渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究

分类号：S344.4学校代码：10712UDC：631研宄生学号：2012050013密级：公开S灶衣林奇教大学2015届攻读硕士学位研究生学位(毕业）论文渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究学科专业作物栽培学与耕作学研究方向高效农作制度研究生司政邦_____________指导教师李军教授完成时间2015年5月中国陕西杨凌 研宄生学位（毕业）论文的独创性声明本人声明：所呈交的硕士学位（毕业）论文是我个人在导师指导下独立进行的研究工作及取得的研究结果；论文中的研究数据及结果的获得完全符合学校《关于规范西北农林科技大学研究生学术道德的暂行规定》，如果违反此规定，一切后果与法律责任均由本人承担。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究结果，也不包含其他人和自己本人已获得西北农林科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文的致谢中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：时间：年月日I《、4、、导师指导研宄生学位（毕业）论文的承诺本人承诺：我的硕士研究生所呈交的硕士学位（毕业）论文是在我指导下独立开展研究工作及取得的研究结果，属于我现岗职务工作的结果，并严格按照学校《关于规范西北农林科技大学研究生学术道德的暂行规定》而获得的研究结果。如果违反学校《关于规范西北农林科技大学研究生学术道德的暂行规定》，我愿接受按学校有关规定的处罚处理并承担相应导师连带责任。导师签名：时间：年月曰 关于研究生学位（毕业）论文使用授权的说明本学位（毕业）论文的知识产权归属西北农林科技大学.本人同意西北农林科技大学保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；同意西北农林科技大学将本学位（毕业）论文的全部或部分内容授权汇编录入《中国优秀硕士学位论文全文数据库》进行出版，并享受相关权益。本人保证，在毕业离开（或者工作调离）西北农林科技大学后，发表或者使用本学位（毕业）论文及其相关的工作成果时，将以西北农林科技大学为第一署名单位，否则，愿意按《中华人民共和国著作权法》等有关规定接受处理并承担法律责任.任何收存和保管本论文各种版本的其他单位和个人(包括研究生本人)未经本论文作者的导师同意，不得有对本论文进行复制、修改、发行、出租、改编等侵犯著作权的行为，否则，按违背《中华人民共和国著作权法》等有关规定处理并追究法律责任。(保密的学位论文在保密期限内，不得以任何方式发表、借阅、复印、缩印或扫描复制手段保存、汇编论文） Classificationcode:S344.4Universitycode:10712UDC:631Postgraduatenumber:2012050013Confidentialitylevel:PublicThesisforMaster’sDegreeNorthwestA＆FUniversityin2015SOILWATERCONSERVATIONEFFECT,YIELDINCREAMENTOFMAIZEINDIFFRERENTTILLAGEANDFERTILIZATIONPATTERNSONWEIBEIHIGHLANDMajor:CropCultivationandFarmingSystemsResearchfield:EfficientFarmingSystemsNameofPostgraduate:SiZhengbangAdviser:Prof.LiJunDateofsubmission:2015/05YanglingShaanxiChina 渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究摘要渭北旱塬区位于陕西省中部，属于典型的雨养农区，具有丰富的土地资源和气候资源，是陕西省主要的粮食和果品产地，但由于地表水资源匮乏，大部分农业生产靠自然降水供给，降水少且分布不均、变率大、利用效率低，使当地农业生产表现出低而不稳的状态，这给当地的农业增产和农民增收带来巨大的障碍。近年来当地农户牲畜养殖数量逐渐降低，农家肥来源减少，肥料使用不合理、施肥量过大、配比不合理，耕地常年施化肥带来巨大的生态问题，同时增加了农业生产投入，这也是制约当地农业高效发展的瓶颈。如何利用好降水资源，把降水蓄积在土壤中，发挥土壤水库的作用，使不稳定的降水蓄存在土壤中，稳定供给作物生长需水，提高水分利用效率，这是很多旱作农业研究者一直以来在努力解决的问题。本研究主要通过施肥和耕作措施相结合，利用耕作措施和秸秆覆盖来减蒸增蓄，提高水分利用效率，利用合理的肥料配比，提高养分利用效率，通过水肥耦合效应，实现以肥调水和增产增收的目标。本试验于2013—2014年在陕西省合阳县甘井镇设置3种耕作模式和3种施肥模式组合处理，即：“平衡施肥+深松”创新高效模式、“高肥+免耕”现有模式、“低肥+翻耕”农户传统模式，分别研究不同模式下对土壤蓄水保墒效果、水分利用效率、土壤养分利用等影响，同时在每个小区内设置不施肥对照区，比较施肥效果和氮磷肥利用效率，筛选适合渭北旱塬地区旱地玉米耕作与施肥生产模式，为渭北旱塬区春玉米增产增收提供技术支撑。主要研究进展如下：（1）不同耕作与施肥模式对土壤物理性状和土壤水分的影响3种耕作模式均有利于改善耕层土壤容重和孔隙度，“平衡施肥+深松”创新高效模式效果最佳，较“低肥+翻耕”农户传统模式0～60cm土层土壤容重2年平均降低5.3%，土壤孔隙度增加5.5%，增加了播前土壤含水量，玉米主要生育期0～200cm土层贮水量2年平均增加23.3mm；“高肥+免耕”现有模式较“低肥+翻耕”农户传统模式0～60cm土层土壤容重2年平均降低2.2%，土壤孔隙度增加2.3%，生育期土壤贮水量增加18.1mm。（2）不同耕作与施肥模式对土壤肥力的影响不同耕作与施肥模式对土壤肥力影响研究结果表明，“平衡施肥+深松”创新模式与“高肥+免耕”现有模式较“低肥+翻耕”农户模式提高了0～60cm土层土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量，其中0～20cm土层增加较显著；2013年“高肥+免耕”现有模式对土壤养分含量较“平衡施肥+深松”创新模式高，2014年“平衡施肥+深松”创新模式高于“高肥+免耕”现有模式和“低肥+翻耕”农户模式，且在0～20cm土层增加最为显著。2年的试验中“平衡施肥+深松”创新模式均较“低肥+翻耕”农户模式显著提高了氮磷肥利用效率。 （3）不同耕作与施肥模式对春玉米的产量、WUE和纯收益的影响2013和2014年属于两个不同的降水年型，因此两年玉米产量差异较大。2年产量均表现为“平衡施肥+深松”创新模式最高，“高肥+免耕”现有模式次之，“低肥+翻耕”农户模式最低；无肥对照区表现与施肥区相同。在3种不同耕作与施肥组合模式下“平衡施肥+深松”创新模式产量和水分利用效率2年平均较“低肥+翻耕”农户模式提高10.1%和11%，“高肥+免耕”现有模式较“低肥+翻耕”农户模式分别提高7.5%、8.3%。“高肥+免耕”现有模式减少了机械投入，增加玉米产量，纯收益表现最高，“平衡施肥+深松”创新模式次之，“低肥+翻耕”传统农户模式最低。综合上所述，“平衡施肥+深松”创新模式有效地打破犁低层，改善土壤结构，提高休闲期土壤蓄水量，为玉米生长增加土壤水分含量，提高耕层土壤肥力，增加玉米产量和纯收入，提高水分利用效率和氮磷养分利用效率，是适合渭北旱塬地区春玉米种植的生产模式。关键词：渭北旱塬；春玉米；保护性耕作；土壤水分；土壤养分；产量 SOILWATERCONSERVATIONEFFECT,YIELDINCREAMENTOFMAIZEINDIFFRERENTTILLAGEANDFERTILIZATIONPATTERNSONWEIBEIHIGHLANDABSTRACTLocatedinthecentralpartofShaanxiProvince,WeibeiHighlandbelongstoatypicalrain-fedagriculturalregion,it’sanimportantgrainfoodandfruitproductioncenterwithabundantlandandlight-temperatureresources,butit’swaterresourceisrelativescarce,naturalrainfalloccupiesandominantpartintheprocessofagriculturalproduction,whileitsdistributionisextremelyunevenintermsoftimeandlocationanditsutilizationefficiencyisverylow,whichoftenresultstotheunstableandlowproductivityoflocalagricultureandthestagnationoffarmer’sincome.Inrecentyears,thenumberoflivestockdecreasedannually,whichledtothedeductionoffarmyardmanure,besides,theover-applyingofchemicalfertilizershavecausedseriousecologicalproblemsaswellasextraeconomicalburdenforlocalagriculturalproduction,thiswasanotherbottleneckhinderingthehighlyefficientdevelopmentoflocalagricultural.Ithaslongbeenafocusforresearchersinthefieldofaridareaagriculturetofindtherightwayofconservingrainfallandenhancingrainfallutilizationefficiency,theunreasonableutilization,over-usingaswellastheunreasonableproportionoffertilizerswerealsotheproblemstobesolved.Throughthecombinationoffertilizationandtillagepractices,waterutilizationefficiencycouldbeenhancedbythereducedevaporationandincreasedwaterconservationundertheconditionofstrawmulching,whilefertilizerutilizationefficiencycouldbeenhancedwhenfertilizerswerereasonablyproportioned,theobjectivesofregulatingwaterthroughfertilizerandyieldenhancingwerereachedthroughthecouplingeffectsofwaterandfertilizer.Inthisstudy,3differenttillagepracticescombinedwithfertilizationregimeswereset,namely,conventionalfarmerpattern(deepploughpluslowfertilizationlevel),existenthighlyefficientpattern(no-tillageplushighfertilizationlevel)andinnovativehighlyefficientpattern(sub-soilingplusmoderatefertilizationlevel),theeffectsofwaterconserving,waterutilizationefficiencyandfertilizerutilizationefficiencywererespectivelystudied.Besides,acontroltreatmentwithoutfertilizerappliedwassetineachplottoinvestigatetheeffectoffertilization,theutilizationefficiencyofnitrogenandphosphorus,thusfindingtheappropriateconservativetillagepracticesandfertilizationpatternsandprovidingtechnicalsupportsforthecornyieldenhancingofWeibeiHighland.(1)EffectsofdifferentconservativetillagepracticesandfertilizationpatternsonsoilphysicalpropertiesandsoilwaterdynamicsAllthe3conservativetillagepracticescouldimprovesoilbulkdensityandporosity,innovativehighlyefficientpattern(sub-soilingplusmoderatefertilizationlevel)performedthebest,whose0～60cmsoilbulkdensityreduced5.3%,soilporosityincreased5.5%while0~200cmsoilwatercapacityincreased23.3mmthanthatofconventionalfarmerpattern(deep ploughpluslowfertilizationlevel);Comparedtoconventionalfarmerpattern(deepploughpluslowfertilizationlevel),existenthighlyefficientpattern(no-tillageplushighfertilizationlevel)decreased0～60cmsoilbulkdensityby2.2%,whilesoilporosityandsoilwatercapacityrespectivelyincreased2.3%and18.1mm.(2)EffectsofdifferentconservativetillagepracticesandfertilizationpatternsonsoilfertilityTheresultsmanifestedthat,comparedtoconventionalfarmerpattern,innovativehighlyefficientpatternandexistenthighlyefficientpatternshowedhighercontentsofsoilorganicmatter,availablenitrogen,availablephosphorusandavailablepotassiumfrom0~60cmlayersunderground,anditwasmuchmoreobviousinthetop0~20cmlayer.Alargeramplitudeincrementofsoilnutrientswasrespectivelyobservedunderexistenthighlyefficientpatternandinnovativehighlyefficientpatternin2013and2014.Comparedtoconventionalfarmerpattern(deepploughpluslowfertilizationlevel),nitrogenutilizationefficiencywasenhancedunderinnovativehighlyefficientpattern(sub-soilingplusmoderatefertilizationlevel)inbothyears.(3)Effectsofdifferentconservativetillagepracticesandfertilizationpatternsonspringcornyield,WUEandnetincomeoffarmersAsprecipitationwasgreatlydifferedin2013and2014,asignificantdifferenceofcorngrainyieldwasobservedin2years.Theinnovativehighlyefficientpatternshowedthebestaverageyieldperformance,followedbytheexistenthighlyefficientpatternandtheconventionalfarmerpatternshowedtheworstaverageyieldperformance;Asimilartrendwasobservedwhennofertilizerswereapplied.AveragegrainyieldandWUEofinnovativehighlyefficientpatternrespectivelyincreased10.1%and11%comparedtoconventionalfarmerpattern,whileexistenthighlyefficientpatternrespectivelyincreased7.5%and8.3%comparedtoconventionalfarmerpattern.Existenthighlyefficientpatternreducedtheutilizationofmachines,increasedcornyieldandperformedbestintermsofnetincome,followedbyinnovativehighlyefficientpattern,andconventionalfarmerpatternshowedthelowestnetincome.Allinall,innovativehighlyefficientpattern(sub-soilingplusmoderatefertilizationlevel)couldefficientlybreaksoilstructuresofploughlayer,improvesoilphysicalproperties,enhancewaterconservationduringwinterfallow,soilmoisture,soilfertility,corngrainyield,netincome,WUEandfertilizerutilizationefficiency,itsaproperproductionpatternforspringcornofWeibeiHighland.KEYWORDS:WeibeiHighland;springmaize;conservationtillage;soilwater;soilnutrient;yield 目录第一章文献综述....................................................................................................................11.1保护性耕作技术的起源及国外发展概况......................................................................11.2我国保护性耕作技术引进及发展概况..........................................................................31.3保护性耕作技术研究进展..............................................................................................31.3.1保护性耕作对土壤物理性质的影响.......................................................................31.3.2保护性耕作对土壤化学性质的影响.......................................................................41.3.3保护性耕作对作物生长发育的影响.......................................................................51.3.4保护性耕作产量和水分利用效率的影响...............................................................6第二章研究内容与方法........................................................................................................82.1研究目的和意义..............................................................................................................82.2研究内容..........................................................................................................................92.3材料与方法....................................................................................................................102.3.1试验区概况.............................................................................................................102.3.2试验设计.................................................................................................................102.3.3技术路线.................................................................................................................112.3.4测定指标与方法.....................................................................................................112.4数据处理与统计方法....................................................................................................13第三章不同耕作与施肥模式对春玉米田土壤物理性状的影响......................................143.1试验区年降水量变异概述............................................................................................143.2不同耕作处理对土壤容重、土壤孔隙度和田间持水量的影响................................153.2.1不同耕作处理下土壤容重的变化.........................................................................153.2.2不同耕作处理下土壤饱和含水量和田间持水量的变化.....................................173.3不同耕作与施肥模式对春玉米田土壤水分特征的影响............................................193.3.1不同耕作模式冬闲期土壤蓄水量变化动态.........................................................193.3.2不同耕作与施肥模式玉米生长期土壤贮水量变化动态.....................................203.3.3不同耕作与施肥模式玉米生长期土壤水分垂直分布.........................................213.4小结................................................................................................................................21第四章不同耕作与施肥模式对春玉米田土壤肥力的影响..............................................234.1不同耕作与施肥模式对土壤有机质含量的影响........................................................234.2不同耕作与施肥模式对土壤碱解氮含量的影响........................................................244.3不同耕作与施肥模式对土壤速效磷含量的影响........................................................254.4不同耕作与施肥模式对土壤速效钾含量的影响........................................................26 4.5不同施肥与耕作模式下作物氮肥和磷肥利用效率....................................................264.6小结................................................................................................................................27第五章不同耕作与施肥模式对春玉米产量与WUE的影响...........................................285.1不同耕作于施肥模式对春玉米产量性状的影响........................................................285.2不同耕作于施肥模式对春玉米产量和WUE的影响.................................................295.3不同耕作与施肥模式对春玉米经济效益的影响........................................................315.4小结................................................................................................................................32第六章讨论与结论..............................................................................................................346.1讨论................................................................................................................................346.2结论................................................................................................................................35参考文献..................................................................................................................................38致谢..................................................................................................................................43作者简介..................................................................................................................................44 第一章文献综述1第一章文献综述我国是世界上主要的干旱国家之一，约占国土面积的53%属于干旱、半干旱及半湿润偏旱地区，主要分布在昆仑山、秦岭、淮河以北的北方，包括我国的16个省、直辖市、自治区的965个县市，且面积还在逐年扩大（杨建等2005）。我国干旱区面积大、分布广，气候资源丰富，在我国社会经济发展、农业发展、粮食安全、生态友好等方面占有重要地位。我国人口多而耕地少，面临严重的粮食安全问题，旱作农业生产在我国农业生产中占有很大比重，不合理的开发利用旱区土地资源和水资源，严重影响着我国旱区农业发展，发展干旱地区雨养农业对我国的农业发展具有十分重要的地位和意义，是建设一个山川秀美祖国大地的必经之路。多年以来，科研人员对旱区农业做了多方面的努力，以期能够利用有效方式解决干旱地区干旱少雨、降水变率大、年内分布不均等问题带来的产量低而不稳的现状（赵松林等1990）。我国很多学者利用国内外相关研究结果，结合我国不同区域旱作农业的特点，开展我国保护性耕作研究，提出保护性耕作是解决我国旱地农业可持续发展的必由之路。保护性耕作具有蓄住天水上，截住地表水，减蒸增蓄，增产增收等特点。之前对这些地区的研究主要是集雨灌溉，覆盖保湿，选育抗旱品种等方面，耕作措施在雨养农业区的研究较少。保护性耕作是对传统耕作模式的一种革新，国外将其定义为覆盖度大于30%的称为保护性耕作技术（李建政等2011），我国将其定义为采取一系列有助于蓄水保墒，减少水土侵蚀，增产增收的耕作方式。保护性耕作以其改善土壤结构，增蓄减蒸，培肥地力，有效提高降水的利用率等特点，受到世界各国的广泛关注，已成为旱区农业可持续发展的一项重要措施和研究重点（黄明等2009）。1.1保护性耕作技术的起源及国外发展概况保护性耕作技术起源于美国北部。1934年5月一场横跨美国北部，东西长2400km，南北宽1500km，高3.2km的“黑风暴”横扫了美国的东部和加拿大的西部地区，风暴持续长达3d，涉及美国2/3的面积，使510t冬小麦减产。在这场“黑风暴”之后，人们开始思考传统土地耕作是否适合，是否需要转变这种方式，美国土壤保护局开始研究推广残茬覆盖保护性耕作（高焕文等2003）。1937年美国一位农民试验发现在保证正常出苗和防除杂草的情况下，免耕可以获得同样的产量，从此最早的保护性耕作诞生了（高焕文等2008）。但当时受到除草剂和耕作机具的限制，应用范围不大。1940年除草剂的出现为大面积的推广保护性耕作提供了条件。20世纪60年代经过20多年的研究，免耕法开始推广，1995年更名为保护性耕作（高焕文等2008）。到目前为止保护性耕作已经得到全球的公认，在美洲、澳洲、亚洲、非洲的应用面积超过1.69亿hm2，占世界总耕地面积的11%。美国使用保护性耕作技术土地面积达到 2渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究1975万hm2，占耕地面积的64%，澳大利亚目前已经完全取消了铧式犁，864万hm2面积应用保护性耕作技术，占全部土地面积的71%，加拿大保护性耕作应用面积为408万hm2，占耕地的面积的80%，南美洲应用已经超过70%的耕地面积。保护性耕作技术成为世界广受关注的旱作农业技术。美国从20世纪40年代开始研究保护性耕作技术研究，60年代成功研发出了免耕和除草剂，这为保护性耕作的大面积推广应用提供了可能。美国的保护性耕作技术主要是以秸秆覆盖、免耕和少耕、休耕和轮耕等内容，达到蓄水保水，减少侵蚀，改善土地质量，提高生产水平为目的，核心是土壤和水的管理。目前应用已经基本达到总适宜面积，除部分蔬菜、水果生产等无法实施区域。加拿大于20世纪60年代开始引进、试验保护性耕作技术，70～80年代研发出配套的生产机械和除草剂，除草剂效率提高价格下降，开始大面积推广，1995年至今粮食价格降低，主要研究利用保护性耕作降低生产成本，到2002年面积达到1300×104hm2，占全国总耕地面积30.5%。2002年巴西保护性耕作面积已经达到1700×104hm2，阿根廷2000×104hm2，巴拉圭170×104hm2，超过本国耕地面积的80%。南美州通过研发适合当地经济条件和农民买的起的机械和除草剂，大面积推广保护性耕作技术。欧洲各国保护性耕作研究起步较晚，但发展较快，现在已经有16%～28%的耕地应用保护性耕作技术。保护性耕作在国外发展大致经历了以下几个阶段。第一个阶段保护性耕作技术形成阶段，时间为19世纪30年代至40年代。这个阶段主要是美国“黑风暴”爆发，研究改良传统耕作方法，保护性耕作技术被提出。第二阶段为保护性耕作的发展阶段，时间为20世纪50至70年代。机械化的大量应用和除草剂的研制，保护性耕作开始大面积推广，世界多国对保护性耕作技术进行研究、示范和推广。第三阶段为成熟阶段，时间为20世纪80年代至今。主要是对保护性耕作全面深入的研究，机械化水平不断提高，除草剂等大量使用，保护性耕作应用面积不断扩大，涉猎作物类型不断多样，涉及的地区逐渐增加，成为当今世界主要的耕作方式。保护性耕作的研发也逐渐由原来的农机农艺结合型向突出农艺措施方向发展，利用方式更加的持续性、综合性方向发展，应用作物类型多样化，技术逐渐向着轮耕、轮作方向发展，应用面积不断扩大。保护性耕作随着研究的深入技术不断成熟，应用作物不断增加，机具不断成熟，到目前为止，已经在小麦、玉米、苜蓿、豆类、油菜、棉花、小杂粮等10多种作物生产上使用。随着研究进行相应的细化，保护性耕作也趋于成熟。目前国外保护性耕作的发展趋势大致主要表现为以下几个方面：一是通过深入研究，扩大应用面积和适用作物；把保护性耕作的应用范围扩大，将适用的作物种类增加。二是尽量以最少耕作，把耕作次数减少到最少，降低成本，减少对土壤的扰动，充分利用自然的恢复力。三是研发化学除草剂的替代除草方式和方法，主要是研究能够除草的其他方式，或者是试剂等。四是保护性耕作机具的研发，主要向着节能环保，低成本、简易的方向发展。 第一章文献综述31.2我国保护性耕作技术引进及发展概况我国自古以来就有用养结合的传统保护性耕作法（高旺盛2006）。现代意义上的保护性耕作由北京农业大学于20世纪70年代末引入，当时我国农业生产水平低，粮食安全问题依然严重，保护性耕作没有得到发展。到20世纪80年代，我国北方地区开展大规模的保护性耕作的研究、示范、推广，并且取得了一些成果。到20世纪90年代，我国开展了农机农艺结合的研究，各类保护性耕作的应用面积已经达到2500万hm2。在“九五”和“十五”期间国家农业部在北方8省（自治区、直辖市）38县内进行国家级示范县项目，推动保护性耕作示范推广。我国现已在浙江、江苏、四川、广西、上海、湖南、湖北、山东、河南、河北、陕西、山西、天津、内蒙等多地都有推广，涉及的作物除粮食作物外，还有油菜、大豆、花生等作物。在保护性耕作研究中，我国也取得了丰硕的成果。1994年至2005年在我国以少耕、免耕、秸秆覆盖、秸秆还田为题发表的论文和报道共计2246篇。结合我国的耕地地块小，经济欠发达等特点，研制出了适合小地块作业的机械。这为我国保护性耕作大面积推广创造了条件。保护性耕作在我国的面积逐渐扩大，根据联合国粮食及农业组织（FAO）公布的数据，2004年我国保护性耕作面积达到100万hm2，到2011年底，全国保护性耕作面积已达到566.67×104hm2。我国对保护性耕作的研究也在逐步向农机农艺相结合并突出农艺措施方向，并扩展到更广大农区，技术不断规范化和标准化，向综合性可持续技术方向发展。任何一项科学技术都不能包打天下，保护性耕作技术同样也还存在很多的配套技术问题需要进一步的研究，我国国土面积大，区域性强，需要结合各地区域特点，研究适合当地的保护性耕作及其配套技术。1.3保护性耕作技术研究进展1.3.1保护性耕作对土壤物理性质的影响土壤是气、液、固三相的载体，土壤的物理性状严重影响作物的生长发育，制约作物根系在土壤生长，对根系从土壤中吸收和利用水分、养分起着决定性作用（李潮海等2002）。土壤容重是土壤物理性状的一个重要指标，它影响到土壤的孔隙度和土壤的通气状况，它是土壤中水分和空气含量的反应，为水分和空气流通、交换提供通道，它的大小可以直接影响作物的生长发育及其对土壤养分和水分的吸收利率。土壤容重的大小受到土壤本身的影响和外界因素的影响，本身因素包括土壤质地、结构、松紧度等；外界因素包括耕作、灌溉、降雨等。土壤容重的变化可以反映出耕作方式对土壤的影响程度（张建军2013）。研究表明，土壤容重大小对春玉米根系生长具有显著的影响，土壤容重增加，根系数量，根长度显著小于容重较小的土壤；土壤容重影响根系对土壤中养分的吸收，对20～40cm土层影响较40～60cm显著，其中氮、磷、钾的受影响程度中，表现为钾＞磷＞氮（李潮海等2005，李潮海等2007）。师江澜等（2006）研究表明，保 4渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究护性耕作能够改善土壤物理性状，具有降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤团聚体含量的作用。秸秆覆盖与深松相结合的耕作方式能打破犁低层，降低土壤容重，增加土壤大孔隙度的体积，随着深松年限的增加，土壤容重不再变化，趋于稳定（付占国等2005；丁昆仑等2000；许迪等1999）。余海英等（2011）研究表明，免耕可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度，使土壤中的三相比趋于最理想化。雷金银等（2008）研究表明，免耕能够使收获后土壤容重增加，但是经历冬春季冻融休闲后，土壤容重又有所降低，免耕和秸秆覆盖能够降低0～20cm土壤容重的作用，但是免耕能够显著增加20～40cm土壤容重，对40～60cm土壤容重没有影响。高建华等（2010）研究表明，免耕秸秆覆盖能够显著降低0～5cm土壤容重，土壤容重影响土壤孔隙度和孔隙大小、数量状况，影响到根系在土壤中生长。也有研究表明免耕能够增加土壤容重（张建军等2013）。赵洪利等（2009）研究表明，免耕利用土壤自身及生物、冻融等作用完成土壤的耕作，在降水和重力等作用下土壤容重增加。周虎等（2007）研究表明免耕增加土壤容重，对0～5cm土层影响十分显著。王殿武等（1992）研究表明，免耕秸秆覆盖使土壤容重增加，降低土壤＞50μm孔隙度，增加了＜5μm孔隙度，促进了团聚体的形成，增加机械团聚体和水稳性团聚体数量。郭晓霞等（2010）研究表明免耕留高茬覆盖能够显著增加土壤孔隙度，且逐年增加。刘世平等（2005）研究表明免耕较传统耕作增加土壤容重，尤其是中层的土壤容重。免耕对增加土壤容重的影响，随着免耕时间的延长，逐渐趋于稳定（何进2006）。土壤团聚体是土壤重要组成成分，是土壤养分的重要载体，具有土壤养分“贮藏库”的作用，土壤团聚体具有协调土壤水肥气热、影响土壤酶的种类和活性、影响土壤熟化层的作用，＞0.25mm团聚体与土壤中的肥力呈正相关。研究表明耕作方式通过影响土壤中微生物的数量和活性、对土壤中团聚体的含量、大小具有十分重要的作用。郭晓霞等（2010）研究表明免耕高留茬覆盖减少对土壤结构的扰动，增加土壤中0.25～0.5mm的团聚体数量，且随着免耕时间的延长，数量逐年增加。余海英等（2011）研究表明免耕有利于促进＞0.05μm土壤团聚体的形成。李涵等（2012）研究不同秸秆覆盖量下对土壤团聚体的影响时发现，秸秆覆盖有利于土壤团聚体的形成，能够减小分形维数，增加机械稳定团聚体的数量，提高平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）。免耕能够显著增加0～30cm土层水稳性团聚体数量，增加土壤大粒径的团聚体数量，降低团聚体分形维数（周虎等2007）。1.3.2保护性耕作对土壤化学性质的影响土壤的肥力状况是土壤化学性质的重要组成。土壤的肥力是指土壤为植物生长供给所需养分的能力，土壤肥力的大小受到土壤质地、耕作方式、施肥等因素的影响。土壤养分含量是土壤自然肥力的重要因素之一（康轩等2009）。土壤中的有机质为各种生物的生命活动提供养分物质和环境条件。耕作措施对土壤养分状况具有显著的影响，采取 第一章文献综述5合理的耕作方式有助于改善土壤养分状况（Baueretal.1994；Huangetal.2006）。耕作方式通过改善土壤的通气状况和微生物活性，影响到土壤的养分含量。保护性耕作对土壤化学性质的影响，主要是通过秸秆还田，减少对土壤的扰动，改变土壤的水分、气体、温度，为微生物和酶提供适宜的环境，增加土壤中微生物的数量，提高微生物和酶的活性，加速土壤中秸秆残茬的腐解，增加土壤的肥力状况（王芸等2007；郑秋颖等2012；王静等2011）。保护性耕作没有对土壤翻转，减少养分的挥发，秸秆覆盖改善了作物C/N比，增加微生物数量和酶活性，有利于对秸秆的分解，增加土壤中养分含量；保护性耕作减少风蚀和水蚀，具有增加土壤中有机质含量，提高土壤中N、P、K组分，提高土壤的肥力（朱文珊等1988；高云超等1994）。免耕减少土壤氮素的淋失。张星杰等（2009）研究表明保护性耕作能够增加土壤中微生物的数量和酶的活性，促进秸秆的分解，增加土壤的养分含量，并且他们之间存在着密切的相关性。逄蕾等（2006）研究表明，免耕秸秆覆盖显著提高了表层土壤有机碳的含量，土壤热水溶性碳水化合物，且含量随着土层加深而减少，增加土壤焦磷酸钠提取态碳，为土壤微生物提高碳源，改善土壤的理化性质。孙海国（1997）研究表明，免耕显著增加土壤0～10cm表土层土壤有机质、全N和速效磷、速效钾的含量，同时带来土壤pH的下降，免耕和秸秆覆盖有利于提高0～10cm土层养分含量。罗珠珠等（2011）同样研究表明，免耕秸秆覆盖有利于提高土壤中有机质、全效氮、磷、钾和速效氮、磷、钾含量，同时降低土壤pH。孙建（2009）等研究表明土壤微生物量和酶活性与土壤养分之间存在着密切的相关性，免耕留茬覆盖为微生物生长提供了有力的环境和充足的养分，提高微生物C、N含量，增加微生物量，同时提高了酶的活性，从而增加土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾含量。张丽华等（2011）在渭北旱塬地区麦玉轮作保护性轮耕研究表明，深松秸秆覆盖能够显著增加土壤0～40cm土层的有机质含量，有利于提高土壤养分含量，提高养分利用效率。高云超等（1994）研究表明，秸秆覆盖免耕，增加土壤微生物数量，增加对秸秆的腐解，提高土壤中有机质含量。赵如浪等（2010）在黄土高原进行的连续3年保护性耕作与传统耕作对比试验研究发现，收获后较播种前土壤中有机质含量显著增加，随着生育期的推进，土壤中的有机质含量逐渐增加，碱解氮向表层富集，保护性耕作为土壤微生物的生长提供了充足的碳源，改善土壤水分状况，为土壤微生物提供了适宜的温湿度等生长环境，改善了生态因素，增加土壤微生物含量，加速对秸秆和根系的分解，增加土壤养分的含量。保护性耕作能够把施入的化肥固结，增加土壤的养分容量和有效性。国外有研究表明，保护性耕作对土壤养分的影响表现为出现分层现象，土层增加含量少增加。1.3.3保护性耕作对作物生长发育的影响作物的生长发育和产量组成是作物与外界相互作用，不断进行物质和能量交换与积累的过程，这种过程受到多种因素的影响，其中耕作方式对作物的生长发育和产量组 6渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究成具有重要的意义。耕作措施改变土壤中三相比，影响作物的根系的生长，改善根系在土壤中对水分和养分等的吸收利用，从而影响作物的生长发育。同时耕作措施对土壤温度的影响，在作物生长前期也会产生一定的影响。李素娟等（2008）研究表明，免耕在苗期至返青期带来的“降温效应”，使冬小麦出苗和返青较翻耕和旋耕晚，对冬小麦的出苗和返青造成影响，冬小麦分蘖晚、分蘖率低，地上部生长受到影响，干物质量低下，叶面积指数等降低，造成产量下降，但是免耕的土壤水分含量高，提高了成穗率。李洪文等（2000）研究表明，相对于传统耕作，表土作业的保护性耕作方式，降低了地表的覆盖度，增加了地温，加速秸秆的腐解，地表平整度增加，作物出苗率提高。刘世平等（2005）研究表明免耕覆盖可以在低温时起到保温效应，而在高温时可以降低温度，防治低温造成的冻害，有利于作物生长。孙平阳等（2011）研究表明，保护性耕作能够增加春玉米的次生根数量，增加春玉米的株高、茎粗、穗位叶面积，产量构成因素穗粗、穗长、穗粒数、千粒重等都高于传统耕作。保护性耕作能够提高作物生育期内的土壤贮水量（BlevinRL1983；尚金霞等2010）。光合作用是作物产量形成的重要影响因素，耕作措施对作物的光合作用具有一定的影响（Hugginsetal.1991）。研究表明保护性耕作能够延缓冬小麦旗叶叶绿素的降解速率，维持相对较高类胡萝卜素的含量，减缓叶片衰老，维持更长时间的光合作用，提高灌浆期气孔的导度，提高光合速率，增加光合产物（李友军等2006）。1.3.4保护性耕作的产量和水分利用效率的影响保护性耕作通过影响作物生长的环境，增加土壤水分的入渗，提高土壤含水量，为作物生长提供水分，提高水分利用效率，增加作物的产量。免耕减少对土壤的扰动，减小土壤水分的蒸发，增加土壤中的水分含量，提高水分利用效率，增加产量。李洪文等（1997）研究表明，由于休闲期的保护性耕作，减少动土，增加了覆盖，较传统耕作，能够增加播前含水量，较传统耕作增加产量。免耕覆盖可以减少水分的蒸发，增加水分的入渗，提高水分的利用率（MwenderaE1994；刘世平等2005）。旱地夏闲期采取保护性耕作措施，可以显著提高土壤的保墒蓄水作用，增加冬小麦播种前至整个生育期的贮水量，为冬小麦出苗返青生长提供水分，提高水分利用效率（侯贤清等2009）。相对于那些大宗作物，保护性耕作在小杂粮生产中同样可以起到改善土壤的物理性状，增加土壤保水蓄水量，提高水分利用效率，增加产量的效果（姚爱华等2008）。郭晓霞等（2010）研究表明免耕留高茬覆盖第一年产量低于常规耕作，但随着免耕时间增加，到第三年产量高于常规耕作。王育红等（2010）研究表明深松覆盖较免耕覆盖具有稳产增产优势，在枯水年较丰水年表现出更好地增产效果，免耕覆盖在试验初期有减产，随着试验的进行，逐渐表现出增产的效果。也有学者研究指出保护性耕作具有减产效应。刘建忠等（2006）研究表明，免耕较翻耕玉米减产1.66%。方日尧等（2004）研究表明，采用秸秆覆盖减小土壤水分的无效蒸发，减少降水对地面的冲击，保持良好的土壤结构， 第一章文献综述7增加降水的入渗，同时还具有保温作用。王晓燕等（2001）利用人工模拟降雨的方式研究保护性耕作对减少入渗的影响发现，保护性耕作保持土壤结构，提高降水入渗率，增加土壤水分的入渗时间，减少径流。毛红玲等（2012）研究表明，休闲期采取秸秆覆盖免耕和秸秆覆盖深松等保护性耕作措施能够较翻耕更多的蓄积水分，增加土壤的含水量，生育期起到一定的蓄水保墒作用，提高水分利用效率，增加产量。 8渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究第二章研究内容与方法2.1研究目的和意义干旱是制约雨养农业区农业生产发展的主要因素，改变雨养农业区生产低而不稳的现状成为旱区农业研究的主要方向。渭北旱塬地区农业生产属于典型的雨养农业区，干旱始终是影响农作物产量的主要因素（DongGR.2002）。渭北旱塬地区农业生产盛行以“春玉米－冬闲”等一年一熟耕作制度，存在长达5个月的冬闲期，土壤水分蒸发导致春季干旱频发，经常威胁春玉米播种、出苗和生长。很多学者研究指出在耕地采取一定的覆盖，可以有效减少土壤中水分的蒸发；休闲期的无效降水进行蓄积，在耕地采取休闲期的覆盖，能够减少土壤水分的挥发，增加土壤水分的入渗，将这部分珍贵的降水蓄积在土壤中，使其缓慢释放，为玉米的生长提供必要的水分；采取休闲期秸秆覆盖的保护性耕作方式，研究各种保护性耕作措施在保水，蓄水方面的作用，将有限的降水尽最大努力得到保水蓄水，减少无效蒸发，把这部分降水的有效期延长，让他的作用发挥在农作物生长的关键时期，为农作物的稳产提供支持。有研究表明休闲期进行一定的耕作措施，有助于降水的入渗和保蓄，而深松和免耕有助于土壤水分的入渗，增加土壤一定蓄水量，本研究在前人的研究基础上，采用秸秆覆盖与耕作措施相结合的方式，分别采用秸秆覆盖免耕，秸秆覆盖深松，秸秆还田翻耕的三种耕作处理，对比三种耕作方式分别对休闲期降水的蓄积情况，选择出适合该地区耕作方式，为渭北旱塬地区的雨养农业发展提供一定的理论支持。雨养农业区施肥水平是该区困扰农民生产的一个除水分以外的另一个重要问题，如何做好雨养农业区在有限降水下合理施肥，使该地区水分利用和肥料施用合理有效发展成为雨养农业区农业生产面临的主要问题。农作物在水分和养分吸收上存在着交互作用，在增加水分的利用效率，使肥料发挥其增产的效果成为雨养农业区研究的重点。很多研究表明，水分和施肥之间存在着螯合作用，一定量的水分吸收有助于农作物对土壤养分的吸收，而农作物对养分的吸收又会带动农作物对土壤水分的吸收。增加肥料的施入量，有助于提高作物对水分的利用效率，具有明显的增加产量的效应。如何利用好这种螯合作用，在有限的降水条件下，提高降水和施肥的合理协调，合理施肥，使作物产量增加。本试验采取三种施肥方式，研究在不同的施肥情况下，作物生物产量及籽粒产量，研究合理的施肥模式。渭北旱塬区年降水量仅533～631mm，且60％以上降水分布在7～9月，降水分布 第二章研究内容与方法9不均且变率较大，如何利用好当地有限的降水资源，使其发挥长效作用，为渭北旱塬地区作物的增产寻找适合耕作方式，合理的利用好有限的降水资源，做好保蓄，减少蒸发，为农作物生长提供水分，把自然界中的无效降水变为有效降水，从而达到增加粮食产量的目的。在利用好降水资源的同时，寻找合理的施肥水平，利用水肥之间的耦合作用，合理施肥，为增产增收寻找合理的施肥水平。本试验于2013年3月～2014年10月休闲期采取秸秆还田翻耕、秸秆覆盖免耕、秸秆覆盖深松三种不同保护性土壤耕作的蓄水保墒措施；以肥调水效应相结合，春玉米生长期不同施肥水平下水分利用效率，研究和揭示旱地雨养春玉米田休闲期不同保护性耕作模式土壤水肥动态和作物产量响应，选择有利于提供水分利用效率的保护性耕作模式和施肥水平。2.2研究内容在渭北旱塬（合阳）设置田间三对比试验，春玉米冬闲期设置秸秆还田翻耕、秸秆覆盖免耕、秸秆覆盖深松等土壤耕作处理，研究三种不同保护性耕作措施的蓄水保墒效应，并与生长期不同施肥处理相结合，组成农户常规技术模式(翻耕+低肥)、现有高效技术模式(免耕+高肥)、创新高效技术模式(深松+平衡施肥)模式等三对比试验处理，研究春玉米田不同耕作与施肥模式的水分利用效率，研究和揭示雨养春玉米田休闲期不同保护性耕作模式土壤水肥动态和作物产量响应，选择有利于提高水分利用效率的保护性耕作模式和施肥水平。（1）不同土壤耕作与施肥组合模式（三对比试验）下雨养春玉米田土壤水分动态与蓄水保墒效应在前茬春玉米籽粒全部收获后，冬闲期利用前茬玉米秸秆覆盖地表，并进行翻耕、免耕、深松耕等耕作处理，在作物播种期设置不同施肥处理，冬闲期和玉米生长期测定并分析三对比处理下土壤水分变化动态，选择最佳的蓄水保墒耕作处理方式。（2）不同耕作与施肥组合模式（三对比试验）下土壤养分变化动态通过对不同耕作施肥模式的春玉米田土壤养分（包括速氮、速磷、速钾、有机质等）进行测定，分析不同耕作施肥模式下农田土壤的养分动态变化规律，筛选出各耕作措施下农田土壤最佳的施肥方案。（3）不同耕作与施肥组合模式（三对比试验）下春玉米生长、产量与水肥效应通过对不同耕作与施肥模式下春玉米收获期产量性状、植株与土壤养分含量、投入与产出测定，分析不同耕作与施肥模式对产量、水分利用效率、肥料利用率和经济收益率的影响，选择最佳高产高效耕作与施肥模式。（4）渭北雨养玉米田保护性耕作模式与技术规程总结集成适应渭北旱塬降水资源状况的雨养玉米田保护性耕作模式及其技术规程。 10渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究2.3材料与方法2.3.1试验区概况渭北旱塬位于陕西省关中平原区以北，陕西丘陵沟壑区以南，东起黄河，西至陇山，分别与山西省和甘肃省接壤，东西长400km，南北长275km，包括延安南部、渭南、咸阳、宝鸡三地区北部以及铜川市。总面积约4.05万公里，占全省面积的19.7%，是陕西省主要的粮食产地。渭北旱塬地区地势平坦开阔，土壤类型主要是嵝土和黑垆土，还有黄绵土、姜石土和部分红膳土。土壤瘠薄，肥力低下。渭北旱塬地区总人口约697.3万人，耕地面积119.41万公顷，人均耕地面积约0.17公顷，气候属于大陆性季风气候，年平均降水量550～730mm，降水主要集中在6、7、8、9月，且年际之间变化大，干旱气候时常发生，降水的65%～70%以蒸发和地表径流的形式被无效的损失，大于10℃积温2500～4123℃，昼夜温差在12～13℃，平均气温7～13.3℃，年日照辐时数1900～2533小时，无霜期140～224天。渭北旱塬地区自然资源丰富，有小麦、玉米、高粱、花生等农作物，有苹果、梨子、葡萄、柿子、核桃等果品。本试验于2013～2014年在渭北旱塬东部沟壑区的合阳县甘井镇(35°33＇N，110°08＇E)实施。该地海拔850m，年平均降雨量536.6mm，年蒸发量1832.8mm，年平均气温11.5℃，最高气温和最低气温分别出现在7月和1月，分别为25.0℃和－2.9℃，极端最高温度37～43℃，极端最低气温－15～－26℃，且气温年较差和日较差较大。供试土壤为黑垆土，试验地地势平坦。2.3.2试验设计本试验于2013年3月～2014年12月实施，试验共计占地面积0.47hm2，小区面积15×26=390m2。本试验采用施肥和耕作二因素组合随机区组设计，分别为农户常规技术(翻耕+低肥)、现有高效技术(免耕+高肥)、创新高效技术(深松+平衡施肥)、不施肥对照等4种处理，每个处理重复4次。(1)农户常规技术(翻耕+低肥)。在前茬玉米收获后进行秸秆全额粉碎还田，冬闲期土壤耕作采取翻耕处理，土壤全面翻耕20～25cm，将秸秆翻入耕层土壤，休闲期喷洒除草剂防除杂草，越过休闲期后玉米播种时采用低肥处理，低肥(低氮低磷)：N=75kg/hm2，P22O5=60kg/hm。(2)现有高效技术(免耕+高肥)。在前茬玉米收获后进行秸秆全额粉碎还田，冬闲期土壤耕作采取免耕处理，作物秸秆残差覆盖地表，休闲期喷洒除草剂防除杂草，越过休闲期后玉米播种时采用高肥处理，高肥(高氮高磷)：N=255kg/hm2，P22O5=180kg/hm。(3)创新高效技术(深松+平衡施肥)。在前茬玉米收获后进行秸秆全额粉碎还田，冬闲期土壤耕作采用深松处理，每隔60cm宽度深松30～35cm，作物秸秆残差覆盖地表，休闲期喷洒除草剂防除杂草，越过休闲期后玉米播种时采用平衡施肥处理，平衡施肥(氮磷钾平衡)：N=150kg/hm2，P222O5=120kg/hm，K2O=90kg/hm。 第二章研究内容与方法11(4)不施肥对照：在上述3个种植模式的小区内，设置面积30m2的不施肥的小区，用以评价施肥的效果。其中氮肥、磷肥、钾肥依次分别为尿素（N=46.0%）、磷酸二铵（P2O5=44.6%）和氯化钾（K2O=51.0%）。播种前按照小区面积计算施肥量，播种前均匀撒施。表2-12013~2014年试验处理代号Table2-1Thesoiltillagetreatmentsintheyearfrom2013to2014代号处理CordTreatmentsS1农户常规技术(翻耕+低肥)S2现有高效技术(免耕+高肥)S3创新高效技术(深松+平衡施肥)NS1翻耕对照区NS2免耕对照区NS3深松对照区2.3.3技术路线本研究技术路线见图2-1。图2-1研究的技术路线Fig.2-1Thetechnologyroadmap2.3.4测定指标与方法2.3.4.1土壤物理性状指标（1）土壤容重测定在春玉米播种前和收获后进行土壤容重测定，每个处理3个重复，采用环刀进行土壤剖面取土法测定土壤容重，每个样点按0～20、20～40和40～60cm3个土层取样，采用 12渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究烘干法测定土壤容重、土壤孔隙度、田间持水量等。计算方法如下：容重=(M2－M1)/V；M2：环刀及烘干土质量；M1：环刀质量；V：环刀容积；土壤孔隙度PD(%)(1/G)100%，其中D为实测土壤容重（g·cm-3），G为土壤比重，其近似值取2.65g·cm-3。（2）土壤含水量的测定春玉米播种期、拔节期、抽穗期（抽雄期）、灌浆期、收获期以及休闲期采用土钻采样和烘干法测定0～200cm土壤含水量，每20cm一层，共10层，计算土壤蓄水量、土壤蓄墒率和水分利用效率。计算公式如下：土壤含水量w(%)(M1M2)/M2100%，其中M1为湿土重，M2为烘干土重；土壤蓄水量W(mm)DHW10，其中D为土壤容重（g·cm-3），H为土层厚度（cm），w为土壤含水量（%）；土壤蓄墒率P(%)(V1V2)/R100%，其中V1为休闲初期土壤蓄水量（mm），V2为休闲末期的土壤蓄水量（mm），R为休闲期降雨量（mm）；生育期耗水量ETa(mm)P(WeWb)，其中P为作物生育期有效降水量（mm），We和Wb分别为播前和收获时的土壤蓄水量（mm）；21水分利用效率WUE(kghmmm)Ya/ETa，式中Ya为单位面积的经济产量（kg·hm-2）。2.3.4.2土壤化学性质状测定利用土钻在各小区按照棋盘法取样，分别取0～20、20～40、40～60cm的土壤样本，将各层土壤样本分别均匀混合，剔除杂物，土样风干后过40目和100目筛，将土样分为两个等级。将过筛后的土样带回实验室内待测。过40目土样用于测定土壤速效养分，过100目土样用于测定土壤全效养分和土壤有机质。土壤养分测定方法（鲍士旦2000）如下：全氮的测定：全自动凯氏定氮仪测定全磷的测定：酸溶—钼锑抗比色法全钾的测定：酸溶—火焰光度计法碱解氮的测定：碱解扩散法速效磷的测定：碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法速效钾的测定：醋酸氨浸提—火焰光度法有机质的测定：重铬酸钾—浓硫酸外加热法2.3.4.3春玉米生长性状及产量指标测定（1）作物产量测定：收获期每小区取9m2的样方，重复3次，测定实际产量和有效穗数，随机取30株有代 第二章研究内容与方法13表性的植株，重复3次，进行室内考种，包括穗粒数和百粒重，用于测定玉米的理论产量和产量构成。产量计算：产量=亩穗粒数×亩穗数×千粒重增产率：Ya=ᇞY/Y，ᇞY为不同模式下产量的增量；Y为对照模式产量（农户模式产量）。（2）经济效益的计算：产量纯收益（元·hm-2）=产量收入－总投入（元·hm-2），其中总投入包括耕作土壤和播种作物的机械费用，种子、化肥和农药费用以及人力投入的费用等，并根据市场价格核算经济产量收入。2.3.4.4春玉米收获期干物质及地上部氮磷钾分布分别将收获期的玉米植株进行取样，每小区取3株地上部分整株植株样风干待测。首先分别称重风干后总重，然后分别称每株籽粒、穗轴、茎叶重量，把籽粒、穗轴、茎叶的部分取样，带回室内粉碎，过筛待测。测定方法如下：磷的测定采取碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法；钾的测定采取醋酸氨浸提—火焰光度法；氮的测定采取全自动凯氏定氮仪测定。2.4数据处理与统计方法采用MicrosoftExcel2010进行数据处理和作图，采用SPSS（PASWStatistics18）对数据进行统计分析和多重比较。 14渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究第三章不同耕作与施肥模式对春玉米田土壤物理性状的影响春玉米是渭北旱塬区仅次于冬小麦的主要粮食作物，干旱少雨、地力瘠薄是制约渭北旱塬雨养农田春玉米增产增收的主要因素（王巧云2013；宋孝玉等2004）。降水少，年际变率大且分布不均，成为制约当地农业生产的主要因素之一。旱作玉米田长期采用传统翻耕方式，冬春季节地表疏松裸露，大量土壤水分蒸发，春季干旱少雨，使玉米春播底墒不足，同时长期不合理施肥，导致养分利用效率低下。因此，促进降水有效贮蓄和利用，合理施肥，提高水分利用率和养分利用率是渭北旱塬区春玉米生产的关键技术目标。保护性耕作技术采取免耕、深松耕作方式，秸秆覆盖地表，能有效改善土壤理化性状，降低土壤容重，提高土壤贮水量，增加作物产量（李洪文等1997；李安宁等2000；贾延明等2002；雷金银等2008）。秸秆覆盖深松耕可以打破犁底层，增加土壤孔隙度，增加降水入渗，减少蒸发，提高水分利用效率，增加作物产量（张志田等1995；姚宝林等2008）；秸秆覆盖免耕减少机械作业，采用生物方式完成耕作，可以有效减少棵间蒸发增加蒸腾，变无效耗水为有效耗水，有利于作物产量增加（李洪文等2000；尚金霞等2010；黄高宝等2006；张海林等2002）。现有研究主要比较不同保护性耕作的蓄水增产效应，分析施肥对土壤水分利用的水肥耦合效应，缺乏将不同耕作措施与施肥措施结合的田间试验研究，耕作与施肥耦合作用对春玉米水分和养分利用效率、产量和经济效益的研究不足。本章综合探讨3种模式下，休闲期采取不同的耕作模式对土壤容重、土壤孔隙度、田间持水量、休闲期和生育期土壤水分的变化，分析渭北旱塬地区降水资源状况，不同耕作模式对土壤物理结构和土壤水分状况的影响。3.1试验区年降水量变异概述渭北旱塬地区，降水年际之间变化大，且分布不均，这为当地农业生产带来很大的局限，研究和利用当地降水资源，是解决当地干旱的有效措施。图3-1为试验地1991~2014年24年变化情况，计算得到24年平均降水量为523.1mm，图中可以看出，24年降水资料中有13年降水量低于多年平均，降水量最高是2003年881.4mm，最低年份为2013年321.5mm。试验年份2013年和2014年降水量分别为321.5mm和591.7mm，2013年较多年平均降水量少207.6mm，2014年较多年平均降水量多62.6mm。利用降水相对变—率计算公式P：式中：R为多年平均降水量，R为年降水量，设P≥25%为丰水年，P≤－25%为干旱年，介于±25%之间为平水年（黄高宝等2006）。据此，2013年为干旱年型，2014年为平水年，2014年9月和10月降雨强度较大，占到全年降水量 第三章不同耕作与施肥模式对春玉米田土壤物理性状的影响15的53.1%。图3-2为2013~2014年降水量，可以看出试验区年降水主要集中在7～10月份，占到全年降雨量的60%以上，冬春季节降水少，年际之间变化较大，春玉米播种时期降雨较少，对春玉米播种出苗产生不利影响。900800700600(mm)500400降水量Precipitation3002001000199119921993199419951996199719981999200020012002200320042005200620072008200920102011201220132014年Year图3-11991~2014年降水量Fig.3-1Monthlyprecipitationsofexperimentalfieldin1991~2014240201320020142007‐‐2014(mm)160120Precipitation80降雨量400123456789101112月份Month图3-22013~2014年试验田逐月降雨量Fig.3-2Monthlyprecipitationsofexperimentalfieldin2013~20143.2不同耕作处理对土壤容重、土壤孔隙度和田间持水量的影响2013年与2014年属于两个不同的降水年型，研究对不同年型的影响并进行分析。试验在2013年3月至2014年10月实施，分析不同耕作模式对土壤容重、孔隙度、土壤饱和含水量、田间持水量的影响。3.2.1不同耕作处理下土壤容重的变化图3-3是2013年和2014年试验前后土壤0～60cm土层容重和孔隙度测定结果。与试验前相比，试验后0～60cm土层土壤容重均有降低，土壤容重变化属于类似抛物线形变化，先由低到高，后又降低，其中各土层容重最小是0～20cm土层，不同耕作 16渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究模式对土壤容重的变化影响不同，相同耕作模式对不同层次的作用也表现相同。0～20cm土层土壤容重较试验前降低较大，20～40cm土层相对变化较小，40～60cm土层基本没有变化。相同土层内免耕和深松模式相对翻耕模式土壤容重降低的较多，翻耕模式不明显。土壤容重Soilbulkdensity(g·cm-3)土壤容重Soilbulkdensity(g·cm-3)1.21.251.31.351.41.451.51.21.251.31.351.41.451.515152013201425253535Soildeep(cm)4545PrePreS1土层深度S1土层深度Soildeep(cm)5555S2S2S3S36565土壤孔隙度Soilporosity%土壤孔隙度Soilporosity%4044485256604044485256601515201320142525(cm)3535deepSoildepth(cm)Soil4545PrePreS1S1土层深度55土层深度55S2S2S3S36565图3-3不同耕作模式下0～60cm土壤容重和土壤孔隙度Fig.3-3Soilbulkdensity(BD),soilporosity(P)at0—60cmdepthunderdifferenttillagetreatments2013年玉米收获后，0～60cm土层土壤容重变化范围为1.24～1.46g·cm-3，其中0～20cm土层土壤容重变化范围为1.24～1.31g·cm-3，各模式均较试验前有减小，各模式之间S1模式减小的幅度较小，S3模式减小的幅度较大，S3、S2、S1模式分别较试验前减小11.3%、7.0%、5.3%；20～40cm土层土壤容重范围在1.33～1.46g·cm-3之间，S2模式减小的幅度较小，S3模式减小的幅度较大，分别较试验前减小5.8%、10.5%，S1模式基本没有变化；40～60cm土层土壤容重变化范围较小，在1.4～1.43g·cm-3之间， 第三章不同耕作与施肥模式对春玉米田土壤物理性状的影响17且各模式间差异较小，S1模式土壤容重最大，S3模式最小。可见，3种模式均有利用降低土壤容重。2014年春玉米收获后，0～20cm土层土壤容重范围在1.23～1.32g·cm-3之间，S3模式最小值，较试验开始前减小9.8%，其次为S2模式，减小4.6%，S1模式减小幅度较小；在20～40cm土层土壤容重范在1.32～1.45g·cm-3之间，S3模式显著减小了土壤容重，较试验开始前减小12.1%，其次S2模式，减小6.5%，S1模式最大；在40～60cm土层土壤容重范围在1.4～1.42g·cm-3之间，各模式之间差异较小。两年的试验结果可知，S3模式和S2模式能够降低0～40cm土层土壤容重，40～60cm土层作用不明显。土壤孔隙度与土壤容重呈负相关关系，即容重越大而孔隙度越小。0～60cm土层土壤孔隙度如图3-3，2013年和2014年玉米收获后土壤孔隙度的变化，0～20cm土层土壤孔隙度最高，20～40cm土层土壤孔隙度最低，40～60cm土层土壤孔隙度介于二者之间。与试验开始前相比，2013年和2014年作物收获后各处理0～60cm土层土壤孔隙度均有升高，且在20～40cm土层较明显。2013年春玉米收获后，0～20cm土层表现为S3模式最大，较试验开始前增加11个百分点，其次S2模式，增加7.1百分点，S1模式0～20cm土层土壤孔隙度较小；20～40cm土层土壤孔隙度S3模式值最大，较试验开始前增加11.9个百分点，其次为S2模式，增加6.8个百分点，S1模式20～40cm土层土壤孔隙度变化较小；40～60cm土层S3模式最大，较试验开始前增加4.2个百分点，其次为S2模式，S1模式土壤孔隙度最小。2014年春玉米收获后，0～20cm土层土壤孔隙度总体大于2013年，S2模式相近，S3模式和S2模式分别较试验开始前增加9.2个百分点和4.6个百分点，S1模式增加2.3个百分点，S1模式土壤孔隙度最小；20～40cm土层S3模式土壤孔隙度最大，比试验开始前增加13.7个百分点，其次为S2模式，增加7.7个百分点，S1模式土壤孔隙度最小；40～60cm土层S1模式土壤孔隙度较大，S3模式和S2模式接近。3.2.2不同耕作处理下土壤饱和含水量和田间持水量的变化2013年和2014年两年试验结束后测定土壤饱和含水量和田间持水量均较试验前均有升高（表3-1），不同模式处理下对土壤饱和含水量和田间持水量的作用不同，创新模式在试验的第一年表现不明显，第二年经历了休闲期后，对土壤中土壤饱和含水量和田间持水量影响较为明显，分别较其他两种模式提高了土壤饱和含水量和田间持水量，而且较农户模式增加显著。2013年玉米收获后，0～20cm土层不同耕作模式土壤饱和含水量较试验开始前增加11.2%～23.6%，田间持水量增加6.9%～19.7%，S3模式和S2模式土壤饱和含水量较大，较S1模式分别增加3.8%和11.1%，S2模式的田间持水量高于其他处理，且较S1模式增加16.8%，差异显著（P＜0.05）；20～40cm土层各模式土壤饱和含水量较试验 18渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究开始前增加1.7%～23.8%，田间持水量增加8.2%～24.1%，S1模式土壤饱和含水量和田间持水量最低，土壤饱和含水量和田间持水量S2模式较S1模式增加11.0%、8.7%，S2模式较S1模式差异显著（P＜0.05），S3模式20～40cm田间持水量最大，较S2模式和S1模式分别增加5.6%和14.7%，S3模式与S1模式之间差异显著（P＜0.05）；40～60cm土层土壤饱和含水量和田间持水量表现S3模式较大，饱和含水量与S1模式差异显著，田间持水量与两种模式均差异显著（P＜0.05）。表3-1不同耕作处理下0～60cm土壤饱和含水量与田间持水量Table3-1Soilsaturatedwatercontent,fieldwatercapacityat0～60cmdepthunderdifferenttillagetreatments土壤性状Soilproperties土层深度耕作处理饱和含水量田间持水量SoilTillageSoilsaturatedwatercontent（%）Fieldwatercapacity(%)layer(cm)treatments2013年2014年2013年2014年Pretreatment34.7c36.3c27.9c28.3d0～20S138.6b38b29.8c31.2cS239.8ab39.8ab34.8a36.6aS342.9a43.6a33.4ab35.4abPretreatment30.3c29.8c24.5c26.4c20～40S130.8c31.2c26.5c27.4bcS234.2ab34.2b28.8ab29.4bS337.5a38a30.4a32.3aPretreatment31.2c31.7c24.6c26.6b40～60S132.2bc33.7a25.9bc26.7bS233.2ab32.7bc26.7b26.1bS333.7a33.2ab27.1a30.8a2014年玉米收获后，0～20cm土层不同耕作模式土壤饱和含水量较试验开始前增加4.7%～20.1%，田间持水量增加10.2%～25.1%，饱和含水量S2＞S3＞S1，S3模式和S2模式较S1模式分别增加4.7%和14.7%，田间持水量S2模式高于其他处理，且较S3和S1模式增加3.4%、17.3%，S2模式较S1模式差异显著（P＜0.05）；20～40cm土层各模式土壤饱和含水量较试验开始前增加4.7%～27.5%，田间持水量增加3.8%～22.3%，S3模式土壤饱和含水量和田间持水量最高，S1模式最低，S3模式和S2模式较S1模式土壤饱和含水量增加21.8%、9.6%，S3模式和S2模式较S1模式差异显著（P＜0.05），S3模式20～40cm田间持水量较大，较S2模式和S1模式分别增加9.9%和17.9%，S3模式与S1模式差异显著（P＜0.05）；40～60cm土层土壤饱和含水量和田间持水量表现为S3模式较大，饱和含水量与S1模式差异显著，田间持水量与两种模式均差异显著（P＜0.05）。综合可知，3种模式中，S3模式和S2模式对于提高田间持水量和饱和含水量效果 第三章不同耕作与施肥模式对春玉米田土壤物理性状的影响19较好，2013年平均田间持水量和饱和含水量较S1模式分别提高10.2%和8.9%，2014年分别提高11.7%和7.6%。3.3不同耕作与施肥模式对春玉米田土壤水分特征的影响不同的耕作模式对土壤蓄水保墒作用产生影响，这种影响会持续到整个生育期结束。本试验分别测定两个不同降水年型休闲期和生育时期土壤0～200cm土层土壤水分变化，分析比较不同耕作模式对土壤休闲期和主要生育时期土壤水分变化的影响，比较不同耕作模式的蓄水保墒效果。3.3.1不同耕作模式冬闲期土壤蓄水量变化动态2013年试验之初没有测定休闲期土壤水分，以2013至2014年冬闲期水分变化进行说明。2013年春玉米收获后，按照S1、S2和S3模式分别进行相应耕作处理，于10月中旬、11月中旬和4月中旬测定了冬闲期土壤贮水量（图3-4）。由于受到秋季降水补给，S1、S2、S3等耕作模式2013年10月中旬0～200cm土层土壤贮水量分别为430.2、446.4和447.7mm，3种模式之间贮水量差异不显著（P<0.05）。11月份随着降水减少，土壤水分以蒸发散失为主，S1、S2、S3处理0～200cm土层土壤贮水量逐渐降低，分别为413.2、431.2和429.1mm，S2土壤贮水量最高，S3次之，S1最低，S2和S3较S1差异不显著（P<0.05）。到翌年4月中旬，随着气温升高，土壤解冻，土壤蒸发耗水持续增加，土壤贮水量持续降低，S1、S2、S3处理0～200cm土层土壤贮水量分别为387.8、399.4和404.4mm，模式S3、S2土壤贮水量显著高于S1处理（P<0.05）。2013年春玉米收获后，经过冬闲期休闲，各耕作模式土壤贮水量表现逐渐减少趋势，整个冬闲期S1、S2、S3各处理0～200cm土层土壤贮水量平均值分别为410.4、425.7和427.1mm，到冬闲期末土壤贮水量表现为S3＞S2＞S1，S3模式和S2模式较S1模式分别增加贮水量23.3和18.1mm。各种模式之间差异不显著（P<0.05）。S3处理增加了降水入渗，减少了土壤水分蒸发，有利于休闲期土壤水分贮蓄，因此土壤贮水量最高；S2处理减少了对土壤扰动，秸秆覆盖地表，减少蒸发，贮水量次之；S1处理翻转土壤，冬闲期没有秸秆覆盖，土壤水分蒸发较大，贮水量最低。 20渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究S1S2S3480aa460aaa440a420abac土层贮水量4003803600——200cm340320Soilwaterin0—200cmsoillayer(mm)30010月中旬11月中旬4月中旬MidofOctMidofNovMidofApr冬闲日期Dateofwinterfallow图3-4不同耕作处理下春玉米田冬闲期0～200cm土层贮水量变化动态Fig.3-4Changesofsoilwaterstoragein0～200cmsoillayerofdifferenttillagetreatmentsofspringmaizefieldduringwinterfallow3.3.2不同耕作与施肥模式玉米生长期土壤贮水量变化动态不同耕作模式下春玉米主要生育时期0～200cm土层土壤贮水量表明（图3-5）：从播种期到拔节期，随着气温升高，玉米生长对水分消耗增加，土壤贮水量逐渐减少；从拔节期到灌浆期，玉米封垄之后，蒸腾量增加，对土壤水分消耗增加，至灌浆期到达谷底；随后由于雨季降水增加，到收获期土壤蓄水量又逐渐恢复。2013年玉米生育期内降水量为314.1mm，播种前S1、S2、S3模式平均土壤贮水量分别为398.0、390.0和405.7mm，S3较S1增加贮水量7.7mm。主要生育期内S3、S2和S1处理平均土壤贮水量依次为363.3、364.2、342.1mm；S3、S2处理平均土壤贮水量分别较S1高21.2和22.1mm。S3、S2和S1处理全生育期耗水量依次为361.8、366.3和370.1mm，耗水量由高到低顺序为S1＞S2＞S3。2014年玉米生长前期干旱少雨，但是8～9月玉米生长后期降雨量高达181.7mm，收获期土壤蓄水量显著增加，玉米生育期内土壤贮水量较2013年高。播种前S1、S2、S3处理0～200cm土层平均土壤贮水量分别为436.1、452.1和455.3mm，S3和S2较S1分别增加贮水量19.2和16.0mm。从拔节期到收获期，土壤贮水量由高到低的顺序为S3＞S2＞S1，拔节期至灌浆期土壤水分随着玉米生长消耗逐渐减少，灌浆期至成熟期降水量大幅增加，土壤水分得到恢复，贮水量增加。2年玉米生育期内S1、S2、S3平均土壤贮水量分别为387.0、405.1和410.3mm，S3和S2较S1增加土壤贮水量23.3和18.1mm，S3提高土壤贮水量优势明显。 第三章不同耕作与施肥模式对春玉米田土壤物理性状的影响21450550aba2013S1S2S3425aba5252014S1S2S3caba500400abaaaba475aac375c450acbcaabSoilwaterstorage(mm)aaSoilwheatstorage(mm)425bc350bbcaa400aa325土壤贮水量土壤贮水量375350300拔节期大喇叭口期抽雄期灌浆期收获期拔节期大喇叭口期抽雄期灌浆期收获期ElongationMid-growthTasselingGrain-fillingHarvestingElongationMid-growthTasselingGrain-fillingHarvesting生育时期Growthstage生育时期Grewstage图3-5不同玉米生育时期0~200cm土层土壤贮水量动态变化Fig.3-5changesofsoilwaterstoragein0~200cmprofileinthedifferentgrowthperiodofmaize3.3.3不同耕作与施肥模式玉米生长期土壤水分垂直分布图3-6为2013和2014年春玉米大喇叭口期0～200cm土层土壤湿度变化。2013年大喇叭口期S1、S2、S3模式0～200cm土层土壤湿度平均值分别为14.6%、14.6%和13.9%，S1、S2土壤湿度高于S3；0～100cm随着土层深度增加，土壤湿度逐渐增大，到达100cm时逐渐稳定。2014年大喇叭口期S1、S2、S3模式0～200cm土层土壤湿度平均值分别为16.4%、16.6%和16.6%，S3、S2略高于S1。由于2013年播前干旱少雨，玉米大喇叭口期尚未完全封垄，土壤水分蒸发较大，0～40cm土层土壤湿度较小，随着土层深度增加，不同耕作模式下土壤湿度差异明显；2014年播前降水较多，0～60cm土层湿度较高，60cm以下开始逐渐减少，到达100cm时出现一个拐点，土壤湿度不再减少，逐渐稳定。模式S3以其具有打破犁低层，增加土壤水分入渗作用，在2014年表现出0～70cm土层时才出现拐点，表现出较好的增蓄保墒作用。土壤湿度Soilmoisture(%)土壤湿度Soilmoisture(%)8101214161820141516171819200020201320201440406060S1S18080S2S2S3Soildepth(cm)100S3Soildepth(cm)100120120140140土壤深度土壤深度160160180180200200图3-6玉米大喇叭口期0~200cm土层土壤湿度剖面分布Fig.3-6Soilwaterdistributionin0~200cmprofileonmid-growthperiodofmaize3.4小结（1）渭北旱塬地区，降水年际之间变化大，分布不均。经统计试验地1991～2014年平均降水量523.1mm，其中有13年降水量低于多年平均降水量，最高是2003年881.4 22渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究mm，最低年份为2013年321.5mm。试验年份2013和2014年降水量分别为321.5和591.7mm，2013年较多年平均降水量少207.6mm，2014年较多年平均降水量多62.6mm。利用降水相对变率计算公式2013年为干旱年型，2014年为平水年，2014年9月和10月降雨强度较大，占到全年降水量的53.1%。试验区年降水主要集中在7～10月份，占到全年降雨量的60%以上，冬春季节降水少，对春玉米播种和出苗不利。（2）两年的试验结果可知，“深松+平衡施肥”创新模式（S3）和“免耕+高肥”现有模式（S2）能够降低0～40cm土层土壤容重，40～60cm土层作用不明显。“深松+平衡施肥”创新模式（S3）较“翻耕+低肥”传统模式（S1）2年平均降低了土壤0～60cm土层容重5.3%，增加土壤孔隙度5.5%；“免耕+高肥”现有模式（S2）2年平均较“翻耕+低肥”传统模式（S1）降低0～60cm土层土壤容重2.2%，增加土壤孔隙度2.3%。（3）两年的试验结果表明“深松+平衡施肥”创新模式（S3）和“免耕+高肥”现有模式（S2）较“翻耕+低肥”传统模式（S1）显著增加了土壤0～20cm土层饱和含水量和田间持水量；20～40cm土层“免耕+高肥”现有模式（S2）对土壤饱和含水量和田间持水量影响不显著，“深松+平衡施肥”创新模式（S3）作用显著；对40～60cm土层基本没有差异。3种模式中，“深松+平衡施肥”创新模式（S3）和“免耕+高肥”现有模式（S2）对于提高田间持水量和饱和含水量效果较好，2013年平均田间持水量和饱和含水量较连续翻耕处理分别提高10.2%和8.9%，2014年分别提高11.7%和7.6%。（4）2013—2014年“深松+平衡施肥”创新模式（S3）、“免耕+高肥”现有模式（S2）、“翻耕+低肥”传统模式（S1）休闲期0～200cm土层平均土壤贮水量分别为427.1、425.7、410.4mm，“深松+平衡施肥”创新模式（S3）和“免耕+高肥”现有模式（S2）较“翻耕+低肥”传统模式（S1）分别增加贮水量16.7和15.3mm。2年春玉米主要生育期内“深松+平衡施肥”创新模式（S3）、“免耕+高肥”现有模式（S2）、“翻耕+低肥”传统模式（S1）平均土壤贮水量分别为410.3、405.1、387.0mm，“深松+平衡施肥”创新模式（S3）和“免耕+高肥”现有模式（S2）较“翻耕+低肥”传统模式（S1）分别增加贮水量23.3和18.1mm。 第四章不同耕作与施肥模式对春玉米田土壤肥力的影响23第四章不同耕作与施肥模式对春玉米田土壤肥力的影响降水不足和土壤贫瘠是制约渭北旱塬玉米生产的主要因素（王罗宏1994）。据调查，渭北旱塬玉米生产中氮肥、磷肥投入偏高，而钾肥投入不足；氮磷肥盈余造成产投效益低、资源浪费和地下水污染等问题（刘芬等2014）。不合理的休闲期耕作方式导致大量水分和养分散失。研究表明保护性耕作有利于增蓄抑蒸和培肥地力的作用（谢瑞芝等2007；方日尧等2003）。保护性耕作通过秸秆覆盖能够抑蒸保蓄，减少水分无效蒸发，同时增加水分的入渗，提高生育期土壤水分含量和水分利用效率，增加作物产量（BonfilDJetal1999；尚金霞等2010；张丽华等2007），对土壤容重有降低作用、增加土壤孔隙度等物理特性，通过加速分解生物残体增加土壤养分含量和微生物含量，改善土壤化学性质的作用（赵洪利等2009；张丽华等2011；孙海国等1997）。本章综合探讨3种模式下不同耕作和施肥组合模式对土壤有机质、速效磷、速效钾和碱解氮等养分变化规律的影响，测定氮磷肥的养分利用效率，筛选适合渭北旱塬地区改善土壤养分状况，培肥地力的耕作模式，研究具有提高养分利用效率的施肥水平。4.1不同耕作与施肥模式对土壤有机质含量的影响2013年和2014年玉米收获后不同耕作与施肥模式0～60cm土层土壤有机质含量变化如图4-1所示。在0～20cm土层，2013年S2、S3模式土壤有机质含量较S1模式高，且S2模式和S3模式较S1模式差异显著（P<0.05）；2014年S3模式和S2模式土壤有机质含量均高于S1模式，且S3模式和S1模式之间差异显著，而S3模式和S2模式之间差异不显著（P<0.05）。在20～40cm土层，2013年S2模式土壤有机质含量最高，S1模式最低，S2模式与S3模式土壤有机质含量分别较S1模式差异显著，S2与S3之间差异不显著（P<0.05）；2014年S3土壤有机质含量最高，且较S1模式差异显著（P<0.05）。在40～60cm土层，2013年土壤有机质含量S2＞S3＞S1，各模式间差异不显著（P<0.05）；2014年土壤有机质含量S3＞S2＞S1，各模式间差异不显著（P<0.05）。在不施肥对照区，各处理0～60cm土层土壤有机质含量与施肥区相似。0～20cm土层，2013年NS3处理土壤有机质含量较NS1差异显著，NS3与NS2之间差异不显著（P<0.05）；2014年NS2土壤有机质含量最高，NS1最低，NS2和NS3与NS1间差异显著（P<0.05）。在20～40cm土层，2013年土壤有机质含量NS2＞NS3＞NS1，NS2和NS3较NS1间差异（P<0.05）；2014年土壤有机质含量NS2＞NS3＞NS1，差异不显著（P<0.05）。在40～60cm土层，2013年和2014年各处理间土壤有机质含量差异不显著（P<0.05）。综合2年试验结果，S2模式和S3模式均较S1模式明显增加0～20cm土层土壤有机质含量，且S2模式较S3模式增加优势明显。施肥区与无肥对照区结果相似， 24渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究说明S2模式和S3模式等保护性耕作能显著增加0～20cm土层土壤有机质含量。S3S2S1NS3NS2NS114aaaaaaa12bbbcbb10aaabbbbb8bcccc6aaaaaaaaaaaa4(g/kg)Soilorganicmatter2有机质00-2020-4040-600-2020-4040-6020132014土层深度(cm)Soildepths图4-1不同耕作与施肥处理玉米田0～60cm土层土壤有机质含量Fig4-1Soilorganicmattercontentin0～60cmsoillayersunderdifferenttillageandfertilizationtreatmentsofmaizefield4.2不同耕作与施肥模式对土壤碱解氮含量的影响不同耕作与施肥处理对0～60cm土层碱解氮含量影响不同（图4-2）。随着土层深度增加，土壤碱解氮含量逐渐降低，40～60cm土层基本稳定。2013年各处理模式土壤碱解氮含量略低于2014年。施肥区各处理土壤碱解氮含量较无肥区高。0～20cm土层，2013年S2模式土壤碱解氮含量最高，S3模式次之，S1模式最低，S2与S3之间差异不显著，S2和S3与S1之间差异显著（P<0.05）；无肥对照区各处理土壤碱解氮含量差异与施肥区处理相似，NS2＞NS3＞NS1，NS2和NS3较NS1差异显著（P<0.05），施肥区碱解氮含量高于无肥区；2014年施肥区土壤碱解氮含量由高到低顺序为S3＞S2＞S1，S3与S2分别较S1差异显著，在无肥对照区NS3含量最高，NS1含量最低，NS3、NS2、NS1之间差异显著（P<0.05）。20～40cm土层，2013年施肥区和无肥区各处理之间土壤碱解氮含量差异均不显著（P<0.05），2014年S3含量较高，S1最低，S3较S1差异显著，较S2差异不显著，S2与S1之间差异显著（P<0.05）；无肥区NS3与NS1之间差异显著，与NS2差异显著，而NS2与NS1之间差异不显著（P<0.05）。40～60cm土层，2013年施肥区和无肥区各处理间土壤碱解氮含量差异均不显著（P<0.05）；2014年施肥区S3与S1差异显著，其余处理差异不显著，无肥对照区各处理之间差异均不显著（P<0.05）。施肥区增施了化肥，改善土壤中微生物C/N比，促使作物秸秆残茬分解，增加土壤碱解氮含量，施肥区含量较无肥区高，不同模式比较下S3模式较S2模式更有利于增加土壤碱解氮含量。 第四章不同耕作与施肥模式对春玉米田土壤肥力的影响25100S3S2S1NS3NS2NS1a80aaa60abbbbacaccaaabaa40aaaaaabbbbbaaaab20(g/kg)Alkali-hydronitrogen00~2020~4040~600~2020~4040~60碱解氮20132014土层深度(cm)Soildepths图4-2不同耕作与施肥处理玉米田0～60cm土层碱解氮含量Fig.4-2Alkali-hydronitrogencontentin0～60cmsoillayerunderdifferenttillageandfertilizationtreatmentsofmaizefield4.3不同耕作与施肥模式对土壤速效磷含量的影响2013年和2014年玉米收获后不同耕作与施肥模式春玉米田土壤0～60cm土层速效磷含量差异如图4-3所示。2014年各处理0～60cm土层土壤速效磷含量较2013年高。在0～20cm土层，2013年S2速效磷含量最高，S1最低，S2与S1之间差异显著，S3与S1之间差异显著，S2与S3之间差异不显著（P<0.05）；2014年S3含量最高，S1最低，S3与S1之间差异显著（P<0.05）。在20～40cm土层，2013年土壤速效磷含量S2＞S3＞S1，处理之间差异不显著（P<0.05）；2014年S3＞S2＞S1，S3与S1之间差异显著（P<0.05）。在40～60cm土层，2013与2014年各种耕作施肥模式下土壤速效磷含量差异均不显著（P<0.05）。在无肥对照区内，2013年和2014年0～60cm土层土壤速效磷含量随着土层加深逐渐降低，不同耕作施肥模式间没有差异（P<0.05）。2年试验结果显示S3和S2模式增加了0～60cm土层土壤速效磷含量，且S3较S2模式优势明显。 26渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究4.4不同耕作与施肥模式对土壤速效钾含量的影响2013年和2014年不同耕作与施肥模式春玉米田0～60cm土层土壤速效钾含量差异如图4所示。在0～20cm土层，2013年和2014年S3和S2模式土壤速效钾含量显著高于S1（P<0.05），S3和S2模式之间差异不显著（P<0.05）。在20～40cm土层，2年的试验结果显示，S3模式土壤速效钾含量均高于S1模式，但差异不显著（P<0.05）。在40～60cm土层，2年各模式间差异均不显著（P<0.05）。在无肥对照区，0～20cm土层2年NS3含量均最高，2013年NS3和NS2较NS1差异显著，NS3和NS2之间差异不显著（P<0.05）；2014年NS3较NS2和NS1均表现为差异显著，NS2和NS1之间差异不显著（P<0.05）。20～60cm土层土壤速效钾含量各模式间差异不显著（P<0.05）。不同模式对土壤速效钾含量的影响主要表现在0～20cm土层，20～60cm土层表现不明显，2年的试验结果显示，S3模式有利于增加土壤速效钾含量。S3S2S1NS3NS2NS1200aaaba160acaacbbcaadaaadaaaaa120aaaaaaaaaaa(mg/kg)AvailiableK8040速效钾0~2020~4040~600~2020~4040~6020132014土层深度(cm)Soildepths图4-4不同耕作与施肥处理玉米田0～60cm土层速效钾含量Fig.4-4AvailableKcontentin0～60cmsoillayerunderdifferenttillageandfertilizationtreatmentsofmaizefield4.5不同施肥与耕作模式作物氮肥和磷肥利用效率图4-5为不同耕作和施肥模式氮肥和磷肥利用效率的比较。“深松+平衡施肥”模式S3和“免耕+高肥”模式S2较“翻耕+低肥”模式S1对提高氮肥、磷肥利用效率具有明显的促进效应。2年试验表明，氮肥利用效率和磷肥利用效率以“深松+平衡施肥”模式S3最高，“免耕+高肥”模式S2次之，“翻耕+低肥”模式S1最低。不同耕作和施肥模式下，不仅影响土壤水分状况，而且影响玉米对养分的吸收，从而对养分利用率产生不同的影响。“深松+平衡施肥”模式S3氮利用率和磷利用率显著高于“翻耕+低肥”模式S1。平衡施肥模式，协调了氮磷比例，促进作物对养分的吸收利用，提高了作物对养分的利用效率。 第四章不同耕作与施肥模式对春玉米田土壤肥力的影响2716ANPA14）12BB10kg/kgFertilizeruseC（8C6aabb4bccefficiency2养分利用效率0S1S2S3S1S2S320132014处理Treatments图4-5不同耕作与施肥模式对氮磷肥料利用效率的影响Fig.4-5FertilizeruseefficiencyofNandPunderdifferenttillageandfertilizationtreatments4.6小结（1）2年的试验结果显示“深松+平衡施肥”创新模式（S3）与“免耕+高肥”现有模式（S2）土壤0～60cm土层有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的含量均有所增加，尤其以0～20cm土层表现显著，但两个试验年份结果并不完全一致。2013年除速效钾含量低于“深松+平衡施肥”创新模式（S3）外，“免耕+高肥”现有模式（S2）有机质、碱解氮、速效磷含量均高于“深松+平衡施肥”创新模式（S3）；2014年“深松+平衡施肥”创新模式（S3）增加了土壤中碱解氮、速效磷和速效钾含量，较“翻耕+低肥”传统模式（S1）增加明显，且与“翻耕+低肥”传统模式（S1）差异显著。（2）2013年和2014年，2年平衡施肥“深松+平衡施肥”创新模式（S3）和“免耕+高肥”现有模式（S2）较低肥“翻耕+低肥”传统模式（S1）养分利用效率高，这充分说明了水肥耦合效应在提高养分利用效率的作用显著。秸秆还田配施氮肥比单施氮肥能更有效增加作物产量和肥料利用效率。2年研究结果显示，“深松+平衡施肥”创新模式（S3）的耕作模式和施肥配比氮磷肥利用效率最高，因此平衡施肥的氮磷配比较为适宜渭北旱塬区。 28渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究第五章不同耕作与施肥模式对春玉米产量与WUE的影响保护性耕作减少人畜力的投入，减少机械作业的次数，通过机械播种施肥，减少化肥和种子投入，降低了农业生产成本，缩短了机械投入回收期，保护性耕作能够增加作物产量，实现增加收入的目的（李洪文等2000）。保护性耕作提高了收获指数，提高水分生产率。研究表明（贾延明等2002；张志田等1995），冬闲期保护性耕作能够减少蒸发，增加播前土壤贮水量，提高生育期土壤含水量和作物水分利用效率，增加作物产量（孙敏等2014）。深松覆盖耕作可以打破犁底层，降低土壤容重，有益于降水的入渗，增加土壤蓄水量，为作物生长保蓄生育时期土壤含水量（杜建涛等2008）。李玲玲等（2005）研究表明，“免耕+秸秆覆盖”能够增加土壤水分含量，增加作物蒸腾，提高水分利用效率和产量。杜兵等（2000）研究表明夏闲期采取保护性耕作提高冬小麦播前的土壤蓄水量，较传统耕作显著提高了水分利用效率，增加冬小麦的产量。本章综合探讨3种模式下不同模式春玉米收获期农艺性状（穗数、穗粒数、千粒重）的变化，研究不同模式对春玉米产量构成因素的影响，深入了解不同模式对作物产量形成的影响，为筛选适合渭北旱塬降水资源状况的生产模式提供理论依据。5.1不同耕作于施肥模式对春玉米产量性状的影响表5-1为2013年和2014年春玉米产量构成因素变化情况。2013年收获期春玉米穗数差异不显著，各不同耕作与施肥模式下高肥S2模式最高，平衡施肥S3模式次之，低肥S1模式最低，3种生产模式玉米平均穗数：S2＞S3＞S1。3种模式下各处理的穗粒数差异不显著，平衡施肥S3模式最高，高肥S2模式次之，低肥S1模式最低，3种生产模式玉米平均穗数：S3＞S2＞S1。3种模式下的千粒重表现与穗粒数表现相同，各模式差异不显著，S3＞S2＞S1。3种处理模式下产量表现为，S3模式产量最高，S2模式产量次之，S1模式产量最低，且S3模式与S1模式产量差异显著（P<0.05）。在不施肥的对照区，穗数、穗粒数、千粒重均表现为NS3模式最高，NS2模式次之，NS1模式最低。2014年春玉米收获期3种施肥模式下各耕作与施肥处理模式玉米穗数差异不显著，平均穗数S3模式最高，S2模式次之，S1模式较低，3种模式玉米平均穗数：S3＞S2＞S1。3种施肥模式下各模式玉米穗粒数差异不显著，低肥S1模式穗粒数较低于其他处理，平衡施肥S3模式最高，高肥S2模式次之，3种轮耕处理平均穗粒数：S3＞S2＞S1。平衡施肥S3模式玉米千粒重高于低肥S1模式，3种轮耕处理平均千粒重：S3＞S2＞S1。平衡施肥和高肥施肥模式下的耕作处理产量均高于低肥的产量模式。平衡施肥下产量S3模式最高，S2模式次之，S1模式产量最低，S3模式较S2模式和S1模式分别增产1.1%和5.8%；在无肥对照区，穗数、穗粒数和千粒重均以S3模式最高，S2模式次之，S1模式最低，产 第五章不同耕作与施肥模式对春玉米产量与WUE的影响29量表现为：NS3＞NS2＞NS1；施肥区较无肥区增加差异显著（P<0.05）。两年各模式下“深松+平衡施肥”的创新模式在穗数、穗粒数、千粒重均高于其他两种模式，产量也较其他模式高，平均产量：S3＞S2＞S1。表5-1不同施肥与耕作处理对作物产量与产量构成因素的影响Table5-1Effectsofdifferentfertilizationandtillagetreatmentsoncropyieldandyieldcomponents穗数千粒重年份处理穗粒数产量Earnumber1000-kernelsTreatmentsKernelsperear(个)Yield（kg·hm-2）Year(104·hm-2)weight（g/1000）S15.0461.8361.99071.0S25.1477.4366.79493.2S35.2499.4379.29597.12013NS14.6434.8352.56633.7NS24.9434.8355.86861.3NS34.8439.4364.16973.7S15.3487.7377.18921.5S25.7534.2381.79953.5S35.8549.3387.210416.82014NS15.1470.0359.08064.5NS25.4492.6365.48548.5NS35.5483.0344.28040.45.2不同耕作于施肥模式对春玉米产量和WUE的影响2013和2014试验年度降水量及其季节差异大，使两年间产量差异较大（表5-2）。2013年各耕作和施肥模式下玉米产量差异不显著，2014年S3处理产量较S1差异显著（P<0.05）。在各耕作和施肥处理下，S3产量最高，S2次之，S1最低。2013年S3模式、S2模式、S1模式玉米平均产量分别为9597.1、9493.2、9071.0kg·hm-2；S3和S2较S1分别增产5.8%、4.7%；S3、S2和S1模式水分利用率分别为26.5、25.9、24.5kg·hm-2·mm-1；S3和S2较S1水分利用效率分别高8.2%、5.7%。2013年不施肥对照区NS3、NS2和NS1处理玉米产量分别为6973.7、6861.3、6633.7kg·hm-2，NS3和NS2较NS1分别增产5.1%和3.4%；NS3、NS2和NS1处理水分利用率分别为19.1、18.6、17.9kg·hm-2·mm-1，NS3和NS2较NS1水分利用效率分别高6.4%、3.5%。S3、S2和S1施肥区较不施肥对照区增产2623.5、2631.9和2437.3kg·hm-2，分别增产37.6%、38.3%和36.7%，水分利用效率分别提高39.1%、39.7%、36.7%，施肥区较无肥区增产差异显著（P<0.05）。2014年S3模式、S2模式、S1模式玉米平均产量分别为10416.9、9953.6和8921.5kg·hm-2；S3和S2分别较S1增产16.8%和11.6%；S3、S2和S1水分利用率分别为24.4、23.5、20.8kg·hm-2·mm-1，S3和S2较S1水分利用效率分别提高17.3%、13.0%，S3和S2与S1差异显著，S3与S2之间差异不显著（P<0.05）。不施肥对照区NS3、NS2和 30渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究NS1处理玉米产量分别为8448.1、8548.5、8064.6kg·hm-2，NS3和NS2较NS1分别增产4.8%和6.0%；NS3、NS2和NS1处理水分利用率分别为20.4、20.3、19.5kg·hm-2·mm-1，NS3和NS2较NS1水分利用效率分别高4.6%、4.1%，NS3、NS2和NS1处理之间玉米产量和水分利用率差异不显著（P<0.05）。S3、S2和S1施肥区较不施肥对照区增产1968.7、1405.0和856.9kg·hm-2，分别增产23.3%、16.4%和10.6%，水分利用效率分别提高39.1%、39.7%、36.7%。模式S3、S2和S1较不施肥对照区分别增产分别为23.3%、16.4%、10.6%，水分利用效率提高19.8%、16.0%、7.0%，施肥区较无肥区增产差异显著（P<0.05）。综合2年试验结果，在3种不同耕作与施肥组合模式下，“深松+平衡施肥”创新模式（S3）产量和水分利用效率最高，其次为“免耕+高肥”现有模式（S2），“翻耕+低肥”传统模式（S1）最低。2年平均产量和水分利用效率：“深松+平衡施肥”创新模式（S3）分别为10007kg·hm-2和25.45kg·hm-2·mm-1，“免耕+高肥”现有模式（S2）分别为9723.4kg·hm-2和24.7kg·hm-2·mm-1，“翻耕+低肥”传统模式（S1）模式分别为8996.25kg·hm-2和22.65kg·hm-2·mm-1，以S3模式最高。S3模式2年平均较农户模式增加产量11.2%，提高水分利用效率12.3%。通过2年田间试验结果表明，在S3、S2和S1各模式中，以S3模式最好，有利于水分高效利用和作物增产，S2次之，S1最差。不同耕作和施肥组合模式下，S3模式较其他两种模式表现出较好的产量和水分生产效率的优势，在相同耕作处理下，施肥区较不施肥对照区作物产量和水分利用效率显著提高，增施化肥，通过水肥之间的耦合效应，起到以肥调水和促长增产的作用，增加作物产量，提高水分利用效率。 第五章不同耕作与施肥模式对春玉米产量与WUE的影响31表5-2不同耕作与施肥处理下春玉米产量与水分利用效率Table5-2Yieldandwateruseefficiencyofspringmaizeunderdifferenttillageandfertilizationtreatments播前贮收获期贮生育期生育期水量Soil水量Soil耗水量产量水分利用年份处理降水量waterinwaterinTotalwaterYield效率WUEYearTreatmentsRainfallsowingharvestingconsumption(kg·hm-2)(kg·hm-2·mm-1)(mm)(mm)(mm)(mm)S1398.2342.2314.1370.19071.0a24.5aS2404.8352.6314.1366.39493.2a25.9aS3411.8364.1314.1361.89597.1a26.5a2013NS1398.2342.3314.1370.06633.7a17.9aNS2404.8349.1314.1369.86861.3a18.6aNS3411.8360.2314.1365.76973.7a19.1aS1436.1502.8494.7428.08921.5c20.8cS2452.1523.6494.7423.29953.6ab23.5abS3455.3523.9494.7426.110416.9a24.4a2014NS1436.1516.8494.7414.08064.6a19.5aNS2452.1525.2494.7421.68548.5a20.3aNS3455.3536.0494.7414.08448.1a20.4a注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（p＜0.05）。Onthesamecolumn,differentlowercaselettersstandforsignificanceat5%level5.3不同耕作与施肥模式对春玉米经济效益的影响不同耕作与施肥模式下春玉米生产成本投入和经济收益如表5-3所示。2013和2014年春玉米耕作与施肥模式中，S3、S2和S1模式生产成本总投入分别8392.8、7459.8、6660.7元·hm-2。2013年S3、S2和S1模式纯收益分别为6002.9、6779.9、6945.8元·hm-2，S1和S2分别较S3增收15.7%、12.9%；S3、S2和S1各模式施肥区较无肥区分别增收34.6%、34.5%、72.5%，施肥区较对照区增收显著（P<0.05）。2014年S3、S2和S1模式纯收益分别为7232.5、7470.5、6721.5元·hm-2，S3和S2较S1分别增收7.6%、11.1%，S3和S2较S1差异显著（P<0.05）；S3、S2和S1模式施肥区较无肥区分别增收23.3%、16.4%、10.6%，施肥区较对照区增收显著。2年试验结果表明，模式S3和S2减少了人工投入，同时减少了机械作业次数，虽然增加了化肥投入，但是提高了产量，最终达到增收的目的。 32渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究表5-3不同施肥与耕作处理玉米生产成本和经济效益（元/hm2）Table5-3Costandreturnofmaizeproductionunderdifferentfertilizationandtillagetreatments(yuan/hm2)耕作投入肥料投入其他投总投入产量收入年份处理纯收益MechanicalFertilizer入OtherTotalYieldYearTreatmentsReturnoperationcostcostcostcostincomeS12775.0735.73150.06660.713606.5a6945.8aS22100.02209.83150.07459.814239.7a6779.9aS32850.02392.83150.08392.814395.7a6002.9a2013NS12775.0—3150.05925.09950.5a4025.5aNS22100.0—3150.05250.010291.9a5041.9aNS32850.0—3150.06000.010460.5a4460.5aS12775.0735.73150.06660.713382.3c6721.5cS22100.02209.83150.07459.814930.3ab7470.5aS32850.02392.83150.08392.815625.3a7232.5ab2014NS12775.0—3150.05925.012096.9a6171.9aNS22100.0—3150.05250.012822.8a7572.8aNS32850.0—3150.06000.012672.2a6672.2a注：表中机械作业投入包括播种、秸秆还田和深松地或翻耕地投入，其它投入包括农药、种子和人工投入，其中，肥料二铵为3.2元/kg，尿素为2.4元/kg，钾肥为5.2元/kg，深松地750元/hm2，翻耕地675元/hm2，2013年和2014年玉米价格分别为1.50元/kg。在同一列，不同小写字母代表统计检验5%水平差异显著Note：Themechanicaloperationcostincludesowing,straw-returningandsub-soilingordeep-flowingcostsintable3,othercostincludefarmchemical,seedandlaborcost,thepriceofdiammonium,carbamideandpotashfertilizerare3.2,2.4and5.2yuan/kgrespectively;thepriceofsub-soilinganddeep-flowingtillageare750yuan/hm2and675yuan/hm2respectively;themaizepriceof2013and2014yearare1.5yuan/kgrespectively.Onthesameline,differentlowercaselettersstandforsignificanceat5%level5.4小结（1）2013年收获期春玉米穗数差异不显著，高肥S2模式最高，平衡施肥S3模式次之，低肥S1模式最低，穗数：S2＞S3＞S1，各处理的穗粒数差异不显著，平衡施肥S3模式最高，高肥S2模式次之，低肥S1模式最低，千粒重表现与穗粒数表现相同S3＞S2＞S1。2014年春玉米收获期3种施肥模式下各模式处理玉米穗数差异不显著，平均穗数S3模式最高，S2模式次之，S1模式较低，穗数：S3＞S2＞S1，穗粒数差异不显著，低肥S1模式穗粒数较低于其他处理，平衡施肥S3模式最高，高肥S2模式次之，平衡施肥S3模式玉米千粒重高于低肥S1模式，3种轮耕处理平均千粒重：S3＞S2＞S1。平衡施肥和高肥施肥模式下的耕作处理产量构成因素均高于低肥下的耕作模式。两年各模式下S3模式在穗数、穗粒数、千粒重均高于其他两种模式。（2）试验结果表明，2013年S3和S2较S1分别增产5.8%、4.7%；2014年S3和S2分别较S1增产16.8%和11.6%。2013年S3模式和S2模式较S1模式水分利用效率分别提高8.2% 第五章不同耕作与施肥模式对春玉米产量与WUE的影响33和5.7%，2014年S3模式和S2模式较S1模式水分利用效率提高17.3%和13.0%。2年平均产量和水分利用效率S3模式最高为10007.0kg·hm-2和25.5kg·hm-2·mm-1，S2模式次之，平均产量和水分利用效率为9723.4kg·hm-2和24.7kg·hm-2·mm-1，S1模式最低，平均产量和水分利用效率为8996.3kg·hm-2和22.7kg·hm-2·mm-1，S3模式较农户模式增加产量11.2%，提高水分利用效率12.3%。（3）2013年干旱年型中3种模式之间产量差异不显著，平衡施肥模式下增加了化肥投入，因此S1模式纯收入表现出较S2模式和S3模式高；2014年为平水年，S3模式和S2模式较S1模式增产显著，纯收入分别增加收入541元·hm-2，749元·hm-2。综上所述，“深松+平衡施肥”创新模式（S3）增加了土壤贮水量，提高水分利用效率，在增加产量和经济收入方面均表现良好，因此“深松+平衡施肥”创新模式（S3）是适合渭北旱塬地区的耕作和施肥生产模式。 34渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究第六章讨论与结论6.1讨论（1）不同耕作与施肥模式土壤物理性状的影响研究表明，土壤容重大小对春玉米根系生长具有显著的影响，土壤容重增加，根系数量、根长显著小于容重较小的土壤；土壤容重影响根系对土壤中养分的吸收，对20～40cm土层影响较40～60cm显著，其中氮、磷、钾受影响的程度中，表现为钾＞磷＞氮（李潮海等2005，李潮海等2007）。师江澜等（2006）研究表明，保护性耕作能够改善土壤物理性状，具有降低土壤容重，增加土壤孔隙度，提高土壤团聚体含量的作用。秸秆覆盖与深松相结合的耕作方式能打破犁低层，降低土壤容重，增加土壤大孔隙度的体积，随着深松年限的增加，土壤容重不再变化，趋于稳定（付占国等2005；丁昆仑等2000；许迪等1999）。王殿武等（1992）研究表明，免耕秸秆覆盖使土壤容重增加，降低土壤＞50μm孔隙度，增加了＜5μm孔隙度，促进了团聚体的形成，增加机械团聚体和水稳性团聚体数量。郭晓霞等（2010）研究表明免耕高留茬覆盖减少对土壤结构的扰动，增加土壤中0.25～0.5mm的团聚体数量，且随着免耕时间的延长，数量逐年增加。余海英等（2011）研究表明免耕有利于促进＞0.05μm土壤团聚体的形成。李涵等（2012）指出不同秸秆覆盖量下对土壤团聚体的影响时发现，秸秆覆盖有利于土壤团聚体的形成，能够减小分形维数，增加机械稳定团聚体的数量，提高平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）。免耕能够显著增加0～30cm土层水稳性团聚体数量，增加土壤大粒径的团聚体数量，降低团聚体分形维数（周虎等2007）。（2）不同耕作与施肥模式土壤水分特征的影响深松能够打破犁底层，促进根系的生长，增加对深层土壤水分和养份的吸收，增加作物产量（许迪等1999）。付占国等（2005）研究表明秸秆覆盖深松能够增加蓄水量，抑制蒸发，提高水分利用效率。李玲玲等（2005）研究表明，免耕覆盖可以减少作物播前土壤水分蒸发，增加播种前土壤蓄水量（AmirJetal1996），显著增大蒸腾和蒸发比，提高作物生育期的水分利用效率，增加作物产量。杜建涛等（2008）研究表明，免耕覆盖在干旱年水分利用效率最好，而在降水较多年型不显著。许迪等（1999）研究表明，深松在平水年减少贮水量11.9%，枯水年增加土壤贮水量10.5%，免耕在干旱年和正常年均增加土壤贮水量7.1%，15.4%，在干旱年增加更显著。黄高宝等（2006）研究表明，秸秆覆盖免耕在干旱年型较丰水年型增加蓄水量更加突出。孙敏等（2014）研究表明，在枯水年休闲期采取深翻耕处理的水分利用效率较高，在丰水年休闲期采取深松处理的水分利用效率较高。（3）不同耕作与施肥模式对土壤肥力的影响 第六章讨论与结论35保护性耕能够为土壤微生物和动物创造适宜生态环境，为土壤表层微生物增殖提供了碳源，改善土壤微生物生产的生态因素，增加微生物数量，加速对秸秆和土壤中动物植物残体的腐解（高云超等1994；高明等2004），同时可以提高土壤酶活性，促进秸秆分解，从而提高土壤中养分含量（RoldanA等2003；张洁等2011）。秸秆覆盖免耕较秸秆还田翻耕土壤0～20cm土层有机质含量高15.61%，全氮和全磷含量高24.0%、8.5%，生育期速效氮和速效磷的含量高17.8%、26.62%，秸秆覆盖较翻埋还田更容易被还田（朱文珊等1988；孙利军等2007）。赵如浪等（2010）研究表明，保护性耕作能够显著增加土壤表层中有机质含量，提高碱解氮、速效磷、速效钾含量，且随着土层加深含量逐渐减少，表现出表层富集的特点。张玉玲等（2009）研究表明，深松能够增加0～40cm土层有机质含量，提高0～20cm土层碱解氮含量，显著增加0～10cm土层土壤有效钾含量和10～30cm土层土壤有效磷含量。秸秆还田与化肥配施能够增加土壤产量，提高氮肥的利用效率（张丽华等2011）。（4）关于旱作农田土壤水肥耦合和“以肥调水”效应高亚军等（2006）研究表明，在供肥不足情况下，水分的增产效应会受到显著的限制，水分胁迫下供肥多少都会导致减产，但是在轻度和中度干旱胁迫下，充足的供肥可以减小干旱对产量带来的影响。李生秀等（1994）研究表明，以肥促水的作用机理就是通过施肥促进作物根系的生长，增加根系对水分的吸收，而水分的吸收同时会增加对养分的吸收和转运，这种转运主要向着经济产量方向，从而达到增加作物经济产量的目的。金轲等（1995）研究表明，在欠水年通过合理的氮磷配比，通过水肥之间的耦合效应，也能获得理想的产量；在丰水年要“量水施肥”，增加施肥量，协调好水肥之间的关系；氮在丰水年的增产效果较好，磷在欠水年对作物的作用较好，磷提高了根系水势，促进对氮的吸收。基肥和秸秆还田与氮肥配施可以显著提高氮肥利用效率，氮磷不配施或者配施配比例不当导致作物减量和肥料利用效率低下（张洁等2008）。（5）不同耕作与施肥模式对春玉米产量、水分利用效率和经济效益的影响方日尧等（2003）研究表明，深松高留茬覆盖和免耕高留茬覆盖增加土壤蓄水量，提高水分利用效率，分别较传统耕作增产34.9%、37.5%，增收1480.3元·hm-2、1604.5元·hm-2。秸秆覆盖深松和秸秆覆盖免耕较传统耕作方式，虽然增加了除草剂等费用投入，但是减少了劳动力投入，增产增收优势明显（张洁等2008）。李洪文等（2000）研究表明，保护性耕作较传统耕作增加了除草剂和机械费的投入，减少了人畜力的投入，在计算人工投入后，传统耕作成本较保护性耕作高，保护性耕作同时较传统耕作增加了作物产量，提高了产投比，缩短了机械投入的回收期，对北方旱区以人畜力为主的传统农业生产区域较适宜。6.2结论（1）不同耕作与施肥模式对土壤物理性状和水分的影响 36渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究3种不同耕作与施肥模式对土壤容重和孔隙度具有一定的影响，2年的试验结果显示不同的耕作模式下，创新模式和现有模式能够显著降低0～40cm土层土壤容重，增加土壤孔隙度，在40～60cm土层表现不明显。创新模式和现有模式对于提高田间持水量和饱和含水量效果较好，2013年平均田间持水量和饱和含水量较连续翻耕处理分别提高10.2%和8.9%，2014年分别提高11.7%和7.6%。2014年休闲期末创新模式和现有模式较传统模式分别增加贮水量16.7和15.3mm；2年玉米生育时期创新模式和现有模式较传统模式平均增加土壤贮水量23.3和18.1mm。（2）不同耕作与施肥模式对土壤肥力的影响本研究表明，“深松+平衡施肥”创新模式与“免耕+高肥”现有模式增加了土壤0～60cm土层有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的含量，尤其以0～20cm土层表现显著，但在两个试验年份结果并不完全一致。2013年除速效钾含量低于“深松+平衡施肥”创新模式外，“免耕+高肥”现有模式其余指标均高于“深松+平衡施肥”创新模式；2014年“深松+平衡施肥”创新模式增加了土壤中碱解氮、速效磷和速效钾含量，较“翻耕+低肥”传统农户模式明显增加，且与“翻耕+低肥”传统农户模式差异显著。本研究中平衡施肥创新模式、高肥现有模式和低肥的农户传统模式3种不同施肥模式，利用以肥促水的作用，培肥地力，2年均显著提高N、P养分利用效率。（3）不同耕作与施肥模式对春玉米农艺性状的影响2年各模式下“深松+平衡施肥”创新模式较“免耕+高肥”现有模式和“翻耕+低肥”传统模式促进产量构成因素：穗数、穗粒数和千粒重等的增加，表现出高于其他两种模式，促进2年的产量增加，2年3种模式下平均产量：创新模式＞现有模式＞传统模式。（4）不同耕作与施肥模式对春玉米的产量、WUE和纯收益的影响由于2013年与2014年属于两个不同的降水年型，因此对两年的产量造成差异很大。2013年在不同模式下产量创新模式最高，现有模式次之，农户模式最低；无肥对照区表现与施肥区相同。2014年产量表现为创新模式＞现有模式＞传统模式，无肥对照区表现与施肥区相同。通过两年的试验，创新模式较农户模式显著增加春玉米产量。“深松+平衡施肥”创新模式较“翻耕+低肥”传统模式2年平均增加产量11.23%，土壤水分利用效率提高12.3%。“深松+平衡施肥”创新模式虽然在机械费用和化肥投入上有所增加，但是减少了劳动力的投入，“深松+平衡施肥”创新模式仍有具有较强增收潜力。纯收益表现为“免耕+高肥”现有模式最高，“深松+平衡施肥”创新模式次之，“翻耕+低肥”传统农户模式最低；“免耕+高肥”现有模式减少了机械投入，增加了产量，最终表现为纯收益最高。2013年“深松+平衡施肥”创新模式较“翻耕+低肥”传统农户模式不增收，“免耕+高肥”现有模式较“翻耕+低肥”传统农户模式增收6.6%，2014年“深松+平衡施肥”创新模式和“免耕+高肥”现有模式较“翻耕+低肥”传统农户模式增收18.7%、15.9%。2年试验表明，“深松+平衡施肥”创新模式和“免耕+高肥”现有模式显著增加了土壤中有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量，且“深松+平衡施肥”创新模式较“翻耕+低肥” 第六章讨论与结论37传统模式增产11.23%，水分利用效率12.3%，“免耕+高肥”现有模式较“翻耕+低肥”传统模式平均增产8%、提高土壤水分利用效率9%。综合考虑，“深松+平衡施肥”创新模式较“免耕+高肥”现有模式好，是适合渭北旱塬区培肥地力，增产增收的生产模式。 38渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究参考文献鲍士旦.2000.土壤农化分析.北京:中国农业出版社:30～34丁昆仑,M.J.Hann.2000.耕作措施对土壤特性及作物产量的影响.农业工程学报,16(03):28～31杜建涛,何文清,VinayNangia,等.2008.北方旱区保护性耕作对农田土壤水分的影响.农业工程学报,24(11):25～29付国占,李潮海,王俊忠,等.2005.残茬覆盖与耕作方式对土壤性状及夏玉米水分利用效率的影响.农业工程学报,21(01):52～56方日尧,同延安,赵二龙,等.2003.渭北旱塬不同保护性耕作方式水肥增产效应研究.干旱地区农业研究,21(1):54～57方日尧,同延安,梁东丽.2004.渭北旱塬不同覆盖对冬小麦生产综合效应研究.农业工程学报,20(01):72～75逄蕾,黄高宝.2006.不同耕作措施对旱地土壤有机碳转化的影响.土壤通报,20(03):110～113高焕文,李问盈,李洪文.2003.中国特色保护性耕作技术.农业工程学保,19(3):1~4高焕文,李问盈,李问盈.2008.中国特色保护性耕作技术.农业机械学保,39(9):1~6高焕文.2011.中国保护性耕作制.北京:中国农业大学出版社,1~103高建华,张承中.2012.不同保护性耕作措施对黄土高原旱作农田土壤物理结构的影响.干旱地区农业研究,28(04):192～196高明,周保同,魏朝富.2004.不同耕作方式对稻田土壤动物、微生物及酶活性的影响研究.应用生态学报,15(07):1777～1778高茂盛,范建忠,吴清丽,等.2012.全球气候变化背景下渭北旱塬气候变化及气候生产力研究.干旱地区农业研究,30(04):178～183高亚军,李生秀,田霄鸿,等.2006.不同供肥条件下水分分配对旱地玉米产量的影响.作物学报,23(06):415～422高云超,朱文珊,陈文新.1994.秸秆覆盖免耕土壤微生物生物量与养分转化量的研究.中国农业科学,27(06):41～49高旺盛.2007.论保护性耕作技术的基本原理与发展趋势.中国农业科学,40(12):2702～2708高旺盛,张海林.2006.我国保护性耕作制发展性状与趋势.中国农学会学术年会，367～370宫秀杰,钱春荣,于洋,等.2009.深松免耕技术对土壤物理性状及玉米产量的影响.玉米科学,17(5):134～137郭晓霞,刘景辉,张星杰,等.2010.免耕对土壤物理性质及作物产量的影响.干旱地区农业研究,28(05):38～42何进,李洪文,高焕文.2006中国北方保护性耕作条件下深松效应与经济效益研究.农业工程学报,22(10):62～67黄高宝,郭清毅,张仁陟,等.2006.双序列轮作体系的水分动态及产量效应.生态学报,26(04):1179～1185黄明,吴金芝,李友军.2009.不同耕作方式对旱作区冬小麦生产和产量的影响.农业工程学报,25(1):50-54.黄绍敏,宝德俊,皇甫湘荣.2006.长期定为施肥对玉米肥料利用率影响的研究.玉米科 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致谢43致谢时光飞逝，很快3年的研究生生活就要结束了，还没有来得及细细欣赏这美丽校园的景色，今天我们却将要离去，心中浮现出无限的感慨。我于2012年考入西北农林科技大学农学院，师从李军教授，他严格的学风，像慈父一样指导学生，给我留下来深刻的印象。他从我的试验设计，试验开题到实施，做了大量的工作，为我的开题报告，论文发表，毕业论文撰写，都进行了逐字逐句的修改，即使使用错误的标点符号都进行了指正，在这临别之际，想对老师表达感激之情，向您在这3年里的尊尊教导表示衷心的感谢，谢谢您！在每个人的一生中总有几个是自己终身难忘的人，老师您就是我生命中的一位。同时要感谢柏炜霞、王丽师姐在田间试验和室内试验方面给予我的指导和帮助，感谢我的同门周婷婷、张玉娇、郭正，感谢贺佳和刘冰峰师兄，感谢王淑兰、陈宁宁和吕薇师妹，王浩和徐宗贵师弟，本科生柳斐和武鹏飞，谢谢你们给予我学习、生活、试验等方面的帮助和支持。还要感谢合阳县甘井镇为我试验辛苦工作的张发财、张俊学等人，在这里一并表示感谢。最后还要感谢我的家人，是他们默默的支持，使我在学校安心完成学业，在我每次想起他们的时候，我就有了继续走下去的信心和勇气。司政邦2015年5月于杨凌 44渭北旱塬春玉米田不同耕作与施肥模式的蓄水保墒与增产效应研究作者简介司政邦，男，1985年出生，甘肃省武威市天祝藏族自治县人，2012年考取西北农林科技大学农学院学术型硕士研究生，师从李军教授，主要从事高效耕作制度研究，硕士其间参与公益性行业（农业）科研专项经费项目“黄土高原雨养农田水分高效利用技术研究与示范”（201303104）；国家“863”项目课题“作物生境过程光能利用调控技术”（2013AA102902）；国家自然科学基金项目（31071374）等课题部分工作。硕士在读期间发表学术论文：[1]司政邦,李军,周婷婷.耕作与施肥模式对渭北旱塬春玉米田蓄水保墒与玉米产量的影响.干旱地区农业,2015（待刊）[2]司政邦,李军,周婷婷.耕作与施肥模式对渭北旱塬春玉田土壤肥力和产量的影响.西北农业学报,2015（待刊）[3]周婷婷,李军,司政邦.种植密度与品种类型对渭北旱地春玉米光能利用和产量的影响.西北农林科技大学学报,2015（待刊）