李俊紅，邵運(yùn)輝，劉 瑞，丁志強(qiáng)，李 舞，張 潔，呂軍杰，姚宇卿

(1.洛陽農(nóng)林科學(xué)院，河南 洛陽 471023；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 洛陽旱農(nóng)試驗(yàn)基地，河南 洛陽 471023；3.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南 鄭州 450002；4.伊川縣氣象局，河南 伊川 471300)

豫西丘陵旱作農(nóng)業(yè)區(qū)是典型的一年兩熟地區(qū)，十年九旱，自然降雨是該區(qū)作物生產(chǎn)中水的唯一來源，其中60%～70%的降雨集中在6—9月，且多以暴雨形式出現(xiàn)，≥80%的降雨量在450～520 mm，表現(xiàn)為一季有余、兩季不足，另外降水季節(jié)分配不均，平均干旱發(fā)生頻率在40%以上[1]。壟作栽培技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，該技術(shù)通過改變田間土面地形，增強(qiáng)近地層光、溫、熱、氣生態(tài)因子的協(xié)調(diào)性，從而改善群體結(jié)構(gòu)，提高水分利用效率，利于作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，改善作物品質(zhì)[2-4]。而秸稈覆蓋可以提高土壤蓄水保墑能力，提高降雨貯蓄率，抑制土壤水分蒸發(fā)，減少水土流失，提高土壤肥力，改善生態(tài)環(huán)境[3]。因此，壟作與秸稈覆蓋相結(jié)合可增加耕層厚度[5]，提高作物的抗旱能力，減少土壤水分蒸發(fā)，提高土壤水分利用效率[6]，在很大程度上降低災(zāi)害年份的損失，是解決水資源匱乏與作物高產(chǎn)之間矛盾的重要措施[7]。壟作覆蓋栽培技術(shù)在旱地廣泛應(yīng)用于小麥、玉米、甘薯、馬鈴薯、花生等作物[2-4,7-9]，其增產(chǎn)效果顯著，保墑效果好。目前，大部分研究主要集中于壟作覆蓋對(duì)較短年限或一種作物產(chǎn)量及水分利用效率的影響方面，且前人研究壟作覆蓋在小麥、玉米一年兩熟制下的應(yīng)用效果時(shí)，多為1個(gè)年度或幾個(gè)年度內(nèi)的研究,關(guān)于長期定位研究和小麥、玉米跨年度產(chǎn)量影響鮮見報(bào)道。為此，利用長期定位試驗(yàn)，通過劃分作物生育期不同降水年型，深入研究不同降水年型壟作覆蓋對(duì)旱地上年度夏玉米和本年度冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響，旨在探明夏玉米底墑對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響以及一年兩熟制冬小麥、夏玉米需水規(guī)律，為旱作區(qū)高效農(nóng)耕措施的選擇提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2004—2014年在洛陽農(nóng)林科學(xué)院旱農(nóng)試驗(yàn)基地4 m×4 m防滲精確水分池內(nèi)進(jìn)行，土壤為潮褐土，質(zhì)地為重壤，耕層土壤容重為1.53 g/cm3，含有機(jī)質(zhì)15.6 g/kg、堿解氮62.5 mg/kg、速效磷10.4 mg/kg、速效鉀166.0 mg/kg，肥力中等偏上。田間持水量達(dá)23.5%，飽和含水量達(dá)33.4%。年平均輻射量為491.5 kJ/cm2；年平均氣溫為14 ℃；日均溫度超過10 ℃的時(shí)間為210 d，積溫為4 000 ℃；年均蒸發(fā)量為1 841.5 mm。該試驗(yàn)區(qū)種植制度為冬小麥、夏玉米一年兩熟。

2004—2014年研究區(qū)降雨量如表1所示。按照作物生育期進(jìn)行降水年型的劃分，將上年度夏玉米與本年度冬小麥生育期降雨量與常年比較，從表1可以看出，2004—2014年豫西旱區(qū)干旱年份呈增多趨勢(shì)，降雨量呈降低趨勢(shì)，且降水季節(jié)性分布嚴(yán)重不均。有2個(gè)豐水年，即2004—2005年和2011—2012年，分別較常年(1970—2010年40 a平均值)降雨量增加了25.4%和23.8%；有2個(gè)平水年，即2008—2009年和2009—2010年；其余6 a均為欠水年，2012—2013年冬小麥生育期總降雨量為166.1 mm,較常年減少28.3%，其中5月份的降雨量為85.7 mm，干旱嚴(yán)重且降雨分布嚴(yán)重不均。

表1 2004—2014年降雨量Tab.1 Rainfall from 2004 to 2014 mm

供試冬小麥品種為洛旱7號(hào)，夏玉米品種為洛玉7號(hào)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)2個(gè)處理，3次重復(fù)，隨機(jī)排列。壟作覆蓋(Ridge tillage mulching，RTM)：冬小麥壟上種4行，夏玉米種溝內(nèi)，冬小麥?zhǔn)斋@后秸稈覆蓋于壟上，夏玉米收獲后秸稈覆蓋于溝內(nèi)，每年起壟。傳統(tǒng)耕作(CK)：深翻耕25～30 cm，冬小麥、夏玉米秸稈均不還田。冬小麥采用人工開溝播種，基本苗270萬株/hm2，底施氮磷鉀復(fù)合肥(N-P2O5-K2O：15-15-15)600 kg/hm2；夏玉米采用鐵茬播種，密度為4.5萬株/hm2，不施底肥，在拔節(jié)初期追施尿素300 kg/hm2。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤含水量 在每個(gè)年度冬小麥主要生育時(shí)期[播種期(Sowing time，ST)、越冬期(Over winter stage,WS)、返青期(Returning-green stage，GS)、拔節(jié)期(Elongation stage,ES)、抽穗期(Heading stage,HDS)、灌漿期(Filling stage,FS)、收獲期(Harvest stage,HS)]、夏玉米主要生育時(shí)期[苗期(Seedling period，SP)、拔節(jié)期(Elongation stage,ES)、大喇叭口期(Trumpet period,TP)、抽雄期(Pumping period,PP)、抽穗期(Precipitation stage,PS)、灌漿期(Filling stage,FS)、收獲期(Harvest stage,HS)]利用烘干法測(cè)定土壤含水量，測(cè)定深度為0～200 cm，每20 cm為一層。

1.3.2 干物質(zhì)積累量 在每個(gè)年度冬小麥、夏玉米主要生育時(shí)期選取有代表性的植株，整株洗凈烘干，稱質(zhì)量。

1.3.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 在每個(gè)年度收獲期，調(diào)查冬小麥和夏玉米穗數(shù)、穗粒數(shù)，測(cè)定千粒質(zhì)量，整區(qū)收獲計(jì)產(chǎn)。

1.3.4 水分利用效率 水分利用效率=作物產(chǎn)量/作物耗水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期壟作覆蓋對(duì)旱地冬小麥、夏玉米干物質(zhì)積累量的影響

由于壟作覆蓋在旱地不同降水年型冬小麥上的應(yīng)用效果不同，欠水年的應(yīng)用效果較好，因此，選擇欠水年型冬小麥干物質(zhì)積累量進(jìn)行分析；壟作覆蓋在夏玉米上的應(yīng)用效果在不同降水年型都較好，所以選擇任一年型進(jìn)行分析。從圖1(2013—2014年，欠水年)可以看出，欠水年壟作覆蓋下冬小麥干物質(zhì)積累量隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)增加，且增加速度整體表現(xiàn)為慢—快—慢的趨勢(shì)，即返青期前干物質(zhì)積累速度緩慢，拔節(jié)期后干物質(zhì)積累速度加快，灌漿期后干物質(zhì)積累速度逐漸變慢。壟中間行冬小麥植株干物質(zhì)積累量與傳統(tǒng)耕作處理相差不大，而壟邊行的冬小麥植株干物質(zhì)積累量明顯高于傳統(tǒng)耕作處理，全生育期較傳統(tǒng)耕作處理平均提高68.2%，表現(xiàn)出明顯的邊行優(yōu)勢(shì)。夏玉米(2010年，平水年)不同生育時(shí)期干物質(zhì)積累量較傳統(tǒng)耕作處理提高8.7%～59.6%,拔節(jié)期提高幅度最大，較傳統(tǒng)耕作處理提高59.6%，其次為苗期，提高38.5%(圖2)，這充分說明夏玉米種在溝內(nèi)，壟溝有利于雨水的富集，秸稈覆蓋有利于土壤保墑，從而有利于夏玉米的生長，為夏玉米高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

圖1 2013—2014年(欠水年)壟作覆蓋下冬小麥干物質(zhì)積累量Fig.1 Dry matter accumulation of winter wheat under long-term ridge mulching in 2013—2014(less water year)

2.2 長期壟作覆蓋對(duì)旱地冬小麥、夏玉米產(chǎn)量的影響

從表2可以看出，與傳統(tǒng)耕作處理相比，長期壟作覆蓋對(duì)跨年度冬小麥—夏玉米周年產(chǎn)量(即上年度夏玉米產(chǎn)量+本年度冬小麥產(chǎn)量)的影響均表現(xiàn)為增加，增產(chǎn)幅度為8.8%～40.5%，平均增產(chǎn)17.0%。長期壟作覆蓋對(duì)冬小麥—夏玉米周年產(chǎn)量的增加效果總體表現(xiàn)為欠水年>平水年>豐水年。極端干旱的年份(2012—2013年)小麥壟作覆蓋表現(xiàn)出明顯的減產(chǎn)效應(yīng)，較對(duì)照減產(chǎn)8.9%；欠水年增產(chǎn)幅度為-8.9%～83.9%；平水年增產(chǎn)幅度為5.3%～7.7%，平均增產(chǎn)6.5%；豐水年增產(chǎn)幅度為-0.2%～4.1%，平均增產(chǎn)1.95%。長期壟作覆蓋在不同降水年型下對(duì)玉米產(chǎn)量的影響均表現(xiàn)為增加，平均增產(chǎn)25.4%。由此表明，長期壟作覆蓋對(duì)夏玉米的增產(chǎn)效果優(yōu)于冬小麥。

圖2 2010年(平水年)壟作覆蓋下夏玉米干物質(zhì)積累量Fig.2 Dry matter accumulation of summer maize under long-term ridge mulching in 2010(normal year)

表2 長期壟作覆蓋對(duì)旱地冬小麥、夏玉米產(chǎn)量的影響Tab.2 Effects of long-term ridge mulching on the yield of winter wheat and summer maize in dryland kg/hm2

注：*、**分別表示與CK間差異顯著(P<0.05)、極顯著(P<0.01)，下同。
Note:*,** mean significant difference(P<0.05) and extremely significant difference(P<0.01) compared with control,respectively，the same below.

2.3 長期壟作覆蓋對(duì)旱地冬小麥、夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.3.1 冬小麥 從表3可以看出，壟作覆蓋下不同降水年型冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的變化較大，其中穗數(shù)受干旱影響較大。壟作覆蓋處理冬小麥穗數(shù)在大多數(shù)年份均較傳統(tǒng)耕作處理有不同程度的減少，減少幅度為0.6%～24.5%。穗數(shù)在不同年際間的變化也表現(xiàn)不同，平水年較傳統(tǒng)耕作處理增減不顯著；而欠水年受季節(jié)降雨分布的影響，年際間變化差異較大，其中2008、2011、2013年3 a穗數(shù)嚴(yán)重減少，僅為平均值的1/2左右。豐水年和平水年壟作覆蓋處理冬小麥穗粒數(shù)差異不顯著，除嚴(yán)重干旱年份(2013年)外，壟作覆蓋下冬小麥穗粒數(shù)均高于傳統(tǒng)耕作處理。壟作覆蓋處理冬小麥千粒質(zhì)量在不同年際間表現(xiàn)為平水年低于傳統(tǒng)耕作處理，豐水年二者差異不顯著，欠水年(除2013—2014年外)均高于傳統(tǒng)耕作處理，增幅為0.3%～16.5%。這也充分說明壟作覆蓋在欠水年型下產(chǎn)量高于傳統(tǒng)耕作處理主要取決于穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量的增加。

表3 長期壟作覆蓋對(duì)旱地冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響
Tab.3 Effects of long-term ridge mulching on yield components of winter wheat in dryland

年度Year穗數(shù)/(×104/hm2)SpikenumberRTMCK較CK±/%Increaserateordecreaseratecomparedwithcontrol穗粒數(shù)GrainnumberperspikeRTMCK較CK±/%Increaserateordecreaseratecomparedwithcontrol千粒質(zhì)量/g1000-grainweightRTMCK較CK±/%Increaserateordecreaseratecomparedwithcontrol2004—2005498.1561.8-11.330.230.4-0.834.633.43.52005—2006450.0537.0-16.234.6?32.27.534.233.13.32006—2007535.5??466.514.836.635.62.825.9??22.216.52007—2008244.5246.0-0.615.6??12.623.849.7??44.212.42008—2009492.0487.50.932.932.70.637.238.9-4.42009—2010360.0385.5-6.635.834.24.753.254.2-1.82010—2011294.0286.52.630.5??25.519.641.2?37.69.6

續(xù)表3 長期壟作覆蓋對(duì)旱地冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響
Tab.3(Continued) Effects of long-term ridge mulching on yield components of winter wheat in dryland

年度Year穗數(shù)/(×104/hm2)SpikenumberRTMCK較CK±/%Increaserateordecreaseratecomparedwithcontrol穗粒數(shù)GrainnumberperspikeRTMCK較CK±/%Increaserateordecreaseratecomparedwithcontrol千粒質(zhì)量/g1000-grainweightRTMCK較CK±/%Increaserateordecreaseratecomparedwithcontrol2011—2012469.5481.5-2.535.434.14.050.650.50.32012—2013162.0214.5-24.515.417.7-13.044.8?40.710.12013—2014364.5351.03.824.524.21.255.456.1-1.2平均Average387.0401.8-4.029.127.95.042.741.14.8

2.3.2 夏玉米 由表4可知，不同年份壟作覆蓋處理夏玉米穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量總體上均高于傳統(tǒng)耕作處理，增幅的變化范圍較大，平均增幅分別為2.3%、9.3%、5.8%，其中穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量均達(dá)顯著水平。對(duì)于增加幅度，穗數(shù)表現(xiàn)為平水年>欠水年、豐水年，穗粒數(shù)表現(xiàn)為豐水年>欠水年>平水年，千粒質(zhì)量表現(xiàn)為欠水年>豐水年>平水年。總體來看，壟作覆蓋效果在不同年際間不同，壟作覆蓋更有利于夏玉米穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量的增加，為夏玉米高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

表4 長期壟作覆蓋對(duì)旱地夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Tab.4 Effects of long-term ridge mulching on yield components of summer maize in dryland

2.4 長期壟作覆蓋對(duì)旱地冬小麥、夏玉米土壤水分含量的影響

由于丘陵旱作區(qū)冬小麥、夏玉米壟作覆蓋種植模式在欠水年的應(yīng)用效果優(yōu)于平水年和豐水年，因此選擇具有代表性的欠水年土壤水分含量進(jìn)行分析。對(duì)于冬小麥而言，2013—2014年(欠水年)不同生育時(shí)期壟溝內(nèi)的土壤含水量始終高于壟上，壟上的土壤含水量與傳統(tǒng)耕作處理相差不大(圖3)；在欠水年，冬小麥生育期內(nèi)嚴(yán)重干旱的情況下(2012—2013年)，壟作更容易散墑，壟作覆蓋處理壟上上層土壤(0～100 cm)水分含量從冬小麥越冬期至灌漿期較傳統(tǒng)耕作處理低0.6%～6.7%，壟溝內(nèi)土壤含水量較傳統(tǒng)耕作處理高4.6%～8.1%(圖4)。因此，受嚴(yán)重干旱影響冬小麥生長受限，冬小麥根系對(duì)深層土壤水分的利用受限，進(jìn)而冬小麥有效穗數(shù)的形成及籽粒的灌漿受到影響，最終冬小麥產(chǎn)量受到影響。2011年(欠水年)，夏玉米生育時(shí)期內(nèi)的土壤含水量較傳統(tǒng)耕作處理平均高8.1%(圖5)，有利于夏玉米產(chǎn)量的提高。

圖3 2013—2014年(欠水年)壟作覆蓋下冬小麥不同生育時(shí)期土壤含水量(0～200 cm土層)Fig.3 Soil moisture content(0—200 cm layer) in different growth period of winter wheat in 2013—2014(less water year)

圖4 2012—2013年(欠水年)壟作覆蓋下冬小麥不同生育時(shí)期土壤含水量(0～100 cm土層)Fig.4 Soil moisture content(0—100 cm layer) in different growth period of winter wheat in 2012—2013(less water year)

圖5 2011年(欠水年)壟作覆蓋下夏玉米不同生育時(shí)期土壤含水量(0～200 cm土層)Fig.5 Soil moisture content(0—200 cm layer)in different growth period of summer maize under ridge cultivation in 2011(less water year)

2.5 長期壟作覆蓋對(duì)旱地冬小麥、夏玉米水分利用效率的影響

從表5可以看出，不同降水年型長期壟作覆蓋處理夏玉米的水分利用效率均顯著或極顯著高于傳統(tǒng)耕作處理。受降雨年型及季節(jié)降雨分布的影響，壟作覆蓋在不同年際間的表現(xiàn)不同，除2009—2010年和2011—2012年冬小麥土壤水分利用效率略低于傳統(tǒng)耕作處理外，其余年份壟作覆蓋處理冬小麥的水分利用效率均高于傳統(tǒng)耕作處理；不同降水年型壟作覆蓋處理冬小麥、夏玉米的平均水分利用效率分別為14.8、23.7 kg/(hm2·mm)，分別較傳統(tǒng)耕作處理極顯著提高了6.99%、32.82%，說明壟作覆蓋更有利于提高一年兩熟制下夏玉米的水分利用效率，進(jìn)而有利于提高玉米產(chǎn)量。長期壟作覆蓋不同降水年型下冬小麥—夏玉米周年水分利用效率均高于傳統(tǒng)耕作處理，平均為19.6 kg/(hm2·mm)，較傳統(tǒng)耕作處理極顯著提高了22.2%，說明長期壟作覆蓋在不同降水年型均有利于提高一年兩熟制下作物的水分利用效率，為一年兩熟作物年產(chǎn)量的提高奠定了基礎(chǔ)。

表5 長期壟作覆蓋對(duì)旱地冬小麥、夏玉米水分利用效率的影響Tab.5 Effect of long-term ridge mulching on water use efficiency of winter wheat and summer maize kg/(hm2·mm)

續(xù)表5 長期壟作覆蓋對(duì)旱地冬小麥、夏玉米水分利用效率的影響Tab.5(Continued) Effect of long-term ridge mulching on water use efficiency of winter wheat and summer maize kg/(hm2·mm)

3 結(jié)論與討論

壟作和覆蓋相結(jié)合既可改變地表形態(tài)，改善通風(fēng)透光性能[10-12]，又可有效緩沖雨滴直接打擊地面，減輕地面板結(jié)，減少地面蒸發(fā)，有利于提高土壤供水能力[13-15]，緩解土壤供水與作物生長需水的矛盾，有利于提高土壤水分利用效率，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[16-18]。本研究結(jié)果表明，豫西旱區(qū)跨年度生育期不同降水年型壟作覆蓋對(duì)夏玉米的增產(chǎn)效果明顯優(yōu)于冬小麥?？缒甓壬诓煌邓晷蛪抛鞲采w對(duì)冬小麥的增產(chǎn)效果表現(xiàn)為欠水年>平水年>豐水年。但在欠水年極端干旱或降雨分布與冬小麥生育期生長需水規(guī)律嚴(yán)重不吻合的情況下，冬小麥種在壟上，壟作雖然有利于通風(fēng)透光，但同時(shí)也增加了土壤的散墑效果，加之嚴(yán)重干旱的氣候條件，造成壟作覆蓋下冬小麥明顯減產(chǎn)。夏玉米種在壟溝內(nèi)，壟溝覆蓋有夏玉米秸稈，不僅能夠減少土壤水分的蒸發(fā)，還能增加地面徑流的入滲，較大程度上提高了土壤的保墑效果，有利于提高土壤水分利用效率。因此，不同降水年型壟作覆蓋對(duì)夏玉米均有增產(chǎn)效果。長期壟作覆蓋下冬小麥—夏玉米周年平均水分利用效率較傳統(tǒng)耕作處理提高了22.2%，達(dá)到極顯著水平，有利于作物產(chǎn)量的提高。王同朝等[2，11，19]研究認(rèn)為，黃淮海冬小麥、夏玉米兩熟旱農(nóng)區(qū)在偏旱年型下，冬小麥種植仍適合平作或覆蓋形式，這與本研究結(jié)論基本一致。從總體來看，在豫西旱區(qū)不同降水年型下連年實(shí)施壟作覆蓋有利于一年兩熟制冬小麥—夏玉米總產(chǎn)量的提高，增幅為8.8%～40.5%，平均增產(chǎn)17.0%。壟作覆蓋有利于提高冬小麥和夏玉米的穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，而對(duì)于冬小麥和夏玉米穗數(shù)的提高效果不明顯。在豫西旱區(qū)冬小麥、夏玉米一年兩熟制下，壟作覆蓋更有利于夏玉米增產(chǎn)。農(nóng)業(yè)耕作模式的選擇需要長期的試驗(yàn)和連續(xù)不斷的監(jiān)測(cè)研究，因此，長期壟作覆蓋下不同降水年型旱地一年兩熟制冬小麥、夏玉米跨年度土壤水分運(yùn)移規(guī)律將是下次探討的要點(diǎn)，如何提高長期壟作覆蓋在一年兩熟制夏玉米、冬小麥上的應(yīng)用效果將是今后要深入研究的內(nèi)容。