耕作方式和灌水处理对冬小麦-夏玉米水分利用及产量的影响

张 凯，刘战东，强小嫚，米兆荣，冯荣成，马岩川，余 轩，孙景生

耕作方式和灌水处理对冬小麦-夏玉米水分利用及产量的影响

张 凯1，刘战东1※，强小嫚1，米兆荣2，冯荣成3，马岩川1，余 轩1，孙景生1

（1. 中国农业科学院农田灌溉研究所农业部作物需水与调控重点开放实验室，新乡 453002；2. 河南科技学院，新乡 453003；3. 河南省获嘉县农业技术推广中心，新乡 453800）

为探索华北平原冬小麦-夏玉米复种连作合理耕层构建的技术途径和技术指标，于2015―2016年在河南新乡实施了深松（ST）、深松+秸秆还田（ST＋RS）和常规旋耕（RT）3种耕作方式，在不同耕作方式中根据土壤湿润层有效含水量各设置3种灌水控制下限，高灌水控制下限为60%（H）、中灌水控制下限为50%（M）和低灌水控制下限为40%（L），通过对土壤和作物生长指标及产量的测定，分析各处理作物产量和水分利用效率的变化规律。结果表明，ST和ST＋RS处理均能降低土壤容重，增加土壤孔隙度、田间持水量和饱和含水量，且以深松+秸秆还田处理效果最佳；与RT相比，ST和ST＋RS处理0～40 cm平均土壤容重降低5.0%和6.0%，土壤孔隙度增加6.9%和8.0%，田间持水量增加6.2%和12.8%，饱和含水量增加6.2%和5.7%。耕作方式与灌水处理互作显著增加了冬小麦-夏玉米复种连作周年0～100 cm土层的储水量。ST和ST＋RS处理0～100 cm土层储水量较RT分别增加11.0%和15.8%，高水分、中水分处理较低水分处理分别增加18.1%和11.1%。耕作方式对冬小麦、夏玉米产量和水分利用效率（WUE）影响显著，其中，ST和ST＋RS处理周年产量较RT分别平均增加9.2%和15.5%，WUE平均提高11.2%和15.3%；灌水处理同样对冬小麦、夏玉米的产量和水分利用效率（WUE）影响显著，产量随灌水控制下限的增加而增加，即高水分>中水分>低水分，而WUE则以中水分处理最高。因此在该地区土壤和气候条件下，深松秸秆还田辅以适宜灌水控制下限是较为理想的栽培措施，有利于土壤耕层合理构建，并提高水分利用效率和作物产量。

灌溉；作物；耕作；土壤容重；产量；水分利用效率

0 引 言

华北平原是我国水浇地主要分布区之一，以冬小麦和夏玉米复种连作为主要种植模式，是中国重要的粮食生产基地[1-3]。该区农作条件相对较好，常年降雨量550～650 mm，70%降水分布在7―9月，但蒸发量却在900～1 200 mm，自然降水难以满足作物生产的需要，容易受到春旱和冬旱的影响[4]。同时，在长期的农业生产中，单一旋耕和地面灌等方式，造成了土壤蓄水保墒能力差、三相比不协调，致使土壤性能不断退化，严重制约着粮食作物产量的提高。突出表现为：农田耕层变浅、犁底层加厚变硬、耕层结构变差，协调土壤水肥气热的功能弱化，作物根系分布浅层化，对水分和养分的吸收受到明显限制[5-6]。

已有研究表明，通过耕作方式构建合理耕层结构，是改善作物对水分和养分利用效率[7]，提升土壤生产能力的一种重要途径[8]。深松的耕作方式能够有效打破犁底层，改善土壤通透性，提高土壤蓄水能力，增强抗逆减灾能力，为作物生长创造良好的土壤耕层环境，促进作物生长发育和产量提高[9-11]。近年来，我国为改善耕地质量、全面提高农业综合生产能力，实现藏粮于地、藏粮于技，明确提出要大力推进农机深松整地作业[12-14]。同时，该区域农业生产力的高低与农田土壤水分也有很大关系，调节土壤水分利用率，是提高作物产量的有效途径之一。灌溉是保障农田作物高产、稳产的关键管理措施[6]，随着区域水资源供需矛盾的不断加剧，高效节水灌溉已成为当前研究的热点[15]。然而，灌溉与深松结合，可以改变土壤的微环境，不同的耕作方式与灌水处理势必会对土壤水、肥、气、热等环境因素产生影响[16]，进而影响农田作物的生长发育及水分利用。目前，不同耕作方式和灌水控制下限结合对农田土壤和作物生长影响的研究相对不足。为此，本试验研究了耕作与灌溉方式相结合对华北地区冬小麦-夏玉米一年两熟制农田土壤特性及水分分布、作物生长、产量和水分利用情况，以期为优化华北平原的土壤耕层结构和灌溉管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015～2016年在河南省北部的新乡市获嘉县（35.29°N、113.64°E，a.s.l. 78 m）进行，该区多年平均气温14.6℃，无霜期221 d，日照时数2 058.4 h，光热资源丰富，以一年两熟（冬小麦-夏玉米）种植制度为主；多年平均降雨量为557.2 mm。试验地是典型潮土分布区，土质为黏壤土，0～100 cm土壤容重为1.45 g/cm3，田间持水率为25.6%，地下水埋深大于5 m，试验地基础养分状况见表1。

表1 试验地 0～20 cm土层土壤主要养分指标

1.2 试验设计

采用耕作方式和灌水处理二因素裂区试验设计，耕作方式为主区，灌水处理为副区。冬小麦播种前设置3种耕作方式，常规旋耕（15 cm，RT）、深松（35 cm，ST）和深松+秸秆还田（35 cm，ST+RS）；同时在不同耕作方式中各设置高（H）、中（M）和低（L）3种灌水控制下限，对应处理土壤湿润层有效含水量分别为60%、50%和40%，当各处理湿润层的土壤含水量达到设定的灌溉控制下限后进行灌溉，小区灌水到田间持水量，灌水方式为常规畦灌。试验区畦长12 m，宽3.5 m，畦埂宽30 cm，埂高20 cm，面积42 m2，每个试验小区设有1 m宽保护行。2015年供试冬小麦品种为“矮抗58”，半冬性中熟品种，播种量为225 kg/hm2。肥料施用量为：N 180 kg/hm2、P2O590 kg/hm2和 K2O 90 kg/hm2，于整地前作为底肥1次性施入，拔节期追施N 75 kg/hm2。2016 年夏玉米品种为“登海605”，种植密度为67 500株/hm2，种肥同播，播种时一起施入玉米复合肥50 kg（N:P:K=29:6:5），即N 217.5 kg/hm2、P2O545 kg/hm2和K2O 37.5 kg/hm2，其他农业管理措施一致。冬小麦播种日期为2015年10月22日，收获日期为2016年6月4日，全生育期降雨量共计177.1 mm，如图1。夏玉米播种日期为2016年6月13日，收获日期为2016年9月24日，全生育期的降雨总量达648.7 mm。

图1 2015−2016年冬小麦-夏玉米生育期温度和降雨分布

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤指标测定

土壤质量含水量采用取土烘干法测定，各处理每7～10 d测定1次，测定深度为100 cm，每20 cm测定1次，以确定灌水时间。

玉米收获后主要测定土壤容重、土壤孔隙度和土壤含水量。

土壤容重采用土壤容重钻测定0～40 cm土层深度的容重，每10 cm为1个土层，每个处理3次重复取样。

土壤孔隙度（%）计算公式如下[17]

土壤孔隙度=(1-1/2)×100 （1）

式中1为土壤密度，g/cm3；2为土粒密度，g/cm3；一般取值为2.56 g/cm3。

田间持水量和饱和含水率均采用环刀浸泡法测定[18]。

土壤储水量（mm）计算公式如下[19]

土壤储水量=×××10 （2）

式中为该土层的土壤容重，g/cm3；为土层厚度，cm；为土壤质量含水量，g/g。

1.3.2 作物生长指标及产量测定

冬小麦和夏玉米在成熟期，测定株高、叶面积和干物质等指标。产量方面，冬小麦每个小区随机选取1 m×2 m（2 m2）为样本，夏玉米每小区选取相邻两行连续10 m（14 m2）为样本，籽粒经自然风干后称质量，换算成公顷产量。

1.3.3 作物水分利用效率

采用水分平衡法计算作物农田耗水量（ET，mm）[20]，公式如下

耗水量=---（3）

式中为降水量，mm；为径流量，mm；为深层渗漏量，mm；SW为生育时期末土壤储水量与生育时期初土壤储水量之差，mm。试验地区为潮土，疏松多孔，再加上试验地平整，地表径流小；在有作物生长的农田，多雨年份降水入渗深度不超过2 m，所以和可忽略不计。因此该公式可化简为

耗水量=-（4）

水分利用效率(WUE，kg/( hm2∙mm))=/（5）

式中为作物收获时籽粒产量。

1.4 数据分析

采用SPSS 22.0软件进行统计方差分析，多重比较采用LSD方法。利用Excel 2013软件进行数据处理分析和制图。

2 结果与分析

2.1 耕作方式对土壤容重、土壤孔隙度、田间持水量和饱和含水率的影响

深松（ST）和深松+秸秆还田（ST+RS）处理均能降低土壤容重，提高土壤孔隙度，增加土壤田间持水量和饱和含水率（图2），且以深松+秸秆还田处理效果最佳。与常规旋耕（RT）相比，ST、ST＋RS处理0～40 cm平均土壤容重降低5.0%和6.0%，土壤孔隙度增加6.9%和8.0%，田间持水量增加6.2%和12.8%，饱和含水率增加6.2%和5.7%。通过耕作方式对土壤容重、土壤孔隙度和土壤含水量的结果可以看出深松处理降低了不同土层的土壤紧实状况。

2.2 耕作方式和灌水处理对作物生长指标影响

如表2所示，深松和深松+秸秆还田均显著增加了冬小麦和夏玉米的株高和干物质累积量，较RT处理分别增加5.5%、7.1%和7.2%、12.0%，同时叶面积指数以ST＋RS处理显著高于其他耕作方式。不同耕作方式对作物的影响仅在夏玉米的叶面积指数上没有显著差异，其它指标均达到不同程度的显著水平。从表中可以看出，深松条件下秸秆还田对于冬小麦和夏玉米的株高及干物质累积有明显促进作用。此外，灌水处理也可以显著提高冬小麦的株高、叶面积指数和干物质量，高灌水控制下限处理（H）显著高于其它灌水处理，作物生长指标较低灌水控制下限（L）处理分别增加11.2%、35.7%和18.1%；灌溉处理对夏玉米的影响，体现在不同灌水控制下限仅在夏玉米干物质积累方面表现为差异显著，H处理较L处理增加13.3%，但在株高和叶面积指数方面差异不显著。同时，耕作方式和灌水处理的交互作用对作物生长指标的影响均未达到显著性水平。

注：ST为深松，RS为秸秆还田，RT为常规旋耕。下同。

表2 冬小麦-夏玉米复种不同耕作方式和灌水处理成熟期生长指标比较

注：同一列中不同小写字母表示在5%水平差异显著。*、**和***分别表示在5%、1%和1‰水平差异显著，NS表示差异不显著，下同。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 5% level. *, **, and *** indicate significant differences at the 5%, 1%, and 1‰ levels, respectively, and NS indicates that the difference is not significant, the same below.

2.3 耕作方式和灌水处理对作物不同生育期土壤剖面水分分布的影响

作物不同生育期土壤剖面水分分布在冬小麦返青期，不同处理各土层间差异明显（图3），0～100 cm土层ST和ST＋RS处理土壤质量含水量较RT处理分别增加16.5%和17.2%；H和M处理土壤质量含水量较L处理分别增加10.4%和5.0%。在拔节至成熟期，随着气温的上升和冬小麦蒸腾作用的加强，不同处理20 cm以下土层间的土壤质量含水量差异较小。成熟期土壤质量含水量处于冬小麦生育期较低值，不同处理各土层间的差异明显，0～100 cm土层ST和ST＋RS处理平均土壤质量含水量仅为16.1%和16.5%，较RT处理分别提高28.5%和31.1%；H和M水分处理平均土壤质量含水量仅为16.8%和15.3%，较L处理分别提高29.3%和17.8%。

图3 不同耕作方式和灌水处理冬小麦各生育期剖面土壤质量含水率分布（返青期：a、b和c；拔节期：d、e和f；成熟期：g、h和i）

夏玉米苗期，不同处理0～20 cm土层间的土壤质量含水量差异不明显（图4），而20～100 cm土层ST和ST+RS处理土壤质量含水量较RT处理分别增加31.3%和59.7%；H和M水分处理土壤质量含水量较L处理分别增加41.2%和14.6%。拔节至成熟期是夏玉米耗水旺盛时期，其中拔节期不同处理60～100 cm土层间的土壤质量含水量差异较小；而成熟期夏玉米耗水减少，不同处理0～100 cm土层ST和ST＋RS处理土壤质量含水量较RT处理分别提高12.4%和28.8%；H和M水分处理土壤质量含水量较L水分处理分别提高39.4%和52.3%。

从整体上分析，耕作方式与灌水处理互作显著增加了冬小麦-夏玉米复种连作周年0～100 cm土层的储水量。0～100 cm土层ST和ST＋RS处理的储水量较RT处理分别增加11.0%和15.8%；而H和M水分处理较L水分处理分别增加18.1%和11.1%。此外，耕作方式和灌水处理主要影响了20 cm以下土层土壤水分的变化。

图4 不同耕作方式和灌水处理夏玉米各生育期剖面土壤质量含水率分布（苗期：a、b和c；拔节期：d、e和f；成熟期：g、h和i）

2.4 耕作方式和灌水处理对作物产量和水分利用效率的影响

耕作方式对冬小麦和夏玉米产量及水分利用效率（WUE）的影响显著（表3），其中，ST和ST＋RS处理周年平均产量较RT分别增加9.2%和15.5%，WUE平均提高11.2%和15.3%；灌水处理对冬小麦和夏玉米耗水量及产量也具有显著影响，作物产量随着灌水控制下限的增加而增大，即H水分>M水分>L水分处理，而WUE则以M水分处理最高。耕作方式与灌水处理的交互对冬小麦季耗水量、产量和水分利用效率不存在显著的交互效应。但在夏玉米季，作物的水分利用效率则存在显著的交互效应；其中耕作方式条件下，与RT处理相比，ST和ST＋RS处理夏玉米季作物的水分利用效率分别增加了15.3%和21.3%；灌水处理条件下，M水分处理较L和H水分处理的作物水分利用效率分别增加4.1%和10.7%。

表3 冬小麦-夏玉米复种不同耕作方式和灌水处理作物产量与水分利用效率

3 讨 论

耕作方式在改善耕层和促进作物增产方面的研究报道较多。相关研究表明，不同耕作措施对土壤物理性状的影响不同[8]。然而，作物生长发育需要松紧适宜的土壤环境，作物产量随着土壤紧实程度的降低而增加[21]。有研究认为，当作物生长在土壤紧实的农田上，采用不同的深松方式可以促进作物生长发育，提高作物产量，且耕作的效应能够在土壤中长期保持[22]。战秀梅等[23]在连续进行旋耕的基础上采用深松和深翻的耕作措施，可以显著提高作物花后干物质的积累量及其占总生物量的比例和氮素吸收量，促进较深层根系的发育，进而显著提高产量。赵红香等[24]认为科学的耕作能够改善耕层土壤环境，增加土壤总孔隙度、降低毛管与非毛管孔隙度的比值，有利于作物根系在土壤中的生长，增加作物根系数量和根长密度。本研究结果显示，深松可有效的降低土壤容重，增加土壤孔隙度、田间持水量和饱和含水率，同时深松还能够增加植株的株高和叶面积指数及干物质积累量，对作物的生长具有促进作用，因而提高作物产量。秸秆还田在培肥地力方面的研究表明，秸秆还田可以促进作物对氮素的吸收，提高作物生物量，连续秸秆还田对小麦和玉米均表现出明显增产效果，且随着秸秆还田年限的延长，秸秆还田对作物产量的增产效果更为明显[25-28]，但是也有关于秸秆还田使作物减产的报道[29]。而本研究中，深松+秸秆还田处理冬小麦和夏玉米产量均高于深松未秸秆还田处理，其中夏玉米产量差异显著，说明本试验中秸秆还田对作物的产量提升有促进作用。

当前，华北平原农田的补水措施多采用地面灌溉方式，但由于农田的耕作和保水措施不同，造成作物产量和水分利用效率也不尽相同[30]。赵亚丽等[2,31]通过在河南温县和商丘的研究发现，不同耕作方式对作物水分利用效率和产量有显著影响，深松与秸秆还田能够降低土壤容重，增加作物农田耗水量，提高土壤贮水消耗量和水分利用效率，同时对作物的产量增加也有促进作用，这与本研究相应处理所表现出的结果趋势一致。同时本研究中，深松和深松+秸秆还田处理与常规旋耕处理相比，冬小麦和夏玉米季作物水分利用效率分别增加了7.1%、8.8%和15.3%、21.3%。然而，张永丽[32]等研究灌水量对小麦产量影响时发现，冬小麦产量与灌水量、耗水量和水分利用率不是线性相关关系，在小麦生育期间适当减少灌水量，可以提高降水和土壤中储存水的利用率亦可达到节水高产的目的。本研究中，灌水处理对冬小麦和夏玉米耗水量及产量具有显著影响，作物产量随着灌水控制下限的增加而增大，即高水>中水>低水处理，水分利用效率则以中灌水控制下限（M）处理最高。

综上所述，本研究在华北平原冬小麦-夏玉米两熟区，耕作方式对冬小麦和夏玉米产量及水分利用效率的影响显著，而对当季冬小麦耗水量影响不大。深松+秸秆还田处理显著提高了夏玉米产量及水分利用效率，由于华北平原降雨多集中在夏季[4]，秸秆还田方式能够有效储存土壤中的水含量。同时，本研究中灌水处理随着灌水控制下限的增大，不同处理间作物的产量显著增加。因此，在该地区土壤和气候条件下，深松结合秸秆还田辅以适宜水分管理是较为理想的耕作栽培模式，有利于土壤耕层合理构建，并提高作物产量和水分利用效率。然而，如何在深松+秸秆还田方式下稳定冬小麦和夏玉米产量，探明华北平原该模式周年产量和水分利用效率，是接下来长期研究需要解决的关键问题。

4 结 论

本研究在大田不同耕作方式下（深松、深松+秸秆还田和常规旋耕），设置3种灌水控制下限（对应处理湿润层土壤有效含水量高灌水控制下限为60%、中灌水控制下限为50%和低灌水控制下限为40%）对冬小麦-夏玉米复种连作农田土壤特性及水分分布、作物生长、产量和水分利用进行了研究，获得的主要结论如下

1）深松能降低土壤容重，提高土壤孔隙度，增加田间持水量和饱和含水率，且以ST＋RS处理对土壤改善效果最佳；与传统旋耕对照相比，ST＋RS处理0～40 cm平均土壤容重降低6.0%，土壤孔隙度、田间持水量和饱和含水率分别增加8.0%、12.8%和5.7%。

2）深松和深松+秸秆还田处理均显著增加了冬小麦和夏玉米的株高和干物质量积累，同时叶面积指数以ST＋RS处理最高。ST＋RS处理对于冬小麦和夏玉米株高及干物质量的累积均有明显促进作用。此外，高灌水控制下限可以显著提高成熟期冬小麦的株高、叶面积指数和干物质量，而对夏玉米的影响在干物质量方面表现为差异显著，但在株高和叶面积指数方面差异不显著。

3）耕作方式显著增加了冬小麦-夏玉米复种连作周年0～100 cm土层的储水量。ST和ST＋RS处理0～100 cm土层储水量较RT处理分别增加11.0%和15.8%；灌水处理下，高水分和中水分处理较低水分处理0～100 cm土层储水量分别增加18.1%和11.1%。此外，耕作方式和灌水处理主要影响了20 cm以下土层土壤的水分变化。

4）豫北地区麦-玉两熟种植模式，在综合考虑产量、耗水量和水分利用率以及常规降雨情况下，选择该地区主栽品种，冬小麦和夏玉米分别为“矮抗58”和“登海605”，耕作方式采用深松35 cm加秸秆还田，灌溉方式采用土壤湿润层有效含水量控制下限为50%进行灌水，此耕作栽培方式对作物产量较为适宜。

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Effects of tillage and irrigation on water use and yield of winter wheat and summer maize

Zhang Kai1, Liu Zhandong1※, Qiang Xiaoman1, Mi Zhaorong2, Feng Rongcheng3, Ma Yanchuan1, Yu Xuan1, Sun Jingsheng1

(1.,,,,453002,;2.,453003,;3.,453800,)

Irrigation and tillage able to maintain a healthy plow layer for sustainable production of winter wheat-summer maize rotation cropping system in North China Plain was experimentally studied in this paper. We investigated three tillages: deep subsoiling (ST), deep subsoiling+ straw incorporation (ST+RS) and conventional rotary tillage (RT) from 2015 to 2016 in Xinxiang, Henan province. The irrigation for each tillage was based on soil moisture in which irrigation was assumed whenever the moisture content in the wet soil layer dropped to 60% of the field capacity (H), 50% of the field capacity (M) and 40% of the field capacity(L), respectively. In each treatment, we measured the yield and water use efficiency (WUE) of the crops. The results showed that ST and ST+RS reduced soil bulk density and increased soil porosity and field holding capacity, especially ST+RS. Compared with RT, ST and ST+RS, on average, reduced the bulk density of 0-40 cm soil by 5.0% and 6.0% respectively, and increasedits porosity by 6.9% and 8.0% respectively, field capacity by 6.2% and 12.8% respectively, and saturated water content by 6.2% and 5.7% respectively. The tillage and irrigation combined to significantly increase water storage in 0-100 cm soil in winter. In particular, ST and ST+RS increased water storage (SWS) in the 0-100 cm soil by 11.0% and 15.8%, respectively, compared to RT. SWS under H and M irrigation treatment increased by 18.1% and 11.1%, respectively, compared with L irrigation. Tillage affected yield and WUE of both winter wheat and summer maize at significant level. Compared to RT, ST and ST+RS increased annual yield by 9.2% and 15.5%, respectively, and WUEby 11.2% and 15.3%, respectively. Irrigation affected yields and WUE of the crops as well. While the yields increased with the controlled soil moisture for irrigation, the M irrigation treatment gave the highest WUE. Under the current soil and climatic condition, deep subsoiling coupled with straw incorporation and an appropriate water management appears to offer a best solution to constructing plow layer and increasing WUE and crop yield. In particular, to best balance yield, water consumption and water use efficiency of the crops under conventional rainfall condition, the optimal tillage is to loosen the soil up to a depth of 35cm combined with incorporating straw prior to sowing the winter wheat. The crops are then irrigated whenever the moisture content in the wet layer drop to 50% of the field capacity. This study is for winter wheat-summer maize rotation system in Henna province, and the lines of the wheat and the maize used in the study were “Aikang 58” and “Denghai 605” respectively, but the results have implications in other regions in North China Plain.

irrigation; crops; tillage; soil bulk density; yield; water use efficiency

2019-04- 08

2019-08-25

公益性行业（农业）科研专项（201503117）；中央科研院所基本科研业务费专项（FIRI2018-05）；国家自然科学基金（51309226）。

张凯，博士，助理研究员，研究方向为农田耕作与水分高效利用研究。E-mail：zhangkai4221@foxmail.com

刘战东，博士，副研究员，主要从事作物生理与水分高效利用研究。E-mail：lzddragon@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.013

S274

A

1002-6819(2019)-17-0102-08

张 凯，刘战东，强小嫚，米兆荣，冯荣成，马岩川，余 轩，孙景生.耕作方式和灌水处理对冬小麦-夏玉米水分利用及产量的影响. [J]. 农业工程学报，2019，35(17)：102－109. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.013 http://www.tcsae.org

Zhang Kai, Liu Zhandong, Qiang Xiaoman, Mi Zhaorong, Feng Rongcheng, Ma Yanchuan, Yu Xuan, Sun Jingsheng. Effects of tillage and irrigation on water use and yield of winter wheat and summer maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(17): 102－109. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.013 http://www.tcsae.org