0 引言
【研究意义】水资源短缺是限制黄土高原地区作物产量的主要因素[1]。面对不断增长的人口压力、粮食需求以及生态环境改善的技术需求,寻求更有效的方式来提高作物水分利用效率和产量,成为保障黄土高原地区粮食安全和保护生态环境的关键[2]。相比常规耕作,免耕和深松耕能够增加土壤持水量,有利于提高作物水分利用效率和产量[3-4],因此免耕和深松耕常被作为黄土高原地区提高作物产量和水分利用效率的重要技术之一。【前人研究进展】代快等[5]研究表明,在山西寿阳县免耕春玉米产量和水分利用效率比常规耕作分别增加6.1%和9.7%。尚金霞等[6]研究表明,在陕西合阳县免耕春玉米产量和水分利用效率分别增加4.0%和9.4%。而张立建等[7]研究表明,在甘肃省安定区免耕春玉米产量和水分利用效率分别增加15.3%和11.8%。王维等[8]研究表明,相比常规耕作,在年降雨量≤500 mm的宁夏彭阳县,深松耕冬小麦产量和水分利用效率分别增加35.3%和37.8%。柏炜霞等[9]研究表明,在年降雨量500—600 mm的陕西省合阳县,深松耕冬小麦产量和水分利用效率分别增加13.9%和13.1%。而苏子友等[10]研究表明,在年降雨量>600 mm的河南省孟津县,深松耕冬小麦产量和水分利用效率分别增加16.1%和6.3%。柏炜霞等[9]研究表明,免耕春玉米产量和水分利用效率比常规耕作分别增加-5.2%和-11.0%,而免耕冬小麦产量和水分利用效率分别增加6.2%和9.0%。【本研究切入点】已有研究结果表明,由于地域、气候、作物种类等的差异,导致免耕和深松耕对黄土高原不同区域作物产量和水分利用效率的影响存在较大差异。而常规的独立单一试验因研究尺度小,受地区特定气候影响大,试验结果间差异较大,因此不能从区域尺度定量说明免耕和深松耕对黄土高原地区作物产量和水分利用效率的影响程度。为了整体认识黄土高原不同区域和不同气候条件下,免耕和深松耕对春玉米、冬小麦产量和水分利用效率的影响,须利用已有的独立单一试验结果,从宏观区域尺度进行大样本数据的定量综合分析。【拟解决的关键问题】本研究通过文献检索获得45篇大田试验文献和209组试验数据,运用整合分析方法（meta-analysis）,定量分析免耕和深松耕在黄土高原不同区域、不同年降雨量以及不同年均温度下对春玉米、冬小麦产量和水分利用效率的影响特征,为免耕和深松耕对黄土高原不同区域粮食增产效果的定量化及该类技术的适宜应用区域提供科学依据。1 材料与方法
1.1 数据来源
通过Web of Science和中国知网（CNKI）等数据库,分别输入“小麦（wheat）/玉米（maize）”和（and）“免耕（no-tillage）/深松耕（Subsoiling）”、“小麦（wheat）/玉米（maize）”和（and）“水分利用效率（water use efficiency）”关键词,检索近30年发表的黄土高原地区免耕、深松耕与作物产量及水分利用效率相关的文献,并对检索到的文献进行筛选。筛选标准如下：（1）试验地点为黄土高原地区;（2）试验方式为大田试验,且作物全生育期不灌溉;（3）试验处理至少包含免耕和深松耕处理中的一项,且每项处理均以常规耕作为对照;（4）玉米、小麦产量和水分利用效率等指标以数字或图表形式报道;（5）对不同文献报道的同一试验数据只纳入其中一次。经筛选,共有45篇文献（春玉米19篇,冬小麦26篇）符合要求。45篇文献在黄土高原各区域的数量分布为：春玉米（东部7篇,中部6篇,南部4篇,北部2篇,西部无研究资料）,冬小麦（东南部19篇,西北部7篇）。对筛选得到的文献提取试验地点、作物种类、耕作处理、籽粒产量、水分利用效率、作物耗水量等数据。为消除各试验点数据不同年份气象条件的差异,本研究根据引用文献对试验期降雨量和年型的说明,只将属于平水年（正常年份）的试验数据纳入分析。经筛选,共获得分布于黄土高原15个地区（图1）的209组配对试验和1190个试验观测值。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1春玉米、冬小麦试验地点分布图
-->Fig. 1Test places of spring maize and winter wheat in Loess Plateau
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1.2 数据分类
为分析免耕、深松耕在黄土高原不同区域、不同年降雨量和不同年均温度下对春玉米、冬小麦产量和水分利用效率的影响,根据耕作方式和作物种类对筛选后的数据进行分类。根据文献报道的耕作类型,将数据分为2类：免耕,即前茬作物收获后的休闲期不对土壤进行任何耕作处理,到适播期直接播种;深松耕,即前茬作物收获后的休闲期按照一定间距对土壤深松30—40 cm。免耕和深松耕处理均以常规耕作（前茬作物收获后的休闲期或者播种前对土壤进行旋耕或翻耕）作为对照。研究共涉及春玉米和冬小麦2种作物,春玉米耕作处理包含免耕和常规耕作（春玉米无深松耕研究资料）,冬小麦耕作处理包含免耕、深松耕和常规耕作,具体统计分类如表1所示。Table 1
表1
表1统计数据分类信息
Table 1Analysis of classified data
| 作物种类 Crop | 试验组 Experimental group | 对照组 Control group | 配对试验组数 Number of paired trials | 试验观测数量 Number of observations |
|---|---|---|---|---|
| 春玉米 Spring maize | 免耕 No-tillage | 常规耕作 Conventional tillage | 63 | 378 |
| 冬小麦 Winter wheat | 免耕 No-tillage | 常规耕作 Conventional tillage | 84 | 472 |
| 深松耕 Subsoiling tillage | 常规耕作 Conventional tillage | 62 | 340 |
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根据黄土高原地区气候的差异[11-17],本研究将黄土高原划分为5个区域（图2）：东部、中部、西部、南部、北部,各区域气候特征如表2所示。考虑到春玉米和冬小麦试验点数量的限制及其种植区域的差异,将春玉米种植区划分为东部、中部、南部和北部4个区域（西部区域无免耕春玉米资料）,冬小麦种植区划分为东南部和西北部2个区域 （东南部为图2中的南部,西北部为图2中除南部以外的其他区域）。一般年降雨量350—500 mm为半干旱地区,大于500 mm为湿润地区[18],因此,以年降雨量500 mm为分界,将春玉米种植区年降雨量分为：≤500 mm和>500 mm;将冬小麦种植区年降雨量分为：≤500 mm、500—600 mm和>600 mm。根据试验地点年均温度的差异,将春玉米、冬小麦种植区年均温度划分为≤10℃和>10℃。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2黄土高原分区示意图
-->Fig. 2Zoning map of Loess Plateau
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Table 2
表2
表2黄土高原区域划分及其气候特征
Table 2Areas division and characteristics of climate in Loess Plateau
| 区域 Area | 区域范围 Scope of the area | 年均降雨量 Annual average Precipitation (mm) | ≥0℃积温 Accumulative temperature above 0℃ (℃∙a-1) | 年平均温度 Annual average Temperature (℃) |
|---|---|---|---|---|
| 东部 East | 临汾市和长治市以北的山西省其他地区,主要包括吕梁市、太原市、晋中市、阳泉市、忻州市、朔州市和大同市 The area north of Linfen and Changzhi city in Shanxi province, mainly including Lüliang, Taiyuan, Jinzhong, Yangquan, Xinzhou, Shuozhou and Datong city | 400-700 | 3000-4500 | 6.4-12.2 |
| 中部 Middle | 渭河平原以北的陕西省其他地区,除中卫市和固原市以外的宁夏回族自治区其他地区,甘肃省陇东地区以及内蒙古鄂托克旗以南地区 The area north of Wei River Plain in the Shaanxi province, the area of the Ningxia Hui Autonomous Region except Zhongwei and Guyuan city, the eastern region of Gansu province and the area south of Otog Front Banner in the Inner Mongolia | 200-600 | 2900-4000 | 8.5-9.5 |
| 西部 West | 主要包括甘肃省白银市、兰州市、临夏市、定西市、天水市,宁夏回族自治区中卫市、固原市,以及青海省西宁市 The area including Baiyin, Lanzhou, Linxia, Dingxi and Tianshui city in the Gansu province, Zhongwei and Guyuan city in the Ningxia Hui Autonomous Region and Xining city in the Qinghai province | 130-500 | 2000-4000 | 6.4-7.7 |
| 南部 South | 主要为渭河平原、山西省南部以及三门峡市和洛阳市北部地区,主要包括宝鸡市、咸阳市南部、西安市、渭南市、临汾市、长治市、运城市、晋城市,以及三门峡市和洛阳市北部 The area of Wei River Plain, southern Shanxi province and the northern region of Sanmenxia and Luoyang city, mainly including Baoji, southern Xianyang, Xi’an, Weinan, Linfen, Changzhi, Yuncheng , Jincheng, the northern region of Sanmenxia and Luoyang city | 500-722 | 4500-5200 | 12.0-14.0 |
| 北部 North | 内蒙古鄂托克前旗以北的黄土高原地区 The Loess Plateau area north of Otog Front Banner in the Inner Mongolia | 130-400 | 2800-3400 | 6.8-8.0 |
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1.3 数据分析方法
在Meta分析中,当试验结果为物理尺寸测量,且结果不可能为0的研究领域中,两组数值间的均值比可作为效应量即反应比R[19]。本研究使用反应比R计算效应量M,计算公式为[20]：M=lnR=ln(Xe/Xc) （1）
式中,M为试验的效应量;Xe为试验组(免耕/深松耕)对应作物产量或水分利用效率的平均值,Xc为对照组(常规耕作)对应作物产量或水分利用效率的平均值。为便于使用作物产量、水分利用效率相对变化率来解释免耕、深松耕对作物产量和水分利用效率的影响,将分析结果转化为相对变化率Y,计算公式为[21]：
Y=（R-1）×100% （2）
即：Y=（exp(M)-1）×100% （3）
如果Y的95%置信区间与0重叠,可认为处理组与对照组间差异不显著,即免耕、深松耕处理下作物产量和水分利用效率相比常规耕作处理差异不显著;若不与0重叠,则认为试验组和对照组间差异显著[22]（P<0.05）。本研究采用SAS 9.4软件进行数据统计分析,采用Excel 2007和Sigmaplot 12.0进行数据处理和制图。
2 结果
2.1 不同区域免耕、深松耕对作物产量和水分利用效率的影响
在黄土高原不同区域,免耕和深松耕对作物产量的影响不同（图3）。黄土高原地区免耕春玉米整体平均产量为6 583 kg∙hm-2,各区域产量为5 119—8 513 kg∙hm-2。与常规耕作相比,免耕春玉米的产量整体平均增加6.0%（图4-a）,各区域中除南部以外其余3个区域的春玉米产量均显著增加,增加率依次为中部>北部>东部。黄土高原地区免耕和深松耕冬小麦整体平均产量分别为3 818 kg∙hm-2和4 225 kg∙ hm-2,各区域东南部产量均显著高于西北部（P<0.05）。深松耕冬小麦的整体平均产量和各区域产量均高于免耕。与常规耕作相比,免耕冬小麦的产量整体平均增加6.1%,东南部增加8.2%（P<0.05）,西北部减少2.9%,变化不显著;深松耕冬小麦的整体平均产量和各区域产量均显著增加（P<0.05）,增加率均高于免耕。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3免耕、深松耕对黄土高原不同区域春玉米、冬小麦产量的影响图中不同小写字母表示相同处理下不同区域在5%水平差异显著,CTM、CTW、NTM、NTW、STW分别表示常规耕作春玉米、常规耕作冬小麦、免耕春玉米、免耕冬小麦、深松耕冬小麦。下同
-->Fig. 3Effect of no-tillage and subsoiling tillage on yield of spring maize and winter wheat in different areas of Loess PlateauThe different lower-case letters indicate statistically significant differences between the areas under one treatment (P<0.05). CTM, CTW, NTM, NTW, STW mean conventional tillage of spring maize, conventional tillage of winter wheat, no-tillage of spring maize, no-tillage of winter wheat and subsoiling tillage of winter wheat respectively. The same as below
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4免耕、深松耕处理下黄土高原各区域作物相对产量变化率（a）、相对水分利用效率变化率（b）、相对耗水量变化率（c）圆点对应横轴的值代表相对变化率;横直线上下限对应的值代
-->Fig. 4Effect of no-tillage and subsoiling tillage on change rate of relative yiled (a), change rate of relative water use efficiency (b), and change rate of relative evapotranspiration (c) of crops in different areas of Loess PlateauThe corresponding value of dots to abscissa axis is change rate; Bars show 95% bias confidence intervals; n represents sample size. The same as below
-->
在黄土高原不同区域,免耕和深松耕对作物水分利用效率的影响不同（图5）。免耕春玉米整体平均水分利用效率为15. 8 kg∙hm-2∙mm-1,各区域水分利用效率为12.5—20.5 kg∙hm-2∙mm-1。与常规耕作相比,免耕春玉米的水分利用效率整体平均增加7.6%（图4-b）,各区域中除南部以外其余3个区域的春玉米水分利用效率均显著增加（P<0.05）,增加率依次为北部>中部>东部。免耕和深松耕冬小麦整体平均水分利用效率为12.3 kg∙hm-2∙mm-1和13.3 kg∙hm-2∙mm-1,各区域东南部水分利用效率均显著高于西北部（P<0.05）。深松耕冬小麦的整体平均水分利用效率和各区域水分利用效率均高于免耕。与常规耕作相比,深松耕冬小麦的水分利用效率整体平均增加9.8%,东南部和西北部分别增加9.6%和10.9%（P<0.05）,增加率均高于免耕。图4-c表明,免耕对春玉米生育期耗水量增加率整体影响不显著,各区域东部和北部耗水量出现降低,南部和中部增加不显著。免耕和深松耕条件下的冬小麦整体平均耗水量大于常规耕作,各区域中深松耕冬小麦耗水量增加率均高于免耕。可见,在黄土高原北部和中部采用免耕可显著提高春玉米产量和水分利用效率10%以上;在黄土高原东南部和西北部采用深松耕有利于提高冬小麦产量和水分利用效率,且效果优于免耕。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5免耕、深松耕对黄土高原不同区域春玉米、冬小麦水分利用效率的影响
-->Fig. 5Effect of no-tillage and subsoiling tillage on water use efficiency of spring maize and winter wheat in different areas of Loess Plateau
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2.2 不同年降雨量下免耕、深松耕对作物产量和水分利用效率的影响
不同年降雨量下免耕和深松耕对作物产量的影响不同（图6）。年降雨量≤500 mm地区的免耕春玉米产量高于年降雨量>500 mm地区,二者差异不显著。与常规耕作相比,免耕春玉米的产量在年降雨量≤500 mm地区增加13.4%（图7-a）,增加率显著高于年降雨量>500 mm地区。免耕和深松耕冬小麦产量随年降雨量的增加而显著增加。在3个不同年降雨量地区,深松耕冬小麦产量均高于免耕冬小麦。与常规耕作相比,免耕冬小麦的产量在年降雨量500—600 mm和>600 mm地区分别增加5.4%和8.4%（P<0.05）,年降雨量≤500 mm地区增加不显著;深松耕冬小麦的产量在3个不同年降雨量地区均显著增加（P<0.05）,三者差异不显著,但均高于免耕。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图6不同年降雨量下免耕、深松耕对春玉米、冬小麦产量的影响
-->Fig. 6Effect of no-tillage and subsoiling tillage on yield of spring maize and winter wheat in different annual precipitation areas
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图7不同年降雨量下免耕、深松耕对作物相对产量变化率（a）、相对水分利用效率变化率（b）、相对耗水量变化率（c）的影响
-->Fig. 7Effect of no-tillage and subsoiling tillage on change rate of relative yield (a), change rate of relative water use efficiency (b), and change rate of relative evapotranspiration (c) of crops in different annual precipitation areas
-->
不同年降雨量下免耕和深松耕对作物水分利用效率的影响不同（图8）。年降雨量≤500 mm地区的免耕春玉米水分利用效率高于年降雨量>500 mm地区,二者差异不显著。与常规耕作相比,免耕春玉米的水分利用效率在年降雨量≤500 mm地区增加13.6%（图7-b）,增加率高于年降雨量>500 mm地区。免耕和深松耕冬小麦水分利用效率随年降雨量的增加而增加。在3个不同年降雨量地区,深松耕冬小麦水分利用效率均高于免耕冬小麦。与常规耕作相比,在年降雨量≤500 mm、500—600 mm和>600 mm地区,深松耕冬小麦的水分利用效率分别增加10.9%、12.2%和7.7%（P<0.05）,三者间差异不显著,但均高于免耕。另外,由图7-c可知,与常规耕作相比,免耕春玉米耗水量在不同年降雨量地区增加不显著。免耕和深松耕冬小麦的耗水量在年降雨量≤500 mm和>600 mm地区显著增加,在年降雨量500—600 mm地区增加不显著。可见,在黄土高原春玉米种植区采用免耕有利于提高春玉米产量和水分利用效率,且在年降雨量≤500 mm地区的效果优于年降雨量>500 mm地区。相比免耕,在黄土高原冬小麦种植区采用深松耕更有利于提高冬小麦产量和水分利用效率,其中在年降雨量500—600 mm地区效果最好。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图8不同年降雨量下免耕、深松耕对春玉米、冬小麦水分利用效率的影响
-->Fig. 8Effect of no-tillage and subsoiling tillage on water use efficiency of spring maize and winter wheat in different annual precipitation areas
-->
2.3 不同年均温度下免耕、深松耕对作物产量和水分利用效率的影响
不同年均温度下免耕和深松耕对作物产量的影响不同（图9）。年均温度≤10℃地区的免耕春玉米产量显著低于年均温度>10℃地区（P<0.05）。与常规耕作相比,免耕春玉米的产量在年均温度≤10℃地区增加7.6%（P<0.05）,在年均温度>10℃地区增加不显著（图10-a）。免耕和深松耕冬小麦的产量在年均温度≤10℃地区显著低于年均温度>10℃地区（P<0.05）。在不同年均温度地区,深松耕冬小麦的产量均高于免耕冬小麦。与常规耕作相比,免耕冬小麦的产量在年均温度>10℃地区增加8.2%（P<0.05）,在年均温度≤10℃地区增加不显著。深松耕冬小麦的产量在不同年均温度地区均显著增加,增加率大于免耕。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图9不同年均温度下免耕、深松耕对春玉米、冬小麦产量的影响
-->Fig. 9Effect of no-tillage and subsoiling tillage on yield of spring maize and winter wheat in different annual average temperature areas
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图10不同年均温度下免耕、深松耕对作物相对产量变化率（a）、相对水分利用效率变化率（b）、相对耗水量变化率（c）的影响
-->Fig. 10Effect of no-tillage and subsoiling tillage on change rate of relative yield (a), change rate of relative water use efficiency (b), and change rate of relative evapotranspiration (c) of crops in different annual average temperature areas
-->
不同年均温度下免耕和深松耕对作物水分利用效率的影响不同（图11）。年均温度≤10℃地区的免耕春玉米水分利用效率显著低于年均温度>10℃地区（P<0.05）。与常规耕作相比,免耕春玉米的水分利用效率在年均温度≤10℃地区增加9.3%（P<0.05）（图10-b）,在年均温度>10℃地区增加不显著。免耕和深松耕冬小麦的水分利用效率在年均温度>10℃地区均显著高于年均温度≤10℃地区。在不同年均温度地区,深松耕冬小麦的水分利用效率均高于免耕冬小麦。与常规耕作相比,在年均温度≤10℃和>10℃地区,深松耕冬小麦的水分利用效率分别增加10.9%和9.6%（P<0.05）,二者差异不显著,但均高于免耕冬小麦。另外,由图10-c可知,与常规耕作相比,免耕春玉米的耗水量在年均温度≤10℃地区出现降低,在年均温度>10℃地区增加不显著。深松耕冬小麦的耗水量在年均温度≤10℃和>10℃地区均出现增加,增加率均高于免耕。可见,在年均温度≤10℃地区采用免耕,有利于提高春玉米产量和水分利用效率;在年均温度≤10℃和>10℃地区采用深松耕,都有利于提高冬小麦产量和水分利用效率,且效果优于免耕。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图11不同年均温度下免耕、深松耕对春玉米、冬小麦水分利用效率的影响
-->Fig. 11Effect of no-tillage and subsoiling tillage on water use efficiency of spring maize and winter wheat in different annual average temperature areas
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3 讨论
3.1 免耕、深松耕使作物产量和水分利用效率增加的原因
通过比较黄土高原不同区域、不同年降雨量和不同年均温度下,免耕和深松耕对春玉米、冬小麦产量及水分利用效率的影响,结果表明,与常规耕作相比,采用免耕和深松耕均能提高春玉米、冬小麦的整体平均产量和水分利用效率。前人研究免耕和深松耕条件下作物产量和水分利用效率增加的原因主要有：（1）相比常规耕作,免耕降低了对表层土壤的扰动,保护了表层土壤微孔隙和其连续的孔隙路径[23],改善了土壤结构,提高了土壤稳定性渗透率和饱和导水率[24],从而使土壤持水量增大,有利于作物生长和增产;（2）常规旋耕和翻耕作用土层为0—30 cm表层土壤,由于旋耕刀和犁铧对土壤的挤压、打击作用,连续采用常规耕作会使30 cm以下土壤层变紧、变硬,形成犁底层,土壤孔隙度和通透性降低,土壤储水能力下降,不利于作物根系生长和对水分的吸收,从而导致作物产量和水分利用效率下降[25]。深松耕打破了犁底层,相比常规耕作能显著降低土壤容重6.6%[3],降低土壤紧实度25%左右[26],同时深松耕增加了土壤孔隙度,提高了土壤持水能力,有利于作物的生长。3.2 免耕、深松耕对作物产量和水分利用效率影响的因素分析
3.2.1 区域 结果表明,免耕和深松在黄土高原各区域的适应性存在差异,受地域影响比较大。其主要原因有：黄土高原地区年降雨量为150—722 mm,平均为434.4 mm[12, 27],各区域间年降雨量差异较大。免耕和深松耕具有改善土壤结构,提高土壤水分入渗能力,增加土壤储水量的作用,但因各区域年降雨量存在较大差异,导致免耕和深松耕对不同区域作物产量和水分利用效率的影响不同。春玉米生育期降雨量约占全年降雨量80%以上,降雨相对较多。相比其他区域,黄土高原东部和南部区域春玉米生育期降雨相对充沛,水分对春玉米生长制约程度减弱,因而在东部和南部区域免耕所具有的改善土壤结构、增加土壤储水的作用弱化,导致春玉米产量和水分利用效率在南部区域增长不显著,东部区域增加幅度相对较小。而在黄土高原北部和中部区域,春玉米生育期降雨量偏少,水分缺乏严重限制了春玉米生长,此时免耕所具有的保蓄水分作用得到凸显,从而北部和中部区域的春玉米产量和水分利用效率显著增加,导致中部区域免耕春玉米产量高于南部。相比春玉米,冬小麦生育期需水与黄土高原季节降雨严重错位,冬小麦生育期降雨极少,冬小麦生长受水分制约严重[28]。冬小麦生育期内黄土高原西北部区域降雨匮乏,加之蒸发量大,免耕有限的保蓄水分能力在此条件下受到限制,导致该区域免耕冬小麦产量增加不显著,且水分利用效率显著降低。而冬小麦生育期东南部区域降雨相对较多,免耕措施保蓄水分的作用得到凸显,因此在黄土高原东南部免耕冬小麦产量和水分利用效率显著增加。深松耕打破了犁底层结构,增加了土壤孔隙度,相比免耕措施具有更好的土壤储水能力,所以在黄土高原东南部和西北部均有良好的适应性,因此深松耕冬小麦产量和水分利用效率在黄土高原东南部和西北部显著增加,且增加率均高于免耕冬小麦。3.2.2 年降雨量 因受水分制约程度不同,常规耕作条件下,年降雨量≤500 mm地区春玉米产量低于年降雨量>500 mm地区。但由于在黄土高原年降雨量≤500 mm地区,太阳总辐射量和年日照时数均大于年降雨量>500 mm地区[29],这有利于年降雨量≤500 mm地区春玉米产量的提高,因此在常规耕作条件下,年降雨量≤500 mm地区的春玉米产量小于降雨量>500 mm地区,但二者差异不显著。另外,由于2个不同年降雨量地区在春玉米生育期间降雨量差异较大,从而导致在常规耕作条件下,年降雨量≤500 mm地区春玉米水分利用效率大于年降雨量>500 mm地区,但二者差异不显著。与常规耕作相比,免耕和深松耕在黄土高原不同年降雨量地区对作物产量和水分利用效率影响不同。其主要原因是,免耕春玉米生育期降雨量约占全年降雨量80%以上,且春玉米生长后期的6—9月份,降雨类型多为暴雨[30],在降雨量>500 mm地区容易造成土壤排水不畅和局部涝灾,从而影响免耕春玉米产量和水分利用效率的进一步增加。而在年降雨量≤500 mm地区,由于春玉米全生育期和生长后期降雨量相对较少,降雨被土壤吸收供植物生长,不易形成土壤排水不畅和局部涝灾,因此该地区免耕春玉米产量和水分利用效率增加率高于年降雨量>500 mm地区。冬小麦生育期为9月至翌年6月,而黄土高原地区50%—60%的年降雨量集中在6—9月[31],生育期需水与季节降雨错位导致冬小麦生长严重受水分制约。虽然免耕有助于增加土壤水分,但是在黄土高原年降雨量≤500 mm地区,过低的降雨量并不能使免耕的保水能力得到发挥,从而导致该地区免耕冬小麦产量和水分利用效率增加率不显著。而随着年降雨量逐渐增加,免耕保蓄土壤水分的作用得到凸显,从而使年降雨500—600 mm和>600 mm地区免耕冬小麦产量和水分利用效率增加率依次显著升高。相比免耕,深松耕改善了土壤30—40 cm层的结构,增大了土壤孔隙度[32],使水分入渗能力和蓄水能力进一步增强,在降雨季增加了深层土壤储水,从而使深松耕冬小麦产量和水分利用效率在不同年降雨量地区均显著增加,且高于免耕冬小麦。
3.2.3 年均温度 结果表明,免耕和深松耕在黄土高原不同年均温度地区适应性不同。其主要原因是,玉米是喜温作物,生育期要求较高的温度,在年均温度≤10℃地区日温差和季节温差较大,不利于春玉米种子萌发和生长。免耕具有保蓄水分、稳定土壤温度的作用,为春玉米种子萌发和生长提供了有利环境,从而促进了年均温度≤10℃地区春玉米产量和水分利用效率的增加。深松耕改善了深层土壤透气性,增强了土壤导热性,正常情况下可提高土壤温度0.5—1℃,有利于作物种子萌发和生长[33]。另外,在播种至拔节期,深松耕0—30 cm土层温度波动小于免耕秸秆覆盖[34],有利于冬小麦生长。因此,在黄土高原不同年均温度区域,深松耕冬小麦产量和水分利用效率增加率显著高于免耕冬小麦。
4 结论
4.1 免耕和深松耕在黄土高原不同区域的适应性不同。与常规耕作相比,在黄土高原中部和北部区域,采用免耕可提高春玉米产量和水分利用效率10%以上。在黄土高原东南部和西北部区域,采用深松耕可显著提高冬小麦产量和水分利用效率,且效果优于免耕。4.2 与常规耕作相比,在黄土高原采用免耕都能提高春玉米的产量和水分利用效率,其中年降雨量≤500 mm地区的增加率显著高于年降雨量>500 mm地区。在黄土高原不同年降雨量地区,深松耕冬小麦的产量和水分利用效率均显著增加,且增加率高于免耕处理。
4.3 与常规耕作相比,在黄土高原年均温度≤10℃地区,采用免耕能显著提高春玉米产量和水分利用效率。在不同年均温度地区采用深松耕可显著提高冬小麦产量和水分利用效率,且效果优于免耕。
附录一：春玉米数据来源文献
[1] 尚金霞, 李军, 贾志宽, 张丽华. 渭北旱塬春玉米田保护性耕作蓄水保墒效果与增产增收效应. 中国农业科学, 2010, 43(13): 2668-2678.
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附录二：冬小麦数据来源文献
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The authors have declared that no competing interests exist.
