免耕直播对谷子耗水量、水分利用效率及产量的影响

刘朋程，于国红，崔海英，郭安强，杜 红，郝洪波，李明哲

(河北省农林科学院旱作农业研究所/河北省农作物抗旱研究实验室，河北 衡水 053000)

近几年来，河北省黑龙港流域降雨量减少，地下水超采现象严重，成为华北地区最大的地下水漏斗区，严重影响了该地区农业的可持续发展[1-2]。黑龙港地区是河北省谷子发展的核心区域，谷子具有耐瘠薄、耐干旱的特点[3]，如何通过栽培技术更好地发挥谷子的生产潜力，在不减产或者增产的前提下减少谷子生育期耗水量，提高水分利用效率是目前研究的重点。

保护性耕作是一项可持续的农业生产技术，具有增加土壤水分、改善土壤结构、减轻土壤侵蚀和减缓土地退化等优势[3-6]。有研究表明，耕作活动会引起土壤结构改变，从而改变土壤的水力学特性，影响土壤的蓄水保墒能力[6]。这是因为免耕能有效地保持土壤水分含量，其中免耕秸秆覆盖较传统耕作更有效地提高了土壤含水量，免耕土壤水分蒸发量明显小于传统耕作，这是由于免耕秸秆覆盖避免太阳光直射地面，抑制土壤表层水分蒸发[7-11]。

免耕直播法也得到国外研究学者的充分肯定，据美国学者研究，在科罗拉多州少耕和免耕可以增加土壤蓄水量，提高作物产量[8]。免耕直播较传统耕作具有一定优势这一学术观点在国际上已得到认可。但是，不同地区免耕效果各有差异，本试验通过研究黑龙港典型地区谷子在免耕直播和传统旋耕播种条件下土壤贮水量的变化，对比两种处理下的耗水量、产量和水分利用效率，探讨气象因子与农艺性状之间的关系，以期为黑龙港地区谷子免耕直播栽培技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验于2011—2013年在河北省农林科学院旱作农业研究所深州试验站进行，供试品种为衡谷10号，前茬为小麦。试验共设2个处理，分别为：旋耕播种(CT，麦茬粉碎还田后旋耕播种谷子)和免耕播种(NT，麦秆粉碎灭茬后直接播种)，各处理小区面积为6.4 m2，随机区组设计，3次重复，其它管理方式两处理一致。谷子生长发育期间气象资料见图1。

图1 谷子生育期各气象因子的变化Fig.1 The change of meteorological factors in the growth period of foxtail millet

1.2 指标测定及计算方法

土壤含水量采用取土烘干法测定，分别于播种期和成熟期测定0～150 cm土层(0～50 cm每10 cm一层，50～150 cm每20 cm一层)土壤含水量。使用土钻将不同层次土壤取出装入铝盒后称重，然后于105℃烘箱烘12 h，冷却后称重，并计算土壤含水量。

w=(w1-w2)/w2×100%

式中，w为土壤含水量，w1为湿土重，w2为干土重。

在测定土壤含水量的同时，利用环刀法测定土壤容重，进而计算土壤贮水量、耗水量。

Sw=d×r×w/10

式中,Sw为土壤贮水量(mm)，d为土层厚度(cm)，r为土壤容重(g·cm-3)。

耗水量ET0采用土壤水分平衡法计算：

ET0=I+P+ΔSW

式中,I和P分别为时段内的灌水量和降水量(mm)，ΔSW为时段内土壤贮水量的变化量(mm)，由于试验地点水位较低，因此忽略地下水补给和深层渗漏。

作物水分利用效率计算公式如下：

WUE=Y/ET0

式中,WUE为作物水分利用效率(kg·hm-2·mm-1)，Y为籽粒产量(kg·hm-2)。

1.3 数据处理

2011—2013年试验数据采用Excel 2013进行整理及作图，由于2011年部分数据缺失，故部分数据仅使用2012—2013年数据。采用SPSS 24.0统计软件进行方差分析、相关性分析以及回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤贮水量变化量的影响

如图2所示，2012年土层5 cm、15 cm处，NT处理土壤贮水量变化量较CT处理分别显著降低6.5 mm和5.0 mm，降低百分比为46.19%和50.35%。CT处理土壤贮水量变化量随土层深度呈单峰曲线变化，在土层60 cm处土壤贮水量变化量达到最小值-23.84 mm。NT处理土壤贮水量随土层变化呈M型曲线，在土层100 cm处土壤贮水量变化量达到最小值-25.15 mm。2013年在25 cm土层，NT处理土壤贮水量变化量较CT处理显著降低3.5 mm,下降了48.78%。NT处理和CT处理土壤贮水量变化量均随土层深度呈单峰曲线变化，且在60 cm土层处达到最小值，分别为-27.92 mm和-26.09 mm。由2年结果可知，2个处理的土壤贮水量变化量在0～140 cm土层内上层(0～25 mm土层)和下层(140 cm处)为正值，中层土壤处(25～100 cm土层)为负值。

图2 不同处理对土壤贮水量变化量的影响Fig.2 Effects of different treatments on the variation of soil water storage capacity

2.2 不同处理对产量和水分利用效率的影响

2年结果显示(表1)，免耕处理下谷子产量显著升高，2012年和2013年分别比旋耕处理提高350.17 kg·hm-2和468.1 kg·hm-2,分别升高了6.12%和9.67%。2012年免耕处理较旋耕处理耗水量显著减少，减少量为35.75 mm；水分利用效率显著升高2.21 g·m-2·mm-1,升高了16.13%，相关系数为0.96。2013年免耕处理耗水量比旋耕处理降低1.53 mm,水分利用效率比旋耕处理升高了1.55 g·m-2·mm-1。说明免耕处理较旋耕处理可以减少谷子生长发育期间耗水量，提高其水分利用效率，增加产量。

表1 不同年份不同处理对产量和水分利用效率的影响

2.3 农艺性状和产量的相关性分析

由表2可知，穗长与产量呈极显著正相关关系(P<0.01)，穗重与产量呈显著正相关关系(P<0.05)，相关系数为0.96。穗粒重、株高、千粒重与产量无显著关系，但穗粒重与产量相关系数较高，为0.93，株高和千粒重与产量相关系数均低于0.3。因此，对穗长、穗重、穗粒重与产量进行多元回归分析，结果表明，穗长与产量呈显著相关(R2=0.99*)，见图3。

图3 谷子穗长与产量相关性分析Fig.3 Correlation analysis of ear length and yield of millet

表2 2011—2013年谷子农艺性状与产量的相关性分析

因此，本试验中穗长为影响产量的主要因素，且得出穗长(X)与产量(Y)线性回归方程为Y=2 977.34X-50 508.48。

2.4 气象因子对农艺性状的相关性分析

由表3可知，谷子生长发育时期内的平均气温与谷子株高呈显著负相关关系(P≤0.05),相关系数为-0.97，与千粒重呈极显著正相关关系(P≤0.01),相关系数为0.99。原因可能是平均气温的升高使生长发育期积温变大，加快营养生长向生殖生长的过渡，从而降低株高、增加千粒重；日照时数和降水量均与穗长、穗重和穗粒重呈显著正相关关系；而风速与穗长、穗重和穗粒重呈显著负相关关系，说明谷子生育期内平均风速偏高，会造成叶片蒸腾旺盛，导致叶片内的水分条件恶化，从而使气孔导度减小，降低光合作用，减少营养物质积累。结合表3可看出，影响谷子产量的气象因子主要为日照时数、降水量和风速。

表3 2011—2013年气象因子与农艺性状的相关性分析

3 结论与讨论

免耕具有显著的水土保持效应和作物增产效应，王庆杰等[12]研究表明，免耕可以明显改善春玉米生长发育期间的土壤环境，有效降低土壤水分蒸发，提高春玉米的水分利用效率。赵小蓉等[13]发现，在小麦生育期内免耕处理土壤含水量显著高于翻耕处理，并对提高小麦产量有明显作用。本研究结果表明，与常规旋耕处理相比，免耕显著影响0～140 cm土壤上层(0～25 cm土层)和下层(140 cm处)土壤贮水量的变化，免耕处理可以显著增加上层和下层土壤贮水量。余海英等[14]研究也表明，免耕处理下春玉米全生育期土壤剖面的平均含水量均明显高于传统翻耕。免耕覆盖对表层土壤水分含量影响较大，表层土壤含水量的增加与免耕覆盖减少对土层的扰动、无效蒸发有关[15-16]。因此，本试验结果与前人研究较为一致。在0～140 cm土层内，中部土层土壤贮水量的增加量最高，高于上层土壤和下层土壤。与常规旋耕相比，免耕可以提高谷子产量，降低生育期内耗水量，提高水分利用效率。

研究农艺性状与产量之间的关系，探讨免耕直播条件下谷子农艺性状的发育过程和对产量的影响，可以为直播谷子生产提供科学依据。本试验结果表明，在2种耕作模式下，谷子的穗长、穗重和穗粒重3个指标与谷子产量相关系数较高，回归分析结果表明，穗长与产量的回归结果达到显著水平(R2=0.99)，因此，穗长是影响产量的主要因素，穗长(X)与产量(Y)线性回归方程为Y=2 977.34X-50 508.48。因此，在免耕直播条件下通过提高谷穗长度的栽培技术可以增加谷子产量。

免耕对土壤含水量的影响程度会因地区、年份以及季节降雨量的不同而有所差异[17]，前人在研究免耕模式时多是针对一个地区，且对所研究地区的气候资料研究较少，本试验通过研究免耕模式下农艺性状与气象因子之间的关系，可以清楚地知道除了耕作模式外影响谷子产量形成的气候因素，这不仅可以为耕作模式的改进提供理论依据，也可以筛选出适合免耕播种的其它气候适宜的地区，增加免耕技术模式的推广范围，理论上得到创新。周国勤等[18]研究表明，充足的降雨量和日照时数对小麦千粒重和穗粒重有直接和较大的正效应。韩毅强等[19]研究表明，在黑龙江西部地区影响玉米产量最关键的气象因子是抽雄～成熟期的温度和降雨，此时适量的灌溉更有利于增加产量。本研究结果表明，在免耕直播和旋耕播种模式下谷子生育期内的日照时数和降水量都与谷子的穗长、穗重和穗粒重呈显著正相关关系；而风速与谷子穗长、穗重和穗粒重呈显著负相关关系，说明在免耕模式下，在本试验地区选降水和日照充足、风速适当小的地区有利于增加谷子产量。