旱作区不同降水年型垄作覆盖下冬小麦土壤水分动态变化研究

李俊红，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)

豫西旱作区农业生产以旱作为主，农作物所需水分主要依靠自然降雨，豫西旱区降雨常表现为十年九旱，且表现为一季有余，两季不足，加之降水分布极为不均，对农作物生产造成较大的影响。自然降水必须转化为土壤水方能被作物吸收利用，通过提高土壤对降水的吸纳和储存，来提高降水利用率和土壤水分利用效率，进而为旱地作物提供持续不断的供水，使农作物生产实现高产稳产[1]。多项研究表明，旱作区垄作覆盖保墒技术通过提高土壤水分储蓄率，减少土壤水分蒸发，提高土壤水分利用效率来达到为作物提供持续的供水，实现作物增产，在不同降水年型下对作物的增产效果不同，欠水年增产效果最大，平水年次之，丰水年最小。北方旱作区冬小麦生育期内降水量严重不足，仅为高产小麦需水量的1/4～1/2[2]，且降水分配极不均，受底墒水分的影响较大，因此，笔者通过改良耕作措施来缓解冬小麦生育期需水与土壤供水之间的矛盾，缓解因降雨不足及降雨分配不均而造成的冬小麦减产问题。前人研究多为少数年份内垄作覆盖下对冬小麦产量和水分的影响，本文通过长期定位试验，划分不同降水年型，研究了不同降水年型垄作覆盖下底墒对冬小麦生产的影响，以及垄作覆盖对一年两熟制下冬小麦土壤水分运移规律，旨在为探明豫西旱作区长期定位下垄作覆盖技术对冬小麦农田水分动态变化特征，为今后选择适宜豫西旱作区农作物生产的农业耕作措施提供科学依据，为我国北方旱作区实现可持续农业发展提供可靠的技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验为长期定位试验，试验于2004～2018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。本文试验数据采用其中较为典型的3年不同降水年型下的试验数据，即欠水年(2007～2008年)、平水年(2009～2010年)、丰水年(2011～2012年)。土壤为潮褐土，质地为重壤，耕层土壤容重为1.53 g/cm3，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 ℃，其中日平均温度超过10 ℃的天数约为210 d，积温约为4000 ℃·d，年平均蒸发量约为1841.5 mm,土壤耕层有机质含量约为15.6 g/kg，碱解氮(N)62.5 mg/kg，速效磷(P2O5)10.4 mg/kg，速效钾(K2O)166.0 mg/kg。该试验区种植制度为小麦-玉米一年两熟。

1.2 试验设计

本试验设2个处理，3次重复，随机排列。处理1：垄作覆盖(Ridge tillage mulching，RTM)：起垄种小麦后进行秸秆全覆盖+沟内种玉米垄上秸秆覆盖(每年起垄，垄上种4行小麦，沟内种1行玉米)，处理2：对照(CK)为传统耕作(Conventional tillage)，即深翻耕25～30 cm(小麦、玉米秸秆均不还田)。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。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 降雨量 在试验区附近用自动气象参数观测记录。

1.3.2 土壤含水量 在小麦、玉米主要生育期(小麦：苗期、越冬期、拔节期、抽穗期和成熟期；玉米：苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期)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。

1.3.3 产量的测定 于收获期在田间测定穗数，同时进行常规室内考种，整区收获计产。

1.3.4 水分利用效率 水分利用效率/[kg/(hm2·mm)]=作物产量/作物耗水量×100%。

1.3.5 降水利用效率 降水利用效率/[kg/(hm2·mm)]= 作物产量/生育期降雨量×100%。

1.4 试验期内不同降水年型降雨的分布情况

土壤水分状况决定于水分的收支状况，豫西旱区土壤水分收支主要取决于自然降雨的多少。因此，不同降水年型的划分结合季节降水和土壤水分循环分布特点，豫西旱区一年两熟制下降雨表现为一季有余，两季不足。从表1可以看出，冬小麦生育期常年平均降水占全年的34.8%，且降水分配不均，依据“麦收胎里富”的理论，从土壤蓄墒期至冬小麦生育期(即土壤失墒期)结束[1]，划分出3个降水年型。利用长期定位试验，从中选出具有代表性的3个降水年型。6～9月份降雨量占全年降水的51.1%～72.7%，欠水年6～9月份降雨量较常年减少36.95%，年降雨量较常年减少19.5%,加之降水分布极为不均，仅5月份降雨量高达118.5 mm，小麦已接近成熟，此时的降雨对冬小麦产量的提高毫无意义，该年度为典型的欠水年。丰水年6～9月份降水较常年增加47.9%，年降雨量较常年增加32.8%，降水分布较为合理，可以作为丰水年的代表。平水年6～9月份降水较常年减少6.5%，年降雨量较常年减少7.5%，与常年降雨量基本相当，且降雨分布较为合理。

2 结果与分析

2.1 不同降水年型垄作覆盖对冬小麦耗水量、水分利用效率和降水利用效率的影响

冬小麦产量与底墒关系很大，从表2可以看出，3个降水年型下冬小麦生育期降雨量基本相当，受底墒的影响，3个降水年型的产量相差较大，从耗水量和降水利用效率来看，欠水年<平水年<丰水年。欠水年和丰水年耗水量垄作覆盖与对照间差异不显著，主要原因是欠水年0～200 cm土壤水分含量较低，作物生长受到严重制约,耗水量也最低。而丰水年土壤水分处于高水平状态，6～9月份降雨量高达568.9 mm，接近田间持水量(567.9 mm)水平，作物生长有水可耗，耗水量大，冬小麦整体产量也高。欠水年水分利用效率和降水利用效率分别较对照高87.9%、83.9%，说明垄作覆盖在欠水年更有利于提高土壤的蓄水保墒能力。丰水年垄作覆盖冬小麦耗水量和降水利用效率均高于对照，说明垄作覆盖在丰水年仍有利于提高土壤的蓄水保墒效果。垄作覆盖下土壤的水分利用效率与对照相比差异不显著，说明丰水年土壤水分含量处于高水平状态，在一定程度上削弱了栽培技术措施的效果。平水年垄作覆盖下冬小麦耗水量和降水利用效率分别较对照高10.8%和7.7%，说明垄作覆盖在平水年具有明显的蓄水保墒作用。综上所述，垄作覆盖在不同降水年型均可提高土壤的蓄水保墒作用，进而提高了土壤的供水能力，为作物丰产稳产奠定基础。

表2 不同降水年型垄作覆盖对冬小麦耗水量、水分利用效率及降水利用效率的影响

2.2 不同降水年型垄作覆盖下冬小麦不同生育期土壤水分动态变化研究

2.2.1 不同降水年型垄作覆盖下冬小麦全生育期平均土壤含水量 从图1可以看出，不同降水年型垄作覆盖下，冬小麦全生育期平均土壤含水量表现为平水年>丰水年>欠水年，垄作覆盖下平均土壤含水量平水年较欠水年高13.1%，丰水年较欠水年高8.4%，平水年较丰水年高4.4%。从平均含水量来看，平水年与丰水年差异不大，而造成产量差异较大的主要原因是受降水分布和底墒的影响而引起的。从各个年型来看，欠水年垄作覆盖下冬小麦生育期平均土壤含水量较对照高11%，而平水年和丰水年分别较对照高3.8%和3.0%，二者之间差异不明显。受底墒和降雨分布的影响，其产量间差异则表现为欠水年增产效果最好，平水年增产效果次之，丰水年增产效果不明显。综上所述，造成产量差异的主要原因是底墒和降雨时空分布不均。

图1 不同降水年型垄作覆盖下冬小麦全生育期平均土壤含水量(0～200 cm)

2.2.2 不同降水年型垄作覆盖下冬小麦不同生育期土壤水分动态变化 垄作覆盖下冬小麦不同生育期不同降水年型土壤水分的动态变化差异较大(图2～图4)。总体来看，冬小麦不同生育期垄作覆盖与对照0～200 cm土壤含水量间差异较0～20 cm耕层土壤含水量变化缓和，但在不同降水年型下二者差异不同，在不同降水年型下垄作覆盖冬小麦0～200 cm土壤含水量与对照间的差异表现出欠水年>平水年>丰水年，在平水年和丰水年冬小麦自播种至成熟土壤水分含量由高到低呈逐渐下降的趋势，说明土壤含水量多时其耗水量也随之增加。0～20 cm耕层土壤含水量在冬小麦不同生育期较0～200 cm土壤含水量变化大，二者受气候影响而表现出较大的差异，0～20 cm土壤含水量在冬小麦不同降水年型不同生育期受自然降水多寡的影响较大，较对照变幅更大，且与0～200 cm土壤含水量在不同降水年型下的表现不同。垄作覆盖下冬小麦0～20 cm土壤水分含水量与对照间的差异则表现为平水年>欠水年>丰水年。

(1)欠水年垄作覆盖下冬小麦不同生育0～200 cm土壤水分含量变幅较大(图2a)，各生育期较对照增加幅度为8.31%～18.23%，平均较对照增加了11.05%，其中受播种时的底墒和降雨分布的影响，苗期垄作覆盖下土壤含水量较对照高14.13%，有利于形成壮苗。越冬期土壤含水量最低，垄作覆盖下土壤含水量较对照高8.99%，孕穗期垄作覆盖下土壤含水量较对照高18.23%，有利于冬小麦粒数的增加，灌浆期垄作覆盖下土壤含水量较对照高9.45%，利于冬小麦粒重的增加。而收获期虽然土壤含水量较高，由于降雨集中在5月份小麦成熟期，此阶段的降雨对小麦产量的提高意义不大，而收获期垄作覆盖下土壤含水量较对照高8.31%。从整个生育期来看，垄作覆盖下冬小麦土壤含水量始终高于对照，说明垄作覆盖有利于提高土壤蓄水保墒能力，有利于提高冬小麦产量。从图2b又可以看出，欠水年冬小麦0～20 cm土壤含水量的变化受降雨的影响更大，垄作覆盖下冬小麦土壤含水量0～20 cm播种期到灌浆期较对照高11.4%～27.2%，平均较对照增加15.4%，说明垄作覆盖有利于提高耕层土壤的蓄水保墒能力，有利于提高冬小麦的抗旱能力，为小麦高产稳产奠定基础；而对照遇旱后耕层土壤更容易散墒而导致旱情加重，进而造成一定程度的减产，收获期的集中大量降雨使其二者土壤含水量基本相当。

ST：播种期，SS：苗期；WS：越冬期；GS：返青期；ES：拔节期；HD：抽穗期；FS：灌浆期；HS：收获期。下同。

(2)平水年垄作覆盖下冬小麦0～200 cm土壤含水量(图3a)在各生育期内较对照变幅小，其变幅为0.47%～7.68%，且土壤含水量整体随着生育期的推进而呈逐渐降低的趋势，而小麦生育期内耕层的土壤含水量(图3b)增幅较大，其增幅为6.2%～47.9%，平均较对照增加了21.3%。

图3 平水年垄作覆盖下冬小麦不同生育期0～200 cm和0～20 cm耕层土壤水分含量的变化

(3)丰水年降雨充沛，在一定程度上减弱了耕作措施的效果，从图4a可知，垄作覆盖下冬小麦不同生育期0～200 cm土壤含水量较对照变幅小，平均较对照增加了2.96%，而耕层土壤(图4b)0～20 cm垄作覆盖下冬小麦平均土壤含水量较对照增加了8.9%，不同生育期土壤含水量较对照的增幅为2.9%～13.6%。

图4 丰水年垄作覆盖下冬小麦不同生育期0～200 cm和0～20 cm耕层土壤水分含量的变化

2.2.3 不同降水年型垄作覆盖下麦田水分的垂直变化 不同降水年型垄作覆盖下冬小麦主要生育期即播种和收获时土壤水分0～200 cm土层之间水分变化存在较大差异，整体来看，垄作覆盖下冬小麦0～200 cm土壤水分的垂直变化幅度表现为欠水年>平水年>丰水年。

由图5a可知，欠水年垄作覆盖下冬小麦播种期土壤含水量明显高于对照，0～200 cm土壤含水量较对照多36.1 mm。0～120 cm的土壤含水量变化较大，平均较对照高15.4%，且随着土层深度的增加，土壤水分含量逐渐降低，说明垄作覆盖有利于提高土壤的蓄水保墒能力和土壤供水能力，利于冬小麦根系向土壤深层扩展，吸收利用深层土壤水分。140～200 cm土壤水分相对稳定，两者土壤水分含量基本相当。

由图5b可知，欠水年垄作覆盖冬小麦收获时的土壤含水量随着土层深度的增加，土壤含水量的变化呈现出增加-降低-稳定的状态，0～200 cm土层储水量较对照多37.7 mm，0～20 cm土壤含水量较对照高20.9%，且20～60 cm土壤含水量下降较对照缓慢，平均较对照高22.1%。120 cm以下土壤含水量二者基本相当。

由图5c可知，平水年垄作覆盖下冬小麦播种期0～160 cm土层水分含量随着土层深度的增加而逐渐减少，0～20 cm土壤含水量垄作覆盖较对照高11.8%，随后二者基本相当，120～140 cm土壤含水量垄作覆盖又显著高于对照，说明垄作覆盖不仅能提高土壤的蓄水保墒能力，还可以减少耕层土壤水分的蒸发。

由图5d可知，平水年冬小麦收获期0～200 cm土壤含水量，二者均随土层深度的增加而降低，且二者含水量基本相当。

由图5e可知，丰水年播种期0～200 cm的土壤含水量变化趋势与平水年较为相似，垄作覆盖冬小麦土壤含水量略高于对照，且随着土层深度的增加，土壤含水量逐渐降低。

由图5f可知，收获期则由于冬小麦生育期内降雨充沛，能够满足冬小麦生产需求且有一定的盈余。因此，随着土层深度的增加，土壤含水量逐渐升高，平水年和丰水年的这种土壤水分随土层深度变化的趋势，说明在冬小麦生育期内降雨和土壤供水相对比较充足的情况下削弱了耕作措施的应用效果。

图5 不同降水年型垄作覆盖下冬小麦播种期和收获期土壤水分含量的垂直变化

3 讨论与结论

豫西旱区是以山地丘陵为主的旱作农业区，豫西旱区一年两熟制下降雨表现为一季有余，两季不足，且降雨季节分配不均，十年九旱，秋冬连旱和伏旱也时有发生，通过改良耕作措施，采用覆盖保墒技术来确保冬小麦高产稳产，多年试验结果表明垄作覆盖保墒效果较好，能够提高豫西旱区一年两熟制作物产量，冬小麦生育期常年平均降水占全年的34.8%，加之生育期内降雨不均是造成小麦减产的主要原因。由于冬小麦生产受底墒的影响较大，因此，利用长期定位试验，选出3个较为典型且有代表性的不同降水年型，研究了小麦生育期需水规律和供水之间的矛盾，3个降水年型的产量相差较大。从耗水量和降水利用效率来看，垄作覆盖与对照间表现出的差异依次为欠水年<平水年<丰水年，欠水年受干旱影响土壤含水量处于较低水平，作物生长严重缺水，导致产量降低，耗水量和水分利用效率较低，垄作覆盖的效果明显。而丰水年降雨充足，土壤含水量处于较高水平状态，作物生长不受土壤水分含量的制约，产量较高，耗水量和水分利用效率自然较高。不同降水年型垄作覆盖下冬小麦全生育期平均土壤含水量表现为平水年>丰水年>欠水年，这可能与冬小麦全生育期降雨分布、耗水量及水分利用效率有关。

在不同降水年型下垄作覆盖冬小麦0～200 cm土壤含水量与对照间的差异表现为欠水年>平水年>丰水年，随着干旱的加剧，传统耕作由于翻耕措施和地表无覆盖更容易散墒而导致旱情愈加严重。而不同降水年型垄作覆盖下冬小麦主要生育期即播种和收获时土壤水分0～200 cm土层之间水分变化可以反映出土壤的储水能力，不同降水年型垄作覆盖下冬小麦0～200 cm土壤水分的垂直变化表现为欠水年的变化幅度大于平水年和丰水年。欠水年垄作覆盖与对照间变化幅度差异大，说明耕作措施起到一定的保墒作用，垄作覆盖提高了土壤的储水量和土壤的供水能力，为作物生产提供保障。平水年土壤含水量在播种期和收获期都是随着土层深度的增加而逐渐降低，这与小麦生长需水和降雨分布有很大关系；而丰水年收获期土壤水分含量随着土层深度的增加而逐渐增加，说明冬小麦生育期内降雨量较为充足，能够充分满足冬小麦生长需求，这在一定程度上削弱了耕作措施在农业生产上的应用效果。抗旱节水始终是人们研究和关注的重点，旱作区如何通过改善耕作措施提高土壤蓄水保墒能力和供水能力，进而提高作物产量是主要的研究内容，选择适宜豫西旱区一年两熟制下更好的耕作措施，如何更大程度上提高降雨利用效率和土壤水分利用效率则有待于深入研究。