文章编号：1672-3317（2017）09-0013-07
耕作方式对豫东夏玉米产量和水分利用效率的影响
张笑培1,2，周新国1,2，王静丽3，樊向阳1,2，黄仲冬1,2，杨慎骄1,2，王和洲1,2
（1.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡453002；2.河南商丘农田生态系统国家野外
科学观测研究站，河南商丘476000；3.河南农业大学，郑州452000）
摘要：豫东地区夏玉米生长季恰逢雨季，季节性强降水经常导致农田积水，使玉米生长受到涝渍灾害威胁，为探索当地夏玉米的适宜栽培管理模式，试验设置播前翻耕、深松和旋耕3种耕作处理，并以当地种植习惯的免耕贴茬播种为对照，通过田间小区试验重点研究了不同耕作方式对农田土壤水分、夏玉米农艺性状、籽粒产量及水分利用效率的影响。结果表明，与免耕贴茬播种处理相比，翻耕和深松处理均能在强降雨后有效降低表层土壤含水率，增加夏玉米生长中后期的株高和叶面积；翻耕和深松处理籽粒产量分别提高了26.55%和19.67%；翻耕和深松处理水分利用效率分别提高了15.37%和9.69%，旋耕处理降低了3.45%。综合考虑夏玉米籽粒产量、水分利用效率等因素，翻耕和深松措施是适宜于豫东地区夏玉米高产的栽培模式。
关键词：耕作方式；土壤水分；夏玉米；水分利用效率
中图分类号：S157.4；S513文献标志码：A doi：10.ps.2017.09.003
张笑培，周新国，王静丽，等.耕作方式对豫东夏玉米产量和水分利用效率的影响[J].灌溉排水学报，2017，36（9）：13-19.
0引言
黄淮海平原是我国重要的优质商品粮生产基地，地处黄淮平原腹地的豫东地区，受暖温带亚湿润季风气候的影响，降水（多年平均降水量708mm）季节分布不均，主要集中在7—9月，春旱夏涝是当地主要的气候特点。夏玉米生长处于该区域的降雨季节，强降水极易造成涝渍灾害，对玉米籽粒产量造成严重的负面影响。
黄淮海平原大面积推广应用的冬小麦机械化收获后秸秆就地覆盖、夏玉米贴茬播种耕作模式，导致土壤压实，犁底层土壤干体积密度和厚度逐年增加、通透性下降，进一步阻碍了农田表层水分的入渗，不仅降低了夏玉米对生长季自然降水的高效利用，而且导致强降雨后农田积水，夏玉米生长受到涝渍胁迫，最终影响夏玉米经济产量和水分利用效率。
国内外研究表明，耕作措施可以改善土壤蓄水能力、增加土壤渗透性、改变土壤肥力，是农业生产中
普遍应用的土壤扩蓄增容措施之一[1-3]。受气候条件及土壤质地等多方面的影响，相关研究结论不尽相同[4-5]。研究表明[6-8]，在旱作条件下，免耕覆盖有利于提高作物产量和水分利用效率，连续多年实施少免耕，土壤贮水量增加；也有研究表明[9-11]，长期免耕条件下土壤压实程度加重，干体积质量增加，不利于作物根系发育，产量显著降低。深松可以有效打破犁底层，降低土壤干体积质量，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渗能力，而对轻质粉壤土影响不大[12-14]。翻耕后土壤水分散失较快，土壤紧实度过低，蓄水保水效果低于免耕、深松处理[15-16]。胡守林等[17]研究表明，翻耕覆膜可以促进玉米根系生长，其增产节水效果优于免耕处理；刘爽等[18]研究表明黑土区旋耕相比于免耕、少耕能提高玉米水分利用效率和产量。
收稿日期：2016-09-14
基金项目：国家高技术研究发展计划项目（2013AA102903）；公益性行业（农业）科研专项经费项目（201203077）
作者简介：张笑培（1978-），女，河北藁城人。副研究员，主要从事农田水分高效利用的研究。E-mail:*****************
通信作者：王和洲（1962-），男，河南南阳人。研究员，主要从事农田水分高效利用与农业生态研究。E-mail:****************
针对豫东地区夏涝导致作物生长受到涝渍胁迫以及自然降水利用效率较低等生产问题，以夏玉米为研究对象，重点研究不同耕作方式对农田土壤水分动态变化以及籽粒产量和水分利用效率特别是降水利用效率的影响，分析不同耕作方式的蓄水保墒和增收效果，以期为当地冬小麦-夏玉米连作条件下玉米优质高产以及雨水高效利用提供一定理论依据与技术参考。
1材料与方法
1.1试验区概况
试验于2012年6—9月在河南商丘农田生态系统国家野外科学观测研究站（115°34′E，34°35′N）进行。试验区属暖温带亚湿润季风性气候，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%），年蒸发量为1735mm，多年平均气温13.9℃，无霜期230d。试验区土壤质地为轻黏质土质，0~100cm平均土壤干体积质量为1.46g/cm，田间持水率为36.72%（体积含水率），耕层土壤有机质质量分数为9.8g/kg，全氮量为0.78g/kg，碱解氮、速效磷、速效钾量分别为56.4、10.5、52.6mg/kg。
1.2试验设计
供试夏玉米品种为农华101，玉米生育期划分为苗期、拔节期、抽雄吐丝期和灌浆成熟期4个生育阶段。
在冬小麦秸秆粉碎还田基础上分别进行播前翻耕（FT）、深松（ST）、和旋耕（XT）和传统贴茬播种（CK），共4个处理（表1），各处理重复3次，小区面积10m´45m。前茬小麦收获后于2012年6月10日整地播种，播种深度5cm，行距为60cm。播种时施种肥450kg/hm2（复合肥养分量ω（N）∶ω（P2O5）∶ω（K2O）=24∶16∶5），拔节期（2012年7月19日）追施尿素300kg/hm2（纯氮质量分数为46%）。试验区灌溉方式采用微喷带灌水，灌溉系统首部安装压力表和过滤装置等设备，灌溉水源为地下水，灌水量用水表计量。苗期所有处理均灌水40mm。
表1土壤耕作处理
处理
翻耕（FT）深松（ST）旋耕（XT）对照（CK）
具体措施
前茬小麦秸秆全部粉碎还田，撒施底肥，铧式犁翻耕（深度30cm），旋耕机旋耕2遍，机播玉米
前茬小麦秸秆全部粉碎还田，撒施底肥，深松机深松1遍（深度30cm），旋耕机旋耕2遍，机播玉米前茬小麦秸秆全部粉碎还田，撒施底肥，旋耕机旋耕2遍（深度18cm），机播玉米
小麦收获时，留茬15~20cm，秸秆全部粉碎，覆盖在地表，玉米贴茬播种
1.3测定项目和方法
1.3.1土壤含水率
夏玉米生育期内采用烘干称质量法分层（0~20、20~40、40~60、60~80和80~100cm）观测0~100cm土层土壤含水率，观测周期为5~7d，灌水前后和降雨后加测。
1.3.2夏玉米生长发育
每小区选5株长势均一的植株挂牌定株测量其株高、叶面积等指标。株高、叶面积均采用精度为0.1cm 的钢卷尺测量，叶片测量其最大长度和宽度，用0.7的系数乘以叶片的长和宽计算单片叶面积，从而计算出单株叶面积，再根据种植密度计算叶面积指数。
1.3.3收获考种、田间测产与耗水量计算
试验结束后各小区随机取10株进行考种，测定株高、穗长、穗行数、行粒数、单穗质量、百粒质量、地上部干物质量等指标。
收获时各小区单打单收计产，以实收产量测算各处理产量，并折合产量。
各处理耗水量采用水量平衡公式计算，即：
ET c=R+I-F+Q-S+∆W，（1）式中：ET c为作物蒸发蒸腾量（mm）；R为降水量（mm）；I为灌水量（mm）；F为地表径流（mm）；Q为地下水补给量（mm）；S为深层渗漏量（mm）；ΔW为土壤贮水量的减少量，由实测的土壤含水率求得：
∆W=W i-W i+1，（2）式中：W i和W i+1分别为第i个时段初和时段末的土壤贮水量（mm）。为方便水量平衡计算，将含水率换算为以mm为单位的土壤贮水量W，即：
W=θ·γ·H/10，（3）
式中：W 为土壤贮水量（mm ）；θ为土壤质量含水率（%）；γ为土壤干体积密度（g/cm 3）；H 为土壤土层计算厚度（cm ）。1.3.4气象资料
通过商丘国家站的自动气象观测站连续监测试验期间的太阳辐射强度、气温、相对湿度、风速和降雨量等常规气象指标。1.4数据处理
利用Microsoft Excel 2010、SAS6.0软件对数据进行统计分析。差异显著性采用LSD 法进行比较。
2结果与分析
2.1不同耕作方式对土壤水分的影响
2.1.1不同耕作方式对0~20cm 土壤含水率的影响
不同处理0~20cm 土壤含水率的变化如图1所示，在夏玉米整个生育过程中，CK 土壤含水率均高于FT 、ST 、XT 处理。整个生育期内表层0~20cm 土壤含水率均在田间持水率（q f =36.72%）的50%以上，平均含水率为q f 的74.5%~82.8%。可以满足夏玉米生长的需求，仅在7月下旬和8月中旬出现土壤含水率低谷，但随后降雨后土壤含水率升高。在夏玉米苗期和拔节期（6月10日—7月12日），由于植株较小，对土壤水分的消耗量少，各处理和CK 之间差异不显著，从拔节期开始到抽雄期，植株逐渐长大，对土壤水分消耗量增加。7月初遇到连续降雨，7d 内累积降水量超过了200mm ，各处理土壤含水率均明
显增加。由图1可知，7月10、15、18日CK 的0~20cm 土层土壤含水率（分别为41.60%、41.57%和38.53%）均高于q f ；FT 处理0~20cm 土层土壤含水率（分别为35.06%、34.50%和31.97%）均低于q f ；ST 和XT 处理的观测值介于二者之间；而且CK 的观测值与其他3种耕作处理差异明显，其主要原因是翻耕、深松、旋耕3种耕作处理疏松表层土壤，同时将粉碎的前茬小麦秸秆埋入土中，土壤中孔隙度变大，增加了土壤的通透性，有效减少了表层积水。而且翻耕和深松处理在提高耕层土壤孔隙度的同时，有效打破了犁底层，有利于雨水的快速入渗。至8月16日，土壤水分动态呈现出低谷，与CK 相比，XT 处理土壤含水率降低了14.85%，FT 和ST 处理分别提高了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
图2为不同时期0~100cm 土层剖面土壤水分分布情况。从图2可以看到，夏玉米播种后13d ，各处理0~20cm 土壤含水率差异不大，而0~40cm 土层CK 土壤含水率明显低于其他处理。播种后21d 经过苗期灌溉（6月24日灌水40mm ）后，各处理土壤含水率明显增加，而且3种耕作处理不同层次的土壤含水率均大于CK 。由于7月初连续降水200mm ，播种后31d 的观测结果表明，各处理不同层次土壤含水率尤其是40cm 以下的土壤含水率均接近或超过田间持水率，其中CK 0~20cm 的土壤含水率最高（41.6%），远超过了q f ，且均高于FT （35.0%）、ST （36.9%）和XT （39.0%）处理；FT 处理表层含水率最低，这是由于翻耕措施增加表层土壤孔隙度，打破了犁底层，在促进雨水快速下渗的同时扩大根区土壤蓄水能力。在夏玉米生长的中后期（播种后45d 和67d ）土壤剖面土壤含水率变化趋势基本一致，均表现为表层土壤含水率低于40cm 以下土层土壤含水率，夏玉米播种后92d 的观测结果表明，收获期与播种后45d 、播种后67d 变化趋势基本一致，表层20cm 土壤含水率增加，与夏玉米生育后期降雨密切相关。降水后CK 表层土壤含水率明显高于其他3种耕作处理，这是因为不同耕作措施改变了耕层土壤结构，进而影响了农田土壤棵间蒸发和蓄水能力，同时不同程度影响了自然降水向深层土壤入渗，
进而影响了不同层次的土壤水分分布。
图1降水量及不同处理0~20cm 土壤水分动态变化过程
（a ）播种后13d （b ）播种后21d （c ）播种后31d
（d ）播种后45d （e ）播种后67d （f ）播种后92d
图2不同时期0~100cm 土壤剖面水分动态
图3是7月4—8日强降雨（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）不同处理0~100cm 土层剖面土壤含水率变化。
（a ）7月12日（b ）7月15日（c ）7月18日
图3强降雨后第4、7、10天土壤剖面水分动态
从图3可以看出，强降雨后第4天，0~20cm 土层含水率差异较大，变化趋势为CK>XT 处理>ST 处理>FT 处理，CK 表层土壤含水率最高（36.47%），接近于q f ，除CK 表层含水率与深层土壤含水率基本持平外，其他3种处理20cm 以下土壤含水率均大于表层含水率。强降雨后第7天（7月15日），历经7月13日、14日累计28.8mm 的降水，各处理土壤水分得到补充，CK 表层含水率（38.57%）超过了q f 。强降雨后第10天，各处理表层含水率下降较为明显，深层土壤含水率变化不大，CK 表层含水率仍然高于其他处理，但是已经低于q f ，FT 处理表层含水率最低。20cm 以下深层土壤含水率各处理间差异不明显，但均高于q f 的80%，处于高水分状态。
2.2不同耕作方式对夏玉米生长的影响
夏玉米生长初期，各处理株高差异不显著，播种后10d 和21d 观测结果表明，CK 株高最高，分别为12.1和41.0cm ，XT 处理株高最低分别为10.3和33.7cm ，FT 和ST 处理介于二者之间，株高由大到小的顺序依次为CK>ST 处理>FT 处理>XT 处理。播种后31d ，株高的大小顺序为FT 处理>ST 处理>CK>XT 处理，与CK
相比，FT 、ST 处理无显著性差异，XT 处理差异明显，比CK 降低5.70%。夏玉米进入拔节期，由于在7月初经过为期5d 的强降雨（总降雨量达到214.2mm ），田间土壤含水率达到或超过q f ，夏玉米受到不同程度的涝渍胁迫，与CK 相比，FT 和ST 处理由于播前耕作措施打破了犁底层，有利于雨水的快速入渗，因此在一定程度上有效缓解了涝渍胁迫对玉米生长的负面影响。播种后40d 调查结果表明，FT 和ST 处理的株高分别比CK 增加了30.01%和5.96%，各处理株高从高到低依次为FT 处理>ST 处理>CK >XT 处理。夏玉米抽雄灌浆期以及灌浆成熟期观测结果表明，夏玉米株高均表现为FT 处理最高，ST 处理次之，CK 最低。
夏玉米生长初期叶面积指数差异较小，FT 处理最高（0.13），XT 处理最低（0.08），ST 处理（0.12）和CK （0.09）介于二者之间，处理间差异不明显。进入拔节期后，由于强降水的影响，土壤扩蓄增容的优势逐渐显现。播种后40d 调查结果表明，与CK 相比，FT 和ST 处理的叶面积指数分别增加了105.15%和41.24%，XT 处理的叶面积指数降低了13.40%。在夏玉米生长的中后期，CK 和XT 处理叶面积指数差异不明显，但均显著低于FT 和ST 处理。
夏玉米生长初期，不同耕作措施对夏玉米株高和叶面积的影响差异不显著，中后期随着夏玉米生育进程的推进，差异逐渐显现，其中FT 、ST 处理夏玉米株高和叶面积均明显大于CK （表2，表3），XT 处理略低于CK ，说明适宜的耕作措施能够促进夏玉米生长，这与耕作措施能够有效提高土壤水分保蓄能力，改善土壤结构，优化土壤环境等直接相关。
表2不同时期夏玉米株高
cm
处理FT ST XT CK
注同列不同字母表示处理间差异显著（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不同时期夏玉米叶面积指数（LAI ）
处理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不同耕作方式对夏玉米耗水量和水分利用效率（WUE ）的影响
夏玉米生长季累积降水475.0mm （图1），其中次降水量大于5、20、40和60mm 的累积降水量分别为453.2、358.4、185.0和143.4mm ；其中7月4—8日累积降水量达到了214.2mm ，在补充田间根层土壤水分的同时，使作物受到淹水和涝渍灾害胁迫，同时产生地表径流和深层渗漏。不同处理夏玉米全生育期耗水量为381.11~418.05mm ，FT 和ST 处理耗水量无显著差异，但均显著高于CK （表4），FT 、ST 和XT 处理的耗水量分别比CK 增加了9.69%、9.09%和3.54%。
表4不同处理夏玉米的耗水量和WUE
项目FT ST XT CK
穗长/cm 19.40a 19.71a 18.56a 19.04a
秃尖长/cm 1.36ab 1.27b 1.80ab 1.79a
穗粗/cm 4.81a 4.76a 4.67a 4.68a
穗行数/行13.87a 13.47a 13.13a 13.16a
行粒数/粒38.78ab 39.33a 37.97b 37.64b
百粒质量/g 33.55a 32.74a 28.57b 29.35b
籽粒产量/（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 是衡量植物消耗单位水量的产出同化量，反映植物生产过程水分转化效率的重要指标之一。试验结果（表4）表明，籽粒产量以FT 处理最高，XT 处理最低，与CK 相比，FT 、ST 处理的产量分别提高了26.55%、19.67%，FT 、ST 处理与CK 间差异均达到了显著性水平；XT 处理籽粒产量最低，与FT 、ST 处理之间的差异达到了显著性水平，与CK 差异不明显。与CK 相比，FT 和ST 处理的WUE 分别提高了15.37%和9.69%，差异达到了显著性水平。表明翻耕、深松耕作措施能改善土壤生态环境，增强夏玉米生长发育对土壤水分的转化
