耕作方式对内蒙古旱作区土壤水热及玉米产量的影响

程志鹏，张成泽，王富贵，王 振，张悦忠，闫立伟，梁红伟，杨志红，高聚林，王志刚

（1.内蒙古农业大学，内蒙古呼和浩特 010010；2.兴安盟扎赉特旗农牧和科技局，内蒙古扎赉特旗 137400；3.赤峰市农业技术服务中心，内蒙古赤峰 024000）

在内蒙古旱作区，春旱等阶段性干旱频发，水资源短缺成为限制该地区玉米生产的主要因素。不同耕作方式可以调节耕层土壤温度及水分含量，影响土壤水热变化，进而促进作物生长发育并提高产量[1-2]。研究表明，秸秆覆盖免耕可以有效减少土壤水分损失，提高土壤水分蓄贮能力，进而影响产量[3-4]，是一项适合半干旱地区节本增效的保护性耕作技术[5]。但秸秆覆盖免耕会降低土壤温度，存在玉米播种质量差，出苗不齐、幼苗长势弱等问题[6]。秸秆覆盖条带耕作技术（strip-till）是国外实现秸秆覆盖还田的耕作技术，通过条带旋耕或深松清理表面覆盖的秸秆，整理出无秸秆苗带用于播种，并改善苗带土壤环境，可有效提高玉米出苗率，同时行间有秸秆覆盖，可以减少水分的挥发与散失[7]。与秸秆覆盖免耕相比，秸秆覆盖条耕有效解决了覆盖免耕播种困难的问题，同时加快了苗带土壤升温速率，使得玉米出苗质量得到大幅改善[8]。有研究表明，秸秆覆盖条耕技术土壤温度较免耕提高2～4℃[9]。郝展宏等[7]在吉林省梨树县半湿润地区进行秸秆覆盖条耕试验表明，秸秆覆盖条耕有效地解决了覆盖免耕播种困难的问题，有较好的应用效果，使得玉米出苗质量得到大幅改善，但该模式在内蒙古旱作区的应用效果鲜有报道。因此，本试验设置常规垄作（CP）、秸秆离田免耕（NT）、秸秆覆盖免耕（RNT）、秸秆覆盖条耕（RST）4种耕作方式，探究不同耕作方式对土壤水热动态及玉米干物质积累和产量的影响，为内蒙古旱作区玉米生产提供理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2021—2022年在内蒙古兴安盟扎赉特旗农牧和科技局试验基地（46°45′N，122°47′E）进行。该地区年平均气温3.24℃，年平均降水量400 mm，无霜期 120～140 d。试验地土壤为草甸土，0～20 cm耕层土壤有机质含量17.5 g/kg、全氮含量1.2 g/kg、碱解氮含量101.0 mg/kg、速效磷含量32.5 mg/kg、速效钾含量115.9 mg/kg，pH值为7.9。2021—2022年玉米生育期内日照时数分别为1 138.2 h和1 352.3 h，总降雨量分别为650.5 mm和390.1 mm。

1.2 试验设计

试验设4种耕作方式，采用随机区组试验设计，玉米品种为大昌国玉918，种植密度为75 000株/hm2。采用等行距种植，行距65 cm，8行区，行长30 m，小区面积156 m2，设3次重复。4种耕作方式分别为（1）常规垄作（CP）：于秋季收获后，用秸秆离田机将秸秆离田，翌年整地起垄镇压后进行播种；（2）秸秆离田免耕（NT）：于秋季收获后，采用秸秆离田机将秸秆离田，翌年使用免耕播种机播种；（3）秸秆覆盖免耕（RNT）：于秋季收获后，秸秆留茬，高度为30 cm，翌年使用免耕播种机播种；（4）秸秆覆盖条耕（RST）：于秋季收获后，秸秆留茬，高度为30 cm，翌年播种前使用条耕机进行苗带清理，随后使用免耕播种机播种。试验各处理施肥时间、施肥量均保持一致，施用纯 N 225 kg/hm2、P2O597.5 kg/hm2、K2O 58.5 kg/hm2。底肥施用掺混肥料（兴安盟绰尔河种业有限责任公司，N-P-K：16-22-13）450 kg/hm2，拔节期追施尿素333 kg/hm2。使用吉林省康达农业机械有限公司的1ST-300型条耕整地机进行苗带清理、深松（深度达到 25～30 cm，宽度达到 25～30 cm）、碎土、镇压，随后使用免耕播种机进行播种、施肥。2021年5月4日播种，9月28日收获；2022年5月9日播种，9月30日收获。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤物理性状指标

土壤含水量：于播前（Ps）、苗期（VE）、拔节期（V6）、吐丝期（R1）、乳熟期（R3）、成熟期（R6），采用TDR土壤水分测定仪测定，深度分别为 0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。

土壤温度：在玉米各生育时期，采用地温计测定，土层深度分别为 5、10、15 cm。

1.3.2 出苗率调查

出苗后15 d，实际调查5 m 4行出苗穴数占播种穴数百分比。

1.3.3 干物质积累量

拔节期、大喇叭口期、吐丝期、乳熟期、成熟期每小区选取有代表性的植株，每小区连续取3株，3次重复，按照器官分样。吐丝期分为叶片、茎秆（包括叶鞘、茎和雄穗）和雌穗，乳熟期（吐丝后15 d）分为叶片、茎秆（包括叶鞘、茎和雄穗）和雌穗，成熟期分为秸秆（雄穗、苞叶、穗轴）、叶片和籽粒，烘干称重记录。

1.3.4 测产及考种

于生理成熟期选取无缺苗断垄且长势整齐的10 m双行，调查实际密度后实收，晾晒后进行考种，逐穗调查穗粒数后全部脱粒，称量千粒重后测定籽粒含水量，并计算籽粒产量（籽粒含水量14%）。

1.4 计算公式

水分利用效率（WUE）/［kg/（hm2·mm）］=籽粒产量/耗水量 （1）

耗水量（ET）/mm=P+ΔSWS （2）

式中，ET为玉米总耗水量；P为玉米生长季节的降雨量；ΔSWS为玉米播种时土壤贮水量与收获时土壤贮水量之差。

土壤贮水量（Sw）=d×r×w×10 （3）

式中，Sw为土壤贮水量/mm；d为土层厚度/cm；r为土壤容重/（g/cm3）；w为土壤含水量/%。

1.5 数据分析

采用SPSS 22.0统计学软件中的最小显著差异法（LSD0.05）进行差异显著性检验；采用Sigma Plot 12.5软件绘图。

2 结果与分析

2.1 耕作方式对土壤温度的影响

2.1.1 耕作方式对不同生育时期土壤平均温度的影响

土壤温度对作物生长发育有重要作用，由图1可知，不同耕作方式对土壤温度的影响有显著差异（P＜0.05）。不同耕作方式不同土层土壤温度2年变化趋势基本一致，表现出随生育时期推移呈现出先升高后降低的变化趋势，且在拔节期达到最大值，拔节期至吐丝期趋于稳定，吐丝期至成熟期土壤温度呈下降趋势，且全生育期温差随土层的加深而减小。

图1 不同耕作方式不同土层玉米各生育时期土壤温度的变化Figure 1 Soil temperature changes in maize different growth stages in different soil layers under different tillage methods

播种后各土层温度大小均为CP＞RST＞NT＞RNT。2年5、10、15 cm土壤温度均于拔节期差异最大，其中5 cm土壤温度RST苗带、NT、RNT较CP平均降低 0.91、1.52、3.52℃，15 cm土壤温度 RST苗带、NT、RNT 较 CP 平均降低 0.61、0.63、1.30 ℃；在各生育时期各土层，RST的行间温度均显著低于苗带温度（P＜0.05），与 RNT 接近。

2.1.2 耕作方式对不同生育阶段土壤活动积温的影响

由表1可知，耕作方式对玉米各生育阶段0～5 cm土壤活动积温影响显著（P<0.01）。不同耕作方式全生育期土壤活动积温2年均以CP最高，平均为2 713.45℃；与CP相比，NT、RNT 0～5 cm 土壤活动积温2年平均分别降低69.81、127.52℃，RST仅降低18.94℃，未达显著差异（P＞0.05）。除2021年吐丝期到成熟期外，其他各生育阶段土壤活动积温均表现为CP、RST 显著高于 NT、RNT（P<0.05），且 CP 与RST差异不显著（P＞0.05）。分析其原因可能是CP和RST播前分别进行了起垄和条耕作业，利于苗带土壤增温。同时可以看出，在拔节之后外界气温升高，秸秆覆盖对土壤温度的影响减弱，不同耕作方式的差异随时间的推移逐渐减小。

表1 不同耕作方式对玉米各生育阶段0～5 cm土壤活动积温的影响Table 1 Effects of different tillage methods on active accumulated temperature of 0-5 cm soil at different maize growth stages 单位：℃

2.2 耕作方式对土壤含水量的影响

2.2.1 耕作方式对各土层土壤含水量的影响

由图2可知，不同耕作方式不同土层土壤含水量存在显著差异（P＜0.05）。随着土层深度的增加，土壤含水量差异逐渐变小。2021年吐丝期后，由于降雨量大且地下水位较低，试验田中直至玉米成熟后仍有积水，导致乳熟期与成熟期含水量趋于平稳饱和状态，且不同耕作方式土壤含水量差异较小，因此2021年土壤含水量仅分析苗期至吐丝期。2021年苗期至吐丝期，与CP相比，NT、RNT和RST行间不同土层土壤含水量分别提高 2.01%～9.45%、3.82～14.80%和3.16%～13.80%。2022年苗期至吐丝期，与CP相比，NT、RNT及RST行间不同土层土壤含水量分别提高2.38%～14.35%、5.02%～19.14%和1.70%～17.12%。2022年乳熟期和成熟期土壤含水量由吐丝期开始呈下降趋势，与CP相比，NT、RNT和RST行间不同土层土壤含水量分别提高1.46%～6.49%、1.07%～11.29%和0.79%～9.65%。由此可知，相对降雨量较小的年份不同耕作方式对土壤含水量的影响更大。RST苗带土壤含水量与CP差异较小，但行间土壤含水量显著高于CP（P＜0.05），且与RNT接近。这说明秸秆覆盖条耕措施具有较好的保墒效果。

图2 不同耕作方式不同生育时期各土层的土壤含水量Figure 2 Soil moisture at different growth stages and soil layers under different tillage methods

2.2.2 耕作方式对土壤贮水量的影响

由表2可知，不同耕作方式土壤贮水量差异显著（P＜0.05或P＜0.01）。RNT保墒效果最佳，0～100 cm土层贮水量全生育期2年平均较CP、NT分别提高107.75、74.14 mm；RST 次之，平均较 CP、NT 分别提高 71.50、37.89 mm。

表2 不同耕作方式对0～100 cm土层土壤贮水量的影响Table 2 Effects of different tillage methods on soil water storage in 0-100 cm soil layer 单位：mm

播种期至拔节期，玉米生长耗水较少。由于秸秆覆盖，RNT、RST土壤贮水量2年均显著高于CP和NT（P＜0.05），分别较 CP 提高 34.85、24.10 mm，较NT提高16.51、9.75 mm。拔节后随气温升高，玉米生长耗水增加，且蒸发蒸腾加强，不同耕作方式间差异缩小，吐丝期RNT、RST 2年平均较CP分别提高15.47、11.47 mm，较 NT 分别提高 9.79、5.79 mm。2021年吐丝期后7 d左右，由于降水量大且地下水位较低，导致试验田中有积水，直至玉米成熟，不同耕作方式间土壤贮水量差异更小。2022年从不同耕作方式的比较可以看出，成熟期RNT、RST的土壤贮水量同样显著高于 CP、NT（P＜0.05），两者差异不显著（P＞0.05），分别较 CP 提高了 23.57、19.25 mm，较NT提高了21.12、16.80 mm，证明RST具备了RNT的优点，能显著提高土壤蓄水保墒的能力。

2.3 不同耕作方式对玉米水分利用效率的影响

由表3可知，由于在前一年收获后进行了秸秆留茬覆盖，并且全年的秸秆覆盖增加了土壤贮水能力，因此RNT和RST播前和收获后贮水量显著高于 CP、NT（P＜0.05），且 RNT 和 RST 的耗水量较少，2年平均分别较CP减少1.83%和1.31%、较NT减少1.77%和1.25%。产量表现为RST最高，较CP、NT和RNT分别增加了6.06%、4.22%和7.21%。RST以较低耗水量换取较高玉米产量是提高水分利用效率的主要原因。2年水分利用效率RST较CP、NT和RNT分别平均提高7.63%、5.61%和6.52%。

表3 不同耕作方式对WUE的影响Table 3 The influence of different tillage methods on WUE

2.4 耕作方式对玉米出苗率的影响

由图3可知，2021年玉米出苗率RST与NT差异不显著（P＞0.05），但显著高于 CP 和 RNT（P＜0.05）；2022年玉米出苗率RST均显著高于其他耕作方式（P＜0.05），2 年平均表现为 RST>NT>CP>RNT，RST较 NT、CP、RNT出苗率平均分别提高1.58%、9.28%和9.11%。可见，秸秆覆盖条耕较好的增温保墒作用显著提高了旱作玉米出苗率。

图3 不同耕作方式对玉米出苗率的影响Figure 3 Effects of different tillage methods on maize emergence rate

2.5 不同耕作方式对玉米干物质积累量的影响

由表4可知，随着生育时期的推进，不同耕作方式地上部干物质积累量逐渐增加，在成熟期达到峰值，且不同耕作方式对玉米干物质积累量的影响差异显著（P＜0.05或P＜0.01）。RST成熟期干物质积累量最大，2年平均为22.74 t/hm2，拔节期和大喇叭口期RST较CP和RNT干物质积累量显著增加（P＜0.05），增幅4.52%～18.21%，大喇叭口期RST与NT相比差异不显著（P＞0.05）。吐丝期RST较CP、NT和RNT干物质积累量分别提高15.54%、4.24%和16.06%；成熟期RST较CP、NT和RNT干物质积累量分别提高11.68%、4.47%和12.69%。RST较其他耕作方式的干物质积累量显著提高，从而提升产量。

表4 不同耕作方式对玉米干物质积累量的影响Table 4 Effects of different tillage methods on maize dry matter accumulation 单位：t/hm2

2.6 不同耕作方式对玉米产量及构成因素的影响

由表5可知，不同耕作方式2年籽粒产量均表现为RST>NT>CP>RNT。其中，RST下玉米籽粒产量最高，2 年平均为 12.00 t/hm2，较 NT、CP、RNT 分别提高了4.22%、6.06%和7.21%。从产量构成因素来看，年份间穗粒数、千粒重差异均达到显著水平（P＜0.01）。不同耕作方式穗数和穗粒数差异显著（P＜0.01或 P＜0.05）；同时可以看出，RST产量增加主要是因为显著提高了穗数，RST较NT、CP、RNT分别提高了1.90%、8.47%和7.22%。

表5 不同耕作方式对玉米产量及构成因素的影响Table 5 Effects of different tillage methods on maize yield and its components

3 讨论

3.1 耕作方式对土壤温度和水分的影响

土壤温度是影响玉米生长发育至关重要的因素之一，特别是在东北冷凉的气候环境下，秸秆覆盖等保护性耕作措施对土壤温度的影响被学者们广泛关注[9]。免耕会降低土壤温度，在有秸秆覆盖的条件下，对土壤影响更大[10]。本试验结果表明，秸秆覆盖处理均降低了土壤温度，而随着土层深度的增加，不同处理之间的差异逐渐缩小。在拔节期，5 cm土壤温度差异最大，与CP相比，RST苗带、NT、RNT分别降低0.91、1.52、3.52℃。此外，本试验结果表明，耕作方式显著影响了玉米全生育期0～5 cm土壤活动积温，与CP相比，NT、RNT 0～5 cm土壤活动积温2年平均降低69.81、127.52℃，RST仅降低18.94℃，未达显著差异。因为RST在播前进行了条耕，露出了无秸秆覆盖苗带，同时进行了深松，有利于提高苗带土壤温度，二者可以消减秸秆覆盖降低温度的劣势。

大量研究认为，土壤温度与土壤水分呈负相关关系[11]，秸秆覆盖有保水、保墒的优势[12]，特别是在干旱地区或者干旱年份保水效果更好[13]。本试验因2021年降水量突增且地下水位较低，导致吐丝期7 d左右田间存在积水，且持续至玉米成熟，无法讨论分析乳熟期、成熟期土壤含水量变化。与常规垄作（CP）相比，秸秆离田免耕（NT）、秸秆覆盖免耕（RNT）、秸秆覆盖条耕（RST）行间2021年苗期至吐丝期，不同土层含水量分别提高2.01%～9.45%、3.82%～14.80%和3.16%～13.80%；2022年苗期至吐丝期，不同土层土壤含水量分别提高2.38%～14.35%、5.02%～19.14%和 1.70%～17.12%；2022年乳熟期和成熟期，不同土层土壤含水量分别提高1.46%～6.49%、1.07%～11.29%和 0.79%～9.65%。NT增加土壤含水量原因是直接进行免耕播种作业，对土壤扰动较小[14]；RNT在此基础上有秸秆覆盖，降低了土壤水分蒸发[15]；RST土壤含水量增加的主要原因是条耕只清理出无秸秆播种带，没有大范围扰动土壤，秸秆覆盖面积较大，虽然玉米苗带水分散失较大，但行间因秸秆覆盖可以显著减少水分流失。而常规垄作需要在播种前进行灭茬、旋耕、起垄等作业，扰动了土壤，导致土壤水分散发较严重[16]。从0～100 cm土层贮水量来看，RNT全生育期2年平均较 CP、NT 分别提高 107.75、74.14 mm，RST 平均较 CP、NT 分别提高 71.50、37.89 mm；RST 的 WUE较其他耕作方式均显著提高，与CP、NT和RNT相比，分别平均提高7.63%、5.61%和6.52%。这说明RST不仅提升土壤贮水能力，而且能更充分地利用水资源从而增加产量。由此可以看出，秸秆覆盖条耕可以显著提高土壤含水量及玉米水分利用效率，且土壤温度与CP相比未有明显降低，因此秸秆覆盖条耕技术在内蒙古旱作区有较好的应用效果。

3.2 耕作方式对玉米生长及产量的影响

耕作方式是改变土壤耕层结构、调节水热特征，促进玉米生长发育的有效途径[17]。有研究表明，免耕、少耕等保护性耕作会提高玉米产量[18]，主要是因为少免耕的土壤含水量高于其他耕作方式，有利于玉米生长发育和提高产量[19]，并且在干旱地区或者在干旱年份较其他耕作方式有更好的产量效益[20]。另一部分学者认为，秸秆覆盖因其降低土壤温度，增加表层土壤紧实度导致玉米早期生育进程延迟，降低了玉米出苗率和干物质积累，进而降低产量[21]。还有学者认为，免耕等保护性耕作对玉米产量的影响受土壤类型、年份以及耕作年限[22-23]等影响。本试验结果表明，秸秆覆盖条耕（RST）较秸秆离田免耕（NT）、常规垄作（CP）、秸秆覆盖免耕（RNT）出苗率分别提高1.58%、9.28%和9.11%。RST可有效提高各生育时期玉米干物质积累量，成熟期平均较CP、NT和RNT分别提高11.68%、4.47%和12.69%。在产量及其构成因素方面，RST产量较其他耕作方式增加4.22%～7.21%，穗数增加1.90%～8.47%。秸秆覆盖条耕技术显著提高了旱作区玉米出苗率、干物质积累量和产量。

4 结论

秸秆覆盖条带耕作可以有效改善土壤温度及水分含量，具有较好增温保墒效果。秸秆覆盖条耕苗带土壤温度与常规垄作相比略有降低，但差异未达到显著水平，其行间与覆盖免耕土壤水分含量接近。秸秆覆盖条带耕作较其他处理显著提高了玉米出苗率、干物质累积量、产量和水分资源利用效率，是实现内蒙古旱作区玉米增产增效的耕作措施之一。