干旱年型深翻与探墒沟播对旱地小麦产量形成的贡献

王会文 李 蕾 余少波 王 强 冯 玉 任爱霞 林 文 孙 敏 高志强

（山西农业大学农学院，030801，山西太谷）

黄土高原一年一作旱地麦区是我国旱作小麦的主要生产区域，该区年均降水量400～600mm，休闲期7-9月降水量约占全年的60%，关于如何蓄积休闲期降水以满足小麦生育期的用水需求已有较多研究。休闲期深翻或深松可提高0～300cm土壤水分41～91mm，提高产量34%～45%，显著提高水分利用效率[1]。20世纪70年代地膜覆盖技术引入中国，且在旱地小麦生产上的应用效果显著，地膜覆盖较常规露地栽培显著提高了冬小麦干物质积累量和产量，同时提高水分利用效率12%～35%[2]。然而，由于地膜回收困难、污染大，故较难大面积推广。

2014年山西省农技推广系统科技人员研发了宽窄行探墒沟播技术，经过山西省小麦主产区试验示范，在旱地小麦抗逆、增产和增效方面起到了积极作用[3]，2019年在山西省推广面积达5.6万hm2，2020年被列入山西省旱地小麦主推技术[4]。探墒沟播技术是使用全还田防缠绕免耕施肥播种联合机，通过一次作业同时完成灭茬、开沟、播种、施肥、覆土和镇压等多道工序，实现了现代农机与传统农艺相结合的节水增产实用栽培技术[4]。与20世纪80年代沟播相比，探墒沟播可同时实现秸秆粉碎、灭茬和宽窄行播种，增加了土壤有机质含量，改善土壤结构，且有利于小麦群体通风透光。岳俊芹等[5]研究表明，在河南省新乡县沟播的耕层土壤较直播踏实，蓄水能力更强，更有利于深层水分的吸收和深层根系的生长，沟播小麦比直播小麦增产约8.4%。李吾强等[6]研究表明，在关中平原，与传统平作相比，沟播可充分利用土壤水分，蓄水保墒，提高冬小麦抗旱抗寒能力，并有明显的增产增收效果。董飞等[7]研究表明，在山西省探墒沟播提高了整个生育期土壤贮水量28.9～64.9mm，显著提高产量2.4%～16.9%。综上可见，探墒沟播有较明显的增产效果，但其增产机理的研究不足。因此，将旱地小麦休闲期耕作与探墒沟播相结合，研究其对自然降水蓄水保墒、产量形成和水分利用效率的影响，明确探墒沟播的增产机理，为旱地小麦高效高产栽培提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地基本概况

试验于2015-2016年在山西农业大学闻喜旱地小麦试验基地进行，该地是典型的温带大陆性气候，地处 110°59′～111°37′ E、35°09′～35°34′ N，年均气温12.5℃，降水量500mm左右，无霜期约190d。试验田为丘陵旱地，无灌溉条件，地势平坦，土层深厚，透水、通气性良好，土质为黏壤土，pH值为7.5～8.0。0～20cm土层土壤有机质为10.55g/kg，全氮为0.68g/kg，碱解氮为37.65g/kg，速效磷为17.64g/kg。2015-2016年降水量见表1，休闲期降水量较常年同阶段低65.56%，生育期降水量较常年同阶段多22.42%，但全年降水量较常年低22.88%。依据国标分类标准[8]，2015-2016年度属干旱年型。

表1 闻喜试验点年降水量及其分布Table 1 Rainfall and its distribution in experimental location mm

1.2 试验设计

试验采用二因素裂区随机设计，以休闲期耕作为主区，分别为深翻（deep ploughing，DP）和免耕（no tillage，NT），以播种方式为副区，分别为探墒沟播（furrow sowing，FS）和常规条播（drilling sowing，DS）。其中探墒沟播使用全还田防缠绕免耕探墒沟播机，在原有机械基础上对播种和施肥深度进行改良，一次性完成深开沟、深施肥、浅覆土和播种，播后沟深8cm、垄高4cm，沟底到垄顶12cm，宽行25cm，窄行12cm，施肥于沟底，深度8cm，种子深度3～5cm。具体操作参见旱地冬小麦宽窄行探墒沟播技术规程（DB 14/ T 1470-2017）。常规条播使用常规施肥条播机进行，行距20cm。共设4个处理，3次重复，小区面积90m2（9m×10m）。深翻处理：前茬小麦收获时留高茬（20～30cm），于7月20日深翻（深度25～30cm），深翻时将有机肥（1 500kg/hm2）和秸秆同时翻入土壤中。免耕处理：休闲期不进行任何操作。8月底对各处理进行浅旋、耙耱。9月30日播种，品种为晋麦92，由闻喜县农业农村局提供，播前基施氮（纯氮150kg/hm2）、磷（P2O5150kg/hm2）、钾（K2O 150kg/hm2）肥，播量90kg/hm2，采取常规田间管理。

1.3 取样及测定方法

于休闲初期、播种、越冬、拔节、开花和成熟期，分别采用土钻取0～300cm土壤土样（每20cm为一个土层），采用烘干法测定土壤含水量。

于小麦三叶期开始，每小区随机选取3个样区，每样区0.667m2，记录调查样区内越冬期、拔节期、孕穗期、开花期及成熟期冬小麦的分蘖情况。

成熟期时在每小区随机连续选取10个单株，分别调查其株高、穗长、可孕小穗数和不可孕小穗数。同时调查单位面积穗数、每穗平均粒数和千粒重，每小区取50株测定生物产量，收割20m2用于计算经济产量。

1.4 数据处理与分析

土壤蓄水效率（WSE）=D/R×100%，D为某时期一定土层中增加的蓄水量（mm）；R为同时期降水量（mm）。按照孙敏等[1]的方法计算土壤蓄水量（SWSi），SWSi=Wi×Di×Hi×10/100，i为 土 层，W为土壤质量含水量（%），D为土壤容重（g/cm3），H为土层厚度（cm）。各生育阶段土壤贮水减少量（ΔW，mm）=W1-W2，W1和W2分别为阶段初和阶段末的土壤蓄水量。生育期总耗水量（Ey，mm）=ΔW+P+K，P为有效降水量（mm），K为地下水补给量（mm）。本试验地下水埋深在5m以下，故K值可忽略不计。单位蓄水增产量[ΔY1，kg/(hm2·mm)]=(Y1-Y2)/(E1-E2)，Y1和Y2分别为休闲期深翻和免耕处理下的籽粒产量（kg/hm2），E1和E2分别为休闲期深翻和免耕处理下播前土壤蓄水量（mm）。耕作下单位耗水的增产量 [ΔY2，kg/(hm2·mm)]=(Y3-Y4)/(E3-E4)，Y3和Y4分别为休闲期深翻和免耕处理下的籽粒产量（kg/hm2），E3和E4分别为休闲期深翻和免耕处理下生育期总耗水量（mm）。播种方式下单位耗水的增产量 [ΔY3，kg/(hm2·mm)]=(Y5-Y6)/(E5-E6)，Y5和Y6分别为探墒沟播和常规条播处理下的籽粒产量（kg/hm2），E5和E6分别为探墒沟播和常规条播处理下生育期总耗水量（mm）。水分利用效率[WUE，kg/(hm2·mm)]=Y/Ey，Y为小麦产量（kg/hm2）。

采用Microsoft Excel 2007软件进行数据处理，用SPSS 16.0软件进行统计分析，用LSD法检验处理间差异显著性，显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 休闲期耕作对旱地小麦播种期和各生育时期土壤蓄水量的影响

休闲期深翻较免耕播前0～300cm土壤蓄水量显著提高，达46.74mm，休闲期土壤蓄水效率也显著提高，达192.40%（表2）。

表2 休闲期深翻下的休闲期土壤蓄水效率Table 2 Soil water storage efficiency during fallow period after deep turnover

与免耕相比，各生育时期0～300cm土壤蓄水量提高（图1）。采用探墒沟播较常规条播越冬期、拔节期0～300cm土壤蓄水量显著提高，分别达11.24～22.35、17.11～25.56mm，深翻条件下开花期0～300cm土壤蓄水量提高，达2.36mm。可见，旱地麦田休闲期深翻有利于蓄积降雨，提高底墒，采用探墒沟播技术可更有效蓄积土壤水分至开花期。

图1 不同耕作与播种方式下旱地小麦各生育时期0～300cm的土壤蓄水量Fig.1 Soil water storage of 0-300cm in each growth period of upland wheat under different tillage and sowing methods

2.2 耕作与播种方式对旱地小麦各生育阶段耗水量及其所占比例的影响

休闲期深翻较免耕各生育阶段耗水量和总耗水量显著提高，分别为5.60～27.30和38.41～47.65mm（表3）。探墒沟播较常规条播生育期总耗水量显著提高11.89～21.13mm。播前－拔节耗水量及其所占比例显著降低，分别为16.09～22.44mm和4.88%～8.00%；拔节－开花显著提高，分别为15.09～35.54mm和2.51%～7.30%；开花－成熟提高，分别为8.03～12.89mm和0.70%～2.38%。可见，旱地麦田休闲期深翻蓄水促进小麦生长的同时增加了耗水，采用探墒沟播减少了生育前期耗水，增加了生育中后期尤其是中期耗水，由于生育中期是决定穗数和穗粒数形成的关键时期，因此该阶段的耗水增加在一定程度上有利于群体构建。

表3 不同耕作与播种方式下旱地小麦各生育阶段的耗水量及其所占比例Table 3 Water consumption and proportion of each growth stage of upland wheat under different tillage and sowing methods

2.3 耕作与播种方式对旱地小麦各生育阶段群体分蘖变化率的影响

休闲期深翻较免耕显著降低了越冬－拔节群体分蘖增加率、拔节－开花群体分蘖减少率，从而提高了成穗率，且探墒沟播条件下差异显著（表4）。探墒沟播较常规条播对分蘖变化率的影响与前者一致。可见，旱地麦田休闲期深翻结合探墒沟播技术可有效减少早春无效分蘖的发生，提高成穗率。

表4 不同耕作与播种方式下旱地小麦各生育阶段的群体分蘖变化率Table 4 Tiller change rates of upland wheat at each growth stage under different tillage and sowing treatments %

2.4 耕作与播种方式对旱地小麦成熟期单株农艺性状的影响

休闲期深翻较免耕穗长显著提高，为0.48～0.80cm；小穗数和可孕小穗占比提高，分别为0.60～1.20cm和2.25～3.22个百分点（表5）。探墒沟播较常规条播穗长、小穗数和可孕小穗数占比提高，分别为0.70～1.02cm、0.80～1.40cm和7.55～8.52个百分点，且深翻条件下穗长、可孕小穗数占比差异显著。可见，旱地麦田休闲期深翻结合探墒沟播有利于提高可孕小穗数，为提高穗粒数奠定基础。

表5 不同耕作与播种方式下旱地小麦成熟期的单株农艺性状Table 5 Agronomic characteristics of single plant at maturity stage of upland wheat under different tillage and sowing treatments

2.5 耕作与播种方式对旱地小麦产量及其构成因素的影响

休闲期深翻较免耕穗数、穗粒数、千粒重和产量分别提高3.32%～5.26%、3.85%～6.53%、1.09%～3.61%和10.77%～13.38%，且探墒沟播条件下产量显著高于其他处理（表6）。探墒沟播较常规条播穗数、穗粒数、千粒重和产量分别提高8.04%～10.07%、8.46%～11.25%、3.58%～6.17%和16.39%～19.12%。可见，旱地麦田休闲期深翻结合探墒沟播主要通过提高穗数和穗粒数提高产量，且探墒沟播的增产幅度较大。

表6 不同耕作与播种方式下旱地小麦的产量及其构成因素Table 6 Yield and its components of upland wheat under different tillage and sowing treatments

2.6 土壤水分蓄积与消耗对产量的贡献

休闲期深翻蓄水的增产量为9.75～9.79kg/(hm2·mm)，不同播种方式处理间差异不显著；休闲期深翻耗水的增产量为9.78～11.64kg/(hm2·mm)，且探墒沟播显著高于常规条播（表7）。生育期采用探墒沟播耗水增产量为31.53～54.47kg/(hm2·mm)，且休闲期深翻显著高于免耕。另外，深翻条件下探墒沟播较常规条播水分利用效率显著提高13.15%，免耕条件下提高12.67%。

表7 土壤水分蓄积与消耗对产量的贡献Table 7 The contribution of soil water accumulation and consumption to yield kg/(hm2·mm)

2.7 耕作与播种方式对旱地小麦经济效益的影响

休闲期深翻较免耕总收入和净收入分别提高10.77%～13.38%和1.62%～5.56%，且总收入差异显著（表8）。探墒沟播较常规条播总收入、净收入和产投比均显著提高，分别达16.39%～19.12%、103.25%～111.12%和30.27%～35.93%，且免耕条件下增幅较大。可见，旱地麦田休闲期深翻，深施有机肥有利于改善土壤质量，提高总收入，结合探墒沟播可实现最大净收入，且休闲期免耕条件下净收入增幅较大，结合探墒沟播可实现产投比的最大化。

表8 不同耕作与播种方式下旱地小麦的经济效益Table 8 Economic benefits of upland wheat under different tillage and sowing treatments 元/hm2 yuan/hm2

3 讨论

黄土高原东南部旱作麦区夏季休闲期降水较多，此期降水是土壤水分恢复的关键时期，决定了播前土壤蓄水量的高低，因此，在此阶段耕作是提高播前底墒的重要途经。张树清等[9]在甘肃旱作麦区研究表明，深翻可打破犁底层，减小根系穿透阻力，增强土壤渗水能力，提高天然降水的利用率，还可以加厚土壤耕层，增加土壤孔隙度，由此增强雨季贮水蓄墒能力。研究[10-11]表明，休闲期深松可以缓解土壤紧实度，提高土壤贮水量和入渗量，有利于增加根系长度。长期免耕可增加上层土壤的紧实度，形成犁底层，进而阻碍土壤水分下渗，降低土壤水分蓄积能力[12]；孙敏等[1]研究表明，山西省闻喜县在欠水年休闲期深翻后，休闲期土壤蓄水效率显著提高147%～205%。本文研究结果与其一致，认为在本年度休闲期降水较少时，休闲期深翻较免耕可提高0～300cm土层播前底墒46.74mm，提高蓄水效率192.40%。然而，连年深翻频繁搅动土壤，导致土壤水分流失，旱地小麦休闲期蓄水保墒是否采用深翻、深松、免耕或连年深翻技术相结合还有待探索。李晶等[13]研究表明，在黑龙江，与传统平播相比，沟播可提高小麦生育中后期土壤水分、小麦生物产量和水分利用效率。探墒沟播较常规条播提高了土壤蓄水量，且根据全年降雨及其分布的不同，增幅为7.86%～13.24%[14-16]。本研究表明，采用探墒沟播有利于生育期降雨的蓄水保墒效果，休闲期免耕的土壤蓄水效果仅至小麦拔节期显著，拔节后差异不显著；休闲期深翻后至开花期差异显著，而开花后至成熟期差异不显著。说明，休闲期耕作蓄水保墒可延长探墒沟播的土壤水分蓄积利用。

作物各个关键生长阶段的耗水受土壤水分影响，合理的阶段耗水是作物产量形成的基础。赵亚丽等[17]研究表明，在黄淮海地区休闲期耕作可提高周年农田耗水量、周年作物产量和水分利用效率，分别达3%、18%和15%。李念念等[18]研究表明，休闲期深松可增加小麦生育期耗水，促进各生育阶段植株的生长，从而提高产量。杨长刚等[19]研究表明，与露地种植相比，秸秆带状覆盖可显著提高生育期耗水量，增加拔节至开花期阶段耗水量，促进地表120cm以下土壤水分的利用。本研究表明，干旱年型下，休闲期深翻蓄水在促进小麦生长的同时增加了各生育时期的土壤耗水，采用探墒沟播显著降低了生育前期耗水，增加了生育中后期耗水，尤其是中期，可为穗数的增加和穗粒数形成提供充足的水分。这主要是因为休闲期采用深翻和探墒沟播实现了全年对降雨的蓄积，可满足小麦各生长阶段耗水。

旱地小麦各阶段耗水情况显著影响着产量构成因素。陈梦楠等[20]研究表明，休闲期覆盖有利于实现降水周年调控，减少生育前期耗水，增加生育中后期耗水，从而优化产量构成因素，提高产量。侯慧芝等[21]在甘肃半干旱地区研究表明，与露地穴播相比，全膜覆土穴播通过提高耗水效率提高了株高、单株重、小穗数、穗粒数、穗粒重和千粒重。本研究表明，休闲期深翻有利于提高成穗率和可孕小穗数，采用探墒沟播减少了前期无效分蘖，提高了成穗率、穗长和可孕小穗数占比，从而提高了穗数和穗粒数，最终产量显著提高，可增产16%～20%。

不同阶段蓄水和耗水的增产效果存在差异。任爱霞等[22]研究表明，休闲期深松的蓄水增产量为2～31kg/(hm2·mm)；陈梦楠等[20]研究表明，干旱年型，休闲期深翻后覆盖蓄水和耗水的增产量分别为17～26 和 22～26kg/(hm2·mm)；高艳梅等[23]研究表明，地膜覆盖播种，旱地麦田节水增产效果提高，单位节水量提高10%以上，单位耗水增产量提高11%以上。本研究表明，休闲期深翻蓄水的增产量为9.75～9.79kg/(hm2·mm)，休闲期深翻耗水的增产量为9.78～11.64kg/(hm2·mm)，且探墒沟播显著高于常规条播。探墒沟播较常规条播单位耗水的增产量显著提高，最终显著提高水分利用效率，深翻和免耕条件下分别达13.15%和12.67%。

4 结论

在休闲期降水少而生长期降水较多的干旱年型，在休闲期深翻提高底墒的基础上，采用探墒沟播可延长土壤蓄水效果至开花期，高效合理利用土壤水分，并减少生育前期耗水，从而减少早春无效分蘖的发生，有利于成穗率和小穗数的增加以及籽粒的形成，最终优化产量构成，提高净收入。本次试验每消耗1mm生育期土壤水分可增产54.47kg/hm2，提高了产量和水分利用效率，为旱作麦区高效高产提供了理论依据。