量显著提高，穗数提高13%～17%，穗粒数提高7%～11%，产量提高8%～21%，千粒重无显著变化。膜际条播较全膜覆土穴播产量及其构成因素均提高，且穗数显著提高4%，产量显著提高12%。对照条件下，2014-2015年两种覆盖播种模式较常规条播穗数和产量显著提高，分别提高2%～6%、6%～13%，膜际条播与常规条播穗粒数差异显著，千粒重无显著变化。膜际条播较全膜覆土穴播产量及其构成因素均提高，且穗数显著提高4%，产量显著提高7%；2015-2016年两种覆盖播种模式较常规条播穗数和产量显著提高，穗数提高8%～13%，产量提高12%～19%，穗粒数和千粒重无显著变化。膜际条播较全膜覆土穴播产量及其构成因素均提高，且穗数显著提高4%，产量显著提高6%。可见，休闲期深松和覆盖播种主要通过增加穗数来提高产量，对穗粒数和千粒重影响不明显，且降水少的年份深松下覆膜播种增幅效果大，尤其膜际条播增产效果明显。

另外，年份、耕作、播种方式、耕作×播种方式、年份×耕作×播种方式对产量均有显著或极显著影响(表1)，年份的影响最大，其次是耕作，最后是播种方式。而且年份、耕作和播种方式对穗数、穗粒数和千粒重有极显著影响，年份×耕作、年份×播种方式和耕作×播种方式对穗数均有极显著影响，耕作×播种方式对千粒重有显著影响。

2.3 不同生育时期土壤蓄水量与冬小麦产量及其构成因素的关系

2.3.1 与产量构成因素的关系表2可见，休闲期深松结合覆盖播种条件下，越冬期、拔节期、孕穗期0～300 cm土层土壤蓄水量与穗数，拔节期40～160 cm、孕穗期40～80 cm、200～300 cm，开花期180～300 cm土层土壤蓄水量与穗粒数呈显著或极显著相关关系，且越冬期20～100 cm、拔节期40～160 cm、孕穗期200～300 cm土层土壤蓄水量与穗数关系较密切，尤其是拔节期。可见，本试验条件下，穗数的形成与越冬期上层土壤水分、拔节期中层土壤水分、孕穗期深层土壤水分关系密切。

表1 休闲期深松和覆盖播种对小麦产量及其构成因素的影响

注：表中同列不同小写字母代表在P=0.05水平差异显著。*和**分别代表在P=0.05和P=0.01水平差异显著。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 土壤蓄水量与产量的关系表3可见，休闲期深松配套覆盖播种条件下，越冬期-孕穗期0～300 cm，开花期40～140 cm、180～300 cm土层土壤蓄水量与产量呈显著或极显著正相关，且越冬期0～40 cm，拔节期40～200 cm，孕穗期和开花期220～300 cm土层土壤蓄水量与产量关系更密切。可见，本试验条件下，产量的形成与越冬期上层、拔节期上层和中层、孕穗期和开花期深层水分关系密切。开花前各生育时期土壤蓄水量为小麦后期奠定基础，充足的底墒水有利于小麦产量的提高。

2.4 休闲期深松和覆盖播种对土壤水分利用效率的影响

相较于对照，2 a休闲期深松可实现蓄水增产(表4)。2014-2015年土壤蓄墒每增加1 mm，休闲期增墒增产量达14～26 kg·hm-2，且结合膜际条播蓄水对产量的贡献最高，与常规条播差异显著，而两种覆盖播种处理间差异不显著；2015-2016年土壤蓄墒每增加1 mm，休闲期增墒增产量达22～46 kg·hm-2，且结合膜际条播蓄水对产量的贡献最高，并与其他处理差异显著。休闲期深松较对照，2 a土壤蓄水效率显著提高，降水生产效率显著提高，达12%～16%、18%～24%，水分利用效率显著提高，达 6%～11%、15%～23%。2 a间两种覆盖播种模式较常规条播降水生产效率和水分利用效率显著提高。2014-2015年膜际条播较全膜覆土穴播降水生产利用效率和水分利用效率提高，深松下两者降水生产效率差异不显著；2015-2016年膜际条播较全膜覆土穴播降水生产利用效率和水分利用效率提高，且对照下水分利用效率差异不显著。可见，深松蓄水覆盖保水能提高土壤水分对产量的贡献，且休闲期深松结合膜际条播有利于充分利用降水，提高产量和水分利用效率。

表2 小麦关键生育时期0～300 cm各土层土壤蓄水量与产量构成因素的相关性

表3 小麦各生育时期0～300 cm各土层土壤蓄水量与产量的相关性

表4 休闲期深松和覆盖播种土壤水分积累对产量贡献及水分利用效率的影响

注：ΔW：蓄墒增量；ΔY：蓄墒增产量；ΔY/ΔW：休闲期增墒增产效率。

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

3 讨论

刘爽等[17]研究表明休闲期深松处理较传统耕作方式，可以提高土壤含水率，从而增强土壤的保墒效果。贺立恒等[18]研究表明，休闲期深松处理可增加土壤水分有效性，使旱地小麦各生育期土壤蓄水量显著提高。本研究发现，2 a间0～300 cm土层较传统耕作多蓄水达24～33 mm，休闲期土壤蓄水效率显著提高，越冬-成熟期土壤蓄水量提高，且越冬期、拔节期、孕穗期、成熟期差异显著，这与李俊红等[19]，付国占等[20]研究结果一致，这是因为休闲期深松可以打破犁底层，能够增加土壤水分入渗，耕作时减少土壤水分损失，提高了深层土壤蓄水量，促进作物中后期对深层土壤水分的吸收。Borghei等[21]研究表明，深松处理能加深耕层，增加土壤的通透性，有利于作物生长发育，提高作物产量。熊淑萍等[22]研究表明，与传统耕作相比，休闲期深松耕作提高小麦穗数5%、产量12%。本研究发现，休闲期深松较对照，小麦产量及其构成因素提高，2014-2015年提高穗数7%～10%、产量12%～16%，2015-2016年提高穗数9%～14%、产量18%～24%。休闲期深松较对照，2 a降水生产效率分别显著提高达12%～16%、18%～24%，水分利用效率显著提高分别达6%～11%、15%～23%，这与前人研究结果一致。因此表明休闲期深松可有效蓄积降雨，尤其降水少的年份蓄水效果最佳，且满足各生育期对水分的需求，提高降水生产效率和水分利用效率，并主要通过穗数的增加，达到小麦增产的目的。

刘金海等[23]研究表明，受播种方式影响，土壤含水量随土层深度增加而升高。在小麦生育中后期，土壤水分由于地膜覆盖影响而降低。赵虹等[24]，王法宏等[25]研究表明，地膜覆盖减少生育期地表水分蒸发损失，增强保水效果，增加了穗数和穗粒数，促进小麦产量提高。本研究结果表明，休闲期深松下，2 a间两种覆盖播种模式较常规条播穗数和产量显著提高，其中穗数分别提高4%～9%和9%～13%，产量分别提高13%～17%和8%～21%；膜际条播较全膜覆土穴播产量提高了3%～12%。对照条件下，2 a间两种覆盖播种模式较常规条播穗数显著提高，其中穗数分别提高2%～6%和6%～13%，产量分别提高8%～13%和12%～19%；膜际条播较全膜覆土穴播产量提高了6%～7%。2 a间两种覆盖播种模式较常规条播降水生产效率和水分利用效率显著提高。杜守宇等[26]研究表明，膜际条播较常规条播增产达42%，主要通过延长幼穗分化天数增加穗粒数和延长灌浆期提高千粒重。也有前人针对西北黄土高原丘陵沟壑区小麦不同覆膜的研究表明[27]，年降水量531.8 mm条件下，全膜覆土穴播产量较膜侧条播产量高。本研究结果表明：2 a全膜覆土穴播较膜际条播提高了越冬-开花期土壤蓄水量，而膜际条播较全膜覆土穴播成熟期蓄水量显著降低。膜际条播较全膜覆土穴播产量及其构成因素均提高，且产量显著提高3%～7%、6%～12%。膜际条播较全膜覆土穴播水分利用效率提高。这与董琦等[28]、杨长刚等[29]研究结果一致，因为深松蓄水与覆盖增温，加大小麦耗水，促进前期的生长发育，增加孕穗期成穗数，从而提高产量。上述试验结果与前人结果不尽一致之处，可能是受不同生态区生育期降雨量和区域土壤性质等原因影响，导致耕作的增产效应有所差异，有待进一步对比研究。另外，年份、耕作、播种方式、耕作×播种方式、年份×耕作×播种方式对产量均有显著或极显著影响，尤其年份的影响最大。耕作对穗数和产量的影响大于播种方式，这与增产效果结果一致。可见，休闲期深松结合生育期覆盖播种，提高了穗数、穗粒数和产量，且主要通过提高穗数来提高产量，对穗粒数和千粒重影响不明显，采用膜际条播增产效果较好。

本研究还表明，休闲期深松结合覆盖播种条件下，穗数的形成与越冬期上层土壤水分、拔节期中层土壤水分、孕穗期深层土壤水分关系密切。产量的形成与越冬期上层、拔节期上层和中层、孕穗期和开花期深层水分关系密切。因此，决定穗数的关键时期是小麦越冬—孕穗期，随着生育期的推移，土壤水分与穗数和产量的相关性由浅层转向深层，且各个生育期蓄水量的提高为小麦高产奠定基础。

谢英荷等[30]，刘庚山等[31]研究表明，冬前充足的土壤墒情可促进小麦形成深根系，提高水分利用效率，有利于旱地小麦实现节水高产。孟晓瑜等[32]研究表明，每增加1 mm的播前底墒，旱地小麦可增产10.6～11.4 kg·hm-2。本研究表明，与对照相比，2 a休闲期深松可实现蓄水增产。2014-2015年土壤蓄墒每增加1 mm，休闲期增墒增产量达14～26 kg·hm-2，且结合膜际条播蓄水对产量的贡献最高，与常规条播差异显著；2015-2016年土壤蓄墒每增加1 mm，休闲期增墒增产量达22～46 kg·hm-2，且结合膜际条播蓄水对产量的贡献最高，并与其他处理差异显著。因此，深松蓄水覆盖保水能提高土壤水分对产量的贡献。播前底墒的高低，决定着小麦产量的高低[33]。深松措施作为保护性耕作技术之一，可降低土壤容重，增强深层土壤蓄水能力，有利于小麦花后对深层水分的吸收利用，提高籽粒产量，避免地膜覆盖引起的弊端[34]。有研究认为，休闲期深松处理可有效提高各生育时期的土壤蓄水量，避免因地膜覆盖引起后期深层水分不足的弊端，减弱地膜覆盖的负效应，有利于小麦增产[35]。本研究表明，休闲期深松结合生育期覆盖播种，通过休闲期深松蓄积水分和覆盖高效保墒，达到小麦增产的目的，以膜际条播效果最好，且降水少的年份效果明显。因此，休闲期深松结合生育期膜际条播处理是兼顾高产蓄水高效的耕作栽培方式。