王會文 李 蕾 余少波 王 強 馮 玉 任愛霞 林 文 孫 敏 高志強

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，030801，山西太谷）

黃土高原一年一作旱地麥區(qū)是我國旱作小麥的主要生產(chǎn)區(qū)域，該區(qū)年均降水量400～600mm，休閑期7-9月降水量約占全年的60%，關(guān)于如何蓄積休閑期降水以滿足小麥生育期的用水需求已有較多研究。休閑期深翻或深松可提高0～300cm土壤水分41～91mm，提高產(chǎn)量34%～45%，顯著提高水分利用效率[1]。20世紀(jì)70年代地膜覆蓋技術(shù)引入中國，且在旱地小麥生產(chǎn)上的應(yīng)用效果顯著，地膜覆蓋較常規(guī)露地栽培顯著提高了冬小麥干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量，同時提高水分利用效率12%～35%[2]。然而，由于地膜回收困難、污染大，故較難大面積推廣。

2014年山西省農(nóng)技推廣系統(tǒng)科技人員研發(fā)了寬窄行探墑溝播技術(shù)，經(jīng)過山西省小麥主產(chǎn)區(qū)試驗示范，在旱地小麥抗逆、增產(chǎn)和增效方面起到了積極作用[3]，2019年在山西省推廣面積達5.6萬hm2，2020年被列入山西省旱地小麥主推技術(shù)[4]。探墑溝播技術(shù)是使用全還田防纏繞免耕施肥播種聯(lián)合機，通過一次作業(yè)同時完成滅茬、開溝、播種、施肥、覆土和鎮(zhèn)壓等多道工序，實現(xiàn)了現(xiàn)代農(nóng)機與傳統(tǒng)農(nóng)藝相結(jié)合的節(jié)水增產(chǎn)實用栽培技術(shù)[4]。與20世紀(jì)80年代溝播相比，探墑溝播可同時實現(xiàn)秸稈粉碎、滅茬和寬窄行播種，增加了土壤有機質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，且有利于小麥群體通風(fēng)透光。岳俊芹等[5]研究表明，在河南省新鄉(xiāng)縣溝播的耕層土壤較直播踏實，蓄水能力更強，更有利于深層水分的吸收和深層根系的生長，溝播小麥比直播小麥增產(chǎn)約8.4%。李吾強等[6]研究表明，在關(guān)中平原，與傳統(tǒng)平作相比，溝播可充分利用土壤水分，蓄水保墑，提高冬小麥抗旱抗寒能力，并有明顯的增產(chǎn)增收效果。董飛等[7]研究表明，在山西省探墑溝播提高了整個生育期土壤貯水量28.9～64.9mm，顯著提高產(chǎn)量2.4%～16.9%。綜上可見，探墑溝播有較明顯的增產(chǎn)效果，但其增產(chǎn)機理的研究不足。因此，將旱地小麥休閑期耕作與探墑溝播相結(jié)合，研究其對自然降水蓄水保墑、產(chǎn)量形成和水分利用效率的影響，明確探墑溝播的增產(chǎn)機理，為旱地小麥高效高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本概況

試驗于2015-2016年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)聞喜旱地小麥試驗基地進行，該地是典型的溫帶大陸性氣候，地處 110°59′～111°37′ E、35°09′～35°34′ N，年均氣溫12.5℃，降水量500mm左右，無霜期約190d。試驗田為丘陵旱地，無灌溉條件，地勢平坦，土層深厚，透水、通氣性良好，土質(zhì)為黏壤土，pH值為7.5～8.0。0～20cm土層土壤有機質(zhì)為10.55g/kg，全氮為0.68g/kg，堿解氮為37.65g/kg，速效磷為17.64g/kg。2015-2016年降水量見表1，休閑期降水量較常年同階段低65.56%，生育期降水量較常年同階段多22.42%，但全年降水量較常年低22.88%。依據(jù)國標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)[8]，2015-2016年度屬干旱年型。

表1 聞喜試驗點年降水量及其分布Table 1 Rainfall and its distribution in experimental location mm

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用二因素裂區(qū)隨機設(shè)計，以休閑期耕作為主區(qū)，分別為深翻（deep ploughing，DP）和免耕（no tillage，NT），以播種方式為副區(qū)，分別為探墑溝播（furrow sowing，F(xiàn)S）和常規(guī)條播（drilling sowing，DS）。其中探墑溝播使用全還田防纏繞免耕探墑溝播機，在原有機械基礎(chǔ)上對播種和施肥深度進行改良，一次性完成深開溝、深施肥、淺覆土和播種，播后溝深8cm、壟高4cm，溝底到壟頂12cm，寬行25cm，窄行12cm，施肥于溝底，深度8cm，種子深度3～5cm。具體操作參見旱地冬小麥寬窄行探墑溝播技術(shù)規(guī)程（DB 14/ T 1470-2017）。常規(guī)條播使用常規(guī)施肥條播機進行，行距20cm。共設(shè)4個處理，3次重復(fù)，小區(qū)面積90m2（9m×10m）。深翻處理：前茬小麥?zhǔn)斋@時留高茬（20～30cm），于7月20日深翻（深度25～30cm），深翻時將有機肥（1 500kg/hm2）和秸稈同時翻入土壤中。免耕處理：休閑期不進行任何操作。8月底對各處理進行淺旋、耙耱。9月30日播種，品種為晉麥92，由聞喜縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局提供，播前基施氮（純氮150kg/hm2）、磷（P2O5150kg/hm2）、鉀（K2O 150kg/hm2）肥，播量90kg/hm2，采取常規(guī)田間管理。

1.3 取樣及測定方法

于休閑初期、播種、越冬、拔節(jié)、開花和成熟期，分別采用土鉆取0～300cm土壤土樣（每20cm為一個土層），采用烘干法測定土壤含水量。

于小麥三葉期開始，每小區(qū)隨機選取3個樣區(qū)，每樣區(qū)0.667m2，記錄調(diào)查樣區(qū)內(nèi)越冬期、拔節(jié)期、孕穗期、開花期及成熟期冬小麥的分蘗情況。

成熟期時在每小區(qū)隨機連續(xù)選取10個單株，分別調(diào)查其株高、穗長、可孕小穗數(shù)和不可孕小穗數(shù)。同時調(diào)查單位面積穗數(shù)、每穗平均粒數(shù)和千粒重，每小區(qū)取50株測定生物產(chǎn)量，收割20m2用于計算經(jīng)濟產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤蓄水效率（WSE）=D/R×100%，D為某時期一定土層中增加的蓄水量（mm）；R為同時期降水量（mm）。按照孫敏等[1]的方法計算土壤蓄水量（SWSi），SWSi=Wi×Di×Hi×10/100，i為 土 層，W為土壤質(zhì)量含水量（%），D為土壤容重（g/cm3），H為土層厚度（cm）。各生育階段土壤貯水減少量（ΔW，mm）=W1-W2，W1和W2分別為階段初和階段末的土壤蓄水量。生育期總耗水量（Ey，mm）=ΔW+P+K，P為有效降水量（mm），K為地下水補給量（mm）。本試驗地下水埋深在5m以下，故K值可忽略不計。單位蓄水增產(chǎn)量[ΔY1，kg/(hm2·mm)]=(Y1-Y2)/(E1-E2)，Y1和Y2分別為休閑期深翻和免耕處理下的籽粒產(chǎn)量（kg/hm2），E1和E2分別為休閑期深翻和免耕處理下播前土壤蓄水量（mm）。耕作下單位耗水的增產(chǎn)量 [ΔY2，kg/(hm2·mm)]=(Y3-Y4)/(E3-E4)，Y3和Y4分別為休閑期深翻和免耕處理下的籽粒產(chǎn)量（kg/hm2），E3和E4分別為休閑期深翻和免耕處理下生育期總耗水量（mm）。播種方式下單位耗水的增產(chǎn)量 [ΔY3，kg/(hm2·mm)]=(Y5-Y6)/(E5-E6)，Y5和Y6分別為探墑溝播和常規(guī)條播處理下的籽粒產(chǎn)量（kg/hm2），E5和E6分別為探墑溝播和常規(guī)條播處理下生育期總耗水量（mm）。水分利用效率[WUE，kg/(hm2·mm)]=Y/Ey，Y為小麥產(chǎn)量（kg/hm2）。

采用Microsoft Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)處理，用SPSS 16.0軟件進行統(tǒng)計分析，用LSD法檢驗處理間差異顯著性，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 休閑期耕作對旱地小麥播種期和各生育時期土壤蓄水量的影響

休閑期深翻較免耕播前0～300cm土壤蓄水量顯著提高，達46.74mm，休閑期土壤蓄水效率也顯著提高，達192.40%（表2）。

表2 休閑期深翻下的休閑期土壤蓄水效率Table 2 Soil water storage efficiency during fallow period after deep turnover

與免耕相比，各生育時期0～300cm土壤蓄水量提高（圖1）。采用探墑溝播較常規(guī)條播越冬期、拔節(jié)期0～300cm土壤蓄水量顯著提高，分別達11.24～22.35、17.11～25.56mm，深翻條件下開花期0～300cm土壤蓄水量提高，達2.36mm。可見，旱地麥田休閑期深翻有利于蓄積降雨，提高底墑，采用探墑溝播技術(shù)可更有效蓄積土壤水分至開花期。

圖1 不同耕作與播種方式下旱地小麥各生育時期0～300cm的土壤蓄水量Fig.1 Soil water storage of 0-300cm in each growth period of upland wheat under different tillage and sowing methods

2.2 耕作與播種方式對旱地小麥各生育階段耗水量及其所占比例的影響

休閑期深翻較免耕各生育階段耗水量和總耗水量顯著提高，分別為5.60～27.30和38.41～47.65mm（表3）。探墑溝播較常規(guī)條播生育期總耗水量顯著提高11.89～21.13mm。播前－拔節(jié)耗水量及其所占比例顯著降低，分別為16.09～22.44mm和4.88%～8.00%；拔節(jié)－開花顯著提高，分別為15.09～35.54mm和2.51%～7.30%；開花－成熟提高，分別為8.03～12.89mm和0.70%～2.38%?？梢?，旱地麥田休閑期深翻蓄水促進小麥生長的同時增加了耗水，采用探墑溝播減少了生育前期耗水，增加了生育中后期尤其是中期耗水，由于生育中期是決定穗數(shù)和穗粒數(shù)形成的關(guān)鍵時期，因此該階段的耗水增加在一定程度上有利于群體構(gòu)建。

表3 不同耕作與播種方式下旱地小麥各生育階段的耗水量及其所占比例Table 3 Water consumption and proportion of each growth stage of upland wheat under different tillage and sowing methods

2.3 耕作與播種方式對旱地小麥各生育階段群體分蘗變化率的影響

休閑期深翻較免耕顯著降低了越冬－拔節(jié)群體分蘗增加率、拔節(jié)－開花群體分蘗減少率，從而提高了成穗率，且探墑溝播條件下差異顯著（表4）。探墑溝播較常規(guī)條播對分蘗變化率的影響與前者一致。可見，旱地麥田休閑期深翻結(jié)合探墑溝播技術(shù)可有效減少早春無效分蘗的發(fā)生，提高成穗率。

表4 不同耕作與播種方式下旱地小麥各生育階段的群體分蘗變化率Table 4 Tiller change rates of upland wheat at each growth stage under different tillage and sowing treatments %

2.4 耕作與播種方式對旱地小麥成熟期單株農(nóng)藝性狀的影響

休閑期深翻較免耕穗長顯著提高，為0.48～0.80cm；小穗數(shù)和可孕小穗占比提高，分別為0.60～1.20cm和2.25～3.22個百分點（表5）。探墑溝播較常規(guī)條播穗長、小穗數(shù)和可孕小穗數(shù)占比提高，分別為0.70～1.02cm、0.80～1.40cm和7.55～8.52個百分點，且深翻條件下穗長、可孕小穗數(shù)占比差異顯著。可見，旱地麥田休閑期深翻結(jié)合探墑溝播有利于提高可孕小穗數(shù)，為提高穗粒數(shù)奠定基礎(chǔ)。

表5 不同耕作與播種方式下旱地小麥成熟期的單株農(nóng)藝性狀Table 5 Agronomic characteristics of single plant at maturity stage of upland wheat under different tillage and sowing treatments

2.5 耕作與播種方式對旱地小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

休閑期深翻較免耕穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量分別提高3.32%～5.26%、3.85%～6.53%、1.09%～3.61%和10.77%～13.38%，且探墑溝播條件下產(chǎn)量顯著高于其他處理（表6）。探墑溝播較常規(guī)條播穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量分別提高8.04%～10.07%、8.46%～11.25%、3.58%～6.17%和16.39%～19.12%。可見，旱地麥田休閑期深翻結(jié)合探墑溝播主要通過提高穗數(shù)和穗粒數(shù)提高產(chǎn)量，且探墑溝播的增產(chǎn)幅度較大。

表6 不同耕作與播種方式下旱地小麥的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 6 Yield and its components of upland wheat under different tillage and sowing treatments

2.6 土壤水分蓄積與消耗對產(chǎn)量的貢獻

休閑期深翻蓄水的增產(chǎn)量為9.75～9.79kg/(hm2·mm)，不同播種方式處理間差異不顯著；休閑期深翻耗水的增產(chǎn)量為9.78～11.64kg/(hm2·mm)，且探墑溝播顯著高于常規(guī)條播（表7）。生育期采用探墑溝播耗水增產(chǎn)量為31.53～54.47kg/(hm2·mm)，且休閑期深翻顯著高于免耕。另外，深翻條件下探墑溝播較常規(guī)條播水分利用效率顯著提高13.15%，免耕條件下提高12.67%。

表7 土壤水分蓄積與消耗對產(chǎn)量的貢獻Table 7 The contribution of soil water accumulation and consumption to yield kg/(hm2·mm)

2.7 耕作與播種方式對旱地小麥經(jīng)濟效益的影響

休閑期深翻較免耕總收入和凈收入分別提高10.77%～13.38%和1.62%～5.56%，且總收入差異顯著（表8）。探墑溝播較常規(guī)條播總收入、凈收入和產(chǎn)投比均顯著提高，分別達16.39%～19.12%、103.25%～111.12%和30.27%～35.93%，且免耕條件下增幅較大?？梢?，旱地麥田休閑期深翻，深施有機肥有利于改善土壤質(zhì)量，提高總收入，結(jié)合探墑溝播可實現(xiàn)最大凈收入，且休閑期免耕條件下凈收入增幅較大，結(jié)合探墑溝播可實現(xiàn)產(chǎn)投比的最大化。

表8 不同耕作與播種方式下旱地小麥的經(jīng)濟效益Table 8 Economic benefits of upland wheat under different tillage and sowing treatments 元/hm2 yuan/hm2

3 討論

黃土高原東南部旱作麥區(qū)夏季休閑期降水較多，此期降水是土壤水分恢復(fù)的關(guān)鍵時期，決定了播前土壤蓄水量的高低，因此，在此階段耕作是提高播前底墑的重要途經(jīng)。張樹清等[9]在甘肅旱作麥區(qū)研究表明，深翻可打破犁底層，減小根系穿透阻力，增強土壤滲水能力，提高天然降水的利用率，還可以加厚土壤耕層，增加土壤孔隙度，由此增強雨季貯水蓄墑能力。研究[10-11]表明，休閑期深松可以緩解土壤緊實度，提高土壤貯水量和入滲量，有利于增加根系長度。長期免耕可增加上層土壤的緊實度，形成犁底層，進而阻礙土壤水分下滲，降低土壤水分蓄積能力[12]；孫敏等[1]研究表明，山西省聞喜縣在欠水年休閑期深翻后，休閑期土壤蓄水效率顯著提高147%～205%。本文研究結(jié)果與其一致，認(rèn)為在本年度休閑期降水較少時，休閑期深翻較免耕可提高0～300cm土層播前底墑46.74mm，提高蓄水效率192.40%。然而，連年深翻頻繁攪動土壤，導(dǎo)致土壤水分流失，旱地小麥休閑期蓄水保墑是否采用深翻、深松、免耕或連年深翻技術(shù)相結(jié)合還有待探索。李晶等[13]研究表明，在黑龍江，與傳統(tǒng)平播相比，溝播可提高小麥生育中后期土壤水分、小麥生物產(chǎn)量和水分利用效率。探墑溝播較常規(guī)條播提高了土壤蓄水量，且根據(jù)全年降雨及其分布的不同，增幅為7.86%～13.24%[14-16]。本研究表明，采用探墑溝播有利于生育期降雨的蓄水保墑效果，休閑期免耕的土壤蓄水效果僅至小麥拔節(jié)期顯著，拔節(jié)后差異不顯著；休閑期深翻后至開花期差異顯著，而開花后至成熟期差異不顯著。說明，休閑期耕作蓄水保墑可延長探墑溝播的土壤水分蓄積利用。

作物各個關(guān)鍵生長階段的耗水受土壤水分影響，合理的階段耗水是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)。趙亞麗等[17]研究表明，在黃淮海地區(qū)休閑期耕作可提高周年農(nóng)田耗水量、周年作物產(chǎn)量和水分利用效率，分別達3%、18%和15%。李念念等[18]研究表明，休閑期深松可增加小麥生育期耗水，促進各生育階段植株的生長，從而提高產(chǎn)量。楊長剛等[19]研究表明，與露地種植相比，秸稈帶狀覆蓋可顯著提高生育期耗水量，增加拔節(jié)至開花期階段耗水量，促進地表120cm以下土壤水分的利用。本研究表明，干旱年型下，休閑期深翻蓄水在促進小麥生長的同時增加了各生育時期的土壤耗水，采用探墑溝播顯著降低了生育前期耗水，增加了生育中后期耗水，尤其是中期，可為穗數(shù)的增加和穗粒數(shù)形成提供充足的水分。這主要是因為休閑期采用深翻和探墑溝播實現(xiàn)了全年對降雨的蓄積，可滿足小麥各生長階段耗水。

旱地小麥各階段耗水情況顯著影響著產(chǎn)量構(gòu)成因素。陳夢楠等[20]研究表明，休閑期覆蓋有利于實現(xiàn)降水周年調(diào)控，減少生育前期耗水，增加生育中后期耗水，從而優(yōu)化產(chǎn)量構(gòu)成因素，提高產(chǎn)量。侯慧芝等[21]在甘肅半干旱地區(qū)研究表明，與露地穴播相比，全膜覆土穴播通過提高耗水效率提高了株高、單株重、小穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗粒重和千粒重。本研究表明，休閑期深翻有利于提高成穗率和可孕小穗數(shù)，采用探墑溝播減少了前期無效分蘗，提高了成穗率、穗長和可孕小穗數(shù)占比，從而提高了穗數(shù)和穗粒數(shù)，最終產(chǎn)量顯著提高，可增產(chǎn)16%～20%。

不同階段蓄水和耗水的增產(chǎn)效果存在差異。任愛霞等[22]研究表明，休閑期深松的蓄水增產(chǎn)量為2～31kg/(hm2·mm)；陳夢楠等[20]研究表明，干旱年型，休閑期深翻后覆蓋蓄水和耗水的增產(chǎn)量分別為17～26 和 22～26kg/(hm2·mm)；高艷梅等[23]研究表明，地膜覆蓋播種，旱地麥田節(jié)水增產(chǎn)效果提高，單位節(jié)水量提高10%以上，單位耗水增產(chǎn)量提高11%以上。本研究表明，休閑期深翻蓄水的增產(chǎn)量為9.75～9.79kg/(hm2·mm)，休閑期深翻耗水的增產(chǎn)量為9.78～11.64kg/(hm2·mm)，且探墑溝播顯著高于常規(guī)條播。探墑溝播較常規(guī)條播單位耗水的增產(chǎn)量顯著提高，最終顯著提高水分利用效率，深翻和免耕條件下分別達13.15%和12.67%。

4 結(jié)論

在休閑期降水少而生長期降水較多的干旱年型，在休閑期深翻提高底墑的基礎(chǔ)上，采用探墑溝播可延長土壤蓄水效果至開花期，高效合理利用土壤水分，并減少生育前期耗水，從而減少早春無效分蘗的發(fā)生，有利于成穗率和小穗數(shù)的增加以及籽粒的形成，最終優(yōu)化產(chǎn)量構(gòu)成，提高凈收入。本次試驗每消耗1mm生育期土壤水分可增產(chǎn)54.47kg/hm2，提高了產(chǎn)量和水分利用效率，為旱作麥區(qū)高效高產(chǎn)提供了理論依據(jù)。