绿洲灌区冬小麦保护性耕作试验研究进展

Gansu Agricultural University

绿洲灌区冬小麦保护性耕作试验研究进展

黄高宝教授

甘肃农业大学2010 年 9 月山东•泰山

中国农学会耕作制度分会学会成立中国农学会耕作制度分会学会成立 3030 周年纪念暨周年纪念暨 20102010 年学术年会年学术年会

22 Gansu Agricultural University

主要内容

研究背景、目的及意义1

2

4

3

主要研究进展

主要结论

对学科发展的建议


研究背景、目的及意义


研究背景、目的及意义河西走廊：是历史上以丝绸之路闻名于世的“西部金腰带”，灌溉农业区历史悠久，为我国主要的商品粮基地、经济作物集中产区和重要的高原夏菜基地。以占甘肃省 1/5 的耕地、 1/5 的人口，提供了全省 2/3 以上的商品粮、几乎全部的酿造葡萄和棉花、 9/10

的甜菜、 2/5 以上的油料、啤酒大麦和瓜果蔬菜。


研究背景、目的及意义重要的生态屏障：纵深的河西绿洲农牧交错带及荒漠草原、林地和沙漠湿地 ( 湖泊 ) ，锁住了巴丹吉林、腾格里等大沙漠，使之不能融合和东移，免除中原沙患。

巴丹吉林沙漠

腾格里沙漠


研究背景、目的及意义重要的生态屏障：纵深的河西绿洲农牧交错带及荒漠草原、林地和沙漠湿地 ( 湖泊 ) ，锁住了巴丹吉林、腾格里等大沙漠，使之不能融合和东移，免除中原沙患。

巴丹吉林沙漠

腾格里沙漠

沙漠南侵雪线上升沙进人退

症状

成因干旱缺水人类活动农业节水 (改变农作制

度 )

出路



表土状况的恶化是历史上大多数地区文明衰落的根本原因

40 年的定位观察61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 99

61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 99

40

80

120

0

40

80

120

0

40

80

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0

40

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120

0

40

80

120

0

农田草原

沙地戈壁

盐壳

5 种土地类型 40 年的强风天数 (□) 和沙尘暴天数 (■) 发生的次数关系



春小麦生产面临的困境：传统铧式犁翻耕造成表土细碎冬春季节在西北风吹蚀下极易扬尘灌水高峰期（ 5 、 6 月份）用水矛盾突出



春小麦改种冬小麦：

增加冬春季节地表覆盖

采用免耕、秸秆覆盖等保护性耕作措施防止风蚀

避开用水高峰期



拟解决的科学问题：春小麦改种冬小麦并采用保护性耕作措施对冬小麦水分

利用特征的影响及产量形成机理内陆干旱气候背景下连续免耕结合秸秆覆盖对土壤主要

性状的影响冬小麦保护性耕作措施的防治农田土壤风蚀效应冬小麦保护性耕作措施对温室气体排放的影响

深耕（ 25 cm ）灭茬、耙耱整平，不覆盖

传统耕作（ T ）

秸秆翻压（ TIS ）

免耕不覆盖（ NT ）

秸杆切碎约 5 cm ，耕深翻入土，秸杆还田量为 6750 kg·hm-2

前茬作物收获后，免耕，不覆盖

免耕秸秆覆盖（ NTS ）

免耕立茬（ NTSS ）

免耕，并将秸杆切碎约 5 cm 覆盖，秸杆还田量为 6750 kg·hm-2

免耕，立秆留茬 25 cm ，秸杆还田量为 6750kg·hm-2

田间试验设计


主要研究进展

保护性耕作对冬小麦产量及水分利用效率的影响与传统耕作相比，免耕秸秆覆盖和免耕立茬分别提高冬小麦产量 6.98

% ～ 24.32% 和 15.65% ～ 30.59% 。

免耕立茬和免耕秸秆覆盖处理显著提高了冬小麦水分利用效率，分别

较传统耕作提高 7.75% ～ 26.81% 和 17.15% ～ 24.92% 。


年份 Year 处理 T TIS NT NTSS NTS

2005-2006

公顷穗数 (×106) 4.18b 4.58ab 5.33a 4.98a 5.02a

穗粒数 (grains) 27.96a 31.28a 30.13a 29.15a 30.85a

千粒重 (g) 51.12a 50.61a 48.82a 52.56a 52.23a

产量 (kg·hm2) 6061b 7287a 7714a 7535a 7915a

收获指数 0.48a 0.45a 0.45a 0.44a 0.46a

2006-2007

公顷穗数 (×106) 4.38a 4.41a 4.32a 4.78a 4.28a

穗粒数 (grains) 31.69a 32.51a 33.53a 32.82a 35.6a

千粒重 (g) 47.36b 50.19ab 50.80ab 50.39ab 51.08a

产量 (kg·hm2) 6533b 7067ab 7300ab 7367a 7633a

收获指数 0.39a 0.39a 0.41a 0.42a 0.46a

2007-2008

公顷穗数 (×106) 5.90a 6.00a 6.38a 6.66a 6.70a

穗粒数 (grains) 22.6a 24.62a 24.53a 27.89a 25.07a

千粒重 (g) 45.40b 46.43ab 47.67ab 47.93ab 50.00a

产量 (kg·hm2) 6275a 6521a 6644a 6713a 7257a

收获指数 0.37b 0.41a 0.41a 0.42b 0.43a

保护性耕作措施对冬小麦产量及其构成因素的影响

主要研究进展


保护性耕作措施对冬小麦水分利用效率的影响

年份处理 T TIS NT NTSS NTS

2005-2006

产量 (kg·hm-2) 6061b 7287a 7714a 7535a 7915a

耗水量 (mm) 637.6a 683.0a 628.8a 624.9a 666.2a

水分利用效率 (kg·hm-2 mm) 9.51b 10.52ab 12.27a 12.06a 11.88a

2006-2007

产量 (kg·hm-2) 6533b 7067ab 7300ab 7367a 7633a

耗水量 (mm) 578.21a 570.32a 589.28a 594.64a 574.45a

水分利用效率 (kg·hm-2 mm) 11.30b 12.42ab 12.43ab 12.39ab 13.28a

2007-2008

产量 (kg·hm-2) 6275a 6521a 6644a 6713a 7257a

耗水量 (mm) 608.19a 606.69a 595.15c 603.36ab 600.15bc

水分利用效率 (kg·hm-2 mm) 10.32a 10.75a 11.17a 11.12a 12.09a

主要研究进展


0

20

40

60

80

100

120

3-26 4-10 4-25 5-10 5-25 6-9 6-24

日期Date (m-d)

(mm)

土壤贮水量

Soil

wat

er s

tora

ge (

mm)

T TI S NT NTSS NTS

0

50

100

150

200

250

300

350

400

3-26 4-10 4-25 5-10 5-25 6-9 6-24

日期Date (m-d)

(mm)

土壤贮水量

Soil

wat

er s

tora

ge (

mm)

T TI S NT NTSS NTS

30-150cm0-30cm

主要研究进展免耕结合秸秆覆盖和立茬措施具有良好的保水抑蒸效果，

低温时保温及高温时降温的双重作用使土壤温度的变化幅度减小，有利于幼苗越冬和减小土壤水分的无效蒸发，可以有效提高冬小麦苗的越冬率和分蘖的形成。

不同耕作措施土壤贮水量（ 2008 ）


主要研究进展

免耕秸秆覆盖及免耕立茬处理冬小麦全生育期平均干物质积累量和积累系数显著高于传统耕作。

不同耕作措施条件下干物质积累系数

年处理 NT NTS NTSS TIS T

2005

花后干物质积累量 (g/10Plants) 101.19C 171.47A - 66.50D 114.81B

单株最高籽粒产量 48.95BC 56.02AB - 46.27C 58.46A

积累系数 Coefficient 2.07B 3.08A - 1.44C 1.96B

2006

花后干物质积累量 (g/10Plants) 76.97C 122.32A 133.21A 78.42C 90.96B

单株最高籽粒产量 37.75B 51.09A 40.69B 51.29A 36.48B

积累系数 2.04B 2.39B 3.27A 1.53C 2.51B

注：积累系数 = 开花后干物质积累量 / 最高籽粒产量


主要研究进展免耕秸秆覆盖及立茬措施对土壤水温条件的改善影响了与

光合作用相关的作物生长因子及生态环境因子，从而影响了冬小麦的光合特性。不同处理对冬小麦生育时期群体光合势（ LAD ）的影响 ×105 (m2•d-1 • hm-2)

NT NTS NTSS TIS T

分蘖至返青期 3.92A 4.24A 4.17A 3.85A 2.29B

返青至起身期 0.85AB 0.83AB 0.92A 0.74AB 0.59B

起身至拔节期 0.40A 0.41AB 0.46A 0.34B 0.25C

拔节至孕穗期 1.06AB 1.16A 1.23A 0.89B 0.65C

孕穗至抽穗期 1.85BC 2.37A 2.09B 1.58C 2.01B

抽穗至开花期 3.60B 4.38A 3.97AB 3.11C 3.73B

开花至灌浆期 2.28AB 2.49A 2.48A 2.12B 1.74C

灌浆至蜡熟期 1.60B 1.82A 1.86A 1.60B 1.29C

总光合势 15.57AB 17.62A 17.19A 14.22BC 12.54C


主要研究进展

不同耕作措施对冬小麦根系生长的影响免耕不仅显著促进了冬小麦根系在表层（ 0 ～ 10cm ）土壤的生长，

呈现“表聚”特征，而且也促进了深层（ 30 ～ 70cm ）土壤根系的

生长。

翻耕处理（ T,TIS ）促进了冬小麦生育前期 ( 开花期前 ) 根系在 10 ～

30cm 土层的分布，而免耕处理（ NT,NTSS,NTS ）却在生育后期表

现出明显优势。


保护性耕作对冬小麦根干重动态分布的影响 (2008) (g/m2)

层次生育期 T TIS NT NTSS NTS

0-10

拔节期 47.08c 50.58c 56.11b 57.41b 62.3a

抽穗期 62.45b 70.24ab 79.44a 79.61a 79.8a

开花期 68.39e 75.76d 83.44c 90.75b 99.27a

成熟期 49.94d 55.42cd 60.44c 75.58b 82.49a

10-30

拔节期 34.81a 35.05a 29.19bc 27.75c 30.78b

抽穗期 37.19ab 38.96a 34.35c 34.75bc 35.17bc

开花期 38.8ab 39.96a 36.69b 36.67b 39.85a

成熟期 27.33c 29.97bc 30.58ab 32.32ab 33.76a

30-70

拔节期 17.36c 17.91c 19.99b 21.06ab 21.7a

抽穗期 22.35c 22.79c 24.97b 26.04ab 26.58a

开花期 25.09c 26.48c 28.67ab 29.02a 30.6a

成熟期 28.7c 30.01c 32.81b 33.52ab 35.85a

免耕处理根系的分布，有效增大了对土壤水分和养分的吸收范围，为作物产量的提高奠定了物质基础。

主要研究进展


主要研究进展

不同耕作措施对耕层土壤有机质与碱解氮的影响免耕处理显著提高 0 ～ 20 cm 土层有机质。

免耕结合秸秆覆盖能增强耕层（ 0-30cm ）土壤供氮能力。


不同耕作措施对冬小麦 0 ～ 30 cm 土层有机质的影响 (g.kg-1)

年份深度播前收获后

T TIS NT NTSS NTS T TIS NT NTSS NTS

2005-2006

0-10 15.81c 16.25bc 16.49abc 16.9ab 17.18a 16.23d 16.92c 17.73b 18.84a 18.96a

10-20 15.11c 15.32c 15.85b 16.39a 16.51a 15.92c 16.33bc 16.85b 17.48a 17.63a

20-30 16.18ab 16.69a 15.23c 15.50bc 15.62bc 17.38a 17.79a 16.13b 16.31b 16.43b

2006-2007

0-10 16.11c 16.83b 17.31b 18.75a 18.96a 16.80c 17.23c 17.92b 19.63a 19.70a

10-20 15.83c 16.42b 16.83b 17.61a 17.89a 16.23c 16.98bc 17.15b 18.32a 18.96a

20-30 17.42a 17.49a 16.31b 16.44b 16.69b 17.86a 18.59a 16.91b 17.23b 17.30b

免耕处理（ NT 、 NTS 、 NTSS ）有利于土壤耕层 0-20cm 土层范围内有机碳的积累。

主要研究进展


不同耕作措施对冬小麦 0 ～ 30 cm 土层碱解氮的影响 (mg.kg-1)

年份深度播前收获

T TIS NT NTSS NTS T TIS NT NTSS NTS

2005-2006

0-10 42.32c 43.38bc 44.51abc 46.32ab 47.33a 48.36c 50.12bc 52.36b 57.24a 57.68a

10-20 41.23a 42.44a 43.58a 44.89a 45.65a 45.36b 46.25b 47.96ab 49.78a 50.32a

20-30 40.11b 41.86ab 42.23ab 43.52ab 43.78a 42.78b 43.78ab 45.23ab 45.36ab 46.28a

2006-2007

0-10 43.12c 44.78c 46.33b 47.88ab 48.93a 49.86c 51.53bc54.58ab

c58.12ab 59.52a

10-20 42.23a 43.54a 45.12a 46.23a 46.52a 46.52c 47.23c 49.98b 51.38ab 52.23a

20-30 41.24b 43.12ab 43.56ab 45.13a 45.28a 44.12a 45.14a 47.69a 47.96a 48.33a

免耕结合秸秆覆盖能增强耕层（ 0-30cm ）土壤供氮能力。

主要研究进展


主要研究进展

不同耕作措施对土壤容重与紧实度的影响免耕处理耕层（ 0 ～ 30 cm ）土壤容重较稳定，而翻耕处理则变化

明显。

不同耕作措施耕层（ 0 ～ 30 cm ）土壤容重的动态变化

1. 161. 181. 2

1. 221. 241. 261. 281. 3

1. 321. 341. 36

2007播前 2007拔节 2007成熟 2008播前 2008拔节 2008成熟(Date)测定时间

(Soi

l Bu

lk D

ensi

ty)

容重

T TI S NT NTSS NTS


主要研究进展

不同耕作措施对冬小麦农田土壤风蚀的影响春小麦改种冬小麦并采用免耕秸秆覆盖耕作措施较春小麦传统耕作降

低了风蚀量；

由于秸秆和残茬的作用，显著提高了发生风蚀的临界风速；

冬小麦免耕秸秆还田显著提高了冬春季节地表覆盖度；

室内风洞试验布置图（中科院寒区旱区环境与工程研究所风沙环境风洞）

风洞实验段

土样（在田间试验中采取）体积 :30×20×10cm

多路风速扩线仪，用于测定距离土样表明不同高度的风速

动力段整流段

实验段扩散段


TI S

0

25

50

75

100

125

150

175

0 5 10 15 20 25

风速(m. s- 1)wi nd speed

高度

( mm)hight 6. 96m/ s

( )起动风速12m/ s

16m/ s

20m/ s

冬小麦免耕处理 (NTS 、NT) 处理较春小麦传统耕作显著改变了地表气流特征，从而减小土壤风蚀发生的可能性。

NT

0

25

50

75

100

125

150

175

0 5 10 15 20 25风速(m. s- 1)wi nd speed

高度

( mm

)hig

ht

8. 67m/ s( )起动风速12m/ s

16m/ s

20m/ s

NTS

0

25

50

75

100

125

150

175

0 5 10 15 20 25

风速(m. s- 1)wi nd speed

高度

( mm)hight 8. 80m/ s

( )起动风速12m/ s

16m/ s

20m/ s

T

0

25

50

75

100

125

150

175

0 5 10 15 20 25风速(m. s- 1)wi nd speed

高度

(mm

) h

igh

t

6. 72m/ s( )起动风速12m/ s

16m/ s

20m/ s

SWT

0

25

50

75

100

125

150

175

0 5 10 15 20 25风速(m. s- 1)wi nd speed

高度

( mm

)win

d s

pee

d

6. 74m/ s( )起动风速12m/ s

16m/ s

20m/ s

◆ 不同处理风速廓线

主要研究进展

( 春小麦 )


不同耕作措施起动风速

6. 72 6. 96 6. 74

8. 8 8. 67

0. 00

2. 00

4. 00

6. 00

8. 00

10. 00

T TI S SWT NTS NT

处理

(m/s

)起动风速

主要研究进展


0. 000. 100. 200. 300. 40

0. 500. 600. 700. 800. 90

9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8月份 month

覆盖度

cove

rage

rat

e

NTS NT T TI S SWT

不同耕作措施地表覆盖度的动态变化

免耕秸秆覆盖地表覆盖保持在 0.6 以上，特别是冬春季节显著高于其它处理

主要研究进展


处理Treatment

风蚀量 QWind-blown mass (g)

8 m/s 12 m/s 16 m/s 20 m/s

NTS 0.00 2.15 5.95 9.10

NT 0.00 2.25 5.80 14.70

TIS 1.55 3.75 7.20 25.25

T 1.65 3.90 7.45 36.60

SWT 3.30 4.95 13.80 67.25

河西灌区 4 月份最大风速超过 10m/s ，大风日数达 7 天，春小麦改种冬小麦并采用免耕秸秆覆盖较春小麦传统耕作可明显降低风蚀量。

不同耕作措施在不同风速下的土壤风蚀量

主要研究进展


主要研究进展不同处理在不同风速下的土壤风蚀速率 g m-2 mm-1

风速 (m s-1) 处理

8 12 16 20 22 传统耕作 21 78 274 1011 1083

20cm留茬压倒免耕 0 0 93 415 590 40cm留茬压倒免耕 0 0 38 141 220

20cm立茬免耕 0 0 68 147 300 40cm立茬免耕 0 0 33 133 208

立茬的防风蚀效果明显好于留茬压倒风蚀速率最大是传统耕作，最小是 40cm 立茬免耕当吹蚀风速低于 20 ms-1 时，保护性耕作防风蚀效果明显

立茬的防风蚀效果明显好于留茬压倒风蚀速率最大是传统耕作，最小是 40cm 立茬免耕当吹蚀风速低于 20 ms-1 时，保护性耕作防风蚀效果明显


主要研究进展

不同耕作措施对冬小麦农田 CO2 、 N2O 排放量的影响相对于传统耕作（ T ）处理，免耕（ NT 、 NTS 、 NTSS ）处理均

能够降低 CO2 排放量，其中，以免耕（ NT ）处理效果最为明显。

相对于传统耕作（ T ）处理 , 秸秆翻压（ TIS ）、免耕（ NT ）、免

耕秸秆覆盖（ NTS ）和免耕立茬（ NTSS ）均提高了 N2O 排放通量。

静态箱

气相色谱

气体收集


0. 00

25. 00

50. 00

75. 00

100. 00

125. 00

150. 00

2- J un 17- J un 2- J ul 17- J ul 1- Aug 16- Aug 31- Aug 15- Sep 30- Sep 15- Oct

Ti me时间（月）

CO2

CO

通量

2 em

issi

on fl

uxmg

m（

-2h-1

)

TIS NTS

T NT

NTSS

不同耕作措施土壤 CO2 排放量的动态变化

主要研究进展


0. 00

5. 00

10. 00

15. 00

20. 00

25. 00

2- J un 17- J un 2- J ul 17- J ul 1- Aug 16- Aug 31- Aug 15- Sep 30- Sep 15- Oct

时间 Ti me（月）

N 2O

通量

N 2O

emis

sion

flux（

ugm-

2 h-1 ) TIS NTS

T NTNTSS

不同耕作措施土壤 N2O 排放量的动态变化

主要研究进展


主要结论

河西春麦区扩种冬小麦，在不降低农田生产功能的同时增强了生态功能，但黄矮病的防治是难点；

以保护性耕作为代表的农业措施应该成为防治沙尘暴的重要途径之一；

秸秆还田可强化农田生态系统内循环机制，是发展循环农业的重要途径之一。


对学科发展的建议

要进一步走向国际化 (SCI 文章 )

改善学科研究途径，强化学科基础理论研究

研发产品重技术，提高技术“硬度” 以 cropping system 为核心，拓展学科领域和功能空间

生产功能生态功能经济功能

决策驱动型调查考察观察分析论证宏观农业理论

决策应用

技术驱动型技术社会对比技术效应分析提升学科基础理论

验证主要技术


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绿洲灌区 冬小麦保护性耕作 试验 研究 进展

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绿洲灌区冬小麦保护性耕作试验研究进展