渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究

渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究 目录1文献综述11.1黄土高原区旱地农业发展前景11.1.1旱地农业发展潜力11.1.2旱地农业可持续发展对策21.2保护性耕作在旱地农业中的应用31.2.1传统耕作31.2.2保护性耕作发展与应用31.3保护性耕作技术研究进展41.3.1保护性耕作对土壤物理性质的影响41.3.2保护性耕作对土壤化学性质的影响51.3.3保护性耕作对作物生长发育的影响51.3.4保护性耕作的产量、效益51.3.5保护性耕作技术研究展望62实验概况和方法82.1研究背景和意义82.2研究目标92.3研究内容92.4技术路线92.5材料和方法92.5.1研究区概况92.5.2试验方法112.5.3测定指标与方法112.6数据处理与统计方法123不同耕作模式对土壤蓄水保墒效应的影响133.1结果与分析133.1.1试验区降雨量概述133.1.2夏闲期不同耕作方式对土壤蓄水作用的影响143.1.3不同耕作方式下冬小麦种植期间0-200cm土壤水分动态变化16 3.2讨论203.2.1不同降雨年型夏闲期土壤水分特征203.2.2轮耕对夏闲期土壤蓄水效应的影响203.2.3轮耕对生育期0-200cm土壤水分动态变化的影响213.3小结224不同耕作模式对产量及经济效益的影响234.1结果与分析234.1.1不同轮耕模式对冬小麦产量及其构成因素的影响234.1.2不同轮耕模式对冬小麦水分生产效率的影响244.1.3不同耕作和施肥方式对麦田经济效益的影响264.2讨论274.3小结285主要结论、创新点和研究展望305.1主要结论305.2研究特色与创新点305.3研究展望与建议30参考文献：32附录英文文献：35致谢41 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究作者:李登指导教师:李军摘要:旱作农业是我国传统农业的重要方式，而免耕、深松耕和翻耕等耕作措施轮换形成土壤轮耕技术体系是解决旱地农业长期连续单一耕作弊端的有效途径。目前，国内外对不同耕作技术组成的保护性轮耕模式研究较少，因此需要开展旱作农田保护性轮耕长周期定位试验，探讨休闲期不同轮耕模式的蓄水保墒效应，以明确不同的轮耕模式对土壤水分及作物产量的影响，选择高产高效轮耕模式。于2007-2012年在渭北旱塬实施了夏闲期免耕/深松、深松/翻耕和翻耕/免耕3种隔年交替的轮耕试验，以连续翻耕、连续深松和连续免耕的单一耕作处理作对比，探讨了不同轮耕模式对土壤水分状况及产量的影响。主要研究结果如下：不同轮耕方式的夏闲期蓄水效率和生育期土壤墒情表现受不同降水年型影响：干旱年型免耕/深松轮耕处理土壤水分状况较好，丰水年型翻耕/免耕轮耕蓄水效果较好。免耕/深松轮耕处理在丰水年不降低产量且干旱年增产的情况下，提高了生产收益。所以，在渭北农业生产常年受干旱胁迫的情况下，免耕/深松轮耕模式相比传统翻耕，能够增加夏闲期土壤蓄水量，改善生育期土壤墒情，有利于旱作麦田稳产增产，同时减少了机械投入，提高了生产效益，是旱地农业生产的明智选择。关键词：渭北；麦田；保护性耕作；蓄水保墒；产量；经济效益EFFECTSOFROTATIONALCONSERVATIONTILLAGESONSOILWATERCONSERVATIONANDCROPPRODUCTIONOFWHEATFIELDINWEIBEIDRYLANDStudent:LiDengAdvisor:LiJunABSTRACT：Soilrotationaltillagesystemswhichcomposedofno-tillage(N),subsoiling(S)andconventionaltillage(C)istheeffectivemeasurestosolvethedrawbackscausedbylong-termcontinuoussingle-tillagemodeindryland.Butrecentlytherearefewstudiesaboutconservationrotationaltillagepatterns,henceitisnecessarytoconductthelong-periodexperimentofrotationaltillage,inordertoclarifytheeffectsofrotationaltillageonsoilmoistureandcropyieldinrainfedfarmland.TheexperimentsofN/S(no-tillageinthefirstyear,subsoilinginthesecondyear,againno-tillagefollowedbyalternatingthenextyear),S/C(subsoilinginthefirstyear,conventionaltillageinthesecondyear,againsubsoilingfollowedbyalternatingthenextyear)andC/N(conventionaltillageinthefirstyear,no-tillageinthesecondyear,againconventionaltillagefollowedbyalternatingthenextyear)rotationaltillagewereconductedinrainfedwheatfieldsofWeibeihighlandinsummerfallowperiodfrom2007to2012,comparedwithcontinuousconventionaltillage,continuoussubsoilingandcontinuousno-tillagetreatments.Soilmoistureconditionsinsummerfallowperiodandgrowthperiod,wheatagronomictraitsandyieldresponsewerestudied. Themainresultsareasfollows:soilwaterstorageefficiencyinsummerfallowperiodanddynamicsofsoilmoistureingrowingperiodunderdifferenttillagepatternswereaffectedbytypeofprecipitation.Indroughtyears,watermoistureconditionofN/Streatmentisbetter;Inrainyyears,waterstorageefficiencyofC/Ntreatmentisbetter.N/Streatmentsdidnotreducetheyieldinrainyyearsandincreasedtheyieldindroughtyears,soitimprovedeconomicbenefitscomparedwithconventionaltillage.Therefore,Weibeidrylandwhereagriculturalproductionwasinfrequentdroughtstress,comparedwithconventionaltillage,N/Srotationaltillageincreasedsoilwaterstorageinthesummerfallowperiod,improvedthesoilmoistureconditionsingrowingperiod,andwasconducivetoensurestableyield,andalsoimprovedtheeconomicbenefits.KEYWORDS:Weibeidryland；wheatfields；conservationtillage；waterconservation；rotationaltillage；yield；economicefficiency 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究1文献综述我国耕地资源少、水资源短缺，干旱半干旱地区约占国土面积的52.5％[1]，再加上半干旱向半湿润地区的过渡地带，旱地农业区范围就更大。旱农地区是我国农业生产的重要基地，从过去到现在，旱地农业对我国农业生产有着重大贡献[2]。由于旱地生态环境十分脆弱，不合理开发利用已经对其造成了严重的破坏，因此旱地农业的发展需要在保护和改善生态环境基础上提高作物生产力。保护性耕作是20世纪中叶逐步发展起来的一项先进的旱地农业耕作技术体系，它以增加农田地表覆盖和少免耕为主体，在保护环境、改善环境质量的前提下，有效地对可利用的土壤、水分及生物资源进行综合管理，实现农业上的可持续发展[3]。在旱农地区生态环境日益脆弱的情况下，保护性耕作的重要性在我国北方旱区逐渐显现。90年代以来，我国在山西黄土高原部分地区开展保护性耕作适应性研究，经过10年持续的试验，证明保护性耕作在我国是可行的，适宜大面积推广，是解决生态环境问题、实现增产增效、促进旱区农业可持续发展的先进耕作技术[4]。随着保护性耕作技术体系在我国研究的逐渐深入，试验应用中保护性耕作不增产或减产的现象也是客观存在的[3]。连续少免耕后出现耕层土壤变硬，表层养分富化，肥料利用率低，氮素损失加重，杂草虫害增多等问题[5]。针对连续传统翻耕和连续少免耕造成的土壤耕性恶化的问题，建立免耕、深松和翻耕等合理组配的轮耕技术体系对农田健康发展具有重要意义[6]。本文以渭北旱塬区保护性耕作轮耕长期定位试验为依托，探讨了不同轮耕方式下旱地农田的土壤水分变化和作物生产响应。1.1黄土高原区旱地农业发展前景1.1.1旱地农业发展潜力旱地农业主要是指在半干旱和半湿润地区无灌溉条件下，依靠天然降水进行的农业生产。半干旱及半湿润区域降水较少，由降水滋养的地面水和地下水资源也相应短缺，局部地区虽可灌溉，但无灌溉是主要特征，这就构成了旱地农业的基本条件。旱地农业曾在农业发展历史中发挥过重要作用，做出过重大贡献。现在世界上所需要的小麦、高粱和小米主要由旱地生产和供应，其中特别是小麦，由旱地(包括有灌溉条件的旱地)生产的约占世界小麦总产量的3/4以上[2]。黄土高原大部分半干旱和半湿润地区，依靠天然降水进行农业生产，是我国典型的旱地农业生产区，这些地区虽然水资源短缺，干旱频繁，生态环境问题突出，但是：①该区太阳辐射强，日照时间长，气温日较差大，雨热同季，极有利于秋熟作物种群的光合作用和干物质积累。②该区人口密度较小，相对耕地较多。据调查，西北黄土高原地区人均耕地0.24hm，是全国人均耕地的3倍；③黄土高原地区黄土深厚，降水入渗存储能力强，2m土层蓄水可达450—600mm7 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究，其入渗能力较红壤高，为植物生长发育创造了优越的条件[2]。限制旱地农业生产的主要问题是水资源短缺、风蚀和水蚀。只要充分开发和利用降水资源，旱地仍有着发展高效农业的潜力。现代科学技术的应用已使旱地生产面貌改观：保水集水措施的实施减轻了旱农区域内年和年、月和月、生长季节内不可避免的降雨变动所造成的绝产风险；适应当地条件作物品种的选育、推广和应用，提高了旱地农业生产的稳定性；先进耕作和土地利用制度的建立，减轻了一些地区风蚀和水蚀的危害；因地制宜、农林牧有机结合已使一些旱农地区成为社会、生态、经济“三效益”显著的典范。过去50年中，这方面的成就特别突出[2]。1.1.2旱地农业可持续发展对策黄土高原旱地农业自然生产力潜力很大，但这一地区千百年来陷入了“越穷越垦，越垦越穷”的恶性循环。旱农地区自然降水有限，季节分配不均，年际变化大，土壤水分蒸发量大，蓄水保墒困难，作物水分亏缺量严重，干旱经常发生。此外，农业基本生产条件差，土壤肥力水平低．栽培管理粗放，这些都严重制约有限水分资源生产潜力的充分发挥。因此，开发我国旱农地区的水分生产潜力，必须采用先进的旱地蓄水保墒、土壤培肥、作物栽培和田间管理技术，加强农田基本建设、实现农业与生态的协调和持续发展[2]。张沁文认为，在旱地农业生态经济系统中存在两种类型的因素，一是在当今科技发展水平下认为不可控制的因素，如大气降水，以至由这些因素直接导致的“天旱”；一是可控制因素，如土地形状、土壤水的形成与储存、土地肥力，乃至“地旱”程度等。人类只能通过对可控因素的积极调控，来改变农业生态经济系统的总体结构序列，从而提高环境质量，达到提高系统组合功能、实现旱地高产稳产的目的。张义丰等认为，旱地农业最主要的特征是供水量接近于作物需水的底限，这种临界状态既表明北方旱农地区生产潜力较大，说明水分胁迫造成其发展难度很大[8]。北方旱农地区之所以迄今生产力较低，一个主要原因就是我们对这种临界性质农业的水分问题及区域水土资源优化配置认识不足，因而对临界农业的复杂性和它特有的规律没能很好地把握。提高旱地农业降水利用率的农作技术体系。首先加强基本农田建设，改变立地条件，增加降水就地入渗。如坡地改为梯田，明显降低了径流速度，增加降水就地入渗量。采用地膜或秸秆等材料覆盖地面，在地面形成一保护层，降低水分无效蒸发，减少水土流失，促进作物生长。通过水土保持耕作、耙耱中耕、培肥改土、合理轮作等措施，使土壤理化性质得以改善，改良土壤增加贮水[7]。保护性耕作是能够同时改善生态环境和提高土地生产力的关键技术[9]。少免耕和覆盖由于不翻动土层，尽量减少耕作次数，从而减少土壤水分蒸发和水土流失，提高蓄水和保墒能力。少免耕相对降低了土壤透气条件和好氧性微生物的活动，减缓有机质分解速度，增加有机质的积累，起到改土培肥作用；由于减少耕作次数和机具对土壤结构的破坏作用，土壤有机质提高，使土壤水稳性团聚体含量增加，改善土壤结构。7 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究1.2保护性耕作在旱地农业中的应用1.2.1传统耕作平翻耕法是应用最广泛的一种传统耕作法，为我国典型的精耕细作模式。翻耕是用有壁犁翻转耕层和疏松土壤，同时翻埋肥料和残茬、杂草等的作业，是传统整地作业的中心环节。翻耕地在播种前需要表土耙耱耕作，耙耱和镇压是我北方旱农地区广泛应用的传统保墒技术，耙耱是对耕翻过的土壤在雨季过后进行碎土、平地,以减少表土层内的大孔隙，减少土壤水分蒸发，达到守墒保墒的目的。耙耱是重要整地手段，也是重要保墒措施。旱地农业区传统上一直采用铧式犁期耕、地表裸露休闲的耕作方式在提高农业产量中曾经一度发挥了非常重要的作用。随着土壤熟化和土地利用时间的延长，传统耕作方式所产生的问题也日益暴露出来：⑴长期用铧式犁进行同耕层耕翻，土壤团粒结构遭到破坏，有机质含量下降；⑵形成坚硬的犁底层，影响土壤蓄水能力和作物根系生长发育；土壤失去植被保护，裸露地表土壤失墒大，同时导致风蚀、水蚀加剧，成为引发沙尘暴的重要因素；⑶机具下地次数多，土壤压实，耗能增多、生产成本高。这些因素使作物失去了适宜的生长环境，影响产量和经济效益，严重制约了农业的可持续发展。因此，1943年美国农学家福克纳首先明确否定了犁耕的必要[4]。1.2.2保护性耕作发展与应用保护性耕作是近40年发展起来的新的耕作法，60—70年代，免耕法引起世界范围的重视，并在各国广泛进行试验研究[2]。试验推广适合我国北方旱地农业的新型耕作技术、对促进农业综合生产能力的提高、资源和环境的保护，具有十分重要的现实作用和长远意义。保护性耕作是以机械化作业为主要手段，采取少耕或免耕方法，将耕作减少到只要能保证种子发芽即可，用农作物秸秆及残茬覆盖地表，并主要用农药来控制杂草和病虫害的一种重要的耕作技术。但是人类和自然的矛盾也愈来愈突出。如耕翻作业除掉地面残茬、杂草固然有利于播种，但同时也破坏了对地面的保护，导致土壤风蚀、水蚀加剧；旋耕切碎土壤，创造了松软细碎的种床，但同时又消灭了土壤中的蚯蚓与生物，使土壤逐渐失去活性。耕作强度愈大，土壤偏离自然状态愈远，自然本身的保护功能、营养恢复功能就丧失愈多，要维持这种状态的代价就愈大。近几十年来，我国机械耕作活动增强，农作物产量大幅度上升，但河流泛滥、沙尘暴猖獗、土壤退化、作业成本上升也是不争的事实。保护性耕作取消铧式犁翻耕，在保留地表覆盖物的前提下免耕播种，以保留土壤自我保护机能和营造机能，是机械化耕作由单纯改造自然到利用自然、进而与自然协调发展农业生产的革命性变化。7 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究保护性耕作其实是向自然的一种回归，它放弃了多年来成为习惯、认为土地就必须翻耕的做法，更加充分地利用自然保护土地、恢复地力。在实现早地增产增收的同时，又有效地减少水土流失、抑制农田扬沙，培肥土壤，实现农业可持续发展。目前在美国、加拿大、澳大利亚、巴西等国家，保护性耕作技术得到快速推广，并在引导着传统耕作技术的革命[4]。保护性耕作的主要技术内容包括以下四个方面：①改革铧式犁翻耕土壤的传统耕作方式，实行免耕或少耕。免耕即除播种之外不进行任何耕作；少耕包括深松与表土耕作。②利用作物秸秆残茬覆盖地表，在培肥地力的同时，用秸秆盖土、根茬固土，保护土壤，减少风蚀、水蚀和水分无效蒸发，提高天然降雨利用率。③采用免耕播种，在有残茬覆盖的地表实现开沟、播种、施肥、施药、覆土镇压复式作业，简化工序，减少机械进地次数，降低作业成本。④改翻耕控制杂草为喷洒除草剂或机械表土作业控制杂草[10]。由此可见，保护性耕作作业就是通过专用机械，保证种子播种质量和发芽率，借秸秆覆盖减少风蚀、水蚀，提高水分利用效率，从而达到节约成本增加效益的目的。旱地农业发展保护性耕作技术，在减少农田水分的无效蒸发，减缓径流、改善土壤结构、提高土壤肥力状况等方面贡献突出，不仅降低了生产成本而且还增加了作物的产量，是实现旱地农业可持续发展的一种优良途径。1.3保护性耕作技术研究进展我国在20世纪70年代就开始了少、免耕等保护性耕作技术的试验、示范工作。谢瑞芝等对以保护性耕作、少耕、免耕以及秸秆覆盖、秸秆还田等为题名发表的论文进行统计调查，认为自1994年以来，保护性耕作研究有了长足的发展，国内各地区均有进行保护性耕作研究的报道，研究涉及的作物和栽培耕作模式也几乎覆盖了国内所有农作物及其耕作方式[3]。这是保护性耕作的意义逐渐凸显的过程，也是农业科技政策支持的结果。1.3.1保护性耕作对土壤物理性质的影响保护性耕作与常规耕作相比，由于减少了土壤耕作的次数，实施了秸秆覆盖或秸秆粉碎还田技术，因此，改善了土壤的物理结构和化学结构，优化了土壤环境，使土壤的物理和化学性质相应都发生了变化。许多研究表明，耕作方式对土壤温度、含水量、孔隙度、容重、团聚体等土壤物理特性产生了影响[11][12][13]。研究表明，保护性耕作对土壤温度的影响存在“低温效应”和“增温效应”。如小麦生育后期耕层土壤的“低温效应”有利于防御干热风对小麦的危害，也有利于后续作物的生长发育；施彩仙研究表明，免耕直播稻田的土壤温度等于或略高于翻耕田，土壤受热较快，保温性好，有利于根系的早发快发[14]。保护性耕作能够增强土壤蓄水性能。保护性耕作不破坏土壤结构，使得土壤有效持水孔隙比例增加，对增加降雨的入渗，提高土壤含水量，增加水分存储；而覆盖又抑制了蒸发，对减少土壤蒸发损失有一定的作用，所以保护性耕作具有较好的保水效果[15]7 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究。免耕与深松可以提高土壤耕层储水量，为后季作物的播种及苗期生长提供较好的土壤环境。王晓燕研究表明，与常规耕作相比，0-50cm土层的储水量，免耕提高14%，深松提高22%[16]。保护性耕作将体闲期降水有效地保存在深层土壤，通过增加储水与减少表层水分蒸发，保护性耕作提高了作物的水分利用效率。1.3.2保护性耕作对土壤化学性质的影响不同耕作方式下土壤的温度、水分、通透性不同，这些都影响到土壤养分的分解、转化与积累。秸秆本身含有大量的有机物质和矿质营养，通过覆盖还田，可以增加土壤养分。在农田管理过程中，保护性耕作方式减少农机具对土壤扰动，降低了农田CO2排放来减少土壤的碳损失，增加农田土壤固碳潜力。与传统耕作相比，保护性耕作可以导致土壤表层有机质的累积[17]，土壤中养分成层分布，这是保护性耕作（特别是免耕）最典型的特点之一[47]。翻耕与免耕措施下土壤耕层内的氮素储量相当，差别在于免耕土壤全氮呈明显的层次性分布且主要分布在表层，而翻耕土壤上下层全氮含量相差较小，分布较均匀[18]，秸秆还田能缓效提高土壤全氮。保护性耕作农田土壤全磷[19]、速效磷含量高于常规耕作农田，但其钾的有效性几乎没有什么差别[20]。研究表明，秸秆全量还田可以增加土壤有机质含量，速效磷和速效钾含量也会明显提高。1.3.3保护性耕作对作物生长发育的影响不同耕作和覆盖措施对作物出苗的影响不同，秸秆粉碎直接还田条件下，种子萌发和生长时水分和养分条件较好，出苗率较高[21]。逄焕成认为，秸秆覆盖的处理土壤表层墒情好，养分充足，小麦的出苗率高，冬前总茎数和春季总茎数增加[30]；秸秆覆盖处理的夏玉米出苗率可提高4%-13%[22]。保护性耕作影响作物的根系发育，根系的分布及其生理生化指标均发生了变化[23]。免耕处理的小麦0-20cm土层根系扩展，比传统耕作根重增加；间隔深松处理则促进根系下扎，表层根重降低。保护性耕作改变了作物的生长进程，对不同作物及其不同生育阶段产生不同的影响。秸秆覆盖在冬季具有保温作用，有利于冬小麦防御冻害威胁，保证冬小麦安全越冬，但推迟了返青期，起身拔节后麦苗生长势由弱变强，小麦植株生长发育良好，叶面积增大，小麦的光合效率显著提高，后期叶片功能期延长，后期绿叶面积多，不易早衰，有利于小麦结实和灌浆。保护性耕作还影响作物的产量结构。秸秆覆盖量在每公顷4500-7500kg时，小麦的亩穗数、穗粒数、千粒重都明显提高，在一定范围内产量有随着覆盖量的增加而提高的趋势[24]。1.3.4保护性耕作的产量、效益谢瑞芝等调查表明，以当地传统耕作模式为对照，保护性耕作产量数据大部分是增产或平产报告，平均增产幅度为12.51%，其中小麦为8.98%，水稻为6.23%，玉米为15.88%[3]。不过保护性耕作不增产或减产的现象也是客观存在的。保护性耕作影响作物产量的原因是多方面的，前人也对其进行了研究。保护性耕作持续时间影响作物产量：贾树龙等认为连续少耕和免耕处理的前3年对作物产量没有影响，之后小麦产量显著降低（最大降幅达到31.83%），但连续免耕对玉米产量则没有明显影响[25]7 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究。康红等研究表明，免耕覆盖初期小麦产量明显低于常规耕作，随着处理年限的增加，处理间的差异减小，产量基本相当[26]。秸秆处理的数量、时间影响作物产量：玉米秸秆少量覆盖可稍增加冬小麦产量，而增大覆盖量则会减产，主要原因是覆盖造成了小麦返青期低温，影响了冬小麦的正常生长[17]。Riley等比较了国外翻耕和免耕试验的结果，认为免耕对产量几乎没有不利影响，90%的免耕产量与翻耕没有差异，而节省的机械、能源和劳力的费用，以及对土壤的有益性则是非常明显[48]。实行保护性耕作，减少土壤耕作次数，有效降低了农业生产的投入成本，具有比较明显的经济效益。1.3.5保护性耕作技术研究展望目前国内保护性耕作技术应用面积仍不尽人意，只占我国耕地面积的6%左右，而北美地区保护性耕作面积占耕地面积的60%以上。影响保护性耕作技术推广应用的主要原因是作物产量不高、效益不明显，保护性耕作农田的稳产丰产技术不过关限制其推广应用。缓解保护性耕作措施对作物生产的负面影响，需要对保护性耕作影响作物生长的机理进行系统的理论研究[3]，综观国内保护性耕作的研究现状，还需在以下方面进行深入研究：（1）不同保护性耕作措施下土壤性质变化对作物生产的影响尚难确定。一般认为保护性耕作会增加土壤的容重，不利于作物的生长，但王昌全等的长期定位试验结果表明，连续8年的免耕处理土壤容重小于传统翻耕处理，且免耕能增加土壤孔隙度、促进团聚体的形成[27]；而何奇镜等则认为，连年少免耕引起的土壤紧实对玉米生长没有不利影响[28]。（2）不同保护性耕作措施下土壤温度变化对作物生产的影响还需要进行深入研究。一些研究者提出了“秸秆覆盖在低温时有增温效应，高温时有降温效应”的观点，认为覆盖有利于作物生长，但减产现象也都被归咎为土壤温度的变化[29]。高亚军等认为，绝大多数研究只是测定了作物某一生长阶段的温度，没有土壤温度变化的系统测定结果，难以解释土壤温度变化造成的作物生产上的差异[42]。（3）保护性耕作条件下病虫草害的发生规律发生了变化，对保护性耕作条件下病虫草害的防治技术也应有针对性的创新。（4）不同保护性耕作措施对作物生产的影响还需要进行深入研究。由于保护性耕作采用的少免耕及秸秆还田措施，容易引起土地整地质量下降，从而降低了种子的播种质量，使出苗率和出苗质量均受到影响[21]；但也有报道认为保护性耕作处理的土壤表层墒情好，养分充足，提高了出苗率[22][30]。不同的耕作措施、秸秆还田的数量、方式以及还田的时间对作物生产的影响也都存在很大的争议。所以，需要充分理解保护性耕作条件下的作物生长发育规律特点，才能制定有针对性的保护性耕作技术管理方案。保护性耕作所采取的任何措施都会作用于作物的生长环境从而直接、间接的影响作物生长发育，保护性耕作的效益也是通过作物的生长发育过程最终在产量上体现。在不同的试验条件下，同一种保护性耕作措施获得不同的甚至是完全矛盾的试验结果屡见不鲜，但目前的研究并没有认真分析这些因素的作用，对保护性耕作措施的评价各执一词。只有系统考虑保护性耕作措施对作物生长发育的影响因素，制定有针对性的解决方案，才能解决生产中存在的实际问题[3]。我国自807 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究年代以来开始系统进行保护性耕作的研究工作，一批具有远见的研究者建立了长期定位的研究基地，在理论研究和生产实践中积累了一定的经验，也为保护性耕作的研究奠定了基础[31]。当前，保护性耕作的研究人员应深入分析我国保护性耕作研究和推广应用过程中存在的问题，根据我国的生产实际，对保护性耕作做出科学的评价，通过机理性研究，创新保护性耕作条件下作物稳产丰产技术，推动保护性耕作技术在我国的发展和应用。7 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究2试验区概况和研究方法2.1研究背景和意义陕西渭北旱塬区地处黄土高原东南部，降水在400—730mm[32]，水资源极度缺乏,农业用水主要依靠天然降雨,为典型的雨养农业区(李岗,1997)。长期以来，“蓄住天上水，保住地中墒”是渭北旱塬农田作物生产管理的主要任务，而土壤耕作是旱作农田实现蓄水保墒的重要技术途径。传统的“冬小麦－夏闲”农作制中，在6月下旬至9月中旬的夏闲期，为了促进雨季降水入渗和耕层土壤熟化，渭北旱塬区长期普遍采用“多次翻耕－耙耱”土壤耕作法。李立科在渭北旱塬进行多年耕作试验研究表明，由于夏闲期频繁翻耕作业2次以上，麦田地表疏松裸露，夏闲期的自然降水保蓄率仅30％左右，同时多耕多耙破坏土壤结构，降低土壤潜在肥力，又增加作业成本，在水蚀风蚀地区，不利于保水保土[33]。因此，传统“冬小麦－夏闲”翻耕耕作制难以达到理想的蓄水保墒目的，如何进一步提高有限降水的就地入渗、土壤贮蓄是渭北旱塬旱作农业可持续发展亟待解决的生产难题。而以秸秆覆盖免耕和深松为主的保护性耕作技术，能有效减少耕层土壤扰动，促进自然降水多蓄少耗，增加土壤蓄水量，提高农作物产量与质量，同时减轻水土流失威胁，降低风蚀扬尘危害，维护和改善耕地质量[4][34]，是渭北旱塬旱作粮田蓄水保墒、培肥地力和增产节本的重要技术措施之一。渭北旱塬的旱作农田地面平整和土层深厚，水蚀和风蚀相对较轻，保护性耕作技术的主要任务和作用是蓄水保墒和增加产量。在20世纪80年代，渭北旱塬开始了保护性耕作技术的田间试验，李立科、韩思明等分别在渭北旱塬合阳县和乾县开展了抗旱保护性耕作法研究，结果表明，留茬免耕、少耕秸秆覆盖或残茬覆盖深松法较传统翻耕法，增加了夏闲末2m土层内蓄水量，冬小麦显著增产[33]。虽然渭北旱塬保护性耕作技术研究已相继开展了20多年，但当地保护性耕作技术发展速度缓慢，只在合阳、乾县等部分地区进行了一些试验示范，生产推广应用面积较少，反应了保护性耕作技术研究不够深入，技术缺陷比较明显，配套技术不够完善。其中，免耕和深松配套机具短缺、杂草和病虫防除技术不过关、秸秆覆盖后施肥和播种质量较差、蓄水保墒效应和增产效果不够明显和稳定等问题比较突出，制约了大田生产的实际应用。在秸秆覆盖深松和秸秆覆盖免耕技术研究方面，已有研究初步探索了其蓄水保墒效果和增产效应，但只是单项土壤耕作措施效应的短期试验研究，缺乏长周期不同土壤耕作措施组成的轮耕模式研究，秸秆覆盖试验设计忽视了生产实用性，其研究结果在生产上应用性较差。为此，需要开展常规秸秆覆盖量下免耕、深松和翻耕以及其轮耕模式的蓄水保墒效果和增产作用的长期定位试验研究，评价和筛选与当地降水资源状况和种植制度相适应的保护性轮耕模式，并且长期定位试验具有时间的长期性和定位性等特点，试验信息量丰富，数据准确可靠，能为保护性轮耕技术在生产上大范围推广应用提供决策依据。35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究2.2研究目标通过在渭北旱塬长周期定位试验的基础上，研究不同耕作模式对土壤保护性轮耕模式的蓄水保墒的影响，为渭北旱地农业区合理耕作与农业生产提供科学依据。（1）研究休闲期不同保护性轮耕模式蓄水保墒效应和作物产量：在不同降水年型和肥力水平下，研究由免耕、深松、翻耕等组成保护性轮耕模式所产生的蓄水保墒效果和增产作用。（2）筛选渭北旱塬最佳夏闲期保护性轮耕模式：根据长期定位试验结果，筛选适合渭北旱塬降水资源状况和种植制度的休闲期最优蓄水保墒轮耕模式。2.3研究内容（1）不同保护性耕作轮耕模式对夏闲期土壤蓄水保墒效果和小麦生育期土壤水分动态的影响；（2）不同保护性耕作轮耕模式和施肥量对小麦产量和经济效益的影响；2.4技术路线本研究技术路线见图2-1。2.5材料和方法2.5.1研究区概况试验区位于渭北黄土高原丘陵沟壑区的合阳县甘井镇（35°20′N，110°06′E，海拔850m），该区域是我国黄土高原开展旱地农业研究较早的区域之一，也是西北农林科技大学旱地农业科研教学实验地基，在陕西东部黄土高原区具有较强的代表性。合阳县甘井镇在渭北旱原的东北部台塬区，合阳县的西北部，北以粱山为界与黄龙县接壤，东西以徐水沟和金水沟为界。甘井镇成土母质为黄土，土壤以垆土、半垆土为主，还有黄绵土、姜石土和部分红墡土。土地瘠薄，有机质含量低，全镇土壤缺磷和极缺面积占98％，缺氮和极缺面积占96％，磷、氮俱缺，土壤肥力失调[37]。该区属于暖温带半湿润半干旱的大陆性季风气候，年平均气温9-13℃，极端最高温度36-42℃，极端最低气温－16-－25℃。主要自然灾害是干旱和霜冻，尤以7、8月份的伏旱和4、5月的晚霜对农业生产的威胁最大，初霜一般出现在10月中旬，终霜在4月中旬。全年无霜期160-200天，≥0℃积温3100-4000℃，持续天数240天，≥10℃积温2400-3400℃，持续169天，能满足农作物两年三熟或一年一熟的热量供给。该地区保证率为80％的年降水量自东向西递减，西部500-600mm，东部只有400mm。在35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究平衡施肥低肥常规施肥免耕↔深松深松↔翻耕翻耕↔免耕连续免耕连续深松连续翻耕`施肥（主处理）和耕作（副处理）二因素裂区试验试验数据分析与讨论，筛选旱作麦田最适保护性耕作轮耕模式土壤水分含量变化特征的分析旱作麦田土壤水分小麦产量、生产效益分析产量与效益图2-1研究的技术路线图2-1研究的技术路线2007-2012年试验期间，测定年平均降雨量520mm左右，冬春降水较少，夏秋降水较多，6-9月约占全年降水量的60％左右。自然降水量年际间变化较大，是渭北旱塬东部地区粮食产量低而又不稳定的主要原因。该地区年平均蒸发量月为1024mm，6月份的太阳辐射最强，蒸发量最大，冬季和春季干旱多风。方日尧计算了甘井镇试验区湿润指数，表明当地7和9月份为湿润期，8和10月份为半湿润期，4、5两个月为半干旱期，11月到3月分为干旱期，其中12月份为严重干旱期[37]。35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究2.5.2试验方法本试验于2010年9月至2012年9月实施，2007年6月至2010年9月已经种植了3年小麦，进行了4年耕作处理。本研究是为期6年的连作麦田保护性轮耕效应试验结果的一部分。2007年之前试验地块都采用传统翻耕的耕作方式，试验期间无灌溉。试验采用二因素裂区固定区组设计，以施肥为主处理，耕作为副处理，冬小麦一年一熟制。不同肥力处理：试验设置平衡施肥、常规施肥和低肥共3种肥力水平，具体为（1）常规施肥水平，氮肥为255kg·hm-2，磷肥为180kg·hm-2；（2）平衡施肥水平，氮肥为150kg·hm-2，磷肥为120kg·hm-2，钾肥为90kg·hm-2；（3）低肥水平，氮肥为75kg·hm-2，磷肥为60kg·hm-2。其中氮肥使用尿素（含氮量约为46.4%）和磷酸二铵（含氮量16%），磷肥使用磷酸二铵（有效磷含量44%（以P2O5计）），钾肥为氯化钾（K2O含量60％）；不同耕作方式：2007年夏闲期开始设置6种不同耕作处理（1）免耕/深松轮耕（N↔S，N07→S08→N09→S10→N11→S12）；（2）深松/翻耕轮耕（S↔C，S07→C08→S09→C10→S11→C12）；（3）翻耕/免耕轮耕（C↔N，C07→N08→C09→N10→C11→N12）；（4）6年连续免耕（NN）；（5）6年连续深松（SS）；（6）6年连续翻耕（CC）。3种不同的肥力水平和6种不同保护性轮耕处理，共组合成了18种不同的试验处理方式。试验小区面积大小为22.5m×5m=112.5m2。每年6月中旬小麦收获后全部秸秆粉碎还田覆盖地表，收获一周后进行耕作处理。具体土壤耕作措施：（1）免耕处理：收获后不采取任何土壤耕作措施；（2）深松处理：单深松铲耕作深度30—35cm，宽度间隔40cm；（3）翻耕处理：单犁铧全面深翻20cm。各小区的作物品种及其他管理措施均相同，冬小麦品种为晋麦47，在冬小麦播种之前，依据三种不同施肥水平划分试验小区并一次性播撒化肥作为基肥，之后通过旋耕切碎残茬物质、混合肥料及平整地表之后用条播机统一播种，播种密度为150kg·hm-2，播种行距为20cm；生育期间进行人工除草，夏季休闲期用除草剂控制杂草。2.5.3测定指标与方法（1）土壤含水量的测定播种期、越冬期、返青期、拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期等关键生育时期和夏季休闲期用土钻取样，每小区分层(20cm为一层)取样测定0—200cm土层的土壤含水量。烘干法测定土壤水分，打开盒盖，放在恒温箱中，在105℃下烘10h，冷却至室温后，称出烘干土加盒重。反复烘干1—2次，至恒重为止。土壤含水量=（湿土重-烘干土重）/烘干土重土壤土层蓄水量，为了将土壤含水量与降水量、蒸发量、灌溉量等进行比较，将一定深度土层的含水量换算成水层厚度毫米数（高焕文等2004）。换算公式如下：土层蓄水量＝取土层厚度×土壤质量含水量×土壤容重(mm)作物水分利用效率的计算，水分利用效率（WUE）指某作物单位面积的经济产量与生育期耗水量(mm)的比值。即：35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究WUE=Y/（P+W1+I-W2）式中P—作物生育期间降水量，mm；Wl—作物播种前某深度(2m)土层的水分贮存量，mm；W2—作物收割后留存在某深度(2m)土层的水分贮存量，mm；I—作物生育期间灌溉水量，mm。（2）冬小麦产量的测定作物产量测定方法：每小区在小麦成熟时沿对角线方向选取长势均匀的三点，每点取3m长的一行统计亩穗数，然后将小麦全部收割脱粒称量。产量构成因子测定项目与方法：冬小麦的穗粒数和千粒重为收获后取20个穗进行室内拷种，每个处理取三个重复。经济效益的计算方法：纯收益（元·hm-2）=产量总收入-总成本投入（元·hm-2），其中总成本包括耕作处理的机械费用，种子、播种和农药费用以及人力的投入等，并根据市场价格核算经济产量收入。2.6数据处理与统计方法采用MicrosoftExcel2010对数据、图表进行处理，采用SPSS（PASWStatistics18）统计分析软件对数据进行统计分析，并进行多重比较。35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究3不同耕作模式对土壤蓄水保墒效应的影响土壤水分状况由于受气候、地貌、管理措施的不同而有较大差异，进而造成作物生长状况的差异，最终表现为作物产量和品质的差异。张北赢等研究认为，降雨时间分布的不均匀性和作物水分利用的阶段性差异是造成土壤水分的阶段差异性和垂直剖面差异性的重要原因[38]。土壤含水量是保护性耕作措施生态效应研究较多的一个方面，它受到土壤蒸发、植物蒸腾、降雨入渗、地表径流等多种因素的影响。保护性耕作有利于土壤物理结构改善，土壤具有良好的孔隙度，对增加降雨入渗量，减少土壤蒸发具有一定的作用。由于各种保护性耕作措施存在地表覆盖物，直接影响降水的入渗和表层土壤水分蒸发，从而间接影响土壤水分的再分布过程。张海林等研究表明，保护性耕作下土壤具有较高的渗水、保水、持水和水分恢复能力，较传统耕作能更有效的蓄积降水，减少蒸发，这就为实现作物增产提供了水分保障。研究不同耕作管理措施下土壤水分的动态变化规律是评价不同管理措施的重要指标之一[15]。本章综合对不同耕作方式下小麦生育期土壤水分动态和夏闲期土壤蓄水保墒效果进行了研究。探明不同保护性耕作轮耕模式对水分的利用状况。3.1结果与分析3.1.1试验区降雨量概述试验年度2007年6月至2012年9月降雨量分布图（图3-1），降雨量的高低对作物生长及产量有重要影响。试验点降雨主要集中在6、7、8、9四个月，占年总降水量的46%—73%，同时，且降雨的年际变化很大，干旱年份只有420mm，丰水年可达600mm以上。2010年9月至2012年9月试验期，2010-2011年度小麦生育期降雨量只有162.5mm，与生育期多年平均降雨量相比减少32.9%，为生育期干旱年。2011年夏季休闲期降雨量达316.6mm，相比多年夏闲期平均降雨量增加20.6%，为夏闲期丰水年。图3-12007年6月至2012年9月降雨量分布图降水年型划分采用国内较常用的降水年型划分标准[32]划分降水年型。丰水年:Pi35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究>+0.33，枯水年:Pi<+0.33。式中Pi为当年降水量(mm);为多年平均降水量(mm);为多年降水量的标准差(mm)，根据研究区多年降水资料计算得出均方差为134.6mm。表3-12007-2012年度小麦种植期间的降雨量年份Years夏闲期降雨量Rainfallinsummerfallow(mm)生育期降雨量Rainfallingrowthperiod(mm)降雨量合计Totalrainfall(mm)夏闲期降雨型rainfalltypeinsummerfallow生育期降雨型rainfalltypeingrowthperiod降雨年型rainfallyear2007-2008378.5195.6574.1丰水年干旱年平水年2008-2009281.2309.7590.9平水年丰水年丰水年2009-2010204.2224.7428.9干旱年平水年干旱年2010-2011306.2162.5468.7平水年干旱年干旱年2011-2012316.6282.2598.8丰水年丰水年丰水年2012-2013270.4平水年Averageforyears292.9234.9527.83.1.2夏闲期不同耕作方式对土壤蓄水作用的影响旱作农田经过夏季休闲后，土壤水分得到恢复，其恢复深度与夏闲期降水多少密切相关，不同耕作方式和地表覆盖措施对土壤蓄水效果也产生不同的影响。2007年夏闲期降雨量达378.5mm，比同期多年平均降雨量296mm高27.9%，为丰水年，经过3个月的休闲期蓄水，免耕和深松的蓄水效率显著优于翻耕处理，0-200cm土壤蓄水量免耕和深松分别比翻耕增加了40.5和46.8mm。2008年夏闲期为平水年，连续免耕处理蓄水效果最优，其次是免耕/深松和深松/翻耕轮耕处理，连续翻耕和翻耕/免耕处理蓄水效率显著低于连续免耕处理。2009年夏闲期降雨量为204.2mm，比同期多年平均降雨量低31.0%，为干旱年，当年夏闲期平均蓄水效率只有26.8%，与丰水年相比，干旱年各耕作处理的蓄水效率大幅下降。蓄水效率，免耕/深松处理最高，其次是NN和SS处理，免耕/深松轮耕处理与连续翻耕相比，夏闲期蓄水量增加了12.9mm。2010年夏闲期为平水年，夏闲期耕作试验进行到第4年，各耕作处理的蓄水效率无显著差异。3种轮耕处理中，免耕/深松处理蓄水效果优于连续翻耕处理，夏闲期蓄水效2011年夏闲期为丰水年，当年6月15日至9月15日的休闲期降雨量达316.6mm，率提高2.4%；而深松/翻耕和翻耕/免耕与连续翻耕相比，蓄水效果没有优势。连续免耕和连续深松的保护性耕作处理蓄水效果优于连续翻耕处理。35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究且休闲期降雨集中在9月份，休闲末期土壤含水量与往年同期相比有大幅增加，休闲期6种耕作处理的土壤蓄水效率无显著差异。3中轮耕处理中，翻耕/免耕蓄水效果优于免耕/深松和深松/翻耕，3种轮耕处理与连续翻耕相比，蓄水效果没有表现出优势。6种耕作处理中，连续翻耕蓄水效果最优，说明在夏闲期丰水年份，传统翻耕蓄水效果有优势。表3-22007-2012年不同耕作处理夏闲期0-200cm土层水量变化年份处理夏闲期降水量Precipitationduringsummerfallow(mm)夏闲期土壤蓄水量Soilwaterstorageduringsummerfallow蓄水效率YearsTreat-ments初期Initialstage(mm)末期Terminalstage(mm)Waterstorageefficiency(%)2007N378.5264.2470.054.4±5.1aS264.2476.356±4.6aC264.2429.543.7±3.7b2008N↔S281.2271.7389.041.7±7.8abS↔C253.9371.241.7±5.9abC↔N268.1366.134.8±4.6bN273.8408.647.9±7.2aS283.2389.337.7±7.4abC282.5367.830.3±4.1b2009N↔S204.2302.0366.531.6±6.4aS↔C312.8358.022.1±5.9aC↔N316.3369.426.0±5.8aN330.1388.528.6±6.8aS321.1377.327.5±4.0aC313.7365.425.3±5.1a2010N↔S306.2254.2379.340.9±1.1aS↔C251.2366.737.7±5.3aC↔N260.2366.434.7±4.4aN271.4407.044.3±1.6aS266.4395.942.3±8.3aC263.6381.438.5±1.8a2011N↔S316.6272.6470.562.5±9.0aS↔C259.3454.161.5±3.3aC↔N254.2457.764.3±5.9aN275.0470.561.7±7.5aS261.2460.262.9±9.1aC253.0460.365.5±8.4a2012N↔S270.4287.1389.137.7±8.2bS↔C292.5408.442.8±5.2abC↔N274.5427.356.5±5.6aN302.5414.441.4±3.4abS299.7389.933.4±7.0bC294.0412.643.8±7.4ab35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究2012年夏闲期为平水年，经过6年夏闲期耕作试验，6种耕作处理的在休闲期土壤蓄水效率表现出显著差异。3种轮耕处理中，翻耕/免耕表现最优，比免耕/深松和深松/翻耕处理休闲期始末蓄水量增加值分别增加50.8和37.0mm（夏闲期始末相减的蓄水量增加值）。翻耕/免耕轮耕处理与连续翻耕相比蓄水效率显著提高，而免耕/深松和深松/翻耕轮耕处理与与连续翻耕蓄水效率显著之间无显著差异。从2007-2012年夏闲期始末旱作农田0-200cm土壤蓄水量的变化情况来看，夏闲期降水量和耕作方式同时影响着休闲期土壤的蓄水效率。土壤蓄水效率与夏闲期降水量呈显著正相关正相关（R2＞0.9），2007年休闲期降雨量达378.5mm，140cm以上土层水分得到较好恢复（含水量＞18%）；2008年闲期降雨量281.2mm，100cm以上土层水分得到较好恢复；2009年闲期降雨量204.2mm，80cm以上土层水分得到较好恢复；2010年闲期降雨量306.2mm，80cm以上土层水分得到较好恢复；2011年闲期降雨量达316.6mm，且降雨集中在休闲后期，使得160cm以上土层水分得到较好恢复；2012年闲期降雨量达270.4mm，100cm以上土层水分得到较好恢复。图3-22007-2012年不同耕作处理的夏闲期蓄水效率3.1.3不同耕作方式下冬小麦种植期间0-200cm土壤水分动态变化3.1.3.12010-2011冬小麦不同生育期0-200cm土壤水分特征2010至2011年度，土壤水分经过夏季雨季休闲后得到较好的恢复。9月中下旬小麦播种期至次年3月上旬小麦返青期为土壤水分相对稳定期，小麦处于苗期，植株耗水量低，且土壤水分蒸发少。小麦播种期，6种耕作方式中连续免耕蓄水量最高，比连续翻耕处理蓄水量提高6.7%。3种轮耕处理中免耕/深松蓄水效果较好，但与C处理基本持平，免耕/深松＞深松/翻耕≈翻耕/免耕。小麦播种至越冬期降雨量65.2mm，越冬期各耕作处理相比播种期蓄水量略有增加，其中连续免耕和连续深松土壤蓄水量较高，相比连续翻耕蓄水量增加了24.2和16.9mm。越冬期至返青期降雨量分别为13.8mm，次年返青期，不同轮耕处理0-200cm35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究土壤蓄水量较播种期略有下降，6种耕作处理的蓄水量表现与播种期相同，仍然是免耕蓄水量最高；3种轮耕处理蓄水量接近。土壤蓄水量Soilwaterstorage(mm)图3-3a2010-2011年度不同耕作处理下冬小麦播种期、越冬期、返青期0-200cm土层蓄水量土壤蓄水量Soilwaterstorage(mm)图3-3b2010-2011年度不同耕作处理下冬小麦拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期0-200cm土层蓄水量4月中旬至五月下旬为土壤水分迅速下降期，此期气温逐渐升高，土壤蒸发日益增多，小麦进入发育期，耗水增加，而该时期降水相对偏少，拔节至灌浆期，降雨量仅43mm。拔节期，6种耕作处理的蓄水量免耕，深松较好，分别比翻耕处理高24.3和21.5mm；3种轮耕处理蓄水量，免耕/深松＞深松/翻耕≈翻耕/免耕，但都与连续翻耕处理无显著差异。抽穗期，6种耕作处理的蓄水量继续下降，相比拔节期蓄水量减少了46.2mm。连续免耕的蓄水量最高，比连续翻耕高出27.4mm。3种轮耕处理蓄水量与连续翻耕差异不显著。灌浆期，各耕作处理的蓄水量继续下降，该时期降雨量低于往年，各处理表层土壤含水量只有8%-10%，土壤墒情较差，影响到小麦植株生长，小麦株高和单株干物质重量较低。6种耕作处理0-200cm35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究土层土壤蓄水量无显著差异；3种轮耕处理蓄水量，深松/翻耕＞翻耕/免耕≈免耕/深松，3者与连续翻耕处理差异不显著。成熟期，各耕作处理土壤蓄水量降至最低。免耕/深松比C处理蓄水量高19.6mm，深松/翻耕与翻耕/免耕处理与连续翻耕处理蓄水量接近。3.1.3.22011年夏季休闲期0-200cm土壤水分特征小麦收获后的第一次降雨后进行耕作处理，2011年夏季耕作日期为6月25日。7月15日，测定休闲期不同耕作方式0-200cm土层蓄水量。各耕作处理蓄水量相比成熟期增加，其中翻耕/免耕轮耕处理和连续翻耕处理蓄水量增加最快，相比小麦收获期增加了月33mm。6种耕作处理，连续免耕蓄水量最高，3种轮耕处理与连续翻耕差异不明显。土壤蓄水量Soilwaterstorage(mm)图3-42011年夏闲期不同耕作处理后1个月和2个月0-200cm土层蓄水量8月15日，第2次测定休闲期不同耕作方式0-200cm土层蓄水量。各耕作处理蓄水量继续增长，6种耕作处理0-200cm土层土壤蓄水量无显著差异；3种轮耕处理，深松/翻耕和翻耕/免耕略优于免耕/深松。3.1.3.32011-2012年度冬小麦不同生长阶段0-200cm土壤水分特征2011年夏季休闲期为丰水年，秋季播种期0-200cm土层蓄水量平均达462mm。6种耕作处理蓄水量无显著差异，免耕/深松和N的蓄水量最高，比连续翻耕处理高10.1mm；3种轮耕处理土壤蓄水量，免耕/深松＞翻耕/免耕≈深松/翻耕。播种至越冬期降雨量206mm，各处理冬前0-200cm土层蓄水量继续增加。6种耕作处理0-200cm土层蓄水量表现出显著差异，连续免耕蓄水量最高；3种轮耕处理蓄水量，翻耕/免耕＞免耕/深松≈深松/翻耕，免耕/深松和翻耕/免耕轮耕处理蓄水量显著低于连续免耕处理。返青期，0-200cm土层蓄水量与冬前相比稍有下降，仍保持在较高蓄水量水平。6种耕作处理蓄水量无显著差异，连续翻耕处理蓄水量最高；3种轮耕处理蓄水量接近。35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究土壤蓄水量Soilwaterstorage(mm)图3-5a2011-2012年度不同耕作处理下冬小麦播种期、越冬期、返青期0-200cm土层蓄水量土壤蓄水量Soilwaterstorage(mm)图3-5b2011-2012年度不同耕作处理下冬小麦拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期0-200cm土层蓄水量拔节期，各耕作处理蓄水量下降明显，相比返青期，平均下降了63.2mm，6种耕作处理间蓄水量无显著差异，免耕/深松轮耕处理和连续翻耕蓄水量最高；3种轮耕处理蓄水量，免耕/深松＞深松/翻耕＞翻耕/免耕，翻耕/免耕处理蓄水量下降幅度最大。抽穗期，小麦生长速度较快，水分消耗大，各耕作处理蓄水量相比拔节期平均下降了80.4mm，深松/翻耕轮耕处理蓄水量下降最快，达90.8mm。抽穗期6种耕作处理间蓄水量无显著差异，3种轮耕处理蓄水量，免耕/深松＞深松/翻耕≈翻耕/免耕。灌浆期，小麦产量形成关键期，0-200cm土层蓄水量继续下降，其中免耕/深松轮耕处理蓄水量下降最快，相比抽穗期下降了96.1mm。6种耕作处理间蓄水量无显著差异，3种轮耕处理蓄水量低于连续翻耕处理，因为灌浆期轮耕处理蓄水量下降快于连续翻耕处理。成熟期，各耕作处理蓄水量接近，小麦成熟期对水分需求量较低。6种耕作处理间蓄水量无显著差异。35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究3.1.3.42012年夏季休闲期0-200cm土壤水分特征土壤蓄水量oilwaterstorage(mm)图3-62012年夏闲期不同耕作处理后1个月和2个月0-200cm土层蓄水量2012年小麦收后，6月30日进行耕作处理，休闲20天后，测定不同耕作方式0-200cm土层蓄水量，6种耕作处理间蓄水量无显著差异。3种轮耕处理蓄水量接近，免耕/深松轮耕处理蓄水量增加最快，相比收获期增加了31.7mm。8月20日，耕作后第2次测定休闲期不同耕作方式0-200cm土层蓄水量，6种耕作处理间蓄水量无显著差异，连续深松和连续翻耕处理蓄水量较高，3种轮耕处理蓄水量接近。3.2讨论3.2.1不同降雨年型夏闲期土壤水分特征渭北旱塬区农业生产用水主要靠自然降雨，属典型的雨养农业地区。廖允成等在渭北旱区多年试验研究和生产实践表明，干旱是造成该区冬小麦减产的主要气候灾害，自然降水的盈亏状况和时空分布差异在很大程度上制约着冬小麦不同生长发育阶段的良性发展，直接影响最终产量。渭北旱塬区每年6-9月是多雨季节，降水量大而集中，成为旱作麦地土壤水分的主要恢复阶段，但每年夏闲期降水量差异很大，对2m土层土壤水分状况产生明显影响。本研究对小麦播种前土壤水分测定的结果表明，旱作麦地不同降水年型0-2m土层土壤含水量和储水量表现明显差异，丰水年土壤含水量高，储水量多，平水年次之，干旱年最差。干旱少雨，年际间变化大，季节分配不均是这一时段降水的主要特点，夏闲期是黄土台塬旱作麦地土壤水分的恢复阶段，其恢复深度与夏闲期降水多少密切相关，降水量超过300mm，可使夏闲地2m土层土壤水分得到较好恢复；降水量在250-300mm左右只能恢复到1.5m-1.6m；降水量少于250mm，只能恢复到1m左右。3.2.2轮耕对夏闲期土壤蓄水效应的影响35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究本试验结果表明，休闲期土壤蓄水效率与休闲期降雨量多少和耕作方式均有关，在休闲期丰水年，如2011年和2012年，连续翻耕和翻耕/免耕轮耕处理土壤蓄水效率优于其它耕作处理，因为翻耕后土壤表层疏松，高强度降雨后，水分入渗快；而免耕处理，表层土壤容重较大，土壤孔隙少，降雨后土表水分入渗慢。在休闲期干旱年和平水年，如2007-2010年，免耕、深松及其组成的轮耕处理的土壤蓄水效率优于翻耕处理，因为免耕、深松覆盖地表裸露面积较少，减少了对土层的扰动，因此减少了表层水分的散失。有关耕作方式对土壤蓄水保水作用的影响研究较多，保护性耕作有利于土壤水分的利用已成为共识[39]。丁昆仑报道，覆盖秸秆可有效保持表层土壤结构，保水增产效果在干旱年份更加明显[22]。黄明等研究表明，深松覆盖能有效打破耕作犁底层，促进降雨入渗，增加土壤蓄水能力。李立科研究表明，小麦秸秆全程覆盖耕作技术可以使自然降水的蓄水率由传统耕作法的25%-35%，提高到50%-65%[33]。毛红玲等在渭北旱塬开展的保护性耕作试验研究认为，夏闲期麦田免耕、深松较翻耕土壤贮水量增加[40]。张丽华等研究认为，不同耕作方式对土壤扰动程度和深度不同，导致农田降雨入渗和土壤水分蒸发条件差异明显[28]。深松和免耕使秸秆和残茬覆盖地表，减缓了降雨产生的地表径流量。侯贤清等研究认为，免耕/深松/免耕轮耕相比连年翻耕有利于提高夏闲期土壤对降水的保蓄，不同轮耕模式显著提高了作物的降水潜在利用效率和生产效率[11]。当前对不同降雨年型下耕作措施的土壤蓄水效率研究较少，这需要较长周期的定位试验测定，通过对不同轮耕模式的长期定位研究，可以较好明确轮耕的蓄水保墒效果和对不同降雨强度的适应性。3.2.3轮耕对生育期0-200cm土壤水分动态变化的影响土壤水分的动态变化与降雨(主要是＞10mm的有效降雨)的变化趋势基本一致，冬小麦不同生长阶段土壤水分动态变化具有明显的季节性[11]。根据小麦生育期及年降水的不同，其土壤水分变化可分为3个主要阶段:相对稳定期（播种至返青期）、迅速下降期（拔节至抽穗期）、持续下降期（灌浆至成熟期）。已有研究多是关于秸秆覆盖对土壤保墒作用的影响，对不同轮耕方式下土壤水分动态变化研究较少。土壤蒸发是生育期土壤损失水分的重要途径，以小麦为例，有40%的耗水量是棵间土壤表面蒸发散失的[41]，对小麦产量的形成没有贡献，利用秸秆覆盖和地膜覆盖能显著的减少棵间蒸发量，提高水分的利用效率。侯贤清等认为，轮耕能减少土壤水分无效蒸散，在冬小麦拔节－抽穗－灌浆期显著提高了0-200cm土壤蓄水量，免耕、深松保护性耕作模式所形成的良好土壤结构有利于土壤贮水量的提高[11]。年际间降水量的差异也影响了土壤的供水特征特，同时肥料的施用增加了作物对土壤中水分的消耗35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究。作物生长期土壤水分状况主要受自然降水、地表蒸发、土壤蓄水和作物蒸腾耗水四个因素综合控制，苗期主要受降水和地表蒸发的影响，作物进入迅速生长期，贮水量迅速下降，开花末期达谷值，而且贮水量下降的幅度受作物长势的影响。作物收获后开始进入夏闲期雨季增墒期，增墒期的长短和增墒期何时结束取决于雨季降水特征。在降水较多且分布均匀的年份，此期延续时间较长;在降水较少的年份，增墒期在8月中旬结束。雨季增墒期末土壤贮水量的多少一方面与降水特征有很大关系，另一方面，地表状况如覆盖材料的有无及其种类、土壤耕作与否有关，免耕秸秆覆盖有利于增加土壤贮水量[10]。本研究结果表明，旱作农田0-200cm土壤蓄水量休闲期间的变化主要特点是：小麦收获时2m土层土壤含水量降到全年最低值，2011年收获期0-200cm土层蓄水量只有253-273mm，接近当地土壤凋萎含水量221mm；播种至返青期为土壤水分相对稳定期，该阶段各耕作方式土壤蓄水量与休闲末期土壤蓄水量变化情况一致，2010-2011年休闲期平水年，小麦生长前期，连续免耕0-200cm土层蓄水量最高，3种轮耕方式中免耕/深松处理蓄水量最高；生育期干旱年，拔节至抽穗期为土壤水分迅速下降期，3种连续耕作处理方式土壤蓄水量平均下降56.3mm，3种轮耕平均下降35.9mm，轮耕处理蓄水量下降幅度小于连续耕作处理。灌浆至成熟期为土壤水分持续下降期，在生长后期不同耕作方式土壤蓄水量无显著差异。干旱年生育期耗水量，连续耕作处理高于轮耕处理。2011-2012年休闲期丰水年，播种至返青期各耕作方式0-200cm土层蓄水量达到田间持水量的65-78%，由于苗期秋季降雨较多，越冬期蓄水量达到最高，3种连续耕作方式蓄水量高于3种轮耕处理，轮耕处理中翻耕/免耕方式蓄水量最高。返青期之后至成熟期降雨量较少，丰水年生育期耗水量，轮耕处理高于连续耕作处理。侯贤清等认为，免耕覆盖和深松覆盖在增加作物耗水量的同时也提高了作物产量和水分利用效率。免耕、深松和翻耕组成的轮耕方式在干旱年生育期耗水量低于连续翻耕，而丰水年生育期耗水量高于连续翻耕，表明轮耕措施在干旱年能够减少耗水量保持较好的土壤墒情，丰水年则能促进作物生长而增加耗水量[11]。3.3小结夏闲期降水量和耕作方式同时影响着休闲期土壤的蓄水效率。休闲期降雨量超过320mm以上，可使夏闲地150cm以上土层土壤水分得到较好恢复；降雨量在280mm左右，只能恢复到100cm；降雨量少于240mm，只能恢复到80cm。不同耕作方式的夏闲期蓄水效率受到降水年型的影响，在干旱年和平水年，以免耕和深松及免耕/深松轮耕处理的蓄水效率较好；在丰水年，6种耕作方式的蓄水效率差异不显著，或者翻耕和翻耕/免耕轮耕处理蓄水效率较好。轮耕对生育期土壤水分动态变化的影响：降雨年型不同，耕作方式对土壤水分的效应表现出差异。干旱年，传统翻耕处理生育期土壤耗水量较高，免耕/深松轮耕处理的土壤墒情好于连续翻耕处理，轮耕处理降低土壤水分的无效消耗。丰水年，轮耕处理生育期耗水量高于连续耕作处理，丰水年干旱胁迫程度较低，轮耕处理在提高作物耗水量的同时也提高了作物产量和水分利用效率。35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究轮耕对休闲期土壤水分动态变化的影响：夏季休闲期为土壤水分增墒期，休闲一个月，休闲2个月，至播种前休闲3个月后，各耕作方式土壤蓄水量逐月增加。2011夏闲期丰水年，连续翻耕和有翻耕参与的翻耕/免耕、深松/翻耕轮耕处理土壤蓄水量恢复快于其它耕作处理；但至播种前休闲3个月后，6种耕作方式蓄水量水平趋于接近，无显著差异。2012夏闲期平水年，休闲前含水量最低的翻耕/免耕轮耕处理水分恢复最快，休闲2个月后连续翻耕和连续深松处理蓄水量最高。至播种前休闲3个月后，翻耕/免耕轮耕处理蓄水量最高，休闲前水分亏损越大，夏闲期水分恢复越快，蓄水效率也越高。35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究4不同耕作模式对产量及经济效益的影响保护性耕作提高作物水分利用率和土壤蓄水保墒能力，增加土壤肥力和养分的有效性，从而为作物生长创造良好的条件，优化作物产量结构，有明显的增产效应（[10]。免耕能够提高作物产量，这与免耕条件下土壤环境的改善是分不开的[22]。谢瑞芝等通过对国内公开发表的与保护性耕作相关论文整理研究，分析了保护性耕作措施对作物生产的影响，认为保护性耕作产量数据均以当地传统耕作模式为对照，大部分是增产或平产报告，平均增产幅度为12.51%[3]。保护性耕作增产的结论似乎是无庸置疑的，但保护性耕作不增产或减产的现象也是客观存在的[26][42]，而保护性耕作影响作物产量的原因是多方面的。不同地区的、作物、土壤、种植制度存在很大差异，各地推行的保护性耕作模式也大相径庭，保护性耕作对产量影响的调查表明，大部分是增产或平产报告，但保护性耕作不增产或减产的现象也是客观存在的。影响保护性耕作技术推广应用的主要原因是作物产量不高、效益不明显，保护性耕作条件下的稳产丰产技术是目前中国保护性耕作技术推广应用的限制性因素之一[3]。水分利用效率低是限制旱农地区生产力水平提高的瓶颈，安排合理的轮作，采用适宜的耕作制度是提高水分利用效率的重要途径。全国农业技术推广中心调查表明，虽然气侯、作物、土壤和种植制度不同，秸秆还田的数量、方式和方法不同，免耕直播相比常规耕作，都表现出有增产节本的作用[43]。实行保护性耕作，减少土壤耕作次数，有效降低了农业机械使用成本，具有比较明显的经济效益。本章通过对不同轮耕方式下小麦产量和产量构成因素的变化，不同轮耕年限水分利用效率的变化的研究，探讨旱地夏闲期轮耕对小麦水分利用及产量的影响；通过比较不同轮耕方式的经济效益，评价轮耕的增产增收作用，为渭北旱塬旱作麦田选择增产增收和提高水分利用效率的耕作模式提供科学依据。4.1结果与分析4.1.1不同轮耕模式对冬小麦产量及其构成因素的影响不同耕作方式对小麦产量构成因素和产量的影响结果见表4-1。6种耕作方式下，亩穗数，穗粒数，千粒重和经济产量无显著差异。2011年小麦收获时亩穗数，6种耕作方式中深松/翻耕轮耕处理最高，与连续翻耕相比，增加了11.9%；3种轮耕处理亩穗数，深松/翻耕＞免耕/深松＞翻耕/免耕。穗粒数，深松/翻耕轮耕处理最高，与连续翻耕和连续深松接近；3种轮耕处理穗粒数，深松/翻耕＞免耕/深松＞翻耕/免耕。6种耕作方式的千粒重接近。经济产量，6种耕作方式中深松/翻耕轮耕处理最高，与连续翻耕相比，增加了12.3%；3种轮耕处理经济产量，深松/翻耕＞免耕/深松＞翻耕/免耕，翻耕/免耕轮耕处理产量最低，与连续翻耕相比，减产了18.9%。2010-2011年小麦生育期是干旱年，小麦抽穗期和灌浆期等关键生育期土壤墒情较差，小麦干物质积累量低，亩穗数和千粒重低于往年，影响了产量形成。35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究表4-1不同耕作方式对产量构成因素与小麦产量的影响年份Year产量因素Yieldcomponents耕作方式TillagepatternsN↔SS↔CC↔NNNSSCC2011亩穗数Stalknumber(104·mu-1)19.720.817.919.817.518.6穗粒数Kernelsperspike24.825.522.722.225.425.2千粒重Weightof1000kernels(g)38.537.835.938.138.338.3经济产量Yield(kg·mu-1)188.3202.3145.9168169.51802012亩穗数Stalknumber(104·mu-1)30.228.630.227.829.429.7穗粒数Kernelsperspike27.827.528.427.826.927.7千粒重Weightof1000kernels(g)45.445.447.145.146.646.3经济产量Yield(kg·mu-1)381.4357.1403.6347.9369.2381.42012年小麦收获时亩穗数，免耕/深松和翻耕/免耕轮耕处理最高，连续免耕处理最低；3种轮耕处理亩穗数，免耕/深松≈翻耕/免耕＞深松/翻耕。6种耕作方式的穗粒数和千粒重都比较接近。经济产量，6种耕作方式中翻耕/免耕轮耕处理最高，与连续翻耕相比，增加了5.8%；3种轮耕处理经济产量，翻耕/免耕＞免耕/深松＞深松/翻耕。2011年夏闲期为丰水年，播种时土壤墒情好，且播种后秋季降雨量充足，小麦生育期土壤墒情好，小麦亩穗数相比2010-2011年生育期大幅增加，且千粒重与2011年生育期相比也有提高，所以2012年小麦收获时产量较高。4.1.2不同轮耕模式对冬小麦水分生产效率的影响小麦生育期耗水量与当年降雨量相关，2007-2008夏闲期为丰水年、2008-2009生育期为丰水年、2011-2012夏闲期为丰水年，所以2007-2008、2008-2009、2011-2012年度土壤蓄水量较好，小麦生育期耗水量也较高。小麦产量随生育期耗水量的增加而增加，水分生产效率与耗水量也呈正相关的关系。2007-2008年度，第一年耕作处理，3种耕作方式中深松处理产量最高，相比连续翻耕增加了7.4%；耗水量也是深松处理最高，免耕次之，翻耕最低，说明深松和免耕处理的土壤蓄水效果优于翻耕处理；水分生产效率翻耕＞深松＞免耕。2008-2009年度，2年耕作处理后，6种耕作方式中免耕/深松轮耕处理产量最高，相比连续翻耕增加了26.1%；3种轮耕处理产量，免耕/深松＞深松/翻耕＞翻耕/免耕。免耕/深松轮耕处理耗水量也最高。水分生产效率，6种耕作方式间存在显著差异，免耕/深松轮耕处理最高；3种轮耕处理水分生产效率，免耕/深松＞深松/翻耕＞翻耕/免耕。2009-2010年度，3年耕作处理后，深松/翻耕轮耕处理产量最高；3种轮耕处理产量，深松/翻耕＞翻耕/免耕＞免耕/深松。6种耕作处理耗水量接近，为326-340mm。水分生产效率，深松/翻耕轮耕处理最高，其次是连续翻耕处理；3种轮耕处理水分生产效率，深松/翻耕＞翻耕/免耕＞免耕/深松。35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究表4-2不同耕作方式对小麦水分生产效率的影响年份Year耕作方式Tillagepatterns产量Yield(kg·hm-2)生育期耗水量Waterconsumption(mm)水分生产效率Wateruseefficiency(kg·hm-2·mm-1)2007-2008N5396.2391.913.8S5712.7401.014.2C5319.3348.915.22008-2009N↔S3772.5397.19.5aS↔C3290.0368.78.9aC↔N2276.5359.46.3bNN3023.5389.17.8abSS3128.0378.18.3abCC2991.0363.08.2ab2009-2010N↔S2760.1337.48.2S↔C3073.5330.59.3C↔N2940.1334.98.8NN2746.8340.88.1SS2980.1334.08.9CC2986.8326.59.12010-2011N↔S2825.1264.710.7S↔C3033.9271.211.2C↔N2188.9274.48.0NN2520.7290.78.7SS2543.2294.18.6CC2700.4284.49.52011-2012N↔S5721.3465.712.3S↔C5356.6444.212.1C↔N6053.8463.813.1NN5218.7450.011.6SS5538.5441.412.5CC5721.2446.712.82010-2011年度，经过4年耕作处理，该年为生育期干旱年，小麦生育期耗水量和产量均较低。6种耕作方式中深松/翻耕轮耕处理最高，与连续翻耕相比增加了12.3%，而翻耕/免耕轮耕处理产量最低，与连续翻耕相比减产了18.9%；3种轮耕处理产量，深松/翻耕＞免耕/深松＞翻耕/免耕。连续免耕和连续深松处理耗水量较高。3种轮耕处理水分生产效率，深松/翻耕＞免耕/深松＞翻耕/免耕。2011-2012年度，经过5年耕作处理，该年夏闲期为丰水年，小麦生育期耗水量达441-465mm35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究，产量相比去年有大幅提高。6种耕作方式中翻耕/免耕轮耕处理最高，与连续翻耕相比，增加了5.8%；3种轮耕处理产量，翻耕/免耕＞免耕/深松＞深松/翻耕。免耕/深松和翻耕/免耕轮耕处理耗水量较高。3种轮耕处理水分生产效率，翻耕/免耕＞免耕/深松≈深松/翻耕。4.1.3不同耕作和施肥方式对麦田经济效益的影响对不同施肥和耕作处理冬小麦生产过程中肥料，机械等投入和产量收益进行分析（表4-3和4-4）。6种耕作处理间耕地机械不同，在耕地方面投入上存在差异，翻耕机械投入最高，深松次之，免耕则无耕地机械投入，所以总投入上，翻耕＞深松＞免耕。3种施肥处理间肥料投入量不同，总投入上常规施肥＞平衡施肥＞低肥。表4-3不同耕作方式下小麦生产经济效益比较（元·hm-2）试验年份耕作方式Tillagepatterns肥料投入机械投入Mechanicaloperationcost其它Others总投入Totalinvestment小麦产量收入Yieldincome纯收益产投比YearFertilizercost耕地机Cultivator播种机Planter收获机Harvester种子Seed农药Pesticide除草等Weeding产量Yield收入IncomeNetincomeInput-outputratio2010-2011N↔S17356006009003752004504860282556507911.16S↔C173575060090037515045049603034606811081.22C↔N17350600900375300450436021894378181.00N173506009003753004504360252150416821.16S17356006009003752004504860254350862271.05C17357506009003751504504960270054014411.092011-2012N↔S17350600900375300450436057211144370832.62S↔C1735600600900375200450486053571071358542.20C↔N1735750600900375150450496060541210871482.44N17350600900375300450436052191043760782.39S1735600600900375200450486055381107762172.28C1735750600900375150450496057211144264832.31注：肥料价格，尿素120元/50kg，磷酸二铵160元/50kg，氧化钾260元/50kg；耕地，免耕0元/亩，深松40元/亩，翻耕50元/亩；播种机，40元/亩；收获机（包括秸秆粉碎还田）60元/亩；种子2.5元/kg，播种量150kg·hm-2；农药用量，免耕＞深松＞翻耕处理。小麦市场价格为2元/千克。2010-2011年度，6种耕作方式间的纯收益无显著差异。深松/翻耕轮耕处理由于产量收入较高，所以纯收益较高，与连续翻耕相比纯收益增加了667元；3种轮耕处理，纯收益深松/翻耕＞免耕/深松＞翻耕/免耕。3种施肥方式间纯收益有显著差异，平衡施肥和低肥纯收益显著高于常规施肥，因为2010-2011年为生育期干旱年，3种施肥方式中常规施肥小麦产量低，而肥料投入大，所以常规施肥纯收益出现亏损。35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究2011-2012年度，6种耕作方式间的纯收益无显著差异，该年度为丰水年，各耕作处理小麦产量相比去年大幅度提高，小麦产量收入增加，纯收益相比去年大幅度增加。翻耕/免耕和深松/翻耕轮耕处理纯收益较高，相比连续翻耕分别增加了665和600元；3种轮耕处理，纯收益翻耕/免耕＞免耕/深松＞深松/翻耕。3种施肥方式间纯收益无显著差异，产量上平衡施肥＞常规施肥＞低肥，但常规施肥投入高于低肥，所以综合经济效益上平衡施肥＞低肥＞常规施肥。4.2讨论表4-4不同施肥方式下小麦生产经济效益比较（元·hm-2）Table4-4Economicbenefitsofdifferentfertilizationmethodsofwheatproduction试验年份Year施肥方式Fertilization肥料投入机械投入Mechanicaloperationcost其它Others总投入小麦产量收入Yieldincome纯收益产投比Fertilizercost耕地机Cultivator播种机Planter收获机Harvester种子Seed农药Pesticide除草等WeedingTotalinvestment产量Yield收入IncomeNetincomeInput-outputratio2010-2011平衡施肥Balancefertility2203450600900375217450519530346069874a1.17低肥Lowfertility7114506009003752174503703249249831280a1.35常规施肥Conventionalfertility2289450600900375217450528123804760-521b0.902011-2012平衡施肥Balancefertility2203450600900375217450519560921218469892.35低肥Lowfertility711450600900375217450370351761035366502.80常规施肥Conventionalfertility2289450600900375217450528155371107457932.10相关研究认为，保护性耕作有利于增加亩穗数和穗粒重[44]或千粒重[45]，因而有明显的增产作用。侯贤清等认为，免耕/深松隔年轮耕改善了土壤理化性状，提高了土壤的蓄水保墒能力和有效养分含量，所以能够增产[11]。黄高宝等（2006）认为，免耕秸秆覆盖处理的作物产量表现稳定，其降水生产效率较常规耕作提高。李友军等认为，不同耕作方式影响土壤水分的变化，土壤水分又直接影响作物的生长发育及产量，而且对作物生长和环境的影响具有累积效应[46]。侯贤清等研究认为，深松/免耕轮耕模式在增加作物耗水量的同时也提高了作物产量及水分利用效率；与传统耕作相比，轮耕处理显著增加冬小麦的有效穗数和穗粒数，建立了小麦高产的群体结构和个体基础，从而提高籽粒产量[11]。35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究本试验研究表明，不同耕作方式下亩穗数的差异是造成产量差异的主要因素，亩穗数与拔节至抽穗期土壤水分相关，较好土壤墒情的耕作处理则亩穗数也较高，干旱年份免耕/深松和深松/翻耕轮耕处理土壤墒情较好，产量较高；丰水年份翻耕/免耕轮耕处理和连续翻耕处理土壤水分供给能力较好，产量较高。5年生育期耗水量试验结果表明，降雨年型和耕作方式同时影响着水分利用效率。干旱年，免耕/深松和深松/翻耕轮耕处理水分利用效率较优；丰水年，翻耕/免耕轮耕和连续翻耕处理水分利用效率较优。高产、高效、优质、稳产是现代农业发展的方向，好的耕作方式不仅要适合当地的自然条件、生产力水平，更重要的是要能获得高额的产量和丰厚且稳定的效益[11]。传统耕作处理和免耕处理比较，在各项投入中，免耕处理的农药用量增加，而机械人工投入较传统耕作减少，使得免耕秸秆覆盖处理的经济效益有所提高。毛红玲等和等张丽华在渭北旱塬开展的施肥和保护性耕作处理组合的综合效应试验研究认为，平衡施肥与深松组合处理的增产增收效果最好[28][40]。本试验的6种耕作处理中，免耕每公顷投入比深松耕作低500元，比翻耕低600元，但耕作投入差异占产量收益比例不大，所以不同耕作处理最终的产量收入直接影响到纯收入的高低。2011生育期干旱年，产量较低，6种耕作处理，免耕/深松和深松/翻耕轮耕处理产量收入高于其它耕作处理，所以最终的纯收益较高。2011-2012年度为丰水年，小麦高产，6种耕作处理，免耕/深松和翻耕/免耕轮耕处理产量收入高于其它耕作处理，免耕/深松轮耕处理虽然纯收益略低于翻耕/免耕处理，但免耕/深松耕作投入低于翻耕/免耕，所以产投比上免耕/深松高于翻耕/免耕。3种施肥处理比较，虽然低肥产量较低，但在肥料投入上也大大降低了成本，所以低肥的产投比高于平衡施肥和常规施肥。平衡施肥能兼顾产量和施肥成本，常规施肥高氮、高磷，肥料生产效率不如平衡施肥，所以常规施肥产投比低于平衡施肥。4.3小结（1）不同耕作方式改变了土壤水分供应能力，影响小麦群体亩穗数进而影响到产量的高低。在常年降雨偏少的渭北旱塬，免耕/深松和深松/翻耕轮耕处理相比翻耕/免耕处理，小麦生育期土壤墒情较好，有利于小麦群体亩穗数的提高，保证小麦稳产。（2）降雨年型和耕作方式同时影响着水分利用效率。在干旱年和平水年，生育期耗水量低于400mm的情况下，免耕/深松和深松/翻耕轮耕处理水分利用效率高于翻耕/免耕。在丰水年，生育期耗水量450mm左右，翻耕/免耕轮耕处理水分利用效率较优；翻耕/免耕轮耕处理为隔年翻耕和免耕交替，土壤物理性状上接近连续翻耕处理。说明在水分亏缺年份，免耕、深松的保护性耕作水分利用效率较好；而在丰水年，传统翻耕和隔年翻耕的产量和水分利用效率较好。35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究（3）不同轮耕方式的经济效益比较。农业生产单位面积比较经济效益低，干旱区农业生产受当年降水条件影响很大，干旱年份纯收益只有投入的10%左右，丰水年份才有可观的纯收益，可达投入的135%左右。干旱年，免耕/深松和深松/翻耕轮耕处理产量高于连续翻耕，收益也较高；丰水年，免耕/深松和翻耕/免耕轮耕处理与连续翻耕的产量接近，但轮耕机械投入成本低于翻耕，所以收益高于翻耕。从经济效益角度看，3种轮耕处理中免耕/深松轮耕降低了耕作成本且不同年份的小麦产量总体较高，相比深松/翻耕和翻耕/免耕轮耕处理有利于增加收入。35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究5主要结论、创新点和研究展望5.1主要结论（1）不同轮耕模式对土壤水分特征的影响不同轮耕方式的夏闲期蓄水效率受到降水年型的影响，在干旱年和平水年，以免耕/深松轮耕处理的蓄水效率较好；在丰水年，翻耕/免耕轮耕处理蓄水效率较好。不同轮耕方式生育期土壤水分动态变化，在干旱年和平水年，轮耕处理与连续翻耕相比减少生育期土壤耗水量，因为轮耕处理减少土壤扰动，降低了地表水分的无效蒸散；其中免耕/深松轮耕处理土壤墒情优于另两种轮耕处理。在丰水年，轮耕处理与连续翻耕相比增加了生育期土壤耗水量，免耕/深松和翻耕/免耕轮耕方式增加作物耗水量的同时也提高了作物产量及水分利用效率。（2）不同轮耕模式对小麦产量和水分利用效率的影响免耕/深松和深松/翻耕轮耕处理在干旱年和平水年，小麦产量和水分利用效率较好；翻耕/免耕轮耕处理在丰水年，小麦产量和水分利用效率较好。（3）不同轮耕模式对经济效益的影响免耕降低了耕作的机械投入，免耕/深松和翻耕/免耕处理土地耕作费用相比传统翻耕降低了一半以上。免耕/深松轮耕处理与连续翻耕相比，在丰水年不降低产量且干旱年增产的情况下，提高了生产效益和产投比。5.2研究特色与创新点（1）目前旱地农业保护性耕作试验主要集中在单项耕作措施的应用研究上，对不同土壤耕作方式的合理组配的轮耕试验研究较少。本课题在渭北旱塬开展5年以上的长期定位试验，通过对不同轮耕方式下土壤物理结构，水分特征，肥力性状，作物产量等的系统研究，为保护性耕作轮耕模式的理论研究和实践应用提供了客观的依据。（2）长期定位试验中，降雨的年际变异提供了研究不同轮耕模式在不同降雨年型下土壤水分和产量的变化规律的试验条件，结果发现干旱年和丰水年同一轮耕模式土壤水分特征表现存在差异，干旱年免耕/深松的少免耕轮耕模式土壤墒情和产量较好，丰水年翻耕/免耕的以翻耕效应为主的轮耕模式水分生产利用情况较好。5.3研究展望与建议35 渭北旱作麦田保护性轮耕作蓄水保墒效应与经济效益研究根据己有的保护性耕作研究结果和本研究中发现的问题以及旱地保护性耕作领域的发展趋势，建议今后加强对以下方面的研究：（1）保护性耕作与轮耕措施对作物生长环境、作物生长发育及作物需求的综合研究。以往研究发现，在不同的试验条件下，同一种保护性耕作措施获得不同的甚至是完全矛盾的试验结果[3]，但目前的研究并没有认真分析这些因素的作用，对保护性耕作措施的评价各执一词。不同耕作与覆盖措施都会作用于作物生长环境从而直接、间接的影响作物生长发育，最终在产量上体现，需要进一步系统探讨保护性耕作与轮耕措施对作物生长发育各影响因素的作用，才能实际解决生产中存在的问题。（2）继续开展旱地农业保护性耕作与轮耕的长期定位试验研究。3年以下的短期保护性耕作试验，大都处在以描述性为主的研究阶段，而轮耕要求试验周期较长、难度较大，目前相关研究较少。5年以上的中长期定位试验，能够以大量试验资料为依据对不同轮耕方式下土壤水分和肥力的动态变化做出比较准确的定量描述。（3）加强开展实用性较强的研究，从增加农民收益的本质性问题出发，促进保护耕作的发展和研究。35 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