耕作措施对黄土高原 旱地 春 玉米 和冬 小麦产量 及 水分利用效率影响 的 整合分析

Abstract

玉米和小麦是黄土高原地区最主要的两种粮食作物，长期以来受水资源短缺 的影响，黄土高原地区旱地玉米和小麦产量相对较低且年际间变异较大。面对不 断增长的人口压力和对粮食需求的增长，寻求更有效的方式来提高该地区作物产 量和水分利用效率，成为保障黄土高原地区粮食安全和改善生态环境的关键。前 人从耕作措施（种植方式、土壤耕作方式、覆盖方式、合理施肥）角度出发，进 行了大量的试验研究并取得了积极的研究成果。前人研究普遍存在试验地点单一， 试验面积小，单个试验持续时间短等问题，其研究结果对实现黄土高原地区旱地 玉米和小麦大面积均衡增产不具有普遍性和指导性，但是大量累积的研究资料为 系统分析黄土高原粮食增产潜力提供了资料。本研究以整个黄土高原为研究区域， 以近 50 年黄土高原旱地春玉米和冬小麦历史文献数据为基础，采用整合分析方 法，分析了不同耕作措施（土壤耕作方式、覆盖方式、氮肥用量）对黄土高原不 同区域春玉米和冬小麦产量及水分利用效率的影响情况，同时分析了黄土高原不 同区域春玉米和冬小麦产量及水分利用效率的增加潜力。研究结果为构建黄土高 原不同区域旱地春玉米和冬小麦适宜耕作措施，实现黄土高原地区粮食大面积均 衡增产提供科学指导。本研究取得的主要结果如下： （1）黄土高原旱地春玉米和冬小麦产量及水分利用效率增加潜力。研究结 果表明，受化肥的使用和覆盖集水等耕作措施的推广应用，1954～2014 年黄土 高原旱地春玉米和冬小麦整体平均产量及水分利用效率均呈线性增长趋势 （P&lt;0.01）。1954～2014 年黄土高原冬小麦整体平均产量和水分利用效率可以划 分为三个阶段：1954～1962 年、1972～1993 年、2001～2014 年，不同阶段的冬 小麦平均产量和水分利用效分别为：2211kg∙hm -2 ，3745kg∙hm -2 和 10.24 kg∙hm -2 ∙mm -1 ，4357 kg∙hm -2 和 12.19 kg∙hm -2 ∙mm -1 。1985～2014 年黄土高原春玉 米整体平均产量和水分利用效率可以划分为三个阶段：1985～2000 年、2001～ 2010 年、2011～2014 年，不同阶段的春玉米平均产量和水分利用效率分别为： 6631 kg∙hm -2 和 15.44 kg∙hm -2 ∙mm -1 ，7949 kg∙hm -2 和 22.09kg∙hm -2 ∙mm -1 ，10485&nbsp; kg∙hm -2 和 26.97 kg∙hm -2 ∙mm -1 。在现有耕作条件下，黄土高原地区春玉米和冬小 麦产量及水分利用效率仍有较大增长潜力。与试验高产产量相比，黄土高原春玉 米整体平均产量和水分利用效率增加潜力分别为 5758 kg∙hm -2 和 17.4 kg∙hm -2 ∙mm -1 ，各区域春玉米产量和水分利用效率增加潜力分别为 3472～5896 kg∙hm -2 和 8.7～20.1 kg∙hm -2 ∙mm -1 。黄土高原各区域春玉米产量和水分利用效率增加潜 力大小依次为：中部&gt;东部&gt;西部&gt;北部&gt;南部。黄土高原冬小麦整体平均产量和 水分利用效率增加潜力分别为 2683 kg∙hm -2 和 7.5 kg∙hm -2 ∙mm -1 ，各区域冬小麦产 量和水分利用效率增加潜力分别为 2522～2866 kg∙hm -2 和 6.9～7.9 kg∙hm -2 ∙mm -1 。 各区域中，西北部冬小麦产量和水分利用效率增加潜力大于东南部。 （2）免耕、深松耕对黄土高原旱地春玉米和冬小麦产量及水分利用效率的 影响。免耕和深松耕在黄土高原不同区域的适应性不同。与常规耕作相比，在黄 土高原中部和北部区域，采用免耕可提高春玉米产量和水分利用效率 10%以上； 在黄土高原东南部和西北部区域，采用深松耕可显著提高冬小麦产量和水分利用 效率，且效果优于免耕。与常规耕作相比，在黄土高原不同年降雨量地区，采用 免耕均能提高春玉米产量和水分利用效率，其中年降雨量&le;500 mm 地区的增加 率显著高于年降雨量＞500 mm 地区。在黄土高原不同年降雨量地区，深松耕冬 小麦的产量和水分利用效率均显著增加，且增加率高于免耕处理。与常规耕作相 比，在黄土高原年均温度&le;10℃地区，采用免耕能显著提高春玉米产量和水分利 用效率。在不同年均温度地区采用深松耕可显著提高冬小麦产量和水分利用效率， 且效果优于免耕。 （3）不同覆盖方式对黄土高原旱地春玉米和冬小麦产量及水分利用效率的 影响。不同覆盖方式对黄土高原地区春玉米和冬小麦产量及水分利用效率的影响 不同，其中，薄膜覆盖效果优于秸秆覆盖。对春玉米而言，秋季平地覆膜对提高 黄土高原春玉米整体平均产量和水分利用效率效果最好；对冬小麦而言，全年平 地覆膜对提高黄土高原冬小麦整体平均产量和水分利用效率效果最好。黄土高原 不同区域春玉米的最优覆盖方式不同，在黄土高原中部，采用秋季垄沟覆膜对提 高春玉米产量和水分利用效率效果最好；在黄土高原西部和南部，采用播时垄沟 覆膜效果最好；在黄土高原东部和北部，采用播时平地覆膜效果最好。黄土高原 不同区域冬小麦的最优覆盖方式不同，在黄土高原东南部，采用垄上覆膜对提高 冬小麦产量和水分利用效率效果最好；在黄土高原西北部，采用全年平地覆膜效 果最好。 （4）不同氮肥用量对黄土高原旱地春玉米和冬小麦产量及水分利用效率的 影响。不覆盖条件下，黄土高原旱地冬小麦适宜氮肥用量为 169.4～191.1 kg∙hm -2 ， 在此氮肥用量下冬小麦整体平均产量和水分利用效率达到最高，分别为 4100&nbsp; kg∙hm -2 和 12.05 kg∙hm -2 ∙mm -1 。不覆盖条件下，黄土高原旱地春玉米适宜氮肥用 量为 255～300 kg∙hm -2 ，在此氮肥用量下春玉米整体平均产量和水分利用效率达 到最高，分别为 7928.7 kg∙hm -2 和 19.42 kg∙hm -2 ∙mm -1 。薄膜覆盖条件下，黄土高 原旱地春玉米适宜氮肥用量为 228～233 kg∙hm -2 ，在此氮肥用量下春玉米整体平 均产量和水分利用效率达到最高，分别为 10718.9 kg∙hm -2 和 30.06 kg∙hm -2 ∙mm -1 。 （5）黄土高原不同区域春玉米和冬小麦适宜耕作措施。在黄土高原中部， 春玉米适宜耕作措施为：免耕结合秋季垄沟覆膜，氮肥用量 228～233 kg∙hm -2 ； 在黄土高原东部和北部，春玉米适宜耕作措施为：免耕结合播时平地覆膜，氮肥 用量 228～233 kg∙hm -2 ；在黄土高原西部和南部，春玉米适宜耕作措施为：播时 垄沟覆膜配施氮肥 228～233 kg∙hm -2 。在黄土高原东南部，冬小麦适宜耕作措施 为：深松耕配施氮肥 169.4～191.1 kg∙hm -2 ；在黄土高原西北部，冬小麦适宜耕作 措施为：深松耕结合全年平地覆膜，氮肥用量 169.4～191.1 kg∙hm -2 。 关键词：耕作措施；黄土高原；春玉米；冬小麦；产量；水分利用效率</p