休闲期耕作方式和施用保水剂对旱地小麦产量及水分利用率的影响

裴雪霞 党建友 张定一 张 晶 王姣爱 程麦凤

(山西农业大学小麦研究所，山西 临汾 041000)

中国正面临着前所未有的农业生产挑战，以满足人口众多和不断增长的粮食需求。小麦是发展中国家最重要的粮食作物之一，也是我国三大主食之一。旱地冬小麦约占山西省南部小麦总种植面积的50%～60%，旱地麦区休闲期降水量占比大，导致降水分布与冬小麦生育期需水量不同步，因此将休闲期降水最大化利用是旱地冬小麦稳产高产的重要途径[1-3]。前人研究结果表明，休闲期深耕和深松可以打破犁底层，提高土壤入渗速度，最大限度地接受自然降水[4-6]，从而促进小麦根系生长，吸收深层土壤水分，提高水分利用效率和小麦产量，同时促进养分的吸收和运转，改善小麦籽粒品质和面粉加工品质[7-11]；Sun 等[12]研究也表明，7月上旬深耕或深松，8月底旋耕耙耕，可增加播种前土壤贮水量，促进小麦根系吸收深层土壤水分，提高旱地冬小麦产量。保水剂作为一种吸水能力强的高分子材料，适量施用可减少土壤水分蒸发，提高土壤含水量，保证干旱条件下水分的可控释放，增加水分的贮留，为保证旱地小麦正常生长发育提供足够的水分[13]。研究表明，施用适量保水剂可以降低土壤密度，提高土壤水稳性团聚体含量，增加土壤孔隙度[14-15]；也有研究表明，过量施用保水剂可造成土壤板结[16]，但因地区、土质、施用方法和施用量不同，应用效果有差异。综上所述，雨养旱地麦田高产稳产的关键在于最大限度贮存休闲期降水。本研究在晋南雨养旱地以冬小麦为试验材料，研究3 种耕作方式和不同保水剂施用量对播前和收获后土壤水分含量、水分利用率、土壤养分含量及旱地小麦产量的影响，旨在探索最大限度利用休闲期降水的新途径，以期为雨养旱地小麦稳产高产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验于2017—2018年，在临汾市尧都区大阳镇岳壁村旱地(36.09°N，111.76°E，海拔693.5 m)进行。该地年均降水量489.2 mm，年均气温12.6℃，年蒸发量1 658.7 mm，年均日照时数2 170.2 h，无浇水条件，属雨养旱地，一年一作。供试土壤为石灰性褐土，据2017年小麦播前测定，0 ～20 cm 土层含有机质10.61 g·kg-1、全氮0.93 g·kg-1、碱解氮33.02 mg·kg-1、速效磷11.13 mg·kg-1、速效钾109.00 mg·kg-1。供试保水剂(super absorbent polymers，SAP)由中国农业科学院农业资源与农业区划研究所提供；供试小麦品种为品育8161，由山西农业大学小麦研究所培育并提供。试验年份及前10年的月降水量如图1 所示。2017—2018年年降水量(551.60 mm)高于前10年的平均年降水量(445.73 mm)，为丰水年；休闲期(6—9月份)降水量为366.8 mm，属丰水型，分别占试验年份和前10年年均降水量的66.5%和65.0%；生育期降水184.8 mm，属丰水型，降水年型划分参照文献[3]。从全年度降水分布看，2017—2018年度休闲期降水主要分布在6—8月份，其降水量占休闲期总降水量的95.88%。小麦生育期降水主要分布在幼苗期和生育后期，小麦生长关键期11—3月份降水量仅为24 mm，遭遇严重冬春连旱。

1.2 试验设计

采用裂区设计，主区为休闲期耕作方式(2017年7月26日):深松(SS，深度30 ～40 cm)、深翻(DP，深度27～30 cm)和旋耕(RT，深度15 ～20 cm)，副区为保水剂施用量:0、45 和90 kg·hm-2。小麦收获后留茬长度23～28 cm，麦秸覆盖均匀。小麦播前将保水剂按试验设计用量与适量细土混匀，撒施。化肥施用量为纯N 150 kg·hm-2，P2O5105 kg·hm-2，休闲期耕作前撒施50%磷肥，播前撒施全部氮肥和剩余50%磷肥。小区面积100 m×35 m＝350 m2，采用大区设计，不设重复。2017年9月28日播种，各小区均采用旋耕、播种、镇压一次完成，播量225 kg·hm-2，行距20 cm，全生育期不浇水，不追肥，进行2 次病虫草害防治，2018年6月2日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤蓄水量 于播种和收获当天，测定0 ～200 cm 土壤含水量，每20 cm 一层，共10 层，用铝盒烘干法测定土壤含水量(soil water content，SWC)[3]。并根据公式计算每一上层土壤贮水量(soil water storage，SWS)、生育期耗水量水分利用率(water use efficiency，WUE)和降水利用率(precipitation use efficiency，PUE):

式中，W 为土层贮水量，mm；WC 为土层含水量，%；ρs为土层容重(各土层平均容重为1.28 g·cm-3)；h为土层厚度，cm；0.1 为单位换算系数。

1.3.2 籽粒产量 成熟期前每处理调查6 个定点1 m2样方内所有≥3 粒以上的穗数，为有效成穗数。其中每小区在1 个调查样方内随机选2 个单行，拔取单行20 cm 的全部穗数，去除穗粒数小于3 粒的穗后，调查粒数，平均值为穗粒数。成熟期每小区收获其余5 个1 m2定点样方，晒干后脱粒称重，折算成公顷产量；数500 粒称质量，换算成千粒重，2 次重复(重复间相差≤0.5 g)。

1.3.3 土壤养分含量 成熟期采取0 ～20 和20 ～40 cm 土层土样，风干，过2 mm 土筛用于测定土壤有机质及速效养分含量。土壤有机质含量采用高锰酸钾容量法测定，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，速效磷含量采用NaHCO3浸提-钒钼酸铵比色法测定，速效钾含量采用NH4OAc 浸提-火焰光度法测定[17]。

1.4 数据处理

采用Excel 2007 和DPS 13.5 软件对数据进行统计分析。采用Duncan 法进行方差分析和多重比较(α＝0.05)。利用Excel 2007 作图。表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 耕作方式和施用保水剂对土壤含水量的影响

由图2 可知，播种前，与休闲期旋耕相比，休闲期深松20～160 cm 土层的土壤含水量平均增加0.69 个百分点，休闲期深翻0 ～20 cm 和60 ～140 cm 土层的土壤含水量分别平均增加0.35 个和0.76 个百分点。可见，休闲期深松可以明显提高旱地小麦的贮水和持水能力，为旱地小麦的合理播种提供有利条件。收获后，休闲期深松和深翻较休闲期旋耕总体增加了0～20 cm 土层土壤含水量(除不施用保水剂深松0 ～20 cm 土层土壤含水量稍低于旋耕外)，总体降低了20～200 cm 土层土壤含水量。不施保水剂时，休闲期深松的土壤含水量总体高于休闲期深翻，而保水剂用量为45 或90 kg·hm-2时，休闲期深翻土壤含水量则总体高于休闲期深松。

2.2 耕作方式和施用保水剂对水分利用率的影响

由表1 可知，与休闲期旋耕相比，休闲期深松和深翻总体提高了小麦生育期耗水量，极显著提高了0 ～200 cm 土壤水分利用率和降水利用率，且休闲期深松处理水分利用率和降水利用率总体高于休闲期深翻处理。各耕作方式的水分利用率和降水利用率均在保水剂施用量为45 kg·hm-2时最高，与不施用保水剂和保水剂施用量为90 kg·hm-2时差异达显著水平。保水剂施用量为45 kg·hm-2时，休闲期深松和深翻的降水利用率分别比休闲期旋耕提高51.48%和38.74%。

表1 耕作方式和施用保水剂对水分利用率和降水利用率的影响Table 1 Effects of tillage at fallow period and SAP on water use efficiency and precipitation use efficiency

2.3 耕作方式和施用保水剂对小麦产量及其构成的影响

表2 耕作方式和施用保水剂对旱地小麦产量及其构成的影响Table 2 Effects of tillage at fallow period and SAP on yield and its component of dry-land wheat

由表2 可知，与休闲期旋耕相比，休闲期深松和深翻配合施用保水剂均极显著提高了成穗数和穗粒数，并提高了旱地小麦产量，其中休闲期深松配施保水剂的提高效果达到显著或极显著水平。旱地小麦产量，但耕作方式对千粒重影响较小。休闲期深松平均产量较休闲期旋耕增加12.63%，休闲期深翻平均产量较休闲期旋耕增加6. 88%。可见休闲期深松增产效果优于休闲期深翻。各耕作方式旱地小麦籽粒产量及其构成均在保水剂施用量为45 kg·hm-2时最高，且籽粒产量与不施用保水剂处理间差异达显著水平；保水剂施用量为90 kg·hm-2次之，其中休闲期深松和深翻配施保水剂45 kg·hm-2分别较不施用保水剂处理产量增加17. 88%和11. 85%，分别较保水剂施用量为90 kg·hm-2增加6. 32% 和4. 28%，因此休闲期深松配施保水剂45 kg·hm-2增产效果最好。.

2.4 土壤含水量、旱地小麦产量及其构成和水分利用率的相关性分析

为进一步研究土壤含水量、旱地小麦产量及其构成和水分利用率之间的关系，进行了相关性分析(表3)。结果表明，播前60～120 cm 土层土壤含水量与成穗数、穗粒数呈显著正相关，与产量、水分利用率和降水利用率也呈正相关，但未达显著水平。收获期土壤含水量、生育期耗水量与产量及其构成、水分利用率和降水利用率的相关性较小，产量、成穗数、穗粒数、水分利用率和降水利用率相互间呈极显著正相关。

表3 土壤含水量、旱地小麦产量及其构成和水分利用率的相关关系Table 3 Correlation among the soil water content，yields of dryland wheat and its components，and water use efficiency

2.5 耕作方式和施用保水剂对土壤养分含量的影响

由表4 可知，与休闲期旋耕相比，相同保水剂施用量下，休闲期深松降低了0～20 cm 土壤碱解氮和速效磷含量；休闲期深翻提高了0 ～20 cm 土壤速效磷和速效钾含量，降低了碱解氮含量。由表5 可知，与休闲期旋耕相比，相同保水剂施用量下，休闲期深松和深翻极显著提高了20 ～40 cm 土壤有机质、碱解氮和速效磷含量。与不施用保水剂相比，休闲期深松配施保水剂，显著降低了0～20 cm 和20 ～40 cm 土壤有机质含量，提高了0～20 cm 和20 ～40 cm 土壤碱解氮含量，显著降低了0～20 cm 土壤速效磷含量，却显著提高了20 ～40 cm 土壤速效磷和速效钾含量，其中配施保水剂45 kg·hm-2，20 ～40 cm 土壤养分含量总体高于配施保水剂90 kg·hm-2；与不施用保水剂相比，休闲期深翻配施保水剂显著降低了0～20 cm 和20～40 cm 土壤有机质和碱解氮含量，显著提高了0 ～20 cm 和20 ～40 cm 土壤效磷和速效钾含量。相同保水剂施用量下，休闲期深松或深翻20～40 cm 土层土壤养分含量与休闲期旋耕间差异均达显著或极显著水平，因此，休闲期深松和深翻可以打破犁底层，提高土壤渗透性，从而改善土壤质量。

表4 耕作方式和施用保水剂对0～20 cm 土层土壤养分含量的影响Table 4 Effects of tillage at fallow period and SAP on 0～20 cm soil nutrient

表5 耕作方式和施用保水剂对20～40 cm 土层土壤养分含量的影响Table 5 Effects of tillage at fallow period and SAP on 20～40 cm soil nutrient

3 讨论

3.1 降水分布及休闲期耕作方式对水分利用率的影响

旱地小麦生产主要依靠自然降水。据报道，我国黄土高原东部地区小麦需要480 mm 左右的降水量才能获得最大产量[2]。裴雪霞等[6]研究表明，山西省临汾市旱地麦田近54年来生育期降水量为70.2 ～237.0 mm，占全年降水量的15.1%～43.5%，平均占30.3%。2017—2018年休闲期降水量为366.8 mm，属丰水型，但其降水主要分布在6—8月份，不利于休闲期纳雨蓄墒，小麦生育期降水量为184.8 mm，主要分布在幼苗期和生育后期，不能很好地满足小麦生长。提高土壤持水能力和最大限度利用休闲期降水对旱地小麦高产稳产至关重要[3-4，18-20]。本研究结果表明，与休闲期旋耕相比，休闲期深松和深翻能明显提高播前土壤含水量和水分利用率，休闲期深松增加了播前深层土壤含水量，休闲期深翻增加了播前耕层(0 ～20 cm)和60 ～140 cm 土层土壤含水量。旱地小麦成穗数和穗粒数与播前60～120 cm 土层土壤含水量均呈显著正相关。因此，休闲期深松或深翻有助于土壤吸收休闲期的降水，为小麦适时播种提供水分，0 ～200 cm 土壤水分利用率和降水利用率也有所增加，这与前人研究结果一致[3，6]。

3.2 耕作方式对旱地小麦产量和土壤养分含量的影响

本研究结果表明，与休闲期旋耕相比，休闲期深松配施保水剂能显著或极显著提高小麦产量，休闲期深翻也能提高小麦产量，差异不显著，并增加了成穗数和穗粒数；休闲期深松的小麦产量和水分利用率、降水利用率总体均高于休闲期深翻，这与孙敏等[21]的研究结果一致，即丰水年深松蓄水效果好于深翻。究其原因，休闲期深翻和深松都能打破多年耕作造成的厚犁底层，但休闲期深松比深翻深度更深，且不上下扰动整个土层，蒸发量小，更有利于休闲期的蓄水保水，因此播前土壤蓄水较深翻效果好。这与裴雪霞等[6]和党建友等[3]的结果一致，但与Sun 等[2]和Xue 等[22]的结果不一致，可能是由于不同地区的气候条件、土壤条件不同，如土壤孔隙度、降水量、风和温度等[19，23]，其具体机理还需进一步深入研究。

大量研究表明，土壤特性与耕作实践密切相关[24-26]。长期少耕或免耕可增加土壤容重，有利于小麦根系对水分和养分的吸收，进而提高产量[27]。耕作措施强烈影响土壤结构，如土壤容重、土壤孔隙度和耕作层的保水特性[22，28-29]。本研究结果表明，与休闲期旋耕相比，相同保水剂施用量下，休闲期深松降低了0～20 cm 土层土壤碱解氮和速效磷含量；休闲期深松和深翻极显著提高20 ～40 cm 土层土壤有机质、碱解氮和速效磷含量，其中休闲期深翻处理0 ～20 cm 土层有机质、碱解氮和速效磷含量以及20 ～40 cm 土层速效磷含量高于深松处理。这与党建友等[3]的研究结果，即8月上旬和中旬深翻可以改善土壤渗水特性，积蓄更多的秋季降水量，促进小麦对氮磷的吸收，增加冬前茎蘖数，提高产量相一致。与休闲期旋耕和深松相比，休闲期深翻处理明显提高20 ～40 cm 土层速效磷含量，可能与磷素移动性极慢，深翻使得20 ～40 cm 土层土壤磷素分布增加有关。试验结果有待多年验证。

3.3 施用保水剂对小麦产量及降水利用率的影响

大量研究表明，施用一定量的保水剂可降低土壤密度，提高土壤孔隙度，增加土壤入渗率，减少土壤侵蚀[30-31]，确保干旱条件下土壤水分的可控释放，从而减少水分胁迫，加速土壤有机质的分解和矿化，提高土壤养分含量[32-34]；此外，过量施用保水剂也可使土壤板结或作物减产[16]。本研究结果表明，休闲期深松、深翻和旋耕，配施保水剂，分别较不施用保水剂增产10.87% ～17.88%、 7.26% ～11.85% 和 5.53% ～11.89%，休闲期深翻和深松增产的主要原因是明显提高了成穗数；水分利用率分别提高4.28 ～5.38、5.02 ～7.58 和1.20 ～2.91 kg·hm-2·mm-1，同时休闲期深松和深翻提高了20～40 cm 土层土壤速效磷和速效钾含量，其中休闲期耕作配施保水剂45 kg·hm-2，旱地小麦产量和水分利用率均高于配施保水剂90 kg·hm-2。原因可能是适量施用保水剂可吸纳休闲期及小麦生育期降雨，以确保根际有足够的水分供应，供作物吸收利用，综合考虑保水剂成本及增收效益，休闲期深松或深翻，配施保水剂45 kg·hm-2，可实现旱地小麦高产及水分的高效利用。

4 结论

综上所述，休闲期深松和深翻较休闲期旋耕可提高旱地小麦播前土壤含水量、水分利用率、降水利用率以及20 ～40 cm 土层的土壤养分含量(除速效钾含量)，且分别较休闲期旋耕平均增产12.63% 和6.88%，休闲期深松和深翻配施保水剂45 kg·hm-2分别较不施用保水剂增产17.88%和11.85%，其中主要通过增加成穗数和穗粒数来增产；休闲期深松增产增效作用优于休闲期深翻。小麦产量、水分利用率、降水利用率与旱地小麦播前60 ～120 cm 土层土壤含水量呈正相关。本研究结果对晋南旱地小麦优化耕作方式和保水剂施用量、提高小麦产量和水分利用率具有重要意义。