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.docx
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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1
1.1黄土高原区旱地农业发展前景1
1.1.1旱地农业发展潜力1
1.1.2旱地农业可持续发展对策2
1.2保护性耕作在旱地农业中的应用3
1.2.1传统耕作3
1.2.2保护性耕作发展与应用3
1.3保护性耕作技术研究进展4
1.3.1保护性耕作对土壤物理性质的影响4
1.3.2保护性耕作对土壤化学性质的影响5
1.3.3保护性耕作对作物生长发育的影响5
1.3.4保护性耕作的产量、效益5
1.3.5保护性耕作技术研究展望6
2实验概况和方法8
2.1研究背景和意义8
2.2研究目标9
2.3研究内容9
2.4技术路线9
2.5材料和方法9
2.5.1研究区概况9
2.5.2试验方法11
2.5.3测定指标与方法11
2.6数据处理与统计方法12
3不同耕作模式对土壤蓄水保墒效应的影响13
3.1结果与分析13
3.1.1试验区降雨量概述13
3.1.2夏闲期不同耕作方式对土壤蓄水作用的影响14
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16
3.2讨论20
3.2.1不同降雨年型夏闲期土壤水分特征20
3.2.2轮耕对夏闲期土壤蓄水效应的影响20
3.2.3轮耕对生育期0-200cm土壤水分动态变化的影响21
3.3小结22
4不同耕作模式对产量及经济效益的影响23
4.1结果与分析23
4.1.1不同轮耕模式对冬小麦产量及其构成因素的影响23
4.1.2不同轮耕模式对冬小麦水分生产效率的影响24
4.1.3不同耕作和施肥方式对麦田经济效益的影响26
4.2讨论27
4.3小结28
5主要结论、创新点和研究展望30
5.1主要结论30
5.2研究特色与创新点30
5.3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
EFFECTSOFROTATIONALCONSERVATIONTILLAGESONSOILWATERCONSERVATIONANDCROPPRODUCTIONOFWHEATFIELDINWEIBEIDRYLAND
Student:
LiDengAdvisor:
LiJun
ABSTRACT：
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
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—600mm，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。
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。
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]。
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]。
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
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