耕作模式和播种方式对旱地小麦产量形成的影响

李瑞雅，孙 敏，任爱霞，林 文，秦基伟，李 蕾，卢鹏飞，高志强

(1.山西农业大学农学院，山西 太谷 030801；2.省部共建黄土高原特色作物优质高效生产协同创新中心，山西 太谷 030801)

小麦是黄土高原主要粮食作物之一，播种面积占全国麦田面积的45%，且主要是旱地小麦，其生产对保障黄土高原粮食稳产高产意义重大。旱作麦区唯一的水分来源是自然降水，主要集中于休闲期7—9月，且蒸发量大，降水利用效率低，从而导致小麦产量低而不稳，经济效益低。因此，如何将休闲期降水和生育期的有限降水蓄积于土壤而实现降水资源高效利用，一直是旱作栽培工作者的研究课题，其对我国旱地农业可持续发展也具有重要意义。

耕作是旱作麦区蓄积休闲期自然降水的主要蓄水保墒措施[1]。休闲期深翻可打破旱地麦田犁底层，增加土壤集水与保墒能力，加快土壤渗水速率[2]，提升土壤贮备水平[3]，促进形成冬前壮苗[4]，蓄积的水分可延续利用至孕穗期[5]，优化产量构成因素，从而增加产量[6]。旱地小麦采用休闲期耕作蓄水保墒技术的稳产效果显著，为进一步优化产量构成因素和提高产量，可通过结合适宜的播种方式实现。

20世纪70年代从日本引进地膜覆盖栽培技术，该技术可增加生育期土壤温度，抑制杂草生长，同时将生育期的有限降水充分蓄积，促进拔节～开花和开花～成熟阶段土壤耗水量的增加，从而进一步提高产量[7]。进入21世纪，极端天气(干旱、倒春寒、高温)经常出现，因此科学工作者研发了探墒沟播播种技术，该技术是采用旋耕、播种、施肥、镇压为一体的播种机械[8]，具有条带旋耕、硬茬播种、精准施肥、定向镇压、抗旱保墒、节省灌溉水等优点，可提高旱地小麦播种质量。董飞等[9]研究表明，探墒沟播利于麦田蓄水保墒，增加地表温度，提高有效穗数和产量；赵杰等[10]研究表明，探墒沟播利于提高小麦生育期总耗水量，从而提高产量和水分利用效率；刘小丽等[11]研究表明，探墒沟播小麦功能叶片持续时间长，且灌浆高峰开始早，增加了千粒重，从而提高产量。任爱霞等[12]研究表明，探墒沟播可提高旱地小麦产量、蛋白质含量及其产量。地膜覆盖、探墒沟播技术均已被作为主推技术在小麦生产中应用。但地膜覆盖增加了地膜投入、后期人工揭膜等费用，还可能因揭膜不完全残留于土壤造成环境污染[13-14]。目前，旱地小麦休闲期蓄水保墒结合不同播种方式的综合研究较少，探墒沟播播种技术下土壤蓄水、用水规律鲜有报道。

因此，本研究于2015—2017年连续2 a在黄土高原东部山西晋南闻喜旱地小麦试验示范基地进行旱地小麦不同耕作模式和播种方式试验，分析休闲期深翻与免耕两种耕作模式下探墒沟播、膜际条播、常规条播3种播种方式对旱地小麦各生育时期土壤蓄水、耗水、产量形成和经济效益的影响，旨在明确休闲期蓄水保墒后探墒沟播技术的蓄水、用水增产机理，为小麦旱作栽培高效高产技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015—2017年在山西省闻喜旱地小麦试验示范基地(111°17′ E，35°20′ N)进行。试验地位于黄土高原东部，属于半干旱半湿润冬小麦种植区，海拔450～700 m，属于温带大陆性季风气候，年日照时数2 300 h，年均气温12℃～14℃，无霜期200 d，一年一熟，夏季为休闲期。水分来源为天然降水，无灌溉条件。2015年6月15日测定0～20 cm土壤肥力为：有机质10.55 g·kg-1、全氮0.68 g·kg-1、碱解氮37.65 mg·kg-1、速效磷17.64 mg·kg-1；2016年6月10日测定0～20 cm土壤肥力为：有机质10.62 g·kg-1、全氮0.68 g·kg-1、碱解氮38.22 mg·kg-1、速效磷15.28 mg·kg-1。2015—2017年试验点降水量见表1，2005—2015年平均降水量471.1 mm，2015—2016年降水量为386.8 mm，较2005—2015年休闲期降雨量减少204.7 mm，播种～越冬期降水量增加55.3 mm，开花～成熟期降水量增加66.6 mm；2016—2017年降水量为406.3 mm，较2005—2015年休闲期降雨量减少134.0 mm，播种～越冬期降水量增加44.6 mm，越冬～拔节降水量增加38.6 mm。可见，两年试验期都属于降水较少年份[15]。

表1 2015—2017年全年降水量和10 a平均降水量及其分布/mm

1.2 试验设计

供试品种为晋麦92，由闻喜县农业农村局提供。前茬小麦收获时留高茬(20～30 cm)。采用二因素裂区设计，以休闲期耕作方式为主区，分别为深翻(DP)和免耕(NT，休闲期不进行耕作)两个耕作方式；以播种方式为副区，设探墒沟播(FS)、膜际条播(FM)和常规条播(DS)3种播种方式，共6个处理，重复3次。其中，休闲期深翻处理是指分别于2015年7月20日、2016年7月24日进行深翻，深度25～30 cm，同时将有机肥(1 500 kg·hm-2)和秸秆深埋还田；探墒沟播是选用带有锯齿圆盘开沟器的播种机，一次完成灭茬、开沟、起垄、施肥、播种、覆土、镇压等作业。开沟深度7～8 cm，起垄高度3～4 cm，秸秆残渣和表土分离于垄背上，化肥条施于沟底部中央，种子分别着床与沟底3～4 cm处、沟内两侧的湿土中，形成宽行20～25 cm，窄行10～12 cm的宽窄行种植模式。膜际条播是选用起垄、覆膜、播种一次完成。膜厚度0.08 cm，垄宽40 cm，高10 cm，垄顶成圆弧形。地膜覆盖在垄上，膜两侧覆土。垄间沟宽20 cm，垄和沟组成60 cm的带；垄沟膜两侧种植小麦，因此田间有20 cm的窄行和40 cm 的宽行两种行距。于开花期后25 d左右(次年5月中旬)人工揭膜。常规条播为传统种植方式，行距20 cm(图1)。全部处理于8月25日浅旋、耙耱、平整土地，等待播种。10月1日播种，播前基施氮、磷、钾肥，纯氮为150 kg·hm-2，P2O5为150 kg·hm-2，K2O为150 kg·hm-2，基本苗为225·104株·hm-2，常规管理。

图1 不同种植模式简易图

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤蓄水量测定 于播种前、开花期用土钻取0～300 cm土样(每20 cm为一土层)，样品采集后立即装入铝盒，称鲜土质量，105℃烘至恒重，计算土壤蓄水量[16]。

1.3.2 群体动态测定 于旱地小麦三叶期，每小区选择长势均匀的3行小麦为调查样段，每样段面积为0.667 m2，于越冬期、拔节期、孕穗期、开花期及成熟期调查样段内群体总茎数。

1.3.3 成熟期农艺性状测定 选择长势均匀的植株10株，调查株高、叶面积、穗长、单穗可孕小穗数及不可孕小穗数。

1.3.4 产量及其构成测定 于成熟期选取每个小区内0.667 m2调查产量及其构成因素(穗数、每穗平均粒数及千粒重)。每个小区选择20 m2收获测产，按照国标要求的含水量换算实际产量。

1.4 计算与统计方法

1.4.1 计算方法

SWSi=Wi×Di×Hi×10/100

(1)

式中，SWSi为第i土层土壤蓄水量(mm)；Wi为第i土层土壤质量含水量(%)；Di为第i土层土壤容重(g·cm-3)；Hi为第i土层厚度(cm)[18]。

(2)

式中，WSE为土壤蓄水效率；D为耕作前至播种前0～300 cm增加的蓄水量(mm)；R为耕作前至播前降水量(mm)。

ΔW=W1-W2

(3)

式中，ΔW为各生育阶段土壤贮水减少量(mm)；W1和W2分别为旱地小麦生育阶段初和阶段末的土壤蓄水量。

TWE=ΔW+P+K

(4)

式中，TWE为生育期总耗水量(mm)；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5 m以下，故K值可忽略不计。

茎蘖成穗率=成熟期穗数/分蘖盛期茎数×100%

(5)

总收入(元·hm-2)=籽粒产量(kg·hm-2)×市场价值(元·kg-1)

(6)

经济效益(元·hm-2)=总收入-总投入

(7)

试验年份2015—2017年的旱地小麦市场价值为2.4元·kg-1。

1.4.2 统计方法 试验采用Microsoft Excel 2010处理数据，采用Origin 8.5软件进行作图，采用SPSS软件进行统计分析，差异显著性检验用LSD法，显著性水平设定为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 耕作模式和播种方式对旱地小麦土壤蓄水的影响

2.1.1 休闲期降水的土壤蓄水效率 两试验年度间，休闲期深翻较免耕均显著增加旱地小麦休闲期0～300 cm土壤蓄水量、播前0～300 cm土壤蓄水量，增幅分别达37.10～49.04、32.06～46.20 mm，显著提高休闲期土壤蓄水效率43%～258%，尤其是2015—2016年度(表2)。可见，旱地小麦休闲期深翻有利于蓄积休闲期降水，提高土壤蓄水效率，改善播前底墒。

表2 耕作模式对休闲期0～300 cm土壤蓄水效率的影响/mm

2.1.2 各生育时期土壤蓄水量 两试验年度间，休闲期深翻较免耕均显著提高旱地小麦各生育时期0～300 cm土壤蓄水量(表3)。无论休闲期深翻与否，探墒沟播和膜际条播较常规条播可提高旱地小麦越冬期0～300 cm土壤蓄水量，降低成熟期0～300 cm土壤蓄水量，且探墒沟播高于膜际条播；2015—2016年，探墒沟播和膜际条播较常规条播降低拔节期至开花期0～300 cm土壤蓄水量，2016—2017年，探墒沟播较常规条播显著提高拔节期0～300 cm土壤蓄水量；降低了深翻条件下开花期0～300 cm土壤蓄水量，提高了免耕条件下0～300 cm开花期土壤蓄水量，但差异均不显著。可见，休闲期深翻有利于蓄积水分的延续利用，且生育期采用探墒沟播更利于生育前期水分的蓄存。

表3 耕作模式和播种方式对旱地小麦各生育时期土壤蓄水量的影响/mm

2.2 耕作模式和播种方式对旱地小麦各生育阶段土壤耗水量及耗水占比的影响

两试验年度间，休闲期深翻较对照均显著提高旱地小麦播前～拔节期、拔节～开花期、开花～成熟期0～300 cm土壤耗水量，分别达2.89～19.32、5.00～12.30、4.91～25.60 mm(表4)，从而显著提高总耗水量。2015—2016年，探墒沟播和膜际条播较常规条播显著提高了旱地小麦播前～拔节期土壤耗水量，提高了拔节～开花期土壤耗水量，探墒沟播较常规条播提高了休闲期深翻条件下开花～成熟期土壤耗水量及其比例，而膜际条播较常规条播降低了开花～成熟期土壤耗水量及其比例。探墒沟播和膜际条播较常规条播显著提高生育期总耗水量，且膜际条播高于探墒沟播。2016—2017年，探墒沟播较常规条播降低了旱地小麦播前～拔节期土壤耗水量及其所占比例，提高了拔节～开花、开花～成熟阶段土壤耗水量及其所占比例。膜际条播较常规条播提高了旱地小麦播前～拔节、拔节～开花阶段土壤耗水量及所占比例，且播前～拔节期处理间差异显著；降低了开花～成熟阶段土壤耗水量及其所占比例；休闲期深翻条件下，探墒沟播和膜际条播较常规条播显著提高生育期总耗水量，且探墒沟播显著低于膜际条播。可见，旱地小麦休闲期深翻后探墒沟播处理有利于减少前、中期耗水比例，增加后期耗水比例。

表4 耕作模式和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

2.3 耕作模式和播种方式对旱地小麦产量形成的影响

2.3.1 群体总茎数和茎蘖成穗率 两试验年度间，随生育进程的推移，旱地小麦群体总茎数呈“低-高-低”的趋势，且拔节期达峰值(图2)。休闲期深翻较免耕显著提高小麦茎蘖成穗率(图3)，提高各生育时期小麦群体总茎数。探墒沟播和膜际条播较常规条播显著提高旱地小麦茎蘖成穗率，且探墒沟播高于膜际条播；膜际条播较探墒沟播、常规条播提高各生育时期小麦群体总茎数，且探墒沟播与膜际条播孕穗期、开花期小麦群体总茎数差异不显著。可见，休闲期深翻后采用探墒沟播利于提高茎蘖成穗率，为穗数提高奠定了基础。

注：BS：孕穗期。不同小写字母表示各生育时期处理间差异显著(P<0.05)。

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

2.3.2 穗部性状 两试验年度间，休闲期深翻较免耕均提高了旱地小麦的成熟期穗长、可孕小穗数，增幅分别达9.44 cm、19.00个，降低了不可孕小穗数(图4)。探墒沟播和膜际条播较常规条播均显著提高了成熟期穗长和可孕小穗数，膜际条播高于探墒沟播。而不可孕小穗数以探墒沟播显著最低。可见，休闲期深翻能促进穗部生长，采用探墒沟播技术更有利于增加穗长、降低不可孕小穗数，为成熟期穗粒数的提高奠定基础。

图4 耕作模式和播种方式对旱地小麦成熟期农艺性状的影响

2.4 耕作模式和播种方式对旱地小麦产量及其构成因素和收获指数的影响

两试验年度间，休闲期深翻较免耕提高了旱地小麦穗数3.32%～7.22%、穗粒数3.67%～6.53%、千粒重1.11%～3.61%和产量10.23%～13.16%，且穗数和产量均达显著水平；显著提高了收获指数(表5)。探墒沟播和膜际条播较常规条播均显著提高了旱地小麦穗数，达5.28%～15.75%，膜际条播显著高于探墒沟播；显著提高了穗粒数和产量，分别达1.51%～11.25%、12.45%～25.98%。探墒沟播较常规条播显著增加了千粒重，而膜际条播较常规条播显著降低了千粒重。最终，探墒沟播和膜际条播较常规条播的收获指数在休闲期深翻条件下无显著变化，免耕条件下显著提高，但探墒沟播和膜际条播间无显著差异。可见，休闲期深翻后采用探墒沟播可通过优化产量三要素实现增产。

表5 耕作模式和播种方式对旱地小麦产量及其构成因素和收获指数的影响

2.5 耕作模式和播种方式对旱地小麦阶段耗水量与产量构成因素的相关性分析

耕作模式结合播种方式下，播种～拔节阶段土壤耗水量与穗数、拔节～开花阶段土壤耗水量与穗粒数、开花～成熟阶段土壤耗水量与千粒重均呈显著正相关关系，而开花～成熟阶段土壤耗水量还与不可孕小穗数呈显著负相关关系(图5)。可见，旱地小麦前期土壤耗水显著影响着穗数，中期耗水显著影响着穗粒数，后期耗水显著影响着千粒重。

注：图中气泡与图例颜色相对应，-0.8≥R>-1或1>R≥0.8表示显著相关关系。气泡大小与相关性成正比。X1：穗长；X2：可孕小穗数；X3：不可孕小穗数；X4：穗数；X5：穗粒数；X6：千粒重；X7：产量

2.6 耕作模式和播种方式对旱地小麦的经济效益评价

休闲期深翻较免耕增加总投入750元·hm-2、总收入837.94～1 402.86元·hm-2，提高经济效益21.02～352.84元·hm2(表6)。膜际条播较探墒沟播和常规条播可增加总投入900～1 200元·hm-2、总收入363.79～2 039.18元·hm-2，而经济效益表现为膜际条播显著高于常规条播，但显著低于探墒沟播，达621.91～754.06元·hm-2。可见，休闲期深翻后采用探墒沟播由于减少了旋耕、地膜及花后回收地膜费用，更利于提升经济效益、降低环境污染。

表6 耕作模式和播种方式对旱地小麦经济效益的影响/(Yuan·hm-2)

3 讨 论

3.1 休闲期深翻与探墒沟播对旱地小麦各生育期土壤蓄水量的影响

雨养条件下，提高土壤蓄水能力并延续利用水分至后期是作物稳产、增产的有效途径，其中耕作因可改变土壤的物理性状，如孔隙度、容重、田间持水量等而成为蓄水保墒的常用措施。在黄土高原东部，旱地麦田休闲期深翻可提高播前0～300 cm土壤底墒，尤其欠水年增加63～91 mm，蓄水效率提高147%～205%[17]。本文研究结果与前人结果一致，休闲期深翻提高2015—2016年(休闲期降水量94.7 mm)蓄水效率224.40%～258.22%、2016—2017年(休闲期降水量165.4 mm)45.51%～48.36%，从而提高底墒37～46 mm。

播种方式对土壤水分蓄保的影响表现为：地膜覆盖在作物生育前期可以改善土壤水温条件，在后期则会导致土壤水分状况恶化，影响产量的形成和水分利用[18]；探墒沟播可提高100～200 cm土壤蓄水量，且沟播对土壤蓄水量的高低受生育期降雨量影响较大[19]。本团队前期研究表明，旱地麦田休闲期深翻后采用地膜覆盖，蓄水保墒效果可延续至孕穗期[20]，本次研究结果除地膜覆盖蓄水保墒效果外还表明，休闲期深翻后采用探墒沟播蓄水保墒效果可延续至拔节期，这与降水时间分布有关，两年度降水均在拔节前(2015—2016年度休闲期、播种～越冬期、越冬～拔节期分别为94.7、101.2、11.0 mm，2016—2017年度休闲期、播种～越冬期、越冬～拔节期分别为165.4、95.5、66.8 mm)。说明不论膜际条播还是探墒沟播，生长期间的降水量显著影响着蓄水保墒效果。

3.2 休闲期深翻与探墒沟播对旱地小麦土壤耗水的影响

不同生育阶段土壤耗水量均会影响不同时期作物的生长，只有有效促进降水-土壤蓄水-作物的良性循环，满足作物对水分的需求，才能优化产量构成因素而实现高产[21]。有研究表明，休闲期深翻可提高旱地小麦生育期总耗水量[22]，主要表现为减少了生育前期耗水，增加了生育中、后期耗水[23-24]。探墒沟播可增加旱地小麦生育期总耗水量，主要是增加了生育中、后期土壤耗水，优化了穗数及穗粒数，从而增产16%～19%[25-26]。本研究结果表明，旱地麦田休闲期深翻后，探墒沟播、膜际条播较常规条播均可提高生育前期和中后期耗水量，但探墒沟播则降低了生育前、中期耗水比例，显著增加了后期耗水比例。可见，旱地麦田休闲期深翻蓄水保墒的同时采用探墒沟播播种的土壤水分消耗规律与仅休闲期深翻或探墒沟播的耗水规律有一定差异，主要表现在中期耗水比例降低，说明旱地麦田整个生育期采用蓄水保墒技术，更利于将前期和中期的水分保存下来供给后期利用，能抵御后期干旱、保证千粒重。

3.3 休闲期深翻与探墒沟播对旱地小麦产量和经济效益的影响

群体茎蘖构成及其动态是反映小麦群体质量的最重要指标，掌握群体茎蘖结构变化有助于有效地调控群体生长[27]。在常规条播条件下，过高的基本苗数导致单株营养面积降低，部分植株因生长不良而遭淘汰，单位面积成穗数并不能显著增加[28]。赵红梅等[29]研究表明，休闲期深翻使旱地麦田蓄保的降水可应用到抽穗期，从而增加群体总茎数，促进有效分蘖形成，提高成穗率。谭培珍等[30]、薛远赛等[31]研究表明，沟播小麦可充分利用土壤水分，利于形成冬前壮苗，抑制无效分蘖，群体动态变化平稳，从而通过增加穗数提高产量。本研究结果表明，探墒沟播较膜际条播、常规条播有利于旱地小麦群体总茎数的稳定，减少生育前期无效分蘖，提高茎蘖成穗率，为穗数的提高奠定基础。这与前人研究结果基本一致。此外，本文研究结果还表明，休闲期深翻能促进穗部生长，采用探墒沟播更有利于增加穗长、降低不可孕小穗数。最终显著提高旱地小麦穗数、穗粒数达5%～15%、2%～11%，显著增加千粒重，优化了产量三要素，增产12%～16%。相关性分析还表明，旱地麦田前、中、后期土壤耗水分别显著影响着成熟期的穗数、穗粒数和千粒重，说明整个生育期的耗水规律决定着旱地小麦产量三要素的高低，从而决定产量水平。

绿色、高效生产是现代农业生产的宗旨。本研究中，膜际条播虽然总收入为最高，但因旋耕、地膜费用及开花后地膜回收费，使成本增加1 050元·kg-2，而探墒沟播虽产量较低，但因成本较低，且地膜覆盖产量的增加无法抵消覆膜产生的额外花费，最终较探墒沟播经济效益降低626.81～861.91元·hm-2。这与毛安然等[32]研究结果一致。另外，残膜遗留在土壤中会造成土壤结构的改变，使渗水性下降，从而阻碍根系发育，不利于农业可持续发展[33-34]。因此，旱地麦田采用探墒沟播种植方式，是产量保持一定水平、经济效益有所提升的绿色高效生产栽培技术措施。

4 结 论

1)通过2 a田间试验发现，降水较少年份，旱地麦田休闲期深翻可蓄积休闲期降水，且采用探墒沟播可高效合理利用土壤水分，减少生育前期土壤耗水，增加中后期土壤耗水。

2)休闲期深翻采用探墒沟播提高茎蘖成穗率，利于可孕小穗数的形成，最终优化产量构成，提升产量和经济效益。且该技术可减少环境污染，促进农业可持续发展。