程志鵬，張成澤，王富貴，王 振，張悅忠，閆立偉，梁紅偉，楊志紅，高聚林，王志剛

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010；2.興安盟扎賚特旗農(nóng)牧和科技局，內(nèi)蒙古扎賚特旗 137400；3.赤峰市農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心，內(nèi)蒙古赤峰 024000）

在內(nèi)蒙古旱作區(qū)，春旱等階段性干旱頻發(fā)，水資源短缺成為限制該地區(qū)玉米生產(chǎn)的主要因素。不同耕作方式可以調(diào)節(jié)耕層土壤溫度及水分含量，影響土壤水熱變化，進(jìn)而促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育并提高產(chǎn)量[1-2]。研究表明，秸稈覆蓋免耕可以有效減少土壤水分損失，提高土壤水分蓄貯能力，進(jìn)而影響產(chǎn)量[3-4]，是一項(xiàng)適合半干旱地區(qū)節(jié)本增效的保護(hù)性耕作技術(shù)[5]。但秸稈覆蓋免耕會(huì)降低土壤溫度，存在玉米播種質(zhì)量差，出苗不齊、幼苗長(zhǎng)勢(shì)弱等問題[6]。秸稈覆蓋條帶耕作技術(shù)（strip-till）是國(guó)外實(shí)現(xiàn)秸稈覆蓋還田的耕作技術(shù)，通過條帶旋耕或深松清理表面覆蓋的秸稈，整理出無秸稈苗帶用于播種，并改善苗帶土壤環(huán)境，可有效提高玉米出苗率，同時(shí)行間有秸稈覆蓋，可以減少水分的揮發(fā)與散失[7]。與秸稈覆蓋免耕相比，秸稈覆蓋條耕有效解決了覆蓋免耕播種困難的問題，同時(shí)加快了苗帶土壤升溫速率，使得玉米出苗質(zhì)量得到大幅改善[8]。有研究表明，秸稈覆蓋條耕技術(shù)土壤溫度較免耕提高2～4℃[9]。郝展宏等[7]在吉林省梨樹縣半濕潤(rùn)地區(qū)進(jìn)行秸稈覆蓋條耕試驗(yàn)表明，秸稈覆蓋條耕有效地解決了覆蓋免耕播種困難的問題，有較好的應(yīng)用效果，使得玉米出苗質(zhì)量得到大幅改善，但該模式在內(nèi)蒙古旱作區(qū)的應(yīng)用效果鮮有報(bào)道。因此，本試驗(yàn)設(shè)置常規(guī)壟作（CP）、秸稈離田免耕（NT）、秸稈覆蓋免耕（RNT）、秸稈覆蓋條耕（RST）4種耕作方式，探究不同耕作方式對(duì)土壤水熱動(dòng)態(tài)及玉米干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的影響，為內(nèi)蒙古旱作區(qū)玉米生產(chǎn)提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2021—2022年在內(nèi)蒙古興安盟扎賚特旗農(nóng)牧和科技局試驗(yàn)基地（46°45′N，122°47′E）進(jìn)行。該地區(qū)年平均氣溫3.24℃，年平均降水量400 mm，無霜期 120～140 d。試驗(yàn)地土壤為草甸土，0～20 cm耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量17.5 g/kg、全氮含量1.2 g/kg、堿解氮含量101.0 mg/kg、速效磷含量32.5 mg/kg、速效鉀含量115.9 mg/kg，pH值為7.9。2021—2022年玉米生育期內(nèi)日照時(shí)數(shù)分別為1 138.2 h和1 352.3 h，總降雨量分別為650.5 mm和390.1 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4種耕作方式，采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，玉米品種為大昌國(guó)玉918，種植密度為75 000株/hm2。采用等行距種植，行距65 cm，8行區(qū)，行長(zhǎng)30 m，小區(qū)面積156 m2，設(shè)3次重復(fù)。4種耕作方式分別為（1）常規(guī)壟作（CP）：于秋季收獲后，用秸稈離田機(jī)將秸稈離田，翌年整地起壟鎮(zhèn)壓后進(jìn)行播種；（2）秸稈離田免耕（NT）：于秋季收獲后，采用秸稈離田機(jī)將秸稈離田，翌年使用免耕播種機(jī)播種；（3）秸稈覆蓋免耕（RNT）：于秋季收獲后，秸稈留茬，高度為30 cm，翌年使用免耕播種機(jī)播種；（4）秸稈覆蓋條耕（RST）：于秋季收獲后，秸稈留茬，高度為30 cm，翌年播種前使用條耕機(jī)進(jìn)行苗帶清理，隨后使用免耕播種機(jī)播種。試驗(yàn)各處理施肥時(shí)間、施肥量均保持一致，施用純 N 225 kg/hm2、P2O597.5 kg/hm2、K2O 58.5 kg/hm2。底肥施用摻混肥料（興安盟綽爾河種業(yè)有限責(zé)任公司，N-P-K：16-22-13）450 kg/hm2，拔節(jié)期追施尿素333 kg/hm2。使用吉林省康達(dá)農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司的1ST-300型條耕整地機(jī)進(jìn)行苗帶清理、深松（深度達(dá)到 25～30 cm，寬度達(dá)到 25～30 cm）、碎土、鎮(zhèn)壓，隨后使用免耕播種機(jī)進(jìn)行播種、施肥。2021年5月4日播種，9月28日收獲；2022年5月9日播種，9月30日收獲。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤物理性狀指標(biāo)

土壤含水量：于播前（Ps）、苗期（VE）、拔節(jié)期（V6）、吐絲期（R1）、乳熟期（R3）、成熟期（R6），采用TDR土壤水分測(cè)定儀測(cè)定，深度分別為 0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。

土壤溫度：在玉米各生育時(shí)期，采用地溫計(jì)測(cè)定，土層深度分別為 5、10、15 cm。

1.3.2 出苗率調(diào)查

出苗后15 d，實(shí)際調(diào)查5 m 4行出苗穴數(shù)占播種穴數(shù)百分比。

1.3.3 干物質(zhì)積累量

拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、乳熟期、成熟期每小區(qū)選取有代表性的植株，每小區(qū)連續(xù)取3株，3次重復(fù)，按照器官分樣。吐絲期分為葉片、莖稈（包括葉鞘、莖和雄穗）和雌穗，乳熟期（吐絲后15 d）分為葉片、莖稈（包括葉鞘、莖和雄穗）和雌穗，成熟期分為秸稈（雄穗、苞葉、穗軸）、葉片和籽粒，烘干稱重記錄。

1.3.4 測(cè)產(chǎn)及考種

于生理成熟期選取無缺苗斷壟且長(zhǎng)勢(shì)整齊的10 m雙行，調(diào)查實(shí)際密度后實(shí)收，晾曬后進(jìn)行考種，逐穗調(diào)查穗粒數(shù)后全部脫粒，稱量千粒重后測(cè)定籽粒含水量，并計(jì)算籽粒產(chǎn)量（籽粒含水量14%）。

1.4 計(jì)算公式

水分利用效率（WUE）/［kg/（hm2·mm）］=籽粒產(chǎn)量/耗水量 （1）

耗水量（ET）/mm=P+ΔSWS （2）

式中，ET為玉米總耗水量；P為玉米生長(zhǎng)季節(jié)的降雨量；ΔSWS為玉米播種時(shí)土壤貯水量與收獲時(shí)土壤貯水量之差。

土壤貯水量（Sw）=d×r×w×10 （3）

式中，Sw為土壤貯水量/mm；d為土層厚度/cm；r為土壤容重/（g/cm3）；w為土壤含水量/%。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件中的最小顯著差異法（LSD0.05）進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)；采用Sigma Plot 12.5軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作方式對(duì)土壤溫度的影響

2.1.1 耕作方式對(duì)不同生育時(shí)期土壤平均溫度的影響

土壤溫度對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育有重要作用，由圖1可知，不同耕作方式對(duì)土壤溫度的影響有顯著差異（P＜0.05）。不同耕作方式不同土層土壤溫度2年變化趨勢(shì)基本一致，表現(xiàn)出隨生育時(shí)期推移呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)，且在拔節(jié)期達(dá)到最大值，拔節(jié)期至吐絲期趨于穩(wěn)定，吐絲期至成熟期土壤溫度呈下降趨勢(shì)，且全生育期溫差隨土層的加深而減小。

圖1 不同耕作方式不同土層玉米各生育時(shí)期土壤溫度的變化Figure 1 Soil temperature changes in maize different growth stages in different soil layers under different tillage methods

播種后各土層溫度大小均為CP＞RST＞NT＞RNT。2年5、10、15 cm土壤溫度均于拔節(jié)期差異最大，其中5 cm土壤溫度RST苗帶、NT、RNT較CP平均降低 0.91、1.52、3.52℃，15 cm土壤溫度 RST苗帶、NT、RNT 較 CP 平均降低 0.61、0.63、1.30 ℃；在各生育時(shí)期各土層，RST的行間溫度均顯著低于苗帶溫度（P＜0.05），與 RNT 接近。

2.1.2 耕作方式對(duì)不同生育階段土壤活動(dòng)積溫的影響

由表1可知，耕作方式對(duì)玉米各生育階段0～5 cm土壤活動(dòng)積溫影響顯著（P<0.01）。不同耕作方式全生育期土壤活動(dòng)積溫2年均以CP最高，平均為2 713.45℃；與CP相比，NT、RNT 0～5 cm 土壤活動(dòng)積溫2年平均分別降低69.81、127.52℃，RST僅降低18.94℃，未達(dá)顯著差異（P＞0.05）。除2021年吐絲期到成熟期外，其他各生育階段土壤活動(dòng)積溫均表現(xiàn)為CP、RST 顯著高于 NT、RNT（P<0.05），且 CP 與RST差異不顯著（P＞0.05）。分析其原因可能是CP和RST播前分別進(jìn)行了起壟和條耕作業(yè)，利于苗帶土壤增溫。同時(shí)可以看出，在拔節(jié)之后外界氣溫升高，秸稈覆蓋對(duì)土壤溫度的影響減弱，不同耕作方式的差異隨時(shí)間的推移逐漸減小。

表1 不同耕作方式對(duì)玉米各生育階段0～5 cm土壤活動(dòng)積溫的影響Table 1 Effects of different tillage methods on active accumulated temperature of 0-5 cm soil at different maize growth stages 單位：℃

2.2 耕作方式對(duì)土壤含水量的影響

2.2.1 耕作方式對(duì)各土層土壤含水量的影響

由圖2可知，不同耕作方式不同土層土壤含水量存在顯著差異（P＜0.05）。隨著土層深度的增加，土壤含水量差異逐漸變小。2021年吐絲期后，由于降雨量大且地下水位較低，試驗(yàn)田中直至玉米成熟后仍有積水，導(dǎo)致乳熟期與成熟期含水量趨于平穩(wěn)飽和狀態(tài)，且不同耕作方式土壤含水量差異較小，因此2021年土壤含水量?jī)H分析苗期至吐絲期。2021年苗期至吐絲期，與CP相比，NT、RNT和RST行間不同土層土壤含水量分別提高 2.01%～9.45%、3.82～14.80%和3.16%～13.80%。2022年苗期至吐絲期，與CP相比，NT、RNT及RST行間不同土層土壤含水量分別提高2.38%～14.35%、5.02%～19.14%和1.70%～17.12%。2022年乳熟期和成熟期土壤含水量由吐絲期開始呈下降趨勢(shì)，與CP相比，NT、RNT和RST行間不同土層土壤含水量分別提高1.46%～6.49%、1.07%～11.29%和0.79%～9.65%。由此可知，相對(duì)降雨量較小的年份不同耕作方式對(duì)土壤含水量的影響更大。RST苗帶土壤含水量與CP差異較小，但行間土壤含水量顯著高于CP（P＜0.05），且與RNT接近。這說明秸稈覆蓋條耕措施具有較好的保墑效果。

圖2 不同耕作方式不同生育時(shí)期各土層的土壤含水量Figure 2 Soil moisture at different growth stages and soil layers under different tillage methods

2.2.2 耕作方式對(duì)土壤貯水量的影響

由表2可知，不同耕作方式土壤貯水量差異顯著（P＜0.05或P＜0.01）。RNT保墑效果最佳，0～100 cm土層貯水量全生育期2年平均較CP、NT分別提高107.75、74.14 mm；RST 次之，平均較 CP、NT 分別提高 71.50、37.89 mm。

表2 不同耕作方式對(duì)0～100 cm土層土壤貯水量的影響Table 2 Effects of different tillage methods on soil water storage in 0-100 cm soil layer 單位：mm

播種期至拔節(jié)期，玉米生長(zhǎng)耗水較少。由于秸稈覆蓋，RNT、RST土壤貯水量2年均顯著高于CP和NT（P＜0.05），分別較 CP 提高 34.85、24.10 mm，較NT提高16.51、9.75 mm。拔節(jié)后隨氣溫升高，玉米生長(zhǎng)耗水增加，且蒸發(fā)蒸騰加強(qiáng)，不同耕作方式間差異縮小，吐絲期RNT、RST 2年平均較CP分別提高15.47、11.47 mm，較 NT 分別提高 9.79、5.79 mm。2021年吐絲期后7 d左右，由于降水量大且地下水位較低，導(dǎo)致試驗(yàn)田中有積水，直至玉米成熟，不同耕作方式間土壤貯水量差異更小。2022年從不同耕作方式的比較可以看出，成熟期RNT、RST的土壤貯水量同樣顯著高于 CP、NT（P＜0.05），兩者差異不顯著（P＞0.05），分別較 CP 提高了 23.57、19.25 mm，較NT提高了21.12、16.80 mm，證明RST具備了RNT的優(yōu)點(diǎn)，能顯著提高土壤蓄水保墑的能力。

2.3 不同耕作方式對(duì)玉米水分利用效率的影響

由表3可知，由于在前一年收獲后進(jìn)行了秸稈留茬覆蓋，并且全年的秸稈覆蓋增加了土壤貯水能力，因此RNT和RST播前和收獲后貯水量顯著高于 CP、NT（P＜0.05），且 RNT 和 RST 的耗水量較少，2年平均分別較CP減少1.83%和1.31%、較NT減少1.77%和1.25%。產(chǎn)量表現(xiàn)為RST最高，較CP、NT和RNT分別增加了6.06%、4.22%和7.21%。RST以較低耗水量換取較高玉米產(chǎn)量是提高水分利用效率的主要原因。2年水分利用效率RST較CP、NT和RNT分別平均提高7.63%、5.61%和6.52%。

表3 不同耕作方式對(duì)WUE的影響Table 3 The influence of different tillage methods on WUE

2.4 耕作方式對(duì)玉米出苗率的影響

由圖3可知，2021年玉米出苗率RST與NT差異不顯著（P＞0.05），但顯著高于 CP 和 RNT（P＜0.05）；2022年玉米出苗率RST均顯著高于其他耕作方式（P＜0.05），2 年平均表現(xiàn)為 RST>NT>CP>RNT，RST較 NT、CP、RNT出苗率平均分別提高1.58%、9.28%和9.11%?？梢?，秸稈覆蓋條耕較好的增溫保墑作用顯著提高了旱作玉米出苗率。

圖3 不同耕作方式對(duì)玉米出苗率的影響Figure 3 Effects of different tillage methods on maize emergence rate

2.5 不同耕作方式對(duì)玉米干物質(zhì)積累量的影響

由表4可知，隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，不同耕作方式地上部干物質(zhì)積累量逐漸增加，在成熟期達(dá)到峰值，且不同耕作方式對(duì)玉米干物質(zhì)積累量的影響差異顯著（P＜0.05或P＜0.01）。RST成熟期干物質(zhì)積累量最大，2年平均為22.74 t/hm2，拔節(jié)期和大喇叭口期RST較CP和RNT干物質(zhì)積累量顯著增加（P＜0.05），增幅4.52%～18.21%，大喇叭口期RST與NT相比差異不顯著（P＞0.05）。吐絲期RST較CP、NT和RNT干物質(zhì)積累量分別提高15.54%、4.24%和16.06%；成熟期RST較CP、NT和RNT干物質(zhì)積累量分別提高11.68%、4.47%和12.69%。RST較其他耕作方式的干物質(zhì)積累量顯著提高，從而提升產(chǎn)量。

表4 不同耕作方式對(duì)玉米干物質(zhì)積累量的影響Table 4 Effects of different tillage methods on maize dry matter accumulation 單位：t/hm2

2.6 不同耕作方式對(duì)玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

由表5可知，不同耕作方式2年籽粒產(chǎn)量均表現(xiàn)為RST>NT>CP>RNT。其中，RST下玉米籽粒產(chǎn)量最高，2 年平均為 12.00 t/hm2，較 NT、CP、RNT 分別提高了4.22%、6.06%和7.21%。從產(chǎn)量構(gòu)成因素來看，年份間穗粒數(shù)、千粒重差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.01）。不同耕作方式穗數(shù)和穗粒數(shù)差異顯著（P＜0.01或 P＜0.05）；同時(shí)可以看出，RST產(chǎn)量增加主要是因?yàn)轱@著提高了穗數(shù)，RST較NT、CP、RNT分別提高了1.90%、8.47%和7.22%。

表5 不同耕作方式對(duì)玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響Table 5 Effects of different tillage methods on maize yield and its components

3 討論

3.1 耕作方式對(duì)土壤溫度和水分的影響

土壤溫度是影響玉米生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要的因素之一，特別是在東北冷涼的氣候環(huán)境下，秸稈覆蓋等保護(hù)性耕作措施對(duì)土壤溫度的影響被學(xué)者們廣泛關(guān)注[9]。免耕會(huì)降低土壤溫度，在有秸稈覆蓋的條件下，對(duì)土壤影響更大[10]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈覆蓋處理均降低了土壤溫度，而隨著土層深度的增加，不同處理之間的差異逐漸縮小。在拔節(jié)期，5 cm土壤溫度差異最大，與CP相比，RST苗帶、NT、RNT分別降低0.91、1.52、3.52℃。此外，本試驗(yàn)結(jié)果表明，耕作方式顯著影響了玉米全生育期0～5 cm土壤活動(dòng)積溫，與CP相比，NT、RNT 0～5 cm土壤活動(dòng)積溫2年平均降低69.81、127.52℃，RST僅降低18.94℃，未達(dá)顯著差異。因?yàn)镽ST在播前進(jìn)行了條耕，露出了無秸稈覆蓋苗帶，同時(shí)進(jìn)行了深松，有利于提高苗帶土壤溫度，二者可以消減秸稈覆蓋降低溫度的劣勢(shì)。

大量研究認(rèn)為，土壤溫度與土壤水分呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[11]，秸稈覆蓋有保水、保墑的優(yōu)勢(shì)[12]，特別是在干旱地區(qū)或者干旱年份保水效果更好[13]。本試驗(yàn)因2021年降水量突增且地下水位較低，導(dǎo)致吐絲期7 d左右田間存在積水，且持續(xù)至玉米成熟，無法討論分析乳熟期、成熟期土壤含水量變化。與常規(guī)壟作（CP）相比，秸稈離田免耕（NT）、秸稈覆蓋免耕（RNT）、秸稈覆蓋條耕（RST）行間2021年苗期至吐絲期，不同土層含水量分別提高2.01%～9.45%、3.82%～14.80%和3.16%～13.80%；2022年苗期至吐絲期，不同土層土壤含水量分別提高2.38%～14.35%、5.02%～19.14%和 1.70%～17.12%；2022年乳熟期和成熟期，不同土層土壤含水量分別提高1.46%～6.49%、1.07%～11.29%和 0.79%～9.65%。NT增加土壤含水量原因是直接進(jìn)行免耕播種作業(yè)，對(duì)土壤擾動(dòng)較小[14]；RNT在此基礎(chǔ)上有秸稈覆蓋，降低了土壤水分蒸發(fā)[15]；RST土壤含水量增加的主要原因是條耕只清理出無秸稈播種帶，沒有大范圍擾動(dòng)土壤，秸稈覆蓋面積較大，雖然玉米苗帶水分散失較大，但行間因秸稈覆蓋可以顯著減少水分流失。而常規(guī)壟作需要在播種前進(jìn)行滅茬、旋耕、起壟等作業(yè)，擾動(dòng)了土壤，導(dǎo)致土壤水分散發(fā)較嚴(yán)重[16]。從0～100 cm土層貯水量來看，RNT全生育期2年平均較 CP、NT 分別提高 107.75、74.14 mm，RST 平均較 CP、NT 分別提高 71.50、37.89 mm；RST 的 WUE較其他耕作方式均顯著提高，與CP、NT和RNT相比，分別平均提高7.63%、5.61%和6.52%。這說明RST不僅提升土壤貯水能力，而且能更充分地利用水資源從而增加產(chǎn)量。由此可以看出，秸稈覆蓋條耕可以顯著提高土壤含水量及玉米水分利用效率，且土壤溫度與CP相比未有明顯降低，因此秸稈覆蓋條耕技術(shù)在內(nèi)蒙古旱作區(qū)有較好的應(yīng)用效果。

3.2 耕作方式對(duì)玉米生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響

耕作方式是改變土壤耕層結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)水熱特征，促進(jìn)玉米生長(zhǎng)發(fā)育的有效途徑[17]。有研究表明，免耕、少耕等保護(hù)性耕作會(huì)提高玉米產(chǎn)量[18]，主要是因?yàn)樯倜飧耐寥篮扛哂谄渌鞣绞?，有利于玉米生長(zhǎng)發(fā)育和提高產(chǎn)量[19]，并且在干旱地區(qū)或者在干旱年份較其他耕作方式有更好的產(chǎn)量效益[20]。另一部分學(xué)者認(rèn)為，秸稈覆蓋因其降低土壤溫度，增加表層土壤緊實(shí)度導(dǎo)致玉米早期生育進(jìn)程延遲，降低了玉米出苗率和干物質(zhì)積累，進(jìn)而降低產(chǎn)量[21]。還有學(xué)者認(rèn)為，免耕等保護(hù)性耕作對(duì)玉米產(chǎn)量的影響受土壤類型、年份以及耕作年限[22-23]等影響。本試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈覆蓋條耕（RST）較秸稈離田免耕（NT）、常規(guī)壟作（CP）、秸稈覆蓋免耕（RNT）出苗率分別提高1.58%、9.28%和9.11%。RST可有效提高各生育時(shí)期玉米干物質(zhì)積累量，成熟期平均較CP、NT和RNT分別提高11.68%、4.47%和12.69%。在產(chǎn)量及其構(gòu)成因素方面，RST產(chǎn)量較其他耕作方式增加4.22%～7.21%，穗數(shù)增加1.90%～8.47%。秸稈覆蓋條耕技術(shù)顯著提高了旱作區(qū)玉米出苗率、干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量。

4 結(jié)論

秸稈覆蓋條帶耕作可以有效改善土壤溫度及水分含量，具有較好增溫保墑效果。秸稈覆蓋條耕苗帶土壤溫度與常規(guī)壟作相比略有降低，但差異未達(dá)到顯著水平，其行間與覆蓋免耕土壤水分含量接近。秸稈覆蓋條帶耕作較其他處理顯著提高了玉米出苗率、干物質(zhì)累積量、產(chǎn)量和水分資源利用效率，是實(shí)現(xiàn)內(nèi)蒙古旱作區(qū)玉米增產(chǎn)增效的耕作措施之一。