不同耕作模式对山西旱塬区高粱产量和水分利用效率的影响

史丽娟，白文斌，李 光，张建华

（1山西省农业科学院高粱研究所，山西晋中030600；2高粱遗传与种质创新山西省重点实验室，山西晋中030600）

0 引言

高粱，是全球第五大谷类作物，具有抗旱、耐涝、耐盐碱、耐瘠薄、耐高温，光合效率高，杂交优势强，被誉为拓荒先锋作物。高粱也是中国传统酿造业的重要原料，是山西及中国北方重要的旱地农作物之一，高粱在酿醋、酿酒行业所具有的独特优势是其他粮食作物无法替代的，在国民经济发展中占有重要地位[1]。当前，中国传统酿造业正处于战略扩张阶段，名酒、名醋综合生产能力不断增强。但是，酿造高粱的生产总量还比较小，无法满足国内酿造业对酿造高粱的需求。因此提高高粱品质和单位面积的产量，对提高中国高粱产业发展和国民经济发展意义重大。

山西地处黄土高原，旱地面积占全省总耕地面积的近80%[2]。山西是中国高粱生产的主要省区之一，年种植面积在6.67万hm2左右，占全国高粱种植面积的1/10[3]，是旱作农业的主干作物。水总量有限且年变率和季节变率大，是限制山西省旱地高粱生产的主要因子之一[4]。由于受自然降水条件的制约，在旱地高粱生育期通过水肥调节来达到增产目的在很大程度上受到了限制。因此采用不同耕作模式来改善旱作农业区的土壤水分环境，提高高粱水分利用率及产量意义重大。

耕作模式能够最大限度地蓄纳休闲期的自然降水，是旱地作物高产的关键所在[5]。相关研究表明，深松耕能有效提高旱地作物的蒸腾效率，有利于小麦在灌浆中后期保持较高的叶片水分利用效率，有利于籽粒产量和水分利用效率的提高[6-7]。免耕和深松覆盖可提高小麦生育期间耗水量和土壤水分贮蓄能力，能够改善小麦生育后期旗叶光合性能，促进干物质积累，产量和水分利用效率明显高于传统耕作[8-11]。有关不同耕作模式对作物产量及水分利用率影响的研究较多，但在高粱上的研究较少。本试验采用秋深耕+旋耕、春深耕+旋耕、秋深松、秋旋耕、免耕、传统耕作等耕作模式，研究了高粱不同生育阶段的土壤蓄水量、产量构成及水分利用效率等特征，以期阐明不同耕作模式对高粱生长的影响，为应用合理的耕作技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2014—2015年在山西省晋中市修文镇试验基地进行。该地区平均日照时数2662 h，年均气温10.1℃，极端最低气温-21.2℃，极端高温37℃，＞0℃积温3990℃，无霜期158天，属大陆性半干旱气候，年均降雨395.8 mm。试验地土壤为壤土，0～20 cm土壤基本理化性状详见表1。供试作物为高粱，品种是‘晋杂18号’。

1.2 试验设计

采用单因素随机区组设计，设置6个处理，分别为：秋深耕+旋耕、春深耕+旋耕、秋深松、秋旋耕、免耕、传统耕作，具体方法详见表2。高粱施肥量、播种量以当地常规耕种为标准。试验小区10 m×20 m=200 m2，每个处理3次重复。5月12日播种，种植密度为6万株/hm2，10月20日收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤蓄水量测定 在高粱播种前、苗期、拔节期、抽穗期和成熟期测定0～100 cm土壤重量含水量，每20 cm为一层，根据容重计算采样土壤0～100 cm的蓄水量。

1.3.2 高粱耗水量和水分利用效率测定 作物耗水量采用水分平衡分析方法，作物耗水量的计算见公式(1)。

式中：ET为作物耗水量(mm)；P为生育期降雨量；△W为土壤水分消耗量，是初期土壤含水量与末期土壤含水量的差(mm)。

表1 土壤基本理化性状

表2 土壤耕作模式

水分利用效率采用产量水平上的计算见公式(2)。

式中：WUE为水分利用效率[kg/(mm·hm2)]；Y为作物的经济产量(kg/hm2)；ET为作物耗水量(mm)。

1.3.3 产量及其构成测定 成熟期收获各小区测产，取3穗代表性穗子室内风干考种，测定穗长、枝梗数、千粒重。

1.4 数据分析方法

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 13.0进行试验数据计算、图表绘制和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同耕作模式对0～100 cm土壤蓄水量的影响

土壤蓄水量是影响作物生长的重要因素，同时也是保证作物出全苗、出壮苗的关键。由图1可看出，随着生育期的推移，各处理0～100 cm土壤蓄水量呈逐渐降低的变化趋势，以苗期蓄水量最高、成熟期蓄水量最低。苗期、拔节期、抽穗期0～100 cm土壤蓄水量均表现为：秋深耕+旋耕＞秋深松＞春深耕+旋耕＞秋旋耕＞传统耕作＞免耕，成熟期0～100 cm土壤蓄水量以秋深松处理最高。说明秋深耕+旋耕模式较其他耕作模式能更好的起到纳雨蓄水的作用。

2.2 不同耕作模式对水分利用效率的影响

作物水分利用效率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。由表3可看出，6种不同耕作模式对高粱水分利用效率的影响有较大差异。播前蓄水量和耗水量均表现为：秋深耕+旋耕＞秋深松＞春深耕+旋耕＞秋旋耕＞传统耕作＞免耕；水分利用效率依次为：秋深耕+旋耕＞春深耕+旋耕＞秋深松＞秋旋耕＞免耕＞传统耕作，其中以秋深耕+旋耕模式显著最高，秋深松、春深耕+旋耕模式差异不显著，但显著大于传统耕作、免耕。说明秋深耕+旋耕模式能够有效改善土壤生态环境，增强高粱生长发育对土壤水分的转化效率，提高高粱水分利用效率，提高高粱对降水资源的有效利用。

2.3 不同耕作模式对产量及其构成的影响

图1 不同耕作模式对0～100 cm土壤蓄水量的影响

表3 不同耕作模式对水分利用效率的影响

表4 不同耕作模式对高粱产量及其构成的影响

从表4可知，不同耕作模式对高粱产量及其构成的影响有较大差异。各处理中，穗长秋深耕+旋耕模式显著高于秋深松、秋旋耕、免耕、传统耕作，但与春深耕+旋耕差异不显著；春深耕+旋耕、秋深松、秋旋耕模式间差异不显著。枝梗数秋深耕+旋耕模式显著高于其他耕作模式；春深耕+旋耕和秋深松模式差异不显著，但显著高于秋旋耕、免耕、传统耕作；千粒重秋深耕+旋耕模式显著高于其他耕作模式，春深耕+旋耕、秋深松、秋旋耕模式之间差异不显著，但显著高于免耕和传统耕作模式；产量秋深耕+旋耕模式显著高于其他耕作模式，春深耕+旋耕、秋深松差异不显著，但显著高于免耕和传统耕作模式。

3 讨论与结论

本试验结果表明，播前蓄水量、耗水量均以秋深耕+旋耕模式最高，显著高于其他耕作模式；水分利用效率以秋深耕+旋耕最高，但与春深耕+旋耕差异不显著，秋深耕、春深耕+旋耕、秋旋耕3种耕作模式间水分利用效率差异不显著，但显著高于免耕和传统耕作模式。这与侯贤清等[16]、张树清等[17]、刘爽等[18]、Fuentes等[19]研究结果基本一致。

高粱产量受诸如品种、栽培措施、气候因子等多种因素的影响。不同耕作模式可改变土壤结构并影响诸多生态因子，合理的利用方式可改善土壤结构，蓄水保墒，提高作物产量。杨永辉[20]等研究认为不同耕作模式能够提高小麦的穗数、穗粒数、千粒重及小麦籽粒产量。宫亮等[21]研究发现，与常规旋耕相比，深翻和深松处理能够显著提高玉米产量，免耕处理较常规旋耕产量降低。张德健等[22]研究认为深松耕与旋耕能够增加玉米干物质积累，有效提高玉米籽粒产量和生物产量。本研究6个耕作模式中，秋深耕+旋耕处理效果最好，可显著增加高粱穗长和枝梗数和产量水平，这与小麦和玉米耕作模式的研究基本一致。

土壤是作物赖以生存的基础，山西地处黄土高原半干旱地区，春季风大少雨，春耕将加大土壤耕作层水分的散失，不利于土壤水分的有效利用，而秋、冬两季降水较多，根据这一特点，在高粱收获后，采用秋翻耕可以打破犁底层，增加土壤孔隙度，提高土壤渗水速度，有利于最大限度地接纳雨雪，增加土壤蓄水容量；而旋耕，能疏松土壤，土壤越疏松，越有利于雨雪存积蓄墒，为山西旱塬区高粱生长发育创造良好的环境。且当地年降雨量差异较大、分布极为不均，在有限的水资源条件下，不同耕作模式对土壤的不同扰动能够改善土壤理化性状和微生物环境，从而增强土壤养分和蓄水保墒效果，为作物生长发育创造良好的环境，进而达到提高作物产量的目的，这与前人的研究结果基本一致[12-15]。本研究结果有一定的规律性，但为一年实验结果，仍需建立长期试验机制，对合理的耕作模式有进一步深入的研究。

与传统耕作和免耕模式相比，秋深耕+旋耕模式显著提高高粱产量，增产幅度分别达到了47%和36.7%；显著提高水分利用效率，增加幅度分别达到了36.8%和25.5%；显著增加千粒重，增加幅度分别达到了16.5%和14.0%；显著增加枝梗数，增加幅度分别达到了22.2%和28.2%；显著增长高粱穗长，增长幅度分别达到了19.0%和21.2%。因此，秋深耕+旋耕是本试验条件下的最优耕作模式，在山西旱塬区高粱生产中有应用的可能。