2017, Vol. 23 
doi: 
2. 陕西省汉中市农科所，陕西汉中 723002
2. Hanzhong Agricultural Science Institute, Hanzhong, Shaanxi 723002, China
我国西北地区降水稀少且分布不均，水土流失问题严重[1]。干旱缺水与水土流失成为限制旱区农业生产和环境改善的关键因素[2]。为了保护环境和实现农业的可持续发展，保护性耕作受到广泛关注[3–6]。一般认为，保护性耕作是指在尽可能减少土壤扰动的前提下，通过改变微地形、土壤物理性状和增加地表覆盖等技术手段，用以保持水土和培肥地力的一种综合技术体系，其主要形式包括垄作、少免耕、深松以及残茬、秸秆覆盖等[5, 7–8]。
大部分研究集中在保护性耕作方式的保墒蓄水和增产增收效应上[9–12]，而有关不同保护性耕作方式和施氮处理对作物水、氮利用效率影响的研究较少[13]。此外，由于地域间气候和耕作制度的差异，保护性耕作方式的表现也不尽相同。在黄土高原南部冬小麦种植区的保护性耕作试验表明，相较于常规耕作方式，垄作具有一定的增产效果[14]；而在宁夏南部冬小麦种植区的试验发现，垄作比传统耕作方式减产 71%[15]。在冬小麦–春玉米轮作制度中试验发现，无论何种施肥处理，作物产量和水分利用效率均表现为免耕大于翻耕[13]；而连续 6 年的春玉米种植试验显示，免耕玉米平均产量和水分利用效率，较翻耕分别提高 6.1% 和 9.7%[16]。因此，保护性耕作方式的筛选应结合当地实际生产情况，以期达到简约栽培、环保高效的目的。
本文针对本地区夏玉米生产中水分不足等问题，通过 2 年大田试验分析比较不同保护性耕作方式和施氮处理对夏玉米生育期内耕层土壤水分和温度、籽粒产量及水氮利用效率的影响，旨在为半湿润易旱区筛选适宜的保护性耕作方式提供理论依据和技术支撑。
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验于 2014 年和 2015 年的 6～10 月在陕西省杨凌西北农林科技大学教育部旱区农业水土工程重点实验室灌溉试验站 (E108°04′02″、N34°17′38″，海拔 520 m) 进行。该区域位于黄土高原南部，属半湿润易旱区，年均降雨量 550～600 mm，且主要集中在 7～9 月，年均气温 13℃。2014 年和 2015 年夏玉米实际生长时间分别为 111 d 和 115 d，总降雨量分别为 380.7 mm 和 278.2 mm，平均空气相对湿度分别为 70.6% 和 71.4%，平均气温分别为 23.9℃ 和 22.9℃ (图 1)。
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| 图1 夏玉米生长季降雨、相对湿度及日均气温 Fig. 1 Precipitation, relative humidity and daily average temperature in summer maize growing seasons |
试验地土壤类型为旱耕土垫人为土 (红油土)。耕层土壤 (0—20 cm) 主要理化性质：有机质含量为 17.30 g/kg，速效氮含量为 25.03 mg/kg，速效磷含量为 25.98 mg/kg，速效钾含量为 138.67 mg/kg，全氮含量为 1.83 g/kg，全磷含量为 1.05 g/kg，全钾含量为 19.03 g/kg，pH 为 8.07 (1∶2.5 土水比)。
1.2 试验设计本试验为田间小区试验，小区面积为 20 m2 (4 m × 5 m)。试验采用裂区试验设计，主区为 3 种保护性耕作方式 (旋耕垄作、免耕和免耕覆盖)，副区为 2 个施氮处理 (施氮和不施氮处理，即 N230 和 N0)，并设置 3 次重复。施氮处理的施氮量为 230 kg/hm 2。各处理均施用 P2O5 60 kg/hm2 和 K2O 100 kg/hm2 作为底肥。
玉米供试品种为秦龙 11。分别在 2014 年 6 月 11 日和 2015 年 6 月 17 日进行播种，2014 年 10 月 1 日和 2015 年 10 月 10 日收获。供试肥料为尿素 (含 N ≥ 46.6%)、过磷酸钙 (含 P2O5 ≥ 16%) 和氯化钾 (含 K2O ≥ 60%)。基肥施用的具体时间为 2014 年 6 月 16 日和 2015 年 7 月 3 日。在玉米拔节期进行第一次追肥，具体时间为 2014 年 8 月 4 日和 2015 年 8 月 8 日；在玉米抽雄期进行第二次追肥，具体时间为 2014 年 8 月 15 日和 2015 年 8 月 17 日。
具体栽培措施为：
1) 旋耕垄作 (RT) 前茬小麦收获后，对试验小区进行旋耕灭茬作业，旋耕深度约为 10 cm。采用播种机 (2BYFSF-3 型) 适时播种 (播种深度约为 5 cm)，并于夏玉米拔节前人工起垄。磷、钾肥作为底肥一次施入，氮肥分为三次分别作为基肥、拔节期追肥和抽雄期追肥施入 (各占施氮总量的 1/3)。施肥方式为沟施，开沟深度约为 10 cm，施入肥料后及时覆土。不施氮小区只施底肥，不施氮肥。适时喷施农药对夏玉米田间杂草和病虫害进行防治。
2) 免耕栽培 (NT) 前茬小麦收获后，不进行任何耕作，硬茬直播，留茬高度约为 15 cm。其他田间管理措施与上同。
3) 免耕覆盖栽培 (NTM) 播种后对免耕秸秆覆盖 (NTM) 小区进行秸秆覆盖 (秸秆长度约为 5 cm，用量为 5000 kg/hm2，来源为上茬作物冬小麦)。其他田间管理措施与上同。
1.3 测定指标与方法土壤水分：分别于夏玉米播种前和收获后使用土钻采集各处理 0—2 m 土壤样品，每 20 cm 为一层，用以计算夏玉米的水分利用效率；并定期采集各处理耕层 (0—20 cm) 土壤，以观测生育期耕层土壤水分动态。采集到的土壤样品采用烘干法测定含水量。
土壤温度：用直角温度计测定夏玉米生育期内耕层 (0—20 cm) 土壤温度。
夏玉米籽粒产量：在玉米成熟后，每小区随机采集 10 个玉米果穗，脱粒烘干后称重计产，按照 14% 的仓储含水量标准换算成玉米籽粒产量。
植株全氮：在玉米成熟后每小区采集两株具有代表性的玉米植株制成混合样，烘干粉碎后用 H2SO4-H2O2 消煮，连续流动分析仪 (AA3，BRAN + LUEBBE，Germany) 测定全氮，用以计算地上部吸氮量。
1.4 主要计算公式
土壤含水量的计算公式为：
| $\omega {\rm{ = }}\frac{{{m_1} - {m_2}}}{{{m_2}}} \times 100\% $ |
式中：ω 为土壤干基含水量 (%)，m1 为湿土质量，m2 为烘干土质量。
农田耗水量 (ETa) 的计算采用农田水分平衡法，具体公式为：
| $E{T_a} = I + P + U - R - F \pm \Delta W$ |
式中：ETa 为农田耗水量 (mm)，I 为时段内灌水量 (mm)，P 为时段内有效降水量 (mm)，U 为地下水通过毛管作用上移补给作物水量 (mm)，R 为地表径流量 (mm)，F 为补给地下水量 (mm)，ΔW 为土壤储水变化量，即土壤贮水消耗量。本试验地地势平坦，可视地表径流为零；地下水埋深 4 m 以下，可视为地下水补给量为零；降水入渗深度不超过 2 m，可视深层渗漏为零，R、U、F 值可以忽略不计。
水分利用效率 (WUE) 按以下公式计算：
| $\rm {WUE}{\rm{ = }}\frac{{\rm {GY}}}{{E{T_a}}}$ |
式中：WUE 为水分利用效率 [kg/(hm2·mm)]，GY 为籽粒干重 (kg/hm2)，ETa 为农田耗水量 (mm)。
地上部吸氮量 (kg/hm2) 的计算公式为：
地上部吸氮量 = 地上部生物量 × 植株全氮含量
氮肥利用率 (NUE) 采用差值法进行计算，具体计算公式为：
| $\rm {NUE} = \frac{{{\text{施氮区吸氮量}}{\rm{ - }}{\text{不施氮区吸氮量}}}}{{{\text{施氮量}}}} \times 100\% $ |
数据采用 Microsoft Excel 2003 进行处理，应用 SAS 8.1 对数据进行裂区试验设计方差分析和多重比较 (LSD 法)，所有图采用 OriginPro 2015 制作。
2 结果与分析 2.1 不同处理方式对夏玉米籽粒产量的影响耕作方式、施氮和生长季对夏玉米籽粒产量均具有显著影响 (表 1)。与免耕和旋耕垄作相比，免耕覆盖可显著提高夏玉米籽粒产量。在 2014 和 2015 生长季，3 种保护性耕作方式的夏玉米籽粒产量平均值表现为免耕覆盖 > 免耕 > 旋耕垄作，各耕作处理间差异显著。其中，免耕覆盖处理的籽粒产量为6792 kg/hm 2，相较于免耕的 6002 kg/hm2 和旋耕垄作的 4789 kg/hm2，分别显著增加 790 kg/hm2 和 2003 kg/hm2，增产幅度为 13.2% 和 41.8%。
| 表1 耕作、施氮和生长季对夏玉米籽粒产量的影响 Table 1 Effect of tillage, nitrogen treatments and growing seasons on grain yields of summer maize |
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与不施氮 (N0) 相比，施氮 (N230) 可显著提高夏玉米籽粒产量 (表 1)。2014 和 2015 生长季施氮各处理夏玉米籽粒产量的平均值为 7024 kg/hm2，与不施氮的 4698 kg/hm2 相比，显著提高 2326 kg/hm2，提升幅度为 49.5%。此外，2014 生长季夏玉米籽粒平均产量为 6330 kg/hm2，较 2015 生长季的 5392 kg/hm2，显著增加 938 kg/hm2，增加幅度为 17.4% (表 1)。
2.2 不同处理方式对夏玉米耗水量的影响耕作方式和生长季均对夏玉米水分消耗具有显著影响，施氮的影响不显著，且 3 者具有显著的交互作用 (表 2)。3 种保护性耕作方式的农田耗水量表现为免耕 < 免耕覆盖 < 旋耕垄作，分别为 219 mm、221 mm 和 248 mm。其中，免耕和免耕覆盖处理的夏玉米农田耗水量要显著低于旋耕垄作，但免耕和免耕覆盖处理之间差异不显著。相较于旋耕垄作，免耕和免耕覆盖处理的夏玉米农田耗水量分别降低 29 mm 和 27 mm。
| 表2 耕作、施氮和生长季对夏玉米耗水量的影响 Table 2 Effect of tillage, nitrogen treatments and growing seasons on water consumption of summer maize |
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各施氮处理 (N230) 的农田耗水量平均值为 231 mm，仅比不施氮的 227 mm 增加 4 mm，方差分析表明施氮对农田耗水量影响不显著。此外，与 2015 生长季的 211 mm 相比，2014 生长季夏玉米农田耗水量为 248 mm，显著增加 37 mm。
2.3 不同处理方式对夏玉米地上部吸氮量的影响耕作方式、施氮和生长季对夏玉米地上部吸氮量均具有显著影响，且三者具有显著的交互作用 (表 3)。3 种保护性耕作方式的夏玉米地上部吸氮量表现为免耕覆盖 > 免耕 > 旋耕垄作，且各耕作处理间差异显著。其中，免耕覆盖处理的夏玉米地上部吸氮量为 107.0 kg/hm 2，较免耕的 91.9 kg/hm2 和旋耕垄作的 71.2 kg/hm2，分别显著提高 15.1 kg/hm2 和 35.8 kg/hm2。
| 表3 不同处理方式夏玉米地上部吸氮量 Table 3 Above-ground N uptake of summer maize under different treatments and growing seasons |
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与不施氮 (N0) 相比，施氮 (N230) 可显著提高夏玉米地上部吸氮量。施氮各处理的地上部吸氮量平均值为 121.8 kg/hm2，比不施氮的 58.3 kg/hm2 显著提高 63.5 kg/hm2。此外，2014 生长季各处理地上部吸氮量的平均值为 98.3 kg/hm2，比 2015 生长季的 81.8 kg/hm2 显著增加 16.5 kg/hm2。
2.4 不同处理方式对夏玉米水分利用效率的影响耕作方式和施氮及其交互作用均可显著影响夏玉米的水分利用效率，而耕作方式与生长季，施氮与生长季之间无交互作用 (表 4)。3 种保护性耕作方式的水分利用效率表现为免耕覆盖 > 免耕 > 旋耕垄作，各耕作处理之间差异显著。免耕覆盖处理的水分利用效率为 26.8 kg/(hm 2·mm)，较免耕和旋耕垄作处理分别显著增加 3.2 kg/(hm2·mm) 和 10.3 kg/(hm2·mm)；免耕较垄作增加了 7.1 kg/(hm2·mm)。
| 表4 不同处理和生长季夏玉米水分利用效率 Table 4 Water use efficiency of summer maize under different treatments and growing seasons |
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施氮能够提高夏玉米的水分利用效率，施氮各处理水分利用效率的平均值为 26.8 kg/(hm2·mm)，与不施氮的处理相比，显著提高 9.0 kg/(hm2·mm)。2014 和 2015 的水分利用效率差异不显著。
2.5 不同处理方式对夏玉米氮肥利用率的影响耕作和生长季及其交互作用可显著影响夏玉米氮肥利用率 (表 5)。3 种耕作方式的夏玉米氮肥利用率表现为免耕覆盖 > 免耕 > 旋耕垄作。免耕覆盖处理的氮肥利用率为 33.1%，较免耕和旋耕垄作的分别显著增加 6.3 和 10.1 百分点。
由于降雨等气候因素的影响，2014 生长季各处理氮肥利用率的平均值要显著高于 2015 生长季。其中，2014 生长季的氮肥利用率为 32.1%，相较于 2015 年的显著提高 9.0 个百分点。
| 表5 不同耕作和生长季夏玉米氮肥利用率 Table 5 Nitrogen use efficiency of summer maize under different tillage and growing seasons |
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由于施氮和生长季对耕层土壤水分和温度影响较小，本文只分析讨论耕作方式对夏玉米耕层土壤水分和温度的影响。
在夏玉米生育期内，3 种保护性耕作方式耕层土壤水分动态整体表现为免耕覆盖 > 免耕、旋耕垄作 ( 图 2)。其中，免耕覆盖处理与免耕、旋耕垄作间土壤含水量的差异主要发生在玉米拔节期之前；在玉米拔节期以后，这种差异逐渐减小。这主要是因为在夏玉米拔节期以后降水增多，且免耕和免耕覆盖小区残茬秸秆分解加快，使各耕作方式土壤含水量之间的差异逐渐减少。
相较于旋耕垄作，免耕和免耕覆盖处理表现出较好的保持土壤水分的能力。在 2014 和 2015 夏玉米生长季，旋耕垄作土壤含水量较低且变化急剧，免耕和免耕覆盖的土壤含水量较高且变化平稳。其中，2014 和 2015 生长季免耕覆盖处理的土壤含水量变幅分别为 15.8%～26.2% 和 11.5%～23.2%，免耕为 13.7%～25.2% 和 9.6%～22.8%，旋耕垄作为 9.0%～25.1% 和 7.6%～21.0%。
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图2
夏玉米生育期内耕层土壤含水量、土壤温度动态变化
Fig. 2
Soil moisture and temperature variations in 0–20 cm layer during the growth period of summer maize
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与旋耕垄作相比，免耕和免耕覆盖处理表现出降低土壤耕层温度的效应 (图 2)。其中，免耕覆盖处理降低地温的效果更为明显，免耕次之。免耕和免耕覆盖处理的降温效应主要表现在夏玉米苗期，在夏玉米拔节期以后这种降温效应逐渐减弱，各处理耕层土壤温度之间相差不大。这主要是因为随着夏玉米生育时期的推进，作物残茬和秸秆逐渐分解，加之农田郁闭度增加，太阳对地面的辐射逐渐减少，此时土壤温度的变化主要受气温的影响，使各耕作处理之间土壤温度的差异进一步变小。
在 2014 和 2015 夏玉米生长季，旋耕垄作处理下的土壤温度较高且变化急剧，免耕和免耕覆盖处理的土壤温度较低且变化平稳。其中，2014 和 2015 生长季旋耕垄作处理下的土壤温度变化范围分别为 18.7～37.4℃ 和 17.5～33.9℃，免耕为 18.7～35.3℃ 和 16.9～32.0℃，免耕覆盖为 18.3～31.0℃ 和 17.5～29.6℃。
3 讨论耕作方式可调节土壤水肥气热，从而影响夏玉米产量和水氮利用效率[9, 11, 17]。相较于旋耕垄作，免耕和免耕覆盖均可显著提高夏玉米籽粒产量及水、氮利用效率，且免耕覆盖的增产效果优于免耕 (表 1)。其中，不论施氮与否，免耕覆盖的产量和水分利用效率均显著高于垄作；而免耕在不施氮 (N0) 条件下具有显著的增产效应，在施氮 (N230) 时增产效应不显著 (表 6)。
免耕和免耕覆盖的增产效应主要归功于免耕和免耕覆盖具有调节土壤温度和保水保墒的作用。玉米根系在地温 20～24℃ 范围内生长最为适宜，夏玉米苗期土壤温度较高时降低耕层土温有利于根系深扎[18]。免耕和免耕覆盖小区中残茬和秸秆的存在可减少太阳对地面辐射，降低土壤温度。免耕及免耕覆盖处理均可降低 7 月份地温，其中免耕覆盖处理降温效果更好，降幅达 5～8℃ (图 2)。
残茬和秸秆覆盖物可减少夏玉米株间无效蒸发，促进植株对水分的利用。在夏玉米苗期 (7 月份)，免耕和免耕覆盖小区中的残茬和秸秆覆盖物可有效抑制土壤水分蒸散，提高耕层土壤含水量，且免耕覆盖优于免耕处理 (图 2)。其次，免耕和免耕覆盖可改善土壤结构[19]，增加降雨入渗率[20–21]和土壤储水量[22–23]。夏玉米拔节期 (8 月初)至灌浆期 (9 月初) 是当地降雨季，免耕覆盖处理的耕层土壤含水量要高于旋耕垄作，且变幅较小 (图 2)，这有利于满足玉米需水关键时期的水分需求。免耕覆盖处理可减少棵间裸土蒸发，促进植株生长，增加植株蒸腾[24]，进而提高水分利用效率 (表 6)。
| 表6 2014 和 2015 生长季不同处理夏玉米籽粒产量 (kg/hm2) 和水分利用效率 [kg/(hm2·mm)] Table 6 Summer maize yield and water use efficiency (WUE) under different treatments in 2014 and 2015 |
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施肥对夏玉米籽粒产量和水分利用效率具有显著影响 (表 1，表 4)。由于施氮可显著增加夏玉米籽粒产量 (表 1)，而农田耗水量增加不显著 (表 2)，使得夏玉米水分利用效率显著提高，且施氮和耕作方式间具有交互效应 (表 4)。此外，施氮可影响耕作处理的增产效果。在不施氮条件下，免耕和免耕覆盖均具有显著的增产效果；在施氮 230 kg/hm2 条件下，免耕覆盖处理增产效果显著，而免耕不显著 (表 6)。与籽粒产量相似，施氮亦可影响耕作处理对夏玉米水分利用效率的提升。在不施氮条件下，免耕和免耕覆盖均可显著提高夏玉米水分利用效率；在施氮 230 kg/hm2 条件下，免耕对水分利用效率的提升效果则受到降雨量的影响 (表 6)。
生长季降雨可显著影响夏玉米籽粒产量及氮肥利用率 (表 1，表 5)。2014 夏玉米生长季降雨总量比 2015 生长季多 102.5 mm，夏玉米籽粒产量较 2015 生长季有显著提高 (表 1)，2014 生长季氮肥利用率显著高于 2015 生长季 (表 5)。这是由于降水可促进植株生长和氮素吸收利用 (表 4)，从而提高了氮肥利用率[25]。然而，2014 和 2015 生长季水分利用效率差异并不显著 (表 3)。这与陈宇等[26]的研究结果一致，在降雨量为 250～450 mm 范围内，夏玉米的产量及产量构成要素随模拟降雨量增加而增大，但降雨量对水分利用效率影响较小。此外，本研究发现 2014 生长季 3 种耕作方式的氮肥利用率差异不显著，而 2015 生长季免耕和免耕覆盖的氮肥利用率显著高于垄作。这主要是因为 2015 生长季降雨少，水分成为玉米生长和氮素吸收利用的主要限制因素，保水性能优异的免耕覆盖处理有利于植株生长和氮素吸收利用，从而提高了氮肥利用率。
4 结论免耕和免耕覆盖尤其是免耕覆盖可有效调节土壤水热变化，有利于解决本地区夏玉米生产中苗期干旱少雨导致的土壤水分匮乏问题，提高夏玉米籽粒产量及水氮利用效率，同时可解决秸秆焚烧问题。因此，可在关中平原及类似地区夏玉米生产中推广免耕覆盖技术。
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