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降水稀少是黄土高原西部半干旱农区农业发展的主要限制因素之一,传统农业的精耕细作使干旱雨养农业区土壤质量下降,水土流失严重,贮水能力差,土地生产力水平低下。国内外研究表明,免耕、覆盖和留茬等保护性耕作措施具有增加土壤蓄水保墒能力、培肥地力、减少水土流失、增加土壤入渗、提高水资源的利用率和提高产量的多重效果。2007-2008年,在国家科技支撑计划项目(2006BAD15B06)资助下,在黄土高原半干旱区甘肃定西市安定区李家堡镇设计田间试验,设计传统耕作(T)、免耕(NT)和免耕秸秆覆盖(NTS)3种不同耕作措施和小麦-菘蓝双序列轮作,研究保护性耕作对轮作后茬土壤物理质量、土壤生物质量、作物生理生化特性、光合特性和产量的影响,探讨保护性耕作小麦-菘蓝轮作模式高效利用水分的增产机理和适宜耕作方式。研究得出如下结论:1.保护性耕作可以降低麦药轮作土壤容重和提高总孔隙度,显著提高饱和导水率。在T、NT和NTS不同耕作与W→I和I→W不同轮作序列处理中,后茬菘蓝地和小麦地0-30cm深度土壤容重均为NTS<NT<T,土壤总孔隙度均为NTS>NT>T。饱和导水率表现为NTS>NT>T,不同耕作处理间差异显著。比较而言,保护性耕作I→W轮作改善土壤质量效果较好。2.免耕覆盖措施能在低温季节明显提高土壤温度,高温季节有效降低土壤温度,有助于作物出苗和根系生长。气温冷凉的播种期和出苗期,菘蓝和小麦不同深度土壤温度表现为NTS>NT>T,小麦地播种期0-15cm土壤平均温度NTS较T提高2.33℃,出苗期NTS较T提高3.00℃;菘蓝播种期NTS处理0-15cm土壤平均地温NTS较T提高2℃。进入7月高温季节,0-15cm小麦地平均温度NTS较T降低2.71℃;菘蓝NTS较T降低1.96℃。小麦地免耕覆盖调节土壤温度效果较好。3.在不同轮作模式下免耕覆盖措施均能显著提高耕作层土壤含水量。在小麦和菘蓝生育期,两种轮作后茬0-30cm、30-200cm和0-200cm土壤平均含水量均为NTS>T>NT,小麦生育期W→I轮作NTS土壤0-30cm平均含水量较NT和T分别提高6.67%和6.64%;I→W轮作0-30cm土壤平均含水量NTS较NT和T分别提高5.81%和3.36%。菘蓝生育期,W→I轮作0-30cm土壤平均含水量NTS较NT和T分别提高3.87%和3.16%;I→W轮作0-30cm土壤平均含水量NTS较NT和T分别提高5.46和4.79%。小麦生育期,保护性耕作I→W轮作耕作层土壤含水量较高。菘蓝生育期,保护性耕作W→I轮作耕作层土壤含水量较高。4.保护性耕作可以有效提高土壤酶活性和土壤微生物数量。菘蓝地和小麦地不同深度土壤脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性均表现为NTS>NT>T,0-30cm土壤水解酶和氧化还原酶活性均值也为NTS>NT>T,以NTS处理效果最为显著。保护性耕作I→W轮作提高土壤水解酶活性和过氧化氢酶活性较好。从T、NT到NTS,两种轮作土壤各层微生物数量总体呈逐渐升高的变化趋势,0-30cm土壤细菌、真菌、放线菌数量和微生物总数均值均为NTS>NT>T。各耕作处理小麦地土壤细菌数量较菘蓝地减少了10倍左右,微生物总数也减少了10倍左右。保护性耕作W→I轮作有利于土壤微生物的增殖。5.保护性耕作有利于叶绿素合成,延缓Chla降解,免耕覆盖能显著提高作物相关保护酶活性和脯氨酸含量,降低MDA伤害和细胞膜透性,保护细胞结构完整,有利于作物生长发育。菘蓝和小麦叶片Chla、Chlb和Chl(a+b)年均值均为NTS>NT>T。菘蓝叶片MDA均值T>NT>NTS,CAT活性NTS较NT和T分别提高122.24%和85.01%,CAT对菘蓝减轻活性氧伤害起了重要作用。小麦叶片MDA含量均值T>NT>NTS,SOD活性均值NTS>T>NT,CAT活性NTS>T>NT,CAT活性NTS较NT和T分别提高91.45%和103.58%,CAT和SOD协同对小麦起了重要生理保护作用。菘蓝叶片平均脯氨酸含量NTS>NT>T,平均细胞膜透性T>NT>NTS。小麦平均脯氨酸含量NT>NTS>T,平均细胞膜透性T>NT>NTS,说明保护性耕作减轻了作物细胞膜损坏,有利于细胞结构完整和正常生理功能发挥。6.保护性耕作可以提高作物Pn和叶片水平水分利用效率。不同耕作处理菘蓝和小麦净光合速率日变化均呈双峰光合午休变化趋势,光合午休为气孔限制所致,Pn日均值和年均值均为NTS>NT>T,WUEl年均值为NTS>NT>T。7.保护性耕作可以显著提高了作物产量和产量水平水分利用效率。菘蓝干根产量、干叶产量和WUEy以及小麦产量和WUEy均表现NTS>NT>T。菘蓝NTS干根产量较T提高20.34%,WUEy较T提高20.31%;NTS干叶产量较T提高11.26%,WUEy较T提高11.23%。小麦NTS产量较T提高44.20%,WUEy较T提高40.39%。