全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2014, 40(10): 17971807 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家自然科学基金项目(31301261), 国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-02-19), 国家公益性行业(农业)科研专项
(201203100)和中国博士后科学基金项目(20100480853)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 李潮海, E-mail: lichaohai2005@163.com, Tel: 0371-63555629
第一作者联系方式: E-mail: zhaoyali2006@126.com, Tel: 0371-63558122
Received(收稿日期): 2014-01-14; Accepted(接受日期): 2014-07-06; Published online(网络出版日期): 2014-07-23.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20140723.1035.003.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2014.01797
耕作方式与秸秆还田对冬小麦–夏玉米轮作系统中干物质生产和水分
利用效率的影响
赵亚丽 郭海斌 薛志伟 穆心愿 李潮海*
河南农业大学农学院 / 河南粮食作物协同创新中心 / 小麦玉米作物学国家重点实验室, 河南郑州 450002
摘 要: 为探讨黄淮海地区一年两熟制下土壤耕作方式与秸秆还田相结合的适宜模式, 2010—2012 年进行了两年度
的田间试验, 研究不同处理对冬小麦–夏玉米轮作系统干物质生产和水分利用效率的影响。通过比较常规耕作+秸秆
还田、常规耕作+无秸秆还田、深耕+秸秆还田、深耕+无秸秆还田、深松+秸秆还田、深松+无秸秆还田 6个处理, 发
现深松(耕)与秸秆还田可以增加冬小麦和夏玉米的农田耗水量, 降低休闲期农田耗水量, 提高作物叶片相对含水量、
净光合速率、蒸腾速率和茎秆伤流量, 促进植株干物质积累, 进而提高作物籽粒产量和水分利用效率。耕作方式与秸
秆还田对冬小麦和夏玉米的干物质生产和水分利用效率存在显著交互作用。与常规耕作+无秸秆还田相比, 深耕+秸
秆还田和深松+秸秆还田处理的作物干物质积累量分别提高 19.3%和 22.9%, 周年作物产量分别提高 18.0%和 19.3%,
水分利用效率分别提高 15.9%和 15.1%, 且两处理无显著差异。因此认为, 与本试验相似环境条件下, 宜在秸秆还田
的基础上配合深松或深耕。
关键词: 耕作方式; 秸秆还田; 土壤耗水量; 籽粒产量; 水分利用效率
Effects of Tillage and Straw Returning on Biomass and Water Use Efficiency in
a Winter Wheat and Summer Maize Rotation System
ZHAO Ya-Li, GUO Hai-Bin, XUE Zhi-Wei, MU Xin-Yuan, and LI Chao-Hai*
College of Agronomy, Henan Agricultural University / Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops / National Key Laboratory of Wheat
and Maize Crop Science, Zhengzhou 450002, China
Abstract: Straw returning to the field has been carried out in the Huang-Huai-Hai River Plain for ten years. In a consecutive
two-year field experiment from 2010 to 2012, the effects of conventional tillage (CT), deep tillage (DT) and subsoiling (SS) on
dry matter accumulation and water use efficiency were tested in a winter wheat–summer maize rotation system for setting up a
tillage practice suitable for straw returning. The results were obtained from the comparison among six treatments, including
CT+AS (all straw returning), CT+NS (no straw returning), DT+AS, DT+NS, SS+AS, and SS+NS. Under straw returning condi-
tion, either DT or SS practice increased water consumption amount during winter wheat or summer maize growth period but de-
creased it during fallow period. In addition, relative water content, net photosynthetic rate (Pn), transpiration rate (Tr) of leaf, and
bleeding sap in stalk were also increased in both crops, leading to more biomass and higher water use efficiency together with
increased grain yields in winter wheat and summer maize seasons. The effects of interactions between soil tillage (DT or SS) and
straw returning on dry matter accumulation and water use efficiency were significant in both crops. Compared with conventional
tillage under no straw returning, DT and SS under straw retuning resulted in increased dry matter accumulation (by 19.3% and
22.9%, respectively), annual crop yield (by 18.0% and 19.3%, respectively), and water use efficiency (by 15.9% and 15.1%, re-
spectively). The difference of the effect between DT and SS under straw returning was not significant. Therefore, we recommend
DT or SS practice in straw returning field under the environment similar to that of this experiment.
Keywords: Tillage; Straw returning; Soil water consumption; Grain yield; Water use efficiency
1798 作 物 学 报 第 40卷


黄淮海平原的粮食产量占中国粮食总产量的三
分之一, 对保障国家粮食安全举足轻重[1]。黄淮海地
区属于大陆性季风气候, 年均降水量为 500~700 mm,
其中 60%~70%集中在 6月至 8月, 降水分布不均导
致夏玉米易涝、冬小麦易旱[2-3]。该区长期进行土壤
浅耕和焚烧作物秸秆, 不仅污染环境, 还造成土壤
紧实、耕层变浅、地表裸露, 土壤蓄水保墒能力降
低, 严重影响粮食稳产和高产[4-6]。在夏玉米收获后、
冬小麦整地播种前有半个月左右的休闲期, 其间土
壤水分散失严重, 直接影响冬小麦播种时的墒情。
因此, 通过农事操作提高土壤蓄水能力和水分利用
效率, 对黄淮海地区粮食生产具有重要意义。研究表
明, 深耕和深松均能降低土壤紧容重, 疏松土壤[7-8],
改善土壤的渗透性能, 提高雨水资源利用率[9-11]; 提
高小麦旗叶光合速率, 延缓叶片衰老, 增加光合产
物的积累, 进而有利于产量的增加[12-14]。此外, 秸秆
还田可以提高土壤水分含量, 减少地表径流和棵间
蒸发[15-16], 提高水分利用效率, 增加作物干物质积
累和籽粒产量 [17-18]。深松+秸秆覆盖可有效延缓植
株衰老, 增加光合面积, 提高叶片光合速率 [19], 增
加光合产物的积累及向籽粒的分配, 显著提高作物
的产量 [20-21], 使深松和秸秆覆盖的优势得到最充
分的发挥[22]。不同耕作模式下, 作物耗水特性、生
长发育以及产量的变化和比较已有很多报道, 但主
要在单一耕作方式或单一秸秆处理方式下对单季
作物开展试验, 很少涉及秸秆还田基础上耕作方式
对作物干物质生产和水分利用效率的影响, 以及对
复种条件下周年作物生产的影响。本试验采用土壤
耕作方式与秸秆还田相结合的模式 , 研究冬小麦–
夏玉米一年两熟农田的周年耗水量、叶片耗水特
性、干物质积累和产量形成, 分析不同耕作方式和
秸秆还田对冬小麦–夏玉米干物质生产和水分利用
效率的影响, 为优化黄淮海地区的耕作方式提供理
论依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验在河南省温县赵堡试验站(34°57′N, 113°09′E)
进行, 该区地处豫北平原西部, 属暖温带大陆性季风
气候, 无霜期 210 d, 近 10年平均气温 14.3 , ℃ 日照时
数 2300 h, 降水量 552.4 mm。试验期间的月平均气温
和降水量见图 1。试验地土壤为粉质黏壤土(沙粒∶粉
粒∶黏粒= 17 64 19), 0~20 cm∶ ∶ 土层, 土壤容重为
1.31 g cm–3, 含有机质 9.17 g kg–1、全氮 1.042 g kg–1、
速效氮 86.50 mg kg–1、速效磷 27.59 mg kg–1、速效钾
115.24 mg kg–1。试验前该地块已连续多年种植冬小麦
和夏玉米, 并长期进行土壤常规浅耕; 作物收获后,
秸秆焚烧或移除试验地, 未实施秸秆还田。

图 1 试验期间的月平均气温和月降水量
Fig. 1 Average temperature and precipitation during experimental period
数据来自河南省温县气象局。
Data were provided by the Meteorological Bureau of Wenxian county, Henan province, China

1.2 田间设计
采用裂区设计, 主因素为耕作方式, 设常规耕
作(CT)、深耕(DT)和深松(SS) 3个水平; 副因素为秸
秆处理方式 , 设秸秆全量还田 (AS)和秸秆不还田
(NS)2 个水平。共设 6 个处理, 分别是常规耕作+秸
秆还田(CT+AS)、常规耕作+无秸秆还田(CT+NS)、
深耕 +秸秆还田 (DT+AS)、深耕 +无秸秆还田
(DT+NS)、深松+秸秆还田(SS+AS)、深松+无秸秆还
田(SS+NS)。小区位置和面积固定, 3 次重复, 共 18
个小区。小区面积为 4.8 m × 10.0 m, 四周用土工膜
隔开, 土工膜埋深 3 m。
休闲期结束后 (冬小麦播种前 )进行土壤耕作 ,
第 10期 赵亚丽等: 耕作方式与秸秆还田对冬小麦–夏玉米轮作系统中干物质生产和水分利用效率的影响 1799


CT和 DT均采用铧式犁(东方红 1LF-435翻转犁, 中
国一拖集团有限公司, 河南洛阳)翻耕 1 遍, 作业深
度为分别为 15 cm和 30 cm; SS处理采用振动式深松
机(ISZ-460 型振动深松施肥机, 中国农业大学与河
北固安京泉联合研制, 河北固安)深松 1 遍, 作业深
度为 30 cm; 之后, 3种耕作方式均耙地 2遍, 无其他
整地作业。AS处理为两季作物秸秆全量还田, 夏玉
米成熟后, 机械化收获的同时将秸秆粉碎至 5 cm左
右还田, 然后按照当地惯例实行休闲, 冬小麦播种
前结合土壤耕作将秸秆混入土壤 ; 冬小麦成熟后 ,
机械化收获的同时将冬小麦秸秆粉碎并覆盖地表 ,
贴茬播种夏玉米。各小区的秸秆还田量相同, 分别
为小麦秸秆 6800 kg hm–2, 玉米秸秆 9300 kg hm–2。
NS处理为作物成熟收获后, 将秸秆全部移出田外。
玉米品种为郑单958, 种植密度67 500 株 hm–2,
行距60 cm; 小麦品种为花培6号, 基本苗225×104株
hm–2。2010—2011年度, 冬小麦2010年10月16日播
种, 2011年6月10日收获; 夏玉米6月12日播种, 10月
1日收获; 10月2日至16日休闲15 d。2011—2012年度,
冬小麦2011年10月18日播种, 2012年6月12日收获;
夏玉米6月14日播种, 10月2日收获; 10月3日至17日
休闲15 d。
夏玉米生长季施纯氮 270 kg hm–2、P2O5 135 kg
hm–2、K2O 135 kg hm–2, 冬小麦生长季施纯氮 240
kg hm–2、P2O5 150 kg hm–2、K2O 120 kg hm–2, 其中,
磷肥和钾肥在两季作物播前作基肥一次性施入, 氮
肥在玉米季则按 4︰6 分别在拔节期和大喇叭口期
施入, 在小麦季一半作基肥, 另一半在拔节期追施。
试验期内用水表记录灌水量。2010—2011 年度
共灌溉 3 次 , 其中小麦季 2 次(2010 年 10 月 21 日
和 2011年 4月 20日), 灌水量分别为 83.66 mm和
85.10 mm, 玉米季 1 次(2011 年 7 月 23 日), 灌水量
为 68.90 mm。2011—2012年度自然降水偏少, 共灌
溉 4次, 其中小麦季 2次(2012年 2月 11日和 5月 2
日), 灌水量为 66.85 mm和 88.82 mm, 玉米季 2次
(2012年 6月 20日和 8月 1日), 灌水量为 61.29 mm
和 66.24 mm。其他田间管理同大田生产规范。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 土壤容重 小麦成熟期, 选取每个小区 3
点, 采用环刀法测定 0~10、10~20、20~30和 30~40 cm
土层的土壤容重。
1.3.2 植株干物质重 冬小麦拔节、开花和成熟
期, 每小区选取长势均匀一致的 20 cm×50 cm面积
内的植株样品; 夏玉米拔节、开花和成熟期, 从每小
区选取长势均匀一致的 3个植株样品。105℃杀青
30 min后, 80℃烘至恒重, 测定植株干物质重。
1.3.3 叶片水分饱和亏 冬小麦拔节、开花和成
熟期、夏玉米拔节、开花和成熟期, 选每小区生长
均匀一致的 5 片叶, 从叶基部剪下, 称量初始鲜重,
之后迅速将剪口处插入清水中浸泡 5 h, 擦拭掉叶片
表面多余水分后称取饱和鲜重。于 105℃杀青 30 min,
80℃烘干至恒重, 称干重。水分饱和亏(%)=1–叶片
相对含水量[23]; 叶片相对含水量(%) = (初始鲜重–
干重) / (饱和鲜重–干重) × 100。
1.3.4 叶片净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr) 于冬小
麦开花期和夏玉米开花期, 选择晴天的 9:00 至 11:30
时段, 采用 CIRAS-1型便携式光合测定系统(英国, PP
Systems, 英国)分别测定净光合速率(Pn)和蒸腾速率
(Tr)。冬小麦测定部位为生长一致且受光方向相同的旗
叶, 夏玉米测定部位为穗位叶。每小区测定 5片叶。
1.3.5 茎秆伤流量 分别于冬小麦和夏玉米的拔
节、开花和成熟期, 在距离地面 10 cm 处剪去植株
地上部, 采用脱脂棉法测定茎秆伤流量。伤流收集
时间为当日 20:00至次日 8:00, 以脱脂棉袋重差值作
为伤流量。每小区测 3次, 取平均值。
1.3.6 产量 成熟后, 每小区冬小麦收获 1 m2, 脱
粒, 风干, 称重, 3 次重复; 每小区夏玉米收获 2 m
双行, 果穗脱粒, 风干, 称重, 3次重复。
1.4 农田耗水量和水分利用效率计算方法
采用水分平衡法计算农田耗水量, 本试验地势
平坦, 地下水埋深 4 m以下, 降水入渗深度不超过 2 m,
因此, 可视为无地表径流、渗漏和地下水补给, 则通
用公式 ETα = I + P + U + R + F ± ΔW[24]中 R (地表径
流量)、U (地下水通过毛细管作用上移补给作物水
量)、F (补给地下水量)值忽略不计, 公式简化为 ETα =
I + P ± ΔW [25], 而WUE = GY / ETα[26]。式中, ETα为农
田耗水量(mm), I为时段内灌水量(mm), P为时段内有
效降水量(mm), ΔW为时段内土壤贮水消耗量(mm):
ΔW=10
1
n
i
γiHi (θi1–θi2),
式中, i为土层编号, n为总土层数, γi为第 i层土壤干
容重(g cm–3), Hi为第 i层土壤厚度(cm), θi1和 θi2分别
为第 i 层土壤时段初和时段末的含水量, 以占干土
重的百分数表示 , 本试验中测定深度是 100 cm;
WUE为籽粒产量水分利用效率(kg hm–2 mm–1), GY
为籽粒产量(kg hm–2)。
1800 作 物 学 报 第 40卷


1.5 数据统计分析
用Microsoft Excel 2003整理数据, 用 SPSS 16.0
软件进行方差分析 (ANOVA)和处理间显著性检验
(Duncan’s); 用 SigmaPlot 12.5软件绘制图表。
2 结果与分析
2.1 方差分析
由于本研究涉及2个周年的4个作物生长季, 故
将年份作为一个区组进行联合方差分析。方差分析
结果显示, 耕作方式与秸秆还田对农田耗水量、叶
片耗水特性、茎秆伤流、籽粒产量和水分利用效率
均存在显著影响, 但秸秆还田对两季作物的农田总
耗水量影响不显著; 耕作方式与秸秆还田对多数测
定指标存在显著互作效应(表1)。因而, 选择适当的
种植模式可以达到调控作物产量和全年产出, 以及
提高水分利用效率的目的。

表 1 耕作方式、秸秆还田及其交互对农田耗水量、叶片耗水特性、茎秆伤流、籽粒产量和水分利用效率的方差分析
Table 1 MS value and probability of significance of tillage, straw management and their interaction in the global analyses of variance of
soil water consumption amount, water consumption characters of leaves, bleeding sap in stalk, grain yield, and water use efficiency
耕作方式
Tillage
秸秆还田
Straw returning
耕作方式秸秆还田
Tillage  straw returning 指标
Parameter
作物生长季
Cropping
season MS P MS P MS P
WW 206.2 <0.001 166.5 <0.001 1.4 0.879
SM 1969.4 <0.001 558.7 0.006 359.1 0.008
WW+SM 3463.1 <0.001 108.2 0.315 321.8 0.060
FP 7.8 <0.001 103.6 <0.001 2.3 <0.001
农田耗水量
SWC
WW+SM+FP 3153.8 <0.001 437.5 0.048 359.2 0.043

WW 45.1 <0.001 37.0 <0.001 6.0 <0.001 叶片水分饱和亏
WSD SM 92.2 <0.001 113.3 <0.001 7.0 0.005

WW 13.0 <0.001 23.2 <0.001 1.1 0.050 光合速率
Pn SM 56.3 <0.001 57.6 <0.001 0.7 0.047

WW 0.5 <0.001 0.5 <0.001 0.04 0.013 蒸腾速率
Tr SM 1.4 <0.001 2.0 <0.001 0.01 0.042

WW 33.6 <0.001 33.0 <0.001 3.4 0.046 茎秆伤流量
BS SM 25.9 <0.001 29.0 <0.001 0.3 0.038

WW 12.9 <0.001 5.0 <0.001 0.6 0.023 干物质积累量
DM SM 4.1 <0.001 4.0 <0.001 0.2 <0.001

WW 2.9 <0.001 7.4 <0.001 0.1 0.143
SM 2.2 <0.001 1.6 <0.001 0.4 <0.001
产量
Yield
WW+SM+FP 9.8 0.000 16.2 <0.001 0.8 0.002

WW 17.8 <0.001 59.8 <0.001 1.3 0.144
SM 6.5 <0.001 7.7 <0.001 1.2 0.020
水分利用效率
WUE
WW+SM+FP 16.0 0.000 29.0 <0.001 1.1 0.001
“生长季”列中, WW表示冬小麦生长季, SM表示夏玉米生长季, FP表示休闲期, WW+SM+FP为全年。
SWC: soil water consumption; WSD: water saturation deficient in leaf; BS: bleeding sap in stalk; DM: dry matter accumulation; WUE:
water use efficiency. In the “Season” column, WW, SM, and FP represent the winter wheat and summer maize growing seasons and fallow
period, respectively; and WW+SM+FP represents the whole year.
第 10期 赵亚丽等: 耕作方式与秸秆还田对冬小麦–夏玉米轮作系统中干物质生产和水分利用效率的影响 1801


2.2 耕作方式与秸秆还田对土壤容重的影响
深松(耕)、秸秆还田以及二者互作均可以显著降
低 20~40 cm土层的土壤容重(表 2)。深耕和深松 20~
40 cm土层的土壤容重分别比常规耕作降低 6.8%和
5.2%, 秸秆还田的土壤容重比秸秆不还田降低 2.0%,
深耕+秸秆还田和深松+秸秆还田的土壤容重分别比
常规耕作+无秸秆还田降低 8.9%和 6.9%。
2.3 耕作方式与秸秆还田对冬小麦–夏玉米农田
耗水量和叶片耗水特性的影响
2.3.1 耕作方式与秸秆还田对农田耗水量的影响
深耕和深松增加了作物生长季和周年总农田耗
水量, 却降低了休闲期农田耗水量(图2)。深松(耕)
处理作物生长季的农田耗水量比常规耕作提高 4.0%,
休闲期农田耗水量降低 2.3%。冬小麦季实施秸秆粉
碎还田, 农田耗水量增加 1.6%; 夏玉米季实施秸秆
覆盖还田, 农田耗水量降低 1.9%。几种耕作模式中,
深耕+秸秆还田农田耗水量的增幅最大。与常规耕作
+无秸秆还田处理相比, 深耕+秸秆还田的周年、作
物生长季、冬小麦和夏玉米农田耗水量分别提高
3.3%、4.2%、4.4%和 4.1%, 休闲期农田耗水量降低
7.0%。表明土壤耕作与秸秆还田可以降低休闲期无
效的农田耗水量。

表 2 不同土层深度下耕作方式与秸秆还田对土壤容重的影响
Table 2 Effects of tillage and straw returning on soil bulk density in different soil depth (g cm–3)
2010–2011 2011–2012 处理
Treatment 0–10 cm 10–20 cm 20–30 cm 30–40 cm 0–10 cm 10–20 cm 20–30 cm 30–40 cm
CT+NS 1.25 a 1.35 a 1.51 a 1.52 a 1.24 a 1.34 a 1.50 a 1.53 a
DT+NS 1.24 a 1.25 b 1.41 d 1.45 c 1.22 a 1.24 b 1.38 d 1.43 cd
SS+NS 1.24 a 1.25 b 1.44 c 1.45 c 1.23 a 1.23 b 1.40 c 1.44 c
CT+AS 1.24 a 1.33 a 1.47 b 1.49 b 1.20 a 1.34 a 1.47 b 1.51 b
DT+AS 1.22 a 1.23 b 1.37 e 1.40 e 1.19 a 1.21 b 1.36 e 1.39 e
SS+AS 1.23 a 1.24 b 1.41 d 1.43 d 1.21 a 1.22 b 1.38 d 1.42 d
耕作前, 0~10、10~20、20~30和 30~40 cm土层土壤容重分别为 1.26、1.36、1.52和 1.54 g cm–3。CT: 常规耕作; DT: 深耕; SS:
深松; AS: 秸秆全还田; NS: 无秸秆还田。数据后不同字母表示每一年度中处理间差异显著(P<0.05)。
The soil bulk densities at 0–10, 10–20, 20–30, and 30–40 cm were 1.26, 1.36, 1.52, and 1.54 g cm–3, respectively, before the study. CT:
conventional tillage; DT: deep tillage; SS: subsoiling; AS: all straw returning; NS: no straw returning. Values followed by different letters
within the same year are significantly different at P < 0.05.

图 2 耕作方式与秸秆还田对冬小麦–夏玉米系统耗水量的影响
Fig. 2 Effect of tillage and straw returning on soil water consumption amount in winter wheat–summer maize system
CT: 常规耕作; DT: 深耕; SS: 深松; AS: 秸秆全还田; NS: 无秸秆还田。WW: 冬小麦季; SM: 夏玉米季量; FP: 休闲期。柱形上不同
字母表示处理间差异显著(P<0.05)。
CT: conventional tillage; DT: deep tillage; SS: subsoiling; AS: all straw returning; NS: no straw returning. WW: winter wheat season; SM:
summer maize season; FP: fallow period. Different letters above columns indicate significant difference among treatments (P < 0.05).

2.3.2 耕作方式与秸秆还田对叶片水分饱和亏的影
响 深松(耕)和秸秆还田均显著降低了植株叶片
水分饱和亏, 且二者对夏玉米叶片水分饱和亏的影
响大于冬小麦(图 3)。夏玉米开花期, 深松(耕)的叶
片水分饱和亏比常规耕作降低 20.0%, 秸秆还田比
秸秆不还田降低 17.0%。深松(耕)与秸秆还田互作显
1802 作 物 学 报 第 40卷


著降低了两种作物的叶片水分饱和亏。深松+秸秆还
田冬小麦开花期和夏玉米开花期的叶片水分饱和亏
分别比常规耕作+无秸秆还田降低 19.2%和 32.8%。
2.3.3 耕作方式与秸秆还田对叶片 Pn的影响
深松(耕)和秸秆还田均显著增加叶片 Pn, 且对夏玉
米的影响大于对冬小麦(图 4)。深松(耕)处理夏玉米
开花期叶片 Pn比常规耕作提高 24.0%, 秸秆还田处
理比秸秆不还田处理提高 20.2%。深松(耕)与秸秆
还田互作显著增加两种作物的 Pn。与常规耕作+无
秸秆还田相比, 深松+秸秆还田开花期叶片 Pn 升高
33.3% (冬小麦)和 46.1% (夏玉米)。
2.3.4 耕作方式与秸秆还田对冬小麦–夏玉米叶片蒸
腾速率的影响 耕作方式与秸秆还田对作物叶片 Tr
的影响与 Pn相似(图 4)。深松(耕)处理夏玉米开花期叶
片 Tr比常规耕作提高 17.3%, 秸秆还田比秸秆不还田
提高 13.3%, 深松+秸秆还田比常规耕作+无秸秆还田
提高 22.6% (冬小麦)和 31.3% (夏玉米)。
2.4 耕作方式与秸秆还田对冬小麦–夏玉米植株
茎秆伤流量的影响
深松(耕)和秸秆还田均显著增加植株茎秆伤流

图 3 耕作方式与秸秆还田对冬小麦–夏玉米系统叶片水分饱和亏的影响
Fig. 3 Effects of tillage and straw returning on water saturation deficiency in leaf in winter wheat–summer maize system
CT: 常规耕作; DT: 深耕; SS: 深松; AS: 秸秆全还田; NS: 无秸秆还田。S1: 冬小麦拔节期; S2: 冬小麦开花期; S3: 夏玉米拔节期:
S4: 夏玉米开花期。柱形上不同字母表示相同生育期的叶片水分饱和亏在处理间差异显著(P<0.05)。
CT: conventional tillage; DT: deep tillage; SS: subsoiling; AS: all straw returning; NS: no straw returning. S1: jointing stage of winter wheat;
S2: anthesis stage of winter wheat; S3: jointing stage of summer maize; S4: tassel stage of summer maize. Different letters above columns
indicate significant difference of water saturation deficient in leaf among treatments (P<0.05).

图 4 耕作方式与秸秆还田对冬小麦–夏玉米叶片 Pn和 Tr的影响(2012)
Fig. 4 Effects of tillage and straw returning on Pn and Tr in winter wheat–summer maize system in 2012
CT: 常规耕作; DT: 深耕; SS: 深松; AS: 秸秆全还田; NS: 无秸秆还田。S1: 冬小麦拔节期; S2: 冬小麦开花期; S3: 夏玉米拔节期:
S4: 夏玉米开花期。柱形上不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。
CT: conventional tillage; DT: deep tillage; SS: subsoiling; AS: all straw returning; NS: no straw returning. S1: jointing stage of winter wheat;
S2: anthesis stage of winter wheat; S3: jointing stage of summer maize; S4: tassel stage of summer maize. Different letters above columns
indicate significant difference among treatments (P<0.05).
第 10期 赵亚丽等: 耕作方式与秸秆还田对冬小麦–夏玉米轮作系统中干物质生产和水分利用效率的影响 1803


量, 尤其是夏玉米(图5)。深松(耕)使冬小麦和夏玉米
开花期的茎秆伤流量分别超过常规耕作13.0%和
18.5%, 秸秆还田使两种作物茎秆伤流量分别超过
秸秆不还田7.2%和11.9%。深松(耕)与秸秆还田互作
显著增加植株的茎秆伤流量 , 且以深松+秸秆还田
处理的增幅最大, 其冬小麦和夏玉米开花期的茎秆
伤流量分别超过常规耕作+无秸秆还田 23.2%和
35.7%。

图 5 耕作方式与秸秆还田对冬小麦–夏玉米系统茎秆伤流量的影响
Fig. 5 Effects of tillage and straw returning on bleeding sap in stalk in winter wheat–summer maize system
CT: 常规耕作; DT: 深耕; SS: 深松; AS: 秸秆全还田; NS: 无秸秆还田。S1: 冬小麦拔节期; S2: 冬小麦开花期; S3: 夏玉米拔节期;
S4: 夏玉米开花期。柱形上不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。
CT: conventional tillage; DT: deep tillage; SS: subsoiling; AS: all straw returning; NS: no straw returning. S1: jointing stage of winter wheat;
S2: anthesis stage of winter wheat; S3: jointing stage of summer maize; S4: tassel stage of summer maize. Different letters above columns
indicate significant difference among treatments (P<0.05).

2.5 耕作方式与秸秆还田对冬小麦–夏玉米干物
质积累量的影响
深松(耕)、秸秆还田以及二者交互显著提高作物
干物质积累量(表3)。深耕和深松可使冬小麦开花期干
物质积累量分别比常规耕作提高18.7%和19.9%, 使
夏玉米开花期干物质积累量分别提高19.6%和20.2%。
秸秆还田可使作物干物质积累量提高12.3%。与常规
耕作秸秆不还田相比, 深耕+秸秆还田使冬小麦和夏
玉米成熟期的干物质积累量分别提高20.7%和17.8%,
深松+秸秆还田分别提高25.6%和20.2%。
2.6 耕作方式与秸秆还田对冬小麦–夏玉米籽粒
产量和水分利用效率的影响
深耕和深松的作物产量、水分利用效率均显著
高于常规耕作, 秸秆还田的作物产量和水分利用效
率也显著高于秸秆不还田(表 4)。深松(耕)的周年产
量和周年水分利用效率分别比常规耕作提高 10.3%
和 7.5%, 其中, 冬小麦产量和水分利用效率分别提
高 9.8%和 6.5%, 夏玉米分别提高 11.1%和 6.5%。秸
秆还田的周年产量、冬小麦和夏玉米产量分别比秸
秆不还田提高 8.3%、9.7%和 6.3%, 水分利用效率分
别提高 7.6%、7.9%和 6.0%。耕作方式与秸秆还田互
作显著增加作物产量和水分利用效率。与常规耕作+
无秸秆还田相比, 秸秆还田后深耕或深松均可提高
周年产量(18.0%和 19.3%)及水分利用效率(15.9%和
15.1%), 且二者效果相似。
3 讨论
本研究结果表明, 深耕和深松可以有效降低土
壤容重 , 提高冬小麦季和夏玉米季的农田耗水量 ,
降低休闲期的农田耗水量, 且二者对农田耗水量的
影响存在差异。由于深耕采用的是铧式犁翻耕, 直
接将土壤翻转, 可以有效打破犁底层, 降低土壤容
重, 增加土壤孔隙度, 提高土壤渗水速度[10]; 同时,
由于翻转土壤与外界的接触面积较大, 有利于最大
限度地接纳雨水, 进而增加土壤蓄水容量[7]。而深松
采用的是振动型深松, 利用深松铲在土壤中划出条
带性的深松沟 , 并不扰乱土层 , 加深耕层 , 疏松土
壤, 可以改善土壤的渗透性, 增加深层土壤蓄水量,
提高旱地蓄水保墒性能, 进而提高作物产量和水分
利用效率[27-28]。此外, 由于黄淮海地区多年的种植
习惯, 夏玉米收获后至冬小麦整地播种之前有半个
月左右的休闲期, 如果采用传统的常规耕作措施会
使土壤水分蒸发加剧, 影响冬小麦播种时的土壤墒
情 [29]。而深耕和深松降低了休闲期的农田耗水量,
对冬小麦的增产具有一定的作用。本研究结果还表
明, 秸秆还田虽增加了冬小麦的农田耗水量, 却降
1804 作 物 学 报 第 40卷


表 3 耕作方式与秸秆还田对冬小麦和夏玉米干物质积累量的影响
Table 3 Effects of tillage and straw returning on dry matter accumulation of winter wheat and summer maize (t hm–2)
冬小麦 Winter wheat 夏玉米 Summer maize 处理
Treatment 拔节期
Jointing
开花期
Anthesis
成熟期
Maturity
拔节期
Jointing
开花期
Tassel
成熟期
Maturity
2010–2011
CT+NS 4.02 d 9.19 c 15.55 c 0.49 d 5.99 d 9.03 b
DT+NS 4.56 ab 12.19 ab 17.87 b 0.55 b 8.09 b 10.29 a
SS+NS 4.46 bc 12.10 ab 17.70 b 0.54 bc 8.04b 10.40 a
CT+AS 4.29 c 11.38 b 15.67 b 0.52 cd 7.64 c 10.34 a
DT+AS 4.70 a 12.99 a 19.19 ab 0.59 a 8.52 a 10.62 a
SS+AS 4.68 a 13.01 a 19.96 a 0.60 a 8.55 a 10.93 a
2011–2012
CT+NS 4.44 c 10.62 b 17.59 c 0.54 c 7.17 d 9.81 c
DT+NS 4.79 b 11.63 b 19.64 b 0.61 b 8.57 bc 10.78 b
SS+NS 4.79 b 11.73 b 19.50 b 0.63 ab 8.72 b 10.69 b
CT+AS 4.29 c 11.13 b 19.43 b 0.53 c 8.32 c 10.53 b
DT+AS 5.16 a 13.37 a 20.75 ab 0.66 a 9.58 a 11.57 a
SS+AS 5.14 a 13.88 a 21.60 a 0.65 a 9.63 a 11.71 a
CT: 常规耕作; DT: 深耕; SS: 深松; AS: 秸秆全还田; NS: 无秸秆还田。每一年度中, 数据后不同字母表示相同生育期处理间差
异显著(P<0.05)。
CT: conventional tillage; DT: deep tillage; SS: subsoiling; AS: all straw returning; NS: no straw returning. In each season, values
followed by different letters are significantly different among treatments at the same growth stage (P<0.05).

表 4 耕作方式与秸秆还田对冬小麦–夏玉米籽粒产量和水分利用效率(WUE)的影响
Table 4 Effects of tillage and straw returning on grain yield and water use efficiency (WUE) of winter wheat and summer maize
产量 Yield (t hm–2) WUE (kg hm–2 mm–1) 处理
Treatment 冬小麦
Winter wheat
夏玉米
Summer maize
周年
Whole year
冬小麦
Winter wheat
夏玉米
Summer maize
周年
Whole year
2010–2011
CT+NS 6.8 c 6.2 c 13.0 d 30.8 c 11.6 b 21.2 d
DT+NS 8.0 b 6.7 b 14.7 b 34.3 b 11.7 b 23.7 b
SS+NS 7.9 b 6.4 bc 14.3 bc 33.7 b 11.1 b 22.4 c
CT+AS 7.8 b 6.2 c 14.0 c 34.4 b 11.7 b 22.7 c
DT+AS 8.3 a 7.2 a 15.6 a 35.0 ab 12.7 a 24.8 a
SS+AS 8.6 a 7.1 a 15.7 a 35.9 a 12.8 a 24.7 a
2011–2012
CT+NS 10.7 e 6.7 d 17.4 d 30.1 d 20.2 d 25.6 d
DT+NS 11.3 cd 7.4 b 18.8 b 32.4 bc 22.2 b 27.3 b
SS+NS 11.1 d 7.0 c 18.1 c 32.0 c 20.8 c 26.4 c
CT+AS 11.5 c 6.8 d 18.3 c 32.8 b 20.6 cd 26.7 c
DT+AS 12.5 b 7.8 a 20.3 a 35.4 a 23.4 a 29.4 a
SS+AS 12.7 a 7.8 a 20.5 a 36.1 a 22.1 b 29.1 a
CT: 常规耕作; DT: 深耕; SS: 深松; AS: 秸秆全还田; NS: 无秸秆还田。每一年度中, 数据后不同字母表示相同生育期处理间差
异显著(P<0.05)。
CT: conventional tillage; DT: deep tillage; SS: subsoiling; AS: all straw returning; NS: no straw returning. In each season, values
followed by different letters are significantly different among treatments at the same growth stage (P<0.05).
第 10期 赵亚丽等: 耕作方式与秸秆还田对冬小麦–夏玉米轮作系统中干物质生产和水分利用效率的影响 1805


低了休闲期、夏玉米和周年总农田耗水量。由于深
耕、深松和常规耕作 3 种耕作方式在冬小麦播前实
施, 夏玉米秸秆采取粉碎翻埋还田, 秸秆还田增加
了冬小麦季土壤表层水分的蒸发和农田耗水量; 而
冬小麦秸秆采取覆盖还田 , 夏玉米灭茬免耕播种 ,
秸秆覆盖有效阻隔了地表水分向大气散失, 进而降
低了夏玉米季农田耗水量[30]。
在冬小麦–夏玉米一年两熟轮作制度中 , 耕作
方式与秸秆还田对农田耗水量有显著的交互作用。
冬小麦季, 秸秆粉碎还田增加了农田耗水量, 深耕
和深松也增加了农田耗水量, 耕作方式与秸秆还田
交互显著增加了农田耗水量。夏玉米季, 深耕和深
松虽增加了农田耗水量, 但秸秆覆盖还田显著降低
了农田耗水量, 且秸秆还田对农田耗水量的影响大
于深耕或深松的影响。休闲期, 耕作方式与秸秆还
田对农田耗水量的交互作用更为显著, 二者结合显
著降低了该期的农田耗水量。由于农田耗水量受降
水量的影响 , 在降水量较大的年份和作物生长季 ,
深耕+秸秆还田处理的农田耗水量高于其他处理 ;
而在降水量较小的年份和作物生长季, 深耕+秸秆还
田、深松+秸秆还田处理的农田耗水量的差异不显著。
耕作方式和秸秆还田通过改善耕层土壤水分条
件, 提高了作物干物质积累能力。本研究结果表明,
深松(耕)和秸秆还田均可以降低作物叶片水分饱和
亏, 增加植株叶片光合速率和蒸腾速率, 提高植株
茎秆伤流量, 促进植株干物质积累, 进而提高冬小
麦和夏玉米的籽粒产量和水分利用效率。这与前人
研究结果一致, 深松(耕)和秸秆还田可疏松土壤, 改
善渗透性 , 不仅可以增加夏玉米光合作用面积 [31],
还可以促进冬小麦和夏玉米的干物质积累[32-33], 进
而显著提高作物的籽粒产量和水分利用效率[34-36]。
此外, 耕作方式与秸秆还田互作也显著增加了植株
干物质积累量、籽粒产量和水分利用效率。吕美蓉
等[37]研究也认为, 免耕、深松与秸秆还田的交互作
用能够提高冬小麦产量。
在本研究中, 深耕+秸秆还田、深松+秸秆还田
不仅提高了农田耗水量, 还增加了植株叶片光合速
率和蒸腾速率, 提高了植株茎秆伤流量, 促进了植
株干物质积累, 进而有利于作物产量和水分利用效
率的提高。在几种耕作模式中, 深耕+秸秆还田、深
松+秸秆还田的周年作物产量和水分利用效率最高,
且二者无显著性差异。因此, 本试验条件下, 在秸秆
还田的基础上深松或深耕是黄淮海地区适宜的耕作
方式。
4 结论
深耕和深松增加了作物生长季的农田耗水量 ,
冬小麦季实施秸秆粉碎还田, 农田耗水量增加; 夏
玉米季实施秸秆覆盖还田, 农田耗水量降低。在秸
秆还田基础上, 秋季深耕或深松提高了冬小麦、夏
玉米生长季的农田耗水量, 但降低了休闲期农田耗
水量, 反而增加了植株叶片含水量, 提高了叶片光
合速率和蒸腾速率, 有利于植株干物质积累, 为提
高作物产量和水分利用效率奠定了基础, 且在本试
验条件下, 深松或深耕无显著差异。因此, 与本试验
相似环境条件下, 宜在秸秆还田的基础上配合深松
或深耕。
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