小麥/玉米免耕處理對(duì)產(chǎn)量及土壤水分和風(fēng)蝕的影響

包興國(guó)，舒秋萍，李全福，劉生戰(zhàn)，張久東，胡志橋，孫建好，張旭臨

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，730070，蘭州)

我國(guó)是世界上耕地土壤侵蝕最嚴(yán)重的國(guó)家之一，全國(guó)耕地土壤侵蝕面積為4 033 萬(wàn)hm2，占耕地總面積的33.15%，僅風(fēng)力侵蝕就占耕地土壤侵蝕面積的11.08%，全國(guó)因風(fēng)蝕沙化損失的土壤有機(jī)質(zhì)以及氮、磷、鉀等有效成分高達(dá)5 590 萬(wàn)t［1］。耕地土壤侵蝕已對(duì)我國(guó)的糧食安全、生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅［1］。以免耕秸稈覆蓋為主的保護(hù)性耕作技術(shù)是人類(lèi)在遭受?chē)?yán)重土壤風(fēng)蝕、水蝕危害后，從保護(hù)耕地和治理沙塵暴角度出發(fā)逐漸研究和發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型水土保持耕作技術(shù)。免耕具有減少土壤侵蝕、提高土壤保水性、增加土壤有機(jī)質(zhì)、增強(qiáng)土壤微生物活性和改善土壤結(jié)構(gòu)的作用，是作物增產(chǎn)的重要基礎(chǔ)［2－5］。劉立晶等［6］、高煥文等［7］研究結(jié)果顯示，在華北一年兩熟地區(qū)，采用玉米(Zea mays)+小麥(Triticum aestivum)全程免耕秸稈覆蓋處理可提高玉米和小麥產(chǎn)量9.71%～11.81%。李洪文等［8］在山西省進(jìn)行了旱地整秸稈覆蓋免耕研究，認(rèn)為夏閑期采用秸稈覆蓋免耕具有良好的蓄水保墑作用，并可有效地減輕土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)。廖充成等［9］在陜西乾縣的研究認(rèn)為，夏閑期實(shí)行小麥高留茬的殘茬覆蓋能將夏閑期50%的降水最大限度地蓄住、保住，蓄水率超過(guò)55%。賈延明等［10］在山西省壽陽(yáng)縣的研究認(rèn)為，旱地玉米進(jìn)行免耕秸稈覆蓋可使土壤有機(jī)質(zhì)含量年平均增加35.74%，水解氮增加6.55%，速效磷增加16.4%，速效鉀增加10.17%。據(jù)王守陸等［11］的研究，武川縣上禿亥鄉(xiāng)的旱坡地留茬覆蓋后，旱平地減少風(fēng)蝕30%以上，旱地減少風(fēng)蝕92%以上，減少風(fēng)蝕作用明顯，對(duì)抑制沙塵暴十分有效。因此，在農(nóng)區(qū)進(jìn)行秸稈覆蓋免耕不僅符合農(nóng)業(yè)生態(tài)建設(shè)的發(fā)展方向，而且也是可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要舉措。

小麥玉米間套作(又稱(chēng)小麥玉米帶田)主要種植于西北的甘肅河西走廊、新疆、銀川平原、內(nèi)蒙古河套地區(qū)以及東北平原上。目前，甘肅河西走廊此模式已出現(xiàn)1 萬(wàn)hm2土地上“畝產(chǎn)超噸田”的高產(chǎn)紀(jì)錄。在今后20 ～25 年內(nèi)，全國(guó)可能推廣面積達(dá)267萬(wàn)hm2，每hm2可增產(chǎn)3.75 t，增產(chǎn)糧食1 000 萬(wàn)t，這對(duì)緩和我國(guó)糧食緊缺將起關(guān)鍵性作用;但是，在小麥玉米間套作主要種植區(qū)，因氣候干旱，風(fēng)多沙大，水資源貧乏，植被稀疏，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境十分脆弱，干旱、風(fēng)蝕、沙化和土壤肥力下降已成為制約小麥玉米間套作產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要限制性因素。近年來(lái)，我國(guó)北方干旱頻繁，沙塵暴逐年增加，加劇了小麥玉米間套作主產(chǎn)區(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化;然而，目前對(duì)于小麥玉米間套作條件下的秸稈覆蓋免耕措施對(duì)土壤風(fēng)蝕狀況、作物長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量等問(wèn)題的研究較少。筆者通過(guò)研究小麥玉米間套作條件下，采用小麥秸稈高茬收割覆蓋、玉米秸稈立地過(guò)冬的免耕技術(shù)，對(duì)小麥/玉米產(chǎn)量及土壤水分和風(fēng)蝕的影響，旨在為干旱及半干旱間套作地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)設(shè)于甘肅省金昌市永昌縣朱王堡鎮(zhèn)流泉村。地處石羊河灌區(qū)綠洲的邊緣與騰格里沙漠接壤地區(qū)，是沙塵暴的起源地之一。按氣候類(lèi)別劃分，屬干旱氣候帶。當(dāng)?shù)睾０? 500 m，蒸發(fā)量超過(guò)2 000 mm，干燥度3.1，年平均氣溫7.8 ℃，日照時(shí)間3 020 h，≥10 ℃的有效積溫3 010 ℃，年太陽(yáng)輻射總量140 ～158 kJ/cm2，無(wú)霜期150 ～165 d，年均風(fēng)速1.76 m/s，年均大風(fēng)時(shí)間5 d，主要害風(fēng)為西北風(fēng)，東風(fēng)次之。試驗(yàn)田年降雨量50 ～120 mm，灌水量8 400 m3/hm2(灌水8 次，每次1 050 m3/hm2);土壤質(zhì)地為灰鈣沙壤土，耕層0 ～20 cm 土壤平均含有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)17.78 g/kg、全氮1.09 g/kg、全磷1.68 g/kg、堿解氮76.3 mg/kg、速效磷18.0 mg/kg、速效鉀140 mg/kg。試驗(yàn)地前茬為馬鈴薯(Solanum tuberosun L)。主要自然災(zāi)害為春季沙塵暴。

2 材料及方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)免耕高留茬、免耕秸稈覆蓋、免耕秸稈覆蓋+播前耙地、傳統(tǒng)耕作(鏵式犁翻耕)(CK)4 個(gè)處理。2006—2009 年采用定位設(shè)計(jì)，4次重復(fù)，隨機(jī)排列。小區(qū)面積120.0 m2(長(zhǎng)30.0 m×寬4.0 m)，小區(qū)間筑0.5 m 埂。小麥/玉米不倒茬。

2.1.2 作物管理 1)播幅:試驗(yàn)采用現(xiàn)行當(dāng)?shù)卮竺娣e推廣的小麥玉米間作播幅1.6 m 帶幅，即小麥80 cm 種6 行，玉米80 cm 種2 行。每小區(qū)種植2.5 帶幅。小麥品種為永良4 號(hào)，玉米品種為沈單16 號(hào)。

2)播種:于每年3 月中旬采用小麥免耕施肥播種機(jī)播種小麥，一次完成開(kāi)溝、施肥、隔層播種，覆土壓實(shí)，播種量225 kg/hm2;小麥顯行后，于每年4 月中旬采用玉米點(diǎn)播機(jī)播種玉米，行距26 cm，株距20 cm，種植密度6.7 萬(wàn)株/hm2。

3)施肥:全生育期施N 肥525 kg/hm2、P2O5180 kg/hm2、K2O120 kg/hm2，100%磷、鉀肥作基肥一次性施入，氮肥20%基施、20%苗期追施、30%玉米拔節(jié)期追施、30%玉米吐絲期追施。基肥采用施肥播種機(jī)施入，追肥用追肥器施入。

4)收割:小麥采用聯(lián)合收割機(jī)收割，收割高度20 ～30 cm，玉米采用人工收穗。

5)秸稈覆蓋:小麥?zhǔn)斋@后，將小麥秸稈全部覆蓋到小麥行間(按測(cè)定數(shù)量施入)，玉米秸稈不刈割，立稈過(guò)冬，讓其自然腐解倒伏，在下茬玉米拔節(jié)期對(duì)仍不能腐解倒伏的秸稈壓倒覆蓋在玉米行間，以增加冬春季節(jié)的防風(fēng)蝕能力。

6)管理:播前、苗期用化學(xué)除草劑野麥畏、2.4-D 丁脂除草，根據(jù)病蟲(chóng)害發(fā)生情況及時(shí)采用化學(xué)藥劑防治。其他田間管理方法同大田。

2.1.3 取樣及測(cè)試方法 取樣及測(cè)試內(nèi)容主要有土壤含水率、地溫、土壤風(fēng)蝕量、作物產(chǎn)量等。

土壤含水率:分別在播種前(03-12—03-15)、小麥灌頭水前(04-15—04-20)、小麥灌水后(05-03—05-05)、小麥?zhǔn)斋@后(07-15—07-18)、玉米收獲后(10-05—10-08)分5 個(gè)時(shí)期用土鉆法測(cè)定0 ～100 cm 土壤含水率，每20 cm 取樣1 次，用稱(chēng)量烘干法測(cè)定土壤含水率。

地溫:用曲管地溫計(jì)分別測(cè)定播種前、小麥苗期、小麥抽穗期3 個(gè)時(shí)期土壤5、10、15 和20 cm 的土壤溫度。每天記錄08:00、14:00、20:00 的土壤溫度，取平均值作為該層的地溫。

土壤風(fēng)蝕量:每年于小麥播種后2 d(3 月下旬)在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的土壤中插直尺(每個(gè)小區(qū)插3點(diǎn))至小麥齊苗后(4 月下旬)，每隔10 d 觀(guān)測(cè)1 次土壤風(fēng)蝕量，共測(cè)定3 次。

作物產(chǎn)量:分別在小麥、玉米成熟時(shí)，每小區(qū)割取20 m2樣方曬干、脫粒，采用稱(chēng)量法測(cè)定小麥、玉米籽粒產(chǎn)量及秸稈產(chǎn)量。

2.2 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 免耕處理對(duì)作物產(chǎn)量的影響

不同免耕處理對(duì)作物產(chǎn)量的影響結(jié)果見(jiàn)表1。

3.1.1 對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量的影響 從表1 可以看出，采用小麥/玉米間作免耕處理，2007—2009 年3 年小麥平均產(chǎn)量在4 005.5 ～4 163.0 kg/hm2之間，傳統(tǒng)耕作處理的小麥平均產(chǎn)量為4 389.5 kg/hm2，前者比后者的產(chǎn)量降低5.2%～8.8%，以免耕高留茬處理降低的最多，為8.8%。

3.1.2 對(duì)玉米植株性狀及產(chǎn)量的影響 在玉米灌漿期對(duì)玉米植株性狀進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明:采用免耕處理，植株性狀極顯著地優(yōu)于傳統(tǒng)耕作處理，玉米株高增加28.2 ～50.4 cm，莖粗增加0.4 ～0.75 cm，葉長(zhǎng)增加5.02 ～13.12 cm，葉寬增加2.1 cm，單株鮮質(zhì)量增加0.315 ～0.772 kg/株，增加比例53.6%～131.3%，經(jīng)方差分析，差異達(dá)極顯著水平。以免耕秸稈覆蓋處理最優(yōu)，免耕秸稈覆蓋+播前耙地處理次之，免耕高留茬處理居第3 位。

表1 不同免耕處理對(duì)作物產(chǎn)量的影響Tab.1 Effects of different no-tillage treatments on crop yield

從表1 可以看出，采用免耕處理，2007—2009年3 年平均玉米產(chǎn)量在8 986.0 ～9 368.5 kg/hm2之間，均高于傳統(tǒng)耕作處理。其中:免耕秸稈覆蓋+播前耙地處理玉米產(chǎn)量最高，為9 368.5 kg/hm2，較傳統(tǒng)耕作處理8 277.0 kg/hm2增加1 091.5 kg/hm2，增產(chǎn)13.2%;免耕秸稈覆蓋處理玉米產(chǎn)量9 094.0 kg/hm2，較傳統(tǒng)耕作處理增加817.0 kg/hm2，增產(chǎn)9.9%;免耕高留茬處理玉米產(chǎn)量8 986.0 kg/hm2，較傳統(tǒng)耕作處理增加709.0 kg/hm2，增產(chǎn)8.6%。

3.1.3 對(duì)小麥玉米帶田產(chǎn)量的影響 從表1 還可看出，免耕高留茬、免耕秸稈覆蓋、免耕秸稈覆蓋+播前耙地3 種免耕處理小麥玉米帶田產(chǎn)量分別為1 萬(wàn)2 991.5、1 萬(wàn)3 257.0 和1 萬(wàn)3 503.0 kg/hm2，較傳統(tǒng)耕作處理增加325.0、590.5 和836.5 kg/hm2，增產(chǎn)比例分別為2.6%、4.7%和6.6%。

3.2 免耕處理對(duì)土壤含水率的影響

分播種前、灌頭水前、灌頭水后、小麥?zhǔn)斋@后、玉米收獲后5 次對(duì)4 種耕作處理方式下的土壤含水率進(jìn)行測(cè)定，其中小麥灌頭水前和小麥?zhǔn)斋@后土壤含水率的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同免耕處理對(duì)小麥不同時(shí)期土壤含水率的影響Fig.1 Effects of different no-tillage treatments on the content of soil water during Triticum aestivum growth periods

從圖1(a)可以看出:小麥灌頭水前，土層深度為0 ～20 cm 的免耕處理，土壤含水率為12.81%～13.10%，傳統(tǒng)耕作處理土壤含水率為11.30%，前者比后者高出1.51 ～1.80 百分點(diǎn)，提高土壤含水率13.4%～15.9%;土層深度為20 ～40 cm 的免耕處理，土壤含水率為14.80%～17.09%，傳統(tǒng)耕作處理土壤含水率為11.73%，前者比后者高出3.07 ～5.36 百分點(diǎn)，提高土壤含水率26.2%～45.7%;土層深度為40 ～100 cm 的免耕處理，土壤含水率14.41%～19.35%，傳統(tǒng)耕作處理土壤含水率為13.69%～16.75%，前者比后者高出0.72 ～2.60 百分點(diǎn)，提高土壤含水率5.3%～15.5%，免耕秸稈覆蓋+播前耙地、免耕高留茬與免耕秸稈覆蓋處理土壤含水率均高于對(duì)照傳統(tǒng)耕作處理。

從圖1(b)可以看出:小麥?zhǔn)斋@后，土層深度為0 ～20 cm 的免耕處理，土壤含水率為9.92% ～10.99%，傳統(tǒng)耕作處理土壤含水率為10.27%，前者比后者高－0.35 ～0.72 百分點(diǎn)，提高土壤含水率3.4%～7.0%;土層深度為20 ～40 cm 的免耕處理，土壤含水率為12.27%～13.11%，傳統(tǒng)耕作處理土壤含水率為11.96%，前者比后者高0.31 ～1.15 百分點(diǎn)，提高土壤含水率2.6%～9.6%;土層深度為40 ～100 cm 的免耕處理，土壤含水率為15.03%～18.03%，傳統(tǒng)耕作處理土壤含水率為14.13%，前者比后者高0.9 ～3.9 百分點(diǎn)，提高土壤含水率6.4%～27.6%。免耕秸稈覆蓋+播前耙地、免耕高留茬與免耕秸稈覆蓋處理土壤含水率均高于對(duì)照傳統(tǒng)耕作處理。

上述結(jié)果表明，小麥玉米間作免耕處理對(duì)土壤具有較好的保墑能力。其保墑機(jī)制可解釋為:采取免耕處理種植小麥/玉米時(shí)，由于進(jìn)行了秸稈覆蓋，使土壤水分蒸發(fā)減少，而且播種時(shí)不翻動(dòng)土壤，開(kāi)溝、施肥、播種和覆土壓實(shí)農(nóng)藝環(huán)節(jié)是在瞬間內(nèi)完成的，即土壤水分還來(lái)不及蒸發(fā)時(shí)表土被迅速壓實(shí)，故可提高土壤的保墑能力，而秋翻地會(huì)使表土層風(fēng)化干燥程度加重。

3.3 免耕處理對(duì)土壤溫度的影響

不同免耕處理對(duì)不同土層土壤溫度的影響結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯觯捎妹飧幚聿煌翆拥耐寥罍囟容^傳統(tǒng)耕作處理降低1 ～3 ℃，各處理0 ～25 cm土層土壤溫度平均降低2.0 ～2.5 ℃，降低比例13.3%～16.7%，以免耕秸稈覆蓋處理降低的最多。這是由于在地表均勻地覆蓋秸稈，阻止了太陽(yáng)直接輻射，減少了熱量向土壤中的傳遞，同時(shí)也減少了土壤熱量向大氣中散發(fā)，使土壤溫度年、日變化均趨緩和。另外，溫度的降低，能顯著減少土壤水分的蒸發(fā)，從而對(duì)保持地下墑情、保住全苗非常有利。這對(duì)地處荒漠地帶的河西走廊水資源緊缺的地區(qū)具有重要的意義。

表2 不同免耕處理對(duì)不同土層土壤溫度的影響Tab.2 Effects of different no-tillage treatments on soil temperature of different soil layers

3.4 免耕處理對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響

免耕處理對(duì)土壤風(fēng)蝕量的影響結(jié)果見(jiàn)表3?？梢钥闯?不同免耕處理，土壤風(fēng)蝕量有較大差異，其中免耕留高茬、免耕秸稈覆蓋處理的土壤沒(méi)有產(chǎn)生土壤風(fēng)蝕，而免耕秸稈覆蓋+播前耙地處理的土壤風(fēng)蝕量?jī)H為4 mm，較傳統(tǒng)耕作處理的土壤風(fēng)蝕量降低55.6%。分析上述結(jié)果的原因，是冬春季采用玉米立稈過(guò)冬的秸稈覆蓋，有效地降低了風(fēng)速，而且根茬可以固土，起到了風(fēng)力對(duì)表土土壤的阻攔作用，最大限度地保持了土壤的原始結(jié)構(gòu)，使土壤抗蝕性增強(qiáng)，從而使免耕秸稈覆蓋處理沒(méi)有產(chǎn)生風(fēng)蝕。

表3 免耕處理對(duì)不同時(shí)期土壤風(fēng)蝕量的影響Tab.3 Effects of different no-tillage treatments on soil erosion by wind in various periods

4 結(jié)論與討論

1)在小麥玉米間套作區(qū)，連續(xù)3 年的免耕秸稈覆蓋處理，可顯著地增加間作玉米的產(chǎn)量，但間作小麥產(chǎn)量比傳統(tǒng)耕作有所降低。3 種免耕處理下間作作物平均產(chǎn)量順序是:免耕秸稈覆蓋+播前耙地＞免耕秸稈覆蓋＞免耕高留茬。

2)采用免耕秸稈覆蓋技術(shù)，保墑效果最好，可使耕作層土壤蓄水量顯著增加，提高水分利用率。全程采用秸稈覆蓋免耕后，每季作物至少可以少灌1 次水，每hm2可以少灌水1 200 m3。

3)采用小麥秸稈高茬收割覆蓋、玉米秸稈立地過(guò)冬的間作免耕處理可完全防止土壤風(fēng)蝕，采用秸稈覆蓋播前耙地處理可減少風(fēng)蝕50%以上。

綜上所述，在小麥玉米間作區(qū)實(shí)施秸稈覆蓋免耕技術(shù)是緩解土壤風(fēng)蝕沙化的重要途徑，并可增產(chǎn)小麥玉米混合產(chǎn)量4.0%以上，而且一年可減少作業(yè)工序2 ～5 道，降低作業(yè)成本20%左右，節(jié)本增產(chǎn)帶來(lái)的綜合經(jīng)濟(jì)效益在1 500 元/hm2以上，這對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境和提高主產(chǎn)區(qū)的糧食生產(chǎn)能力與節(jié)本增效具有重要意義。

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