免耕直播對谷子耗水量、水分利用效率及產量的影響

劉朋程，于國紅，崔海英，郭安強，杜 紅，郝洪波，李明哲

(河北省農林科學院旱作農業研究所/河北省農作物抗旱研究實驗室，河北 衡水 053000)

近幾年來，河北省黑龍港流域降雨量減少，地下水超采現象嚴重，成為華北地區最大的地下水漏斗區，嚴重影響了該地區農業的可持續發展[1-2]。黑龍港地區是河北省谷子發展的核心區域，谷子具有耐瘠薄、耐干旱的特點[3]，如何通過栽培技術更好地發揮谷子的生產潛力，在不減產或者增產的前提下減少谷子生育期耗水量，提高水分利用效率是目前研究的重點。

保護性耕作是一項可持續的農業生產技術，具有增加土壤水分、改善土壤結構、減輕土壤侵蝕和減緩土地退化等優勢[3-6]。有研究表明，耕作活動會引起土壤結構改變，從而改變土壤的水力學特性，影響土壤的蓄水保墑能力[6]。這是因為免耕能有效地保持土壤水分含量，其中免耕秸稈覆蓋較傳統耕作更有效地提高了土壤含水量，免耕土壤水分蒸發量明顯小于傳統耕作，這是由于免耕秸稈覆蓋避免太陽光直射地面，抑制土壤表層水分蒸發[7-11]。

免耕直播法也得到國外研究學者的充分肯定，據美國學者研究，在科羅拉多州少耕和免耕可以增加土壤蓄水量，提高作物產量[8]。免耕直播較傳統耕作具有一定優勢這一學術觀點在國際上已得到認可。但是，不同地區免耕效果各有差異，本試驗通過研究黑龍港典型地區谷子在免耕直播和傳統旋耕播種條件下土壤貯水量的變化，對比兩種處理下的耗水量、產量和水分利用效率，探討氣象因子與農藝性狀之間的關系，以期為黑龍港地區谷子免耕直播栽培技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本試驗于2011—2013年在河北省農林科學院旱作農業研究所深州試驗站進行，供試品種為衡谷10號，前茬為小麥。試驗共設2個處理，分別為：旋耕播種(CT，麥茬粉碎還田后旋耕播種谷子)和免耕播種(NT，麥稈粉碎滅茬后直接播種)，各處理小區面積為6.4 m2，隨機區組設計，3次重復，其它管理方式兩處理一致。谷子生長發育期間氣象資料見圖1。

圖1 谷子生育期各氣象因子的變化Fig.1 The change of meteorological factors in the growth period of foxtail millet

1.2 指標測定及計算方法

土壤含水量采用取土烘干法測定，分別于播種期和成熟期測定0～150 cm土層(0～50 cm每10 cm一層，50～150 cm每20 cm一層)土壤含水量。使用土鉆將不同層次土壤取出裝入鋁盒后稱重，然后于105℃烘箱烘12 h，冷卻后稱重，并計算土壤含水量。

w=(w1-w2)/w2×100%

式中，w為土壤含水量，w1為濕土重，w2為干土重。

在測定土壤含水量的同時，利用環刀法測定土壤容重，進而計算土壤貯水量、耗水量。

Sw=d×r×w/10

式中,Sw為土壤貯水量(mm)，d為土層厚度(cm)，r為土壤容重(g·cm-3)。

耗水量ET0采用土壤水分平衡法計算：

ET0=I+P+ΔSW

式中,I和P分別為時段內的灌水量和降水量(mm)，ΔSW為時段內土壤貯水量的變化量(mm)，由于試驗地點水位較低，因此忽略地下水補給和深層滲漏。

作物水分利用效率計算公式如下：

WUE=Y/ET0

式中,WUE為作物水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)，Y為籽粒產量(kg·hm-2)。

1.3 數據處理

2011—2013年試驗數據采用Excel 2013進行整理及作圖，由于2011年部分數據缺失，故部分數據僅使用2012—2013年數據。采用SPSS 24.0統計軟件進行方差分析、相關性分析以及回歸分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤貯水量變化量的影響

如圖2所示，2012年土層5 cm、15 cm處，NT處理土壤貯水量變化量較CT處理分別顯著降低6.5 mm和5.0 mm，降低百分比為46.19%和50.35%。CT處理土壤貯水量變化量隨土層深度呈單峰曲線變化，在土層60 cm處土壤貯水量變化量達到最小值-23.84 mm。NT處理土壤貯水量隨土層變化呈M型曲線，在土層100 cm處土壤貯水量變化量達到最小值-25.15 mm。2013年在25 cm土層，NT處理土壤貯水量變化量較CT處理顯著降低3.5 mm,下降了48.78%。NT處理和CT處理土壤貯水量變化量均隨土層深度呈單峰曲線變化，且在60 cm土層處達到最小值，分別為-27.92 mm和-26.09 mm。由2年結果可知，2個處理的土壤貯水量變化量在0～140 cm土層內上層(0～25 mm土層)和下層(140 cm處)為正值，中層土壤處(25～100 cm土層)為負值。

圖2 不同處理對土壤貯水量變化量的影響Fig.2 Effects of different treatments on the variation of soil water storage capacity

2.2 不同處理對產量和水分利用效率的影響

2年結果顯示(表1)，免耕處理下谷子產量顯著升高，2012年和2013年分別比旋耕處理提高350.17 kg·hm-2和468.1 kg·hm-2,分別升高了6.12%和9.67%。2012年免耕處理較旋耕處理耗水量顯著減少，減少量為35.75 mm；水分利用效率顯著升高2.21 g·m-2·mm-1,升高了16.13%，相關系數為0.96。2013年免耕處理耗水量比旋耕處理降低1.53 mm,水分利用效率比旋耕處理升高了1.55 g·m-2·mm-1。說明免耕處理較旋耕處理可以減少谷子生長發育期間耗水量，提高其水分利用效率，增加產量。

表1 不同年份不同處理對產量和水分利用效率的影響

2.3 農藝性狀和產量的相關性分析

由表2可知，穗長與產量呈極顯著正相關關系(P<0.01)，穗重與產量呈顯著正相關關系(P<0.05)，相關系數為0.96。穗粒重、株高、千粒重與產量無顯著關系，但穗粒重與產量相關系數較高，為0.93，株高和千粒重與產量相關系數均低于0.3。因此，對穗長、穗重、穗粒重與產量進行多元回歸分析，結果表明，穗長與產量呈顯著相關(R2=0.99*)，見圖3。

圖3 谷子穗長與產量相關性分析Fig.3 Correlation analysis of ear length and yield of millet

表2 2011—2013年谷子農藝性狀與產量的相關性分析

因此，本試驗中穗長為影響產量的主要因素，且得出穗長(X)與產量(Y)線性回歸方程為Y=2 977.34X-50 508.48。

2.4 氣象因子對農藝性狀的相關性分析

由表3可知，谷子生長發育時期內的平均氣溫與谷子株高呈顯著負相關關系(P≤0.05),相關系數為-0.97，與千粒重呈極顯著正相關關系(P≤0.01),相關系數為0.99。原因可能是平均氣溫的升高使生長發育期積溫變大，加快營養生長向生殖生長的過渡，從而降低株高、增加千粒重；日照時數和降水量均與穗長、穗重和穗粒重呈顯著正相關關系；而風速與穗長、穗重和穗粒重呈顯著負相關關系，說明谷子生育期內平均風速偏高，會造成葉片蒸騰旺盛，導致葉片內的水分條件惡化，從而使氣孔導度減小，降低光合作用，減少營養物質積累。結合表3可看出，影響谷子產量的氣象因子主要為日照時數、降水量和風速。

表3 2011—2013年氣象因子與農藝性狀的相關性分析

3 結論與討論

免耕具有顯著的水土保持效應和作物增產效應，王慶杰等[12]研究表明，免耕可以明顯改善春玉米生長發育期間的土壤環境，有效降低土壤水分蒸發，提高春玉米的水分利用效率。趙小蓉等[13]發現，在小麥生育期內免耕處理土壤含水量顯著高于翻耕處理，并對提高小麥產量有明顯作用。本研究結果表明，與常規旋耕處理相比，免耕顯著影響0～140 cm土壤上層(0～25 cm土層)和下層(140 cm處)土壤貯水量的變化，免耕處理可以顯著增加上層和下層土壤貯水量。余海英等[14]研究也表明，免耕處理下春玉米全生育期土壤剖面的平均含水量均明顯高于傳統翻耕。免耕覆蓋對表層土壤水分含量影響較大，表層土壤含水量的增加與免耕覆蓋減少對土層的擾動、無效蒸發有關[15-16]。因此，本試驗結果與前人研究較為一致。在0～140 cm土層內，中部土層土壤貯水量的增加量最高，高于上層土壤和下層土壤。與常規旋耕相比，免耕可以提高谷子產量，降低生育期內耗水量，提高水分利用效率。

研究農藝性狀與產量之間的關系，探討免耕直播條件下谷子農藝性狀的發育過程和對產量的影響，可以為直播谷子生產提供科學依據。本試驗結果表明，在2種耕作模式下，谷子的穗長、穗重和穗粒重3個指標與谷子產量相關系數較高，回歸分析結果表明，穗長與產量的回歸結果達到顯著水平(R2=0.99)，因此，穗長是影響產量的主要因素，穗長(X)與產量(Y)線性回歸方程為Y=2 977.34X-50 508.48。因此，在免耕直播條件下通過提高谷穗長度的栽培技術可以增加谷子產量。

免耕對土壤含水量的影響程度會因地區、年份以及季節降雨量的不同而有所差異[17]，前人在研究免耕模式時多是針對一個地區，且對所研究地區的氣候資料研究較少，本試驗通過研究免耕模式下農藝性狀與氣象因子之間的關系，可以清楚地知道除了耕作模式外影響谷子產量形成的氣候因素，這不僅可以為耕作模式的改進提供理論依據，也可以篩選出適合免耕播種的其它氣候適宜的地區，增加免耕技術模式的推廣范圍，理論上得到創新。周國勤等[18]研究表明，充足的降雨量和日照時數對小麥千粒重和穗粒重有直接和較大的正效應。韓毅強等[19]研究表明，在黑龍江西部地區影響玉米產量最關鍵的氣象因子是抽雄～成熟期的溫度和降雨，此時適量的灌溉更有利于增加產量。本研究結果表明，在免耕直播和旋耕播種模式下谷子生育期內的日照時數和降水量都與谷子的穗長、穗重和穗粒重呈顯著正相關關系；而風速與谷子穗長、穗重和穗粒重呈顯著負相關關系，說明在免耕模式下，在本試驗地區選降水和日照充足、風速適當小的地區有利于增加谷子產量。