文章編號：1672-3317（2017）09-0013-07
耕作方式對豫東夏玉米產量和水分利用效率的影響
張笑培1,2，周新國1,2，王靜麗3，樊向陽1,2，黃仲冬1,2，楊慎驕1,2，王和洲1,2
（1.中國農業科學院農田灌溉研究所，河南新鄉453002；2.河南商丘農田生態系統國家野外
科學觀測研究站，河南商丘476000；3.河南農業大學，鄭州452000）
摘要：豫東地區夏玉米生長季恰逢雨季，季節性強降水經常導致農田積水，使玉米生長受到澇漬災害威脅，為探索當地夏玉米的適宜栽培管理模式，試驗設置播前翻耕、深松和旋耕3種耕作處理，并以當地種植習慣的免耕貼茬播種為對照，通過田間小區試驗重點研究了不同耕作方式對農田土壤水分、夏玉米農藝性狀、籽粒產量及水分利用效率的影響。結果表明，與免耕貼茬播種處理相比，翻耕和深松處理均能在強降雨后有效降低表層土壤含水率，增加夏玉米生長中后期的株高和葉面積；翻耕和深松處理籽粒產量分別提高了26.55%和19.67%；翻耕和深松處理水分利用效率分別提高了15.37%和9.69%，旋耕處理降低了3.45%。綜合考慮夏玉米籽粒產量、水分利用效率等因素，翻耕和深松措施是適宜于豫東地區夏玉米高產的栽培模式。
關鍵詞：耕作方式；土壤水分；夏玉米；水分利用效率
中圖分類號：S157.4；S513文獻標志碼：A doi：10.ps.2017.09.003
張笑培，周新國，王靜麗，等.耕作方式對豫東夏玉米產量和水分利用效率的影響[J].灌溉排水學報，2017，36（9）：13-19.
0引言
黃淮海平原是我國重要的優質商品糧生產基地，地處黃淮平原腹地的豫東地區，受暖溫帶亞濕潤季風氣候的影響，降水（多年平均降水量708mm）季節分布不均，主要集中在7—9月，春旱夏澇是當地主要的氣候特點。夏玉米生長處于該區域的降雨季節，強降水極易造成澇漬災害，對玉米籽粒產量造成嚴重的負面影響。
黃淮海平原大面積推廣應用的冬小麥機械化收獲后秸稈就地覆蓋、夏玉米貼茬播種耕作模式，導致土壤壓實，犁底層土壤干體積密度和厚度逐年增加、通透性下降，進一步阻礙了農田表層水分的入滲，不僅降低了夏玉米對生長季自然降水的高效利用，而且導致強降雨后農田積水，夏玉米生長受到澇漬脅迫，最終影響夏玉米經濟產量和水分利用效率。
國內外研究表明，耕作措施可以改善土壤蓄水能力、增加土壤滲透性、改變土壤肥力，是農業生產中
普遍應用的土壤擴蓄增容措施之一[1-3]。受氣候條件及土壤質地等多方面的影響，相關研究結論不盡相同[4-5]。研究表明[6-8]，在旱作條件下，免耕覆蓋有利于提高作物產量和水分利用效率，連續多年實施少免耕，土壤貯水量增加；也有研究表明[9-11]，長期免耕條件下土壤壓實程度加重，干體積質量增加，不利于作物根系發育，產量顯著降低。深松可以有效打破犁底層，降低土壤干體積質量，增加夏玉米根深，提高水分利用效率，但深松能有效提高黏重土壤的入滲能力，而對輕質粉壤土影響不大[12-14]。翻耕后土壤水分散失較快，土壤緊實度過低，蓄水保水效果低于免耕、深松處理[15-16]。胡守林等[17]研究表明，翻耕覆膜可以促進玉米根系生長，其增產節水效果優于免耕處理；劉爽等[18]研究表明黑土區旋耕相比于免耕、少耕能提高玉米水分利用效率和產量。
收稿日期：2016-09-14
基金項目：國家高技術研究發展計劃項目（2013AA102903）；公益性行業（農業）科研專項經費項目（201203077）
作者簡介：張笑培（1978-），女，河北藁城人。副研究員，主要從事農田水分高效利用的研究。E-mail:*****************
通信作者：王和洲（1962-），男，河南南陽人。研究員，主要從事農田水分高效利用與農業生態研究。E-mail:****************
針對豫東地區夏澇導致作物生長受到澇漬脅迫以及自然降水利用效率較低等生產問題，以夏玉米為研究對象，重點研究不同耕作方式對農田土壤水分動態變化以及籽粒產量和水分利用效率特別是降水利用效率的影響，分析不同耕作方式的蓄水保墑和增收效果，以期為當地冬小麥-夏玉米連作條件下玉米優質高產以及雨水高效利用提供一定理論依據與技術參考。
1材料與方法
1.1試驗區概況
試驗于2012年6—9月在河南商丘農田生態系統國家野外科學觀測研究站（115°34′E，34°35′N）進行。試驗區屬暖溫帶亞濕潤季風性氣候，多年平均降水量708mm，且主要集中在7—9月（占全年降水量的65%~75%），年蒸發量為1735mm，多年平均氣溫13.9℃，無霜期230d。試驗區土壤質地為輕黏質土質，0~100cm平均土壤干體積質量為1.46g/cm，田間持水率為36.72%（體積含水率），耕層土壤有機質質量分數為9.8g/kg，全氮量為0.78g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀量分別為56.4、10.5、52.6mg/kg。
1.2試驗設計
供試夏玉米品種為農華101，玉米生育期劃分為苗期、拔節期、抽雄吐絲期和灌漿成熟期4個生育階段。
在冬小麥秸稈粉碎還田基礎上分別進行播前翻耕（FT）、深松（ST）、和旋耕（XT）和傳統貼茬播種（CK），共4個處理（表1），各處理重復3次，小區面積10m′45m。前茬小麥收獲后于2012年6月10日整地播種，播種深度5cm，行距為60cm。播種時施種肥450kg/hm2（復合肥養分量ω（N）∶ω（P2O5）∶ω（K2O）=24∶16∶5），拔節期（2012年7月19日）追施尿素300kg/hm2（純氮質量分數為46%）。試驗區灌溉方式采用微噴帶灌水，灌溉系統首部安裝壓力表和過濾裝置等設備，灌溉水源為地下水，灌水量用水表計量。苗期所有處理均灌水40mm。
表1土壤耕作處理
處理
翻耕（FT）深松（ST）旋耕（XT）對照（CK）
具體措施
前茬小麥秸稈全部粉碎還田，撒施底肥，鏵式犁翻耕（深度30cm），旋耕機旋耕2遍，機播玉米
前茬小麥秸稈全部粉碎還田，撒施底肥，深松機深松1遍（深度30cm），旋耕機旋耕2遍，機播玉米前茬小麥秸稈全部粉碎還田，撒施底肥，旋耕機旋耕2遍（深度18cm），機播玉米
小麥收獲時，留茬15~20cm，秸稈全部粉碎，覆蓋在地表，玉米貼茬播種
1.3測定項目和方法
1.3.1土壤含水率
夏玉米生育期內采用烘干稱質量法分層（0~20、20~40、40~60、60~80和80~100cm）觀測0~100cm土層土壤含水率，觀測周期為5~7d，灌水前后和降雨后加測。
1.3.2夏玉米生長發育
每小區選5株長勢均一的植株掛牌定株測量其株高、葉面積等指標。株高、葉面積均采用精度為0.1cm 的鋼卷尺測量，葉片測量其最大長度和寬度，用0.7的系數乘以葉片的長和寬計算單片葉面積，從而計算出單株葉面積，再根據種植密度計算葉面積指數。
1.3.3收獲考種、田間測產與耗水量計算
試驗結束后各小區隨機取10株進行考種，測定株高、穗長、穗行數、行粒數、單穗質量、百粒質量、地上部干物質量等指標。
收獲時各小區單打單收計產，以實收產量測算各處理產量，并折合產量。
各處理耗水量采用水量平衡公式計算，即：
ET c=R+I-F+Q-S+?W，（1）式中：ET c為作物蒸發蒸騰量（mm）；R為降水量（mm）；I為灌水量（mm）；F為地表徑流（mm）；Q為地下水補給量（mm）；S為深層滲漏量（mm）；ΔW為土壤貯水量的減少量，由實測的土壤含水率求得：
?W=W i-W i+1，（2）式中：W i和W i+1分別為第i個時段初和時段末的土壤貯水量（mm）。為方便水量平衡計算，將含水率換算為以mm為單位的土壤貯水量W，即：
W=θ·γ·H/10，（3）
式中：W 為土壤貯水量（mm ）；θ為土壤質量含水率（%）；γ為土壤干體積密度（g/cm 3）；H 為土壤土層計算厚度（cm ）。1.3.4氣象資料
通過商丘國家站的自動氣象觀測站連續監測試驗期間的太陽輻射強度、氣溫、相對濕度、風速和降雨量等常規氣象指標。1.4數據處理
利用Microsoft Excel 2010、SAS6.0軟件對數據進行統計分析。差異顯著性采用LSD 法進行比較。
2結果與分析
2.1不同耕作方式對土壤水分的影響
2.1.1不同耕作方式對0~20cm 土壤含水率的影響
不同處理0~20cm 土壤含水率的變化如圖1所示，在夏玉米整個生育過程中，CK 土壤含水率均高于FT 、ST 、XT 處理。整個生育期內表層0~20cm 土壤含水率均在田間持水率（q f =36.72%）的50%以上，平均含水率為q f 的74.5%~82.8%。可以滿足夏玉米生長的需求，僅在7月下旬和8月中旬出現土壤含水率低谷，但隨后降雨后土壤含水率升高。在夏玉米苗期和拔節期（6月10日—7月12日），由于植株較小，對土壤水分的消耗量少，各處理和CK 之間差異不顯著，從拔節期開始到抽雄期，植株逐漸長大，對土壤水分消耗量增加。7月初遇到連續降雨，7d 內累積降水量超過了200mm ，各處理土壤含水率均明
顯增加。由圖1可知，7月10、15、18日CK 的0~20cm 土層土壤含水率（分別為41.60%、41.57%和38.53%）均高于q f ；FT 處理0~20cm 土層土壤含水率（分別為35.06%、34.50%和31.97%）均低于q f ；ST 和XT 處理的觀測值介于二者之間；而且CK 的觀測值與其他3種耕作處理差異明顯，其主要原因是翻耕、深松、旋耕3種耕作處理疏松表層土壤，同時將粉碎的前茬小麥秸稈埋入土中，土壤中孔隙度變大，增加了土壤的通透性，有效減少了表層積水。而且翻耕和深松處理在提高耕層土壤孔隙度的同時，有效打破了犁底層，有利于雨水的快速入滲。至8月16日，土壤水分動態呈現出低谷，與CK 相比，XT 處理土壤含水率降低了14.85%，FT 和ST 處理分別提高了8.06%和6.16%。
2.1.2不同耕作方式下夏玉米土壤剖面水分分布
圖2為不同時期0~100cm 土層剖面土壤水分分布情況。從圖2可以看到，夏玉米播種后13d ，各處理0~20cm 土壤含水率差異不大，而0~40cm 土層CK 土壤含水率明顯低于其他處理。播種后21d 經過苗期灌溉（6月24日灌水40mm ）后，各處理土壤含水率明顯增加，而且3種耕作處理不同層次的土壤含水率均大于CK 。由于7月初連續降水200mm ，播種后31d 的觀測結果表明，各處理不同層次土壤含水率尤其是40cm 以下的土壤含水率均接近或超過田間持水率，其中CK 0~20cm 的土壤含水率最高（41.6%），遠超過了q f ，且均高于FT （35.0%）、ST （36.9%）和XT （39.0%）處理；FT 處理表層含水率最低，這是由于翻耕措施增加表層土壤孔隙度，打破了犁底層，在促進雨水快速下滲的同時擴大根區土壤蓄水能力。在夏玉米生長的中后期（播種后45d 和67d ）土壤剖面土壤含水率變化趨勢基本一致，均表現為表層土壤含水率低于40cm 以下土層土壤含水率，夏玉米播種后92d 的觀測結果表明，收獲期與播種后45d 、播種后67d 變化趨勢基本一致，表層20cm 土壤含水率增加，與夏玉米生育后期降雨密切相關。降水后CK 表層土壤含水率明顯高于其他3種耕作處理，這是因為不同耕作措施改變了耕層土壤結構，進而影響了農田土壤棵間蒸發和蓄水能力，同時不同程度影響了自然降水向深層土壤入滲，
進而影響了不同層次的土壤水分分布。
圖1降水量及不同處理0~20cm 土壤水分動態變化過程
（a ）播種后13d （b ）播種后21d （c ）播種后31d
（d ）播種后45d （e ）播種后67d （f ）播種后92d
圖2不同時期0~100cm 土壤剖面水分動態
圖3是7月4—8日強降雨（降雨量214.2mm ）后第4天（7月12日）、第7天（7月15日）、第10天（7月18日）不同處理0~100cm 土層剖面土壤含水率變化。
（a ）7月12日（b ）7月15日（c ）7月18日
圖3強降雨后第4、7、10天土壤剖面水分動態
從圖3可以看出，強降雨后第4天，0~20cm 土層含水率差異較大，變化趨勢為CK>XT 處理>ST 處理>FT 處理，CK 表層土壤含水率最高（36.47%），接近于q f ，除CK 表層含水率與深層土壤含水率基本持平外，其他3種處理20cm 以下土壤含水率均大于表層含水率。強降雨后第7天（7月15日），歷經7月13日、14日累計28.8mm 的降水，各處理土壤水分得到補充，CK 表層含水率（38.57%）超過了q f 。強降雨后第10天，各處理表層含水率下降較為明顯，深層土壤含水率變化不大，CK 表層含水率仍然高于其他處理，但是已經低于q f ，FT 處理表層含水率最低。20cm 以下深層土壤含水率各處理間差異不明顯，但均高于q f 的80%，處于高水分狀態。
2.2不同耕作方式對夏玉米生長的影響
夏玉米生長初期，各處理株高差異不顯著，播種后10d 和21d 觀測結果表明，CK 株高最高，分別為12.1和41.0cm ，XT 處理株高最低分別為10.3和33.7cm ，FT 和ST 處理介于二者之間，株高由大到小的順序依次為CK>ST 處理>FT 處理>XT 處理。播種后31d ，株高的大小順序為FT 處理>ST 處理>CK>XT 處理，與CK
相比，FT 、ST 處理無顯著性差異，XT 處理差異明顯，比CK 降低5.70%。夏玉米進入拔節期，由于在7月初經過為期5d 的強降雨（總降雨量達到214.2mm ），田間土壤含水率達到或超過q f ，夏玉米受到不同程度的澇漬脅迫，與CK 相比，FT 和ST 處理由于播前耕作措施打破了犁底層，有利于雨水的快速入滲，因此在一定程度上有效緩解了澇漬脅迫對玉米生長的負面影響。播種后40d 調查結果表明，FT 和ST 處理的株高分別比CK 增加了30.01%和5.96%，各處理株高從高到低依次為FT 處理>ST 處理>CK >XT 處理。夏玉米抽雄灌漿期以及灌漿成熟期觀測結果表明，夏玉米株高均表現為FT 處理最高，ST 處理次之，CK 最低。
夏玉米生長初期葉面積指數差異較小，FT 處理最高（0.13），XT 處理最低（0.08），ST 處理（0.12）和CK （0.09）介于二者之間，處理間差異不明顯。進入拔節期后，由于強降水的影響，土壤擴蓄增容的優勢逐漸顯現。播種后40d 調查結果表明，與CK 相比，FT 和ST 處理的葉面積指數分別增加了105.15%和41.24%，XT 處理的葉面積指數降低了13.40%。在夏玉米生長的中后期，CK 和XT 處理葉面積指數差異不明顯，但均顯著低于FT 和ST 處理。
夏玉米生長初期，不同耕作措施對夏玉米株高和葉面積的影響差異不顯著，中后期隨著夏玉米生育進程的推進，差異逐漸顯現，其中FT 、ST 處理夏玉米株高和葉面積均明顯大于CK （表2，表3），XT 處理略低于CK ，說明適宜的耕作措施能夠促進夏玉米生長，這與耕作措施能夠有效提高土壤水分保蓄能力，改善土壤結構，優化土壤環境等直接相關。
表2不同時期夏玉米株高
cm
處理FT ST XT CK
注同列不同字母表示處理間差異顯著（P <0.05）。下同。
播后10d 11.87a 11.5a 10.3a 12.1a
播后21d 37.64ab 37.8ab 33.7b 41.0a
播后31d 61.2a 60.5a 56.2b 59.6a
播后40d 120.1a 102.3b 82.3c 96.6b
播后54d 200.1a 180.4b 161.2c 155.2d
播后68d 281.2a 265.1ab 251.0bc 239.1c
播后83d
294.1a 289.25a 281.6a 256.8b
表3不同時期夏玉米葉面積指數（LAI ）
處理FT ST XT CK
播后10d 0.13a 0.12a 0.08a 0.09a
播后21d 0.19a 0.18a 0.13b 0.17ab
播后31d 1.25a 1.15b 0.78b 0.85b
播后40d 1.99a 1.37b 0.84c 0.97c
播后54d 2.62a 2.25bc 1.75bc 1.94c
播后68d 2.95a 2.61b 1.92c 2.16bc
播后83d 2.98a 2.88a 2.20b 2.24b
2.3不同耕作方式對夏玉米耗水量和水分利用效率（WUE ）的影響
夏玉米生長季累積降水475.0mm （圖1），其中次降水量大于5、20、40和60mm 的累積降水量分別為453.2、358.4、185.0和143.4mm ；其中7月4—8日累積降水量達到了214.2mm ，在補充田間根層土壤水分的同時，使作物受到淹水和澇漬災害脅迫，同時產生地表徑流和深層滲漏。不同處理夏玉米全生育期耗水量為381.11~418.05mm ，FT 和ST 處理耗水量無顯著差異，但均顯著高于CK （表4），FT 、ST 和XT 處理的耗水量分別比CK 增加了9.69%、9.09%和3.54%。
表4不同處理夏玉米的耗水量和WUE
項目FT ST XT CK
穗長/cm 19.40a 19.71a 18.56a 19.04a
禿尖長/cm 1.36ab 1.27b 1.80ab 1.79a
穗粗/cm 4.81a 4.76a 4.67a 4.68a
穗行數/行13.87a 13.47a 13.13a 13.16a
行粒數/粒38.78ab 39.33a 37.97b 37.64b
百粒質量/g 33.55a 32.74a 28.57b 29.35b
籽粒產量/（kg·hm -2）10140.57a 9588.96b 8010.38c 8013.09c
耗水量/mm 418.05a 415.79a 394.60b 381.11b
WUE /（kg·m -3）
2.43a 2.31b 2.03c 2.10c
WUE 是衡量植物消耗單位水量的產出同化量，反映植物生產過程水分轉化效率的重要指標之一。試驗結果（表4）表明，籽粒產量以FT 處理最高，XT 處理最低，與CK 相比，FT 、ST 處理的產量分別提高了26.55%、19.67%，FT 、ST 處理與CK 間差異均達到了顯著性水平；XT 處理籽粒產量最低，與FT 、ST 處理之間的差異達到了顯著性水平，與CK 差異不明顯。與CK 相比，FT 和ST 處理的WUE 分別提高了15.37%和9.69%，差異達到了顯著性水平。表明翻耕、深松耕作措施能改善土壤生態環境，增強夏玉米生長發育對土壤水分的轉化
