黃淮海北部農(nóng)田犁底層不同破除程度對(duì)夏玉米農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響

高建勝 郭建軍 崔慧妮 董國(guó)豪 郭良海 郭智慧 戶傳周 李擁軍

摘要：黃淮海平原由于連年旋耕導(dǎo)致犁底層加厚上移、耕層變淺、耕層生產(chǎn)能力下降，針對(duì)此問題，本試驗(yàn)于山東德州黃河涯村設(shè)置犁底層不破除（RT15）、犁底層破除1/3（DL20）、犁底層破除2/3（DL25）、犁底層完全破除（DL40）4個(gè)犁底層破除程度處理，研究大田條件下犁底層不同破除程度對(duì)夏玉米農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：部分破除犁底層后，夏玉米的株高、葉面積、凈光合速率、地上/地下干物質(zhì)重、產(chǎn)量均隨犁底層破除程度的增加而呈增加趨勢(shì)，DL25處理各指標(biāo)達(dá)到最大；DL25處理的玉米產(chǎn)量分別較DL40、DL20、RT15處理高4.6%、6.1%和17.3%；但完全破除犁底層，并不利于作物產(chǎn)量等指標(biāo)的進(jìn)一步提升，甚至有小幅降低。因此，在目前黃淮海平原農(nóng)田耕作方式、耕層結(jié)構(gòu)條件下，犁底層的存在阻礙玉米的生長(zhǎng)，將耕層深度增加到25 cm、適度打破而保留部分犁底層（5 cm）更有利于玉米產(chǎn)量的提高。

關(guān)鍵詞：玉米；耕作方式；犁底層；產(chǎn)量；黃淮海平原

中圖分類號(hào)：S513.061文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2018）03-0036-05

Abstract Annual rotary tillage has created a compacted plow pan and shallow arable layer which hamper the high crop yield in the Huang-Huai-Hai Plain region. In order to explore the effects of breaking the plow pan by different degrees on agronomic traits and yield of summer maize， the field experiments were conducted in Huangheya Village， Dezhou City of Shandong Province during 2014. Four treatments were conducted， including the original plow pan （RT15）， breaking the plow pan by 1/3 （DL20）， breaking the plow pan by 2/3 （DL25）， breaking the plow pan thoroughly （DL40）. The results showed that the plant height， leaf area， net photosynthetic rate， ground/underground dry matter and yield of summer maize increased with the increase of breaking degree of plow pan when breaking the plow pan partially. All the above indexes of DL25 treatment were the highest and the yield increased by 4.6%， 6.1% and 17.3% respectively than that of DL40， DL20 and RT15. While breaking the plow pan thoroughly was not beneficial to the promotion of yield indexes and even decreased slightly. In summary， the plow pan hindered the crop growth under the present cultivation method and the cultivated layer structure in the northern region of Huang-Huai-Hai Plain. Comprehensively considering the economic and environmental benefits， breaking the plow pan by 2/3 （DL25） was the best choice which could remarkably promote the summer maize yield.

Keywords Maize； Tillage treatments； Plow pan； Yield； The Huang-Huai-Hai Plain

黃淮海平原種植制度以小麥、玉米一年兩熟為主，是國(guó)家重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有舉足輕重的作用[1，2]。20世紀(jì)70年代后期，隨著國(guó)外旋耕機(jī)具的引進(jìn)和旋耕耕作法的逐步推廣，大大提高了耕作效率。與犁耕和耙耕相比，旋耕作業(yè)具有碎土性能好、適應(yīng)性強(qiáng)、作業(yè)效率高的優(yōu)點(diǎn)[3]，但長(zhǎng)期以旋代耕、以耙代耕，也造成一定弊端，即：因現(xiàn)行旋耕深度（15 cm左右）比過(guò)去的機(jī)械耕翻淺8～10 cm，造成耕層變淺[4]，且連年旋耕中的犁刀擠壓作用使土壤在耕作層與心土層之間形成了一層堅(jiān)硬、封閉的犁底層[5-8]；同時(shí)由于化肥的施用量逐年增加，土壤有機(jī)質(zhì)所膠結(jié)的團(tuán)聚體減少，土壤孔隙狀況得不到改善，對(duì)犁底層的形成也起到一定作用。對(duì)耕作土壤來(lái)說(shuō)，具有適當(dāng)厚度的犁底層對(duì)保持養(yǎng)分、貯存水分、促進(jìn)作物生長(zhǎng)是非常有益的，但犁底層過(guò)厚、堅(jiān)實(shí)，不僅阻礙作物根系的穿插，造成作物根系分布淺層化，同時(shí)阻礙了耕作層與心土層之間水、肥、氣、熱的連通性，對(duì)作物生長(zhǎng)、物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和能量的傳遞非常不利[9-11]。最新研究發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)行以旋耕為主的耕作模式下，黃淮海北部地區(qū)農(nóng)田犁底層普遍存在，主要分布在15～30 cm，犁底層平均厚度為15 cm[12]。

深松作為保護(hù)性耕作四大關(guān)鍵技術(shù)之一，被作為傳統(tǒng)旋耕的替代技術(shù)大力推廣應(yīng)用，該技術(shù)是一種只疏松土層而不翻轉(zhuǎn)土壤的抗旱耕作方法，其深度超過(guò)犁底層或土壤自然形成的硬土層分布深度。深松能夠疏松土壤、加厚耕層、提高土壤孔隙度、改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)水分的入滲能力、促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)發(fā)育、提高作物產(chǎn)量[13-16]。構(gòu)建合理耕層結(jié)構(gòu)是改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤蓄水能力和作物水分利用效率的重要途徑，而解決犁底層的問題是構(gòu)建合理耕層所要面對(duì)的首要問題之一，但目前關(guān)于犁底層的合理改良方式，尚未形成統(tǒng)一觀點(diǎn)。因此系統(tǒng)研究不同耕層結(jié)構(gòu)對(duì)作物生長(zhǎng)的影響及犁底層合理改良方式，合理優(yōu)化和改良耕層結(jié)構(gòu)，繼而創(chuàng)造有利于作物生長(zhǎng)發(fā)育和作物持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的土壤環(huán)境，是當(dāng)前以及今后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重大技術(shù)需求，對(duì)于我國(guó)大幅度提升耕地質(zhì)量和綜合生產(chǎn)能力、達(dá)到“藏糧于地”及糧食持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)具有重要意義。因此本團(tuán)隊(duì)采用定位觀測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)設(shè)置不同厚度犁底層處理，對(duì)比研究不同厚度犁底層對(duì)夏玉米農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響，以期為黃淮海平原構(gòu)建合理耕層提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

定位試驗(yàn)設(shè)在山東省德州市黃河涯村（E116°19′46.33″，N37°20′44.53″）。該地處于黃淮海平原，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫14.9℃，年降雨量504.9 mm，降水主要分布在6—8月。水源充沛，以黃河水灌溉為主。耕作制度為一年兩熟：冬小麥-夏玉米輪作。試驗(yàn)點(diǎn)以壤質(zhì)潮土為主。耕作方式為旋耕，于每年夏玉米收獲后進(jìn)行，耕層、犁底層厚度均為15 cm左右。

在試驗(yàn)地塊選取5個(gè)樣點(diǎn)，采集0～20 cm基礎(chǔ)土樣混合后風(fēng)干、磨碎過(guò)篩，按照常規(guī)方法測(cè)定pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀等指標(biāo)。試驗(yàn)點(diǎn)土壤基本理化性狀見表1。

1.2 試驗(yàn)處理與管理

根據(jù)黃淮海平原耕層結(jié)構(gòu)調(diào)研結(jié)果及試驗(yàn)點(diǎn)耕層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（耕層厚度15 cm，犁底層厚度15 cm）[12]，設(shè)置4個(gè)犁底層處理，分別為RT15、DL20、DL25、DL40。

RT15：犁底層不破除（耕層厚度15 cm），即每年麥播前旋耕15 cm，形成耕層、犁底層均為15 cm及下部心土層的耕層構(gòu)造。該構(gòu)造為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)耕作方式下形成，為本研究對(duì)照。

DL20：犁底層破除1/3（耕層厚度20 cm），即麥播前深松20 cm，同時(shí)配套旋耕15 cm，形成耕層20 cm、犁底層10 cm及下部心土層構(gòu)造。

DL25：犁底層破除2/3（耕層厚度25 cm），即麥播前深松25 cm，同時(shí)配套旋耕15 cm，形成耕層25 cm、犁底層5 cm及下部心土層的耕層構(gòu)造。

DL40：犁底層完全破除（耕層厚度40 cm），即麥播前深松40 cm，犁底層完全破除，形成全虛耕層構(gòu)造，同時(shí)配套旋耕15 cm。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理重復(fù)3次。小區(qū)面積15 m×12 m=180 m2，共12小區(qū)。為提升深松效果，采用深松機(jī)往返作業(yè)，深松間距10～15 cm。各處理均于2014年10月21日小麥播種前耕作，夏玉米為貼茬播種。供試麥種為濟(jì)麥22。玉米品種為鄭單958，種植密度67 500 株/hm2，于2015年6月22日播種，10月10日收獲。

冬小麥采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理。夏玉米季施氮240 kg/hm2，施磷75 kg/hm2，施鉀120 kg/hm2，其中33.3%氮肥和全部磷鉀肥作基肥施入，其余氮肥在大喇叭口期追施。試驗(yàn)期內(nèi)用水表記錄灌溉量，單次灌溉量為60 mm，于2015年6月23日灌水。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.1 玉米株高、葉面積測(cè)定 采用定株觀測(cè)法測(cè)量葉面積，即在拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄開花期每小區(qū)選3株代表性植株掛牌標(biāo)記，測(cè)量葉面積；在抽雄開花期每小區(qū)選取代表性植株10株，測(cè)量株高。

1.3.2 凈光合速率 在玉米抽雄吐絲期選擇晴朗無(wú)風(fēng)天氣，于9∶00—11∶00采用Li-6400A光合儀（Li-Cor，美國(guó)）測(cè)定光合參數(shù)。采用紅藍(lán)光源葉室測(cè)定，設(shè)定光量子度（PAR）為1 200 μmol/（m2·s），樣本室內(nèi)氣流速度（Flow）為500 μmol/s，葉室溫度為30℃。每小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的玉米3株，在每株相同部位選取完全伸張的向陽(yáng)葉片，每片葉讀數(shù)5次，取15次平均結(jié)果。

1.3.3 干物質(zhì)測(cè)定 于拔節(jié)、大喇叭口、抽雄開花期每小區(qū)選取代表性植株3株，將其分為地上、地下兩部分，105℃殺青30 min，然后80℃下烘干至恒重稱重。

1.3.4 測(cè)產(chǎn)及考種 每小區(qū)取6.67 m2測(cè)產(chǎn)，同時(shí)選取10個(gè)代表性樣穗風(fēng)干考種，記錄穗粗、穗長(zhǎng)、禿頂長(zhǎng)、穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒重，計(jì)算水分含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。采用SPSS 20.0數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 犁底層不同破除程度對(duì)玉米農(nóng)藝性狀的影響

不同犁底層破除程度對(duì)玉米抽雄開花期株高的影響如圖1所示。株高受犁底層破除程度影響顯著，且隨犁底層破除程度增大呈先增加后減小趨勢(shì)。DL25處理玉米植株最高，其次是DL40處理，分別較對(duì)照（RT15）提高6.1%和4.8%，而DL40與DL25處理之間差異不顯著。

不同犁底層破除程度對(duì)玉米主要生育期（拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄期）葉面積的影響如圖2所示。犁底層不同破除程度對(duì)玉米3個(gè)生育時(shí)期葉面積的影響顯著，均表現(xiàn)為DL25處理葉面積最大，且在3個(gè)生育時(shí)期內(nèi)均表現(xiàn)為隨犁底層破除程度的增大呈先增加后減小趨勢(shì)，同時(shí)在3個(gè)生育時(shí)期內(nèi)DL25處理與DL20、RT15處理之間存在顯著差異。拔節(jié)期DL25處理葉面積較DL20、RT15分別高13.9%、45.9%；大喇叭口期DL25處理較DL20、RT15分別高14.7%、15.7%；抽雄開花期DL25處理較DL20、RT15分別高13.3%、16.7%；但各時(shí)期內(nèi)DL25與DL40處理之間無(wú)顯著差異。

從圖1、圖2株高及葉面積數(shù)據(jù)可以看出，不同程度地破除犁底層均能顯著促進(jìn)玉米植株生長(zhǎng)，且將犁底層破除2/3（DL25）后各指標(biāo)達(dá)最優(yōu)。

2.2 犁底層不同破除程度對(duì)玉米凈光合速率的影響

從圖3可以看出，不同程度破除犁底層后均能顯著提高玉米抽雄開花期的凈光合速率，各處理表現(xiàn)為：DL25﹥DL40﹥DL20﹥RT15，以犁底層破除2/3（DL25）處理植株的凈光合速率最高，較DL20、RT15分別高9.1%、16.1%，而DL40與DL25之間差異不顯著。

2.3 犁底層不同破除程度對(duì)玉米干物質(zhì)積累的影響

如圖4、圖5所示，犁底層不同破除程度對(duì)玉米3個(gè)生育時(shí)期地上、地下部干物質(zhì)積累的影響顯著，均隨犁底層破除程度增大呈先增加后減少趨勢(shì)，同時(shí)均以DL25處理數(shù)值最大，且在各生育時(shí)期內(nèi)DL25處理與DL20、RT15之間差異顯著。拔節(jié)期DL25處理地上部干物質(zhì)重較DL20、RT15處理分別高73.8%、76.9%，地下部干物質(zhì)重較其分別高31.5%、37.2%；大喇叭口期DL25地上部干物質(zhì)重較DL20、RT15處理分別高20.4%、33.9%，地下部干物質(zhì)重較其分別高23.2%、36.4%；抽雄開花期DL25處理地上部干物質(zhì)重較DL20、RT15處理分別高18.7%、38.7%，地下部干物質(zhì)重較其分別高24.0%、38.6%；但各時(shí)期內(nèi)地上、地下部干物質(zhì)重DL25與DL40處理間均無(wú)顯著差異。

2.4 犁底層不同破除程度對(duì)夏玉米產(chǎn)量及穗部性狀的影響

如表2所示，不同處理中，DL25處理的穗粗、穗粒數(shù)、百粒重、產(chǎn)量值最大，其次是DL40、DL20，RT15處理最小。穗長(zhǎng)為DL40最長(zhǎng)，禿尖長(zhǎng)DL20處理最長(zhǎng)。在產(chǎn)量性狀中，玉米產(chǎn)量隨犁底層破除程度的增大呈先增加后減少趨勢(shì)，且DL25處理較DL40、DL20、RT15分別高4.6%、6.1%、17.3%。因此從產(chǎn)量角度看，不同程度破除犁底層均能顯著提高玉米產(chǎn)量，以犁底層破除2/3（DL25）產(chǎn)量最高。

3 討論與結(jié)論

耕層構(gòu)造是由耕作土壤及其覆蓋物所組成，是人類耕作加工后形成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)及覆蓋物的總稱[17]，良好的耕層構(gòu)造狀況決定整個(gè)土體與外界水、肥、氣、熱交換能力的高低，是保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)[18]。在現(xiàn)行以旋耕為主的耕地模式下，黃淮海北部地區(qū)農(nóng)田普遍存在犁底層，主要分布在15～30 cm之間。犁底層容重和穿透阻力遠(yuǎn)大于耕層及心土層，其平均容重約為1.54 g/cm3；過(guò)厚的犁底層阻礙了作物根系的下扎，造成作物根系分布淺層化，易造成作物水分脅迫，同時(shí)不利于根系吸收深層養(yǎng)分[12]。本研究中，通過(guò)不同程度地破除犁底層，使耕層厚度加深，結(jié)果顯示：玉米株高，主要生育時(shí)期葉面積、地上地下干物質(zhì)重，抽雄開花期凈光合速率及產(chǎn)量均隨犁底層破除程度的增加而呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)，均以DL25處理各指標(biāo)值達(dá)到最大；DL25處理產(chǎn)量較DL40、DL20、RT15處理分別提高4.6%、6.1%、17.3%。這是由于不同程度破除犁底層后，促進(jìn)了水分充分入滲和貯存，營(yíng)造出對(duì)作物更有利的水、肥、氣、熱環(huán)境條件，有助于葉綠素的合成、根系生長(zhǎng)[19]，進(jìn)而促進(jìn)玉米植株的生長(zhǎng)發(fā)育，最終增產(chǎn)。前人研究亦發(fā)現(xiàn)，深松耕作破除犁底層能夠顯著提高作物產(chǎn)量[20]，但本研究發(fā)現(xiàn)玉米產(chǎn)量并不是隨著犁底層破除程度的增大而一直增加，完全破除犁底層并不利于作物產(chǎn)量等指標(biāo)的進(jìn)一步提升，甚至有小幅降低。這可能是完全破除犁底層后形成的全虛耕層構(gòu)造，使得水分、養(yǎng)分下滲流失嚴(yán)重，因此保留部分犁底層更有利于水分、養(yǎng)分的蓄積，同時(shí)又不影響土體與外部環(huán)境的氣、熱交換，為玉米的生長(zhǎng)提供良好的水、肥、氣、熱條件。

綜上，在目前黃淮海平原農(nóng)田耕作方式、耕層結(jié)構(gòu)條件下，犁底層的存在阻礙了作物的生長(zhǎng)，將耕層深度增加到25 cm、適度打破而保留部分犁底層（5 cm）更有利于玉米產(chǎn)量的提高。

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