徐 萍,楊憲杰,馮佐龍,孫彥玲,楊 震,張西群,鄧學斌,史家益,張正斌**

(1.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心 石家莊 050022; 2.中國科學院種子創(chuàng)新研究院 北京 100101;3.山東馳象機械有限公司 德州 253000; 4.河北省農(nóng)機化技術推廣總站 石家莊 050011; 5.河北省農(nóng)業(yè)機械化研究所有限公司 石家莊 050051; 6.山東省德州市陵城區(qū)農(nóng)業(yè)廣播電視學校 德州 253000)

小麥()是我國北方的主要糧食作物,在保障我國糧食安全中占有重要地位。華北平原是我國夏玉米()-冬小麥主產(chǎn)區(qū),近20年來,華北平原主要是在玉米收割后進行秸稈粉碎還田和撒施化肥后旋耕(15 cm)播種小麥,小麥收割后免耕播種玉米,導致耕層普遍變淺,土壤退化,增產(chǎn)增效幅度下降。同時華北平原又是半濕潤易旱地區(qū)、地下水嚴重超采區(qū)和現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)重點發(fā)展區(qū)。除了選育種植抗旱節(jié)水作物品種發(fā)展生物節(jié)水技術,小麥-玉米抗旱節(jié)水技術一體化研究已成為華北平原作物持續(xù)綠色增產(chǎn)增效的重點發(fā)展方向。近年來隨著耕作栽培和農(nóng)業(yè)機械的快速發(fā)展,配套農(nóng)業(yè)機械功率越來越大,農(nóng)藝和農(nóng)機緊密結合,許多學者開展了深松機、旋耕深松一體機、小麥播種施肥一體機、小麥旋耕深松分層施肥寬幅勻播一體機的研發(fā)和示范推廣,小麥整地施肥播種農(nóng)藝農(nóng)機技術更加趨于多功能集成一體化和高效率化。以前大多數(shù)研究都集中在免耕、旋耕、深松、深翻、深松分層施肥等不同耕作施肥方式對土壤容重、養(yǎng)分和水分及產(chǎn)量的影響,肯定了深松和分層施肥技術可以打破犁底層、降低土壤容重、蓄水保墑、提高土壤養(yǎng)分和水分利用效率和產(chǎn)量等。近年來更多的研究則是轉(zhuǎn)向不同耕作和施肥播種集成方式對小麥產(chǎn)量形成調(diào)控機理的研究。例如,孫彥玲等在河北開展了小麥深松旋耕施肥等深勻播機試驗研究,結果表明,該機具一次作業(yè)完成旋耕、深松、分層施肥、等深勻播、覆土、鎮(zhèn)壓等工序,減少農(nóng)機具進地次數(shù),可節(jié)約農(nóng)機作業(yè)費150～200 元·hm。等深勻播地塊比傳統(tǒng)條播對照地塊小麥個體發(fā)育好,利于冬前幼苗生根增蘗,提高成穗率,增加單位面積穗數(shù),提高小麥產(chǎn)量。郭麗果等研究了播前旋耕、深松和深耕對節(jié)水栽培下冬小麥光合特性、葉綠素含量、葉面積指數(shù)、成熟期干物質(zhì)積累量與分配量以及籽粒產(chǎn)量的影響,結果表明在河北平原區(qū)推廣播前深松技術,能有效改善小麥群體和個體發(fā)育,增加光合同化面積和光合碳同化能力和產(chǎn)量。本課題組在國家重點研發(fā)計劃糧食豐產(chǎn)增效項目的資助下,在山東省德州市開展了旋松耕層優(yōu)化綠色提質(zhì)增產(chǎn)增效試驗研究,旋松耕層優(yōu)化田與深耕田對比,小麥株高高出5 cm 左右,分蘗增加2 個左右,增加1 個綠色葉片,穗大粒多粒飽粒大,明顯衰老落黃延后,產(chǎn)量潛力明顯提高,實打?qū)嵤諡?237 kg·hm,比深耕田(7344 kg·hm)增產(chǎn)25.8%; 其后茬玉米實打?qū)嵤债a(chǎn)量達12 904.95 kg·hm,比前茬深耕田產(chǎn)量(10 042.2 kg·hm)增產(chǎn)28.5%; 周年小麥-玉米總產(chǎn)22 141.95 kg·hm,有望今后在節(jié)水條件下實現(xiàn)噸半糧田(22 500 kg·hm)。但目前在河北省小麥-玉米主產(chǎn)區(qū),還少見有在節(jié)水灌溉下,開展不同耕作播種施肥優(yōu)化集成模式對小麥生長發(fā)育調(diào)控、產(chǎn)量形成、水分養(yǎng)分利用效率、玉米-小麥周年增產(chǎn)經(jīng)濟效益比較研究。為了打破犁底層,提高水分和養(yǎng)分等資源利用效率,減少耕種作業(yè)次數(shù)、降低生產(chǎn)成本增產(chǎn)增效,本試驗在河北省石家莊當?shù)貍鹘y(tǒng)種植模式基礎上,集成新的耕作栽培種植模式,設置了4 種不同耕作施肥播種處理,調(diào)查不同處理下小麥生長發(fā)育、產(chǎn)量構成性狀、水分養(yǎng)分利用效率、玉米-小麥周年產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的變化,以期篩選出高產(chǎn)高效的耕作施肥播種優(yōu)化模式,并揭示其增產(chǎn)增效機理,為華北平原農(nóng)田高質(zhì)量發(fā)展、玉米-小麥持續(xù)節(jié)水綠色提質(zhì)增產(chǎn)增效技術示范推廣提供理論依據(jù)和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在中國科學院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站(37°53′N,114°41′E,海拔50 m)進行,屬暖溫帶半濕潤季風氣候,是華北平原干旱氣候的中心區(qū)域,年降水量530 mm。該站位于太行山山前平原區(qū),土壤類型以潮褐土為主,生態(tài)類型是以小麥-玉米為主體的兩熟制農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),代表華北平原北部典型潮褐土高產(chǎn)農(nóng)業(yè)生態(tài)類型,具有集約高產(chǎn)型、資源約束型、井灌農(nóng)業(yè)類型和城郊型等特征。由中國科學院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站提供的氣象數(shù)據(jù)表明,2020年10月8日小麥播種到2021年6月13日小麥收獲,降水量為97.9 mm,屬干旱年份,各月降水如圖1 所示。

圖1 研究區(qū)小麥生育期降雨量(2020-2021年)Fig.1 Precipitation during wheat growth season of 2020-2021 in the study area

1.2 試驗設計與試驗材料

采用裂區(qū)試驗設計,主區(qū)為前茬免耕玉米播種和遁耕分層施肥玉米播種2 個處理,玉米免耕播種主區(qū)里設置人工施肥-小麥旋耕-條播(T1)、人工施肥-小麥旋耕深松一體機-條播(T2) 2 個副區(qū); 玉米遁耕分層施肥處理主區(qū)后茬為人工施肥-小麥旋耕-條播(T3)和小麥旋耕深松分層施肥寬幅勻播(T4) 2 個副區(qū)處理。每個處理面積是0.11 hm,隨機排列,重復3次。統(tǒng)一施用的是衡水湖牌復混肥(N∶PO∶KO=18∶20∶5) 600 kg·hm。統(tǒng)一灌溉底墑水900 mm。供試小麥品種為‘紫優(yōu)5 號’,T1、T2 和T3 播量為300 kg·hm,T4 播量為375 kg·hm。

前茬玉米免耕播種利用40 馬力小四輪拖拉機牽引的河北農(nóng)哈哈2BYFSF-4 型免耕種肥同播一體機,播種深度5 cm,施肥深度10 cm。前茬玉米遁耕分層施肥機(專利號CN210298459U)由山東馳象機械有限科技公司制造,由180 馬力拖拉機配套作業(yè),可以遁耕(底層深耕深松40 cm)并在耕層下15 cm 和25 cm進行分層施肥,分層施肥量分別占總施肥量的40%和60%。

2020年10月8日進行統(tǒng)一播種后茬小麥,利用180 馬力拖拉機統(tǒng)一進行小麥旋耕滅茬2 遍,在T1處理小區(qū)進行小麥旋耕(15 cm)整地; 用山東馳象機械有限科技公司制造的旋耕深松(40 cm)一體機(專利號CN209527085U)在T2 和T3 處理整地,再利用40 馬力小四輪拖拉機配套河北農(nóng)哈哈2BX-9 型小麥播種機在T1、T2 和T3 處理作業(yè)。利用180 馬力拖拉機配套使用河北省興華農(nóng)業(yè)機械有限公司制造的2BFSG-12(12)(200)型旋耕深松分層施肥寬幅勻播機(簡稱旋松施肥播種機)在T4 處理作業(yè),深松30 cm并在耕層下15 cm 和25 cm 分層施肥,其分層施肥量分別占總施肥量的40%和60%。小麥條播和寬幅勻播的行距都是17 cm,條播帶寬2 cm,寬幅勻播帶寬5 cm。返青拔節(jié)期統(tǒng)一打除草劑1 次。

1.3 土壤樣品測定

土壤容重: 在小麥播種前和成熟期以10 cm 為一層,利用環(huán)刀法和烘干法測定0～100 cm 土壤容重,每個處理重復3 次。

土壤含水率測定: 在小麥播種前和成熟期以10 cm為一層,采用土鉆環(huán)刀法和鋁盒-烘干法測定0～100 cm 土壤質(zhì)量含水率,每個處理重復3 次。

土壤養(yǎng)分含量: 在小麥播種前和成熟期每個小區(qū)多點混合采集0～20 cm 和20～40 cm 土樣,風干研磨過篩。全氮含量采用凱氏定氮法測定,堿解氮含量采用堿解擴散法測定,速效磷含量采用NaHCO浸提-鉬銻抗比色法測定,速效鉀含量采用NHOAc 浸提-火焰光度法測定。

1.4 小麥水分利用效率及氮肥偏生產(chǎn)力測定

水分利用效率(WUE,kg·hm·mm)為產(chǎn)量()和生育期總耗水量(ET)之比,WUE=/ET。

ET 為生育期土壤水分蒸發(fā)和小麥植株的蒸騰量之和,計算公式:

式中:為全生育期灌水總量(mm),為生育期有效降雨量(mm),為地表徑流(mm),地下水補給(mm),ΔSW 為播前與收后土壤儲水量變化量(mm),SW 為土壤儲水量(mm)。由于本試驗站所在地區(qū)地下水位超過5 m,故和可忽略不計。

式中:為土壤容重(g·cm),為土層厚度(cm),SWC為土壤質(zhì)量含水量(%)。

氮肥偏生產(chǎn)力(partial factor productivity of nitrogen,PFP)計算公式為:

式中:為施氮小區(qū)籽粒產(chǎn)量(kg·hm),為施氮小區(qū)總施氮量(kg·hm)。

1.5 農(nóng)藝性狀測定

分別在分蘗期(tillage stage)、拔節(jié)期(jointing stage)、開花期(flowering stage)、灌漿期(filling period)和成熟期(mature stage),每個小區(qū)隨機取1 行30 cm 行長的完整植株,重復3 次,測定小麥株高、分蘗、地上部干物質(zhì)量、40 cm 土層根干重等生長發(fā)育性狀。收獲前每個小區(qū)隨機選取2 m×2 m 測產(chǎn),測定株高、單位面積穗數(shù)、每穗小穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重、生物學產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)等產(chǎn)量性狀。

1.6 經(jīng)濟效益分析

按照每個處理的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行投入計價并最后進行投入成本合計,按照玉米和小麥市場收購價,分別計算單位面積玉米和小麥產(chǎn)量的經(jīng)濟收入,再按照產(chǎn)出/投入比較不同種植模式的經(jīng)濟效益。

1.7 數(shù)據(jù)分析

使用 Excel 2017 和 SPSS 20.0 軟件進行農(nóng)藝性狀差異比較和作圖。

2 結果與分析

2.1 小麥耕種方式對土壤容重和土壤含水率的影響

由圖2A 可以看出,小麥成熟期0～20 cm 土層的容重低于下層土壤,這主要是由于0～20 cm 耕層有旋耕處理和大量植物根系分布,土壤相對疏松。T1 處理在前茬玉米免耕播種和后茬小麥旋耕(15 cm)播種的多年連續(xù)作業(yè)下,土壤容重最大。T2 處理在前茬玉米免耕播種后小麥旋松(40 cm)播種,土壤容重有一定的降低。T3 處理在玉米遁耕(40 cm)和小麥旋松(40 cm)作業(yè)后,0～20 cm 耕層容重最低。T4 處理在前茬玉米遁耕(40 cm)和后茬小麥旋松施肥播種機(30 cm)作業(yè)后土壤容重排第3,T3 和T4 處理的容重顯著低于T1(＜0.05) 。

20～40 cm 耕層土壤容重整體高于0～20 cm 耕層。T1 土壤容重最大,T2 處理與T1 處理無顯著差異,T3 處理顯著低于其他處理(＜0.05),T4 處理土壤容重排第3,顯著低于T1 處理(＜0.05)。

在40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm 耕層土壤容重差異不大,但各處理間差異不顯著。

由圖2B 可以看出,4 個耕作處理小麥成熟期的0～20 cm 土壤含水率較高,主要是由于6月10日有10.4 mm 的降雨(圖1)。T1 處理因為植株矮小、稀疏,表層土壤水分蒸散量大,土壤含水率最低。T2 處理因為植株較為疏散,表層土壤也有較大的蒸散,含水率倒數(shù)第2。T3 和T4 處理植株高密,表層土壤蒸水分散少,因此含水率相對較高。T1 和T3、T4 處理0～20 cm 土壤含水率差異顯著(＜0.05)。

圖2 不同耕作處理土壤容重(A)和土壤含水率(B)差異比較Fig.2 Comparison of soil bulk density(A) and soil water content(B) under different tillage treatments

由于小麥根系主要集中在20～40 cm 耕層土壤,耗水量大,土壤含水率最低; 且由于長期干旱,地表水下滲很少、地下水上供也很少,因此不同耕作處理該土層含水率均低,且沒有顯著差異。

40～60 cm、60～80 cm 和80～100 cm 土壤中,T1處理因為長期沒有深松,含水率顯著低于有遁耕和深松的T2、T3 和T4 處理(＜0.05,60～80 cm T2 處理除外)。因為小麥生育期只有97.9 mm的降水,小麥又是深根作物,根系可以達2 m 以下,因此耗去了大量深層土壤水分,導致T2、T3 和T4 處理間深層土壤含水率沒有太大差異。

2.2 小麥耕種方式對土壤養(yǎng)分含量的影響

從圖3 可以看出,由于長期玉米免耕和小麥旋耕及表層施肥,T1 處理0～20 cm 土層全氮(圖3A)、堿解氮(圖3B)、速效磷(圖3C)和速效鉀(圖3D)含量均顯著高于20～40 cm 土層(＜0.05)。T2 處理0～20 cm土壤全氮(圖3A)顯著低于20～40 cm 耕層土壤(＜0.05),可能是由于上層秸稈被旋耕到20 cm 以下所致; T2 處理的堿解氮(圖3B)、速效磷(圖3C)和速效鉀(圖3D)含量0～20 cm 土層顯著高于20～40 cm土層(＜0.05),但差異縮小,說明小麥旋松(40 cm)加快了上層土壤中速效養(yǎng)分向下層土壤的轉(zhuǎn)移。T3和T4 處理0～20 cm 土層全氮(圖3A)、堿解氮(圖3B)、速效磷(圖3C)和速效鉀(圖3D)均顯著低于20～40 cm 土層(＜0.05),說明這兩種處理更利于上層土壤養(yǎng)分向下層的轉(zhuǎn)移。

圖3 不同耕作處理在不同土層中全氮(A)、堿解氮(B)、速效磷(C)和速效鉀(D)含量差異比較Fig.3 Contents of total nitrogen(A),alkali-hydrolysis nitrogen(B),available phosphorus(C) and available potassium(D) under different tillage treatments

2.3 耕種方式對小麥生長發(fā)育的影響

從圖4A 中可以看出,株高在分蘗期不同處理間差異不明顯。在拔節(jié)期株高快速增長,且不同處理差異顯著(＜0.05),且隨著深松深耕次數(shù)的增加有提高的趨勢,即T4＞T3＞T2＞T1。在開花期株高達峰值,到灌漿期再到成熟期株高變化不大。在開花期、灌漿期和成熟期,T4 處理株高顯著高于T1(＜0.05),其他兩個處理間差異不明顯。

從圖4B 可以看出,單位面積分蘗數(shù)從冬前分蘗期到春季拔節(jié)期呈增加趨勢,從拔節(jié)期到開花期有一定的下降,從開花期到成熟期基本穩(wěn)定,且均為T4＞T3＞T2＞T1。在分蘗期,不同處理間差異顯著(＜0.05); 拔節(jié)期到成熟期,T4 處理顯著高于T1 處理(＜0.05),其他兩個處理間差異不顯著。

從圖4C 可以看出,地上部干物質(zhì)量從分蘗期到灌漿期呈快速上升趨勢,灌漿期到成熟期略微下降,這與成熟期植株脫水和養(yǎng)分轉(zhuǎn)移有關。地上部干物質(zhì)量在分蘗期和拔節(jié)期不同處理間差異不顯著。開花期到成熟期有T4＞T3＞T2＞T1 的趨勢。開花期T4處理顯著高于T1 處理(＜0.05),其他兩個處理間差異不顯著。灌漿期4 個處理之間差異增大,T4 顯著高于T1 處理(＜0.05)。成熟期4 個處理之間差異顯著(＜0.05)。

從圖4D 可以看出,0～40 cm 耕層根干重分蘗期到開花期快速上升,開花期到成熟期,因為根系水分和養(yǎng)分向上運移和自然死亡,根干重略微下降。拔節(jié)期到成熟期不同處理間均為T4＞T3＞T2＞T1,且差異顯著(＜0.05)。

圖4 不同耕作處理下小麥不同生育期株高(A)、分蘗數(shù)(B)、地上部干物質(zhì)量(C)和根干重(D)的差異Fig.4 Plant height(A),tillage number(B),shoot dry weight(C) and root dry weight(D) of wheat at different growth stages under different tillage treatments

由于T1 處理長期表層旋耕(15 cm)和施肥,不利于根系的下扎和高效利用土壤水分和養(yǎng)分,因此株高、分蘗數(shù)、地上部干物質(zhì)量和根干重4 個生長發(fā)育性狀均低于其他處理。T2 處理因為只有小麥旋松(40 cm),無分層施肥,因此4 個生長發(fā)育性狀排列第3。T3 處理因為有前茬玉米遁耕(40 cm)分層施肥和后小麥旋深松(40 cm),4 個生長發(fā)育性狀都排第2。T4 處理有前茬玉米遁耕(40 cm)分層施肥和后茬小麥旋松(30 cm)分層施肥,耕層結構和養(yǎng)分分布得到了優(yōu)化,最有利于小麥株高增長、根系下扎、分蘗增多和地上部干物質(zhì)積累,4 個生長發(fā)育性狀都排第1。

2.4 耕種方式對小麥農(nóng)藝性狀的影響

從圖5 中可以看出來,成熟期株高(圖5A)、穗粒數(shù)(圖5D)、生物學產(chǎn)量(圖5F)和收獲指數(shù)(圖5H)均為T4＞T3＞T2＞T1,且不同處理間差異顯著(＜0.05)。單位面積穗數(shù)(圖5B)以T4 處理最高,T1 處理最低,差異顯著(＜0.05); T2 和T3 處理相近且居中。每穗小穗數(shù)(圖5C) T2 處理最多,T1 處理最少,差異顯著(＜0.05); T3 和T4 處理無顯著性差異,且居中。籽粒產(chǎn)量(圖5G)表現(xiàn)為T4(8333.75 kg·hm)＞T3(8222.63 kg·hm)＞T2(7778.17 kg·hm)＞T1(7000.35 kg·hm)。T4、T3、T2 處理分別比T1 處理顯著增產(chǎn)19.05%、17.46%和11.1%(＜0.05)。

T4 處理的株高(圖5A)、單位面積穗數(shù)(圖5B)、穗粒數(shù)(圖5D)、生物學產(chǎn)量(圖5F)、籽粒產(chǎn)量(圖5G)和收獲指數(shù)(圖5H) 表現(xiàn)最好,說明“玉米遁耕分層施肥-小麥旋松分層施肥寬幅勻播”模式可以明顯提高單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù),進而提高籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)。T1 處理的株高(圖5A)、單位面積穗數(shù)(圖5B)、每穗小穗數(shù)(圖5C)、穗粒數(shù)(圖5D)、千粒重(圖5E)、生物學產(chǎn)量(圖5F)、籽粒產(chǎn)量(圖5G)和收獲指數(shù)(圖5H)都表現(xiàn)最低,說明 “玉米硬茬播種-小麥旋耕播種”的長期表層旋耕是低產(chǎn)模式。由以上分析可以看出,“前茬玉米遁耕分層施肥” “后茬小麥旋松施肥播種” 和“小麥旋松一體機”模式都能夠在不同程度上比“玉米硬茬播種-小麥旋耕播種”傳統(tǒng)模式增產(chǎn)。但不同耕作施肥播種處理的產(chǎn)量構成三要素穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重有不同的自動優(yōu)化調(diào)控方式,形成了不同的產(chǎn)量水平。

圖5 不同耕作處理下小麥株高(A)、穗數(shù)(B)、每穗小穗數(shù)(C)、穗粒數(shù)(D)、千粒重(E)、生物學產(chǎn)量(F)、產(chǎn)量(G)和收獲指數(shù)(H)的差異Fig.5 Plant height(A),spike number(B),spikelets per spike(C),grain number per spike(D),1000-grain weight(E),biomass weight(F),yield(G) and harvest index(H) of wheat under different tillage treatments

2.5 耕種方式對小麥生產(chǎn)效率的影響

由圖6 可以看出,小麥水分利用效率(圖6A)和氮肥偏生產(chǎn)力(圖6B)均表現(xiàn)為T4＞T3＞T2＞T1。說明“玉米遁耕分層施肥-小麥旋松分層施肥寬幅勻播”處理,在深松耕層優(yōu)化和分層養(yǎng)分優(yōu)化組合下,小麥水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力最高,小麥旋耕深松一定程度上有利于提高小麥水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力; 而“玉米硬茬播種-小麥旋耕播種”明顯不利于水分和氮素利用效率的提高。

玉米-小麥周年總產(chǎn)(圖6C)和產(chǎn)出/投入比(圖6D)均為T4＞T3＞T2＞T1。說明“玉米遁耕分層施肥-小麥旋松分層施肥寬幅勻播”通過減少農(nóng)機作業(yè)次數(shù)、耕層優(yōu)化、養(yǎng)分分布優(yōu)化,能夠明顯提高全年糧食總產(chǎn)和產(chǎn)出投入比。特別是T4 處理,在前茬玉米生育期降水較多、產(chǎn)量潛力高,后茬小麥節(jié)水灌溉條件下,累計全年糧食總產(chǎn)達19 469.7 kg·hm,超過了噸糧田(15 000 kg·hm),產(chǎn)出/投入比達3.76,是華北平原節(jié)水綠色提質(zhì)增產(chǎn)增效的耕作發(fā)展模式。

圖6 不同耕作處理下小麥水分利用效率(WUE,A)、氮肥偏生產(chǎn)力(PFPN,B)、玉米+小麥總產(chǎn)量(C)和產(chǎn)投比(D)的差異Fig.6 Water use efficiency(WUE,A),partial factor productivity of nitrogen(PFPN,B),maize+wheat yield(C) and rate of output and input(D) of wheat under different tillage treatments

3 討論與結論

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展,農(nóng)藝農(nóng)機緊密結合、功能多樣化集成一體化的大功率農(nóng)業(yè)機械是華北平原未來發(fā)展方向。近年來許多學者對不同類型的新型耕作施肥播種農(nóng)業(yè)機械進行了示范推廣和增產(chǎn)增效研究,為未來農(nóng)業(yè)科學發(fā)展提供了重要信息。但不同地區(qū)的生態(tài)環(huán)境不同,有關研究結論不盡統(tǒng)一,需要因地制宜地高效利用不同類型農(nóng)業(yè)機械。例如,有研究表明,耕作方式對土壤性狀和冬小麥生長有顯著影響。深耕打破了密實的土層,相對于淺耕改善了土壤性質(zhì),但由于犁盤的壓實作用,則可能形成深耕的犁底層。旋耕可疏松表層土壤,降低土壤容重,但由于表土過于疏松,增加了土壤水分迅速散失,不利于保墑; 同時小麥根系不能與松散的土壤保持緊密接觸,出現(xiàn)懸根和斷根,影響根系和分蘗生長。長期免耕或少耕會增加0～20 cm 土層土壤容重和滲透阻力,從而降低作物籽粒產(chǎn)量。

張勝愛等在冀中南山前平原研究表明,免耕和深松耕的耕作方式有利于改善土體結構,增加土壤蓄水保墑性能,提高小麥水分利用效率,節(jié)水、節(jié)本、增產(chǎn)增效明顯。郭麗果等在河北研究表明,在小麥增產(chǎn)方面,深松處理最佳,深耕處理次之,旋耕處理最差。王丹等在山東研究表明,免耕和深松處理更有利于小麥栽培高效輕簡方式的形成和小麥產(chǎn)量的增加。Wu 等研究表明,經(jīng)過1 次垂直深旋耕后3年小麥都在一定程度表現(xiàn)持續(xù)增產(chǎn)。He 等研究表明,深松可以打破犁底層,但不上翻養(yǎng)分含量少的犁底層土壤,其增產(chǎn)效應可以持續(xù)4年。我們的研究表明,小麥旋耕深松一體機和小麥旋耕深松分層施肥寬幅勻播一體機作業(yè)明顯比傳統(tǒng)小麥旋耕模式增產(chǎn),這與前人深松能夠使小麥增產(chǎn)的結論相同,但與免耕播種小麥增產(chǎn)的結論不同。本試驗研究表明,前茬玉米硬茬播種后茬小麥旋耕播種,土壤容重大,小麥成熟期土壤含水率、水分利用和氮肥偏生產(chǎn)力低,其產(chǎn)量明顯低于前茬玉米遁耕分層施肥和后茬小麥旋耕深松一體機處理; 小麥-玉米周年總產(chǎn)和投入產(chǎn)出比降低,和以上免耕增產(chǎn)增效結果不同。在玉米遁耕分層施肥、小麥旋松、小麥旋耕深松分層施肥寬幅勻播條件下,降低了土壤容重、增加了成熟期土壤含水率,不但提高了水分利用效率,而且提高了偏氮肥生產(chǎn)力,同時還提高玉米-小麥周年總產(chǎn)和投入產(chǎn)出比,實現(xiàn)了節(jié)水、節(jié)本增效,結果和以上深耕效果相同。

王錫久等在山東的研究表明,深松分層施肥可以促進小麥個體健壯,抗凍害能力增強,群體質(zhì)量提高,單位面積穗數(shù)和產(chǎn)量增加,而穗粒數(shù)和千粒重變化不明顯。He 等研究表明,條帶旋耕和深松能增加穗數(shù)、減緩小麥葉片衰落、增加灌漿速率、提高千粒重而進一步增加產(chǎn)量。我們的研究表明深松分層施肥可以明顯增加穗數(shù)和產(chǎn)量,這與上述研究結論相同。同時深松分層施肥可以增加穗粒數(shù),千粒重在深松或者深松分層施肥的處理也明顯較高,這些結果與上述研究結果有所不同。

Latifmanesh 等研究表明,旋耕可以增加小麥產(chǎn)量和干物質(zhì)積累。Shi 等研究表明,深松可以加快小麥干物質(zhì)積累和提高小麥產(chǎn)量。 Chu 等研究表明,深松可以加快干物質(zhì)積累和運轉(zhuǎn)并提高水分利用效率和產(chǎn)量。這與我們的研究結果相同,我們的研究同時表明,深松可以提高小麥花后地上部干物質(zhì)產(chǎn)量,同時提高了小麥水分利用效率和產(chǎn)量。

Mu 等研究表明,深翻耕30 cm 和深松30 cm比翻耕15 cm 土壤,可以分別增加小麥和玉米根重密度達40.6%和39.4%。Zhai 等研究表明,和硬茬播種、深松相比,垂直深旋耕可以降低土壤密度和增加土壤孔隙度,顯著增加了0～40 cm 玉米根系干物質(zhì)積累。我們的研究表明,前茬遁耕可以增加0～30 cm土層的玉米根干重,深松可以加快后茬0～40 cm 耕層小麥根系重量的增加。

本文的特色是結合了華北平原前茬玉米硬茬播種和玉米遁耕分層施肥兩個處理,后茬小麥旋耕條播、旋耕深松條播、旋耕深松分層施肥寬幅播種3個處理,進行耕作施肥播種優(yōu)化模式篩選,結果表明,前茬玉米遁耕分層施肥、后茬小麥旋耕深松一體機、小麥旋耕深松分層施肥寬幅勻播,應該是華北平原不同農(nóng)事情景下的優(yōu)化選擇模式,特別是“小麥旋耕深松分層寬幅勻播”是華北平原未來發(fā)展的主流技術,應該加大該農(nóng)機購置補貼和加快示范推廣。不同地區(qū)的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)機械不同,有關研究結論不盡統(tǒng)一,需要因地制宜利用不同類型農(nóng)業(yè)機械。集成優(yōu)良品種、農(nóng)藝措施和先進農(nóng)業(yè)機械,一方面可以挖掘不同生態(tài)地區(qū)小麥高產(chǎn)潛力,另一方面可以形成縮小小麥產(chǎn)量和效益差的技術體系,是現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢。

張正斌通過抗旱節(jié)水高產(chǎn)小麥和玉米品種的篩選和組合及農(nóng)藝措施的配套,實現(xiàn)了華北節(jié)水噸糧田。近年來隨著玉米深松分層施肥精量播種密植、小麥旋耕深松分層施肥寬幅勻播等技術的推廣,再配合現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術如水肥一體化和高產(chǎn)抗逆優(yōu)良品種,出現(xiàn)了許多噸糧田和噸半糧田,由大面積高產(chǎn)走向超高產(chǎn)。近日,《德州市噸半糧生產(chǎn)能力建設方案》在北京通過專家論證,計劃利用5年時間,建成全國第一個大面積噸半糧示范區(qū),帶動全市糧食大面積均衡增產(chǎn),成為總產(chǎn)過百億的地級市。說明隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械和水肥一體化等關鍵技術的快速發(fā)展和廣泛應用,華北平原糧食生產(chǎn)潛力很大。

本研究表明“玉米遁耕分層施肥-小麥旋耕深松分層施肥寬幅勻播”模式能夠降低0～40 cm 耕層土壤容重,增加深層土壤含水率,同時優(yōu)化了耕層養(yǎng)分分布,提高了水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力; 增加了小麥株高、分蘗、地上部干物質(zhì)量和0～40 cm 耕層的根干重,進而提高了單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù),實現(xiàn)了節(jié)水條件下的小麥高產(chǎn); 同時也實現(xiàn)了玉米-小麥周年高產(chǎn)高效。本文篩選出了玉米-小麥周年高產(chǎn)高效優(yōu)化耕作方式,揭示了不同耕作施肥播種條件下,小麥產(chǎn)量形成的生長發(fā)育調(diào)控機理和增產(chǎn)要素及增產(chǎn)增效特征。建議加快在華北平原示范推廣“小麥旋耕深松分層施肥和寬幅勻播技術”。以上研究結果為華北平原農(nóng)田高質(zhì)量發(fā)展、小麥-玉米持續(xù)節(jié)水綠色提質(zhì)增產(chǎn)增效技術示范推廣提供了理論依據(jù)和技術支撐。