全 文 ：第 26卷第4期
2006年4月
生 态 学 报
ACTA ECOL0GICA SINICA
Vo1．26．No．4
Apr．，2006
保护性耕作条件下旱地农田麦．豆双序列
轮作体系的水分动态及产量效应
黄高宝 ，郭清毅 ，张仁陟 ，逢 蕾 ，Guangdi LI ，Kwong Yin CHAN ，于爱忠
(1．甘肃农业大学农学院。甘肃 兰州 730070；2．甘肃农业大学资源环境学院，甘肃 兰州 730070；
3．NSW Department of Primary Industry，Wagga Wagga。NSW 2650，Australia；4．NSW Department of Primary Industry，Richmond。NSW 2753。Australia)
摘要：保护性耕作(conservation tilage)能够减少水土流失、提高耕地产量，是一类具有生态保护意义的持续性农业耕作形式。
2002年至2004年在定西旱地农业地区进行了保护性耕作条件下旱地农 田春小麦一豌豆双序列轮作土壤水分动态及产量效应的
试验研究 ，结果表明：保护性耕作能够显著改善0 200 cm土层土壤贮水量及含水量 ，随着降水量的增多土壤对降水的保蓄能
力增强。在降水较少年份免耕秸秆覆盖的这种作用表现突出，而在降水充沛的年份免耕地膜覆盖则更具优势。耕层土壤水分
因受降水等因素的影响而变化剧烈，耕层 以下土壤水分变幅相对较小。播种期、五叶期及收获期土壤具有较高含水量 ，而开花
期土壤含水量则较低。在两种轮作体系中，播种期春小麦和豌豆免耕秸秆覆盖处理 0—50 cm土层含水量分别较常规耕作增加
28％、26％和 11％、23％，降水生产效率较常规耕作提高了 17．79％一26．81％。在春小麦 豌豆轮作体系中免耕秸秆覆盖处理的
作物产量(春小麦 +豌豆)及水分利用效率分别为3 420 kg／bm 和8．11 kg／(bm ·mil1)，较常规耕作分别提高26．81％和25．39％。
关键词：保护性耕作；旱地；双序列轮作 ；水分动态；水分利用效率(WUE)
文章编号：1000-0933(2oo6)o4—1176 10 中图分类号：$152．7；$157．4+2 文献标识码：A
Efects of conservation tilage on soil moisture and crop yield in a phased rotation
system with spring wheat and field pea in dryland
HUANG Gao—Bao ，GUO Qing．Yi’，ZHANG Ren．Zhi ，PANG Lei ，Guangdi LI ，Kwong Yin CHAN ，YU Ai—Zhong (1．
Faculty of Agronomy，Gansu Agricultural University，Gansu，Lanzhou 730070，China；2．Faculty of Resource and Environment，Gansu Agricultural University，
C-artsu，Lanzhou 730070，China；3．NSW Department of Primary Industry，Wagga Wagga，NSW 2650，Australia；4． D~actment of Industry，
Richmond ，NSW 2753，Australia)．Actagcologlca Sinica，20O6，26(4)：1176—1185．
Abstract；Conservation tilage can reduce water and soil erosion and improve crop yields．it is a kind of sustainable farming system
which is beneficial for the environment．Effects of conservation tillage on soil water dynamic and crop yield in a phased rotation
systems with spring wheat and field pea were studied in dryland in the middle of the Loess Plateau，Dingxi，Gansu from 2002 to
2004．Results showed that conservation tillage increased soil water storage and soil moisture in 0—200 am depth as the rainfall
increased．This efect was more obvious on no-tillage with straw cover in the drier years，and on no—tilage with plastic mulch in
the deep depth．The soil moisture at top soil varied greatly with precipitation and other climatic factors，whereas soil moisture in
the deep soil was rather stable．Soil moisture was higher at seeding stage，5-leave stage and harvesting，but lower at anthesis．In
the current rotation system，soil moisture content of 0—50 am was 28％ 、26％ and 11％ 、23％ higher on no—tilage with straw
基金项目 ：澳大利亚 国际农业研究 中心(ACIAR)合作项 目(SMCN(LWR2)／1999／094)
收稿日期 ：2005—01—17；修订日期：2005 10 17
作者简介：黄高宝(1965～)，男，甘肃天水人，教授，主要从事多熟种植、耕作制度、水肥高效利用和宏观农业教学及研究．E-mail：Huanggb@gsau．
edu．el
Foundation ilem：Th project was financially supponed by ACIAR“Improving the productivity and sustainability rainfed farming systems for the western Loes
Plateau of Gausu Province”(SMCN(LWR)2l19991094)
Received date：2005一仇一17；Accepted date：2005—10-17
Biography：HUANG Gao-Bao，Professor，mainly engaged in the multiple cropping，farming system，high using efficiency of water and fertilizer and macro—
ag culture．E—mail：Huanggb@gsau．edu．cn
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4期 黄高宝 等：保护性耕作条件下旱地农田麦．豆双序列轮作体系的水分动态及产量效应
cover than conventional tilage for spring wheat and field pea respectively．As the result，the precipitation productive efficiency on
no-tillage with straw cover increased by 17．79％ 一26．8 1％ compared with conventional tillage．In the current spring wheat and
field pea rotation system，the combined crop yields reached 3 420 kg／hm2 and water use efficiency 8
．1 1 kg／(hrn2·mm)on the no．
tilage with straw cover treatment，which was 26．8 1％ and 25．39％ higher than conventional tillage treatment，respectively．
Key words：conservation tilage；dryland；spring wheat；field pea；soil moisture；water use efficiency
生态环境警钟的敲响使保护性耕作(conservation tilage)¨ 越¨来越受到国内外学者的重视。免耕作为低
耗持续农业生产和保护性耕作的一项重要手段，其作用逐渐扩大[8 。J ；免耕和秸秆覆盖对土壤理化性质、微
生物区系及生态环境的影响等方面都有不少报道 ’“ ；秸秆还田在提高土壤肥力，增加作物产量等方面已
被许多研究所证实 ；李全圣等 认为，下垫面性状对农林系统微生态环境有较大的影响，因此小麦．
豌豆免耕、轮作和秸秆还田、秸秆覆盖是一类新型的耕作栽培方式，它们能有效的改变农田的下垫面，以维护
土壤结构的稳定性 ，减少土壤侵蚀 ，增产节支。
位于甘肃省中部的定西旱地农业区，降水量偏少，水分成为制约农业发展的限制因子。该区多年平均降
水量390．99 mm，雨季降水量大而集中，整个冬季和春季干旱少雨。年降水的60％～75％集中于6～9月份，
农作物播种期和幼苗生长期的3～5月份降水量只占全年降水的 18％～26％，降水与作物生长严重错位。长
期以来，传统的土壤耕作技术力求纳秋水、抗春旱，但由于休闲期土地裸露、蒸发强烈，传统耕作方式使 80％
以上的耕地土壤水分和养分无效损失加重，导致土壤退化严重 】，成为旱地农业生产中的一大难题。为了
农业的可持续发展和水土保持的需要，本试验以保持土壤水分、减少水土流失及解决降水与作物生育期错位
为出发点，针对传统耕作方式所存在的问题，重点研究保护性耕作对早地农田春小麦和豌豆双序列轮作土壤
水分动态及产量的影响，以期探索出一种提高旱地土壤保水能力和减少水土流失的方法与途径，改善 日益恶
化的生态环境，实现粮食生产的可持续发展，达到经济效益、社会效益和生态效益的协调统一。
1 材料与方法
1．1 试验地概况
本试验于 2002年 3月 ～2004年4月在甘肃省定西县李家堡乡进行。李家堡位于甘肃省中部偏南，属中
温带半干旱区。海拔2000m，年均太阳辐射 141．6×1．48kJcm ，日照时数 2476．6h，年均气温 6．4℃，≥O~C积温
2933．5℃，≥IO~C积温2239．1℃，无霜期 140d。多年平均降雨量 390．99mm，年蒸发量 1531mm，干燥度 2．53，为
典型的半干旱雨养农业区。试验地土壤为黄绵土，土壤容重 1．19g／cm ，pH值 8．36，土壤有机质 12．01g／kg，全
氮 0．76g／kg，全磷 1．77g／kg。试验地前茬作物均为春小麦。2002年度春小麦生育期降水218．8mm，豌豆生育期
降水 167．0mm；2003年度春小麦生育期降水 298．4mm；豌豆生育期降水 175．9mm。
1．2 试验设计与方法
试验采用春小麦和豌豆双序列轮作方式(W／P和 P／W)。共设 6个处理，4次重复：①传统耕作(T)，试验
地在前茬收获后三耕两耱。②免耕(NT)，整个试验阶段免耕。③免耕秸秆覆盖 (NTS)：整个试验期免耕。从
8月至翌年 3月地面覆盖前茬作物秸秆，前茬作物收获的所有秸秆脱粒后立即还原小区。④秸秆还田(TS)，
试验地耕耱同T(三耕两耱)，但在第一次耕作的同时将秸秆翻人。前茬作物收获的所有秸秆脱粒后立即还原
小区，并随耕作翻人土壤。⑤传统耕作覆盖地膜(TP)，试验地耕耱同T(三耕两耱)，但在 10月份最后一次耱
后覆盖塑料地膜。膜侧种植作物，宽窄行种植。⑥免耕覆盖地膜(NTP)，整个试验阶段免耕。l0月份用覆膜
机覆膜(同 TP)。
试验采用随机区组排列，试验地小区的面积为 20m×4m，供试作物为春小麦(定西 35号，播种量 187．5
kg／hm2)和豌豆(绿豌豆，播种量 180kg／hm2)。春小麦各处理均施纯氮 105kg／hm2，纯 P205 105kg／hm2(Au+二
铵)；豌豆各处理均施纯氮 20kg／hm2，纯 P2O 105kg／hm2(过磷酸钙 +二铵)，所有肥料均作为基肥在播种的同时
施入。T、NT、NTS、TS用中国农业大学研制的免耕播种机播种；TP、NTP用当地的起垄覆膜膜侧播种机播种，宽
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窄行种植。覆盖所用秸秆为当年的春小麦及豌豆秸秆，收获打碾后切碎(5cm左右)均匀还与各自的小区。收
获时取样 20株进行考种，各小区除去边行 0．5m后单打单收，并以各小区打碾产量为准折算公顷产量。
1．3 试验测定及方法
试验期间每隔 15d测定 1次土壤水分。其中0～10cm用烘干法测定，10cm以下用中子水分仪测定。共9
层：依次为 0—5cm，5～10cm，10～30cm，30—50cm，50～80cm，80～110cm，110～140cm，140—170cm，170—
200cm。同时测定田间最大持水量(Drainage Upper Limit，DUL)及作物有效水分下限(Crop Lower Limit，CLL)①。
中子仪的读数最后矫正成体积含水量。矫正曲线：
Y10 =63．226x+3．7518(R =0．754)
y40．20o。 =58．923x一0，4483(R =0．7666)
2 结果与分析 160
+
① CLL是对土壤和作物特性的反映，是一种作物在特定土壤上吸水能力的一种极限，与调萎湿度有很大的区别，它更客观、更准确地反映一种
作物在特点土壤上吸水的能力和状况
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4期 黄高宝 等：保护性耕作条件下旱地农田麦．豆双序列轮作体系的水分动态及产量效应 1179
— ．_-T —口_-NTS — NT —．--TS —．_-TP — NTP
2001-08-22 2001—12一O1 2002-04-19 2002．08—17 2002—12—15 2003．04 ．14 2003．O8．12 2003．12—10 2004-04 04
2001—10—21 2002—02—18 2002-06-18 2002—10—16 2003—02—13 2003，06．13 2003．10．11 2004—02—04
日期 Dat~
图2 春小麦．豌豆轮作体系各处理0—200em土壤贮水量动态变化(O2．3．17—04．3．15)
Fig．2 Water storage from 0 to 200 em soil profiles of rotation with spring wheat and field pea systems in Dingxi(02．3．17—04．3．15)
4o0
38O
36O
g
旦 340
∞
320
塞3。
280
260
240
220
— T — NTS — NT —+_TS —-__TP —．广_NTP
2001-08-22 2001—12一O1 2o02—04—19 20O2，08 17 2002．12．15 2003．04．14 2003一O8一l2 2003—12—10 2004—04—04
200l—l0—2l 2o02一O2一l8 2OO2一O6一l8 2o02-lO-l6 2003-O2-13 2003．O6．13 2003—10一ll 2o04_02—04
日期Date
图 3 豌豆一春小麦轮作体系各处理0 200era土壤贮水量动态变化(02．3．31—04．4 4)
Fig．3 Water storage from 0 to 200 cm soil profiles of rotation with field pea and spring wheat systems in Dingxi(02．3 31—04．4．4)
层根系的主要分布层，土壤水分变化主要受作物的影响，变幅相对较小，主要是调节上下土层水分的变化，是
土壤水分消耗与蓄积的源和库。120—200cm土层基本不受作物和气象因素的影响，相对比较稳定。土壤水
分有季节变化，但没有明显的干湿期，其调节作用主要表现在土壤含水量最高时期和最低时期。总体来说土
壤表层含水量较低，耕层土壤含水量增加，耕层以下又逐渐降低并趋于稳定。休闲轮作不仅能够增加土壤蓄
水量，同时还可以提高土壤含水量，尤其是以豆科为前茬作物时，能为春小麦提供良好的土壤水分条件。因此
在西北旱农区，豌豆收获后土壤内贮存的水分较小麦地显著增加，使豌豆成为多种作物的良好前作。
不同生育时期，由于作物长势的不同，因此不同耕作措施的土壤含水量也表现出不同的变化趋势。经过
长时间的休闲之后，作物生长前期(即播种期)一般具有较高的土壤含水量，尤其是免耕秸秆覆盖能有效的保
蓄耕层土壤水分。在两个轮作体系中，无论是以春小麦还是以豌豆为前茬，免耕秸秆覆盖处理在 0—50cm土
层均表现出了较高的含水量。W／P轮作体系中春小麦 NTS处理 0—50cm土层含水量为 19．36％，较常规耕作
增加28％，与其他处理之间差异极显著(SSao。)。各处理含水量排列顺序为：NTS>TP>TS>NTP>T>NT。
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袭 1 春小麦．豌豆轮作体系不同生育时期各处理土壤含水量变化情况(V％)
Table1 Soilmoisturein 2O0 em soil profile ofrotation system witII springWheat andfield pea at diferent bearing stage under diferenttreatments
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4期
50—8O
80—110
l10—140
l4O一170
170—20o
5％
黄高宝 等：保护性耕作条件下早地农田麦．豆双序列轮作体系的水分动态及产量效应 l18l
裹 2 豌豆-謇小麦轮作体系不同生育时期各处理土壤含水量变化情况(v％)
l3．57 14．85 l3．16 l3．67 l2
．6o l3．16 in 2003
13．64
14．79
l6．05
l5．O3 l5．59 l6．4l 16．04 15．O1
a a a a a
14．13
14．80
15．74
a
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ll82 生 态 学 报 26卷
豌豆 NTS处理0～50cm土层含水量为 18．13％，较常规耕作增加26％，与其他处理之间差异显著(ssRo．∞)。各
处理含水量排列顺序为：NTS>NTP>TP>NT>T>TS。P／W轮作体系中豌豆NTS处理0—50 cm土层含水量
为21．38％，较常规耕作增加l1％，与其他处理之间差异显著(ssR0∞)。各处理含水量排列顺序为：NTS>TP>
TS>NTP>T>NT。春小麦 NTS处理 0～50 cm土层含水量为 13．92％，较常规耕作增加23％，与其他处理之间
差异不显著，含水量排列顺序为：NTS>NTP>TP>TS>NT>T。因此，在作物生长前期，秸秆覆盖能有效防止
土壤水分蒸发，使土壤具有较高含水量，为种子萌发及幼苗生长提供良好的环境条件。
随着气温的升高及作物的成长，五叶期作物蒸腾作用逐渐加强，不过由于作物仍处于苗期，自身的燕腾作
用还较弱，主要还是以土壤蒸发为主，此阶段秸秆覆盖处理的保水作用逐渐减弱。在W／P轮作体系中，春小
麦 NTP处理 0～30 cm土层含水量为 23．36％，较常规耕作增加 23％，各处理含水量排列顺序为：NTP>TP>
NTS>TS>NT>T。豌豆NTS处理 0～30 cm土层含水量为22．81％，较传统耕作增加 9％，各处理含水量排列
顺序为：NTS>rIP>NTP>TS>NT>T。P／W轮作系统豌豆 NTP处理0～30 cm土层含水量 26．96％，较常规耕
作增加 22％。各处理含水量排列顺序为：NTP>NTS>TP>NT>TS>T。春小麦播种期各处理之间禽水量排
列顺序为：TP>TS>NTP>NTS>T>NT。
开花期随着温度的升高，地表蒸发、作物蒸腾强度随之增加，作物根系对水分的利用也有很大的影响。免
耕覆盖处理的春小麦与豌豆 0～10 cm土层含水量迅速增加，这与测定前期的降水有很大关系，而且充分说明
免耕覆盖具有抑制蒸发及蓄水保墒的作用。这是由于免耕减少了对土壤结构的破坏，同时地表覆盖加大了土
壤热梯度差，使土壤深层水分不断上移，并在上层集积，使土壤耕层含水量明显增加。
至收获期，各作物均已收获，作物对水分的利用减弱，土壤表层含水量有所回升。W／P轮作体系春小麦
NTS处理 0～10 cm土层含水量为23．22％，较常规耕作增加 39％，各处理含水量排列顺序为：NTS>NTP>NT
>T>TP>TS。P／W轮作体系豌豆各处理含水量排列顺序为：NT>TP>NTP>NTS>TS>T。
总体来看，保护性耕作对水分的保蓄作用在干旱半干旱的定西地区降水较少的年份(2002年平水年)较
降水较多的年份(2003年丰水年)优势明显，尤其是在地表没有作物覆盖时免耕秸秆覆盖在表层土壤的蓄水
保墒作用更加突出。
2．4 保护性耕作条件下不同轮作体系的产量效应及降水利用情况
裹3 保护性耕作对不同轮作体系产■殛对水分利用的影响
Table 3 Efects on yield and water use of diferent rotation system under conservation tillage
*产量为轮作系统小麦与豌豆产量之和 Grain yield equal to spring wheat add field pea of rotation~stem
水分利用效率是研究作物产量、蒸腾耗水和地表蒸发之间相互消长关系的具体表现㈨。降雨是本地区
土壤水分的主要来源，若不考虑地表径流，则时段水分平衡要素包括土层贮水量变化，降水量，蒸发量，渗透量
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4期 黄高宝 等：保护性耕作条件下旱地农田麦一豆双序列轮作体系的水分动态及产量效应
(通常认为0)，通过土壤水分平衡计算，对作物水分利用效率进行研究，可以了解不同处理对土壤水分的利用
状况。
由表 3得出，无论在哪种轮作体系中，免耕秸秆覆盖的产量表现稳定，而且始终高于传统耕作。在 W／P
轮作体系中NTS产量最高达到3 420 kg／hm。，比传统耕作增产26．81％。国内外很多研究认为，免耕覆盖之所
以能够提高作物产量是因为土壤剖面土壤水分的提高 ，而且提高了土壤水分的有效性 和利用率b ，
因此为作物生长创造了一个良好的土壤环境。不同的轮作顺序也能使产量有所增加，这是因为轮作改善了土
壤理化性状 ，提高了土壤表层含水量及土壤贮水量 ，从而使作物产量及水分利用效率进一步提高。在 P／
w轮作体系中，除免耕处理外，其余处理较常规耕作均有不同程度的增产。在两个轮作序列中，免耕均没有
体现出增产的效果，这与相关报导 。 免耕能够增产的情况不太一致 ，可能是因为免耕年限较短，这种增
产作用还没有体现出来。
轮作体系中各处理的耗水量均有增加的趋势。在 W／P轮作体系中 NTS处理的水分利用效率较常规耕作
提高了25．35％，P／w轮作体系中NTP处理的水分利用效率比传统耕作提高了 23．45％。其原因是由于覆盖
减少了土壤水分的无效蒸发，增加土壤有效持水量。相关研究也表明，免耕、覆盖均能减少土壤水分蒸发，促
进植株蒸腾，使无效耗水转化为有效耗水，但耗水量并未减少；少免耕法有较好的保墒功能，在作物生长季节
可明显增加耗水量，提高农田水分的有效利用 。免耕秸秆覆盖还能有效提高对降水的利用率，Vnger等探
明，通过秸秆覆盖来提高生长期间的降水利用率从而提高高粱产量。在两种轮作体系中，免耕秸秆覆盖降水
生产效率较常规耕作提高了 17．79％～26．81％。
3 结论
保护性耕作是控制水土流失的有效措施。其中免耕秸秆覆盖能有效减少土壤蒸发、增加土壤的有效持水
量，提高作物产量、水分利用效率及降水利用率。
(1)休闲轮作能够改善土壤水分，随着降水量的增多土壤对降水的保蓄能力增强。经过两季休闲轮作，
T，NTS，NT，TS，TP，NTP各处理土壤贮水量分别增加 51．87 mm一54．47 mm、53．40 mm一84．90 mm、30．78 mm～
47．65 mm、15．85 mm 57．25 mm、55．61 mm～62．49 mm、63．34 mm～75．70 mm。免耕秸秆覆盖在降水较少的年
份(2002年)更有利于保蓄土壤水分。
(2)0～40 cm耕层土壤水分受降水、气温、蒸散、土壤耕作、覆盖等因素及部分作物根系的影响明显，土壤
水分变化剧烈。40～120 cm是作物根系及深层根系的主要分布层，土壤水分变幅相对较小。120～200 cm土
层基本不受作物和气象因素的影响，相对比较稳定。
(3)播种期、五叶期及收获期土壤具有较高含水量，而开花期土壤含水量则迅速下降。在两种轮作体系
中，免耕秸秆覆盖处理 0～50 cm土层在作物生长前期均表现出了较高的含水量。春小麦和豌豆 NTS处理播
种期0—50 cm土层含水量分别较常规耕作增加28％、26％和 11％、23％。
(4)在两种轮作体系中，免耕秸秆覆盖的产量表现稳定，其降水利用率较常规耕作提高了 l7．79％ ～
26．81％。在 W／P轮作体系中 NTS处理的作物产量及水分利用效率分别较常规耕作提高 26．81％和25．35％。
(5)单纯免耕的增产效果在本试验中没有体现出来，可能是因为免耕年限较短，这种增产作用还没有体现
出来。
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