长期垄作覆盖对旱地冬小麦、夏玉米产量和水分利用效率的影响

李俊红，邵运辉，刘 瑞，丁志强，李 舞，张 洁，吕军杰，姚宇卿

(1.洛阳农林科学院，河南 洛阳 471023；2.中国农业科学院 洛阳旱农试验基地，河南 洛阳 471023；3.河南省农业科学院，河南 郑州 450002；4.伊川县气象局，河南 伊川 471300)

豫西丘陵旱作农业区是典型的一年两熟地区，十年九旱，自然降雨是该区作物生产中水的唯一来源，其中60%～70%的降雨集中在6—9月，且多以暴雨形式出现，≥80%的降雨量在450～520 mm，表现为一季有余、两季不足，另外降水季节分配不均，平均干旱发生频率在40%以上[1]。垄作栽培技术起源于20世纪80年代，该技术通过改变田间土面地形，增强近地层光、温、热、气生态因子的协调性，从而改善群体结构，提高水分利用效率，利于作物高产稳产，改善作物品质[2-4]。而秸秆覆盖可以提高土壤蓄水保墒能力，提高降雨贮蓄率，抑制土壤水分蒸发，减少水土流失，提高土壤肥力，改善生态环境[3]。因此，垄作与秸秆覆盖相结合可增加耕层厚度[5]，提高作物的抗旱能力，减少土壤水分蒸发，提高土壤水分利用效率[6]，在很大程度上降低灾害年份的损失，是解决水资源匮乏与作物高产之间矛盾的重要措施[7]。垄作覆盖栽培技术在旱地广泛应用于小麦、玉米、甘薯、马铃薯、花生等作物[2-4,7-9]，其增产效果显著，保墒效果好。目前，大部分研究主要集中于垄作覆盖对较短年限或一种作物产量及水分利用效率的影响方面，且前人研究垄作覆盖在小麦、玉米一年两熟制下的应用效果时，多为1个年度或几个年度内的研究,关于长期定位研究和小麦、玉米跨年度产量影响鲜见报道。为此，利用长期定位试验，通过划分作物生育期不同降水年型，深入研究不同降水年型垄作覆盖对旱地上年度夏玉米和本年度冬小麦产量及水分利用效率的影响，旨在探明夏玉米底墒对冬小麦产量的影响以及一年两熟制冬小麦、夏玉米需水规律，为旱作区高效农耕措施的选择提供理论依据和技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2004—2014年在洛阳农林科学院旱农试验基地4 m×4 m防渗精确水分池内进行，土壤为潮褐土，质地为重壤，耕层土壤容重为1.53 g/cm3，含有机质15.6 g/kg、碱解氮62.5 mg/kg、速效磷10.4 mg/kg、速效钾166.0 mg/kg，肥力中等偏上。田间持水量达23.5%，饱和含水量达33.4%。年平均辐射量为491.5 kJ/cm2；年平均气温为14 ℃；日均温度超过10 ℃的时间为210 d，积温为4 000 ℃；年均蒸发量为1 841.5 mm。该试验区种植制度为冬小麦、夏玉米一年两熟。

2004—2014年研究区降雨量如表1所示。按照作物生育期进行降水年型的划分，将上年度夏玉米与本年度冬小麦生育期降雨量与常年比较，从表1可以看出，2004—2014年豫西旱区干旱年份呈增多趋势，降雨量呈降低趋势，且降水季节性分布严重不均。有2个丰水年，即2004—2005年和2011—2012年，分别较常年(1970—2010年40 a平均值)降雨量增加了25.4%和23.8%；有2个平水年，即2008—2009年和2009—2010年；其余6 a均为欠水年，2012—2013年冬小麦生育期总降雨量为166.1 mm,较常年减少28.3%，其中5月份的降雨量为85.7 mm，干旱严重且降雨分布严重不均。

表1 2004—2014年降雨量Tab.1 Rainfall from 2004 to 2014 mm

供试冬小麦品种为洛旱7号，夏玉米品种为洛玉7号。

1.2 试验设计

试验设2个处理，3次重复，随机排列。垄作覆盖(Ridge tillage mulching，RTM)：冬小麦垄上种4行，夏玉米种沟内，冬小麦收获后秸秆覆盖于垄上，夏玉米收获后秸秆覆盖于沟内，每年起垄。传统耕作(CK)：深翻耕25～30 cm，冬小麦、夏玉米秸秆均不还田。冬小麦采用人工开沟播种，基本苗270万株/hm2，底施氮磷钾复合肥(N-P2O5-K2O：15-15-15)600 kg/hm2；夏玉米采用铁茬播种，密度为4.5万株/hm2，不施底肥，在拔节初期追施尿素300 kg/hm2。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤含水量 在每个年度冬小麦主要生育时期[播种期(Sowing time，ST)、越冬期(Over winter stage,WS)、返青期(Returning-green stage，GS)、拔节期(Elongation stage,ES)、抽穗期(Heading stage,HDS)、灌浆期(Filling stage,FS)、收获期(Harvest stage,HS)]、夏玉米主要生育时期[苗期(Seedling period，SP)、拔节期(Elongation stage,ES)、大喇叭口期(Trumpet period,TP)、抽雄期(Pumping period,PP)、抽穗期(Precipitation stage,PS)、灌浆期(Filling stage,FS)、收获期(Harvest stage,HS)]利用烘干法测定土壤含水量，测定深度为0～200 cm，每20 cm为一层。

1.3.2 干物质积累量 在每个年度冬小麦、夏玉米主要生育时期选取有代表性的植株，整株洗净烘干，称质量。

1.3.3 产量及其构成因素 在每个年度收获期，调查冬小麦和夏玉米穗数、穗粒数，测定千粒质量，整区收获计产。

1.3.4 水分利用效率 水分利用效率=作物产量/作物耗水量。

1.4 数据处理

采用Excel 2007进行数据处理、分析及作图。

2 结果与分析

2.1 长期垄作覆盖对旱地冬小麦、夏玉米干物质积累量的影响

由于垄作覆盖在旱地不同降水年型冬小麦上的应用效果不同，欠水年的应用效果较好，因此，选择欠水年型冬小麦干物质积累量进行分析；垄作覆盖在夏玉米上的应用效果在不同降水年型都较好，所以选择任一年型进行分析。从图1(2013—2014年，欠水年)可以看出，欠水年垄作覆盖下冬小麦干物质积累量随着生育进程的推进增加，且增加速度整体表现为慢—快—慢的趋势，即返青期前干物质积累速度缓慢，拔节期后干物质积累速度加快，灌浆期后干物质积累速度逐渐变慢。垄中间行冬小麦植株干物质积累量与传统耕作处理相差不大，而垄边行的冬小麦植株干物质积累量明显高于传统耕作处理，全生育期较传统耕作处理平均提高68.2%，表现出明显的边行优势。夏玉米(2010年，平水年)不同生育时期干物质积累量较传统耕作处理提高8.7%～59.6%,拔节期提高幅度最大，较传统耕作处理提高59.6%，其次为苗期，提高38.5%(图2)，这充分说明夏玉米种在沟内，垄沟有利于雨水的富集，秸秆覆盖有利于土壤保墒，从而有利于夏玉米的生长，为夏玉米高产奠定基础。

图1 2013—2014年(欠水年)垄作覆盖下冬小麦干物质积累量Fig.1 Dry matter accumulation of winter wheat under long-term ridge mulching in 2013—2014(less water year)

2.2 长期垄作覆盖对旱地冬小麦、夏玉米产量的影响

从表2可以看出，与传统耕作处理相比，长期垄作覆盖对跨年度冬小麦—夏玉米周年产量(即上年度夏玉米产量+本年度冬小麦产量)的影响均表现为增加，增产幅度为8.8%～40.5%，平均增产17.0%。长期垄作覆盖对冬小麦—夏玉米周年产量的增加效果总体表现为欠水年>平水年>丰水年。极端干旱的年份(2012—2013年)小麦垄作覆盖表现出明显的减产效应，较对照减产8.9%；欠水年增产幅度为-8.9%～83.9%；平水年增产幅度为5.3%～7.7%，平均增产6.5%；丰水年增产幅度为-0.2%～4.1%，平均增产1.95%。长期垄作覆盖在不同降水年型下对玉米产量的影响均表现为增加，平均增产25.4%。由此表明，长期垄作覆盖对夏玉米的增产效果优于冬小麦。

图2 2010年(平水年)垄作覆盖下夏玉米干物质积累量Fig.2 Dry matter accumulation of summer maize under long-term ridge mulching in 2010(normal year)

表2 长期垄作覆盖对旱地冬小麦、夏玉米产量的影响Tab.2 Effects of long-term ridge mulching on the yield of winter wheat and summer maize in dryland kg/hm2

注：*、**分别表示与CK间差异显著(P<0.05)、极显著(P<0.01)，下同。
Note:*,** mean significant difference(P<0.05) and extremely significant difference(P<0.01) compared with control,respectively，the same below.

2.3 长期垄作覆盖对旱地冬小麦、夏玉米产量构成因素的影响

2.3.1 冬小麦 从表3可以看出，垄作覆盖下不同降水年型冬小麦产量构成因素的变化较大，其中穗数受干旱影响较大。垄作覆盖处理冬小麦穗数在大多数年份均较传统耕作处理有不同程度的减少，减少幅度为0.6%～24.5%。穗数在不同年际间的变化也表现不同，平水年较传统耕作处理增减不显著；而欠水年受季节降雨分布的影响，年际间变化差异较大，其中2008、2011、2013年3 a穗数严重减少，仅为平均值的1/2左右。丰水年和平水年垄作覆盖处理冬小麦穗粒数差异不显著，除严重干旱年份(2013年)外，垄作覆盖下冬小麦穗粒数均高于传统耕作处理。垄作覆盖处理冬小麦千粒质量在不同年际间表现为平水年低于传统耕作处理，丰水年二者差异不显著，欠水年(除2013—2014年外)均高于传统耕作处理，增幅为0.3%～16.5%。这也充分说明垄作覆盖在欠水年型下产量高于传统耕作处理主要取决于穗粒数和千粒质量的增加。

表3 长期垄作覆盖对旱地冬小麦产量构成因素的影响
Tab.3 Effects of long-term ridge mulching on yield components of winter wheat in dryland

年度Year穗数/(×104/hm2)SpikenumberRTMCK较CK±/%Increaserateordecreaseratecomparedwithcontrol穗粒数GrainnumberperspikeRTMCK较CK±/%Increaserateordecreaseratecomparedwithcontrol千粒质量/g1000-grainweightRTMCK较CK±/%Increaserateordecreaseratecomparedwithcontrol2004—2005498.1561.8-11.330.230.4-0.834.633.43.52005—2006450.0537.0-16.234.6∗32.27.534.233.13.32006—2007535.5∗∗466.514.836.635.62.825.9∗∗22.216.52007—2008244.5246.0-0.615.6∗∗12.623.849.7∗∗44.212.42008—2009492.0487.50.932.932.70.637.238.9-4.42009—2010360.0385.5-6.635.834.24.753.254.2-1.82010—2011294.0286.52.630.5∗∗25.519.641.2∗37.69.6

续表3 长期垄作覆盖对旱地冬小麦产量构成因素的影响
Tab.3(Continued) Effects of long-term ridge mulching on yield components of winter wheat in dryland

年度Year穗数/(×104/hm2)SpikenumberRTMCK较CK±/%Increaserateordecreaseratecomparedwithcontrol穗粒数GrainnumberperspikeRTMCK较CK±/%Increaserateordecreaseratecomparedwithcontrol千粒质量/g1000-grainweightRTMCK较CK±/%Increaserateordecreaseratecomparedwithcontrol2011—2012469.5481.5-2.535.434.14.050.650.50.32012—2013162.0214.5-24.515.417.7-13.044.8∗40.710.12013—2014364.5351.03.824.524.21.255.456.1-1.2平均Average387.0401.8-4.029.127.95.042.741.14.8

2.3.2 夏玉米 由表4可知，不同年份垄作覆盖处理夏玉米穗数、穗粒数、千粒质量总体上均高于传统耕作处理，增幅的变化范围较大，平均增幅分别为2.3%、9.3%、5.8%，其中穗粒数和千粒质量均达显著水平。对于增加幅度，穗数表现为平水年>欠水年、丰水年，穗粒数表现为丰水年>欠水年>平水年，千粒质量表现为欠水年>丰水年>平水年。总体来看，垄作覆盖效果在不同年际间不同，垄作覆盖更有利于夏玉米穗粒数和千粒质量的增加，为夏玉米高产奠定基础。

表4 长期垄作覆盖对旱地夏玉米产量构成因素的影响Tab.4 Effects of long-term ridge mulching on yield components of summer maize in dryland

2.4 长期垄作覆盖对旱地冬小麦、夏玉米土壤水分含量的影响

由于丘陵旱作区冬小麦、夏玉米垄作覆盖种植模式在欠水年的应用效果优于平水年和丰水年，因此选择具有代表性的欠水年土壤水分含量进行分析。对于冬小麦而言，2013—2014年(欠水年)不同生育时期垄沟内的土壤含水量始终高于垄上，垄上的土壤含水量与传统耕作处理相差不大(图3)；在欠水年，冬小麦生育期内严重干旱的情况下(2012—2013年)，垄作更容易散墒，垄作覆盖处理垄上上层土壤(0～100 cm)水分含量从冬小麦越冬期至灌浆期较传统耕作处理低0.6%～6.7%，垄沟内土壤含水量较传统耕作处理高4.6%～8.1%(图4)。因此，受严重干旱影响冬小麦生长受限，冬小麦根系对深层土壤水分的利用受限，进而冬小麦有效穗数的形成及籽粒的灌浆受到影响，最终冬小麦产量受到影响。2011年(欠水年)，夏玉米生育时期内的土壤含水量较传统耕作处理平均高8.1%(图5)，有利于夏玉米产量的提高。

图3 2013—2014年(欠水年)垄作覆盖下冬小麦不同生育时期土壤含水量(0～200 cm土层)Fig.3 Soil moisture content(0—200 cm layer) in different growth period of winter wheat in 2013—2014(less water year)

图4 2012—2013年(欠水年)垄作覆盖下冬小麦不同生育时期土壤含水量(0～100 cm土层)Fig.4 Soil moisture content(0—100 cm layer) in different growth period of winter wheat in 2012—2013(less water year)

图5 2011年(欠水年)垄作覆盖下夏玉米不同生育时期土壤含水量(0～200 cm土层)Fig.5 Soil moisture content(0—200 cm layer)in different growth period of summer maize under ridge cultivation in 2011(less water year)

2.5 长期垄作覆盖对旱地冬小麦、夏玉米水分利用效率的影响

从表5可以看出，不同降水年型长期垄作覆盖处理夏玉米的水分利用效率均显著或极显著高于传统耕作处理。受降雨年型及季节降雨分布的影响，垄作覆盖在不同年际间的表现不同，除2009—2010年和2011—2012年冬小麦土壤水分利用效率略低于传统耕作处理外，其余年份垄作覆盖处理冬小麦的水分利用效率均高于传统耕作处理；不同降水年型垄作覆盖处理冬小麦、夏玉米的平均水分利用效率分别为14.8、23.7 kg/(hm2·mm)，分别较传统耕作处理极显著提高了6.99%、32.82%，说明垄作覆盖更有利于提高一年两熟制下夏玉米的水分利用效率，进而有利于提高玉米产量。长期垄作覆盖不同降水年型下冬小麦—夏玉米周年水分利用效率均高于传统耕作处理，平均为19.6 kg/(hm2·mm)，较传统耕作处理极显著提高了22.2%，说明长期垄作覆盖在不同降水年型均有利于提高一年两熟制下作物的水分利用效率，为一年两熟作物年产量的提高奠定了基础。

表5 长期垄作覆盖对旱地冬小麦、夏玉米水分利用效率的影响Tab.5 Effect of long-term ridge mulching on water use efficiency of winter wheat and summer maize kg/(hm2·mm)

续表5 长期垄作覆盖对旱地冬小麦、夏玉米水分利用效率的影响Tab.5(Continued) Effect of long-term ridge mulching on water use efficiency of winter wheat and summer maize kg/(hm2·mm)

3 结论与讨论

垄作和覆盖相结合既可改变地表形态，改善通风透光性能[10-12]，又可有效缓冲雨滴直接打击地面，减轻地面板结，减少地面蒸发，有利于提高土壤供水能力[13-15]，缓解土壤供水与作物生长需水的矛盾，有利于提高土壤水分利用效率，进而提高作物产量[16-18]。本研究结果表明，豫西旱区跨年度生育期不同降水年型垄作覆盖对夏玉米的增产效果明显优于冬小麦。跨年度生育期不同降水年型垄作覆盖对冬小麦的增产效果表现为欠水年>平水年>丰水年。但在欠水年极端干旱或降雨分布与冬小麦生育期生长需水规律严重不吻合的情况下，冬小麦种在垄上，垄作虽然有利于通风透光，但同时也增加了土壤的散墒效果，加之严重干旱的气候条件，造成垄作覆盖下冬小麦明显减产。夏玉米种在垄沟内，垄沟覆盖有夏玉米秸秆，不仅能够减少土壤水分的蒸发，还能增加地面径流的入渗，较大程度上提高了土壤的保墒效果，有利于提高土壤水分利用效率。因此，不同降水年型垄作覆盖对夏玉米均有增产效果。长期垄作覆盖下冬小麦—夏玉米周年平均水分利用效率较传统耕作处理提高了22.2%，达到极显著水平，有利于作物产量的提高。王同朝等[2，11，19]研究认为，黄淮海冬小麦、夏玉米两熟旱农区在偏旱年型下，冬小麦种植仍适合平作或覆盖形式，这与本研究结论基本一致。从总体来看，在豫西旱区不同降水年型下连年实施垄作覆盖有利于一年两熟制冬小麦—夏玉米总产量的提高，增幅为8.8%～40.5%，平均增产17.0%。垄作覆盖有利于提高冬小麦和夏玉米的穗粒数和千粒质量，而对于冬小麦和夏玉米穗数的提高效果不明显。在豫西旱区冬小麦、夏玉米一年两熟制下，垄作覆盖更有利于夏玉米增产。农业耕作模式的选择需要长期的试验和连续不断的监测研究，因此，长期垄作覆盖下不同降水年型旱地一年两熟制冬小麦、夏玉米跨年度土壤水分运移规律将是下次探讨的要点，如何提高长期垄作覆盖在一年两熟制夏玉米、冬小麦上的应用效果将是今后要深入研究的内容。