郭星宇^,, 王浩, 于琦, 王瑞, 王小利, 李军^,西北农林科技大学农学院,陕西杨凌 712100

Effects of Tillage on Soil Moisture and Yield of Wheat-Maize Rotation Field in Weibei Upland Plateau

GUO XingYu^,, WANG Hao, YU Qi, WANG Rui, WANG XiaoLi, LI Jun^,College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi

通讯作者: 李军,E-mail： junli@nwsuaf.edu.cn

责任编辑: 杨鑫浩
收稿日期:2020-10-7接受日期:2020-11-25

基金资助:

国家自然科学基金.31671641 国家自然科学基金.31571620 国家科技支撑计划.2015BAD22B02

Received:2020-10-7Accepted:2020-11-25
作者简介 About authors
郭星宇,E-mail： 1140652623@qq.com。








摘要
【目的】探讨不同降水年型下,耕作方式对冬小麦-休闲-春玉米轮作田土壤水分和作物产量的影响,为旱区粮田降雨高效利用与耕作制度创新提供理论支撑。【方法】于2007—2019年在渭北旱塬进行长期定位保护性耕作试验,以传统翻耕（CT）为对照,设置免耕（NT）和深松（ST）2种少耕耕作方式,分析不同降水年型下耕作方式对小麦-玉米轮作田休闲期土壤蓄墒、作物产量和水分利用效率的影响。【结果】（1）降水年型、耕作方式及其互作均显著影响休闲期末期土壤贮水量和休闲期蓄墒率,其中降水年型是休闲末期土壤贮水量和休闲期蓄墒率变化的主导因素。休闲末期0—200 cm土层土壤贮水量（mm）表现为丰水年型（430.6）>欠水年型（405.9）>平水年型（381.5）;NT（417.4）>ST（402.3）>CT（398.2）;丰水年型NT处理休闲末期0—200 cm土层土壤贮水量最高（438.5）,平水年型ST处理最低（370.2）;休闲期蓄墒率（%）表现为丰水年型（27.1）>欠水年型（26.6）>平水年型（25.1）;NT（27.6）>ST（26.4）>CT（25.8）;欠水年型NT处理土壤蓄墒率最高（29.1）,平水年型CT处理土壤蓄墒率最低（25.0）。（2）降水年型、耕作方式及其互作均显著影响冬小麦产量和水分利用效率（WUE）,其中耕作方式是冬小麦产量（kg∙hm^-2）和WUE（kg∙hm^-2∙mm^-1）变化的主导因素。冬小麦产量表现为丰水年型（4985）>欠水年型（3984）;NT（4522）>ST（4468）>CT（4465）;丰水年型NT处理产量最高（5033）,欠水年型ST处理最低（3957）;冬小麦WUE表现为丰水年型（15.4）>欠水年型（14.9）;NT（16.2）>ST（15.4）>CT（14.0）;丰水年型NT处理WUE最高（16.5）,欠水年型CT处理最低（13.9）。（3）降水年型、耕作方式及其互作均显著影响春玉米产量和水分利用效率（WUE）,其中降水年型是春玉米产量（kg∙hm^-2）和WUE（kg∙hm^-2∙mm^-1）变化的主导因素。春玉米产量表现为丰水年型（7677）>欠水年型（6999）>平水年型（5887）;NT（6900）>ST（6879）>CT（6785）;丰水年型ST处理产量最高（8003）,平水年型ST处理最低（5723）;春玉米WUE表现为丰水年型（18.7）>欠水年型（17.5）>平水年型（14.8）;NT（17.8）>ST（17.0）>CT（16.2）;丰水年型ST处理WUE最高（19.3）,平水年型CT处理最低（13.9）。（4）在冬小麦-休闲-春玉米轮作周期中,耕作方式显著影响作物产量和WUE。其中NT处理多年平均产量和WUE分别较CT处理提高1.6%和9.5%,ST处理多年平均产量和WUE分别较CT处理提高1.2%和3.9%。【结论】综合各降水年型下土壤水分与作物产量得出,保护性耕作可以相对高效地实现保水增产目的,其中以免耕处理蓄水与增产效应最佳。从旱作农田高产高效及长期可持续发展的角度综合考虑,推荐免耕作为黄土高原地区实现蓄水保墒及增产增收目的的耕作方式。
关键词： 渭北旱塬;降水年型;保护性耕作;水分;产量

Abstract
【Objective】 In this paper, the effects of tillage practices on soil moisture and crop yield in winter wheat-fallow-spring maize rotation fields under different rainfall patterns were studied, so as to provide the theoretical support for the efficient use of rainfall and innovation of tillage systems in dryland region.【Method】 In 2007-2019, a long-term consecutive in-situ conservation tillage experiment was conducted in the Weibei Upland Plateau. Two conservation tillage practices were set, including no-tillage (NT) and subsoiling (ST), using conventional tillage (CT) as a control. Then, the effects of different tillage methods on soil moisture storage, yield and water use efficiency during the fallow and growth periods under different rainfall patterns were analyzed. 【Result】(1) The rainfall pattern and tillage practice as well as their interactions all significantly affected the soil water storage at the end of the fallow period and moisture storage rate, with rainfall pattern as the dominant factor. The soil water storage (mm) in the 0-200 cm soil layer at the end of fallow period values decreased in the following order: humid year (430.6) > dry year (405.9) > normal year (381.5); NT (417.4) > ST (402.3) > CT (398.2); The soil water storage in the 0-200 cm soil layer at the end of fallow period was the highest in the humid year under NT treatment (438.5) and the lowest in the normal year under ST treatment (370.2). The moisture storage rate (%) during the fallow period values decreased in the following order: humid year (27.1) > dry year (26.6) > normal year (25.1); NT (27.6) > ST (26.4) > CT (25.8); NT in the dry year had the highest moisture storage rate (29.1) and CT in the normal year had the lowest moisture storage rate (25.0). (2) The rainfall pattern and tillage practice as well as their interactions all significantly affected yield and water use efficiency (WUE) in winter wheat, of which the influence of tillage practice was the most significant factor of winter wheat yield (kg∙hm^-2) and WUE (kg∙hm^-2∙mm^-1). The winter wheat yield values decreased in the following order: humid year (4985) > dry year (3984); NT (4522) > ST (4468) > CT (4465); The winter wheat yield was the highest in the humid year under NT treatment (5033) and the lowest in the dry year under ST treatment (3957). The winter wheat WUE values decreased in the following order: humid year (15.4) > dry year (14.9); NT (16.2) > ST (15.4) > CT (14.0); The winter wheat WUE was the highest in the humid year under NT treatment (16.5) and the lowest in the dry year under CT treatment (13.9). (3) The rainfall pattern and tillage practice as well as their interactions all significantly affected yield and WUE in spring maize, of which the influence of rainfall pattern was the most significant factor of spring maize yield and WUE. The spring maize yield values (kg∙hm^-2) decreased in the following order: humid year (7677) > dry year (6999) > normal year (5887); NT (6900) > ST (6879) > CT (6785); The spring maize yield was the highest in the humid year under ST treatment (8003) and the lowest in the normal year under ST treatment (5723). The spring maize WUE values (kg∙hm^-2∙mm^-1) decreased in the following order: humid year (18.7) > dry year (17.5) > normal year (14.8); NT (17.8) > ST (17.0) > CT (16.2); The spring maize WUE was the highest in the humid year under NT treatment (19.3) and the lowest in the normal year under CT treatment (13.9). (4) In the winter wheat-fallow-spring maize rotation cycle, the tillage practice significantly affected the crop yield and WUE. The mean yield and WUE under NT and ST were 1.6%, 1.2% and 9.5%, 3.9% higher than that under CT treatment, respectively. 【Conclusion】 Integrating soil moisture and crop yield under each rainfall pattern, conservation tillage could achieve water conservation and yield increase relatively efficiently, among which the effects of water storage and yield of no-tillage were better. Based on the high yield, high efficiency and long-term sustainable development of upland plateau, no-tillage was recommended to realize the aim of water storage, soil water conservation, yield and income increased in Loess Plateau region.
Keywords：Weibei Upland Plateau;rainfall pattern;conservation tillage;moisture;yield


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本文引用格式
郭星宇, 王浩, 于琦, 王瑞, 王小利, 李军. 耕作对渭北旱塬小麦-玉米轮作田土壤水分和产量的影响[J]. 中国农业科学, 2021, 54(14): 2977-2990 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.14.005
GUO XingYu, WANG Hao, YU Qi, WANG Rui, WANG XiaoLi, LI Jun. Effects of Tillage on Soil Moisture and Yield of Wheat-Maize Rotation Field in Weibei Upland Plateau[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2021, 54(14): 2977-2990 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.14.005


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0 引言

【研究意义】渭北旱塬地处陕西省中部的黄土高原南部台塬和残塬沟壑区,属暖温带半湿润易旱气候区,粮食作物以冬小麦和春玉米为主,是陕西省重要的粮食生产基地^[1,2]。该地区降水量仅为500—600 mm,且季节降水分布不均匀,作物生产所需水分完全依赖于自然降水,是典型的雨养农业区^[3]。因此,如何有效蓄存自然降水,促进旱地土壤休闲期水分贮蓄和生长期水分高效利用,是该地区农业生产可持续发展亟待解决的关键问题。【前人研究进展】保护性耕作通过对农田实行休闲期秸秆覆盖免耕和深松等措施促进雨水入渗,有利于增强旱作农田的蓄水保墒能力,提高作物产量和水分利用效率,是促进北方旱区可持续发展的有效途径之一^[4,5,6]。李玲玲等^[7]研究表明,不同保护性耕作措施土壤耗水量差异显著,免耕秸秆覆盖在增加作物耗水的同时提高作物产量及水分利用效率,实现黄土高原西部旱区农田生态系统良性循环,提高土壤肥力。李友军等^[8]研究表明,与传统翻耕相比,免耕覆盖和深松覆盖能有效提高休闲期土壤蓄水量7.72%—8.05%和8.79%—13.39%,提高产量23.22%和15.38%。张贵云等^[9]研究表明,保护性耕作显著提高黄土高原旱作麦田土壤有机质含量及土壤贮水量,其中深松免耕结合较传统翻耕提高土壤有机质含量61.5%。KAN等^[10]的研究表明,在华北平原长期免耕具有储存土壤水分的潜力,与翻耕相比,免耕在降低水分消耗的同时显著提高水分利用效率16.5%—29.1%。【本研究切入点】尽管国内外****对长期定位保护性耕作展开了许多研究^{[11,12,13,14]},然而关于不同降水年型下长期定位保护性耕作对旱作农田蓄水保墒及增产效应仍需关注和深入。【拟解决的关键问题】本研究依托渭北旱塬开展的长期保护性耕作定位试验,分析不同降水年型下保护性耕作对冬小麦-春玉米轮作田的土壤蓄水效应和增产效应,旨在为旱作粮田增产增效及耕作制度创新与发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于陕西省关中平原区以北、陕北丘陵沟壑区以南的渭北旱塬合阳县甘井镇（35°19′E,109°64′N）,平均海拔877 m,属暖温带大陆性季风气候。2007—2019年的年平均降雨量为506.9 mm,该地区降雨年际间分配不均,降水多集中在7—9月,其分布模式如图1所示。试验地土壤为黑垆土,萎蔫系数为9%^[15],土壤质地疏松深厚,0—60 cm土层平均土壤容重为1.42 g·cm^-3,属全年无灌溉雨养地。

图1

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图1合阳试验站2007—2019年逐月降雨量

Fig. 1Monthly rainfall at Heyang station during 2007-2019

1.2 试验设计

本试验采用裂区设计,其中降水年型为主处理,耕作方式为副处理。2007年9月试验开始前,试验地连年种植春玉米,作物收获后秸秆移出田间并进行翻耕。试验在连续12年“冬小麦-休闲-春玉米”一年一熟轮作模式下进行,采用随机区组设计,小区面积为112.5 m²（22.5m×5m）。前茬作物冬小麦或春玉米收获后,在晴天使用秸秆粉碎机将秸秆全部粉碎覆盖地表后立即实施如下3种土壤耕作处理：（1）免耕处理（NT）,不采取任何土壤耕作措施,地表秸秆覆盖度过休闲期;（2）深松处理（ST）,每间隔40—60 cm使用深松机留茬深松30—35 cm,地表秸秆覆盖渡过休闲期;（3）翻耕处理（CT）,使用铧式犁全面翻耕20—25 cm,将秸秆等残茬全部翻入耕层土壤中,地表疏松裸露度过休闲期。在2007—2019年试验期间,除休闲期喷洒一次除草剂,播种前对土壤没有任何扰动,各耕作处理品种、施肥水平及其他田间管理措施均相同。

本试验中,冬小麦和春玉米田施肥处理为150 kg N·hm^-2、120 kg P₂O₅·hm^-2、90 kg K₂O·hm^-2（其中N、P、K分别为尿素、磷酸二铵和氯化钾,均以基肥形式施入）。冬小麦种植行距为20 cm,春玉米种植行距为60 cm,分别采用条播机和点播机按冬小麦150 kg·hm²和春玉米37.5 kg·hm²播量进行播种。作物具体种植概况及播种收获日期见表1。

Table 1
表1
表12007-2019年冬小麦-春玉米轮作田作物种植概况
Table 1Planting details in winter wheat-spring maize field during 2007-2019

年份 Year	轮作 Crop rotation	播种日期 Planting date (Y-M-D)	收获日期 Harvesting date (Y-M-D)	品种 Variety
2007-2008	冬小麦 Winter wheat	2007-09-20	2008-06-14	晋麦 47 Jinmai 47
2008-2009	休闲1 Fallow 1	2008-06-14—2009-04-19
2009	春玉米 Spring maize	2009-04-19	2009-09-21	豫玉 22 Yuyu 22
2009-2010	冬小麦 Winter wheat	2009-09-25	2010-06-22	晋麦 47 Jinmai 47
2010-2011	休闲2 Fallow 2	2010-06-22—2011-04-23
2011	春玉米 Spring maize	2011-04-23	2011-09-21	豫玉 22 Yuyu 22
2011-2012	冬小麦 Winter wheat	2011-09-26	2012-06-15	晋麦 47 Jinmai 47
2012-2013	休闲3 Fallow 3	2012-06-15—2013-04-24
2013	春玉米 Spring maize	2013-04-24	2013-09-18	豫玉 22 Yuyu 22
2013-2014	冬小麦 Winter wheat	2013-09-25	2014-06-17	晋麦 47 Jinmai 47
2014-2015	休闲4 Fallow 4	2014-06-17—2015-04-26
2015	春玉米 Spring maize	2015-04-26	2015-09-20	郑单958 Zhengdan 958
2015-2016	冬小麦 Winter wheat	2015-09-26	2016-06-18	长6359 Chang 6359
2016-2017	休闲5 Fallow 5	2016-06-18—2017-04-26
2017	春玉米 Spring maize	2017-04-26	2017-09-18	郑单958 Zhengdan 958
2017-2018	冬小麦 Winter wheat	2017-10-15	2018-06-16	长6359 Chang 6359
2018-2019	休闲6 Fallow 6	2018-06-16—2019-05-02
2019	春玉米 Spring maize	2019-05-02	2019-09-26	郑单958 Zhengdan 958

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1.3 降水年型划分

降水年型依据干燥指数DI = (P-M)/σ进行划分^[16],式中,P为当年降雨量（mm）;M为多年平均降雨量（mm）;σ为多年平均降雨方差。借用降水年型划分的思路和方法,按照降雨量高低把各年度休闲期、冬小麦和春玉米生长期分为不同降水年型,划分结果如下：（1）按休闲期降雨量划分,2010—2011、2012—2013、2014—2015年休闲期均为丰水年型,2008—2009年休闲期为平水年型,2016—2017、2018—2019年休闲期均为欠水年型。（2）按冬小麦生长期降雨量划分,2007—2008、2011—2012、2013—2014、2015—2016年冬小麦生长期为丰水年型,2009—2010、2017—2018年冬小麦生长期为欠水年型。（3）按春玉米生长期降雨量划分,2009、2011年春玉米生长期为丰水年型,2017年春玉米生长期为平水年型,2013、2015、2019年春玉米生长期为欠水年型。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤水分 土壤水分采用烘干法^[17]测定,在休闲期和作物关键生长期用土钻取样测定0—200 cm土层土壤含水量,每20 cm为一层,共10层。土壤样品放入铝盒中称鲜重,烘箱105℃烘8 h后称干重,计算土壤含水量。利用测定的土壤容重计算土壤贮水量。

土壤含水量W（%）=（鲜土重量-干土重量）/ 干土重量×100;

土壤贮水量SWS（mm）= D×H×W×10。

式中,SWS为0—200 cm土层土壤贮水量（mm）;D为土壤容重（g·cm^-3）;H为土层厚度（20 cm/层）;W为土壤含水量（%）。

休闲期土壤蓄墒率P（%）=（V1-V2）/R×100。

式中,P为土壤蓄墒率（%）^[18];V1为休闲末期0—200 cm土层土壤贮水量（mm）;V2为休闲初期0—200 cm土层土壤贮水量（mm）;R为休闲期降雨量（mm）。

生长期耗水量ET（mm）= P + U - R - F - ΔW。式中,ET为作物生长期耗水量（mm）;P为作物生长期总降雨量（mm）;R为径流量（mm）;U为地下水补给量（mm）;F为深层渗漏量（mm）;ΔW为作物播种时0—200 cm土层土壤贮水量与作物收获时0—200 cm土层土壤贮水量之差（mm）。由于试验地区为疏松多孔的黑垆土,再加上试验地平整,地表径流小,地下水埋深在40 m以下,不易上移补给;在有作物生长的农田,多雨年份降水入渗深度不超过2 m,所以F、U、R可忽略不计^[19]。因此该公式可简化为：

生长期耗水量ET（mm）= P-ΔW;

水分利用效率WUE = Y / ET。

式中,WUE为作物水分利用效率（kg·hm^-2·mm^-1）;Y为作物产量（kg·hm^-2）。

1.4.2 作物产量 冬小麦产量于收获期沿每个小区对角线方向选取长势均匀的3点,每个样点取3 m²;春玉米产量于收获期沿每个小区对角线方向选取长势均匀的3点,每个样点取9 m²。

1.5 数据统计分析

本试验使用Excel 2010进行数据处理,使用Origin Pro 2015作图,使用SPSS17.0软件进行方差分析（LSD_0.05）。

2 结果

2.1 不同降水年型休闲期农田土壤蓄水效应

2.1.1 休闲末期0—200 cm土层土壤贮水量 方差分析表明降水年型、耕作方式及其互作均显著影响休闲末期0—200 cm土层土壤贮水量（图2）。其中降水年型对休闲末期0—200 cm土层土壤贮水量影响最为显著（F=9.15,P=0.002）,其次为耕作方式（F=4.55,P=0.024）,最后为降水年型与耕作方式的交互作用（F=1.31,P=0.049）。对降水年型进行比较分析,休闲末期0—200 cm土层土壤贮水量表现为H（430.6 mm）>D（405.9 mm）>N（381.5 mm）;对耕作方式进行比较分析,休闲末期0—200 cm土层土壤贮水量表现为NT（417.4 mm）>ST（402.3 mm）>CT（398.2 mm）,但ST与CT处理无显著差异;对降水年型与耕作方式交互作用进行比较分析,丰水年型NT处理休闲末期0—200 cm土层土壤贮水量最高,平水年型ST处理最低。在平水年型,NT较CT处理提高休闲末期土壤贮水量10.1 mm,而ST较CT处理降低休闲末期土壤贮水量11.9 mm。在丰水年型,NT和ST处理休闲末期土壤贮水量分别较CT处理提高16.8 mm和9.7 mm;在欠水年型,NT和ST处理休闲末期土壤贮水量分别较CT处理提高30.7 mm和14.4 mm。

图2

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图2不同降水年型各耕作处理休闲末期0—200 cm土层贮水量

N：平水年型;H：丰水年型;D：欠水年型;NT：免耕;ST：深松耕;CT：翻耕。不同小写字母表示处理间差异达到显著水平（P<0.05）。下同
Fig. 2Soil water storage in 0-200 cm at the end of fallow under different tillage treatments and rainfall types

N: Normal year; H: Humid year; D: Dry year; NT: No-tillage; ST: Subsoiling; CT: Conventional tillage. Different lowercase letters represent significantly different between treatments (P<0.05). The same as below


2.1.2 休闲期土壤蓄墒率 方差分析表明降水年型、耕作方式及其互作均显著影响休闲期土壤蓄墒率（图3）。其中降水年型对休闲期蓄墒率影响最为显著（F=173.97,P=0.000）,其次为耕作方式（F=71.90,P=0.000）,最后为耕作方式与降水年型的交互作用（F=40.15,P=0.000）。对降水年型进行比较分析,休闲期蓄墒率表现为H（27.1%）>D（26.6%）>N（25.1%）,但H与D无显著差异;对耕作方式进行比较分析,休闲期蓄墒率表现为NT（27.6%）>ST（26.4%）>CT（25.8%）;对降水年型与耕作方式交互作用进行比较分析,欠水年型NT处理土壤蓄墒率最高,平水年型CT处理土壤蓄墒率最低。在平水年型各耕作处理无显著差异。在丰水年型,NT、ST处理蓄墒率分别较CT处理显著提高2.7%和2.5%;在欠水年型,NT处理蓄墒率较CT处理显著提高2.6%,而ST处理蓄墒率较CT处理降低0.9%。

图3

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图3不同降水年型各耕作处理休闲期土壤蓄墒率变化动态

Fig. 3The change of soil moisture storage rate under different tillage treatments and rainfall types in the fallow period

2.2 不同降水年型生长期农田土壤蓄水效应

2.2.1 冬小麦生长期多年平均土壤贮水量 对冬小麦生长期0—200 cm土层土壤贮水量分析（图4）,在丰水年型,耕作显著影响小麦全生长期土壤贮水量。播种期NT、ST处理土壤贮水量较CT处理显著提高10.7 mm和12.6 mm;拔节期以ST处理土壤贮水量最高,显著高于CT处理（10.0 mm）,NT与CT处理无显著差异;灌浆期和收获期NT处理土壤贮水量最高,分别较CT处理显著提高15.6 mm和14.1 mm。在欠水年型,耕作显著影响冬小麦播种期、拔节期和收获期土壤贮水量。播种期和拔节期NT处理土壤贮水量较ST处理显著提高23.1 mm和8.2 mm,NT与CT处理无显著差异;收获期NT、ST处理土壤贮水量显著高于CT处理,分别较CT处理提高13.7 mm和7.5 mm。

图4

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图4不同降水年型冬小麦生长期0-200 cm土层土壤贮水量

Fig. 4Soil water storage in 0-200 cm on growth stage of winter wheat under different rainfall types



2.2.2 春玉米生长期多年平均土壤贮水量 对春玉米生长期0—200 cm土层土壤贮水量分析（图5）,在平水年型,耕作显著影响玉米全生长期土壤贮水量。播种期NT、ST处理土壤贮水量显著高于CT处理36.4和23.7 mm;拔节期NT、ST处理土壤贮水量分别较CT处理提高46.4和17.4 mm;灌浆期和收获期NT处理土壤贮水量最高,较CT处理显著提高23.4 mm和11.7 mm,ST与CT处理无显著差异。在丰水年型,耕作显著影响玉米播种期和拔节期土壤贮水量。播种期和拔节期NT处理土壤贮水量最高,较CT处理显著提高40.7 mm和27.8 mm,ST与CT处理无显著差异。在欠水年型,耕作显著影响玉米全生长期土壤贮水量。播种期和拔节期NT处理土壤贮水量较ST处理提高26.4 mm和20.3 mm,NT与CT处理无显著差异;灌浆期和收获期均以NT处理土壤贮水量最高,较CT处理提高19.6 mm和4.1 mm,而ST较CT处理显著降低23.8 mm和11.9 mm。

图5

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图5不同降水年型春玉米生长期0—200 cm土层土壤贮水量

Fig. 5Soil water storage in 0-200 cm on growth stage of summer maize under different rainfall types

2.3 不同降水年型作物耗水量、产量和水分利用效率

2.3.1 冬小麦耗水量、产量和水分利用效率 方差分析表明降水年型、耕作方式及其互作均显著影响冬小麦耗水量、产量和水分利用效率（表2）。其中耕作方式对冬小麦耗水量（ET）,产量和水分利用效率（WUE）影响最为显著（F=164136.138,P=0.000;F=220992.587,P=0.000;F=31408.451,P=0.000）,其次为降水年型（F=28130.932,P=0.000;F=311.566,P=0.000;F=4605.515,P=0.000）,最后为降水年型与耕作方式互作（F=576.798,P=0.000;F=98.552,P=0.000;F=336.738,P=0.000）。对降水年型进行比较分析,冬小麦ET表现为H（324.9 mm）>D（267.9 mm）;产量表现为H（4 985 kg·hm^-2）>D（3 984 kg·hm^-2）;WUE表现为H（15.4 kg·hm^-2·mm^-1）>D（14.9 kg·hm^-2·mm^-1）。对耕作方式进行比较分析,冬小麦ET表现为CT（319.0 mm）>ST（291.0 mm）>NT（279.3 mm）;产量表现为NT（4 522 kg·hm^-2）>ST（4 468 kg·hm^-2）>CT（4 465 kg·hm^-2）;WUE表现为NT（16.2 kg·hm^-2·mm^-1）>ST（15.4 kg·hm^-2·mm^-1）>CT（14.0 kg·hm^-2·mm^-1）。对降水年型与耕作方式交互作用进行比较分析,在丰水年型,NT和ST处理ET较CT处理显著降低14.9%和9.9%,产量和WUE提高1.8%、0.7%和17.0%、10.6%;在欠水年型,NT处理ET较CT处理显著降低13.4%,产量和WUE提高0.6%和14.1%。

Table 2
表2
表2不同降水年型各耕作处理冬小麦耗水量、产量与水分利用效率
Table 2ET, grain yield and WUE of winter wheat under different tillage treatments and rainfall types

影响因子 Factor		耗水量 ET (mm)	产量 Yield (kg∙hm-2)	水分利用效率 WUE (kg∙hm-2∙mm-1)
降水年型 Rainfall type	H	324.9a	4985a	15.4a
	D	267.9b	3984b	14.9a
F值检验 F value test		28130.932**	311.566**	4605.515**
耕作方式 Tillage practice	NT	279.3c	4522a	16.2a
	ST	291.0b	4468b	15.4a
	CT	319.0a	4465b	14.0b
F值检验 F value test		164136.138**	220992.587**	31408.451**
丰水年型 Humid year	NT	305.0b	5033a	16.5a
	ST	319.1b	4978a	15.6a
	CT	350.6a	4944a	14.1b
欠水年型 Dry year	NT	253.5b	4011a	15.8a
	ST	262.9b	3957a	15.1ab
	CT	287.4a	3986a	13.9b
F值检验 F value test		576.798**	98.552**	336.738**

ET,播种期-成熟期耗水量;WUE,水分利用效率。相同年型和相同耕作方式同列不同字母表示处理间差异达到显著水平（P<0.05）,**表示处理间差异达到极显著水平（P<0.01）。下同
ET, values of water consumption from sowing to harvesting stages; WUE, water use efficiency; Yield, yield of winter wheat and spring maize. Different letters under the same rainfall type and volume are significantly different among treatments at P<0.05. ** represents significantly different among treatments atP<0.01. The same as below

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2.3.2 春玉米耗水量、产量和水分利用效率 方差分析表明降水年型、耕作方式及其互作均显著影响春玉米ET、产量和WUE（表3）。其中降水年型对春玉米ET,产量和WUE影响最为显著（F=154000.459,P=0.000;F=707.055,P=0.000;F=119754.339,P=0.000）,其次为耕作方式（F=2276.719,P=0.000;F=3247.531,P=0.000;F=16076.113,P=0.000）,最后为降水年型与耕作方式互作（F=401.884,P=0.000;F=426.440,P=0.000;F=4849.037,P= 0.000）。对降水年型进行比较分析,春玉米ET表现为H（411.3 mm）>D（401.2 mm）>N（398.6 mm）;产量表现为H（7 677 kg·hm^-2）>D（6 999 kg·hm^-2）>N（5 887 kg·hm^-2）;WUE表现为H（18.7kg·hm^-2·mm^-1）>D（17.5 kg·hm^-2·mm^-1）>N（14.8 kg·hm^-2·mm^-1）。对耕作方式进行比较分析,春玉米ET表现为CT（419.6 mm）>ST（403.8 mm）>NT（387.8 mm）;产量表现为NT（6 900 kg·hm^-2）>ST（6 879 kg·hm^-2）>CT（6 785 kg·hm^-2）;WUE表现为NT（17.8 kg·hm^-2·mm^-1）>ST（17.0 kg·hm^-2·mm^-1）>CT（16.2 kg·hm^-2·mm^-1）。对降水年型与耕作方式交互作用进行比较分析,在平水年型,NT处理ET较CT降低8.9%,产量和WUE提高1.9%和11.5%;在丰水年型,ST处理ET较CT处理降低1.1%,产量和WUE分别较CT处理提高5.9%和7.2%;在欠水年型,NT处理ET较CT处理降低9.1%,产量和WUE分别较CT处理提高4.7%和10.0%。

Table 3
表3
表3不同降水年型各耕作处理春玉米耗水量、产量与水分利用效率
Table 3ET, grain yield and WUE of spring maize under different tillage treatments and rainfall types

影响因子 Factor		耗水量 ET (mm)	产量 Yield (kg∙hm-2)	水分利用效率 WUE (kg∙hm-2∙mm-1)
降水年型 Rainfall type	N	398.6b	5887c	14.8c
	H	411.3a	7677a	18.7a
	D	401.2b	6999b	17.5b
F值检验 F value test		154000.459**	707.055**	119754.339**
耕作方式 Tillage practice	NT	387.8b	6900a	17.8a
	ST	403.8ab	6879a	17.0a
	CT	419.6a	6785a	16.2b
F值检验 F value test		2276.719**	3247.531**	16076.113**
平水年型 Normal year	NT	388.6b	6025a	15.5a
	ST	380.6b	5723b	15.0a
	CT	426.7a	5913a	13.9b
丰水年型 Humid year	NT	399.6b	7469b	18.7ab
	ST	414.9a	8003a	19.3a
	CT	419.4a	7560b	18.0b
欠水年型 Dry year	NT	375.1b	7205a	19.2a
	ST	416.0a	6912ab	16.6b
	CT	412.6a	6881b	16.7b
F值检验 F value test		401.884**	426.440**	4849.037**

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2.4 冬小麦-休闲-春玉米轮作周期耗水量、产量和水分利用效率

对不同耕作处理下冬小麦-休闲-春玉米各轮作周期ET、产量和WUE进行分析（表4）。NT、ST处理多年平均ET分别较CT处理降低7.6%和3.0%。其中,NT、ST处理显著降低周期1和3的ET,分别较CT处理降低7.3%、3.7%（Cycle 1）和7.3%、4.9%（Cycle 3）。保护性耕作措施显著影响轮作周期产量和WUE,NT、ST处理多年平均产量分别较CT处理提高1.6%和1.2%。ST处理产量在周期1和2中分别较CT处理提高3.4%和5.0%,NT处理产量在周期4、5和6中分别较CT处理提高3.8%、2.3%和2.4%。NT、ST处理多年平均WUE分别较CT处理提高9.5%和3.9%。其中NT、ST处理的WUE在周期1、3和5中分别较CT处理提高6.6%、7.3%（Cycle 1）,7.4%、7.4%（Cycle 3）,12.2%、9.5%（Cycle 5）;NT处理WUE在周期4和6中分别较CT处理提高12.2%和13.1%。

Table 4
表4
表4不同冬小麦-休闲-春玉米轮作周期ET、产量与WUE
Table 4ET, grain yield and WUE in different winter wheat-fallow-spring maize rotation cycle

	处理Treatments	周期1 Cycle 1	周期2 Cycle 2	周期3 Cycle 3	周期4 Cycle 4	周期5 Cycle 5	周期6 Cycle 6	平均值 Mean
耗水量 ET (mm)	NT	824.2c	676.8b	806.6c	562.1c	662.1b	609.0b	690.1c
	ST	856.1b	700.9a	826.8b	622.0a	658.8b	678.7a	723.9b
	CT	888.8a	717.0a	869.7a	607.4b	725.3a	671.6a	746.6a
产量 Yield (kg∙hm-2)	NT	13239b	11113b	13339a	14989a	11022a	6830a	11755a
	ST	13848a	11754a	13218a	14350b	10652b	6467c	11715a
	CT	13390b	11196b	12958a	14437b	10769b	6673b	11571b
WUE (kg∙hm-2∙mm-1)	NT	16.1a	16.4a	16.0a	26.7a	16.6a	11.2a	17.2a
	ST	16.2a	16.8a	16.0a	23.1b	16.2a	9.5b	16.3a
	CT	15.1b	15.6a	14.9b	23.8b	14.8b	9.9b	15.7b

Cycle代表冬小麦-休闲-春玉米轮作周期,1代表2007—2009年,2代表2009—2011年,3代表2011—2013年,4代表2013—2015年,5代表2015—2017年,6代表2017—2019年
Cycle represents the winter wheat-fallow-spring maize rotation cycle, 1 represents 2007-2009, 2 represents 2009-2011, 3 represents 2011-2013, 4 represents 2013-2015, 5 represents 2015-2017, 6 represents 2017-2019

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3 讨论

3.1 保护性耕作对休闲期农田土壤蓄水保墒效应的影响

休闲期是冬小麦-休耕-春玉米种植系统土壤水分补充的主要阶段,休闲期降雨的多蓄少耗可以为作物生长提供更多水分,在半干旱区域具有重要的生产意义。本研究对休闲末期土壤贮水量分析表明,降水年型对休闲末期0—200 cm土层土壤贮水量影响最为显著,其次为耕作方式,最后为降水年型与耕作方式互作。该结果表明降水年型是决定休闲末期土壤贮水量的关键因素,这是因为本试验研究区域为典型的旱作雨养农业区,降雨几乎是土壤水分的唯一补给途径,因此降雨量的多少直接决定着休闲末期土壤贮水量。本研究进一步表明耕作方式对休闲末期土壤贮水量产生显著影响,这说明耕作显著影响土壤贮水量,这与不同耕作措施改变土壤理化性质有关,通过优化农业耕作措施,有利于减少土壤水分无效蒸发,增强农田土壤的蓄水保墒能力^[20]。此外在本研究中,降水年型与耕作方式互作对休闲末期土壤贮水量也产生显著影响。在丰水和欠水年型,NT和ST处理休闲末期土壤贮水量较CT处理显著提高;但在平水年型,NT较CT处理显著提高休闲末期土壤贮水量,而ST较CT处理降低休闲末期土壤贮水量。这表明NT处理在丰水、平水和欠水年型较CT处理均能显著提高休闲末期土壤贮水量;而ST处理仅在丰水和欠水年型提高休闲末期土壤贮水量,这可能与耕作对土壤的扰动强度有关,免耕下零土壤扰动,有效增强土壤的蓄水保墒能力,因此提高不同降水年型下休闲末期土壤贮水量^[21];而深松对底土进行疏松,有利于降雨向深层土壤转移,在丰水型有利于储存自然降雨^[22,23,24];此外深松较翻耕降低表层土壤扰动,但增加深层土壤扰动,虽然有利于减少表土水分的无效蒸散,但同时也增加底土水分散失的风险,本研究结果也进一步说明在平水年型下深松会降低休闲末期土壤贮水量,表现出水分保蓄劣势。

蓄墒率反映耕作措施本身的土壤水分保蓄能力,本研究进一步对蓄墒率分析表明,降水年型对休闲期蓄墒率影响最为显著,其次为耕作方式,最后为降水年型与耕作方式互作。由于试验地区季节降雨分布不均匀,降雨多集中分布于6—9月,因此休闲期降水年型是影响休闲土壤蓄墒率的主要因素。本研究进一步表明耕作方式对休闲土壤蓄墒率产生显著影响,这种影响主要是由于耕作措施的不同影响土壤的颗粒大小和组成,改变土壤结构,进而影响土壤的水热过程^[25]。此外降水年型与耕作方式互作也显著影响蓄墒率,这与不同耕作措施对降雨的响应不同有关。如本研究进一步分析表明在丰水年型,NT、ST处理蓄墒率分别较CT处理显著提高;在欠水年型,NT处理蓄墒率较CT处理显著提高;在平水年型各耕作处理无显著差异。

3.2 保护性耕作对作物生长期农田土壤蓄水保墒效应的影响

旱作农田休闲期进行保护性耕作可以接纳并蓄存更多自然降水,为秋播和春播作物生长创造更加适宜的土壤水分环境。在本研究中,丰水和欠水年型NT处理均显著提高冬小麦播种期和拔节期土壤贮水量。该结果表明农田实行免耕能有效抑制冬小麦生长前期地表裸露造成的无效蒸发,提高冬小麦播期和拔节期土壤贮水量,这与黄高宝等^[26]研究结果相一致。此外丰水年型各耕作处理灌浆期土壤贮水量差异不显著,而欠水年型NT处理显著提高冬小麦灌浆期土壤贮水量,其原因是丰水年型底墒充足,各处理差异不大。在冬小麦收获期,NT和ST处理较CT处理均显著提高土壤贮水量,这与免耕、深松等保护性耕作措施能够有效蓄存冬小麦生长期降水,提高土壤表层含水率从而达到蓄水保墒效果有关^[27,28]。本研究进一步发现无论何种降水年型,均以NT处理春玉米蓄水保墒效果较好。这是因为免耕减少扰动,抑制农田土壤水分蒸发。春玉米生长季恰逢夏季,田间土壤水分蒸发量大,而深松强烈改变土壤结构,增大土壤孔隙,造成土壤持水能力下降,不利于春玉米田蓄水保墒^[29]。这与谢军红等^[30]研究结果不一致,可能是试验年限不同造成的。

3.3 保护性耕作对作物耗水量、产量和水分利用效率的影响

本研究对冬小麦耗水量、产量和水分利用效率分析表明,耕作方式对冬小麦ET、产量和WUE影响最为显著,其次为降水年型,最后为降水年型与耕作方式互作。这表明旱作农田实行保护性耕作能够使作物充分利用有限的降水资源,进而促进产量提高和农业可持续发展^[7]。在本研究中降水年型对冬小麦ET、产量和WUE也产生显著影响,但该影响低于耕作方式。这是因为试验地区降雨季节分布不均匀,雨季与冬小麦生长期错位,因此降雨效应减弱。此外降水年型与耕作方式互作也显著影响冬小麦ET、产量和WUE。在丰水和欠水年型均以NT处理ET最低,冬小麦产量和WUE最高。这是因为在作物生长季实行免耕秸秆覆盖能增加土壤入渗率,减少地表径流,抑制农田土壤水分无效蒸发,进而增加土壤表层和深层的含水量,提高水分利用效率,这与秦红灵等^[31]研究结果相一致。

本研究对春玉米ET、产量和WUE分析表明,降水年型对春玉米ET、产量和WUE影响最为显著,其次为耕作方式,最后为降水年型与耕作方式互作。由于土壤水分是制约该地区作物产量高低的主要因素,因此降水年型是决定春玉米ET、产量和WUE的关键。在本研究中,耕作方式对春玉米ET、产量和WUE也产生显著影响,这种影响主要是由于耕作措施改变土壤物理性质和耕层结构,进而对作物生长产生影响。此外降水年型与耕作方式互作也显著影响春玉米ET、产量和WUE。丰水年型ST较CT处理显著降低ET,提高春玉米产量和WUE;平水和欠水年型,NT较CT处理显著降低ET,提高春玉米产量和WUE。其原因是丰水型实行深松有利于打破犁底层,提高土壤通透性,促进雨水入渗从而提高作物水分利用效率,促进作物增产。在平水和欠水型下,深松耕疏松深层土壤可能会降低土壤的蓄水保墒能力^[32]。这与孙敏等^[33]研究结果不一致,可能与深松耕作累积效应有关。

3.4 保护性耕作对冬小麦-休闲-春玉米轮作周期的影响

在冬小麦-休闲-春玉米轮作田中,冬小麦收获后至春玉米播种前有长达10个月的休闲期,采用传统翻耕无法有效蓄存休闲期降水资源,土壤蓄水保墒能力较差。旱作农田休闲期进行免耕秸秆覆盖,能抑制土壤水分蒸发,增加耕作层贮水量,为春玉米播种提供良好的土壤水分条件。同时由于黄土高原半干旱地区年降水分布不均,年降水量多集中分布在夏季,正好相悖于冬小麦需水期,加之前季春玉米对水分大量消耗,很大程度上会造成冬小麦生长季干旱缺水,最终造成减产。春玉米生长季应用免耕秸秆覆盖能够减少地表径流,增加土壤水分存储,补充后季冬小麦生长发育所需用水。而深松仅在丰水年型,增加土壤水分存储促进作物产量提高。多年试验结果表明,免耕可以相对高效地实现节水增产目的,同时在干旱年份增产效果显著,是更加适宜雨养农业区可持续发展的耕作模式。

3.5 研究的局限性与意义

由于渭北旱塬冬小麦-春玉米轮作田土壤水分存储和产量形成,不仅与研究区域气候环境、作物品种、土壤肥力因素有关,还与降水年型、耕作方式等因素密切相关,而本研究中按休闲期和春玉米生长期降雨量划分平水年型仅出现1次,因此平水年型农田土壤水分和产量变化,有待于后期进一步研究。尽管如此,本研究所得结论对旱区粮田降雨高效利用与耕作制度创新具有一定的参考价值。

4 结论

连续12年的长期定位试验结果表明,降水年型、耕作方式及其互作均显著影响休闲期末期土壤贮水量和休闲期土壤蓄墒率。其中以丰水年型休闲末期土壤贮水量和休闲期土壤蓄墒率最高;3种耕作措施中以NT处理休闲末期土壤贮水量最高,ST处理次之,CT处理最低。同时降水年型、耕作方式及其互作也显著影响冬小麦和春玉米产量和WUE。其中以丰水年型冬小麦和春玉米产量和WUE最高;3种耕作措施中以NT处理下冬小麦和春玉米产量和WUE最高,ST处理次之,CT处理最低。

在丰水年型,NT和ST处理较CT处理提高休闲末期土壤贮水量（16.8 mm和9.7 mm）和休闲期土壤蓄墒率（2.7%和2.5%）,且冬小麦产量和WUE分别提高1.8%、0.7%和17.0%、10.6%;在平水和欠水年型,NT较CT处理提高休闲末期土壤贮水量（10.1 mm和30.7 mm）和休闲期土壤蓄墒率（0.2%和2.6%）,且春玉米产量和WUE分别提高1.9%、4.7%和11.5%、10.0%。多年试验结果表明,免耕有利于旱作农田产量和水分利用效率持续提高,同时在干旱年份能显著提高作物产量,是更加适合渭北旱塬冬小麦-休闲-春玉米轮作田长期可持续发展的耕作模式。

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